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—市販木材用塗料に及ぼす影響（第 1 報）—
材料環境部
田栗有樹 久間俊平
帆秋圭司
福元豊

平井智紀

円城寺隆志
矢野昌之

セルロースナノファイバー（CNF）の産業利用は国の施策に後押しされて広がりを見せており，佐賀県内にも徐々に広がり始めている．しかし，CNF は製造方法により特性が異なり，企業単独での CNF 活用製品の開発には課題が多い．本研究では，塗料分野への CNF活用を想定し基礎データを収集することを目的に，市販木材用塗料 6 種に対して 2 種類の水分散 CNF の混合を検討した．さらに，CNF が塗膜に及ぼす影響について，塗膜の表面観察，撥水性及び屈曲性を検討した結果，本研究で用いた 2 種類の水分散 CNF は，水性アクリル塗料に混合可能であり，作製した塗膜は CNF 混合によって生じる凹凸が木材由来の表面凹凸に沿うこと，撥水性と屈曲性には影響しないことがわかった．一方，顔料系水性着色剤に対しては増粘作用を示し，特にナノフォレスト−S 混合塗料では顕著になり着色顔料を木材表面に保持することがわかった．また，撥水性は低下するが屈曲性は向上する傾向が明らかとなった．

１．はじめにナノファイバーとは，化合物を化学的または機械利用が進むことが予想される．
家具・木工製品の形状や構造は，使用木材の強度的に直径 1～1000 nm かつ長さが直径の 100 倍以上ある繊維に加工したものである．各種材料へのナノファイバーの添加により機械的強度の向上や熱・電気伝導性の付与が期待され，エネルギーや環境だけではなくヘルスケアなど様々な分野における応用が期待され研究開発が行われている 1)．特にセルローに大きく影響を受けることから，これがデザイン的な制約となる．CNF 添加塗料により木材の強度向上が可能ならば，県内の家具・木工産業への技術支援が期待できる．また，塗料へ CNF を添加する技術を確立できれば，家具・木工産業以外にも金属・樹脂などの塗料を使用する産業分野への波及も期待でき

スは植物を原料とするため，持続可能資源として注目されており，現在，国の政策として CNF の産業利用を目標に製造技術や利用技術の開発が進められている．
CNF は様々な分野で用途探索が行われている段階であり，CNF と材料を混合した複合材はカーボンる．
塗膜の乾燥性や平滑性を向上させるために，従来は有機溶剤を含有した塗料を使用することが一般的であったが，近年は環境や健康重視が志向されているため国際的に有機溶剤の使用が規制されており，日本でも有機溶剤を使用しない水性塗料への切り替

繊維充填材のような高強度かつ高弾性特性が期待されている 2)．しかし，CNF は製造法（機械的解繊法，化学的解繊法）により特性が異なること，混合する材料に合わせた調整（解繊度，置換基交換など）が必要であることから，現状では製造企業の協力がなければ製品開発は困難である．特に課題となっていえが進んでいる．
そこで，本研究では水性塗料に水分散 CNF を混合した塗料が家具・木工製品の強度に及ぼす影響を検討し，木材の高強度化の可能性を探ることを目的とした．本年度は，2 種類の水分散 CNF と市販木材用塗料で水性と油性のアクリル塗料，植物油などの天るコスト面では，2030 年代にガラス繊維レベルの単価となるよう，パルプメーカーを中心に製造コスト低減のための技術開発が行われている．CNF のコスト次第では強度改善材として種々の製品への適用が進む可能性を秘めており，県内企業においても今後，然素材を主原料とする塗料，顔料系水性着色剤及びオイル（桐油）を用いて混合の検討と混合時の様子を観察した．更に，混合塗料を針葉樹（杉，檜）と広葉樹（ブナ，ナラ）及びポリカーボネート（PC）に塗布し，表面観察，断面観察，撥水性及び屈曲性－ 45 －

