Research Institute for Sustainable Humanosphere

ミッション4「循環材料・環境共生システム」
令和元年度の活動

受賞

日本木材学会Journal of Wood Science 優秀論文賞(The Japan Wood Research Society Best Paper Award)

【受賞者】Makiko Imai, Asako Mihashi, Tomoya Imai, Satoshi Kimura, Tomohiko Matsuzawa, Katsuro Yaoi, Nozomu Shibata, Hiroshi Kakeshita, Kazuaki Igarashi, Yoshinori Kobayashi and Junji Sugiyama
【受賞タイトル】 ”Selective fluorescence labeling: time-lapse enzyme visualization during sugarcane hydrolysis”
【授与雑誌】 Journal of Wood Science volume 65 (17)

課題1 新たな木質構造の創成

研究代表者 五十田博(京都大学 生存圏研究所)
共同研究者 中川貴文(京都大学 生存圏研究所)、北守顕久(京都大学 生存圏研究所)、森 拓郎(広島大学大学院 工学研究科)、荒木康弘(国土技術政策総合研究所)、中島昌一(建築研究所)

本年度は外部予算を獲得し、中高層建築物に適用可能な建築物として、鉄骨造にCLTを用いる構法とCLTを連層壁に用いる構法について、前者は構面実験、要素実験を実施するとともに設計法について一考し、後者は実大実験を実施した。4階建て以上の建築物であっても木材を露出した状態で用いることが可能となった。鉄骨造が鉛直荷重を負担し、CLTが地震力などの水平力のみを負担するという考え方によると、露出して、つまり木材を見せて使用することが高層建築であっても可能である。今年度は昨年度と比較し、軽微な接合ディテールの実験を実施した。また、5階建て程度であれば、木材を柱や壁などに用いることも可能であり、実大実験によりその性能を確認した(図1-1)。

図1-1:5階建ての実験

成果発表

  1. ドットコーポレーション、京都大学生存圏研究所、令和元年度林野庁 中高層建築物を中心とした新たな木質建築部材利用促進・定着事業 「鉄骨フレームとCLT壁を組み合わせた架構における構造性能よび耐火性能を満足する標準納まりと設計法の開発」報告書、令和2年3月

課題2 木本植物の計量形態学的研究

研究代表者 杉山淳司(京都大学 生存圏研究所)
共同研究者 小林加代子(東京大学 農学研究科)、Hwang Sung-Wook、中島健志、喜多祐介、田鶴寿弥子、馬場啓一、今井友也(京都大学 生存圏研究所)

これまで数年にわたり作成してきた材鑑調査室標準木材標本から作成した国産広葉樹の光学顕微鏡画像データベースを京都大学学術情報リポジトリ (KURENAI) から、木材組織学のオープンサイエンス推進にむけてインターネット上で公開した1)。 ブナ科の解析から、機械学習が取得する特徴量による分類が、遺伝子による系統樹とさほど差がないことや、組織学的には管孔性という最も基本的かつ明瞭な差が存在するコナラ属ウバメガシ節とクヌギ節では、晩材部分の道管が酷似することなど、通常の観察では知ることが難しい知見も得られた2)。さらに、BOFモデルを初めて用いたクスノキ科樹木の特徴抽出3、4)や、観察では識別が困難なヒノキ科樹木の判別問題5、6)など様々な成果がえられた。またサトウキビの酵素分解過程を可視化し、画像より酵素の挙動を定量的に解析した研究に対して論文賞を受賞した。7)

成果発表

  1. 杉山淳司ほか:木材情報学と教育用材鑑調査室デジタルデータベース (Xylarium Digital Database for wood information science and education) XDD _01~16 , https://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/handle/2433/250016
  2. Kobayashi K, Kegasa T, Hwang S-W, Sugiyama J: Anatomical features of Fagaceae wood statistically extracted by computer vision approaches: Some relationships with evolution. PLoS ONE 14(8) e0220762 2019
  3. SW Hwang, Kobayashi K, Sugiyama J: Evaluation of a model using local features and a codebook for wood identification. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 415(012029) (2020)
  4. Sung Wook Hwang, Kayoko Kobayashi, Junji Sugiyama: Detection and visualization of encoded local features as anatomical predictors in cross-sectional images of Lauraceae, Journal of Wood Science 66 16 2020
  5. Y Kita, S Mizuno-Tazuru, J Sugiyama, Two-dimensional microfibril angle mapping via polarization microscopy for wood classification. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 415(012028) 2020
  6. 喜多祐介、京都大学大学院農学研究科 修士論文 (2020)
  7. Makiko Imai, Asako Mihashi, Tomoya Imai, Satoshi Kimura, Tomohiko Matsuzawa, Katsuro Yaoi, Nozomu Shibata, Hiroshi Kakeshita, Kazuaki Igarashi, Yoshinori Kobayashi and Junji Sugiyama. Selective fluorescence labeling: time-lapse enzyme visualization during sugarcane hydrolysis, Journal of Wood Science, Vol. 65 issue 17, 2019

