2023/11/20 SDGsパートナーシップ・プログラム第4回シンポジウム2023“染める”の概念を打ち破る－繊維の新たな可能性とSDGsへの貢献－
福井大学カーボンニュートラル推進本部

廣垣 和正

ドラマチック・ウェザーサイエンス研究センター
カーボンニュートラル共創プラットフォーム（仮称）
福井県安全環境部環境政策課

団体・企業

運営委員会
・予算配分
・研究募集の方法等
・申請研究の審査・研究助成費の確定
・成果報告

福井大学カーボンニュートラル推進本部
研究推進・社会実装部

DWS研究センター

部長：藤垣教授

永瀬特命教授 西村助教
未定

カーボンニュートラルイノベーションの創出・社会実装を目指し、カーボンニュートラルの事業化に向けた実証試験を10件以上行う。
①予算
④⑤研
分配
審査 究費

人材育成部

（１）「地域共創型」の研究マネジメント体制を構築する。
（２）カーボンニュートラルイノベーションの創出・社会実装を目指し、カーボンニュートラルの事業化に向けた実証試験を10件以上行う。
（３）地域における「カーボンニュートラル共創プラットフォーム（仮称）」を構築し、地域自冶体や企業の課題収集、イノヘーション提案、実証実験の進捗・成果など情報の収集と共有を図る。
（４）カーボンニュートラルキャン
パスの実現を目指し、令和９年度末（までに、学内CO2排出量を平成25年度比で30%以上削減する。

