Scientific and Educational Reports of the Facultyof Science and Technology, Kochi University
Vol. 2 (2019), No. 8

セルロースナノファイバーを用いたデンプン発泡体の補強と強度評価
岡山県立玉島高等学校

理数科

弘中誠勝 吉田拓樹
１要約
セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）は植物由来で、生分解性があり、親水性、増粘効果などの特徴がある。

現在は発泡スチロール代替品として、生分解性のデンプン発泡体の開発が進められているが、強度は十分ではなく普及が進んでいない。そこで、私達は植物由来のデンプン発泡体のＣＮＦによる補強及びその実用化に向けた強度評価を実施した。また、ＣＮＦ分散液とデンプン及び少量のタルクを混合し、電子レンジで加熱することで均一に混練する独自の手法についても検討を行った。発泡体の強度評価には自作の圧縮試験機を用い、非強化品、ＣＮＦ強化品の圧縮強度と圧縮弾性率を計測した。その結果、ＣＮＦを添加することでデンプン発泡体の圧縮弾性率を 1.7 倍に補強することが可能となったので報告する。
【キーワード】セルロースナノファイバー、デンプン発泡体、電子レンジ加熱、圧縮強度、圧縮弾性率２

研究の目的
近年、プラスチック廃棄物による環境汚染が深刻化している。環境省による平成２８年度の日本沿岸の海3.1.1 デンプン発泡体の水比の検討＜目的＞
デンプン発泡体の作製条件の一つであるアミロペク

洋ごみ調査では、人工物の漂着ごみの上位は漁具、プチン水和物と水の最適な混合比を調べる。

ラスチック類、発泡スチロールであった。近年、それ＜方法＞

らの廃棄物による海洋汚染問題の観点から、発泡スチビーカーにイオン交換水 5.4 g とアミロペクチン水ロールに代わる生分解性発泡体としてデンプン発泡体和物を表 1 の通り測り取り、マグネチックスターラーの開発が進められている。一方で、既存の発泡スチロで 2 分間撹拌した後、電子レンジの出力を 900 W に設ールと比較して強度が不十分であるという問題点から、 定し、2 分 30 秒間加熱した。
緩衝材として実用化されたものの十分な普及には至っ

表１ デンプン発泡体の成分配合表ていない。そこで本研究では、緩衝材用途における環境負荷の低減に有意なデンプン発泡体の強度改良を目

配合成分
サンプル的とし、同じく植物由来で生分解性のあるセルロースナノファイバー（ＣＮＦ）を用いたデンプン発泡体の補強に関して検討を行った。

イオン

アミロペク

交換水チン水和物（ｇ）（ｇ）

5.45.45.4

3.6
4.3
5.4

ＡＢ
Ｃ

配合比率
アミロペク
チン水和物：

イオン
交換水

1.00：1.50
1.00：1.25
1.00：1.00＜結果＞
３ 研究内容3.1

デンプン発泡体の作製＜目的＞
強度評価の基準となるデンプン発泡体の作製条件を調べ、再現性があるデンプン発泡体の作製条件を決定する。

図１の断面写真からサンプルＣが他のものと比べ最も均一な発泡体だということが分かった。そして、ア
ミロペクチン水和物と水の比が１：１に近づくほど均一な発泡体になることが分かった。
サンプルＡ

サンプルＢ

サンプルＣ

＜器具及び＞
電子レンジ（IRIS OHYAMA MO-F1801）、マグネチックス
ターラー、TPX 製ビーカー（50 mL）、ストップウォッ
チ、電子天秤、アミロペクチン水和物（東京化成製）、タルク（平均粒径６～10 μm，富士フィルム和光純薬

45 mm製）、イオン交換水を用いた。

図１ デンプン発泡体の断面写真＜考察＞
Received: April 20, 2019
Reviewed by anonymous referee(s), and accepted: June 25, 2019
Published: July 24, 2019