令和元年度

佐賀県工業技術センター研究報告書のイオン交換水（W2）を滴下し，1 分後に拭き取り数値が高いほど撥水度が高い．
重量 W3 を測定した．

に関して CNF 添加による影響を検討した．
２．実験方法2.1 試薬CNF は，（株）スギノマシン製 Binfi-S の IMa-10002撥水度(%) ＝ [1-(W3-W1)/W2]×100（IMa）（濃度 2%）及び中越パルプ工業（株）製ナノフォレスト−S（NF-S）（解繊度 C，濃度 1%）を用いた．木材は杉，檜，ブナ及びナラの 4 種類を用いた．和紙貼り突板は，厚さ 0.25 mm の杉，檜，ブナ及びナラの板目及び柾目（松本合板（株）製）（合計 8 種類）を用いた．アクリル塗料には，油性（塗撥水度測定は突板への塗布試料各 3 枚に対して行い，撥水度はその平均値とした．
2.6 マンドレル屈曲性試験
屈曲性の評価には，JIS K 5600-5-1 に規定される屈曲性試験装置のタイプ 2 に相当する円筒形マンドレル屈曲試験機（TQC 製 KT-SP1820）を用いた．突板料 A）及び水性（塗料 B）各 1 種（造膜型）を用いた．天然油など天然素材と微量の有機溶剤を含む自然塗料（塗料 C）と顔料系水性着色剤（塗料 D）（共に含浸型）を用いた．また，オイルとして含浸型の桐油（米山薬品工業（株））を用いた．
2.2 混合実験の塗布試料を固定し，マンドレルに沿って曲げた時の塗膜外観を目視観察した．1 つの試験条件に対して試料 3 枚を試験し，塗膜が割れや剥がれのない健全な表面を保持できるマンドレル径を結果とした．

市販木材用塗料と CNF（IMa 及び NF-S）を任意の割合で攪拌脱泡装置（（株）シンキ―製 ARE-250）により混合（3 min，1500 rpm）した．得られた混合物の様子を目視観察した結果，塗料 B 及び塗料 D が混合可能であった．
2.3 木材及び突板への塗布

3.1 CNF と市販木材塗料の混合
原料の異なる 2 種類の CNF に対して，市販の木材用塗料（5 種類）とその混合状態について検討した．
IMa は，水に分散させたパルプを高圧で衝突させて解繊して製造され，フィラーとしての利用の他に分散剤や乳化剤として利用されている 5)．NF-S も IMa

混合実験の結果から，木材及び突板への塗布は塗料 B 及び塗料 D の混合塗料について実施した．
塗料 B 又は塗料 D を 2 g と CNF（IMa は 0.7 g，
NF-S は 1.5 g）を攪拌脱泡装置（（株）
シンキ―製 ARE250，3 min，1500 rpm）により混合塗料を得た．突板用の混合塗料は，塗料 B 又は塗料 D を 20 g と CNFと類似の製造方法である水中対向衝突法で製造されるが，原料が竹であること及び得られた CNF は親水性と疎水性の両方の性質を持つことが IMa と異なる
6)．
特性の異なる 2 種類の水分散 CNF と市販木材塗料を混合させた時の分散状態を観察した．有機溶剤を（IMa は 7.0 g，NF-S は 10.0 g）を用い，同様の方法により混合塗料を得た．
木材は，幅 18×長さ 30×厚さ 10 mm に切り出して使用した（各 1 片）．突板は，幅約 70×長さ 150mm に切断して用いた（各 3 枚）．また，CNF の塗膜表面への影響を検討するために，PC 板（幅 50×長さ含有する塗料 A 及び塗料 C と水分散 CNF を混合した場合は，どちらの CNF も直ちに凝集し，攪拌脱泡装置によっても分散することはなかった．一方，塗料 B 及び塗料 D に対しては，どちらの CNF も凝集することなく分散した．特に NF-S 混合塗料は粘性が顕著に増大し，IMa 混合塗料が塗料単体の状態か50×厚さ 1 mm）へも同様に塗装した．木材と突板は，塗装前に 280 番の研磨紙で研磨した．塗装は 1 回塗りとし，木材表面と側面を塗装した．塗料 D 及びその混合塗料はウエスで，塗料 B 及びその混合塗料は刷毛で塗布した．
2.4 塗膜表面及び断面観察

