プラスチック樹脂と植物由来の繊維から合成した新素材

パナソニックは２０２１年、植物細胞に含まれるセルロース繊維をプラスチック樹脂に混合した「セルロース繊維複合材料」を開発した。 現在は「キナリ」という商品名で市場に参入している。

──環境保護における「Kinari」の重要性とは何でしょうか？

従来のプラスチック樹脂はほぼすべて石油由来であり、最終的には燃焼して二酸化炭素を生成します。 最初と最後だけを見れば、私たちは石油を二酸化炭素に変えているだけです。 一方、植物由来の樹脂であれば、たとえ燃やして二酸化炭素になっても、その二酸化炭素を他の植物が光合成に利用することで、二酸化炭素の排出と吸収のバランスがとれます。 つまり、石油を使わない循環型社会が期待できるのです。 また、セルロース繊維は生分解性であるため、海に流出する未分解プラスチックの量を減らし、近年の海洋プラスチック問題の解決にも貢献します。

──樹脂としての性能は維持できるのでしょうか？

セルロース繊維複合樹脂には植物の骨格となる強化繊維が含まれており、強度を高めています。 特に剛性（応力を受けたときに材料や構造が弾性変形に耐える能力）の点で、従来の樹脂と比較して性能が向上しています。 これは、同じ剛性を維持しながら重量を軽減できることを意味します。

デザイン面でも木の質感を実現できます。 基本的にあまり加熱せずに作ることができるため、コンポジットレジンの褐変を抑え、白色を維持します。

左側は、分解能 10 μm の電子顕微鏡 (SEM) で撮影した成形材料のセルロース繊維です。 右側は同じセルロース繊維、解像度 1 μm (クレジット: パナソニック株式会社)

「完全ドライプロセス」による製造で消費エネルギーは4分の1以下

浜辺氏らがセルロース繊維複合樹脂の開発を総合的に推進し始めたのは2015年。その後、環境省から「セルロース・ナノファイバー製品の製造過程における二酸化炭素排出量削減に向けた技術開発」を受託し、 」によってこの技術の開発が加速されました。 研究開発目標は、コア技術とされる「完全ドライプロセス」に焦点を当てています。

──セルロース繊維はどのように開発されたのですか？

2014年ごろから「セルロースナノファイバー」という新素材が日本でも登場し始めた。 セルロース由来のパルプ繊維を水と添加剤を用いて剥離して製造されるナノスケールの繊維です。 次に乾燥させ、樹脂と混合して複合材料を形成します。

私たちは以前からセルロースナノファイバーに興味を持っていました。 同時に、私たちは製造プロセスを開発し、より良い製品を作るための革新的な方法を常に模索するという使命もあります。 そこで提案された製造方法が「完全乾式プロセス」です。

──「完全ドライプロセス」の特徴は何ですか？

最初から最後まで水を使用する必要はありません。 原料となるパルプを乾燥状態まで粉砕し、可塑性樹脂や添加剤を含む樹脂溶融物中に投入して展延し、樹脂溶融物中でセルロース繊維を分解してセルロース繊維にする。 このようにして、紙パルプ繊維とプラスチック樹脂からセルロース繊維複合樹脂が製造されます。 製造工程におけるエネルギー消費量は従来の4分の1以下です。

──「完全ドライプロセス」というアイデアはどのようにして生まれたのでしょうか？

これは社内での議論中に起こりました。 私たちは電池材料の開発に取り組んでいます。 当時、液体電池材料を基板に塗布するプロセスを乾式プロセスに転換する取り組みが行われていました。 液体を含まない乾式プロセスを使用すると、凝集を回避でき、バッテリーの性能が維持されます。 電池からセルロース繊維に仕事が移ってきましたが、電池開発時代の「乾式プロセス」の研究の蓄積は「完全乾式プロセス」にも応用できると考えています。

──つまり、パナソニックの利点が生かされているということでしょうか？

そう思います。 電池材料開発における当社の専門知識は、他の面でも役に立ちます。 例えば、電池材料の粉砕技術を開発する際に、ある粉砕原理を開発すると、その原理を利用して繊維を含むパルプを粉砕する方法を考えることもできます。

