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機能性セルロース次元材料の開発と応用    
Development of Hierarchically and Dimensionally Desired Cellulose Functional Materials
[コードNo.2013T907]

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■監修/ 近藤哲男
■体裁/ B5判 239ページ
■発行/ 2013年6月28日 (株)シーエムシー出版
■定価/ 69,120円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-7813-0807-4

 
★セルロースの階層構造に着目し、1次元(繊維)、2次元(シート)、3次元(細胞壁)の各次元を新たなパターンによって
  デザインする優れた材料=次元材料の機能化に迫る!
★材料設計を支える基礎的内容を「新機能発現」「バクテリアセルロース」「植物系セルロース」に分け、わかりやすく
  解説!
★注目のセルロースナノファイバーのほか、エネルギーや医療、エレクトロニクスなどあらゆる応用分野を通して、地球上
  で最も豊富なバイオマス資源であるセルロースの最大限の利活用を!

キーワード

階層構造 / バクテリアセルロース / 植物系セルロース / 酢酸菌 / 水中カウンターコリジョン法 / バイオマテリアル / 複合材料 / 機能繊維 / フィルム / セルロースナノファイバー / TEMPO / プリンテッド・エレクトロニクス / ペーパー触媒 / セルロース誘導体 / 扁平状セルロース微粒子 / 結晶セルロース / 電解質 / 導電性材料 / 液体燃料 / プラスチック原料 / 水処理膜

刊行にあたって

 二十世紀末より二酸化炭素排出量の急激な増加などによる環境崩壊の危機が叫ばれてきており、もはや森林の二酸化炭素固定だけでは解決できません。その元凶は、つまるところ人間がかつてないほどの物質文明を享受していることにあります。人間の存在を否定できないことから、物質文明、すなわち化石資源だけに依存し、大量の二酸化炭素を排出する材料生産プロセスを変革させることが急務です。さらに、最近の原油価格の高騰により、将来を見据えた経済性の面からも、この傾向に拍車がかかってきています。消費エネルギーを考えて最近は、二酸化炭素をトータルでは増加させないという「カーボンニュートラル」の観点から、植物由来のバイオエネルギーが関心を集めています。しかし、二酸化炭素の削減という観点からは、むしろ植物が生産した二酸化炭素の固定素材を有効に長く使用することが効果的です。さらに、新たな用途に使うことで、刈り取ら炭素の吸収を必要とするからです。すなわち、経済性と環境適応の両方の観点かられたあるいは伐採されたところに芽生え始める若い植物体が成長する際に、多量の二酸化、天然素材由来の機能材料の創製は、ますます重要になってきています。
 天然は、すばらしいバイオマス生産システムを我々に教授してくれており、それを模範として、化石資源からの物質生産プロセスとは全く異なる、いかに物質ならびに生産プロセスを環境と調和させるかを求める材料構築、すなわち環境調和型生物材料の生産プロセスの構築が必要となります。このようなプロセスの探索は、二酸化炭素固定した機能性材料が創製されて真価が見出されるものです。そのためにも、まず、バイオマス由来の機能性構造体の開発が重要なのです。
 自然界では、形、色彩、動きなどのさまざまなパターンと、生物の営みにおける機能とが密接に関連しています。それらのパターンに学びつつ、新たなパターンをデザインすることで、自然に見られる以上の優れた材料の創製が可能となるでしょう。その自然の構造形成に学び、材料構築を次元的にデザインすること、それこそが本書の言う次元材料、すなわち1次元から3次元までのそれぞれの次元で、階層構造を有する材料です。
 バイオマスの代表である天然セルロースは、分子の生合成から始まり、ナノ、マイクロ、ミリメートルサイズへと、階層的に3次元繊維構造を形成します。この天然繊維構造から、様々な処理により、改めて天然由来の豊富な同一分子(0次元)、ナノファイバー(1次元)、フィルム・シート(2次元)、プラスチックス(3次元)へと変換し、それぞれの次元で特色を発現させ、しかもそこから新たな集積による階層構造を形成させることにより、セルロースの機能材料化が可能となります。このユニークな階層構造や新たな階層構造形成に由来する機能化をこの本の主題としたいと考えております。
 そこで本書では、 第1章から第7章までを次元材料としてのセルロースの基礎編とし、それらをセルロースの新機能発現、バクテリアセルロース、植物系セルロースとして最前線の知見の執筆をお願いしました。第8章以下を応用編とし、まず、現在注目されているナノファイバーを取り上げ、その後すでに実用化されている次元材料に関する最前線の研究成果の紹介をお願いしたわけです。しかし、本書の狙いである「ユニークな階層構造や新たな階層構造形成に由来する次元材料の機能化」という発想は、まだまだ発展途上にあり、私は、次元を意識した機能材料構築が、ますますこのすばらしい自然の恵みであるセルロースの新機能材料への展開につながることを祈念する次第です。 最後になりましたが、本書を監修するにあたり、シーエムシー出版の池田朋美氏に多大なるご助力をいただきました。ここに感謝いたします。