ら大きな変化がない様子とは異なっていた．
桐油に対しては，塗料 A 及び塗料 C で観察された凝集は見られず，短時間（約 10 分）のみ均一な混合塗料が得られた．
以上のことから，有機溶剤を僅かでも含む塗料（A及び C）に対しては CNF が凝集するが，塗料中の疎塗膜の表面及び断面観察にはレーザー顕微鏡（オリンパス製 OLS4100）を用いた．
2.5 撥水度測定
撥水度は，森林総研法 3), 4)により，式(1)から算出した．具体的には，重量 W1 g の試料中央部に約 1 g水性成分（塗料 B のアクリル樹脂や桐油）に対しては凝集しないことが明らかとなった．
3.2 CNF 混合による塗膜の変化
CNF が凝集しなかった塗料 B 及び塗料 D の混合塗料について，PC 板と木材に塗布して得た塗膜表面（１）３. 結果及び考察－ 46 －

令和元年度塗料IMaa佐賀県工業技術センター研究報告書

塗料のみNF-Sb

塗装なし

cg

Bdef

D

図１

塗料 B 及び D とその CNF 混合塗料の PC 板塗装材のレーザー顕微鏡による表面観察（撮影領域：258×258μm）

樹種

IMa

塗料のみ

NF-S

無塗装材

杉

檜

ブナナラ

図２

塗料 B 及びその CNF 混合塗料の木塗装材のレーザー顕微鏡による表面観察（撮影領域：258×258μm）－ 47 －

令和元年度

佐賀県工業技術センター研究報告書

塗料

IMa

塗料のみ

NF-S

杉の無塗装材B

D

図３

塗料 B 及び D とその CNF 混合塗料の杉塗装材のレーザー顕微鏡による表面粗さ観察（撮影領域：258×258μm）

樹種

IMa

塗料のみ

NF-S

無塗装材

杉檜

ブナ

ナラ

図４

塗料 D 及びその CNF 混合塗料の木塗装材のレーザー顕微鏡による表面観察（撮影領域：258×258μm）－ 48 －

令和元年度

杉檜

佐賀県工業技術センター研究報告書

ブナナラ

D+IMaD+NF-S

D のみ

図５

塗料 D 及びその CNF 混合塗料の木塗装材のレーザー顕微鏡による断面観察
上段：レーザー観察写真，下段：カラー観察写真（撮影領域：258×258μm）－ 49 －

