新素材には金属や有機、無機物質等の純物質やプラスチック、バイオ素材等の化合物、さらに複合体を対象とします。環境に配慮した製品やサービスを集めた国内最大級の展示会「エコプロ」。今年も「エコプロ2018」と題して東京ビックサイトで12月6から8日まで開催されました。この展示会は環境問題を取り上げているので小学生の課外授業となっているようで、小学生が沢山来ていました。この会場に平日参加できる小学生は恵まれていますね。私は毎年参加していますが、今年は昨年より面白いところが少なかったような気がしました。ガイド本の内容も例年にあった新リサイクル技術関連の記事がなく個人的には残念でした。その中で、今年も展示会の目玉の一つであるCNF(セルロースナノファイバー)の展示について簡単に写真でご紹介します。文具などへの応用はそのまま進展しているようですが、今年は更にCNFをミッドソールに用いたランニングシューズが目に付きました。なんと行っても最大のテーマはCNV(セルロースナノビイークル)つまりCNFを自動車部品の一部として採用し、車の軽量化を図ることでしょう。会場にはその様子がよくわかるように実物大の車の骨格模型が展示され、どの部品がCNFで作られ使われているかがわかる様になっていました。その横では京都大学の矢野教授らによりスライドを使ったわかりやすい説明がなされていました。以下スマホで撮った写真を列挙します。)など、今後共関連ニュースが継続的に出てくるのは必然ですので、特に注目される記事が出たときには都度本ブログでご紹介すル予定です。ブレード、そして飛行機(ボーイング787等)に用いられてきた。於いて魅力的な素材ではあるものの、材料が高価なこと、大型部品の加工が難しい、加工時間が長い等で生産性が低いという問題から、一部の高級車・部品を除き、量産車には採用されるまでには至らなかった。CFRPにはこれまで熱硬化性樹脂を使うCFRPに対し、炭素繊維は同じだが熱可塑性(熱くなると柔らかくなる)樹脂を使う熱可塑性CFRP(一般にはCFRTPと略記される場合が多い)が開発された。熱可塑性樹脂は帝人が開発したが、GMはこの熱可塑性CFRPを使い世界で初めて量産車のピックアップトラックに採用した。熱可塑性樹脂は熱硬化性樹脂に比べ材料コストが安く、成型時間も短いが、これまで大型部品の量産が難しいという課題があった。それが複雑形状の大型部品を短時間(1分)の成型時間で量産出来るようになったことで量産車に採用された。帝人とGMが6年3ヶ月の歳月を掛けてこぎつけた技術だ。トヨタ自動車は採用する炭素繊維を、東レではなく三菱ケミカルのCFRPに決めた。その理由は三菱ケミカルがSMC(シートモールディングコンパウンド)工法をもっていたからだった。(尚東レは2014年トヨタの燃料電池車ミライの水素貯蔵タンクや円筒シャフト等の部品を提供してはいるが大型成型品ではなかった)SMC工法とは、2~3cmに切断した炭素繊維をエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂に分散させたシート(SMC)を使い、同シートを加熱しながらプレス成型して製品をつくる方法。特徴は複雑な形状の部品が成型出来ること、量産対応が可能なこと。カット繊維を使っているため、強度的には低くなるため、SMC工法による部品自身で強度が足りない場合は、カットしてない長繊維でのプリプレグや、長繊維で作った織物を片面に充てがい樹脂成型して強度を補強する方法が取られている。熱硬化性CFRPは部品や高級車ボディーへの一部採用で先行してきたが、GM・帝人で車体に採用が決まった熱可塑性CFRPが追い上げてくる可能性が高い。車の軽量化の手段として、これまでの材料である高張力鋼(ハイテン)板やアルミ合金が使われてきたが、軽量化を目的としたその使用量の低減には自ずと限界がある。高張力鋼の引張り強さは、炭素繊維の長繊維の併用で十分補強でき、アルミ合金部品には素材単価はかなわないとしても、多くの部品からなるものであれば、CFRPの一体成型によるコストダウンが可能になる。