【日經(jīng)BP社報(bào)道】重量只有鋼的1/5，強(qiáng)度卻是其5倍以上。這種以樹(shù)木為原料的纖維能令汽車(chē)、電子部件更輕巧、更牢固。如果成本降低，得到普及，這種材料甚至有望改寫(xiě)材料產(chǎn)業(yè)的格局。

       在以金屬和塑料為主流的汽車(chē)、智能手機(jī)等產(chǎn)品的原材料中，利用紙漿制造的新型材料——纖維素納米纖維（CNF）最近備受關(guān)注。

      這是一種通過(guò)分解造紙?jiān)稀参锢w維（紙漿）制成的超細(xì)纖維。1根纖維素納米纖維的直徑僅為3～4nm（1nm為10億分之1m），大約相當(dāng)于頭發(fā)絲的2萬(wàn)分之1。

       雖然紙漿本身并不堅(jiān)硬，但實(shí)際上，構(gòu)成紙漿的CNF根根結(jié)實(shí)。將這些CNF聚合在一起，就能制成強(qiáng)韌的材料。

       與鋼材相比，這種材料的重量只有其5分之1，強(qiáng)度卻是其5倍以上。能提高電子機(jī)械和汽車(chē)部件的強(qiáng)度，并實(shí)現(xiàn)輕量化。

       與碳纖維可區(qū)別使用
       

       CNF的魅力不僅僅在于強(qiáng)度和輕量，還包括熱膨脹率低和溫度變化耐受力強(qiáng)。由于源自木質(zhì)材料，因此使用后可以還歸土壤，造成的環(huán)境負(fù)荷小。而且還具備不易透過(guò)氧氣及水分的性質(zhì)。雖說(shuō)全世界都在開(kāi)發(fā)這種材料，但日本在很多方面都處于領(lǐng)先地位。

       說(shuō)起日本在全世界擁有強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)力的纖維類(lèi)新材料，最具代表性的當(dāng)然是碳纖維。這種材料已經(jīng)被用于飛機(jī)機(jī)體等，今后還有望推廣到汽車(chē)車(chē)體。那么，碳纖維與CNF是否會(huì)成為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手？答案是否定的。

       在強(qiáng)度上，碳纖維更勝一籌，但CNF由于容易彎折，用途非常廣泛。就汽車(chē)而言，碳纖維適合車(chē)體的輕量化，而CNF則適合保險(xiǎn)杠、內(nèi)飾、輪胎等樹(shù)脂和橡膠部件的輕量化，二者可用于不同用途。

       而且，造紙公司種植有大面積的森林，原料十分豐富。因此，CNF無(wú)需像石油資源那樣“擔(dān)心原料（枯竭）”（日本制紙CNF事業(yè)推進(jìn)室長(zhǎng)河崎雅行）。

       目前，CNF材料還處于剛開(kāi)始樣品供貨的階段，生產(chǎn)方法和用途還有待開(kāi)拓。開(kāi)發(fā)CNF的主導(dǎo)力量，是既擁有作為其原料的樹(shù)木，又擁有紙漿加工技術(shù)的造紙公司。日本的造紙公司在長(zhǎng)年的紙張生產(chǎn)中積累了豐富的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，把極細(xì)纖維加工成膜狀的技術(shù)實(shí)力也位居世界前列。以日本造紙行業(yè)的龍頭老大王子控股與位居第二的日本制紙為中心，開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)處于白熱化階段。

       有預(yù)測(cè)稱(chēng)，到2030年，CNF的年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1500億日元。有機(jī)EL（電致發(fā)光）基板是有望利用這種材料的領(lǐng)域之一。

       容易發(fā)生溫度變化的有機(jī)EL基板過(guò)去使用的是熱膨脹率較低的玻璃材料，但玻璃容易破碎，所以很難量產(chǎn)大型產(chǎn)品。

       而使用樹(shù)脂替代玻璃的話(huà)，雖然易彎折、不易斷裂，但熱膨脹率大，耐受溫度變化的能力弱。倘若采用CNF，就可以同時(shí)彌補(bǔ)玻璃和樹(shù)脂這兩種材料的缺點(diǎn)。

       現(xiàn)在，一些企業(yè)也在開(kāi)拓能夠充分發(fā)揮CNF“不易透過(guò)氧氣和水分”這一性質(zhì)的用途。花王和凸版印刷有意將CNF用于包裝材料，目前正在研究使用方法。

       比如，肥皂等產(chǎn)品的氣味容易穿透包裝材料。如果把CNF涂抹在包裝紙的表面，不僅可以防止氣味釋放，還能阻礙空氣進(jìn)入到包裝內(nèi)部，防止氧化造成的產(chǎn)品劣化。

       汽車(chē)減重20kg

       CNF還有另一個(gè)特征。加工成膜狀后，CNF就會(huì)變成“透明紙”。能夠像紙一樣彎折，而且結(jié)實(shí)、透明。這一性質(zhì)可在太陽(yáng)能電池基板用途大顯身手。

       為了讓陽(yáng)光毫無(wú)損失地照射到電池的元件，必須要使用透光材料。現(xiàn)在使用的玻璃等材料存在易碎的缺點(diǎn)。而CNF既透明又結(jié)實(shí)，由于彈性大，還適合在曲面上使用。

       CNF除了單獨(dú)使用之外，還可以少量摻入到其他材料中來(lái)提高強(qiáng)度，最終發(fā)揮出輕量化的效果。

       汽車(chē)部件用途的輕量化需求大、產(chǎn)量也大。2012年秋季，王子制紙與京都大學(xué)教授矢野浩之等人合作，開(kāi)發(fā)出了CNF含量在10％以上的新樹(shù)脂。與過(guò)去相比，一輛汽車(chē)使用的樹(shù)脂材料可減輕約20kg，從而使車(chē)輛輕20kg。