センター長 ：桑水流教授
副センター長：廣垣准教授

ナチュラル・リソース研究部

コネクテッド・エネルギー研究部

サスティナブル・ライフ研究部

部長：永井教授

部長：谷教授部長：廣垣准教授

福井特有の気候・風土を知り、太陽光や雪氷、地中熱、季節風等の地域リソースを活用した
研究

安全・安心に利用できる蓄電池材料やメガソーラーの開発と実証試験、系統連携・制御技術に関する研究

サプライチェーンやものづくり中小企業のクラスターを利用した実証を先行させ、産学官連携により地域の生活に密着した研究

②研究
募集

③
応募

⑥成果
報告
10/1着任予定

鈴木特命助教髙橋特命准教授

廣垣准教授
Ren特命講師

寺崎講師 他

伊藤准教授 他未定

2

サスティナブル・ライフ研究部の活動方針
国際地域学部
工学部・医学部など

連携
産学官金連携カーボンニュートラル
機能性繊維材料の創出

ナチュラル・リソース研究部
コネクテッド・エネルギー研究部
連携

サスティナブルライフ研究部
超臨界流体を用いた染色・加工技術の開発

地域環境研究教育ｾﾝﾀｰ
繊維・ﾏﾃﾘｱﾙ研究ｾﾝﾀｰなど
連携
地域連携・高大連携

異分野との連携強化(例：複合材料分野)
風力発電装置接合

エアロゲル
樹脂の内部構造評価

屋外雪貯蔵
断熱材

Drill
CFRTP

二次(切削)加工技術

・用途開発
・実証実験の実施

・実証実験の実施
・技術確立/設備開発

例：繊維材料の多様な利用方法の検討

高機能断熱材の創出
熱損失低減用途への展開

無水染色・加工技術の実用化

ニーズに応じた多様な繊維関連技術の確立

地域産業の永続化
環境負荷低減技術の普及促進

1.0 mm

環境リテラシーの醸成

研究成果の社会実装

地域産業の振興3

衣・食・住から、科学の発展を支える基本材料へ
染色・着色技術の進展
超臨界CO2・構造色：審美性、耐光性
・難染色物の染色・可染化
・エコロジカルな無水染色

超臨界乾燥 染料、機能性物質

構造発色繊維・布 （発色性制御）

Grafted polymer

Surface

吸着・拡散繊維-+--

Cationic dyestuff

電子線
繊維

構造発色
液晶構造色の繊維への応用
コロイド結晶の構造色制御
パターニングe-ee

ラジカル

高機能繊維材料の創製

ナノ組織体
白色光

θ単色光
d

グラフト重合無水染色布（超臨界流体染色）超軽量・断熱材料

・用途に応じた機能の設計とその付与・加工技術開発
金属複合・めっき

導電性繊維
エアロゲル繊維（ナノファイバー組織体） 有機/無機ハイブリッドエアロゲル

環境応答布帛（温度－濡れ性）

水系染色・加工プロセスと環境負荷
水
アルカリ
界面活性剤

生機

水

水

分散剤

界面活性剤

染料

無機塩

水

水

アルカリ

還元剤

加工剤

エネルギー

エネルギー

精練

染色

後処理

乾燥

機能加工

洗浄・乾燥

廃水

廃水

廃水

廃ガス
廃エネルギー

廃水

廃水・廃ガス廃エネルギー

廃水処理エネルギー

項目

廃水処理エネルギー

環 境 負 荷 （2016年）

繊維生産が排出温室効果ガス（GHG）

12億トン（国際航空・海運を上回る）

うち染色産業が排出するCO2

1億トン

染色に使用される水の量

58億トン（2013年）

全産業の廃水中、染色産業の割合20％

染色産業のエネルギー消費量（原油換算）

3,680万KL(14億GJ）
出所：岡野隆宏、繊維学会誌、P3-6, Vol.1, 2021
NIKE社広報資料（2013年）他を引用して取纏め

製品

SDGs とカーボンニュートラルに寄与する
次世代テキスタイルに関わる研究目 次
1. “水を使わない” 次世代染色・機能加工 「超臨界流体染色・加工」
2. “次世代断熱繊維” 超軽量・超低熱伝導 「エアロゲル繊維」
3. “染料を使わない” 次世代染色 「構造色の繊維材料への応用」

SDGs とカーボンニュートラルに寄与する次世代テキスタイルに関わる研究目 次
1. “水を使わない” 次世代染色・機能加工 「超臨界流体染色・加工」
2. “次世代断熱繊維” 超軽量・超低熱伝導 「エアロゲル繊維」
3. “染料を使わない” 次世代染色 「構造色の繊維材料への応用」
超臨界二酸化炭素の相変化

上相：気体
下相：液体

臨界点
夕焼け現象

超臨界流体

超臨界流体染色
染色媒体である水を超臨界二酸化炭素（scCO2）に置き換え
水・化学薬品を使わず省エネルギーな染色法
液体

染料分離
回収・再利用気体

CO2 循環利用
水資源ゼロ
化学薬品ゼロ

洗浄不要

超臨界流体
CO2CO2

ポリエステル繊維
CO2CO2CO2吸着

CO2布

CO2

染料
CO2

廃水ゼロ
廃水処理不要省エネルギーCO2CO2繊維の隙間が拡大（膨潤）染色時間短縮乾燥不要
省エネルギー臨界圧力（7.4 MPa）

超臨界CO2の特徴
固体

液体

超臨界流体
超臨界流体

臨界点

蒸発曲線

気体
プロパン 1.6ヘキサン 1.8

臨界温度（31. 1 ºC）
CO2の相図温度

各相状態の物性

CO2の誘電率の密度依存性

F. G. Keyes et al., Phys. Rev., 36, 754 (1930).

状態

密度 /g ・cm-3

拡散係数 /m2・s-1

粘度 /Pa・s

気体< 0.001

10-510-5

気体と液体の特性を併せ持つ

超臨界流体

0.2 ~ 0.9

10-7 ~ 10-8

10-5 ~ 10-4

優れた物質輸送媒体（疎水性）

液体

1< 10-910-3

佐古 猛 (編), 超臨界流体, アグネ承風社 (2001).

scCO2を媒体とした繊維の染色・加工の機構
繊維中へのCO2の収着
モル比で10-5～10-6
水系染色における分散染料の溶解度と同程度
CO2分子
染料分子

scCO2

拡散係数が大きく、短時間で染色可能膨潤
分配

溶媒和
機能性物質

共溶媒の添加極性溶媒分子PET：ca. 4%
拡散

染料のCO2への溶解分配係数が大きく、染料は浴にほとんど残らず繊維に吸着

可塑化
ガラス転移温度の低下
結晶性の変化

繊維媒体

scCO2

トリクロロエチレン

水

拡散係数

大

大

小分配係数

大極小

大

90 %染色時間 [分]21180染着濃度高低高ポリエステル繊維

J. Supercrit. Fluids, 36, p.166 (2005)、 Sen‘i Gakkaishi, 62, p.180 (2006)、J. Supercrit. Fluids, 56, p.322 (2011)、J. Text. Eng., 66, p.83 (2020) など

超臨界流体染色の多様な繊維への展開
高い染色堅牢度
洗濯・汗・摩擦
耐光・昇華
4-5級
特許6721172
特許6671729
ポリプロピレン繊維 : 染料固着原理に乏しい
J. CO2 Util., 33, p.365 (2019)
Coloration Technol., 138, p.538 (2022)
親和性の高い分散染料
The Dyers’ Company Research Medal 2022

