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独立行政法人日本原子力研究開発機構（理事長 岡﨑俊雄、以下「原子力機構」）と住友電工ファインポリマー株式会社（社長 佐圓治生）は、ポリ乳酸※１）を放射線で橋かけ※２）して分子の網の中に可塑剤※３）（柔軟剤）を保持させることにより、室温で柔らかく、変形しても元の形状に戻る弾力性のある透明なポリ乳酸材料を創り出すことに成功しました。これは、原子力機構量子ビーム応用研究部門金属捕集・生分解性高分子研究グループの玉田正男リーダー、長澤尚胤研究員と、住友電工ファインポリマー株式会社開発部の早崎俊克部長、金澤進一参事らによる研究成果です。
ポリ乳酸は、デンプンを醗酵して得られる乳酸を原料とした高強度で透明性などに優れたプラスチックで、焼却時にダイオキシン等の有害ガスの発生がなく、植物由来のため地球温暖化防止や循環型社会の構築に役立つカーボンニュートラル※４）な材料といわれており、自然界でも微生物により分解可能な環境に優しい材料です。しかしながら、ポリ乳酸は、室温では硬くて脆く、60℃で簡単に変形し、もとの形状にもどらないため、産業応用には大きな課題がありました。
室温でプラスチックに柔らかさを付与するには、従来からプラスチックに可塑剤を混ぜる手法が採用されています。しかし、ポリ乳酸では、可塑剤を混ぜたあと時間が経つと、可塑剤が外に染み出し、柔軟性が失われてしまうという欠点がありました。
これに対し、原子力機構と住友電工ファインポリマー株式会社は、放射線処理でポリ乳酸に橋かけ構造を導入し、可塑剤を高濃度で保持させることで、この問題を克服し、弾力性のあるポリ乳酸の開発に成功しました。
柔軟性を持つポリ乳酸は、軟質塩化ビニル※５）の代替材料として、パッキン、電線被覆材、自動車用部品等への幅広い応用が期待されます。また、弾力性に優れることからコンピュータや携帯電話等の家電内部の防振材料、生体適合性も有することからカテーテルのような医療器具等への応用も期待できます。
 ポリ乳酸は、とうもろこしやイモ等のデンプンを発酵させて得られる乳酸を重縮合して製造される植物由来のプラスチックで、高強度で透明性などに優れています。また、焼却してもダイオキシン等の有害ガスの発生はなく、自然界でも土中または水中に生息する微生物により分解される環境に優しい材料です。さらに、ポリ乳酸を焼却して発生する炭酸ガスは元々植物の光合成によって大気中から取り込まれた炭素に由来するものであり、大気中の炭素量は差し引き変化しないと考えられることからカーボンニュートラルな材料といわれ、地球温暖化の防止や循環型社会の構築に役立つものと見なされています。一方、ポリ乳酸はガラス転移温度(約60°C)以下では硬くて脆い性質を持っており、産業応用上この性質を改善し、室温で柔軟性を持たせる必要があるため、可塑剤（柔軟剤）の種類や配合比を変化させる検討がこれまで行なわれてきました。しかし、ポリ乳酸に可塑剤を添加して柔軟にすると、室温で結晶化を起こし、これに伴い可塑剤が染み出すため、硬化して脆くなり、柔軟な状態を保つことができないという大きな問題がありました。
原子力機構では、ガンマ線や電子線を利用して、ポリ乳酸などの生分解性プラスチック※６）の分子間に橋かけ（架橋）構造を導入し、有機溶媒中での不溶化や耐熱性向上などの高分子改質の研究を進めてきました。ポリ乳酸は、そのままではガンマ線や電子線の照射により分解しますが、橋かけを促進する助剤と混合すると、ガンマ線や電子線の照射で橋かけすることを見出し、橋かけの助剤としては、トリアリルイソシアヌレート（以下TAIC（タイク））が有効であることを明らかにしています。これは、TAICが３つの反応性の高い官能基を持つ多官能性モノマーであるため、照射によりポリ乳酸と効果的に反応し、分子鎖を繋ぐ橋かけ構造を形成するためと考えられています。
