什么是纤维素纳米纤维（CNF）？
什么是纤维素纳米纤维（CNF）？
2022/07/06
纤维素纳米纤维（CNF）
是什么？
用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因
什么是纤维素纳米纤维（CNF）？
寻找和开发高功能材料是丰富人类生活的永恒研究主题。近年来，为了遏制全球变暖，“脱碳”已成为高性能材料开发的重点。纤维素纳米纤维是将主要成分为纤维素的植物纤维松散至纳米（1纳米为十亿分之一）米尺寸而成的材料。虽然它是一种环保的天然产品，但它具有多种特性，例如重量是钢铁的五分之一、强度是钢铁的五倍、不易因热膨胀、吸水性强等。此外，由于它是由植物制成的，因此可以很容易地从附近的来源获得作为可再生资源。
纤维素纳米纤维有望作为碳纤维的替代品用作树脂的高性能增强材料，主要是因为其重量轻、强度高。然而，树脂增强的最大问题是制造成本高。纤维素纳米纤维强化树脂的研究开发以作为结构材料的实用化为目标，在汽车轮胎、圆珠笔、洗发水、化妆品等卫生用品、日用品等利用其多样化功能的领域，以及利用其作为天然材料的性质在食品领域的利用等方面也取得了进展。未来，不仅有望应用于这些领域，还有望应用于利用透明性的电子材料。我们向功能化学研究部纤维素材料组组长远藤隆询问了纤维素纳米纤维的未来。
纤维素纳米纤维的现状
作为结构材料/增强材料的期望和挑战
纤维素纳米纤维（以下简称CNF）由纤维素制成，纤维素是木材、草等植物的主要成分。许多人已经知道，构成植物的植物细胞与动物细胞不同，被主要由纤维素组成的细胞壁包围。纳米纤维素是一种由植物或木材制成的纤维素，通过机械粉碎和剪切将其细化至纳米级，包括纤维状 CNF 和结晶纳米晶体 (CNC)。 CNF有望用作塑料增强材料等结构材料。
除了被冰雪覆盖的沙漠和极地之外，地球上的陆地上到处都生长着树木和青草。优点是CNF的原料无处不在。和二氧化碳2，并且是植物源性资源，不使用石油基原料，满足现代社会脱碳的需求。
CNF 的物理性能强度是钢的五倍，但重量仅为钢的五分之一。它还具有高弹性、低热膨胀、高透明度、高吸水性、易保持粘度等特点。利用这些物理特性，不仅可以用于结构材料和增强材料，还可以用于利用其透明性的显示器等光学材料、存储器件、太阳能电池、包装材料等各种电子材料以及利用其吸水性的增稠剂等各种电子材料。
纤维素纳米纤维的高分辨率扫描电子显微照片
克服高成本后将成为流行的结构材料
虽然CNF作为结构材料受到关注，但由于将其分散在大量水中并反复溶解进行纳米级机械处理以松开纤维的成本较高，因此它并没有变得更受欢迎。
对于构成汽车和飞机机身框架的结构材料来说，强度和轻量化是提高燃油效率和延长续航里程的基本要素。在这方面，用CNF增强的塑料材料可以说是理想的，但现实情况是，许多与CNF类似的用纤维增强的材料，如GFRP（玻璃纤维增强塑料）和CFRP（碳纤维增强塑料），已经被用于汽车车身材料中，并已投入实际使用。即使不使用昂贵的CNF，使用其他材料也可以实现类似的性能。
然而，CNF 的另一个不容忽视的优点是它是 100% 天然材料。大多数汽车零部件轮胎主要由天然橡胶添加合成橡胶制成，但也出现了使用CNF作为补强材料的产品。未来，如果轮胎采用100%天然橡胶代替合成橡胶，并采用CNF作为增强材料，那么100%天然材料制造的轮胎将不再是梦想。汽车行业的主题是“脱碳、脱油”。由于CNF是植物源材料，因此CNF的诸多特性未来将在结构材料等应用的开发中继续得到利用。
以纤维素纳米纤维为主要材料的汽车零部件的原型生产和开发正在进行中
着手在日常用品和食品中的实际应用
虽然成本高是竞争激烈的结构材料领域的瓶颈，但CNF的高保水性和天然材料的特性正在被实际应用，作为洗发水、护发素、化妆品等的增稠剂和功能性物质的分散剂。在爱媛县，柑橘类水果是特产，过去制作果汁后被丢弃的柑橘皮被用作制造化妆品等高保湿产品的材料的一部分。
此外，其作为食品添加剂的用途的开发也取得了进展。纤维素基本上是由结合在一起的葡萄糖组成，因此人类摄入是安全的。迄今为止，添加CNF来改变质地的糖果等产品已经商品化，添加到果汁等饮料中的高性能食品和饮料也已开发出来。从应对全球变暖的角度来看，在大豆蛋白制成的人造肉中添加CNF有望使其具有更接近真肉的质地。
各种材料制成的纤维素纳米纤维
未来的预期用途是什么？
在当今追求可持续发展目标的社会中，CNF 的应用正在开发中，以利用其作为天然材料的吸引力。树木、草等植物基本上都可以同样作为CNF的原料。还可以使用未使用的生物质资源作为原材料，例如用于食品和饲料的稀疏木材和植物的切茎。 CNF可以说是一种符合减少废物和防止全球变暖的现代需求的材料，因为它可以使用生物质这种迄今为止尚未使用的植物，而不需要使用石油资源。由于它是天然材料，因此可以安全地用于与人体接触的应用中，并且其应用领域将不断扩大。
如果日本社会对自然和健康产品的需求更加强烈，不仅天然材料会受到更多关注，日用品、食品和杂货的开发和实用化将会进步，而且CNF制造方法的改进也会导致成本降低。随着制造成本的下降，预计CNF的高机械强度将导致其在功能性更重要的领域得到应用，例如汽车和飞机的结构材料以及建筑材料。
AIST 的纳米纤维素举措
迈向纤维素纳米纤维（CNF）的普及
由于CNF具有多种功能，因此具有广泛的潜力，包括用于增强塑料以及作为对人体安全的天然材料进行商业化。过去，强度和轻便等特性是关注的焦点，但现在人们期望利用其他特性的各种用途。除了追求卓越的强度外，该材料的研究和开发也将作为有助于提高市场需求的功能的材料而受到关注。
因此，有必要正确评价CNF的价值，找到充分发挥其功能的用途。研究发现，即使原材料没有100%细化至纳米级，在某些情况下，使用10%至30%纳米级的材料也能最大程度地提高功能性。即使整个材料不是完美的 CNF，对其进行准备以充分展示所需的功能也可以降低成本。
从材料探索到实际应用的持续努力
CNF不仅作为结构材料、高强度材料，而且在透明材料、光学材料、食品、化妆品等广泛的工业领域中受到关注。来自各公司的询问数量，无论行业还是行业，都在不断增加，应用领域也将不断扩大。
AIST致力于CNF的综合研究和开发，从材料探索到制造方法研究、应用开发到实际应用，并传播信息和提供丰富的数据。为了开拓下一个应用领域，我们将积极与广泛工业领域的公司进行联合研究，以实际应用为目标。