茨城大学教育学部紀要 ( 自然科学 )63 号 (2014)33-43 地域資源を用いた理科教育教材の開発 (1): レンコンを用いた吸水性ポリマーの作成実験松川覚 * 守口諒 * (2013 年 11 月 26 日受理 ) Development of the Science Teaching

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てるえわたぬき
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1 ROSE リポジトリいばらき ( 茨城大学学術情報リポジトリ ) Title 地域資源を用いた理科教育教材の開発 (1) : レンコンを用いた吸水性ポリマーの作成実験 Author(s) 松川, 覚 ; 守口, 諒 Citation 茨城大学教育学部紀要. 自然科学, 63: Issue Date 2014 URL Rights このリポジトリに収録されているコンテンツの著作権はそれぞれの著作権者に帰属します引用転載複製等される場合は著作権法を遵守してくださいお問合せ先茨城大学学術企画部学術情報課 ( 図書館 ) 情報支援係

2 茨城大学教育学部紀要 ( 自然科学 )63 号 (2014)33-43 地域資源を用いた理科教育教材の開発 (1): レンコンを用いた吸水性ポリマーの作成実験松川覚 * 守口諒 * (2013 年 11 月 26 日受理 ) Development of the Science Teaching Materials Using a Local Resource Satoru MATSUKAWA * and Ryo MORIGUCHI * (Received November 26, 2013) はじめに新学習指導要領が 2008 年に公示され, 平成 23 年度より小学校で新学習指導要領が施行され, 平成 24 年度に中学校でも施行された中学校学習指導要領理科では改善の基本方針のひとつとして, 自然体験科学的な体験の充実があり, その具体的な方策の一つとして地域の教育資源の活用が挙げられる 1) 茨城大学教育学部においても大学院教育改革支援プログラム( 教育 GP) として平成 20 年度より地域教育資源開発による高度教育専門職養成に取り組んだ 2) また, 茨城県教育委員会でも, いばらき理科推進事業の一つとして平成 24 年度より中学校理科新教材開発事業を立ち上げ, 県の特色を生かしたいばらき理科アイテムの創生と活用を行っている 3), 4) こうした背景の下, 今回我々は茨城県の地域特産物であるレンコンに着目し, それを用いた理科教材開発を行うことにしたレンコンはハスの地下茎が肥大した食用に栽培される作物であり, その作付け量, 生産量ともに茨城県が全国 1 位である全国の生産量の約 3 割が茨城産であり, 農業が盛んな茨城県でも代表的な農作物の一つであるレンコンはその食感からも容易に想像できるようにごぼうやタケノコと同様に繊維質を多く含む作物である我々はこの繊維質に着目したレンコンなどの野菜に含まれる繊維質の主成分はセルロースやリグニンである今回はこのセルロースを用い, 吸水性ポリマーの合成を行うことにした高吸水性樹脂 (Superabsorbent Polymer, 以下, 吸水性ポリマー ) とは, 高分子鎖中のイオン同士の電気的反発と浸透圧によって, 自重の 10 倍以上の水を吸収, 保持し, ゲル化する能力を有した高分子である高分子鎖自体が親水性を有し, 水に浸して分子鎖が水中に拡散, 溶解してしまわないように架橋不溶化した構造を有している 1996 年, 日本工業規格 (JIS) において, 水を高度に吸水して, 膨潤する樹脂高吸水性樹脂は, 架橋構造の親水性樹脂で, 水と接触することによって吸水し, 一度吸水すると, 圧力をかけても離水しにくい特徴を持っていると定義 * 茨城大学教育学部化学研究室 ( 水戸市文京 2-1-1; Laboratory of Chemistry, College of Education, Ibaraki University, Mito Japan)

