2022/1/31

循環・３Ｒリレーセミナー～プラスチック資源循環（３Ｒ+Ｒenewable）の促進を考える～

CE・CNから考えるプラスチック資源循環

八尾滋
福岡大学 工学部
福岡大学 機能構造マテリアル研究所

福岡大学工学部 八尾研究室／機能・構造マテリアル研究所
研究基本テーマ：「高分子の自己組織化を活かした機能材料形成メカニズムに関する基礎研究」
基本スローガン：「フィールドワーク的基礎研究」➢リサイクルプラスチックの高度再生技術• リサイクルプラスチックの物性低下因子の解明← 物理劣化
VPP
210℃ 2min Slowcool• 物理再生法の提言
延伸倍率１０倍以上• 新規装置要素を持つペレタイザーの試作

Pre-RPP
210℃ 2min Slowcool➢機能性側鎖結晶性ブロック共重合体の創生とそれを利用した機能性素材の基礎物性研究• 結晶化超分子間力の発見← ポリエチレンの化学的改質を可能化
Block copolymer
Adsorption
PE Surface
PE Crystal Lattice• ポリオレフィンへの接着性の付与
改質無し• バイオマテリアルへの応用
通常のペレタイザー

溶融樹脂溜まりを設けたペレタイザー改質ありCopyright (C) Fukuoka University All Right Reserved3プラスチック資源循環戦略(マイルストーン）4

各種リサイクルの位置づけ

ER
エネルギー生成エネルギー消費採掘
廃棄製品使用

石油精製
ガソリン
灯油

CR

MR

成形
製品化

石化原料化
化成品

重合
ポリマー化

色や臭いは、重要な課題ではあるが本質的な問題ではない

物性に関する課題解決が重要
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved

6なぜリサイクルプラスチックの物性が悪いのか

廃棄プラスチックは化学劣化している→ 化学劣化は再生が不可能である→ どうせあまり商品価値がない

化学劣化という呪縛で諦めが先に立つ
マテリアルリサイクルはダウングレードにしかならない 現在の常識（都合のよい常識）元のリサイクルプラスチックを使用

溶融樹脂溜まり
Molten Resin Reservoir
MRR

リサイクルプラスチックの高度再生を実現
福岡大学でデザインしたMRRのある新規押出機

Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved

8物理劣化・物理再生理論

分離した状態

エネルギー準位

Tm

せん断変形
固体状態
タイ分子の多い状態

混合した状態

延性を示す状態

溶融状態

タイ分子の少ない状態

物理劣化した状態

脆性を示す状態温度
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved9バージンHDPEにせん断変形を与えた結果せん断速度75/s以上で物性低下
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved

10物理劣化・物理再生理論

分離した状態

エネルギー準位

Tm

自己再生能力（Self Resilience Ability）

静的溶融状態に保持

固体状態
タイ分子の多い状態

混合した状態

延性を示す状態

溶融状態

タイ分子の少ない状態
脆性を示す状態温度
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved

11福岡大学考案の溶融樹脂溜まり部を設けた押出機
・溶融樹脂溜まりで成形履歴を緩和
・高分子同士の相溶性・絡み合いを強化⇓
リサイクルプラスチックの高度再生を実現特徴➢ 既存の押出機にも簡便に取り付けることができる➢ 生産速度を落とす必要がない（逆に上げても安定生産が可能）➢ 機能の拡張性が高い
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved

122020年8月にNEDOプロジェクトに採択 （2020年度予算：9億円）「革新的プラスチック資源循環プロセス技術開発／材料再生プロセス開発／材料再生プロセス開発」
製品物性・力学特性

経験と勘による試行錯誤

成形条件

これまでの成形加工研究13

2020年8月にNEDOプロジェクトに採択 （2020年度予算：9億円）「革新的プラスチック資源循環プロセス技術開発／材料再生プロセス開発／材料再生プロセス開発」
製品物性・力学特性
旭化成、花王、DIC、凸版印刷、三菱電機、ライオン、メビウスパッケージング

このトライアングルをしっかり回す

高分子の自己再生能力を活かした材料再生
内部構造
メソ構造解析
（物性発現機構解明）
福岡大学、東京工業大学、神戸大学、山口大学、産業技術総合研究所、京都工芸繊維大学

成形条件・履歴メモリーと緩和(分子論的/理論的アプローチ）
福岡大学、九州工業大学、滋賀県立大学、
いその、三光合成、富山環境整備、プラスチッ
ク工学研究所、エスバンズ株式会社
14容リPEでの物性再生結果

硬質PE成分選別容リ（PR＿Hard) （富山環境整備製）

200350Young's Modulus[MPa]

1400
1200
1000
800
600
400
2000Toughness[MJ/m3]

Elongation at break[%]

MFR 0.568g/10min
融点 132.36℃ (DSC)
結晶化度 66.7%(XRD)