──セルロース繊維の高濃度化にも力を入れています

2019年に55％の濃度でキャストできることを確認し、2021年には70％の濃度でキャストできることを確認しました。 高濃度での形成が完全な乾式プロセスのもう 1 つの利点です。 完全に乾燥させると、繊維の主要部分は太く残りますが、先端部分は折れて細くなります。 繊維本体が緩すぎないため、溶融樹脂に浸透しやすくなります。

掃除機や携帯用カップなどに応用開始

2015年に総合的な研究開発を開始してから4年、2019年には自社製品およびパートナーとの共同開発製品を発売しました。

──ハンディ掃除機にはセルロース繊維複合樹脂が使われていますね。 その由来について教えていただけますか？

社内的にも社外的にも、ハンド掃除機を軽量化したいという要望があります。 軽量化を図るため、セルロース繊維に加えて、ガラス繊維やカーボン繊維も候補材料として検討しています。 当該製品は縦置きなので落としても割れたり割れたりしないことが重要です。 強度を試験評価したところ、樹脂にセルロース繊維を添加することで、他の候補材料と同等以上の強度を維持しながら、重量を約10％軽量化することができました。 そこでセルロース繊維をベースとした複合樹脂を採用することにしました。

左側はセルロース繊維で作られた掃除機の部品。 右、セルロースファイバー部品を使用した掃除機（提供：パナソニック株式会社）

──アサヒビール株式会社との共同開発により携帯用カップの商品化を完了

パナソニックとアサヒはともに東京オリンピック・パラリンピックのオフィシャルスポンサーを務めており、交流の機会もある。 ネットワークづくりの機会を活かし、セルロース繊維複合樹脂製容器の試作品を贈呈しました。 アサヒビールも、さまざまなイベントで透明なプラスチック容器がすぐに捨てられる問題を認識している。 これをきっかけに両社は「フォレストカップ」を共同開発することになりました。

2019年の商品体験会では、第一弾のビアカップとジョッキを600円で販売した。 2杯目を購入する場合は、既存のカップにビールを注ぐだけなので、価格は500円です。 マグカップはお土産として持ち帰ることもできるので、資源の無駄の削減にもつながります。

実際、テスト製品でも予想外の結果が得られました。 これによりビールの発泡性も向上します。 セルロース繊維がカップ表面に適度な細かな溝を形成し、細かい泡を発生させて発泡効果を高めます。

セルロースファイバーカップ（提供：パナソニック株式会社）

──セルロースファイバーはどのような用途に適していますか？

この分野では成果が出ていますが、すべての分野に適しているわけではないようです。 樹脂がポリエチレンテレフタレート（PET、通称「PET」）の場合、融点が高いため燃えてしまいます。 したがって、この材料はポリプロピレンなどの低融点樹脂に適しています。 このため現在、家電製品や建材などへの使用を想定し、さまざまな試験を行っております。

小さな変化を積み重ねて大きな目標に向かって進む

マーケティングの例も確立されています。 セルロース繊維をベースとした複合樹脂は、普及に向けてまだ第一歩を踏み出したばかりです。

──普及に向けた課題とビジョンは何ですか？

もっと多様な植物由来の成分を使用できるようにしたいと考えています。 例えば、植物繊維（綿など）から作られた古着を縫製会社から購入し、それをセルロース繊維複合樹脂に加工し、衣料品店のハンガーに加工することができます。

また、弊社製品を導入していただいているお客様や社内営業部門と連携し、地道に課題を次々と解決し、前進していきたいと考えております。 現在最も重要な問題は、コストをいかに削減するかです。 セルロース繊維複合樹脂は汎用樹脂に比べて数倍から数十倍のコストがかかります。 大規模な生産販売体制を確立することで生産コストを大幅に削減し、自社だけでなく他社にも製品を供給できる状況を作りたいと考えています。

──最終的な目標は何ですか？

最終的には化石燃料に頼らず、植物を効率よく利用した循環型社会の構築を目指しています。 この目標を達成するために、製品ごとに素材を変えるなど、小さな改善でも定期的に取り組んでいきます。

バナー写真：同社が開発したセルロースファイバーカップを手に持つパナソニック株式会社の浜辺理志主任技術者（提供：パナソニック株式会社）

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