「非可食性植物由来化学品製造プロセス技術開発／
研究開発項目②

木質系バイオマスから化学品までの一貫製造プロセスの開発／

高機能リグノセルロースナノファイバーの一貫製造プロセスと部材化技術開発」

平成 25 年度～平成 31 年度報告書

国立大学法人

京都大学

王子ホールディングス株式会社
日本製紙株式会社
星光ＰＭＣ株式会社
地方独立行政法人
国立大学法人
独立行政法人

京都市産業技術研究所
東京大学（再委託）

産業技術総合研究所（再委託）
宇部興産株式会社（再委託）三菱エンジニアリングプラスチックス株式会社（再委託）株式会社ロンビック（再委託）
大洋塩ビ株式会社（再委託）目次

1. 研究開発の内容及び成果等

3

1.1 研究開発の概要

3

2. 研究開発項目[1]リグノ CNF 用成分分離技術の開発

6[1]-1 リグノ CNF 用パルプ化法の検討

6[1]-2 原料の選定

93. 研究開発項目[2] リグノ CNF 変性（化学修飾）技術の開発

19[2]-1 耐熱性向上技術の検討

19[2]-2 トドマツパルプにおけるアセチル化処理条件とアセチル化度の関係

23[2]-3 アセチル化処理によるトドマツパルプの耐熱性変化

24[2]-4 トドマツパルプにおけるアセチル化度と耐熱性ついて

25[2]-5 熱流動性向上技術の検討

27

4. 研究開発項目[3] リグノ CNF・樹脂複合体製造プロセスの開発[3]-1 リグノ CNF・高融点樹脂複合化プロセスの開発

29
30

1. ポリアミド 6 (PA6)、ポリアミド 12 (PA12)、ポリ乳酸（PLA）、ポリアセタール(POM)、ポリブチレンテレフタレート (PBT)、アクリロニトリル‐ブタジエン‐ス
チレン共重合体 (ABS)、ポリスチレン (PS)、マレイン酸変性ポリプロピレン(MAPP)、ポリプロピレン (PP)、高密度ポリエチレン (HDPE)、
2. ポリカーボネート (PC)、PC/ABS アロイ、PA66、変性ポリフェニレンエーテル(mPPE)、ポリエチレンテレフタレート（PET）、様々なポリアミド系ポリマー
3. CNF 強化ポリプロピレンの開発
4. CNF 強化ポリプロピレンのメカニズムと実用性能評価
5. 耐衝撃性，耐熱性に優れた CNF 強化ポリプロピレンの創生
6. 異種繊維とのハイブリッドによる CNF 強化樹脂の高性能化
ガラス繊維、炭素繊維、ラミー繊維[3]-2

CNF 強化ポリプロピレン材料のナノ構造解析[3]-3 リグノ CNF 樹脂複合材料の発泡技術開発

109
120

[3]-4

マテリアルリサイクル性

130

[3]-5

マスターバッチ法の検討

131

[3]-6

京都プロセスのスケールアップ技術

133[3]-7 高植物度成形体製造・成形プロセスの開発

135

5. 研究開発項目[4] リグノ CNF および樹脂複合体の計測・評価技術の開発
138
6. 研究開発項目[5] スケールアップ・社会実装化技術の開発
1140

[5]-1 部材製造プロセスのスケールアップ技術の開発

140

リグノ CNF 部材の社会実装化技術開発

141

[5]-2

[5]-3 部材化プロセスのコスト削減技術の開発（プロセスコスト試算）
資料

海外動向

143
160

2

1. 研究開発の内容及び成果等
1.1 研究開発の概要
セルロースナノファイバー（CNF）は、すべての植物細胞の基本構成成分で、木質系バイオマスの約半分を占める持続型資源である。軽量、高強度、低熱膨張のナノ繊維であることから、樹脂補強繊維への利用が期待されている。その際の補強
性、信頼性の向上には、CNF の均一分散を様々な樹脂中で実現するためのナノ分散性と、多様な樹
脂との複合化を CNF の強度的ポテンシャルを損
なわずに実現するための耐熱性が大きく影響する。CNF は、細胞壁中で多糖類を介してリグニンと 一 部 結 合 し て 、 リ グ ノ CNF（ リ グ ニ ン ・ セ ル
ロースナノファイバー複合体）の状態でリグニン

図 1

木材細胞壁中の CNFやヘミセルロース中に均一分散しており、リグニ
ンやヘミセルロースの一部を選択的に分離し、残りのパルプをナノ解繊することで、細胞壁中での ナノ分散 性を保ち、且 つ、耐熱 性に優れたリ グニン被 覆 CNF（リグ ノCNF）が得られると考えられる。「日本再興戦略」改訂 2014 にセルロースナノファイバーの研究開発等によるマテリアル利用の促進に向けた取組を推進することが明記され、我が国では CNF に関する社会的な関心が急激に高まっているが、その状況は北欧、北米、中国も同様である。日本の優位性が確保されているうちに、いち早く、リグノ
CNF およびリグノ CNF 樹脂複合材料を安定的に製造できる装置の開発、ユーザーの求める機能の開発という最も高いハードルを越え、他国が追いつけない状況まで引き離すことが重要である。
(1)背景と目的
セルロースナノファイバー（CNF、幅 10-50nm）は、すべての植物細胞の基本骨格成分で、木質系バイオマスの約半分を占める持続型資源である。軽量（密度：1.6g/cm 3 は鋼鉄の 1/5）、高強度（弾性率：140GPa は鋼鉄の 2/3、強度：3GPa は鋼鉄の7-8 倍）、低熱膨張（線熱膨張係数：0.2ppm/k はガラスの 1/40 倍）の特徴を有するナノ繊維であることから、補強用繊維としての利用が期待されている。
「日本再興戦略」改訂 2014 にセルロースナノ
ファイバーの研究開発等によるマテリアル利用の促進に向けた取組を推進することが明記され（改訂 2015、改訂 2016、未来投資戦略 2017、2018 にも記載）、我が国では CNF に関する社会的な関心が急速に高まっている。例えば、平成 26 年に創設されたナノセルロースフォーラムに参加する企3

業は 200 社を越えている。さらには、政策連携のためのガバニングボードとしてのセルロースナノファイバー関連省庁連絡会議の発足、セルロースナノファイバー活用推進議員連盟の発足、県あるいは地域経済産業局のリードによる公設試を拠点とした地域 CNF 材料開発の促進など、様々な取り組みが始まり、活発化している。その状況は北欧、北米、中国も同様であり、サーキュラーエコノミー、バイオエコノミーといった新しい社会システムへの関心の高まりとともに CNF の利用に関する研究開発が加速している。CNF 強化樹脂材料の開発において、日本の優位性が確保されているうちに、
いち早く、高性能 CNF および高性能 CNF 樹脂複合材料を安定的に製造できる装置・プロセスの開発、ユーザーの求める機能の開発という高いハードルを越え、他国が追いつけない状況まで引き離すことが重要である。
本研究開発では、原料の木質資源から最終成形品までを俯瞰し、原料選択、成分分
離技術、化学変性技術、樹脂複合化・成形技術といった各要素技術の開発に取り組み、
自動車メーカー、ハウスメーカー等の評価を得て、要素技術のベストマッチングにより、高性能で社会実装可能な CNF 強化樹脂材料の一貫製造プロセスを早期に開発することを目的とする。
(2)位置付け、目標値
高性能 CNF 強化樹脂材料の実現には、パルプの解繊および CNF の均一分散を様々な樹脂中で実現するための“ナノ分散性”と、多様な樹脂との複合化を CNF の強度的ポテンシャルを損なわずに実現するための“耐熱性の向上”が必須である。このため、耐熱性に優れたリグニン被覆 CNF（リグノ CNF）をベースとし、原料選択、成分分離技術、化学変性技術、樹脂複合化・成形技術といった要素技術の開発を進める。並行して、開発品について自動車メーカー、ハウスメーカー等の評価を得ながら各要素技術
を組み合わせた素材の作り込み、プロセス開発を進め、自動車分野や家電、建築分野で占める割合が大きく，今後大きな市場の伸びが期待される高機能樹脂製品を対象とする高性能リグノ CNF
およびリグノ CNF 強化樹脂
材料の製造プロセスを構築する。
最終部品までを俯瞰した
リグノ CNF 材料の省エネ型の製造プロセスを構築す
る 。 そ の た め に 、 平 成 27
年度中に原料からスタート
しリグノ CNF およびリグノ
CNF 樹脂複合材料を一貫製造する試料作成プラントを

図 2製造し、アドバイザーとし
4

本研究開発での要素技術開発の進め方

て参加する複数のユーザーにサンプルを提供している。また、事業化をより確かなものとするために、平成 27 年度より研究開発項目[4] リグノ CNF および樹脂複合体の計測・評価技術の開発を、平成 28 年度より研究開発項目[5]スケールアップ・社会実装化技術の開発をそれぞれ追加した。
(3)研究開発の成果と意義
平成 25-27 年度の第一中間期では、木材成分の分離システムを導入し、耐熱性、ナノ解繊性に適したリグノ CNF 製造条件を明らかにするとともに、化学変性および樹脂複合化に関する京都大学保有技術と組み合わせ、高融点の PA6 樹脂を補強するリ
グノパルプの製造・変性技術、樹脂複合化プロセスを開発した。アセチル化変性した CNF（10wt%）の添加で PA6 樹脂の弾性率は 2.5 倍に、強度は 1.6 倍にまで増大した。また、同じプロセスを用い、最初に高濃度 CNF のマスターバッチを作製し、それを PP 樹脂で 10%CNF 濃度まで希釈後、射出成形することで、引張弾性率：4GPa、
引張強度：65MPa の成形体を得ることに成功した。これは自動車において広く用いられているタルク 20%添加 PP 品の 2 倍の強度である。
さらに、成分分離（蒸解）、化学変性、樹脂複合化に関する各要素技術を、製造プロセス全体を俯瞰しながら最適化し組み合わせることで、解繊性と樹脂との相溶性に優れた変性リグノパルプ（アセチル化処理）を高効率で製造する技術を開発した。この変性パルプをベースとして様々な CNF 強化樹脂成形体を、原料から射出品まで高効率で連続的に製造する一貫製造プロセスが構築できたことで、平成 27 年度に、事業化をより確かなものとするための試料作製プラント（当初計画の 10 倍の生
産量：10kg/日）を製造するとともに、50kg/日までの生産性拡大が可能なシステム補強を行い、アドバイザーへのサンプル供給を加速した。
平成 28-29 年度の第二中間期では試料作製プラントにおける CNF 樹脂材料製造の技
術改良を進め、第一中間期で達成した小スケールでの性能が概ね 5 トン/年スケール(50kg/日 )で 得 ら れ る 様 に シ ス テ ム 補 強 を 行 う と と も に 、 新 た に 参 画 し た 化 学 ・ 樹 脂
メーカーとの共同実施などにより CNF 強化樹脂材料のさらなる作り込みと大量製造を進め、アドバイザー20 機関にサンプルを提供するまでになった。また、本プロジェク
ト参画の製紙メーカーが当初予定を前倒しして平成 29 年 6 月に、自社静岡工場にて本
リグノ CNF 一貫製造プロセスの実証設備を設置し、実用化生産に向けた検討を開始した。
平成 30‐31 年度の最終期間では、化学・樹脂会社３社の共同実施先と連携体制の補強を図るとともに、サンプル評価を行うアドバイザーの数も 25 機関にまで増やし、そのフィードバックを得て、様々な樹脂、樹脂部品について実用物性の観点から性能評価を進め、PP 品について用途に応じた 3 つのグレードを開発した。以上の成果を踏まえ、コスト試算を行い、射出成型用 30%CNF 添加マスターバッチ（ナイロン６）において目標とする製造コスト 1300 円/㎏を大きく下回る 718 円/kg から 927 円/kg の見通
しを得た。

5

2. 研究開発項目[1]リグノ CNF 用成分分離技術の開発（実施者：京都大学生存研、王子ホールディングス（株）、日本製紙（株） 、星光
PMC （株）、東京大学（再委託先））[1]-1 リグノ CNF 用パルプ化法の検討
本 事 業 で 開 発 を 進 め る “パルプ直接混練法”は疎水化変性パルプを溶融した樹脂中で混練、解繊することで、パルプのナノ解繊とナノファイバーの樹脂中への分散を
ワンショットで行うコストパフォーマンスに優れた方法である。従来の疎水化セル
ロースナノファイバー（CNF）による樹脂補強はパルプのナノ解繊後に CNF を化学変性し溶融混練で樹脂と混合する方法が一般的であり、ナノ解繊化のコスト、ナノ
繊維の化学変性コスト、ナノファイバーの樹脂中への均一分散化などの課題が実用化に向けた高いハードルとなっていた。これに対し、パルプ直接混練法はパルプを構成している数百万本の CNF の表面をすべて樹脂と仲の良い構造に変えてから、変性パルプを溶けた樹脂の中で溶融混練する方法である。混練中にパルプが解れてCNF となり、樹脂の中に均一に分散する。一方で、本方法では植物が進化の過程で獲得してきた強固で精緻な細胞壁のフレーム構造であるパルプをポリプロピレンやポリエチレンなど極性のない樹脂中で混練により解繊することが求められており、CNF に損傷を与えずにナノ繊維化を達成する点に難しさがある。このことからパル
プ直接混練法では解繊性に優れ、千切れにくいパルプの開発が不可欠である（図：図 [1]-1-1）。そこで、京都プロセスに適したパルプ化法、リグノ CNF 用成分分離技

術について検討した。

図[1]-1-1

京都プロセスに適した成分分離法a)パルプ蒸解液の検討
最初に、国産針葉樹の機械パルプ（GP）を用いて、以下の代表的な薬液と薬液濃度で蒸解処理を行い、処理による成分変化およびセルロース重合度の変化を明らかにした。処理温度、時間、液比は、それぞれ 150℃、1 時間、20 とした。
6

図[1]-1-2

成分分離（パルプ製造）における各種薬液と蒸解処理後のパルプ組成

・KP：0.8M NaOH+0.2M Na₂S
・KP+AQ※1 ：0.8M NaOH+0.2M Na₂S+0.01M AQ
・KP+NaBH₄※2： 0.8M NaOH+0.2M Na₂S+0.01M NaBH₄・ｱﾙｶﾘ SP：0.75M Na₂SO₃+0.25M Na₂CO₃
・Na₂CO₃：1M Na₂CO₃
・Na₂SO₃：1M Na₂SO₃
・NaOH：1M NaOH
・Ca(OH)₂：1M Ca(OH)₂)
・※1 AQ：アントラキノン、※2 KP+NaBH₄のみ 150℃、2 時間
図より、残留リグニンが少なく、かつ、重合度低下が小さい蒸解は、AQ を使用したクラフトパルプ(0.8M NaOH+0.2M Na₂S)および NaBH₄を併用したクラフトパルプであることがわかる。重合度の低下はセルロースの損傷を意味しており、混練時にセルロースナノファイバーが切断しやすくなると考えられることから、京都プロセス
用の成分分離、パルプ製造法の検討はクラフトパルプ法をベースに行うこととした。
b) クラフトパルプ化の条件検討
続いて、液比 20、0.8M NaOH+0.2M Na₂S、AQ 添加の条件下で、蒸解温度、時間を変化させて蒸解処理を行い、成分組成の変化、重合度、耐熱性の指標として TGA 測定における 1w%の重量変化を生じる温度について検討した。
図より、蒸解温度および蒸解時間の増大に伴って、セルロースの重合度は低下し、一方で、1wt％の重量減少を生じる温度は増加していることがわかる。

7

蒸解温度および時間の増大によって重量減少温度が増加する点は、100℃あるいは120℃での蒸解ではパルプ中に多くのリグニンやヘミセルロースが残存しており、それが低温から分解するためと考えられる。高温、長時間での蒸解処理はセルロース
純度を上げ、低温で分解する成分を減らす効果がある。一方で、高温での長時間の処理はセルロースの重合度を大きく低下させている。続いて行った検討で、170℃で
3 時間処理したパルプは、150℃で 1 時間処理したパルプに比べ、京都プロセスで製造した CNF 強化材料において破断ひずみが低下し、強度が低下したこと、セルロー
ス分子量と耐熱性の両方が高いリグノパルプを用いると、複合材料製造工程において短繊維化を抑制できたことから、本事業では分子量低下が少なく、かつ、1wt％重量減少温度が高いクラフトパルプを京都プロセス用パルプに用いることにした。

図[1]-1-3

クラフト蒸解の条件とセルロース重合度および 1wt%重量変化

8[1]-2 原料の選定
木質バイオマスによる違い

a)[1]-1 の結果より、成分分離法をクラフトパルプ法に限定し、解繊性、耐熱性に優れたセルロースナノファイバーを効率よく製造するのに適した木質バイオマス原料について検討した。針葉樹、広葉樹、草本のそれぞれから、国内材で積極的な利用が期待されている樹種、海外で経済植林が行われており将来にわたって大量に入手できることが見込まれる樹種などを勘案し、以下の９種類を選んだ。
針葉樹：スギ、ヒノキ、アカマツ、トドマツ
広葉樹：ユーカリ・グロブラス、アカシア・マンギューム、ヤナギ
草本：イナワラ、タケ
まず、各原料の脱リグニン性を評価した。クラフト蒸解において薬液濃度、液比を揃え、蒸解温度、蒸解時間を変化させて蒸解時に加える熱量に対するパルプ中のリグ
ニン量への影響を検討した。熱量の指標としては以下の式で定義される蒸解温度（T）
を時間積分して求められる H を用いた。結果をエ ラー! 参照元が 見つかりません。
[1]-2-1 に示す。
260

40%

35%

35%
255

20%

250

15%
10%

245

リグニン（％）

25%

255

30%
1%WL(℃）

リグニン（％）

30%

250

25%
20%

245

15%

240

10%

5%
0%

260

235

5%
0

400

800

1200

1600

2000

240

0%

0

200

400

熱量

600

800

230
1000

熱量

スギ：Lig

ヒノキ：Lig

アカマツ：Lig

スギ：1%WL

ヒノキ：1%WL

アカマツ：1%WL

蒸解中に加えた熱量（H)：
図[1]-2-1

1%WL(℃）40%

ユーカリG：Lig

アカシアM：Lig

ユーカリG：1%WL

アカシアM：1%WL

ヤナギ：Lig

ヤナギ：1%WL

H=∫exp（A-B/T)dt

A、B:係数

稲ワラ：Lig

稲ワラ：1%WL

蒸解温度 T(K)

脱リグニン性の比較

針葉樹、広葉樹ともに加える熱量が増加するにつれてリグニン量が急激に減少した。
その後、加えた熱量に対するリグニン減少は緩やかになった。一方、イナワラは非常に低い熱量で脱リグニンが進行した。減少が緩やかになる変曲点の熱量は針葉樹が高9

く、スギ、ヒノキ、アカマツはそれぞれ約 1000 ポイントであり、ほぼ同じ値であった。これに対し、広葉樹は針葉樹より低熱量で脱リグニンが進行し、脱リグニン性に優れていた。
さらに、ユーカリ・グロブラス、アカシア・マンギューム、ヤナギで比較すると減少が緩やかになる変曲点の熱量はそれぞれ約 200 ポイント、400 ポイント、200 ポイン
トであり、アカシア・マンギュームはユーカリ・グロブラス、ヤナギの 2 倍であり、同じ広葉樹の中でも脱リグニン性が異なることが明らかになった。木材中でのリグニン構造の違い（架橋密度）に起因すると考えられる。
イナワラは非常に低い熱量で脱リグニンが進行した。リグニン構造の違いに加え、イナワラは組織が木質原料と比較して薄く、薬品の浸透性が良いことも考えられる。
本実験では比較のため薬液濃度、液比を木質原料と同一にしたが、イナワラについて
は加える熱量を含め温和な蒸解条件で脱リグニンが可能であった。
耐熱性の指標である 1%重量減少温度はリグニン量との間に負の相関関係が認められた。比較的低熱量域でリグニン量が急減する領域において 1%重量減少温度は急上昇した。その後、リグニン量の減少が緩やかになる領域では 1%重量減少温度の上昇も緩やかになった。この傾向は脱リグニン性の異なる針葉樹と広葉樹においても共通であった。
続いて、以上のパルプについてアセチル化後に、ポリアミド樹脂との複合化（ナノ解繊）を行い、強度特性における補強性について検討した。複合化はパルプ直接混練法により行った。なお、パルプ直接混練法（京都プロセス）については、研究
開発項目[3] リグノ CNF・樹脂複合体製造プロセスの開発で詳述する。
二軸押出機によりアセチル化パルプが 10 重量%になるようにポリアミド（PA）6
樹脂と複合化して、引張強度試験、曲げ強度試験により行った。結果を図[1]-2-2 図
4 および表 [1]-2-1 に示す。

図に示すように引張試験、曲げ試験、いずれにおいても、針葉樹が最も補強性に優れ、続いて広葉樹、草本類の順であった。さらに、針葉樹の中でも補強性に違いが見られた。

図[1]-2-2

引張試験結果（左）および曲げ試験結果（右）10表 [1]-2-1

PA6 補強性の原料依存性

引張特性

PA6

アカマツ

針葉樹
スギ
ヒノキ

弾性率（GPa)
強度(MPa)
伸び率（％）
繊維率（％）

1.70
41.6
>100

4.26
86.7
3.34
8.3

4.44
91.6
3.33
9.9

曲げ特性

PA6

アカマツ

針葉樹
スギ
ヒノキ

トドマツ ユーカリ アカシア ヤナギ

タケ

イナワラ

弾性率（GPa)

2.08
95.2
>30

3.96
129.0
8.49
8.3

4.09
135.1
8.61
9.9

4.31
136.8
7.60
8.8

3.62
121.8
8.54
10.4

3.14
118.5
12.25
9.9

強度(MPa)
伸び率（％）
繊維率（％）

3.84
86.6
3.54
9.4

3.90
126.9
8.27
9.4

トドマツ

広葉樹
ユーカリ アカシア

ヤナギ

草本類
タケ
イナワラ

4.22
88.9
3.11
8.8

3.88
77.7
3.14
9.9

3.82
81.7
7.04
9.6

3.12
70.3
4.40
10.4

3.71
82.5
3.72
10.1
広葉樹

3.59
123.1
9.06
9.9

3.65
3.72
122.8 125.8
8.82
9.19
10.1
9.6

3.11
66.6
5.51
9.9

草本類

続いて、樹脂複合材料中での解繊性を X 線 CT 分析により評価した（図[1]-2-3 図 ）。
その結果、解繊性においては針葉樹が最も良く解れており、続いて広葉樹、草本類の順であった。すなわち、解繊性が良い樹種ほど高い補強性を示すことが確認された。
・針葉樹（カッコ内白点率、解像度 1.45µm）

・広葉樹（カッコ内白点率、解像度 1.45µm）

11

・草本類（カッコ内白点率、解像度 1.45µm）

図[1]-2-3

樹脂中での変性パルプの解繊状態

解繊性に関し、より詳細な分析を行うために、ポリアミド樹脂を溶媒で溶解除去し、残った繊維を FE-SEM で観察した（図[1]-2-4）。その結果、補強性の低い広葉樹や草本類では解繊が不十分な太い繊維が多く見られたが、針葉樹は未解繊繊
維が少なく、良好な解繊性であった。

図[1]-2-4樹脂を除去して観察した変性パルプの解繊性12b) 部位による違い
木材は、例えば同じスギであっても産地、部位によって強度特性が大きく異なり、同じ比重で比較して 10 倍も弾性率が異なることもある。成分組成には大きな違いが無いので、それは木材細胞壁の微細構造、特に二次壁中層(S2 層)における CNF の配向の違いに起因する。そのため、京都プロセスに適した木材、パルプは、樹種のみ
ならず、品種、産地、部位によっても異なる可能性がある。そこで、平成 29 年度から始まった原料検討プロジェクト（テーマ３）と連携し、プロジェクトから下記の産地、部位の異なる樹種の提供を受け、京都プロセスにおける適性を評価した。
・スギ：産地（茨城県、富山県、熊本県）、部位（未成熟、成熟） ※・トドマツ：産地（北海道、下川町、津別町）
・コウヨウザン※部位（図[1]-2-5）
未成熟：材の中心部分
成熟：材の外側の部分
スギ、トドマツについては、産地と部位の異なるものを、また、将来の植林木として検討されている低比重のコウヨウザンについても検討した。
図[1]-2-5

スギは、成熟材と未成熟材に分けて部位パルプ化を行った。ここで成熟材とは、樹木の成長過程においてある程度成熟した形成層細胞から形成された材を指し、スギでは 15 年輪幅より外側に該当し、それ以前に形成された未成熟材（0-15 年輪幅）とは仮道管長や細胞壁中のミクロフィブリル（CNF）傾角等が異なっている。
クラフトパルプ用蒸解液には蒸解補助剤（SAQ）を加えた。茨城スギ成熟材、茨城スギ未成熟材、富山スギ成熟材、富山スギ未成熟材を試料として所定の蒸解温度と時間で蒸解を行い、得られたパルプについて収率と残留リグニン量を求めた。 図[1]-2-6 に 結果を示す。ここで、グラフの横軸は各々の蒸解温度と時間から次式で計算される熱量（H-factor）である。H＝０∫ｔｅ(43.2-16115/T)dt（ t： 時 間 、 T： 温 度 ）図[1]-2-6

スギ蒸解時の収率とリグニン量13パルプ収率は蒸解の進行とともに減少して熱量 1000 付近からその変化が緩やかになり、熱量 2038 で 45％程度となった。茨城スギ成熟材と富山スギ成熟材の違いはあまり見られず、富山スギ未成熟材においてもほぼ同様の収率となったが、茨城スギ
未成熟材は他と比べて収率が低くなる傾向があった。一方、残留リグニン量に関しては、蒸解時の熱量増加とともに減少して 800 付近で 2％台となった。ただし、蒸解
初期においては茨城成熟材の方が富山成熟材よりリグニン量が少なくなる傾向が認められた。茨城スギのリグニン量が富山スギより少なかったことに起因すると考えられる。蒸解が進むと両者の差はほとんど認められなくなり、熱量 1000 を超えるとほぼ一定となった。この時点で溶脱し易い成分はほぼ除去されたものと思われる。
次に、スギパルプのセルロース重合度（DP）、結晶化度および化学組成を測定した。表 [1]-2-1 にその結果を示す。
表[1]-2-1
原料木材

蒸解条件
℃

成熟材
茨城スギ
未成熟材
160
成熟材
富山スギ
未成熟材

スギパルプの分析結果

min

リグニン

セル
ロース

ヘミセルロース
GM

XY

AR+GA

重合度

結晶化
度(%)

120

2.19% 74.59%

23.21% 15.63%

6.61%

0.98%

1027

76.5

150

2.07% 74.57%

23.36% 15.59%

6.81%

0.96%

993

75.9

180

1.62% 75.27%

23.10% 15.03%

7.19%

0.88%

986

76.2

120

2.21% 74.29%

23.50% 15.20%

7.24%

1.06%

1029

82.8

150

1.81% 73.86%

24.33% 16.13%

7.27%

0.93%

1004

78.3

180

1.62% 74.30%

24.08% 15.12%

7.90%

1.06%

1009

79.3

120

2.52% 73.95%

23.53% 16.32%

6.18%

1.03%

1002

75.5

150

1.75% 75.42%

22.83% 15.56%

6.38%

0.89%

974

76.7

180

1.65% 75.09%

23.26% 15.70%

6.69%

0.87%

958

75.3

120

2.42% 77.10%

20.48% 14.11%

5.56%

0.81%

1016

80.0

150

1.76% 75.42%

22.82% 15.24%

6.57%

1.01%

960

78.6

180

1.69% 77.84%

20.47% 13.72%

6.05%

0.71%

961

79.0

重合度は、蒸解時間が長くなるに従って若干低下するが、160℃、180 分でも 950以上を保っており、この蒸解条件ではいずれの試料もセルロース鎖の重合度低下は顕著ではない。一方、結晶化度とパルプ組成に関しては、結晶化度 75～83％、セル
ロース量 73～78％となったが、蒸解時間の影響はあまり見られなかった。結晶化度については成熟材より未成熟材の方が僅かに高く、富山スギ未成熟材においてセル
ロース量が多いことと関連している可能性があるが、茨城スギ未成熟材で同様の傾向が見られないことから、その関連は明らかではない。

14c) トドマツパルプの検討
以上の検討から、トドマツが均一解繊しやすい京都プロセスに適した樹種である
ことが明らかになった。組織観察から、それは細胞壁が薄く、また、早材部と晩材部のコントラストが弱いことに起因するといえた。この観点からは低比重のスギも解繊性に優れているといえるが、スギは早材部と晩材部の細胞壁厚さの差が大きい品種もあり、原料として選ぶにあたり注意が必要である。
これらの知見を踏まえ、京都プロセスに適した原料パルプとしてトドマツパルプ
についてさらに検討した。以下に、北海道、下川町産のトドマツに関する結果を示す。
図[1]-2-7 に蒸解条件とリグノパルプの外観を示す。150℃の蒸解では 1 時間処理までは一部パルプ化されない部分が見受けられるが、2 時間処理ですべてパルプ化された。160℃の蒸解温度では 30 分からすべてパルプ化されている。得られたパルプについてスクリーンを通して未解繊部分除去後、成分分析、結晶化度などの評価に供した。

図[1]-2-7

蒸解条件とパルプの外観(蒸解温度：150℃、155℃、160℃、蒸解時間：30 分、1 時間、2 時間、3 時間)

図[1]-2-8 に各パルプの収率、化学組成について、蒸解温度ごとに示す。原料トド
マツチップの化学組成は、セルロース、グルコマンナン、キシラン、アラビノース＋ ガ ラ ク ト ー ス 、 リ グ ニ ン 、 抽 出 成 分 の 順 に 43.8% 、 14.6% 、 5.5% 、 2.5% 、30.1%、 3.4%であった。
150℃、1 時間処理ではリグニンが相対的に 10％程度残っている。それが未解繊繊
維が多くみられたと原因と思われる。蒸解時間が長くなるとリグニン量は減少し、2時間処理でパルプ重量の 5.3％にまで低下した。ヘミセルロースも相対的に減少した
15

が、その程度は穏やかで原料チップの 21％から 18％までの低下である。セルロース
も 150℃の蒸解では減少は少なく 43.8％から 37.1％までの低下で、相対的には 2 時間
処理ではリグニンの減少等により 76％にまで増大した。蒸解温度 160℃では 2 時間の蒸解で相対的なリグニン量は 2％近くにまで減少した。一方、ヘミセルロースは相対的に 20％残っている。蒸解温度を 170℃にしてもリグニン量は 1.4％残っており（蒸解処理２時間後）、160℃と大きな差異は生じない。セルロース量についても大きな違いは認められない。

図[1]-2-8 蒸解条件とパルプ成分収率（左）および相対比（右）図[1]-2-9 に蒸解時の熱量とパルプの収率、リグニン量、結晶化度、重合度（DP）、
5％重量減少温度の関係について示す。図より蒸解温度に関係なく、熱量の増大に伴い収率、リグニン量は減少していることがわかる。リグニン量は熱量 1000 を超える
あたりから大きな減少は認められなくなる。一方、結晶化度は熱量に依存せず、70‐
75％ の 範 囲 で ほ ぼ 一 定 で あ る 。 こ れ に 対 し 、 重 合 度 (DP)は 蒸 解 温 度 が 高 く な る と徐々に低下し、170ºC では蒸解時間が長くなると 980 から 790 まで低下した。このことから、トドマツでは重合度の低下を避けるためには 150~160ºC あるいは 170ºC で短時間の蒸解が好ましいといえる。なお、セルロース鎖は次第に切れるが、相対結晶化度は増大する傾向にある。
16

耐熱性に関係する 5％重量減少温度は熱量の増大に伴って増大し、熱量 1000 を越えるあたり、
すなわち 160℃で 2 時間あるいは 170℃で1 時間の蒸解条件から一定値となる。これらの蒸解条件ではリグニン量は 3％を下回っており、温和な蒸解で溶脱しやすい成分がほぼ抜けている状態といえる。熱量 1000 を越えて重合度はさらに低下するが、その影響は 5％重量減少温度にはあまり表れていない。
以上から、トドマツチップのクラフトパルプ
化においては蒸解時の熱量が増えるとヘミセル
ロース量はほとんど変化せずにリグニン量が 2％前後にまで急激に減少し、その後一定となる。
また、セルロースの平均重合度は減少するが、相対結晶化度は上昇する。5%重量減少温度（耐熱性）は蒸解時の熱量が増えるほど高くなる傾向を示すといえる。

図 [1]-2-9

熱量とパルプ収率、リグニン量、結晶化度、重合度、5％重量減少温度の関係
17以上の成果を踏まえ、京都プロセスに適したトドマツパルプを大量に製造し、樹脂複合化に供するために、原木の調達から変性用パルプシート製造までを乾燥パル
プ重量換算で 200-500kg のスケールで行うシステムを構築した。図[1]-2-10 にそのフローを示す。
北海道下川町森林組合からトドマツ丸太（パルプ用材）を調達し、旭川市にある
チップ製造会社においてパルプ用チップに加工。静岡県富士市の日本製紙パピリア
で 4 トンスケールの地球釜を用いてパルプ化を行い、洗浄、プレス脱水後に、静岡
県藤枝市の製紙機械メーカーにおいて未蒸解パルプを除くスクリーン処理を行い、高知県いの町の高知県紙産業技術センターに送りリファイナーやビーターを用いた予備解繊後、連続シートを製造する、一連のシステムを構築した。本事業では、このシステムにおいて大量に製造されるパルプシートをスケールアップ実験や再委託
先やアドバイザーに提供するアセチル化パルプや樹脂複合物に用いた。

図[1]-2-10

トドマツパルプ変性用シート大量製造のフロー18

3. 研究開発項目[2] リグノ CNF 変性（化学修飾）技術の開発（実施者：京都大学 生存研、王子ホール ディングス（株）、 日本製紙(株)、星光
PMC（株））[2]-1 耐熱性向上技術の検討
CNF はエステル基の導入により耐熱性（熱変性の開始温度）が最大 20-30℃近く向上することが知られている。そこで、リグノ CNF について、様々な化学修飾（エステル化）による耐熱性の変化を熱重量分析（TGA） により検討した。その結果、耐熱性を向上させる複数のリグノ CNF 用化学修飾を見出すことができた（図 2-1-1）。
その一つがアセチル化処理である。

図 2-1-1 化学修飾による耐熱性の変化

さらに、耐熱性に優れたパルプ化法（成分分離）と化学修飾の組み合わせについて 検 討 し 、 原 料 の GP（ 原 料 木 材 ） と 比 較 し て 、 １ ％ 重 量 減 少 温 度 を 最 大 で 99℃（198℃➝297℃）、分解ピーク温度を最大で 24℃（360℃➝384℃）向上させる方法
を見出した

19

図[2]-1-2 成分分離＋化学修飾(化学修飾 A)

図[2]-1-3 成分分離＋化学修飾(化学修飾 B)

による耐熱性向上

による耐熱性向上

続いて、これらを踏まえリグノパルプの実用的化学修飾法として低コストでの変性処理が期待できるアセチル化処理に固定してさらに検討した。触媒効果に関する結果について表[2]-1-1 に示す。
触媒に塩酸、硫酸を用いた場合は、反応が促進されるが、少量の使用で分子量低下が生じ、耐熱性も低下した。ヨウ素, AcCl を用いた場合も同様であった。一方で、
炭酸カリウムを用いると分子量低下を抑制して耐熱性を向上できることが明らかになった。このため、アセチル化処理における触媒には炭酸カリウムを用いることにした。
表[2]-1-1アセチル化処理における触媒の効果

さらに、液相処理と気相処理に関して、反応時含水率の最適化、反応後の薬剤除去法の改善、洗浄方法の開発を進め、その効果を変性度とパルプ解繊性、樹脂補強
性の関係より検討した。その結果、乾燥パルプシートに行う気相処理で、少ない薬
剤量で液相処理と同等のアセチル化度、京都プロセスにおける補強性が得られた。
装置の簡便さから本事業では液相処理を採用したが、気相処理は使用する薬剤量が少なく処理コストにおいて有望である（図[2]-1-4）。

20図[2]-1-4 アセチル化処理における液相法と気相法の比較

並行して、二次元 NMR を用いて木材成分におけるアセチル化の進行について検討し、最初にセルロースおよびヘミセルロースのメチロール基（1 級水酸基）からアセチル化が進行し、続いて 2 級水酸基、最後にリグニンのベンジル位水酸基へと反応が進むことが明らかになった（図[2]-1-5）。

図[2]-1-5 アセチル化処理と木材構成成分の反応性
21続いて、アセチル化処理における原料依存性を検討した。実験には、研究開発項
目[1]に用いた以下の９種類から製造したリグノパルプを用いた。
針葉樹：スギ、ヒノキ、アカマツ、トドマツ
広葉樹：ユーカリ・グロブラス、アカシア・マンギューム、ヤナギ
草本：イナワラ、タケ

図[2]-1-6アセチル化リグノパルプにおける耐熱性の樹種依存性

図[2]-1-6 に示すように、いずれの原料のパルプにおいてもアセチル化処理によって耐熱性（１％重量減少温度）は約 10～20℃向上する。最も高いものでは、1wt%の重量減少を示す温度が 280℃以上になった。このようにパルプの耐熱性が向上したことで、PA6 など高い融点を有する樹脂との混練、複合化が可能となった。また、PP など
比較的低温で混練する樹脂においても、耐熱性が向上することで樹脂混練ラインにおける品質安定化が期待できる。

22

[2]-2 トドマツパルプにおけるアセチル化処理条件とアセチル化度の関係[1]で検討したトドマツパルプについてアセチル化における処理条件とアセチル化度（DS）の関係を検討した。処理温度の増大に伴い短時間で反応が進むが、触媒を用いない状況では 120℃での反応でも最大到達 DS は 0.8 であった。木材由来のセルロース
ナノファイバーは表面がヘミセルロースに覆われており、アセチル化は表層のヘミセ
ルロースから進行する。ヘミセルロースが 20％程度含まれている状態では DS0.8 でヘ
ミセルロースの水酸基とセルロースナノファイバー表面の水酸基がほぼアセチル基に置換されると考えられることから、無触媒で処理するとアセチル化はセルロースナノ
ファイバーの非晶領域で止まり結晶領域には進まないと考えられる。
炭酸カリウム（K2 CO3 ） を触媒とするとアセチル化は大きく促進され、3mol%以上
では 100℃でもアセチル化は DS0.8 を越え結晶部分にまで進行することがわかる。このようなアセチル化が CNF の耐熱性に及ぼす影響については次項で検討する。
80
100
120
20mol% K2CO3 100
5mol% K2CO3 100
3mol% K2CO3 100
1mol% K2CO3 100

1.5

DS

1.0

パルプ…トドマツ （40 g、リグニン 3%）
溶媒…NMP (800 mL)
試薬…無水酢酸（48.1 mL、

0.5

DS＝2）
触媒…なし/K2CO3

0.0

0

6

12

18

24

反応時間, hr

図[2]-2-1 反応条件とアセチル化度（DS）の関係
表 [2]-2-1 反応条件とアセチル化度（DS）の関係
触媒なし
DS
30min
80℃
0.25
100℃ 0.27
120℃ 0.37

1h
0.32
0.35
0.45

2h
0.34
0.37
0.52

3h
0.35
0.40
0.60

4h
0.37
0.41
0.66

5h
0.42
0.43
0.69

2h
1.29
1.06
0.80
0.43

3h
1.42
1.03
0.91
0.49

6.5h
0.43
0.44
0.69

20h
0.37
0.51
0.73

22h
0.44
0.52
0.74

24h
0.45
0.50
0.76

K 2 CO 3 ありDS
20mol%
5mol%
3mol%
1mol%

30min
0.61
0.69
0.57
0.32

45min
0.76
0.65
0.35

1h
1.20
0.90
0.75
0.36

23

4h
1.39
1.24
0.87
0.54

5h
1.50
1.21
0.96
0.54

6h
1.48
1.27
0.94
0.57

[2]-3 アセチル化処理によるトドマツパルプの耐熱性変化
溶融樹脂中での混練により乾燥パルプをナノ解繊する京都プロセス（パルプ直接混練法）では高い耐熱性と樹脂との相溶性に優れた変性パルプの開発が重要である。そこで高精度での耐熱性評価を行えるように、アセチル化パルプの耐熱性を熱重量測定（TGA）により測定する際の試料調製方法について検討した。
クラフト蒸解パルプ(トドマツ、液比：1:7 、蒸解助剤：アントラキノン化合物、ネ
バードライ)をアセチル化したパルプ(溶媒 NMP 、触媒 K2CO、 100℃2 時間、DS 0.52、
1.29)を用い、未処理ネバードライパルプおよびアセチル化後の水洗浄リグノパルプについて下記５条件で乾燥を行い、熱重量変化を測定した。測定は窒素ガス雰囲気下で、110℃、10 分間加熱後、昇温速度：10℃/分で行った。試料重量は 5mg とした。
測定前の試料乾燥方法により重量減少の挙動が異なることが明らかとなった。アセ
チル化処理試料につい ては③ 水・エタノー ルシリーズ置換(1:1→1:4→0:1×2、 水:エタノール)後にエタノール/トルエン置換(エタノール→エタノール/トルエン、2:1)し、110℃12～15 時間で減圧乾燥したサンプル（④）が最も高い 5wt％重量減少温度を示し、また、その傾向は、未処理パルプ、アセチル化パルプ（DS0.52、1.29）において同じであった。以上から、④の条件でアセチル化後の試料を調整し、アセチル化による耐熱性の変化を評価した。

未処理リグノパルプ

アセチル化リグノパルプ、DS1.29

アセチル化処理後の試料乾燥条件：① 110℃送風乾燥 12～15 時間② エタノール浸漬→110℃送風乾燥、12～15 時間③ 水・エタノールシリーズ置換(1:1→1:4→0:1x2、 水:エタノール)→110℃減圧乾燥、12～15 時間④ ③をエタノール/トルエン置換(エタノール→エタノール/トルエン、2:1)→110℃減圧乾燥 12～15 時間⑤ アセトン浸漬→110℃送風乾燥
図 [2]-3-1 洗浄後の試料調整条件と熱重量減少の関係

24[2]-4 トドマツパルプにおけるアセチル化度と耐熱性ついて
ト ド マ ツ パ ル プ に つ い て NMP

350(800 mL)を溶媒とし無水酢酸（48.1
ル化処理を行った。触媒量、温度 、 時 間 を 変 化 さ せ て 行 い 、 DS0
から DS1.5 までのサンプルを調整し、上述の水洗浄後のサンプル調

５％重量減少温度 ℃

mL、 最 大 DS＝ 2） に よ る ア セ チ

未処理

整を行った後に熱重量測定を行っ

340
330
320
310
300

た。DS と 5wt%重量減少温度との

80℃

触媒無

0

0.5

1

1.5

触媒

20mol%, 100℃

触媒

5mol%, 100℃

触媒

1mol%, 100℃

触媒

3mol%, 100℃

2

DS

関係について図[2]-4-1 に示す。

図[2]-4-1 アセチル化度と 5％重量減少温度

図[2]-4-1 より DS1.5 までの範囲ではの関係

アセチル化の進行 に伴 い 5％重量 減少を示す温度が高温側に 移って行くことがわかる。すなわち耐 熱性が向上しているといえる。未処理 パルプと比べると最大で 30℃の耐熱性向上が認められるが、DS0.5 付近では 10℃程度の向上である。トドマツパルプの化学組成（ヘミセルロース量）からは、DS0.8-1付近よりセルロースナ ノファイバー結晶領域のアセチル化が 進行すると考えられるが、図[2]-4-1 よりアセチル化で非晶化が進んでも耐熱 性は向上するといえる。溶融樹脂との 混練時にはパル

図 [2]-4-2 ア セ チ ル 化 度 と 5％ 重 量 減 少 温 度

プのナノ解繊のために 大きなせん断力の関係が加わる。そのため DS1 を越えて結晶領域の非晶化が進むこ とはセルロース
ナノファイバーの混練 時の切断、短繊
維化につながり補強性 を低下させることが考えられる。した がって京都プロ
セスでは高 DS における結晶領域の非晶化に注意を払う必要があるが、DS1.5 を越 えたア セチ ル化処理 でポ リ
カーボネートや PBS など高融点の樹脂との複合化が可能にな ることも考えられる。
図[2]-4-3 に異なる温度で２時間、蒸解処
理 を 行 っ て得 た ト ド マ ツ パ ル プ のア セ チ ル

