技術レポート

セルロースナノファイバーを活用した新規事業の創造に向けて2020 年 5 月
経営イノベーション本部
事業戦略グループ 舟橋 龍之介

1. CNF の研究・製品開発概況

規事業を検討する際に端緒となる情報を提供するバイオエコノミーの観点から、植物由来のカーボことを目的として執筆した。CNF を活用した新規事

ンニュートラルな素材「セルロースナノファイバー業の創造ステップとして、本稿では「基礎研究」、「応（Cellulose Nanofiber、以下 CNF）」が注目されている。

用・実用化研究」、「製品開発」の 3 段階に分類した。

2019 年に開催された東京モーターショーでは、環境

2 章では「基礎研究」、3 章では「応用・実用化研究」

省での 4 年間のプロジェクトの集大成として、CNF をに関する研究事例を取り上げている。これらの事例最大限に活用したコンセプトカーが披露された。まに関しては、あまたある事例の中でも注目度が高く、た、製品開発も着実に進展している。例えば、スポかつ製品開発と関連するものを厳選した。また紙面

ーツシューズのクッション、スピーカーの振動板、化の許す限り、参考文献を詳しく掲載している。さらに粧品などはすでに世の中に出回っている。中でもス4 章では、自動車分野を一例として製品開発に係るポーツシューズでは、55%の 軽 量 化 、 20% の 強 度今後の可能性を示している。

向 上 、 12% の 耐 久 性 向 上 を 実 現 し た 。 持 続 可

なお、CNF の特徴や既存の製品開発事例につい

能 な 炭 素 循 環 型 社 会 の構 築 に 向 け て は 、 こうては前稿「セルロースナノファイバーを普及させるたした製品開発を契機として、CNF のさらなる普及・拡めに求められること」に詳しく記載している。未読の大が求められている。

方はまずこちらを一読することをお勧めしたい。

ここで、研究とビジネスでは検討の観点が大きく2. 基礎研究の動向異なることを改めて強調したい。2019 年 12 月には、2009 年のノーベル化学賞受賞者 Thomas Steitz 氏

2 章では、製品開発に関連する基礎研究事例をが創業に参画していた米国の Melinta Therapeutics紹介する。基礎研究の方向性としては、「製品特性社が破産申請を行った。同社は、メシチリン耐性黄の向上」と「製品特性の安定化」の 2 点に大別され色ブドウ球菌（MRSA）や尿路などの細菌感染症治る（図 1）。

療薬を販売していたが、破産申請時の資産および2.1 製品特性の向上

負債はいずれも最大 5 億ドルであった。研究により「製品特性の向上」では、機械的特性の一種であ優れた技術を開発したとしても、顧客ニーズを汲んる靭性（粘り強さ）に関する事例を紹介する。CNF 表だ製品でなければビジネスとして成立しないのであ面は親水性（水になじみやすい）であるため、疎水る。こうした事例を踏まえても、研究とビジネスの間的な（水になじみにくい）プラスチックと混錬する（混でより緊密な連携が求められることは言うまでもなぜる）ことは困難であった。われわれの身の周りでいだろう。

は、水と油を混ぜるために、親水性と疎水性の両方

本稿は、セルロースナノファイバーを題材として新の性質を有する界面活性剤を用いている。CNF を1

技術レポート

界面活性剤分子で表面改質することで、親水的な微鏡観察などで繊維の幅と長さを 1 本ずつ測定す

CNF 表面と界面活性剤分子の親水部分がイオン結る必要があった。しかし、本研究の成果により、CNF合し、CNF 表面からひげが生えたように界面活性剤

水分散液の粘度を測定することで、数億本以上の分子の疎水部分がむき出しになった結果、プラスチ

CNF のアスペクト比を短時間で簡便に見積もることックに CNF を均一に混錬することができるようになができるようになった。製品特性に関わる指標を簡った。しかし、CNF の均一混錬によってプラスチック便に測定できるとの観点から、本研究は製品特性を補強した場合でも、強度が向上する一方で延性の安定化に貢献する可能性がある。

