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持続可能な高級パッケージに関する洞察、トレンド、ニュース
に発表された研究 科学の進歩 レポート【1] 透明板紙（tPB）と呼ばれる全く新しい素材。純粋なセルロースのみで作られたこの素材は、1世紀もの間不透明板紙が抱えてきた問題を解決し、持続可能性の新たな基準を打ち立てます。tPBは閉ループで完全にリサイクル可能で、浅瀬から深海まで、海洋全体で生分解します。
研究者たちは、独自の臭化リチウム水溶液処理を用いてセルロースハイドロゲルを硬化させ、ストローからカップまで、様々な実用的な形状に仕上げました。試験の結果、tPBは日常的な使用においてプラスチックと同等の性能を示し、深海環境下でも12ヶ月以内に完全に生分解することが示されました。植物由来の樹脂コーティングにより、従来の紙コップを凌駕する耐漏洩性を実現しています。
画像は左から右へ、材料の変化を示しています。
粉末/繊維 → セルロース溶液 → ハイドロゲル → 最終製品（tPB、透明ポリバイオマテリアル）。
粉末または繊維廃棄物はまずセルロース溶液に加工されます。
この溶液をゲル化してセルロースハイドロゲルを形成します。
最終的に、透明なバイオベースのプラスチック代替品（たとえば、表示されている透明なカップ）に加工されます。
原材料：
綿花の種子や綿花のボール、紙や繊維廃棄物から得られる短い綿繊維（糸に紡ぐことができないコットンリンター）。
化学処理:
セルロースは溶媒 LiBr (臭化リチウム) を使用して溶解され、ゲルを形成します。
次にゲルを洗浄して溶媒を除去し、ハイドロゲルを生成します。
リサイクル：
LiBr溶媒は凝縮（閉ループリサイクル）により回収され、水もリサイクルされて再利用されます。
使用済みの透明カップなどの材料は粉砕され、粉末状に戻ってリサイクルできます。
成形と用途：
ハイドロゲルは、乾燥、加圧乾燥、またはカップ、ストロー、透明シートなどのさまざまな製品に成形することができます。
人生の終わり：
これらの物質は、自然環境（例えば、海洋）に放出された場合、微生物によって生分解されるため、従来のプラスチックのように長期蓄積されることがありません。
紙と板紙は木材に含まれるセルロースから作られます。これらは再利用可能で生分解性があり、プラスチックの代替素材として理想的です。しかし、欠点があります。板紙は透明ではないため、中身が見えるようにする必要がある包装（食品の箱や飲み物のカップなど）では、透明なプラスチックの代わりには使えません。
なぜ透明化がこれほど難しいのでしょうか？その原因は光の散乱です。従来の板紙に含まれる大きな木材繊維は光を散乱させ、不透明にしてしまうのです。これまで、セルロースのみで作られた透明フィルムはセロハンだけでしたが、この製法では数ミリメートルの厚さの板紙を作ることができません。
日本の研究チームは別の方法を採用しました。臭化リチウム（LiBr）水溶液を使用しました。セルロースは加熱すると溶解し、冷却すると再びゲル化します。この厚いセルロースハイドロゲルを直接乾燥させることで、チームは数ミリメートルの厚さでスマートフォンサイズの透明板紙（tPB）を作製しました。これはプラスチック包装の新たな代替品です。
高い透明性。厚さ0.7mmで、tPBは全光線透過率が約87%、ヘイズは約22%に達し、遠くの物体も鮮明に見えます。厚さ1.5mmでも、わずかな曇り感で目に見える透明性を保ちます。
優れた機械的特性。板紙の剛性とプラスチックの柔軟性を兼ね備えています。曲げ試験では、通常の板紙では不可能な大きな変形にも耐え、破損することはありません。
優れた湿潤強度。純粋セルロース素材は通常、水中で強度が低下します。しかし、tPBは72時間完全に浸漬した後でも、引張強度が標準的な板紙の5～15倍を維持します。崩れることなく自立可能です。
天然の断熱材。異方性ナノファイバー構造により、熱は平面方向と厚み方向で異なる流れをするため、断熱材として機能します。沸騰水を使ったテストでは、tPBカップの外壁はポリスチレン（PS）カップよりも明らかに冷たいままでした。
A. 光学特性
厚さの関数としての透過率 (Tt) とヘイズ。tPB は高い透明性を維持しますが、厚さが増すにつれてヘイズはわずかに増加します。
B. 曲げ特性
曲げ応力-ひずみ曲線は、tPB（繊維ベースおよびMCCベース）が従来のPBおよびPCプラスチックと比較して高い曲げ強度と靭性を示すことを示しています。
C. 引張特性