Synthesized reactive disperse dye

Commercial reactive disperse dyeOOH

Dye matrixONFNH 2NN

N(C 4H 9) 2NH2J. Text. Eng., 64, 157 (2018)
Carbohydr. Polym. Technol. Appl., 1, 100010 (2020)
J. Supercrit. Fluids, 174,105243 (2021)

綿繊維（親水性繊維）
分散染料（疎水性染料）

OOH

反応分散染料とその染色プロセスの開発

概要資料

超臨界流体染色の社会実装に向けた取り組み
生機

精練

染色

機能加工

染料

加工剤

超臨界CO2
液体

気体

製品

ＣＯ２
回収装置

CO2回収・再利用: 95%、糊剤・染料・加工剤回収・再利用

水資源消費・廃液1 58憶トン → ０
全工業廃水汚染220%→０
使用エネルギー
48～63%削減3,4
CO2排出 1億トン → 5.5～4千万トン3,4
加工コスト26％削減4
1. NIKE資料 (2016)
2. 岡野隆宏, 繊維学会誌, 77, p.3 (2021)
3. NIKE資料 （2016）エネルギー消費14憶GJより換算
4. 日阪製作所, NIKEによる計算NEDO先導研究 2022-2023（2億円）→ 後継プロジェクトにより社会実装を目指す「無水・CO2無排出染色加工技術の開発」
サステナテック（福井大発ベンチャー）との連名提案
2大学1公設試10社が参画

糊剤/精練法の開発

設備開発（実証試験機）

染料/染色法/脱色法の開発

周辺技術開発（釜洗浄など）
機能加工剤/加工法の開発

14

SDGs とカーボンニュートラルに寄与する
次世代テキスタイルに関わる研究目 次
1. “水を使わない” 次世代染色・機能加工 「超臨界流体染色・加工」
2. “次世代断熱繊維” 超軽量・超低熱伝導 「エアロゲル繊維」
3. “染料を使わない” 次世代染色 「構造色の繊維材料への応用」

物理ゲル

scCO2の気化

低表面張力
連続的な気体への変化
気液界面
溶媒をscCO2に置換

圧力低下

超臨界乾燥
エアロゲル

超臨界乾燥法によるエアロゲル繊維の調製
エアロゲル
・低密度のナノ多孔体
・ 高比表面積・ 高空隙率・ 優れた断熱性< 0.1 g/cm³>1000 m2/g
> 90%
< 15 mW/m K

応 用：断熱材、フィルター、防音材など

シリカエアロゲル（dornob.com）

固相の熱伝導による熱移動

低熱伝導率を実現する構造
密度: 低（空隙率> 95%）

細孔径 : 小（約70 nm以下）

空気の対流による熱移動
超臨界乾燥
蒸発

空気の平均自由行程以下

超臨界二酸化炭素（scCO2）を用いた湿潤ゲルの乾燥
通常
乾燥

気液界面の表面張力により収縮

超臨界
乾燥

scCO2の気化低表面張力
連続的な気体への変化
気液界面

湿潤ゲル

溶媒をscCO2に置換

圧力低下

ナノ多孔体 : パラ系アラミドエアロゲル① 高強度, 柔軟性, 耐熱性に優れたエアロゲルの創出
(a)

(b)

低熱伝導率を実現する構造

p-アラミドエアロゲル

密度空隙率
比表面積
平均細孔径

< 0.08 g/cm3> 95%> 700 m2/g
< 10 nm

密度 : 低（空隙率> 95%）
細孔径 : 小（約70 nm以下）
空気の平均自由行程以下
汎用合成高分子由来
世界初のエアロゲル

Sen'i Gakkaishi, 70, p.197 (2014)② エアロゲルの改質・物性向上・機能化
加熱 600 oC

100 nm

耐水性獲得
J. Appl. Polym. Sci.,
139, p.52324 (2022)

有機/無機ハイブリッド化
J. Text. Eng., 68, p.115 (2022)
J. Text. Eng., 69 p.1 (2023)

曲げる強靭化・吸着材としての応用
ASC Appl. Nano Mater., in press
J. Appl. Polym. Sci., 139, p.52960 (2022)③ エアロゲルの繊維化：柔軟性の獲得・組織体としての機能化
次世代断熱性繊維

