合成樹脂 合成樹脂の用途

合成樹脂

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2022/03/22 18:22 UTC 版)

合成樹脂の用途

プラスチックが本格的に開発されたのは20世紀に入ってからであるが、その軽さや衝撃への強さ、腐りにくさ、絶縁性の高さ、そして何よりも用途に合わせて安価に大量生産が可能であることから、それまで木材繊維ガラス陶器などを素材に用いていたものがプラスチックに置き換えられることも多く、用途は非常に多岐にわたる[14]

日本における2018年度の生産のうちもっとも利用が多いのはフィルムやシート向けであり、全生産量の43%を占める。この中にはポリ袋などの包装用品や各種農業フィルムが含まれている。次いで利用が多いのはペットボトルポリタンク洗剤シャンプー容器などの容器類であり、生産量の14.8%を占める。第3位は機械の筐体・機構部品、電子機器や小型機械家電製品といった機械器具や部品類であり、全体の11.6%を占める。第4位は各種パイプ継手であり、7.5%を占めている。食器などの台所・食卓用品や、風呂トイレ洗濯掃除用品、文房具楽器など各種日用品は5%を占め第5位となっている。以下、雨樋や床材などの各種建材が4.7%、発泡スチロールなどの発泡プラスチックが4.3%、ドア看板、波板などの板が2%、浴槽ボートの船体、釣り竿などに用いられる強化プラスチックが1.2%、衣服などに用いられる合成皮革が1%、そのほかの用途が4.9%となっている[15]

合成樹脂の性能

機械的性質

機械的性質は引張りや圧力等の外力に対する特性であり、機械部品など広範囲に使用される素材であることから各種の試験がある[16]

物理化学的性質

吸水率、水分含有率、耐薬品性、比重、密度などの物性である[16]

  • 吸水率
  • 水分含有率
  • 耐薬品性

電気的性質

一般的には絶縁体であり電線の被覆や電気機器の筐体に用いられている。一方で絶縁体であることから静電気が発生しやすく、電圧が限界に達すると絶縁性が失われる(絶縁破壊)[16]

光学的性質

透明性が必要な合成樹脂の場合には光学的性質が重要となる[16]

耐熱性

製品としては使用限界温度である熱変形温度、寒地での脆化温度、構造材料としての熱伝導度、温度変化が大きい用途での熱膨張や熱収縮などが重要となる[16]

合成樹脂の劣化

プラスチック成形品は、原料となる合成樹脂の種類によって劣化要因が異なる。劣化要因としては、材料自身の経時変化、単一の外的要因による変化、複合的な外的要因による変化などがある。

外的要因

熱による劣化 合成樹脂は、主に炭素、酸素、水素で構成される高分子化合物であり、分子構造は紐状の構造となっている。合成樹脂は加熱されることで、分子運動が活発化し空気中の酸素と反応しやすくなり、酸素と反応することで紐状の構造がバラバラになり劣化する[17]

光による劣化 合成樹脂は、光エネルギーを吸収し、分子同士の化学結合が切断、または分子を励起させることで酸化が起こり劣化する。 合成樹脂の劣化を引き起こす太陽光の波長は、紫色の可視光から近紫外光の領域に該当する300~400ナノメートルである。プラスチックの種類別に劣化しやすさは異なり、それぞれの波長は以下のようになる[17]

プラスチックを光劣化させる波長[17]
材料名 劣化しやすい波長長さ(nm)
ポリエステル 325
ポリスチレン 318
ポリプロピレン 300
ポリ塩化ビニル 310
塩ビ―酢ビ共重合体 310
ホルムアルデヒド樹脂 322~364
硝酸セルロース 300~320
ポリカーボネート 310
ポリメチルメタクリレート 295

水による劣化 合成樹脂の種類や環境によっては、加水分解により劣化する。 ポリウレタン(PU)やポリエチレンテレクタラート(PET)のように分子構造にエステル結合を有する合成樹脂は加水分解しやすい性質がある。また、湿気がある状態で合成樹脂を溶融し成形すると加水分解しやすくなる[17]

有機溶剤による劣化 一般的にどんな素材でも、その構造と類似する構造をもつ材料は取り込みやすい性質をもつ。例えば耐候性、衝撃強さ、耐熱性に優れているポリカーボネイト(PC)も、ある特定の溶剤に対しては、材料内に有機溶剤を取り込みやすく強度が低下する[17][18]

