2020/10/29

福岡県リサイクル総合研究事業化センター
令和２年度研究成果発表会

プラスチックマテリアルリサイクル手法の高度化と拡大を目指して
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 Slow-cool

Pre-RPP
210℃ 2min Slow-cool➢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• 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

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

The most successful industry & still increasing

These comes another big problem

https://www.bioenergyconsult.com/recycling-waste-to-energy-saudi-arabia/

2000年：循環社会形成推進法等、循環関連法6本が成立
2012年：日本のリサイクル有効利用率が80％以上となる
2017年：中国が廃プラ輸入の全面禁止

その後、アジア各国が追従
2018年：欧州プラスチック戦略発表

2018年：海洋プラスチック憲章発表
2019年：バーゼル条約

日本国内でもプラスチックごみがあふれている状況

2018年5月以降、NHKのクローズアップ現代で9回取り上げられている
5プラスチックごみを減らすための施策
Reduce：使用量を減らす（過剰包装の削減）

全体量の削減（日本などでは非常に有効）

Reuse：再使用する（レジ袋をゴミ袋にする）

余分な製品生産の削減が可能（真面目に考えるべき）

Recycle：再製品化する（使い捨てをなくす）

資源循環の側面から重要（本格的な着手が必要）

Replace：代替品で置き換える感覚的な対応でないかの冷静な判断が求められる

Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved6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Remaining a big problem

https://www.bioenergyconsult.com/recycling-waste-to-energy-saudi-arabia/

How to reduce them.

RECYCLEプラスチック資源循環戦略(マイルストーン）

The ratio of Mechanical, Chemical, and Energy recovery in JAPAN

この内80％が輸出されているyear

The ratio of recycle species have not changed from 2000
10

なぜリサイクルプラスチックの物性が悪いのか
１．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

２．異種高分子・異物、色が混じってもあまり気にしない

バージンペレット

リサイクルペレット→ 破壊の起点が多数存在する→ 分離・純化は非常に困難→ 色目で商品価値がない

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）

海中投棄されたプラスチック製品の残存年数←プラスチックはそう簡単には化学劣化しない これも現在の常識

http://co-ordinates.herokuapp.com/how_long
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved12➢ 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●試料

分子物性が同じモデルリサイクル樹脂での検討結果◼ バージンPP(VPP)：射出成形・透明グレード◼ プレコンシューマリサイクルPP (Pre-RPP)：VPPの成形段階の副生物より作成

VPP

Pre-RPP

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14

●試料

分子物性が同じモデルリサイクル樹脂での検討結果◼ バージンPP(VPP)：射出成形・透明グレード◼ プレコンシューマリサイクルPP (Pre-RPP)：VPPの成形段階の副生物より作成

VPP
VPP

MFR：31.9g/10min 密度：900kg/m3

Pre-RPP

MFR：43.0g/10min 密度：904kg/m3

virginrecycled

Pre-RPP

2345log M

Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved1567粘弾性的性質G’:○（VPP), ●（Pre-RPP)
G”:◇（VPP), ◆（Pre-RPP)

ゲル成分もなく全く同一

薄膜物性評価FT-IR測定結果

劣化度（A1733/A1165）

0.015

0.010

0.005

0.000

recycledvirginVPPとPre-RPPを比較すると、測定値のばらつきの大きさに多少差はあるが、絶対値はほぼ同じ
一回程度の成形履歴では、樹脂はほとんど劣化しない。
Copyright (C) Fukuoka University Yao Laboratory All Right Reserved

17Deteriorated ?

Not Deteriorated ?

Molded Product

Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved18分子物性が同じモデルリサイクル樹脂での検討結果
VPP
210℃ 2min Slow-cool

Pre-RPP
210℃ 2min Slow-cool

物性低下の主要因は化学劣化ではなく物理劣化である
化学劣化していなくても、成形履歴（熱・せん断）があると物性は悪化する
VPP:virgin polypropylene, Pre-RPP:pre-consumer recycle polypropylene
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved19結晶性高分子の内部構造

Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved20せん断により絡み合いが減少した状態↓(B)の物理劣化状態を易形成

自己再生能力絡み合いが多く、靭性に優れた(A)状態を形成

結晶のメモリー効果の消去が課題
物理劣化した状態

図 高分子の溶融および結晶化状態での内部構造とエネルギー準位

21分子物性が同じモデルリサイクル樹脂での検討結果
VPP
210℃ 2min Slow-cool

Pre-RPP
210℃ 10min Slow-cool

Pre-RPP
210℃ 2min Slow-cool

Pre-RPP
210℃ 2min Quench

Pre-RPP
250℃ 10min Quench

VPP:virgin polypropylene, Pre-RPP:pre-consumer recycle polypropylene
Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved22