100 nm

密度0.067 g/cm3
空隙率95%
比表面積473 m2/g
平均細孔径7.4 nm

AATCC J. Res., 5, p.28 (2019)、日本繊維機械学会 令和3年学術研究奨励賞

伸ばす

曲げ伸ばし試験エアロゲル繊維の紡糸
エアロゲル繊維作製プロセス
PPTA繊維

湿式紡糸

解繊

溶媒置換

超臨界乾燥

アラミド
分散液
300μm

PPTA分子の解繊機構
・フッ化物イオンによる分子間水素結合の阻害
・加熱による分子運動の活性化

Critical pressure（7.4 MPa）

アセトン
Solid

LiquidSCF
Critical point
Evaporation
curve

Gas

Critical temp.（31. 1 oC）

CO2の相図物理ゲル

テトラブチルアンモニウ
ムフルオリド池田功ら, 福井大学繊維工業研究センター年次報告書, 3, p.28 (2009)

scCO2の気化

低表面張力
フィブリル構造
D. Ahmed et al., Materia. Res., 17,p.1180 (2014)

連続的な気体への変化
気液界面
溶媒をscCO2に置換

圧力低下

エアロゲル繊維の構造と物性
ホットプレート：180 oC

エアロゲル繊維直径 100 μm、1層

指

ガラス繊維マットエアロゲル繊維の写真

Stress/ cN/dtex

543210020406080Strain/ %ホットプレート：120 oC

100

エアロゲル繊維の歪-応力曲線

エアロゲル繊維の機械特性

エアロゲル繊維のSEM像

直径 ：140 μm
密度 ： 0.106 g/cm³
空隙率 ： 92.6 %Cross section
平均細孔径 ： 11 nm along fiber axis
比表面積 ： 1112 m2/g
Φ ca. 20 nmナノファイバー網

エアロゲル繊維の断熱性

密度g/cm3

エアロゲル繊維

PET繊維 aKevlar® 29 b

破断伸度%

破断強度
cN/dtex0.09090.0004.4

1.23 - 1.38

7 - 40.0

4 - 8.0

1.44003.6

20.3

a: 石川県工業試験場 編 繊維基礎技術、b:東レ・デュポンHPより

SDGs とカーボンニュートラルに寄与する
次世代テキスタイルに関わる研究目 次
1. “水を使わない” 次世代染色・機能加工 「超臨界流体染色・加工」
2. “次世代断熱繊維” 超軽量・超低熱伝導 「エアロゲル繊維」
3. “染料を使わない” 次世代染色 「構造色の繊維材料への応用」

球状コロイド結晶

コロイド結晶被服繊維

繊維の染色
染色：繊維への染料（有機色素）の固着による着色
化学現象を利用した発色（色素色）
課題

・光による退色（分解）・有害性の疑い（感作性など）
・染色廃液（染料、助剤）
・審美性の限界

光の吸収染料（有機色素）を使わない着色法
物理現象を利用した発色（構造色）• 色素によらない発色→ 染料不使用• 構造が保たれる限り退色しない → 耐光堅牢性• 光沢や採光を伴う優美な色彩
光の散乱→ 高い審美性
光の回折・干渉構造発色体：堆積型コロイド結晶
格子面成
長液
膜
基材

不均一核生成・成長 : 配向多結晶
オパール
結晶構造モデル

白色光

コロイド粒子
電気二重層

単色光（λ）

水中

θ
空気結晶

回折
屈折d

格子面堆積型
Si O

空気透過光（λ以外）

静電相互作用型
表面の電荷特性
近傍粒子の運動性変化

結晶構造・特性制御

反射光波長と結晶構造の関係
Braggの法則（回折）＋ Snellの法則（屈折）λ ： 反射光の波長d ： 結晶の格子面間隔m ： Braggの反射次数na ： 結晶の屈折率
θ ： 光の入射/反射角

格子面間隔
見る角度

固定

色が決まる
Future Materials, 4, p.12 (2013)

クジャクの羽根の構造色とその模倣

クジャクの小羽枝の構造モデル
発色の角度依存低減
S. Kinoshita, S. Yoshioka
Ed., Structural colors in
Biological Systems

反射スペクトル測定

積分球

入射光

模倣
15°

45°

75°

85°

平板状結晶

Intensity / a.u.