2013年6月
九州大学 大学院農学研究院 近藤哲男

著者一覧

近藤哲男九州大学 大学院農学研究院 教授
田島健次北海道大学 大学院工学研究院 准教授
天野良彦信州大学 工学部 教授
水野正浩信州大学 工学部 助教
長谷川輝明東洋大学 生命科学部 生命科学科 准教授
坂口眞人静岡県立大学 環境科学研究所 特任教授
西尾嘉之京都大学 大学院農学研究科 森林科学専攻 教授
杉村和紀京都大学 大学院農学研究科 森林科学専攻 技術補佐員
寺本好邦岐阜大学 応用生物科学部 准教授
矢野浩之京都大学 生存圏研究所 教授
磯貝明東京大学 大学院農学生命科学研究科 教授
能木雅也大阪大学 産業科学研究所 准教授
古賀大尚大阪大学 産業科学研究所 特任助教
菅沼克昭大阪大学 産業科学研究所 教授
島ア譲(株)日立製作所 日立研究所 材料研究センタ 有機材料研究部 主任研究員
藤井透同志社大学 理工学部 教授
大窪和也同志社大学 理工学部 教授
内村浩美愛媛大学 大学院農学研究科 紙産業特別コース 教授
北岡卓也九州大学 大学院農学研究院 環境農学部門 准教授
小久保宏恭信越化学工業(株) 合成技術研究所 研究部 室長
平原武彦東レ・ファインケミカル(株) 機能部材技術開発グループ リーダー
井出正一旭化成メディカル(株) 医療材料研究所 所長
長谷朝博兵庫県立工業技術センター 材料・分析技術部 上席研究員
五味俊一旭化成ケミカルズ(株) 添加剤事業部 セオラス技術開発部 主幹研究員
大本俊郎三栄源エフ・エフ・アイ(株) 第一事業部 次長
門川淳一鹿児島大学 大学院理工学研究科 化学生命・化学工学専攻 教授
星徹日本大学 理工学部 助教
澤口孝志日本大学 理工学部 教授
矢野彰一郎日本大学 理工学部 理工学研究所 上席研究員
鮫島正浩東京大学 大学院農学生命科学研究科 教授
吉村利夫福岡女子大学 国際文理学部 環境科学科 教授
綿部智一ダイセン・メンブレン・システムズ(株) 技術開発センター 研究員
八木敏幸東洋紡(株) 総合研究所 機能膜開発研究所 リーダー

