動き始めたCNF製車体研究

炭素繊維の次の新素材としてセルロースナノファイバー(CNF)の研究が盛んになってきた。CNFは鋼鉄の5分の1の重さで5倍の強度を持つため、強度が必要で重量を減らしたい自動車用途が本命と見られている。

この度京都大学とデンソー、環境省らはCNFを使い自動車の重量を1割軽くする研究を始めた。燃費が改善し走行時の二酸化炭素発生量を減らす。自動車の重量を1割軽くすると燃費が5%向上し、車1台が10万キロ走る時の二酸化炭素排出量を約0.5トン削減出来るそうだ。

環境省は17年度からの3年間で総額120億円規模を支援し、家電や住宅、産業機械にも用途を広げる方針。

共同研究には京大を中心に約20近くの企業や大学が加わる予定。その分担項目はパルプを薬品で効率よくほぐす量産技術を開発するグループ、空調やドアの部品などをシアsクスルクループ、試作車を作るグループに別れる。

実用化の最大の課題は一般の車体に使う鋼材に比べて高い価格の引き下げだ。

政府は地球温暖化対策を目指す「パリ協定」を受け、30年に温暖化ガスの排出を13年比で26%削減する目標を掲げる。削減の為の革新的技術は100件ほど考えられているがCNFは大いに期待されている。

なおCNFの液体としての利用・製品応用については、過去の記事で記述しているのでご参照願いたい。

また今後共CNFを始めとした新素材については新しい情報が入り次第記事を書く予定。乞うご期待。

 

 

水を使わず古紙再生

紙の原料はパルプで日本は大部分を輸入に頼っている。

一度使用された紙は回収されて再生されてまた紙に生まれ変わる。

再生工程では古紙を解きほぐしたり、再生させるためには大量の水を使うというのが普通のやり方だった。

しかしセイコーエプソンは、オフィスで使った用紙等からいろいろな用途の紙を作る装置を開発した。その最大の特徴はなんと水を使わないのだ。

開発した装置では、溶解ではなく機械的な衝撃によって古紙を綿状の紙繊維に戻し印字を消す。

紙繊維を結合する際も粉体の結合素材を使う。

再生して作る紙は密度や厚みを制御でき、用途にあわせて色や難燃性を付与出来るそうだ。

コスト的にまだ新しい紙に及ばないが、顧客情報などの気密性の高い文書などの処理に使われていくと思われる。

しかしなんと言ってもオフィス内に設置した装置で処理が出来るということだ。

現在1分間に十数枚の再生が可能という。

セイコーエプソンは開発した装置を年内に「ペーパーラボ」のブランドで商品化する予定。

 

水素の常温、大量輸送方法

これまでの石油から水素をエネルギー源とする水素社会が到来しようしている。

その水素の製造方法には、①天然ガス採取時に副生する水素を分離膜等で分離補集する。②天然ガスを分解して取り出す。③水を分解して取り出す。等いろいろあるが、①の方法が現在最も現実的な技術とし行われている。

その水素の貯蔵や輸送方法はこれまで水素吸蔵合金に吸収させたり、水素ガスを高圧に圧縮して耐圧性のタンクに入れる方法や水素を摂氏マイナス253度迄冷却して液体にする方法が使用されてきた。しかしこれらの方法で大量の水素を貯蔵したり運搬するには新規な大掛かりなインフラを整備する必要がある。

因みに少量の場合の例となる、トヨタの燃料電池車「ミライ」は70MPa(700kg/cm2)の高圧に圧縮された水素が炭素繊維製のタンクにいれて使われている。

これに対し、従来からも提唱されてきたにもかかわらずにあまり大きく取り上げられなかった方法がいま脚光を浴びている。

それは水素をトルエンに吸収(反応)させてメチルシクロヘキサン(MCH)と言う化合物にすると言うもの。こうすると水素の輸送や保存が常温・常圧で出来るのである。

トルエンはベンゼンにメチル基が1個ついただけの炭化水素分子で、不飽和結合(2重結合)を3個分子内に持つので水素を6個付加することが出来る。この反応で水素ガスの体積を500分の1の液体に変えることが出来る。MCHは修正ペンなど日曜品にも使われているもので日常条件で安全に取り扱える。

ただMCHから水素を取り出す技術がこれまで確立されていなかった。触媒を使う方法はあったが、耐久性が1,2日で工業用としては使えなかった。

千代田化工はプラチナを1ナノメートルよりも細かくすることで耐久性が1年ある触媒を開発し、水素を常温で貯蔵・輸送してから効率的(回収率95%以上)に取り出す手法「SPERA水素システム」を開発し日本経済新聞社の地球環境技術賞の最優秀を受賞した。

