客观日本

东京大学等多所大学开发出以植物为原料的史上最耐热塑料

2020年10月28日 化学材料

本文根据东京大学研究成果发布资料编译而成

东京大学研究生院农学生命科学研究科的大西康夫教授、北陆先端科学技术大学院大学先端科学技术研究科的金子达雄教授、神户大学研究生院工学研究科的荻野千秋教授及筑波大学生命环境系的高谷直树教授等人组成的联合研究团队,以生物质等植物为原料,成功研制出了史上最耐热塑料(图1)。

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图1:利用纸浆生产超高耐热塑料薄膜的一系列生产工艺

研究内容

研究团队中的神户大学开发出了对典型的非食用生物质纸浆有效进行酶解糖化,生产含高浓度葡萄糖的糖化液(最高为90g/L)的系统,另外,还联合东京大学着眼于高度耐热的聚苯并咪唑(PBI),利用生产其原料——芳香族化合物(3-氨基-4-羟基苯甲酸:AHBA)的转基因棒状杆菌,通过纸浆糖化液发酵生产了AHBA(3.3g/L),并进行了高纯度纯化。此外,筑波大学还培育了生产共聚化合物4-氨基苯甲酸(ABA:芳纶纤维原料)的转基因大肠杆菌,同样通过纸浆糖化液发酵生产了ABA(1.6g/L),并进行了高纯度纯化。

另一方面,通过使用化学产品进行研究,研究团队中的北陆先端大学还开发了通过AHBA轻松合成PBI的直接原料——3,4-二氨基苯甲酸(DABA)的方法,以及通过DABA制作PBI薄膜的方法,同时还发现通过共聚DABA和ABA,能大幅提高耐热性,实现了现有塑料中最高的耐热水平(DABA:ABA=85:15共聚物重量减少10%的温度超过740℃,表1)。

最终结果显示,可通过用纸浆糖化液发酵生产的芳香族化合物制作具备同等性质的PBI薄膜,成功构建了利用纸浆生产超高耐热性PBI薄膜的一体化生产工艺的原型。

此次开发的超高耐热性生物PBI还具有出色的强度和轻量性,有望用于各种用途。首先,由于其耐热性非常高,不会在各种轻量金属(铝、镁、锌、锡等)的熔点分解,因此可以与这些轻量金属熔融复合,用于对轻量化社会至关重要的汽车车身、建筑材料等社会基础设施,以及需要实现轻量化和高耐热性的驱动部周边材料(漆包线、高耐热绝缘纸、歧管、油底壳)。这些传输设备对轻量化的要求精确到克,生物PBI有望为能源削减以及无石油社会和低碳社会做出贡献。

另外研究团队还发现,可以将PBI锂离子化,作为锂离子电池的固体电解质使用,应该还能开发耐热性更高的固体电解质,可以为新一代电动汽车的开发做出贡献。

表1:新开发的生物PBI及含芳纶的生物PBI的热解温度比较表

塑料

10%热解温度

力学强度

弹性模量

(℃)

(MPa)

(GPa)

Bio-PBI薄膜(100/0)

716

68

3.3

Bio-Ami-PBI(85/15)薄膜

743

66

3.2

代表性PBO(此前是耐热性最高的)

715

5800

180

代表性芳纶

585

3000

112

代表性聚酰亚胺

580

231

2.5

现有PBI

570

100

5

尼龙6

415

75

2.4

*Bio-Ami-PBI拥有史上最高的热解温度,力学特性也非常强(与尼龙相同)

论文信息
题目:Ultrahigh Thermoresistant Lightweight Bioplastics Developed from Fermentation Products of Cellulosic Feedstock
期刊:Advanced Sustainable Systems(在线版:10月14日公开)
DOI:10.1002/adsu.202000193

研究成果发布资料
编译:JST客观日本编辑部

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