（力をかけると伸びる性質）は大きく低下するため、

3. 応用・実用化研究の動向

結果的に靭性（粘り強さ）が低下し、脆い材料となっていた。最新の研究では、この CNF 表面を被覆して前稿で述べたように、CNF が抱える最大の問題いる界面活性剤分子層の分子密度と厚みをプラスは高価であることだ。そのため、基礎研究と製品開チックの種類に応じて最適化することで延性が向上発の橋渡しに位置づけられる応用・実用化研究でし、高靭性材料となることが示されている（参考文献

は、製品特性を向上させるための研究事例も一部3、4）。

見られるが、中心となっているのは製造コストの削減に向けた事例である。3 章では、「水／有機溶媒2.2 製品特性の安定化分散液」、「多孔質体」、および「プラスチック複合材「製品特性の安定化」では、レオロジーという液体料」適用の観点からそれぞれ事例を挙げる（図 2）。の粘度を測定する方法により、CNF 水分散液の粘度と CNF のアスペクト比（繊維幅に対する繊維長の3.1 「水／有機溶媒分散液」の観点から値）の関係性を見出した事例を紹介する（参考文献「水／有機溶媒分散液」では、ドライパウダー製5）。自動車や家電製品などで用いられているプラス造の事例を挙げる。CNF 分散液の固形分濃度は一チックはわれわれの生活に欠かすことのできない材

般的に数%と低く、溶媒が大部分を占める。したがっ料である。このプラスチックを CNF で補強する場合、てその輸送にあたっては、重量がかさみ、輸送コス

CNF のアスペクト比とプラスチックの強度向上に一トが相対的に高くなるため、固形分濃度を高めるた定の相関があることが示されている。従来、このめのドライパウダー化が必要となる。しかし CNF 分CNF のアスペクト比を測定するには、透過型電子顕散液を単純に加熱して乾燥させると CNF 同士が強図１ CNF の製品開発に向けた課題に対する基礎研究事例

出所：参考文献 3～5 を基に三菱総合研究所作成

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固に凝集するため、溶媒中に再分散しないという課に凝集してしまう。そこで従来は、CNF ヒドロゲルを題があった。そこで各企業では、乾燥工程で凝集をアルコールで溶媒置換した後、超臨界乾燥という特抑える技術やノウハウを構築している。

殊な乾燥法を用いることで多孔質体を調製していた

王子ホールディングス株式会社では、固形分濃（参考文献 9）。この方法は相当なコストを要すること

度 20％の水分散液向け親水性パウダー「ウェットパから、多孔質体の調製コストを低減すべく、より簡便ウダー状 CNF」、固形分濃度 90％の有機溶媒分散な方法を開発することが求められていた。

液向け疎水性パウダーを開発している（参考文献 6、開発されたアプローチの 1 つが「蒸発乾燥」であ7）。また、株式会社スギノマシンでは、樹脂やゴムる。これは、常圧・常温下で乾燥させるという通常のなどに分散可能な疎水性パウダー「BiNFi-s（ビンフ乾燥プロセスである。東京大学では、①幅が 3nm とィス）ドライパウダー」を開発している（参考文献 8）。

いう非常に細い CNF を用い、②乾燥収縮を抑制するために CNF 間の相互作用を強化することで CNF

3.2 「多孔質体」の観点からヒドロゲルの剛性を高め、また③乾燥時の毛細管力「多孔質体」では、「蒸発乾燥」や「溶媒交換を不を低減するためにヘキサンやペンタンなどの低極性要とする凍結乾燥」の事例が挙げられる。CNF 分散溶媒でヒドロゲルを溶媒交換するという 3 つの戦略

液を単純に加熱して乾燥させると、CNF 同士が強固により、常温・常圧で多孔質体を調製することに成図 2 CNF の製品開発に向けた課題に対する応用・実用化研究事例

出所：参考文献 6～13 を基に三菱総合研究所作成

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功した。この多孔質体は、超臨界乾燥法で調製されが均一に分散したプラスチックを調製することに成る多孔質体に匹敵する空隙率および比表面積を有功している。従来の方法では、プラスチックに CNFしていることから、断熱材への応用が期待されていを溶融混錬することで均一に分散させていたが、混る（参考文献 10）。

