2017年7月号
特集1 - 先端素材セルロースナノファイバーの可能性
セルロースナノファイバー 2017年の帰着点

夢の先端素材と呼ばれ、メディア先行でたびたび取り上げられているセルロースナノファイバー。情報だけの“セルロースバブル”の様相を呈している。数年後、ビルの鉄骨が置き換わり、森林はなくならないのかという声が聞こえてきそうだ。果たして開発はどこまで進んでいるのか。今回の特集1で見えてきたセルロースナノファイバーの実情を整理した。

CNFの優位性

おさらいになるが、バイオ系ナノファイバーは直径が1~100nm*1、長さが直径の100 倍以上の繊維状物質で、樹木を含む植物中のセルロースやカニ・エビの甲羅などから抽出するキチン**1などを原料とする素材である。中でもダークホースがセルロースナノファイバー(CNF)である(写真1)。

写真1 セルロースナノファイバーのサンプル    
     (富山県工業技術センター研究室で撮影)

CNFが夢の先端素材と呼ばれるゆえんは、鉄の5倍の強度で重量は5分の1という、その強さと軽さにある。さらに、資源の少ない日本では、間伐材などの森林資源を有効活用することが可能で、衰退する地域の森林産業の活性化はもとより日本発の先端素材という優位性で市場のけん引を狙えるなど、夢は広がるばかりだ。

鉄より強度が高ければ、自動車や航空機などの部材活用が期待され、巨大市場形成を実現できる。さらに軽さは燃費向上に一役買い、CO2削減にも効果的だ。ただ、現在の研究段階では自然環境下での耐用強度など確認されていないこともあり、単純に鉄がCNFに置き換わるわけではない。

また、森林資源を使い過ぎると、地球から森が消えるのでは?という素朴な疑問も出てきそうだが、CNFは針葉樹、広葉樹、裸子植物、竹、その辺の雑草などからも取り出せる。石油や鉱物資源と異なり、地球上で最も多く存在する再生産が可能な原料なのだ。また、製品にCNFを100%使用するわけではなく、樹脂やゴムなど他の素材との複合化により、素材の特性を向上させる。

最終製品に活用する場合、素材の繊維の長さや、製造方法、原料によって自動車など強度を必要とするものから、人の口に入るものや皮膚に使用する医療・化粧品などまで、幅広い分野での応用が期待されている。このように、CNFの活用方法は多岐にわたり、わが国の産業競争力に与えるインパクトは極めて高いのだ。

東京大学大学院農学生命科学研究科生物材料科学専攻の磯貝明教授が本誌2016年2月号「新規ナノセルロースの量産化に向けた産学連携」でも書かれているように、今後、量産化によって素材価格が低下することで、実用化・事業化する分野がさらに広がるものと期待する。

現在は、一部製品化されたものもあるが、日本を含め北欧やカナダ、米国などの基礎研究とさまざまな製品開発に向けた応用研究が進められ、厳しい競争関係にあるためか、各企業の口は堅いようだ。

製造方法と実用化の現状

CNFの製造は現在大別して2種類の方法が存在する。一つは、前出の磯貝教授らが開発した、TEMPO触媒酸化処理のように製紙用パルプを化学処理あるいは酵素処理してから水中で解繊する方法。もう一種類はそのような前処理をせずにパルプを水中で直接機械解繊してナノファイバー化する方法である。富山県が県を挙げて推進するウォータージェットで微細化する方法(スギノマシン)や、石臼型の解繊装置(マスコロイダー)を用いる方法、高圧ホモジナーザー処理する方法はここに分類される。

量産体制で見ると、日本製紙株式会社は石巻工場(宮城県石巻市)で、年間500トンの生産能力のある量産設備の稼働を開始している。中越パルプ工業株式会社川内工場(鹿児島県薩摩川内市)は、「第1期商業プラント」を建設中で、九州大学と連携するなど、各社が量産に向け動き出している。

本丸の自動車などの部材はまだだが、三菱鉛筆株式会社のかすれないボールペン「ユニボール シグノ 307」(写真2)のゲルインクや、凸版印刷株式会社の食品などの酸化劣化を防ぐ紙器「CNFバリア紙カップ」、日本製紙クレシア株式会社の大人用紙おむつ「肌ケア アクティ」の高い消臭機能を持つシート、アサヒフードアンドヘルスケア株式会社のキチンナノファイバーを配合した敏感肌用化粧品「素肌しずく」など、実用化に至る製品が数多く出てきた。

写真2 磯貝教授から頂いたボールペン 確かに滑らかで書きやすい。

実用化の期待と課題

最も期待の高い自動車、航空機、建材などでの活用には、まだ課題が残っている。

「24時間体制の生産設備によって、木材チップから安価で、安定的に、省エネで環境に適応した方法により、1キログラム当たり約60円の製紙用パルプを製造する技術が既に製紙産業によって構築されている」と磯貝教授が説明するように、原料が安価であるため、CNFの量産体制の拡充が進めば価格の低下が期待でき、実用化の範囲も広がることになる。従って、キラーアプリケーションとなるCNF製品の更なる市場開拓・実用化が最重要課題だろう。

磯貝明教授はさらに「既存製品の代替材料を目指すには、性能が3倍で値段が半分なら置き換わりますが、現状、実用化のハードルは極めて高いと思います。CNT(カーボンナノチューブ)も大きな切り替わりには至っておらず、高純度のCNTは1キログラムあたり100万円以上すると思います」と説明する。同様に、富山県工業技術センター企画管理部長の高林外広氏も「とにかく価格が下がらなければ、素材として使ってくれません。価格を下げるためにはCNFを使ってもらわなくてはならないので、どちらが先かは難しい問題です」と力説した。需要と供給どちらが先か、予断を許さない。

石油系合成繊維から製造する炭素繊維(カーボンファイバー)とは異なり、CNFは再生産可能な資源というアドバンテージがあり、循環型社会基盤の構築に寄与するという点から期待は大きい。しかし、現段階では安全性や耐久性が未確認で、基礎的データを集めているところである。

国は全国的な組織としてのナノセルロースフォーラムを設置し、各省庁も連絡会議を創設するなど、オール・ジャパンでの支援とあって、素材、加工、製品メーカーを目指す企業など幅広く集結、現在数千社の企業が参入を目指してしのぎを削る超激戦区である。

(本誌編集長 山口泰博)

*1
1ナノメートル=10億分の1メートル、100万分の1ミリ