図[2]-4-3 蒸解温度の異 なるパルプのア セ
チル化

化処理温度と DS の関係を示す。アセチル化処理は NMP を溶媒として無水酢酸（48.1
25mL、 DS＝2）を使いK 2 CO 3 を触媒（3 mol%）とし温度 100 ℃で行った。また、図[2]-4-2 にそれらアセチル化パルプの 5％重量減少温度について示す。
アセチル化におけるパルプの反応性は蒸解温度により異なる。例えば反応時間 4 時
間で比較すると DS0.61 から 0.74 までの差が生じている。これについてはパルプの化学組成との関係は明確でない。5％重量減少温度については、170℃で蒸解したパルプ
は DS0.6 に比べ DS0.8 で耐熱性の指標となる温度が低下している。原因は明らかではないが、高温での蒸解はアセチル化後の耐熱性に影響する可能性がある。

26

[2]-5 熱流動性向上技術の検討
セルロースナノファイバーについては、混練による樹脂複合とは別に、セルロー
スナノファイバーだけで作る、高強度、高植物度成形体への期待がある。そこで、リファイナー処理を行った NUKP を用いて、熱可塑性に加え耐熱性および易解繊性を付与する変性方法（官能基、変性率）を検討した。
疎水性置換基 A を導入した場合は、変性率の増大に伴い熱可塑性および耐熱性が向上したが、解繊性への影響はあ
解繊性がまり見られなかった。
一方、親水性置換基 B を導入し塑性への影響はほぼ見られなかった。解繊性は変性率の向上に伴い向上したが、変性率が高すぎると変性パルプが溶解してしまい、好適な処理範囲があることがわかった。一方で耐熱性は、変性率の向上に伴い低下した。これらの傾向

疎水性置換基A変性率た場合では変性率を変えても熱可

適切な領域

2

耐熱性が
充分高い領 域

1.5
1

軟化点が

0.5
0

充分低い領 域0を図[2]-5-1 に示す。

0.05
0.1
0.15
0.2
親水性置換基Bの変性率

0.25以上の傾向を踏まえ、得られた 図[2]-5-1 諸物性が好適になる変性率の範囲
変性 CNF をシート化し積層後、熱圧締して高植物度成形体を製造し、強度特性を評価した。その結果、親水性置換基
B の変性率を溶解しない程度に高め、疎水性置換基 A の変性率を比較的高めにした
際に、最も高い成形体強度が得られた。親水性置換基 B の変性率増大により繊維が解繊するとともに疎水性置換基 A の変性率増大により CNF 表面に存在する成分（リグニンおよびヘミセルロース）が熱可塑化し、CNF 同士の密着性が高まったためと考えられる。また、疎水性置換基 A の変性率増大により CNF の耐熱性が高まったこ
とも一因と考えられる。
一方、NUKP をビーズミル解繊により微細化した場合は、繊維同士が十分接近でき水素結合が形成されるためか、親水性置換基 B による解繊、疎水性置換基 A による可塑化の効果が表れにくく、未変性 NUKP において最も高い弾性率、強度が得られた。このことからリファイナー処理 NUKP における熱可塑性は、含有リグニンの熱可塑化によると考えられる。
さらに、上記変性 CNF の補強性をパルプ直接混練法による PP との複合化により評価した。複合化は、変性パルプを水中で解繊した後、この変性 CNF を PP 中に分散させることで行った。その結果、親水性置換基 B を導入せずに、疎水性置換基 A の変性率を高めた場合において、最も高い補強性が得られた。
親水性置換基 B の変性率向上により水中解繊後の繊維形状はより微細になったが、PP との親和性（界面接着性）が悪化したことで、複合体強度は低下した。一方、疎水性置換基 A の変性率を増大させた場合、水中解繊性に影響はなく、PP との親和性
27

（界面接着性）も向上したことで PP 中でも比較的解繊が進行し、複合体強度は向上
したと考えられる。以上より、易解繊性、耐熱性等のバランスに優れる置換基とその導入量を明らかにできた。
また、リグニン含量が多いケミ・サーモ・メカニカル・パルプ（CTMP）にビーズ
ミル処理を行ったリグノ CNF を用いて、熱流動性を向上させる変性方法（官能基、変性率）を検討した。その結果、軟化温度を 250℃から 130℃までの広い範囲で調整できることがわかった。特に官能基 A（置換基 A）は、変性率の増大により耐熱性を向上
させつつ熱軟化温度を低減できた。これより繊維劣化を抑制しつつ熱流動させる方法を見出すことに成功したと言える。

軟化点 [℃]

300
250
200
150

置換基A

100

置換基B

50

0

0.5

1

1.5

置換度
図[2]-5-2

置換度による軟化点の低下

熱流動性を向上させたリグノ CNF を用いて熱圧成形体の製造・成形プロセス技術の検討を行った。リグニンの構造変換およびリグニン、ヘミセルロースの水酸基への化学修飾を行った変性リグノ CNF において、植物度約 85％の熱圧成形体の製造に成功した。物性値は線熱膨張係数：15ppm/K、曲げ弾性率：8.9GPa を達成した。さらに上記変性リグノ CNF を用いて、3 次元成形体の作製に成功した（図[2]-5-3）。

図[2]-5-3

リグノ CNF を用いた高植物度・高弾性低熱膨張 3 次元成形体

28

4. 研究開発項目[3] リグノ CNF・樹脂複合体製造プロセスの開発（実施者：京都大学生存研、京都市、王子ホールディングス（株）、日本製紙（株）、
星光 PMC （株））
軽量、高強度のセルロースナノファイバー（ＣＮＦ）によるポリプロピレンやナ
イロンといった熱可塑性樹脂の補強はセルロースナノファイバーの用途において最も大きな市場が期待できる。しかしながら、親水性のセルロースナノファイバーと疎水性の樹脂との相溶化、均一混合は難しく、セルロースナノファイバー表面の疎水化が不可欠である。従来の疎水化セルロースナノファイバー（CNF）による樹脂
補強はパルプのナノ解繊後に CNF を化学変性し溶融混練で樹脂と混合する方法が一
般的であり、ナノ解繊化のコスト、水中に分散したナノ繊維の化学変性コスト、ナノファイバーの樹脂中への均一分散化のコストなどの課題が実用化に向けた高いハードルとなっていた。これに対し、本事業で開発を進めるパルプ直接混練法（京都プロセス）は疎水化変性パルプを溶融した樹脂中で混練、解繊することで、パルプのナノ解繊とナノファイバーの樹脂中への分散をワンショットで行う生産性並びにコストパフォーマンス）に優れた方法である（図[3]-1）。
パルプ直接混練法はパルプを構成している数百万本の CNF の表面をすべて樹脂と仲の良い構造に変えてから、変性パルプを溶けた樹脂の中で溶融混練する。混練中にパルプが解れてCNF となり、樹脂の中に均一に分散する。一方で、本方法では植物が進化の過程で獲得してきた強固で精緻な細胞壁のフレー

図[3]-1 パルプ直接混練法

ム構造であるパルプをポリプロピレンやポリエチレンなど極性のない樹脂中で混練により解繊することが求められており、CNF に損傷を与えずにナノ繊維化を達成する点に難しさがある。このことからパルプ直接混練法では原料から最終製品性能まで製造方法全体を俯瞰した検討が重要である。
以上のことから、本事業では、原料木材からスタートしリグノ CNF 樹脂複合材料を製造するまでの一貫製造プロセスの開発を、３つの研究開発項目、すなわち、［1］リグノＣＮＦ用成分分離技術の開発、［2］リグノＣＮＦ変性技術の開発、［3］リグノＣＮＦ・樹脂複合体製造プロセスの開発に分けて行った。[1]では最適原料木材の選別と解繊性に優れ熱劣化の少ないパルプ製造技術について、[2]では樹脂混練時の解繊性に優れた CNF 表面の疎水化変性技術についてそれぞれ検討した。本研究開発
項目[3]では用途に応じた複合用樹脂組成の設計、最適化について報告する。

29

[3]-1 リグノ CNF・高融点樹脂複合化プロセスの開発（実施者：京都市、京都大学生存研）
1．アセチル化セルロースと樹脂の複合化
様々な熱可塑性樹脂をマトリックスとした変性リグノ CNF/熱可塑性樹脂複合材料
を 作 製 、 評 価 し た 。 表 [3]-1-1 に 使 用 し た 樹 脂 リ ス ト を 示 す 。 溶 解 度 パ ラ メ ー タ ー（SP）値 12.2 の極性素材であるポリアミド 6 から SP 値 8.0 の非極性素材であるポリエチレンまで様々な融点、加工温度の樹脂 10 種類を使用した。以下に各々の樹脂と開発変性リグノ CNF との複合材料の特性を示す。いずれもリファイナー処理リグノ
パルプを化学変性して樹脂と二軸混練した結果である。
表[3]-1-1 使用した樹脂リスト
ポリマー名称
ポリマー略称

ポリアミド6PA6ポリアミド12
PA12

ポリ乳酸
PLA

ポリアセタール
POM

SP値
融点（℃）

12.2
225

12.1
175

12.1
170

11.1
166

ポリマー名称
ポリマー略称

ポリブチレンテレフタレート
PBT

構造

ABS樹脂
ABS

ポリスチレンPS

マレイン酸変性ポリプロピレン
MAPP

8.9

8.2
161

構造

SP値
融点（℃）

10
222

9.0-9.6
なし：加工設定温度200℃(1)ポリアミド 6（PA6）：SP 値 12.2、融点 225℃
図[3]-1-1 (a)、 (b)に変性リグノ CNF10wt%強化 PA6 複合材料の曲げ弾性率、曲げ強度と置換度（DS）の関係を示す。DS により曲げ弾性率が大きく変化し、PA6 マト
リックスでは DS0.5 付近でピークを示した。曲げ弾性率の最大値は 5430MPa であり、ニート PA6 の 2.5 倍、未処理リグノセルロースの 1.6 倍であった。同様に曲げ強度は159MPa であり、ニート PA6 の 1.8 倍、未処理リグノセルロースの 1.4 倍の高い補強効果を示した。
30

図[3]-1-2 に PA6 複合材料の X-CT スキャン像および PA6 を抽出して得られた変性
リグノ CNF の電子顕微鏡像を示す。X-CT 像では、DS0 の未処理リグノセルロース
では、粗大な繊維がランダムに分散していた。それに対して DS0.29 の化学変性により CNF 化が進行し、分散性が向上していた。電子顕微鏡像においても、DS0.29 では
CNF 化 が 進 行 し て お り 、 DS1.17 で は セ ル ロ ー ス の 形 状 が 不 明 瞭 と な り 、 さ ら にDS1.84 では溶解しているように見えた。DS0.46 が最も解れ、ナノ繊維形状が保持されており、これが優れた曲げ特性に寄与していると考えられる。
図[3]-1-3 (a)、(b)に変性リグノ CNF /PA6 複合材料における曲げ弾性率および曲げ強度と変性リグノ CNF 添加量（1、3、5、10wt%）の関係を示す。曲げ弾性率、曲げ強度とも未処理リグノセルロースを添加した場合は向上率が低かった。それに対して変性リグノ CNF を添加した場合の補強効果は高かった。図[3]-1-4、図[3]-1-5 に未処理リグノセルロースおよび変性リグノセルロースを添加した場合の X-CT 像および電子顕微鏡像を示す。過去の検討において、セルロース繊維添加量が多い方が溶融
混練中にパルプが解繊しやすいことがわかっている。未処理リグノセルロースにおいては、1～5wt%においては、凝集塊が多く 見られ解繊がほとんど 進んでいない。
それに対して変性リグノセルロースについては、X-CT、電子顕微鏡像とも CNF 化が進行していることが確認できた。
図[3]-1-6(a)、(b)に荷重たわみ温度(HDT:1.8MPa)曲線および線熱膨張曲線を示す。
ニート PA6 の HDT は 86℃、未処理リグノセルロース 10wt%強化材料は 131℃、変性
リグノセルロース強化材料は 172℃であった。このように HDT が大きく向上し、
ニートポリマーより約 90℃の向上が確認できた。CTE はニート PA6 が 113ppm/K、
未処理リグノセルロース 10wt%強化材料は 56ppm/K、変性リグノセルロース強化材
料は 19ppm/K であり、変性リグノセルロースにより CTE が 1/6 にまで大きく低下した。

(a)
曲げ弾性率（MPa）

曲げ強度（MPa）(b)

置換度（－）

置換度（－）

図[3]-1-1 変性リグノ CNF10wt%強化 PA6 複合材料の曲げ弾性率(a)，曲げ強度(b)と置換度
の関係
31

DS

0

0.29

0.46

1.17

1.84

X-CT

SEM

図[3]-1-2

リグノ CNF/PA6 複合材料中のセルロースの観察像（上段）X-CT スキャン

像，（下段）PA6 を抽出し得られたリグノ CNF の電子顕微鏡像(a)

曲げ弾性率(％)

曲げ強度（MPa）(b)

繊維添加量（%）

繊維添加量（%）

図[3]-1-3変性リグノ CNF /PA6 複合材料における曲げ特性と変性リグノ CNF 添加量の関係 (a)曲げ弾性率， (b)曲げ強度

32

1wt%

3wt%

未処理リグノセルロース量
5wt%

10wt%

X-CT

SEM

図[3]-1-4 リグノセルロース/PA6 の繊維添加量（リグノ CNF 重量ベース）による X-CT 像
および電子顕微鏡像の変化

変性リグノセルロース量
1wt%

3wt%

5wt%

10wt%

X-CT

SEM

図[3]-1-5 変性リグノセルロース/PA6 の繊維添加量（リグノ CNF 重量ベース）による
X-CT 像および電子顕微鏡像の変化

33

0.34mm

HDT

たわみ量（mm）(a)(b)

PA6: 86℃
未処理 10%/PA6:
131℃

変性 10%/PA6:
172℃

温度（℃）

CTE

変位量（μm）

PA6:113ppm/K

未処理 10%/PA6: 56ppm/K

変性 10%/PA6: 19ppm/K
温度（℃）

図[3]-1-6 リグノセルロース/PA6 の耐熱性(a)荷重たわみ温度曲線，(b)線熱膨張曲線

34

(2）ポリアミド 12（PA12）：SP 値 12.1、融点 175℃
図[3]-1-7 (a)、 (b)に変性リグノ CNF10wt%強化 PA12 複合材料の曲げ弾性率、曲げ強度と置換度（DS）の関係を示す。DS により曲げ弾性率は大きく変化し、PA12 マ
トリックスでは DS0.8 付近でピークを示した。曲げ弾性率の最大値は 3150MPa であり、ニート PA12 の 2.5 倍、未処理リグノセルロースの 1.8 倍であった。同様に曲げ
強度は 88.8MPa であり、ニート PA12 の 1.7 倍、未処理リグノセルロースの 1.4 倍の高い補強効果を示した。
図[3]-1-8 に PA12 複合材料の X-CT スキャン像および PA12 を抽出して得られた変性リグノ CNF の電子顕微鏡像を示す。X-CT 像では、DS0 の未処理リグノセルロー
スでは、粗大な繊維がランダムに分散していた。それに対して DS0.30、0.87 の化学変性により CNF 化が進行し、分散性が向上していた。DS1.57 以上では、0.30 および0.87 よ り も 粗 大 な 繊 維 が 目 立 っ た 。 電 子 顕 微 鏡 像 に お い て も 、 DS0.30、 0.87 で は
CNF 化が進行していた。DS0.87 が最も解れており、これが優れた曲げ特性に寄与していると考えられる。
図[3]-1-9 (a)、(b)に荷重たわみ温度(HDT:1.80MPa)曲線および線熱膨張曲線を示す。
ニート PA12 の HDT は 58℃、未処理リグノセルロース 10wt%強化材料は 91℃、変性
リグノセルロース強化材料は、134℃であった。このように HDT が大きく向上し、
ニートポリマーより約 80℃の向上が確認できた。CTE はニート PA12 が 133ppm/K、
未処理リグノセルロース 10wt%強化材料は 81ppm/K、変性リグノセルロース強化材
料は 35ppm/K であり、変性リグノセルロースにより CTE が約 1/4 にまで低下した。
(a)
曲げ強度（MPa）

曲げ弾性率（MPa）(b)

置換度（－）DS

DS
置換度（－）

図[3]-1-7 変性リグノ CNF10wt%強化 PA12 複合材料の曲げ弾性率(a)，曲げ強度(b)と置
換度の関係

35

DS

0

0.30

0.87

1.57

2.64

X-CT

SEM

図[3]-1-8 CNF/PA12 複合材料中のセルロースの観察像（上段）X-CT スキャン像，（下段）PA12 を抽出し得られた CNF の電子顕微鏡像

0.3
(

(b)

58℃

変位量（μm）

たわみ量（mm）

PA12:
未処理
10%/PA12:
91℃
変性
10%/PA12:

PA12:133ppm/K

未処理
10%/PA12:
81ppm/K

変性 10%/PA12: 35ppm/K

134℃

温度（℃）

温度（℃）

図[3]-1-9 リグノセルロース/PA12 の耐熱性(a)荷重たわみ温度曲線，(b)線熱膨張曲線

36

(3）ポリ乳酸（PLA）：SP 値 12.1、融点 170℃
図[3]-1-10 (a)、 (b)に変性リグノ CNF10wt%強化 PLA 複合材料の曲げ弾性率、曲げ強度と置換度（DS）の関係を示す。DS により曲げ弾性率が大きく変化し、PLA マ
トリックスでは DS1.0 付近でピークを示した。曲げ弾性率の最大値は 6400MPa であり、ニート PLA の 1.9 倍、未処理リグノセルロースの 1.5 倍であった。同様に曲げ強度は 119MPa であり、ニート PLA の 1.1 倍、未処理リグノセルロースの 1.3 倍の補強効果を示した。PA 系と比較すると補強率は低いが、弾性率は 6400MPa に達し、高い絶対値が得られた。
図[3]-1-11 に PLA 複合材料の X-CT スキャン像および PLA を抽出して得られた変性リグノ CNF の電子顕微鏡像を示す。X-CT 像では、密度が近いために PLA マト
リックスとセルロースの識別をすることができず、すべてのサンプルとも同様に見えた。電子顕微鏡像では、DS0 の未処理リグノセルロースでは、粗大な繊維が見られた。それに対して DS0.30 の化学変性により CNF 化が進行し、分散性が向上していた。DS1.57 以上では、同条件にて PLA の抽出を行っても PLA を取り除くことができなかった。
図 [3]-1-12 エ ラ ー ! 参 照 元 が 見 つ か り ま せ ん 。 (a) 、 (b) に 荷 重 た わ み 温 度(HDT:0.45MPa)曲線および線熱膨張曲線を示す。ニート PLA の HDT は 102℃、未処理 リ グ ノ セ ル ロ ー ス 10wt%強 化 材 料 は 128℃、 変 性 リ グ ノ セ ル ロ ー ス 強 化 材 料 は160℃であった。このように大きく HDT が向上し、ニートポリマーより約 60℃の向上が確認できた。CTE はニート PLA が 115ppm/K、未処理リグノセルロース 10wt%
強化材料は 86ppm/K、変性リグノセルロース強化材料は 44ppm/K であり、変性リグ
ノセルロースにより CTE が大きく低下した。

(a)

曲げ強度（MPa）

曲げ弾性率（MPa）(b)

DS
置換度（－）

置換度（－）
DS

図[3]-1-10 変性リグノ CNF10wt%強化 PLA 複合材料の曲げ弾性率(a)，曲げ強度(b)と置換
度の関係
37

DS

0

0.30

0.87

1.57

2.64

X-CT

SEM

図[3]-1-11 CNF/PLA 複合材料中のセルロースの観察像（上段）X-CT スキャン像，（下段）PLA を抽出し得られた CNF の電子顕微鏡像

(a)

(b)

0.34mm

PLA: 115ppm/K
未処理 10%/PLA: 86ppm/K

102℃
未処理 10%/PLA: 128℃
変性 10%/PLA

変位量（μm）

たわみ量（mm）

PLA:

変性 10%/PLA: 44ppm/K: 160℃

温度（℃）

温度（℃）

図[3]-1-12 リグノセルロース/PLA の耐熱性 (a)荷重たわみ温度曲線，(b)線熱膨張曲線

38

(4）ポリアセタール（POM）：SP 値 11.1、融点 166℃
図[3]-1-13 (a)、 (b)に変性リグノ CNF10wt%強化 POM 複合材料の曲げ弾性率、曲げ強度と置換度（DS）の関係を示す。DS により曲げ弾性率が大きく変化し、POM
マトリックスでは DS1.1 付近でピークを示した。曲げ弾性率の最大値は 5590MPa であり、ニート POM の 2.4 倍、未処理リグノセルロースの 1.7 倍であった。同様に曲げ強度は 129MPa であり、ニート POM の 1.7 倍、未処理リグノセルロースの 1.4 倍の高い補強効果を示した。
図[3]-1-14 に POM 複合材料の X-CT スキャン像および POM を抽出して得られた変性リグノ CNF の電子顕微鏡像を示す。X-CT 像では、密度が近いために POM マト
リックスとセルロースの識別をすることができず、すべてのサンプルとも同様に見えた。電子顕微鏡像では、DS0 の未処理リグノセルロースでは、粗大な繊維および凝集塊が見られた。それに対して DS0.46 の化学変性により CNF 化が進行し、分散性が向上していた。DS1.17 以上では、同条件にて POM の抽出を行っても POM を取り除くことができなかった。
図[3]-1-15 (a)、(b)に荷重たわみ温度(HDT:1.8MPa)曲線および線熱膨張曲線を示す。
ニート POM の HDT は 97℃、未処理リグノセルロース 10wt%強化材料は 123℃、変性リグノセルロース強化材料は 157℃であった。このように大きく HDT が向上し、ニートポリマーより約 60℃の向上が確認できた。CTE はニート POM が 118ppm/K、
未処理リグノセルロース 10wt%強化材料は 94ppm/K、変性リグノセルロース強化材
料は 42ppm/K であり、変性リグノセルロースにより CTE が約 1/3 にまで大きく低下した。
図[3]-1-16 (a)、(b)に、変性リグノ CNF10wt%強化 POM 複合材料の曲げ弾性率(a)、曲げ強度(b)と押出機パス回数の関係を示す。変性リグノセルロース強化材料は、押出機のパス回数を 3 回まで重ねても全く物性変化が見られず、5000MPa 以上の高い
曲げ弾性率および 120MPa 以上の高い曲げ強度を示した。図[3]-1-17 にこれらの POMを抽出して得られた変性リグノ CNF の電子顕微鏡像を示す。押出機パス回数を重ねても繊維の破損、切断は無く、同様の状態を維持していることがわかった。これはセルロースがフレキシブルであり、また化学変性により耐熱性が向上したため、繰
返し混練に耐えられたと考えられる。つまり本開発変性リグノセルロースは、200℃
程度の加工温度であれば、マテリアルリサイクルが可能であるということを示唆し
ている。

39

(b)

曲げ強度（MPa）

曲げ弾性率（MPa）(a)

置換度（－）

置換度（－）

図[3]-1-13 変性リグノ CNF10wt%強化 POM 複合材料の曲げ弾性率(a)，曲げ強度(b)と置換
度の関係
DS

0

0.46

0.64

1.17

1.84

X-CT

SEM

図[3]-1-14 CNF/POM 複合材料中のセルロースの観察像（上段）X-CT スキャン像，（下段）POM を抽出し得られた CNF の電子顕微鏡像

40

0.34

(a)
POM: 97℃

たわみ量（mm）

未処理 10%/POM: 123℃

変性 10%/POM: 157℃(b)

温度（℃）

変位量（μm）

POM: 118ppm/K
未処理 10%/POM: 94ppm/K

変性 10%/POM: 42ppm/K

図[3]-1-15 リグノセルロース/POM の耐熱性(a)荷重たわみ温度曲線，(b)線熱膨張曲線(b)

曲げ強度（MPa）

曲げ弾性率（MPa）

(a)

押出機パス

押出機パス

図[3]-1-16 変性リグノ CNF10wt%強化 POM 複合材料の曲げ弾性率(a)，曲げ強度(b)と押出機パス回数の関係
41

押出機 1 パス

押出機 2 パス

押出機 3 パス

10μ

10μ

10μ

2μ

2μ

2μ

図[3]-1-17 変性リグノ CNF/POM 複合材料中のセルロースの電子顕微鏡観察像－押出機パス回数１，２，３回

42

(5）ポリブチレンテレフタレート（PBT）：SP 値 10.0、融点 222℃
図[3]-1-18 (a)、 (b)に変性リグノ CNF10wt%強化 PBT 複合材料の曲げ弾性率、曲げ強度と置換度（DS）の関係を示す。DS により曲げ弾性率が大きく変化し、PBT マト
リックスでは DS1.0 付近でピークを示した。曲げ弾性率の最大値は 4380MPa であり、ニート PBT の 1.9 倍、未処理リグノセルロースの 1.6 倍であった。同様に曲げ強度は113MPa であり、ニート PBT の 1.4 倍、未処理リグノセルロースの 1.4 倍の補強効果を示した。
図[3]-1-19 に PBT 複合材料中の CNF の X-CT スキャン像および PBT を抽出して得られた変性リグノ CNF の電子顕微鏡像を示す。X-CT 像では、密度が近いために PBT
マトリックスとセルロースの識別をすることができず、すべてのサンプルとも同様に見えた。電子顕微鏡像では、DS0 の未処理リグノセルロースでは、粗大な凝集塊が見られた。それに対して DS0.30 の化学変性により CNF 化が進行し、分散性が向上していた。DS0.86、1.47 においても、高アスペクト比の繊維が形成されていた。
図[3]-1-20 (a)、(b)に荷重たわみ温度(HDT:1.8MPa)曲線および線熱膨張曲線を示す。
ニート PBT の HDT は 75℃、未処理リグノセルロース 10wt%強化材料は 111℃、変性
リグノセルロース強化材料は 173℃であった。このように HDT が大きく向上し、
ニートポリマーより約 100℃の向上が確認できた。CTE はニート PBT が 100ppm/K、
未処理リグノセルロース 10wt%強化材料は 82ppm/K、変性リグノセルロース強化材
料は 45ppm/K であり、変性リグノセルロースにより CTE が大幅に低下した。

(a)

曲げ強度（MPa）

曲げ弾性率（MPa）(b)

置換度（－）

置換度（－）

図[3]-1-18 変性リグノ CNF10wt%強化 PBT 複合材料の曲げ弾性率(a)，曲げ強度(b)と置換
度の関係

43

DS

0

0.30

0.86

1.47

X-CT

SEM

図[3]-1-19 CNF/PBT 複合材料に構築されたセルロースの観察像（上段）X-CT スキャン
像，（下段）PBT を抽出し得られた CNF の電子顕微鏡像(a)0.34mm(b)

PBT:

未処理 10%/PBT:
82ppm/K

未処理

変位量（μm）

たわみ量（mm）

75℃

PBT: 100ppm/K

10%/PBT: 111℃

変性
10%/PBT: 173℃

変性 10%/PBT:
45ppm/K

温度（℃）

温度（℃）

図[3]-1-20 リグノセルロース/PBT の耐熱性
(a)荷重たわみ温度曲線（1.80MPa），(b)線熱膨張曲線

44

(6）アクリロニトリル‐ブタジエン‐スチレン共重合体（ABS）：SP 値 9～9.6、加工温度 200℃
図[3]-1-21 (a)、 (b)に変性リグノ CNF10wt%強化 ABS 複合材料の曲げ弾性率、曲げ強度と置換度（DS）の関係を示す。DS により曲げ弾性率が大きく変化し、ABS マ
トリックスでは曲げ弾性率は DS1.0 付近でピークを示した。曲げ弾性率の最大値は3780MPa であり、ニート ABS の 1.9 倍、未処理リグノセルロースの 1.4 倍であった。
曲げ強度は DS1.0 以上において飽和し、その曲げ強度は 87.6MPa であり、ニート
ABS の 1.4 倍、未処理リグノセルロースの 1.2 倍の補強効果を示した。
図[3]-1-22 に ABS 複合材料の X-CT スキャン像および ABS を抽出して得られた変性リグノ CNF の電子顕微鏡像を示す。X-CT 像では、DS0 の未処理リグノセルロー
スでは、粗大な繊維がランダムに分散していた。DS0.30 では、解繊は進行するが粗大な繊維が目立つ。DS0.87 においても僅かに粗大繊維が見られるが、DS1.57 ではほぼ粗大繊維が目立たなくなった。電子顕微鏡写真では、DS0.30 以下では、粗大な繊維が多かったが、DS0.87 以上では解繊した繊維がほとんどを占めた。これらの解繊した CNF が物性の向上に寄与していると考えられる。
図[3]-1-23 (a1)、(a2)、(b)に荷重たわみ温度(HDT:0.45、1.8MPa)曲線および線熱膨張曲線を示す。ニート ABS の HDT は 97℃(0.45MPa)、91℃(1.80MPa)であり、未処理
リグノセルロース 10wt%強化材料は 98℃(0.45MPa)、92℃(1.80MPa)、変性リグノセ
ルロース強化材料は 105℃(0.45MPa)、97℃(1.80MPa)であった。このように ABS マト
リックスでは HDT の向上が小さく、上述のポリマーとは大きく異なる結果であった。
CTE はニート ABS が 90ppm/K、未処理リグノセルロース 10wt%強化材料は 72ppm/K、
変性 リグ ノセ ル ロー ス 強化 材料 は 52ppm/K であ り、 変性 リ グノ セ ルロ ース によ り
CTE が約 1/2 に低下した。

(b)

曲げ強度（MPa）

曲げ弾性率（MPa）(a)

置換度（－）

置換度（－）

図[3]-1-21 変性リグノ CNF10wt%強化 ABS 複合材料の曲げ弾性率(a)，曲げ強度(b)と置換
度の関係

45

DS

0

0.30

0.87

1.57

2.64

X-CT

SEM

図[3]-1-22 CNF/ABS 複合材料に構築されたセルロースの観察像（上段）X-CT スキャン
像，（下段）ABS を抽出し得られた CNF の電子顕微鏡像
(a2)

(a1)
0.34mmABS: 91℃

ABS: 97℃

未処理 10%/ABS

たわみ量（mm）

未処理 10%/ABS

: 92℃

: 98℃
変性 10%/ABS

変性 10%/ABS: 105℃

: 97℃

温度（℃）
ABS: 90ppm/K
変位量（μm）

(b)

温度（℃）

未処理 10%/ABS: 72ppm/K

変性 10%/ABS: 52ppm/K

温度（℃）

図[3]-1-23 リグノセルロース/ABS の耐熱性 (a1)荷重たわみ温度曲線-0.45MPa,(a2)1.80MPa, (b)線熱膨張曲線
46

(7）ポリスチレン（PS）：SP 値 8.9、加工温度 200℃
図[3]-1-24 (a)、 (b)に変性リグノ CNF10wt%強化 PS 複合材料の曲げ弾性率、曲げ強度と置換度（DS）の関係を示す。DS により曲げ弾性率が大きく変化し、PS マト
リ ッ ク ス で は 曲 げ 弾 性 率 は DS1.0 付 近 で ピ ー ク を 示 し た 。 曲 げ 弾 性 率 の 最 大 値 は4110MPa であり、ニート PS の 1.3 倍、未処理リグノセルロースの 1.2 倍であった。
曲げ強度はおおむね DS0.5 以上において飽和し、その曲げ強度は 66.3MPa であり、ニート PS よりも低下した。しかし、未処理リグノセルロースよりは向上し、2.3 倍の補強効果を示した。
図[3]-1-25 に PS 複合材料の X-CT スキャン像および PS を抽出して得られた変性リ
グノ CNF の電子顕微鏡像を示す。X-CT 像では、DS0 の未処理リグノセルロースは粗大な繊維がランダムに分散していた。DS0.30 では、解繊は進行するが粗大な繊維が目立つ。DS0.86 ではほぼ粗大繊維が目立たなくなった。しかし DS1.47 以上では、
再 び 粗 大 な 繊 維 が 目 立 ち 始 め た 。 電 子 顕 微 鏡 写 真 で は 、 DS0.86 が 最 も 解 繊 性 が 良かった。PS 複合材料では、曲げ強度においてニートよりも大きな低下が見られた。
PS と変性セルロースとの相容性が不十分なため繊維/樹脂界面に発生した亀裂が脆い
PS 相を伝播し、最大応力を発現する前に破断したものと考えられる。
図[3]-1-26 (a1)、(a2)、 (b)に荷重たわみ温度(HDT:0.45、 1.8MPa)曲 線および線熱 膨
張曲線を示す。ニート PS の HDT は 100℃(0.45MPa)、97℃(1.80MPa)であり、未処理
リグノセルロース 10wt%強化材料は 100℃(0.45MPa)、97℃(1.80MPa)、変性リグノセ
ルロース強化材料は 104(0.45MPa)、100℃(1.80MPa)であった。PS マトリックスではHDT の向上が ABS と同様に小さかった。CTE はニート PS が 77ppm/K、未処理リグ
ノ セ ル ロ ー ス 10wt% 強 化 材 料 は 71ppm/K 、 変 性 リ グ ノ セ ル ロ ー ス 強 化 材 料 は55ppm/K であり、変性リグノセルロースにより CTE は約 30％低下した。

(b)

曲げ強度（MPa）

曲げ弾性率（MPa）(a)

置換度（－）
置換度（－）

図[3]-1-24 変性リグノ CNF10wt%強化 PS 複合材料の曲げ弾性率(a)，曲げ強度(b)と置換度
の関係

47

DS

0

0.30

0.86

1.47

2.02

X-CT

SEM

図[3]-1-25 CNF/PS 複合材料に構築されたセルロースの観察像（上段）X-CT スキャン像，（下段）PS を抽出し得られた CNF の電子顕微鏡像

(a1)
0.34

(a2)
PS: 97℃

PS: 100℃

未処理 10%/PS

たわみ量（mm）

未処理 10%/PS: 97℃: 100℃
変性 10%/PS

変性 10%/PS: 104℃: 100℃

温度（℃）

変位量（μm）(b)

温度（℃）
PS: 77ppm/K

未処理 10%/PS: 71ppm/K

変性
10%/PS:
55ppm/K

温度（℃）

図[3]-1-26 リグノセルロース/PS の耐熱性

(a1)荷重たわみ温度曲線-0.45MPa,(a2)1.80MPa, (b)線熱膨張曲線
48

(8）マレイン酸変性ポリプロピレン（MAPP）：SP 値 8.2、加工温度 161℃
図[3]-1-27 (a)、(b)に変性リグノ CNF10wt%強化 MAPP 複合材料の曲げ弾性率、曲げ強度と置換度（DS）の関係を示す。DS により曲げ弾性率が大きく変化し、MAPP
マトリックスでは曲げ弾性率は DS1.0 付近でピークを示した。曲げ弾性率の最大値
は 3070MPa であり、ニート MAPP の 1.7 倍、未処理リグノセルロースの 1.3 倍であった。曲げ強度も DS1.0 付近でピークとなった。その曲げ強度は 76.3MPa であり、ニー
ト MAPP の 1.5 倍、未処理リグノセルロースの 1.3 倍の補強効果を示した。
図[3]-1-28 に MAPP 複合材料の X-CT スキャン像および MAPP を抽出して得られた
変性リグノ CNF の電子顕微鏡像を示す。X-CT 像では、全ての DS において上述のマトリックス材料系よりも粗い繊維が目立った。DS0.32、0.88 では未処理リグノセル
ロースよりも解繊が進み、DS1.57 以上では粗い繊維が目立った。電子顕微鏡写真では DS0.30 以上で解繊が進み、DS0.88 が最も解れ繊維長の長い様子が見られた。
図[3]-1-29 (a1)、(a2)、(b)に荷重たわみ温度(HDT:0.45、1.8MPa)曲線および線熱膨張曲線を示す。ニート MAPP の HDT は 105℃(0.45MPa)、85℃(1.80MPa)であり、未処理リグノセルロース 10wt%強化材量は 122℃(0.45MPa)、91℃(1.80MPa)、変性リグ
ノセルロース強化材料は 148℃(0.45MPa)、106℃(1.80MPa)であった。MAPP マトリックスでは HDT は、40℃以上(0.45MPa)および 20℃以上(1.8MPa)以上向上した。CTE は
ニート MAPP が 113ppm/K、未処理リグノセルロース 10wt%強化材料は 90ppm/K、変性リグノセルロース強化材料は 56ppm/K であり、変性リグノセルロースにより CTE
が 1/2 に低下した。

(a)

曲げ強度（MPa）

曲げ弾性率（MPa）

(b)

置換度

置換度（－）

図[3]-1-27 変性リグノ CNF10wt%強化 MAPP 複合材料の曲げ弾性率(a)，曲げ強度(b)と置
換度の関係

49

DS

0

0.32

0.88

1.57

2.52

X-CT

SEM

図[3]-1-28 CNF/MAPP 複合材料に構築されたセルロースの観察像（上段）X-CT スキャン
像，（下段）MAPP を抽出し得られた CNF の電子顕微鏡像
(a1)

(a2)

0.34mm

MAPP: 85℃

たわみ量（mm）

MAPP: 105℃

未処理

未処理

10%/MAPP

10%/MAPP: 91℃: 122℃
変性

変性

10%/MAPP

10%/MAPP: 148℃: 106℃

温度（℃）

温度
(b)

MAPP: 113ppm/K

変位量（μm）

未処理 10%/MAPP:
90ppm/K

変性 10%/MAPP:
56ppm/K

温度（℃）

図[3]-1-29 リグノセルロース/MAPP の耐熱性(a1)荷重たわみ温度曲線-0.45MPa,(a2)1.80MPa, (b)線熱膨張曲線
50

(9）ポリプロピレン（PP）：SP 値 8.1、加工温度 165℃
図[3]-1-30 (a)、(b)に変性リグノ CNF10wt%強化 PP 複合材料の曲げ弾性率、曲げ強度 と置 換 度 （ DS） の 関 係を 示 す 。 DS に よ り 曲げ 弾 性 率 が大 き く 変 化し 、 PP マ ト
リックスでは曲げ弾性率にピークは無く、DS とともに向上した。曲げ弾性率の最大値は 2800MPa であり、ニート PP の 1.3 倍、未処理リグノセルロースの 1.2 倍であった。曲げ強度もピークが無く、DS とともに向上した。その曲げ強度は 67.1MPa であり、ニート PP の 1.2 倍、未処理リグノセルロースの 1.2 倍の補強効果を示した。
図[3]-1-31 に PP 複合材料の X-CT スキャン像および PP を抽出して得られた変性リ
グノ CNF の電子顕微鏡像を示す。全ての DS において MAPP と同様に粗い繊維が目立った。DS の上昇に伴い解繊は進行した。
図[3]-1-32 (a1)、(a2)、(b)に荷重たわみ温度(HDT:0.45、1.80MPa)曲線および線熱膨張曲線を示す。ニート PP の HDT は 121℃(0.45MPa)、88℃(1.80MPa)であり、未処理
リグノセルロース 10wt%強化材料は 128℃(0.45MPa)、91℃(1.80MPa)、変性リグノセ
ルロース強化材料は 150℃(0.45MPa)、104℃(1.80MPa)であった。PP マトリックスでは HDT は 、 30℃(0.45MPa) お よ び 20℃(1.8MPa) 向 上 し た 。 CTE は ニ ー ト PP が82ppm/K、未処理リグノセルロース 10wt%強化材料は 70ppm/K、変性リグノセルロー
ス強化材料は 51ppm/K であり、変性リグノセルロースにより CTE が 40%低下した。

(a)

曲げ強度（MPa）

曲げ弾性率（MPa）

(b)

置換度

置換度（－）

図[3]-1-30 変性リグノ CNF10wt%強化 PP 複合材料の曲げ弾性率(a)，曲げ強度(b)と置換度
の関係

51

DS

0

0.46

1.84

2.52

X-CT

SEM

図[3]-1-31 CNF/PP 複合材料中のセルロースの観察像（上段）X-CT スキャン像，（下段）
PP を抽出し得られた CNF の電子顕微鏡像

(a1)

(a2)

0.34mm

PP: 88℃

PP: 121℃

未処 理 10%/PP

10%/PP

: 91℃

変性

(mm)

未処 理

た
わ
み
量

10%/PP変性
10%/PP: 150℃: 104℃

温度 （ ℃）

温度 （ ℃）
PP: 82ppm/K

(b)

変
位
量

未処 理 10%/PP:
70ppm/K(um)
変 性 10%/PP:
51ppm/K

温度 （ ℃）

図[3]-1-32 リグノセルロース/PP の耐熱性(a1)荷重たわみ温度曲線-0.45MPa,(a2)1.80MPa, (b)線熱膨張曲線
52

(10）高密度ポリエチレン（HDPE）：SP 値 8.0、加工温度 129℃
図[3]-1-33 (a)、 (b)に変性リグノ CNF10wt%強化 PE 複合材料の曲げ弾性率、曲げ強度と置換度（DS）の関係を示す。DS により曲げ弾性率が大きく変化し、PE マト
リックスでは DS1.0 付近でピークとなった。曲げ弾性率の最大値は 2390MPa であり、ニート PE の 2.2 倍、未処理リグノセルロースの 1.5 倍であった。曲げ強度も DS1.0付近でピークとなった。その曲げ強度は 42.4MPa であり、ニート PE の 1.8 倍、未処理リグノセルロースの 1.4 倍の補強効果を示した。
図[3]-1-34 に PE 複合材料中の CNF の X-CT スキャン像および PE を抽出して得られた変性リグノ CNF の電子顕微鏡像を示す。X-CT 像では、DS0 の未処理リグノセ
ルロースでは、粗大な繊維がランダムに分散していた。それに対して DS0.30 の化学変性により CNF 化が進行し、分散性が向上していた。電子顕微鏡像においても、
DS0.30 では CNF 化が進行していた。
図[3]-1-35 (a1)、(a2)、(b)に荷重たわみ温度(HDT:0.45、 1.8MPa)曲線および線熱膨張曲線を示す。ニート PE の HDT は 75℃(0.45MPa)および 53℃(1.80MPa)であり、未処理リグノセルロース 10wt%強化材料は 102℃(0.45MPa)および 71℃(1.80MPa)、変性
リグノセルロース強化材料は 126℃(0.45MPa)および 91℃(1.80MPa)であった。PE マ
トリックスでは HDT は、50℃(0.45MPa)および 40℃(1.8MPa)向上した。CTE はニー
ト PE が 145ppm/K、未処理リグノセルロース 10wt%強化材量は 113ppm/K、変性リグ
ノセルロース強化材料は 58ppm/K であり、変性リグノセルロースにより CTE が約40％にまで低下した。

(b)

曲げ弾性率（MPa）

曲げ強度（MPa）(a)

置換度（－）

置換度（－）

図[3]-1-33 変性リグノ CNF10wt%強化 PE 複合材料の曲げ弾性率(a)，曲げ強度(b)と置換度の関係

53

DS

0

0.30

0.86

1.47

2.02

X-CT

SEM

図[3]-1-33 CNF/PE 複合材料に構築されたセルロースの観察像（上段）X-CT スキャ
ン像，（下段）PE を抽出し得られた CNF の電子顕微鏡像(a1)0.34mm

(a2)

PE:

PE:

75℃

53℃

たわみ量（mm）

未処理

未処理 10%/PE

10%/PE: 71℃: 102℃
変性 10%/PE

変性 10%/PP: 126℃

: 91℃

温度（℃）

温度（℃）
(b)

PE: 145ppm/K

変位量（μm）

未処理 10%/PE: 113ppm/K

変性 10%/PP: 58ppm/K

温度（℃）

図[3]-1-35 リグノセルロース/PE の耐熱性 (a1)荷重たわみ温度曲線-0.45MPa,(a2)1.80MPa, (b)線熱膨張曲線

54図[3]-1-36 に曲げ特性および耐熱性における樹脂 SP 値と DS の関係を示す。マト
リックス樹脂によって最適な DS 値が異なることがわかる。親水性の高い PA6 は低DS 値、PP、PS などは高 DS が最適値となっている。このように DS 値を選択することにより開発変成リグノパルプは様々な樹脂に対応できることが確認できた。また
開発変性リグノパルプは 220℃以上の高融点の PA6、PBT 材料に対しても高い補強効果を発揮し、さらには従来の樹脂補強材であるガラス繊維、炭素繊維にはないマテ
リアルリサイクル性を備えていることがわかった。