3 34 茨城大学教育学部紀要 ( 自然科学 )63 号 (2014) されたことで, 従来からの毛細管現象によって吸水する綿, パルプ, スポンジ, 更にはコンニャク, 寒天などと区別された 5) 吸水性ポリマーは,1974 年にアメリカ農務省北部研究所で, トウモロコシなどの農産物の有効利用の研究過程の中で開発された開発当初のものは, トウモロコシから得られた天然高分子化合物であるでんぷんにアクリル酸を化合させた, でんぷんアクリル酸グラフト共重合体の加水分解物であったその後, 吸水能力, 原料コスト, 合成過程などの容易さから, 現在の高吸水性樹脂の市販製品は石油由来のアクリル酸をモノマーとしたポリアクリル酸ナトリウムを架橋させたものが主流となったこれは, 紙おむつなどの吸水を目的とする商品に用いられている本研究ではアクリル酸系高吸水性樹脂よりも生分解性が期待できるセルロース系高吸水性樹脂に着目したこれまで, 綿や木材パルプなどから生分解性を有する高吸水性樹脂を合成する先行研究が報告されている (2005 吉村 ) 6) しかし, より身近な野菜などからの合成や植物セルロースを直接利用して合成した報告例は少ないそこで, 本研究では茨城県の地域資源であるレンコンを中心に, レンコン茎, 白菜, レタス, 米ぬかと隣県である千葉県の地域資源である落花生を原料とした高吸水性樹脂の合成を考えた近年では規格外や商品化の過程で廃棄処分となった野菜は, 堆肥化などといった再利用も各方面で行なわれているが, 焼却処分となることも多いため, これらの地域資源を利用することは, 廃棄物の有効活用にも繋がるとも考えられるまた, 本研究における高吸水性樹脂の合成は, 教育教材としても高等学校化学高分子化合物の性質と利用での天然高分子化合物の理解や同生物での浸透圧学習の補助教材, さらには, 子どもたちが身近な地域資源を見直すきっかけとして応用できると考えた 7) 9) 中学校学習指導要領理科編の改訂に伴い, 身の回りの物質とその性質としてプラスチックの学習や自然環境の保全と科学技術の利用などの項目が中学校理科の学習内容に追加された 1) これらの補助教材として, 身近にあるプラスチック製品は石油だけでなく, 植物からも合成できるということを子どもたちに提示したり, 既存の高吸水性樹脂を利用した化学実験に本研究で合成したものを代用したりすることで, 子どもたちの理科への関心を高めることが出来ると考えた結果と考察まず, 試料であるレンコンの前処理について考えたレンコンにはセルロースの他に多量のでんぷんが含まれているため, 吸水性ポリマーへと化学変換する前に前処理し, でんぷんを除去する必要があるそこで, レンコンをすりおろした後に水で洗浄乾燥させ, できるだけでんぷんを除去した ( 水洗 ) また, でんぷんが水よりも湯に溶けやすい性質から, すりおろした後に 60 の湯での洗浄 ( 湯洗 ) する方法も検討した比較の為, レンコンをすりおろした後に搾り, 乾燥させたのみのもの ( 無洗 ) も用いたこれらの試料を用いて, レンコンに含まれるでんぷんの量が高吸水性樹脂の合成に影響を与えるか検討を行った本研究に使用するレンコンは JA 土浦より規格外のため出荷できない廃棄物を提供を受けたものを用いたその他, 白菜とレタスに関してはフードマーケットカスミ梅園店より, 商品化するために同店で汚れの付いた部分や傷んだ部分を除去し処分されるものを提供を受けたものを用いた吸水性ポリマーの合成は, 吉村ら (2005) の方法を参考にした大まかな流れとしては, レンコン中のセルロースのナトリウム塩の生成, 次に酢酸エステル化, エチレンジアミンジグリシジ

4 松川守口 : 地域資源を用いた理科教育教材の開発 35 ルエーテル ( 以下,EGDE と表記 ) による架橋の 3 段階であるまずは以下の手順で実験を行った 100ml ナス型フラスコに,2 プロパノール 50 ml, 乾燥および粉砕したレンコン試料 ( 無洗, 水洗, 湯洗 )2.5g を加え, そこに 10% 水酸化ナトリウム水溶液 13ml をピペットを用い 1 滴ずつ滴下する滴下終了後 30 分撹拌した後, クロロ酢酸ナトリウム 2.5g を室温で加える 30 分後に EGDE0.7 ml を加えた後,60 に加温し,5 時間撹拌させた反応生成物をブフナーロートで吸引濾過し,70% メタノール水溶液で洗浄したものを, さらにメタノールにて洗浄し,12 時間自然乾燥させ, 粗吸水性ポリマーを得た以下, この手法を通常法と呼ぶ得られた粗ポリマーをイオン交換水中で膨潤させた後, メタノールを加え脱膨潤させたものを濾過し, メタノールにて洗浄し,12 時間自然乾燥させ精製した得られた吸水性ポリマーは簡易吸水量測定方法にて吸水率を求めたこの方法では吸水率しか測定できず, 吸水速度や膨潤の様子は無視されてしまう理科教材として用いることも踏まえ, 吸水する様子を観察したり, 吸水後のポリマーの様子を確認するという点も考慮した吸水の様子を観察した結果と吸水率を求めた結果を表 1に示すまず, 水酸化ナトリウムの加え方について述べるこのポリマーを作成する反応は不均一系で進行するここで, 水酸化ナトリウム水溶液を一度に多量に加えてしまうと撹拌中の試料の粒が凝集し, フラスコ内壁にこびり付いてしまいガラス棒で削ぎ落とす必要が出てきたり, 反応系が固化し撹拌が停止してしまったりことがあったこれはセルロース中の OH 基への反応が過剰に起こり過ぎたためと考えたそこで, 水酸化ナトリウム水溶液を加える時にピペットを用いて 1 滴ずつ滴下すると反応系の固化は改善され, 撹拌が停止されず反応が進行したレンコンの前処理の違いについて比較すると, いずれの処理法でも吸水するポリマーが得られた中でも湯洗試料を用いたものが高い給水率を示した (60.3 倍 ) これは不純物であるでんぷんが少ないほうが良いということを示しているしかしながらいずれのポリマーも, 吸水時にゲル化が遅く, 水を吸収する様子は十分に観察できなかったそこで, 試料の加え方について検討を行うことにしたまず,NaOH 投入時に試料が凝集してしまうと, 吸水性ポリマーが上手く作成できない可能性が考えられたので,NaOH 投入時に氷バスで冷やしながら投入したしかし, 得られたポリマーは室温で投入した場合とほぼ同じものが得られ, 改善は見られなかったナトリウム塩作成の段階だけでは改善を行えなかったので, 試薬を加える手順について改良することにした水酸化ナトリウム, クロロ酢酸ナトリウム,EGDE を加える際にそれぞれ 30 分

