国立研究開発法人 産業技術総合研究所(以下「産総研」という)触媒化学融合研究センター ケイ素化学チーム 南 安規 主任研究員は、スーパーエンジニアリングプラスチック(以下「スーパーエンプラ」という)として知られる高機能熱可塑性ポリマーのポリエーテルエーテルケトン(PEEK)をモノマー単位へ分解できる解重合法を開発しました。
この技術は有機硫黄化合物のチオールと塩基を解重合剤に使用することによって、樹脂の一般的な熱分解温度の600~1500 ℃を大きく下回る150 ℃、19時間以内にPEEKをモノマー単位へと分解します。また、重合可能モノマーの前駆体(ジチオベンゾフェノン)とPEEKの原料モノマー(ヒドロキノン)をそれぞれ93%、95%という高収率で得ることができます。PEEKのモノマー単位への解重合は、世界で初めて成功しました。ポリプロピレンやポリアミドなどの樹脂を含む場合でも、また、炭素繊維強化PEEKなどの複合PEEK材料を用いる場合でも、PEEK成分の選択的な分解が可能です。得られたモノマーからベンゾフェノン-ビスフェノールA-交互共重合体などいろいろな高分子を合成できます。今回開発した技術はPEEKのケミカルリサイクルの道を切り開くとともに、PEEK以外のスーパーエンプラ解重合にも応用できると考えられ、安定樹脂材料のサーキュラーエコノミーに貢献します。
なお、本研究成果の詳細は、2023年1月24日(英国時間)に英国の学術誌「Communications Chemistry」に掲載される予定です。
下線部は【用語解説】参照
- 開発の社会的背景
- 研究の経緯
なお、本研究開発は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業(さきがけ)「安定主鎖構造の活性制御に基づく高機能ポリマーの精密解重合(課題番号JPMJPR21N9)(2021~2024年度)」、藤森科学技術振興財団による支援を受けています。
- 研究の内容
今回見つけた解重合法は、純粋なPEEK素材だけでなく、炭素繊維やガラス繊維で強化したPEEK材料にも利用できます。炭素繊維を30wt%含む強化PEEK素材を細かく粉砕し、適量の硫黄求核剤とアミド系溶媒を用いて解重合し、ヨウ化メチルで処理すると、PEEKのモノマー単位まで分解した4,4’-ジメチルチオベンゾフェノンとヒドロキノンを含む解重合混合物が得られます(図2)。ガラス繊維強化PEEKを用いて同じ解重合を適用しても、同様の生成物が得られます。また、純粋なPEEK素材の解重合にポリプロピレンやポリスチレン、ポリアミドを共存させても、PEEKの解重合が問題なく進行することも確認しました。本解重合法は、複合PEEK材料や他のポリマーの共存下でも適用できます。
- 今後の予定
- 論文情報
論文タイトル:Depolymerization of robust polyetheretherketone to regenerate monomer units using sulfur reagents
著者:Yasunori Minami, Nao Matsuyama, Yasuo Takeichi, Ryota Watanabe, Siby Mathew, and Yumiko Nakajima
DOI:10.1038/s42004-023-00814-8
- 用語解説
耐熱性・機械的強度が非常に高い高機能樹脂。温度150 ℃以上の高温環境でも長時間使用できる。軽量でありながら機械的強度が高いため、金属の代替材料としても利用される。
ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)
正式名称「Poly Ether Ether Ketone」である樹脂。高機能を発揮する熱可塑性樹脂であり、スーパーエンジニアリングプラスチックの代表格。一方で、高価な素材であることでも知られている。主に、4,4’-ジフルオロベンゾフェノンとヒドロキノンとの反応によって合成される。
モノマー
ポリマー(プラスチック)を構成する最小の単位。
解重合法
通常はポリマーをモノマーに変換するプロセス、またはモノマーの混合物に変換するプロセス。そこから元の高分子および類似した構造の高分子を再生できることも含む。
チオール
水素化された硫黄(-SH)を末端に持つ有機化合物。メルカプタン類とも呼ばれる。
炭素繊維強化PEEK
炭素繊維でPEEKを強化した複合材料。剛性とクリープ強度が高く、ガラス繊維よりも摺動性(滑りやすさ)があり、摩耗・摩擦特性に優れている。また、元のPEEKに対して約3.5倍の高い熱伝導性を示す。
交互共重合
二種類以上のモノマーを用いて重合させることを共重合と呼ぶ.特に、二つのモノマーを用いる共重合において、反応するモノマー比が1:1であり、交互に配列しているような共重合体を合成する方法を交互共重合と呼ぶ。
ケミカルリサイクル
廃棄物を化学合成により他の物質に変え、その物質を原料にして新たな製品を作るリサイクル方法。プラスチックの場合、熱分解により合成ガスや分解油などの化学原料、また化学分解によりモノマー、他の化学物質に転換して再利用することを指す。
サーキュラーエコノミー
日本語訳で「循環経済」。従来の3R(リデュース・リユース・リサイクル)の取り組みに加え、製品や素材、資源の価値を可能な限り長く保全・維持しつつ、資源の効率的な利用と廃棄物の発生を最小化する経済システム。
ポリフェニレンスルフィド(PPS)
ベンゼンと硫黄の繰り返し構造からなる結晶性の耐熱性ポリマー。融点が約280 ℃と高く、優れた耐薬品性、自己消火性を有する。
ポリエーテルスルホン(PESU)
ビスフェノールSの繰り返し構造からなり、高い耐熱性を持つ非結晶性プラスチック。
硫黄求核剤
水素化された硫黄をメルカプト基(SH)と呼び、これを分子内に持つ有機化合物をチオールと呼ぶ。ここでは、チオールの水素を解離させて、より反応性を高めたアニオン性硫黄化合物(S-)を硫黄求核剤と指す。
脱離基
有機化合物を構成する官能基において、電子対を持ちながら元の化合物から離れられる官能基を指す。主に求核剤との反応によって脱離が進行する。
アップサイクリング法
副産物や廃棄物などの不要物を新しい材料または製品に作り替える方法を指す。ここでは、ポリマーを解重合して別の新しい材料、またはポリマーに作り替えることを指す。
ガラス繊維強化PEEK
ガラス繊維でPEEKを強化した複合材料。剛性とクリープ強度とともに寸法安定性に優れている。
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