令和元年度

佐賀県工業技術センター研究報告書

セルロースナノファイバー混合塗料に関する研究-環境に配慮した木材用塗料の開発（第２報）材料環境部
久間俊平 田栗有樹
帆秋圭司 平井智紀
福元豊

円城寺隆志
矢野昌之

セルロースナノファイバー（CNF）は，植物から得られる低環境負荷な材料であり，樹脂との混合でカーボンファイバーのような高強度・高弾性特性が期待される．また，CNF は乳化作用効果や吸着効果及びチキソ性等の様々な興味深い特性を有するため，近年，様々な分野で製品化に向けた研究開発がなされている．本研究では，CNF を低環境負荷である透明系含浸型水性塗料の乳化剤として利用し，その塗料及び塗膜の物性変化について検討した．その結果，CNF を木材用塗料の乳化剤として利用することで，木質感を損なわずに塗装物の耐候性を向上できることが明らかとなった．

１．はじめに佐賀県には，陶磁器産業や家具産業，製薬業等の特色ある地域産業と技術力の高い企業が数多く立地している１）．県内の家具・木工産業や建築産業にお着色して木目を隠す着色系塗料よりも透明系塗料がより優れると考えられる．
しかし，これらの天然物由来原料を用いた塗料や，含浸型塗料，透明系塗料はいずれも耐候性が低いといては木材用塗料が使用されているが，木質感や高耐候性等の高品質と共に低環境負荷であることが求められている．県内塗料メーカーにおいても，これらの塗料開発が行われているが，十分な性能を有するものはできていない．地球温暖化や環境汚染，生態系の破壊等は世界的に大きな問題となっており，いう問題があり３），現状では低環境負荷でありながら木質感を損なわずに高耐候性等の高品質を満たす塗料はない．
木材用塗料の耐候性について，塗膜劣化の主因として紫外線や水分の吸収，木材の収縮による寸法変化が挙げられる．また木質感を損なわない透明塗料

持続可能な社会を実現するため，社会全体として低環境負荷な材料や製造プロセスが必要とされている．
国連では，2015 年に持続可能な開発目標（SDGs）が採択されており，その達成が求められている．
塗料における環境対応として，塗料成分に用いられている有機溶剤を水に変更することで，VOC（揮では光を透過して基材の木質部も劣化するため，塗膜の耐候性はより低下する４）．
木材や竹等の植物から得られる天然由来の材料である CNF は，低環境負荷なナノサイズの繊維であり，高比表面積，軽量・高強度，生分解性，乳化作用等の特長を持つため様々な分野で製品開発が進め発性有機化合物）排出量を減らした水性塗料がある．
水性塗料は，有機溶剤特有の臭気や有害性が低く，非危険物であるため，取り扱いや保管が容易である．
その他に，再生可能な天然物由来である植物油等の原材料を用い，製造時や輸送時のエネルギー消費といった環境負荷にまで留意したエコロジー塗料もあられている５）．木材用塗料においては，水性合成樹
脂塗料に CNF を混合することで，機械的強度特性や耐候性に優れた性能を有することがこれまでに報告されている６）．
そこで本研究では，低環境負荷であることに加えて，木質感や高耐候性等の高品質を有する塗料の開る２）．しかし，水性塗料であっても完全に人工化学物質を排除した塗料はない．
木質感を損なわない塗料は，塗装していても塗っていることを感じさせないことが重要な要件の一つとなる．そのため，木材表面に厚い膜を形成する造膜型塗料より，形成しない含浸型塗料がより優れ，発を目的とした．そのために，天然物由来の植物油であり木材用塗料原料として用いられている煮亜麻仁油について，CNF 等のナノファイバーを乳化剤として用い，透明系含浸型水性塗料として簡易に調製・取扱い可能な塗料を開発し，その特性について評価した．また，微量の添加剤による塗料性能（速乾性）－ 41 －

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佐賀県工業技術センター研究報告書の向上について検討した．
２．実験方法2.1 試薬主剤として，煮亜麻仁油（山桂産業製）を用いた．