耐熱特性における

疎水性

樹脂 SP 値

樹脂 SP 値と最適 DS の関 係

親水性

疎水性

樹脂 SP 値

樹脂 SP 値と最適 DS の関 係

親水性

曲げ特性における

親水性

疎水性
DS（－）

図[3]-1-36 樹脂 SP 値と最適 DS の関係(a)曲げ特性, (b)耐熱性

55

2．樹脂の水平展開
前項ではポリアミド（ PA）6、PA12、ポリ乳酸、ポリアセタール、 ポリブチレン
テレフタレート、ABS 樹脂、ポリスチレン（PS）、マレイン酸変性ポリプロピレン（MAPP）、ポリプ ロ ピレン(PP)、ポリエ チ レン(PE)を 評価した 。 本項では、様 々な樹脂の水平展開として、さらに表[3]-1-2 および表[3]-1-3 に示す材料について評価を実施した。表 2 はエンジニアリングプラスチックスに分類されるポリマーであり、ポリカーボネート（PC）とそのアロイ材料である PC/ABS アロイ、PA66、変性ポリ
フ ェ ニ レ ン エ ー テ ル （ mPPE:PPE と PS の ア ロ イ ）、 ポ リ エ チ レ ン テ レ フ タ レ ー ト（PET）、表 3 は様々なポリアミド系ポリマーである。CNF 添加量はホロセルロースが 10wt%となるように調整した。

表[3]-1-2

CNF と複合化したエンジニアリングプラスチックスマトリックス材料

ポリマー名称
ポリマー略称

ポリカーボネートPC構造なし：加工設定温度280℃以上

ポリマー名称
ポリマー略称

変性ポリフェニレンエーテル
mPPE

構造

+

なし：加工設定温度

表[3]-1-3ポリマー名称
ポリマー略称

ポリアミド66PA66

なし：加工設定温度210～240℃以上

265

PC+

融点（℃）

融点（℃）

PC/ABSアロイ
PC/ABS

ポリエチレンテレフタレート
PET

220～350℃

260

CNF と複合化したポリアミドマトリックス材料（PA6 は再掲）
ポリアミドXD10
XD10

ポリアミド612
PA612

ポリアミド610
PA610

190

218

223

構造

融点（℃）

ポリマー名称
ポリマー略称

ポリアミド6PA6ポリアミドMXD6PAMXD6

ポリアミド66
PA66

225

237

265

構造

融点（℃）

56

図[3]-1-37 に CNF/PC の射出成形品の外観を示す。その色味は非強化 PC では
透明、未変性パルプ/PC では黒褐色、変性パルプ/PC では茶色であった。パルプを変性することにより劣化による着色が大きく低減された。
図[3]-1-38 に CNF/PC の曲げ応力-ひずみ線図を示す。図中（）内は、曲げ弾性率および曲げ強度値（単位はMPa） で あ る 。 非 強 化 ポ リ マ ー に 対 し

図[3]-1-37 CNF/PC の射出成形品の外観て未変性パルプ添加材料では、弾性率は高くなったものの破断ひずみおよび強度が著しく低下した。それに対して変性パルプは、弾性率が高まるとともに破断ひずみが増大し強度が向上した。これはセルロースの耐熱性および樹脂との相容性が向上したためであると考えられる。曲げ弾性率は、非強化に 対 し て ＋ 54%、 強 度 は+21%で あ り 、
高い補強効果を得ることができた。
図[3]-1-39 に CNF/PC の CNF 分散状態

図[3]-1-38

CNF/PC の曲げ応力-ひずみ線図の 観 察 像 （ 光 学 顕 微 鏡 、 X-CT ス キ ャン、抽出セルロース繊維の電子顕微鏡像）を示す。光学顕微鏡像では、未処理パル

図[3]-1-39

CNF/PC の CNF 分散状態の観察像（光学顕微鏡，X-CT スキャン，抽出セル

ロース繊維の電子顕微鏡像）
57

プでは直径数十 μm の原料パルプと同径サイズでそのまま千切れているのに対し変性
パルプでは解繊が進んでいる様子が観察された。X-CT スキャンでは、未処理パルプ
では繊維形状が見えたが、変性パルプではそれが見えなくなった。さらに電子顕微
鏡観察写真では、未処理パルプでは粗大な塊が存在、変性パルプでは解繊が進んでいた。つまり PC マトリックスでは、未変性パルプはナノファイバー化せず短繊維化しているだけなのに対し、変性パルプについては解繊が進み補強効果を発揮したと考えられる。ただしこれまで最も高い補強効果が得られている変性パルプ/PA6 と比較するとセルロースの短繊維化が進んでいるように見え、これは PC の高い加工温度が影響している可能性があると考え、PC に ABS をアロイ化した PC/ABS アロイの適用を試みた。PC に ABS をアロイ化することにより流動性の向上が図られ、混練時のせん断発熱の低減、そして加工温度を下げることが可能となる。ここでは PC と ABSの混合組成などの異なる 3 種類の PC/ABS アロイをマトリックスとし CNF を溶融混練した。
図[3]-1-40 に 3 種の PC/ABS1、2 および 3 と未変性、変性パルプとの複合材料の成形品外観および曲げ応力ひずみ線図を示す。PC/ABS1、2 では未変性パルプ材料は濃く着色したが、変性を行うことにより着色が大きく低減した。一方 PC/ABS3 では、未変性パルプ添加材料の着色は PC/ABS1 および 2 の未変性パルプ添加材料よりも低減され、変性パルプでは最も着色が低減された。これらはセルロースの耐熱性の向上と PC/ABS アロイによる加工性向上の両方がもたらしたものであると考えられる。

図[3]-1-40

PC/ABS1,2 および 3 と未変性・変性パルプとの複合材料の成形品外観および曲

げ応力ひずみ線図58

マトリックスの特性が低い PC/ABS1 および 2 では、曲げ弾性率が 90%、強度が 30%程度以上向上する高い補強率が発現し、マトリックス物性の高い PC/ABS3 の複合材
料では弾性率 5.6GPa、強度 115MPa の高い絶対値を得ることができた。
図[3]-1-41 に PC/ABS 複合材料の光学顕微鏡写真を示す。未変性パルプは、いずれの PC/ABS とも、先の PC のみのマトリックスと同様に解繊が進まず千切れている様子が見られた。それに対して変性パルプは、劇的に解繊が進んでいた。成形品の着色が強めのポリカ/ABS1、2 では、繊維が短くなり、着色の少なかった PC/ABS3 では、繊維長が維持されているように見えた。
図[3]-1-42 にその抽出した繊維の電子顕微鏡写真を示す。PC/ABS のタイプにより繊維の解繊度合いが異なるものの、いずれも変性により劇的に解繊が進んでいた。
以上のように、PC 系の材料への CNF の適用においては、PC 単体マトリックスでも補強効果を得ることができるが、PC/ABS アロイを使用することにより、劣化を抑えて着色の低減および物性のさらなる向上が可能である。

図[3]-1-414

PC/ABS1,2 および 3 と未変性・変性パルプとの複合材料の光学顕微鏡

像図[3]-1-42

PC/ABS1,2 および 3 と未変性・変性パルプとの複合材料の抽出セルロースの電子顕微鏡像59図[3]-1-43 に CNF/PA66 の射出成形品の外観を示す。その色味は、非強化 PA66 では
乳 白 色 、 未 変 性 パ ル プ /PA66 で は 黒 褐 色（シルバー発生）、変性パルプ/PA66 では濃茶色（シルバーなし）であった。パルプを変性することにより劣化による着色および分解ガスによると思われるシルバーが低減
図 [3]-1-43

された。
図[3]-1-44 に CNF/PA66 の曲げ応力-ひず

CNF/PA66 の 射 出 成 形 品 の 外

観

み線図を示す。非強化ポリマーに対して未変性パルプ添加材料では、弾性率は高くなったものの破断ひずみおよび強度が著しく低下した。それに対して変性パルプは、弾性率が高まるとともに破断ひずみが増大
し強度が向上した。これはセルロースの耐熱性および樹脂との相容性が向上したためと考えられる。曲げ弾性率は、非強化に対して＋71%、強度は+25%であり、高い補強効果を得ることができた。

図[3]-1-44

CNF/PA66 の曲げ応力-ひずみ線図

図[3]-1-45 に CNF/PA66 の CNF 分散状態に関する光学顕微鏡像を示す。変性によりセルロースの解繊性・分散性は大きく向上しているが、短繊維化も進んでおり、これには PA66 の高い加工温度が影響しているものと考えられる。

図[3]-1-45

CNF/PA66 の CNF 分散状態の光学顕微鏡像60

図[3]-1-46 に 2 種の mPPE1 および 2 と未変性、変性パルプとの複合材料の成形品
外観および曲げ応力ひずみ線図を示す。mPPE は、PPE とポリスチレン(PS)の完全相
容系アロイであり、ベース材料の PPE に対して PS の混合比率を変えることにより、用途に応じた加工性、融点の調整が行われる。成形品の着色については、mPPE2 の方が小さくなったが、曲げ強度は着色の強い mPPE1 の方が相当高くなり「着色が少ない方が劣化が抑えられ良物性となる」という PC 系材料の結果とは逆の結果となった。加工温度は PS の混合比率が多いほど低くなり CNF とっては有利となるが、上述の検討において PS と CNF は相容性が良くないことがわかっている。つまり mPPE2
では、mPPE の PS 比率が多くなることにより加工温度が抑えられ着色が抑えられる
が、PS 比率が増えたことにより CNF との相容性が悪くなり曲げ強度の向上が小さい。それに対して mPPE1 では、mPPE の PS 比率が少なく加工温度が高くなり着色が大きいが、PS が少ない分 CNF との相容性が良く曲げ強度が高くなったと考えられる。

図[3]-1-46

mPPE/1 および 2 と未変性，変性パルプとの複合材料の成形品外観および曲げ応力ひずみ線図

図[3]-1-47 に mPPE1 および 2 と未変性、変性パルプとの複合材料の光学顕微鏡像を示す。各々の変性パルプを見ると相容性の良い mPPE1 では、繊維が解繊されているが繊維長が短い様子が見られる。それに対して相容性が悪く加工温度の低い
mPPE2 では、解繊は進んでいないが、繊維長が長くなっていた。

61

図[3]-1-47

mPPE1 および 2 と未変性・変性パルプとの複合材料の光学顕微鏡像図[3]-1-48 に PET1:PET ホモポリマーおよび PET2:共重合 PET（PET ホモポリマー
よりも低加工温度）と未変性、変性パルプとの複合材料の成形品外観および曲げ応
力ひずみ線図を示す。ホモポリマーについては、未処理パルプは着色が激しいうえ
脆くなり、金型からの取り出し時に割れてしまい曲げ試験ができなかった。それに対して変性パルプは、成形はできるものの物性は向上しなかったこと。このことから、PET ホモポリマーへの CNF の適用は厳しいと言える。今後は変性度合いを変えることにより、さらに耐熱性を向上させた変性パルプを用いるなどの必要があると考えられる。一方共重合 PET では、変性パルプを使用することにより着色低減と大きな補強効果（曲げ弾性率+92%、曲げ強度+45%）を得ることができた。

図[3]-1-48

PET1 および 2 と未変性，変性パルプとの複合材料の成形品外観および曲げ応力ひずみ線図62

図[3]-1-49

PET1 および 2 と未変性，変性パルプとの複合材料の光学顕微鏡像図[3]-1-49 に PET1 および 2 と未変性、変性パルプとの複合材料の光学顕微鏡像を示 す 。 PET ホ モ ポ リ マ ー で は 未 処 理 ・ 変 性 パ ル プ と も 短 繊 維 化 が 起 こ り 、 共 重 合
PET では未変性パルプは短繊維化、変性パルプは解繊し繊維長が維持されている様子が見られた。
図[3]-1-50 に CNF を複合化した様々な PA 樹脂の曲げ応力-ひずみ線図を示す。（
内は、上述と同様に曲げ弾性率および曲げ強度値を示し、[]内 は 各 々 の ニ ー ト（非強化）材料に対する向上率を示している。ニート材料の曲げ弾性率および強度が低い PA612、PA610 では、曲げ弾性率+130%程度、曲げ強度+60%以上の高い補強
効 果 が 得 ら れ た 。 ニ ー ト 材 料 の 曲 げ 弾 性 率 お よ び 強 度 が 高 い PAXD10-1 お よ び
PAXD10-2 は、補強効果は曲げ弾性率+100%、曲げ強度 40%程度であり十分な補強効
果が得られた。そして PAMXD6 については、ニート材料が高物性である上に CNF の補強が加算されることにより、曲げ弾性率 6420MPa、曲げ強度 171MPa の高い絶対値を達成することができた。

図[3]-1-50

CNF/様々な PA 樹脂の曲げ応力-ひずみ線図63）図[3]-1-51 に CNF と様々な PA 樹脂（PA6 を含む）の CNF 分散状態の X-CT スキャ
ン像を示す。未変性パルプ/PA6 複合材料は繊維が数十 μm の直径で分散していた。
それに対して変性パルプ/PA6 複合材料は分散が進み、繊維が見えなくなった。他のPA マトリック材料についても変性パルプを添加することにより分散は良好となったが、分散の優劣は PA6＞ PAMXD6＞PAXD10-1＞ PAXD10-2＞PA610＞PA612 の順であった。分散状態と分子構造とを照らし合わせるとアミド結合間の短い PA ほど分散が良いことが明らかとなった。アミド結合は極性が強いことから、PA の 1 分子内にアミド結合の繰り返しが多い材料ほど極性の高い変性 CNF との相容性が良くなり、分散性が向上したものと考えられる。

図[3]-1-51

CNF と様々な PA 樹脂（PA6 を含む）の CNF 分散状態の X-CT スキャン像

図[3]-1-52 に比較材料として PA6 マトリックス材料を加え曲げ強度と曲げ弾性率の関係をプロットした。これまでに高い補強効果が得られていた CNF/PA6 材料と比較して、多くの樹脂でそれに劣らない曲げ特性を発揮している。耐熱性、相容性を兼ね備えた開発変性 CNF は、ほとんどのエンジニアリングプラスチックやポリアミド
材料への適合性があることが明らかとなった。

図[3]-1-52

まとめ:高加工温度樹脂，様々な PA 樹脂の強度 vs. 弾性率64

3．CNF 強化ポリプロピレンの開発
京都プロセスの特徴、優位性の一つである「パルプ直接混練法」においては、セルロースとの相容性良好な樹脂マトリックスであれば、変性パルプを混練押出１パスするだけで直径数十ミクロンのパルプを数十 nm～数百 nm のナノセルロースにまで解繊することが可能である。図[3]-1-53 および図[3]-1-54 に京都プロセスにより得られた
CNF/ポリアミド 6(PA6)の曲げ特性とアセチル化置換度（DS）の関係、および PA6 におけるセルロースの分散観察写真を示した。PA6 は融点が 225℃以上の材料であり、従来のセルロース補強材は添加することができなかったが、京都プロセスの変性セル
ロースでは、耐熱性が向上することにより問題なく補強が行える。図[3]-1-53 では曲
げ弾性が DS0.5 付近で 2.5 倍、曲げ強度 1.8 倍まで向上している。

図[3]-1-53

図[3]-1-54

CNF/PA6 の曲げ特性と DS の関係

PA6 マトリックスにおけるセルロースの分散観察写真

左：光学顕微鏡、

右：TEM

図[3]-1-54 の光学顕微鏡観察写真においては、直径数十 μｍのパルプ繊維は存在せず、パルプが CNF 化した白いモヤが全領域に存在していた。またその透過型電子顕微鏡(TEM)写真においては多くが 300nm 以下の CNF として存在していた。このように PA6のような極性のある材料に対しては、高い分散性、補強効果を得ることができている。
65

一方、図[3]-1-55 および図[3]-1-56 に CNF 強化ポリプロピレン（PP）材料の曲げ特性と DS の関係、および PP におけるセルロースの分散観察写真を示した。このデータを得た 2015 年度時点では、曲げ弾性率が 1.3 倍、曲げ強度は僅かしか向上していなかった。光学顕微鏡写真では、原料パルプと同程度の太さの粗大な繊維が多くを占め、TEM 像においてもセルロース塊が存在しており、PA6 マトリックスの分散状態、物性

曲げ 強 度（ MPa）

曲げ 弾 性率 （MPa）には全く及ばない状況であった。

置換度（DS)(－)

図[3]-1-55

図 [3]-1-56

CNF/PP の曲げ特性と DS の関係

PP マ ト リ ッ ク ス に お け る セ ル ロ ー ス の 分 散 観 察 写 真

右：TEM

66

左：光学顕微鏡、

（１）解れず分散不良（２）解そうとすると千切れる（３）セルロース/樹脂の界面接着が弱い

図[3]-1-57

PP マトリックスにセルロースを混合した場合に起こる問題

図[3]-1-57 に PP において PA6 のような補強効果が得られない理由を示す。PP とパルプを押出機で溶融混練すると、パルプが解れず分散不良となる（図[3]-1-57-1）。そこで解れないので大きな力で解そうと負荷をかけるとパルプは解れずに千切れる（図[3]-1-57-2）。 ま た 繊 維 と 樹 脂 の 界 面 が 接 着 し な い と い う 現 象 も 起 こ る と 考 え ら れ る（図[3]-1-57-3）。なぜ同じ変性パルプを用いているにも関わらず PA6 と PP ではこのような違いがあるのか、その大きな原因は変性セルロースと樹脂の相容性にあると考えられる。図[3]-1-58 は縦軸に溶解度パラメーター(SP 値)、横軸にセルロースの DS を示した図である。SP が大きい値の材料は極性があり親水性が高く、小さい値の材料は非極性で親油性が高くなる。一般的に SP が近い値の材料どうしは相容性が良く、離れた値の材料どうしは相容性が悪いと判断することができる。未処理のセルロースの SPは 15.7 であり親水性の素材であり、これをアセチル化することにより疎水化することができる。これにより DS 値が上がるほど SP が低下し、仮に全てのセルロース水酸基を変性すると SP は直線近似で 8.8 となる。それに対して PP の SP はそれよりも低い 8程度であり、高変性にしても PP との相容性を得るのは簡単ではないということがわ
かる。したがってセルロースの SP を下げるだけでなく、樹脂の SP を上げる工夫が必要であると考えられ、これまでにマレイン酸変性 PP（MAPP）の添加なども行ってきた。しかしながら複合材料物性、パルプの解繊性、セルロースの分散という点では、
67

MAPP 添加のみでは全く不十分であった。そこで本検討では、様々な技術の複合により分散性と補強性の向上を目指した。

未処 理ｾﾙﾛｰｽの SP 値 15.7

ﾄﾘｱｾﾁﾙｾﾙﾛｰｽ

非極 性 材料

図[3]-1-58 セルロースにアセチル基を導入することによる SP と DS の関係と代表的な
熱可塑性樹脂の SP 値とそれに対応したアセチルセルロースの DS

ＣＮＦ高分散マスターバッチ

PP

理想の分散

＋
ＣＮＦ高分散マスターバッチの構造

PP に よ る 希 釈

理想の相構造＋図[3]-1-59

最適な CNF 強化 PP 材料の材料作製および構造のイメージ

68

PP マトリックスでは、変性パルプは解れない、千切れる、CNF との界面接着が弱い。これらを解決する手段として、まずはパルプを千切らずに解すことを考えた。その材料作製および構造のイメージを図[3]-1-59 に示す。まず変性パルプと相容性の良い極性材料（解繊促進成分）を先に混練し、CNF 高分散マスターバッチを作製する。
これを PP で希釈し、PP 内に良好な CNF 分散状態を得ようと考えた。これにより PP解繊促進成分-CNF の三相の理想構造が構築されるのではないかということである。
この理想構造では、CNF が良好に分散し、その周りに極性の解繊促進成分があり、さらに PP に変性ポリオレフィンを少量添加しておけば、全ての界面が接着した良好な材料となる。

④PP/解 繊 促進 成分/変 性パ ル プ 10%-単 純 混練 （2930, 66.3）③PP/変 性 パル プ 10%（2800, 67.1）

曲げ 応 力（ MPa）

⑤PP/解 繊 促進 成分/変 性パ ル プ 10%-多 段 階混 練 （3270, 73.6）②PP/未 処 理パ ル プ 10%（2260, 58.4）①PP（ 1970, 53.6）

曲げ ひ ずみ （%）

図[3]-1-60

CNF 強化 PP の曲げ応力-ひずみ線図①非強化、②未処理パルプ添加、③変性パルプ添加、④解繊促進成分を添加し一括混練、⑤解繊促進成分を添加し多段混練した材料①非強化 PP、②未処理パルプ添加 PP、③変性パルプ添加 PP、④解繊促進成分を添加し一括混練 PP、および⑤解繊促進成分を添加し多段混練した PP の曲げ応力ひずみ線
図を図[3]-1-60 に示す（何れもセルロース成分の添加量は 10wt%）。④PP/解繊促進成
分/変性パルプを一括で押出機にフィードした材料は、解繊促進成分の無い③変性パル
プ添加材料よりも曲げ弾性率は向上するものの曲げ強度は向上しなかった。これに対し予め解繊促進成分により解繊をしてから PP による希釈混練を行った⑤多段混練材
料では、曲げ弾性率だけでなく、曲げ強度も向上することがわかった。

69

②PP/未 処 理ﾊﾟﾙﾌﾟ①PP③PP/変 性ﾊﾟﾙﾌﾟ

曲げ 弾 性率: 1970MPa
曲げ 弾 性率: 2260MPa
曲げ 弾 性率: 2800MPa
曲げ 強 度: 53.6MPa
曲げ 強 度: 58.4MPa
曲げ 強 度: 67.1MPa④PP/解 繊 促進 成分/変 性パ ル プ 10%-単⑤PP/解 繊 促進 成分/変 性パ ル プ 10%-多段

曲げ 弾 性率: 2930MPa
曲げ 強 度: 66.3MPa

図[3]-1-615

曲げ 弾 性率: 3270MPa
曲げ 強 度: 73.6MPa

CNF 強化 PP におけるセルロースの光学顕微鏡写真

非強化、②未処理パルプ添加、③変性パルプ添加、④解繊促進成分を添加し一括混練、⑤解繊促進成分を添加し多段混練した材料

ここまでの曲げ特性および分散状態の変遷を図[3]-1-61 にまとめた。①非強化 PP の曲げ弾性率 1970MPa、曲げ強度 53.6MPa、②未処理パルプ 10%添加 PP の曲げ弾性率
2260MPa、曲げ強度 58.4MPa であり、まだ原料パルプと同様の太さの繊維が分散していた。③変性パルプを添加することにより、曲げ弾性率 2800MPa、曲げ強度 67.1MPaとなり、少し解繊が進むが原料パルプからの顕著な解繊は見られなかった。次に④一括 混 練 で 解 繊 促 進 成 分 を 添 加 す る こ と に よ り 、 曲 げ 弾 性 率 2930MPa 、 曲 げ 強 度
66.3MPa、さらに⑤解繊促進成分を添加し段階を踏んで混練した材料では分散が向上
し、曲げ弾性率 3270MPa、曲げ強度 73.6MPa まで物性が向上した。しかしながら PA6では、前述のように曲げ弾性率 2.5 倍、曲げ強度 1.8 倍に向上しており、依然として不十分な物性であると言える。またパルプの解繊、CNF 分散も PA6 マトリックスとは比較にならないほど悪い。

70

（ii） 解 繊促 進 成分 内に セ ルロ ース が 閉じ 込 めら れ

CNF/解 繊促 進 成分P1μm（i）解 繊 促進 成 分が 分 離・ 凝 集

PC

解繊 促 進成0.5μ図[3]-1-62

・界 面 接着 悪 い
・Ｃ Ｎ Ｆの 凝 集

・Ｃ Ｎ Ｆの 凝 集
・Ｐ Ｐ への 補 強効 果 が得 られ ない

CNF 強化 PP におけるセルロースの TEM 写真（⑤解繊促進成分を添加し多段混練した材料）

そこで④解繊促進成分を添加し多段混練した材料について、PP-解繊促進成分-CNFの三相の理想構造が構築されているかを透過型電子顕微鏡（TEM）観察により検証した（図[3]-1-62）。いくつかの解繊促進成分を試したところ、大きく分けて 2 種類の望んでいない構造が形成されていることが分かった。一つ目は、(i)解繊促進成分が分離凝集している構造である。理想の構造では解繊促進成分が繊維と PP の間に位置するのに対し、繊維から離れ、PP マトリックス内に分離凝集していた。これでは PP マト
リックスに応力が負荷されても繊維に力が伝達されず、力学的特性の向上にはつながらないと考えられる。二つ目は、(ii)解繊促進成分内に CNF が閉じ込められて、その内部で CNF が凝集してしまっている構造である。広い PP の海に CNF が島として微細分散しており十分な特性が発揮されないと考えられる。このような望まない構造を如
何に理想の構造に変化させるのかを検討した。まずは、繊維の凝集を抑制することを念頭に置いた検討を進めた。

71

フィ ラ ー
フィ ラ ーパルプ
CNF 集 合 体+フィ ラ ー

フィ ラ ー＋

膨潤パルプ
Ｃ Ｎ Ｆ 集 合 体+フ ィ ラ ー
膨潤 剤

フィ ラ ー
フィ ラ ーが パ ルプ に 少し 入る

フィ ラ ーが パ ルプ 周 辺に 存在PPフィ ラ ーに よ る混 練 効果

膨潤剤の溜去図[3]-1-63

膨潤剤

フィ ラ ーに よ る混 練 効

ＰＰとの混練膨潤剤

解繊促進成分
との混練

解
繊
促
進
成

PP

CNF

フィ ラ ーに よ る混 練 効果

膨潤剤およびフィラーを用いた CNF 強化 PP 材料の混合プロセスと材料構造のイメージ

図[3]-1-63 に材料の作製イメージ図を示す。先ほどの解繊促進成分を添加し段階を踏んで混練するプロセスにパルプ膨潤剤を加えた。まず CNF の集合体であるパルプに膨潤剤を含浸させ、CNF 間を少し拡げ、CNF 間の相互作用が低下したパルプを得る。
これを解繊促進成分と混練するにより、解繊促進成分内に膨潤剤が付着した CNF が分散し、これを PP により希釈する。膨潤剤により CNF 間の凝集力が抑えられた解繊促
進成分-膨潤 CNF は、上記の（ii）のような構造を形成せず分散されるのではないかという考え方である。膨潤剤のアイデアは、これまでにも取り組んできたが、繊維が千切れるなどの様々な現象が起こり使えないものが殆どであった。さらに最終ペレット
内に膨潤剤が僅かでも残ると、材料が軟化してしまい、セルロースの高弾性、高強度特性がリセットされてしまうという問題もあった。ここで使用した膨潤剤は、混練中には繊維の切断、パルプの凝集を抑制し、さらに押出工程で完全に系内から溜去することが可能な、本用途に好適なものである。さらに少量のフィラーを併用することも試みた。膨潤剤が存在することにより、フィラーが CNF の集合体であるパルプ表面に72

少し入り込み、その状態で解繊促進成分と混練することにより、フィラーがパルプに潜り込み、解繊を進めることを期待した。

図[3]-1-64

CNF 強化 PP の曲げ応力-ひずみ線図①非強化、②未処理パルプ添加、③変性パルプ添加、④解繊促進成分を添加し一括混練、⑤解繊促進成分を添加し多段混練した材料、⑥膨潤剤を添加した材料、⑦フィラーを添加した材料、⑧シンプルプロセス材料

図[3]-1-64 に曲げ応力ひずみ線図を示す。前述の⑤解繊促進成分を添加し段階を踏んで混練した材料の曲げ弾性率 3270MPa、曲げ強度 73.6MPa に対して、⑤の材料に⑥膨潤剤を添加した材料は、曲げ弾性率 3740MPa、曲げ強度 75.7MPa まで向上した。図[3]-1-65 にその分散状態の写真を示す。粗大な繊維は存在するが、CNF 化した白いモヤの領域が広がっている様子が確認できた。このように解繊促進成分と膨潤剤の併用
により物性、分散が改善されることが確認された。しかしながらまだ PA6 マトリック
スの補強率と比較すると劣っている。そこで少量のフィラーを併用したところフィラーを添加していない⑥膨潤剤を添加した材料に対して、⑦フィラーを添加した材料
は、曲げ弾性率が 3740MPa から 4190MPa、曲げ強度が 75.7MPa から 81.9MPa にまで向上した。この材料はマトリックス PP 材料の曲げ弾性率の 2 倍以上、曲げ強度 5 割向上を達成した。さらに製造プロセスを簡略化することを試みたところ物性が向上し、⑧簡略化プロセス材料では曲げ弾性率 4730MPa、曲げ強度 95.1MPa まで向上した。
CNF の分散状態も大きく改善され、⑦フィラー入り材料では原料パルプと同サイズの繊維は観察視野内に存在せず、CNF 化領域である白いモヤが多くを占めた。さらにプ73

ロセス改善をした⑧簡略化プロセス材料では、最大直径 5μm 程度の繊維が存在するものの、その多くは CNF が分散した白いモヤの領域となった。

図[3]-1-65

CNF 強化 PP におけるセルロースの光学顕微鏡写真⑥膨潤剤を添加した材料、⑦フィラーを添加した材料、⑧シンプルプロセス材料

低倍 率

図[3]-1-66

高倍 率

最適化された CNF 強化 PP におけるセルロースの TEM 写真（i）解繊促進成分が 分離凝集する、（ii）解繊促進成分内にセルロ ースが閉じ込められる、この 2 つの望まない相構造が改善されているかを確認するため TEM 像を得た
（図[3]-1-66）。低倍率観察では明らかに分散繊維が微細化しており、拡大観察では、
まだ解繊促進成分の分離はあるものの未解繊繊維の頻度は減少、また解繊促進成分内に CNF が閉じ込められる構造は解消できていた。
図 [3]-1-67 に 上 記 に 関 し 曲 げ 特 性 と 分 散 状 態 観 察 の ま と め を 示 す 。 曲 げ 特 性 は 、様々な技術の組み合わせにより徐々に向上していった。如何に千切らずに解すかという基本的な考えの上に解繊促進成分、そして適切な膨潤剤が見つかったことが大きな進展に繋がった。非強化 PP に対して曲げ弾性率は 2.4 倍以上、曲げ強度は 80%以上向上している。また分散モルフォロジーでは、粗大なパルプが解繊促進成分、膨潤剤、フィラーおよび工程の改善により大きく減少している様子がわかる。
今後はプロセスの簡略化と更なる物性向上を目指す。現在のプロセスについては、
プロジェクトにアドバイザーとして参画しているメーカーより、実用化の可能なプロセスになっているとのコメントを得ている。
74

4730

曲げ 弾 性率
4190
3740
3270
2800
2260
1970

PP

パル プ
10%

+変性

+解 繊促 進+変性

パル プ 10%+フィ ラー

図[3]-1-67

曲げ 強 度（ MPa）

曲げ 弾 性率 （MPa）

曲げ 強 度+膨潤 剤+解繊 促進+最適 化

CNF 強化 PP の曲げ特性と分散状態観察のまとめ

75+フィ ラ ー

+最 適化

+膨潤 剤

4．CNF 強化ポリプロピレンのメカニズムと実用性能評価(1)解繊性向上のメカニズム
変性パルプは、ポリプロピレン(PP)マトリックス中では、PP との相容性が悪いことからセルロースが解れない、無理に解そうとすると千切れる、セルロース/樹脂界
面接着が弱いという問題があった。これらを解決する手段として、解繊促進成分及び膨潤剤を用いた高分散・高物性の CNF 強化 PP 材料の開発に成功した。本項では、同材料の CNF 高分散メカニズムと曲げ特性以外の様々な性能を明らかにすることを目指した。
※以下、開発材料の CNF 添加量は断りの無い限りは 10 重量%である。
②希 釈 前 MB-膨 潤 剤な し粘度（Pa・sec）①PP③希 釈 前 MB-膨 潤 剤あ り-1

せん断速度（sec ）図[3]-1-68

表[3]-1-4

CNF 分散 MB 及び希釈 PP の 200℃における粘度のせん断速度依存性

各材料の溶融粘度値と MB/PP の溶融粘度比

粘度(Pa･s)
粘度(Pa･s)
粘度比ηMB/ηPP
粘度(Pa･s)
粘度比ηMB/ηPP

PP
希釈前MB-膨潤剤なし
希釈前MB-膨潤剤あり

60.8
8670
21785
2.51
2976
0.343

12.2
3710
11536
3.11
2296
0.619

60.8
823
3402
4.13
643
0.781

剪断速度(1/sec)
243
608
1216
253
125
79.5
1227
670
408
4.86
5.35
5.12
42.2
166
86.0
0.658
0.686
0.531

3648
49.0
173
3.53
17.5
0.357

6080
28.0
118
4.24
11.3
0.405

12160
18.2
73.4
4.03
8.41
0.461

メカニズム解析としてキャピラリーレオメーターによる溶融粘度測定を行った。図[3]-1-68 に試作に用いた材料の溶融粘度のせん断速度依存性を示す。①黒がマトリッ
クス PP、②オレンジがセルロース/解繊樹脂の MB、 ③赤がセルロース/解繊樹脂/膨潤剤の MB、の粘度のせん断速度依存性である。膨潤剤を添加することにより②オレンジから③赤へ大きく粘度が低下している。この②オレンジの MB、もしくは③赤の76

MB を①黒の PP マトリックスにより希釈することにより CNF 強化 PP 材料が得られる。
表[3]-1-4 に②オレンジの MB もしくは③赤の MB と①黒の PP マトリックスとの溶
融粘度比を示す。②オレンジの MB（膨潤剤無し）の場合、粘度比は 2.51～5.35 であるのに対して、③赤の MB（膨潤剤有り）の場合、0.343～0.781 と大きく低下した。
この粘度比からセルロースが高濃度に分散した MB の分散メカニズムを検証するためキャピラリー数（Ca）を用いた。Ca は下式 1 で表され、界面張力と外部から負荷される応力の比である。
【式 1】

Ca = τ・R / σ = ηm・γ・R / σ

τ：成形流動中に分散相が受けるせん断応力もしくは伸張応力
R：変形前の分散相の半径σ：界面張力ηm：マトリックスの溶融粘度
γ：せん断速度もしくは延伸度②希 釈 前 MB
分散し難い③希 釈 前 MB-膨 潤 剤な し-膨 潤 剤あ り

分散し易い【粘度比 ηMB（分散相）/ηPP（マトリックス）】

図[3]-1-69

せん断流動場及び伸張流動場における Ca c と粘度比の関係

Ca c は分散相が分裂を開始するときの Ca であり、これが小さいほどマトリックス
内で分散相は変形分散しやすくなり、先人たちの検討によりせん断流動場及び伸張
流動場において、粘度比と図[3]-1-69 に示す関係があることが分かっている。溶融混練機では主にせん断流動により分散が進むと考えられ、粘度比によるせん断流動場
における Ca c の変化（青い曲線）に着目した。②オレンジの MB（膨潤剤無し）の場
合は、粘度比３を超える領域で Ca c が無限大に発散している。一方、③赤の MB（膨77

潤剤有り）の場合、最も Ca c が小さくなる溶融粘度比となっており、分散相の変形、分裂が起こりやすい粘度比において溶融混練されることがわかる。膨潤剤が可塑剤として機能することで MB の粘度が下がり、①マトリックス PP 樹脂との溶融粘度が近くなることで Ca c が低下し、CNF を包含した MB が容易に分散すると考えられる。

解繊樹脂のみで希釈した CNF10%強化
中倍 率

低倍 率

高倍 率

繊維が分厚く

太く短

500μm

200μm

樹脂のみの領域

解繊樹脂/膨潤剤で希釈した CNF10%強化

繊維が薄く細い

中倍 率

低倍 率

50μm

高倍 率

細く長

500μm

200μm

50μm

樹脂と微細セルロース

図[3]-1-70

解繊樹脂のみで希釈した CNF 強化 PP（上段）及び解繊樹脂/膨潤剤で希釈した

CNF 強化 PP（下段）の偏光顕微鏡写真

図[3]-1-70 に解繊樹脂のみで希釈した CNF 強化 PP（上段）及び解繊樹脂/膨潤剤で希釈した CNF 強化 PP（下段）の偏光顕微鏡写真を示す。上段の②オレンジの MB（膨潤剤無し）を①PP マトリックスで希釈した材料では、低・中倍率では太く・分厚く・短い繊維が観察された。一方、③赤の MB（膨潤剤有り）を①PP マトリック
スで希釈した材料では、細く・薄く・長い繊維が観察された。繊維強化プラスチッ
クの高強度化においては、繊維長を繊維径で除したアスペクト比を大きくすることが重要であることから、下段の MB に膨潤剤を使用した方が効果的な補強が図れていると考えられる。また高倍率において、セルロースの存在が見えない領域に注目すると、上段の膨潤剤無しでは、その領域は真っ暗であるのに対して、下段の膨潤剤有りでは白いモヤがかかっていた。この白いモヤはナノセルロースが分散している際に見られるものであり、ミクロ繊維の間を CNF が満たしているということを意味している。このように膨潤剤を添加することにより、繊維長の維持、繊維の解繊が進むことが分かった。図[3]-1-71 に CNF 強化 PP 材料から樹脂分を抽出し残った繊78

維の電子顕微鏡像を示す。偏光顕微鏡写真と同様、下段の MB に膨潤剤を使用した方が、解繊残りの太い繊維が減少していることが確認できた。

解繊樹脂のみで希釈した CNF10%強化 PP
低倍 率

中倍 率

高倍 率

解繊樹脂/膨潤剤で希釈した CNF10%強化 PP
低倍 率

図[3]-1-71

中倍 率

高倍 率

解繊樹脂のみで希釈した CNF 強化 PP（上段）及び解繊樹脂/膨潤剤で希釈した CNF 強化 PP（下段）の電子顕微鏡写真（樹脂を溶媒で抽出し残った繊維を観察）79

(2) CNF 強化ポリプロピレン材料の実用性能
本項では、上記の通り解繊性向上のメカニズムを報告した CNF 強化 PP 材料の実用性能評価結果を報告する。
(i) 曲げ特性
図[3]-1-72 は、プロジェクト開発材料と入手可能な市販材料の曲げ応力ひずみ線図である。低曲げ物性のものから、タルク 15%、 20%、 セルロース繊維 40%、 50％、そして GF20%である。GF20%の曲げ強度には及ばないものの、半分の 10%の添加量であるにも関わらず、全ての比較材料よりも高弾性かつ軽量な材料となっている。

（曲げ弾性率，曲げ強度）：単位 MPa
市 販 GF20%PP（4130, 112）

曲げ応力（MPa）

PP/ 極 性 樹 脂/CNF10%市販 セ ルロ ー ス 50%PP（4330, 82.6）
市販 セ ルロ ー ス 40%PP（3930, 78.4）

マト リ ック ス PP（1970, 53.6）
市販 タ ル ク 20%PP（ 2310, 45.4）
市販 タ ル ク 15%PP（ 1670, 37.9）

曲げひずみ（%）

図[3]-1-72

開発した CNF 強化 PP と市販強化 PP 材料の曲げ応力ひずみ線図(ii)流動特性
図[3]-1-73 は、CNF 強化 PA6 の複素粘度の周波数依存性である。低周波数領域では PA6 マトリックスの 1250 倍、高周波数領域でも 3 倍増粘した。それに対して図[3]-1-74 に示した CNF 強化 PP 材料においては、用いたマトリックス PP に CNF を10%添加することによる増粘は全せん断速度領域で 2 倍程度であった。他の射出グレードである比較材料と全く遜色のない流動特性を示した。おおよそタルク 15％PP程度の流動特性を示した。開発した CNF 強化 PP は高物性且つ高流動材料であると
言える。

80

複素粘度（Pa・sec）

CNF10%強化 PA61250 倍

3倍

非強化 PA6周波数（Hz）

図[3]-1-73

CNF 強化 PA6 の複素粘度の周波数依存性

PP/極性樹脂/CNF10%

市販セルロース 40%PP
市販セルロース 50%PP

粘度（Pa・sec）

市販タルク 15%PP
市販タルク 20%PP

× 市販 GF20%PP

マトリックス PP（MI=40）-1

せん断速度（sec ）図[3]-1-74

開発した CNF 強化 PP と市販強化 PP 材料の粘度のせん断速度依存性

81

(iii)吸水性
図[3]-1-75 に吸水試験の結果を示す。縦軸が吸水率、横軸が水への浸漬日数である。
経過日数とともに吸水率は増加し、211 日後では 1.4%となった。吸水前後の試験片の曲げ特性を図[3]-1-76 に示す。赤が水浸漬前の曲げ応力ひずみ線図、水色が 211 日
浸漬後である。曲げ弾性率が 5.2%、曲げ強度が 8.4%低下した。当初大幅な物性低下を懸念していたが、低下は大きくなかった。吸水した試験片を乾燥し曲げ試験を実施したところ、曲げ強度は 8.7%低下したものの、曲げ弾性率は元通りに回復した。

吸水率（%）

開発した CNF 強化 PP は水分により物性が大きくは低下しないことがわかった。

水浸漬日数（日）図[3]-1-75

開発した CNF 強化 PP の吸水率と水浸漬日数の関係

82

（曲げ弾性率，曲げ強度）：単位 MPa
変性ﾊﾟﾙﾌﾟ 10%/PP-水浸漬なし（4580MPa，93.4MPa）

曲げ応力（MPa）

変性ﾊﾟﾙﾌﾟ 10%/PP-水浸漬 211 日（4340MPa，85.6MPa）変性ﾊﾟﾙﾌﾟ 10%/PP-水浸漬 211 日→乾燥（4780MPa，85.9MPa）

非強化 PP-水浸漬なし（1970MPa，53.6MPa）

曲げひずみ（%）

図[3]-1-76

開発した CNF 強化 PP の吸水による曲げ特性の変化(iv)繰り返し加工性
PP 材料においては、リサイクル性と関連がある繰り返し加工による物性変化を把握しておくことが重要である。そこで CNF 強化 PP 材料を溶融混練機 3 パスさせ、その物性変化を測定した。混練機で 3 度練ることから、かなり材料を傷めつける検証である。一度練り、二度練り、三度練りした材料の曲げ応力ひずみ線図を図[3]-177 に示す。練り回数による曲げ弾性率/曲げ強度は、一度練り 4480MPa/90.8MPa、二度練り 4430MPa/91.3MPa、三度練り 4330MPa/89.7MPa と変化はなく、繰り返し加工
後の物性は良好であった。図[3]-1-78 に繰り返し加工後の材料内の繊維観察結果を示す。低倍率の偏光顕微鏡観察像では、練り回数によって、解繊が不十分なミクロ繊維、そしてナノサイズに解繊された白いモヤ部分の様子は変化しなかった。樹脂を抽出して残った繊維の電子顕微鏡観察写真では、練り回数によって、サブミクロン
以下の繊維がちぎれることなく、繊維長・アスペクト比を保っていることが分かった。これらの結果から本プロジェクト開発品は PP 系材料において必須のマテリアル
リサイクルが可能であると言える。

83

（曲げ弾性率，曲げ強度）：単位 MPa
変性ﾊﾟﾙﾌﾟ 10%/PP-1 度練り（4480MPa，90.8MPa）変性ﾊﾟﾙﾌﾟ 10%/PP-2 度練り（4430MPa，91.3MPa）

曲げ応力（MPa）

変性ﾊﾟﾙﾌﾟ 10%/PP-３度練り（4330MPa，89.7MPa）

ﾆｰﾄ PP（1970MPa，53.6MPa）

曲げひずみ（%）

図[3]-1-77

開発した CNF 強化 PP の繰り返し加工による曲げ特性の変化
2 度練り

1 度練り

3 度練り

200μm

200μm

50μm

50μm

10μm

10μm

10μm

2μm

2μm

2μm

200μm

偏光観察

低倍率

50μm

高倍率

図[3]-1-78

開発した CNF10%強化 PP の繰り返し加工による分散 CNF の変化
84

電顕観察

(v)プラント生産パルプを使用した場合の物性
ここまでは全てラボで作製した変性セルロースを PP に添加した材料の特性を示してきたが、実用性能を考えるうえで大量に生産された変性セルロースを同じプロセスにより PP と複合材料化した場合の特性がどの程度になるかは重要である。そこで大量生産されたパルプを使用して、同じ複合化プロセスにより CNF 強化 PP 材料を作製、評価した。
図[3]-1-79 にその曲げ応力ひずみ線図を示す。ラボで作製した変性セルロースから作製した CNF 強化 PP 材料のデータには及ばないが、曲げ弾性率 4230MPa、曲げ強度 89.3MPa と高い曲げ特性を示した。
図[3]-1-80 にその偏光顕微鏡観察写真を示した。ミクロ繊維は、繊維長が維持され、さらにナノセルロースに起因する白いモヤも形成されていた。このように大量生産の変性セルロースを用いても、開発プロセスが有効であることが明らかとなった。

曲げ応力（MPa）（曲げ弾性率，曲げ強度）：単位 MPa

プラント生産パルプ 10%/PP（4230MPa，89.3MPa）

非強化 PP（1970MPa，53.6MPa）

曲げひずみ（%）

図[3]-1-79

大量生産変性パルプ 10%強化 PP 材料の曲げ応力ひずみ線図

低倍率

高倍率

中倍率

500μm

図[3]-1-80200μm

大量生産変性パルプ 10%強化 PP 材料の分散 CNF の偏光顕微鏡写真

85

50μm

(vi) オール PP 材料の物性
本項では解繊促進樹脂を使用せず相溶化剤、膨潤剤のみを使用し、最終組成が PP
系材料のみとなる CNF 強化 PP を作製した。
（曲げ弾性率，曲げ強度）：単位 MPa
PP/CNF10%-膨潤 2（3960, 81.9）

曲げ応力（MPa）

PP/CNF10%-膨潤 1（3560, 78.7）
PP/CNF10%（2800, 67.1）
非強化 PP（1970, 53.6）

曲げひずみ（%）

図[3]-1-81

大量生産変性パルプ 10%強化 PP 材料の分散 CNF の偏光顕微鏡写真

CNF10%強化オール PP 材料の曲げ応力ひずみ線図

図[3]-1-81 にその曲げ応力ひずみ線図を示す。PP/CNF10%（グレイの曲線）は、解
繊樹脂、膨潤剤とも使用せずに作製した材料、PP/CNF10%-膨潤 1（赤の曲線）は膨潤剤を使用した材料、PP/CNF10%-膨潤 2（青の曲線）は膨潤剤を使用して相容化剤の量を増やした材料である。解繊樹脂を使用しないことにより物性の向上率は低下
したが、曲げ弾性率は 3960MPa まで向上した。
PP/CNF10%

PP/CNF10%-膨潤 1

PP/CNF10%-膨潤 2（2800, 67.1）（3560, 78.7）（3960, 81.9）50μm

図[3]-1-82

50μm

50μm

CNF10%強化オール PP 材料の偏光顕微鏡写真

図[3]-1-82 に示した偏光顕微鏡写真のとおり、分散状態は膨潤剤により大きく改善
され、解繊が進み、CNF 由来の白いモヤが観察された。

86

(vii)オール PP 材料においてマトリックス PP に高衝撃 PP を使用した材料の特性
解繊促進樹脂を使用せず膨潤剤のみを使用し、最終組成が PP 系材料のみとなる
CNF 強化 PP において、マトリックス PP に高衝撃 PP を使用した材料の特性を示す。
ここでは市販 PP を比較材料とした。
（曲げ弾性率，曲げ強度）：単位 MPa

曲げ応力（MPa）

市販 PP
1630MPa, 44.1MPa

CNF5%/PP
1730MPa, 40.2MPa

曲げひずみ（%）

図[3]-1-83

市販 PP とセルロースを 5%添加した開発材料の曲げ応力ひずみ線図

図[3]-1-83 に曲げ応力ひずみ線図を示す。曲げ特性は、市販 PP とセルロースを 5%添加した開発材料は同等であった。Izod 衝撃強度では、市販材料は 7.93kJ/m 2 、開発
材料は 6.90kJ/m 2 であり、耐衝撃性も同等であった。これまでの CNF 強化材料の検討においては、わずかでもセルロースを添加すると Izod 衝撃強度は 3kJ/m 2 程度まで低

たわみ量（μm）

下していたが、この CNF5%添加 PP 材料では約 7kJ/m 2 の高い耐衝撃性を示した。

市販 PP

市販 PP

78.7℃

110℃
CNF5%/PP
135℃

CNF5%/PP
91.6℃

温度（℃）

図[3]-1-84

温度（℃）

市販 PP とセルロースを 5%添加した開発材料の荷重たわみ温度曲線（左図）負荷応力 0.45MPa、（右図）負荷応力 1.80MPa

87図[3]-1-84 に市販 PP とセルロースを 5%添加した開発材料の荷重たわみ温度曲線を示す。負荷応力 0.45MPa、1.8MPa とも市販 PP に対して開発材料は大きく荷重たわみ

変位量（μm）

温度が向上した。

市販 PP
110ppm
CNF5%/PP
69.0ppm

温度（℃）

図[3]-1-85

市販 PP とセルロースを 5%添加した開発材料の線熱膨脹曲線

図[3]-1-85 に市販 PP とセルロースを 5%添加した開発材料の線熱膨脹曲線を示す。
市販 PP（110ppm/K）に対して開発材料（69.0ppm/K）は大きく線熱膨脹が減少した。
市販されている PP 材料と曲げ弾性率、曲げ強度が同等、そして CNF 材料の課題
である耐衝撃性も 7kJ/m 2 を発揮したうえで、荷重たわみ温度及び線熱膨張が向上している。PP の使用において問題となる耐熱性も CNF の少量添加により大きく改善できた。
(3) CNF 強化ポリプロピレン材料のまとめ
高性能な CNF/PP 材料の創製は、CNF の汎用強化繊維として地位を確立するために必須である。本プロジェクト開発材料は、市販のフィラー強化 PP 材料を大きく上回る特性を発揮しており、その繊維分散性向上及び物性向上メカニズムの一つとして材料の粘度に着目した検証を実施した。高粘度 CNF 入り MB の膨潤剤添加による低粘度化が明らかとなり、今後の材料設計の指針を得ることができた。
開発材料の実用性の検証では、曲げ特性、耐熱性において、市販材料を大きく上回る特性を確認した。耐衝撃性についてはまだ不十分であるが、繊維量を 5%とする
ことにより、耐衝撃性を含む力学的特性のバランスと耐熱性の両立に成功した。
今後は既に達成している長所を活かしつつ、短所を如何に改善するかの検討、それと同時にスケールアップを図るとともに、より高物性で簡単、低コストで作製できる手法を模索し、CNF の汎用強化繊維としての道を切り開きたい。
ここでは CNF 強化 PP 材料の微細構造と補強性の関係について解析した結果について報告した。微細構造の解析は、製造プロセス（京都プロセス）と得られる複合88

材料の物性との関係解明に重要であり、本プロジェクトを遂行する上での羅針盤的役割を果たす。
5.

