新しい化学的手法で使用済みゴムを高付加価値樹脂に変換

ゴムは、巨大な世界市場を持つ非常に価値の高い素材です。その使用は数百年にわたりますが、主に樹木から得られる天然ゴムに限られていました。ゴムを耐久性と多用途性にする近代的な加硫プロセスは、1839年まで開発されていませんでした。

化学者チャールズ・グッドイヤーは、硫黄やその他の化学物質、熱で処理することで改良された天然または合成ゴムである加硫ゴムを発明しました。

弾性、柔軟性、靭性、引張強度、老化耐性、不透過性、衝撃吸収性、耐熱性といった独自の特性が、ゴムを自動車、建設、産業、医療、消費財、包装分野で非常に価値あるものにしています。

しかし、ゴム廃棄物は大量廃棄物危機に寄与する大きな問題であり、環境・人間の健康・経済に課題をもたらします。廃棄物増加は都市化、経済発展、人口増加の産物です。

特にタイヤはゴム廃棄物の主要な発生源です。世界全体の廃タイヤ生産は、年間総固形廃棄物の2％を占めています。

深刻なゴム廃棄物問題

世界では毎年約10億本のタイヤが廃棄され、そのうち何百万本が埋立地に送られています。英国だけでも、年間推定3,700万本の自動車・トラック用タイヤが廃棄されています。一方、米国では2021年に2億7,400万本以上のタイヤが廃棄され、その約20％が処分場に投棄されました。

これは単なるスペースの問題だけではありません。これらの廃棄物が蓄積すると環境リスクが生じます。

ゴム製品には抗酸化剤や抗オゾン剤など様々な化学物質が含まれており、環境中に浸出して健康リスクを引き起こす可能性があります。特にタイヤの不適切な埋立処分は、有害物質や重金属の浸出により地下水汚染を招くことさえあります。

自然に分解されないため、長期間環境中に残留し、何世紀にもわたって汚染や景観の悪化を引き起こします。また、ゴムは非常に可燃性であり、廃タイヤの山は重大な火災リスクとなり、有害な汚染物質を大気中に放出します。

2020年の英国政府資金提供の研究調査は、タイヤ粒子がマイクロプラスチックの主要かつ追加的な供給源であり、実際には水域におけるほとんど記録されていないマイクロプラスチックの供給源である可能性があると示唆しました。

この研究はこれを初めて特定し、タイヤ粒子が大気を通じて直接海へ運ばれるか、雨水により下水道や河川に流れ込み、水処理プロセスを通過できることを示しました。

「科学者たちは長らくタイヤ破片が海洋環境に対する隠れた脅威となっていると疑ってきましたが、水域でのその存在量を測定した研究はほとんどありません」とリチャード・トンプソンOBE教授は述べました。この研究は「タイヤ摩耗がマイクロプラスチックの供給源として重要であることに関する実際的な洞察」を提供しています。

これらすべての要因が、緊急の対策と持続可能な廃棄物管理慣行への転換を求めています。

効率的なゴム廃棄物管理ソリューションの必要性

特にタイヤからのゴム廃棄物は、生産増加と寿命の短さにより世界的に拡大しており、効果的な廃棄物管理とリサイクルソリューションが求められています。

「タイヤ粒子は世界的にマイクロプラスチック汚染の最大の供給源の一つと考えられており、より体系的な解決策、例えば車両タイヤ設計の改善が必要です」と海洋研究所所長でありリチャード・トンプソンOBE FRS教授は述べています。

昨年、プリマス大学とニューカッスル大学がUKナショナルハイウェイから資金提供を受けて実施した研究は、貯留池がタイヤ汚染の対策に役立つことを示しています。研究はまた、タイヤ摩耗粒子が他のマイクロプラスチック形態を上回り、はるかに多く除去されたことも指摘しました。