3.1 CNF による乳化作用
それぞれ濃度の異なる CNF 及びキチンナノファ
イバーの分散液に，全体で 20wt%となる様に煮亜麻仁油を混合した．この混合物を振とうすると，追加で乳化剤を添加することなく，きわめて容易に均一乳化剤として，竹由来 CNF（中越パルプ工業製，nanoforest-S，高解繊度，濃度 1wt%）及び同じく天然物由来であり，乳化剤としての効果がある７），キチンナノファイバー（スギノマシン製，BiNFi-s，SFo200，濃度 2wt%）を用いた．乾燥促進剤としてコバルト系金属石鹸（DIC 製，DICNATE 3111TL）を用いに乳化された塗料が得られた．この時，CNF 及びキチンナノファイバーを併用することで，より長時間，乳化状態が安定することが明らかとなった。
（表 1）．
この要因として， CNF 及びキチンナノファイバーを併用することで，水溶液中でのナノファイバーの 3 次元ネットワークが強化され，それが強く油滴た．レベリング剤としてフッ素系界面活性剤（DIC 製，メガファック F-477）を用いた．
2.2 塗料の調製
主剤，乳化剤，乾燥促進剤，レベリング剤及びイオン交換水を種々の割合で混合した水性塗料を得た．
2.3 塗料の乳化安定性表面に吸着したためと考えられる．また，煮亜麻仁油の濃度を増減しても，乳化可能であり，桐油・大豆油等の異なる植物油でも乳化は可能であった．
尚，乳化安定性の詳細については，今後さらなる検討が必要である．
3.2 木材への CNF 混合塗料の塗布

調製した塗料を 2～3 日間静置し，乳化状態を目視にて確認した．
2.4 木材への塗布
塗布木材として，スギ材（板目，厚さ 5mm）を塗装前に 180 番の研磨紙で研磨したものを用いた．
CNF 混合塗料（煮亜麻仁油を 20wt%含有）について

CNF 混合塗料について，表 2 にその組成を示す．
試料 1 をスギ材へ塗布し，煮亜麻仁油のみを同量となる様にスギ板へ直接塗布したものと，2 週間養生は，片面のみに刷毛で 100g/m2 となる様に 1 回塗布した．煮亜麻仁油については，片面のみに刷毛で20g/m2 となる様に 1 回塗布した．
2.5 測色測色計（コニカミノルタジャパン製，CM-700d）
を用い，L*a*b*色空間における L*（明度）， a*（+a：赤方向，-a：緑方向）b*（+b：黄方向，-b：青方向）を測定した．
2.6 塗膜表面観察
塗膜の表面観察及び粗さの測定には，レーザー顕微鏡（オリンパス製，OLS4100）を用いた．
2.7 耐候性試験
木材試験片を，佐賀市において南向き傾斜 33 度の条件で 1 月～2 月に屋外曝露し，その経時変化を観察した．
2.8 撥水度
塗膜の硬化状態を確認するために測定した撥水度
は，森林総研法８）により塗装面に約１g の脱イオン水を滴下し，1 分後に拭き取り，試験片に浸透しなかった脱イオン水の質量百分率とした．数値が高いほど撥水度は高くなる．
３. 結果及び考察

表1

CNF を乳化剤に用いた塗料の安定性
CNF 分散液濃度（wt%）

長時間経過後キチンナ
ノファイ
バー分散液濃度（wt%）

00―

5―

1020――

10

表2

水性塗料組成（単位：wt%）

試料番号
主剤
乳化剤

煮亜麻仁油
nanoforest-S
BiNFi-s SFo-200

122020105105

乾燥促進剤

DICNATE3111TL

00.2

界面活性剤

F-477

00.2

イオン交換水6564.6

溶剤－ 42 －

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図 1 塗装後のスギ板外観（左側：煮亜麻仁油，右側：試料 1）
表3

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図 2 耐候試験 4 週間後のスギ板外観（左側：煮亜麻仁油，右側：試料１）

測色結果

表5

耐候試験による色変化

無塗装

煮亜麻仁油

試料１

色空間

試験前

4 週間後

L*

78.574.775.0

L*74.773.7a*

4.86.25.4

a*6.27.0b*

17.2

23.420.7

表4

煮亜麻仁油

塗膜表面の観察

試料 1

煮亜麻仁油

試料 15.28.0b*23.429.0

L*

75.074.5a*5.46.2b*

20.724.4

表面状態

表面粗さ
Sa [µm]した後に比較した．その結果，外観観察及び測色結果から，煮亜麻仁油のみでは，b*値の変化からわかる様に，より黄色味を帯びるのに対し，試料 1 では無塗装時の色に近く，木質感を損なわないことが明らかとなった（図 1，表 3）．また，塗膜表面観察の結果より，試料 1 は表面が白っぽく，表面粗さはより大きかった（表 4）．これらの原因として，CNF及びキチンナノファイバーがスギ板の表面を覆い，その微細な構造により外部からの光を散乱することで，木材に浸み込んだ煮亜麻仁油の色を覆い隠していることが考えられる．表面粗さについては，水性塗料と油性塗料の違いによるものと考えられる．
3.3 耐候性試験による色変化
試料 1 及び煮亜麻仁油を塗布したスギ板について，耐候性試験を実施し，色の変化について検討した．
外観観察及び測色結果から，どちらの試料も黄色

