結晶性高分子のメソ構造シミュレーション
ー理論的プラスチックの高度マテリアルリサイクルプロセス構築－

福岡大学研究推進部教授（特任）八尾滋

2023年5月30日

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容器包装リサイクルプラスチックのマテリアルリサイクルを阻む要因

The Usage of Recycled Plastics Materials by Plastics Converters in
Europe, A qualitative European industry survey, Second Edition,January 2019, Polymer Comply Europe2

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）3

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

4物理劣化・物理再生理論

分離した状態

エネルギー準位Tm

固体状態
タイ分子の多い状態

延性を示す状態
タイ分子の少ない状態

混合した状態

溶融状態

物理劣化した状態

脆性を示す状態温度5バージンPP 210℃ 2min
徐冷

DuctileバージンPP 210℃ 2min
長時間徐冷

Brittleバージンを用いた場合でも、長時間の徐冷で結晶性を高めると著しい脆性となる
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物理劣化・物理再生理論

分離した状態

エネルギー準位

Tm

固体状態
タイ分子の多い状態

延性を示す状態
タイ分子の少ない状態

混合した状態

溶融状態

物理劣化した状態

脆性を示す状態温度7

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

延性を示す状態
タイ分子の少ない状態

混合した状態

溶融状態

物理劣化した状態

脆性を示す状態温度8

せん断による界面状態の変化

9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

10繰り返し成形により物性が低下した疑似リサイクル品の樹脂溜まりによる物性再生の実例

11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

延性を示す状態
タイ分子の少ない状態

脆性を示す状態

混合した状態

溶融状態

せん断履歴と結晶のメモリー効果を
緩和
温度

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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

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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

延性を示す状態
タイ分子の少ない状態

脆性を示す状態

混合した状態

溶融状態

せん断履歴と結晶のメモリー効果を
緩和
温度

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一本鎖の高分子の分子動力学計算による結晶化計算例

力場(ポテンシャルエネルギー関数)を選べば、結晶化構造を再現が可能15多数の鎖での結晶性高分子シミュレーション
分子動力学計算で、溶融無定形状態から結晶化状態のシミュレーションが不可能とされていたため、人為的に構造を付与する手法(手動配置)が取られていた。

Ref: T. Yamamoto, Molecular dynamics in fiber formation ofpolyethylene and large deformation of the fiber, Polymer 2013, 54,
3086

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ステップＡ目的とする重合度のポリマーを特殊な構造で作成

特定の温度での分子動力学計算を実施

初期結晶性構造を作成

複数の初期結晶構造を用い、目的計算を実施する初期構造を作成

特定の周期境界条件を設定し、分子動力学計算により安定状態を作成

ステップ（Ｂ）
ルーチン①を目的回数実施
し、初期結晶構造を複数個発生

ステップ（Ｃ）
ルーチン②による構造を融点以上の温度で分子動力学計算を行い、溶融状態を再現⇒ステップ（Ｄ）
特殊な条件で結晶化計算を実施目的とするラメラ構造が積層した高分子結晶構造が構築ステップ（Ｂ）での初期構造作成とステップ（Ｄ）の赤字で示した計算が今回新規に見出した手法
特に初期構造は、本発明において極めてユニークな発想によるもの

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450Kで溶融・無定形状態を作り、 300Kで冷却・結晶化
450K 溶融状態• 初期構造• 10 ns後

冷却初期
ρ =0.85

溶融状態モデル結晶化

1. 10K/1ns (450-400K)
2. 5K/1ns (400-300K)
Isothermal coolat 300K/500ns

結晶化高次構造モデル

周期境界イメージ

10分子モデル

300Kで冷却絡み合い結晶
非晶
結晶

非晶~ 95 Å

結晶性高分子の結晶化高次構造モデル18

19

力学的特性シミュレーション
Animation

結晶化高次構造モデル
ラメラ5個を3層
Yield point

Stress (in MPa x10)

Break point withvoid

結晶化高次構造の応力ー歪み特性：Ｚ軸方向

Strain (Lz length in Å)

結晶化高次構造の応力ー歪み特性
Ｚ軸方向20せん断履歴の影響のシミュレーションが可能となった

元の構造

ρ=0.775

結晶化した構造

引張特性

せん断変形付与後の構造

ρ=0.77521

想定される用途
結晶性高分子の結晶化高次構造モデルシミュレーションとして以下のような利用用途が見込める。
 高分子の物理劣化・物理再生の理論的・分子論的なメカニズムの理解 せん断履歴が高分子物性に及ぼす影響の定性的な理解 高分子の結晶化過程と成形履歴、またその力学物性に及ぼす影響に対する理解と設計指針の構築への補助22実用化に向けた課題• 現在ポリエチレンに対してのみシミュレーションが可能である。これを他の高分子、例えばポリプロピレンなどに拡張することが求められる。
• 計算規模を拡張し、より大きな系でのシミュレーションが求められる。そのためには大型計算機での研究開発が必要。
• 実用化に向けては、実験的なデータとの整合性を取る必要がある。
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企業への期待• 未解決の課題については、大型計算機の利用を促進することで克服できると考えている。
• 一般に普及するためには、既存のソフトウェ
アとのインターフェースを作製することが必要であり、埋め込みの技術を持つ、企業との共同研究を希望。
• また、プラスチックのリサイクルや高度化を検討中の企業は、本技術の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：結晶性高分子の結晶化高次構造モデルの生成方法、結晶性高分子の結晶 化高次構造モデル生成
システム、結晶性高分子の結晶化高次構造モデル生成性プログ
ラム、ならびに結晶性高分子の物性および/または特性を予測する方法：特願2022-123383：学校法人福岡大学：八尾 滋、
アルターフ モハメド フセイン25

お問い合わせ先
福岡大学 研究推進部 産学官連携センター
ＴＥＬ 092-871-6631
ＦＡＸ 092-866-2308
e-mail sanchi@adm.fukuoka-u.ac.jp

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