現在、貯留池や湿地の存在は、タイヤから放出される粒子が水域に入る量を平均75％削減し、結果として河川や海洋の保護につながることが分かっています。

したがって、研究者は道路から河川へのタイヤ粒子の流入を減らすため、湿地と貯留池の維持管理を重要課題とすることを推奨しています。

「貯留池と湿地は、主に流量を緩和し下流の洪水を防止するため、そして汚染物質を除去するために高速道路プロジェクトの一部として建設されます。英国の戦略的道路ネットワークの一部に設置されたこれら既存の排水措置は、タイヤ汚染の拡散を止める可能性があります。」

— フローレンス・パーカー＝ジャード准研究員

湿地と貯留池の流入、流出、堆積物中に収集されたタイヤ摩耗粒子の総量を正確に把握するため、研究はニューカッスル大学のGeoff Abbottが開発した熱分解ガスクロマトグラフィー質量分析（Py‑GC‑MS）法を使用しました。この手法は環境中のタイヤ由来粒子を特定するために開発されました。

もう一つ有望な解決策はリサイクルであり、ゴム廃棄物処分の環境影響を低減し、リサイクル素材から新製品を創出できます。

リサイクルゴムの一つの応用は建設分野で、アスファルトやコンクリート混合物、舗装石、遊具表面に使用できます。他の応用例としては人工芝の充填材、スポーツサーフェス、床タイル、音響断熱材があります。熱プロセスを利用すれば、廃ゴムは燃料や他のエネルギー源に変換することも可能です。

熱分解はゴム廃棄物を有用なものに変える一般的なプロセスです。この化学プロセスでは、ゴムは高温分解を通じてリサイクルされ、酸素がない環境で有機物の共有結合が切断されます。

ゴム廃棄物を熱分解すると、リサイクル炭素ブラックナノ粒子（RCBN）と油/ガスが生成され、これらはセメントキルンの代替燃料として利用できます。

熱分解で得られた廃タイヤからのリサイクルゴム廃棄物は、導電性コンクリートの製造にも利用でき、導電性ゴムは航空宇宙、軍事、自動車産業で使用されています。

しかし、ゴム廃棄物管理には深刻な課題があります。まず、世界的に生成されるゴム廃棄物の膨大な量が、効率的な管理・リサイクルを極めて困難にしています。

さらに、ゴム製品の多様性と複雑な化学組成がリサイクルや再利用を難しくしています。広く用いられる熱分解プロセスですら、ジオキシンやベンゼンなど有害副産物を生成し、健康・環境リスクをもたらします。

また、効果的なゴム廃棄物の収集、選別、リサイクルのためのインフラや技術が不足しています。従来の廃棄物管理は、ゴム廃棄物の収集・焼却・埋立に重点を置いています。

このような背景の中で、ゴム廃棄物の増大問題に効果的に対処するために、効率的な廃棄物管理技術の開発が不可欠です。

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ゴム廃棄物を再利用する新しい化学プロセス

米国エネルギー省（DOE）が資金提供し、Natureに掲載された¹新しいゴム廃棄物対策技術が導入されました。

タイヤに含まれるようなジエン系ポリマーの化学リサイクル戦略が不足しているため、ゴム廃棄物を分解する新しい化学手法が開発されました。

ノースカロライナ大学チャペルヒル校化学部の助教授であるアレクサンドル・ズフホヴィツキー博士が率いる研究チームは、C–Hアミノ化とポリマー骨格再配列戦略を適用し、廃棄されたゴムをエポキシ樹脂の前駆体に変換しました。

この材料の分解は、従来のリサイクル方法に代わる革新的で実用的、かつ持続可能な代替手段を提供します。また、ゴム分解における従来の課題を克服することも目指しています。

ゴムはポリマーが三次元ネットワークに交差結合した構造でできています。この広範な交差結合により、ゴムは頑丈で柔軟かつ耐久性のある素材となりますが、同時に分解に対して抵抗性があります。

ゴムを分解する従来の主な技術は二つあります：硫黄架橋を切断する脱加硫プロセス（しかしポリマーの機械的特性が劣化します）と、触媒または酸化的手法でポリマー骨格を切断する方法（低価値の副産物が生成されがちです）。