実容器包装リサイクル樹脂への応用：１
PP選別樹脂の場合

125ºC(株)エコスファクトリーにより提供された廃棄容器包装リサイクル樹脂のペレットとそのDSC曲線

引張試験によって得られた応力-ひずみ曲線(a) 230 ºC 10min SC(b) 230 ºC 10min Quench
VPP
210℃ 2min Slow-cool

ほぼ同等

成形条件最適化により、ほぼバージンPPと同様の応力-ひずみ挙動を再現するようになる

引張試験後の試験片の試料写真

(a)
(b)
(a)

(b)

(a) 230ºC 10min SC、(b) 230ºC 10min Quench

実容器包装リサイクル樹脂への応用：２非選別樹脂の場合(株)エコフィールにより提供された廃棄容器包装リサイクル樹脂のペレットとそのDSC曲線

引張試験によって得られた応力-ひずみ曲線(a) 180ºC 2min SC(b) 180ºC 2min Quench

成形条件最適化により、ほぼ混合比率を再現する
応力-ひずみ挙動を示すようになる

引張試験後の試験片の試料写真

(a)
(b)

(a) 180ºC 2min SC、(b) 180ºC 2min Quench破断面のSEM観察結果(a) 180ºC 2min Slow-cool(b) 180ºC 2min Quench

異物の存在は破断の主要因子ではない

適用範囲の拡張への取り組み：ペレット化条件の最適化

Copyright (C) Fukuoka University All Right Reserved30

Pelletizing Procces

Melt

Melt

Injection Process再ペレタイズ化 ≪非選別品≫
非選別品の再ペレタイズ条件

200ºC230ºC

ペレタイズ条件により、射出成形品の物性が大きく変化することを確認
32

モデル樹脂および実容器包装リサイクル樹脂での結果から➢ 長時間溶融状態に保持すること ← ペレタイズにも有効が、力学的に良好な成形品を作り出すことに有利

溶融樹脂溜まりのあるペレタイザーを設計

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

溶融樹脂溜まり部を追加した2軸押し出し機の試作
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34

Av.
185.9mm

Av.
155.3mm➢樹脂溜まりを用いることにより、高いパフォーマンスのペレットが生産できる35

応力 （N)ー 試料1 バージンPP
ー 試料7 リサイクルPP

降伏応力が劣る（PEの混在のためか）
今後の課題
mm
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Ordinary pelletizer

New type pelletizer

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研究成果
• リサイクルプラスチックの物性低下原因は化学劣化ではなく物理劣化➢ 成形履歴などによるタイモレキュール数の減少が主要因• 成形法の最適化などにより物理再生が可能である• 容器包装リサイクル樹脂においても、成形条件の最適化により力学的特性は大幅に改善される➢ 特にPP選別品には効果は著しく、ほぼバージン並みに回復する➢ コンタミネーションや異種高分子の存在は、特に悪影響を与えない• ペレタイズ条件を最適化することで、射出成形品の特性も大きく向上させることが可能である➢ 混錬温度は高い方が良好に働く➢ 混錬速度は遅い方が良好に働く➢ 樹脂溜まりの設置は、非常に安定的で良好な結果を導く
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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
39これまでの認識 (経験と勘)
製品物性・力学特性

新たな取り組み⇔成形条件

製品物性・力学特性

高分子の自己再生能力を活かした材料再生
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）

内部構造
メソ構造解析
（物性発現機構解明）

https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_101345.html
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Remaining a big problem「使い捨て」ではなく、「使いまわし」を基本として製品作りを考える
プラスチックの種類はできるだけ少ない方が良い・特殊なプラスチックやコストの高いプラスチックは、それでしか対応できない用途に限定すべき本当のリサイクルを念頭に入れた製品作りを実行する
・環境に良いとされる材料も、混ぜられると、分別ができなくなりリサイクルできる材料まで焼却以外に処理法がなくなってしまう
・感覚ではなく、理詰めの製品作りをきちんと回収すれば資源循環ができるという原則をより広く一般的常識として普及に努めるべき
https://www.bioenergyconsult.com/recycling-waste-to-energy-saudi-arabia/

御静聴ありがとうございました

https://www.fukuoka-u.ac.jp/research/column/20/01/14145910.html

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。
プラスチックリサイクルの研究は、（独）環境再生保全機構の環境研究総合推進費（3-1705）により実施されたものです。