課題3 低環境負荷型木質新素材の創成および再生

研究代表者 金山公三(京都大学 生存圏研究所)
共同研究者 梅村研二、田中聡一(京都大学 生存圏研究所)

薬液含浸は、木材の燃える・腐る・寸法安定性が低いという性質を制御するために不可欠な技術と認識されてきた。最近では、木材に流動現象を生じさせて複雑形状にプレス成形するバルク木材の流動成形技術が開発され、変形前の素材調整に薬液含浸が重要な要素技術となってきている。薬液含浸処理を効果的なものとするには、処理されていない細胞の数を減らすことが不可欠であり、含浸処理における薬液浸透の促進が不可欠である。本研究では、薬液の流動を阻害する微細組織(閉鎖壁孔)を貫通する効果を狙って、木材を浸漬した薬液に衝撃圧を加える方法について検討した。その結果、半開放の容器に木材を入れてから液体で満たした状態で、容器を打撃すると薬液に衝撃圧が生じ、衝撃圧が液体浸透を促す効果をもつことが明らかとなった。

図3-1 半開放容器を打撃したときの液体圧力の時間変化
図3-2 衝撃圧がベイヒバへの液体浸透に及ぼす影響

成果発表

  1. Soichi Tanaka, Masako Seki, Tsunehisa Miki, Kenji Umemura, Kozo Kanayama: Influence of pulsive pressure waves on liquid penetration into wood in semi-opened container. J. Wood Sci., 65, Art. No. 54, 1-7, 2019

課題4 未来型資源循環システムの構築

研究代表者 吉村剛(京都大学 生存圏研究所)
共同研究者 畑俊充、柳川 綾(京都大学 生存圏研究所)

  1. シロアリ・木材腐朽菌などによる木材の劣化機構の解明とその防除
    各種木材害虫のマス・カルチャーの確立・維持を行うとともに、X線CT装置等を用いた非破壊的方法による食害生態の解明やその木材分解機構に関する検討を行った。国内外の研究機関・企業等と協力して新規木材保存薬剤の評価・開発を実施し、可搬型トコジラミ用熱処理装置を用いた木材害虫駆除技術について検討を実施した結果、種々の木材害虫の駆除が可能であることを確かめた。
  2. バイオマス由来新機能カーボン素材
    CO2吸着材料の開発という観点から、多孔質炭素の微細構造へ直接的に影響を与える窒素ドープ法と熱処理温度といった合成条件を検討した。窒素の触媒作用により炭素の結晶化が進む傾向がみられた。窒素ドープによって炭素面間隔を制御できる点が機能性発現において有利に働くと思われる。
  3. 安全で快適な居住環境創出のための昆虫・植物・微生物由来物質の利活用
  4. 大神神社ご神花であり三枝祭御神花でもあるササユリは、無病息災を祈念して御祭神に奉納されるだけでなく、かつては切花を参拝者や市井に配る慣わしがあった。三枝祭の斎行時期は雑菌が増殖しやすい梅雨時であることから、切り花を居住空間内に維持する効果を、ササユリの花香成分が雑菌に与えうる効果から検証したところ、その花香に抗菌活性があることが示唆された。

