森林資源由来の高性能プラスチック代替素材「改質リグニン」の開発

新素材研究拠点

山田 竜彦・ネーティティ・大橋 康典・髙橋 史帆・髙田 依里
池田 努

森林資源化学研究領域

リグニンは、植物細胞壁を構成する成分の一つで、木材には約20～35％含まれています。リグニンは樹木をしっかりした構造にする役割をもつ成分で、高性能材料の素材となる可能性をもつものの、バラツキが大きく、変質もしやすいため工業材料化は困難と考えられてきました。私達は、リグニンの有効利用の方法を検討する中で、リグニン源を国内のスギに限定してバラツキを解消し、高い加工性をもつように改質しながら抽出する新技術の開発に成功し「改質リグニン」とよばれる新素材を生み出しました。改質リグニンは熱に強い、加工しやすい、環境にやさしいという理想的な特徴を持ち、様々な製品の素材としての活用が期待されています。

成果用いることを想定しており、既存の木材産業への追加のビジ改質リグニンの開発ています。

ネス展開が可能で、中山間地域の活性化への貢献が期待されリグニンは陸上植物を固くしっかりした構造にする役割を持つ成分で、地上2番目に多い有機化合物といわれています。

改質リグニンの製品展開石油化学製品の代替素材としても有望視されてきましたが、改質リグニンは、天然由来の芳香族系高分子でありながら、植物の種類により性質が異なり、バラツキも大きく、変質も結合した PEG の作用で製品化する際の加工性に優れており、しやすいので、高性能な工業材料化は困難とされていました。

工業材料化において使いやすい素材となっています。芳香族

私達は、リグニンの有効利用の方法を模索する中で、次の2系高分子の特徴である、高強度や高耐熱性などの特徴を生かつの観点から技術を見直し、新しい素材の開発に成功しました。

して様々な高機能材料が試作できました（図2）。炭素繊維な一つはリグニン源の絞り込みです。この点においては、日どの繊維強化材（FRP）を製造する際に繊維を固めるための本の山林には大きなアドバンテージがありました。リグニン樹脂（マトリックス樹脂）として利用すると、高強度な炭素源として適していたのは「スギ」だったのです。スギは日本繊維強化材料（CFRP）やガラス繊維強化材（GFRP）が製造の林業を代表する造林木で、一属一種の日本固有の針葉樹でできることで注目されています。GFRP の応用としては、世す。幸いなことにスギのリグニンは均一で、他の樹木に比べ界で初めて自動車用の外装材にリグニン系材料を導入した試て構造のバラツキが少なく、性質の安定したリグニン源とし験車を製造し実装試験を進めています（図2④）。また、ハイて適していました。

レゾスピーカーのウーファーの素材として採用され、商品化

もう一つは、工業材料用素材として求められる加工性を担も達成されました（図2⑤）。改質リグニンは高性能でありな保した取り出し方です。それには、ポリエチレングリコー

がら、環境中で分解するため、流出しても海洋プラスチックル（PEG）という安全で生分解性を持つ薬剤を用いることで汚染問題を生じない地球の炭素循環に適合するエコ素材で、達成できました。スギの木粉を PEG に浸漬して少量の酸と共脱炭素社会・ゼロエミッションの達成に貢献することができに加熱することで、リグニン部分を分解すると同時に PEG とます。

結合して、改質する新技術を開発しました。生産物は、PEGで改質されたリグニン分解物であるので、PEG 改質リグニン（改質リグニン）、もしくはグリコールリグニン（GL）と呼ばれています。改質リグニンの製造技術においては、一度に68研究資金と課題
本研究は、内閣府

戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）

50kgの木粉を仕込むレベルのベンチプラントまでスケールアッ「次世代農林水産業創造技術」（管理法人：生研支援センター）（地域プしたシステム開発と効率化の検討を行いました（図1）。改のリグニン資源が先導するバイオマス利用システムの技術革新）に質リグニンの生産は、端材（おがこ、鉋屑）など未利用物をよる成果です。