耐衝撃性，耐熱性に優れた CNF 強化ポリプロピレンの創生(1) CNF 強化ポリプロピレンの物性のバランス
京都プロセスでは、解繊促進樹脂、膨潤剤、無機フィラーなどを活用することにより、アセチル化（Ac）パルプの解繊性を向上させ、PP ホモポリマーの曲げ弾性率、曲げ強度を飛躍的に向上させることに成功した。しかし、プラスチック材料の長所である耐衝撃性においては、PP ホモポリマーを少し上回る程度であり、自動車や家
電分野における構造部材に展開するには改良が必要である。さらに自動車分野の大型プラスチック構造部材には低線熱膨張が求められる。そこで本検討では、曲げ特性、耐衝撃特性、線熱膨脹係数をバランスさせ、各分野、各部材の要求性能に対応可能な CNF 強化 PP 材料の創製を目指した。
(2) 様々な PP グレードへの CNF の補強効果と課題
曲げ特性、耐衝撃特性、線熱膨脹係数をバランスさせるには、マトリックス PP にどのようなタイプの PP を用いるかが重要である。そこで表 5 に示す 8 種類の PP を候補材料として入手した。PP1-高弾性タイプは曲げ特性に優れた PP ホモポリマーである。その他の柔軟、バランスタイプは何れもブロックポリマーである。柔軟タイ
プは曲げ特性は低いが Izod 衝撃強度が 10kJ/m 2 以上、バランスタイプは曲げ特性、
Izod 衝撃強度とも高弾性タイプと柔軟タイプの中間である。また PP7-バランスタイ
プは、溶融粘度が低く高流動の射出成形性にも優れた材料である。
表[3]-1-5

PP マトリックスの候補材料

PP typeFlexural test (MPa)

Izod impact energy

CTE

ModulusStrength2.75J-N (kJ/m 2 )ppm/K

PP１-高弾性

1970

53.6

1.88

92.8

PP2-柔軟

946

26.5

47.4

144

PP3-柔軟

951

25.8

16.4

148

PP4-バランス

1720

45.8

5.48

113

PP5-バランス

1340

36.2

9.22

127

PP6-バランス

1630

44.1

7.93

114

PP7-バランス(高流動)

1140

31.6

4.82

133

PP8-バランス

1270

33.3

4.24

133

89

各 PP を短冊型試験片（10×80×4mm）の射出成形品に加工し、曲げ試験（曲げ速度10mm/min、支点間距離 64mm）、Izod 衝撃試験（ハンマー容量 2.75kl）および線熱膨脹試験（圧縮モード、昇温速度 5℃/min）を実施した。これらの PP 材料に Ac トドマツ（DS=0.62-シート化法により作製）をホロセルロース分で 10wt％混合して複合化した。
図[3]-1-86 に各 PP および CNF 強化 PP の曲げ弾性率を示す。PP1 は非強化 PP の曲げ弾性率（1970MPa）が高いことから、補強率は+63%と最も低いが、複合化後の曲げ弾性率は 3210MPa と最も高かった。それに対して最も曲げ弾性率の低い PP2、3（柔軟 PP）および PP7（バランス PP）では、140%以上の高い補強率が得られた。その他の PP4、5、6、8 はその中間の補強率であった。

曲げ 弾 性率 （MPa）

+63%
+91%

+148%

+79%

+140%

+102%
+145%

+67%

PP1

PP2,3

高弾 性 PP柔 軟 PP

PP4～ 8
バラ ン ス PP※PP7 は 高流 動 性

図[3]-1-86 非強化 PP および CNF10wt%強化 PP の曲げ弾性率

90

+33%
曲げ強度（MPa）

+44%
+52%
+86%

+91%

+70%

+64%

+36%

PP1

PP2,3

PP4～8

高弾性 PP

柔軟 PP

バランス PP

図[3]-1-87※PP7 は高流動性

非強化 PP および CNF10wt%強化 PP の曲げ強度

図[3]-1-87 に各 PP および 10％CNF 強化 PP の曲げ強度を示す。曲げ強度においても、高曲げ強度 PP は補強率が小さく、低曲げ強度 PP は補強率が大きかった。これまでに市販のセルロース強化 PP と比較すると、京都プロセスにより得られた CNF 強化 PP は、補強効果が非常に高いことを確認しているが、様々なタイプの PP マト
リックスにおいても同様の効果が得られることを確認できた。
このように静的な力学的特性評価においては、優れた性能を確認することができた
ため、動的力学的特性である Izod 衝撃試験を実施した。図[3]-1-88 に各 PP およびCNF 強化 PP の Izod 衝撃強度を示す。柔軟 PP、バランス PP（PP2~8）では何れもIzod 衝撃強度が低下した。特に衝撃強度に優れる柔軟 PP である PP2 および 3 では
80%以上の低下率、衝撃強度が中程度の PP5 および 6 では 50%程度の低下率、衝撃強度がそれほど高くない PP4、7、8 では、20~30%程度の低下率であった。唯一、高弾性 PP である PP1 は Izod 衝撃強度が向上し 4.22kJ/m 2 であった。PP に CNF を複合化した場合、衝撃強度の高いマトリックス PP では大きく低下し、衝撃強度の低いマ
トリックス PP では衝撃強度が僅かに向上するが、何れの PP においても大凡 4~5kJ/m 2に収束した。
図[3]-1-89 にエラストマーもしくはガラス繊維が含有された PP の衝撃吸収メカニズ
ムに関する電子顕微鏡写真を示す。上段左の衝撃強度 9kJ/m 2 のブロック PP においては、灰色の PP マトリックスに黒いエラストマーが分散している。ここに応力が91

2Izod 衝撃強度（kJ/m ）

-92%
-52%
-51%

-83%

+124%

-20%

-33%

-20%

PP1

PP2,3

PP4～8

高弾性

柔軟

バランス PP

図[3]-1-88※PP7 は高流動性

非強化 PP および CNF10wt%強化 PP の Izod 衝撃強度

ブロック PP：衝撃強度 9kJ/m

2

2

ブロック PP：衝撃強度 30kJ/m 以上

PP

PP

GF 強化 PP

図[3]-1-896

京都 大 学

佐 野博 成 先生

京都 工 芸繊 維 大学

山田 和志 先生

GF 強化 PP+MAPP

エラストマーおよびガラス繊維による衝撃強度向上機構
92負荷されるとマトリックス PP およびエラストマーが変形する。PP とエラストマー
は変形量やポアソン比が異なることから、PP/エラストマー界面からクレーズと言われる微細なクラックが進展する。無数の PP/エラストマー界面からクレーズが成長す
ること、そして成長したクレーズの進展を隣接するエラストマーが食い止めること
により応力を吸収している。上段右の衝撃強度 30kJ/m 2 以上のブロック PP においても、灰色の PP マトリックスに黒いエラストマーが分散しているが、破壊形態は異なる。PP/エラストマー界面からのクレーズが多数観測されるのに加え、ゴムが存在していたところに白い穴が形成されている。これはキャビテーションと呼ばれ、エラ
ストマーのせん断降伏変形が起こったことを示しており、これによりクレーズ生成
だけの場合よりも大きな応力吸収を発現させている。下段はガラス繊維（GF）強化
PP の破断面観察写真を示している。左写真は未処理の GF 強化 PP であり、繊維が破断面から垂直に露出し GF 表面には PP が付着していない。一方右写真は表面処理 GF
強化 PP であり、GF が PP 内に埋没しており露出が少なく、GF 表面に PP が付着している。一般に繊維強化系材料においては、左写真の繊維/樹脂界面の接着が悪い方が低弾性、低強度、高耐衝撃性、右写真の繊維/樹脂界面の接着が良い方が高弾性、高強度、低衝撃になると言われている。つまり GF/PP 界面の接着性をコントロールすることにより繊維強化複合材料の特性を変化させていると言える。
これらを踏まえて、評価したブロック PP とそれを CNF により強化した CNF 強化 PPの衝撃破壊形態を観察した。図[3]-1-90 に CNF 強化ブロック PP の衝撃破壊の様子を示す。上段左写真は、非強化ブロック PP のみの衝撃破壊前、右は衝撃破壊後である。
直径 2μm 以下のエラストマー粒子が PP マトリックス中に分散している。衝撃破壊後
は、PP/エラストマー界面から無数のクレーズ、さらにエラストマー部にキャビテー
ションの発生も見られ、破壊時に衝撃を吸収している様子が確認できた。下段は同じ PP に CNF を 10wt%添加した CNF 強化 PP の衝撃破壊前後である。下段左写真の左右方向には、直径数十 nm～最大 500nm の CNF が分散している。これを衝撃破壊
した下段右の写真では、上段右のブロック PP と破壊様相が異なった。PP/エラスト
マー界面から発生しているクレーズ量が減少し、キャビテーションはほとんど発生
していない。これはナノサイズまでに分散した CNF が PP 分子の運動を抑制し PP マ
トリックスの変形を抑えているためである。PP/エラストマー界面におけるクレーズの発生には、界面において PP とエラストマーの変形量の差が生じてクレーズが発生するため、その変形を CNF が抑制することによりクレーズが減少していると考えられる。さらに図[3]-1-90 下段において示したように、繊維強化 PP 系においては繊維の引き抜けによる衝撃吸収が期待される。しかしながら図[3]-1-90 下段右写真（破断
面を横から撮影）においては、破断面において CNF が切断していることから、CNFの引き抜けによる衝撃吸収も起こっていない。これら破壊様相解析により、CNF 強化 PP において十分な耐衝撃性が得られない原因を解明することができた。

93

ブ ロ ッ ク PP

ブ ロ ッ クPPPPPP

ブ ロ ッ ク PP+CNF

ブ ロ ッ ク PP+CNF

CN

PP
CNF

CNF

PP

図 [3]-1-907

CNF 強化ブロックポリプロピレンの破壊様相(3) 弾性率・強度、耐衝撃性のバランスと低線熱膨脹性の付与
前述のように、PP の曲げ弾性率、曲げ強度を飛躍的に向上させることに成功したが、耐衝撃性は自動車や家電分野における構造部材に展開するには改良が必要である。そこで CNF/PP 材料において、エラストマーを添加することによる耐衝撃性の改善を試みた。図[3]-1-91 にエラストマーを添加した CNF 強化 PP ホモポリマーの曲げ
応力-曲げひずみ線図を示す。図中の（）内の数値は、曲げ弾性率(MPa)、曲げ強度(MPa)、Izod 衝撃強度(kJ/m 2 )である。①はマトリックスに使用した PP ホモポリマー
であり、ここに昨年度報告した膨潤剤を使用したプロセスにより、マレイン酸変性
PP を相容化剤として CNF を 10wt%添加した。その曲げ応力-曲げひずみ線図が②であり、大きく曲げ特性が向上している。そこに耐衝撃性改善のためにエラストマー
を 10、20、30、40wt%添加した材料が③～⑥である。エラストマー量が増加するに従い曲げ弾性率および曲げ強度は顕著に低下した。一方、Izod 衝撃強度はエラスト
マー20wt%以上で向上し、エラストマー40wt%ではマトリックス PP の 2 倍に向上した。一般的に曲げ弾性率、曲げ強度と耐衝撃性はトレードオフの関係にあり、本検討においても同様の傾向が得られた。

94

②(4270, 88.7, 1.94))

曲げ応力（MPa）③(3530, 73.5, 1.88)④(2830, 58.6, 2.11)①(1970, 53.6, 1.88)⑤(2130, 43.0, 3.51)⑥(1940, 38.3, 3.76)※（）内 は ，曲 げ 弾性 率 (MPa)， 曲げ 強度 (MPa)， Izod 衝 撃強 度 (kJ/m2)

曲げひずみ（%）

図 [3]-1-918

エラストマーを添加した CNF 強化 PP の曲げ応力-曲げひずみ線図

次に自動車などの大型成部品において必要となる低熱膨張性の評価として CTE 測定結果を図[3]-1-92 に示す。PP ホモポリマーの CTE は 82.0ppm/K であり、CNF を
10wt%添加した②は約半分の 42.4ppm/K まで低下した。エラストマーを 10～40wt%添
加しても CTE は増加することはなく、線図の傾きは減少傾向であった。そこで内部構造観察を実施してその要因を探った。図[3]-1-93 にエラストマーを添加した CNF
強化 PP の断面観察像を示す。PP マトリックス中に黒いエラストマー、灰色で上下方向に細長い CNF が分散している。CNF の周囲には、厚み数十 nm のマレイン酸変性 PP が存在している。この材料が加熱された場合には、CTE が 100ppm/K を越える
マトリックス PP およびエラストマーは大きく変形しようとするが、CTE が 0.1ppm/Kと言われる CNF はほとんど変形しない。その CNF と PP マトリックスはマレイン酸
変性 PP により接着されていることから、高弾性の CNF やそのネットワークが PP マ
ト リ ッ ク ス や エ ラ ス ト マ ー の 変 形 を 抑 制 す る 。 マ ト リ ッ ク ス PP の 弾 性 率 が 約
2000MPa に対してエラストマーの弾性率は十分に小さく、エラストマーの添加率が高いほど加熱された際の膨張応力が小さくなることから、エラストマーの添加は低CTE 化に有利であると考えられる。また解決すべき課題である耐衝撃改善にもエラ
ストマーは有効であることから、PP への CNF、エラストマーの配合は、高弾性率、高強度、高耐衝撃、低 CTE を同時に実現できる可能性がある。

95

変位量（μm）

CTE 算 出 温度 範 囲①0-100℃②～ ⑥ 0～ 50℃①82.0ppm/K

CNF 添加②42.4ppm/K③47.3ppm/K⑤45.0ppm/K④37.7ppm/K⑥53.0ppm/K

ｴﾗｽﾄﾏｰ添加温度（℃）

図[3]-1-92

エラストマーを添加した CNF 強化 PP の変位量-温度線図

PP
CNF

CNF

PP
エラ ス トマ ー

CNF

200nm

図[3]-1-93

エラストマーを添加した CNF 強化 PP の断面観察像

96

そこで図[3]-1-86～図[3]-1-88 に示した 8 種類の PP およびその CNF10wt%強化材料の CTE がどの程度であるかを把握し、それに基づきエラストマーの添加などにより高弾性率、高強度、高耐衝撃、低 CTE のバランスをとることとした。CTE 測定結果
を図[3]-1-94 に示す。いずれの PP においても CTE が大幅に低下し、その低下率は 38～59%であった。8 種類の PP 各々によって、エラストマーの種類、配合量が異なる
ため、各 CNF 強化 PP によって CTE 値が大きく変化すると予測していたが 57.5～
68.1ppm/K の間に収束した。さらなる低 CTE 化を達成するには、エラストマーの種
類と添加量、CNF の添加量、複合化プロセスを最適化することが必要であると考え

ＣＴ Ｅ （ppm/K）

られる。

-59%

-38%

-43%

-53%

-51%

-40%

-49%

-58%

PP1

PP2,3

高弾 性 PP柔 軟 PP

図[3]-1-94

PP4～ 8
バラ ン ス PP※PP7 は高 流 動性

非強化 PP および CNF10wt%強化 PP の CTE(4) CNF 強化 PP のグレード開発
グレード開発の意義
ポリプロピレンは様々な分野において構造部材として利用されている。各構造部
材によってその要求性能は大きく異なることから、CNF 強化 PP 材料系におけるグレード開発は必須である。そこで各構造部材に適用可能な物性値を調査し、以下の 3
グレードの開発を進めた。
① 高弾性グレード
密度:0.95-1.1g/cm 3 、 曲げ弾性率:4.0-4.5GPa、 曲げ強度:80-90MPa、
衝撃強度:2-4kJ/m 2 、 CTE:40-50ppm/K② 耐衝撃・低線熱膨張グレード
密度:0.95-1.0g/cm 3 、 曲げ弾性率:1.8-2.0GPa、 曲げ強度:40-50MPa、
衝撃強度:8-10kJ/m 2 、 CTE;40-50ppm/K
97

③ 高耐衝撃・超低線熱膨張グレード
密度:0.95-1.0g/cm 3 、 曲げ弾性率:1.0-1.2GPa、 曲げ強度:30-40MPa、
衝撃強度:12-20kJ/m 2 、 CTE:20-30ppm/K
何れのグレードも CNF の特徴である低 CTE を活かし、 CTE の目標値を低くしていることが特徴である。特に③高衝撃・超低線熱膨張グレードでは、金属に匹敵する CTE 値を設定しており、前述のエラストマー配合による低 CTE 化を狙っている。
衝撃強度は、自動車の内外装にも適用可能な 8~20kJ/m 2 を設定した。これら 3 つのグ
レードの開発を実施し、得られた結果を以下に説明する。
①

高弾性グレード

密度:0.95-1.1g/cm 3 、 曲げ弾性率:4.0-4.5GPa、 曲げ強度:80-90MPa、
衝撃強度:2-4kJ/m 2 、 CTE:40-50ppm/K
このグレードの目標値は、衝撃強度は PP ブロックポリマーよりは低いが、PP ホ
モポリマーよりも十分に高く、PP ホモポリマーの 2 倍以上の曲げ弾性率、2 倍程度の曲げ強度を有する。CTE は、汎用エンジニアリングプラスチックなどに匹敵する領域である。ここでは用いたマトリックス PP は、表[3]-1-5 に示した PP1-高弾性である。
図[3]-1-95 に①標準グレード相当の CNF 強化 PP における曲げ弾性率、Izod 衝撃強度、CTE をプロットした。〇は曲げ弾性率と Izod 衝撃強度の関係、△は曲げ弾性率と CTE の関係を表している。〇はグラフの右上ほど、△は右下ほど優れた特性であることを意味する。

良線 熱 膨 脹 係 数 （ppm/K）

材 料 D, E

解繊 促 進樹 脂 使用

材料 C

2

Izod 衝 撃 強 度 （kJ/m ）ポリ オ レフ ィ ンの み

0.997

材料 B

0.996

0.998

数値：比重

材料 Ａ
1.07

1.03

Izod 衝 撃強 度
線熱膨脹係
数

良

曲げ弾性率 （MPa）

図[3]-1-95

高弾性グレード材料の曲げ弾性率，Izod 衝撃強度，線熱膨脹係数98

材料 A は、解繊促進樹脂に高弾性・高強度材料を使用し、膨潤剤を使用している
た め 、 パ ル プ の 分 散 は 良 好 で あ る 。 耐 衝 撃 性 、 CTE は 目 標 に 達 し て い な い が 高 弾性・高強度である。材料 B の解繊促進樹脂は、材料 A のそれよりも柔軟且つ高耐熱な材料を使用している。そのため曲げ弾性率・強度が材料 A よりも劣るが、耐衝撃性が改善されさらに低 CTE 化が達成できている。
評価物性は、高弾性グレードの目標値に到達している。このように材料設計（組成）を変更することにより任意の高弾性グレードを作ることが可能である。材料 C、D、E は解繊促進樹脂にはポリオレフィンを使用している。そのため比重が 1.0 を切る軽量性が得られ、材料 D、E は耐衝撃性も向上している。しかし一方で解繊促進樹
脂を添加していないため、マトリックス PP ホモポリマーと CNF の相互作用が弱く、CNF がマトリックスの動きを抑制する力が弱いため、何れも CTE が上昇し、高弾性グレードの範囲から外れてしまっている。
②

耐衝撃・低線熱膨張グレード

密度:0.95-1.0g/cm 3 、 曲げ弾性率:1.8-2.0GPa、 曲げ強度:40-50MPa、
衝撃強度:8-10kJ/m 2 、 CTE:40-50ppm/K
このグレードの目標値は、曲げ特性は PP ホモポリマーと同等以上、衝撃強度は自動車部品の要求に応えられるレベル、そして CTE はスーパーエンジニアリングプラ
スチックや熱硬化性樹脂と同等である。マトリックス PP には様々な PP ブロックポ
リマーを用い、エラストマーを追加添加した CNF 強化 PP もある。また解繊促進樹
脂はポリオレフィンを使用している。
図[3]-1-96 に②耐衝撃・低線熱膨張グレード相当の CNF 強化 PP における曲げ弾性率、Izod 衝撃強度、CTE をプロットした。このグレード開発においては、特徴のある 3 つのグループの材料が得られた。グループ A は、CTE50ppm/K 以下の低 CTE でありながら衝撃強度が 5～7kJ/m 2 である。表[3]-1-5 に示したすべての PP よりも高弾性率でありながら、CTE が半分以下に抑えられている。また衝撃強度については、
表[3]-1-5 の PP1、4、7、8 よりも高い。グループ B は曲げ特性が下がり、CTE が上昇しており、予想と異なる挙動を示しているが、耐衝撃性が高くバランスの良い材料となっている。衝撃値は自動車部材の要求性能領域である 8kJ/m 2 を超えていながら、CTE は一般的な PP よりも 30ppm/K 以上低い。これらの材料を作製している中で、グループ A、B に無い領域の材料が混練温度を変えることにより作製できた。材料 C では、CTE が 40ppm/K、衝撃強度は 8kJ/m 2 以上であった。
この耐衝撃・低線熱膨張グレードおいては、材料の流動性を考慮したグレードも開発した。図[3]-1-97 に流動性を考慮した②耐衝撃・低線熱膨張グレード相当材料の曲げ弾性率，Izod 衝撃強度，線熱膨脹係数を示す。材料 D の衝撃強度が 7kJ/m2、CTE が 80ppm/K である。CTE が高めであるが MI は 49 であり、薄肉成形品や大型成形 品 に 対応 し て い る 。 材 料 E で は 材料 D の 配 合 を変 更 す る こ と に よ り 、CTE を
50ppm/K まで下げた。MI は 23 であり一般的な射出成形材料の範疇に入っており、
99

力学的特性と成形加工 性をバランスさせた。 図[3]-1-98 に流動性を考慮した②耐衝
撃・低線熱膨張グレード相当材料の溶融粘度のせん断速度依存性を示す。MI40 の PPと同様の粘度特性を示しており、十分な成形加工性を有する。

材料 C

線 熱 膨 脹係 数 （ppm/K）

良2

Izod 衝 撃強 度 （kJ/m ）グル ー プ B

Izod 衝 撃強 度
線熱 膨 脹係 数

グル ー プ A良
曲 げ 弾 性率 （MPa）

図 [3]-1-96

耐衝撃・低線熱膨張グレード相当材料の曲げ弾性率，Izod 衝撃強度，線熱膨脹係数

材料 D

MI=49

線 熱 膨 脹 係 数 （ppm/K）

2

Izod 衝 撃 強 度 （kJ/m ）

良

材料 E

MI=23
Izod 衝 撃強 度
線熱 膨 脹係 数良
曲 げ 弾 性 率 （ MPa）

図[3]-1-97

流動性を考慮した耐衝撃・低線熱膨張グレード相当材

料の曲げ弾性率，Izod 衝撃強度，線熱膨脹係数100Apparent viscosity (Pa・sec)

材 料 D：MI=49
材 料 E:MI=23

ホ モ PP: MI=40-1

Shear rate(sec )図[3]1-98

流 動性 を 考 慮し た 耐衝 撃 ・低 線 熱 膨張 グ レー ド 相当 材 料 の溶 融

粘度のせん断速度依存性③

高耐衝撃・超低線熱膨張グレード

密度:0.95-1.0g/cm 3 、 曲げ弾性率:1.0-1.2GPa、 曲げ強度:30-40MPa、
衝撃強度:12-20kJ/m 2 、 CTE:20-30ppm/K
このグレードの目標値は、曲げ特性は表 [3]-1-5

PP マトリックスの候補材料 [3]-1-5の PP5、6、7、8 程度を維持し、耐衝撃性、CTE を重視し、さらに比重が低いことが特徴である。耐衝撃性は一般的なポリオレフィンレベルを達成し、CTE は高分子材料の範疇を下回り、低比重素材である。マトリックス PP には様々な PP ブロックポ
リマーを用い、エラストマーを追加添加した CNF 強化 PP もある。また解繊促進樹
脂はポリオレフィンを使用している。
図[3]-1-99 に③高耐衝撃・超低線熱膨張グレード相当の CNF 強化 PP における曲げ
弾性率、Izod 衝撃強度、CTE をプロットした。本グレード開発の中では 3 つの高性能材料が得られた。材料 A では、CTE が 40ppm/K を下回り、衝撃強度が 13kJ/m 2 であった。さらに材料 A の処方を変更することにより、より高弾性、高衝撃、低 CTEの材料 B を得た。衝撃強度は 18kJ/m 2 、CTE は 30ppm/K に迫っており、耐衝撃性を有しながら CTE は熱硬化性樹脂よりも小さい。材料 C は、材料 B ほどの特徴は無い
が、曲げ弾性率を高め、衝撃強度、CTE を十分に発揮している。このグレード開発
においては、エラストマーを厳選し、添加量を検証することにより、加熱時の樹脂成分の膨張応力を CNF により抑えるという「3.

弾性率・強度、耐衝撃性のバラン

スと低線熱膨脹性の付与」において説明したコンセプトを組み込んでいる。

101

材料 B
線 熱 膨 脹 係 数 （ppm/K）

2

Izod 衝 撃 強 度 （kJ/m ）

良

材料 C

材料 A

Izod 衝 撃強 度
線熱 膨 脹係 数良

曲 げ 弾 性 率 （ MPa）

図[3]-1-99

高耐衝撃・超低線熱膨張グレード相当材料の曲げ弾性率，Izod 衝撃強度，線

熱膨脹係数

102

(5) まとめ本項では、昨年度までに得られた高弾性率、高強度な CNF 強化 PP において培った技術を基本として、マトリックス PP の選択、マトリックス PP への追加添加エラ
ストマーの検討、さらには CNF の添加量を変化させることにより、3 つのグレード開発を実施した。グレード開発におけるエラストマーの添加では、CNF が柔軟なマ
トリックスの変形を抑 え低 CTE 化が達成できることを見出し、そ れを利用した低CTE の CNF 強化 PP を開発した。曲げ特性、耐衝撃性、CTE を同時に高レベルに発現させることは未だ困難であるが、自動車、家電分野に必要とされる物性は概ね達成できている。従来材料と同等以上の力学的特性、成形加工性を備え、CNF の強みである低 CTE 化を実現できていることから、これまで樹脂が使えなかった大型樹脂成形品などへの展開が期待できる。
6.

異種繊維とのハイブリッドによる CNF 強化樹脂の高性能化(1) 異種強化繊維を組み合わせる効果
CNF は高弾性率、高強度、高耐熱性、低比重を有する優れた補強繊維であるが、樹脂と複合化した際に耐衝撃性や用途によっては成形加工性が劣るという問題がある。そこで本項では、強化繊維として現状 CNF に足りない特性の補完、または異種繊維の弱点を CNF により改善するために CNF と異種繊維のハイブリッドを試みた。
(2) ガラス繊維(GF)とのハイブリッド‐PA6 の強化
GF は、高弾性、高強度、高耐衝撃性、さらには成形加工性にも優れるまさにプラスチックの汎用補強繊維である。しかし生産時の化石資源の消費、リサイクルできない、高比重などの欠点を有する。これを CNF とハイブリッドして樹脂を補強することにより優れた特性が発現することを期待した。図[3]-1-100 に PA6 に CNF/GF を混合添加した材料の曲げ弾性率と密度の関係を示す。GF20 は PA6 に GF を 20wt%添加した市販材料であり、この 2 点を結ぶ直線が GF/PA6 コンポジットの GF 添加による曲げ弾性率の増加を表している。従って同じ密度においてこの直線より上にプロットがあれば、GF/PA6 コンポジットよりも軽量・高弾性材料であると判断できる。
図中◇は PA6 にパルプ 10wt%添加した材料、◆は CNF のみ、または CNF と GF を併用（ハイブリッド）した材料であり CNFwt%/GFwt%を表している。CNF を添加した
何れの材料も GF/PA6 コンポジットよりも軽量・高弾性であると言える（プロット横の%は、同密度の GF/PA6 コンポジットと比較した場合の向上率）。CNF だけでも軽量高強度化が図れているが、GF を併用することにより CNF のみの添加量を増やす
よりも成形加工性を改善できるというメリットがある。図 101 に PA6 に CNF/GF を混合添加した材料の曲げ強度と密度の関係を示す。曲げ弾性率と同様に GF/PA6 コン
ポジットと比較し、同じ密度で大きく曲げ強度が向上していた。

103

図[3]-1-100

図[3]-1-101

PA6 に CNF/GF を添加した材料の曲げ弾性率と密度の関係

PA6 に CNF/GF を添加した材料の曲げ強度と密度の関係

CNF/PA6 コンポジットは、流動性が低いため射出成形加工性が懸念されるが、GFを併用することにより流動性を維持することができると考えられる。この CNF/GF
ハイブリッド PA6 コンポジットは、CNF の軽量高弾性・高強度、GF の高弾性・高強度・良成形性という長所を活かし、市販 GF/PA6 コンポジットに無い特徴を持った材料にできる可能性がある。
(3) ガラス繊維(GF)とのハイブリッド‐PC/ABS の強化
図[3]-1-102 に CNF/GF により PC/ABS を補強した材料の曲げ弾性率と密度の関係を示す。PA6 と比較して◇パルプ 10 の補強効果が小さい。これは PA6 に対して
PC/ABS の方が、疎水性が高く CNF との親和性が悪いためである。そのため CNF と104

GF とハイブリッドした材料は、上述の PA6 よりも補強効果が小さかった。しかしながら GF 強化 PC/ABS の同密度材料と比較して、曲げ弾性率において 30～60%の向上が見られた。図[3]-1-103 に PC/ABS に CNF/GF を混合添加した材料の曲げ強度と密度の関係を示す。曲げ弾性率と同様に GF 強化 PC/ABS コンポジットと比較し、同じ密度で物性が向上していた。

図[3]-1-102

PC/ABS に CNF/GF を添加した材料の曲げ弾性率と密度の関係

図[3]-1-103

PC/ABS に CNF/GF を添加した材料の曲げ強度と密度の関係(4) 炭素繊維(CF)とのハイブリッド-PA6 の強化
GF に次いで樹脂補強繊維として用いられる CF と CNF のハイブリッドについて検討した。CF も GF 同様に原材料および生産時に大量の化石資源を使用し、さらに高コストである。しかし力学的特性、軽量性に優れることから、高性能が求められる
航空・宇宙分野などでは必須の強化繊維となっている。
105

図[3]-1-104 に PA6 に CNF/CF をハイブリッドした材料の曲げ弾性率と密度の関係を示す。CNF/GF ハイブリッド PA6 コンポジットの場合は、GF とのハイブリッドよりも軽量、高強度であったが、ここでは CF/PA6 の強化直線上に並んだ。CF が軽量・高弾性であるために CNF のハイブリッド効果が小さくなったが、CNF には CFに近いポテンシャルがあると言える。
図[3]-1-105 に PA6 に CNF/CF をハイブリッド添加した材料の曲げ強度と密度の関係を示す。傾向は曲げ弾性率と同様であり、CNF が CF 並みの補強効果を示すことが確認できた。

図[3]-1-104

図[3]-1-105

PA6 に CNF/CF を添加した材料の曲げ弾性率と密度の関係

PA6 に CNF/CF を添加した材料の曲げ強度と密度の関係
106

(5) ラミー繊維とのハイブリッド
次に GF や CF のような無機繊維ではなく、植物繊維であるラミーとのハイブリッド化を示す。ラミーに含まれるセルロースは結晶化度が高く、その機械強度は植物繊維の中で特に優れていると言われている。図[3]-1-106 に①CNF10wt%/PA6（比較材料）、②CNF10wt%/ラミー5wt%と PA6 を二軸混練機で混合した材料、③ CNF とラミー各々の MB を射出成形機で混合して CNF10wt%/ラミー5wt%/PA6 とした材料、の 3 種の曲げ試験における応力ひずみ線図を示す。図中の（、）には、曲げ弾性率(MPa)と曲げ強度(MPa)を記載した。①に対して②および③では、繊維の総量が 10→15%に増えることにより曲げ特性が大きく向上した。①と②の耐衝撃性はい
ずれも 3kJ/m 2 と同様であったが、③の耐衝撃性は 4kJ/m 2 であった。一般的に CNF 添加により耐衝撃性が落ちることが多いが、ラミーの MB を射出成形機により機上混合することにより、曲げ特性と耐衝撃性の両方を向上させることができた。そのセルロース繊維の分散状態の偏光顕微鏡観察結果を図[3]-1-107 に示す。二軸混練によりラミーを混合した②よりも射出成形機で混合した③の方がラミーの繊維長および繊維径が大きかった。これは、二軸混練は攪拌力が強いためにラミーが切断されていくが、射出混合は混合がマイルドであるためである。この長い繊維が、衝撃負荷時に繊維引き抜けなどの衝撃吸収機能を発現したと考えられる。

図[3]-1-106

PA6 に CNF/ラミーを添加した材料の曲げ応力ひずみ線図

図[3]-1-107

PA6 に CNF/ラミーを添加した材料の偏光顕微鏡写真
107

(6) CNF と異種強化繊維のハイブリッドのまとめ
本項では、CNF に対して、GF、CF、ラミーをハイブリッドし、力学的特性に及ぼす効果を検証した。いずれの強化繊維にも短所があり、これをハイブリッドすることにより補うことができるかが課題であった。GF や CF を加えても耐衝撃性を上げることは難しかったが、CNF の軽量性、高力学特性が GF の欠点である高比重を補うことができた。また CNF 側からは、GF の高成形加工性の付与が期待できる。超高性能なCF については、CNF ハイブリッドによる顕著な効果は見いだせなかったが、材料の密度を考慮して物性を整理すると CNF が CF 並みの補強性能を有することが見出せた。
ラミーにおいては、CNF よりもサイズ（幅、繊維長）が大きく高結晶性の繊維を添加することにより、曲げ特性と同時に耐衝撃性を改善することができた。CNF 強化樹脂
において課題である耐衝撃性の改善手法として、樹脂へのエラストマー添加以外の可能性が見出せたといえる。

108

[3]-2 CNF 強化ポリプロピレン材料のナノ構造解析（実施者：京都大学生存圏研究所、京都市産業技術研究所）
京都プロセスにおいて、アセチル化リグノパルプを MB 混練し、目的の樹脂で希釈して素原料を作りそれを成形して製品を作る流れの中で、MB 混練過程ではいかにパルプを CNF に解繊させるか、希釈混練ではその解繊した CNF をいかに均一に分配させるか、が重要となる（図[3]-2-1）。そのための制御因子としては、緑字で示した項目がある。また、関連する形態解析のポイントは、黄色で塗りつぶした項目である。

希釈樹脂(PP，PE，EP・・）
無機 Filler

MB 樹脂（解繊樹脂）
MB 混練

Ac-CNF
変性度(DS＊)

希釈混練

成形

膨潤剤

結晶性
＊degree of substitution

相溶化剤（分散化樹脂）・各種変性樹脂

他成分
・elastomer
・核剤
etc

CNF の解繊（分散）状態（含長さ）
各成分の存在状態（機能発現）
樹脂の結晶構造（含む配列）
図[3]-2-1

CNF 強化樹脂の製造 Process と微細構造解析の Point

まずは PP における変性度の影響について図[3]-2-2 に、PA における変性度の影響について図[3]-2-3 に示す。ここで FM は曲げ弾性率（Flexural Modulus）である。希
釈 樹 脂 が PP の 場 合 、 DS 値 （ 水 酸 基 か ら ア セ チ ル 基 へ の 置 換 度 、 Degree of
Substitution）が大きいほど解繊は進み、それに伴って弾性率は向上する。一方、PA樹脂では比較的低い DS 値が解繊、弾性率向上に優位である。この両者の違いには、希釈樹脂と CNF の SP 値（溶解度パラメーター）が関与していると思われる。分子109

構成原子団から SP 値を計算できるが、DS が大きくなると PP のそれに近づき PA と
は離れる。

TEM

DS;0.72

10μDS;1.20

FM;3,400MPa

FM;3,800MPa

500n

図[3]-2-210μアセチル化度（DS）効果

500n

PP 系

110

TEM

DS;0.295μm

DS;1.84

FM;4,900MPa

5μm

FM;3,600MPa

200nm

200nm

図[3]-2-3 アセチル化度（DS）効果

PA 系

SP 値 σPP；9.3 σPA；13.6 σCNF;15.6

続いて、膨潤剤および MB 用解繊樹脂の効果について検討する。細胞壁中の CNF
は、ミクロフィブリル束（十数 nm）から構成されており、ミクロフィブリル間は強固な水素結合で拘束されているため、機械的処理だけでは容易に解繊しない。さらに、CNF 間にもヘミセルロースやリグニンなどのマトリックス成分除去時あるいは除去後に水素結合が形成される。そこで、膨潤剤によりこれらの水素結合を弱めて混練により解繊しやすくなることを狙う。実際に膨潤剤が目的とした CNF の場所に侵入しているかを検証した結果、ミクロフィブリル束間にも侵入していることが確認できた（図[3]-2-4）。ここで可視化されたミクロフィブリル束の幅は 10～20nm 程度である。一方、膨潤剤を用いない場合ではミクロフィブリル間に形成される強い結合により TEM 染色剤は入ることができず白く、ミクロフィブリル束は見えない（図[3]-2-4 右上）。

111

TEM

膨潤剤なし

一部に高濃度存在

200nm

Bundles(10-20nm)

Bundles 間全体に存在50nm

図[3]-2-4 膨潤剤の作用機構（存在場所）

図[3]-2-5 に示す様に、膨潤剤で前処理した変性パルプを混練した結果、膨潤剤量の増大に伴い解繊が進み弾性率が向上している。同様の構造的特徴は図[3]-2-3 に示
す様に TEM でも認められる。ただし、低粘度でほとんど弾性率を有しない膨潤剤を使用する際には注意が必要である。すなわち、図[3]-2-7 に示す様に膨潤剤が抜けきらず複合材料中で CNF を包み込むと、高弾性の CNF による補強効果が発揮されない恐れがある（図[3]-2-7）。

