Целлюлозное нановолокно и новые экономические перспективы
Экономика Наука Технологии- English
- 日本語
- 简体字
- 繁體字
- Français
- Español
- العربية
- Русский
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.
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.
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
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.
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.
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.
Северная Европа и Северная Америка лидируют по производственным мощностям
По количеству производственных мощностей в этой сфере лидируют страны Северной Европы и Северной Америки. Особенно следует отметить Innventia Group, исследовательское предприятие в Швеции, где изучают процессы, связанные с производством бумаги. Совместно с предприятиями-инвесторами там проводят исследования по коммерциализации нановолокна. В феврале 2011 года удалось пустить первый в мире пилотный завод, производящий нановолокно. Производительность его составляет около 100 кг в день.
В Северной Америке, особенно в Канаде, государственные учебные заведения проводят совместные исследования по практическому применению и коммерческому использованию целлюлозных нанокристаллов, которые ещё более тонкие, чем нановолокно. В январе 2012 года заработал первый в мире демонстрационный завод по производству нанокристаллов совместного предприятия CelluForce с производительностью в 1 тонну продукции в день. В США Лесная служба Министерства сельского хозяйства к декабрю того же года построила пилотный завод, производящий 30 кг нанокристаллов в неделю.
Новая биологическая индустрия даёт шанс изменить страну
В правительственной «Стратегии возрождения Японии 2015» среди задач определены развитие международной стандартизации нановолокна и его использования как материала. Для создания национальной системы производства нановолокна при Национальном институте промышленных технологий учреждён Форум наноцеллюлозы под председательством профессора Университета Киото Яно Хироюки. Поставлена задача к 2030 году снизить стоимость производства до 300 йен за килограмм и охватить рынок в 1 триллион йен.
Начальник отдела бумажной и лёгкой промышленности Министерства экономики, торговли и промышленности Ватанабэ Масаёси подчеркнул, что при массовом производстве стоимость сильно снизится, и в Японии будет возможно производить товары из собственных лесных ресурсов. Он надеется, что Япония перехватит инициативу за счёт стандартизации.
В Японии уже подходят сроки вырубки искусственных лесных насаждений, посаженных после войны. Это удобный случай для изменения вектора развития страны за счёт превращения находящихся под рукой лесных ресурсов в нановолокно и создания индустрии биомассы, ориентированной на целлюлозное нановолокно.
Сбор материала и текст: Нагасава Такааки
Фотографии к заголовку: Микрофотография целлюлозного нановолокна (слева; предоставлена Институтом исследований экоустойчивой среды обитания Университета Киото); жидкость, полученная после отделения нановолокна на оборудовании Nippon Paper Group (справа; предоставлена Nippon Paper Group)
(Статья на японском языке опубликована 13 мая 2016 г.)