森林由来の新素材「改質リグニン」の製造プロセスを開発
森林由来の新素材「改質リグニン」の製造プロセスを開発

改質リグニン製造ベンチプラント
改質リグニン製造ベンチプラント
Wood

Wood
①① 木粉
木粉

改質リグニン
改質リグニン⑥⑥H2SO4触媒H2SO4
触媒

③③④④

排水0.1M
NaOH
0.1M
NaOH

RecycleRecycleリサイクル薬剤
リサイクル薬剤
Fresh
Fresh
グリコール系薬剤（PEG等)
グリコール系薬剤（PEG等)

排水②②

pH調整用
H2SO4
pH調整用
H2SO4

固形分(パルプ)（副産物として利用）固形分(パルプ)（副産物として利用）

⑤⑤
pH調整
pH調整

改質リグニン
改質リグニン

図１ 改質リグニン製造ベンチプラントの工程
図１図1
改質リグニン製造ベンチプラントの工程
改質リグニン製造ベンチプラントの工程①加溶媒分解リアクター（木材中のリグニンは分解すると同時にPEGと結合して改質される）、②フィルタープレス（副①加溶媒分解リアクター（木材中のリグニンは分解すると同時にPEGと結合して改質される）、②フィルタープレス（副①加溶媒分解リアクター（木材中のリグニンは分解すると同時に PEG と結合して改質される）、②フィルタープレス（副産パルプを分離）、産パルプを分離）、③酸沈殿工程（酸性化することで分離）、④濾過もしくは遠心分離による固液分離、⑤薬液リサイク
産パルプを分離）、③酸沈殿工程（酸性化することで分離）、④濾過もしくは遠心分離による固液分離、⑤薬液リサイク③酸沈殿工程（酸性化することで分離）、④濾過もしくは遠心分離による固液分離、⑤薬液リサイクル（水を除去して PEG を再生）
ル（水を除去してPEGを再生）
ル（水を除去してPEGを再生）

改質リグニンを用いた製品開発例
改質リグニンを用いた製品開発例①①

改質リグニン―粘土
改質リグニン―粘土
ハイブリッド膜
ハイブリッド膜③③②②改質リグニン電子基板
改質リグニン電子基板

タッチセンサー用改質リグニン
タッチセンサー用改質リグニン
フレキシブル基板
フレキシブル基板⑤⑤④④

改質リグニン炭素繊維強化材を改質リグニン炭素繊維強化材を導入したウーファーユニット
導入したウーファーユニット
改質リグニンをウーファーの素材と改質リグニンをウーファーの素材として導入したハイレゾスピーカー
して導入したハイレゾスピーカー

改質リグニン外・内装材（繊維強化材：ＦＲＰ） 搭載車両
改質リグニン外・内装材（繊維強化材：ＦＲＰ） 搭載車両⑦⑦⑧⑧⑥⑥
ジビエストレッチャー（ジビエ搬出装置）
ジビエストレッチャー（ジビエ搬出装置）（改質リグニン繊維強化材）（改質リグニン繊維強化材）

図2

改質リグニンジョイントシート
改質リグニンジョイントシート
配管シール材（ガスケット）
配管シール材（ガスケット）

３Ｄプリンター用生分解性改質リグニン
３Ｄプリンター用生分解性改質リグニン
フィラメントと３Ｄプリンター造形物
フィラメントと３Ｄプリンター造形物

写真：①、②、③産総研、④森林総研、産総研、(株)宮城化成、(株)光岡自動車、⑤オオアサ電子(株) 、(株)宮城化成、
写真：①、②、③産総研、④森林総研、産総研、(株)宮城化成、(株)光岡自動車、⑤オオアサ電子(株) 、(株)宮城化成、⑥長野トヨタ(株)、(株)宮城化成、⑦ジャパンマテックス(株)、⑧ネオマテリア(株)、森林総研
写真：①、②、③産総研、④森林総研、産総研、(株 ) 宮城化成、( 株 ) 光岡自動車、⑤オオアサ電子 ( 株 ) 、( 株 ) 宮城化成、⑥長野トヨ⑥長野トヨタ(株)、(株)宮城化成、⑦ジャパンマテックス(株)、⑧ネオマテリア(株)、森林総研
タ ( 株 )、( 株 ) 宮城化成、⑦ジャパンマテックス ( 株 )、⑧ネオマテリア ( 株 )、森林総研

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