想定される水素サプライチェーンは以下の通り

まず資源国で天然ガスを産出する際に水素だけを分離する。→現地のプラントでトルエンと反応させてMCHとする。→タンカーで日本に運びプラントで水素を取り出す。→MCHは再びトルエンとなる→資源国に運ばれてMCHとするため再利用される。このサイクルと繰り返す。

 

 

パワー3倍リチウムイオン新電池

現在あらゆるところに使われているリチウムイオン電池だが、通常のリチウムイオン電池は電解質に有機系液体が使われていて、液漏れや発火の不具合がおきていた。

これに対し、電解質に液体でななく、個体が使えればこれらの欠点はなくなり、更にコンパクトに出来るがこれまで十分な電流を流せる個体が見つかっていなかった。

この度トヨタ自動車と東工大の研究チームは電解質に特殊なセラミック粉末を使い従来の3倍以上のパワーがあり、大幅に小型化出来るリチウムイオン電池を開発した。

開発した個体電解質は、シリコンとリチウム、りん、硫黄、塩素の配分を工夫して作ったもので、電流が常温で3倍、100度で10倍になるという。

今回開発されたのは厚さ1mm以下なので、十分な容量を実現するには何層も重ねる必要があるという。

論文が英科学誌「ネイチャー・エナジー」に掲載された。

 

 

未来の冷蔵庫は磁気で冷やす?

新しい冷却方式である磁気冷却についての新聞記事(日経8月25日)を紹介します。

現在の冷蔵庫などで使われているヒートポンプ(HP)はコンプレッサー(圧縮機)を使い配管に閉じ込め冷媒ガスを循環させて周囲と熱を受け渡しする。

冷媒を膨張させ液体から気体へ変える時に気化熱を奪い周囲を冷やす。逆に冷媒を圧縮して気体化から液体に戻す時には外部に凝縮熱を出す仕組みだ。

この方式の原理は、のデメリットはコンプレッサーの騒音や振動が発生することや、地球温暖化のガスを使っていることだ。

これに対し、磁気ヒートポンプは圧縮機も冷媒も使わなず、モーターで永久磁石を回転させ、周りに配置した磁性体に磁気を加えたり消したりして発熱と吸熱を繰り返す。

この原理は、「磁気熱量効果」と呼ばれる現象で、磁気が生じる源となる「スピン」と言う電子の性質に由来している。電子のスピンがバラバラの状態から一定の向きに揃う時に発熱し、スピンの向きがバラバラに戻るとき吸熱する。

スピンの向きがバラバラの状態は揃った状態よりエネルギーが低いので、その差を熱エネルギーとして出し(発熱)入れ(吸熱)している。

この吸熱、発熱を引き起こすため、中央に回る永久磁石と周囲に0.6ミリの細かい磁性体の粒を周りに詰めたパイプ(温水用と冷水用)を配置した構造の装置となっている。

磁性体には、この高い性質を持つレアアースのガドリニウム(Gd)が使われているが、近年は安価な鉄やマンガンをべーすとした合金での開発も進んでいる。

現在製品化されいるのは、白物家電で世界首位の中国ハイアールがドイツの化学会社や米国の航空宇宙関連会社と共同で2015年に施策したワインクーラーがある。ワインは振動に弱いので磁気HPが適しているため。従来より35%効率がいいそうだ。

日本では空調設備最大手のサンデンホールディングスが東工大とまた自動車部品大手のデンソーが研究を行っている。

現在の冷却方式で使用している冷媒ガスは低温下では液体から気体に戻しにくいが、磁気HPならこうした効率は悪くならない。

将来の有望な製品化品目としては、業務用冷凍機や電気自動車(EV)用のエアコンがある。エンジンがないEVは冬場の暖房用の熱源がないため電気で暖房用の熱を作ると走行距離に大きく響く。そこでこの磁石で熱を発生させるヒートポンプが期待されている。

 

 

参考サイト1はここ

参考サイト2はここ

参考論文はここ

 

省エネの新アンモニア合成法を日本人が開発

アンモンニは工業的には極めて重要な基礎化学品である。

これまでの生産方法は、1906年にドイツのハーバーとボッシュが開発した「ハーバー・ボッシュ法」が使われてきた。

しかしこの方法は100気圧・400度以上高温・高圧での反応が必要なため非常にエネルギー多消費型合成法であった。このためこの合成に全人類の年間消費エネルギーの」なんと1%以上を使っているとされている。

