2013年05月14日08:23
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重量只有鋼的1/5，強(qiáng)度卻是其5倍以上。這種以樹木為原料的纖維能令汽車、電子部件更輕巧、更牢固。如果成本降低，得到普及，這種材料甚至有望改寫材料產(chǎn)業(yè)的格局。
在以金屬和塑料為主流的汽車、智能手機(jī)等產(chǎn)品的原材料中，利用紙漿制造的新型材料——纖維素納米纖維（CNF）最近備受關(guān)注。
這是一種通過分解造紙?jiān)稀参锢w維（紙漿）制成的超細(xì)纖維。1根纖維素納米纖維的直徑僅為3～4nm（1nm為10億分之1m），大約相當(dāng)于頭發(fā)絲的2萬(wàn)分之1。
雖然紙漿本身并不堅(jiān)硬，但實(shí)際上，構(gòu)成紙漿的CNF根根結(jié)實(shí)。將這些CNF聚合在一起，就能制成強(qiáng)韌的材料。
與鋼材相比，這種材料的重量只有其5分之1，強(qiáng)度卻是其5倍以上。能提高電子機(jī)械和汽車部件的強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)輕量化。
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把木纖維分解至4nm 向放入了造紙使用的紙漿的水中添加名為“TEMPO催化劑”的特殊催化劑，并攪拌約2個(gè)小時(shí)后，紙漿被分解為直徑4nm的極細(xì)CNF，分散在水中。白色的紙漿變成直徑比可見光波長(zhǎng)還小的CNF，呈透明狀 |
與碳纖維可區(qū)別使用
CNF的魅力不僅僅在于強(qiáng)度和輕量，還包括熱膨脹率低和溫度變化耐受力強(qiáng)。由于源自木質(zhì)材料，因此使用后可以還歸土壤，造成的環(huán)境負(fù)荷小。而且還具備不易透過氧氣及水分的性質(zhì)。雖說全世界都在開發(fā)這種材料，但日本在很多方面都處于領(lǐng)先地位。
說起日本在全世界擁有強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)力的纖維類新材料，最具代表性的當(dāng)然是碳纖維。這種材料已經(jīng)被用于飛機(jī)機(jī)體等，今后還有望推廣到汽車車體。那么，碳纖維與CNF是否會(huì)成為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手？答案是否定的。
在強(qiáng)度上，碳纖維更勝一籌，但CNF由于容易彎折，用途非常廣泛。就汽車而言，碳纖維適合車體的輕量化，而CNF則適合保險(xiǎn)杠、內(nèi)飾、輪胎等樹脂和橡膠部件的輕量化，二者可用于不同用途。
而且，造紙公司種植有大面積的森林，原料十分豐富。因此，CNF無需像石油資源那樣擔(dān)心原料枯竭。
目前，CNF材料還處于剛開始樣品供貨的階段，生產(chǎn)方法和用途還有待開拓。開發(fā)CNF的主導(dǎo)力量，是既擁有作為其原料的樹木，又擁有紙漿加工技術(shù)的造紙公司。日本的造紙公司在長(zhǎng)年的紙張生產(chǎn)中積累了豐富的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，把極細(xì)纖維加工成膜狀的技術(shù)實(shí)力也位居世界前列。以日本造紙行業(yè)的龍頭老大王子控股與位居第二的日本制紙為中心，開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)處于白熱化階段。
有預(yù)測(cè)稱，到2030年，CNF的年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1500億日元。有機(jī)EL（電致發(fā)光）基板是有望利用這種材料的領(lǐng)域之一。
容易發(fā)生溫度變化的有機(jī)EL基板過去使用的是熱膨脹率較低的玻璃材料，但玻璃容易破碎，所以很難量產(chǎn)大型產(chǎn)品。
而如果使用樹脂替代玻璃，雖然易彎折、不易斷裂，但熱膨脹率大，耐受溫度變化的能力弱。倘若采用CNF，就可以同時(shí)彌補(bǔ)玻璃和樹脂這兩種材料的缺點(diǎn)。
現(xiàn)在，一些企業(yè)也在開拓能夠充分發(fā)揮CNF“不易透過氧氣和水分”這一性質(zhì)的用途。花王和凸版印刷有意將CNF用于包裝材料，目前正在研究使用方法。
比如，肥皂等產(chǎn)品的氣味容易穿透包裝材料。如果把CNF涂抹在包裝紙的表面，不僅可以防止氣味釋放，還能阻礙空氣進(jìn)入到包裝內(nèi)部，防止氧化造成的產(chǎn)品劣化。
汽車減重20kg
CNF還有另一個(gè)特征。加工成膜狀后，CNF就會(huì)變成“透明紙”。能夠像紙一樣彎折，而且結(jié)實(shí)、透明。這一性質(zhì)可在太陽(yáng)能電池基板用途大顯身手。
為了讓陽(yáng)光毫無損失地照射到電池的元件，必須要使用透光材料。現(xiàn)在使用的玻璃等材料存在易碎的缺點(diǎn)。而CNF既透明又結(jié)實(shí)，由于彈性大，還適合在曲面上使用。
CNF除了單獨(dú)使用之外，還可以少量摻入到其他材料中來提高強(qiáng)度，最終發(fā)揮出輕量化的效果。
汽車部件用途的輕量化需求大、產(chǎn)量也大。2012年秋季，王子制紙與京都大學(xué)教授矢野浩之等人合作，開發(fā)出了CNF含量在10％以上的新樹脂。與過去相比，一輛汽車使用的樹脂材料可減輕約20kg，從而使車輛輕20kg。