36 茨城大学教育学部紀要自然科学 63 号 2014 間隔をおいて加えたが試薬を同時に加えることで架橋が速やかに行えると考えたそこでクロロ酢酸ナトリウムと EGDE を同時 3 つの試薬を同時に加える方法の 2 つを試したその結果いずれの場合も吸水率が多少向上したが水を吸収する速度は遅く吸水する様子を分かりやすく観察しにくかったしかしながら

3 倍と高くは無かったが速やかに吸水する様子をはじめて見ることが出来たこの手法を以下改良法と呼ぶこの改良法で実験を行うとレンコンの前処理法が水洗や無洗であっても速やかに吸水する様子が見えるポリマーが作成することが可能であったただし比較すると湯洗法が一番吸水倍率も高く良いポリマーが作成できたこの実験で得られたポリマーとその吸水の様子を図１, ２に示す

5 36 茨城大学教育学部紀要自然科学 63 号 2014 間隔をおいて加えたが試薬を同時に加えることで架橋が速やかに行えると考えたそこでクロロ酢酸ナトリウムと EGDE を同時 3 つの試薬を同時に加える方法の 2 つを試したその結果いずれの場合も吸水率が多少向上したが水を吸収する速度は遅く吸水する様子を分かりやすく観察しにくかったしかしながら撹拌はスムーズに行えることが見出されたそこで操作上の簡易さも踏まえ 3 つの試薬を間をおかずに順に加える方法をさらに改良することにしたここまでは試薬を加えてから 60 に温度を上げたが今度は 60 に加温してから試薬を加えることにしたその結果スムーズな撹拌を行いながら吸水性ポリマーが得られたそのポリマーの吸水率は 69.3 倍と高くは無かったが速やかに吸水する様子をはじめて見ることが出来たこの手法を以下改良法と呼ぶこの改良法で実験を行うとレンコンの前処理法が水洗や無洗であっても速やかに吸水する様子が見えるポリマーが作成することが可能であったただし比較すると湯洗法が一番吸水倍率も高く良いポリマーが作成できたこの実験で得られたポリマーとその吸水の様子を図１, ２に示すこのように改良法によってレンコンを材料として速やかに吸水しゼリー状にゲル化する吸水性ポリマーを作成することに成功したので次に架橋剤を種々変えて検討した架橋剤として用いてきた EDGE に代えてコハク酸フタル酸マレイン酸を用いて検討を行ったレンコンの前処理は湯洗ポリマーの作成法は改良法で行ったその結果を表３に示すまず EDGE の量を倍にするとより架橋構造が出来てよい吸水ポリマーになると考え実験したが逆に

