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Press Release

樹脂材料を補強するセルロースナノファイバーのドライパウダーを開発

―樹脂・CNFの複合化による伸びと破断強度の向上を確認―
2018年2月8日
国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
株式会社スギノマシン

NEDO事業において、(株)スギノマシンは、樹脂材料を補強するセルロースナノファイバー(CNF)ドライパウダーの開発に成功しました。また、富山県立大学との共同研究で、開発したCNFドライパウダーと樹脂を複合化した場合に、伸びや破断強度の向上など特異な強度特性が現れることを確認しました。

(株)スギノマシンは、4月以降に開発品「BiNFi-sドライパウダー」のサンプル提供を開始し、樹脂以外の塗料、電子材料、化成品や自動車部材などへの応用に向けた開発に取り組んでいきます。

なお、2月14日から16日まで東京ビッグサイトで開催される「nano tech 2018」の(株)スギノマシンブースおよびNEDOブースにおいて、本開発成果のサンプル品(図1、2)などを初展示します。

  • BiNFi-sドライパウダーの写真
    図1 BiNFi-sドライパウダー
  • BiNFi-sドライパウダー/ポリプロピレン(PP)の写真
    図2 BiNFi-sドライパウダー/ポリプロピレン(PP)
    複合体ペレット

1.概要

セルロースナノファイバー(CNF)は、植物由来のセルロースを直径約20nm、長さ数μmにほぐすことで生まれる最先端のバイオマスナノ繊維素材です。植物繊維由来であることから、鉄鋼の5倍の強度を持ちながら軽さは5分の1と高強度・軽量性に優れ、資源の少ない日本において、森林資源を生かせる新素材として、世界中で注目されています。しかし、CNFは固形分1~10wt%程度の水に分散したゲルの状態(スラリー)で販売提供されているため、疎水性の樹脂やゴムなどの材料への複合化には、脱水や乾燥などの多くのノウハウが必要で、複合材料への応用は困難でした。また、CNFをスラリーで疎水性の樹脂やゴムなどの材料と複合化すると、CNFの凝集により均一な複合化が難しいという課題があります。

この課題を解決するため、今般、NEDOの「中堅・中小企業への橋渡し研究開発促進事業」において、株式会社スギノマシンは、自社商品として展開しているCNF(商品名:BiNFi-s(ビンフィス)※1セルロース)を独自技術で粉末化し、補強用フィラー(充填材)※2向けのBiNFi-sドライパウダー(以下、BFDP)の開発に成功しました。また、公立大学法人富山県立大学の真田教授・永田客員教授グループとの共同研究で、開発したBFDPと樹脂を複合化した場合に、複合化物が破断手前の領域で引張り伸び※3と引張り応力※4が増大するという、特異な強度特性が現れることを確認しました。今回の成果は、複合化が困難とされていた樹脂やゴムなどの材料と複合化できるCNFの先駆けとなるものです。

(株)スギノマシンは、2018年4月以降にBFDPのサンプル提供を開始するとともに、樹脂以外の塗料、電子材料、化成品や自動車部材などへの応用に向けた開発に取り組み、新たな材料への採用を目指します。またNEDOでは本事例に限らず、中小企業などが保有する技術を橋渡し研究機関の能力を活用して迅速かつ着実に実用化することを通じて、自社の技術力向上や生産方法の革新を実現する支援を継続的に実施します。

なお、2月14日から16日まで東京ビッグサイトで開催される「nano tech 2018」の(株)スギノマシンブースおよびNEDOブースにおいて、本開発成果のサンプル品などを初展示します。展示会の詳細は、以下のWebサイトをご覧ください。

2.今回の成果

開発したBFDPは、BiNFi-sセルロースに化学変性を施すことなく、乾燥時の凝集を抑制しながら粉末化することで、樹脂やゴムなどへ混練する過程でCNFが凝集せずに高い分散性を示します。さらに、本開発品をポリプロピレン(PP)樹脂に添加し複合化したところ、わずか1wt%という少量添加にもかかわらず、樹脂の引張り伸びと破断時の引張り応力が、未添加のものに比べ大幅に向上しました。開発したBFDPの詳細は以下の通りです。

【1】開発したBFDPの特長

  • (1) CNFの凝集を抑制しながら乾燥粉末化させるため、樹脂やゴムなどへの分散性が高い。
  • (2) 本開発品の添加量が、樹脂全体の質量に対し1wt%という低濃度であっても、複合化した樹脂の引張り伸びと破断時の引張り応力が大幅に向上する(詳細は【3】開発品の添加効果を参照)。

【2】開発品の仕様

繊維長タイプ:
極長、標準、極短の3種類から選択
提供形態:
乾燥粉末
色・性状:
白色乾燥粉末

【3】開発品の添加効果

  • (1) 引張り破断伸びと引張り破断応力の増加

樹脂の全体質量に対して1wt%のBFDPを熱可塑性樹脂であるPPに添加すると、引張り破断伸びが増加するとともに引張り破断応力が大きく向上します。(図3)

このような破断手前の領域でタフ化※5する現象により、複合化物の衝撃吸収性を向上させるだけでなく、割れ・欠け・傷などを低減させるような用途への適用も期待できます。

  • BFDP/PP複合化物の応力-ひずみ曲線のイメージ図
    図3 BFDP/PP複合化物の応力-ひずみ曲線

  • (2) 低ひずみ領域での引張り強度向上

5wt%のBFDPをPPに添加複合化させることで、引張り強度が約1.2倍、弾性率は約1.6倍に向上しました。低ひずみ領域での引張り強度、弾性率の向上に機能しているといえます。融点が300℃以下の熱可塑性樹脂においても、同様に分散可能です。

これにより、先行研究で示されている条件よりも少ないCNF添加量で、複合化物の強度向上を図ることが期待できます。

  • 低ひずみ領域におけるBFDP/PP複合化物の応力-ひずみ曲線のイメージ図
    図4 低ひずみ領域におけるBFDP/PP複合化物の応力-ひずみ曲線

【用語解説】

※1 BiNFi-s(ビンフィス)
セルロース・キチン・キトサンといったバイオマス(生物資源)を、高圧ウォータージェット技術で細かく解きほぐした、直径約20nm、長さ数µmのナノサイズの繊維(ナノファイバー)。(株)スギノマシンが自社の高圧技術で製造し、2011年から販売している。幅広いラインアップも特長の一つ。
※2 フィラー(充填材)
高物性や高機能、あるいはコストダウンを実現するために添加される充填材の総称で、様々な複合化材料の鍵となる素材。フィラー研究会ホームページを参照。
※3 引張り伸び
引張り試験において、材料が破壊されずに引き伸ばされる性質を示すもの。
※4 引張り応力
物体が原形を保つために抵抗しようとする力。
※5 タフ化
強さおよびしなやかさを両立し、強度が向上する現象。

3.問い合わせ先

(本ニュースリリースの内容についての問い合わせ先)

NEDO イノベーション推進部 担当:松本、長谷川、柴野 TEL:044-520-5175­

株式会社スギノマシン 経営企画本部新規開発部 担当:森本 TEL:0765-24-5118­

(その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先)

NEDO 広報部 担当:高津佐、坂本、藤本 TEL:044-520-5151­ E-mail:nedo_press@ml.nedo.go.jp