還有研究表明，添加CNF能增加橡膠的耐久性，住友橡膠工業(yè)等正在研究將其應(yīng)用于輪胎。除此之外，CNF還有可能替代汽車部件使用的大多數(shù)材料。
還有大型化工廠在研究在玉米淀粉制成的生物塑料和聚乳酸的纖維中添加CNF的方法。
添加少量CNF作為強(qiáng)化材料后，即使把價(jià)格昂貴的生物塑料和聚乳酸的用量減少一半，強(qiáng)度仍然能夠達(dá)到以往的水平。能夠在保留100％植物來源的特色的同時(shí)壓縮成本。
每公斤成本或?qū)⒌陀?000日元
有一項(xiàng)技術(shù)使CNF的實(shí)用化有了重大突破，那就是東京大學(xué)教授磯貝明領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的使用催化劑的生產(chǎn)方法。
一般的紙漿纖維的直徑約為20μm（1μm為100萬(wàn)分之1m），由多條CNF構(gòu)成。CNF與其他CNF緊密結(jié)合的能力很強(qiáng)，很難使其一一分離。
磯貝教授等人研究發(fā)現(xiàn)，一種名為“TEMPO催化劑”的特殊催化劑具有分解纖維的作用。
其原理為，向放在水中的紙漿添加TEMPO催化劑等物質(zhì)，使其反應(yīng)2個(gè)小時(shí)。然后進(jìn)行攪拌處理，CNF的表面將會(huì)帶電。每一條CNF的表面都會(huì)帶有負(fù)電子，彼此相互排斥，當(dāng)排斥力高于結(jié)合力的時(shí)候，就能成功分離CNF。
這樣，直徑為4nm的均勻、極細(xì)的CNF就會(huì)分散在水中。經(jīng)過大約2個(gè)小時(shí)，當(dāng)紙漿纖維全部分解成CNF后，就會(huì)形成膠狀透明液體，成為CNF分散劑。
TEMPO催化劑的價(jià)格雖然高達(dá)1kg幾萬(wàn)日元，但添加量?jī)H為紙漿纖維的1％左右，對(duì)總成本的影響很小。作用相同、成本更加低廉的催化劑目前也處于研究階段。
與磯貝教授合作開發(fā)的公司有日本制紙、花王和凸版印刷。日本制紙將從2013年10月開始，開展使用TEMPO催化劑制造CNF的量產(chǎn)化試驗(yàn)。預(yù)定在2015年之前實(shí)現(xiàn)商用化。 京都大學(xué)的矢野教授開發(fā)的制造方法同樣是關(guān)注的焦點(diǎn)。這是一種使用雙軸攪拌機(jī)分解纖維的技術(shù)�？梢�，圍繞CNF高效制造方法的開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)展開。
作為一種新材料，CNF蘊(yùn)藏著廣泛的可能性，但未來普及的關(guān)鍵，在于提高生產(chǎn)效率、最大限度降低成本。
CNF分散在水中形成的凝膠難運(yùn)輸、難保存，是抬高成本的因素。如果能夠像紙張一樣制成薄膜，卷成卷，不僅能克服上述課題，還有望實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。
2013年2月底，王子控股與三菱化學(xué)聯(lián)手，在全世界率先使用抄紙技術(shù)制作出了CNF卷。
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| 王子控股與三菱化學(xué)合作開發(fā)出了全球首例能夠連續(xù)生產(chǎn)CNF的技術(shù) |
其基礎(chǔ)是通常的抄紙技術(shù)，該技術(shù)是在直徑為微米級(jí)的細(xì)絲織的網(wǎng)上傾倒紙漿溶液，使紙漿掛在細(xì)絲上，蒸發(fā)掉水分后形成紙張。
把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于比紙漿還細(xì)的CNF存在諸多困難，但是，通過融合王子控股的造紙技術(shù)、薄膜加工技術(shù)，以及三菱化學(xué)的化學(xué)處理技術(shù)，困難迎刃而解。
王子控股研發(fā)本部的首席研究員淺山良行說：“雖然不能介紹詳細(xì)技術(shù)，但可以透露是，通過改進(jìn)設(shè)備，與開發(fā)之初相比，薄膜化需要的時(shí)間縮短到了幾十分之一。而且實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)，向商業(yè)化邁出了一大步�！�
對(duì)于CNF的成本，東大的磯貝教授預(yù)測(cè)說：“隨著量產(chǎn)化研究的推進(jìn)，每公斤的生產(chǎn)成本或許會(huì)跌破1000日元�！�
這相當(dāng)于一般鋼材的10倍左右。乍看上去好像很貴，但CNF的重量只有鋼材的1/5，強(qiáng)度卻是其5倍，考慮到在汽車等產(chǎn)品的輕量化中發(fā)揮重大作用的附加值，應(yīng)該也不算太貴。
在中國(guó)、韓國(guó)企業(yè)的追擊下，日本的鋼鐵、化學(xué)、造紙等材料行業(yè)正面臨著殘酷的競(jìng)爭(zhēng)。日本企業(yè)必須要領(lǐng)先世界，開發(fā)出前所未有的高附加值材料，將其投入實(shí)用，以改變收益結(jié)構(gòu)。
從這個(gè)意義上來說，日本企業(yè)擁有眾多優(yōu)勢(shì)的CNF備受期待。繼碳纖維之后，作為又一個(gè)來自日本的新材料，CNF能實(shí)現(xiàn)飛躍嗎？（日經(jīng)技術(shù)在線！ 供稿）