上記の理由で今後CFRPの大衆車への使用が増大して行くと思われるが、GM/帝人の熱可塑性CFRP対トヨタ/三菱ケミカルの熱硬化性CFRPの行方が注目される。飛行機向けでは圧倒的地位を築いている東レが出遅れていた量産車へのCFRPの取り組み・巻き返しが注目される。これまで車用部品、大型パネルの部材として熱可塑性CFRPが先行開発採用されてきたが、今後は可塑性CFRPが主流になっていくのではないかと一部で考えられている。確かに加工性(生産性)、性能(強度等)、材料コスト(樹脂)、リサイクル性等が熱硬化性CFRPより優れていればそうなるのは必然だが、しかし私にはどうしても気になる点がある。熱硬化性CFRPは問題ないが、熱可塑性CFRPは成形品でも高温になると樹脂が柔らかくなる。このため常温で強度が維持されていても、火災等何らかの異常高温環境になった場合に強度が不足し問題になることはないのか。三菱ケミカルは17年に入り、シート・モールド・コンパウンド(SMC)と呼ぶ生産性を向上したCFRPがトヨタの「プリウスPHV」の骨格部材に採用された。車の軽量化量産車に採用される炭素繊維(CFRP)はどちらが勝つ?にコメント石とプラスチックから出来た紙、ライメックス(LIMEX)最近ライメックスという「石から作られる紙」が注目されている。その特徴は1.従来の紙の製造時に必要とされる原料の木材と水が不要である。(因みに紙1トン作るのに木材20本、水100トンが必要だが、代替紙1トンのためには石灰0.6~0.8トン、樹脂(PP)0.2~0.4トンとされる。)2.原料の石(石灰石)は日本で100%自給出来る資源であり、世界的にも埋蔵量は非常に多く枯渇の心配はほぼない。(結果値段も安い)3.薄い紙としてだけでなく、厚物、板物としてプラスチックの代替としても使える。4.紙に比べ耐水性や強度が高いので、浴室等水回りや屋外での使用もできる5.製造時、廃材や汚水の発生が少なく、特に世界的に逼迫してきている水を大量に使わなくて良いエコロジー素材である。・2011年に山崎敦義氏によって設立されたベンチャー企業TBMが開発。従来の石灰石の代わりに植物から作った生分解性プラスチックであるポリ乳酸とを組み合わせたバイオプラスチック新素材の開発。・生産量の拡大計画2020年に白石市の工場の年産能力を6千トンから5倍の約3万トンに高める予定。<所感>・原料が石灰とPPから考えると、なぜもっと昔に世に出なかったのかとは思う。基本的に特許が取れるということは誰もやっていなかったのだろうか。昔から大理石(石灰石)とアクリル樹脂MMAとの混合製品はあった。素材・技術がシンプルそうなので「日本発」というのは一寸気が引ける。(「KAIZEN」が妥当?)。・原料が自給出来る日本にとっても有用だが、水も木も少ない中東にとってはポスト石油としての期待もさぞ大きいだろうとおもわれる。今後のプラント建設に期待。開発途上国にとってもまずは採用しやすい自国の産業となりやすいだろう。値段を基準に棲み分けて行くのでは。今後多種の樹脂が使われてくることは必然。環境性(エコロジー)を謳い、生分解性樹脂を多用されるならそもそもリサイクルそのものがなくなる。・「アップサイクル」が出来る製品でもあった。アップサイクルとは、リサイクルの上位概念で元の性能以上のもの(材質・製品等)に生まれ変わらせるという意味。今後いろいろな分野でこの言葉が好んで使われるようになりそうだ。LIMEXが今後、素材としての発展と用途してどんな分野にどれだけ浸透(侵食)してゆくか、注目してゆきたい。◯参考ストーンペーパー<参考情報>最近のプラスチック製ストローの環境汚染の問題に絡み、2018年10月4日の日経産業新聞にわかり易いライメックスの記事がでている。注目は、TBMが伊藤忠他と組んで20年度までに米国に工場を設けるとしていること。先日(12/7,8,9)東京ビッグサイトで開催された「環境とエネルギーの未来展エコプロ2017」に行ってきた。