NPO 法人東海地域生物系先端技術研究会
2023年度第2回セミナー

木材-プラスチック複合材料の開発（ナノの可能性 ミクロの実用性）

2023年8月25日
静岡大学
グローバル共創科学部
准教授 青木憲治

発表内容
・森林資源を活用したバイオエコノミー
・CNFを社会実装するための「技術的課題」、「ビジネス的課題」
・研究戦略（課題解決へのアプローチ）
・「樹脂添加剤」用CNFマスターバッチの開発「静岡レシピ」と「Cellmapp」
・CNFの均一分散によって期待される効果
・「ナノ」か「ミクロ」か・ミクロフィブリル化セルロース(MFC)を用いたガラス繊維代替複合材料の開発

国際プラスチック展の様子(2022年10月K-Messeにて）

国際プラスチック展での展示物(2022年10月K-Messeにて）2050年に向けた材料のイノベーション（原料）Bio・非可食バイオマス
・セルロース

バイオエタノール

樹脂

補強材、添加剤
セルロース

・CNF（ナノ）・MFC（ミクロフィブリル）セルロース/樹脂複合材料

森林資源の活用
補強材・添加剤として利用
木

丸太

材木木粉ナノファイバー グルコース

ＣＯ2H2O
20m

10m

5m

100μm

10nm

0.5nm

樹脂原料として利用
セルロースナノファイバー(CNF)
ミクロフィブリル化セルロース(MFC)
産総研 遠藤先生資料より

バイオエコノミー（森林資源の活用）

切って、（余すことなく）使って、植える

植林

“CNFを社会実装”するための「技術的課題」

CNF製品の社会実装に向けた課題◆技術的課題・“水（セルロース）と油（樹脂）は混ざらない（難い）”
CNFを樹脂中に均一分散させる技術が必要◆ビジネスとしての課題
・価格が高い。
・製造プロセス上、CNFは水分散体である。
・CNFの製造コストは下げられても輸送費は下げられない。
例えば、水分を除去しなければならない。

CNFを樹脂に容易に均一分散できるCNFマスターバッチが必要

相溶化剤：無水マレイン酸変性PP（MAPP）の構造

無水マレイン酸変性ポリプロピレン（MAPP)

無水コハク酸PP鎖

MAPPの機能と役割

オレフィン等の無極性樹脂とフィラーとの複合化の際に添加され、フィラー界面と化学結合を形成し、機械的物性の向上、分散向上等に寄与する。

MAPP無添加“ぬれ”MAPPの効果研究開発の武器
PP系樹脂複合材料設計の必須添加剤であるMAPPをCNFに適した設計（グラフト量、分子量、融点）に調製できる。

MAPPとセルロースと反応
ポリオレフィン（マトリックス鎖）

産総研遠藤先生より

MAPP鎖

OH

セルロース

☆結合形成：グラフト量☆分子鎖同士の絡み合い：MAPP分子量が複合材料の機械的物性に影響を与える

CH2

COOH

COOH

OH

ＨＣ

COOH

CH2

COOH

OH

ＨＣ

HOO

OH

セルロース

OH

分子鎖同士の絡み合い結合形成
産総研遠藤先生より

技術課題解決への取り組み根幹となる技術開発

PCT/JP2020/036244(日本、米国、中国、カナダ、イギリス、ドイツ、ノルウェー、フィンランド、スウェーデン)＊＊MAPP:無水マレイン酸変性ポリプロピレン

“CNFを社会実装”するための「ビジネス的課題」

CNFの現状価格

将来（期待）

35,000円/kg

200円/kg

CNF

PP

30wt%

70wt%

10,000円/kg

200円/kg

CNF

PP

30wt%

70wt%

1,000円/kg

200円/kg

CNF

PP

30wt%

70wt%

10,640円/kg(35,000×0.3＋200×0.7)

3,140円/kg(10,000×0.3＋200×0.7)

440円/kg(1,000×0.3＋200×0.7)

