セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）の実用化に向けた取り組み

著者： 藤橋　雅尚  ／  講演者： 河崎　雅行 ／  講演日： 2018年9月29日 ／  カテゴリ： 環境研究会 > 講演会 ｜ 化学部会 > 講演会  ／  更新日時： 2018年11月07日

　

化学部会･繊維部会・環境研究会合同 講演会（2018年9月度）報告

日  時 ： 2018年9月29 日（土） 13:30～16:30
場  所 ： アーバネックス備後町ビル３階ホール

講演２．セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）の実用化に向けた取り組み

講演者 ： 河崎　雅行　日本製紙株式会社　研究開発本部　CNF研究所

１．はじめに

当社はサステイナブルな木材資源をベースとした産業であるが、強みは木材を安価に紙やエネルギーやケミカルで利用するための手段として、樹種の選抜・育成技術（クローン技術）を培って来たことにある。一方、事業環境面で見ると、情報伝達媒体としての紙（新聞や印刷紙）の使用量が減少しているため、事業構造を、パッケージ、木材・ケミカル、エネルギー（売電）などに転換する方向で進めている。ケミカル分野への展開で考えると、一般に蒸解工程はアルカリ条件下で行われるが、当社は国内唯一の酸性条件下での蒸解設備を持っているため、高純度のセルロースを製造できる技術があり、蒸解液からもリグニン製品や酵母・核酸を取り出せる技術を持っている。本日はセルロースをＣＮＦとして利用する技術についてお話しする。

２．ＣＮＦの開発動向　

ＣＮＦとは、セルロースをナノサイズまで解きほぐした（解繊した）極微細の天然繊維であり、2000年頃から開発が始まった。特長として次をあげることが出来る。
　①軽量でありながら鋼鉄クラスの曲げ強度を持つこと
　②熱による変形が少ないこと
　③木材原料のため食材と競合しないこと
　④資源量が豊富であること

このようなＣＮＦの将来性を見込んで製紙会社に加え、化学会社・製紙薬品メーカー・分散装置メーカーが参入し、開発競争が行われている。海外でもセルロースナノフィブリル（ＣＮＦ）、セルロースナノクリスタル（ＣＮＣ：セルロースの結晶部分）の両面から商業化が進められ、2016年時点で商業設備が42基（日本は10基）稼働し、用途開発の競争が激化している。

 

　　　図１　CNF、CNCの開発（ISO-TC6資料）

３．ＣＮＦの製造法

　パルプの繊維は、図２の構造をしており、人工的にはあり得ないレベル（70～90%）の高い結晶化度を持つセルロースミクロフィブリルが直鎖状に並んだ構造である。

　　　図２　セルロース分子の構造

ＣＮＦにするためには、機械処理または化学処理を併用して解繊する。機械処理は超高圧ホモジナイザー、グラインダー、ビーズミルなどを使用し、化学的処理法はTEMPO酸化、カルボキシメチル化、リン酸エステル化、カチオン化、酵素処理、濃硫酸処理などをあげることが出来る。この中で、石巻工場で工業化したTEMPO酸化法は磯貝研究室（東京大学）で見いだされたＣＮＦ製造方法でTEMPO(2,2,6,6-テトラメチルピペリジニル-1-オキシラジカル)触媒下、次亜塩素酸を用いて酸化を行うことにより、均一ナノ分散が可能なCNFを作る方法である。

ＣＮＦは製造法によって繊維の形態が異なる。例えば機械処理だけでは白濁した懸濁液が得られるが、化学処理＋機械処理の場合は同濃度で透明な液が得られる。樹種の影響は針葉樹の方が均一に解繊したＣＮＦが得られ易い傾向がある。

４．日本製紙のＣＮＦ開発と実用化に向けて

2017年に石巻工場にTEMPO酸化ＣＮＦ設備(500t/年)、江津工場にCM化ＣＮＦ(CM：カルボキシメチル)の量産設備(30t/年)、冨士工場にＣＮＦ強化樹脂パイロット設備(10t/年)を設置した。これらの設備により現在考えられている用途に対応したＣＮＦの生産が可能になった。用途別には、樹脂用補強材の用途（透明材料、電子材料、自動車用部材、建材、筺剤など）、TEMPO酸化品の用途（補強材、透明フィルム、ガスバリア材、金属担持など）、CM化品の用途（食品、化粧品など）が考えられている。

　　　図３　ナノセルロース懸濁液の粘度

ＣＮＦの特長の一つとして、擬塑性とチキソ性を持っていることが上げられる。これはＣＮＦのアスペクト比が100以上と細長いことに起因し、図３に示すように静置状態では繊維が絡み合って高粘度となり、流動状態では繊維の絡み合いが外れ方向性がそろうことにより低粘度となると考えられている。

ＣＮＦは既存の添加剤より低速度での粘度が高いのでスプレーしても液だれしないことを活用して塗料用途、液に曳糸性がないことから粘つかないので化粧品に適することなど、広い用途が期待できる。その他、透明シート、抗菌抗臭シート、アラミド並みの力学特性を利用したゴム補強材、ＣＮＦ強化樹脂、自動車の構造材への利用など、様々な用途への開発を期待している。現在、世界に先駆けてカーボンニュートラルの製品を実用化するため、製造条件の確立ならびに品質規格や安全性評価手法の確立を目指して進めているところである。

質疑

Ｑ　現状数千円/kgの製品を2030年に500円/kgにする計画であるがどのような方向性か。

Ａ　機械式解砕はエネルギーを多く使う上、機械の値段も高価である。また乾燥のコストも安くならない。現在のフル工程の製品ではなく途中工程で製品とすることも選択肢として、どこでどのような製造することで安くＣＮＦを提供できるかを考える課題がある。

Ｑ　世界との競争において、日本の規格をデファクトスタンダードにする事が期待できるが、いかがか。

Ａ　ISOを起案しようとしている状態であり、経産省もナノファイバーの規格化の後押しをしている。このため産総研や大学機関など標準化を行っている人の協力を得て考えているところである。ナノクリスタルはカナダが先行しているため、日本はナノファイバーを提案する方向で進めたい。まがい物の排除が目標の一つであるが、標準化には難しい問題がありヨーロッパ各国との協調も視野に入れているところである。

文責　藤橋雅尚　監修　河崎雅行