SPMC Technical Review
セルロース配合樹脂「STARCELⓇ」の構造材料への応用
Application of cellulose resin composites (“STARCEL🄬”) to structural
material

星光ＰＭＣ株式会社
技術本部 寺尾 雄也
吉村 知章
黒木 大輔
が期待できる。

1. はじめに

一方、CNF 配合による樹脂の耐衝撃性能の低下や、コストの問題から本格的な普及には至っておらず、当近年、持続可能な社会構築に向けた取り組みに関社においてもこれら課題の解決へ向けて取り組んで心が集まり、また世界中で活発化している。中でもプいる。本稿では構造材料向けセルロース配合樹脂とラスチック材料分野においては、化石資源の枯渇にして、CNF 配合樹脂 STARCELⓇ NC シリーズ、耐衝よる原料不足、廃プラスチックや海洋プラスチック等撃性を改善したセルロースマイクロファイバー配合樹による環境汚染が世界的課題となっており、日本でも

脂 STARCELⓇ HC シリーズの特徴、および低コスト2019 年に策定されたプラスチック資源循環戦略にお化へ向けた取り組みについて紹介する。

いて、バイオマス素材の有効活用やリサイクルの推進が唱えられている。
セルロース繊維は、植物木材などのバイオマスで2. STARCELⓇの製造法

非可食な資源を原料としていることに加え、再生可能であることからカーボンニュートラルを可能とする。セ

一般的に CNF はセルロース繊維を水に懸濁させそ

ルロース繊維をナノレベルまで解したセルロースナノのまま機械処理するか、化学的な前処理によりイオファイバー（CNF）は、高強度、高弾性率、低線熱膨ン性を付与した後、機械処理を施すことで繊維を細く張係数、ナノメートルオーダー幅の微細な繊維形状解す（水中で解繊する）ことで生産されている 2), 3)。一による大きいアスペクト比、大きい比表面積などの特方当社では、疎水化したセルロース繊維と熱可塑性徴を有することから、様々な用途での活用に向けた樹脂を溶融混練することで、樹脂中でナノ解繊・ナノ研究が行われている。当社においてはセルロース繊分散させるパルプ直接混練法 4)「京都プロセス」を用

維表面を疎水変性することで、通常は困難な PP やいて CNF を製造している（図１）。京都プロセスでは、PE 等の汎用熱可塑性樹脂への CNF 分散を可能と溶融混練の過程で幅数十 μm のセルロース繊維がし、樹脂の補強、発泡体・ゴムへの適用 1)を中心に開外側からほぐれていき、幅数十から数百 nm の CNF発を進めている。になる。この為本製造方法において、CNF はポリエ

中でも構造材料と呼ばれる自動車の内装・外装、家チレン（PE）やポリプロピレン（PP）といった熱可塑性電製品の筐体、建築材料などは大きな市場であり、樹脂中に分散された状態で得られる。京都プロセス

CNF の配合により樹脂の強度向上・軽量化が可能とは水中で解繊した CNF を使用する方法と比べ、水のなれば、これらの分野で用いられている数多くの金属除去によるエネルギーロスが小さく効率の良い CNF

材料や樹脂材料を CNF 配合樹脂に置き換えること配合樹脂の製造方法といえる。また、当社の特徴で
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セルロース配合樹脂「STARCELⓇ」の構造材料への応用あるセルロースの疎水化技術により、PE や PP といっ対して、本来親水性のセルロースを凝集させることなた熱可塑性樹脂、ゴムといった種々の疎水性樹脂にく分散可能となり、高い補強効果が得られている｡

図 1. ＳＴＡＲＣＥＬⓇ の製造プロセス（京都プロセス）

3. 構造材料向け STARCELⓇの特徴
CNF は軽量、高強度、高弾性、低線熱膨張といった種々の優れた特性を持っており、樹脂との複合化によりバイオマス度向上といった環境面の特徴だけでなく、様々なユニークな特徴が得られることがわかってきている。ここでは（１）強度向上による軽量化、（２）リサイクル性、（３）成形収縮抑制について紹介する。
図 2. STARCELⓇ NC ｼﾘｰｽﾞの曲げ弾性率と曲げ強さ

