矢 野 グループとして の 研 究 の 歴 史 ナノセルロースのうち セル ロースナノファイバー に 関 係 す る 研 究 開 発 を 行 っています 1. 植 物 資 源 からセルロースナノ ファイバーを 製 造 するための 技 術 開 発 2.セルロースナノファイバーと 樹 脂 との 複 合 材 料 に 関 する 研 究 開 発 3.セルロースナノファイバーを 使 ったその 他 材 料 開 発 1998 年 から 研 究 開 始 2007 年 5 月 総 合 科 学 技 術 会 議 /イノ ベーション25 会 議 ロードマップ:セルロー スナノファイバー 供 給 基 盤 整 備 の 加 速 度 的 推 進 を 明 記 2012 年 5 月 農 林 水 産 省 経 済 産 業 省 環 境 省 など7 府 省 バイオマス 利 用 技 術 ロードマップ バイオマテリアルにセル ロースナノファイバーが 明 記 高 圧 ホモジナイザー による 解 繊 Start 携 帯 と 操 作 ボード 筐 体 試 作 世 界 のナノセルロース 論 文 著 書 の 推 移 ( 再 掲 ) 総 合 科 学 技 術 会 議 ロードマップ 透 明 材 料 Source: Future Markets, Inc 京 都 大 学 生 存 研 矢 野 研 究 室 2012 Laboratory of Active Bio-based 1
私 たちの 研 究 ポリシー 99.9%に 人 間 の 知 恵 を0.1% 足 す 作 り 手 は 生 物 植 物 資 源 は 作 り 手 が 生 き 物 です 植 物 がここまで 作 ってくれた 材 料 に 人 間 がわずかに 手 を 加 えることに よって 新 しい 材 料 を 作 ります もとの 作 り 手 の 戦 略 に 沿 った 使 い 方 をすることが 適 材 適 所 だと 考 えています 植 物 が 行 った99.9%に 人 間 の 知 恵 を0.1% 足 す セルロースナノファイバーが 植 物 において 果 たしている 機 能 は 何 か? 植 物 細 胞 壁 の 内 部 構 造 (セルロースナノファイバー50% ヘミセルロース20~30%, リグニン20~30%) 京 都 大 学 生 存 研 矢 野 研 究 室 2012 Laboratory of Active Biobased 2
1.セルロース ナノファイバーの 製 造 パルプを 投 入 1) 様 々な 植 物 資 源 からの セルロースナノファイバー 製 造 技 術 の 開 発 例 : 木 材 竹 稲 わら ポテトパルプ バガス 水 草 海 藻 等 二 軸 混 練 機 による 原 料 (パルプ) の 解 繊 2) 簡 便 なプロセスで 安 価 な セルロースナノファイバー 製 造 技 術 の 開 発 グラインダー 開 発 した 主 な 製 造 技 術 1) 混 練 機 による 製 造 2) 高 圧 ホモジナイザーによる 製 造 3)グラインダーによる 製 造 4) 二 軸 混 練 機 による 製 造 5)ビーズミルによる 製 造 * 原 料 を 投 入 し 機 械 的 に 解 繊 ( 繊 維 を 解 きほ ぐす)します 木 材 から 単 離 した 幅 15nmのセルロースナノファイバー( 左 )と1wt% 水 懸 濁 液 ( 右 ) Iwamoto et al., Applied Physics A, 81, 1109, 2005, Abe et al., Biomacromolecules, 8, 3276, 2007 Abe and Yano, Cellulose, 16, 1017, 2009, Abe and Yano, Cellulose, 17, 271, 2010 京 都 大 学 生 存 研 矢 野 研 究 室 2012 Laboratory of Active Biobased 3
2. 樹 脂 との 複 合 化 -シート 成 形 体 - シート 化 樹 脂 含 浸 ナノファイバー 水 懸 濁 液 樹 脂 含 浸 型 セルロースナノファイバー 複 合 材 料 熱 圧 成 形 セルロースナノコンポジットと 他 材 料 における 曲 げ 試 験 の 比 較 Nakagaito and Yano, Applied Physics A, 78, 547, 2004, Nakagaito and Yano, Applied Physics A, 80, 93, 2005 Nakagaito et al., Applied Physics A, 80, 155, 2005, 等 京 都 大 学 生 存 研 矢 野 研 究 室 2012 Laboratory of Active Biobased 4