金属や金属化合物による劣化 金属イオンが合成樹脂の酸化反応の触媒として働き劣化をまねく。とくにコバルトとマンガンが合成樹脂に対して影響を及ぼしやすい。また、ポリプロピレン(PP)やABS樹脂は高温になると、銅に反応しやすくなる[17]

欠陥・応力・ひずみによる劣化 気泡やクラック、ウェルドライン、異物の混入などの欠陥。成形時のひずみ、残留応力等によるストレスクラックやソルベントクラック現象とよばれる割れが生じることがある[17][18]

生分解

いっぱんに合成樹脂は「腐らない」こと、すなわち微生物による生分解を受けないことを長所のひとつとするが、いくつかの合成高分子は生分解を受けることが知られている。細菌真菌による合成樹脂の分解は種々の酵素によって行われる[19][20]

合成樹脂の生分解は1950年代 - 1960年代ごろから注目されており[19][20]n-パラフィン分子量の比較的ちいさなポリオレフィンポリビニルアルコール脂肪族ポリエステル、ポリエチレングリコールε-カプロラクタムなどの合成高分子類の微生物分解性が研究されてきた。一方、芳香族ポリエステルのひとつであるポリエチレンテレフタレート(PET)など、プラスチックとして有用で大量生産の対象となる合成高分子の生分解にかんしては、否定的な結果が得られる場合が多かった[19]。近年は、従来生分解が困難であるとされてきた合成樹脂を分解する微生物の報告や、動物が合成樹脂を摂食し、代謝を行う事例[注釈 1]の報告など、合成樹脂の生分解にかんするさまざまな新知見が蓄積されつつあり、プラスチック廃棄物問題の解決法を探るうえでもいっそうの注目が集まっている[20]。ここでは主に Ru, Huo & Yang (2020) によるレビューにもとづき、近年の合成樹脂の生分解にかんする知見を概説するが、合成樹脂の化学構造や実験・分析手法の差異によって生分解性の正確な評価が困難であるものもいまだ多い[20]

