高強度

高強度といわれているけれど、どこが高強度なのか

セルロースナノファイバーの特性として「鋼鉄の5倍の強度」というフレーズがよく使われます。一方で私たちが目にするセルロースナノファイバーは、ゼリーのようなゲル状で、「どこが鋼鉄の5倍の強度なんだろう」と思われている方も多いと思います。ここでは、セルロースナノファイバーの特性としての「高強度」の意味について解説したいと思います。

まず何が鋼鉄の5倍の強度なんでしょうか。それはセルロースナノファイバーの「単繊維」の「引張強度」のことです。部材を両側から引っ張ると、最初は伸びますが、あるところで力に耐え切れず、ちぎれてしまいます。これを破断といいます。部材が破断するとき、部材にかかった応力を断面積当たりで表したものを引張強度といいます。

セルロースナノファイバーの単繊維の引張強度は3GPaです。一方、一般構造用圧延鋼材(SS400)の引張強度は0.45GPa、機械構造用炭素鋼(S45C)の引張強度は0.828 GPaなので、セルロースナノファイバーは鋼鉄の5倍の強度、と言っているわけです。

ところでセルロースナノファイバーの単繊維って、径が3~4nmですよね。こんなもの、どうやってつかんで、両側から引っ張るんでしょうか。引張強度の測定は、セルロースナノファイバーの単繊維を温度上昇しないように、長時間水中で超音波処理し、これ以上短くならない限界破断長を電子顕微鏡で測定し、その長さと単繊維の径から、引張強度を計算によって求めます。先ほど説明したように、引張強度は「断面積あたり」の値なので、断面積の小さいセルロースナノファイバーの単繊維では、その値は大きくなります。

これはセルロースナノファイバーの単繊維についての話です。TEMPO酸化セルロースナノファイバーなど、ごく一部のセルロースナノファイバーはこれに該当しますが、それ以外のセルロースナノファイバー、セルロースナノクリスタル、バクテリアナノセルロースにはこの特性は当てはまりません。ただ鋼鉄の5倍の強度ではないですが、それなりの強度があることは間違いないです。一般的に、ナノセルロースの結晶化度が高いほど、強度が高いと考えられています。ただ、現在のところ、強度を定量的に示す方法がありません。

ナノセルロースの高強度であるという特性を用いた用途としては、樹脂などの強度アップがあります。したがってセルロースナノファイバーを添加した樹脂と、添加しない樹脂の強度を比較するのが一番よいのですが、複合材料を提供しているメーカーのホームページにも、データはありません。いろいろな話を総合すると、コストに見合う強度アップができていないということです。

引張強度を説明する図

ナノセルロース・ドットコムロゴ

世界のトレンドから取り残されたくない!
コストも時間もかけたくない!
どこに相談したらよいのか分からない…