Целлюлозное нановолокно и новые экономические перспективы
Лёгкий, прочный и экологичный материал
[29.06.2016] Читать на другом языке : ENGLISH | 日本語 | ESPAÑOL | العربية |

Внимание общественности привлекает целлюлозное нановолокно – лёгкий, прочный и экологичный новый материал, получаемый при использовании нанотехнологий для производства волокна из целлюлозы – одного из основных веществ, входящих в состав растений. Применяется она очень широко – в памперсах для взрослых, в автомобилях, самолётах и т. п. Япония, 70% территории которой покрыто лесами, является мировым лидером в исследованиях целлюлозы. В поисках путей её практического применения Япония соперничает со странами Северной Европы и Северной Америки, богатыми лесными ресурсами.

В пять раз легче стали и более чем в пять раз прочнее

Причина такого внимания к целлюлозе заключается в её свойствах – говорят, что она в пять раз легче, и при этом более чем в пять раз прочнее стали.

Смешав целлюлозу со смолами или резиной, можно производить лёгкие и прочные детали автомобилей. Коллектив, возглавляемый профессором Института исследований экоустойчивой среды обитания Университета Киото Яно Хироюки, исследует возможности применения целлюлозного нановолокна для производства корпусов автомобилей и капотов. Если удастся сделать автомобиль легче, то снизится и потребление топлива, уменьшится количество углекислого газа, выделяемого в атмосферу. В будущем, возможно, это волокно, подобно углеродному волокну, можно будет применять и при изготовлении корпусов самолётов.

Вид целлюлозного нановолокна под микроскопом (фотография предоставлена Форумом наноцеллюлозы)

Из волокна можно делать очень прочное и слабо деформирующееся при нагревании стекло. Благодаря тому, что это волокно наноуровня (1 нм – это одна миллиардная метра), его можно обработать так, чтобы оно пропускало свет видимого спектра. Ввиду огромной относительной площади нановолокно может использоваться в фильтрах, задерживающих тончайшую пыль, или же при изготовлении освежителей воздуха, устраняющих мельчайшие частицы пахучих веществ. Обладающая хорошими герметизирующими свойствами и не пропускающая кислород плёнка из нановолокна в качестве упаковки для продуктов питания поможет сохранить их свежими. Сохраняющее в воде высокую вязкость волокно может применяться как пищевая добавка, придающая продуктам желеобразный вид.

Растений, из которых можно получать волокно, очень много. Целлюлоза есть в деревьях, в соломе зерновых культур, риса, в стеблях кукурузы и хлопка – практически во всех растениях, и поэтому её производство слабо сказывается на окружающей среде.

Япония – лидер базовых исследований наноцеллюлозы

В основных исследованиях нановолокна из целлюлозы Япония добилась впечатляющих результатов. Компании, производящие бумагу, ежедневно извлекают целлюлозу из древесины и превращают её в пульпу (волокно), но нановолокно в пульпе сильно связано с другими волокнами, и для того, чтобы выделить однородное нановолокно, требуется большое количество энергии. Это является наибольшим препятствием для промышленного получения нановолокна.

Профессор Токийского университета Исогаи Акира в посольстве Швеции в Токио, 10 марта 2016 г. (фотография Нагасавы Такааки)

Исследовательская группа, которую возглавляет профессор Института агрокультуры и наук о жизни Токийского университета Исогаи Акира, в 2006 году открыла, что с катализатором TEMPO, который используется для окисления веществ, волокно разделяется гораздо легче, и смогли получать целлюлозное нановолокно с лучшей в мире эффективностью. При такой химической обработке затраты электроэнергии на извлечение нановолокна сокращаются в 60-300 раз по сравнению с тем способом, который использовался ранее.

Открытие профессора Исогаи получило высокую оценку, и в марте 2015 г. он был удостоен премии имени Ансельма Пайена (французского учёного, открывшего целлюлозу) от Американского химического общества, а в сентябре того же года получил Приз Маркуса Валленберга за достижения в лесной отрасли. Этот приз называют также «Лесной нобелевской премией». Впервые этот приз получил представитель азиатской страны.

Практическое применение становится ближе

Жидкость, получаемая в процессе отделения нановолокна (фотография предоставлена Nippon Paper Group)

Производители бумаги, чувствуя падение спроса на свой товар, активно работают над разработками и исследованиями нановолокна, стремясь к практическому его применению. Второй по величине в Японии производитель бумаги, Nippon Paper Group, в октябре 2013 г. на заводе в Ивакуни пустил оборудование, производящее способом каталитического окисления TEMPO более 30 тонн нановолокна в год. Быстрыми темпами развивается и практическое применение нановолокна. Успешно разработано полотно с деодорирующими и антибактериальными свойствами, и в октябре 2015 г. в продажу поступили первые в мире памперсы для взрослых, в которых использовано нановолокно.

Один из крупнейших производителей, Oji Holdings, совместно с химической компанией Mitsubishi Kagaku отработали процесс производства больших прозрачных непрерывных полотнищ из волокна толщиной около 4 нм. Лёгкое полотно можно сворачивать, как бумагу, и его можно использовать для производства больших дисплеев или солнечных батарей, которые разворачивают при необходимости. Обратив внимание на вязкость материала, приступили и к разработкам по использованию других функций нановолокна уже в качестве сырья для косметических продуктов совместно с Nikko Chemicals.

Шариковая ручка Uni-ball Signo 307, в которой целлюлозное нановолокно использовано в качестве загустителя (фотография предоставлена компанией Mitsubishi Pencil Co.)

Кроме того, компания Mitsubishi Pencil Co. в конце мая начала продажи в Японии гелевых шариковых ручек, в которых целлюлозное нановолокно использовано в качестве загустителя. Вязкость чернил при письме удалось понизить на 50% по сравнению с обычными ручками, и линия не прерывается даже тогда, когда пишут быстро. В США и Европе эти ручки начали продавать ещё раньше, в прошлом году.

По словам профессора Яно Хироюки, хотя мы нескоро ещё увидим автомобили, корпуса которых будут полностью сделаны из нановолокна, но использование пластиковых деталей, в которых материал усилен нановолокном, – дело недалёкого будущего.

Как пишет обычная шариковая ручка (слева) и Uni-ball Signo 307 (фотография предоставлена компанией Mitsubishi Pencil Co.)

Областей применения нановолокна становится всё больше, но проблемой является пока ещё высокая себестоимость, составляющая от 5 до 10 тысяч йен за килограмм, – она не может конкурировать с себестоимостью в 200 йен у стали или 300-500 йен у пластика. При использовании в композитных материалах в смеси со смолами себестоимость нановолокна превышает себестоимость углеродного волокна (3000 йен) или арамида (полиамидного волокна, 5000 йен). На лучшее позволяет надеяться дешевизна исходного сырья – пульпы, которая на рынке продаётся по 60-80 йен. Если это преимущество удастся использовать в понижении цены конечного продукта, то практическое применение нановолокна пойдёт очень быстрыми темпами.

  • [29.06.2016]
Статьи по теме
Другие колонки

Популярные статьи

Nippon.blog Все статьи

Видео в фокусе

Последние серии

バナーエリア2
  • Колонки
  • Новости