セルロースナノファイバー強化樹脂材料製造「京都プロセス」の開発と環境素材への展開

京都大学生存圏研究所 矢野浩之

木から作ったクルマ？

https://www.youtube.com/watch?v=XM0uEmtek1E 2

木から作ったクルマ？

3

環境省Pj 平成28年度～平成31年度（令和元年度）
コンソーシアム設立：平成２８年10月26日

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～PJリーダー
臼杵京大特任教授（元豊田中央研究所）•4 4

東京ﾓｰﾀｰｼｮｰに出展したｺﾝｾﾌﾟﾄｶｰ
ルーフパネル(PC-CNF 15)
ﾄﾖﾀ自動車東日本

ﾎﾞﾝﾈﾝﾄ(CNF 100)
利昌工業

木からつくったミライのクルマ
植物由来の次世代素材CNF活用で、 軽量化にチャ レ ン ジ！

❹ﾊﾞｯｸﾄﾞｱｶﾞﾗｽ(PC-CNF 15)
ﾄﾖﾀ自動車東日本

ﾘｱｽﾎﾟｲﾗｰ(PP-CNF 10)
ｷｮｰﾗｸ

❻❸

ﾄﾞｱｱｳﾀｰﾊﾟﾈﾙ(PP-CNF 10)
ﾄﾖﾀ紡織

❶❺

ﾄﾞｱﾄﾘﾑ(PP-CNF 10)
ﾄﾖﾀ紡織❷ﾎｲｰﾙﾌｨﾝ(PA6-CNF 10)
京都大学❿ｱﾝﾀﾞｰｶﾊﾞｰ(PP-CNF 10)
ｷｮｰﾗｸ

❼⓭

ﾊﾞｯﾃﾘｰｷｬﾘｱ(PP-CNF 20)
ﾄﾖﾀ車体
参考出展

ﾙｰﾌｻｲﾄﾞﾚｰﾙ(Al/CNF 紙)
昭和丸筒❾
ﾊﾞﾝﾊﾟｰｻｲﾄﾞ(PA6-CNF 10)
京都大学
ﾌﾛｱ部材(Epoxy-CNF)
金工大、TCD⓬⓫❽

ﾊﾟｹﾄﾚﾌﾛﾝﾄｶﾊﾞｰ(PP-CNF 10)
ｲﾉｱｯｸ

5

NCV

環境省提供

6

NHK サイエンスゼロ 2005
7

セルロースナノファイバー

拡大

8パルプのナノ構造

巾10nmの均一ナノファイバー！

9

パルプの解繊Pulp

R32

R2

H2

R4

H6

R8

H14

R16

H30

10

セルロースナノファイバー

拡大

11

セルロースナノファイバー

樹木細胞

10-20nm
セルロースナノファイバーMark Harrington, University of Canterbury, 1996を改変

１兆トンの蓄積！
⽊材細胞壁中のCNF
 全ての植物細胞の基本骨格ナノファイバー
 １兆トンの蓄積：持続的再生可能資源12木材の構造セルロース ナノファイバー

細胞構造

爪楊枝

分子レベル構造 10-20nm
細胞壁構造
ナノファイバー構造
13紙 (×100)

150μm
14

樹脂複合材に用いられる繊維との比較
CNF/
リグノCNF

炭素繊維(PAN系)

アラミド繊維(Kevlar® 49)

ガラス繊維

密度（g/cm3）
引張弾性率（GPa）
引張強度（GPa）

1.6
140
3

1.82
230
3.5

1.45
112
3

2.55
74
3.4

価格（円/kg）

500

3000

5000

200～300

リグノCNFは、ガラス繊維より軽く、また、強度、弾性率などの力学的性能はアラミド繊維と同程度ですが、ナノ繊維であるため比表面積が大きく、射出成形可能な短繊維強化樹脂複合材として比較した場合、炭素繊維やアラミド繊維、ガラス繊維に比べ高い補強性が期待で15きます。成形体の表面平滑性、精密加工性にも優れています。

