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セルロースナノファイバー(CNF)の用途と実用化に向けての課題

2016/09/23

20150113セルロースナノファイバー夢の新素材といわれるセルロースナノファイバー(CNF)の実用化に向けて製紙会社などを中心に研究開発が進んでいます。

セルロースナノファイバーの材料はパルプなどの植物繊維で、国土の7割を森林が占めている森林資源の豊富な日本の企業にとって、原料の調達が容易で、非常にメリットがあります。

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セルロースナノファイバー(CNF)とは

セルロースナノファイバーは植物細胞の基本骨格を成しているものです。

パルプは木材のチップ(小片)をすりつぶしてできる植物繊維ですが、パルプと水をミキサーに入れて撹拌し、さらに砥石で繊維を細かく解きほぐすことにより基本的には作ることができます。

パルプ以外に、雑草や野菜の搾りかすからでも作ることができます。

繊維1本の直径は数ナノ~数十ナノ(1ナノは10億分の1)mで、髪の毛の1万分の1の太さです。
重さは鉄の5分の1、強度は鉄の5倍と、軽さと強さをあわせ持つ新素材で、炭素繊維に迫る性能を持っています。

通常の紙では 繊維が太いため、繊維どうしの接合が少ないので強い構造にはなれないのですが、ナノファイバーでは繊維が細くてナノファイバーどうしの結合が多くなるため、強い素材となるのです。

セルロースナノファイバーが注目されるようになったきっかけ

2015年9月に森林分野のノーベル賞といわれるマルクス・バーレンベリ賞を東京大学の磯貝教授ら3人の研究者が受賞しました。

ナノファイバーは繊維どうしの結合が強く、急激に分離するのが難しいのですが、物を酸化させるのに使うTEMPOという触媒を使って、従来の20分の1以下のエネルギーで繊維から簡単かつ大量にセルロースナノファイバーを取り出すことができるようになりました。

この技術の開発により世界中でセルロースナノファイバーの研究が加速しました。

セルロースナノファイバーの用途

セルロースナノファイバーは様々な用途が考えられていて、経済産業省によると2030年には関連市場が1兆円に達すると予測しています。

自動車の車体

京都大学では現在鉄を使用している自動車の車体をセルロースナノファイバーに置き換える研究をしています。

セルロースナノファイバーは乾燥させる時に大きさが1/10に収縮して大きく変形してしまいます。このため、そのままでは自動車の車体のような複雑な形状に加工するのが困難でした。

その対策として収縮しにくいプラスチックにセルロースナノファイバーを10%を混ぜることにより、加工しやすく、鉄より軽く同程度の強度にできることが分かりました。

ドア、ボンネット、フェンダーをナノファイバーに置き換えて車の重さを20%軽量化し、燃費を向上できると期待されていて、自動車メーカーや製紙会社との共同開発が始まっています。

自動車のタイヤ

自動車のゴムには強度を強くするためにカーボンブラックを混ぜてあります。
タイヤが黒いのはカーボンブラックのためです。

国際がん研究機関が2010年にカーボンブラックの発がん性の疑いを指摘したため、その代替品として、信州大学ではセルロースナノファイバーを用いてより強くて軽いタイヤ作りの研究が行われています。

従来のゴムに比べてセルロースナノファイバー入りのゴムでは約2倍の引っ張り強度が得られることが確認されています。

セルロースナノファイバー入りのゴムでは顔料を自由に選ぶことができるので、カラフルなタイヤを作ることが可能です。

現在、実際に車に取り付けて走行試験を行ってその信頼性を確認中です。

自動車の窓ガラス

京都大学では世界で初めてセルロースナノファイバーの透明化に成功していて、自動車の窓ガラスの素材としての用途が考えられています。

自動車の窓ガラスは緊急脱出時に割れる必要がありますが、入れるセルロースの量、染み込ませる樹脂の性質を変えるなどして強度をコントロールできるようです。

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ディスプレイ

スマートフォンやタブレット端末などのディスプレイ素材としての用途も考えられています。

スマートフォン、タブレット端末を全てセルロースナノファイバーで一体化

大阪大学ではスマートフォン、タブレット端末の太陽電池(電源)、内部の部品、タッチパネルなどのすべての部品をセルロースナノファイバーのシート上に作り、薄くて軽いタブレットを生み出そうとしています。

数年後には実現できると考えていて、技術的なハードルはなく、あとはやるかやらないか、だけなのだそうです。

スピーカー

スピーカーの振動版はこれまでパルプが使用されていましたが、これにセルロースナノファイバーを混ぜることにより、セルロースナノファイバーの細かな繊維がパルプの隙間を埋め、密度が高くなって音を忠実に再現することが可能となりました。

この技術はヘッドホンにも応用できます。

大人用の紙オムツ

セルロースナノファイバーは非常に細いため、同一の重さの一般的な物質と比較した場合、その表面積は大きくなるので、におい成分を効率的に捕まえることできます。

この性質を利用して、マイナスイオンを帯びたセルロースナノファイバーを消臭シートに織り込むことで、プラスの電気を帯びた金属イオンを大量に取り込むことができ、消臭効果は従来の3倍になりました。

これはすでに日本製紙が商品化しています。

セルロースナノファイバーにはチクソ性という性質があります。

チクソ性とは通常の状態では高粘度の固まった状態ですが、力が加わったり、攪拌したりするとトロトロした柔らかい状態になり、その後放置すると再び元の固まった状態になる性質です。

このチクソ性を応用した商品としてボールペンや日焼け止めのような化粧品があります。

ボールペン

多くのボールペンインクには液漏れ防止用として、インクに粘り気を出すために増粘剤が加えられています。増粘剤がインクとうまく混ざりあわないと、インクがかすれたり、かたまりが出てきたりします。

三菱鉛筆では増粘剤にセルロースナノファイバーを使用することにより、従来より滑らかに書けるようになりました。

すでに2015年より米国、欧州では発売されて好評を得ています。

日焼け止め

日焼け止めなどの化粧品には液だれ防止のために増粘剤が使用されていて、この増粘剤がべたつきの原因となっています。

そこで増粘剤に高いチクソ性を持つセルロースナノファイバーを使おうという研究が始まっています。
セルロースナノファイバーを使用することにより、べたつきを解消することができます。

食品用包装材

ナノファイバーのシートは繊維どうしの隙間がほとんどないので、酸素を通しにくいため食品の劣化を防ぎます。

その他

食品、医薬品の袋、人工血管、軟骨などの医療分野、食品添加物などの応用が期待されています。
 

セルロースナノファイバーの課題

用途開拓が進んでいない

海外では各国で様々なセルロースナノファイバーの製品開発に乗り出しています。

一方、日本ではセルロースナノファイバーは一部の用途では使われ始めていますが、ごく限られたものです。その用途開拓をすすめる必要があります。

どのようなところに使用可能かを考えるために、異分野が連携してネットワークを作っていく必要があり、現在、全国的なネットワークと地域ごとで展開するネットワークができつつあります

価格が高い

製造コスト(1kg)は以下のように現状は非常に高いものになっていますが、量産効果で一気に下がる可能性があり、2020年ごろには1,000円程度まで下がるとの予測があるほか、潜在的には500円以下に抑えられるといわれています。

鋼鉄 50~200円
アルミニウム合金 400円
プラスチック 200~1,000円
セルロースナノファイバー 5,000~10,000円

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参考書籍
「図解よくわかるナノセルロース」(ナノセルロースフォーラム 編集) 日刊工業新聞社

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