- У п'ять разів легше стали і більш ніж в п'ять разів міцніше
- Японія - лідер фундаментальних досліджень наноцеллюлози
- Практичне застосування стає ближче
- Північна Європа і Північна Америка лідирують за виробничими потужностями
- Нова біологічна індустрія дає шанс змінити країну
Увага громадськості привертає целюлозне нановолокно - легкий, міцний і екологічний новий матеріал, що отримується при використанні нанотехнологій для виробництва волокна з целюлози - одного з основних речовин, що входять до складу рослин. Застосовується вона дуже широко - в памперсах для дорослих, в автомобілях , Літаках і т. П. Японія, 70% території якої вкрита лісами, є світовим лідером в дослідженнях целюлози. У пошуках шляхів її практичного застосування Японія змагається з країнами Північної Європи та Північної Америки, багатими лісовими ресурсами.
У п'ять разів легше стали і більш ніж в п'ять разів міцніше
Причина такої уваги до целюлози полягає в її властивості - кажуть, що вона в п'ять разів легше, і при цьому більш ніж в п'ять разів міцніший за сталь.
Змішавши целюлозу зі смолами або гумою, можна виробляти легкі і міцні деталі автомобілів. Колектив, очолюваний професором Інституту досліджень екостійкого середовища проживання Університету Кіото Яно Хіроюкі, досліджує можливості застосування целюлозного нановолокна для виробництва корпусів автомобілів і капотів. Якщо вдасться зробити автомобіль легше, то знизиться і споживання палива, зменшиться кількість вуглекислого газу, що виділяється в атмосферу . У майбутньому, можливо, це волокно, подібно вуглецевого волокна, можна буде застосовувати і при виготовленні корпусів літаків.
Вид целюлозного нановолокна під мікроскопом (фотографія надана Форумом наноцеллюлози)
З волокна можна робити дуже міцне і слабо деформується при нагріванні скло. Завдяки тому, що це волокно нанорівні (1 нм - це одна мільярдна метра), його можна обробити так, щоб воно пропускало світло видимого спектру. З огляду на величезну відносної площі нановолокно може використовуватися в фільтрах, затримують найтоншу пил, або ж при виготовленні освіжувачів повітря, що усувають дрібні частки пахучих речовин. Що володіє хорошими герметизирующими властивостями і не пропускає кисень плівка з нановолокна в якості упаковки для продуктів харчування допоможе зберегти їх свіжими. Зберігає в воді високу в'язкість волокно може застосовуватися як харчова добавка, що надає продуктам желеподібний вигляд.
Рослин, з яких можна отримувати волокно, дуже багато. Целюлоза є в деревах, в соломі зернових культур, рису, в стеблах кукурудзи і бавовни - практично у всіх рослинах, і тому її виробництво слабо позначається на довкіллі.
Японія - лідер фундаментальних досліджень наноцеллюлози
В основних дослідженнях нановолокна з целюлози Японія домоглася вражаючих результатів. Компанії, що виробляють папір, щодня витягують целюлозу з деревини і перетворюють її в пульпу (волокно), але нановолокно в пульпі сильно пов'язано з іншими волокнами, і для того, щоб виділити однорідне нановолокно, потрібна велика кількість енергії. Це є найбільшою перешкодою для промислового отримання нановолокна.
Професор Токійського університету Ісогаі Акіра в посольстві Швеції в Токіо, 10 березня 2016 року (фотографія Нагасава Такаакі)
Дослідницька група, яку очолює професор Інституту агрокультури і наук про життя Токійського університету Ісогаі Акіра, в 2006 році відкрила, що з каталізатором TEMPO, який використовується для окислення речовин, волокно поділяється набагато легше, і змогли отримувати целюлозне нановолокно з кращого в світі ефективністю. При такій хімічній обробці витрати електроенергії на витяг нановолокна скорочуються в 60-300 разів у порівнянні з тим способом, який використовувався раніше.
Відкриття професора Ісогаі отримало високу оцінку, і в березні 2015 року він був удостоєний премії імені Ансельма Пайена (французького вченого, який відкрив целюлозу) від Американського хімічного товариства, а у вересні того ж року отримав Приз Маркуса Валленберга за досягнення в лісовій галузі. Цей приз називають також «Лісовий Нобелівською премією». Вперше цей приз отримав представник азіатської країни.
Практичне застосування стає ближче
Рідина, що отримується в процесі відділення нановолокна (фотографія надана Nippon Paper Group)
Виробники паперу, відчуваючи падіння попиту на свій товар, активно працюють над розробками і дослідженнями нановолокна, прагнучи до практичного його застосування. Другий за величиною в Японії виробник паперу, Nippon Paper Group, в жовтні 2013 року на заводі в Івакуні пустив обладнання, яке виробляє способом каталітичного окислення TEMPO більше 30 тонн нановолокна в рік. Швидкими темпами розвивається і практичне застосування нановолокна. Успішно розроблено полотно з деодорирующий і антибактеріальними властивостями, і в жовтні 2015 р продаж надійшли перші в світі памперси для дорослих , В яких використано нановолокно.
