研究者らは、木材ベースのバイオ製品リグニンをナノ粒子に変換して、防曇特性を備えたクリアコーティングまたは着色された反射防止表面を作成する迅速かつ簡単な方法を開発しました。この発見により、この豊富な廃棄物が、眼鏡から車の窓に至るまで幅広い用途で有用な物質に変換されます。
現在、循環経済と気候変動に注目が集まっているため、木材の細胞、繊維、容器を結合させる有機物質であるリグニンは、化石材料に代わる可能性のある有望な再生可能資源と考えられています。しかし現在、この紙パルプ産業の副産物は十分に活用されておらず、約98％が暖房や発電のための燃焼に使用されています。
リグニンの使用における障害の 1 つは、その複雑な分子構造により分解が困難であることです。今回、フィンランドのアアルト大学の研究者は、リグニンを防曇性と反射防止特性を持つバイオベースのクリアコーティングに変換する方法を開発しました。
リグニン ナノ粒子 (LNP) は親水性があり、テクスチャの作成に適しているため、光学用途、特に防曇性が必要な用途に最適です。しかし、この用途を達成する際の 1 つの問題は、粒子の不透明性を克服することであり、これには膜厚の正確な制御が必要です。
今回の研究では、粒子が小さいほど曇りにくく、光をより均一に散乱させるため、研究者らは不透明度の問題を克服するためにLNPのサイズを小さくすることに検討した。
「光学コーティングは透明である必要があるが、これまでのところ、リグニン粒子のかなり薄いフィルムさえも見ることができた」と研究の筆頭著者であるアレクサンダー・ヘン氏は述べた。 「粒子が小さいほど濁りが少ないことが分かっているので、粒子サイズを最小限に抑えることで目に見えない粒子膜を作成できるかどうかを確認したいと思いました。」
粒子サイズを小さくするために、研究者らはアセチル化（有機化合物にアセチル官能基を導入するエステル化反応）を通じてリグニンを化学的に修飾した。酢酸を使用して反応を促進することにより、反応は 140°F (60°C) の比較的低温でわずか 10 分で完了し、予想外の特性を備えた高濃度の超小型 LNP が生成されました。
「私がアセチル化リグニンから作ったリグニン粒子は非常に驚くべき特性を持っており、それがこの研究の他の部分を非常に興味深いものにしました」とヘン氏は語った。 「たとえば、フォトニックフィルムを作成できる可能性はまったく予想外でした。」
粒子のサイズが小さいため、研究者らは、透明なサブ単層から多層フィルムに至るまで、層の厚さと外観を制御することができ、これにより、さまざまな波長の光の色と吸収を制御できるようになりました。
彼らは、極薄のクリアコーティングが水滴による光散乱を軽減することを発見し、アセチル化リグニンがクリア表面の防曇コーティングとしての使用に適していると結論付けました。さらに、コーティングを厚くし、複数の薄膜層を使用することで、研究者はコーティングの色を制御し、明るい黄色、青、紫を生み出すことができます。これらの厚いコーティングにはフォトニック特性もあり、光を反射します。
研究者らは、アセチル化反応の速度と単純さ、そしてその高い収率は、リグニンが炭素吸収源であるというさらなる利点とともに、工業レベルまでスケールアップできることを意味すると述べている。
この研究の責任著者の一人であるモニカ・エステルバーグ氏は、「リグニンベースの製品は商業的価値があると同時に、炭素吸収源としても機能する可能性があり、現在の化石燃料への依存を緩和し、CO2排出量を削減するのに役立つ。このような高価値の用途は、リグニンを燃料としてのみ使用しないようリグニンの価値向上を促進するために重要である。」と述べた。
この研究はJournal of Chemical Engineeringに掲載されました。