本イベントは環境に配慮した製品やサービスを展示し、「持続可能な社会の実現に向けて」をテーマに600以上の会社・団体が出展。Goals)に対応し、リサイクル技術やクリーンエネルギー関連の展示がされた。詳細は主催のHP参照。この中で特にCNF(セルロースファイバー)について各社資料を参考に其の一部をご紹介.(ナノセルロースサイト写真から)各社カタログを入手したが、偏り無く伝えていたのは産総研の資料だったので主にこれを元に説明します。セルロースナノファイバー(CNF)とは、一言で言えば植物繊維をナノメートル単位にまで微細化した物です。<製造プロセス>植物(木、竹、草等)→チップ→脱リグニン→パルプ→下記A、B処理A:パルプを化学薬品で前処理し物理的に解繊する。完全ナノ分散した約3ナノメートルの透明なCNFとなり工業用として幅広く活用される。2カルボキシメチル化(CMC)したものは数ナノから数百ナノとなり、食品・化粧品の増粘、分散安定剤として使われる。B:パルプを前処理せず1濃硫酸で分解するセルロースの短繊維(ミクロフィブリル)が非結晶領域で分解され紡錘状の結晶が得られる。これはセルロースナノクリスタルと呼ばれている。(現在メーカーはカナダの2社のみ)2機械処理だけでセルロースをほぐす次の3工程で細かくする。(1)剪断・・・約2500気圧に高めたパルプ分散液を極細のノズルを通して細く裂く(2)衝突・・・2つのノズルから相対速度マッハ4の高速で溶液同士をぶつけて砕く。(3)キャビテーション・・・ノズルから噴射する時に急激に圧力が下がり気泡が生じ、この気泡が破裂する時の衝撃で更に細かくなる。これで約20nmの大きさになる。生産性は高く、低コストで製造出来る。C:チップをそのまま解繊(解きほぐす)セルロースの表面にリグニンが付着しており、分散もしていない。外観もリグニン由来の茶色となる。リグノセルロースとよばれる。特殊セルロース:微生物を使って生合成する糖質、グリセリンを原料として酢酸菌という微生物にセルロースを合成させる。このセルロースは「バクテリアセルロース」と呼ばれ、食用、工業用に用いられる。Payen賞を受賞しました。注3)TEMPO酸化、少し詳しくはここから<会場の写真及び展示パネル>企業や大学・団体等の研究・開発状況を紹介する展示パネルを撮影したので幾つか貼付します。(尚スマホで撮影したので細かい字は見えず概要のみでご了承下さい)最後に、環境省が主催するCNVプロジェクトをご紹介。応用の高度化及び製品の多様化に注目して行きたい。飛行機の材料は強くてしかも軽い必要があり、現在で一般に良く知られている合金であるジュラルミン(超々ジュラルミン)が使われている。ジュラルミンはアルミニウムに銅、マグネシウム、亜鉛等を加えたもので其の技術はなんと戦前に開発されたものなのだ。(ジュラルミンについて詳しくはここから。)しかし更に軽くて強い材料が要望されており、其の一つの答えが、炭素繊維であり、既にボーイングのジェット機に使用されている。炭素繊維は値段が高く、細かい賦形加工は難しい。そこでジュラルミンや炭素繊維をコスト、性能で上回る材料(金属)が望まれている。現在注目されているのはアルミより軽いマグネシウ合金だが、マグネシウム合金では、これまで1燃え易い2弱いという2つの欠点が克服されていなかった。熊本大学の可村能人教授はこの問題をクリアした合金の開発に成功した。KUMADAIマグネシウムとしてこれまで何度もニュースになりご存知の方も多いと思う。KUMADAIマグネシウムの凄さについては、この動画1でよく分かる。今回のブログは、凄さの秘密を解説するのがメインなのだ。記事の構成・内容は、NHK、Eテレ「サイエンスZERO」(軽い、強い、燃えにくい、夢の新マグネシウム合金)を参照した。新合金の開発は、(非マグネシウム研究者として)国の新規マグネシウム合金開発プロジェクトに招聘された熊本大学可村教授がマグネシウムに別の元素を加えて其の性能を調べる実験を繰り返し、遂にその配合を発見した。