東大が画期的なCNFの製法を開発 産学連携により実用化に成功

企業を動かしたCNFの魅力とは

ところが磯貝研究室では、できたこのCNFをどう活用すればよいか分からなかったと、当時を振り返ります。

「植物からナノ材料ができた。直感的に面白そうだとは思いましたが、これを何にどう使えばいいかは、正直まったく見当がつきませんでした。そこで、我々の研究室の先輩や教え子たちがいる企業にできたばかりのCNFを持ち込んで、一緒に研究開発しませんか、と持ち掛けました」（磯貝さん）

多くの企業が、何に使えるか分からないこの新たな素材に対して渋い反応を見せる中、「面白そうだね」と共同研究に乗った数社のうちの一社が日本製紙でした。

磯貝さんが日本製紙を訪ねた2006年、打ち合わせの場に同席していたのが、今では同社の研究開発本部長代理にして、CNF研究所所長を務める河崎雅行さんです。河崎さんは、その時の印象を次のように語ります。

「磯貝先生が透明なドロっとした液体を持ってこられたのをよく覚えています。正体は水に分散させたCNFです。非常に粘度が高く、これだけドロドロしたものを工業的に扱えるのか。そもそもどういう用途があるのか。いろいろ疑問に思っていたら、横に座っていた当時の研究開発本部長が『何に使えるか分からないけれど、面白そうな材料だから一緒にやりましょう』と。その場で共同研究を始めることが決まりました。当時はまだ紙の需要も伸びている状況でしたが、紙以外の未来事業を開拓する目的で、私自身も紙の研究に取り組みながら、CNFの研究を始めました」（河崎さん）

磯貝さんも、当時のことを次のように振り返ります。

「研究開発に協力してくださった企業の方々からは、CNFの均一性に、先端素材としてのポテンシャルを感じる、と口々に言われました。均一でなければ一定の性能が出せないからです。CNFの太さが３～４nmで安定するのは、TEMPO酸化法ならではの特長です。企業の方々は、そこに素材としての魅力を感じてくださったのです」（磯貝さん）

従来の機械解繊の技術でも、ナノスケールのミクロフィブリルの束は実現されていて、一部は市販もされていましたが、それらは不均一で水に分散させても透明になりませんでした。TEMPO酸化法ならではの均一性が、企業を動かす決め手になったのです。

写真3　（左上）機械処理のみの白濁したCNF分散液（固形分1％）。（右上）白濁したCNF分散液の顕微鏡写真。ミクロフィブリルの束が分散。（左下）TEMPO酸化と機械処理を組み合わせることで完全ナノ分散が可能になり、高透明性のCNF分散液が得られる（固形分1％）。（右下）高透明性のCNF分散液の顕微鏡写真。ミクロフィブリルが一本ずつ分離（青矢印、黒矢印）（写真提供：日本製紙）

CNFの研究を始めた日本製紙は、CNFに関する知見が社内でなかったため、東京大学で行われていた実験の再現から開始しました。用途も含め本当に実用化が達成できるのか道筋が見えなかったことが大きな課題でした。そこで2007年に、東京大学と日本製紙は製品メーカー数社と連合チームを組み、NEDOの「ナノテク・先端部材実用化研究開発／セルロースシングルナノファイバーを用いた環境対応型高機能包装部材の開発」プロジェクトに応募し採択されました。

生産効率をとるか、扱いやすさをとるか

日本製紙が最初に直面した困難は、あるトレードオフをいかにして解決するかでした。

「CNFは、水に数％分散させただけで粘度が高くなってドロドロになります。直感的に、粘度の高いものは工業的に扱いにくい。濃度を下げれば粘度も下がりますが、それではほとんど水を扱うことになって生産効率が低下します。生産効率を考えれば濃度を高くしたいですが、扱いやすさを考えれば濃度を低くしたい。そのトレードオフをいかに解決するかが最初の難題でした」（河崎さん）

この難題をクリアするため、NEDOプロジェクトにおいて生産効率を向上する検討を始めました。

「100ＬのタンクでCNFを効率的に生産するさまざまな方法を検証しました（写真4）。一連の検証作業の結果、CNFを配管で送るには非常に特殊なポンプや攪拌装置などが必要であることが判明しました。それでも、扱える濃度の限界は数％程度。100Ｌのタンクで固形のCNFがやっと数kgできる計算です」（河崎さん）