構成および内容

【機能編―セルロースの新機能発現】

第1章セルロースの階層構造形成と両親媒性  (近藤哲男)
1はじめに
2セルロース1次元構造体―繊維―
2.1植物由来天然セルロース繊維
2.2酢酸菌産生ナノファイバー
2.3人造セルロース繊維―マーセル化繊維と再生繊維―
3セルロース2次元構造体―平面―
3.1樹木細胞壁
3.2汎用人工フィルム
3.3ネマティックオーダーセルロース(NOC)
3.4セルロースハニカムフィルム
4セルロース3次元構造体
4.1酢酸菌産生セルロースペリクル(ナタデココ)
4.2酢酸菌を用いる機能性セルロース3次元構造体の構築
4.2.1マイクロビアルセルロースを用いるティッシュ・エンジニアリング
4.2.2酢酸菌をナノビルダーとして用いる自動3次元構造構築
4.3セルロースファイバーネットワーク構造を用いた複合材料
5両親媒性セルロース分子とその2次元構造体デザイン
6おわりに

【開発編―バクテリアセルロース】

第2章バクテリアセルロースの機能発現  (近藤哲男)
1はじめに
2マイクロビアルセルロース(=バクテリアセルロース)の生合成
2.1セルロース合成酵素複合体
2.2TCの集合状態とマイクロビアルセルロースナノファイバーの形状
3マイクロビアルセルロースナノファイバー中の結晶構造
4マイクロビアルセルロースナノファイバーネットワーク(ペリクル)の機能発現
4.1医療材料
4.2酢酸菌をナノビルダーとして用いたセルロースナノファイバーの配向制御とその連続チャネルパターン化セルロース3次元構造体の構築への展開
5水中カウンターコリジョン法によるマイクロビアルセルロースナノファイバー・ネットワーク(ペリクル)からフィブリル化シングルセルロースナノファイバー(ナノセルロース)の創製
6おわりに
第3章バクテリア(酢酸菌)におけるセルロース合成酵素複合体「ターミナルコンプレックス(TC)」の機能解析  (田島健次)
1はじめに
2バクテリアセルロース(BC)
3セルロース合成関連遺伝子クラスター
4AxCeSA
5AxCeSB
6AxCeSC
7AxCeSD
8セルロース合成におけるAxCeSDの機能
9セルロース合成におけるCellulose complementing factor(CcpAx)の機能
10まとめ
第4章種々の細菌によるセルロース生産  (天野良彦、水野正浩)
1はじめに
2酢酸菌以外のセルロース生産菌
3セルロース合成酵素の立体構造
4微細セルロースを生産するAsaia bogorensis

【開発編―植物系セルロース】

第5章エコ・バイオマテリアル創製のためのセルロースの機能化  (長谷川輝明)
1はじめに
2鍵中間体である6-アジド-6-デオキシセルロースの合成
3Huisgen環化による多様なセルロース誘導体への展開
4オリゴ糖の導入によるセルロース型糖鎖高分子
5ヌクレオシドと四級アンモニウムカチオンの共導入によるSWNTs被覆材への展開
6おわりに
第6章セルロースブロック共重合体による新規複合材料の創製  (坂口眞人)
1はじめに
2セルロースの機械的破壊
2.1機械的破壊条件
2.2セルロースの機械的破壊により生成する化学種(セルロースメカノラジカル)と切断部位
3セルロースブロック共重合体の合成
3.1BC-ポリメチルメタクリレートブロック共重合体(BC-block-PMMA)の合成
3.2MCC-ポリメチルメタクリレートブロック共重合体(MCC-block-PMMA)の合成
4セルロースブロック共重合体によるセルロース微粒子の表面化学修飾
4.1BC-block-PMMAによるBC微粒子表面の化学修飾
4.2MCC-block-PMMAによるMCC微粒子固体表面の化学修飾
5おわりに
第7章新たなセルロース系機能繊維およびフィルムの設計開発  (西尾嘉之、杉村和紀、寺本好邦)
1はじめに
2溶融紡糸による機能繊維の設計開発
3多機能ブレンドフィルムの設計開発
3.1相溶性と分子間相互作用
3.2分子配向と光学異方性の制御
4おわりに

