自動車部品や電気機器に使われる熱硬化性ポリマーは、耐久性と耐熱性が求められる一方で、通常は使用後に容易にリサイクルしたり分解したりすることができない。
MITの化学者らは現在、機械的強度を損なうことなく、より容易に分解できるよう熱硬化性プラスチックを改質する方法を開発した。
熱硬化性樹脂には、エポキシ、ポリウレタン、タイヤに使われるゴムなどが含まれ、自動車や電気機器など、耐久性と耐熱性が求められる多くの製品に使われている。これらの材料の欠点は、通常は使用後に容易にリサイクルしたり分解したりできないことであり、その理由は、それらを結び付けている化学結合が、熱可塑性プラスチックなど他の材料に見られる結合よりも強固だからである。
MITの化学者らは現在、化学的リンカーを用いて熱硬化性プラスチックを改質する方法を開発した。これにより材料は格段に分解しやすくなる一方で、その有用性の源である機械的強度は保持される。
本日発表された研究（掲載誌：Nature）で、研究者らは、pDCPDと呼ばれる熱硬化性プラスチックの分解可能な版を製造し、それを粉末に分解して、その粉末からさらにpDCPDを作製できることを示した。また、ゴムなど幅広いプラスチックや他のポリマーにも本手法を適用できる可能性を示唆する理論モデルも提案した。
「この研究は、この基本構造を持つあらゆる種類の熱硬化性樹脂に一般化できると考えられる基本的な設計原理を明らかにするものです」と、本研究の責任著者であるMITの化学教授ジェレミア・ジョンソン氏は述べている。
ピートン・シー氏は、MITのアメリカがん協会ポスドク研究員であり、本論文の筆頭著者である。
リサイクルが困難
熱硬化性プラスチックは、熱可塑性プラスチックとともに、プラスチックの二大分類の一つである。熱可塑性プラスチックにはポリエチレンやポリプロピレンが含まれ、これらはポリ袋や食品包装などの使い捨てプラスチックに使われている。これらの材料は、小さなプラスチックペレットを加熱して溶かし、所望の形に成形した後、冷却して固体に戻すことで製造される。
世界のプラスチック生産量の約75%を占める熱可塑性プラスチックは、再び加熱して液状にし、新しい形に再成形することでリサイクルできる。
熱硬化性プラスチックも同様の工程で製造されるが、液体から固体に冷却されると、再び液状に戻すことが非常に難しい。これは、ポリマー分子間に形成される結合が、切断することが極めて困難な共有結合と呼ばれる強固な化学的結合であるためだ。ジョンソン氏によると、熱硬化性プラスチックは加熱されると、通常、再成形される前に燃えてしまうという。
「一度特定の形に固まると、その形のまま一生を終えることになります。」と彼は述べる。「リサイクルする簡単な方法がないことが多いのです。」
MITの研究チームは、熱硬化性プラスチックの持つ長所、すなわち強度と耐久性を維持しつつ、使用後により容易に分解できるようにする方法の開発を目指した。
昨年発表された論文では、シー氏を筆頭著者として、ジョンソン氏の研究グループが、シリルエーテル基を含む構成単位（モノマー）を組み込むことで、薬物送達用の分解性ポリマーを作製する方法を報告している。このモノマーは材料全体にランダムに分布しており、材料が酸、塩基、またはフッ化物イオンなどのイオンにさらされると、シリルエーテル結合が切断される。
これらのポリマーの合成に用いられるのと同じ種類の化学反応は、トラックやバスのボディパネルに使われるポリジシクロペンタジエン（pDCPD）などの一部の熱硬化性プラスチックの製造にも使われている。
2019年の論文と同じ戦略を用いて、研究者らはpDCPDを形成する液状前駆体にシリルエーテルモノマーを加えた。その結果、シリルエーテルモノマーが材料全体の7.5～10%を占める場合、pDCPDは機械的強度を保持しつつ、フッ化物イオンにさらされると可溶性の粉末に分解できることがわかった。
「これは私たちが最初に見出した画期的な成果でした」とジョンソン氏は述べる。「pDCPDの有用な機械的特性を損なうことなく、分解可能にできるのです。」
新素材
研究の第2段階では、研究者らは得られた粉末を再利用して新たなpDCPD材料を形成することを試みた。その粉末をpDCPDの製造に用いられる前駆体溶液に溶解した後、リサイクルした粉末から新たなpDCPD熱硬化性樹脂を作製することができた。
「この新しい材料は、元の材料と比べて機械的特性がほぼ区別できず、いくつかの点では向上しています」とジョンソン氏は述べる。「分解生成物を取り出し、同じ工程を用いて同じ熱硬化性樹脂を再び作製できることを示したことは、大きな意義があります。」
研究者らは、この一般的なアプローチは他の種類の熱硬化性樹脂の化学にも応用できると考えている。本研究では、ポリマーの個々の鎖を形成するために分解性モノマーを用いることが、以前から試みられてきた、分解性結合で鎖同士を「架橋」する方法よりもはるかに効果的であることを示した。研究者らは、この切断可能な鎖アプローチによって、他の多くの種類の分解性材料を作製できると考えている。
「これは熱硬化性プラスチックの工学における素晴らしい前進です」と、本研究には関与していないイリノイ大学の化学教授ジェフリー・ムーア氏は述べている。「化学者はこれまで、より優れたプラスチックを合成する方法を学ぶことに多くの努力を費やしてきましたが、ポリマーの分解の科学に投じられた化学研究ははるかに少ないのです。ジョンソン氏の研究は、技術的に重要な進歩をもたらすとともに、基礎知識におけるこの重要な空白を埋めるのに役立っています。」
他の種類の重合反応に適した分解性モノマーが見つかれば、このアプローチはアクリル樹脂、エポキシ、シリコーン、加硫ゴムなど、他の熱硬化性材料の分解可能な版を作製するために用いることができるとジョンソン氏は述べている。
研究者らは現在、この技術をライセンス供与し商業化するための会社の設立を目指している。
SP Insightの新製品コンサルタントであり、MITのデシュパンデ技術革新センターのメンターでもあるパトリック・ケイシー氏は、ジョンソン氏やシー氏と協力して、予備的な経済モデリングや二次市場調査の実施を含め、この技術の評価を行ってきた。
「私たちは、この技術について業界の主要な関係者と協議してきました。彼らによると、この技術はバリューチェーン全体の関係者にとって有益なものになると期待されているとのことです」とケイシー氏は述べる。「部品製造業者は低コストのリサイクル材料を安定的に入手でき、自動車メーカーなどの機器メーカーは持続可能性の目標を達成できます。また、リサイクル事業者は熱硬化性プラスチックから新たな収益源を得られます。消費者はコスト削減を実感でき、私たち全員がよりクリーンな環境を手にすることができるのです。」
本研究は、米国国立科学財団と米国国立衛生研究所の資金提供を受けた。
