著者の所属・活動拠点の国は、カナダです。

掲載誌：Materials Today Sustainability

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

紙や板紙は再生可能で生分解性があり、プラスチック包装の代わりとして期待されています。一方で、セルロース繊維が水になじみやすく隙間の多い構造のため、水蒸気や気体を通しやすく、濡れると強度が大きく落ちます。そのため食品包装では紙の表面を樹脂で覆うコーティングが使われていますが、現在の主流は石油由来の合成樹脂で、紙が本来持つ生分解性を損なっていると著者らは指摘しています。

生分解性ポリエステルの一種であるPBAT（ポリブチレンアジペートテレフタレート）を紙に塗る研究はこれまでもありましたが、クロロホルムやテトラヒドロフランといった有害な有機溶剤に溶かして使うものでした。PBATは水をはじく性質が強く、溶剤を使わずに水中で安定して分散させることが難しい課題でした。研究チームは、食品の増粘剤として知られる多糖類のグアーガムが、界面活性剤のドデシル硫酸ナトリウム（SDS）と協力してPBAT粒子を水中で安定させられるのではないかという仮説を立てました。さらに、この分散液を紙に塗れば連続した膜ができ、耐水性、濡れたときの強度、堆肥化での分解性を有機溶剤なしで両立できるかを確かめようとしました。

何を、どのように調べたか

研究チームは、粉末状のPBAT、グアーガム、SDS、消泡剤を水に加えました。超音波処理と高速のかくはん（高せん断ホモジナイズ）で混ぜ合わせ、分散液を作りました。PBATの量を3段階（20、30、40 phr、phrは配合割合を表す単位）、グアーガムの量を3段階（1、1.5、2 phr）に変え、すべての組み合わせを試す実験計画で9種類の配合（S1〜S9）を用意しました。SDSはどの配合でも3 phrに固定しました。比較のため、SDSもグアーガムも入れないもの、グアーガムだけを入れたもの、SDSだけを入れたものも作りました。

分散液については、粒子の大きさとそのばらつき、粒子表面の電気的な帯び方の目安であるゼータ電位を測りました。また、28日間にわたって分離しないかを観察しました。

9種類のうち、粘り気と安定性が良好だった5種類（S1、S2、S3、S4、S7）を選び、厚さ約80マイクロメートルのクラフト紙の片面に刃で薄く塗り広げました。室温で24時間乾かした後、160℃で3分間加熱プレスし、PBATを溶かして紙に密着させました。塗工紙は、何も塗っていない紙、および同じ条件でプレスだけをした紙と比べました。調べた項目は、表面と断面の電子顕微鏡観察、乾いた状態と2分間水に浸した後の引張強度、水蒸気の透過しやすさ、油への耐性などです。

堆肥中での分解性は国際規格ISO 20200に沿って調べました。3種類の塗工紙を、塗工していない紙およびポリエチレンフィルムとともに58℃の模擬堆肥に6か月間入れ、毎月重さの減り方を測りました。さらに実用試験として、配合S2を内側に約10マイクロメートルと約20マイクロメートルの厚さで塗った紙を箱型の容器に折りました。そこにカナダの料理プーティン（フライドポテトにグレービーソースをかけたもの）を入れ、塗工していない紙の容器と比べて、底面へのしみ出しを24時間観察しました。

主な報告結果

分散液の安定性は、SDSとグアーガムを組み合わせたときに初めて得られました。何も加えない試料は、混ぜた直後に分離しました。グアーガムだけの試料は、作った当日は安定していたものの、翌日以降に不安定になりました。SDSだけの試料は、ゼータ電位が約マイナス58ミリボルトと最も大きな値を示し、粒子表面が強く負に帯電していました。それでも作製当日に分離しました。SDSを含まない比較試料のゼータ電位は約マイナス23と約マイナス28ミリボルトでした。SDSを加えると、比較試料よりも絶対値が10ミリボルト以上大きくなりました。

グアーガムを2 phr含む配合（S1、S4、S7）は、PBATの量にかかわらず28日間の観察期間を通して安定でした。グアーガムが1.5 phrの場合、S2とS5では目に見える分離は起きませんでしたが、PBATが最も少ないS8は約14日後に分離しました。グアーガムが1 phrになると安定性は大きく下がり、S6とS9は7日目までに、PBATが多いS3は14日後に分離しました。

塗工紙を電子顕微鏡で見ると、塗っていない紙は繊維が絡み合った凹凸の多い表面でしたが、塗工紙ではコーティングが繊維の隙間を埋め、比較的なめらかで連続した薄い層ができていました。層の厚さは約10マイクロメートルでした。一方、PBATの量が少ない配合（S4、S7）では、紙を覆いきれず、小さな欠陥や微細なひび割れが見られました。

論文の結論によると、塗工紙は塗っていない紙に比べ、濡れた状態での引張強度が約3倍になり、水蒸気の透過量はほぼ半分に減りました。油への耐性も高まり、堆肥化による分解性も保たれたと報告されています。

プーティンの容器試験では、塗っていない紙と10マイクロメートル塗工の紙は、どちらも1時間以内にしみ出しが起き、24時間かけて広がりました。20マイクロメートル塗工の紙は、4時間の時点でごくわずかな局所的なしみが見られ、その後24時間までにわずかに広がった程度で、観察期間を通して高い耐油性を示しました。

この報告が示すこと

研究チームは、有機溶剤を一切使わずに水だけでPBATを安定して分散させ、紙の生分解性バリアコーティングとして使えることを示しました。著者らが提案する仕組みは次のとおりです。まずSDSが水をはじくPBAT粒子の表面に吸着し、水になじみやすくすると同時に負の電荷を与えます。次にグアーガムがその上に高分子の層を作ります。こうして、電気的な反発と高分子層による物理的な隔たりの両方が働き、粒子どうしの凝集を防ぎます。ただし、これは結果から推定された仕組みとして示されています。著者らは、溶剤系コーティングに代わる、環境負荷が小さく工業的に規模を拡大しやすい手法になりうると述べています。

限界として、粒子径の測定では、測定中に粒子が浮き上がることや装置の測定範囲の制約があり、得られた値はPBAT粉末のうち細かい部分だけを反映している可能性があると著者らは注記しています。容器試験では、折り曲げでできた欠陥をテープでふさいでいました。10マイクロメートルと20マイクロメートルで性能に差が出た点について、著者らは薄い膜の均一性が失われることが原因と考えています。そのうえで、コーティングの厚さがバリア性能に与える影響は、今後体系的に調べる必要があるとしています。

原著論文の著者・所属：Tewodros Tiruneh（Department of Chemical Engineering, Institute of Polymer Research, Waterloo Institute of Nanotechnology, University of Waterloo, Waterloo, ON, Canada）、Rohan Shorey（Department of Chemical Engineering, Institute of Polymer Research, Waterloo Institute of Nanotechnology, University of Waterloo, Waterloo, ON, Canada）、Tizazu H. Mekonnen（Department of Chemical Engineering, Institute of Polymer Research, Waterloo Institute of Nanotechnology, University of Waterloo, Waterloo, ON, Canada）

※本記事は原著論文をもとに、日本語で要約・説明を加えた研究紹介です。 出典（原著論文）：Tewodros Tiruneh, Rohan Shorey, Tizazu H. Mekonnen. Solvent-Free Waterborne PBAT Dispersions Stabilized by Synergistic SDS–Guar Gum Interactions for Biodegradable Barrier Paper Coatings. Materials Today Sustainability（出版社：Elsevier BV） 2026-11-01. DOI: 10.1016/j.mtsust.2026.101488. 原著ライセンス：CC BY.