この度、東京工業大学の細野秀雄教授と原亨和教授らの研究チームらは新しい触媒を使い、8気圧、300度で従来の10倍以上の性能の新しいアンモニア合成法を開発した。

その新しい触媒の概要はカルシウムアミドという化合物に希少金属ルテニウムのナノ粒子を付けたもの。触媒にバリウムを加えると700時間以上劣化しなかったそうだ。

このニュースはアンモニアが基礎化学品であり直接人間の日常生活に影響を与えるものではないため今の所大手新聞には大きく報道されていないが、世界の省エネに大きく貢献する様になることは間違いない。100年以上誰も成功しなかった技術なのである。

全世界の化学工業の省エネに貢献する画期的な発明であり、ノーベル賞級の可能性もある発明なのだ。

ついでに申し添えると、ご存知の方も多いと思うが、シャープの省エネ型液晶「IGZO」の開発者は細野教授なのです。

HDDはまだ生き延びるか

最近個体記憶デバイスSSDの記憶容量が数十ギガバイトを超えるものが開発され、その高速性、高密度、耐久性からこれまでのHDDは消えてゆくのではないかと思われている。

しかし高密度に関しては、最近東工大と大阪大学の共同研究の結果このHDDの容量を飛躍的に増加させる技術が開発された

その内容は、「スマネン」と呼ぶおわん型の分子を使い、その向きを反転する技術。

スマネンとは炭素原子21個の骨格の周囲に水素原子が結合していて、フラーレン(60個の炭素原子がサッカーボールの様に正5角形と正6角形の面からなる球状分子)の一部を切り取ったおわん型をしており、直径1ナノメートル、高さ0.3ナノメートルの分子。(詳細は最後に文献ご紹介)

このおわん型の分子の向きが反転する現象が走査型電子顕微鏡の観測時に発見された。

メモリーの書き込み、消去の基本原理は、このおわん型分子を整然と基板上に敷き詰め原子レベルで尖った針を近づけて1個ずつ上下を反転させることで可能。

スマネンに関しての追記

フラーレンの一部を切り取った基本構造には、2通りが考えられます。ひとつは5員環を中心とした分子がコランニュレン6員環を中心とした構造の方がスマネン。

スマネン、コランニュレンに関してはいくつか参考サイト、文献等がありますが

比較的見やすく分かり易いサイトはここ

 

 

 

植物が原料の新素材セルロースナノファイバー(CNF)

セルロースナノファイバーCNFは植物の構成成分であるセルロースに化学的、機械的処理を施して取り出した直径数~数十ナノメートルの極細繊維状物質で、重さ(軽さ)は鉄鋼の5分の1、強さは5倍以上とされ、熱による膨張収縮が少ないという特徴をもっています。

樹脂等に添加することで様々な機能を持つ素材を製造出来、国も経産省始め農水省、文科省も積極的に産業化を支援する体制に入っています。

原料が植物なので森林大国である日本が原料から自給出来る数少ない素材です。
その結果、木材産業、農業、製紙産業、柑橘類処理業等々植物廃棄物が出る日本全国でCNFを新たな地域産業に育てようと実用化を目指す連携組織が相次ぎ発足しています。

現在生活関連製品としては次のような用途が開発されています。
CNF使用による効果 →  基礎製品   →  市販商品
・粘りを増す      → インク、塗料、化粧品 →  ボールペン
・金属イオンを吸着   →  消臭性物質    →  紙おむつ
・高い透明度となる   → 透明フィルム    →  曲面ディスプレイ
・機密性が高い     → 高気密性シート   →  食品包装材
・軽くて強い      → ゴム、樹脂強化素材  → スポーツシューズ

しかしなんと言っても本命は自動車用途です。

今後は現在まだ高価な炭素繊維強化樹脂(CFRP)に置き換わる分野も多いと思われます。

これからのセルロースナノファイバーCNFの開発動向に注目して行きましょう。

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ナノカーボン(CNTの量産化)

前回カーボンナノチューブ(CNT)の概要についてご紹介しました。

カーボンナノチューブ(CNT)のそもそもの発見

1976年、前回紹介した遠藤守信氏が炭素繊維を作る過程で発見した。出来た原因は基板を磨いたときに落ちた鉄が触媒になり偶然に出来たと言う。その時は構造はわかっていないまま世界に報告された。同氏は日本の炭素繊維の研究・生産の草分け的存在なのだ。

カーボンナノチューブ(CNT)の構造解明と命名

1991年NECの基礎研にいた飯島澄男氏は炭素繊維を放電後の電極に出来た炭素の結晶を調べている時細長い結晶を発見しこれがCNTであり、その詳細な構造を解明し英科学誌ネイチャーに論文を発表した。