３－１．強度向上による軽量化
図２に構造材料用途向け CNF 配合 PP （NC シリ３－２．リサイクル性ーズ）の射出成形体の強度物性を示す。CNF 配合量

NC シリーズと、ガラス繊維（GF）を 20%配合したの増加に伴い、曲げ弾性率、曲げ強さが向上した。

PP の成形を繰り返すことで、物性がどのように変化

CNF は一般的な補強繊維の中でも低比重であるため、強度向上による樹脂の薄肉化により軽量化 がするか（リサイクル性）を図３に示した。GF 配合 PP は可能であることが示された。

リサイクル数を増やすとともに GF の切断が起こるため、強度、弾性率が低下し、4 回リサイクルすると強度が 3 割も低下する。一方、CNF 配合 PP はリサイ
クルを繰り返しても物性低下が 1 割未満に抑制されること が明らかとなった。これは、射出成形時に発生するランナー、スプール、或いは切削加工時に発生する端材などの工程内リサイクルや、製品を回収
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セルロース配合樹脂「STARCELⓇ」の構造材料への応用

し再利用するマテリアルリサイクルが可能であることりが無く木質感のある外観の造形物が得られている。

を示している。更に、CNF 配合 PP は焼却処分する
際に熱エネルギーとして回収するサーマルリサイクルも可能との利点がある。

図 4. ＣＮＦ配合ＰＬＡの収縮率

図 3. リサイクル回数と曲げ物性（リサイクル前を１００とした指数）
３－３．成形収縮抑制
熱可塑性樹脂は熱をかけて溶融した樹脂を再び冷却固化することで成形される。固化する際には体積が減少するが、減少した比率は収縮率と呼ばれる。

図 5. ＣＮＦ配合ＰＬＡの３Ｄプリンター造形物

特に PP や PE などの結晶性樹脂は収縮率が大きく、（ホッティーポリマー（株）様ご提供）狙った寸法とは異なった成形体が得られるため、一般的に射出成形では収縮率を考慮し金型寸法を設

4. 高耐熱 ・高耐衝撃グ レード STARCEL Ⓡ
HC シリーズ計するといった対応をとる。
一方、近年家庭用にも普及が進んでいる FDM 方式(熱溶解積層方式)の 3D プリンターでは、樹脂の収縮現行品 NC シリーズはセルロース配合量を増やす

により反りが発生し設計通りの造形物が得られない

につれ弾性率 、強 度、耐熱性（荷重 たわみ温度：

ことが大きな問題となる。そこで CNF の配合により樹HDT）が向上することから、剛性や耐熱性の必要な脂を補強し収縮を抑制することで、FDM 方式 3D プリ

用途においてお客様でご評価頂いている。一方で衝ンターによる造形性向上を図った。FDM 方式 3D プリ

撃強度が低下する欠点があることや、成形時の着色ンターにおいて一般的に使用されるポリ乳酸（PLA）により意匠が制限されてしまうことから、衝撃強度向に CNF を配合した成形体の収縮率を図４に示す。

上やさらなる淡色化の要望が多い。

元々収縮率の低い PLA であるが、CNF 配合量を増そこで、曲げ引張物性は若干劣るものの、衝撃強やすにつれさらに収縮率を低減させることができ、よ度や HDT、成形時の着色を大幅に改善した HC シリり高精度な造形を可能とすることが示唆された。図５ーズを開発した。HC シリーズは非木材パルプを原料にホッティーポリマー（株）様にて実際に 3D プリンタとし、セルロース繊維の疎水化方法を見直すと共に、ーで造形した CNF 配合 PLA の造形見本を示す。反セルロース繊維の解繊の程度を調整することで耐熱3SPMC Technical Review 2023, No.2

セルロース配合樹脂「STARCELⓇ」の構造材料への応用性と耐衝撃性の向上に成功した。表１及び図６に現形して得られた試験片の曲げ引張物性、衝撃物性、行品 NC シリーズ及び開発品 HC シリーズを射出成

HDT の評価結果を一例として示す｡

表 1. 構造材料用ＳＴＡＲＣＥＬⓇの物性比較

HC シリーズのセルロース繊維を撮影した走査電子顕微鏡（SEM）写真を図７に示す。マイクロサイズの繊維表面にナノサイズの繊維が存在していることがわかる。表面の微細化した繊維が CNF の性能を発揮するとともにマイクロサイズの繊維が耐衝撃性に寄与していると考えられる。また図８に NC シリーズ
及び HC シリーズのセルロース配合率 40%のペレット外観を示す。HC シリーズは NC シリーズと比べ着色が抑えられており、意匠性改善も可能である。図９は HC シリーズと NC シリーズに使用している変性セルロースの TGA(熱重量分析)結果である。HC シリー
ズに使用している変性セルロースは熱による重量減少が抑えられており、混練時のセルロースの分解を抑制することで分解物（ヒドロキシメチルフルフラール、レボグルコサン、タール等）による着色を抑えることができていると考えられる。HC シリーズは 10 月の提供開始を目指している。