木質の本質：セルロースナノファイバー(ＣＮＦ) 全ての植物細胞の基本骨格物質 1兆トンの蓄積（埋蔵石油資源の6倍）・持続型資源
 高性能グリーンナノファイバー•

伸びきり鎖微結晶ポリマー•

幅：10-20nm, 長さ1μm以上•

軽量：1.5g/cm3•

高弾性：140GPa、 高強度：3GPa（鋼鉄の８倍の強度）•

低線熱膨張：0.1ppm/k (長さ方向)（石英ガラス相当）•

弾性率不変：-200℃～+200℃•高熱伝導性：ガラス相当耐•耐熱性：200℃付近から熱変性→化学変性で250℃付近まで耐熱化

16様々なナノファイバー源
矢野、他：H19年度ＮＥＤＯ国際共同研究先導調査より

⽊材

稲ワラ

砂糖キビ

キャッサバ

砂糖ダイコン

ジャガイモ

17様々な植物資源からのナノファイバー(H18,H19年度ＮＥＤＯ国際共同研究先導調査)

⽊材：ダグラスファー

稲ワラ

砂糖キビ絞りかす（バガス）

砂糖ダイコン絞りかす

キャッサバ絞りかす

ジャガイモ絞りかす

コットン（木綿）200 nmDiameters: From 20 um to 10-50 nm
1920

透明材料：均一ナノ繊維の可視光透明性を利用 2003
可視光波⻑に対し⼗分に⼩さいコンポーネントは散乱を⽣じない。透明な複合材料になる。

セルロースナノファイバー透明基板

有機EL素子CNF強化低熱膨張透明シート

鋼鉄の様に強くて、ガラスの様に熱膨張が小さく、プラスチックの様にフレキシブルな透明材料
京都大学有機エレクトロニクスデバイスPJでの開発
21

東京ﾓｰﾀｰｼｮｰに出展したｺﾝｾﾌﾟﾄｶｰ
ルーフパネル(PC-CNF 15)
ﾄﾖﾀ自動車東日本

ﾎﾞﾝﾈﾝﾄ(CNF 100)
利昌工業

木からつくったミライのクルマ
植物由来の次世代素材CNF活用で、 軽量化にチャ レ ン ジ！

❹ﾊﾞｯｸﾄﾞｱｶﾞﾗｽ(PC-CNF 15)
ﾄﾖﾀ自動車東日本

ﾘｱｽﾎﾟｲﾗｰ(PP-CNF 10)
ｷｮｰﾗｸ

❻❸

ﾄﾞｱｱｳﾀｰﾊﾟﾈﾙ(PP-CNF 10)
ﾄﾖﾀ紡織

❶❺

ﾄﾞｱﾄﾘﾑ(PP-CNF 10)
ﾄﾖﾀ紡織❷
ﾎｲｰﾙﾌｨﾝ
(PA6-CNF 10)
京都大学❿ｱﾝﾀﾞｰｶﾊﾞｰ(PP-CNF 10)
ｷｮｰﾗｸ

❼⓭

ﾊﾞｯﾃﾘｰｷｬﾘｱ(PP-CNF 20)
ﾄﾖﾀ車体
参考出展

ﾙｰﾌｻｲﾄﾞﾚｰﾙ(Al/CNF 紙)
昭和丸筒❾
ﾊﾞﾝﾊﾟｰｻｲﾄﾞ(PA6-CNF 10)
京都大学
ﾌﾛｱ部材
(Epoxy-CNF)
金工大、TCD⓬⓫❽

