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    重量只有鋼的1/5,強度卻是其5倍以上

    日期:2013-8-8 13:42:31 人氣:

     【日經BP社報道】重量只有鋼的1/5,強度卻是其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業的格局。

           
    在以金屬和塑料為主流的汽車、智能手機等產品的原材料中,利用紙漿制造的新型材料——纖維素納米纖維(CNF)最近備受關注。


         
    這是一種通過分解造紙原料——植物纖維(紙漿)制成的超細纖維。1根纖維素納米纖維的直徑僅為34nm1nm10億分之1m),大約相當于頭發絲的2萬分之1


           
    雖然紙漿本身并不堅硬,但實際上,構成紙漿的CNF根根結實。將這些CNF聚合在一起,就能制成強韌的材料。


           
    與鋼材相比,這種材料的重量只有其5分之1,強度卻是其5倍以上。能提高電子機械和汽車部件的強度,并實現輕量化。


     

    與碳纖維可區別使用

           CNF
    的魅力不僅僅在于強度和輕量,還包括熱膨脹率低和溫度變化耐受力強。由于源自木質材料,因此使用后可以還歸土壤,造成的環境負荷小。而且還具備不易透過氧氣及水分的性質。雖說全世界都在開發這種材料,但日本在很多方面都處于領先地位。

           
    說起日本在全世界擁有強大競爭力的纖維類新材料,最具代表性的當然是碳纖維。這種材料已經被用于飛機機體等,今后還有望推廣到汽車車體。那么,碳纖維與CNF是否會成為競爭對手?答案是否定的。


           
    在強度上,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則適合保險杠、內飾、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心原料(枯竭)(日本制紙CNF事業推進室長河崎雅行)。


           
    目前,CNF材料還處于剛開始樣品供貨的階段,生產方法和用途還有待開拓。開發CNF的主導力量,是既擁有作為其原料的樹木,又擁有紙漿加工技術的造紙公司。日本的造紙公司在長年的紙張生產中積累了豐富的知識經驗,把極細纖維加工成膜狀的技術實力也位居世界前列。以日本造紙行業的龍頭老大王子控股與位居第二的日本制紙為中心,開發競爭處于白熱化階段。


           
    有預測稱,到2030年,CNF的年市場規模將達到1500億日元。有機EL(電致發光)基板是有望利用這種材料的領域之一。


           
    容易發生溫度變化的有機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,所以很難量產大型產品。


           
    而使用樹脂替代玻璃的話,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,就可以同時彌補玻璃和樹脂這兩種材料的缺點。


           
    現在,一些企業也在開拓能夠充分發揮CNF“不易透過氧氣和水分這一性質的用途。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,還能阻礙空氣進入到包裝內部,防止氧化造成的產品劣化。


    汽車減重20kg

      CNF還有另一個特征。加工成膜狀后,CNF就會變成透明紙。能夠像紙一樣彎折,而且結實、透明。這一性質可在太陽能電池基板用途大顯身手。

           
    為了讓陽光毫無損失地照射到電池的元件,必須要使用透光材料。現在使用的玻璃等材料存在易碎的缺點。而CNF既透明又結實,由于彈性大,還適合在曲面上使用。


           CNF
    除了單獨使用之外,還可以少量摻入到其他材料中來提高強度,最終發揮出輕量化的效果。


           
    汽車部件用途的輕量化需求大、產量也大。2012年秋季,王子制紙與京都大學教授矢野浩之等人合作,開發出了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,住友橡膠工業等正在研究將其應用于輪胎。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作為強化材料后,即使把價格昂貴的生物塑料和聚乳酸的用量減少一半,強度仍然能夠達到以往的水平。能夠在保留100%植物來源的特色的同時壓縮成本。


    每公斤成本或將低于1000日元


           
    有一項技術使CNF的實用化有了重大突破,那就是東京大學教授磯貝明領導開發的使用催化劑的生產方法。


           
    一般的紙漿纖維的直徑約為20μm1μm100萬分之1m),由多條CNF構成。CNF與其他CNF緊密結合的能力很強,很難使其一一分離。


           
    磯貝教授等人研究發現,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,使其反應2個小時。然后進行攪拌處理,CNF的表面將會帶電。每一條CNF的表面都會帶有負電子,彼此相互排斥,當排斥力高于結合力的時候,就能成功分離CNF


           
    這樣,直徑為4nm的均勻、極細的CNF就會分散在水中。經過大約2個小時,當紙漿纖維全部分解成CNF后,就會形成膠狀透明液體,成為CNF分散劑。


           TEMPO
    催化劑的價格雖然高達1kg幾萬日元,但添加量僅為紙漿纖維的1%左右,對總成本的影響很小。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的公司有日本制紙、花王和凸版印刷。日本制紙將從201310月開始,在日本山口縣巖國市的巖國事務所開展使用TEMPO催化劑制造CNF的量產化試驗。預定在2015年之前實現商用化。


           
    京都大學的矢野教授開發的制造方法同樣是關注的焦點。這是一種使用雙軸攪拌機分解纖維的技術。可見,圍繞CNF高效制造方法的開發競爭已經展開。 作為一種新材料,CNF蘊藏著廣泛的可能性,但未來普及的關鍵,在于提高生產效率、最大限度降低成本。


           CNF
    分散在水中形成的凝膠難運輸、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,還有望實現連續生產。


           2013
    2月底,王子控股與三菱化學聯手,在全世界率先使用抄紙技術制作出了CNF卷。



           
    其基礎是通常的抄紙技術,該技術是在直徑為微米級的細絲織的網上傾倒紙漿溶液,使紙漿掛在細絲上,蒸發掉水分后形成紙張。

           
    把這項技術應用于比紙漿還細的CNF存在諸多困難,但是,通過融合王子控股的造紙技術、薄膜加工技術,以及三菱化學的化學處理技術,困難迎刃而解。


           
    王子控股研發本部的首席研究員淺山良行說:雖然不能介紹詳細技術,但可以透露是,通過改進設備,與開發之初相比,薄膜化需要的時間縮短到了幾十分之一。而且實現了連續生產,向商業化邁出了一大步。


           
    對于CNF的成本,東大的磯貝教授預測說:隨著量產化研究的推進,每公斤的生產成本或許會跌破1000日元。


           
    這相當于一般鋼材的10倍左右。乍看上去好像很貴,但CNF的重量只有鋼材的1/5,強度卻是其5倍,考慮到在汽車等產品的輕量化中發揮重大作用的附加值,應該也不算太貴。


           
    在中國、韓國企業的追擊下,日本的鋼鐵、化學、造紙等材料行業正面臨著殘酷的競爭。日本企業必須要領先世界,開發出前所未有的高附加值材料,將其投入實用,以改變收益結構。


           
    從這個意義上來說,日本企業擁有眾多優勢的CNF備受期待。繼碳纖維之后,作為又一個來自日本的新材料,CNF能實現飛躍嗎?(記者:白壁 達久,《日經商務周刊》)


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