การตื่นตัวของตลาดเส้นใยนาโนเซลลูโลส: ส่งเสริมการลดคาร์บอนด้วยวัสดุจากพืช น้ำหนักเบา และแข็งแรง

อัปเดตล่าสุด 28 ธ.ค. 2566

เส้นใยนาโนเซลลูโลส (CNF) เป็นวัสดุจากพืชซึ่งมีความแข็งแรงเช่นเดียวกับเหล็กแต่น้ำหนักเบา ที่ไม่เพียงแต่ลดการใช้ทรัพยากรฟอสซิล แต่ยังเพิ่มการรีไซเคิลพลาสติกอีกด้วย

8 ธันวาคม 2023 - ศาสตราจารย์ฮิโรยูกิ ยาโนะ (Prof. Hiroyuki Yano) จากสถาบันเพื่อมนุษยศาสตร์ที่ยั่งยืนแห่งมหาวิทยาลัยเกียวโต ซึ่งค้นคว้าเกี่ยวกับ CNF มาหลายปี ให้ข้อมูลว่า CNF เป็นวัสดุลำดับที่ 4 ที่จะสนับสนุนอุตสาหกรรมในศตวรรษที่ 21 และมีตลาดขนาดใหญ่

CNF ผลิตจากเซลลูโลสซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของพืช กระบวนการนี้เหมือนกับการทำกระดาษจนกระทั่งเศษไม้ถูกบด ละลาย และกลายเป็นเยื่อกระดาษ เมื่อเยื่อกระดาษถูกแยกส่วนอย่างประณีตและกลายเป็นขนาดนาโน (หนึ่งในพันล้าน) เยื่อจะกลายเป็น CNF มันเบากว่าเหล็กถึงหนึ่งในห้า แต่แข็งแกร่งกว่าถึงห้าเท่า เนื่องจากได้มาจากพืชจึงมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อย ศาสตราจารย์ยาโนะเน้นย้ำว่า 'พืชทุกชนิดมีเซลลูโลส และการที่ญี่ปุ่นเป็นประเทศที่มีป่าไม้ก็หมายความว่ามีวัตถุดิบมากมาย'

มีการนำไปใช้จริงในบางพื้นที่ และมีประโยชน์ในการป้องกันความเหนียวในเครื่องสำอาง ปรับปรุงความเรียบเนียนของหมึก และกำจัดกลิ่นผ้าอ้อม การใช้งานที่มีแนวโน้มอีกประการหนึ่งคือเป็นวัสดุเสริมแรงพลาสติก

ด้วยการผสม CNF ในปริมาณเล็กน้อยกับเรซิน จะสามารถสร้างพลาสติกที่แข็งแกร่งขึ้น ซึ่งสามารถทำให้บางลงและเบาขึ้นได้ โดยไม่กระทบต่อความเบาของพลาสติก หากใช้ในชิ้นส่วนรถยนต์จะช่วยลดน้ำหนักตัวรถ เพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง และลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ในระหว่างการขับขี่

ในปี 2001 ศาสตราจารย์ยาโนะผสม CNF กับเรซินเพื่อพัฒนาวัสดุที่มีความแข็งแรงเทียบได้กับเหล็ก ในปี 2005 เขาได้ร่วมมือกับกระทรวงเศรษฐกิจ การค้าและอุตสาหกรรม สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอุตสาหกรรมเมืองเกียวโต และบริษัทต่าง ๆ เพื่อสร้าง "กระบวนการเกียวโต" ซึ่งเป็นวิธีการนวดโดยตรงสำหรับการผสมเยื่อกระดาษกับเรซินและเปลี่ยนให้เป็น CNF โดยปกติแล้ว พลาสติกและพืชจะผสมกันได้ยาก แต่สามารถกระจาย CNF ลงในเรซินได้อย่างเท่าเทียมกัน กระบวนการนี้สามารถละเว้นได้และลดต้นทุนการผลิตได้