       還有研究表明，添加CNF能增加橡膠的耐久性，住友橡膠工業(yè)等正在研究將其應(yīng)用于輪胎。除此之外，CNF還有可能替代汽車(chē)部件使用的大多數(shù)材料。

       還有大型化工廠(chǎng)在研究在玉米淀粉制成的生物塑料和聚乳酸的纖維中添加CNF的方法。

       添加少量CNF作為強(qiáng)化材料后，即使把價(jià)格昂貴的生物塑料和聚乳酸的用量減少一半，強(qiáng)度仍然能夠達(dá)到以往的水平。能夠在保留100％植物來(lái)源的特色的同時(shí)壓縮成本。

       每公斤成本或?qū)⒌陀?000日元

       有一項(xiàng)技術(shù)使CNF的實(shí)用化有了重大突破，那就是東京大學(xué)教授磯貝明領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)的使用催化劑的生產(chǎn)方法。

       一般的紙漿纖維的直徑約為20μm（1μm為100萬(wàn)分之1m），由多條CNF構(gòu)成。CNF與其他CNF緊密結(jié)合的能力很強(qiáng)，很難使其一一分離。

       磯貝教授等人研究發(fā)現(xiàn)，一種名為“TEMPO催化劑”的特殊催化劑具有分解纖維的作用。

       其原理為，向放在水中的紙漿添加TEMPO催化劑等物質(zhì)，使其反應(yīng)2個(gè)小時(shí)。然后進(jìn)行攪拌處理，CNF的表面將會(huì)帶電。每一條CNF的表面都會(huì)帶有負(fù)電子，彼此相互排斥，當(dāng)排斥力高于結(jié)合力的時(shí)候，就能成功分離CNF。

       這樣，直徑為4nm的均勻、極細(xì)的CNF就會(huì)分散在水中。經(jīng)過(guò)大約2個(gè)小時(shí)，當(dāng)紙漿纖維全部分解成CNF后，就會(huì)形成膠狀透明液體，成為CNF分散劑。

       TEMPO催化劑的價(jià)格雖然高達(dá)1kg幾萬(wàn)日元，但添加量?jī)H為紙漿纖維的1％左右，對(duì)總成本的影響很小。作用相同、成本更加低廉的催化劑目前也處于研究階段。

       與磯貝教授合作開(kāi)發(fā)的公司有日本制紙、花王和凸版印刷。日本制紙將從2013年10月開(kāi)始，在日本山口縣巖國(guó)市的巖國(guó)事務(wù)所開(kāi)展使用TEMPO催化劑制造CNF的量產(chǎn)化試驗(yàn)。預(yù)定在2015年之前實(shí)現(xiàn)商用化。

       京都大學(xué)的矢野教授開(kāi)發(fā)的制造方法同樣是關(guān)注的焦點(diǎn)。這是一種使用雙軸攪拌機(jī)分解纖維的技術(shù)。可見(jiàn)，圍繞CNF高效制造方法的開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)展開(kāi)。 作為一種新材料，CNF蘊(yùn)藏著廣泛的可能性，但未來(lái)普及的關(guān)鍵，在于提高生產(chǎn)效率、最大限度降低成本。

       CNF分散在水中形成的凝膠難運(yùn)輸、難保存，是抬高成本的因素。如果能夠像紙張一樣制成薄膜，卷成卷，不僅能克服上述課題，還有望實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

       2013年2月底，王子控股與三菱化學(xué)聯(lián)手，在全世界率先使用抄紙技術(shù)制作出了CNF卷。

       其基礎(chǔ)是通常的抄紙技術(shù)，該技術(shù)是在直徑為微米級(jí)的細(xì)絲織的網(wǎng)上傾倒紙漿溶液，使紙漿掛在細(xì)絲上，蒸發(fā)掉水分后形成紙張。

       把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于比紙漿還細(xì)的CNF存在諸多困難，但是，通過(guò)融合王子控股的造紙技術(shù)、薄膜加工技術(shù)，以及三菱化學(xué)的化學(xué)處理技術(shù)，困難迎刃而解。

       王子控股研發(fā)本部的首席研究員淺山良行說(shuō)：“雖然不能介紹詳細(xì)技術(shù)，但可以透露是，通過(guò)改進(jìn)設(shè)備，與開(kāi)發(fā)之初相比，薄膜化需要的時(shí)間縮短到了幾十分之一。而且實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)，向商業(yè)化邁出了一大步。”

       對(duì)于CNF的成本，東大的磯貝教授預(yù)測(cè)說(shuō)：“隨著量產(chǎn)化研究的推進(jìn)，每公斤的生產(chǎn)成本或許會(huì)跌破1000日元。”

       這相當(dāng)于一般鋼材的10倍左右。乍看上去好像很貴，但CNF的重量只有鋼材的1/5，強(qiáng)度卻是其5倍，考慮到在汽車(chē)等產(chǎn)品的輕量化中發(fā)揮重大作用的附加值，應(yīng)該也不算太貴。

       在中國(guó)、韓國(guó)企業(yè)的追擊下，日本的鋼鐵、化學(xué)、造紙等材料行業(yè)正面臨著殘酷的競(jìng)爭(zhēng)。日本企業(yè)必須要領(lǐng)先世界，開(kāi)發(fā)出前所未有的高附加值材料，將其投入實(shí)用，以改變收益結(jié)構(gòu)。

       從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，日本企業(yè)擁有眾多優(yōu)勢(shì)的CNF備受期待。繼碳纖維之后，作為又一個(gè)來(lái)自日本的新材料，CNF能實(shí)現(xiàn)飛躍嗎？（記者：白壁 達(dá)久，《日經(jīng)商務(wù)周刊》）