Один з найбільших виробників, Oji Holdings, спільно з хімічною компанією Mitsubishi Kagaku відпрацювали процес виробництва великих прозорих безперервних полотнищ з волокна товщиною близько 4 нм. Легке полотно можна згортати, як папір, і його можна використовувати для виробництва великих дисплеїв або сонячних батарей , Які розгортають при необхідності. Звернувши увагу на в'язкість матеріалу, приступили і до розробок з використання інших функцій нановолокна вже в якості сировини для косметичних продуктів спільно з Nikko Chemicals.
Кулькова ручка Uni-ball Signo 307, в якій целюлозне нановолокно використано в якості згущувача (фотографія надана компанією Mitsubishi Pencil Co.)
Крім того, компанія Mitsubishi Pencil Co. в кінці травня початку продажу в Японії гелевих кулькових ручок , В яких целюлозне нановолокно використано в якості згущувача. В'язкість чорнила при листі вдалося знизити на 50% в порівнянні зі звичайними ручками, і лінія не переривається навіть тоді, коли пишуть швидко. У США і Європі ці ручки почали продавати ще раніше, в минулому році.
За словами професора Яно Хіроюкі, хоча ми нескоро ще побачимо автомобілі, корпуси яких будуть повністю зроблені з нановолокна, але використання пластикових деталей, в яких матеріал посилений нановолокна, - справа недалекого майбутнього.
Як пише звичайна кулькова ручка (зліва) і Uni-ball Signo 307 (фотографія надана компанією Mitsubishi Pencil Co.)
Областей застосування нановолокна стає все більше, але проблемою є поки ще висока собівартість, складова від 5 до 10 тисяч ієн за кілограм, - вона не може конкурувати з собівартістю в 200 ієн у стали або 300-500 ієн у пластику. При використанні в композитних матеріалах в суміші зі смолами собівартість нановолокна перевищує собівартість вуглецевого волокна (3000 йен) або арамида (поліамідного волокна, 5000 йен). На краще дозволяє сподіватися дешевизна вихідної сировини - пульпи, яка на ринку продається по 60-80 ієн. Якщо ця перевага вдасться використовувати в зниженні ціни кінцевого продукту, то практичне застосування нановолокна піде дуже швидкими темпами.
Північна Європа і Північна Америка лідирують за виробничими потужностями
За кількістю виробничих потужностей у цій сфері лідирують країни Північної Європи і Північної Америки. Особливо слід відзначити Innventia Group, дослідне підприємство в Швеції, де вивчають процеси, пов'язані з виробництвом паперу. Спільно з підприємствами-інвесторами там проводять дослідження по комерціалізації нановолокна. У лютому 2011 року вдалося пустити перший в світі пілотний завод, що виробляє нановолокно. Продуктивність його складає близько 100 кг в день.
У Північній Америці, особливо в Канаді, державні навчальні заклади проводять спільні дослідження з практичного застосування і комерційного використання целюлозних нанокристалів, які ще більш тонкі, ніж нановолокно. У січні 2012 року запрацював перший в світі демонстраційний завод з виробництва нанокристалів спільного підприємства CelluForce з продуктивністю в 1 тонну продукції в день. У США Лісова служба Міністерства сільського господарства до грудня того ж року побудувала пілотний завод, що виробляє 30 кг нанокристалів в тиждень.
Нова біологічна індустрія дає шанс змінити країну
В урядовій «Стратегії відродження Японії-2015» серед завдань визначено розвиток міжнародної стандартизації нановолокна і його використання як матеріалу. Для створення національної системи виробництва нановолокна при Національному інституті промислових технологій заснований Форум наноцеллюлози під головуванням професора Університету Кіото Яно Хіроюкі. Поставлено завдання до 2030 року знизити вартість виробництва до 300 ієн за кілограм і охопити ринок в 1 трильйон єн.
Начальник відділу паперової та легкої промисловості Міністерства економіки, торгівлі і промисловості Ватанабе Масаесі підкреслив, що при масовому виробництві вартість сильно знизиться, і в Японії буде можливо виробляти товари з власних лісових ресурсів. Він сподівається, що Японія перехопить ініціативу за рахунок стандартизації.
В Японії вже наближається термін вирубки штучних лісових насаджень, посаджених після війни. Це добра нагода для зміни вектора розвитку країни за рахунок перетворення знаходяться під рукою лісових ресурсів в нановолокно і створення індустрії біомаси, орієнтованої на целюлозне нановолокно.
Збір матеріалу і текст: Нагасава Такаакі
Фотографії до заголовку: Мікрофотографія целюлозного нановолокна (зліва; надана Інститутом досліджень екостійкого середовища проживання Університету Кіото); рідина, отримана після відділення нановолокна на обладнанні Nippon Paper Group (праворуч; надана Nippon Paper Group)
(Стаття на японській мові опублікована 13 травня 2016 г.)