【応用編】

第8章セルロースナノファイバー
1セルロースナノファイバー強化による自動車用高機能化グリーン部材の研究開発  (矢野浩之)
1.1はじめに
1.2経済産業省地域新生コンソーシアム:2005年-2006年度
1.3NEDO大学発事業創出実用化研究:2007年-2009年度
1.4グリーン・サステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発:2009年-2012年度
1.5おわりに
2TEMPO触媒酸化によるセルロースナノファイバーのガスバリア材料への応用 (磯貝明)
2.1はじめに
2.2TEMPO酸化セルロースナノファイバーの調製
2.3TEMPO酸化セルロースナノファイバーの特性
2.4TEMPO酸化セルロースナノファイバーフィルムのガスバリア性
2.5おわりに
3セルロースナノファイバーのプリンテッド・エレクトロニクスへの応用  (能木雅也、古賀大尚、菅沼克昭)
3.1はじめに
3.2プリンテッド・エレクトロニクスにおける紙基板の現状と課題
3.3ナノペーパーの特徴
3.3.1白い紙と透明な紙
3.3.2透明性
3.3.3機械的特性
3.4プリンテッド・エレクトロニクスの観点から見たナノペーパーの特徴
3.5プリンテッド・エレクトロニクスへの応用
3.5.1金属ナノインクを印刷した高導電性ラインの開発
3.5.2折り畳み可能な高導電性配線の開発
3.5.3高感度ペーパーアンテナの開発
3.5.4太陽光発電する紙
3.5.5カーボンナノチューブ/セルロースナノファイバーインクの開発
3.6まとめ
4セルロースナノファイバーを用いた透明高熱伝導フィルムの作製とその諸特性  (島ア譲)
4.1はじめに
4.2高熱伝導フィルムの作製
4.2.1セルロースナノファイバーの作製
4.2.2透明高熱伝導フィルムの作製
4.3透明高熱伝導フィルムの特性
4.3.1透明性
4.3.2熱伝導性
4.3.3弾性率・寸法安定性
4.4おわりに
5非木材セルロースナノファイバーコンポジットの開発  (藤井透、大窪和也)
5.1はじめに
5.2竹CNFコンポジットの開発
5.2.1材料および試験方法
5.3PLA(ポリ乳酸)の強化材としての竹CNFの可能性
5.4間違いだらけのCNFの活用? と、炭素繊維/エポキシ複合材料の強化助材としての活用例
第9章機能性紙
1紙の機能性付与技術  (内村浩美)
1.1はじめに
1.2紙機能の進化
1.3紙の機能性付与技術
1.4紙の機能性付与技術の高度化
1.4.1従来技術の更なる高度化
1.4.2他技術との融合
1.4.3新素材の利用
1.5最後に
2ペーパー触媒の開発―紙の構造が機能する新材料―  (北岡卓也)
2.1はじめに
2.2触媒粉末のペーパー成型
2.3ペーパー光触媒―室内・大気・水環境浄化への応用―
2.4水素をつくる紙―燃料電池発電への応用―
2.5金属ナノ触媒のオンペーパー合成―ものづくりへの応用―
2.6さらなる機能開拓に向けて―ナノセルロースへの展開―
2.7おわりに
第10章医療・医薬品
1医薬品製剤におけるセルロース誘導体の開発  (小久保宏恭)
1.1はじめに
1.2水溶性セルロース誘導体
1.2.1セルロースの水溶性化
1.2.2低粘度品の開発(フィルムコーティング)
1.2.3水系フィルムコーティング技術の普及
1.3腸溶性コーティング剤
1.3.1エステル化による腸溶性基剤の開発
1.3.2水系腸溶性コーティング技術の開発
1.4水膨潤性ポリマー(崩壊剤)の開発
1.5おわりに
2多機能なセルローススポンジの開発  (平原武彦)
2.1はじめに
2.2セルローススポンジの概要
2.3セルローススポンジの製造方法
2.4セルローススポンジの性能
2.5セルローススポンジの用途展開
2.6今後の展開
3セルロース製ウイルス除去膜  (井出正一)
