イオン結合を有する海洋生分解性プラスチック素材を開発～海洋プラスチック汚染ゼロの実現に貢献生分解を促進する樹脂添加剤として利用～

2023-09-27

2023-09-27 新エネルギー・産業技術総合開発機構,日清紡ホールディングス株式会社

NEDOの「海洋生分解性プラスチックの社会実装に向けた技術開発事業」（以下、本事業）で日清紡ホールディングス（株）は、海水中で速やかに無害な成分に変換される生分解性プラスチック素材の開発に取り組んでいます。そして今般、プラスチック素材を構成する分子の骨格部分（主鎖）にイオン結合を導入することで、結合部分が海水中のナトリウムイオンと置き換わり低分子化され、生分解が促進される新たなプラスチック素材（以下、本開発材）を開発しました。

本開発材は他のプラスチックと溶融混練しやすいため、プラスチックの物理的性質を大きく損なわずに生分解を促進する樹脂添加剤として使用できます。また、本開発材は、海域や海水温度などによらず、セルロースを超える高い生分解度を示すとともに、土壌中でも生分解性を有することが確認されており、幅広い環境で生分解するマルチ生分解性が期待されます。

今後、日清紡ホールディングス（株）は、本開発材を樹脂添加剤として早期に製品化することを目指し、プラスチック・素材・成形メーカーとのマッチングと量産体制の構築を進めます。本開発材を早期に製品化することで、第2回政府間交渉委員会（INC）で日本が世界に向けて提案した、2040年までに海洋プラスチックによる追加的な汚染をゼロにすることへ貢献します。

図1　イオン結合を有する海洋生分解性プラスチック素材の生分解機構のイメージ

1．背景

プラスチックは、日常生活の利便性を向上する素材として幅広く活用されている一方で、生産量の増大に伴い、プラスチックごみによる海洋汚染が社会問題となっています。この問題を解決するためには、海水中で速やかに無害な成分に変換される海洋生分解性プラスチックを開発することが必要です。

このような背景の下、NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）は、2020年度から本事業^※1において「海洋生分解性プラスチックに関する新技術・新素材の開発」を実施しています。その一環として、海水中に豊富に存在するナトリウムイオンによる生分解^※2のトリガーに注目し、日清紡ホールディングス株式会社（以下、日清紡ホールディングス）と共同で、イオン結合を有する海洋生分解性プラスチック素材の開発に取り組んでいます。中でも、プラスチック素材を構成する分子にイオン結合を導入したものは、海水中でイオン交換が生じ、低分子量化することで生分解の開始点を増やし、生分解の促進を図れる新たな技術として注目されています。

日清紡ホールディングスは2021年に、海洋汚染の原因の一つであるプラスチックビーズの代替素材として、バイオマスであるアルギン酸を利用した「フラビカファイン®SILKYタイプ^※3」を開発し、化粧品や皮膚洗浄剤などのパーソナルケア製品を主な用途として製品化を進めています。今回、新たに樹脂添加剤^※4への用途拡大を目指し、他のプラスチックと溶融混錬^※5が可能なイオン結合を有する海洋生分解性プラスチックの開発を進めてきました。

2．今回の成果

（1）生分解を促進する樹脂添加剤としての使用に成功

本開発材は、樹脂添加剤に適するよう、独自の技術で主鎖にイオン結合を取り込み、構造と組成を改良しました。これにより、他のプラスチックと溶融混練しやすくなり、プラスチックの物理的性質を大きく損なわずに生分解を促進する樹脂添加剤としての使用に成功しました（図2）。

図2　本開発材からなる生分解を促進する樹脂添加剤

（2）本開発材とセルロースの生分解性試験でマルチ生分解性を確認

本開発材とセルロースの生分解性試験を実施し、下記の通り本開発材のマルチ生分解性を確認しました（図3）。これらの成果より、本開発材は幅広い環境用途での活用が期待できます。
三つの地点（東京湾近郊）で採取した海水を用いた生分解性試験^※6を実施したところ、本開発材はどの地点の海水でもセルロースを上回る生分解度を示しました。また、セルロースの生分解度は海域によって大きく異なる結果でしたが、本開発材は海域による数値の差がほとんどありませんでした。
千葉港で採取した海水を用いて異なる海水温度（10℃と30℃）での生分解性試験を実施したところ、本開発材はいずれもセルロースを超える生分解度を示しました。一方で、セルロースの生分解度は海水温度によって大きく異なる結果となりました。
土壌中での生分解性試験^※7を実施し、30日間でセルロースと同等の生分解度を示しました。
活性汚泥^※8中での生分解性試験^※9を実施し、28日間でセルロースと同等の生分解度を示しました。

図3　海水中における本開発材とセルロースの生分解度の比較　（a）海域　（b）海水温度

（3）本開発材の高い海水崩壊度を観測

本開発材を用いた樹脂添加剤を既存の生分解性プラスチックに添加した複合素材について海水中での崩壊度試験を実施しました。千葉港で採取した海水を入れた水槽にフィルム試験片（2cm×2cm×200μm）を浸漬（しんせき）し、90日後の外観を観察したところ、本開発材を含むフィルムは茶色く変色し、一部が崩壊している様子が確認できました（図4）。

これにより、本開発材を樹脂添加剤として用いることで、本開発材だけでなく複合素材の主な材料である既存の生分解性プラスチックの崩壊を促進することも確認できました（図5）。

（左）浸漬前（右）90日間浸漬後
図4　本開発材を添加した複合素材の海水崩壊度試験の様子