今回の結果からサンプルＣが最適な配合であるが、＜考察＞

この配合ではマグネチックスターラーによる撹拌が困

タルクが発泡核剤として働いたことでサンプルＥは難であり、再現性のあるデンプン発泡体が作製できなサンプルＤよりも均一な発泡体になったと考えられる。

い。そこで、今回私達はアミロペクチン水和物と水のそして、以上の結果から、強度評価の基準となるデ最適な配合比をマグネチックスターラーによる撹拌がンプン発泡体を 50 mL ビーカーで作製するときの最適可能な限界範囲である 1：1.08 に決定した。

条件は、表３の通りである。
表３ デンプン発泡体を作製するときの最適条件

3.1.2

デンプン発泡体のタルク添加量の検討＜目的＞
デンプン発泡体を作製する際に、タルクが発泡の核となることで、発泡体の殻一つ一つの大きさを均一にまた、細かくする効果のあるタルクの添加量の最適な量を調べる。
＜方法＞
ビーカーにイオン交換水 5.4 g とアミロペクチン水和物 5.0 ｇを測り取り、マグネチックスターラーで 2分間撹拌した後、タルクを表２の通り入れさらに 2 分間攪拌する。その後、電子レンジの出力を 900 W に設定し、2 分 30 秒間加熱した。

アミロペクチン水和物（ｇ）
イオン交換水（ｇ）
タルク（ｇ）
電子レンジ出力（Ｗ）
加熱時間（秒）5.05.40.10
900150（50 mL ビーカーで作製するときの値）

3.2 ＣＮＦ含有のデンプン発泡体の作製＜目的＞
ＣＮＦによるデンプン発泡体の補強効果を調べるた
め、ＣＮＦ含有のデンプン発泡体を作製する。
＜器具と材料＞
セルロースナノファイバー

nanoforest

CNF-1（中越パルプ工業製）、株式会社日立ハイテクノロジーズ卓上表２．タルク添加量の配合表
サンプル

イオン交換水（ｇ）

配合成分
アミロペクチン水和物（ｇ）

ＤＥＦ

5.4
5.4
5.4

5.0
5.0
5.0

顕微鏡 Miniscope TM3030(加速電圧 1.5 ｋV,倍率 800
タルク（ｇ）
0.100.50倍)、他 3.1 の＜器具及び試薬＞を参照＜方法＞
ビーカーにＣＮＦ分散液（0.97 wt%）を 7.0 g とアミロペク
チン水和物 5.0 ｇを測り取り、マグネチックスターラーで 2※タルクのみ精密天秤で計測した。

分間撹拌した後、タルクを入れさらに 2 分間攪拌する。そ＜結果＞の後、電子レンジの出力を 900 W に設定し、表４の加熱時

図 2 の断面写真からサンプルＥが他のものと比べ最も間で加熱した。また、ＣＮＦ分散液（0.97 wt%）が 7.0 g とした均一な発泡体だということが分かる。

理由は、マグネチックスターラーによる撹拌が可能な限界

サンプルＤ

サンプルＥサンプルＦが 7.0 g だからである。
表４ 電子レンジ加熱時間45 mm

条件加熱時間（秒）

Ｇ
Ｈ
Ｉ

150
170180＜結果＞
図2

デンプン発泡体の断面写真

表５の結果から、条件Ｈが最適な加熱時間だということが分かった。そして、条件Ｇでは加熱時間が足りず、条件Ｉでは加熱時間が長すぎることが分かった。
また、図４の結果から、通常のデンプン発泡体とＣＮＦ含有のデンプン発泡体で発泡倍率に差があり、ＣＮＦ含有のデンプン発泡体の方が発泡倍率が小さいことが分かった。そこで、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて各々の発泡体の表面観察を行ったところ、図５

