CNF（セルロースナノファイバー）とは？ 定義やメリット、活用事例をわかりやすく解説

植物由来の次世代素材「CNF（セルロースナノファイバー）」とは

「CNF（セルロースナノファイバー）」とは、植物細胞の細胞壁や繊維の主成分であるセルロースを取り出してできる素材で、ナノセルロースの一種だ。ナノセルロースには、セルロースナノファイバー、セルロースナノクリスタル、バクテリアナノファイバーなどの種類があり、幅や長さ、由来原料によって分けられている。

環境省によるガイドラインでは、幅３〜100nm、長さ５μm以上、高アスペクト比を有し、機械解繊等で製造されているものをCNFとしている。（※１）

CNFの主な特徴

ここでは、CNFの特徴について見ていこう。

植物由来の素材

CNFの最大の特徴は、植物由来であることだ。CNFは、植物バイオマスから得られる繊維をナノ化（微細化）した素材で、植物バイオマスのおもな原料は木材である。木材のほかに、竹、稲わら・麦わら・もみ殻、農業残渣（野菜くず、茶殻、みかん皮など）、草本類（ススキなど）、海藻なども原料となる。（※２）

微細化されたナノ繊維

CNFをつくる際には、植物からセルロースを取り出し化学的・機械的処理をする。こうすることで、数〜数十nmに微細化したナノ繊維となる。簡単にいうと、植物繊維をナノサイズまで細かくほぐして得られる素材がCNFだ。（※３）

軽量かつ高強度

CNFは、軽量かつ高強度であることも特徴である。鋼鉄と比較すると、CNFのほうが５分の１と軽く、５倍の強度をもつ。（※３）

線膨張率の低さ

CNFの特徴に、線膨張率の低さがある。これは温度変化による膨張が少ないことを指し、高温環境でも寸法が変わらず安定した性能を発揮する。ガラスとくらべると、線膨張率は１/50程度である。（※３）

CNFの製造方法

CNFはどのようにしてつくられるのか、製造方法を説明する。

原料調達

まず、CNFの原料となる植物バイオマスを調達する。植物バイオマスには、枝葉や果実、食品残渣（ジュースの絞りかす、コーヒーがらなど）、稲わら、落ち葉、雑草といった未利用バイオマス、古紙・パルプなどがある。これらの原料は、国内の間伐材などの森林資源から調達する。（※１）

パルプ化

木材繊維を取り出す「パルプ化」を行う。パルプ化には２種類あり、機械ですりつぶす、または薬品でパルプ以外を溶かす方法がある。この段階で、約30μm程度の大きさになる。（※１）

ナノ化（微細化）

木材繊維となったパルプをナノ化（微細化）する。表面酸化処理、または磨砕（すりつぶす）を行って、さらに細かくする。この工程を経て、約３〜20nm程度の大きさになる。（※１）

CNFのメリット

CNFにはさまざまなメリットがある。どのようなものか見ていこう。

環境負荷が低い

CNFの最大のメリットは、環境負荷が低いことだ。CNFの原料は木材などの植物由来であり、石油系原料を使っていない。そのためCNFを構造材用途へ利用すれば、エネルギー消費やCO２削減ができる。またプラスチックなどの従来素材の代替として使うことでも、CO２削減が期待できる。環境負荷が少ない素材であるCNFは、カーボンニュートラルな社会を目指す現代のニーズにマッチする。（※１）

リサイクル性の高さ

リサイクル性の高さも、CNFのメリットのひとつだ。CNFは生分解性があるのも特徴で、自然環境下で微生物によって分解される。よってCNFを廃棄した場合でも処理が容易であり、リサイクルのプロセスにおいても有利だ。また、CNFをリサイクルして新たな製品を製造することもできる。（※２）

環境保全に役立つ

原料を国内森林資源から調達し有効活用することで、国内の森林保全、CO２吸収源対策への貢献も可能だ。（※１）

CNFの課題

CNFにはメリットがある一方で、課題もある。その課題を解説しよう。

コストの低減

CNFは製造プロセスが複雑であることや初期費用がかかることから、コスト低減が課題のひとつとなっている。CNFの現時点の価格は、機械処理法によるものが１キロ当たり500円〜数万円、化学処理法であるTEMPO酸化や変性パルプ直接混練法では3,000円～数万円となっている。将来的には、いずれの製法も１キロ当たり数百円〜1,000円程度まで下げることが目標とされている。（※２）

需要と供給のジレンマ

CNFは価格が高く、従来ある素材と同等の機能であることからあまり普及が進んでいない。普及させるためには、価格を下げて生産量を増やし、大量に消費する必要がある。しかしCNFの製造側は「用途が広がり、生産量が増えれば安価に提供できる」、製品メーカー側は「価格が下がれば採用したい」と考えており、需要と供給のジレンマに陥っている。