ﾊﾟｹﾄﾚﾌﾛﾝﾄｶﾊﾞｰ(PP-CNF 10)
ｲﾉｱｯｸ

22

最終試作車（コンセプトカー、ドア開放時）外観写真

NCV

東京ﾓｰﾀｰｼｮｰに出展したｺﾝｾﾌﾟﾄｶｰ
ルーフパネル(PC-CNF 15)
ﾄﾖﾀ自動車東日本

ﾎﾞﾝﾈﾝﾄ(CNF 100)
利昌工業

木からつくったミライのクルマ
植物由来の次世代素材CNF活用で、 軽量化にチャ レ ン ジ！

❹ﾊﾞｯｸﾄﾞｱｶﾞﾗｽ(PC-CNF 15)
ﾄﾖﾀ自動車東日本

ﾘｱｽﾎﾟｲﾗｰ(PP-CNF 10)
ｷｮｰﾗｸ

❻❸

ﾄﾞｱｱｳﾀｰﾊﾟﾈﾙ(PP-CNF 10)
ﾄﾖﾀ紡織

❶❺

ﾄﾞｱﾄﾘﾑ(PP-CNF 10)
ﾄﾖﾀ紡織❷
ﾎｲｰﾙﾌｨﾝ
(PA6-CNF 10)
京都大学❿ｱﾝﾀﾞｰｶﾊﾞｰ(PP-CNF 10)
ｷｮｰﾗｸ

❼⓭

ﾊﾞｯﾃﾘｰｷｬﾘｱ(PP-CNF 20)
ﾄﾖﾀ車体
参考出展

ﾙｰﾌｻｲﾄﾞﾚｰﾙ(Al/CNF 紙)
昭和丸筒❾
ﾊﾞﾝﾊﾟｰｻｲﾄﾞ(PA6-CNF 10)
京都大学
ﾌﾛｱ部材
(Epoxy-CNF)
金工大、TCD⓬⓫❽

ﾊﾟｹﾄﾚﾌﾛﾝﾄｶﾊﾞｰ(PP-CNF 10)
ｲﾉｱｯｸ

24

CNFへの社会ニーズ:樹脂強化

藤田祐二、未来材料、2005年10月号

主要国・地域の樹脂別生産量(2010)

２．６億トン

単位：1,000トン25

課題１：プラスチックとの相溶性

ラボプラストミルによる溶融混練 [PLA＋CNF]
樹脂ペレットとCNF含水物を混合しながら乾燥・混練（２００３）

26

課題２：パルプのナノ化コスト
パルプ:ナノ繊維構造体

60-100円/kg

CNF

2千-1万円/kg
27京都大学・京都市産技研における構造用ナノセルロース材料開発PJ
H17-18 地域コンソーシアム
京大生存研、京都市産技研、木村化工機、阿波製紙、三菱化学、スターライト工業、松下電工、トヨタ車体

ＣＮＦ補強効果の確認。一貫プロセスの検討

H19-21 NEDO 大学発事業創出
京大生存研、京都市産技研、産総研広島、日本製紙、王子製紙、 三菱化学、住友ゴム、ＤＩＣ、星光ＰＭＣ

ＣＮＦ化学変性の開発、添加剤、樹脂の検討

テストプラント建設
H25 経産省
イノベ拠点整備

H22-H24 NEDO GSC
京大生存研、京都市産技研、王子製紙、三菱化学、
ＤＩＣ 、星光ＰＭＣ＋アドバイザー７社

星光ＰＭＣ（再委託：京大生存研）

自動車用途ＣＮＦ化学変性、添加剤の開発。

H25-H31 リグノCNF NEDO 非可食性植物資源
京大生存研、王子ホールディングス、日本製紙、星光ＰＭＣ、京都市産技研

リグニン変性、高耐熱化（PA級）、成形性向上、国際競争力のあるプロセス開発

スケールアップ技術開発

商用化 2017

自国バイオマス資源に基づく高付加価値化学品

28

CNFのエステル化と複合化と物性評価
エステル化

物性評価

官能基の選択エステル化
複合化
PE or PP
ペレット

CNF誘導体（DS=〜0.4）
TGA測定

射出成形機

PE:140℃、PP:180℃

引張試験機ペレット化

CNF/樹脂ペレット⾦型温度：40℃）
PE:160℃、PP:190℃

ダンベル試験体

物性評価

Ｘ線ＣＴ
偏光顕微鏡
ＴＥＭ
ＳＥＭ

29

木材繊維（パルプ）の観察

巾15nmの均一ナノファイバー！

『パルプ直接混練法』“京都プロセス”