引張応力-ひずみ曲線は、湿った tPB が優れた機械的強度を維持し、湿気や水性条件でも従来の PB を上回ることを示しています。
D. 表面粗さ
原子間力顕微鏡 (AFM) では、約 15.4 nm の二乗平均平方根粗さ (RMS) が示され、光学用途に適した滑らかな表面であることが実証されています。
E–F. 微細構造
SEM/TEM 画像では、均一なマイクロスケールの形態と高密度のナノスケールセルロース繊維ネットワークが明らかにされており、これが優れた機械的特性を説明しています。
G. X線散乱（SAXS/WAXS）
リング状の回折パターンにより、構造内の規則的なセルロース鎖の配列と異方性が確認されます。
H. 構造モデル
模式図（上面図とエッジ図）は、構造と性能を結び付ける、積み重ねられ配向されたセルロース鎖ネットワークを示しています。
I. 熱拡散率
熱輸送測定では異方性挙動が示され、面内拡散率は面外拡散率よりも大幅に高く、方向性のある熱伝導が確認されます。
概要: これらの結果は、tPB が透明で機械的強度があり、表面が滑らかで、規則的なナノ構造と異方性の熱特性を持つ生分解性のセルロースベースの材料であり、従来のプラスチックの有望な代替品であることを確認しています。
研究者たちはこれらの特性を利用して、tPB を透明なカップやストローに成形しました。
画期的なのは、このセルロースカップはプラスチックのライニングなしでもお湯を注げること、そして液漏れやドロドロになることもないことです。これは、今日の紙とプラスチックの複合カップに代わる、真に環境に優しい代替品です。
長期の液体貯蔵には、内壁に極薄の植物由来脂肪酸塩コーティング（約5～10μm）を施すだけで十分であり、持続可能性への影響を最小限に抑えながら耐久性を高めることができます。
A.カップの用途:
湿ったハイドロゲルカップを乾燥させると透明な tPB カップになり、液体を効果的に保持できます。
B. ストローの適用：
濡れたハイドロゲルストローを乾燥させて透明な tPB ストローにし、飲み物をかき混ぜる実際の使用を実証しました。
C. 保水性能：
tPB、複合 tPB (c-tPB)、紙、ポリスチレン (PS) のカップに保持される水分の経時的比較。
tPB と c-tPB はどちらも長期間にわたってほぼ 100% の水分保持を維持しますが、紙コップでは水分漏れが見られます。
D. 表面の濡れ性と透明性：
接触角測定により、tPBtex はより親水性 (約 55.6°) であるのに対し、c-tPBtex は疎水性 (約 102.5°) であることが示されました。
どちらのフィルムもヘイズが低く（約 22～23%）、透過率が高い（約 84%）ため、透明性が良好です。
E. 断熱性：
熱湯の入ったカップの熱画像では、PB（約 66 °C）や PS（約 72 °C）と比較して、tPB（約 61 °C）の外部温度が低いことが示されており、断熱性が優れ、取り扱いが安全であることがわかります。
概要: これらの結果は、tPB が従来のプラスチックに比べて優れた防水性、調整可能な表面特性、良好な透明性、優れた断熱性を備え、カップやストローなどの実用的な製品に加工できることを示しています。
クローズドループリサイクル。製造工程では、臭化リチウム（LiBr）溶剤と水を回収します。使用済みのtPBは破砕・溶解され、新たなtPBに再生されます。複数回のリサイクルを経ても、再生された材料は良好な透明性と強度を維持し、真の「ゆりかごからゆりかごまで」の利用を実現します。
海洋全体で生分解します。サンプルは港湾の浅瀬（約2m）から太平洋海溝（約5,552m）までの4つの深度で採取されました。驚くべきことに、低温、高圧、低酸素の深海においても、tPBは微生物によって有意な速度（約20～50μg/cm²/日）で生分解されました。メタゲノム解析およびメタトランスクリプトーム解析により、tPB上にバイオフィルムが形成され、セルラーゼが産生され、tPBをCO₂と水に分解することが示されました。
つまり、tPBが海に流出したとしても、多くのプラスチックのように「永久的な深海遺物」となることはなく、静かに自然界に還っていくのです。
A. 光学的外観とヘイズ:
オリジナル、溶剤リサイクル、マテリアルリサイクル、溶剤+マテリアルリサイクルのフィルムの写真。
ヘイズ値は 21% (オリジナル)、16% (溶剤リサイクル)、54% (材料リサイクル)、60% (溶剤 + 材料リサイクル) です。
溶剤のリサイクルは透明性を保ちますが、材料のリサイクルはヘイズを増加させます。