図3

発泡前のデンプン分散液と発泡体（サンプルＥ）

及び図６に示すように、非強化品とＣＮＦ強化品の殻の厚みには差があり、ＣＮＦ強化品の方が厚いことが多くする必要があったので、通常のデンプン発泡体よ分かった。

り電子レンジ加熱時間が増加したと考えられる。また、

表５ デンプン発泡体の表面

通常のデンプン発泡体とＣＮＦ含有のデンプン発泡体

条件

表面のべたつき

表面の焦げつきの発泡倍率に差があるのは、通常のデンプン発泡体とＧ
Ｈ
Ｉ

あり
なし
なし

なし
なし
あり

違いＣＮＦ含有のデンプン発泡体では、デンプン分散液にさらにセルロースナノファイバーを分散しており、そのことで分散液の粘度が増加していたからである。
それによって、ＣＮＦ含有のデンプン発泡体が発泡しづらくなったからだと考えた。このことから、ＣＮＦ強化品の方が殻の厚みが厚いのは、ＣＮＦ強化品の方が発泡倍率が小さく、ＣＮＦ強化品の方が非強化品よりも、同体積をしめるアミロペクチンの量が多いからだと考えられる。

図４ 通常のデンプン発泡体（サンプルＥ，左）と条件Ｈで作製したＣＮＦ含有デンプン発泡体（右）の比較

図７ 通常のデンプン発泡体とＣＮＦ含有のデンプン発泡体の発泡の過程

3.3

デンプン発泡体の強度評価＜目的＞
非強化品である通常のデンプン発泡体とＣＮＦ強化
図５ 通常のデンプン発泡体（サンプルＥ）の SEM 写真品であるＣＮＦ含有のデンプン発泡体の圧縮強度と圧縮弾性率を自作の圧縮試験機を用いて計測することでデンプン発泡体の強度評価を行い、ＣＮＦによる補強効果を確かめる。
3.3.1

発泡体の密度測定＜目的＞
発泡体の圧縮強度、圧縮弾性率などの物理的性質と密度の間には関係があることが知られているので、今回作製したデンプン発泡体の密度を測定し関係性を理解する。
＜器具と材料＞
図６ 条件Ｈで作製したＣＮＦ含有デンプン発泡体の SEM 写真

フェライト磁石（直径 30 mm）、木工用丸やすり、糸鋸、＜考察＞

カット長を 20 mm に設定した切断用器具、精密天秤、今回作製したＣＮＦ含有のデンプン発泡体は、通常のデンプン発泡体よりも電子レンジ加熱前の水分量をデシケーター、硝酸マグネシウム飽和水溶液

電子レンジの出力を 900 W、加熱時間を 2 分 30 秒に設定し加熱した。その後 3.3.1 と同様の方法で密度を測定した。今回、3.1.1 の結果からイオン交換水 5.4g に20mm

対してアミロペクチン水和物 5.5 ｇではマグネチックスターラーによる撹拌が困難であることは分かってい図８ カット長を 20 mm に設定した自作の切断用器具＜方法＞たので手作業で撹拌を行った。
＜結果＞

糸鋸とカット長を 20 mm に設定した切断用器具を使表７から非強化品Ｂは、非強化品Ａとは平均密度にい、発泡体を輪切りにする。輪切りにした発泡体を２あまり差のないデンプン発泡体であることが分かる。

個の直径 30 mm のフェライト磁石で引き合わせて挟み、表７ 密度を調整した非強化品の平均密度木工用丸やすりを使い磁石からはみ出た部分を削り落とし直径 30 mm、高さ 20 mm の円柱状に加工する。その後、乾燥剤を硝酸マグネシウム飽和水溶液に変えることで湿度 50 %RH にしたデシケーター内で１週間保存し、精密天秤で質量を測り密度を求める。加工後各サンプルの高さを再度測定し補正した。
＜結果＞

サンプル
非強化品Ｂ

平均密度（g/cm3）
0.039

＜考察＞
実験前の仮説としてアミロペクチン水和物の量を通常のものよりも増やすことで密度が大きくなると考えていたが、結果では密度が小さくなっていた。その理由としては、手作業で撹拌を行ったため発泡体が均一ではなく切り取る場所によって密度が異なっていたか

表６から非強化品とＣＮＦ強化品では平均密度が異なり、らではないかと考えられる。

ＣＮＦ強化品の方が平均密度が大きいことが分かった。
表６ 非強化品とＣＮＦ強化品
サンプル
非強化品Ａ
ＣＮＦ強化品平均密度（g/cm3）
0.041
0.053