112

4mmt
OM,TEM 観

FM;3,150MPa

OM（蛍光）

FM;3,130MPa

FM;2,780MPa

図[3]-2-5200μm（オールポリオレフィン）

膨潤剤の効果（PP 系）

113

TEM

2μm

膨潤
剤の
量

2μm

FM;3,150MPa

FM;2,780MPa
500nm

図[3]-2-6500nm

膨潤剤の効果（PP 系）

TEM

Matrix

CNF

膨潤剤

2μm

図[3]-2-7

柔らかい成分（膨潤剤）により高弾性 CNF の良さを消す

2

膨潤剤の使用時の注意点

114

この点について簡単な力学モデルを用いて計算すると、僅かな膨潤剤の存在でも弾性率を極端に下げる結果となることがわかる（図[3]-2-8）。そこで京都プロセスでは、変性パルプを CNF にまで解繊する段階では膨潤剤を機能させ、その後の希釈混練で系外に取り除く手法が取られている。

弾性率

G1=140GPa
G2=0.01GP
G1

G2
（膨潤剤）
CNF の量

最終的には系外に除去
TGA, IR, GC-MASS, TEM, etc check

京都 Process では

並列結合成分を増やす
CNF のアスペクト比

新規膨潤剤

図[3]-2-8

膨潤剤含有系の力学計算

また、力学モデルからは出来るだけ並行結合成分を増やせば有利になることが計算により分かる（図[3]-2-9 エラー! 参照元が見つかりません。）。CNF は千切れることなく長い状態で樹脂中に分散されることが肝要である。膨潤剤の効果は HDPE でも確認できる。（図[3]-2-9）115

膨潤剤なしOM（偏光）

膨潤剤あり

FM;3,000

FM;2,400100μm

図[3]-2-9

HDPE 系における膨潤剤の効果

さらには、HDPE において膨潤剤と解繊樹脂との併用で、より解繊が進み弾性率向上に寄与している（図[3]-2-10）。この膨潤剤＋解繊樹脂併用効果は PP 系でも確かめられ、CNF が 100nm 前後まで解繊されていることがわかる（図[3]-2-11）。
次に相溶化剤の効果について述べる。ポリマーアロイの分野では相溶化剤には、各相の界面に存在し分散相の微細化や安定化に寄与することが求められる。CNF 強化 PP 樹脂における相溶化剤の存在場所を観察した結果、CNF と希釈樹脂(PP)の界面に存在していることが確認できた。本プロジェクトで用いている相溶化剤が相溶化
機能を発現していることがわかる（図[3]-2-12）。さらに、PP について見ると PP 結晶
ラメラが CNF から垂直に成形シートの厚み方向に配列している。これを XDR パター
ンで見ると、α 晶系で結晶のｂ-軸に相当する(040)面の強度が CNF の無いものに比べて大きくなっていることがわかる。この b-軸配列は現在の自動車に採用されているバンパー用材料の構造と傾向は同様であり、このような結晶構造形成が物性向上に寄与することが期待できる。それは PP 結晶の各軸の弾性率や線膨張係数からもその効果は明らかである。

116

膨潤剤＆解繊樹脂

膨潤剤
OM（偏光）

100μm

FM;3,000

TEM

FM;4,1001μm1μm

図[3]-2-10

HDPE 系における「膨潤剤＋解繊樹脂」の効果

TEM

2μm

200nm

図[3]-2-11

PP 系における「膨潤剤＋解繊樹脂」の効果
117

相溶化剤 A

TEM

Ac-CNF

厚み方向

Inj.方向PP 結晶弾性率
PPa：2.9GPa
PPb：3.2GPa

相溶化剤 B

20 PPc：48GPa
PP 結晶 CLTE
αa：82ppm
αb：180

解繊樹脂

αc：ほぼ 0Ac-CNF200nm

図[3]-2-12

現時点での到達レベル
各因子の最適化
オール PO でFM;4.7GPa
4GPa

相溶化樹脂の存在領域と PP 結晶構造

以上の様に、形態解析により裏づけされた京都プロセスの制御因子を最適化する
ことにより、現段階での曲げ弾性率は、解繊樹脂を用いた場合で 4.7GPa、解繊樹脂を用いないオールポリオレフィンでも 4GPa まで到達したといえる。
続いて、CNF 複合材料の重要な特性としてマテリアルリサイクル性について述べる。図[3]-2-13 に繊維補強の代表的な材料である GF 強化樹脂と比較する。リサイク
ル回数により、ガラス繊維（GF）系では物性が大幅に低下するが、CNF 系では殆ど変化しない。その理由は、図[3]-2-14 に示す様にガラス繊維系ではリサイクル回数に伴いガラス繊維が破損（短繊維化）するが、CNF 系ではそのしなやかさのために殆ど変化しないことがわかる。これがリサイクルによる物性変化の違いに寄与しているといえる。

118

図[3]-2-13

OM

リサイクル性；物性（GF vs CNF)

GF/PP 材料

OM（透過）

CNF/PP 材料

TEM

リ
サ
イ
ク
ル
回
数

[0]

[2]

図[3]-2-14 リサイクル性；繊維長（GF vs CNF)

119

10μm

10μm

[3]-3 リグノ CNF 樹脂複合材料の発泡技術開発（実施者：京都大学生存研、京都大学工学研究科、京都市産技研）
リグノ CNF 樹脂複合材料の持つ軽量・高剛性の特徴をさらに際立てるために発泡成形による低密度化の検討を行った。
(a)発泡成形方法の検討
PA6 系を中心に発泡成形方式、発泡剤種類の検討を行った。
ナイロン樹脂（PA6）及びポリアセタール樹脂（POM）を対象にリグノ CNF/熱可
塑性樹脂複合材料の CO2 によるバッチ発泡成形を実施した。図[3]-3-1 に PA6 系の曲げ弾性率を示す。未発泡 PA6 に比べて、変性（アセチル化）リグノ CNF を 10%複合化した発泡体は 2 割の比重低下にも関わらず約 1.8 倍の弾性率を示した。アセチル化
リグノ CNF が発泡セルを効果的に補強することにより発泡体が高剛性化するといえる。図[3]-3-2 に PA6 系の動的粘弾性測定による貯蔵弾性率の温度依存性を示す。未発泡 PA6 の 100℃における貯蔵弾性率と同等の値を、アセチル化リグノ CNF を 10%複合化し比重が 2 割低減した発泡体では 35℃高い温度において示した。アセチル化
リグノ CNF を複合化することで熱変形しにくくなると言える。本検討により、軽量性、高剛性、高耐熱性を有する構造部材として利用できる PA6 系発泡材料の開発に成功した。POM 系発泡材料については、アセチル化リグノ CNF を複合化することで気泡径が微細化することや線熱膨張率が低下することを確認しており精密部品用材料への適性が示された。
1.E+10○ 未発泡 変性リグノCNF10%

4● 発泡 変性リグノCNF10%

3◆ 発泡 未変性リグノCNF10%

貯蔵弾性率G’ [Pa]曲げ弾性率 [GPa]5◇ 未発泡 未変性リグノCNF10%□ 未発泡 PA6210

弾性率：約1.8倍0図 [3]-3-1

0.2

0.4

比重：2割低減0.6 0.8
比重 [-]

1

1.2

1.4

ア セ チ ル 化 リ グ ノ CNF/PA6

発泡体の比重と曲げ弾性率の関係● 発泡 変性リグノCNF10%（比重：0.87）◆ 発泡 未変性リグノCNF10%（比重：0.88）○ 未発泡 PA6 （比重：1.12）

1.E+09

1.E+08+15℃50

図[3]-3-2100
温度 [℃]+35℃

150

アセチル化リグノ CNF/PA6 発

泡体の動的粘弾性

続いてナイロン樹脂（PA6）を対象としたアセチル化 CNF/熱可塑性樹脂複合材料の窒素ガスによる発泡射出成形について検討した。粒子状のミネラルに対して、アスペクト比の高い繊維状で PA6 との相溶性を示す変性 CNF は、図[3]-3-3 に示すように溶融状態の弾性率が PA6 やミネラル複合化品に比べて大幅に上昇した。その結果、120

同一条件で成形した PA6 系材料発泡体の断面気泡構造（図[3]-3-4）に示されるように、スキン（未発泡層）近く及び厚み中心部分いずれも、PA6 単体とミネラル 5%複合化品の気泡径が同程度であるのに対して、アセチル化 CNF5%複合化品は、気泡成長が抑制され気泡径が大幅に微細化した。
図[3]-3-5 に異なる比重の PA6 系材料発泡体の曲げ試験における比弾性率を示す。
いずれの材料も比重 0.7 程度以上の範囲については、比重の低下とともに比弾性率が未発泡体に比べて上昇したが、特に CNF 強化品においてこの傾向が顕著であった。
このように変性 CNF を複合化することでミネラルに比べて少量で効果的に気泡の微細化や発泡体の強化を行うことに成功した。
1.E+06
貯蔵弾性率G’ [Pa]1.E+05
1.E+04
1.E+03◆ 変性CNF10%■ 変性CNF5%● 変性CNF3%▲ 変性CNF1%□ ミネラル5%
× PA6

1.E+02
1.E+01
1.E+000.1

図[3]-3-3

1

PA6

変性CNF5%

ミネラル5%

10

周波数 [Hz]

図[3]-3-4アセチル化 CNF 強化 PA6 のアセチル化 CNF 強化 PA6 発

泡体の断面気泡構造

貯蔵弾性率の周波数分散（250℃）

比弾性率（曲げ） [GPa]5変性CNF10%

4

変性CNF5%

3

変性CNF3%

2

変性CNF1%
ミネラル5%

1
0

PA6

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

比重 [-]

図[3]-3-5アセチル化 CNF 強化 PA6 発

泡体の曲げ試験における比弾性率と比重

また、スケールアップ成形品の検討として上記物性評価を行った小型試験片の 5倍重量の成形品（トレイ。図[3]-3-6 参照）、およびアドバイザーの協力を得て 50 倍
重量の成形品（エンジンカバー）の試作、解析を行った。その結果、スケールアッ121

プ成形品に関しても小型試験片と同様に微細で均一な気泡、高弾性率および高強度、平滑表面を有する成形品を得ることができた。一方で、特定の製法の材料や特定の成形機においては、成形不良が発生したことから、材料および成形両面から原因追及および改善点がフィードバックされた。

180mm

外観

110mm
断面スキン/コア構造

図[3]-3-6

スケールア ップ成形品（ト レイ）の外観及び断面

一方で、アセチル化 CNF/PA6 の流動特性と発泡射出成形性の相関に着目した検討を行った。キャピラリーレオメータによる粘度のせん断速度依存性の測定結果を図[3]-3-7 に示す。アセチル化 CNF は低ひずみ速度では高分子量 PA6 並の高粘度、高ひずみ速度では複合化に用いたベース PA6 並みの低粘度を示しており、せん断速度に対する粘度の傾きがガラス繊維などよりも大きい材料であることが分かった。発泡やブロー、紡糸のしやすさと関係のある伸長粘度の測定データを図[3]-3-8 に示す。
CNF 含有量の増加とともに伸長粘度が増加することが分かった。
次にスパイラルフロー形状の金型を用いた射出成形を行って流動長の評価を行った。表[3]-3-1 に示す通り、アセチル化 CNF10%の流動長は射出速度が速いほど長くなっており、粘度の速度依存性と一致した傾向があることが分かった。また、アセチル化 CNF10%は高分子量の PA6 と比べて、計量トルクは低く、流動長は長い値となっており、高ひずみ速度で低粘度を示すことが実際の成形においても示された。
発泡射出成形において、PA6 を高分子量化することで気泡を微細化することが出来るが、同時に射出の計量トルクの増加や流動性の低下につながる。一方、アセチ
ル化 CNF の添加は、低い計量トルクや高い流動性を保ちつつ気泡を微細化させる効果があることが分かった。
以上、PA6 系を中心に発泡成形方式、発泡剤種類の検討を行った。その結果、せん断速度の増加とともに粘度が減少する CNF 強化材料においては、窒素などの物理
122

発泡剤を用いた発泡射出成形において高い流動性を維持しつつ、従来よりも微細な気泡が得られ、ベース樹脂の 7 割の密度で 1.8 倍の弾性率、1.4 倍の強度を有する発泡体を製造することに成功した。

1.E+081.E+04

伸長粘度 [Pa･s]

変性CNF10%/PA6

粘度 [Pa s]

1.E+03
1.E+02

GF30%/PA6

PA6（ベース樹脂）

PA6（高分子量）

1.E+01
1.E+00
1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04変性CNF10%/PA6

1.E+070.1s-1

1.E+06

変性CNF5%/PA6

1.E+05

1.0s-1

1.E+04
1.E+03
1.E-01

1.E+05ひずみ速度 [1/s]図[3]-3-7

図[3]-3-8アセチル化 CNF/PA6 の溶融粘1.0s-1

1.0s-1変性CNF3%/PA6
0.1s-1

1.E+00
1.E+01時間[s]1.E+02アセチル化 CNF/PA6 の伸長

粘度（240℃）度のひずみ速度依存性（260℃）
表[3]-3-1

0.1s-1スパイラルフロー形状成形によるアセチル化 CNF/PA6 の軽量トルク
と流動長
材料

射出条件

計量

流動長

射出圧力 射出速度

トルク

L

[%]

[mm]

10

9

188

50

10

188

100

10

188

10

23

24

50

20

27

100

21

27

10

13

86

50

12

98

100

12

105

[MPa]
PA6
（ベース樹脂）PA6（高分子量）

変性CNF10%/PA6

10

10

10

[mm/s](b)軟質材料への展開

CNF 複合材料のランニングシューズでの実用化を受け、より加工性に優れた熱可塑性エラストマーでの発泡成形の検討を行った。
PA6 系エラストマーとの複合化においては、図[3]-3-9 に示す通りアセチル化 CNF1%の添加で大 きな粘 度上 昇効果があ ること が分 かった。発 泡成形 の結 果からは図[3]-310 に示す通り気泡の微細化、特に表層直下の粗大気泡を微細化させることができた。
CNF による補強効果と気泡の微細化効果により圧縮強度の増加に成功した（図[3]-3123

11）。また、引張破断伸びに関しては非強化とほぼ変わらない値となっており、柔軟性を維持させることができた（図[3]-3-12）。さらに、繰り返し圧縮試験による耐久性
が CNF 添加により向上すること、反発弾性試験からは CNF を加えても損なわれないことも分かっており、PA6 系エラストマーへアセチル化 CNF を複合化することで、発泡成形性が向上し、得られる発泡体の機械的特性としては、反発弾性を維持しつつ、引張弾性率、圧縮弾性率・強度、耐久性を向上させることに成功した。軽量で反発性、耐久性が求められる用途への用途が期待されている。

PA6エラストマー

複素粘性率η* [Pa]1.E+07

変性CNF1%/PA6エラストマー

変性CNF10%1.E+06

変性CNF2%変性CNF1%

1.E+05

PA6系ベース樹脂

1.E+04
1.E+03
1.E+02
1.E+010.01

図[3]-3-90.11
周波数 [Hz]

10100

PA6 系エラストマーにアセ

図[3]-3-10

アセチル化 CNF 複合化に

チル化 CNF を複合化した際の複素粘性よる PA6 系エラストマー発泡体の気泡率の周波数依存性

構造の変化

圧縮試験

0.5

35

引張応力 [MPa]圧縮応力 [MPa]0.6

変性CNF1%

0.4
0.3
0.2
0.1
0

PA6エラストマー0

図[3]-3-11246
ひずみ [%]

810アセチル化 CNF 複合化に

引張試験

30
25

変性CNF1%

20
15

PA6エラストマー

10
5
0

0

図[3]-3-12

400

800
1200
ひずみ [%]

アセチル化 CNF 複合化

よる PA6 系エラストマー発泡体の圧縮による PA6 系エラストマーの引張特

応力の変化

性の変化

124

1600

(c)アセチル化 CNF/PP 材料の発泡成形および耐衝撃性向上のためのフィルムイン
サート成形
PP 系の発泡成形に検討においては、解繊促進成分と膨潤剤により改良されたアセチ
ル化 CNF 強化 PP 材料を用いることで軽量高強度な部材の検討を行った。PP 単体とアセチル化 CNF10%品のコアバック 2 倍発泡体の断面気泡構造を図[3]-3-13 に示す。アセチル化 CNF を 10%複合化することで mm オーダーの不均一な気泡構造が数十～数百
ミクロンオーダーの均一な気泡へと変化した。得られた発泡体の曲げ弾性率・曲げ強度を PA6 系での結果とともに図[3]-3-14、図[3]-3-15 に示す。PP は PA6 よりも樹脂単体の比重が軽いことから曲げ弾性率、曲げ強度の急激な落ち込みが低比重側にシフトしており、また、未発泡体の物性も大きく向上していることから結果的に比重 0.5 付
近では PA6 系以上の弾性率、PA6 系並みの強度を有する発泡体を作製することに成功
した。

5
PP

曲げ弾性率 [GPa]変性CNF10%/PP

4アセチル化 CNF 複合化に

CNF10%/PP

3

PA6

2
1
0

図[3]-3-13

CNF10%/PA6

PP0.2

図[3]-3-14

よる PP 発泡体の気泡構造の変化

0.4

0.6
0.8
密度[g/cm3]1

1.2

PP 発泡体にアセチル化

CNF を複合化した際の密度に対する曲曲げ強度 [MPa]

げ弾性率の変化と PA6 系との比較
160
140
120
100
80
60
40
20
0

CNF10%/PA6
PA6
CNF10%/PP
PP

0.2

0.4

図[3]-3-150.60.8
密度[g/cm3]1

1.2

PP 発泡体にアセチル化 CNFを複合化した際の密度に対する曲げ強度の変化と PA6 系との比較

125

CNF/PP、CNF/PP 発泡体の自動車用途での試作が進む中で、耐衝撃性と軽量性は重要なパラメータであるとの認識が高まってきている。高耐衝撃・低線熱膨張グレードとして開発した京都プロセス材料を発泡させることにより、軽量性と耐衝撃性の両立が期待されているが、発泡させると耐衝撃性は低下してしまう。そこで、発泡成形品
表面にフィルムをインサートすることで低下した耐衝撃性を補う検討を試みた。アセ
チル化 CNF/PP 材料を用いてフィルムインサート成形と発泡成形を組み合わせること
で既存材料（ブロック PP）と同程度の耐衝撃性で低線熱膨張且つ軽量な部材を開発することを目的とした。
成形は、RIC Foam 方式の発泡射出成型機に 90mm×90mm×2mmt の平板形状の金型を取り付けて行った。シリンダーに設けられたベントを不活性ガスで加圧すること
により、材料中にガスを導入し成形品に気泡を形成させることが出来る。発泡はコ
アバック方式により行い成形品を厚み方向に膨張させた。まずは発泡成形品において優れた外観と気泡構造、物性が得られる条件を検討し、その条件に対してフィル
ムインサート成形を実施した。ベントの窒素圧力が 5、7MPa の 2 水準、発泡倍率が1.5、2 倍の 2 水準について検討した。断面気泡構造を図[3]-3-16 に示す。
5MPa よりも 7MPa、2 倍よりも 1.5 倍発泡の方が微細な気泡が得られ、7MPa、1.5
倍では他の条件で見られたような粗大な気泡が見られなかった。続いて、得られた試験片の 3 点曲げ試験の結果及びデュポン式衝撃試験の結果を既存材料であるブ
ロック PP のソリッド（未発泡体）とともに表[3]-3-2 に示す。ここでデュポン式衝撃試験とは、落錘衝撃の一種であり値として試験片が割れた時の高さを記載している。
最大高さ 1m でも非破壊の場合は NB と記載している。おもりの重さは 1kg のものを使用した。また、エネルギーは（重さ）×（重力加速度）×（高さ）により計算した。
デュポン衝撃、曲げ弾性率ともに 5MPa よりも 7MPa、2 倍よりも 1.5 倍の場合の方が高い値が得られた。これは気泡構造の気泡の緻密さと対応している。
気泡構造、物性に優れた 7MPa、1.5 倍の条件についてフィルムインサート成形を行った。予備検討で耐衝撃性の向上には裏（反打撃側）に衝撃吸収フィルムを張ることが有効であることが分かったため、表には意匠性付与のための厚さ 50um の木目
調の転 写を 、裏 には 耐 衝撃性 向上 のた めの 150um の軟 質フ ィル ム をそれ ぞれ イ ン
サートした。外観については、フィルムインサートすることにより発泡射出成形特有のスワールマークが抑えられた。機械的特性については、インサートの有無による 3 点曲げ試験及びデュポン式衝撃試験の評価値の違いを表[3]-3-3 に示す。
フィルムインサートにより弾性率は若干下がるが、デュポン式衝撃は向上し、1mからの落下でも非破壊となった。また、ブロック PP ソリッドと CNF7%PP インサー
ト 品 の 線 熱 膨 張 率 の 測 定 結 果 を 図 [3]-3-17 に 示 す 。 0～ 100℃の 平 均 膨 張 率 の 値 はCNF7%PP インサート品ではブロック PP ソリッドの半分以下の 52ppm/K になった。
CNF/PP を用いてフィルムインサート成形と発泡成形を組み合わせることにより、低密度で高耐衝撃性、低熱膨張率を有する部材を開発できた。同等の剛性で考えると、図[3]-3-18 に示す通り CNF7%は若干分厚くなるが、比重がより低いため、重量比としては 0.86 となった。即ち、発泡+フィルムインサートを組み合わせることによ126

り、高い衝撃性を維持しつつ既存材料の 14%の軽量化が出来、低い線熱膨張率を有する材料を創り出すことが出来た。

表[3]-3-2 PP 未発泡体及び CNF7%/PP 発
5MPa

泡体の機械的特性
NO.

材料

1

ブロックPP

2

7MPa

3
4
×1.5倍発泡

図[3]-3-16

5

500µm

×2倍発泡

CNF7%/PP

N2圧力

[倍]

高さ[mm]

ｴﾈﾙｷﾞ[J]

[GPa]

-

-

NB

-

0.95

-

-

NB

-

1.61

1.5

650

6.4

0.85

2

750

7.4

0.79

5
7

6

発泡倍率 デュポン衝撃（1kg） 曲げ弾性率

[MPa]

1.5

800

7.8

0.95

2

700

6.9

0.72

CNF7%/PP 発泡体の断面気

泡構造
14000

表[3]-3-3 CNF7%/PP 発泡体の機械的特性

12000

材料
CNF7%/PP

フィルム

デュポン衝撃（1kg） 曲げ弾性率

N2圧力

発泡倍率

[MPa]

[倍]

表

7

1.5

（50um）（150um）

裏

高さ[mm]

ｴﾈﾙｷﾞ[J]

[GPa]

-

-

800

7.8

0.95

木目

軟質

NB

-

0.82

変位 [ppm]におけるフィルムインサートの効果

133ppm/K

10000

ブロックPPソリッド

8000
6000

52ppm/K

4000

CNF7%/PP 1.5倍発泡体+フィルムインサート

2000
0

0

図[3]-3-17

20

40
60
温度 [℃]

80

PP 未発泡体及びCNF7%/PP 発泡体の線熱膨張率
既存材料（ブロックPP）

開発材料

密度

0.9g/cm3

0.74g/cm3

厚み

2.9mm

剛性
重量比
耐衝撃性（面衝撃）
線熱膨張率

図[3]-3-18

3.0mm
同等

0.86

1
デュポン1kg・1mで非破壊133ppm/K

52ppm/K

ブロック PP ソリッドとCNF7%/PP 発泡体フィルムインサート品
の性能比較

127

100

(d) 発泡構造の解析
上述した様に、溶融粘弾性（溶融時の貯蔵弾性率のレベル）の差により、ニート
樹脂に比べて、CNF 強化樹脂材料は微細・均一な発泡構造となる（図[3]-3-19）。さらに、特殊な処理を行ったサンプルについて発泡セル壁表面を SEM 観察すると CNFのネットワークが見られ、また CNF をシシとしたシシカバブ構造やポリマーシシカ
バブ構造が形成されている（図[3]-3-20）。また、発泡セル壁の断面から眺めた TEM
写真からもシシカバブ構造が確認できる（図[3]-3-21）。CNF のネットワーク構造や特殊な PP 結晶構造の形成に由来して、発泡成形体の物性（弾性率や強度）は CNF 入りで大幅に向上することが推測される。

Storage Modulus G’ [Pa]

10
10
10
10

7

PP
cooling

6↓CNF10%PP

5( ↓CNF5%PP )410

OM（透過）( ↓CNF2%PP )

3

13

14

15

16

17

↓19
18

CNF10%PP
20oTemperature [ C]

溶融時のレオロジー特性に起因した 発泡特性
2mmt sheet→コアバック 2 倍発泡

図[3]-3-19 超臨界発泡（N 2 -gas）128図[3]-3-20

CNF/PP 系発泡セルの微細構造（表面）

TEM

発泡セル

セル壁断面厚み200nm
2μm

図[3]-3-21

CNF/PP 系発泡セルの微細構造（断面）129[3]-4

マテリアルリサイクル性（実施者：京都大学生存研、京都市産技研）
マテリアルリサイクル、ケミカルリサイクルおよびサーマルリサイクルによるプラスチックスの有効利用は新しい社会システムとして注目されているサーキュラーエコ
ノミーにおける重要課題である。セルロースナノファイバーは、繊維幅がナノレベルのため、アスペクト比を考えると、数ミクロンの長さがあれば補強用繊維としては十分であると考えられる。このことから、樹脂成形体を数ミリのサイズまで粉砕してもセルロースナノファイバーの長さ方向への切断はほとんど無く、マテリアルリサイク
ル可能な材料であると考えられる。特に、PP や HDPE といったオレフィン系樹脂は融点がセルロースの熱変性温度より十分に低く、溶融混練時の熱劣化は少ないと考えられる。このことから、京都プロセスで製造した CNF 強化 PP および CNF 強化 HDPE について、再度、実際のマテリアルリサイクルに沿った方法で、マテリアルリサイクル性を評価した。結果を図[3]-4-1 に示す。
“射出成型後（R０）の試験片を粉砕し射出成形する”プロセスを 4 回（R1、R2、R3、R4）繰り返し、都度、曲げ弾性率、曲げ強度を評価した。比較としてガラス繊維強化
PP、タルク強化 PP の結果も示している。ガラス繊維強化材料は、リサイクルを繰り返すと弾性率、強度共に低下することがわかる。特に、強度低下が顕著である。同様の傾向は衝撃特性でも見られる。これに対して、CNF 強化樹脂は、タルク強化 PP と同様に、リサイクルを最大 4 回まで行っても、弾性率、強度は全く変化しない。すな
わち、CNF 強化 PP,HDPE はマテリアルリサイクル特性に優れた材料と言える。セル
ロースナノファイバーは焼却も容易で残灰も少なく、最終的にはサーマルリサイクルできることから、環境負荷の少ない材料といえる。今後、社会的関心が、CO2 排出の少ない、持続型資源に基づく材料に対してますます高まって行くことを考えると、マテリアルリサイクルが容易であることはセルロースナノファイバーの重要な特性といえる。

図[3]-4-1

CNF 強化 PP および HDPE のマテリアルリサイクル特性
130[3]-5

マスターバッチ法の検討（実施者：京都大学生存研、京都市、王子ホールディングス（株）、日本製紙（株）、
星光 PMC （株））
ポリプロピレン（PP）は他の樹脂に比べてアセチル化パルプとの親和性が低く、変性パルプを PP 中で溶融混練しても十分に解繊・分散させることができない。そこでアセチル化パルプとその解繊性に優れた樹脂（解繊用樹脂）をあらかじめ混練し、変性 CNF を高濃度に含有したマスターバッチ（MB）について、より詳細に検討した。
得られた MB を PP と混ぜて希釈混練を行うことで、変性 CNF/PP 複合体を作製した（マスターバッチ法）。
マスターバッチ法で作成した繊維率 10wt%の複合体の X 線 CT 像を図[3]-5-1 および
図[3]-5-2 に示す。この X 線 CT 像は一辺 800μm の領域を撮像しており、分解能は 1.5μmである。これらの X 線 CT 像より、解繊用樹脂を用いて作製した複合体は、解繊用樹
脂を用いずに作成した複合体と比較し、複合体中でのパルプの解繊性が優れることがわかった。またエラー! 参照元が見つかりません。およびエラー! 参照元が見つかりません。に、繊維率 10wt%の複合体の引張・曲げ特性を示す。これらより解繊用樹脂を用いて作製した複合体は、用いずに作製した複合体と比較し、引張・曲げ特性等の力学特性が優れることがわかった。
これを踏まえ、アドバイザーへのサンプル提供に向け、上記サンプルの製造スケー
ルアップの検討を行った。混練プロセスの簡略化に関する検討や、大型混練装置での大量混練に関する検討を行った結果、小スケールでの製造に比べ生産性を大幅に向上
させ、サンプル提供に対応できるようになった。

変性 CNF/PP 複合体②（解繊用樹脂あり）

変性 CNF/PP 複合体①（解繊用樹脂なし）

図[3]-5-1複合体の X 線 CT 像１

図 [3]-5-2131複合体の X 線 CT 像２

図[3]-5-3

図[3]-5-4

引張特性

曲げ特性

132

[3]-6

京都プロセスのスケールアップ技術（実施者：京都大学生存圏研究所、京都市産業技術研究所、王子ホールディングス（株）、日本製紙(株)、星光 PMC（株）、高知県紙産業技術センター）
本事業で開発を進めた“パルプ直接混練法”（京都プロセス）は疎水化変性パルプを溶融した樹脂中で混練、解繊することで、パルプのナノ解繊とナノファイバーの樹脂中への分散をワンショットで行うコストパフォーマンスに優れた方法である。京都プ
ロセスによる CNF 強化樹脂材料の大量製造（CNF10％添加樹脂ベースで 3 トン/年）
を目指して、[1]-2 原料の選定で述べた通り解繊性および補強性に優れていたトドマ
ツを使って変性用リグノパルプの大量製造を行った。（図 [3]-6-1）それを高知県紙産業技術センターでディスクリファイナーにより予備解繊後、抄紙機を用いてシート化
し、ネバードライのウェットパルプシートの状態で京都大学に送りアセチル化処理を行った。その後、変性パルプについてテストプラントを用いて樹脂との複合化を行った。こ の様に 大量 製造 したパ ルプに つい ては 、図[3]-6-2 に示 す通 り、い ずれも 小ス
ケールでのアセチル化変性パルプを同等の補強性が得られる様になった。また、偏光顕微鏡を用いたペレットの観察から、いずれも樹脂混練時に同等の解繊性を示すことが分かった。
並行して、高知県紙産業技術センターで大量に製造したリファイナー処理ネバード
ライパルプを日本製紙のテストプラントにおいて約 30kg／月のペースでアセチル化処理を行った。それを京都プロセスを用いて CNF 強化樹脂材料とした。変性パルプ、マ
スターバッチ、所定濃度の CNF 強化樹脂材料を再委託先およびアドバイザーに提供し、性能評価、用途開発を行った。

図[3]-6-1

化学変性用パルプシートの大量製造工程

133

図[3]-6-2

曲げ試験結果（PA6）

第 3 回試作パルプ

第 2 回試作パルプ

図[3]-6-3

第１回試作パルプ

偏光顕微鏡写真（PA6）134[3]-7 高植物度成形体製造・成形プロセスの開発（実施者：京都大学生存圏研究所、京都市産業技術研究所、王子ホールディングス（株）、日本製紙（株）、星光 PMC （株））
[2]-2 において熱流動性・耐熱性を向上させた変性リグノ CNF を用いて熱圧成形体の製造・成形プロセス技術の検討を行った。最初に、リグニンの特異的構造変換およびリグニン、ヘミセルロースの水酸基への化学修飾を行った変性リグノ CNF を用
い て 植 物 度 約 80％ の 熱 圧 成 形 体 の 製 造 に 成 功 し た 。 性 能 と し て 、 線 熱 膨 張 係 数 ：9.1ppm/K（ガラス相当）、荷重たわみ温度(1.8MPa)：161℃（フェノール樹脂相当の曲げ弾性率：14.6GPa 曲げ強度 184MPa を達成した。それを踏まえて、リグノ CNF の変性方法の検討だけでなく、原料とするリグノ CNF の形状やリグニン量、変性リグ
ノ CNF に適した成形方法、成形条件を探索した。その結果、より簡便な成形方法で、たわみ量（mm）

植物度 98%、曲げ強さ 217MPa、 曲げ弾性率 10.7GPa を達成した。

温度（℃）

図[3]-7-1

図[3]-7-2

荷重たわみ温度

線熱膨張

並行して、原料とするリグノ CNF の形状やリグニン量、添加剤、成形方法、成形条件等の検討により、リグノ CNF の化学処理を行わない手法で、高強度・高植物度成形体の開発を進めた。
表[3]-7-1 各年度末の到達物性
植物 度

曲げ 強 さ曲げ 弾 性率

線熱 膨 張係 数

荷 重 た わ み 温 度 [℃] 成 形 に 要 す る 時 間

[%]

[MPa]

[GPa]

[ppm/K](1.8MPa)

H27

74

156

9.8

9.1 *1)161 *2)

H28

98

217

10.7

7

H29

98

253

10.5

2

H30-①

100

311

15.1

1.5

H30-②

100

264

15.4

1.5

H30-③

95

309

16.0

1.1

*1 ガラス相当 *2 フェノール樹脂相当
135

(hr)

原料とするリグノ CNF の形状は、細く解繊されている方が熱圧成形体の密度向上に有 効 で あ り 、 高 強 度 と な っ た 。 な お 、 エ ラ ー ! 参 照 元 が 見 つ か り ま せ ん 。 [3]-7-1 のH30-①に示すリグノ CNF はビーズミル処理した NUKP で得られたものである。しかしながら、成形体の強度を向上させるための上記方策に従うと、リグノ CNF の親水性が著しく高くなり、成形工程における水分の除去が非常に困難となった。そこでイオン性を有する薬剤の添加を種々試みた結果、脱水効率のさらなる向上が認められた。
しかしながら実用化に際してビーズミル処理は生産効率にやや課題があるため、大量生産が容易なリファイナーを用いて表面フィブリル化を行ったトドマツリグノ CNFを原料とすることを試みた。それを 100%原料として用いた結果が H30-②であり、このとき、繊維間水素結合を補強するタイプの添加剤を利用した結果が H30-③である。
いずれにおいてもビーズミル NUKP を用いたときに匹敵する極めて強い熱圧成形体が得られた。
そのほか、成形工程の内、水分を除去する工程（圧搾脱水）において高い圧力条件
下で水を絞り出すことにより、成形体の強度が向上することを見出していたが、引き続き検討を進め、ステンレスメッシュ等を用い、脱水を効率的に行うことで、低圧であっても成形体に十分な強度をもたせることが可能になった。さらには、半量ずつ湿潤リグノ CNF を作製して、圧搾脱水時にバインダレスで貼り合わせてもほとんど強度の低下がないことを見出し、この結果、成形に要する時間を 0.25 時間まで大きく短縮できた。さらには、工程の簡略化と省エネルギー化を目的として、圧搾脱水、乾燥後に行う熱圧成型（例えば、190℃、50MPa で 5 分間）の工程を省略することを試みた。
その結果、ビーズミル NUKP のようなナノ化が進んだパルプでは、熱圧成型前でも密度は 1.4g/cm 3 を超えて、300MPa 近くの曲げ強度が発現しており、熱圧成型での曲げ物性の向上はほとんどなく、その工程を省くことができることが分かった。リファイ
ナー処理した NUKP については、熱圧成型での曲げ物性の向上が認められた。ただし、高次にリファイナー処理され、熱圧成型後の曲げ強度が 230～250MPa の NUKP では、熱圧成型を省いた場合の曲げ強度の低下は 20～30MPa であり、200MPa を超える高い
曲げ強度が認められたので、場合によっては熱圧成型の工程を略することも可能であると判断した。一方で、曲げ強度が 200MPa 程度の NUKP について、繊維間水素結合を補強するタイプの樹脂を使い、熱圧成型工程を省くことを試みたが、良好な結果を得ることはできず、その工程を省くことができるか否かは、リファイナー処理の程度に左右されることが明らかになった。
開発開始当初には、ろ過時間の短縮を目的として、リファイナー処理の程度が比較的軽度な（ろ水性が高い）NUKP を用いて、繊維間水素結合を補強するタイプの樹脂の添加量を増やすことにより、高強度が発現する条件について検討したが良好な結果が得 られ なか っ た。 そ こで 、原 材 料に は曲 げ 強度 が 200MPa 以 上 を有 する リ ファ イ
ナー処理した NUKP を用い、ろ過前（パルプパッドの作製前）の湿潤パルプに、添加剤 A ならびに添加剤 B を加え、加熱によりその表面を疎水化させる試みを行ったとこ
ろ、ろ過時間が顕著に短縮された。例えばリファイナーを 24 回通過させた NUKP（以136下 NUKP24 と略す）では、無処理では 65 分間を要したろ過時間が 5 分程度にまで短縮でき、ミクロフィブリル化したセルロースファイバー（商品名：セリッシュ）でも、95 分のろ過時間を 7 分以下にまで短縮できた。その際の曲げ物性の変化は、元来曲げ強度が 300MPa 程度ある高強度 NUKP では、若干曲げ強度が低下する傾向（20MPa 程度低下）が見られたが、235MPa 程度の NUKP24 では処理による強度低下はなかった。
さらに 200MPa 程度の NUKP ではむしろ曲げ強度の向上が認められ、例えば、リファ
イナーを 18 回通過させた NUKP18 では、元来 200MPa 程度の曲げ強度が 220MPa 近くにまで向上した。
このように著しくろ水性の改善が認められたことから、最大で 0.5MPa の圧力がかけられるプレスろ過機を用いて、2.5％のパルプ懸濁液のろ過を行い、パッドの作製を試みたところ、10 分程度で 1100ml の懸濁液を絞りきり（ろ過液量 1000ml）、パルプ
濃度 36％のパッドを得ることができた。ただし、今回用いたパルプろ過機の構造では、ろ過面が垂直方向に設置されており、パルプが下側に多く堆積する傾向がみられたので、厚さが均一なパッドを作製するにはろ過面を水平に配置するなどの工夫が必要と思われた。
成型後の厚さ目標 が 1mm となるように設定 したパルプ濃 度 35％ のパルプパッ ド（原料は NUKP24）を供試材料として、各種金型を用いた三次元成型についても検討した。その結果、図[3]-7-3 に示すようにかなり自由度が高い三次元成型が可能である
ことが分かった。
以上、原料とするリグノ CNF の形状やリグニン量、リグニンの特異的構造変換やリ
グニンおよびヘミセルロースの水酸基の化学修飾、添加剤、成形方法、成形条件等の検討結果を組み合わせ、実用化という視点からも、熱圧成形体の曲げ特性の向上と成形に要する時間の大幅な短縮の両立が達成でき、さらにそれを使った三次元成型の可能性を示すことができた。

図 [3]-7-3 三次元成型体の試作例
137

5. 研究開発項目[4] リグノ CNF および樹脂複合体の計測・評価技術の開発：（実施者：京都大学生存研、産業技術総合研究所）a)CNF 形状の評価
CNF 水分散液 の濁度測 定によ開発を行った。CNF の他に、漂白パルプに対して機械処理のみを行った CNF や、幅が 3 nm とほ
ぼ均一である TEMPO 酸化 CNF な
ど様々な種類の CNF を用いて評価法の妥当性を検討した。分散液の濃度など測定条件を検討しWidth d from turbidity (nm)
濁度測定により算出した幅(nm)

り、CNF の幅を評価する技術の15

d = 0.78 t
R2 = 0.98

12た結果、濁度により測定した

9カルボキシル化CNC
CNC-T
エステル化CNC
CNC-MATEMPO酸化CNF-1
CNF-T3.8
TEMPO酸化CNF-2
CNF-T5
TEMPO酸化CNF-3
CNF-T10
化学処理無しCNF
CNF-DM

6

3

0
0

3

6

9

12

15

AFM測定により算出した幅(nm)
weighted mean thickness
t by AFM (nm)
CNF 幅は AFM 測定による幅と相 Cross-section

関関係を示し、CNF の平均幅の相対評価として利用できる可能性

図[4]-1

濁度測定とＡＦＭ測定の比較が見出された。
b)アセチル化変性の進行に関する解析
樹種や蒸解条件の異なるリグノパルプをアセチル化に供し、生成物の化学構造解析
結果から各種成分の反応性を評価した。いずれのパルプでも、多糖類ではヘミセル
ロースがセルロースより、同一多糖中では一級水酸基が二級水酸基より反応性が高いといえた。また、蒸解を行っていないパルプではヘミセルロースおよびリグニンの後にセルロースのアセチル化が進行するが、蒸解パルプではヘミセルロースの全水酸基が置換される前にセルロースでも反応が起こることが示された。
続いて、飽水状態のヤナギ由来クラフトパルプを、凍結乾燥、アセトン置換後減圧
乾燥、アセトン置換後風乾、エタノール置換後臨界点乾燥、減圧蒸留の 5 つの方法で乾燥し、アセチル化時にヘミセルロースの反応性に及ぼす影響について検討した。
BET 測定結果から、乾燥パルプの表面積は臨界点乾燥、アセトン置換後減圧乾燥、アセトン置換後風乾、凍結乾燥の順に高かった（図[4]-3）。置換度 1 以上のアセチル化
物の HSQC-NMR スペクトルにおけるキシラン C1 位、5 位のピーク面積比較（図[4]-2）
より、乾燥後の表面積が大きいパルプほど未置換のキシラン由来のピーク面積が小さ
く、キシランの反応が進行していることが判明した。最も表面積の大きい臨界点乾燥
パルプでは、ほぼ全てのキシランの少なくとも 1 つの水酸基がアセチル化されていた。
これらの結果から、乾燥時に生じるパルプ繊維の凝集がヘミセルロースのアセチル化を阻害している一因であること、および、乾燥方法の検討によりヘミセルロースの反応性を向上させられることが示唆された。

138

広葉樹クラフトパルプ
ヘミセルロース
キシラン
置換度
(16%)
0.0
0.1

針葉樹クラフトパルプ
セルロース
(82%)

置換度
0.0
0.1

OH
HO
O

O

O
HO

2,3位

ヘミセルロース
キシラン グルコマンナン(5.2%)(8.6%)

O
OH

OH
O
HO

HO
O

セルロース
(81%)

OH
OH
O

OH

6位
OH

0.4

0.4

O

O
HO

O
OH

2,3位

2, 3位

O
OH

OH

0.8

O

O
HO

OH

OH
HO
O

HO
O

0.8

6,2,3位

OH

OH
HO
O

…

1.2

1.6

…

1.6

図[4]-2アセチル化における蒸解パルプ中の各種成分の挙動

O
HO

O
OH

6,2,3位

…

1.2

O
OH

…

…

…

図 [4]-3

各乾燥条件のヤナギパルプの表面積とアセチル化物（置換度 1 以上）の HSQC-

NMR スペクトル139

6. 研究開発項目[5] スケールアップ・社会実装化技術の開発（実施者：京都大学生存圏研究所、京都市産業技術研究所、王子ホールディングス（株）、日本製紙（株）、星光 PMC （株）、高知県紙産業技術センター、宇部興産（株）、三菱エンジニアリングプラスチックス（株）、（株）ロンビック、大洋塩ビ（株））第一中間期に、木材成分の分離システムを導入し、耐熱性、ナノ解繊性に適したリ
グノパルプ製造条件を明らかにした。さらに、各要素技術を製造プロセス全体を俯瞰し最適化し組み合わせることで、様々な CNF 強化樹脂成形体を、原料から射出成形品
まで高効率で連続的に製造できる試料作製プロセスを開発した。これらを踏まえ、当初目標の 10 倍の生産量(10kg/日）にスケールアップした試料作製プラントを完成させた。
第二中間期では、アドバイザーへのサンプル供給を加速させ、リグノ CNF 強化樹脂
材料の社会実装をより確かなものとするために、試料作製プラントを活用し部材製造
プロセスのスケールアップを図るとともに、リグノ CNF 部材の社会実装において重要な加工技術の開発を進めた。並行して、部材化プロセスの効率化、コスト削減技術の開発に取り組んだ。試料作製プラントについては、第二中間期において 50kg/日までの生産性が可能なシステム補強を行った。
最終期間では、京都大学に建設した、１）木材のパルプ化、２）パルプの予備解繊、
３）パルプの化学変性、４）樹脂混練・ペレット製造より構築されるテストプラントを動かし、プロセス全体を俯瞰しながらスケールアップ・社会実装化技術の開発を進めた。京大テストプラントおよび日本製紙テストプラントで製造する変性パルプおよび変性 CNF 強化樹脂を再委託先企業に提供し、ナイロン樹脂、ポリアセタール樹脂および塩化ビニル樹脂との複合化における生産性の大幅向上を検討するとともに、25 のアドバイザー機関にサンプル提供を行い、商品化の観点から評価を得てプロセス技術の開発にフィードバックした。最後に、[1]-[5]の研究開発項目における研究成果に基づきコスト試算を行った。
[5]-1 部材製造プロセスのスケールアップ技術の開発：
研究開発項目[3] において開発したリグノ CNF・樹脂複合体製造プロセスについて、
平成 27 年度に完成させた京都プロセステストプラントを用いて、リグノ CNF を 10％含有した樹脂複合材料を年間 3 トン製造するリグノ CNF・樹脂複合体製造プロセスについて検討した。主な成果は下記の通りである。
・100 リットル地球釜による蒸解、リファイナーによる予備解繊、抄紙機によるシート化（高知県紙産業技術センター保有設備を使用）について検討し、10%CNF・樹脂
複合体に換算して１トン分に相当する変性用パルプシートを年間 100kg 製造するプロセスを構築した。
・シートの含水率を適切に管理することで、化学変性において反応容器の減容化と使用薬品量の削減を可能とした。