ポリエチレン
ポリエチレン(PE)の生分解は1970年代ごろから研究対象として注目されていたが、微生物による生分解を受けるのは主として低分子量成分であり、分子量が 2000 を超える[20]高分子量PEが環境中で生分解を受けることは困難であるとされてきた[19][20][23]。高い分子量が生分解を阻害する主要因となるため、PEの生分解を行うには熱や紫外線、酸化剤などを用いた機械的・化学的な前処理が必要であると考えられていたが、近年は、前処理が行われていない長鎖PEを分解することができる可能性のある細菌や真菌が環境中から多数見出されており[20]、たとえば、日本からは低密度ポリエチレン(LDPE)を分解する Bacillus 属の細菌が報告されている[23]腐植栄養湖(英語: humic lakeにおいて、生分解されたPE由来の炭素が植物プランクトンの必須脂肪酸の合成に用いられていることを示した Taipale et al. (2019) のように、環境中でのふるまいの観点からPEの生分解プロセスを調査した研究もある[24]
また、複数種の昆虫幼虫がLDPEを摂食し、腸内細菌を介して代謝を行うことができることが報告されており、注目すべき生分解の事例と見なされている[20]。LDPEを摂食することが報告されているのは鱗翅目に属するコハチノスツヅリガ Achroia grisella、ハチノスツヅリガ Galleria mellonellaノシメマダラメイガ Plodia interpunctella[20][21]鞘翅目ゴミムシダマシ科Zophobas atratus(スーパーワーム)で[25]、このうちハチノスツヅリガの幼虫を用いた実験では、幼虫がLDPEを摂食してグリコールを主成分とする液状の糞を排泄すること、幼虫の腸内細菌叢から分離培養された Acinetobacter 属の細菌が、PEを唯一の栄養源として一年以上の生存が可能であることが確認されている。また、幼虫を介した in vivo での生分解と分離培養された細菌による in vitro での生分解プロセスとを比較すると、前者と比べて後者のPE分解速度が低いことから、幼虫と細菌とが相互に関係することでLDPEの生分解が促進される可能性が示されている[21]
PE分解酵素としては、Phanerochaete chrysosporium 由来のマンガンペルオキシダーゼ大豆由来のペルオキシダーゼRhodococcus ruber C208株が細胞外に分泌するラッカーゼなどが知られている[20]
ハチノスツヅリガ G. mellonella 幼虫, アメリカ
ポリスチレン
Xanthomonas 属や Pseudomonas 属などに属する細菌がポリスチレン(PS)の生分解を行うことが知られているが[26]、いっぱんに、細菌や真菌によるPSの分解速度は非常に低いとされる[20]。一方、幼虫期にPSを摂食することのできる昆虫が複数種知られており、PSの生分解研究において注目されている。PSを摂食することが報告されているのはチャイロコメノゴミムシダマシ Tenebrio molitorミールワーム)、コメノゴミムシダマシ Te. obscurus(ダークミールワーム)、Z. atratus(スーパーワーム)[20][25]コクヌストモドキ Tribolium castaneum(以上、鞘翅目ゴミムシダマシ科)[27]および、鱗翅目のハチノスツヅリガで[28]、このうちミールワーム、スーパーワーム、ハチノスツヅリガ幼虫を用いた実験では、三種ともPSフォームを唯一の餌として30日間の飼育が可能であり、腸内細菌を介した生分解の証拠も得られたものの、通常の餌で飼育した対照群と比較して生存率や体重が有意に低下しており、PSでは幼虫の発育に必要なエネルギーを満たせない可能性が指摘されている[28]。また、幼虫の腸内細菌叢からPSの生分解に関与する可能性のある微生物が多数分離されている[20][28]
PSの生分解にかかわる酵素としては、Azotobacter beijerinckii HM121株が分泌するヒドロキノンペルオキシダーゼが知られている[20]
ポリプロピレン
ポリプロピレン(PP)の生分解を行う可能性のある細菌や真菌が複数環境中から見いだされているが、それらは可塑剤や低分子量成分の分解にのみ寄与し、高分子量の長鎖PPの解重合は行われていない可能性もあり、評価が難しいとされている。分解酵素も知られていないが、PEと同様に機械的化学的前処理によって生分解が促進される可能性が指摘される[20]
ポリ塩化ビニル
ポリ塩化ビニル(PVC)は利用の際に可塑剤が添加されることが多い合成樹脂である。可塑剤は炭素源として多くの細菌や真菌によって利用される(生分解される)ことが知られており、可塑化されたPVCを用いる製品、たとえば浴槽の蓋や農業用シートはさまざまな微生物によって損傷を受け得る。しかしながら、可塑剤とPVCの両方を分解できる微生物や酵素は知られておらず、生分解後の残留物の問題は大きい[20]
ポリウレタン
ポリウレタン(PUR)は、合成に用いるポリオールの種類によってポリエステルPURとポリエーテルPURの二種に分けられる。ポリエステルPURの生分解にかんする研究はひろく行われており、Pseudomonas putidaシュードモナス・プチダ)など多数の細菌・真菌によって生分解を受けることが報告されている。一方で後者のポリエーテルPURにかんしては、生分解を行う可能性のある細菌や真菌がいくつか報告されているものの、前者と比較して微生物による生分解を受けにくいと考えられている。分解酵素についても同様で、ポリエステルPURにかんしては、エステル結合加水分解するさまざまなリパーゼエステラーゼが種々の微生物から見い出されているが[20]、ポリエーテルPURを分解する酵素は知られていない[20][29]
ポリエチレンテレフタレート
ポリエチレンテレフタレート(PET)の生分解性は結晶化度(英語: crystallinityの程度によって異なり、大まかに結晶化度の低いもの(low-crystallinity PET: lcPET)と結晶化度の高いもの(high-crystallinity PET: hcPET)に分けたとき、生分解を受けることが知られているのはもっぱら前者のlcPETであり、後者のhcPETはほとんど生分解を受けない[20][30]。熱成型されるPETボトルなどのPET製品は結晶化度が高く、したがって、PET製品の多くはそのままでは生分解に適さないとされる[30]。lcPETの生分解にかんしては、Yoshida et al. (2016) によって記載された Ideonella sakaiensisイデオネラ・サカイエンシス)と、本種から分離同定されたPET分解酵素 PETace がよく知られているが、PETaceは熱不安定性であり分解速度も非常に遅いことから、PET加水分解酵素としての要件を満たさないという指摘がなされている。一方、Thermobifida fusca などから得られたクチナーゼ類からは、熱安定性かつ高いPET分解性を示すものが知られており、PET加水分解酵素として有望視されている[20][30]

注釈

  1. ^ 物質名称以外の表現で用いる場合、(柔軟で)感受性の強い性格、作り笑いなどの人工的な・不自然な、あるいは形成・造形を指す場合に用いる。

出典

  1. ^ Cassone et al. (2020) は、合成樹脂を摂食する動物を指すことばとして "plastivore" という単語を使用している[21]。これは "plastic"と、「-を食べる動物」を意味する接尾辞"-vore"とを組み合わせた造語である[22]
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