撥水性、光透過性、柔軟性を兼ね備えた断熱材を開発 キトサン系材料の耐湿性を改善し実現

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従来のキトサンエアロゲルと今回開発した撥水エアロゲルへの水滴滴下の様子(左)と撥水エアロゲルの電子顕微鏡写真(右)

産業技術総合研究所(産総研)は2017年9月4日、エビやカニの甲殻から得られる天然高分子のキトサンを素材とし、撥水性、光透過性、柔軟性を兼ね備えた超低密度の多孔体(撥水エアロゲル)を開発したと発表した。課題であった水への弱さを克服し、窓などに貼り付けられる光透過性断熱材としての応用が期待できる。

民生・家庭部門のエネルギー消費量の増加により、建物の省エネ化が求められる中で、熱の出入りが大きい窓などの採光部に利用できる断熱技術の開発が急がれている。しかし現在利用されている複層ガラスや真空断熱窓などには、重い、厚い、曲げられないといった制約がある。また高断熱性と光透過性をあわせ持つ材料である超低密度のシリカゲル(シリカエアロゲル)も、もろく割れやすいため、窓用断熱材としては普及していない。

産総研ではこれまで、断熱性・光透過性・柔軟性をあわせ持つ新規材料として、キトサンを素材とした超低密度の多孔体(キトサンエアロゲル)の開発を行ってきた。この多孔体は直径5~10nmのキトサン繊維が絡み合った三次元網目構造を持ち、体積の約97%が空隙だ。また、シンプルなプロセスで製造できる。一方、キトサンなどの多糖類高分子は、水との親和性が高い部位を分子内に多く含むため湿気に弱い。特に外気との接触面積が大きいキトサンエアロゲルは、空気中の湿気で変質するなどの問題があった。

今回産総研では、キトサンエアロゲルの耐湿性の向上に取り組んだ。キトサンにはアミノ基(NH2)と水酸基(OH)の2種類の親水性部位が含まれるが、今回の技術では、従来のキトサンエアロゲルの均質な三次元網目構造を維持しながら、アミノ基を架橋し、水酸基を疎水化剤で修飾して疎水化した。

まず、キトサン水溶液に架橋剤を加えてアミノ基同士を架橋させて疎水化し、同時に溶液をゲル化する。このゲルに含まれる水を有機溶媒に交換したのち、水酸基をトリメチルシリル基(Si(CH3)3)で修飾して疎水化する。次に高圧CO2により溶媒を抽出して乾燥させ、撥水エアロゲルを得る。

従来の乾燥プロセスでは溶媒にアルコールを用い、アルコールとCO2が高圧で均一相を作ることを利用していた。しかし、アルコール/CO2系は高圧でプロトン(H+)が生成され、疎水基を分解/除去して水酸基に戻してしまう。そこで今回、プロトンを生成しないアセトン/CO2系を用いて、疎水基をそのままに乾燥させるプロセスを確立した。

撥水エアロゲルの製造プロセス

今回開発した撥水エアロゲルは、水滴をはじき内部へ浸透させない。その撥水性は疎水基の導入量に依存し、全水酸基の20~30%を疎水基で修飾した場合、約120°の水滴接触角(水滴が固体に接する場所で水滴液面と固体表面がなす角度)を示した。また、従来のキトサンエアロゲルと同等の空隙率(96~97%)のナノ構造と、光透過性(厚さ1mm相当に換算して波長800nmで透過率78%)を維持していた。圧縮に対しては、疎水基導入量に関わらず、90%程度以上の圧縮変形でも割れずに均一に圧縮され、キトサン繊維を疎水化しても、三次元網目構造による機械的強靭さが保持されていた。

今後産総研では、光透過性断熱材としての実用化を目指し、条件を最適化して透明性をさらに向上させるという。また、信頼性の高い断熱性能評価ができる大型試料の製造と、製造プロセスの低コスト化/高速化に取り組むとしている。

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