それはマグネシウム(Mg)に亜鉛(Zn)1%とイットリウム(Y)2%を加えるという条件だった。従来のマグネシウム合金と較べて新合金の特長は、1.曲げに対する変形→従来品はすぐ曲がり曲がったままに対し、しなるだけですぐ元に戻る。2.引張強度→従来品は200MPaに対し500MPaで従来の2.5倍。3.燃え難さ→従来品が610°Cで燃えるのに対し、910°Cまで燃えない。この性能が世界を驚かせた。開発話の中でいくつかの疑問が生じるが、これについての答えは以下の通り。1.これまでに上記の組成は検討されなかったのか→同じ組成はあったが入れる量が違っていた。2.燃え難くなるのはどうしてか→Y(イットリウム)が酸素を通さない膜を作るので燃えにくくなる。3.他の研究者が同じ組成で作っても強度が出ないのはなぜか→この答えは可村教授自身にも分からないままであった。A)東大の安倍英司教授のSTEM顕微鏡による原子配列状態の観察結果、及びB)京都大学の奥田浩司教授によるSpring8での放射光を使った解析により明らかになった。1)Mg(97)/Zn(1)/Y(2)の合金のSTEM写真を調べるとZn+Yの白い層とMgの黒い層が交互に規則正しく整列していた。これは「長周期積層構造(LPSO構造)」と呼ばれているもの。2)上記3成分を配合した状態から徐々に温度を上げながら合金が出来る状態を放射光で観測すると1最初ZnとYはMgの中でバラバラの状態で存在、2温度が上がるとZnとYがくっつき始め(166°C)3更に温度が上がるとこの塊が大きくなって行き(225°C→295°C)4そして自然に規則正しく並ぶ(522°C)以上の現象は同じ配合で温度を上げてゆけば必ず出来ることを意味する。それではなぜ可村教授が作った長周期積層構造の合金だけが強度がでるのか?阿部教授が長周期積層構造(LPSO構造)を詳しく観察すると積層構造が折れ曲がった部分を見つけた。顕微鏡の倍率を低くすると、三角形状となっている部分が沢山出来ていた。この三角形は「キンク変形」と呼ばれ、これが強さの正体(原因)だった。キンク変形という結晶が歪んだ部分が入ると、次に全体を変形させようとした時、その変形に対する抵抗となっていることによることが判明した。結論として、長周期積層構造(LPSO構造)+キンク変形が強さの秘密であった。(詳しくは下記文献をご参照)その1.その2.それではなぜ可村教授が作った合金にはキンク変形が入るのか。一般的な合金の作り方は、るつぼに金属の混合物を入れ、加熱して溶かし、鋳型に流し込んでゆっくり冷やし、鋳型から取り出す。原料を配合して溶かした後取り出す。これには、キンク構造は入っていない。その秘密は可村教授が昔から使っていた独特の方法にあった。それは、金属混合物を溶かした後、小さな穴から噴出させ急冷しリボン状にする。これを銅製の缶に詰め込んだ後、100トンの力で細長く押し出す。この時、強い力で押されることでキンク変形が入り強くなっていたのだ。expected)、強い金属が出来たのだ。この長周期積層構造(LPSO構造)の合金を押し出し加工し、キンク変形させ強くする方法は材料工学分野では新発見であった。その延長として、最近チタン合金、アルミ合金についても強くなることが分かった。金属加工分野が大きく変わりそうだといわれている。軽くて、強くて燃えにくい新マグネシウム合金の応用研究について1.航空機(特に動画参照)マグネシウム合金の航空機分野への応用が2014年に解禁された。Mgの燃焼試験にパスしないといけないが、可村教授の合金は燃焼試験にパスした。航空機に使えるというお済み付きを貰ったわけだ。当面はエンジンのピストン、ターボチャージャーの羽根等でエンジンの出力が上がり結果として燃費が良くなる。狙いは安価になった時のボディへの使用。・Mgは人体に必要なミネラルであり、人体に害はない。・人体に吸収されやすい。その他、Znも人体にあり、問題なく、Yについても特に記載はない。製品への応用、50ミクロンのワイヤーが出来る様になり、ステント(血管拡張器)への応用が期待されている。