140

・加温減圧が可能かつ高速回転による粉砕が可能な回転翼式ミキサーを導入すること
で、変性シートの粉砕プロセスのスケールアップと変性シートの乾燥プロセスを統合し、同時に実施することを可能とした。
・混練機の軸径・軸数を 15mmφ二軸から 20mmφ四軸とし、適切な運転条件を設定することで、混練処理能力を大幅に向上することができた。
これらの検討により、CNF・樹脂複合体の年間１トン分に相当する年間３３３ｋｇのマスターバッチ(30%CNF 品)の製造プロセスを構築した。
さらに日本製紙のテストプラントでトドマツパルプの化学変性を行い、京都大学生
存圏研究所において解繊促進のための膨潤剤を使用して直径 20 ㎜の 4 軸押出機でマスターバッチを製造後、外注で CNF が 10％濃度になるまで希釈する製造プロセスについて各要素プ ロセスの 開発を進め、 CNF 強 化ポリプロピ レンにお いて曲げ弾性 率で4.1GPa、曲げ強度で 85MPa を達成できた。また、マスターバッチ製造のスケールアッ
プに取り組み、マスターバッチを 37 ㎜の 2 軸押出機で製造しても同等の機械特性が得られる様になった。これにより CNF 強化 PP 樹脂品の大量製造が可能になり、アドバ
イザーへの安定したサンプル提供および評価が促進された。
最終年度に、京大直径 20 ㎜の 4 軸押出機でのマスターバッチ製造プロセスの改良をさらに進め、製造速度向上を検討し、PP 用マスターバッチ 1.3 トン（10％換算）、その他 200ｋｇ（10％換算）を製造し、再委託先での希釈混練後にサンプルワークに供した。また直径 20 ㎜の 4 軸押出機での樹脂種の拡充を図り、POM、PLA、PE 等の樹
脂との複合化を進めた。
再委託先では、希釈混練に加えて、解繊促進膨潤剤を用いたマスターバッチ作成にも着手し、京大小型混練機と同等の強度の品質が得られている。

141

[5]-2

リグノ CNF 部材の社会実装化技術開発

一貫製造プロセス（京都プロセス）のテストプラントを用いたリグノ CNF 樹脂複合化材料（ナイロン 6、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン 11、ポリ乳酸他）のアドバイザー向け評価用サンプルの製造について製造能力の増強に努めた。研究開
発項目[1]において絞り込んだトドマツ材リグノパルプの予備解繊・マット化の委託機
関での実施、アセチル化変性の日本製紙への外注、変性パルプ・樹脂予備混合工程の膨潤剤使用等、各プロセス技術の高度化、マスターバッチ化工程の改良、また樹脂マ
スターバッチ化・希釈の一部外注なども併せて 10%リグノ CNF・樹脂複合材の 150kg～180kg/月（年間約 2 トン）規模での製造が軌道にのるようになった。
これまでにリグノ CNF・樹脂部材の社会実装化に向けて同材料の応用利用が見込める自動車等分野のアドバイザー企業を見出し、サンプル提供し特にその想定部材独特の実用性能の評価フィードバックを得て、開発材料の実用化に向けた課題を明確化し、その課題解決、性能向上を行って来た。
サンプル製造の増強を受けて、アドバイザー企業についても当初の 10 社から自動車車体メーカー、自動車内装品メーカー、自動車メーカー、自動車照明メーカー、音響 機 器 メ ー カ ー 、 容 器 包 装 品 メ ー カ ー 、 樹 脂 メ ー カ ー 、 樹 脂 成 形 加 飾 （IMD） メ ー
カー等 20 社さらに地域における技術普及の役割を担う公設試 5 機関を加えて延べ 25機関になり、社会実装化に向けた幅広な分野からの有用な知見を得た。その選定に当たっては各々の CNF 材に期待する効果、評価の目的、必要樹種、その評価技術力・体制・熱意など、さらに本プロジェクトから評価して欲しい特徴項目等をお互いに面談等検討・共有できることを重要視した。
サンプル提供形態としては、当初はペレット 3-5kg の提供を何度か繰り返し、その溶融流動性、射出成形性、射出発泡成形性、押出成形性、引張特性・曲げ特性等の基
本物性、各応用想定部材のフォギング特性等実用性能等の評価を得て行った。それらの 中 か ら 京 都 プ ロ セ ス 材 料 の 軽 量 ・ 高 性 能 性 を 実 感 さ れ る な ど 評 価 が 進 め ば 、 100200kg 程度のサンプルペレットを提供し、想定実部材の成形試作の実施に至った。図[5]-2-1～5 に、それら試作成形品の一部を示した。これらの試作成形は先方企業における既存金型、既存成形機を用いた成形であり、今後のさらなる社会実装化検討に繋がるものといえる。
公設試アドバイザーからは、例えば着氷力試験、耐凍結融解性等、地域性のある評
価結果が得られたこと、本材料特性の今後の地域企業を中心とした普及展開が見込めること等の効果があった。
本事業における社会実装化技術開発に係るアドバイザー機関による評価等の検討か
ら、以下のことが明らかになった。また、今後引き続きの材料入手、早期の量産化、製造コストの削減等を望む声が多くあった。
・本材料の優れている所：軽量化、独特の流動性（樹脂中でのシアシリング効果発
現）、高剛性／高強度、低線熱膨張化、耐熱性向上、曲げ疲労特性向上、良摺動特性、マテリアルリサイクル性、再生可能な資源、植物度の増大
・今後必要とする技術：衝撃特性（特に低温）の改良、吸湿特性の制御、CNF の樹
脂中での解繊性／分散性の定量評価
142

図 [5]-2-1 エ ン ジ ン カ バ ー （ CNF ・図 [5]-2-2 ス ピ ー カ ー コ ー ン ・ 同 フ

PA6 射出発泡成形）

レーム （CNF・PP 射出成形）

図 [5]-2-3 ド ア ト リ ム 成 形 品

図 [5]-2-4 ド ア ト リ ム 組 立 品 （ CNF・

（ CNF・

PP 射出成形）

PP 射出成形図[5]-2-5 掃除機カバー （CNF・PP

IMD 射出成形）143

[5]-3 部材化プロセスのコスト削減技術の開発(1) コスト削減技術[5]-1 および[5]-2 において開発したスケールアップ技術および社会実装化技術について、プロセス改良でコスト削減を図ることを目的とし、第二中間期は、成分分離、化学変性および部材化までの一貫製造プロセスを精査し、変性パルプやパル
プシートの直接投入法、変性パルプの乾燥とマスターバッチ化を一度に行う手法等、プロセスの簡略化によるコスト削減技術について検討した。主な成果は下記の通りである。
・変性パルプを混練機に投入するために実施している複数の後処理プロセスにおいて、
前述の回転翼式ミキサーを導入することで、パルプシートを小片に断裁することなく粉砕することが可能となり、シート断裁プロセスの省略が可能となった。
・同ミキサーを用いて粉砕と乾燥を同時に行うことが可能となり、従来、このプロセスにかかっていた単位材料量あたりの処理時間を 1/3 に短縮できた。
・かさ高い変性パルプを定量的に供給できるフィーダーを検討、導入した。
さらに、CNF・ナイロン６樹脂複合体製造プロセスのコスト削減技術の開発については、同スケールアップ技術の開発と併せて、ナイロン６樹脂メーカーである宇部興産株式会社に委託して実施した。[5]-1 において開発したスケールアップ技術について、
これまでの約 10 倍の生産性 30%マスターバッチおよび CNF10wt%複合材料を作製し、原料の取り扱いや混練条件によるコスト削減技術について検討した。その結果、以下のことが分かった。
まず、混練条件を調整することで吐出物がストランドとして得られ、ペレット化が可能となり、生産性向上が期待できる。次に、リグノ CNF を混練前に膨潤剤で処理することで、リグノ CNF の二軸押出機へのフィード性が改善され、生産性および物性の向上を確認した。また、原料のリグノ CNF はネバードライ wet の方が良好な物性を示し、乾燥のコストを削減することによりプロセス全体のコスト削減に寄与できる可能性がある。
CNF・ポリアセター ル（POM）樹脂複合 体製造プロセスのコス ト削減技術の開発については、同スケールアップ技術の開発と併せて、POM メーカーである三菱エン
ジニアリングプラスチックス株式会社に委託して実施した。コスト削減の方法として
まず変性パルプ単体での使用、および吐出量の増大を検討した。
スクリュー径 18mmφの押出機を用いた基礎検討では、POM の粉体と変性パルプとを液体中で混ぜ合わせて調製したものを用いていたが、コスト削減のため本工程を省いた変性パルプ単体の使用を検討した。変性パルプ単体は、かさ高くかつ搬送性に劣り、処理量が低下した。例えば、スクリュー径 37mmφの押出機では、プレ混合パ
ルプを用いた場合 CNF 10%の複合体として吐出量 25kg/h で押出すことが可能であったが、変性パルプ単体を用いると、押出機中への搬送能力が低下し、吐出量は最大10kg/h にとどまった。スクリュー形状を検討した結果、SFV エレメントを用いることで嵩高い変性パルプを搬送する能力が向上し、15kg/hr まで処理量を上げることが144できた。さらにスクリュー径 44mmφの押出機を用いることで、吐出量は 50kg/h に達した。
以上のように、処理量を増大させてコスト削減を図るには、大型の押出機を用いることが有効であったが、 [5]-1 の結果の様に押出機のサイズを上げて吐出量 Q を上げ
ると、Q/Ns が増大し機械物性が低下する。Q と同時にスクリュー回転数 Ns を上げれば、機械物性の改善が期待されるが、実際には、押出機モーターの能力超過や樹脂温度の上昇を招き、吐出量の増大と複合体の機械物性発現を両立できるような製造条件は存在しなかった。
吐出量の増大と機械物性はトレードオフの関係となる傾向があるため、[5]-1 の膨潤剤 使 用 MB を 用 い て 吐 出 量 の 増 大 を 試 み た 。 結 果 、 44mm φ の 押 出 機 を 用 い て
100kg/h まで吐出量を上げることができ、得られた複合体の曲げ強度、曲げ弾性率は各々121MPa、4470MPa と機械物性も基礎検討時と同等の値を示した。
塩 化 ビ ニ ル （ PVC） 樹 脂 複 合 体 製 造 プ ロ セ ス の 開 発 に つ い て は 、 塩 化 ビ ニ ル メ ーカーである大洋塩ビ株式会社に委託して実施した。内容は、１）京都プロセスの PVCへの適用性調査及びコンポジット製造プロセスの構築、２）リグノ CNF と PVC 複合化におけるマスターバッチ樹脂の検討、３）リグノ CNF と PVC 複合化における解繊助剤の検討である。最初に京都プロセスの PVC への適用について検討し、マスター
バッチ作製プロセスを構築した。マスターバッチ繊維濃度の向上、変性パルプの置換度向上により 10%CNF 強化 PVC の曲げ弾性率は 1.3 倍に増大した。続いて、マスターバッチ樹脂の選定により 10%CNF 強化 PVC の曲げ弾性率が 1.4 倍に増大した。
また、高温領域での貯蔵弾性率が数十倍に増大した。さらに、リグノ CNF と PVC 複合化における解繊助剤について検討し、解繊助剤添加で 10%CNF 強化 PVC の曲げ弾性率は 1.8 倍に増大し、ビカット軟化温度は 30℃向上し、線膨張係数は約 50%低減した。さらなる解繊助剤の選定によりプロセスの低コスト化が見込める。
(2) コスト試算
これらの結果を踏まえ、最終年度にプロセスコストの試算を行った。本事業が対象とするリグノ CNF 材料については、既に実証試験等が実施されている状況にある。
一般に、新規素材開発における実験・実証段階では、新規製品に関して製造の可否や性能を確認することを主な目的とするため、設備規模は小さく、装置の機能も過剰であることがある。そのため、実証試験において必要となった実コストをそのま
ま製品単位量あたりのコストとした場合、工業化後よりも大幅に高コストとなる場
合がある。そこで、工業的に生産が可能になった状況を想定したコスト試算を実施することを本項の主な目的としている。
以降のセクションにおいては、まずセクション 1 において、プロセスコスト試算における設定とし、分析対象とするライフサイクルバウンダリ（セクション 1.1）、機能単位（セクション 1.2）を示す。また、実際に京都プロセスにおける状況に合わせたコスト試算を行うため、京都プロセスにおける条件を収集し、コスト試算における設定として抽出する（セクション 1.3）。これらの設定に基づきセクション 2 においてプ145

ロセスコストの試算を行う。ライフサイクルバウンダリの順序に基づき、原料パルプ製造（セクション 2.1）、化学変性プロセス（セクション 2.2）、マスターバッチ混練・ペレット製造、および射出成形（セクション 2.3）について報告する。特に化学変性プロセスについては現在存在しないプロセスであるため、プロセスシミュレーション事例を紹介し（セクション 2.2.2）、コスト試算を経験則（セクション 2.2.3）を用いて実施し、セクション 2.4 においてまとめる。そして、これらのコスト試算における不確実性の主な要因になっている個所を精査し、ホットスポットとなる部分について考察を加える（セクション 3）。

1. プロセスコスト試算における設定
1.1. 評価範囲
プロセスコスト試算の対象とする CNF 強化樹脂の製造プロセスフローと評価範囲を
図[5]-3-1 に示す。現在は実証規模で製造されているが、将来的な量産体制を想定して各種単位プロセスを設定した。京都プロセスを導入、運転する事業者による製造コストを対象とし、図中の「京都プロセス」を示す緑色の枠外から入力されている各種の原料やエネルギーは事業者が市場価格で購入することを仮定した。
CNF 原料としては、量産時の入手可能性を考慮し、既存の製紙工場から得られる製紙パルプを想定した。化学変性プロセスには、現状の実験室的製法における特許情報に基づいてスケールアップされた工業的プロセスシステム[1]を適用することを想定した。この工業的プロセスでは、副生する酢酸の分離回収プロセスの導入によって市販グレードの酢酸が得られ、外販が可能と仮定している。化学変性プロセスから発生す
る排液の処理コストも計上する。
実証規模での製造においては、化学変性によって得られた変性パルプと基材となる樹脂の混練によって製造されたマスターバッチ(MB)から、希釈工程を経てペレット化された CNF 強化樹脂が成形加工に使用されることが多いが、将来的な量産時には混練
以降のプロセスは CNF 強化品でも従来品でもコスト構造は同様と考えられるため、関係者間での協議の上、本試算ではマスターバッチ製造までのプロセスコストを計算することとした。

146

図[5]-3-1

京都プロセスによる CNF 強化樹脂の製造プロセスフローと評価範囲

1.2. 機能単位
本試算では、コスト評価における機能単位を CNF 強化樹脂マスターバッチ 1kg の製造とする。上述の通り、本試算ではマスターバッチ製造までのプロセスコストを計算した。
製造スケールとしては、既存の製紙工場に化学変性プロセスを併設することを想定し、日本国内で比較的大規模な製紙工場で無理なく入手可能と考えられる 100 トン/日の含水パルプを処理可能な規模の化学変性プロセスを想定した。
1.3. コストの設定
ここではコスト計算の条件設定について概要を述べる。要素プロセス別の詳細はセクション 2 の各サブセクションに記載する。
1.1 に記載のとおり、京都プロセスを導入、運転する事業者による製造コストを対象とし、図中の「京都プロセス」を示す緑色の枠外から入手する必要のある各種の原料やエネルギーは事業者が市場価格で購入することを仮定し、それぞれの購入者価格を調査して評価を実施した。
原料パルプの調達は、既存の製紙工場で生産されたパルプの購入を想定した。
化学変性プロセスは、ランニングコストとしては、既報[2]にて推算された量産化プ
ロセスにおけるインベントリに基づき、所要の無水酢酸、ユーティリティ、排液処理に関する所要量を特定し、それらのコストを計算した。副生酢酸は全量売却できると想定し、売却益相当分の金額は製造コストから控除した。ただし、市場価格よりは低価格でしか販売できないと想定し、その価格を市場価格の半額に設定した。また、プロセスのオペレータに関する人件費も計上した。イニシャルコストには、プラント設備費を計上した。ただし、利子および割引現在価値は考慮せず、耐用年数の期間内総生産量に基づいて製品 1kg あたりに按分した。工場の運営、管理に係る諸費用も考慮した。
また、化学変性プロセスに関しては、経験則に基づくコスト計算(2.2.3)を用いた試算を実施した。上記で適用した既報の化学変性プロセスの量産化シミュレーション[2]147では、無水酢酸と酢酸の回収に関して複数のプロセスオプションを考慮している。オプションによって無水酢酸消費量、ユーティリティ消費量、酢酸回収量、単位プロセ
ス数が異なるため、総コストに影響を及ぼす。既往の化学プラント事業のうち同等な
プロセスシステムを対象とした事業費総額を用いた試算を経験則に基づき実施した。
混練プロセスは、京都プロセス実証設備および外注生産における概算値に基づいて計算した。マスターバッチ組成はナイロン 6（70wt%）とアセチル化パルプ（30wt%）の混練を想定した。

2. プロセスコスト試算
2.1. 原料パルプ製造
2.1.1. 実証機と実用化プロセスの差異
原料パルプ製造については、易解繊性パルプの開発として、原料木質チップからパルプを生産し、これを予備解繊＋シート化を行った上で化学変性用原料とするプロセスが検討されてきた。木質チップからパルプを生産する装置については、リファイ
ナーをはじめ、一般的に使用される機器であるが、パルプ生産を単位量あたりで最も高効率に実施できているプロセスシステムは製紙工場におけるプロセスシステムといえる。
製紙工場における紙製造段階は大きく木材パルプ化、古紙パルプ化、叩解、調成、抄紙、塗工の各工程に分かれる。図[5]-3-2 に製紙工場における一般的な紙製造段階の概要を示す。原料パルプ製造については、実証段階では個別に生産しながら易解繊性
パルプの開発を行っているが、実用化段階では製紙工場におけるパルプ生産プロセスシステムの途中段階からパルプをサイドフローとして取り出して利用することが、既存のプラントを活用するという観点からも低コスト化につながりうる。

古紙

古紙パルプ
製造

DIP

叩解
調成

木材チップ

木材パルプ
製造

抄紙

図 [5]-3-2

木材パルプ

紙
塗工原紙

塗工

叩解

塗工紙

製紙工場における一般的な紙製造段階

本事業では古紙由来のパルプ（解離パルプおよび脱墨パルプ（DIP: Deinked pulp））
を対象とせず、主に木材パルプを対象とした。以下、既存の製紙工場モデリング事例[3]に基づき、原料パルプ製造の実用化段階に関する調査結果を報告する。

148

・

木材パルプ化工程

木材の成分は、パルプ繊維を構成するセルロースのほかに、ヘミセルロースとリグ
ニンが大半を占める。このうちリグニンは細胞間層に多く存在し、パルプ繊維同士を接着している。広葉樹材、針葉樹材ともにセルロースは主成分のうちの 50%程度を占め、リグニンは広葉樹材では主成分の 20%程度、針葉樹材では 30%程度を占める。
木材から製造するパルプは機械パルプと化学パルプに大別される。機械パルプは破砕などの物理的な力によって木材から離解されたパルプで、化学パルプは化学反応を用いて木材から離解されたパルプである。本事業では代表的な化学パルプであるクラフトパルプを使用している。
・

化学パルプ(クラフトパルプ、KP)化工程

化学パルプ化法はリグニンを化学的に分解・除去することで、パルプ繊維間の接着を弱めて繊維を離解するパルプ化法である。実際はリグニンのほか、ヘミセルロースのほとんどやセルロースのごく一部も分解されるため、実収率は 50%ほどである。
化学パルプは機械パルプとは違い、化学反応を用いて離解されるため、機械パルプのような繊維の断裂が起こりにくく、パルプ繊維長は機械パルプよりも長くなる。したがって紙にしたときの強度が機械パルプを用いて作られた紙よりも高い。またリグ
ニンが残らないため、酸化によって紙が変色する恐れもない。一方細胞壁中に存在していたわずかなリグニンも除去されるため、パルプ繊維はやわらかくつぶれたような形になるため、化学パルプを用いて作られた紙はなめらかな肌触りになったり、高密度であったりする。
化学パルプはその製法によっていくつか存在するが、現在製造されているのはクラ
フトパルプ(Kraft pulp、 硫酸塩パルプともいう)がほとんどである。KP も用途によって 漂 白 の 有 無 が わ か れ 、 漂 白 さ れ た KP を さ ら し ク ラ フ ト パ ル プ (BKP、 Bleached
Kraft pulp)、漂白されない KP を未ざらしクラフトパルプ(UKP、 Unbleached Kraft pulp)という。さらに用いた木材が広葉樹材か、針葉樹材かでそれぞれ LBKP、NBKP のよ
うに呼ぶことが多い。クラフトパルプ製造工程のプロセスフローを図[5]-3-3 に示す。

チップ

貯蔵

蒸解

洗浄

白液
(Na2S,
NaOH)

黒液(リグニン等,
Na,S化合物）

清澄化

CaCO3

精選

洗浄

UKP

酸素晒
酸素

濃縮

還元的燃焼

Na2S,
NaOH,
CaCO3

苛性化

緑液
(Na2S,
Na2CO3)

キルン

Ca(OH)2

蒸気・電気

漂白
ClO2,O3など

CO2

図[5]-3-3 一般的な化学パルプ(KP)化工程のプロセスフロー
149

BKP

木材チップは硫化ソーダおよび苛性ソーダの混合液(白液という)と共に連続蒸解釜という装置に投入される。投入後 1.5 時間で 150～170℃に加熱後、1.5 時間かけてリグ
ニンを分解し、パルプ繊維をほぐしていく。パルプ繊維は洗浄され、スクリーニングに よ っ て 精 選 さ れ る と 未 ざ ら し ク ラ フ ト パ ル プ (UKP) と な る 。 こ の 時 点 で 収 率 は 約
50%となる。一方、蒸解釜を出たあとの残液は黒液と呼ばれ、ここには分解されたリ
グニンやヘミセルロースおよび白液残存であるナトリウムや硫黄の化合物が含まれている。濃度 20%程度である黒液を多段減圧エバポレーターで濃縮し濃度を 80%程度まで高め、これを 1000℃程度で還元的燃焼を行う。このように黒液を還元的に燃焼させることで蒸気を取り出すボイラーは黒液回収ボイラーと呼ばれ、製紙工場における重要なエネルギーボイラーとなっている。ここで燃焼しているのは主にリグニンである
ため、ここで発生する二酸化炭素は木質バイオマス由来であるといえる。よって既往のライフサイクルアセスメントにおいては黒液燃焼による CO 2 はカーボンニュートラ
ルとして計上されてこなかった。実際は回収ボイラーで発生する二酸化炭素は少なく、多くはナトリウムと化合して炭酸ナトリウムとなって排出される。
回収ボイラーから排出された残液(緑液)のうちの炭酸ナトリウムは、水酸化カルシ
ウムと以下のような反応で苛性化される。得られた炭酸カルシウムを分離することで、再び白液として再利用でき、蒸解釜に投入される。
Na2CO3 + Ca(OH) 2 → 2NaOH + CaCO 3
一方、分離された炭酸カルシウムは、キルンにおいて高温まで加熱され、CaCO 3 → CaO + CO2となって生石灰に再生され、再利用される。このように、クラフトパルプ製造において薬品は繰り返し利用され、さらに副生物の黒液もエネルギー利用される。さらに、キルンから排出された二酸化炭素の一部は次の抄紙工程で述べるように、紙の填料として利用される炭酸カルシウムを自製する際に利用される。なお、炭酸カルシウムや白液の一部は流失してしまうため、製造時に微量だが補充を続ける。
KP 製造プロセスで主に制御されているのは蒸解釜の温度である。温度を上昇させると木材中のリグニンをより多く排除することが出来る。製造された KP のリグニン残量をカッパー価を指標として逐一チェックし、温度を調整している。なお、パルプ
繊維の強度については原料木材購入の時点である程度決定しているので、パルプ製造の段階で逐一パルプ強度を制御することはない。一方、クラフトパルプの漂白は多段漂白が用いられる。はじめにアルカリ性条件下で酸素漂白が行われることが多く、これによって残存リグニンの約半分が分解される。ここで漂白を終了するパルプを半ざらしパルプという。漂白に使われる酸素は工場内で水から自製されることが多い。さらに漂白を行う場合は、塩素や二酸化塩素、次亜塩素酸ソーダ、オゾン、アルカリ等の漂白を組み合わせて数段にかけて漂白される。近年は塩素を使わずに漂白する
ECF(Elementary chlorine Free)漂白が主流になりつつある。また、二酸化塩素は分解しやすい気体で あるため 、工場内で自 製される 。二酸化塩素 はクロレ ート(塩素酸ソ ーダ)と硫酸およびメタノールを反応させることによって生成する。
以上のように、製紙工場におけるパルプ生産システムは長い経験の下で多様な原料に対し同等なパルプを生産するための仕組みとして現存しており、スタンドアローン
150

で木質チップからパルプを生産するようなプロセスシステムと比べて高効率であることが想定できる。リグニンの残留量についても、蒸解釜の温度管理や時定数の設計、制御により調整できる可能性があることから、易解繊性パルプの条件が決まれば、製紙工場にてリグノ CNF 向けパルプを副生できる可能性があるといえる。
2.1.2. コスト試算
セクション 2.1.1 に基づき、実用化プロセスとしては製紙工場におけるパルプ生産を想定できるとする。現在の実勢価格から 60 JPY/kg-pulp である。ここに、現状の実証試験では 140 JPY/kg-pulp の追加コストにより予備解繊等を実施している。製紙工場からの直接的なパルプ原料生産とシート化の省略が可能であれば後者のプロセスは不要となるため、原料パルプ製造におけるコストは 60～200 JPY/kg-pulp とする。なお、
ここでのパルプは含水率 27.8wt%と想定する。
2.2. 化学変性プロセス
2.2.1. 実証機と実用化プロセスの差異
実証機における化学変性プロセスの概要を図[5]-3-4 に示す。ここに示すフローはア
セチル化セルロースの混練による強化樹脂に関する初期の実験室的製法に基づいて、
特に化学変性プロセスの内容を詳細化して表記している。

木材

化学変性

蒸解 /
叩解 /
解繊

NMP
溶媒

無水酢酸

・NMP
・パルプ
・無水酢酸
・炭酸Ca
・洗浄液
・・・

洗浄

炭酸Ca

パルプ
NBKP, TMP

∆, 𝑡

分離(1)

排液

分離(2)

NMP = n-メチルピロリドン
NBKP = 針葉樹漂白クラフトパルプ
TMP = サーモメカニカルパルプ

Ac-Pulp廃液

化学変性プロセス樹脂

混錬

化学修飾CNF強化樹脂

図[5]-3-4 実証プロセスにおける化学変性プロセスの概要（既報[5]より一部改変）

この実証機における製法では、量産の際には以下のような課題と対策が挙げられる。
(1) NMP の使用：実証規模での製法で利用されている n-メチルピロリドン（NMP）
は工業用溶媒としては高価であり、汎用的な化学物質製造では使用しない。そこで、量産プロセスにおいては無水酢酸を反応物かつ溶媒として作用するよう過剰量で投入することで NMP の利用を避けることができる。
151

(2) 未反応の無水酢酸および副生した酢酸の取り扱い：(1)の対策として挙げたよ

うに、無水酢酸を溶媒としても作用させるように過剰投与をすると、大部分の無水酢酸は未反応の状態で反応器から排出される。また、パルプ中の水分と無水酢酸の反応によって酢酸が副生し、アセチル化の反応器からは無水酢酸と酢酸の混合液が排出される。概算において、無水酢酸のコストが総コストに占める割合は比較的大きいと考えられ、この無水酢酸と酢酸を製品グレード相当まで分離することで、無水酢酸は化学変性プロセス内での再利用が、酢酸は外販がそれぞれ可能となりうる。また、これにより排液処理コスト低減効果も期待できる。
以上のような課題への対策を考慮することで、図[5]-3-5 のように量産化想定における化学変性プロセスのブロックフローを概念設計することができる。

図[5]-3-5量産化想定における化学変性プロセスのブロックフロー

2.2.2. プロセスシミュレーションによるインベントリ推算
既報[2]では、図[5]-3-5 のような概念設計に基づき、プロセスシミュレータを用いた
インベントリ推算が行われている。このときのプロセスフローを 図[5]-3- 図[5]-3-6 に示す。ここで考慮されているプロセス代替案および装置条件は下記のとおりである。
(1) 反応：ナイロン 6 との混練を想定し、この条件に適した DS（置換度）= 0.4 のアセチル化パルプを生成するような反応器の温度、滞留時間の組合せを探索する。また、2.2.1 での想定の通り、実証規模で使用されている NMP 溶媒を過剰量の無水酢酸で代替し、このときの供給条件を探索する。
(2) 溶液回収：

反応器から排出される無水酢酸と酢酸の混合液からの無水酢酸回収の有無による影響を比較。回収を行う場合、蒸留塔によって塔頂から得られ
152

る酢酸が 99wt%以上の純度となるまで分離する。分離、回収された無水酢酸を原料として供給することで無水酢酸の消費量を低減する。
(3) 脱気：製品となる変性パルプに随伴する酢酸、無水酢酸を減圧＋加熱により分離する。複数条件の中からエネルギー消費が小さく、かつ十分に分離ができる圧力、温度の組合せを探索する。
(4) 脱気された気体からの無水酢酸および酢酸の精製：

脱気後の混合気体から酢

酸と無水酢酸の精製を行うための蒸留塔設置の有無を比較。精製によってエネ
ルギー消費が増大するが、分離後の酢酸、無水酢酸の再利用および排液量低減の効果が得られる。また、コストの観点では蒸留塔一基分の設備コストの差が生じる。
(5) 乾燥気体からの水と酢酸の精製：

洗浄後の変性パルプの乾燥で蒸発する気体

成分は大部分が水であるが、微量に含まれる酢酸を精製する場合としない場合を比較する。

図[5]-3-6

化学変性プロセスシミュレーションにおけるプロセスフローダイアグラム[2]

この結果として、溶液回収を行うことで、無水酢酸の消費量を無回収ケースに比べて 1/10 以下まで低減できることがわかっている。また、ライフサイクル CO 2 排出量(LC-CO 2 )を指標とした評価においては、回収を実施したケースにおいても無水酢酸の製造時 CO 2 排出量が支配的な影響を持ち、分離・回収のための消費エネルギー増大による影響は比較的小さいことがわかっている。
2.2.3. 経験則に基づくコスト試算
本セクションでは化学プラント等において一般的に支出として算定対象となる、工場内の装置等の資本 的 支出（CAPEX: capital expenditure）と業務費 ・運営費（OPEX:
operating expenditure）について、各種経験則等を用いた試算を行う。いずれの算定においても、事例等から単価等を抽出する際、特に不確実性の高い条件については、可能性のありうる数値の中から現実的な単価を過大評価的に抽出し、京都プロセスのコ
153

スト試算としては厳しめの試算を実施することとした。化学変性に必要となる原料
ユーティリティについて、セクション 2.2.2 で示すプロセスシミュレーションの結果[2]から得られる無水酢酸、洗浄水、電力、燃料、イオン交換水の消費量と、排水処理、廃酸処理必要量、回収酢酸外販量について数値を抽出し、用いる。それぞれの単価について表 1 に示す。
表 1

経験則等に基づくコスト試算における単価表

製品

単価

備考

無水酢酸

240 JPY/kg

工業用途（> 99.9wt％無水酢酸）単価の実勢価格[6]洗浄水30 JPY/m 3 ~ 170 JPY/m 3

工業用と上水道の前提価格[7]電力19 JPY/kWh

業務用 500 kW 以上の契約と仮定し、基本料金と契約単価から計算[8]燃料42.3 JPY/kg

ス ポ ッ ト 価 格 [9] と 「 石 炭 ・ 原 油 ・ 天
然 ガ ス 」 に お け る 購 入 者 価 格 /生 産 者
価格の平均[10]より算出

イオン交換

170 JPY/m

3

水工場で内製することを想定し、工業用水からイオン交換樹脂により製造するが、詳細値は工場によって異なるため、洗浄水における上水と同等と仮定

排水処理

175 JPY/m 3 ~ 350 JPY/m 3

一般下水道料金[11]より概算したものと、製紙工場と併設した場合を想定
し、製紙工場内の既設排水処理施設を使用可能とした場合。製紙工場内詳細
情報が不足するため、一般下水道の半
額と仮定

廃酸処理

40 JPY/kg

廃酸処理を行う企業[12]および公益財団運営の施設[13]の価格から概算

外販酢酸

120 JPY/kg

工業用途（> 99wt％酢酸）単価の実勢
価格は 240 JPY/kg[6]であることから、外販価格をその半額と仮定

シミュレーションによって得られる物質・熱収支から算定される原料・ユーティリ
ティに加えて、運転員等製造に直接かかわる人員の労務費、稼働率に依存する消耗品費、補修費、その他の人件費などを合わせて OPEX となる。さらに、工場そのものの建設費、装置の調達、配管等の接続工事費などを合わせて CAPEX となる。必要な仮定を表 2 にまとめる。
セクション 2.2.2 におけるシミュレーションから原料パルプ（水分を含む）あたり
変性パルプ生産量は 0.797 kg-変性パルプ/kg-原料パルプとなった。セクション 2.2.2 に154

おけるシミュレーションでは原料パルプ投入量を 100 t/日としているため、生産量は79.72 t-変性パルプ/日（約 24 kt-変性パルプ/年）となる。ブロックフローダイアグラム
における単位操作数が 9 プロセスであり、化学プラントとしては小規模なシステムであることから、通常の 3 交代によるオペレーションが可能である。実際には分散制御システムによる統合生産管理等により、リグノ CNF の化学変性プロセス以外のプロセスも掛け持ちで管理・制御可能と考えられるが、本試算では対象プロセス占有の 3 交
代（4 人/班）4 班が組まれると仮定し、16 人による製造とする。人件費は工場勤務のオペレータの年収を 700 万円～1500 万円と仮定し、班長 1 名（80000 JPY/日）、副班
長 1 名（60000 JPY/日×1 名）、班員 2 名（40000 JPY/日）で構成されるものとして製造に直接かかる労務費を概算した。プラント建設費については、植物由来資源を扱い、ブロックフローダイアグラムにおける単位操作数が同じ 9 プロセス[14]となるメチオ
ニン生産工場（100 kt-product/年・500 億円）[15]を約 24 kt-product/年にダウンスケー
ルしたものと同等とし、スケールに対して建設費が線形となることを仮定して算出した。稼働年数を 10 年、通年 300 日とする。プラント建設費に関する諸経費として、稼働率によらないもの（固定資産税、保険料、設備金利等）を設備費に対して 7.5%、稼働率によるもの（消耗品、保修費、その他人件費等）を設備利用率 100%時に設備費に対して 7.5％[16]とし、120 億円と試算した。また、CAPEX、OPEX に対し、一般管理費等として 10％を計上することとした。この 10％には利潤等の粗付加価値が含まれ
ている。

表2

経験則および過去の事例より抽出したコスト試算条件

数値

説明

0.797

kg-変性パルプ/kg-原料パルプ

79.72

t-変性パルプ/日

23916.49

t-変性パルプ/年

16

人

55000

（3 交代（4 人/班）4 班）

JPY/day (3 交代人件費一人あたり平均値：40000 JPY/日×2 名、60000 JPY/日×1 名、80000 JPY/日×1 名）

12

10 9 JPY/工場

10

年稼働

300

日稼働/年
％ 稼働率によらないもの（固定資産税、保険料、設備金利13.66等）設備費の 7.5%; 稼働率によるもの（消耗品、保修費、その他人件費等）7.5％

10% 一般管理費等：CAPEX および OPEX に対して計上。

155

以上より、経験則等に基づく試算結果として、原料パルプからの化学変性に掛かるコストは、高位で約 927 JPY/kg-変性パルプ（プロセス原料・ユーティリティ: 92.6%、
人件費(運転員): 1.2%、設備費: 6.2%）、低位で約 718 JPY/kg-変性パルプ（プロセス原料・ユーティリティ: 84.6%、人件費(運転員): 2.5%、設備費: 12.9%）となった。
2.3. マスターバッチ混練・ペレット製造、および射出成形
2.3.1. 実証機と実用化プロセスの差異
マスターバッチ混練・ペレット製造、および射出成形は従来の素材製造プロセスにおいても実施されているものであり、既往のものと装置自体は同じである。粘度や温度設定等が異なる条件になりうるが、セルロースの熱分解を考慮すると、混練対象となっている各種基材の混練と同等な温度域（110℃～240℃程度）での混練となるため、設定条件にも従来のものと差がない。実際に実証試験においても問題無く混練ができているため、実証機と実用化プロセスに装置としての差はないものと考えられる。
差となりうるのは、実用化プロセスが立地する場所によっては、エネルギー源として熱電併給施設からの供給を受けることができる可能性がある。例えば製紙工場に併設する場合、製紙工場における動力プラントからエネルギー供給を受けることができるようになるため、電力グリッドから電力を購入し、ボイラーもしくは電熱線により加熱するよりも低コストに装置を稼働させることができる可能性がある。
2.3.2. コスト試算
マスターバッチ混練・ペレット製造、および射出成形において、特にペレット製造と射出成形については、既往の素材生産プロセスシステムにて行われていることと差がないため、本試算では対象外としてよいと判断する。マスターバッチ生産について
は、実証試験にて前提としている粉砕・ブレンディング 120 JPY/kg-製品、マスター
バッチ混練 80 JPY/kg-製品より、200 JPY/kg-製品をそのままマスターバッチ生産における加工コストとして適用できると仮定した。基材としてはナイロン 6 を対象とし、実勢価格から 500 JPY/kg-ナイロン 6 を採用した。
2.4. まとめ
図[5]-3-7 にコスト試算結果を示す。高位ケースで 927 JPY/kg-マスターバッチ、低位
ケースで 718 JPY/kg-マスターバッチとなった。高位と低位では主に原料パルプ生産コ
スト、ならびに化学変性における原料・ユーティリティコストに差が出ている。重量比で 70%を占めるナイロン 6 に対し、30%混練されるアセチル化変性 CNF の寄与度は、
高位ケースにおいてナイロン 6 の 1.08 倍、低位ケースにおいて 0.480 倍程度であった。
ア セ チ ル 化 変 性 CNF の 生 産 コ ス ト の う ち 、 無 水 酢 酸 原 料 が 占 め る 割 合 は 、 高 位 で56.9%、低位で 54.5%となり、いずれも高く、無水酢酸コストが最終コストに影響する寄与度が大きい。
本試算において仮定した数値について、寄与度をもとに設定の適用可能性を考察する。原料パルプ生産については、比較的大きな寄与を有しており、製紙工場から直接得られることによりコストの低下が見込まれる。化学変性におけるユーティリティの156

中で、水や電力、燃料について寄与度が低い。現在は上水を仮定したり、全電力を購入したり、単独で燃料を使用するなど、削減の余地はあるが、化学変性におけるこれらユーティリティの寄与から、削減への貢献は大きくない。排水・廃酸処理についても同様であり、下水を使用したとしても寄与度は大きくない。人件費・設備費についても同様に寄与度が小さい。設備費については同等なプロセスからのスケールに基づ
く概算となっており、不確実性が大きいといえるが、最終的なコスト全体に対する寄与が 3%未満となっており、オーダーが合っていれば、大きな寄与はないといえる。
化学変性プロセスシステムを構成する単位操作は、一般的な温度帯・圧力帯の反応器、蒸留塔、気液分離器、加熱器、冷却器、熱交換器などであり、参照したプラントとも大差のないものとなっている。そのため、実用化プロセスとして建設する場合にオーダーが変わるということは考えにくいといえる。
生産外注における寄与は小さくなく、コスト削減のためには内製化することが検討可能といえる。外注費に含まれるものを外注先の CAPEX、OPEX、利潤等とすると、内製化により利潤が削減でき、CAPEX や OPEX のうちエネルギー設備に関する寄与や労務費が削減できる可能性がある。
100%

生産外注

800

一般管理費

700

設備費
人件費

600

排水・廃酸処理
燃料

500

電力

400

水

300

無水酢酸
原料パルプ

200

ナイロン6(70%)

100

90%

30%マスターバッチ生産コスト

900

京都プロセスにおけるアセチル化変性CNF強化樹脂

マスターバッチ生産コスト [JPY/kg-マスターバッチ]

京都プロセスにおけるアセチル化変性CNF強化樹脂

1000

0

一般管理費

70%

設備費
人件費

60%

排水・廃酸処理
燃料

50%

電力

40%

水

30%

無水酢酸
原料パルプ

20%

ナイロン6(70%)

10%
0%

高位

低位

高位

(a) 積算コスト
図[5]-3- 7

生産外注

80%

低位

(b) 割合京都プロセスにおけるアセチル化変性 CNF 強化樹脂マスターバッチ（アセチ

ル化変性 CNF: 30%、 ナイロン 6: 70%）生産コスト

3. 考察とまとめ
3.1. 無水酢酸の節約
いずれの試算においても、無水酢酸による原料費が化学変性プロセスコストにおいて支配的な影響を持つことが分かった。また、反応後の余剰分や、脱気時の気体成分から蒸留によって無水酢酸を分離、回収することはコスト低減において必須であると言える。分離プロセスの追加による設備費およびユーティリティ費は若干増加するが、157

無水酢酸の消費量削減効果のほうが大きくそれを上回る。
また、無水酢酸はパルプ中の水分との反応で酢酸に転化し、それらはアセチル化反応に寄与できなくなる。そこで、セルロース繊維の解繊を妨げない範囲で、化学変性
前のパルプ中の水分を減らしておくことで化学変性における無水酢酸利用効率を改善できる可能性がある。2.2 における設定では、含水パルプの水分量を 27.8wt%としたが、これを 25wt%とした場合を考える。このとき、無水酢酸の消費量が削減されるが、同時に酢酸の外販量も減少する。化学反応速度や蒸留効率の変化などは考慮せず、モル等量のみを考慮した概算値として、正味では無水酢酸の消費削減効果のほうが 1.7 倍ほどとなり、変性パルプ基準ではコスト高位ケースで 41.5 JPY/kg-変性パルプ、低位ケ ー ス で 27.0 JPY/kg-変 性 パ ル プ の コ ス ト 削 減 効 果 が 見 込 ま れ る 。 マ ス タ ー バ ッ チ（CNF：30%、ナイロン 6：70%）では高位で 13 JPY/kg-マスターバッチ、低位で 8
JPY/kg-マスターバッチのコスト削減効果となることが概算された。
ここで概算した水分削減量の想定ではコスト削減割合は大きいとは言えないが、解繊性が低下しない範囲でより水分量を落とした状態のパルプを使用することで無水酢
酸使用量は削減できる。水分量の調整を自然乾燥などの低コストな方法で行うことができればコスト削減につながる可能性がある。
また、分離精製によって回収した副生酢酸の外販に関して、この試算では市場価格の半額で全量が販売できると仮定したが、価格および販売量の両面において不確実性が大きい。副生酢酸の外販によるコスト影響は小さくなく、市場の需要を考慮した検討が必要といえる。無水酢酸の製造方法はケテン法が一般的ではあるが、酢酸を原料とした製造も可能である。化学変性プラント内または併設プラントで副生酢酸を無水酢酸に転換し、化学変性に再度使用することも検討に値する。
3.2. プロセスの省略
3.2.1. 原料パルプ調達における可能性
現状の実証設備においては、製紙パルプをリファイナーによって一次解繊してから化学変性を行っているが、一般的に製紙工場には叩解機があり、実証規模よりも高効率、低コストで一次解繊を行える可能性がある。本試算では実際に製紙工場で十分に叩解されたパルプを用い、リファイナー処理を省略できることを想定している。特に製紙工場に化学変性プロセスを併設する場合には、製紙工場での一次解繊の必要性とメリットが増すと考えられる。
3.2.2. マスターバッチおよびペレット生産に関する可能性
最終製品に適用する CNF 強化樹脂スペック（特に CNF 混練率）が決定していない
現状においては高濃度のマスターバッチを経由して、希釈することで様々な CNF 混練
率の強化樹脂ペレットを生産している。マスターバッチ混練と希釈はそれぞれ加熱溶
融や混練のためのエネルギー消費が大きく、またサイトが異なる場合には輸送コストも上乗せされる。将来的に CNF 強化樹脂の適用先およびそのスペックが特定されていれば、希釈工程を経ずに射出成形可能な CNF 強化樹脂を生産できるようになる可能性がある。実際に、自動車部材向けなどの用途で汎用的に使用されているガラスファイ
158