3.1プラノバとは
3.2旭化成の銅アンモニア法再生セルロース事業
3.3プラノバの適用分野
3.4血漿分画製剤やバイオ医薬品の精製工程でのウイルス除去・不活化方法
3.5プラノバの製品群
3.6プラノバの特徴
3.7血漿分画製剤での応用例
3.8バイオ医薬品での応用例
3.9プリオン除去
3.10プラノバの特徴研究
第11章扁平状セルロース微粒子の化粧品への応用  (長谷朝博)
1はじめに
2FS-CPの作製方法および形状
2.1FS-CPの原料
2.2FS-CPの作製および形状
3FS-CPの化粧品(ファンデーション)への応用
3.1ファンデーションの機能および最近の動向
3.2FS-CPの配合によるファンデーションの使用感・機能性の向上
3.2.1FS-CPの配合によるファンデーションの使用感の向上
3.2.2FS-CPの配合によるファンデーションの機能性の向上
4おわりに
第12章食品
1結晶セルロースおよび結晶セルロース製剤の食品への応用  (五味俊一)
1.1結晶セルロースとは
1.2粉体グレードについて
1.3コロイダルグレード(結晶セルロース製剤)について
1.4コロイダルグレードの応用
1.5顆粒状食品への応用
1.6おわりに
2発酵セルロース製剤の食品への応用 大本俊郎
2.1はじめに
2.2発酵セルロースの基原
2.3一次構造
2.4発酵セルロースの主な特徴
2.5発酵セルロース製剤の特性
2.5.1粘性
2.5.2レオロジー特性
2.5.3温度依存性
2.5.4耐塩、耐酸性
2.6食品への応用
2.6.1ココア飲料などへの応用
2.6.2酸性乳飲料への応用
2.6.3スープ類への応用
2.6.4レトルトプリンへの応用
2.6.5タレ・ドレッシング類への応用
2.6.6泡状食品への期待
2.7おわりに
第13章エレクトロニクス
1セルロース―イオン液体コンポジットの電解質および電導性材料への展開  (門川淳一)
1.1はじめに
1.2セルロースイオンゲルの形成と電解質材料への展開
1.3セルロース/高分子イオン液体コンポジットの創製と電導性評価
1.4おわりに
2バクテリアセルロース有機ゲルを利用したリチウムイオン導電性材料  (星徹、澤口孝志、矢野彰一郎)
2.1はじめに
2.2多糖類エアロゲルとその性質
2.3多糖類ゲル電解質のイオン導電性
2.4ゲル電解質の力学および熱的物性
2.5まとめ
第14章環境・エネルギー
1セルロース系バイオマスによる液体燃料やプラスチック原料の高効率生産システム  (鮫島正浩)
1.1はじめに
1.2セルロース系バイオマス原料
1.3バイオマス原料の前処理技術
1.4前処理バイオマスの酵素糖化
1.5おわりに
2高吸水性セルロース樹脂の開発  (吉村利夫)
2.1高吸水性樹脂の現状
2.2環境調和型高吸水性樹脂の意義
2.3環境調和型高吸水性樹脂の分子設計
2.4セルロースエーテル系高吸水性樹脂
2.5セルロースエステル系高吸水性樹脂
2.6その他のセルロース系高吸水性樹脂
2.7おわりに
3水処理に最適なセルロース製分離膜  (綿部智一)
3.1セルロース製分離膜
3.2膜濾過法による浄水処理
3.3酢酸セルロース中空糸膜の特徴
3.4膜材質の特徴
3.5膜構造の特徴
3.6浄水処理分野における適用例
3.7おわりに
4酢酸セルロース製中空糸型逆浸透膜の特性と応用  (八木敏幸)
4.1はじめに
4.2逆浸透膜開発の歴史
4.3酢酸セルロース製中空糸型逆浸透膜
4.3.1CA製中空糸型RO膜の製膜法
4.3.2中空糸型CTA-RO膜の特徴
4.3.3中空糸型CTA-RO膜のモジュールとしての特徴
4.4CTA-RO膜の応用例
4.4.1海水淡水化
4.4.2排水再利用への応用
4.5まとめ



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