図 6. 構造材料用ＳＴＡＲＣＥＬⓇの衝撃強度と荷重たわみ温度

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5. 高生産性プロセス確立に向けた取り組み
CNF は前述の様な優れた特性を持つことから、食品、化粧品、レジャー・スポーツ用品などの分野で実用化が進んでいる。その一方で、市場ニーズの高い構造材料用途では実用化が殆ど進んでいない。この
構造材料分野で CNF を本格的に普及させるためには、前項のような材料としての特性に加え、更に生産コストを下げることが必要である。そこで当社では2020 年より国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の助成事業にて CNF 配

図 7. ＨＣシリーズのセルロース繊維のＳＥＭ画像

合樹脂の物性改善と製造コストの削減を目指してCNF 配合樹脂の製造プロセス開発を行っている。より具体的には CNF 配合樹脂、及びその中間体である変性セルロースの製造プロセスの改良検討を行っている。CNF 配合樹脂の製造は２項で述べた京都プロセスを採用しており、同プロセスでは溶融混練時にセルロースのナノ解繊を行う。この為、生産性を上げるために吐出量を増やすと 2 軸混練機中の原料滞留時間が短くなりセルロースの解繊性が低下し、それに図 8. NC ｼﾘｰｽﾞ及び HC ｼﾘｰｽﾞの外観(ｾﾙﾛｰｽ分 40%)伴い複合材料の物性が低下する。そこで、2 軸混練機の混練条件を見直すなどの改良を行った。図１０に高吐出条件で得られた混練物を熱プレスしたフィルムの写真を示す。従来プロセスで得られた材料にはセルロースの未解繊物（写真中の白点）が散見されるが、改良プロセスで得られた材料にはセルロースの未解繊物が見えず、解繊性が向上していることがわかる。また、図１１に生産速度と曲げ弾性率の関係を示す。改良プロセスでは滞留時間が短くなっても良好な分散性を確保できるため、物性を維持しながら生産性を従来の 3 倍以上に上げられる見通しが立った。加えて、混練時の良品比率が向上したことから製品の歩留り向上の目途も得ることが出来た。得られ

図 9. ＮＣシリーズ及びＨＣシリーズに使用しているた混練物については基礎物性の評価に加え、自動車変性セルロースのＴＧＡ曲線部材としての実用物性評価も行っている。引き続き高生産性を維持しながら物性の更なる改善を図り開発を進めていきたい。

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6. まとめ構造材料向け CNF 配合樹脂として、耐衝撃性、耐熱性を向上させた HC シリーズを開発した。またプロセスの改善により大幅なコストダウンの見通しも立ってきている。CNF は非常に可能性を秘めた素材であるものの、未だそのポテンシャル全てを発揮させることができているとは言い難い。また工業材料として広図 10. 混練物のプレスフィルム（高吐出条件、く普及するためにはコストの問題が非常に大きい。お左：改良プロセス、右；従来プロセス）

客様、関係各所との協 業により開発を加速させ、CNF 普及により環境、社会の持続可能性の向上に貢献すべく引き続き課題解決に向けて取り組んでいきたい。
＜参考文献＞
1) 宮森良, 紙パルプ技術タイムス, 6, 19-22（2023）.
2) 磯貝明, 紙パルプ技術タイムス, 6, 9-19（2021）.
3) 遠藤貴士, 紙パルプ技術タイムス, 6, 21-25（2021）.
4) Y. Igarashi, A. Sato, H. Okumura, F. Nakatsubo, H. Yano,
Chemical Engineering Journal, 354, 563–568 (2018).

図 11. ＣNF 複合材料の生産速度と曲げ物性の関係（NEDO プロジェクト成果）
研究者プロフィール
星光 PMC 株式会社

星光 PMC 株式会社

技術本部

技術本部

CNF 事業推進部

CNF 事業推進部

寺尾 雄也

課長 黒木 大輔

(Yuya Terao)(Daisuke Kuroki)

星光 PMC 株式会社
技術本部
CNF 事業推進部
主任 吉村 知章
(Tomoaki Yoshimura)

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