どちらの方法も、ゴム廃棄物を再利用する効率的かつスケーラブルな解決策を提供していません。これらの障壁を克服するため、研究者は「混合物としても価値を持つ機能性材料にゴムを分解する方法」を開発したと、シニア著者のズフホヴィツキー博士は述べました。

このために、研究者は硫黄ジイミド試薬を開発しました。これは二酸化硫黄のイミンで、ジエン系ポリマーとゴムの最大35％のアリル位アミノ化を可能にします。その後、陽イオン性2-アザコープ再配列が適用され、ポリマーが分解されました。

硫黄ジイミド試薬を導入することで、ポリマー鎖の特定位置にアミン基を配置でき、続く骨格再配列の土台が整います。この化学反応がポリマー骨格を再構築します。この再構築は、ゴムを可溶性のアミン官能化材料に分解することを伴います。この二段階プロセスは、研究者が示すように非常に優れた結果を示しました。

モデルポリマーでテストしたところ、研究者は分子量を58,100 g/molから約400 g/molへ大幅に低減させることに成功しました。

この方法を使用済みゴムに適用した結果、わずか6時間で完全に分解できました。アミノ化された使用後のゴムは、エポキシ樹脂などの材料製造に利用できるアミン基を有する可溶性材料に変わります。

エポキシ樹脂は優れた接着特性で知られ、接着剤、コーティング、シーラント、電気絶縁、土木修復に使用されます。エポキシ樹脂は通常、ビスフェノールAや硬化剤など石油系化学物質から製造されます。

研究によれば、得られた可溶性アミン官能化ポリマーで作製したエポキシ熱硬化性樹脂は、商業用ビスフェノールA由来樹脂と同等の強度を示しました。

共同著者である元UNCチャペルヒル大学ポストドクターのマキシム・ラトゥシュニーによれば：

「このような瞬間に、私は有機合成の力を実感します。開発された一連のシンプルでありながら強力な有機変換が、頑固なC—C結合に対処し、ポリブタジエンやポリイソプレン系ゴムを潜在的に価値あるエポキシ樹脂へと変換できることは驚くべきことです。」

さらに、使用後の材料の新しい化学リサイクルは、しばしば高価な触媒や極端な温度を必要とする従来のリサイクル方法に比べて非常に効率的です。

本研究では、研究者は35〜50°C（95〜122°F）の温和な温度で水性媒体下で結果を得ており、プロセスはコスト効果が高く環境に優しいものとなっています。

プロセスの環境影響は、環境影響係数（E‑factor）を用いて評価されました。「シンプルながら強力な指標」であり、生成物収率に対する廃棄物生成量を測定して実際の廃棄物量を算出します。

新プロセスと既存プロセスの影響比較に加えて、ミシガン大学持続可能システムセンターの研究専門家であるジェフ・ルイス博士は、E‑factorが「このプロセスを実験室から実用化へ移行する際に改善可能な工程」を示すことも説明しました。

溶媒使用を含む完全E‑factorは高かったものの、溶媒を除いたシンプルE‑factorははるかに低く、プロセスの持続可能性向上のために最適化できる領域を示しています。

そのため、チームは現在、廃棄物生成を削減するために、より環境に優しい溶媒系と代替反応条件の探索を進めています。

研究共同著者でUNC‑チャペルヒル大学の博士課程学生シドニー・トウェルは、これを「ゴム廃棄物問題へのアプローチにおけるパラダイムシフト」と呼び、次のように説明しました：

「C–Hアミノ化と骨格再配列の力を活用することで、この手法は使用後のゴムを高付加価値材料へと変換する新たな経路を提供し、埋立地への依存を減らし、環境への害を最小化します。」

革新的な企業

Goodyear Tire & Rubber Co  

1898年に設立されたゴッドイヤーは、持続可能なゴム代替品とリサイクルイニシアチブに投資する大手タイヤメーカーです。

2022年1月、同社は持続可能な素材で作られたデモンストレーションタイヤを発表しました。このタイヤは9つの異なるタイヤ部品にわたって13種類の成分を含み、全体的に優れた性能を発揮します。