早期社会実装を目指すなら、補強材（軽量、高強度）用途は狙えない。

CNFの様々な特徴と研究戦略

この機能にフォーカスしたテーマの実施

「樹脂添加剤」としてCNFの機能を利用する
CNF価格10,000円/kg、CNF添加量～2wt%（200円/kgのコストアップ）の価値が顧客に提供できるか。

そのためには、CNFを必ず均一分散できるCNFマスターバッチが必要。

図 CNF充填シミュレーションモデル
アスペクト比：500（0.4vol%≒0.7wt%）
富山県立大 永田先生より

CNFの均一分散によって得られた効果

CNFをPP中に均一分散させることによって発現する効果
セルサイズの制御

塗膜形成

熱変形制御

加工性・ひずみ制御
CNFマスターバッチ（開発品）

セルロース系樹脂複合材料の開発

100nm
UBE科学分析センター様御提供

ナノセルロース(CNF)の利用

100μm
天間特殊製紙様御提供
撮影：富士工業技術支援センター

ミクロフィブリル化セルロース(MFC)の利用

セルロース系樹脂複合材料の開発

100μm

100nm

MFC30wt％

CNF3wt％

CNF

MFC

本数

1000

１

価格

１1/30

ミクロフィブリル化セルロース(MFC)を用いたガラス繊維代替複合材料の開発

世界各国で脱炭素（カーボンニュートラル）に向けた動きが加速◆2015年12月 「パリ協定」採択
COP21（国連気候変動枠組条約締約国会議）において、2020年以降の温室効果ガス排出量削減の実現に向けた国際的な枠組としてパリ協定が採択。

【各国の長期目標】

2019年

材料、エネルギー、システム分野でイノベーションを興さなければ達成できない。

ガラス繊維強化ポリプロピレンはサーマルリサイクルさえできない！

なぜ、1,500円/kg
セルロース/PP複合材料は熱履歴を抑えれば、多回・水平リサイクルが可能である。

GFRPP（ガラス繊維強化PP）の場合：溶融混練時にGFが折れてしまうため、アスペクト比が低下
よって、大きく強度低下する。⇒カスケードリサイクルの典型
原料価格がGFRPPの3倍（1,500円/kg）でも、LCAの点で魅力的である。

セルロース/PP複合材料の課題と開発目標◆物性の課題：衝撃強度が低い！
◆対応：顧客が興味を持っていただける物性レベルを達成すること。
◆目標：最低でもGFRP10wt%の物性レベル

短繊維ガラス強化PP

曲げ弾性率(MPa)シャルピー衝撃強度（ノッチ付き）(kJ/m2)

2800

5.0

4400

2.2

K7000（GF10wt%）プライムポリマーHPより

PP系ウッドプラスチック（木粉51wt%)◆対応：価格↓が見込める原料、プロセスの選定◆目標：パイロット生産で1,500円/kgの実現性がある製品設計

保有技術のコラボレーション(R4年度 Go-Tech事業採択）

天間特殊製紙㈱：湿式法による混抄紙の連続製造技術
溶解工程

叩解工程

精選工程

抄紙工程

搾水・乾燥工程

仕上げ工程

脱水・乾燥工程の簡略化
MFC化（ミクロフィブリル化セルロース）

不織布マット化

プラス

プレス成形

当研究室の配合技術

開発目標に対する達成レベル◆物性：ガラス繊維10wt%品相当の物性を達成
曲げ弾性率
(MPa)

シャルピー衝撃強度（ノッチ付き）(kJ/m2)

短繊維ガラス強化PP
K7000（GF10wt%）プライムポリマーHPより

2800

5.0

PP系ウッドプラスチック（木粉51wt%)

4400

2.2

CNF10wt%品（市販）

1600

6.2

MFC30wt%/PP（開発品）

2700

6.3

「曲げ弾性率（剛性）」と衝撃強度は「Trade-off」であることから、開発品の物性をベースに高剛性、耐衝撃性のどちらか一方をより際立たせたグレードを準備する。
各社各様の幅広い要求に即時に応える

環境試験とセルロース系材料の重要性を啓発「Flower Pot」プロジェクト （仮）キーワード：教育・働きがい・脱プラ

成形

MFC/PP複合材料（上級生が材料を）育てる

使う（小学1-3年生）

摘む

回収

高齢者・障がい者施設にお願い粉砕

御静聴有難うございました。

aoki.kenji@shizuoka.ac.jp