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セルロースナノファイバー(CNF)の乾燥体(粉末状)

低環境負荷や、カーボンニュートラルな素材として注目されている植物由来の「セルロースナノファイバー(CNF)」は、極めて細い繊維状の素材です。

軽くて強い、透明性が高い、熱膨張しにくい(低熱膨張性)などの特徴を持つため、樹脂(プラスチック)の代替や、添加による補強性の向上などで、次世代社会に向けた活用が見込まれています。

 

樹脂へ複合化しやすい!粉末状のセルロースナノファイバー(CNF)とは

CNFは一般的に固形分1~10wt%程度の水に分散したゲル状態(スラリー)で販売提供されています。
このため、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。

スギノマシンは、自社で開発・製造しているCNF [商品名:BiNFi-s(ビンフィス)セルロース]を独自技術で粉末化した、補強用フィラー(充填材)向けの「BiNFi-sドライパウダー(BFDP)」を開発しました。

BiNFi-sドライパウダーは、白色で粉末状のセルロースナノファイバーです。
樹脂とドライブレンドして効果的に使用することができます。

セルロースナノファイバーのスラリーと乾燥体(粉末状)

ポリプロピレン(PP)への分散性、成形性

具体例として、汎用樹脂であるポリプロピレン(PP)へ添加した際の分散性、成形性をご紹介します。

セルロースナノファイバー乾燥体の分散性

PPとBiNFi-sドライパウダーをドライブレンドで分散させた後、二軸混練機により溶融混練して作製したペレットをホットプレスによりフィルム状に成形し、顕微鏡観察した結果が写真の左です。

単純に乾燥したCNFを粉砕して得たCNF乾燥体を同様の方法で、PPへ添加複合化して得られたサンプルの顕微鏡画像が写真の右です。

単純乾燥したCNFでは凝集が激しく二軸混練で再分散しないのに対し、BiNFi-sドライパウダーでは混練時のせん断力によってほぐされ、樹脂中に良好に分散しています。

次に、大型射出成形機で試作した射出成形品です。

セルロースナノファイバーとPPの成形体

流動性の悪化から生じる反り、ヒケ、シルバーストリーク(銀条)などの成形不良もなく、量産化に適した大型部品の射出成形が可能です。

“タフ化効果”―しなやかで強靭なCNF複合樹脂

BiNFi-sドライパウダーを添加することで、破断時に生じる亀裂の成長を防止し、ポリマーのタフ化効果が現れます。

2種のBiNFi-sドライパウダーをPPに1wt%添加複合化し、引張試験を実施した時の応力ひずみ曲線を下図に示します。
高ひずみ領域において、PP単体ではひずみ700%程度で試験片が破断するのに対して、BiNFi-sドライパウダーを1wt%添加した試験片では破断ひずみ(伸び)が大きく向上しています。

標準繊維(WFo)タイプにおいては970 %以上の伸びを示し、さらに破断応力が降伏応力を上回る現象が確認できます。

このように、BiNFi-sドライパウダーを添加することで、しなやかで強靭な複合樹脂になる可能性があります。

BiNFi-sドライパウダーのタフ化効果

応用事例

応用事例1.CNF添加によるCFRPの疲労寿命向上

BiNFi-sドライパウダーのタフ化効果を応用した事例として、CFRP(炭素繊維強化プラスチック)の疲労寿命向上があります。

CNFのCFRPへの添加方法や実験データについては、テクニカルレポートNo.9「セルロースナノファイバー添加によるCFRPの高機能化」や、Webセミナーのアーカイブ動画「CFRPへのセルロースナノファイバー添加 ~効果と手法~」で詳しく解説していますので、ぜひご覧ください。

> テクニカルレポート一覧はこちら

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応用事例2.高耐衝撃性合わせガラス中間膜へのCNF添加

産業用機械分野の窓材には、安全性を担保するために高い耐衝撃性、耐貫通性が要求されます。

合わせガラス用中間膜(アクリル樹脂)にBiNFi-sドライパウダーを分散させることで、透明性を維持しながらも中間膜の靭性を制御し、耐衝撃性、耐貫通性を向上させることができます。

詳細は、テクニカルレポートNo.16「セルロースナノファイバー(CNF)乾燥体」で詳しく解説していますので、ぜひご覧ください。

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セルロースナノファイバー(CNF)乾燥体のまとめ

  • CNFは、一般的に販売されているゲル状態(スラリー)では、疎水性の樹脂やゴムなどへの複合化が困難
  • 独自技術で乾燥させた「BiNFi-sドライパウダー」は、樹脂へ添加した際に、分散性と成形性が高い
  • PPと複合化した際、高ひずみ領域で、破断ひずみ(伸び)が大きく向上する「タフ化」効果が現れる
  • CFRPに添加することで、疲労寿命向上に効果がある
  • 合わせガラス用中間膜(アクリル樹脂)に添加することで、耐衝撃性、耐貫通性を向上させることができる
  • 少量の添加で効果がある
  • 低環境負荷な自然由来のフィラーである

 

技術情報

さらに詳しく解説!テクニカルレポートはこちら

これらの応用例や実験結果を、テクニカルレポートでご紹介しています。
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