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国际新闻

【超级材料】纤维素纳米纤维,比铁更硬更轻的植物纤维
来源:日经商务周刊  2013-05-13 09:42:49
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=607

  【日经BP社报道】重量只有钢的1/5,强度却是其5倍以上。这种以树木为原料的纤维能令汽车、电子部件更轻巧、更牢固。如果成本降低,得到普及,这种材料甚至有望改写材料产业的格局。

  在以金属和塑料为主流的汽车、智能手机等产品的原材料中,利用纸浆制造的新型材料——纤维素纳米纤维(CNF)最近备受关注。

  这是一种通过分解造纸原料——植物纤维(纸浆)制成的超细纤维。1根纤维素纳米纤维的直径仅为3~4nm(1nm为10亿分之1m),大约相当于头发丝的2万分之1。

  虽然纸浆本身并不坚硬,但实际上,构成纸浆的CNF根根结实。将这些CNF聚合在一起,就能制成强韧的材料。

  与钢材相比,这种材料的重量只有其5分之1,强度却是其5倍以上。能提高电子机械和汽车部件的强度,并实现轻量化。

    
  把木纤维分解至4nm,向放入了造纸使用的纸浆的水中添加名为“TEMPO催化剂”的特殊催化剂,并搅拌约2个小时后,纸浆被分解为直径4nm的极细CNF,分散在水中。白色的纸浆变成直径比可见光波长还小的CNF,呈透明状

  与碳纤维可区别使用

  CNF的魅力不仅仅在于强度和轻量,还包括热膨胀率低和温度变化耐受力强。由于源自木质材料,因此使用后可以还归土壤,造成的环境负荷小。而且还具备不易透过氧气及水分的性质。虽说全世界都在开发这种材料,但日本在很多方面都处于领先地位。

  说起日本在全世界拥有强大竞争力的纤维类新材料,最具代表性的当然是碳纤维。这种材料已经被用于飞机机体等,今后还有望推广到汽车车体。那么,碳纤维与CNF是否会成为竞争对手?答案是否定的。

  在强度上,碳纤维更胜一筹,但CNF由于容易弯折,用途非常广泛。就汽车而言,碳纤维适合车体的轻量化,而CNF则适合保险杠、内饰、轮胎等树脂和橡胶部件的轻量化,二者可用于不同用途。

  而且,造纸公司种植有大面积的森林,原料十分丰富。因此,CNF无需像石油资源那样“担心原料(枯竭)”(日本制纸CNF事业推进室长河崎雅行)。

  目前,CNF材料还处于刚开始样品供货的阶段,生产方法和用途还有待开拓。开发CNF的主导力量,是既拥有作为其原料的树木,又拥有纸浆加工技术的造纸公司。日本的造纸公司在长年的纸张生产中积累了丰富的知识经验,把极细纤维加工成膜状的技术实力也位居世界前列。以日本造纸行业的龙头老大王子控股与位居第二的日本制纸为中心,开发竞争处于白热化阶段。

  有预测称,到2030年,CNF的年市场规模将达到1500亿日元。有机EL(电致发光)基板是有望利用这种材料的领域之一。

  容易发生温度变化的有机EL基板过去使用的是热膨胀率较低的玻璃材料,但玻璃容易破碎,所以很难量产大型产品。

  而使用树脂替代玻璃的话,虽然易弯折、不易断裂,但热膨胀率大,耐受温度变化的能力弱。倘若采用CNF,就可以同时弥补玻璃和树脂这两种材料的缺点。

  现在,一些企业也在开拓能够充分发挥CNF“不易透过氧气和水分”这一性质的用途。花王和凸版印刷有意将CNF用于包装材料,目前正在研究使用方法。

  比如,肥皂等产品的气味容易穿透包装材料。如果把CNF涂抹在包装纸的表面,不仅可以防止气味释放,还能阻碍空气进入到包装内部,防止氧化造成的产品劣化。

  汽车减重20kg

  CNF还有另一个特征。加工成膜状后,CNF就会变成“透明纸”。能够像纸一样弯折,而且结实、透明。这一性质可在太阳能电池基板用途大显身手。

  为了让阳光毫无损失地照射到电池的元件,必须要使用透光材料。现在使用的玻璃等材料存在易碎的缺点。而CNF既透明又结实,由于弹性大,还适合在曲面上使用。

  CNF除了单独使用之外,还可以少量掺入到其他材料中来提高强度,最终发挥出轻量化的效果。

  汽车部件用途的轻量化需求大、产量也大。2012年秋季,王子制纸与京都大学教授矢野浩之等人合作,开发出了CNF含量在10%以上的新树脂。与过去相比,一辆汽车使用的树脂材料可减轻约20kg,从而使车辆轻20kg。