パルプは数百万本のCNFで出来ています。

繊維のナノ化と⾼融点樹脂への均⼀分散を同時に達成。

京都プロセスは製造コストを⼤幅に削減︕
31

CNF強化樹脂材料

CNF添加率：10wt%、アセチル化処理32

京都プロセス®

パルプ（紙の原料、CNF集合体）を樹脂中で混練し、ナノファイバー化と樹脂中への均一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手法。
正式名称はパルプ直接混練法。

ふじのくにCNF総合展示会提供 33

NCV（ドア開放時）外観写真

環境省提供 34

時速１００㎞/hでの１５０㎞の走行試験。
16％の車体軽量化による11％の燃費向上を確認
35

2019年11月 東京モーターショー

36

京都プロセス®による商用プラントおよびテストプラント
第２世代第３世代

CNF/PP
200t/年 ( 30%CNF/樹脂 ベース)

CNF/PA6, etc.
10t/年 (10%CNF/樹脂ベース)

竜ケ崎工場、星光PMC
2014→2017(拡張、商用）

富士工場、日本製紙
2017→2021(50t/年）
37

星光PMC ＳＴＡＲＣＥＬ®

京都プロセス

世界初！次世代高機能素材「セルロースナノファイバー」をミッドソールに活用したシューズを商品化
高機能ランニングシューズ「ＧＥＬ－ＫＡＹＡＮＯ ２５（ゲルカヤノ ２５）

２００万足/年

2018年6月1日10時 プレスリリース

38

採⽤・販売実績例

1000万⾜以上の販売実績

2018年より

40

CNF強化樹脂材料の移動体部材への初めての実装：
日本製紙とヤマハ発動機の共同開発（令和5年8月25日）〇NIKKEI 20230826
https://www.nikkei.com/telling/DGXZTS00006410S3A820C2000000/

41NCVはどこに向かう？
42

バイオ（CNF）＆バイオで環境性能を維持してバイオマスプラスチックの性能を向上
バイオポリエチレン
GHG:1.35kg/kg

CNF（高性能バイオ素材）

剛性up！

焼却時
CO2

サトウキビ
栽培時の吸収図１ 木材とCNF
高強度（炭素繊維相当）
高弾性（鋼鉄の2/3)
低線熱膨張（ガラスの1/50)

耐熱性up！
43
CNFによる弾性率、耐熱性の向上

CNF強化バイオPEのリサイクル

バイオｘバイオ
トヨタ紡織㈱

成形品を粉砕・成形

弾性率
[GPa]

強度
[MPa]

歪み
[%]

シャルピー 4J
[kJ/m^2]

バイオPE(SHA7260)

1.04[0.011]25.1[0.25]-

2.69[0.08]

CNF10%/バイオPE
オリジナル

2.62
[0.029]53.4[0.05]

6.59[0.19]

2.47[0.08]

CNF10%/バイオPE
リサイクル 1回

2.62
[0.033]51.8[0.26]

6.89[0.28]

2.41[0.08]

