ナノ繊維化と樹脂複合化を一度に　ＣＮＦ複合樹脂が商品化

親水性のセルロースと疎水性の樹脂を仲良くさせる

NEDOプロジェクト「イノベーション推進助成事業／大学発事業創出実用化研究開発事業」と、それに続く「グリーン・サステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発／セルロースナノファイバー強化による自動車用高機能化グリーン部材の研究開発」（2010〜2012年度）が実施された5年半は、木材由来のパルプからCNFをつくり（図1、写真2）、それをポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂に補強材として高効率に混ぜ入れる「京都プロセス」がまさに築かれていった期間に当たります。その道のりには、数々の課題への挑戦とその克服がありました。

図1　木材の主構成要素。鉄筋コンクリートに例えると、CNFは鉄骨、ヘミセルロースは鉄筋、リグニンはコンクリートに相当（資料提供：京都大学）

写真1　（左上）木材、（右上）チップ化した木材、（左下）加熱・加圧して溶解させて得たパルプ、（右下）疎水化した変性パルプ

強くて軽いナノファイバーであるCNF（「なるほど基礎知識」も参照）を樹脂に混ぜ込むにあたっては、「親水性のものを疎水性のものにどう混ぜ合わせるか」が、まずもって大きな課題でした。

CNFは、セルロース分子を主な成分としていて水とよくなじみます。つまりCNFは「親水性」です。これに対して、相手のプラスチック樹脂は、石油を原料としていて水とはなじみません。つまりプラスチック樹脂は「疎水性」です。親水性のCNFを、疎水性のプラスチック樹脂のなかに、均一に分散するように混ぜ入れなければ、樹脂を補強することはできません。「水と油」を混ぜるようなこの難題に挑んだのが、CNF事業推進部副部長の佐藤明弘さんでした。佐藤さんは言います。「当初プロジェクトでは、セルロースと樹脂に新規の添加剤を加えることなども検討されていましたが、私どもはセルロースを化学変性させることに注力しました」

化学変性とはここでは、親水性であるセルロースの一部をほかのものに置換して、疎水性を持たせることを指します。佐藤さんは、「パルプ繊維に親水性の部位と疎水性の部位の両方をもたせる疎水化剤の候補を加えてみました。樹脂と似た構造があれば、樹脂とのなじみもよくなるだろうとの予測でしたが、実際は、試してだめ、また試してだめという、試行錯誤の繰り返しでした」と話します。

そうしたなか、佐藤さんら星光PMCの研究員たちは、ある薬品に可能性を見出し、矢野さんらプロジェクトメンバーに伝えました。矢野さんはその時のことを現在もよく覚えていて、「『イノベーション推進助成事業／大学発事業創出実用化研究開発事業』プロジェクトが終わりの頃、佐藤さんから月1回の会議の場で、セルロース表面の疎水化剤として『ASA』が使えるのではないかと報告を受けたのです」と振り返ります。

「ASA（Alkenyl Succinic Anhydride）」は、アルケニルコハク酸無水物という有機化合物で、製紙では紙に耐水性を付与しインキのにじみを防ぐサイズ剤として使われています。矢野さんは、「さまざま薬品が候補として試されていたなかで、耐水性を高めるそんな薬品もあるんだなぐらいの感じでそのときは聞いていました」と言います。

佐藤さんらは、CNFと樹脂の混ぜ合わせ工程担当の他社研究員からも結果を聞いたり、プロジェクトの中心人物だった京都大学特任教授の中坪文明さんにアドバイスを求めたりして「どう化学変性させるか」を追求しました。

佐藤さんは、「CNF複合樹脂の強度を出すには、分子同士の結合が行われる親水性の部分を保っておくべきです。でも、CNFを樹脂に均一に分散させるためには、その親水性の部分を疎水化させなければなりません。親水性と疎水性のベストバランスを求めていきました」と説明します。