錬時間が長くなるにつれて CNF の分子量が低下す

北越コーポレーション株式会社が検討している別るという課題があった。東京大学では、溶融させたのアプローチとして「溶媒置換を不要とする凍結乾プラスチックに CNF を混錬させるのではなく、CNF燥」が挙げられる。通常の凍結乾燥法では、エタノ

水分散液中でプラスチックを調製するというプロセスールと t-ブチルアルコールの 2 種類の溶媒置換をの順序変更により、分子量の低下を防いでいる（参実施するため、プロセスが複雑になる課題があった。

考文献 13）。

一方で、CNF 水分散液をそのまま凍結乾燥させた

4. 技術を製品開発につなげるために場合では、凍結時に氷晶が生じ、氷晶の周囲でCNF が濃縮されるために多孔質体の比表面積が低CNF の製品開発では CNF の特徴や技術シーズ減するという課題があった。こうした課題に対し、同を起点としているケースが多いが、顧客ニーズを汲社では CNF 水分散液に t-ブチルアルコールを適量むことを忘れてはならない。実際に使われる製品を添加することで、比表面積をでき得る限り維持しつ開発するためには、顧客が要求する特性を実現すつも、溶媒置換の不要化により製造コストを低減すること、そして製造コストを一定レベルに抑えることることを目指している。（参考文献 11）。の両輪を回すことが特に重要だ。以下では、「製品特性の向上」および「製造コストの削減」の観点から、3.3 「プラスチック複合材料」の観点から自動車分野を一例とした場合の製品開発について「プラスチック複合材料」では、複合材料の調製コ今後の可能性を紹介する。

ストの低減に向けた取り組みとして、「パルプ直接混練法（京都プロセス）」および「エマルション重合法」

4.1 製品特性の向上に向けての事例を挙げたい。「パルプ直接混練法」はその名自動車分野でプラスチックに求められている重要のとおり、パルプとプラスチックを直接混錬する方法な特性の一つに靭性がある。2.2 章で紹介した基礎である。通常、親水的な CNF と疎水的なプラスチッ

研究事例では、CNF 表面を被覆している界面活性クをそのまま混錬することは困難である。しかし、木剤分子層の分子密度と厚みをプラスチックの種類に材には疎水的なリグニンが元々含まれており、パル応じて最適化することで延性が向上し、靭性の高いプはこのリグニンを除去して製造されている。京都

材料となることが示されている。研究結果に基づけ大学では、疎水的なリグニンをあえて CNF 表面に残ば、高靭性材料の開発に向けた調整パラメータにす形でパルプ（リグノパルプ）を製造し、そのリグノは少なくとも分子密度と分子層の厚みの 2 点があり、パルプにさらに疎水化処理を施すことで、パルプのこれらをプラスチックの種類別に検討する必要があ

ナノ解繊とプラスチックへの混錬を同時に実施してるが、さらには界面活性剤分子の構造にも検討のいる（参考文献 12）。

余地があるだろう。全てのパターンを実験するとなれば途方もない労力を要することになる。

一方の「エマルション重合法」では、CNF 水分散液中にモノマー液滴を分散・重合させてポリマーナ製品試作の効率化を図るためには、シミュレーシ

ノ粒子を調製し、ろ過後に熱成形することで、CNFョンデータ、そしてマテリアルズ・インフォマティクス
4技術レポートの活用が有効となる可能性がある。例えば花王株

ス分子の構造体である CNF を活用せずして、持続式会社では、計算化学により、濡れ性と立体斥力の可能な炭素循環型社会を実現することは困難と言観点で選定した 2 種類の修飾基を CNF 表面にグラっても過言ではない。

フトさせる方法（デュアルグラフト法）を開発している

しかし一般的に、環境関連の話題はブームに終（参考文献 14）。こうした高分子科学分野でのデジタわってしまうことが少なくない。生分解性プラスチッ

ル活用の取り組みを進展させ、研究対象を分子構

クを例に挙げると、1980 年代にはプラスチックのご造から分子密度や分子層の厚みなどのナノ構造にみ処理問題が提起され、多くの生分解性プラスチッ発展させることが重要だろう。