6 松川守口 : 地域資源を用いた理科教育教材の開発 37 吸水率も下がり, 吸水の様子も観られなくなった EDGE の量は増やさないほうが良いことが明らかになった次に架橋剤として EDGE に変えてコハク酸, フタル酸, マレイン酸を用いて検討したその結果いずれも高い吸水率で水を吸収したが, 吸水の速度が遅く, また吸水後もゼリー状に固まるというよりも柔らかいゲル状であったこれらの架橋剤は吸水率という観点では優れていたが, 吸水する様子を観察したり, 吸水後のポリマーの様子を確認するという点では劣るものであった以上のことから架橋剤としては EDGE がもっともよいことが明らかになった次に, レンコンの代わりに様々な植物セルロースを用いて検討したレンコンの茎, 白菜, レタス, 米ぬか, 落花生を用いた試料の前処理は湯洗, 使用量はレンコンと同じ 2.5 gで行ったポリマーの調整法は改良法で行ったその結果を表 4 に示す米ぬかを用いた場合に 68.4 倍と高い吸水率を示したが, 他の野菜では吸水はほとんど観られなかったまた米ぬかも, 吸水の様子はレンコンほどうまく観られなかったまとめ本研究では, 地域資源の活用を目的として, レンコンを用いて吸水性ポリマーの合成を検討した実験条件や試薬の検討を行い,70 倍程度の吸水率で, 速やかに吸水し, ゼリー状のゲルを生成できるポリマーの合成に成功したさらにこの実験手法を次頁以降に示すようなレシピを作成し, 誰でも容易に再現可能になるよう工夫したこのレンコンポリマーは, 地域資源の活用という点だけではなく, 廃棄物の有効利用の一つの手段となると考えられ, 有効な理科教育教材になると考える

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１時間水切りをした後の重量注 1 文部科学省中学校学習指導要領解説理科編大日本図書 2010 pp.3-6. 2 茨城大学大学院教育学研究科大学院教育改革プログラム報告書 3 茨城県教育委員会 www.edu.pref.ibaraki.jp/board/welcome/koho/press/.../1.pdf 4 全国知事会 HP 先進政策バンク内 http://www.seisaku.

12 松川守口地域資源を用いた理科教育教材の開発 43 参考資料２簡易吸水量測定方法 JIS K7233 に基づき独自に改良したもの ①ポリエチレン / ポリプロピレン不織布パックダイソー製煎茶用に試料 0.1g を入れる ② 500ml ビーカーに 300ml 程のイオン交換水を加えたところにパックを浸水させる ③ 24 時間放置する図３ ④その後 1 時間水切りを行い図４重量を測る吸水倍率の求め方は以下の通りである { 24 時間後の総重量パック重量パック吸水量試料重量 } 10 吸水倍率 (g/g) パック重量パック吸水量は試料を入れない状態で 24 時間蒸留水に浸透させ１時間水切りをした後の重量注 1 文部科学省中学校学習指導要領解説理科編大日本図書 2010 pp 茨城大学大学院教育学研究科大学院教育改革プログラム報告書 3 茨城県教育委員会 4 全国知事会 HP 先進政策バンク内 php%3fbun%3d07%26p%3d1 5 図解最新特許にみる高吸水性ポリマー開発応用アイデア集伏見隆夫編著工業調査会葛西裕平成 18 年度青森県工業総合研究センター事業報告書 p 佐々木克敬山内計一花屋馨化学と教育 42, 高木盛雄伊藤敏幸化学と教育文部科学省高等学校学習指導要領解説理科編理数編平成 20 年 9 月実教出版株式会社

スマホ利用によるコミュニケーションの変容 ( 上 ) SNS ( 概要 ) SNS , LINE 90 SNS SNS LINE 2011 SNS LINE LINE 2 SNS はじめに

スマホ利用によるコミュニケーションの変容 ( 上 ) SNS ( 概要 ) SNS , LINE 90 SNS SNS LINE 2011 SNS LINE LINE 2 SNS はじめに ROSE リポジトリいばらき ( 茨城大学学術情報リポジトリ ) Title スマホ利用による若者のコミュニケーションの変容 ( 上 ) : SNS は若者の感性を変えたのか Author(s) 村上, 信夫 Citation 茨城大学人文社会科学部紀要. 人文コミュニケーション学論集, 2: 145-167 Issue Date 2018-03 URL http://hdl.handle.net/10109/13523

茨城大学教育学部紀要 ( 自然科学 )63 号 (2014)33-43 地域資源を用いた理科教育教材の開発 (1): レンコンを用いた吸水性ポリマーの作成実験 松川覚 * 守口諒 * (2013 年 11 月 26 日受理 ) Development of the Science Teaching

茨城大学教育学部紀要 ( 自然科学 )63 号 (2014)33-43 地域資源を用いた理科教育教材の開発 (1): レンコンを用いた吸水性ポリマーの作成実験松川覚 * 守口諒 * (2013 年 11 月 26 日受理 ) Development of the Science Teaching