これには、タイヤ寿命を延ばすために使用されるカーボンブラックが含まれ、従来はさまざまな石油製品を燃焼させて製造されていました。しかし、循環性と炭素排出を削減するため、現在は植物油、二酸化炭素、メタン、廃タイヤ熱分解油（TPO）を原料とした4種類のドリフトが採用されています。

持続可能なタイヤに使用される大豆油は、温度変化に応じてゴム化合物の柔軟性を維持し、品質の高いシリカは米殻廃棄物から作られ、グリップ力を向上させ燃費を削減します。

タイヤに使用されるポリエステルは、使用済みボトルからリサイクルされ、松樹脂はバイオ再生可能で、従来の石油系樹脂に代わっています。

当時、ゴッドイヤーのタイヤの持続可能素材含有率は70％で、2023年には90％に増加すると報告され、完全に持続可能素材で作られた初のタイヤの実現という目標に近づいています。

同社は、デモンストレーションタイヤがすべての規制および社内テストに合格したと報告しています。従来素材のタイヤと比較して、転がり抵抗が低く、燃料節約と炭素フットプリントの削減につながります。

数か月前、同社はElectricDrive Sustainable-Material（EDS）タイヤを発表し、2030年までに業界初の100％持続可能素材タイヤを導入するという目標への重要な一歩となります。

電気自動車（EV）のブームと持続可能性への関心が高まる中、これらのEDSタイヤはEV向けに特別設計され、長距離走行、低転がり抵抗、低騒音、優れたウェットブレーキとハンドリングを実現します。

企業財務に関して、時価総額25億ドルで現在株価8.85ドル（年初来2.33％下落）で取引されているゴッドイヤーは、発表しました、純利益7,600万ドル（1株当たり26セント）で、前年同期の純損失2億9,100万ドルと比較され、2024年第4四半期の調整後純利益は1株当たり39セント（1億1,400万ドル）でした。

この期間の売上高は49億ドルで、タイヤ販売台数は4,360万本でした。通年では売上高が189億ドル、タイヤ販売台数は1億6,660万本に達しました。

2024年、ゴッドイヤーは純利益7,000万ドル（1株当たり24セント）を報告し、前年の純損失6億8,900万ドルと比較され、調整後純利益は3億200万ドル（1株当たり1.05ドル）でした。

この期間の営業活動によるキャッシュフローは6億9,800万ドルで、前年度の10億3,200万ドルから減少しました。先月、同社はオフロードタイヤ事業の売却を横浜ゴム株式会社に成功裏に完了し、ダンロップブランドの住友ゴム工業への売却は年中頃に完了する見込みです。

ゴッドイヤーでの最初の年について、CEOのマーク・スチュワートは2024年に期待を上回る成果を上げ、利益を伸ばし、非中核資産の売却合意を達成したことに満足感を示しました。

「今後も、拡大されたGoodyear Forward目標の達成に向け、さらなるマージン拡大と実質的な負債削減にコミットし続けます。」

– CEO スチュワート

2025年に向け、同社は「大幅なデレバレッジ」とマージン拡大、ポートフォリオ最適化により株主価値を高めることを見込んでいます。ゴッドイヤーは、年末までに総調達額が20億ドルを超え、ネットレバレッジ比率が2.0倍から2.5倍になると予測しています。

ゴッドイヤー・タイヤ＆ラバー社の最新情報

結論

主にタイヤから生じるゴム廃棄物は大きな課題であり、緊急の対策と効率的なソリューションが求められます。広く使用されている熱分解などの既存手法は有害な副産物を生む一方で、従来のリサイクル手法は効率とスケーラビリティに課題があります。

ゴム廃棄物が増大し重要な問題となっていることから、研究者はマイクロプラスチック除去のための貯留池や、C–Hアミノ化と骨格再配列を伴う化学プロセスなど、新たな手法を模索しており、有望で環境に優しい解決策を提示しています。

継続的な研究と産業界の採用により、これらの進展はゴム汚染の最小化、埋立廃棄物の削減、ゴム廃棄物を有価材料へと変換する助けとなります！