曲げ試験の試験速度 10㎜/min、[]内は標準偏差CNF/バイオPE
CNF/バイオPE

CNF/バイオPE
リサイクル

CNF/バイオPE
リサイクル

CNF/バイオPE
CNF/バイオPE
リサイクル

バイオPE

×1000倍PEを除去して観察

環境省 アセチル化CNF強化バイオPEプロジェクト 2019-2020

44

バイオｘリサイクル

剛性up！

×（株）デンソー
 5%の軽量化 → 樹脂量削減効果を考慮 → パーツ単位での評価を実施

GHG排出量（kg-CO2eq/個-パーツ）

タルク-PP

東京大学・兼松先生資料

CNF-BioPE

GHG

ネガティブエミッションへ！
排出吸収

令和2年度脱炭素社会を支えるプラスチック等資源循環システム構築実証事業成果

45

終わりに

植物は善である
持続型資源
バイオケミカル

バイオマテリアル

温暖化防止
ＣＯ２固定

国土保全：
緑のダム

環境修復
バイオレメディエーション

バイオマス
エネルギー

生分解性

47

木材は大気中のCO2を吸収固定

樹齢300年を越える栗のダイニングテーブル
48

20世紀型石油化学産業から21世紀型バイオマス産業への転換
・SDGｓ・パリ協定：石油・石炭は座礁資産に・マイクロプラスチックによる海洋汚染

49

さらなる先は？
カーボンニュートラル2050に向けて
金属・セラミックス・プラスチックに続く第４の素材：環境素材セルロース
プラスチック：4億トン/年
紙・パルプ：3.5億トン/年
第４の素材になるだけのインフラはある。

50

日本の持続型資源：人工林で木材が毎年3000万トン増えています。
日本は国土の７割が森林。
しかも、、、

我が国では人工林の蓄積量が毎年7500万m3増加しています。
スギ、ヒノキ中心の木材1m3の重量を約400ｋｇとすると、人工林で毎年3000万トンの木材が増え続けていることになります。

5年間で3.8億m3

出展：林野庁

森林資源の状況、平成２４年３月

51

いま日本では森林の「吸収量」の減少が大きな課題になっています。
木は二酸化炭素を吸収し、成長するにつれその量は増えていきます。しかし、樹齢20年頃を過ぎ成熟すると吸収量が減り始めてしまいます。建材として使われるスギやヒノキは多くが戦後の高度経済成長期に全国各地に植林されたもので、現在そうした人工林の過半を樹齢50年超の成熟した木が占めています。人工林の高齢化により二酸化炭素の吸収量は減少が続き、2003年度は約9900万トンでしたが、2019年度には約5500万トンと4割以上減っています。

高齢化

NHK首都圏ナビ
https://www.nhk.or.jp/shutoken/wr/20211220a.html

52

Q3 樹木は二酸化炭素を排出もしているというのは本当ですかA3
樹木も含め植物は、光合成により二酸化炭素を吸収し酸素を放出する一方で、私たち人間と同じように生きていくための呼吸もしていているので、酸素を吸収し二酸化炭素を放出しています。ただし、光合成に使われる二酸化炭素量は呼吸から出る二酸化炭素量よりも多いので、差し引きすると樹木は二酸化炭素を吸収していることになります。成長期の若い森林では、樹木は二酸化炭素をどんどん吸収して大きくなります。これに対して、成熟した森林になると、吸収量に対する呼吸量がだんだん多くなり、差し引きの吸収能力は低下していきます。

林野庁HPから

53
https://www.rinya.maff.go.jp/j/sin_riyou/ondanka/con_5.html

光合成と呼吸二酸化炭素

二酸化炭素

54

⽊材利⽤の促進

令和３年１⽉ 林野庁資料55

地域主導のCNF推進グループ

地域ごとに特色を生かしたプロジェクトを形成•••

CNFの素材となるバイオマスを豊富に持つ地域
CNF原料製造等の中核企業があり、産業として注力している地域
その他の産業が発達しており、CNF等の環境新素材による技術革新を求めている地域 56

経産省J-Innovation HUB
バイオナノマテリアル共同研究拠点 2020CNF材料を軸としたオープンイノベーションのハブとして活動“経済産業省地域オープンイノベーション拠点選抜制度”事
業において、「バイオナノマテリアル共同研究拠点」が CNF
材料の開発や社会実装に関するオープンイノベーション拠点に認められました。
主たる活動は、①ナノセルロース塾、ナノセルロースシンポジウム、NEDO講座等を通じた普及活動、②CNF材料に特化した “バイオナノマテリアル製造評価システム(CANDO)”を活用した全国共同利用活動、③経産省や環境省の大型プロジェクトによる産学共同研究、④企業や公的研究機関を対象とした技術相談です。これらの活動をナノセルロースジャパンや地域CNF拠点と連携して推進しています。