＜考察＞
ＣＮＦ強化品の方が平均密度が大きいのは、ＣＮＦ強化品の方が発泡倍率が小さく、ＣＮＦ強化品の方が非強化品よりも、同体積をしめるアミロペクチンの量が多いからだと考えられる。

3.3.3 デンプン発泡体の圧縮強度,圧縮弾性率の計測＜目的＞
デンプン発泡体の強度評価ためにデンプン発泡体の圧縮強度、圧縮弾性率を計測する。
＜器具と材料＞
油圧プレス、ダイヤルゲージ、web カメラ（TEC 製）、LogStick（大阪マイクロコンピュータ株式会社製）、ロードセル、真鍮製円盤、直流増幅装置、直流電圧装置、パソコン、ストップウォッチ

3.3.2

密度の異なる非強化品の作製＜目的＞
これまでに得られた非強化品とＣＮＦ強化品では発泡体の密度が異なっており、発泡体の圧縮強度、圧縮弾性率を比較する場合、同じ密度の発泡体同士で比較する必要がある。ＣＮＦ強化品の密度を変えることはこれまでの実験から困難だと考えられたので、非強化品の密度の異なる発泡体を作製する。
＜器具と材料＞
3.1、3.3.1 の＜器具と材料＞を参照＜方法＞ビーカーにイオン交換水 5.4 ｇとアミロペクチン水和物を 5.5 ｇ測り取り、手作業で 2 分間撹拌した後、タルクを 0.10 ｇ入れさらに 2 分間攪拌する。
そして、図９ 自作の圧縮試験機

＜方法＞
1．準備
1-1 ロードセルの準備

1） 直流電源装置の電源を入れ、上限電圧を 5.0 Ｖに

4） JIS 規格に準じて、歪 0.1 の時の圧縮応力を読み設定し出力ボタンをＯＮにする。
2） 直流増幅装置の電源を入れ増幅倍率を 500 倍に設取り圧縮強度として記録する。
5） 縦軸に応力、横軸に歪を取り圧縮応力-歪曲線を求定する。

める。

3） LogStick をパソコンに接続し、直流増幅装置の6） 圧縮応力-歪曲線のグラフにおいて、圧縮変形初期

OUTPUT リード線を LogStick の入力端子に接続すの直線部分の線型近似曲線を引き、近似式の一次る。その後プレス機に置いたロードセルの上に真係数を圧縮弾性率として記録する。

鍮製円盤をのせ、ゼロ調製を行う。
4） パソコンで LogStick のアプリを立ち上げ測定間隔を 1 秒に設定する。
1-2 変位計の準備
1） ダイヤルゲージをプレス機のシリンダー部に固定したプレートの上に設置する。
2） web カメラをスタンドに取り付けパソコンにつなぎ、ダイヤルゲージの表示が写るように web カメラの位置と焦点を調整する。

図１０ 圧縮試験の過程

2．測定

0.400.35

1） 加工したデンプン発泡体をロードセルにのせた真0.30

鍮製円盤にのせる。
2） LogStick の測定開始ボタンを押す。
3）

油圧ポンプのレバーを動かしシリンダーを下げてロードセルの出力がわずかに生じるところで止める。

4） ダイヤルゲージの電源を入れる。

増幅電圧（Ｖ）

2-1 測定前の作業

y = 0.0256x - 0.0369
R² = 0.9865

0.25
0.20
0.15
0.10
0.050.0005

10荷重（kgf）

5） web カメラでのダイヤルゲージの撮影を開始する。

1520

図１１ 荷重-増幅電圧の関係（検量線）

2-2

圧縮試験

1）

油圧ポンプのレバーを最大開度（水平に対して 45°）

100秒間かけてレバーを水平になるまで降ろす。
2） web カメラの撮影を停止する。
3） LogStick の測定終了ボタンを押す。
4） それぞれのデータを保存する。