図4-1  窒素をドープした木質炭素の電子顕微鏡像
図4-2 ササユリ葉のアオカビに対する抗菌活性試験

成果発表

  1. Mayumi Utsumi, Koji Murata,Kenji Umemura, Tsuyoshi Yoshimura, Kazuo Hattori and Masashi Nakamura: Mechamical properties and biological performance of particle boards made of Sendam (Melia azedarach), BioRes., 14(2), 41000-4109 (2019), Doi. 10.15376/biores.14.2.4100-4109.
  2. Nami Kartal, Evren Terzi and Tsuyoshi Yoshimura: Performance of fluoride and boron compounds against dry wood and subterranean termites and decay and mold fungi, J. For. Res., doi.org/10.1007/s11676-019-00939-4.
  3. 簗瀬佳之、藤原裕子、藤井義久、森 拓郎、吉村 剛、土居修一:実験住宅の床下における種々の粒子物理バリアのヤマトシロアリ貫通阻止性能評価、木材保存、45(3)、114-121 (2019).
  4. Saip Nami Kartal, Evren terzi, Aysel Kanturk Figen and Tsuyoshi Yoshimura: Movement of boron from ulexite and colemanaite minerals in sapwood and heartwood of Cryptomeria japonica, J. For. Res., 2019, doi: org/10.1007/s11676-019-01022-8.
  5. Yoko Okahisa, Chieko Narita and Tsuyoshi Yoshimura: Resistance of wood coated with oriental lacquer (urushi) against damage caused by subterranean termite, J. Wood Sci., 2019 65:41, Doi: 10.1186/s10086-019-1820-6.
  6. Kazushi Nakai, Moriyoshi Ishizuka, Seiichi Ohta, Jonas Timothy, Makala Jasper, Njabha M. Lyatura4, Victor Shau4 and Tsuyoshi Yoshimura: Environmental factors and wood qualities of African blackwood, Dalbergia melanoxylon, in Tanzanian Miombo natural forest, J. Wood Sci. (2019), 65:39, Doi: 10.1186/s10086-019-1818-0
  7. Cihat Tascioglu, Kenji Umemura, Sukma Kusuma, Coskun Kose, Mesut Yalcin, Caglar Akcay and Tsuyoshi Yoshimura: Mold and larvae resistance of wood-based composites incorporating sodium fluoride, BioResources, 15(1), 20-27 (2020). Doi: 10.15376/biores.15.1.20-27.
  8. Saip Nami Kartal, Evren Terzi and Tsuyoshi Yoshimura: Boron, fluoride and copper distribution in treated sugi sapwood and heartwood: Interaction between the elements, Kastamonu Univ., J. For. Facul., 20(1), 49-57 (2020), Doi: 10.17475/kastorman. 705847.
  9. Kazushi Nakai and Tsuyoshi Yoshimura: African Blackwood (Dalbergia malanoxylon) and other local Tanzanian tree species’ biological performance against subterranean termites and wood decay fungi, BioResources, 15(2), 2994-3005 (2020), DOI: 10.15376/biores.15.2.2994-3005.
  10. 花崎直史, 岩佐郁, 高橋康樹, 藤澤瑞希, 柳川 綾, 瀧川義浩, , 松川哲也, 梶山慎一郎, 荒井 滋, 秋野順治: 三枝祭の御神花ササユリLilium japonicumの花香が示す抗菌性, Aroma Research 78 (20), 41-47(2019).

課題5 セルロースナノファイバーの製造と利用

研究代表者 矢野浩之(京都大学 生存圏研究所)
共同研究者 阿部賢太郎(京都大学 生存圏研究所)

植物細胞の基本骨格物質であるセルロースナノファイバーを活用した材料開発を進めている。特に高強度複合材料の開発に注力している。
親水性のCNFを疎水性樹脂と複合化することは困難である。樹脂への分散性も悪く、CNFと樹脂の親和性も低く、CNFの補強効果を十分に発揮できない。それらを克服するために、CNF表面を誘導体化することでCNFの物性を変えずに疎水性へと変性する手法が一般に用いられる。しかし、そのような誘導体化には多量の有機溶媒を必要とするため、コスト的にも環境的にも負荷がかかる。
そのような問題点を解決するために、本研究では樹脂モノマーを溶解させたCNF水懸濁液に紫外線(UV)を照射させることで、CNF表面に樹脂をグラフト化する手法を確立した。この手法により、溶媒置換することなく水系でCNFをグラフト変性することが可能となる。様々な樹脂を導入することが可能であるため、重合後に疎水性を示す樹脂を選択することで疎水性樹脂との親和的な複合化も可能となる。この手法では樹脂単体が重合することはなく、水系で非常に簡便にCNF表面を改質できることが最大の特徴である。

 
 

成果発表

  1. Sato A, Yoshimura T, Kabusaki D, Okumura H, Homma Y, Nakatsubo F, Yano H, Multi-functional effect of alkenyl-succinic-anhydride-modified microfibrillated celluloses as reinforcement and a dispersant of CaCO3 in high-density polyethylene, Cellulose 26 (11), 6641-6651, 2019
  2. Ito A, Semba T, Kitagawa K, Okumura H, Yano H, Cell morphologies and mechanical properties of cellulose nanofiber reinforced polypropylene foams, Journal of Cellular Plastics 55 (4), 385-400, 2019
  3. Biswas SK, Tanpichai S, Witayakran S, Yang X, Shams MI, Yano H, Thermally superstable cellulosic-nanorod-reinforced transparent substrates featuring microscale surface patterns, ACS Nano 13 (2), 2015-2023, 2019
  4. Wang L, Okada K, Hikima Y, Ohshima M, Sekiguchi T, Yano H, Effect of cellulose nanofiber (CNF) surface treatment on cellular structures and mechanical properties of polypropylene/CNF nanocomposite foams via core-back foam injection molding, Polymers 11 (2), 249, 2019
  5. Ishikura Y, Yano H, Microfibrillated-cellulose-reinforced polyester nanocomposites prepared by filtration and hot pressing: Bending properties and three-dimensional formability, Journal of Applied Polymer Science, 48192, 2019
  6. Yang X, Ku T-H, Biswas SK, Yano H, Abe K, UV grafting: Surface modification of cellulose nanofibers without the use of organic solvents, Green Chemistry 21 (17), 4619-4624, 2019
  7. Biswas SK, Sano H, Yang X, Tanpichai S, Shams MI, Yano H, Highly Thermal-Resilient AgNW Transparent Electrode and Optical Device on Thermomechanically Superstable Cellulose Nanorod-Reinforced Nanocomposites, Advanced Optical Materials 7 (15), 1900532, 2019

 

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