著者の所属・活動拠点の国は、ロシア、ブラジル、インド、中国です。

掲載誌：Polymers

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

プラスチック包装の需要は近年大きく伸びています。分解されにくいプラスチックごみは、適切に処理されないと環境中にたまり、害をもたらします。そのため、従来の樹脂に近い強さ、水分などを通しにくい性質（バリア性）、透明性を持ちながら、はるかに短い期間で生分解される素材が求められています。

候補の一つが、砂糖やトウモロコシでんぷんなどの再生可能な原料から作るポリ乳酸（PLA）です。ただしPLA単独では、もろく熱に弱いという欠点があります。そこで、生分解性で柔軟なポリブチレンアジペートテレフタレート（PBAT）と混ぜて使う方法が提案されています。

研究チームは、このPLA/PBAT混合素材に天然由来の成分や酸化亜鉛のナノ粒子を加えると、フィルムの構造や性質がどう変わるかを調べました。目的は、包装材として機能を高めた生分解性フィルムを開発することです。

何を、どのように調べたか

土台には、市販のPLA/PBAT混合素材を2種類使いました。T2308はPLAの割合が高く（80〜90%）、硬くて引っ張りに強いのが特徴です。F2332はPBATの割合が高く（30〜50%）、よく伸び、裂けにくく、柔らかいのが特徴です。性質の異なる2種類を比べることで、土台の柔らかさや内部構造の違いが、添加物の取り込まれ方や分布にどう影響するかを確かめようとしました。

添加物は次の4種類です。食品の保存料としても使われるペプチド系の抗菌物質ナイシン（10、20、30重量%）、ウコンに含まれる色素クルクミン（5、10、15重量%）、酸化亜鉛ナノ粒子、そしてクローブ（丁子）の葉、ユーカリ、レモングラス、ティーツリーの精油（各5重量%）です。フィルムの作製にはクロロホルムを溶媒として使いました。

測定した項目は多岐にわたります。赤外分光などによる化学構造の分析、電子顕微鏡による表面と断面の観察、引っ張り試験と硬さの指標であるヤング率の測定、加熱したときの重さや状態の変化を調べる熱分析を行いました。さらに、水滴が表面でどれだけ広がるか（接触角）、湿度75%で24時間置いたときの吸湿量、水蒸気がフィルムをどれだけ通り抜けるか（水蒸気透過性）、350〜750ナノメートルの光の透過率も調べました。

生分解性については、添加物を加えていない2種類のフィルムを、比較対象のPET（ペットボトルなどの素材）および高密度ポリエチレン（HDPE）と比べました。国際規格に沿って作った人工の堆肥環境に入れ、酸素のある状態で28℃に保ちました。そのうえで、毎週取り出して重さの減り方を測りました。

主な報告結果

フィルムの硬さを示すヤング率は、添加物を加えていないT2308で約983メガパスカル、F2332で約100メガパスカルでした。添加物を加えると、硬さはおおむね下がりました。

水への性質では、クルクミンや一部の精油のように水をはじく性質の添加物が、水蒸気透過性と吸湿量を下げました。研究チームはこれをバリア性の向上と報告しています。一方、水になじみやすい酸化亜鉛ナノ粒子を加えると、表面がわずかに濡れやすくなりました。電子顕微鏡では、ナノ粒子は全体に分散していましたが、一部に固まりも見られました。

精油の影響は種類によって異なりました。ユーカリ油は微小な空隙を増やして水蒸気を通しやすくし、レモングラス油は表面にハチの巣状の構造を生じさせてバリア性を下げました。ティーツリー油は比較的バランスのとれた性質でした。研究チームは、クローブ油が機械的な強さとバリア性をバランスよく高めたとして、2種類の土台のどちらにも最適な精油だと結論づけています。その理由として、クローブ油の主成分オイゲノールなどの芳香族成分が、樹脂の網目構造を補強したためと考えています。

光学特性では、クルクミンと酸化亜鉛が、目に見える光の透明性を大きく損なわずに紫外線の透過を抑えました。

熱分析では、クルクミンやナイシンが、PLAの多いT2308の結晶構造に影響を与えました。一方、F2332への影響は小さいものでした。

生分解試験は継続中で、49日時点の暫定結果が報告されています。重さの減少はT2308で約6%、F2332で約4%でした。PETとHDPEには目立った変化はありませんでした。PLA/PBATフィルムには、表面の荒れ、変色、劣化が見られ、T2308では断片化も目立ちました。一方、固体核磁気共鳴による分析では、試験期間中に大きな化学変化は確認されませんでした。ただし、分子構造の乱れが増したことを示す変化は観察されました。

この報告が示すこと

研究チームは、PLAが多く結晶性の高いT2308は、結晶構造を乱す添加物の影響を受けやすいと述べています。一方、柔軟なF2332は、添加物を加えても柔軟性を保つ方向に応答しました。同じPLA/PBAT系でも、土台の配合比によって添加物の効き方が変わることになります。

著者らは、添加量を最適化すれば、どちらの土台でも包装材に適した性質が得られると結論づけています。目安として示した範囲は次のとおりです。T2308では、ナイシン10〜15重量%、クルクミン5〜15重量%、酸化亜鉛5〜10重量%。F2332では、ナイシン10〜20重量%、酸化亜鉛5〜10重量%、クルクミン5〜10重量%です。

一方で限界もあります。生分解試験は49日時点の途中経過で、対象は添加物を含まないフィルムだけです。また、今回は添加物を1種類ずつ調べたもので、複数を組み合わせた場合の効果は検討されていません。著者らは、添加物と樹脂が分子レベルでどう相互作用するかについても、さらに解明が必要だとしています。

原著論文の著者・所属：Mariia Dmitrenko（St. Petersburg State University, 7/9 Universitetskaya nab., St. Petersburg 199034, Russia）、Ilnur Dzhakashov（St. Petersburg State University, 7/9 Universitetskaya nab., St. Petersburg 199034, Russia）、Daniel Pasquini（Instituto de Química, Universidade Federal de Uberlândia, Campus Santa Mônica, Av. João Naves de Ávila, 2121, Uberlândia 38400-902, Minas Gerais, Brazil）、Anna Kuzminova（St. Petersburg State University, 7/9 Universitetskaya nab., St. Petersburg 199034, Russia）、Anton Mazur（St. Petersburg State University, 7/9 Universitetskaya nab., St. Petersburg 199034, Russia）、Sabu Thomas（School of Chemical Sciences, Trivandrum Engineering Science & Technology Research Park, Mahatma Gandhi University, Kottayam 686560, Kerala, India）、Rongxin Su（State Key Laboratory of Chemical Engineering, School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China）、Anastasia Penkova（St. Petersburg State University, 7/9 Universitetskaya nab., St. Petersburg 199034, Russia）

※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）：Mariia Dmitrenko, Ilnur Dzhakashov, Daniel Pasquini, et al. Natural and Nanomaterial Additives in Biodegradable PLA/PBAT Films: Towards Advanced Packaging Materials. Polymers（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-09-03. DOI: 10.3390/polym18172158. 原著ライセンス：CC BY.