80
圧縮応力（ｋＰａ）

まで上げ、ストップウォッチをスタートさせてから、約 30

60402003．圧縮試験のデータ解析
1） LogStick の電圧のデータに対応する変位の値をダ0.00

イヤルゲージの撮影データから読み取り記録する。
2） 電圧のデータをロードセルの検量線（図 11）と単0.05

歪量（ＳＴ）

0.100.15

図１２ 圧縮応力-歪曲線＜結果＞

位換算表から導いた次式で圧縮応力に変換する。

表８から、圧縮強度では非強化品とＣＮＦ強化品との間電圧（V）
0.0223× 98.07 = 圧縮応力（kPa）
発泡体の断面積（cm) ）に差異は見られないが、圧縮弾性率ではＣＮＦ強化品の3） 変位のデータを次式で歪に変換する。
変位（cm）
発泡体の高さ（cm）= 歪（ST）

値が非強化品の 1.7 倍になっていることが分かる。そして、図１３のグラフからは圧縮強度と密度の間には相関関係があることが分かり、図１４のグラフからは圧縮弾性率と密度の間には相関関係があることが分かる。

よりも後の部分で圧縮強度を測定したので殻の厚みによる補強効果が見られないからだと考えられる。

100

圧縮強度（ｋPa）

80

４

結論
イオン交換水の代わりにＣＮＦ分散液を用いること

60でＣＮＦを混練してデンプン発泡体を得ることができ40た。そして、ＣＮＦを添加したことによるデンプン発20

非強化品

泡体への補強効果は、アミロペクチンに対して 1.4 ％CNF強化のＣＮＦを添加することで圧縮弾性率を 1.7 倍に向上0させるものであった。これは、ＣＮＦを添加したこと
0.00

0.02

0.04

0.060.08

による直接的なものでなく、ＣＮＦを添加したことに密度(g/cm3)

よりデンプン分散液の粘度が増加することで、発泡倍

図１３ 圧縮強度と密度の関係率が低下し、そのことによってＣＮＦ含有のデンプン発泡体の密度と殻の厚みが増加したことによる間接的な作用によると考えられる。

1.2圧縮弾性率（MPa）

1５0.8

課題と展望
今回、発泡体の構造が既に破壊された後に測定した0.6ことで、殻の厚みの増加による補強効果が見られなかったと考えられる。破壊が始まっていない点で測定す

0.4
0.2

非強化品

ることで、殻の厚みの増加による補強効果を確かめた

CNF強化い。

00.00

0.02

0.04

0.060.08＊謝辞

密度(g/cm3)

本研究の実施にあたって協力していただきました全

図１４ 圧縮弾性率と密度の関係ての人々に対して、ここに深く感謝の意を表します。

表８ デンプン発泡体の圧縮強度および圧縮弾性率の平均値
非強化品
ＣＮＦ強化品

圧縮強度(ｋＰａ)61.5 ±13.562.8 ±16.1

圧縮弾性率(ＭＰａ)0.50 ±0.26
0.83 ±0.14＊参考文献
1） MiaGatenholm,,Journalof

Polymers and the Environment 2005；13(1): 29–

＜考察＞

37.

表８、図１４の結果から、ＣＮＦを混ぜ込むことで圧縮弾性率が 1.7 倍になったという補強効果が見られ、

Sjöqvist,Paul

2） 環境省 平成 28 年度海洋ごみ調査の結果について

これはＣＮＦを添加することでデンプン分散液の粘度

https://www.env.go.jp/press/104995-print.htmが増加し、発泡倍率が低下したことによりＣＮＦ強化l(参照 2019.1.14)品の密度と殻の厚みが増加したことが要因だと考えら

3） 農畜産業振興機構 でん粉から作る生分解性緩衝材れる。また、図１３の結果からはＣＮＦ強化品のグラ

https://www.alic.go.jp./joho-d/joho08_000125

フが非強化品のグラフをより高密度側に動かしたグラ.html(参照 2018.11.5)

フであることから、ＣＮＦによるデンプン発泡体の補強効果は密度の増大によるものだと分かる。
また、圧縮強度には差が見られなかったのは、デンプン発泡体の構造が図１１の圧縮応力-歪曲線の直線の傾きが変わる点で既に破壊が始まっており、その点

4）

Effect of PVA and PDE on selected structuralcharacteristics of extrusion-cooked starch foams
http://dx.doi.org/10.1590/0104-1428.02617(参照 2019.10.24)