紙の100倍以上の熱伝導率を実現、セルロースナノファイバーを用いた新素材を開発

東京大学とスウェーデン王立工科大学らの研究グループが、木質バイオマスから得られるバイオ系ナノ材料であるセルロースナノファイバー（CNF）を加工した糸材が、紙など従来の木質バイオマスの100倍以上の高熱伝導性を示すことを発見したと発表。放熱性能を要求される高分子材料の代替え材としての応用が期待されるという。

[スマートジャパン]

　東京大学とスウェーデン王立工科大学らの研究グループは2022年10月26日、、木質バイオマスから得られるバイオ系ナノ材料であるセルロースナノファイバー（CNF）を加工した糸材が、紙など従来の木質バイオマスの100倍以上の高熱伝導性を示すことを発見したと発表した。放熱性能を要求される高分子材料の代替え材としての応用が期待されるという。

　CNFは木材などの植物繊維の主成分であるセルロースをナノサイズまで細かくすることで得られる木質バイオマス素材。軽さ、強度、耐膨張性などに優れたサステナブルな次世代材料として注目されている。

　CNFは一般に、その集合体や複合材からなるバルクCNF材を利用した製品に活用されている。その多くが、CNFの高い引っ張り強度やチクソ性（応力を印加すると粘度が低下する性質）を生かしたもので、包装やボールペンなどが代表的な応用製品に挙げられる。一方で、元来CNFには分子スケールの構造を通じた物性制御が可能という利点があり、より多様で付加価値の高い物性を発現するポテンシャルがあるという。

　今回研究グループでは、CNFの水分散液をフローフォーカシング流路に注入してCNFを高度に配向させ、流路に別途注入した酸を用いて固めて自然乾燥させたCNF糸を作製しました。これをT型熱伝導率計測法を用いて熱伝導率を測定したところ、特定の酸を用いた糸では熱伝導率が14.5（W/m・K）に達することを発見した。これはセルロースナノペーパーやセルロースナノクリスタルといった高熱伝導性を有する先端木質バイオマスの5倍以上、さらに紙など従来の木質バイオマスの100倍以上に相当するという。

今回開発したCNF糸の製造方法と、製造したCNFの写真　出典：東京大学

　加えて、CNFの配向度が一定のレベルに達している条件において、CNF間をつなぐ水素結合が多く、残留応力によって生じるCNF内の構造不秩序性が低い方が、高い熱伝導率が得られることも明らかにした。

　木質バイオマスは熱伝導率の低さからこれまでは断熱材などに用いられてきたが、今回開発したCNF糸は、放熱性能を要求される高分子材料の代替材としての活用が期待できるという。応用例としてはロボットやスマートデバイスに用いられているフレキシブルプリント基板などを挙げている。

　研究グループでは今後、今回発見した作製プロセスの最適化と、流体プロセスの自動化、さらなる性能向上に取り組むとしている。