  还有研究表明,添加CNF能增加橡胶的耐久性,住友橡胶工业等正在研究将其应用于轮胎。除此之外,CNF还有可能替代汽车部件使用的大多数材料。

  还有大型化工厂在研究在玉米淀粉制成的生物塑料和聚乳酸的纤维中添加CNF的方法。

  添加少量CNF作为强化材料后,即使把价格昂贵的生物塑料和聚乳酸的用量减少一半,强度仍然能够达到以往的水平。能够在保留100%植物来源的特色的同时压缩成本。

  每公斤成本或将低于1000日元

  有一项技术使CNF的实用化有了重大突破,那就是东京大学教授矶贝明领导开发的使用催化剂的生产方法。

  一般的纸浆纤维的直径约为20μm(1μm为100万分之1m),由多条CNF构成。CNF与其他CNF紧密结合的能力很强,很难使其一一分离。

  矶贝教授等人研究发现,一种名为“TEMPO催化剂”的特殊催化剂具有分解纤维的作用。

  其原理为,向放在水中的纸浆添加TEMPO催化剂等物质,使其反应2个小时。然后进行搅拌处理,CNF的表面将会带电。每一条CNF的表面都会带有负电子,彼此相互排斥,当排斥力高于结合力的时候,就能成功分离CNF。

  这样,直径为4nm的均匀、极细的CNF就会分散在水中。经过大约2个小时,当纸浆纤维全部分解成CNF后,就会形成胶状透明液体,成为CNF分散剂。

  TEMPO催化剂的价格虽然高达1kg几万日元,但添加量仅为纸浆纤维的1%左右,对总成本的影响很小。作用相同、成本更加低廉的催化剂目前也处于研究阶段。

  与矶贝教授合作开发的公司有日本制纸、花王和凸版印刷。日本制纸将从2013年10月开始,在日本山口县岩国市的岩国事务所开展使用TEMPO催化剂制造CNF的量产化试验。预定在2015年之前实现商用化。

  京都大学的矢野教授开发的制造方法同样是关注的焦点。这是一种使用双轴搅拌机分解纤维的技术。可见,围绕CNF高效制造方法的开发竞争已经展开。

  作为一种新材料,CNF蕴藏着广泛的可能性,但未来普及的关键,在于提高生产效率、最大限度降低成本。

  CNF分散在水中形成的凝胶难运输、难保存,是抬高成本的因素。如果能够像纸张一样制成薄膜,卷成卷,不仅能克服上述课题,还有望实现连续生产。

  2013年2月底,王子控股与三菱化学联手,在全世界率先使用抄纸技术制作出了CNF卷。

        

  其基础是通常的抄纸技术,该技术是在直径为微米级的细丝织的网上倾倒纸浆溶液,使纸浆挂在细丝上,蒸发掉水分后形成纸张。

  把这项技术应用于比纸浆还细的CNF存在诸多困难,但是,通过融合王子控股的造纸技术、薄膜加工技术,以及三菱化学的化学处理技术,困难迎刃而解。

  王子控股研发本部的首席研究员浅山良行说:“虽然不能介绍详细技术,但可以透露是,通过改进设备,与开发之初相比,薄膜化需要的时间缩短到了几十分之一。而且实现了连续生产,向商业化迈出了一大步。”

  对于CNF的成本,东大的矶贝教授预测说:“随着量产化研究的推进,每公斤的生产成本或许会跌破1000日元。”

  这相当于一般钢材的10倍左右。乍看上去好像很贵,但CNF的重量只有钢材的1/5,强度却是其5倍,考虑到在汽车等产品的轻量化中发挥重大作用的附加值,应该也不算太贵。

  在中国、韩国企业的追击下,日本的钢铁、化学、造纸等材料行业正面临着残酷的竞争。日本企业必须要领先世界,开发出前所未有的高附加值材料,将其投入实用,以改变收益结构。

  从这个意义上来说,日本企业拥有众多优势的CNF备受期待。继碳纤维之后,作为又一个来自日本的新材料,CNF能实现飞跃吗?
 

文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=607