図3

撥水度の経時変化

味が増し b*が大きく増加したが，試料 1 は煮亜麻仁油のみを塗布した試料と比較して，より黄色味の増し方（b*値）が小さかった（図 2，表 5）．この原因として，CNF 及びキチンナノファイバーがスギ板の表面を覆い，その微細な構造により外部からの紫外光を散乱することで，塗料成分及びスギ材表面の紫外線劣化を遅らせたことや，ナノファイバーが下地の変色を覆い隠していること等が考えられる．より長期間の耐候性については，今後さらに検討が必要である．

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3.4 微量添加剤による塗料性能の改善
煮亜麻仁油等の塗料用油脂（乾性油）は，空気中の酸素によってゆっくりと酸化重合するため，仕上がりまでに時間を有する．本研究では時間短縮のため，天然由来の原料ではないが，微量の添加剤によまた，開発塗料に，微量の乾燥促進剤を添加する
ことで，塗膜の硬化時間が短縮できることを確認した．さらなる塗料性能向上のためには，CNF の混合比や混合方法を，新たな添加剤の探索を含めて引き続き検討していく必要がある．

る性能の向上を検討し，乾燥促進剤としてコバルト系金属石鹸を添加した．同時に塗布性を向上させるために，レベリング剤としてフッ素系界面活性剤も微量添加した．
酸化重合が進むと，表面保護機能が向上し，撥水性も向上する．そこで煮亜麻仁油及び添加剤を含有

なお，本研究を実施するにあたって使用したレー
ザー顕微鏡は，電源立地地域対策交付金で導入した．

する試料 2 を塗布したスギ材について，撥水度の経時変化を測定した（図 3）．試料 2 では数日でほぼ撥水度が一定になり，煮亜麻仁油を塗布したものより，短期間で安定することが明らかとなった．
塗料性能を向上させる添加剤については，光安定剤や防カビ剤等，様々なものが知られている．今回

2) 鈴木光明, 改訂版木材の塗装, 木材塗装研究会編, 海青社, 253-259 (2010).
3) 木口実, 木材保存, 43(3), 151-156 (2016)4) 木口実, 改訂版木材の塗装, 木材塗装研究会編, 海青社, 235-237 (2010).
5) (a)矢野浩之, 今井友也, 工業材料, Vol.65, No.8,開発した塗料について，これらの添加剤を微量添加することで，今後さらなる高性能化が期待される．
天然由来原料による性能向上についても，今後検討する必要がある．
４. おわりに

18-23 (2017). (b) 近藤哲 男, 工業 材料, Vol.65,No.8, 40-45 (2017). (c) F. Rol, M. N. Belgacem, A.
Gandini, J. Bras, Prog. Polym. Sci., 88, 241-264(2019).
6) 石川敦子, 片岡厚, 大木博成, 何昕, 伊藤拓美,下川知子, 林徳子, 眞柄謙吾, 小林正彦, 神林

本研究では，低環境負荷かつ高品質（木質感，耐候性）な木材用塗料の開発を目的として，天然物由来原料を主成分とした塗料の検討をおこなった．
その結果，CNF 及びキチンナノファイバーを乳化剤として併用することで，植物油を水と乳化でき，安全で取り扱いが容易な透明系含浸型水性塗料を開徹, 木口実, 木材保存, 45(2), 68-76 (2019).
7) 田栗有樹, 久間俊平, 円城寺隆志, 河合信次,帆秋圭司, 平井智紀, 矢野昌之, 福元豊, 自動車用樹脂製品の金属コーティング技術の開発（第３報）, 平成 29 年度佐賀県工業技術セン
ター研究報告書, 9-16 (2018).

発できた．開発塗料は木材用塗料として利用することで，木質感を損なわずに塗装物の耐候性を向上できることが明らかとなった．

8) (財)日本住宅・木材技術センター：マニュアル
作成事業報告書（木材保護着色塗料品質評価）,(1998).

参考文献
1) -佐賀県総合計画 2019- 人を大切に、世界に誇れる佐賀づくりプラン.

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