B. 透過率と染料テスト：
光学的透明度を評価するための背景として使用される色のついた液体（ジュースやお茶）。
透過率は、オリジナル（86%）フィルムと溶剤リサイクル（84%）フィルムでは高いままですが、材料リサイクルおよび溶剤+材料リサイクルのフィルムではわずかに低下した値（約83～86%）を示しています。
C. 曲げ特性:
曲げ応力-ひずみ曲線は、元のフィルムとリサイクルフィルムの間にほとんど差がないことを示しています。
すべてのサンプルは高い曲げ強度 (約 100 MPa) を維持しており、リサイクル後も機械的に堅牢であることを示しています。
D. 分子量分析：
重量平均分子量 (Mw) は溶媒リサイクルフィルムでは維持されますが、材料リサイクルフィルムおよび溶媒+材料リサイクルフィルムでは減少します。これは、リサイクル中にセルロース鎖が部分的に分解されることを反映しています。
E–F. リサイクルフィルムの外観：
リサイクルされた tPB フィルムは、ヘイズが増加し (60%)、透過率がわずかに低下 (89% と 76%) しているにもかかわらず、依然としてかなりの透明性を示しています。
目視検査により、複数のリサイクルルートを経ても使用可能性が維持されていることが確認されます。
要約：これらの結果は、溶媒リサイクルがtPBの光学特性と機械特性の両方を維持する一方、マテリアルリサイクルはヘイズの増加と分子量の低下を招くものの、良好な機械特性を維持することを示しています。これは、tPBのクローズドループリサイクルの実現可能性を裏付けています。
A. 異なる海洋サイトにおける分解速度:
PJM（2 m）、BMS（757 m）、BHT（855 m）、AMN（5552 m）で劣化を測定。
浅瀬（PJM）では最も高い分解速度（約250 μg/cm²/日）を示しましたが、深海のサイトではより遅い分解速度（約20～50 μg/cm²/日）を示しました。
挿入図：BHT 部位での tPB カップの前後 5 か月後。
B. バイオフィルムの形成:
顕微鏡画像では、tPB 表面に微生物が定着し、バイオフィルムを形成していることがわかります。
拡大図では付着した細菌が示されており、分解に微生物が関与していることが確認されます。
C. 微生物群集の構成:
メタゲノム解析により、主要なグループが特定されました: Fibr1 (40%)、Fibr2 (18.1%)、Delt1 (8.6%)、Delt2 (3.0%)、Spir1 (2.8%)、および Alph1、Bact1、Gamm1。
このプロセスでは、セルロース分解細菌と嫌気性菌が中心的な役割を果たします。
D. 機能的遺伝子発現：
ヒートマップは、セルラーゼ、エンドグルカナーゼ、β-グルコシダーゼ、および窒素吸収、解糖、発酵経路に関連する遺伝子の発現が強化されていることを示しています。
tPB 分解中の微生物群集内での協調的な代謝を示します。
E. 提案された分解経路：
tPB 中のセルロース鎖は、Fibr1/Fibr2 セルラーゼによってセロビオースに加水分解されます。
Delt1 と Delt2 は代謝物を H₂、乳酸、ギ酸に処理し、Alph1、Bact1、Spir1、Gamm1 は酸化還元バランスと補助経路に貢献します。
全体的に、相乗的な微生物活動により tPB の海洋分解が促進されます。
これらの結果は、tPBが海洋環境においてバイオフィルムの形成と多様な微生物群集による酵素および代謝プロセスによって生分解性を示すことを裏付けています。分解は浅海域でより速く進行しますが、深海域でも起こり得ます。
実験室規模では、tPBの製造には現在、従来の板紙よりも多くのエネルギーが消費されています。しかし、研究者たちは、現代の製紙工場のような大規模で連続的な製造によって、エネルギー使用量は通常の板紙と同等のレベルまで削減できると主張しています。
自然から生まれ、自然へと還るtPBは、次世代の理想的な基材であり、プラスチック包装の代替として広く利用されることが期待されています。プラスチックフリーで環境に優しい包装は、環境保護に貢献します。リサイクルが難しく、海に流出しやすい使い捨ての透明プラスチック包装の多くを置き換えることで、海洋プラスチック汚染の根本的な解決に貢献し、真の循環型経済を支えることができます。
いつの日か、あなたの手に持つ透明なコーヒーカップは、深海で「消える」こともあるこのセルロース板から作られるようになるかもしれません。
メールアドレスを残していただければ、担当者からご連絡させていただき、面談の日程を調整いたします。