150
100500Ow/ow

300
250
200
150
100500Ow/ow

O

PE系廃棄プラスチックに対しても、大きく物性回復が可能
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved

15w/ow

自動車由来ASRでの最近の研究成果非常にコンタミの多いASRに対しても、再ペレタイズ条件を選択すれば、バージンレベルあるいはそれ以上の物性を示すようになる
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved

16（A）（B）

TKS社製PE成分選別MRペレットを用いたブロー成形品の内面比較(A)：TKS社製ペレット使用(B)：福岡大学で樹脂溜まり有り条件で再ペレタイズしたもの

物理劣化・物理再生理論

分離した状態

エネルギー準位

Tm

自己再生能力（Self Resilience Ability）

静的溶融状態に保持

固体状態
タイ分子の多い状態

混合した状態

延性を示す状態

溶融状態

タイ分子の少ない状態
脆性を示す状態温度
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved18金属・低分子系材料：連続体 ← 既存の解析法が確立

単位結晶構造：この特性を知ることで、全体の特性が把握できるプラスチック（高分子）材料：非連続体力の伝達が良好↓伸長特性・耐衝撃性が良好

単位結晶構造力の伝達が不良↓
伸長特性・耐衝撃性が低下
高次ラメラ構造・結晶集合構造

成
形
履
歴に
依存

新たな解析手法の確立が必要
1

物理劣化とメソ構造（中間層）
SAXSからの中間相𝑧C(z) =‫׬‬0 𝑚𝑎𝑥 I(q)・𝑞2・ cos 𝑞・𝑧 𝑑𝑞
結晶層
長周期中間層アモルファス中間層層(La)(dtr)

長周期(L0)アモルファス層◼ 電子密度相関関数

20

Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved21バージン状態（物理劣化無し）

せん断履歴付与（物理劣化状態）動的変形付与
（物理再生状態）

物理再生特性も観察可
22

TEM－AFMによる内部構造観察
LDPE

HDPE

TEMとAFMを組み合わせることにより、具体的なメソ構造観察が可能⇔力学特性とも関係性あり
23

PEHardでのAFMによる内部構造観察
樹脂だまり無樹脂だまり有VPE

1.0 µm

オリジナル✓ 混練処理によりラメラ形状が変化✓ 樹脂だまり処理とVPE構造が酷似
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved

24100 nm➢ リサイクルプラスチックは化学劣化しておらず、物性低下原因は内部構造変異による物理劣化である

常識を疑え !

➢ リサイクルプラスチックは成形法の最適化によりバージン並みの物性再生が可能であるバージン品に適用しても、その物性向上が実現できることを証明

伸長破断伸び (%)

プラスチック使用製品の物性を向上させ、長期間使用に耐える特性の付与に貢献

オリジナルのバージン品

福岡大学再加工品１ 福岡大学再加工品２

プラスチックに係る資源循環の促進等に関する法律
第4条 3項
事業者及び消費者は、プラスチック使用製品をなるべく長期間使用することリサイクルだけでなく、バージンで作成する新品に関しても、これまで以上の高性能化が求められる➢現行バージンペレットの物性向上条件探索➢新製品物性のみならず、リサイクル性の良い製品の成形条件探索
おそらく、長期耐久性やマイクロプラスチック低減にも寄与できる

Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved27きちんと成形加工し、収集・選別し、丁寧に再生処理を行えば、プラスチックは複数回再利用できる
プラスチックが悪いのではない、利用方法をきちんと理解していない人間が悪いのである➢ どのようにして廃棄プラスチックをうまく選別するか➢ どのようにして廃棄プラスチックを質の良いままに集められるか

現状は古紙回収業者のボランティアに頼っている

これまでの商慣習で持ち込まれる廃棄プラ

現状これらはすべてRPFとなっている

プラスチック専門の採算性のある回収システムが出来上がっているか
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved29商業施設A社サンプル

Recycle LLDPE

Recycle PP/PE

Table.1 基礎物性
recycle LLDPE A社 recycle PP/PE A社
MFR[g/10min]
DSC[℃]
結晶化度[%]
HT-GPC

1.3~1.5

1.6~1.7

108.3，121.0

121.9,163.7

47.58

52.04*

Mn[g/mol]Mw[g/mol]Mz[g/mol]

