【五金】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。
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。
而如果使用树脂替代玻璃,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。