3. 樹 脂 との 複 合 化 - 低 熱 膨 張 性 透 明 材 料 - 植 物 由 来 の セルロース ナノファイバー 100%で 作 製 ( 樹 脂 不 使 用 品 ) 研 究 開 発 の 歴 史 2004 年 から 薄 くて 曲 がるディス プレイの 基 板 用 途 に 産 学 連 携 プロジェクトで 研 究 開 発 を 始 め ました その 後 発 展 を 続 けてい ます 植 物 由 来 のセルロース ナノファイバーを 使 用 2006 2008 蟹 (キチン) ナノファイバーを 使 用 2010 バクテリア 由 来 (ナタデココ)の セルロースナノファイバーを 使 用 パルプ(セルロースナノ ファイバーの 集 合 体 )を 使 用 2004 2011 試 作 の 様 子 (パイオニア 提 供 ) 曲 がる 有 機 ELディスプレイ Yano et al., Advanced Materials, 17, 153, 2005, Iwamoto et al., Applied Physics A, 81, 1109, 2005 Ifuku et al., Biomacromolecules, 8, 1973, 2007, Abe et al., Biomacromolecules, 8, 3276, 2007 Nogi et al., Advanced Materials, 21, 1595, 2009, Okahisa et al., Composite Science and Tecnology, 69, 1958, 2009 Shams et al., Applied Physics A, 102, 325, 2011, 等 京 都 大 学 生 存 研 矢 野 研 究 室 2012 Laboratory of Active Bio-based 5
4. 樹 脂,ゴムとの 複 合 化 - 鋼 鉄 並 み 高 強 度 材 - 研 究 開 発 の 歴 史 主 に2005 年 から 産 学 連 携 ( 民 間 企 業 と 大 学 との 連 携 ) プロジェクトにて 研 究 開 発 を 始 めました その 後 ブ レークスルーを 続 けていま す 3つのブレークスルー(2012) 1. 補 強 率 を 高 める 材 料 のナノ 構 造 を 精 密 制 御 するためのセルロースナノファイ バーの 化 学 修 飾 技 術 樹 脂 との 複 合 化 技 術 を 開 発 2. 生 産 性 を 高 める 原 料 になるパルプをナノファイバー 化 する 工 程 なしに 複 合 材 料 を 作 製 するプロセスを 開 発 3.もっと 軽 く 発 泡 技 術 によりセルロースナノファイバー 補 強 の 微 細 発 泡 体 を 開 発 ( 京 都 市 産 業 技 術 研 究 所 と 連 携 ) 下 記 検 討 を 行 ってきました 自 動 車 用 部 材 機 械 部 品 の 試 作 ポリプロピレン ゴム 不 飽 和 ポ リエステル 樹 脂 との 複 合 化 自 動 車 用 部 材 のためのナノファイ バー 複 合 材 の 開 発 ほか ポリエチレン 樹 脂 微 細 発 泡 体 のSEM 画 像 セルロース ナノファイバー ナノ 制 御 された 複 合 材 のTEM 画 像 ( 三 菱 化 学 撮 影 ) 試 作 の 様 子 ( 住 友 ゴム 工 業 提 供 ) 京 都 大 学 生 存 研 矢 野 研 究 室 2012 Laboratory of Active Bio-based 6
5. 樹 脂 との 複 合 化 -ナノファイバーの 表 面 修 飾 - 水 30mgを 滴 下 10 秒 後 の 様 子 セルロースナノファイバー 表 面 の 改 質 を 行 い 疎 水 化 す ることで 樹 脂 との 親 和 性 を 高 めることができます セルロースナノファイバー のシート( 無 処 理 ) 疎 水 変 性 後 化 学 結 合 部 でセルロースナノ ファイバーと 結 合 する 疎 水 部 をつけることでセルロー スナノファイバーに 疎 水 性 ( 水 となじみにくい 性 質 )を 付 与 す る その 後 樹 脂 と 混 ぜ 込 み 複 合 材 を 作 製 する 変 性 剤 疎 水 部 化 学 結 合 部 セルロースナノファイバー 京 都 大 学 生 存 研 矢 野 研 究 室 2012 Laboratory of Active Bio-based 7