Mw/Mn

Recycle
LLDPE

51567

213078563418

4.132

Recycle
PP/PE

41987

254074819296

6.051*PEとPPのXRDのプロファイルが両方のピークを示す。
IRよりも検出された
30

プレスフィルム条件：180℃, 25MPa, 2min

企業による使用済プラリサイクルに関する取り組み例
2020年11月04日

花王・ライオンが協働してリサイクル実証実験を開始

2020年11月10日

双日・花王など、川崎市と「廃プラ循環システム」構築・低炭素化へ調査

2021年05月18日

ユニリーバ・ジャパン、花王が協働回収プログラム「みんなでボトルリサイクルプロジェクト」を開始

2021年5月24日

旭化成、プラスチック資源循環プロジェクト「BLUE Plastics」を日本IBMと開始

2021年6月1日「プラスチック再生材の市場・利用可能性に関する研究会」
レコテック、福岡アジア都市研究所、双日、凸版印刷、福岡大学
31

CN,CEも踏まえて、プラスチックの将来を考えてみる

Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved32バイオプラスチックは救世主となるか

Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved33生分解性プラスチックはどうか

NEDO TSC Foresight 36より引用

海洋で生分解する実用的プラスチックはまだ存在していない
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved34

CEならびにCNという観点での見直し
人類が求めてきた素材➢ 丈夫で長持ち➢ 弾性と粘性を適度に併せ持つ➢ 使い古した時には再加工して使える（リサイクルできる）

長期物性の安定性を持ち、使用済時はリサイクルできる素材がふさわしい環境で分解が進むものはこの条件に適合していない
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved35生分解性プラスチックはどうか
生分解性プラスチックの環境下での挙動に関する一般認識と適用のための必須条件
モラルハザード：これを理想とはしていない① 一般認識自然環境に投棄

生分解性だけ分ける

自然に分解・無害化

生分解性プラスチック

×

非生分解性プラスチック② 必須条件

全量回
収・分解過程・分解物の安全性・環境負担度に関する規制を制定
・環境負荷の少ない処理法を考案

人の監視下において、最終段階までチェック

廃棄物処理をすべて地球に任せてはいけない生分解性プラスチックはどうか

ムーンショット NEDOプロジェクト
生分解のタイミングやスピードをコントロールする海洋生分解性プラスチックの開発• スウィッチング機構？

• マイクロプラスチック化 ？

• 分解物の生体毒性？

• 分解物の環境蓄積量 ？

2030年に完成をめどに研究開発開始
適用用途は極めて限定的になる？
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved37バイオマスは救世主となるか
プラスチック資源循環戦略(マイルストーン）バイオマスは救世主となるか← 非生分解← 生分解

Global bioplastics production will more than triple within the next fiveyears – European Bioplastics e.V. (european-bioplastics.org)
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved39バイオマスは救世主となるか← 1％弱に留まる

全てのトウモロコ
シをPLAに使用
しても10％
全生産量 3億9千万トン

Mapping of global
plastics value chain andplastics losses to theenvironmentより作成

Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved40パームヤシ畑になった熱帯雨林

http://www.ikeda.asia/2014/01/blog-post_16.html
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved41バイオマスは救世主となるか

パームヤシ畑になった熱帯雨林

多様性の喪失http://www.ikeda.asia/2014/01/blog-post_16.html
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved42自然のサイクルを考慮しないとバイオマスもまた枯渇資源である

六甲山の歴史・文化 | 六甲山ビジターセンター (rokkosan.center)
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved

43各種リサイクルの位置づけ

ER
エネルギー生成エネルギー消費

採掘
廃棄

製品使用

エネル
ギー石油精製ガソリン
灯油

CR

MR

成形
製品化

石化原料化
化成品

重合ポリマー化

機
能医材薬
・色剤
素

各種リサイクルの位置づけ

ER
エネルギー生成エネルギー消費採掘
廃棄製品使用

エネル
ギー

石油精製

CR

MR

成形
製品化
重合ポリマー化

機
能医材薬
・色剤
素

バイオマス

今後のプラスチックの世界的な需要予測◆ リサイクルプラスチックで代替可能な分野を可能な限り拡張し、毎年毎年リサイクル率を上げ、今現在から将来の全体量を担保していくことが重要

プラスチックはなくならない

この需要を、バイオマスも含めたバージンで賄えるか◆貴重なバイオマスプラスチックを簡単に生分解などの用途に用いても良いのか？
バイオマス＝生分解の呪縛から逃れる◆全てのプラスチックを長期間使用できるよう、分解しないように、リサイクルし、環境負荷少なく使いまわすことが必要
46

CEならびにCNという観点での見直し
モラルハザード：これを理想とはしていない① 一般認識生分解性だけ分ける

自然環境に投棄

自然に分解・無害化

×

生分解性プラスチック
非生分解性プラスチック
紙などの代替品
バイオマス② 必須条件

全量回
収再利用法をとことん考える

廃棄物処理という発想から脱却する

新SR研究棟48

Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved

49

御静聴ありがとうございました

この成果は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）の委託業務の結果得られたものです。

Mail:shyao@fukuoka-u.ac.jp
HP:https://www.cis.fukuoka-u.ac.jp/~shyao/index.html
Twitter:https://twitter.com/9eVEPuIe1f20ouX