令和元年度

佐賀県工業技術センター研究報告書をレーザー顕微鏡で観察した結果を図１から図５に示す．桐油の CNF 混合塗料は不安定なため対象としなかった．
塗料 B は造膜型塗料であり，PC 板のように平滑な基材に対して艶がある平滑面を与え木材表面を保護する．塗料 B に NF-S を添加したところ，塗膜には微小凝集物が分散し同時に凹凸が生じた（図１b）．
また，IMa 添加時は，より大きな凝集物が観察された（図１a）．木材は細胞組織や導管・仮導管から構成されているため表面に凹凸が存在する．木材に塗料 B のみを塗装した場合，深い凹みは残るものの，無塗装材よりも艶があり平滑部分を持つ塗膜となった．2 種類の水分散 CNF を添加した場合，塗膜は凝集物が木材本来の凹凸に沿い塗料 B のみが与える塗膜より無塗装材に近い形状の表面となった（図２，図３）．
塗料 D は，木材に染み込んで色をつける着色剤であり塗膜は形成しないため木材表面の保護性能は無い．しかし木目を引き立たせ自然な風合いであること，メンテナンスが容易なことから好まれている.本研究で用いた塗料 D は，固体の着色顔料が混合されており，PC に塗装後も表面には粉末が残留していた（図１f）．塗料 D に NF-S を添加すると粘性が向上
し，PC 板塗装後の表面観察から，着色顔料が凝集していることがわかった（図１e）．同様な現象が水性ウレタン塗料（塗料 B）への CNF 添加についても確認され，顔料成分の沈降抑制及び液垂れ抑制の機能が付与されることが報告されている 7)．一方，IMa 添
加時は，顕著な粘性の向上は確認されず着色顔料の凝集は観察されなかった（図１d）．木材に塗布した場合，塗料 D 及びその IMa 添加塗料は，木材に浸透し表面形状は無塗装材と大きな違いは観察されなかった（図４）．しかし，増粘した NF-S 添加塗料は，木材表面の凹凸が減少し無塗装材よりも滑らかな表面となった（図３）．また，木材断面の観察から，塗料 D 及びその IMa 添加塗料では塗料内部まで浸透している着色顔料が，塗料 D の NF-S 添加塗料では木材表面近傍に保持されていることが明らかとなった（図５赤点線）．
3.3 CNF 混合塗膜の撥水性塗料 B 及び塗料 D と 2 種類の水分散 CNF との混合塗料を突板に塗布し得られた塗膜について，撥水度の測定結果を表１に示す．
先に述べたように，塗料 B は木材表面に塗膜を形成し木材を保護する．それに対して塗料 D は，木材に染み込んで着色することが目的であり，木材表面

表１

突板塗布材の撥水度測定結果（上）塗料 B とその CNF 混合塗料，（下）塗料 D とその CNF 混合塗料

杉
檜ブナ
ナラ

杉
檜ブナ
ナラ

B+IMa

B+NF-S

B のみ

無塗装

[%]

[%]

[%]

[%]

板目

100.2

99.1

99.6

96.8

柾目

100.1

99.5

100.0

98.5

板目

100.3

99.6

99.8

97.4

柾目

99.6

99.2

99.5

97.4

板目

99.9

99.7

98.8

98.2

柾目

100.1

99.4

99.2

98.8

板目

100.3

99.5

99.7

97.7

柾目

100.3

100.0

99.3

96.9

D+IMa

D+NF-S

D のみ

無塗装

[%]

[%]

[%]

[%]

板目

86.6

85.3

88.8

96.8

柾目

84.2

90.3

90.7

98.5

板目

93.6

83.5

90.3

97.4

柾目

84.5

81.5

89.6

97.4

板目

90.3

87.3

92.998.2

柾目

87.5

91.2

93.2

98.8

板目

93.8

93.5

94.0

97.7

柾目

92.5

88.6

91.6

96.9には着色剤粉体が残留する．撥水度は造膜型の塗表料 B の方が含浸型の塗料 D よりも高かった．塗料及びその CNF 混合塗料を塗布した場合は，無塗装材よりも撥水度が向上しており，CNF の添加後にも高い撥水度を維持していた．塗料 B の IMa 混合塗料の撥水度は 100%を超えているが，これは精密天秤の誤差によるものと推察される．実験に用いた 2 種類のCNF は親水性であるが，塗料 B と混合すると塗膜形成時には塗料 B の塗膜形成成分であるアクリル樹脂中へ固定され，表面の撥水度への影響はなかったと考えられる．
塗料 D 及びその CNF 混合塗料を塗布した場合，無塗装材よりも撥水度が低下した．塗料 D 及びそのCNF 混合塗料は塗膜を形成しないため木材表面に着色剤等と CNF が残留しており，これらが吸水を促進していると予想される．また，前項で示したように，塗料 D の NF-S 混合塗料は IMa 混合塗料に比べて着色剤と CNF が表面近傍に多く保持されている
ため，NF-S 混合塗料の撥水度の低下が IMa 混合塗料よりも大きくなる原因の一つと考えられる．
3.4 CNF 混合塗膜の屈曲性－ 50 －

