Poly[(R)-3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate] (P(3HB-co-4HB)) (Fig.1) is the one of polyhydroxyalkanoates (PHAs) which can be produced from renewable resources (such as sugar, plant oil) by the microorganisms and is completely biodegraded into CO2 and H2O (Fig.2). Until now, the physical properties and crystal and molecular structures of PHB were studied in depth. Tg and Tm of P(3HB) are 4 oC and 180 oC, respectively. P(3HB) is crystallized as an orthorhombic crystal system with lattice constants of a = 0.576 nm, b = 1.320 nm and c(fiber axis) = 0.596 nm and P212121 space group. However, due to secondary crystallization and low elongation to break of P(3HB), it was hard to use for the daily life. Accordingly, PHAs with longer side chains as a second monomer unit are produced by different carbon resources and genetic engineered microorganisms.

In this thesis, P(3HB-co-4HB)s with different 4HB contents were used to produce the strong films and fibers by drawing and annealed methods from amorphous state. Furthermore, the plasma modification on the surface of P(3HB-co-4HB) films with polyacrylic acid (PAA) was applied to control the enzymatic degradation rate. The polyethylene glycol graft cellulose nano-fibers (PEG-CF) was offered to increase the crystallization of P(3HB-co-4HB).

Chapter 1 introduces the background of PHB biopolymer studies, including the biosynthesis, thermal and physical properties, higher order structure and biodegradation of P(3HB) and its copolymers, were totally introduced.

Chapter 2 describes preparation, mechanical properties and structure analysis of P(3HB-co-4HB) films prepared by uniaxial cold-drawing from an amorphous preform at a temperature below, but close to the glass transition temperature (0 oC). Molecular and highly-ordered structure and physical properties of cold-drawn films were investigated by tensile testing, wide-angle X-ray diffraction and small-angle X-ray scattering. Enzymatic degradation of P(3HB-co-4HB) films was performed using an extracellular polyhydroxybutyrate depolymerase purified from Ralstonia pickettii T1. Tensile strength, elongation to break and Young's modulus of P(3HB-co-4HB) with cold-draw ratio 1200% reached 290 MPa, 58% and 2.8 GPa (Fig.3), respectively. X-ray fiber diagrams of 1200% cold-drawn P(3HB-co-4.7mol%-4HB) films showed a strong reflection on the equatorial line, indicating a planar zigzag conformation (β-form) together with 21 helix conformation (α-form) (Fig.4). The β-form seems to contribute to the high tensile strength, and a new mechanism of generation of the β-form is proposed. The enzymatic degradation rate increased with increase in the draw ratio, and increased greatly with increase in the 4HB content.

Chapter 3 presents processing of melt-spun fibers of the P(3HB-co-4HB) with 4.7mol% 4HB contents by spinning at different melting temperatures and take-up speed. Melt-spun fibers were drawn by three different kinds of drawing methods, such as cold-drawing, room-temperature drawing and small-crystal-nuclei drawing. Tensile strength, elongation to break and Young's modulus of P(3HB-co-4HB) fibers (190 oC/100 rpm) with cold-draw ratio of 10 reached 287 MPa, 35% and 5.2 GPa, respectively. On the other hand, small-crystal-nuclei (at 0 oC for 24h) drawn fiber was aslo shown the similar physical properties. X-ray fiber diagrams of both fibers showed a planar zigzag conformation (β-form) together with 21 helix conformation (α-form). The partial emzymatic degradation showed that there is a different highly-ordered structure between small-crystal-nuclei drawing fibers and other fibers.

In Chapter 4, poly(acrylic acid) (PAA) was grafted onto the film surfaces of P(3HB), and two kinds of P(3HB-co-4HB) with 4.7 mol% or 9.4 mol% of 4HB content, by plasma-initiated polymerization. The graft ratio of PAA on the film surface increased drastically with acrylic acid concentration over 8% (Fig. 5). Attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy demonstrated that the PAA grafted on the film surface was at least ~70 nm thick. Mechanical and surface properties of PHA films grafted by PAA (PAA-PHA) were analyzed by tensile test, contact angle test, and scanning electron microscopy. While mechanical properties before and after plasma treatment remained unchanged, surface properties changed from hydrophobic to hydrophilic (Fig. 6). Enzymatic degradation of PAA-PHA films was performed using an extracellular PHB depolymerase purified from Ralstonia pickettii T1. The rate of enzymatic degradation was inhibited by PAA graft.

Chapter 5 shows the application of polyethylene glycol grafted cellulose nano-fibers (PEG-CF) as bio-based nucleating agents for 3 kinds of P(3HB-co-4HB)s with different 4HB contents (4.7 mol%, 9.4 mol% and 11.0 mol%). Polyethylene glycol (PEG) was also investigated as a nucleating agent to compare the effect on cellulose nano-fibers. The PEG-CF/PHB with the content of 4/96 (w/w) was prepared. The non-isothermal and isothermal crystallization was studied by differential scanning calorimeter (DSC) and polarizing microscope (POM) to assess the crystallization behavior of P(3HB-co-4HB) blending with PEG-CF or PEG. It was shown that the half-time crystallization (t1/2) was rapidly decreased by the blend with PEG-CF, indicating that the crystal rate was accelerated (Fig.7). The POM images show that the PEG-CF worked as a nucleating agent for P(3HB-co-4HB) (Fig.8).

