機能性材料セルロースナノファイバー（CNF）の特徴・用途

セルロースナノファイバー（CNF）とは

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原料としたナノファイバー素材です。
（※ナノ：10億分の1）
CNFは、鋼鉄の1/5の軽さで5倍の強度、線熱膨張は石英ガラス並みに小さいなど、優れた特性をもち、多種多様な業界での応用が検討されています。

CNFの特徴
CNFの製造方法
スギノマシンのCNF「BiNFi-s（ビンフィス）シリーズ」の特徴
CNFの用途・応用
-分散安定性と分散剤への応用
-補強性と補強材（フィラー）への応用・・・PVA、CFRP、ゴム、乾燥粉末
-保水性
-増粘性
-乳化安定性と乳化剤への応用
-化粧品用添加剤への応用
-活用業界
CNFやナノファイバーの研究開発
購入方法

CNFの特徴

植物細胞壁の主成分であるセルロースは、地球上に最も多く存在する天然の高分子で、年間生産量は1,000億トン以上と推定されています。

その構造は、セルロース分子が数十本束になった幅3～4nmの微小な繊維（セルロースミクロフィブリル）の集合体です。この微小な繊維単体、または集合体が幅数十nm以下まで解されたものを総称し、CNFと呼んでいます。

セルロースナノファイバーとは

■特徴

極細繊維です。（最小単位は3～100nm）
高強度です。（鋼鉄の約5倍）
低線熱膨張です。（石英ガラス並みに、熱による伸び縮みが少ない）
軽量です。（鋼鉄の1／5）

CNFの製造方法

ナノセルロースは、繊維幅がナノサイズ（100nm以下）のセルロースと定義され、その種類には、セルロースナノファイバー（CNF）、セルロースナノクリスタル（CNC）の2種類があり、スギノマシンの「BiNFi-s」セルロースはCNFに分類されます。

セルロースを細かくほぐすことで得られるCNFは、その解繊方法により、特徴が異なります。
解繊方法を大きく分類すると、機械的な力でほぐす「機械的解繊」と、化学薬品と機械解繊を併用した「化学的解繊」に分けられます。

用途による使い分け、応用研究が行われています。

スギノマシンのCNF「BiNFi-s（ビンフィス）シリーズ」の特徴

スギノマシンでは、産業機械メーカーとしての強みを活かし、CNFをはじめとするナノファイバー素材の製品開発と販売を行っています。

「BiNFi-s（ビンフィス）シリーズ」は、独自のウォータージェット法（WJ法）で製造しており、機械的解繊によるCNFに分類されます。
セルロース、キチン・キトサン、シルクなどの原料を水に分散させ、最高245MPaに加圧・噴射します。このマッハ2のウォータージェット同士を衝突させることで、原料をほぐし、ナノファイバーを作り出します。

BiNFi-sは繊維径や繊維長、濃度によって特性やハンドリング性が異なります。そのため、用途・目的に合致したナノファイバーを選択する必要があります。
BiNFi-sスラリータイプでは、2、5、10wt%の濃度が異なる3種類と、極短繊維から極長繊維までの繊維長が異なる多数のタイプを取り揃えています。

SEM像

■機械解繊方式では最小クラスの繊維径

標準繊維長（WFo）の走査型プローブ顕微鏡（SMP）像から解析した結果、その80%以上が繊維径10nm以下でした。BiNFi-sは、繊維解繊方式の中で最小クラスの繊維径の極細繊維です。

走査型プロ―ブ顕微鏡(SPM)像・BiNFi-sWFo(繊維長標準)の繊維径の頻度

■ウォータージェット製法の特徴

連続処理による大量処理が可能です。
水と原料だけで製造するため、人と環境に優しく、不純物（コンタミネーション）の混入が極めて少ないです。
過度な粉砕を抑制できます。
高濃度（高粘度）や、長繊維の処理が可能です。
圧力や回数を制御できるため、アスペクト比など、物性の制御が可能です。

＞ウォータージェット製法について詳しく

■製造設備

国内工場で、自社製装置を用いて生産しています。
クリーンルーム内で製造しているため、化粧品などへも安心してお使いいただけます。
大量処理が可能な工法のため、産業レベルでの製造が可能です。

CNFの用途・応用

CNFは、分散安定性、補強性、保水性、増粘性、乳化安定性などの様々な特性を活かして、あらゆる用途への導入や用途開発が進んでいます。

分散安定性と分散剤への応用

CNFの水中での三次元ネットワーク構造を利用し、粒子を分散安定化できます。

具体例として、無機顔料のケーキング防止効果と粒子の分散例を示します。
BiNFi-sは終濃度で0.1wt%の少量添加で、時間経過による強固なケーキングの形成を防止します。また0.5wt%の添加で、食品や樹脂のような軽いものから、撥水性で水に馴染まない酸化チタン、比重の大きいダイヤモンドパウダーやパール顔料などを均一に分散維持できます。

BiNFi-sセルロースによるケーキング防止効果・BiNFi-s粒子分散液の光学顕微鏡画像

＞分散安定性を示した実験動画はこちら
＞分散安定性を解説したテクニカルレポートはこちら

補強性と補強材（フィラー）への応用

CNFの高強度、低熱膨張、軽量、高アスペクト比といった特性を利用することで、樹脂やゴムなどを補強できます。

BiNFi-sを乾燥させるとフィルム状になります。このとき、繊維長が長いほど繊維同士の接点が多くなり、フィルムの強度は高くなります。

樹脂などの補強材として利用する場合も、繊維長が長いほど強度の向上が見込まれます。

PVAへのCNF添加

ポリビニルアルコール（PVA）をBiNFi-sセルロースで補強した結果を示します。
PVAの透明性を保持しつつ補強ができています。また、繊維長が長いほど補強効果が高くなります。

フィラー　PVA

CFRPへのCNF添加

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）にBiNFi-sセルロースを添加することで疲労寿命が向上した結果を示します。BiNFi-sを終濃度で0.3wt%添加することで、繰り返し疲労寿命が10～100倍以上に向上しています。繊維長の異なるBiNFi-sセルロースを上手く使い分けることでさらに寿命が向上します。

フィラー　CFRP

ゴムへのCNF添加

BiNFi-sを天然ゴムに少量添加することで、初期弾性率が大幅に向上します。
BiNFi-sは水分散体であり、液状の天然ゴム（ラテックス）に分散、乾燥化させることで、CNFを高分散させたまま固形ゴムを得ることができます。
得られた固形ゴムを加硫、成形し、NR/BiNFi-s複合体を作製すると、極長繊維（IMa）を添加した場合、初期弾性率が大幅に向上します。一方、極短繊維（FMa）の場合、破断強度が向上しています。また、極長繊維と極短繊維をハイブリッド添加することで、物性を制御できます。
カーボンブラック（CB）添加品と比較すると、BiNFi-s添加品では低濃度添加でありながら、初期弾性率が非常に高いと言えます。加えて CBの比重2.0前後に対しセルロースの比重は1.5のため、大幅な軽量化も実現できます。

NRBiNFi-s複合体・複合体の引張試験