クが開発された。また、2005 年の愛・地球博では、生分解性プラスチックを用いて製造されたごみ袋や4.2 製造コストの削減に向けてリサイクル食器などが経済産業省主導で導入され自動車分野では、燃費改善に向けた車体軽量化た。そして今まさに、海洋プラスチックごみ問題を契の手段として、従来のプラスチックよりも高強度で薄機として生分解性プラスチックが注目されている。

肉化が可能なガラス繊維強化プラスチックが用いら生分解性プラスチックがブームで終わるか、社会基れてきた。CNF はガラス繊維よりも硬度が低いこと盤として定着するどうかは、収益モデルを構築できを踏まえると、部品の成形加工時に用いられる金型るか否かにかかっている。CNF に関しても同様の岐の寿命延伸を通じた製造コストの削減に貢献できる路に立たされていると言えるだろう。

可能性がある。

5.2 成功体験を積み上げる

ここで重要となるのは、自社の直接顧客に加え、最終顧客（客の客）の受益を考慮することだ。自動

しかしながら、一般的に新規材料は高価であり、車分野の場合、材料メーカの直接顧客は部品メー収益モデルを構築することは一筋縄ではいかない。

カであり、最終顧客は完成車メーカである。完成車

そこで重要となるのは、成功体験を着実に積み上げメーカは部品コストを厳しく管理しているため、部品ることである。例えば、東レ株式会社の炭素繊維がメーカと完成車メーカの両者にメリットがないことに航空機用途で採用されるまでには、工業生産が始は新規材料の採用は進みにくい。すなわち、CNF のまってから 40～50 年の歳月を要した。しかし、東レ採用には、部品メーカの製造コスト削減に加え、完株式会社はいきなり航空機用途を開拓したわけで成車メーカの部品コスト削減が求められるのである。

はなく、その道のりにはゴルフシャフト、釣りざお、テニスラケットなどのスポーツ用途での採用があった。

5. CNF をブームで終わらせないためにこうした成功体験の積み重ねは、研究開発に携わる方のモチベーションを維持・向上させ、また会社や5.1 収益モデルを構築する

国が研究開発投資を継続していくためには極めて

21 世紀に入り、地球温暖化、石油資源の枯渇、重要な観点である。

プラスチックごみなどの環境問題がクローズアップさ製品開発を念頭に置いた CNF 研究が開始されてれ、再生産可能な植物資源を用いたものづくりに注から 15～20 年が経過した。特に、2014 年にナノセ目が集まった。植物の主成分であるセルロースはルロースフォーラムおよびナノセルロース推進関係

地球上で最も多量に生産・蓄積されるバイオマス資省庁連絡会議が設置されて以降、産学官連携がよ源であり、樹木の重量の約 4 割を占める。セルロー

り一層緊密となり、CNF に関わりのなかった新規プ
5技術レポート

レーヤーの参画が進んだ結果、製品開発のスピー

glycol). ACS Omega 2018, 3, 11883-11889. （閲ドが一気に加速した。現在、スポーツ用品、音響機

覧日：2020.5.7）

器、化粧品などでは一般消費者向け高価格帯製品

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.8がすでに開発されている。CNF のさらなる普及・拡b01616
5)

大に向けては、こうした一つ一つの製品開発事例を

R. Tanaka et al. Influence of Flexibility and成功体験として着実に積み上げていくとともに、収Dimensions of Nanocelluloses on the Flow

益モデルをしっかりと構築し、既存材料の置き換え

Properties of Their Aqueous Dispersions.に加えて CNF ならではの用途開拓を目指すことがBiomacromolecules 2015, 16, 2127-2131. （閲重要ではないだろうか。

覧日：2020.5.7）
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mac.5b00539
6)

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バー』がすごい 鉄の５倍の強度で重さは５分

https://www.ojiholdings.co.jp/r_d/theme/cnf.hの１」 （閲覧日 2020.5.7）tml
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8)

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2)

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2020.5.7）
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