令和元年度

佐賀県工業技術センター研究報告書

塗料 B 及び塗料 D と 2 種類の水分散 CNF との混合塗料を突板に塗布して得られた塗膜に対して，マンドレル屈曲性試験を実施した結果を表２に示す．
CNF を樹脂に混合した複合材料は，CNF がフィラーの役割を果たし，元の樹脂よりも高強度となるこ及び顔料系水性着色剤（塗料 D）に対しては，今回用いた 2 種類の CNF は混合可能であった．桐油は短時間ではあるが水分散 CNF により乳化できることが明らかとなった．桐油などの自然物由来のオイルは木材本来の風合いが得られることから家庭用途でとが知られている 2) ．本研究でも塗料へ混合した
CNF が塗膜中で同様な役割を果たして屈曲性が向上すると予想された．塗料 B とその CNF 混合塗料
は，杉以外では無塗装材と同等であり，CNF 添加による明らかな屈曲性の向上は確認できなかった．杉については，CNF 添加により屈曲性が低下する傾向好まれており，CNF 添加により塗膜に機能性を付与できる可能性が示唆されたため，次年度に検討を続けることとしている．CNF の混合により塗料の粘性は増大する傾向にあり，特に顔料系水性着色剤（塗料 D）の NF-S 混合塗料ではその傾向が顕著に見られた．この NF-S 混合塗料は，増粘により CNF と着が見られた．特に杉板目は，CNF 添加により塗料 Bのみの場合よりも大きく低下しており，今後は樹種の性質や含水率などを含めて検討する必要がある．

色剤を木材表面近傍に保持するため，より大きな撥水性の低下につながったと予想された．屈曲性は，
塗料 B と D 共に，IMa 混合塗料の杉柾目突板の塗布材に対しては屈曲性の向上が見られ，CNF 自体の特性が関係していることが予想された．
表面観察から，CNF 混合塗料の塗膜表面は概して４．おわりに
本研究では，CNF による木材用塗料への機能性付与について検討するために，市販木材塗料と 2 種類の水分散 CNF を混合した時の塗料及び塗膜の変化に関する基礎的知見を収集した．
有機溶剤を含まない水性アクリル塗料（塗料 B）
表２

突板塗布材のマンドレル屈曲性試験結果（上）塗料 B とその CNF 混合塗料，（下）塗料 D とその CNF 混合塗料

杉檜
ブナ
ナラ

B+IMaB+NF-S

B のみ

無塗装

[mm]

[mm]

[mm][mm]

板目25251620柾目

12161616板目

6668柾目8668板目

86810柾目8668板目

12101212柾目1010810D+IMa

D+NF-S

D のみ

無塗装[mm][mm][mm][mm]

板目

25202520柾目

13161616板目

6668柾目8468ブナ

板目

106810柾目

8468ナラ板目

13101012柾目

1312810杉
檜

凹凸が大きくなることが明らかとなったが，本来，光沢のある平滑面を与える水性アクリル塗料（塗料B）の場合は木材由来の凹凸が残った塗膜となり，木材の質感を保った撥水性塗膜を得ることができた．
今回用いた 2 種類の水分散 CNF は，混合塗料の様相や塗膜に異なる影響を与えていることが明らかとなった．樹種間では屈曲性に差が見られた．
なお，本研究を実施するにあたり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．
参考文献
1) (a)谷岡明彦，繊維と工業，59(1), 3-7 (2003). (b)谷岡明彦，繊維と工業，66(12), 394-397 (2010).
2) バイオマス由来の高機能材料，株式会社エヌ・ティー・エス（2016）.
3) 木口実，鈴木雅洋，木下稔夫，川村二郎，木材
保護着色塗料の新しい塗り替え基準による耐候性能評価，木材工業，52(12)，612-617（1997）．
4) （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)．
5) スギノマシン（株）BiNFi-s カタログ．
6) 中越パルプカタログ．
7) 樋澤健太，佐々木麗，地方独立行政法人岩手県
工業技術センター成果集 2018．

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