超越化研(横浜市)と東京大学は、紙の強度と耐水性を高められるシリカコーティング技術「超越コーティング」を開発したと発表した(図1)。同社代表取締役の岩宮陽子氏と高エネルギー加速器研究機構名誉教授の川合將義氏、東京大学名誉教授の柴山充弘氏、東京大学物性研究所技術専門職員の浜根大輔氏、同教授の廣井善二氏による研究の成果。同コーティングを施した紙や紙製品は、プラスチック製品のように使用できる一方で、使用後に自然環境で分解して有害な物質を残さないという。

図1:「超越コーティング」の適用例
図1:「超越コーティング」の適用例
(a)は、コーティング液を固化して作製した無色透明のバルク体。(b)超越コーティングを施した紙製品。(c)は、コーティング紙上に滴下した水滴。(d)は、コーティングあり(左)とコーティングなし(右)の紙製ストローを水に浸して3日後の様子。(出所:超越化研、東京大学)
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* 超越化研と東京大学のニュースリリース(PDF

 新技術ではコーティング液にコピー用紙や和紙を浸した後、常温で30分程度乾燥させると、紙を構成する直径数十μmのセルロースファイバー表面に、シリカ(二酸化ケイ素)などによるコーティング層が厚さ3μm程度で均一に形成される(図2)。使用するコーティング剤は、有機ケイ素アルコキシドのメチルトリメトキシシラン(CH3Si(OCH3)3、MTMS)を主成分として、少量のチタンテトラプロポキシド(Ti[OCH(CH3)]、TPT)などを反応促進剤として含む、低粘度の液体だ。

図2:コーティング紙の走査型電子顕微鏡像と元素マッピング
図2:コーティング紙の走査型電子顕微鏡像と元素マッピング
(a)(c)で白っぽく見えるのがシリカ樹脂皮膜。複雑に絡み合った直径30μmのセルロースファイバーの表面に、皮膜が均一に形成されている。(出所:超越化研、東京大学)
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 具体的には、反応は以下の通りに進む(図3)。まず、液剤中のMTMS分子が紙や大気中に存在する少量の水分子によって加水分解し、Si–OHのシラノール基が生じる。次に、2つのMTMS分子のシラノール基同士が脱水反応によってシロキサン結合を作ってつながる。さらにMTMS分子のシラノール基は、セルロースファイバー表面の水酸基と脱水反応し、固定される。

図3:皮膜が形成される機構の模式図
図3:皮膜が形成される機構の模式図
左上のメチルトリメトキシシラン分子が少量の水分子と加水分解反応してSi–OHのシラノール基を生成。2つのシラノール基同士が脱水反応によりシロキサン結合を作ってつながる。さらに、シラノール基はセルロースファイバー上の水酸基と脱水反応して、右下のようにSi–O–C結合によりファイバー表面へ固定される。(出所:超越化研、東京大学)
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