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。