ポリ乳酸の放射線橋かけ技術を有する原子力機構と、熱収縮材や耐熱材といったポリエチレンの放射線加工製品の開発・製造で実績を有する住友電工ファインポリマー㈱が連携協力して、柔らかいポリ乳酸の開発を進めた結果、図1に示すように、ポリ乳酸に高濃度の可塑剤（20％）とTAICとを混練りし、電子線を100kGy照射して橋かけさせた後、100℃で30分間熱処理すると、橋かけしていないポリ乳酸では結晶化に伴って白濁し可塑剤が染み出しますが、橋かけしたポリ乳酸では結晶化が抑制され可塑剤が保持されて、柔軟性と透明性が保持できることを突き止めました。さらに、可塑剤添加量は、橋かけしていないポリ乳酸では最高30％程度ですが、橋かけすると倍増（約60％）できることを見出し、可塑剤の増量によりポリ乳酸の弾力性を増すことができるようになりました。また、この弾力性のあるポリ乳酸を80℃で1週間加熱しても、可塑剤はほとんど染み出さないことも確認できました。
ポリ乳酸の弾性が保持できる原因を透過型電子顕微鏡で調べた結果、可塑剤が約20ナノメートル（1ナノメートルは1メートルの10億分の1）程度の大きさの孔に閉じこめてられていることが判明し、ポリ乳酸に橋かけ構造を導入することで、ポリ乳酸分子の再結晶化が防止され、可塑剤が固定化されることに起因すると結論できました。
環境に優しく、柔らかいポリ乳酸は、焼却時にダイオキシン等の有害ガス発生が危惧される軟質塩化ビニルの代替材料として、パッキン、電線被覆材、自動車用内装材、壁紙、床材など建物の内装材、農業フィルム等への幅広い応用が期待されます。また、優れた弾力性を有することからコンピュータや携帯電話等の家電内部の防振材として使用されている石油合成系プラスチックに代わる材料や、生体適合性を有することからカテーテル等の医療用具への応用が期待されます。
本研究成果は、平成19年6月22日に開催される第二回高崎量子応用研究シンポジウムで発表の予定です。
※１） ポリ乳酸
とうもろこし、イモ類などの植物から取り出したデンプンを発酵することによって得られる乳酸をモノマーとして重合させて合成するプラスチックです。植物由来の原料から製造されるので、焼却してもダイオキシン等の有害ガスは発生せず、自然界でも微生物で分解される環境に優しい材料です。剛性、引張強度や透明性が高いなどの特長があり、石油合成系プラスチックの代替材料として利用することで石油資源使用量の節約にもつながるカーボンニュートラルな材料で、温暖化ガスである二酸化炭素の排出制御に役立ちます。
※２） 放射線橋かけ（架橋）
材料にガンマ線、電子線等の放射線を照射すると、瞬時に電離や励起が起こり、特に高分子材料の場合には分子鎖の中に反応性の高い部分(ラジカル)が生じます。このラジカル同士が結合して分子鎖が繋がる反応を、橋かけ（架橋）といい、材料の硬さや弾力等の物性が向上する等の、性質を変える働きをします。
※３） 可塑剤
可塑剤とは、あるプラスチック材料に柔軟性を与えたり、加工をしやすくするために添加する物質のことをいいます。可塑剤は主に、合成高分子である塩化ビニルを中心としたプラスチックを軟らかくするために用いられ、そのほとんどが酸とアルコールから合成される有機化合物（一般にエステルといわれるもの）です。
※４） カーボンニュートラル
地球温暖化防止、循環型社会の構築に貢献する新たな資源としてバイオマスが注目されています。バイオマスも燃焼によって化石燃料と同様に二酸化炭素を発生します。このうち、植物系のバイオマスについては、もともと成長過程で植物の光合成によって大気中から取り込まれた炭素に由来するものであり、燃焼しても大気中の炭素量は差し引き変化しないといえます。このように、大気中の二酸化炭素の増減に影響を与えない性質のことをカーボンニュートラルといいます。
※５） 軟質塩化ビニル
一般的な合成プラスチックの一つであるポリ塩化ビニル（塩化ビニル樹脂）に可塑剤を加えて柔らかくしたプラスチックです。塩化ビニル樹脂は、そのままでは硬くて脆く、紫外線などに当ると劣化しやすいため、柔らかくするための可塑剤と劣化を防ぐ安定剤を加えて利用されています。応用例としては、上下水道パイプ、電線被覆（絶縁材）、建築資材（壁装材、建具、雨樋、窓枠、クッション材、断熱・防音材など）、自動車･家電のパーツ、農工業設備資材（マルチフィルム、ロープ、防虫網、農業園芸ハウスなど）、ラップフィルム、合成皮革、文房具（プラスチック字消しなど）が挙げられ、広範な分野で使われています。
※６） 生分解性プラスチック
使用状態では従来のプラスチックと同等の機能を有し、使用後廃棄された時は土中または海水中などの微生物により分解され、最終的に水と二酸化炭素になるプラスチックをいいます 。
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