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崭露头角的纤维素纳米纤维

发布者: 网站管理员   发布时间: 2017-03-06

Japan Technology Observer 日本科技观察


将纤维素(Celluouse)这种构成植物细胞壁的主要成分进行纳米化(超微细化)处理后制成的“纤维素纳米纤维”(Celluouse Nanofibers,CNF)具有“轻盈、强韧、环保”的特点,作为一种梦幻般的新材料受到了人们的关注。从成人尿不湿到显示器、汽车、飞机的生产材料等,用途非常广泛。国土森林覆盖率达到约70%的日本在相关研发领域引领着全球的发展脚步,并与同为森林大国的北欧和北美各国围绕该材料的实用化展开了竞争。

重量是钢铁的五分之一,强度却是其五倍以上

CNF受到关注的原因在于它的一个特性——“重量是钢铁的五分之一,强度却是钢铁的五倍以上”。

如果混入树脂和橡胶之中,就可以制作质量轻、强度高的汽车零部件。京都大学生存圈研究所矢野浩之教授带领的研究团队正在推进用CNF替代铁制汽车车身和车架的研究。如果能实现车辆轻量化,那么燃油经济性将得以提高。二氧化碳的排放量也会减少。从长远来看,甚至有可能像碳纤维那样用于制造飞机机身。
        
用显微镜照片制作的纤维素纳米纤维示意图(纳米纤维素讨论会提供)

还可以用它来制造热膨胀率低、强度高的玻璃。由于是纳米级(1纳米为10亿分之1米)的纤维,人眼足以辨色的可见光线能够透过材料,所以可以加工成透明的状态。由于比表面积(单位质量物料所具有的总面积)大,所以也可以制成用来捕捉微小尘埃的过滤器、吸附细微臭味物质的除臭剂。使用了具有防止氧气等气体渗入的高阻气性CNF薄膜的食品包装材料具有保持食材新鲜度的效果。由于在水中也可表现出高度粘性,所以还可以用于生产营造Q弹质感的食品添加剂。

作为原料的植物也很丰富。树木(木材)、秸秆(麦子、稻子等)、茎干(玉米、棉花等)等几乎所有植物里都含有纤维素,对环境造成的负担也很小。

日本在基础研究领域是领头羊

在CNF的基础研究方面,日本已经取得了重大成果。从木质材料中提取纤维素制成植物纤维已是造纸公司的日常工作。然而,纸浆中的CNF纤维结合能力极强,需要大量能量才能实现均匀分离。这是实现产业化的最大瓶颈。

 

东京大学研究生院农学生命科学研究科矶贝明教授带领的团队在全球率先发现,如果使用用于促使物质发生氧化反应的“TEMPO”催化剂,纤维就会变得易于分离,借此可以有效地提取CNF。据说如果采用这种化学处理方法,实现纳米化所需的电量仅为过去的60分之1到300分之1。

矶贝教授的这项发现得到认可,于2015年3月获得了美国化学会的安塞姆・佩恩奖(为纪念发现纤维素的法国化学家而设立的奖项)。同年9月,他被授予拥有“森林诺贝尔奖”之称的瑞典马库斯・瓦伦堡奖,成为了亚洲首位获奖者。

造纸公司主导加快实用化进程

目前积极致力于CNF的研发和实用化工的是那些苦于纸张需求缩小的造纸公司。业界第二大企业日本制纸于2013年10月在岩国工厂启用了基于TEMPO催化剂氧化处理的实证生产设备(年产30吨以上)。该公司还积极尝试开发新用途。公司成功将具有除臭抗菌功能的纤维片材投入实际应用,于2015年10月在全球率先发售了用CNF制成的成人尿不湿。

 

业界龙头老大王子控股在2013年3月与三菱化学联合开发出了以约4纳米CNF制成的透明连续片材。由于质量轻,可以像纸一样折叠,所以可以用于制造可展开使用的大型显示器和太阳能电池。王子控股还看中了CNF的粘性特性,已经开始与日光化学公司共同开发将其作为化妆品原料加以利用的新用途和功能。

 

另一方面,三菱铅笔已从5月下旬开始在日本国内销售将CNF作为墨水增粘剂的凝胶墨水圆珠笔。该产品成功将书写时的墨水粘度较传统商品降低了约50%,即使快速书写也不会出现飞白问题。该款圆珠笔去年已在欧美地区先行发售。

据矢野教授称,尽管完全采用CNF制造汽车车身还有很长一段路要走,但人们用上通过CNF增加强度的塑料材料不会是太遥远的事情。

尽管运用领域非常广阔,但还是面临制造成本太高这个课题。如果使用纯粹的CNF,每千克的成本为5000~10000日元,而钢铁为200日元,塑料为300~500日元,CNF毫无竞争力。即使与树脂等材料混合使用,按目前的情况来看,与碳纤维和芳纶纤维混合的成本分别将超过3000日元和5000日元。不过,对CNF可以有所期待的一点是纸浆原料的市场价格极低,仅为每千克60~80日元。如果能将这种价格优势转化到最终产品身上,或许就能一举推进实用化。


 欧和北美在实证设备建设方面先行一步

 

长期以来,北欧和北美在实证设备的建设方面一直走在前列。尤其是在瑞典,以造纸相关研发公司Innventia为主体,与投资企业合作推进了CNF的商业化研究。2011年2月,他们启用了全球首台用于制造CNF的实验装置(日产100千克)。

北美的加拿大特别专注于产官学三方联合研发活动,希望实现比CNF更细的纤维素纳米晶体(CNC)的实用化及商业化。2012年1月,合资企业CelluForce启用了全球第一台CNC实证设备(日产1吨)。美国农业部林务局也在2012年7月建造了CNC实验装置(周产30千克)。

转型为新生物产业国家的良机

政府在《日本复兴战略修订版2015》中明确提到将推进CNF的国际标准化和材料利用。为了建立全日本联动体制,已在独立行政法人产业技术综合研究所之下设立了“纳米纤维素讨论会”(会长是京都大学教授矢野浩之)。政府提出了在2030年前将制造成本降到300日元的目标,并计划培育规模达到一万亿日元的市场。

经济产业省纸业服饰品课的渡边政嘉课长强调“若能实现量产,那么成本也将大幅降低。可以利用国内的森林资源开展生产制造活动”,并计划通过实现标准化来掌握主动权。

 

日本战后培育的人工林已经迎来采伐期。我们正面临一个良机,那就是通过将身边丰富的森林资源转化为CNF来促使日本转型为一个以CNF为核心的新生物产业国家。
 

文章来源于nippon.com

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