バー強化樹脂やタルク強化樹脂は、マスターバッチを経ずにペレット生産を行っている場合も多く、CNF 強化樹脂においても十分に可能性がある。
3.3. 産業共生（エネルギー施設、廃棄物処理施設の共有）
本試算においては、電力グリッドからの買電とスタンドアローンでの燃料利用を前提としている。試算結果における必ずしもエネルギーコストが生産コストに与える寄与は大きくないものの、無水酢酸の内製化などによりエネルギー消費が増加する場合には、エネルギーコストの削減による効果が高くなる可能性がある。
特に、製紙工場への併設、もしくは産業共生による効果は大きい。エネルギー源として黒液だけでなく廃棄物系燃料を用いることが可能となり、製紙工場の生産規模とアセチル化変性 CNF 強化樹脂の生産規模の比によっては、新たな設備投資なく、製紙工場の既設動力を利用してプロセスを稼働させることができる。エネルギーに限らず、排水・廃酸処理プロセスの共有も可能となる。原料から強化樹脂までの製品製造におけるエネルギー、廃棄物処理を製紙工場と共生して設置することによる更なるコスト削減が見込める。

参考文献[1]

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社会実装に向けた CNF 材料の導入実証・評価・検証～自動車分野

成果報告書、 (2019)

環境省・産業環境管理協会、 平成 30 年度 セルロースナノファイバー利活用による

CO2 排 出 削 減 効 果 等

評価・検証事業委託業務

https://www.env.go.jp/earth/mat55_jemaiH30CNF-LCA_R1.pdf[3]

成果報告書、（2019）

Miyata N、 Kikuchi Y、 Hirao M、 Scenario analysis on pulp and paper flow for thedesign of paper recycling system、 Proc. Int. Conf. EcoBalance. 2010[4]

特許第 6091589 号[5]京都大学、 平成 29 年度 環境省 セルロースナノファイバー活用製品の性能評価事業委託業務
～社会実装に向けた CNF 材料の導入実証・評価・検証～自動車分野

成果報告書、 (2018)[6]

化学工業日報社、 16615 の化学商品、 化学工業日報社（2015）[7]

国 立 研 究 開 発 法 人 産 業 技 術 総 合 研 究 所 安 全 科 学 研 究 部 門 社 会 と LCA 研 究 グ
ループ・一般社団法人 産業環境管理協会、 LCI データベース IDEA version 2.2（2016）[8]

東 京 電 力 、業 務 用 電 力 （ 契 約 電 力

500kW以 上 ）、

http://www.tepco.co.jp/ep/corporate/plan_h/plan04.html、 （2019）
[9]

経

済

産

業

省

、

ス

ポ

ッ

ト

LNG

価

格

https://www.meti.go.jp/statistics/sho/slng/gaiyo.html#menu09（2019）

159

調

査

、

[10]

総 務 省 、 平 成 23 年 (2011 年 ) 産 業 連 関 表 ( 確 報 ) 、 https://www.e-stat.go.jp/statsearch/files?page=1&layout=datalist&toukei=00200603&tstat=000001073129&cycle=0(2015)

[11]

東

京

都

下

水

道

局

、

下

水

道

料

金

の

自

動

計

算

、

http://www.gesui.metro.tokyo.jp/living/life/fee/keisan/jidou/（2019）
[12]

リ

マ

テ

ッ

ク

株

式

会

社

、

料

金

表

、

https://www.rematec.co.jp/rematec/work/rf/rf_03.html（2019）[13]

エコクリーンプラザみやざき、 産業廃棄物処理標準料金表、 http://www.m-envipc.or.jp/haiki/pdf/H30%20syoriryoukin.pdf（2018）[14]

特表２００７−５１４４３０（Ｐ２００７−５１４４３０Ａ）（2007）[15]

住友化学、 経営戦略説明会資料、 http://www.irwebcasting.com/20180601/1/4d7b7
3d51e/media/180601_sumichem_ja_02.pdf（2018）[16]

電力 中 央研 究所 、 余 剰 ／深 夜 電力 を利 用 した 電解 に よる 水素 製 造の 成立 性 ―設
備利用率と送電費用の影響評価―、 電力中央研究所報告 T02039 （2003）

160

資料

海外動向

セルロースナノファイバー材料の今後の展開、研究開発の方向性を考えるため、海外の CNF に係る状況、政策動向について調査を行った 。
(1) 各国の政策動向の概要
図 1 は 、各国の CNF 関連政策について文献調査を実施した結果を、政策動向、予算、商用化課題、注力分野、支援体制の点から比較概観したものである。

1
政策
動向

2 予算
※1

3
商用
化課
題

4

ナノセルロース
ロードマップ有無

ﾅﾉ技術等先端技術に対する基本方針

(出口
候補
※ 3)

カナダ

フィンランドノルウェー

スウェーデン

欧州連合

韓国

-

-

-

-

●

-

-

2030年に1兆円 ﾅﾉｾﾙﾛｰｽ商用 グローバルCNC 革新的な技術の 持続可能なｿﾘｭ 革新的な研究支 先端技術育成で 産学連携を推進
規模のCNF市 化で地方の雇用 リーダーを目指 振興及び実用 ｰｼｮﾝ開発、社会 援で可能な成長 欧州のｸﾞﾛｰﾊﾞﾙ し、産業現場の
場創出
す
を促進
化支援
課題へ対応
を実現
競争力強化
課題へ対応

（

）

（

）

（

）

（

）

（

）

-

技術力向上

●

●

●

●

●

●

-

評価方法標準化

●

●

-

-

-

●

-

-

コスト低減

●

●

●

-

-

-

-

●

●

ニーズ・市場開拓

●

●

●

●

●

●

-

-

その他

安全性確保

認知度向上

-

ﾊﾞﾘｭｰﾁｪｰﾝ

ﾊﾞﾘｭｰﾁｪｰﾝ

ﾊﾞﾘｭｰﾁｪｰﾝ

-

-

- （☆）
◎ （☆）

- （☆）
- （☆）

- （☆）
- （☆）

◎ （☆）
-

- （☆）
-

- （☆）

- （☆）
○ （☆）

- （☆）
-

○ （☆）
- （☆）
- （☆）
◎

◎ （☆）
- （☆）
- （☆）
- （☆）
-

○ （☆）
- （☆）
- （☆）
- （☆）
-

- （☆）
- （☆）
- （☆）
-

- （☆）
- （☆）
- （☆）
-

- （☆）
- （☆）
-

- （☆）
◎ （☆）
- （☆）
- （☆）
-

- （☆）
- （☆）
-

N/A

N/A

協業協定を
締結

協業協定を
締結

成果に関する
権利を定めた
PJ協定を締結

PO業務を担う
主体を設置

自動車
建築
エレクトロニクス
パッケージ
エネルギー
家電

支援
体制

5

米国

●

増減トレンド

医薬品・ヘルスケア
注力
分野
※2

日本

実証体制

事業推進委員
会にて
合意形成

山林庁

※1 予算について、R&D全体を対象にしている予算は参考情報のため（ ）書きとしている※2 後段の「国内外の技術実証の分析」にてLevel3 に位置している国のうち、最も件数が多い国を「◎」、次点を「○」としている※3 戦略・計画等に出口候補として言及がある分野を「☆」としている

図1

国内外の最新動向の比較概観

日本の CNF 政策について諸外国と比較した場合、ナノセルロースロードマップを持ち、2030 年の市場規模目標を定めるなど、CNF に注力していることが分かる。その一方、注力分野が自動車、建築、家電と散在していることから、建築分野において、後段で詳述する技術実証の分析にて「Level3：技術優位のあるパイオニア」である件数
が米国より少なくなっており、選択と集中が重要となる。
次に、政策動向、予算、商用化課題についてより詳細な比較を行った結果を表 1 に示す。

161

表1

政策動向・予算・商用化課題の要約

政策動向

予算

※
対象

国
※1

商用化課題

増減動向※3

2

技術力
向上

評価手
法
標準化

コスト
低減

ニー
ズ・市 その他
場開拓

日本
（★）

日本は、技術力向上・国際標準化等が課題である
中、2030年にCNF関連材料で1兆円の市場創造を目指している
CNFに特化した方針◎

4省合計のCNF関連予算は2016度112.5億円、2017年度141億円と増加傾向。

●

●

●

●

安全性
確保

米国

米国は、技術力向上・標準化が課題である中、地方の雇用対策としてﾅﾉｾﾙﾛｰｽ開発を推進している△

USDA FSのR&D部門予算は2016年、2017年とも292
百万$(約336億円)で、横ばい状態

●

●

●

●

認知度
向上

カナダ

カナダはグローバルCNCリーダーを目指す方針のもと、CNC/CNFの商用化を実現している△

NRCのR&D投資予算は2014-2015年106百万
CAD(約96億円)、2015-2016年に121百万CAD(約109億円)であり、増加傾向

●

-

●

●

-

フィンランドは、製造工程技術力の向上が課題としフィンラてある中、革新的な科学技術育成という方針のもとンド検討を行っている△

TekesのR&D部門予算は2016年381百万€(約502億円)、2017年322百万€（約424億円）で、減少傾向（経済全体の低成長が開発予算減少の要因と想定される）

●

-

-

●

バリュ
ーチェ
ーン

ノルウェーは持続可能なソリューション開発、社会
ノルウェ
課題対応との方針のもと、各プログラムを展開してーいる○

RCNによるNANO2021の予算は2016年に92.1百万NOK(約13億円)、2017年130百万NOK(約18億円)で、
増加傾向

●

-

-

●

バリュ
ーチェ
ーン

スウェー スウェーデンは、製造プロセス向上という課題があデン
る中、持続可能な成長の牽引策としてCNFを推進（★） している
CNFに特化した方針△

VINNOVAのR&D予算は2015年に4,115百万SEK(約574億円)、2016年に4,679百万SEK(約653億円)と増
加傾向

●

●

-

●

バリュ
ーチェ
ーン

欧州連合は欧州のｸﾞﾛｰﾊﾞﾙ競争力強化方針のもと、
欧州連
ﾅﾉｾﾙﾛｰｽ開発研究への投資・規格標準化に取り
○
合
組んでいる

NMBPの予算は2016年231百万€(約304億円)、2017
年255百万€(約336億円)と増加傾向

●

●

●

-

-

●

-

●

-

-

ナノテクノロジー予算が多い

韓国は、技術力及び価格競争力の向上が課題で
2016年2,200億KRW(約22,308億円)、2017年2,383億ある中、産業現場の課題解決との方針のもと産学△KRW(約24,164億円)と増加傾向
連携を推進している※1 ナノセルロースに特化したロードマップを策定している国は、国名に（★）を付与※2 予算対象について、CNF対象は◎、ナノテクノロジー対象は○、R&D全体対象は△とする※3 各国通貨は三菱UFJリサーチ＆コンサルティングの2017年7月11日のTTSレートを用いて円換算

韓国

政策動向について CNF に特化した政策方針を掲げている国は日本とスウェーデンの２か国である。予算については、CNF 関連予算の増減傾向としては、米国・フィンラ
ンドを除く、大半の国が増加傾向にあった。ただし、CNF のみを対象とした予算を公表している国は日本のみであり、その他はナノテクノロジー、または技術開発に対する予算の中で CNF を位置づけていた。欧州連合は CNF 以外を含むナノテクノロジー全
般ではあるが、予算規模が大きいため、注視が必要である。
最後に、商用化課題の視点からは技術力向上やニーズ・市場開拓については多くの国が課題であるとの共通認識を持っていることが分かった。その他の観点について、
日本は安全性、米国は認知度向上、フィンランド、ノルウェー、スウェーデンの北欧
諸国はバリューチェーンの創出が課題であるとの認識を持っていた。以上を総合すると、日本は CNF に特化した方針を掲げており優位にあるため、スウェーデンや欧州連合を注視しつつ、現状の方針を維持すべきであるといえる。
以下では、各国の政策動向について詳細に述べる 。

162

(2) 米国における政策動向
米国における CNF 関連政策動向を図 2 に示す。

＜支援体制＞• ナノテクノロジー全般に関するNNI（National Nanotechnology
Initiative, 国家ﾅﾉﾃｸﾉﾛｼﾞｰｲﾆｼｧﾁﾌﾞ）を推進する小委員会に20の連邦機関が加盟している。
• そのうち、 USDA（農務省）の下部機関であるNIFA（TheNational Institute of Food and Agriculture、食糧農業研究所）とFS（Forest Service、森林局）、DOE（U.S. Department ofEnergy、エネルギー省）、NSF（National Sciense Foundation、
米国国立科学財団）がナノセルロースに関連する具体的なPJへの支援を実施している。
NNI（官）NIFA（USDA） （官）FS（USDA） （官）出資、技術DOE（官）

プロジェクト

NSF（官）

出資、技術（研究開発、パイロット生産）＜商用化に向けた課題＞• USDA/FSとNNIが主催したﾅﾉｾﾙﾛｰｽ素材の商用化ワークショ
ップ（2014.5実施）で、課題として以下が指摘された
 ﾅﾉｾﾙﾛｰｽの技術的特性の明確化および規格化
 加工方法、生産方法の）関連情報の強化及び普及 ﾏｰｹｯﾄﾆｰｽﾞ創出に向けた、ﾅﾉｾﾙﾛｰｽの認知度向上
 乾燥脱水工程の効率性（エ標準化 EHS（環境・労働安全衛生ネルギー、費用の面）向上
 技術成熟度の向上＜基本方針＞• NNIは、ﾅﾉｾﾙﾛｰｽを含むナノテクノロジーの普及推進において、以下の共通目標を掲げている
1. 世界最先端レベルのナノテク研究開発プログラムの推進
2. 商業・社会的便益につなげるため、新技術から製品への橋
渡しを推進
3. ナノテクノロジーの発展のため、教育リソース、技能労働者、
ダイナミックなインフラ・ツールなどの整備と維持
4. 責任あるナノテク開発の支援• NNIはﾅﾉｾﾙﾛｰｽの商用化によって地方部で雇用促進が進み、その経済的効果は2020年まで6,000億ドルに及ぶと見込まれており、商用化に向けた支援に乗り出す＜予算＞• USDA FSのR&D部門予算は2016年292百万ドル、2017年
292百万ドルで、横ばい状態である＜出口候補＞• USDA/FSとNNIは左記ﾜｰｸｼｮｯﾌﾟで、以下を出口候補と挙げた
医薬品・ヘル
スケア・バイオ

建築

航空機

パッケージ材料

ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ産業

エネルギー【参考】 1USD = 115.22円(TTS)、三菱UFJリサーチ＆コンサルティング2017年7月11日

図2

米国における CNF 関連政策動向

出典 ：NNI,”National Nanotechnology Initiative Strategic Plan(2016.10)”、”Cellulose Nanomaterials—A Path Towards Commercialization Workshop Report(2014.8)”、
USDA/FS,“ Fiscal Year 2017 Budget Justification” ,”FY2016 USDA Budget Summary and Annual PerformancePlan”、USDA/FS, Forest Products Laboratory,”Nanocellulose Pilot Plant”、

米 国 は 、 国 家 ナ ノ テ ク ノ ロ ジ ー イ ニ シ ア テ ィ ブ （ NNI： National Nanotechnology
Initiative）がナノテクノロジー開発に関する方針を取り纏めている。そのうち、アメリカ農務省（USDA：United States department of Agriculture）と NNI が主催した
ワークショップにおいて、商用化に向けた課題として、技術力向上と標準化等を挙げている。そうした中、地方の雇用対策としてナノセルロース開発を推進しており、USDA の下部機関である森林局の開発部門予算は横ばい状態である。出口候補としては
医薬品、建設、自動車等を検討している。
表 2 は、米国における各機関の取り組み状況を示したものである。

163

表2

米国における取組状況
番
号

US
-A

US
-B

機関

方針

期間

取組状況

NSF

2007年より支援を行っており、直近は商業化に向けた支援を行っている
 上流の研究や教育を支援し、産業界と 2013年開始のI-Corpsプログラムにてパイロット研究の支援が行われており、2014、2016年にナノも連携しつつ技術革新を支援する
セルロースプロジェクトも支援を受けている
2007～
 2016年のナノテクノロジー全般への予 2010年開始の石油製品からの転換等持続可能な化学物質を開発するプログラムにて2014、
算は415.1百万ドル
2015年にナノセルロース開発を取り上げている。
 ナノセルロース関連の事業は6件

DOE

2014年から商業化に向けた支援を行っている
 基礎研究とナノ物質、研究設備を重点
 バイオエネルギー技術オフィスが支援したバイオ製油所における一貫パイロットプロジェクトは、的に支援する2009年より開発を研究に着手し2016年には商業生産に移行している2014～
 2016年のナノテクノロジー全般への予 建築技術オフィスは2014年に公募を行った建物のエネルギー効率を改善するプログラム（総額算は330.4百万ドル
1,400万ドル）にて、建築資材へのナノセルロース適用のプロジェクトを採択している ナノセルロース関連の事業は2件

US-C

2007年より積極的にラボレベルの研究を支援している 基礎研究とナノ物質、ナノデバイス、環 2007年よりナノセルロース関連研究（主に基礎から応用）への支援を行っており、USDA傘下で最NIFA
境・健康・安全を重点的に支援するも多くのプロジェクトを支援している2007～
 2017年には最大百万ドル/件、総計9.6百万ドルを持続可能なバイオ素材開発に支援する公募を（USDA）  2016年のナノテクノロジー全般への予算は14百万ドル行っており、リグノ・ナノセルロース開発を優先課題としている
 ナノセルロース関連の事業は30件

US-D 特に木材由来のナノ物質に焦点を当てて、CNCやCNNの量産、特性、改質
FS
手法、複合手法等の研究を支援する（USDA）
 2016年のナノテクノロジー全般への予算は4.5百万ドル

2007年よりラボレベルの研究を支援している
 傘下のFPL（Forest Products Laboratory,森林製品研究所）にて2010年よりナノセルロースに関する基礎研究を行っている
2007～
 FPLは2012年には研究者が活用可能なパイロットプラントを設立し、商業化を目指す研究者や企業の研究を支援している ナノセルロース関連の事業は9件

出典 ：NNI,“NSET's Participating Federal Partners”、
NSF, “Fact sheet: I-Corps™Sites”,“Dear Colleague Letter: FY2017 Sustainable Chemistry, Engineering, and Materials(SusChEM) Funding
Opportunity”, DOE,“ Commercialization of Integrated Biorefineries via Synergies between Commodity andHigh Value Products”,“Energy Department Invests $14Millionin Innovative Building Efficiency Technologies” 、 NIFA,“Agriculture and Food Research Initiative- Sustainable Bioenergy and Bioproducts Challenge Area”、
USDA, “Forest Products Laboratory”

NNI 加盟の連邦機関の うち、農務省の下部機 関である食糧農業研究 所（NIFA：The
National Institute of Food and Agriculture）と森林局（FS：Forest Service）、米
国エネルギー省（DOE：Department of Energy）、米国国立科学財団（NSF：National
Science Foundation）が具体的なプロジェクトへの支援を行っている。
NSF は 2007 年より支援を行っており、直近は商業化に向けた支援を行っている。
DOE は 2014 年から商業化に向けた支援を行っている。USDA 傘下の NIFA、FS はともに2007 年よりラボレベルの研究を支援している。以降、各機関が実施したプロジェクトについて、NSF は US-A、DOE は US-B、NIFA は US-C、FS は US-D とする。
NSF が実施したプロジェクトの一覧を表 3 に示す。

164

表3

プロジェクト一覧：米国・NSF
US-A

番
号

プロ
共同事
グラ 参画主体（企
業者(企
ム番
業等）
業）
号

プロジェクト名

期間

予算
ターゲット
（千
分野
USD）

US-B

US-C

US-D

技術種類

開発
段階

ナノセルロースを含むコーティング剤
FogKickerをコーティングすることで、窓など様々な表面での曇りを防止できる。PJで導入
は商品化の可否を判断する。また、ナノセル
実証
ロースの抽出手法についても進展があり、自動車、航空、建築、包装分野での応用も期待される。

自動車、
航空、建
築、包装

プロジェクト概要

University
US
US- of
N/A
A
Massachus
34
etts

FogKicker: An Anti2016Fogging Coating Based on
2017
Sustainable Materials

50

製品製造

University
US
US- of
N/A
A
Massachus
35
etts

Cellulose Nanomaterials
Modified with Conjugated
Polymers

エレクト
558
ロニクス

CNFやCNC等と半伝導性ポリマーを用いて、シンプルで再生可能な光学・電子センサー
部材（複合応用 を作ることを目指す。新たな複合材の特性材）製造
特定、反応調査を経て、その優位性を確認する。

US
US- University
N/AA
of Maryland
36

The Science Underpinning
Anomalous Scaling Laws
2014of Strength and2017
Toughness in
Nanocellulose Materials

400 N/A

強度と靭性は両立しづらいが、ナノセルロー
部材（複合スを含むナノペーパーの分子構造の解析を基礎材）製造
通じて、両立を可能とする構造を明らかにし、他の素材への応用を検討する。

US
Stony
USBrookA
37
University

Novel approach indeveloping sustainable
polymer composites

50 N/A

NCCをフィラーとすることで、石油由来では部材（複合ないポリマー複合材を開発する。商品化に実用材）製造向けより安価で大量に製造する手法を検討
する。

N/A

20152019

20142015

出典 ：NSF,“NSF Award Search: Simple Search Results”

NSF は４件の CNF 関連のプロジェクトを支援しており、ナノセルロース部材の特質を調査する基礎研究支援とともに、ナノセルロースを含むコーティング剤について、商品化に向けた支援も行っている。
次に、DOE が実施したプロジェクトの一覧を表 4 に示す。
DOE では２件の CNF 関連のプロジェクトを支援しており、うち１件は初期普及段階にある素材製造のプロジェクトである。
表4

プロジェクト一覧：米国・DOE
US-A
番
号

プロ
共同事
グラ 参画主体（企
業者(企
ム番
業等）
業）
号

US US-32 B

AmericanProcess Inc.

US US-33 B

Fraunhofer
Center for
Sustainable
EnergySystems

プロジェクト名Commercialization ofIntegrated Biorefineriesvia
synergies between
commodity and high value
products

期間

20092016

Atlas
Development of a Bio-Based,
Roofing Inexpensive, Noncorrosive,
2015Corpor Nonflammable Phenolic
2016
ation
Foam for Building Insulation

予算
ターゲット
（千
分野
USD）

US-C

US-D

技術種類

開発
段階

プロジェクト概要

N/A

素材製造

初期
普及

バイオ精油所にて、粗糖、バイオ燃料、バイオ化
学物質、ナノセルロースを同時に製造する。本プ
ロジェクトでは現状の3.5 bdt/dから50bdt/dまで
スケールアップをめざす。2016年に稼働を開始、規模拡大と本格普及に当たっては、原料確保が課題である。

749 建築

部材（複合
材）製造

実用

建築分野での断熱材への適用を目指し、ナノセ
ルロースを用いてフェノール樹脂発泡体の強度向上、ガス拡散の低減を目指す。曲げ強度は50%まで向上、圧縮強度は20%上昇を達成した。

N/A

出典：DOE 資料
表 5 は、USDA が実施したプロジェクト 24 件の概要である。

165

US-B

表5

プロジェクト一覧：米国・USDA（1/2）
US-A

番
号

プロ
共同事
グラ 参画主体（企
業者(企
ム番
業等）
業）
号

プロジェクト名

Renewable Nanocomposites
Made From Lignocellulosic
Fillers And Transparent
Polymer Matrices

期間

US US-04 C

UNIVERSIT
Y OF
MAINE

US US-05 C

SAES UNIVERSITY OFTENNESSE
E

4社と協 Value Addded Chemicals and 2012Materials from Biomass
2017
業

US US-10 C

UNIVERSITY OF
GEORGIA

Application Of Nanocellulose
And Enzyme Inhibitors As
Dietary Interventions For
Health Benefits

2013/1
1/18 2018/6/
30

US US-11 C

SAES UNIVERSIT N/AY OF MAINE

Increasing Maine Forest
Product Diversity

20132018

US US-12 C

SAES UNIVERSITY OFTENNESSE
E

N/A

Biobased Fibrous Materials
and Cleaner Technologies for
2013a Sustainable and2018
Environmentally Responsible
Textile Industry

US US-13 C

AGRICULTURALN/ARESEARCHSERVICE

Blow Spinning of AgriculturalBased Nanofibers for Value- 2014Added Agricultural
2018
Applications

US US-14 C

ALGAXPERTS LLC

Cultivation of Filamentous
Green Algae for High Value
Industrial Products

US US-15 C

UNIVERSITY OF
N/A
CINCINNATIUS US-16 C

US US-17 C

N/A

N/A

N/A

SAES UNIVERSIT
N/AY OFMISSOURIPENNSYLVANIA STATE
N/A
UNIVERSIT
Y, THE2012 2017

20152017

Electrospinning of Reinforced
2015and Functionalized Starch
2018
FibersUS US-18 C

SAES UNIVERSITY OFGEORGIA

N/A

Biobased Fibrous Materials
and Cleaner Technologies for
2015a Sustainable and2018
Environmentally Responsible
Textile Industry

US US-19 C

SAES UNIVERSITY OFCALIFORNIA AT DAVISN/ANatural fibers and biobased
2015polymers: new structures and2019
functions

US US-20 C

SAES UNIVERSIT N/AY OF MAINE

Large volume applications ofcellulose nanomaterials

20152020

N/A

Advanced applications fornanomaterials fromlignocellulosic sources

20152020

N/A

Engineering for food safety
and quality

20152020

US US-21 C

US US-22 C

SAES WEST
VIRGINIAUNIVERSITY
SAES OREGON
STATE
UNIVERSIT
Y

US-C

US-D

開発
段階

プロジェクト概要

応用

フレキシブルディスプレイ、食品包装、バリアフィ
ルム、窓への適用を念頭に置き、CNC、CFN、BC等ナノセルロースフィラーの製造・機能化・特徴化すること、樹脂複合材の製造・物性特定に取組む。パイロット規模のスプレー乾燥設備を導
入する。

応用

上流から下流まで一貫したバイオ精製プロセスを作り、バイオ燃料やその他の化学物質として活用する。特にリグニンを前駆体とすることに力点を置く。炭素繊維の複合に有用な新たな化学物質の検討も行う。ナノセルロースを基盤としたスポンジ状のエアロゲルを統合、自身の64倍もの油等を吸収することを確認した。

応用

医療用途、特に糖尿病や肥満の治療手法の開発が目的であり、NFCの吸着力に注目し、エア
ロゲル状のナノセルロースを用いて胃腸の油分を取り除く手法（油分除去剤の開発）を検討し、実験により効果を確認する。

基礎

メイン州における木材製品の活用を多様化する手法を検討する。その一環として、NFCの機械的特質を調査する。

素材製造、
部材（複合
材）製造

応用

繊維業界において、安価な農業副産物、特にDDGS（穀物蒸留粕）を活用し、石油製品に代わる、土に還る廃棄に問題の少ない植物由来のプ
ラスチック製品を開発する。農業副産物から、イオン溶液を用いて純度の高いナノセルロースを取り出す。

260 N/A

素材製造、
部材（複合
材）製造

応用

（エレクトロスピニングではなく）ブロウスピニング
法をもちいて農業副産物や海洋副産物から親水
コロイド状のナノファイバーを取り出し、またPLAとの複合を検討する。

9 N/A

素材製造

応用

木材や植物からではなく、藻類からのナノファイ
バーの生成を目指す。なかでも、セルロースを多く含むサヤミドロからのナノファイバーの取得に挑戦中であり、熱を用いる方式を検討している。

応用

再生可能な植物資源、特にNCCを用いて、自動車や医療分野、コンピューターで用いられる圧電性の物質（NCC複合材とNCCナノブラシ）を開発し、センサーやアクチュエーターなどの産業機械に適用する。

技術種類

エレクトロ
部材（複合
730 ニクス、パ
材）製ｊ造
ッケージ

17,33
N/A
4

素材製造、
部材（複合
材）製造

医薬品・
ヘルスケ
部材（複合
196 ア・バイオ材）製造

254 N/A

1,317

20152016

Nanocrystalline Cellulose
2015Based Piezoelectric Materials
2017
For Energy Sustainability

Enhancing Microbial Food
Safety by Risk Analysis

予算
ターゲット
（千
分野
USD）

US-B

その他用
途（繊維）

素材製造

自動車、医
薬品・ヘル
スケア・バ
部材（複合
63 イオ、エレ
材）製造
クトロニク
ス

N/A

パッケー
ジ

部材（複合
材）製造

医薬品・
ヘルスケ 部材（複合212 ア・バイオ
材）製造

応用

応用

食品の安全性確保のため、分子レベルでの技術を用いて有害物質の検知を行う。ナノセルロース
等のナノ物質の病原菌への反応を調査し、食品包装への適用可能性を検討する。
医療や農業で活用できるバイオ素材の物質（不織布）を開発することを目指す。カチオン性澱粉
の布にナノファイバーを追加することで引っ張り強度を向上できることを確認した。
医薬品分野や繊維分野にて用いられる生物分
解可能なポリエステル、機能性コーティング剤、効果的に染料を取り除く技術を開発する。植物から抽出したNCを用いて、コットン等布のコーテ
ィング剤を開発する。

医薬品・
ヘルスケ
部材（複合
8 ア・バイオ、
材）製造
その他用
途（繊維）

応用

463 N/A

素材製造、
部材（複合
材）製造

応用

木材ではなく、農業残渣からのナノセルロースを取得し、ゲルやフィルム、コーティング剤への展開を研究する。稲わらから効率的にナノセルロー
スを生成し、フィルムに加工することができた。

190 建築

部材（複合
材）製造、
製品製造

実用

パーティクルボード（建築材）に用いられている
合成樹脂をCNFにて代替すること、またCNFを用いたラミネート紙の開発を目指す。どちらも量産化を目指し、とくに脱水、接着メカニズムの検討を進める。

基礎

医療分野での活用を念頭に置いて銅ナノ分子以外の物質をセルロースに吸着させ、放出させることの可能性を調査、併せて細胞取込・特殊性・細胞毒性を調査する。

応用

品質を保持し、病原体を寄せ付けないことで食品の安全性を高めることを目指す。ナノセルロー
スやNCCを用いたコーティングが品質保持に寄与することを確認した。

医薬品・
ヘルスケ
部材（複合
124 ア・バイオ
材）製造

N/A

医薬品・
部材（複合
ヘルスケ
材）製造
ア・バイオ

166

表5

プロジェクト一覧：米国・USDA（2/2）
US-A

プロ
共同事
グラ
参画主体（企業等） 業者(企ム番業）
号

プロジェクト名

US US-23 C

SAES - SOUTH
DAKOTA STATE N/A
UNIVERSITYThe Science andEngineering for a
Biobased Industry andEconomy

US US-24 C

FRST - STATE
UNIVERSITY OF
NEW YORKN/AFORESTRYSCHOOL

Multi-Functional
Cellulose "Nanomers"
2016Dervied from Biorefinery 2018
Waste

US US-25 C

UNIVERSITY OF
GEORGIARESEARCH
N/A
FOUNDATION,
INC

Behavior of
nanobiomaterials in the
Gastrointestinal Tract
and Their Risk
Assessment

US US-22 C

SAES OREGON STATE N/A
UNIVERSITYEngineering for foodsafety and quality

US US-23 C

SAES - SOUTH
DAKOTA STATE N/A
UNIVERSITYThe Science andEngineering for a
Biobased Industry andEconomy

US US-24 C

FRST - STATE
UNIVERSITY OF
NEW YORKN/AFORESTRYSCHOOL

Multi-Functional
Cellulose "Nanomers"
2016Dervied from Biorefinery 2018
Waste

US US-25 C

UNIVERSITY OF
GEORGIARESEARCH
N/A
FOUNDATION,
INC

Behavior of
nanobiomaterials in the
Gastrointestinal Tract
and Their Risk
Assessment

US US-26 C番号

予算
ターゲット分
（千
野
USD）

US-C

US-D

開発
段階

プロジェクト概要

応用バイオマス生産にかかるモデリングやシステムを構築し、より効率よく様々な植物からナノセルロ
ースを取り出す技術を開発する。コーンとコード
グラスからの抽出の可能性を探っており、食品
包装やバイオ医療、建築業界への適用を検討する。

N/A

医薬品・ヘル
素材製
スケア・バイ造
オ

応用バイオ医療やバイオ技術を目的として、木質パルプからの効率的なNFCやCNCの解繊・分離手法を検討し、NFCの定義を統合するための戦略を検討する。酵素分解処理の前処理として熱水分離法 (HWE)等を組み合わせた処理を行う。

20162019

N/A

医薬品・ヘル製品利
スケア・バイ
用オ

基礎

CNF等のナノ素材が、それらを用いた食品包装を通じて、胃に摂取された場合の動きや人体への影響を調査する。人口胃やマウスを用いた調査も行う。

20152020

N/A

医薬品・ヘル 部材（複スケア・バイ 合材）製 応用
オ
造

品質を保持し、病原体を寄せ付けないことで食品の安全性を高めることを目指す。ナノセルロー
スやNCCを用いたコーティングが品質保持に寄与することを確認した。

期間

20162018

N/A

技術種
類

US-B

パッケージ、
医薬品・ヘル
スケア・バイ 素材製
オ、建築
造

応用

バイオマス生産にかかるモデリングやシステムを構築し、より効率よく様々な植物からナノセルロ
ースを取り出す技術を開発する。コーンとコード
グラスからの抽出の可能性を探っており、食品
包装やバイオ医療、建築業界への適用を検討する。

N/A

医薬品・ヘル
素材製
スケア・バイ造
オ

応用バイオ医療やバイオ技術を目的として、木質パルプからの効率的なNFCやCNCの解繊・分離手法を検討し、NFCの定義を統合するための戦略を検討する。酵素分解処理の前処理として熱水分離法 (HWE)等を組み合わせた処理を行う。

20162019

N/A

医薬品・ヘル製品利
スケア・バイ
用オ

基礎

CNF等のナノ素材が、それらを用いた食品包装を通じて、胃に摂取された場合の動きや人体への影響を調査する。人口胃やマウスを用いた調査も行う。

SAES UNIVERSITY OF N/AMISSOURI

Increasing the safety offoods by rapid molecular
2016detection of foodborne2020
pathogens and the useof novel antimicrobials

N/A

医薬品・ヘル 部材（複スケア・バイ 合材）製 応用
オ
造

食品の安全性を高めるため、食物に潜む有害物
質の検知技術の向上を目指す。食品包装に付与する検知技術の構成要素とすべく、ナノセルロースの病原菌に対する反応を、他のナノ素材とともに調査する。

US US-27 C

SAES - AUBURN
N/AUNIVERSITYDevelopment of
Nanocellulose-based
Hybrid Fuel20162020

N/A

素材製
造、部材
基礎
（複合材）
製造

ナノセルロースをガソリンに混合し、バイオガソリンを開発する。新たに開発する本方式であれば現在主流のバイオ燃料とは異なり、変換せずにナノセルロースをそのままガソリンに混合することができる。ナノセルロースの生成・改質手法と燃焼効率の関係も調査する。

US US-28 C

CLEMSON
UNIVERSITY

N/A

Transforming
Nanocellulose Into an
Advanced Biorenewable
Reinforcement With
Hyperbranched
Polymers

20162021

部材（複合材）製 応用
造

自動車への適用を念頭に置いて、より強度のある、超分岐ポリマーとナノセルロースの複合構造をデザインし、またより分散度を高めた超臨界射
出成型の手法を提案する。

US US-29 C

SAES UNIVERSITY OF N/AARKANSAS

Impacts of Biotic andAbiotic Stress on Forest
Trees and Plant
Communities

素材製
造

木材へのストレスの影響という新たな視点で調査する。ナノセルロースを製造する際のストレスの影響やコントロール方法を調査する。より効率よく質の良いナノセルロースを製造するに適した木材や生育環境などについて、ナノセルロース
製造者に示す。

US US-30 C

SAES - SOUTH
DAKOTA STATE N/A
UNIVERSITY

New Biorefinery: Value
added products from
Biomass and Nanobiotechnology of
Sustainable Agriculture

20162021

US US-31 C

SAES - AUBURN
N/AUNIVERSITY

Nanocellulose-basedmaterials for novel
applications

20172022

20162018

20162021

N/A

パッケージ、
医薬品・ヘル
素材製
スケア・バイ
造
オ、建築

エネルギー

26 自動車156 N/A

N/A

N/A

基礎

パッケージ、
医薬品・ヘル部材（複スケア・バイ合材）製 基礎オ
造
建築、パッケージ、その他 素材製
用途（水浄
造、部材
実用
化）
（複合材）
製造

出典 ：USDA,“REEISHome” より 作 成

167

持続可能な農業を目指して4分野にて基礎的な検討を進める。うち3点目で、ナノクリスタルを用いて、複合材の補強や脱酸素食品包装パッケージを開発、4点目ではバイオセンサーを開発し、病気の予防などに役立てる。
地元のリグのセルロース資源を用いて、NCとNFCを製造する技術を整理する。ナノ素材を、建築業界における合板や、フィルムを用いた包装材や水浄化フィルターに適用した際の、素材の化学構造と効果の関係性を検証し、試作品による性能テストも実施する。

部素材のラボレベルの開発や医薬品・ヘルスケア・バイオ、エネルギーから自動車
用途と幅広い研究を支援している。
Forest Service (FS)が実施した２件の CNF 関連プロジェクトの一覧を表 6 に示す。
FS では経済モデルを用いたナノセルロース生産規模拡大の影響の試算を行う上流の森林資源管理に関するラボレベル研究等を支援している 。

表6

プロジェクト一覧：米国・FS
US-A
プロ
共同事
グラ 参画主体（企
業者(企
ム番
業等）
業）
号

プロジェクト名

期間

US US-01 D

FORESTPRODUCTS
N/A
LABORATO
RY

Analyze And Project The
Impact Of Potential Changes
In Market Structure,
Technology , And Policy On
U.S. Timber Markets And
Forest Management

2012 2017

N/A

せ
USUS
D
-02

PACIFICSOUTHWEST
N/ARESEARCH
STATION

Enzymatic And Microbial
Processing Of Wood And
Wood Fiber To Fuels,
Nanocellulose And Other
Chemicals2012 2017

N/A

番
号

予算
ターゲット分 技術種 開発
（千
野
類
段階
USD）

US-B

US-C

US-D

プロジェクト概要

N/A

素材製
造

経済モデルを用いて、技術変革の影響や林業分野の政策を考慮したうえで、米国森林産業の木材生
基礎 産量と消費量を推定する。ナノセルロース生産規模拡大の影響も試算する。（これらの成果は生産計画の策定に影響する）

N/A

素材製
造

バージン木材、リサイクル材等を原料として、リグノ
セルロースからはナノセルロースを、木糖からはバ
応用 イオ燃料を得る際の、酵素処理に関する研究を行う。酵素を用いた表面修飾がナノセルロース等新製品の開発に有効である。

出典 ：USDA、”Forest Products Laboratory”

168

(3) カナダにおける政策動向
カナダにおける CNF 関連政策動向について、図 3 に示す。
＜基本方針・政策目標＞• NRC（天然資源省）は、Forest Innovation Program（FIP）の一環としてﾅﾉｾﾙﾛｰｽの開発・普及をとして進めている。尚、FIPの推進目標は以下の通りである
1. 林産業において、高付加価値製品及びプロセスを創出する
2. 上記を通じて、ﾅﾉｾﾙﾛｰｽのようなテクノロジー領域でカナダがグローバルリーダーになれるよう支援を行う• NRCは、ﾅﾉｾﾙﾛｰｽ（CNC）のグローバル普及に向け、国内規格の標準化をサポートする一方、カナダ国立研究機関等を通じてISOにカナダの意見を伝える＜予算＞• NRCのR&D投資予算は2014-2015年106百万CAD、20152016年に121百万CADであり、増加している＜支援体制＞• NRC（Natural Resources Canada, 天然資源省）は、非営利の民間林産技術研究機関であるFPInnovationsと連携し、Transformative Program(TTP)等を通じて、ﾅﾉｾﾙﾛｰｽ（CNC）の商業化・バリューチェーンの創出に向け、基礎研究やパイロッ
ト生産を推進している• NRCの支援を受けていた民間企業Kruger、CelluforceはCNFの商用化を実現している• NRCは森林産業支援のため2010年よりInvestments in Forest
Industry Transformation Program (IFIT)を実施している。
ﾊﾟｰﾄﾅｼｯﾌﾟ

FPInnovations（産）

NRC（官）
出資（※国内に生産拠点を持つ企業に優先投資、技術の発展性重視）

プロジェクト
（研究開発、パイロット生産）

ﾊﾟｰﾄﾅｼｯﾌﾟ
技術＜出口候補＞• NRCが支援したプロジェクトにて商用化されたCNFは以下のよ
うな用途に用いられている

Kruger（産） 、CelluForce（産） 等＜商用化に向けた課題＞• Nanocellulose Summit 2016 in TOKYOに参加したカナダ代
表ギレス氏は、商用化に向けた課題として以下を挙げた
 ﾅﾉｾﾙﾛｰｽ（CNC）のクオリティ向上
 生産コスト低減
 ﾏｰｹｯﾄﾆｰｽﾞ創出による、民間部門の生産設備投資促進
 使用用途拡大に向けた、新しい事業パートナーの発掘

自動車産業

航空機産業

医薬品産業

パッケージ

ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ産業

製紙産業【参考】 1CAD = 90.18円(TTS)、三菱UFJリサーチ＆コンサルティング2017年7月11日

図3

カナダにおける CNF 関連政策動向

出典 ：Natural Resources Canada, “Cellulose nanocrystals”、FP Innovations, “FP Innovations ””Forest
Innovation Program”、Canadian Council of Forest Ministers, “Forest Sector Innovation in Canada2015”、ナノ セ ルロ ー スフ ォ ーラ ム事 務局 「Nanocellulose Summit 2016 in TOKYO 資料集

カナダは政府組織の天然資源省（NRC：Natural Resources Canada）、民間の研究機
関 FP Innovations が連携し、各種プログラムを通じて、研究開発を支援している。特に NRC は、グローバル CNC リーダーを目指す方針のもと、一部では CNC/CNF の商用化を実現している。商用化促進に向け生産コスト低減、使用用途拡大等の課題を念頭に置いて、自動車、航空機、食品、医薬品、パッケージ、航空、エレクトロニクス、製紙、エネルギーと幅広い用途への展開を検討している。
次に、カナダにおけるプログラム一覧を表 7 に示す。

169

表7
番
号

CA

CB

機
関

プログラム一覧：カナダ
プログラムの最終目標と目的

期間

取組状況

IFIT

 森林産業における新技術開発への支援を行う
 2010年から28件を支援、うち8割が新たな製品の開発につながっている 2014年の予算は90.4百万CAD（4か年）
 返還不要の資金は、カナダに一つ以上の生産拠点を持つ企業を対象とし、拠出する

2010年～

 2013年には、FPInnovationsと連携し、商業プラントへの支援を実施、商品化につながっている

NRC TTP カナダの森林産業の競争力向上を目指す ナノテクノロジー等を活用した、ランバーやパルプ等の伝統的な製品の新たな活用方法の開発
 バイオ燃料、バイオケミカル、バイオポリマーなどの非伝統的な製品の森林産業への導入

NRC FIP カナダ森林産業における、商業化前の連携を支援す TTPとCanadian Wood Fibre Centre（CWFC）の連携を支援
ることを目的とする
 商業化を促進するための、国内外の基準の整備も支 TTPと中小企業向けの支援プログラムValue to Wood Programを連2012年～
援対象とする
携させ、NCC開発を支援
 2012年の予算は105百万CAD（2か年）、2013年に92
百万CAD（5か年）追加