ในปี 2018 ASICS ได้นำระบบกันกระแทกคอมโพสิต CNF มาใช้ในรองเท้า วัสดุกันกระแทกนี้ผลิตจำนวนมากโดย Seiko PMC โดยใช้กระบวนการเกียวโต และมีน้ำหนักเบาและทนทาน ที่งานโตเกียวมอเตอร์โชว์ปี 2019 ผลลัพธ์ของกระบวนการเกียวโตได้ถูกนำมาใช้ในรถสปอร์ตที่สร้างต้นแบบโดยกระทรวงสิ่งแวดล้อม น้ำหนักตัวรถลดลง 16% และประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงดีขึ้น 11%

ในเดือนสิงหาคม 2023 บริษัท Yamaha Motor ประกาศว่าได้นำ CNF มาใช้กับฝาครอบเครื่องยนต์ของเรือที่จะจำหน่ายในอเมริกาเหนือ Nippon Paper Industries เป็นผู้จัดหาวัสดุซึ่งผสมกับ CNF เพื่อเพิ่มความแข็งแรง

Watercraft engine cover reinforced with CNF material (Yamaha Motor)

ข้อควรสนใจในการรีไซเคิล: การขึ้นรูปพลาสติกที่เป็นขยะใหม่ และขยายการใช้งาน

เนื่องจาก CNF ยังคงสร้างผลงานอย่างต่อเนื่อง จึงได้รับความสนใจในฐานะวัสดุที่จะเพิ่มการรีไซเคิลพลาสติก การรีไซเคิลโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับการบดขยะพลาสติกที่เก็บมาจากผลิตภัณฑ์ ละลาย และขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ใหม่ อย่างไรก็ตาม การใช้ขยะพลาสติกนั้นมีข้อจำกัดเนื่องจากอาจเกิดการเสื่อมสภาพได้ง่าย การผสม CNF ระหว่างการขึ้นรูปใหม่จะเพิ่มความแข็งแรงได้แม้แต่พลาสติกที่เป็นขยะ ซึ่งจะขยายขอบเขตการใช้งานสำหรับวัสดุรีไซเคิล

แม้ว่าจะพบวิธีการผลิตที่มีต้นทุนต่ำโดยใช้กระบวนการเกียวโต แต่ศาสตราจารย์ยาโนะกล่าวว่า "ยังคงมีราคาแพงเมื่อพิจารณาจากปริมาณการใช้งานในโซน 7" ศาสตราจารย์ยาโนะกล่าว ดังนั้นทางเลือกหนึ่งคือเส้นใยเซลลูโลสขนาดไมโคร (หนึ่งในล้าน) ไม่เพียงแต่สามารถลดต้นทุนการผลิตได้เนื่องจากเรซินไม่ได้ย่อขนาดให้เหลือระดับนาโน แต่เนื้อหาในเรซินสามารถเพิ่มขึ้นได้ 2 ถึง 3 เท่า ซึ่งช่วยลดการใช้ทรัพยากรฟอสซิลและลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเป็นพลาสติกที่ดูดซับความชื้นได้ง่าย ศาสตราจารย์ยาโนะจึงแนะว่า “ควรใช้วิธีที่แตกต่างกันออกไป ขึ้นอยู่กับความต้องการของผู้ใช้”

ศาสตราจารย์ยาโนะค้นคว้าเกี่ยวกับ CNF มาเกือบหนึ่งในสี่ของศตวรรษกล่าวอย่างกระตือรือร้นว่า “ในศตวรรษที่ 20 โลหะ เซรามิก และพลาสติกสนับสนุนอุตสาหกรรม ในศตวรรษที่ 21 "โครงสร้าง CNF" สนับสนุนอุตสาหกรรมในฐานะ "วัสดุลำดับที่สี่" เดิมทำโดยการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ แต่ก็สามารถรีไซเคิลได้เช่นกัน “CNF ยังย่อมาจาก 'เส้นใยคาร์บอนเป็นกลาง' (Carbon Neutral Fiber) ซึ่งสามารถผลิตได้โดยใช้โครงสร้างพื้นฐานของอุตสาหกรรมกระดาษ”

จากความจำเป็นที่เพิ่มมากขึ้นในการเปลี่ยนแปลงสู่สังคมไร้คาร์บอนและการลดขยะพลาสติก ก็ถึงเวลาที่ CNF จะต้องก้าวกระโดดครั้งสำคัญ