今回は生産の方について、発見当初及び最近の状況についてご紹介します。

昔は量産方法が見つからず、2005年頃は1g10万円以上もしていましたが、     最近は多層CNTについては同10円前後と1万分の1になり、            単層CNTについては同100円程度を目指した量産化が進んでいます。

現在の量産化の基礎技術2004年に産業総合研究所が開発した「スーパーグロース法」と呼ぶ方法です。

単層CNTの量産                              2015年11月には日本ゼオンがこの方法を使い山口県の徳山工場で世界初の単層CNTの量産工場を稼働させました。基板上に鉄などの触媒を塗布しベルトコンベアーに乗せて加熱する方式で生産量は年間2から3トンになるそうです。更に16年7月には産総研と共同で茨城県つくば市に共同研究施設を開設し、更なる低コスト量産技術及び研究の進展が期待されます。

多層CNTの量産                              これまで昭和電工川崎事業所で量産されていて、2015年9月から更にこれまでの5割増の年間200トンの生産を行っている。詳しくはここから

 

ナノカーボン

最初の科学技術記事は炭素特にナノカーボンのご紹介です。(リンク先からの戻りは←で)

元素の周期律表から言うとまず水素ではありますが、昔から炭素に興味がありましたので。最近の燃料電池を始めとする水素の話題は後日に。

ということで、炭素・カーボンですが、普通は有機物が不完全燃焼(蒸し焼き)後に残る黒い物質、元素記号はC、周期律表水素か6番めの元素

この炭素Cは酸素や水素やその他窒素などと化合し有機物として、無数の化合物を形成し、地球上にあまねく存在しています。

この有機化合物の一般的なことは教科書に載っていますので、そちらを参照していただくとして、このブログでは最新の話題を取り上げます。

炭素だけの化合物と言えば地球上で最も硬いと言われるダイヤモンド、そして柔らかい黒鉛がありますが、これについては今回はスルーします。

ナノカーボンの比較的最近の大きな話題としては古い順に、

1996年にノーベル化学賞を受賞したフラーレンです。これは60個の炭素が結びついた分子です。その構造はサッカーボールと同じで正五角形が12枚、正六角形が20枚の面からなる球状炭素です。

グラフェンは上記黒鉛の一枚を剥がした構造で、六角形の炭素からなる薄いシートです。こ  れは2010年にノーベル物理学賞を受賞しています。

そして本論のカーボンナノチューブ(CNT)です。

これは1976年遠藤守信・信州大学特別特任教授が作った炭素繊維の中にナノサイズの物質があることを電子顕微鏡で捉えて世界に先駆けて報告しています。

また1991年に飯島澄男氏がNECの基礎研究員だった時、この物質を電子顕微鏡で綿密に調べて詳細な構造を解明し、英科学誌「ネイチャー」に発表しました。

カーボンナノチューブCNTは炭素が六角形に結びつき筒状の極細の炭素繊維

その特徴は

①直径は1~数十ナノメートル(髪の毛の約1万分の1)              ②引張強度は鉄の10倍、                          ③熱の伝わり方は銅の10 倍                         ④密度はアルミの半分、                           ⑤電気的特性は銅の100倍(構造により性質が変わる)              等の性質により、今後の多方面への応用が期待されています。

発見からしばらくの間はサンプルが少量しか生産出来ず、非常に高価格だったため研究が進んでいいませんでした。

応用例を挙げると、①集積回路の小型化②送電線、耐熱ゴムの改良、③EVやHPVなどの次世代自動車の重要部品応用等多方面に及びます。

尚、筒状のカゴが単層の場合と多層からなる場合では電気特性を始めとした物理特性が大きく異なるため、現在それぞれ単独の量産化の開発研究が行われています。

最近注目を浴びて要るのは宇宙エレベーター。理論は随分前に出されていたのだが、静止軌道上の宇宙基地と地上を結ぶケーブルの素材が見つからなかったため、進展してなかったがCNTの発見でにわかに現実味を帯びてきました。

以上に関し詳細は次のサイトをご参照。→①易(優)しい解説 ②本家会社サイト ③論文

今後はCNTの応用面での新しい分野の開拓と既に応用面での発展。        これからCNT及びフラーレン、グラフェンの動向は要注目です。

最後に、CNTと同じナノカーボンであるフラーレンC60やグラフェンが既にノーベル賞を受賞しているので、さらに応用が進むであろう数年以内の受賞を期待しましょう。

尚高校生で上記のサイト①、②、を理解し、更に③に挑戦する人がいることを期待します。