リサイクル可能な熱硬化性プラスチックは、 2015年の10の新興技術 の一つとして、 世界経済フォーラムの新興技術メタ評議会が取り上げた。
プラスチックには複数の種類があり、歴史的にリサイクルできたのは、熱可塑性プラスチックを含む一部に限られていました。電気ケーブルの被覆から、おもちゃ、タッパーウェア、電子回路基板に至るまで、あらゆるものに使われる代表的な種類である熱硬化性ポリマーは、製品としての寿命を終えると、代わりに埋め立て処分されます。
しかし、IBMアルマデン研究センターでの画期的な発見により、この種のプラスチックも広くリサイクルできるようになりそうです。カリフォルニア工科大学の材料科学・力学教授、ジュリア・R・グリア氏に、何が変わったのか、そしてなぜ重要なのかを聞きました。以下はインタビューを編集した記録です。
Q：なぜこれまで熱硬化性ポリマーはリサイクルできなかったのでしょうか。
これらのポリマーは高度に架橋されており、分子同士が非常に強い化学結合で結ばれています。最初に加熱して望みの形に硬化させると（それが「熱硬化性」という名称の由来です）、結合は不可逆になります。そのため熱可塑性プラスチックよりはるかに強度が高い一方、再び加熱しても、熱可塑性プラスチックのように有用な形へ作り直せる形で結合が切れることはありません。焦げてひびが入るだけです。IBMの研究者たちが気づいたのは、加熱するのではなく、強酸に溶かしてから別の形に再成形することで、再び分解できる種類の熱硬化性ポリマーを作れるということでした。研究者たちは、1928年以来知られているディールス・アルダー反応と呼ばれる化学機構を用いました。画期的だったのは、この反応を熱硬化性ポリマーに適用してポリマーをモノマーに分解し、新たな機能を持つ形に再成形できると見いだしたことです。
Q：反応自体はよく知られているのに、なぜこれまで誰も思いつかなかったのでしょうか。
こうした画期的な進展には、異なる分野を結びつける新鮮な視点が必要になることがあります。ディールス・アルダー反応は何十年も使われ、熱硬化性ポリマーも何十年も使われてきましたが、これらの専門分野は、異なる考え方を持つ別々の科学者コミュニティに主に属していました。ごく単純に言えば、今まで誰も両者を組み合わせようと思いつかなかったのです。また、私の経験から言っても、化学における可逆反応の発見が本当に難しいことを過小評価すべきではありません。適切な触媒と条件を見つけなければならず、反応は熱力学的に有利でなければならないなど、制約は数多くあります。これは非常に単純で洗練された、印象的な発見ですが、明白に思えるのはあくまで後から振り返ってみればのことです。
Q：この発見が発表されたのは、まだ昨年のことです。次の段階は何でしょうか。
関係する化学反応は特に複雑ではなく、すでに実施可能な大規模施設や設備があります。また、ディールス・アルダー反応そのものは、特許の対象になっていません（ただし、特定のポリマーは対象となる可能性があります）。こうした点を踏まえると、実験室で実現可能性を示す段階から商業規模に到達するまでの過程は、比較的順調に進むと予想できます。今年は急速に進展するのではないかと思います。ただし、必要なのは、リサイクルしたポリマーの特性を複数のライフサイクルにわたって試験することです。これは完全に損失のないプロセスではなく、劣化が生じる可能性があります。また、熱硬化性ポリマーの用途によっては、構造的完全性を確保するため、機械的特性である剛性や強度だけでなく、欠陥の有無や種類も重要です。熱硬化性ポリマーが複数回リサイクルされた後も、同じ特性を保っていると確信できる必要があります。このプロセスは非常に新しいため、一定回数のサイクルを経た後に、もろさが増すなどの問題が生じ始めるかどうかは、まだまったく分かっていません。
Q：試験がうまくいくと仮定すると、リサイクル可能になることで熱硬化性ポリマーに新たな用途が生まれる可能性はありますか。
必ずしもそうとは限りませんが、それは熱硬化性ポリマーがすでに非常に広く使われているからにすぎません。断熱材やチューブ、収納箱、接着剤など、あらゆるものに使われ、マイクロエレクトロニクスから自動車、航空宇宙まで、あらゆる産業で利用されています。長期的に見て、消費者向けの興味深い用途の可能性の一つは、リサイクル可能な熱硬化性ポリマーによって3Dプリントの可能性が広がることです。いつか家庭用のリサイクル装置を開発することも考えられます。熱硬化性ポリマーで部品を印刷した後、設計が間違っていたと気づいたら、捨てるのではなくリサイクルして再印刷できるのです。ただし、これは予想される幅広い環境上の利点のほんの一部にすぎません。
Q：環境面ではどのような影響があるでしょうか。
まず、埋め立て処分に回す量を大幅に減らせるはずです。熱硬化性ポリマーは、埋立地では特に問題となります。使用期間中に私たちが価値を認める特性、すなわち日光、熱、水分、その他の化学物質や環境要因への高い耐性があるため、分解に何百年もかかり、広い場所を占めるからです。また、新しい熱硬化性ポリマーを原料から合成している工場がリサイクルに転用されれば、炭素排出量も大幅に減らせると期待できます。ただし、この点についても、リサイクル工程で生じる副産物が環境に及ぼす可能性のある影響を、さらに試験する必要があります。リサイクルは、最初の合成より環境への害がはるかに少ないと考えられますが、発見されたばかりの技術であるため、あらゆる影響を把握するには時間がかかるでしょう。現在、世界で生産されるポリマーの約3分の1が熱硬化性です。廃棄物と環境被害を減らす余地がいかに大きいか、お分かりでしょう。
世界経済フォーラムのためにアンドリュー・ライトが執筆。
画像：2011年10月20日、西フランスのラバル近郊にあるリサイクル施設で、粉砕されたペットボトル。REUTERS/Charles Platiau