写真4　CNF研究所に設置されているTEMPO酸化CNF製造装置

CNF実用化に向けた取り組み

「NEDOプロジェクトの前半の3年間ではTEMPO酸化の基礎的な技術開発や、基本特許の取得を目的に、多くの基礎データを蓄積することができました。そのデータを活用し後半の3年間では、製品化・実用化を目的とした検討を進めました。製品化・実用化に関してはできるだけ口を挟まないように企業主導で個別に進め、技術的課題が出てきた場合には、大学も含めて議論するようにしました」（磯貝さん）

さらに日本製紙の奮闘ぶりを、磯貝さんは次のように評価します。

「日本製紙さんに進めていただいたことの中で一番大きいのは、TEMPO酸化の反応条件を最適化して、製造コストを劇的に下げたことでしょう。私たちが研究室で確立した方法だと、乾燥CNFを1kg作るのに数万円はかかっていました。触媒に使うTEMPOがとにかく高い。触媒量とはいえ、CNFを大量に作ろうとすると、このTEMPOの価格がボディブローのように効いてきます」（磯貝さん）

TEMPOをいかに少量にして、反応収率を上げるか。日本製紙はそういう基礎的な研究を繰り返し、TEMPO酸化法でCNFを効率的に作るための方法を洗練させていきました。まずはビーカースケールから100L程度の実験機スケールでの検証をしました。原料パルプの種類を選定し、TEMPO触媒の種類、酸化剤、助触媒などの添加量、添加方法の最適化を行いました。それにより製造コストが劇的に下がり、日本製紙はCNFの製法に関連する周辺特許をいくつも取得しました。そして、NEDOプロジェクト後半で検討を行ったのは、高機能な包装部材の用途開発でした。

「プラスチックフィルムや紙にCNFを塗ると、酸素を通しにくくなる性質があることが分かっていました。そこで、CNFを食品や医薬品の包装部材として使えば、食品・医薬品の酸化防止になって賞味・消費期限を延ばすことができます。しかも、ほとんどの包装部材は使い捨てです。プラスチックでできたフィルムを燃やすとCO₂の放出になりますが、植物由来のCNFを用いることでCO₂の低減につながります」（磯貝さん）

“脱製紙”へ向け、世界で初めてCNFを商品化

展示会を通じたCNFの宣伝活動、経済産業省への働き掛けなど、ユーザー開拓のためのNEDOの支援を受けてCNFの研究開発を加速させた日本製紙は、CNF実用化への手応えを得ます。2010年ごろから紙の需要が急激に落ち込み始めたのをきっかけに、CNFを、“脱製紙”を見据えた次なる事業の柱として育てるべく、矢継ぎ早にいくつもの手を打ち始めました。CNFへの期待が高まり、人的な補充がされるなどプラスの影響があったと、河崎さんは当時を振り返ります。

NEDOプロジェクト終了後、プロジェクトで得られた原料パルプや薬品などの基本処方を100L規模から数千L規模までスケールアップし、連続操業できる設備を完成させました。それが岩国工場の実証設備です。

「2013年11月には、固形換算で年産30tのCNFを作る実証機を岩国工場（山口県）に設置しました。そこでCNF量産化に向けたノウハウを蓄積し、2017年４月には、固形換算年間500tの量産ラインを石巻工場（宮城県）で稼働させました（写真5）。現状のCNF固形分濃度はまだ低いと考えており、高濃度化により生産量は年間500t以上にすることが可能と考えています」（河崎さん）

写真5　（左）新聞古紙パルプの製造建屋（4,700㎡）を有効利用した石巻工場の外観。（中央、右）2Fの量産設備で反応・洗浄・除塵・解繊処理などが行われている（写真提供：日本製紙）

その間の2015年に、日本製紙は子会社の日本製紙クレシアを通じて、CNFを使った商品を世に送り出しています。大人用紙おむつ「肌ケア　アクティ」シリーズと、女性用吸収ケア専用品「ポイズ」シリーズです（写真6）。

これらの商品で、CNFがどのように使われているのでしょうか。

「TEMPO酸化法で作ったCNFは、単一のセルロースミクロフィブリルの表面に、多くのマイナスイオンを持ちます。そこに金属イオンなどを結合させることで、さまざまな機能を持たせることができます。消臭・抗菌効果がある銀イオンを結合させたCNFのシートを紙に折り込み、おむつや女性用ケア用品の消臭・抗菌効果を高めています。2013年ごろから、日本製紙クレシアと共同で商品化に向けて開発を進めてきました」（河崎さん）

写真6　CNFを用いて世界で初めて商品化に成功した大人用紙おむつ「肌ケア　アクティ」（右）と、女性用吸収ケア専用品「ポイズ」（左）