光入射角

繊維100 μm

加工布400500600700
Wavelength / nm800コロイド粒子加工繊維のSEM像と光学顕微鏡像
コロイド粒子加工布の写真、平板状コロイド結晶との比較
Colour. Technol., 134, p.271 (2018)、J. Text. Eng., 65, p.85 (2019)

昆虫の構造色：コレステリック液晶

タマムシの羽根の色と構造

コレステリック液晶

ChemPhysChem, 6, 1442-1459 (2005)

Laser Focus World Japan 2013.3, 16-17

ORROO

O
OR

反射光波長と液晶構造の関係
ヒドロキシプロピルn
セルロース（HPC）

R=H or –CH2CH(OH)CH3

HPC水溶液：リオトロピック液晶

Braggの法則（回折）＋ Snellの法則（屈折）λ ： 反射光の波長d ： ピッチm ： Braggの反射次数na ： 液晶の屈折率
θ ： 光の入射/反射角

格子面間隔
見る角度

色が決まる

昆虫の翅の模倣：コレステリック液晶繊維
HPC-プロピオニルエステル
顕微鏡像

ORROOOORCLC構造
ピッチ：431 nmドメイン： 5.13 μmn

異方性：繊維の中心から直径方向へ放射状に配向

R= -H or –CH2CH(OH)CH3 or-COCH2CH3 or-CH2CH(OCOCH2CH3)CH3

エステル化度：0.83-1.1
・吸湿による可塑化→ 常温で液晶形成（Tg < 13 oC）
・嵩高い官能基→ 溶媒なしで可視光域のピッチ
角度分解正反射/散乱スペクトル5室条件で発色可能
安定な（固体様）な液晶

湿式紡糸
溶媒：アセトン
凝固浴：水

λmax2(nm2)[10 ] 3λmax 2= -1.86×105+3.14×105
r=0.996
P=431
n=1.302.5

室温静置

20

初期

歪45%
0.20.4sin2θ

0.6

λ2-sin2θ プロット

変形試験

J. Text. Eng., 68, p.121 (2022)、J. Text. Eng., in press空の構造色：レイリー散乱粒径パラメーター
 ： 粒径パラメーター
d=d ： 散乱体の直径

 ＞＞ 1 幾何光学的散乱 ≒ 1 ミー散乱
＜ 1 レイリー散乱＜ ： 光の波長

白濁

レイリー散乱＜1
散乱体サイズ : 光の波長の1/10以下（可視光：約40 nm以下）
C. Mandal et al., J. Solgel Sci. Technol., 90, 127-139 (2018)(4I 0 d 6  m 2 − 1     1 + cos 2 I ( ) =8r 2  m 2 + 2   I ( ) ： 散乱強度
I 0 ： 入射光強度
d ： 散乱体直径r ： 散乱体からの距離
m ： 屈折率 ： 波長 ： 散乱角)
レイリー散乱強度分布
・散乱強度分布は対称・散乱強度は波長に依存する

空を閉じ込める：レイリー散乱繊維①PPTA繊維

②解繊

③湿式紡糸

H+フィブリル
分散液
アセトン
塩酸

分子間相互作用の回復
フィブリル同士の接着・伸長

物理ゲル化・凝固④超臨界乾燥

KOH/DMSO

静電反発
ミクロフィブリルに解繊

20
reflection / %OH 水酸化物イオンによる脱プロトン化a)b)c)

22g 1145.7 sec -1
22g 458.5 sec -1
26g 2174.1 sec -1
凝固速度：大ミー散乱：低減

10

0
300

400

500
600
700
wavelength / nm

800

エアロゲル繊維の反射スペクトル100 nmエアロゲル繊維 Cの写真とSEM像
Colloid Polym. Sci., in press(4I 0 d 6  m 2 − 1     1 + cos 2 I ( ) =8r 2  m 2 + 2   

レイリー散乱強度)

SDGs とカーボンニュートラルに寄与する次世代テキスタイルに関わる研究
1. “水を使わない” 次世代染色・機能加工 「超臨界流体染色・加工」
2. “次世代断熱繊維” 超軽量・超低熱伝導 「エアロゲル繊維」
3. “染料を使わない” 次世代染色 「構造色の繊維材料への応用」

繊維材料・染色化学をベースとした
次世代テキスタイルの研究・教育を通して、SDGs ・カーボンニュートラルに貢献していきますご清聴をありがとうございました

福井大学 学術研究院基盤部門
カーボンニュートラル推進本部
廣垣 和正
910-8507 福井市文京3-9-1（文京キャンパス）Tel: 0776-27-8631（直通）
E-Mail: hirogaki@u-fukui.ac.jp
Homepage: http://acbio2.acbio.u-fukui.ac.jp/indphy/hirogaki