第一回選抜57

みんなが願う社会を

NEDO CNF Project Team本研究の一部は経済産業省地域「新生コンソーシアムプログラム」および独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「大学発事業創出実用化研究開発」事業、「グリーン・サスティナブルケミカルプロセス基盤技術開発」事業、「非可食性植物由来化学品製造プロセス技術開発」事業、環境省CNF材料の導入実証・評価・検証～自動車分野～、環境研究総合推進費、環境省NCM、NCP事業の一環として実施しました。

ご清聴ありがとうございました。

58

補足資料
経産省J-Innovation HUB
バイオナノマテリアル共同研究拠点

60

①ナノセルロースシンポジウム：1000-1300名、2004年プロジェクト成果およびナノセルロースに関する最新情報を提供。
②バイオナノマテリアルシンポジウム：600-800名、2021年バイオ材料の基礎に関するアカデミアからの最新研究成果の発表②オープンイノベーション ナノセルロース塾：100名、2018年ＣＮＦ関連企業がオープンイノベーション活動を円滑に進める場づくり。受講者からのプレゼンテーションを通じて、将来の共同研究開発等のシーズ開拓やマーケット開拓のヒントを得る場。

③NEDO⼈材育成講座：20名/半期、2020年CNF市場の早期創出を⽬的に受講⽣にCNF関連のNEDOプロジェクトで蓄積した技術・スキルを座学と実習を通じて伝え、企業でのCNF関連製品開発の中⼼を担う即戦⼒⼈材を育成。
61

環境省ナノセルロースプロモーション事業による展⽰会等、普及活動

Nanocellulose Symposium final／第517回⽣存圏シンポジウム「ナノセルロース

Now and Then」

日時：2024年2月27日（火）午後1時～5時半
開催方法：対面とオンライン配信
会場：京都大学宇治キャンパス きはだホール
主催：京都大学生存圏研究所 バイオナノマテリアル共同研究拠点（経済産業省Jイノベ拠点）
共催：近畿経済産業局、地方独立行政法人京都市産業技術研究所、
環境省ナノセルロースプロモーション事業、ナノセルロースジャパン

第一部 ナノセルロースの産業化 - ナノセルロースに関わる企業16社の発表 ①王子HD（株）、②大王製紙（株）、③（株）ダイセル、④中越パルプ工業（株）、⑤日本製紙（株）⑥北越コーポレーション（株）、⑦レンゴー（株）、⑧（株）スギノマシン、⑨第一工業製薬（株）⑩星光PMC（株）、⑪豊田合成（株）、⑫（株）Nature Gifts、⑬（株）デンソー、⑭トヨタ紡織（株）⑮利昌工業（株）、⑯SOLIZE（株）＜詳細は裏面に＞第二部 ナノセルロースの未来
機能性ナノセルロース 東京大学大学院 農学生命科学研究科 齋藤 継之 氏
構造用セルロース

京都大学 生存圏研究所 矢野 浩之 氏

詳細、申し込みはこちらからhttps://sites.google.com/kyoto-u.ac.jp/nanocellulose-symposium-final/

国際プラスチックフェアIPF Japan ＠幕張メッセ

エコプロ2023＠東京ビックサイト

65Can-Do
大型プロジェクトで15

共同利用施設：バイオナノマテリアル製造評価システム

年かけて構築したセルロースナノファイ
バー材料の製造・加工・分析に関する装置群を集約。
原料の木質バイオマ
スから始まり自動車・情報家電用材料部材等の製造まで、各工程ごとに材料の製造、構造・特性評価が可能。
https://www.rish.kyoto-u.ac.jp/bionanomat/