NRC

プログラム

N/A

 FPInnovationsと連携し、パイロットスケールの設備導入を支援
 設備はカナダ全域に位置しており、効果やリスク、コストの検証に活用されている 2014年から2016年で15件のプロジェクトが実施されている

出典 ：National Resources Canada, “Forest Innovation Program”“Transformative technologies” “IFIT-Funded projects”

カナダにおいては NRC が FP Innovations と連携し、Forest Innovation Program（FIP）や Transformative Program(TTP)を通じて、パイロットプラントや商業プラン
トの導入を支援している。なお、FIP については個別プロジェクトの詳細情報は非公開であり、文献調査では入手不可のため、下記プロジェクト一覧には掲載していない。
上述のプログラムの下、カナダにおいて実施された CNF 関連のプロジェクト２件の一覧を表 8 に示す。２件とも、NRC の支援を受けた後、商業生産 に移行しており、パッケージや建築、航空、自動車、石油ガス等、様々な業界へ展開されている。

表8

プロジェクト一覧：カナダ
C-A

番
号

C1

C2

プロ
共同事
グラ 参画主体（企
業者
ム番
業等）
(企業）
号

C-A

C-B

プロジェクト名

Cellulose filament
KrugerFP
demonstration,
Biomaterials Innova application
Inc.
tion
development andcommercialization

CelluForce-The nanocrystalline
cellulose (NCC) plant

期間

予算
（千
CAD）

ターゲット分野

パッケージ、建築、航空、自動車、石油ガス 等
20132016

20142016

43,600N/A

石油ガス、製紙、建築、医薬品・ヘルス
ケア・バイオ、
食品、エレクト
ロニクス

技術種 開発類段階

プロジェクト概要

樹脂補強材として活用するため、セルロースフィラメ
ントを製造する、デモンストレーションプラントを設置、2014年6月に稼働しており、生産量は年間1,825tである。FiloCellという商業名で製造、販売を行ってい素材製 初期 る。カナダ国内の他の製紙工場へも展開可能な手法
造
普及 を開発した。
用途としては樹脂との複合材（熱可塑、熱硬化双方）、
コーティング剤、パッケージ、建築剤、接着剤等があり、航空業界や自動車業界、石油ガス業界での活用も考えられる。

NRCの支援を受け、ケベック州にNCCの商業プラン
トを建設、2016年以降CelluForce NCCとして販売している。
素材製 初期用途としては石油ガス採掘剤、接着剤、製紙への添
造
普及
加剤、セメント添加剤、プラスチックへの添加材、塗料・コーティング剤、化粧品、医療機器、食品、エレク
トロニクスが候補とされている。

出典 ：Natural Resources Canada, “Strength from wood”, “Squeezing more value from trees”、
Kruger Inc., “Accueil–Biomaterials”

170

C-B

(4) フィンランドにおける政策動向
フィンランドにおける CNF 関連政策動向について図 4 に示す。
フィンランドは、技術庁（Tekes）や研究機関の CLIC Innovation、民間の製紙会社である UPM、フィンランド国立技術研究センター（VTT）が取組を進めており、商用化・量産化に向けて乾燥・脱水等の製造工程技術力の向上を課題として認識している。
Tekes は革新的な科学技術を育成するという方針のもと、ナノセルロース開発を支援しており、その研究開発予算は減少傾向にあるものの、経済全体が低成長にとどまっていることが要因と想定される。出口候補としては、エレクトロニクス、製紙、パッケージ、医薬品・ヘルスケア・バイオ、建設等多様な産業での適用を検討している。

＜基本方針＞• Tekes（技術庁）はナノセルロースを含む科学技術への投資を行うにあたり、科学技術の振興やイノベーション技術の実用化を支援することを方針としている• CLIC Innovation（旧FIBIC）は、ナノセルロースを含む科学技術への支援において、バイオ、エネルギー、クリーンテク分野を中心とした革新的なソリューション創出をミッションとしている＜予算＞• TekesのR&D部門予算は2015年488.2百万ユーロ、2016年
381.1百万ユーロ、2017年322.2百万ユーロで、減少している 外需に依存した輸出中心の経済体質、対ロシア貿易の制約、高い失業率等の課題が多く、低成長にとどまっている事が開発予算減少の要因と想定される＜出口候補＞• VTT（フィンランド国立技術研究センター）は商業化実現性の高い分野として、エレクトロニクス産業、製紙産業、食品・化粧品産業等を挙げており、医薬品・ヘルスケア・バイオにおいては具体的なプ
ロジェクトの支援も行っている＜支援体制＞• 労働経産省傘下のTekes（技術庁）は、科学技術の研究開発に対し金融的支援を行う公的ファンドであり、研究機関、企業、大学によるセルロースナノテク研究開発を支援している• CLIC Innovationはバイオ、エネルギー分野を中心にセルロー
スナノテク製品、製造プロセスを研究する機関である• UPMはフィンランドに本社を置くグローバル大手製紙メーカーで、大学、研究機関とともにCNF商用化に取り組んでいる• VTT（ﾌｨﾝﾗﾝﾄﾞ国立技術研究ｾﾝﾀｰ）は、CNFの製造方法、用途
開発、安全性に関する研究を行っており、設備の利用サービスを展開しているﾊﾟｰﾄﾅｼｯﾌﾟ
CLIC Innovation
Tekes（官）（旧FIBIC）（官-産）
出資

出資、技術

（※技術力の持つベンチャー・中小企業に優先投資）プロジェクト
（研究開発、ﾊﾟｲﾛｯﾄ生産）

UPM（産） 等

出資、
CNFｻﾝﾌﾟﾙ提供
技術
技術

VTT（ﾌｨﾝﾗﾝﾄﾞ技術
研究ｾﾝﾀｰ）（官）Aalto大学（学）ｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ産業＜商用化に向けた課題＞• VTT（フィンランド国立技術研究センター）は、ナノセルロース素材の商用化に向けた課題として、下記を指摘している
 乾燥脱水等、量産に向けた製造工程技術力の向上

製紙産業

パッケージ
材料

医薬品・
ヘルスケア・バイオ

建設産業• CNFの商用化を推進している企業UPMは上記に加え、最近はバイオメディカル分野への適用にも力を入れている【参考】 1EUR = 131.64円(TTS)、三菱UFJリサーチ＆コンサルティング2017年7月11日

図4フィンランドにおける CNF 関連政策動向

出典 ：CelluForce,“Nano Crystalline Cellulose manufacturing expert”、
Tekes,“Finnish Funding Agency for Innovation”、CLIC Innovation,“CLIC Innovation”、
The Biofore Company, “UPM”、 VTT, “Nanocellulose film”、
日本 政 策投 資 銀行,「 新素 材 と して 注 目さ れ るセ ル ロー スナ ノフ ァ イバ ー （2016.3.17）」、
Statistic Finland ,“Government R&D funding in the state budget2017”,“Government R&D funding in the statebudget2016”,“Government R&D funding in the state budget 2015”、
外務 省 「フ ィ ンラ ン ド基 礎デ ータ 」

フィンランドのプログラム一覧を表 9 に示す。
フィンランドでは Tekes が中心となり、Innovative Cities（F-A）、BEAM（F-B）、BioNets（F-C）といったプログラムを通じて、CNF 関連のプロジェクトを支援している。Innovative Cities、BEAM とも、国際市場への展開を視野に入れている点が特徴である。なお、CLIC は個別プロジェクトの詳細情報は非公開であり、文献調査では入手不可のため、下記プロジェクト一覧には掲載していない。
171

表9
番
号

プログラム一覧：フィンランド
機
関

プログラム

プログラムの最終目標と目的

期間

取組状況

Innovative Cities
F-A Tekes （INKA
Programme）

 国と諸都市が連携し、国際市場に向けて製品やサービスの展開を2014－目指す企業を育てることを目指す
2020 予算は約30百万Euro/年、管理責任はTekesが負っている バイオエコノミー、持続可能なエネルギーソリュー
ション、サイバーセキュリティー、健康、スマートシ
ティーの5分野で5都市を選定し、支援を行っている

BEAM – Business
F-B Tekes
with impact

 開発途上国における新たな持続可能なビジネスを創出すること、途上国における生活水準の向上に資することを目指した、Tekesとフィンランド外務省の共同プログラム
 フィンランド企業が開発途上国において、革新的な技術を展開す
る支援を行う（予算は総額50百万ユーロ、ローン含む）

 2016に、ナノセルロースを用いたフィルターの開発しインドでの展開を目指すUPMのプロジェクトを採択している

Smart & GreenF-C Tekes
Growth＞BioNets

 Smart＆GreenGrowth全体の予算は150百万ユーロ、フィンランドに ナノセルロース関連では2016年に医薬品・ヘルス
おいて革新的なビジネスシステム、新たなバイオエコノミー技術を2016－
広め、循環経済を創出することを目指す
ケア分野で、ネットワーキング、応用部材の支援
2018 BioNetsは、R&Dとビジネスをつなぐプラットフォームづくり、またパを行っている
イロット設備・デモ設備への支援を行う

Advanced
cellulose to novel
CLIC
products（ACEL）

-

2015－
2019

 木から創出されるセルロース繊維について、繊維業界、熱可塑性複合材、カチオン経済への展開を支援する
 望ましい特性を持った物質を創生するべく、解繊方法にも着目する
 企業における材料試験の手法についても開発を行う

N/A 以下4WorkingPackagesにて検討中• WP1セルロース繊維の反応• WP2イオン溶液を用いた繊維の開発• WP3パッケージ・自動車・家具・建築分野を目的とした複合材の開発• WP4ネットワーキング

出典 ：Tekes,“Innovative Cities ”“BEAM–Business with Impact”“BioNets–Network and Profit”

上記のプログラムの下、フィンランドにおいて実施されたプロジェクトについて表
10 に示す。
医薬品・ヘルスケア・バイオ分野を中心に開発が進められており、インドにおける展開を視野に入れたプロジェクトも実施されている。
表 10

プロジェクト一覧：フィンランド
F-A

番
号

プロ
共同事
グラ 参画主体（企
業者
ム番
業等）
(企業）
号

F-A

University ofEastern
N/A
Finland,

F01

F02

プロジェクト名

期間

予算
（千€）

ターゲット 技術種
分野
類

開発
段階

部材製
応用
造

F-B

F-C

プロジェクト概要

森林保全に際し、化学改質したタンニンやpyrolysis liquid fractions、ナノセルロース等の保全
物質を木材へ固定化する等の手法を検討する。本
手法のコンセプトを固め、今後の検討の基礎とする。

20162017

495 N/A

F-B

Betuliu CelluClean: Affordablem Oy, nanocellulose based nonAaltoTeollis electrical filters to eliminate
korkeakoulus uuden microbial contamination and
äätiö
Vesi
harmful compounds fromOy,
drinking water and waste
water

20162018

307

F03

F-C

UPMKymmene
Oyj

N/A

Nanoskin

20162018

N/A

医薬品・ヘ 部材
ルスケア・ （複合
バイオ
材）製
造

応用

医療用途にて活用の可能性があるナノセルロース
について、傷の治療への応用を検討する。ナノセル
ロースの活用は、UPMの森林分野における新たな重要ビジネスとして位置付けている。

F04

F-C

UPMKymmene
Oyj

N/A

Wood-to-biomedical platform for building a new
Finnish ecosystem

2017－
N/A
2018

医薬品・ヘ 部材
ルスケア・ （複合
材）製
バイオ
造

基礎

ナノセルロースの、医薬品用途への応用をめざし、中小企業や医療関係者のネットワークを構築する。
またナノセルロースやその他木質由来の製品の用途や診断ツールとしての適用可能性を研究する。

SafeWood

医薬品・ヘ
ルスケア・ 製品製
実用
バイオ
造

インドにおける適用をめざし、,ナノセルロースを用いて、水浄化装置を製造する。残りの浄化能力を示
すようなセンサーも搭載する。

出典 ：Tekes,“Open datastore house-Projects each for public research and corporate projects in Tekes
programs”

172

(5) ノルウェーにおける政策動向
ノルウェーにおける CNF 関連政策動向を図 5 に示す 。
ノルウェーは、研究開発を金融的に支援する政府組織ノルウェー・リサーチ・カウ
ンシル（RCN,The Research Council of Norway）が中心となり支援を行っている。イ
ノベーションの基礎となる持続可能なソリューションを開発し、資源の持続可能な利用といった社会課題に対応することを目的とし、ナノテクノロジーや新素材の育成に
取 り 組 ん で い る 。 RCN は 医 薬 品 、 建 築 、 パ ッ ケ ー ジ 材 料 の ほ か 、 石 油 業 界 等 を タ ー
ゲットとし、各プログラムを展開している。

＜基本方針＞• RCN（ノルウェー・リサーチ・カウンシル）は自国におけるナノテ
クノロジー、新素材育成の主な目的として以下を表明している
1. イノベーションの基盤となる、持続発展可能なテクノロジー
ソリューションを開発する
2. 環境調和型エネルギー開発、資源の持続可能な利用等、社会的課題へ対応する• RCNは基礎研究を支援するとともに、商業化に近い大規模プロ
ジェクトを支援するプログラム群（Large scale research
programme）も展開している＜支援体制＞• RCN（The Research Council of Norway, ノルウェー・リサー
チ・カウンシル）はナノテクノロジを含む科学技術等の研究開発
を金融的に支援する政府組織である• ナノテクノロジー全般に関連するプログラムNANO2021のみでなく、その他のプログラムにおいてもナノセルロース関連技術を支援している
RCN
BIOTEK
出資

NANO2021

PETROMASK2

出資

出資

＜予算＞
• RCNによるNANO2021の予算は2015年、2016年ともに92.1
百万ユーロ、2017年130百万NOKで、増加している

PES2020
プロジェクト
（研究開発、デモ生産）

出資・Horizon2020応募支援＜出口候補＞• RCNは医薬品・ヘルスケア・バイオ、建築、石油、パッケージへの適用をめざし、具体的なプロジェクトの支援を行っている＜商用化に向けた課題＞• 北欧におけるナノテクノロジーの成長について考察したOECD
レポート（2014.3発行）では、ノルウェー、フィンランド、スウェーデンが持つCNF商用化の共通課題として下記を指摘している
 生産スケールアップに適用する技術力向上
 商用化の潜在性より、実現性重視の適用分野模索
 川上から川下まで一連のバリューチェーン創出と、それに参加する企業の確保
 根本的な革新に向けた研究開発資金の確保

医薬品産業

建築

パッケージ材料

エネルギー産業（石油回収剤）【参考】 1NOK = 14.0円(TTS)、三菱UFJリサーチ＆コンサルティング2017年7月11日

図5

ノルウェーにおける CNF 関連政策動向

出典 ：The Research Council of Norway,“Homepage-The Research Council of Norway”、OECD,“Impact of nanotechnology on green and sustainable growth :Micro-and nanofibrillated cellulose”（2014.3.13）

ノルウェーにおけるプログラム一覧を表 11 に示す。
ノルウェーは、RCN が CNF に関連するプログラムを展開しており、BIOTEK2021（NA）や NANO2021（N-B）にて商業化に近い大規模プロジェクトの支援を行っている。その一方で、PETROMASK2（N-C）で石油分野における基礎・応用研究を支援し、PES2020（N-D）で Horizon2020 への応募を支援するなど基礎力の向上も支援している。

173

表 11
番
号

プログラム一覧：ノルウェー

機
関

プログラム

プログラムの最終目標と目的

期間

取組状況

Large-scale Programme for
N-A RCN Bioteknologi for verdiskaping、（BIOTEK2021）

 農業、海洋、産業、ヘルスセクターにおける研究 2015年に医薬品・ヘルスケア分野でナノセルロー
成果をバリューチェーンの創出につなげることをスを接着剤・吸収剤等を開発し、海洋バイオ会社
2012－
目的とし、大規模で商業化における課題がより明の設立を目指すプロジェクトを採択している2021
 2017年までに457プロジェクトに計846百万NOK拠確になった案件の支援を重点的に行う
 初年度2012年の予算は145百万NOK
出している

Large-scale Programme for
N-B RCN Nanotechnology and Advanced
Materials (NANO2021)

 基礎研究を行うこと、革新的な応用技術を開発し 2014年には製紙会社の工場におけるパイロット
産業レベルでの問題解決の基礎を構築すること
規模のプラントを導入するプロジェクトを採択して
2012－
を目指す
いる
 10年間の総額予算は923百万NOK
2021
 2017年までに377プロジェクトに計619百万NOK拠 エネルギー、気候変動、医療、天然資源、健康分
出している野を優先分野とする

Large-scale Programme for
N-C RCN Petroleum Research（PETROMAKS2）

 環境影響を低減させ、既存油田からの回収率向上、新たな油田の開発、より費用対効果がよい採掘技術に関する、基礎・応用研究を支援する。
 初年度2013年の予算は239百万NOK

 2015年にナノセルロースを用いて油の回収率向2013－
上を目指すプロジェクトを採択している
2022  2017年までに728プロジェクトに計1,416百万NOK
拠出している

Project Establishment Support
N-D RCN directed towards H2020(PES2020)

 ノルウェーからのHorizon2020応募者を支援することが目的
 Horizon2020は競争の激しいプログラムであり、応募や獲得に当たってはノウハウと時間が必要となるため、その応募準備を支援する

 2014年に3Dプリンティングによる複合材の製造を2014－
目指すプロジェクトを採択している2020  2017年までに1,183プロジェクトに計383百万NOK
拠出している出 典 ： The

Research

Councilof Norway,“Homepage-BIOTEK2021”“Homepage-NANO2021”“Homepage-

PETROMAKS2”“Project Establishment Support directed towards H2020-The Research Council of Norway”

上記のプログラムの下、ノルウェーにおいて実施されたプロジェクトの一覧を表 12に示す。
BIOTEK2021（N-A）１件や NANO2021（N-B）３件では接着剤や増粘剤など、CNF の高粘度である点に注目したプロジェクトが多く、ターゲット分野としては石油業界を検討している。PETROMASK（N-C）１件では石油業界でのプロジェクトを、PES2021（N-D）
１ 件 で は 3D プ リ ン テ ィ ン グ を ナ ノ セ ル ロ ー ス 製 造 に 適 用 す る プ ロ ジ ェ ク ト のHorizon2020 への応募を支援している。

174

表 12

プロジェクト一覧：ノルウェー
N-A

番
号

N04

プロ
共同事
グラ 参画主体（企
業者
ム番
業等）
(企業）
号

N-A

UNIVERSITETET IBERGEN

N/A

N01

N-B

PAPIR OGFIBERINSTI N/A
TUTTET AS

N03

N-B

TREKLYNGENHOLDING

N06

N-B

N/A

Instituttsektor / Øvrige
N/A
forskningsins
titutter /RISE PFI AS

Instituttsekt
or / Øvrige
forskningsin
NN-C stitutter
N/A
05/RISE PFIAS

NRISE PFI
N-D
AS
02

N/A

プロジェクト名

期間

予算
（百万
NOK）

ターゲット 技術種
分野
類

開発段
階

N-B

N-C

N-D

プロジェクト概要

Ciona nanocellulose for large
2015 volume and high value
2017
applications

医薬品・ヘ 素材製
10 ルスケア・ 造、部 応用
バイオ
材製造

効率、経済性、環境フットプリントを最小化するために、Cionaセルロースとナノセルロースの調製を最適化する。産業界のパートナーと協力して、大量の接着剤、吸収性、コーティング、および医療関連のアプリケーションを開発する。海洋バイ
オ会社を設立も目指す。

The
NORwegiannanoCELlulose Technology
Platform

20132018

パッケー
25 ジ、石油産業

素材製造、部 基礎材製造

今後のプロジェクトの基礎となるよう、木材や森林業・農業残渣を用いたCNCとCNFの製造、変性処理、形態の管理、化学的構造や三次元構造に関するプラットフォームを形成するものであり、用途としては紙や包装材分野、石油産業、再利用を検討する。

Nanocellulose Production in a 2014holistic Biorefinery approach 2017

9 石油産業

素材製 導入実造
証

石油採掘現場でのテスト使用に提供すべく、デモ
ンストレーション規模の設備を建設し、ナノセルロースを製造する。原料としては化学パルプと木質チップ双方を検討する。

Development of highperformance viscosifiers andtexture ingredients forindustrial Applications basedon Cellulose Nanofibrils(CNF)2015 20189.7 建築

部材
（複合
材）製
造

基礎

Green high performancesystems for Enhanced Oil
Recovery2015 201812.3 石油産業

部材
（複合
基礎
材）製
造

3D printing of
nanocellulose-based
biocomposites

20142016

0.04 N/A

部材
（複合
応用
材）製
造

出典 ：The Research Council of Norway,“Project Search”

175

セルロースナノフィブリルを基盤とした工業用高粘度増粘剤およびテクスチャー成分を開発し、セメントやコンクリートの改良に役立てることを目指す。ナノセルロース分散液、エマルション、コロイ
ド、ゲルに関する基礎研究を行う。

ナノセルロースは、粘度を増加させることによって、単独で油回収率を高めることができる。ナノセルロースと他の添加剤とを組み合わせることにより、油回収促進（EOR）に対する相乗効果を得ることができる。このプロジェ
クトCNFをEORに用いた際の、洪水能力、相乗的レオロジー調整、細孔橋渡しおよび微生物劣化に対する耐性など基礎的事項を調査・評価する。
事業目的はナノセルロース強化繊維の品質向上であり、バイオコンポジット製品の使用の幅を拡げるために、3Dプリンティングによる構造化を試みる。
（Horizon2020への応募を支援するプログラ
ムにて採択）

(6) スウェーデンにおける政策動向
スウェーデンにおける CNF 関連政策動向を図 6 に示す。
スウェーデンは、OECD レポートにて指摘のあった製造プロセス向上という課題がある中、政府組織 VINNOVA、民間の研究機関 Innventia（現 RISE）、スウェーデン王立工科 大 学 内 部 の ヴ ァ レ ン ベ リ 木 材 科 学 セ ン タ ー （ WWSC ： Wallenberg Wood Science
Center）が協業し、課題解決を試みている。VINNOVA は持続可能な成長の牽引策として CNF を推進しており、スウェーデンの各研究機関はロードマップを作成し、普及に向けた取り組みを進めている。ターゲット分野としてはパッケージ、自動車、建設、
情報通信産業等を想定している。

＜基本方針＞• VINNOVAは政府としてﾅﾉﾃｸﾉﾛｼﾞｰを含む革新的な研究開発ﾌﾟ
ﾛｼﾞｪｸﾄに投資を行うにあたり、下記のﾐｯｼｮﾝを掲げている
 イノベーションを実現するための社会環境を構築するとともに、社会的ニーズに対応した研究を支援することで、持続可能な成長を図る＜予算＞• VINNOVAのR&D予算は2015年に4,115百万SEK、2016年に4,679百万SEKと増加傾向＜支援体制＞• VINNOVA*¹は科学技術を含む革新的な研究開発プロジェクトに金銭的支援を行う政府組織で、ナノセルロース関連研究開発にも出資している• Innventiaは製紙分野の研究を専門とする研究機関であり、様々な企業とともにCNFの商用化に取り組んでいる• KTH（ｽｳｪｰﾃﾞﾝ王立工科大学）及びKTH内部の木材科学研究
所WWSCは、CNFの基礎研究を行っている
Innventia（産）

VINNOVA（官）出資

ﾊﾟｰﾄﾅｼｯﾌﾟ
プロジェクト＜ロードマップ＞• Innventiaを含むスウェーデン国内研究機関は「Roadmap to2015 to 2025 Materials from Nanocellulose」を策定し、ナノセ
ルロースの普及向けて目標を立てている
 By 2018：国内共通のテクノロジープラットフォーム確立
 By 2020：企業との密接な連携で効率的な製造ﾌﾟﾛｾｽ実証
 By 2025：ﾅﾉｾﾙﾛｰｽﾍﾞｰｽの高性能素材及びﾌﾟﾛﾀﾞｸﾄ生産

KTH/WWSC（学）技術

民間企業（産）Stora Enso 等（研究開発、デモ生産）

出資※注1：企業・イノベーション省（The Ministry of Enterprise and Innovation ）の傘下組織＜出口候補＞• 上記ﾛｰﾄﾞﾏｯﾌﾟでCNFの活用分野は以下を言及している＜商用化に向けた課題＞• 前頁のノルウェー記載内容と同様• InnventiaはCNF商用化に向け下記課題解決にﾌｫｰｶｽしている
 特性の評価方法（Characterization Method）開発
 CNFの特性をコントロール・調整できる製造プロセス開発

パッケージ産業

自動車産業（軽量化素材）

建築（軽量化建材）

情報通信産業（新素材）【参考】 1SEK = 13.95円(TTS)、三菱UFJリサーチ＆コンサルティング2017年7月11日

図6

スウェーデンにおける CNF の関連政策動向

出 典 ： OECD, “ Impact of nanotechnology on green and sustainable growth: Micro-and nanofibrillated
cellulose ”（ 2014.3.13 ）、 RISE Research Institutes of Sweden, “ Swedish research creating growth ”、Wallenberg Wood Science Center,“WWSC”、VINNOVA,”ÅRSREDOVISNING2016”, RISE,“Roadmap to 2015 to 2025
Materials from Nanocellulose”

スウェーデンにおけるプログラム一覧を表 13 に示す。
Innventia が実施する「Innventia Research Programme2015-2017」、WWSC が実施する ProjectⅡ、Ⅲとも個別プロジェクトの詳細情報は非公開であったため、事業一覧には掲載していない。

176

表 13
番
号

機
関

プログラム一覧：スウェーデン
プログラム

―

Innve Innventia Research Programme
2015-2017
ntia―

WWS Project II Wood Nanotechnology,
C
Processing Fundamentals―

WWS Project III Wood Nanotechnology,
C
Materials and Devices

プログラムの最終目標と目的

期間

 ナノフィブリルセルロース（NFC）を含む7つのプログラム
エリアからなる NFCに関しては用途開発を促進すべく、NFCの生産から、 2015－2017
各形状への展開、要求物性の研究を行うにあたって、
Innventiaのパイロット設備を開放する

 コロイドやゲル状のバイオポリマーにおける分子レベルのコントロール方法を検討する

 セルロース由来のナノ物質のコントロールや物性改善を検討する
 湿度への反応や機械特性向上のメカニズムを解明することを試みる

N/A

N/A

N/A

N/A

N/A

出典 ：Innventia,“Innventia Research Program 2015-2017–Innventia”、Wallenberg Wood Science Center,“Project II and III–Wood Nanotechnol”

177

取組状況

(7) EU における政策動向
EU における CNF 関連政策を図 7 に示す。
EU は、欧州委員会による森林分野研究コンソーシアム Wood Wisdome-Net や、欧州全体の研究開発プログラム Horizon2020 を通じた欧州のグローバル競争力強化方針の一環として、ナノセルロース開発研究への投資・規格標準化に取り組んでいる。ター
ゲット用途としては、自動車、エレクトロニクス、パッケージ、航空、建築、医薬品・ヘルスケア・バイオ等を想定している。

＜基本方針＞• 欧州連合は優れた研究開発に投資するプログラム「HORIZON
2020」を実施しており（2014-2020）、最先端技術等の育成を通じて最終的には欧州のグローバル競争力確保することを目指している
 投資分野のうち「Nanotechnologies, Advanced Materials,
Biotechnology and Advanced Manufacturing andProcessing（NMBP）」が存在し、ナノセルロースに関する研
究開発プロジェクトを支援している＜予算＞• NMBPの予算について、2016年は231百万ユーロ、2017年は255百万ユーロと増加傾向＜支援体制＞• WoodWisdom-NetはECによる新しい研究開発・イノベーション
支援プログラムFP7の投資を受けて発足した、森林分野研究コンソーシアム（2017年11月まで存続）。ナノセルロースコンポジ
ットの製造プロセル研究等を実施している• ECは上記FP7の継続版としてHORIZON 2020を実施し、ナノ
セルロースを含む最先端技術開発研究を支援している• CEN（欧州標準化委員会）はナノテクノロジーに特化した技術委員会TC 352を設置し、規格策定・標準化に取り組んでいる
EU FP7及びHorizon2020（NMBP） （官）出資
WoodWisdom-Net（産）

出資（※出資PJ選定の際地域の多様性、
PJのｿｰｼｬﾙｲﾝﾊﾟｸﾄ等を考慮）
ﾊﾟｰﾄﾅｼｯﾌﾟ

企業・研究機関（産）、大学（学）＜出口候補＞• EUでは、自動車、エレクトロニクス、パッケージ、航空、建築、医薬品・ヘルスケア・バイオへの適用をめざし、具体的なプロジェ
クトの支援を行っている

プロジェクト
技術（研究開発、
国際フォーラム（Euro Nano Forum）開催）

CEN/TC 352（官）規格標準化

会員国の意見取りまとめ、 ※注1：European Conference on Standardization
for Nanotechnologies and Nanomaterials
会議*¹主催＜商用化に向けた課題＞• NMBPのﾜｰｷﾝｸﾞﾊﾟｯｹｰｼﾞはﾅﾉ材料の課題として以下に言及
 量産化と材料・エネルギーの効率向上による、コスト競争力
強化（Circular Economyへの貢献）

自動車

エレクトロニクス

パッケージ

航空

建築

医薬品・ヘルスケア・バイオ【参考】 1EUR = 131.64円(TTS)、三菱UFJリサーチ＆コンサルティング2017年7月11日

図7

EU における CNF 関連政策動向

出典 ：Wood Wisdom-net,“Joint Call2013-2017(JC4)”、European Commission,“Horizon 2020-Work Program 2016-2017：Nanotechnologies, Advanced Materials, Biotechnology and Advanced
Manufacturing and Processing”、European Committee for Standardization,“Nanotechnology”、Euro Nano Forum,“Euro Nano Forum2017–The 8th European Conference on Nanotechnology”

上述の Horizon2020 について、その概要を図 8 に示す。
欧州は、R&D の研究成果をイノベーション・経済成長・雇用につなげることを目的とし、研究枠組計画 FP７の後継として、Horizon2020 を実施している。14 のワークプ
ロ グ ラ ム の う ち 、 低 炭 素 技 術 と し て は 、「 安 全 、 ク リ ー ン 、 効 率 的 な エ ネ ル ギ ー 」（Secure, Clean and Efficient Energy）と「スマート、グリーン、統合された交通」（Smart, Green and Integrated Transport）が該当する。

178

• Horizon 2020は研究枠組計画（FP7）の後継であり、 2014年から2020年にわたって実施される予定となっている。
• 計14のワークプログラムが設定されおり、低炭素技術としては「安全、クリーン、効率的なエネルギー」（Secure, Clean and Efficient
Energy）と「スマート、グリーン、統合された交通」（Smart, Green and Integrated Transport）の2つのワークプログラムがある。
• Horizon 2020の総予算は約800億€(約11兆円)、上記の低炭素技術のサブプログラム予算枠は合計122億€ （約1.61兆円）となっている。
プログラムの統合の流れ

HORIZON2020のコンセプト

卓越した科
学

産業
リーダー
シップ

社会的
課題

FP7公募
開始

 世界トップクラスの科学者に対する研究支援
 訓練及びキャリア開発の機会の提供 将来・先端技術の開発
 EU研究インフラ

2007
2008

FP7最初のPJTの開始

2009
2010

競争力・
イノベーション
枠組計画
（CIP）

第7次研究
枠組計画
（FP7）

欧州
イノベーション
工科大学院
（EIT）

2011
 雇用創出の加速化
 イノベーション及び市場拡大の支援
 格付投資における民間投資の促進
 革新的な中小企業の参画強化

2012

FP7最後のPJTの開始

2013
2014
2015

 健康長寿化 安定的・効率的でクリーンなエネルギー 地球保全のための効率的資源利用
 イノベーションと社会セキュリティの統合
 安全かつ安定的な食料供給 スマートかつグリーンな交通

FP7最後のPJTの終了2016

HORIZON2020

2017

研究開発及びイノベーションのための枠組計画

2018
2019
2020

【参考】 1EUR = 131.64円(TTS)、三菱UFJリサーチ＆コンサルティング2017年7月11日

図8

Horizon2020 の概要

出典 ：Horizon 2020 The EU Framework Program for Research and Innovation 2014-2020（欧 州 委員 会 、2011年）

欧州連合におけるプログラム一覧を表 14 に示す。
欧州連合は、FP7、上述の Horizon2020 といった分野横断的な EU 全体のプログラムと、上述の Wood Wisdome-Net という森林分野に特化したプログラムの双方でナノセル
ロース開発を支援している。エレクトロニクスや医薬品・ヘルスケア・バイオに加え、自動車分野への展開を念頭に置いた研究開発を支援している 。
表 14
番
号

EUA

EUB

欧州連合のプログラム一覧
機
関

EU

EU

プログラム

プログラムの最終目標と目的

期間

取組状況

FP7

 ナノセルロース関連のプロジェクトは2012年以降に4件、
 各国独自の研究を超えて、EUとしての研究成果を出すこ自動車やエレクトロニクス分野で採択されているとを目指す包括的な研究プログラム

2007年は5.48billionを拠出し、年々増加し、2013年には
 EU産業の技術力を向上し、国際的な競争力の向上を目
10.84billionを拠出した
指す
2007－2013
 分野では通期でICTへの拠出が最も多く8,172百万ユ
 健康、食糧・農業・漁業・バイオ、ナノテクノロジー、エネ
ーロ、次いでIdeas7,229百万ユーロ、Health5,571百万
ルギー等10分野を対象とする包括的なプログラムであり、ユーロであり、ナノマテリアル関連（NMP）は3,183百万
総予算は50,521百万ユーロである
ユーロであった

Horizon2020

 FP7の後継であり、農業、エネルギー、交通等包括的な開発支援プログラムであり、総予算は77,028百万ユーロである 産業界と連携し社会課題の解決策を模索すること、イノ
ベーションの障害を取り除き社会普及を促進することを目指す 「ナノテクノロジーに関する先進的な素材と製造（Nanotechnologies, Advanced Materials and Production,
NMP）」 等にて、CNF/CNCに関する開発を支援している ナノセルロース関連のプロジェクトは2015年に自動車をターゲットとし、ガラス繊維補強材代替部材を開発するプロジェクトを採択している
2014－2020  直近2年で76,400以上の提案のうち、約9,200のプロジ
ェクトが採択されており、採択率は約12％となっている
 2016年9月までに9,000以上の協定が締結され、その総額は15,900百万ユーロであった 森林分野での各国のプログラムを統合し、欧州域内の研究を促進するコンソーシアム
Wood
 2004年から公募、支援をしており、JC4では23件採択され ナノセルロース関連のプロジェクトは2014年にラボレベ
EU- Wisd
Joint Call 4 （JC4）2013－2017ている
ルの研究が2件、医薬品・ヘルスケアと自動車分野で
Com 森林管理、産業プロセス、高付加価値製品、競争力ある採択されているNet
手法とのテーマの中で、高付加価値製品の一つとして名のセルロースを扱っている

出典 ：European Commission,“Homepage-FP7-Research-Europa”

上記のプログラムの下、欧州連合において実施されたプロジェクト一覧を表 15 に示す。
179

FP7 においては、エレクトロニクス、パッケージ、自動車等をターゲットとした応用研究を多く支援している。Horizon 2020 における AquaComp においては自動車市場
規模の推計を行い、Wood Wisdome-Net における自動車等を念頭に置いた ProNanoCell
では、自動車会社を含めた検討を行うなど、商品化を意識した取組が行われている。
表 15

欧州連合のプロジェクト一覧
EU-A

プロ
共同事
グラ 参画主体（企業者
プロジェクト名
ム番
業等）
(企業）
号
INSTITUTOTECNOLOGICO DELEU EUMIMEFUN (Biomimetics for
EMBALAJE, N/A-01 A
Functions and Responses)
TRANSPOR
番
号

期間

予算
（百万
NOK）

ターゲット分 技術種 開発
野
類
段階

EU-B

EU-C

プロジェクト概要

基礎

植物のもつ自己配列型の構造は機械的な強度が高い。そうした植物擬態構造を構成する自己配列型の複合材について、CNCやCNFを用いて補強すると耐熱性や収率などの機能を改善することが明らかになった。

EU EU-02 A

AXON
AUTO
Teknologian
INCOM (Industrial Production
MOTI
2013tutkimuskesk
Processes for Nanoreinforced
VE
2017
us VTT
Composite Structures)
LIMIT
ED他

パッケージ、
素材製
自動車、航
造、部
空機
1,574
材（複 応用合材）
製造

産業規模での、NFC解繊技術、NFCによる補強、複合材の開発を目指す。パッケージや自動車、航空分
野への展開を目指す。バイオ発泡体をNFCで補強することでPU発泡体と同程度の強度を示し、ラミネートにNFCを添加することで湾曲性能を改善できた。
また、NFCを複合させることでガラス繊維と同程度の強度を実現できる見込みである。

EU EU-03 A

KUNGLIGATEKNISKA
N/A
HOEGSKOL
AN

1,243

20122017

745 N/ATE Y
LOGISTICA

NANOPAD (Nano cellulose
based paper diagnostic
devices)20132017

LTM-CNRSGREENANOFILMS(Development and applicationof ultra-high resolution nanoobduc
2014organized films by selfat, ,2017assembly of plant-basedmaterials for next generation
opto- and bio-electronics)

EU EU-05 B

ELASTOPO
LI OY

N/A

AquaComp (Demonstrating
the unique properties of new
nanocellulose composite for
automotive applications)

20152017

EU EU-06 C

Innventia

Volvo
Processes for nanocellulose
CarsA
composite manufacturing
B,他(PRONANOCELL)

20142017

EU EU-07 C

VTTTechnical
Research
N/A
Centre ofFinlandis, 他

EU EU-04 A

Tunable lignocellulose-based 2014responsive films
2016

部材
（複合
材）製
造

エレクトロニ
クス

部材
（複合
材）製
造

応用

紙を用いた電子的な診断ツールに活用するセルロー
スフィルムを開発する。当初はナノセルロースを想定していたが、ミクロサイズのセルファンで透明性等の性能は足りることがわかった。

エレクトロニクス

素材製
造、部材（複 応用合材）
製造

光学エレクトロニクス、バイオエレクトロニクス向けの、バイオ素材を用いたナノ構造フィルムを開発する。9つのプログラムのうち、WP3とWP4にて透明なナノセルロースフィルムを扱い、CNCコーティングを行わないTEMPO酸化CNFフィルムやCNC製造手法について検討を行い、試作品も製作する。

素材製
造、部材（複 実用合材）
製造

自動車をターゲットとし、樹脂とナノセルロースの複合材AquaCompを開発する。複合後に乾燥するのではなく、水溶状態で複合することで、脱水に必要なエネルギーを節約でき、乾燥時に失われる強度を保つことができる。今後、生産規模の拡大が必要だが、ガラス繊維補強の複合材を10%代替する場合、
AquaCompの市場規模は2025年に200万トンと見
込まれる。

自動車,
建築

部材
（複合
材）製
造

応用

硬質包装や自動車、建設用途への適用を念頭におき、射出成形またシート成形によるプラスチック複合材を生成する。ナノフィブリル30%添加による曲げ特性向上を調査する。

医薬品・ヘル
スケア・バイ
5,115
オ、パッケー
ジ

部材
（複合
材）製
造

基礎

医薬品やパッケージへの適用を念頭に置いて、CNF
フィルムの特性を調査するための新たな手法を開発
し、CNF物質の構造や刺激への反応を研究した。これらの成果はセンサーを作る際の、耐水性の評価等に活用できる。

4,958

2,296 自動車375

出典 ：European Commission, “European Commission: CORDIS: Projects & Results Service: Home”

180(8) 韓国における政策動向
韓国における CNF 関連政策動向を図 9 に示す。
韓国は、山林庁傘下の研究機関、国立山林科学院を中心に、官学の連携のもとナノセルロース開発が進められている一方で、産業界を含めた協力関係は構築途上である。
産業界では技術力及び価格競争力の向上を課題として認識している。山林庁は産業現場の課題解決という方針のもと、エレクトロニクス、パッケージ、医療・ヘルスケ
ア・自動車産業等への適用を目指している。

＜基本方針＞• 山林庁は、国立山林科学院を通じてﾅﾉｾﾙﾛｰｽの基礎及び応用研究事業を持続的に推進するとともに、産・学を繋げるプラッ
トフォームとなり、産業現場が抱えている課題解決に向けて取り組んでいくことを表明している＜支援体制＞• 山林庁（KFS, Korea Forest Service）は、傘下研究機関である
国立山林科学院（NIFS, National Institute of Forest Service）
を中心に、国内大学との連携を通じてﾅﾉｾﾙﾛｰｽの研究開発を進めている• 民間ではLG、Moorim P&P、Asia Nanotech等の企業がﾅﾉｾﾙ
ﾛｰｽの商用化を推進している• 官・学の連携が形成され、大型ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄを実施している一方、産を含めた協力関係はまだ構築できていない
山林庁（官）

ﾊﾟｰﾄﾅｼｯﾌﾟ

出資

技術

＜予算＞
• 山林庁における“山林産業競争力強化のための予算”は2015
年1,875億KRW、2016年2,200億KRW、2017年2,383億KRWであり、増加している

国立山林科学院（官）ソウル大学（学） 等

プロジェクト
（研究開発、ﾊﾟｲﾛｯﾄ生産）

出資、技術（研究開発、ﾊﾟｲﾛｯﾄ生産）技術＜出口候補＞• 山林庁は2016年ﾅﾉｾﾙﾛｰｽの用途開発プロジェクト開始を発表
し、出口候補として下記に注力している

LG（産） 等

プロジェクト

ﾊﾟｰﾄﾅｼｯﾌﾟ

中堅・中小企業＜商用化に向けた課題＞• 韓国のLGグループはﾅﾉｾﾙﾛｰｽの研究・商用化に取り組んでおり、商用化の課題については2016年メディアとのインタビュ
ーで次の項目を挙げた
 生産工程の安定化等を含む、量産技術力の確保
 価格競争力の向上

エレクトロニクス

パッケージ産業

医薬品産業【参考】 1KRW = 10.14円(TTS)、三菱UFJリサーチ＆コンサルティング2017年7月11日

図9

韓国における CNF 関連政策動向

出典 ： 山林 庁 ,”Korea Forest Service”、 国 立山 林 科学 院 ,“산림청-국립산림과학원”、 化 粧品 新 聞,“뷰티 누 리-화 장품 신 문(Beautynury.com)::아 시아 나 노텍 ,중국 수출 탄 력”

韓国におけるプログラム一覧を表 16 に示す。
下記に示すよう、韓国においては、山林庁が主体となり高付加価値森林製品の開発を支援している。
表 16
番
号

機関

プログラム一覧：韓国
方針

 山林庁は高付加価値な森林製品の開発と認知度向上に向けて、森林技術改良に向けた研究開発マスタープランを作成している
K山林庁  気候変動への対応や森林資源のエネルギー転換等、低炭素かつグリーンなA
成長に不可欠なテーマを扱う
 安定的に結果を出すべく、基礎力向上のため研究への支援も実施する

出典 ： 山林 庁,”Korea Forest Service”

181

期間

取組状況

N/A

N/A

上述のプログラムの下、韓国において実施されたプロジェクト一覧を表 17 に示す。
韓国のプロジェクト１件においては、リチウムイオン電池への適用を検討するエレクトロニクス分野の研究と、化粧品への適用を検討する医療分野との分野横断的な検討がなされている。
表 17

プロジェクト一覧：韓国
K-A

番
号

プロ
グラ 参画主体ム番 （企業等）
号

共同事業
者(企業）

国立山林
科学院 /
ソウル大
学 / 江原
韓N/A 大学 /N/A
01
UNIST /
世宗大学
/ 順天郷
大学

プロジェクト名期間

ﾅﾉｾﾙﾛｰｽを活用したｴﾈﾙｷﾞ
2016ｰ及び医工学用先端新素材
2020
研究

予算
（百万
Won）

ターゲット 技術種 開発
分野
類段階

プロジェクト概要

ターゲット用途のひとつであるバッテリー（リチウ
ムイオン二次電池用分離膜）については、電極
エレクトロ副産物抑制のためのナノセルロース基盤の分
ニクス、 部材
離膜設計、TEMPOセルロース基盤の集電体設医療品・ （複合3,750
応用 計・製造を行う。
ヘルスケ 材）製
医療分野においては、薬物伝達可能なナノセル
ア・バイ 造ロース、ヒアルロン酸とalginate複合体の最適
オ）な製造条件を究明し、生物学的な安全性について評価する。

出典 ： 山林 庁,”Korea Forest Service”

182