材料科学
石油依存は電気自動車だけでなく、持続可能なプラスチックでも削減できる
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作物を利用した持続可能なプラスチックの生産
石油と聞くと、主に自動車や船舶、航空機の燃料を思い浮かべます。 しかし、プラスチックやプラスチック製造の部品の大部分を占める石油化学製品は、世界の石油需要の12％を占めています。
石油消費は二酸化炭素排出による汚染と見なされがちですが、マイクロプラスチックも増大する懸念事項です。石油由来のプラスチック生産は、炭素とマイクロプラスチックの両方の排出に寄与しています。
したがって、より持続可能なプラスチック材料が登場していることは朗報です。
スイスのEcole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL)、西スイス応用科学芸術大学、そしてマンチェスター大学の研究者らは、農業廃棄物から持続可能なプラスチックを作る手法を開発しました。
より正確には、農業廃棄物由来の糖をコアにした持続可能なポリアミドを作製しました。
なぜポリアミドか？
ナイロンなどのポリアミド系プラスチック製品は、非常に耐久性が求められます。そのため、芳香族基と呼ばれる特定の化学構造に依存しています。
芳香族基はプラスチックに硬さ、強度、高温耐性を付与します。しかし、同時にプラスチックを生分解性にしにくく、環境に有害になる要因でもあります。
有機糖を使用したポリアミドは、芳香族化合物を使用したものに比べてはるかに毒性が低くなります。農業廃棄物由来の糖を使用したEPFLのポリアミドは、発見の持続可能性をさらに高めています。
新しいタイプのプラスチック
研究者らは、木材やトウモロコシの芯などのバイオマスから直接得られる安定化糖、ジメチルグリオキシレートキシロースを触媒不要で高品質ポリアミドに変換するプロセスを開発しました。このプロセスは、材料を140°Cで加熱し、続いて250〜260°Cにする一連のステップに依存しています。
出典: Nature.com
このプロセスは原子効率97％という非常に高い効率を示し、ほぼすべての原料がポリアミドに変換されました。
生成された材料は、化学的・物理的特性の検証が行われました。
従来の化石燃料系ポリアミドと同等、あるいはそれ以上の耐熱性を示し、耐久性や機械的強度（引張強度）でも優れた性能を発揮しました。
出典: Nature.com
研究者らが見つけた制限の一つは、材料が大量の水にさらされると感受性が高く、浸漬できない可能性があることです。また、酸素や水分が透過しやすく、薄い食品包装には不向きかもしれません。とはいえ、応用可能性は多数残されています。
産業利用に向けた持続可能なプラスチック
使いやすさ
産業応用で考慮すべきもう一つの要素は「加工性」です。つまり、原料のプラスチック部品を有用な材料へと変換しやすいかどうかです。
研究者らは、新素材がピストン射出成形と高剪断ツインスクリュー押出という、プラスチック成形の一般的手法で使用できることを実証しました。
出典: EPFL
さらに、3Dプリンティングでも高温設定でiPhone 11ケースを成功裏に製造し、特性をテストしました。
出典: EPFL
リサイクル
新しいポリアミド素材のリサイクル可能性を評価するため、同素材を高剪断ツインスクリュー押出で3回再利用しました。
3回のサイクルを通じて、引張特性はほぼ同一に保たれました。
色調は各サイクルでわずかに濃くなりますが、必要に応じて製造工程（ジアミンの精製改善）を調整すればオレンジ色を完全に除去できるため、大きな問題にはなりません。
全体として、機械的リサイクルは既存のプラスチック供給と同等、あるいはそれ以上の性能を示しました。
最後に、化学的リサイクルの可能性も調査しました。これは硫酸などの強酸に大きく依存しますが、最終的に化学薬品で完全にリサイクルできることが実証されました。
コスト競争力のある代替案
規制変更なしで産業界がこの持続可能なプラスチックを採用するには、既存の化石燃料系化学品と価格競争力がある必要があります。
最も一般的なポリアミドであるナイロン66の価格は通常、1トンあたり3,000〜7,000米ドルです。新素材の価格も、原料コストがやや高めと仮定しても同程度の範囲になると予想されます。
さらに、トウモロコシの芯などの安価な原料を使用すれば、さらにコストダウンが期待できます。
出典: Nature.com
価格競争力に加えて、新素材は市場に出回っている既存製品に比べて炭素および温室効果ガスの排出がはるかに少なく、特にトウモロコシの芯由来のキシロースを使用した場合に顕著です。
持続可能なプラスチック – 必要な進歩
本研究のような新しいバイオプラスチックは、化石燃料の消費を削減するために不可欠です。
これは、従来のプラスチック化学物質をバイオマテリアルで再現しようとするのではなく、同等またはそれ以上の性能を持つ新しいプラスチック分子を創出するという新たなステップです。
おそらく、化石燃料由来の芳香族基を生物由来の糖に置き換えることは、ほんの始まりに過ぎません。
このアプローチは難易度が高いものの、従来のプラスチックに比べて多くの利点を持つ新しいプラスチック供給を可能にします:
- 炭素フットプリントの低減。
- 汚染の削減。
- 農業廃棄物の付加価値化。
- コスト低下や化学特性の向上の可能性。
EPFLチーム（および研究パートナー）の成功は、石油に豊富に存在する化学構造を単に模倣するのではなく、バイオマテリアルを活用して新たな有用な産業用化学物質を創出する他のイノベーションのテンプレートとして活用すべきです。