こうしてプロジェクトメンバーたちは、樹脂にCNFを均一分散させるため、「ASA」でセルロースを疎水化するという方法を打ち立てました。

ナノ化の単独工程を一気にカット

しかし、CNF複合樹脂を商用化するにはまだ大きな壁が立ちはだかっていました。製造コストの壁でした。当時、考えられていた手順は、「パルプを水で解きほぐしてナノファイバーにし、『ASA』で疎水化してから乾燥させ、それを樹脂に混ぜ込んでいく」というものでした。

これでは工程が多すぎて、いくらCNFが強くて軽い材料だといっても、コストがかさんで実用化に見合いません。矢野さんは、「ナノファイバー1kgが1万円では商売にならないのは明らかでした。そこで、コストをどこまで下げられるか思案し、ちょっと妥協してみることを考えたのです」と言います。

このころプロジェクトでは、原料のパルプをナノファイバーにするのに「ビーズミル」という攪拌粉砕機を使っていました。矢野さんは言います。「ビーズミル処理でなくとも、ある程度のナノ化できる方法で、かつ、そこそこの補強性が出れば、それはそれでよいのではないかと考えたのです」

矢野さんたちは、ナノ化の程度が異なるファイバーを試作し、それぞれどのくらいの補強性が出るのか実験してみました。矢野さんはその結果を、「それはもう驚きました」と話します。「実験結果がメンバーから送られてきたので見てみると、ナノ化の程度に関わらず、どれもほぼビーズミルで処理したときのような補強性が出ていたのです」（矢野さん）

「ビーズミルでナノ化するプロセスを一気にカットできる。パルプを『ASA』で疎水化しておけば、樹脂と混ぜ合わせる混錬機のなかでナノファイバーにまでほぐすことができる。これで実用化に向けて進んでいけるぞということになりました」（矢野さん）

こうして、「京都プロセス」の基礎は確立され、CNF複合樹脂の有力な製造方法となりました。その後、「ASA」以外の変性剤で疎水化を施す方法も編み出されています。また、セルロース単体でなく、パルプに含まれるリグニンやヘミセルロースといった他の原材料も生かしたリグノ・セルロースナノファイバーを樹脂と複合化する技術も、NEDOプロジェクト「非可食性食物由来化学品製造プロセス技術開発」（2013〜2019年度）で確立しています（写真2）。

矢野さんが言うように、「京都プロセス」の最大の特長は、パルプのナノファイバー化と樹脂複合化の両方を同時に実施してしまうことにあります。このプロセスの実現には、実験を担った企業などの多数のプロジェクトメンバーの貢献があったのです。

写真2　（上）星光PMC研究所内にある実験室レベルの二軸混錬押出機、（中）疎水変性パルプと樹脂を混ぜ合せるために噛み合わされる2本の回転軸、（下）麺のように押し出されていくCNF配合樹脂

一つ屋根の下で、「集中研方式」

プロジェクトの進め方も、こうしたブレークスルーを後押ししました。佐藤さんは当時の研究現場の雰囲気を、「常に矢野先生や中坪先生、また他の企業のメンバーの方々と一緒に居たので、問題が起きたらその場でアドバイスをいただいて、すぐ解決することができました」と話します。

複数の組織からなるプロジェクトでは通常、メンバー各々が自分の大学や企業などで研究を進め、その成果を定期的に会議に持ち寄って情報共有することで研究開発が進んでいきます。一方、星光PMCなどが取り組んだ今回のNEDOプロジェクトでは、京都大学宇治キャンパス内の生存圏研究所を拠点に研究員たちが集まり、常駐しながら研究開発を進めていく「集中研方式」が採られました。

矢野さんは、「世の中にまだないCNFという材料を創り出せたのは、やはり、いろいろな専門性を備えたメンバーが、いつも顔を合わせていたからこそだと思います」と言います。「何もないところから始まったこの研究開発が、実用化できるレベルまで仕上がっていくことに、集中研方式が果たした役割はとても大きいと思います」（写真3）