Chapter 6 provides a summary of the research results presented in this study.

Fig.1 The chemical structure of P(3HB-co-4HB)

Fig.2 Microbial production and biodegradation of PHB

Fig.3 Tensile strength of P(3HB-co-4HB) cold-drawn films

Fig.4 X-ray fiber diagrams of 1200% cold-drawn P(3HB-co-4.7mol%-4HB) films

Fig.5 Weight changes of P(3HB-co-4HB) films after grafting with PAA

Fig.6 Surface contact angle values of P(3HB -co-4HB) before and after grafting with PAA

Fig.7 t1/2 of isothermal crystallization of neat and blends polymers

Fig.8 POM images of neat and blend samplers isothermal crystallized at 60 °

現在、石油資源の枯渇、難分解性プラスチックによる環境破壊など、プラスチックに関する環境問題が地球規模で取り上げられています。本研究で対象としたポリ[(R)-3-ヒドロキシブチレート-co-4-ヒドロキシブチレート] (P(3HB-co-4HB))は、糖や有機酸などから微生物により生合成されるバイオベースプラスチックであると共に、自然環境中の微生物によって二酸化炭素と水にまで完全に分解される生分解性プラスチックでもあり、環境にやさしい持続可能なプラスチックとして期待されています。

本論文では、P(3HB-co-4HB)の高性能部材化を目指し、熱的および機械的性質などの基礎物性の解析に加え、フィルムおよび繊維への新規成型加工技術の開発、得られた高強度フィルムや繊維の分子鎖構造および高次構造の解明、さらには、その酵素分解性について解明を行いました。

第1章の序論に引き続き、第2章では3種類の共重合組成の異なるP(3HB-co-4HB)を用いて、熱的性質などの基礎物性評価に加え、高強度フィルムの作製を目指した新規な冷延伸法の開発を行いました。その結果、ポリマーを一旦溶融した後、ガラス転移点付近である氷水中に急冷することにより非晶質フィルムを作製し、この非晶質フィルムを氷水中で12倍にまで冷延伸することに成功しました。冷延伸された配向フィルムはさらに熱処理を施すことにより、破壊強度290MPa(メガパスカル)、弾性率2.8GPa(ギガパスカル)を有する高強度・高弾性率フィルムになることがわかりました。この物性は、石油合成プラスチックのポリエチレンテレフタレートや高延伸されたポリプロピレン(例えば、荷造り紐)に匹敵する物性であることがわかりました。作製した高強度・高弾性率フィルムの内部構造を大型放射光(SPring-8)の広角および小角X線回折で詳細に解析したところ、平面ジグザグ構造と呼ばれる分子鎖が伸び切った新しい分子鎖構造が存在していることが明らかになりました。さらに、この平面ジグザグ構造の発現機構の提案を行いました。

第3章では、フィルムで開発した冷延伸法を繊維作製にも応用し、破壊強度300MPaを超える繊維の開発に成功しました。この物性は、マスクなどの不織布の作製に必要な物性を満たしており、今後の実用部材化が期待できます。繊維構造についても、大型放射光のX線回折により詳細に解析し、構造と物性の相関を分子レベルで解明しました。

第4章では、酵素分解性速度の制御を目指して、P(3HB-co-4HB)フィルムをプラズマ処理した後、フィルム表面でアクリル酸をグラフト重合させることにより、フィルム表面を疎水性から親水性に変化させました。アクリル酸のグラフト度合いを変化させることにより、表面の性質及び酵素分解速度を制御できることを見出しました。

第5章では、P(3HB-co-4HB)の結晶化速度を汎用樹脂並みに上げることを目的に、セルロースナノファイバーにポリエチレングリコールをグラフト結合させたPEG-セルロースナノファイバーを少量添加し、結晶化速度、球晶成長観察を行いました。その結果、結晶化速度が10倍以上も速くなり、ポリプロピレン並みになることを見出しました。また、その原因が核形成数の増加と球晶成長速度の増加の相乗効果によるという、これまでにない新しい知見を得ることに成功しました。

以上、本論文では、生分解性バイオベースプラスチックの一つである微生物産生ポリエステルから汎用高分子に匹敵する強度を有するフィルムおよび繊維の作製に成功すると共に、大型放射光を用いて、高強度化に寄与する平面ジグザグ構造の発現機構や物性との相関を解明しました。さらに、酵素分解性制御技術の開発および実用化を考慮した結晶化速度の向上など多くの知見を得ることに成功しました。よって、審査委員一同は、本論文が博士(農学)の学位論文に値するとの結論に達しました。