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軽量化できるバイオマス素材―CO2排出削減に期待
“ナノ”ではないセルロースで市場拡大
CNFは鋼鉄の5分の1の軽さでありながら、5倍以上の強度を持つ。比表面積が大きく、熱による変形が小さい。また、ガスバリアー性、透明性、増粘性、チキソ性などさまざまな特徴がある。
親水性が高いことから、機能性添加剤として市場投入が始まった。天然素材であることから人体に触れる用途にも安心して使え、化粧品や食品用途などで実用化が進んでいる。どら焼きの皮などにふんわり感やしっとり感を出すものとして市場に定着した。ただ少量で効果が出るため、市場規模は小さい。
市場規模拡大に最も期待されている用途は、軽量、高強度、低熱膨張という特性を生かした自動車部材や家電などの構造用途。樹脂の高性能補強材といった用途が期待されている。化石燃料由来の樹脂の使用を減らせて軽量化できるほか、マテリアルリサイクル性に優れ温室効果ガス排出削減につながる。
しかしながらCNFを疎水性のプラスチックと複合化するためには、加工コストの高さが課題になっていた。透明性が必要な分野ではナノレベルまで解繊する必要があるが、プラスチックとの複合材など用途によってはマイクロレベルもしくはセルロースのままでも同程度の機能を出せる場合がある。CNFほど高機能ではなくてもよいのでコストを下げてほしいといったニーズに応え、各社が開発を進めている。
輸送機器部品として初めての量産化
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ヤマハ発動機の「ウェーブランナー」2024年モデル -
Xの形を除く部分にCNF強化樹脂を採用した新エンジンカバー
日本製紙はCNFの量産体制を整えつつ、各用途に対応できるラインアップを充実させている。食品や化粧品用途でサイズが数ナノ―数十ナノメートルの粉体であるCM化CNF、塗料やゴム用途を目指す完全ナノ分散可能なTEMPO酸化CNF、さらに産業用途で数百ナノメートルサイズを樹脂に混ぜたマスターバッチであるCNF強化樹脂の3タイプがある。食品用途では同社の実績がほとんどだ。
このうちCNF強化樹脂は8月、ヤマハ発動機が北米で販売を始めた水上オートバイ「ウェーブランナー」およびウオータージェット推進機を搭載する「スポーツボート」の2024年モデルで、エンジンカバーに採用された。CNF強化樹脂を用いた輸送機器部品の量産化は世界初という。
日本製紙は新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の助成事業プロジェクトに参加してCNF強化樹脂の開発に取り組むとともに、静岡県富士市が事務局を担うCNFプラットフォームのマッチングでヤマハ発動機と連携を開始、共同で開発を行ってきた。ヤマハ発動機は将来的にはマリン製品のみならず、2輪車を含めた幅広い製品群への展開を検討している。
日本製紙はこのほか、繊維幅をナノからマイクロ級まで設定できるセルロース繊維「ミクロフィブリル化セルロース(MFC)」を開発。顧客がオンサイトで解繊できる装置の開発にも着手する。また繊維幅を約3ナノメートルまで均一分散させたTEMPO酸化CNFの粉体タイプもサンプル提供を始めた。水分散液より輸送・保管費を約10分の1に低減する。
セルロースを補強繊維としたペレット開発
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王子HDが開発した射出成形用のセルロース樹脂ペレットとサンプル品
王子ホールディングス(HD)は繊維を微細化するエネルギーが小さい化学処理法「リン酸エステル化法」を使用し、天然の増粘剤に比べて粘度が10―100倍高いCNFスラリー、ガラス並みの透明度と寸法安定性を持つCNF連続シート、塗料・インキ・有機溶剤などに分散が容易なCNFパウダーといった製品群を持つ。
今年2月、自動車内装材への適用を目指し、パルプ由来のセルロースを補強繊維とした射出成形用高強度ペレットを開発した。紙に使われるセルロース繊維とポリオレフィン系樹脂を均一に分散したことで、高い弾性率と高い耐衝撃性を持つ。ペレットの着色を比較的抑えられるため、着色ペレットとの組み合わせもでき、用途が広がる。
一方、同社はタイヤへの採用を目指し、CNFを複合した天然ゴム素材を野口徹信州大学特任教授と共同開発、サンプルを提供している。工業用で天然ゴムの補強に一般的に使用される化石燃料由来の炭素微粒子(カーボンブラック)を、天然ゴム100%に対し約60%混ぜた場合と比較して、CNFは約20%の混合で、強度は同等を維持しながら、伸びは約3割高められる。環境配慮素材へのニーズが高まっている中、木材原料由来のCNFと天然ゴムでオールバイオマス素材にする意義は大きい。
小林満王子イノベーション推進本部CNF創造センター長は「ゴム複合材は、将来的にはタイヤへの採用を目指しながら、他の多様な用途のどこでCNFが生かされるか探っていく」とし、「最高品質のCNFを開発する中で、微細化していないセルロース繊維でも対応できるニーズもあることが見えてきた。ニーズに応じ最適な複合材を提案できるように技術開発のレベルを高め、適用できる用途を広げ製品化を進めていきたい」と抱負を語る。
自動車のCNにオールバイオマス材料
カーボンニュートラル実現に向け、米テスラなどはメインボディーをアルミニウムによる一体成形構造「ギガキャスト」を採用してきている。影山裕史金沢工業大学大学院工学研究科教授は「予想通りの展開であり、将来的にはより一体成形性の高い樹脂複合材料の可能性がある」と展望する。
影山教授によると「CNFの当初の目的は軽量化。電動化へのシフトが進み軽量化の必要性が薄れているものの、年頃からは環境面だけでなく経済(エネルギー)面からも必要性が高まる。多様化する今後のモビリティーを考えるには、電費や燃費はますます重要になる」。
また、現在の車は%リサイクルできると言われているが、一部の樹脂はサーマルリサイクルで燃やしてCO2が排出される。そこで樹脂もバイオマス材料にしてCNFを強化剤として使用するオールバイオマス材料にすれば、燃やしてもカーボンニュートラルで、さらにエネルギー変換ができる。
影山教授はそれを「カーボンニュートラルリサイクル」として提唱する。部品・素材製造や物流のCO2排出量とエネルギーを考えると、日本の資源でもあるバイオマスの地産地消は地域活性化にも理想的だ。
「自動車業界はリサイクルしやすい『易解体性』に注力しているようだが、次の世代のニーズを捉えた素材開発にも取り組むべきである。化石燃料由来の素材に代わって、バイオマスの複合材料が見直される時が来る。多様化する将来モビリティーを考慮すると、メーンボディーやユニット系部材への積極的な展開も必要だと考える」(同)。