写真3　（左）「集中研方式」の拠点となった京都大学宇治キャンパス内の生存圏研究所生物機能材料分野（矢野研究室）の研究棟（ナノセルロースコア・ナノハウス）、（右）関連NEDOプロジェクトによってさらに整備された研究設備

実証設備建設、そして商品化

「京都プロセス」の開発に取り組んだNEDOプロジェクト「グリーン・サステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発／セルロースナノファイバー強化による自動車用高機能化グリーン部材の研究開発」プロジェクトは、2013年3月をもって期間終了となりましたが、星光PMCでは、間髪を入れず、その成果の商品化に向け動きました。

岩田さんは言います。「私どもの研究員もNEDOプロジェクトで重要な役割を果たすことができました。疎水化の話にあったように、キーテクノロジーは化学処理にあり、私どもの成果が実用化にも生かせるという思いもありました」

矢野さんからの情報提供もあり、星光PMCは経済産業省の「イノベーション拠点立地推進事業」に応募し、同年、採択されました。この支援を受け、茨城県内の竜ヶ崎工場に変性セルロースの粉末やCNF複合樹脂を実証的に製造するパイロットプラントを建設し、2014年11月から本格的にサンプルの提供を始めています。

「量産する上での不具合が生じることもありました。社員たちにはいろいろ苦労をさせたと思います」（岩田さん）

一例として、パルプがナノファイバーにまでほぐれきらないといった問題が起きました。こうした問題を同社CNF事業推進部研究員の山田修平さんらが、パルプの段階から設計を見直して解決していきました。山田さんは、「解決できたのも、2012年度までのNEDOプロジェクトで基本の部分はしっかりできていた点が大きかったと思います」と話します。

NEDOプロジェクト参画者のつながりが生かされて、星光PMCに企業からの引き合いもありました。スポーツ用品メーカーのアシックスが、NEDOプロジェクトのメンバーだった京都市産業技術研究所から、星光PMCがCNFの商品化を目指しているという情報を受け、アプローチしてきたのです。

アシックスの狙いは、CNFが持つ軽量性と強度・耐久性をランニングシューズのクッション部分であるミッドソールに取り入れられないかというものでした。激しい機能性向上の競争が繰り広げられているランニングシューズ分野だけに、アシックスからの要求内容はレベルの高いものでしたが、山田さんらが中心となり改良を重ねることになります。

矢野さんは初めてランニングシューズへの採用を知らされたときのことを、「採用発表の何日か前に、星光PMCの岩田さんから『直々にお伝えしたいことがあるんです』と連絡をもらいました」と話します。

「大学のホールで待っていると、岩田さんが見慣れぬ人と現れました。アシックスの方でした。そして岩田さんは開口一番、『先生、ランニングシューズとして商品化できることになったんです』と言ってきたんですよ。あのときは思わず涙がにじんできました。NEDOからの支援をこれだけ受けて、どうしても実用化につなげなければならないと思っていたなか、星光PMCが努力してそれを実現させてくれたからです」（矢野さん）

2018年6月1日、ついに星光PMCは「STARCEL®」（写真4）が、アシックスのランニングシューズ「GEL-KAYANO® 25」に採用されたことを発表しました。「京都プロセス」を活用したCNF関連製品の商品化第1号です（写真5）。

その後、2020年2月に、星光PMC、京都大学、他によるNEDO事業での集中研方式による産学官連携の取り組みと、CNFの社会実装化に至るアシックスとの産産連携の取り組みが評価され、内閣府が主催する「第2回　日本オープンイノベーション大賞」で、選考委員会特別賞を受賞することになります。

写真4　星光PMCのCNF配合樹脂「STARCEL®」（左：CNF強化ポリエチレン、右：CNF強化ポリプロピレン）

写真5　アシックスのGEL-KAYANO®25。ミッドソール（光に照らされた部分）のスポンジ材にSTARCEL®を配合