6. 樹 脂 との 複 合 化 - 資 料 - 矢 野 グループ 成 果 年 表 ( 鋼 鉄 並 み 高 強 度 材 ) CNFはアラミド 繊 維 相 当 の 高 強 度 を 有 するナノ 繊 維 で 自 動 車 用 材 料 等 軽 量 高 強 度 の 特 性 が 求 められる 部 材 への 利 用 が 期 待 されるが 一 方 で 比 表 面 積 の 大 きい フレキシブルな 親 水 性 ( 極 性 の 強 い) 繊 維 のため PP 等 構 造 用 途 への 展 開 が 期 待 される 汎 用 樹 脂 との 相 溶 性 が 悪 く 樹 脂 中 でのナノ 繊 維 の 均 一 分 散 とナノ 繊 維 と 樹 脂 との 界 面 設 計 に 課 題 がある 2001 ナノフィブリル 化 パルプを 用 いるとシート 積 層 体 の 破 壊 ひずみが 増 大 し 鋼 鉄 並 みの 高 強 度 材 料 が 製 造 できる ことを 発 見 水 溶 性 フェノール 樹 脂 をバインダーに 使 用 2003 表 面 をフィブリル 化 したパルプに 二 軸 混 練 機 等 でせん 断 応 力 を 負 荷 するとナノフィブリル 化 することを 明 ら かに 2004 1 樹 脂 粉 末 との 水 中 での 混 合 2 撹 拌 しながらの 乾 燥 3 溶 融 混 合 の3ステップで 非 極 性 樹 脂 とCNFの 複 合 化 が 可 能 に ( 京 都 市 産 技 研 との 連 携 ) 2008 添 加 剤 ( 一 例 としてアミン 系 紙 力 増 強 剤 (TND))とMAPPとの 組 合 せで 水 系 粉 末 混 合 したPP PE 樹 脂 の 強 度 をガラス 短 繊 維 補 強 相 当 まで 向 上 2008 CNF 表 面 の 水 酸 基 を 選 択 的 に 化 学 修 飾 する 技 術 を 開 発 2008 パルプをカチオン 化 モノマーで 処 理 するとナノ 解 繊 性 が 飛 躍 的 に 向 上 することを 発 見 疎 水 化 処 理 との 複 合 処 理 による 最 適 化 に 期 待 2009 CNF 補 強 PP 樹 脂 を 超 臨 界 炭 酸 ガス 処 理 すると 弾 性 率 が 大 きく 向 上 することを 発 見 ( 京 都 市 産 技 研 と 連 携 ) 2010 CNFを 大 きく 疎 水 化 すると 乾 燥 後 の 凝 集 が 抑 制 され 樹 脂 粉 末 との 二 軸 押 出 機 による 混 合 溶 融 混 練 で 樹 脂 を 効 率 的 に 補 強 出 来 ることを 明 らかに 2011 ナノ 解 繊 技 術 (2003)と 添 加 剤 技 術 (2008)を 組 み 合 わせた 表 面 フィブリル 化 パルプの 解 繊 樹 脂 複 合 連 続 システムを 開 発 実 大 レベルにて 実 験 室 レベルの9 割 の 強 度 特 性 を 達 成 2011 化 学 変 性 CNFマスターバッチをPEで3 倍 希 釈 し 希 釈 PEの2.5 倍 の 弾 性 率 2 倍 の 強 度 を 達 成 2011 化 学 変 性 CNFマスターバッチをPEで3 倍 希 釈 し 希 釈 PEの4 倍 の 弾 性 率 2.5 倍 の 強 度 を 達 成 2011 化 学 修 飾 パルプと 樹 脂 を 混 練 し 直 接 ナノコンポジットの 製 造 に 成 功 化 学 変 性 CNFマスターバッチと 同 等 の 補 強 率 京 都 大 学 生 存 研 矢 野 研 究 室 2012 Laboratory of Active Bio-based 8
ナノセルロース コミュニティ in JAPAN 日 本 から 世 に 出 していきましょう! 家 電 部 品 フィルム シートなど Sustainable Technology 包 装 容 器 IT 部 品 自 動 車 部 材 Information Technology Bio Technology 建 材 ほか 持 続 型 産 業 造 林 製 造 装 置 Nano Technology 京 都 大 学 生 存 研 矢 野 研 究 室 2012 Laboratory of Active Bio-based 2 μ m 9
作 成 611-0011 京 都 府 宇 治 市 五 ヶ 庄 京 都 大 学 生 存 圏 研 究 所 生 物 機 能 材 料 分 野 矢 野 浩 之 研 究 室 Hiroyuki Yano Lab: Lab. of Active Bio-based Materials Research Institute for Sustainable Humanosphere Kyoto University Gokasyo, Uji, Kyoto, 611-0011, Japan yano @rish.kyoto-u.ac.jp JOIN US! 京 都 大 学 生 存 研 矢 野 研 究 室 2012 Laboratory of Active Biobased 10