ステントは現在ステンレスやチタンと樹脂で作られているが、ステンレス等では一生血管内に留まるため、血栓をサラサラにする薬を飲み続けなけらばならない。樹脂では一定期間後に体に吸収されて無くなるものもあるが、金属の2倍の厚さが必要でその分血管が狭くなる。その点、新Mg合金は薄く、細く出来、また生体中で吸収されるので、まさに理想的な材料かと期待されている。現在はステント形成技術の検討とマウスによる実験が行われている。今後は基礎、応用の両面から研究を進めてゆく必要がある。一般に新材料が発見されてから実用化されるまでに30年位かかるので新マグネシウム合金も後14,5年は掛かるだろう。実用化されればジュラルミンの様に100年以上使われるだろう。放送内では竹内MCは敢えてレアーアースのYを使うことについては言及しなかったが、やはり日本としては、最終的にはレアーアースを使用しない技術を開発する必要がある。茨城マグネシウム工業会もハッキリそう言っている。終わりに、やや古いが、この動画2もおすすめ。メカニズム的な話は無いが、新マグネシウム合金の全体がよく分かる。これからの研究者にとっては(どの分野でもそうだと思うが)、可村教授が動画1で何度も口にされている「マッドルスルー」の覚悟が必要だろう。これまでのマグネシウム合金全般について知りたい方には誰にでも非常に解りやすいサイトがあります。LPSO構造、キンク変形、ステント、イットリウム、亜鉛、マッドスルー、夢のマグネシウム合金、強さの秘密解明とその応用にコメント次世代自動車用バイオ樹脂の研究がすすむ今自動車の軽量化を目的に新素材の研究が進んでいる。車体用途では強度的に強く、軽いのはジェット機にも使われている炭素繊維だろう。高級車には一部使われ始められたが価格が高く一般車への普及は大分先になりそうだ。プラスチック素材なら軽くていいのだが、これまでは強度が不十分で塩ビのバンパーやアクリルのインパネなど一部に使用されてきただけであった。樹脂バンパーは壊れてもいいという前提なので使われている。窓は透明性が必須なのだが、アクリルやその他透明な樹脂では強度が足りない。ポリカ―ボネイトは警察が使う盾になっているほど十分な強度はあるのだが、傷が付き易さを克服できていなかった。(表面硬化はあるが不十分)これらの動きと平行に、非石油由来のプラスチック樹脂が二酸化炭素(CO2)などの温室効果ガス削減に役立つ新素材(バイオプラスチック)として注目を集めている。新素材はこれまでの欠点だった熱に弱い性質を克服し金属やガラス等に代わりになる可能性を秘めている。先行の製紙会社で研究がすすむ新素材セルロースナノファイバー(CNF)だ。これにはこれまでにも当ブログに書いてきたので詳細は割愛します。(下のリンクご参照)CNFは耐熱温度が最高約280°Cのため、自動車のエンジン回りには使えない。そこで注目されているのが本題の新素材だ。金子教授らは、植物から得られるブドウ糖を遺伝子操作した大腸菌によってアミノ桂皮酸に変化させた後、紫外線を当てて分子構造を変えて熱に強いポリアミド樹脂を合成した。耐熱性は400°Cあり、エンジン回り部品への使用を第一とし、透明なので窓ガラスやライトカバーへの使用も想定されている。2.リグノフェノールリグニンは良く知られているように、木材の繊維を束ねる接着剤の役割を果たしている物質だが、リグノフェノールはこのリグニンから抽出した粉状の素材で、他の樹脂と混ぜる事で軽くても丈夫で加工し易い素材になる。高い断熱性があり燃えにくいため、車のボンネット裏の遮熱材や配線が通るコネクターなど、熱が生じやすいところに使える。金属部品に比べて15~50%重量を低減させることができると期待されている。(島根県の建設会社で開発が進む)環境省は、上記の研究について、昨年から実証実験を始め、生産コスト削減や安定した供給方法を探っている。目標は、先行して研究が進む木や竹由来のCNFと組み合わせることで、車体重量を10%削減した次世代自動車の実現だ。(一部用語間違いがありましたので修正いたしました。