安全性の評価

CNFの原料であるナノセルロースはサイズ、形状、成分などの違いがあり、有害性や曝露特性はどのナノセルロースを使うかによって異なる可能性がある。そのため、ナノセルロースの安全性にかかわる物理化学的特性などの評価項目や、計測手法の確立が課題となっている。（※４）

CNFの用途と活用事例

CNFの用途と活用事例について紹介する。

自動車部品

CNFは、バッテリーキャリアやエアコンケースなどの自動車部品に使われている。CNFの高強度と軽量である特性を活かすことで、車両自体の軽量化や燃費向上、CO２削減が期待できる。（※５）

電化製品の筐体

パナソニックでは、電化製品の筐体にCNFを使った商品を開発している。CNFの軽くてしなりに強く落としても割れにくい特性と、プラスチック使用量を低減できるという特徴から、電化製品の筐体に使っている。（※６）

住宅建材

CNFは、遮熱塗料、サッシ、ガラス、遮断熱コーティング材といった住宅建材にも使われている。

「竹CNF塗料」は国産竹パルプを原料にしており、劣化スピードの抑制、塗り替え回数の減少などの効果が期待できる。またサッシやガラスにCNFを利用することで、熱負荷を軽減し、エネルギー効率の向上に貢献できる。これらにより、CO２削減効果が期待できる建材として注目されている。（※７）

化粧品

化粧品やシャンプー、コンディショナーなどの増粘剤や機能性物質の分散剤として、CNFが活用されている。CNFのもつ保水性の高さや天然素材という特徴を活かすことで、保水性、保湿性、安定性を高めることができる。（※８）

紙おむつ

日本製紙では、大人用紙おむつにCNFを採用している。CNFに金属イオンを大量に保有させたままシート化することで、従来品に比べて３倍以上の消臭効果を実現した。これは、世界初となる機能性CNFの実用化商品だ。（※９）

和菓子

CNFは、食品用増粘剤としても利用されている。商品の例には、どら焼きやさくらもちがある。CNFを用いることでふわっとした食感としっとりした口当たりを実現するのに加え、賞味期限を伸ばすこともできている。（※２、※10）

インク

ボールペン用ゲルインキにもCNFが使われている。CNFのもつ粘性・チキソ性（液体が流動時には粘度が低下し、サラサラと流れやすくなり、静置すると高い粘度を示す）といった特性を利用することで、かすれにくくなめらかな筆記、インク溜まりができにくい、筆記した文字がにじみにくいといった特徴をもつボールペンを生産している。（※11）

医療分野

CNFには、人体拒否反応が少ないという特徴がある。この特徴を活かし、人工骨や人工血管、義歯、抗がん剤のキャリアーなどの活用検討が進められている。（※12）

CNFが注目されている背景

地球温暖化や資源枯渇といった環境問題が深刻化しているが、これらの問題を解決する手段のひとつとしてCNFが注目されている。CNFは石油由来のプラスチックに代わる植物由来の新素材であり、生産過程での二酸化炭素排出が少なく、製品廃棄後も生分解性があるため、環境負荷の低減に寄与する。

またCNFの活用が進むことで、クリーンエネルギーの利用促進、持続可能な産業の発展、責任ある消費と生産、気候変動対策、森林保護といった分野での進展が期待される。これはSDGsの目標７「エネルギーをみんなに そしてクリーンに」や、目標９「産業と技術革新の基盤をつくろう」、目標12「つくる責任 つかう責任」などの目標達成にもつながる。

このように、CNFは持続可能な社会をつくるうえで重要な素材として注目されている。

地球にやさしい植物由来の次世代素材・CNF

石油由来の原料や枯渇資源を使わない、次世代素材であるCNF。コストがかかる、安全性の評価といった課題はあるものの、植物由来であることやリサイクル性の高さ、環境負荷の低減など、持続可能な社会をつくるうえで必要な素材といえる。またさまざまな分野での活用が見込まれていることから、今後広く普及するだろう。

※１ 脱炭素・循環経済の実現に向けたセルロースナノファイバー利活用ガイドライン 要約版｜環境省
※２ 脱炭素・循環経済の実現に向けたセルロースナノファイバー利活用ガイドライン｜環境省
※３ CNFとは 概要・特徴・製造方法・用途｜環境省
※４ セルロースナノファイバーの生態毒性試験手法の現状と留意点｜環境毒性学会誌
※５ CNF成果品 自動車部品｜環境省
※６ 軽いけど強い素材が、地球と会社を救う？！〜「高濃度セルロースファイバー成形材料」開発にかけた若き技術者たちの思い〜｜Panasonic Group
※７ CNFの成果品と可能性 住宅建材｜環境省
※８ セルロースナノファイバー（CNF）とは？｜産総研マガジン
※９ 世界初となる機能性セルロースナノファイバーの実用化商品が発売開始｜日本製紙
※10 新素材CNF（セルロースナノファイバー）のご紹介｜近畿経済産業局
※11 セルロースナノファイバーの普及に向けた課題と突破口｜三菱総合研究所
※12 CNF利活用検討ヒント集｜四国産業・技術振興センター