詳細 | 新素材循環経済の発展の道

新しい材料とは、何らかの形で産業システムにとって新しい材料のことです。ナノマテリアル、グラフェン、希土類元素など。新素材にとって重要なのは、その存在ではなく、産業規模で応用できるかどうかです。循環型経済とは、材料の最高の使用価値を可能な限り長く維持することです。そのためには、耐久性、修理可能性、リサイクル可能性を確保するように製品を設計する必要があります。

現在、工業材料の種類はますます複雑化しており、それは製品の多様性だけでなく、産業の規模やそれらを組み合わせる方法にも反映されています。燃料輸送効率を向上させる軽量素材など、多くの新素材の開発は環境を改善しますが、素材の複雑性が増すにつれて、廃棄された製品からその価値を回収することが難しくなります。また、新しい材料のリサイクルには、新しい廃棄物管理インフラも必要になります。新素材の開発の初期段階でこれらの要素を考慮すれば、潜在的な問題を回避できる可能性があります。

1. 新素材の循環型経済構築の必要性<br /> 製品のライフサイクル全体とその元の価値の回復可能性は、一連の関連する要因によって決まります。表 1 を参照してください。これらの要因の一部は材料に固有のものですが、その他の要因は材料が使用される製品に固有のものです。製品のライフサイクルの終了は、最後のユーザーが製品を使用して廃棄したときに発生します。さらに、生産プロセスでも廃棄物が発生しますが、表 1 に示すように、リサイクル価値を高める要因は数多くあります。このレポートでは、大規模用途の製品に関係する材料とプロセスに焦点を当て、これらの材料とプロセスを最大限に活用する方法を探ります。

表1 製品のライフサイクル全体にわたるリサイクル可能性の判断

リサイクルには通常、次の 3 つのプロセスが含まれます。

1つはコレクションです。製品や材料をリサイクルする際の最初のステップは、回収またはリサイクルできる状態であることを確認することです。このプロセスは「リバースロジスティクス」と呼ばれることがよくあります。収集プロセスは主に、製品自体の価値、市場メカニズム、法的要件によって異なります。

2番目はソートです。これには通常 2 つの段階が含まれます。リサイクル可能な製品とコンポーネントを分離し、残りを材料ストリームに処理します。

3つ目は再処理です。再処理の目的は、元の材料と同一の材料を生産することです。金属の再処理など。しかし、リサイクルされる材料が多様すぎると、一部の材料が失われてしまいます。例えば、電子廃棄物を細断して再処理に送ると、その中に含まれる希土類金属は失われます。

2. 新たな物質循環型経済の発展経路の確立<br /> 新しい材料のリサイクルシステムの確立は、一方では材料の価値によるものであり、他方では政策主導によるものです。図1は、新素材を最大限に活用する循環型経済を確立するための開発パスを示しています。

図1 新素材循環経済の発展経路

材料を分離して再処理に適した形に変換できない場合、1 つの選択肢は、より優れた選別および識別技術に投資することです。もう 1 つの選択肢は、高付加価値コンポーネントを取り外して個別に処理できるように設計を変更することです。

廃棄物から物質を分離できるが、関連技術が不足していたり、輸送コストが高かったりして近くに再処理施設がない場合、新しい施設を研究開発することが選択肢の 1 つとなります。これは、適切な再処理技術が存在するかどうか、原材料の妥当性、再処理された材料の市場価値に依存します。次に、学界や他の研究機関と協力して解決策を開発することができます。しかし、リサイクル材料の市場が新しい再処理施設を維持できるほど大きくない場合は、政府の決定が必要になるだろう。

物質を分離し、元の価値のほんの一部で再処理できる場合、既存の再処理技術を改良するか、商業化を検討することが 1 つの選択肢となります。

メーカーにとって、リサイクル材料をバージン代替品よりも使用するのが難しい場合、再処理業者はメーカーまたはそのサプライヤーと協力して、リサイクル材料を自社のプロセスに適した形に変換することができます。

図 2 は、収集システム開発の障壁を示しています。収集システムが存在しない場合は、その材料が商業的な収集および再処理サプライチェーンをサポートできるかどうかを評価する必要があります。これは、材料の金銭的価値と入手可能な数量によって異なります。材料の価値が十分に高くない場合、または市場全体の規模が小さすぎて実行可能な再処理施設を維持できない場合、リサイクルは政策によってのみ推進できます。

図2 収集システム開発の障害

3. 細分化された新素材分野におけるリサイクルシステムの構築
1. 炭素繊維複合材
1950 年代以降、炭素繊維複合材は輸送および再生可能エネルギーの分野で急速に発展してきました。用途の急速な拡大に伴い、自動車用炭素繊維のリサイクルが注目されるようになりました。自動車用途の炭素繊維のリサイクルが成功すれば、自動車分野でのこの材料の使用が増加する好循環が生まれる可能性があります。コストが高いため、カーボンファイバーは現在、高級自動車分野でのみ使用されています。ジャガー・ランドローバーが実施した調査によると、カーボンファイバー部品のコストはスチール部品の20倍、アルミニウム部品の10倍であり、カーボンファイバーを大衆市場に普及させるにはコストを削減する必要があることを示しています（図3を参照）。

図3 自動車製造業界における炭素繊維の品質とコスト

加工廃棄物から収集された繊維は、原材料と比較して20％から40％の取引割引があります。つまり、廃車から高品質の炭素繊維をリサイクルすることで、低コストの繊維の供給を大幅に増やし、軽量でエネルギー効率の高い車両への移行を加速することができます。自動車用炭素繊維のライフサイクルを図4に示します。

図4 自動車用炭素繊維のライフサイクル

（１）既存の障害の一つは物質的な障害である。熱分解は繊維をリサイクルするための唯一の商業的に利用可能な技術です。しかし、熱分解により複合材料中のポリマー（質量で材料の約 1/3）が燃焼し、熱の形で回収されるエネルギーはごくわずかです。

2つ目は技術的な障壁です。既存の選別または再処理インフラストラクチャは、繊維の回収には適していません。既存の選別インフラでは細断処理が必要であり、この処理によってリサイクル繊維材料が小さくなりすぎて材料の汚染につながる可能性があります。

3つ目は市場障壁です。高品質のリサイクル炭素繊維の市場はすでに供給過剰になっており、生産廃棄物から大量の繊維が回収されています。

（２）機会
1つは製品の再設計です。炭素繊維複合材は、ボルト締めや溶接など、金属車両用に開発された組み立てシステムに適していないため、リサイクルのための分解プロセスを容易にしながら、複合材に適した方法を開発する機会があります。これには、複合材料の特性をより適切に考慮するために設計ソフトウェアを更新する必要があります。ルーフやボディパネルなどの部品を取り外して純粋な炭素繊維複合部品ストリームを生成し、修理作業で再利用したり、既存の熱分解施設で再処理したりすることができます。

2つ目は、代替リサイクル技術を開発することです。まず、「流動床熱分解」技術は、従来の熱分解技術に代わるものとして利用することができ、この技術は、商業化前の段階で高品質の繊維を回収することができます。また、廃棄原材料のさまざまな特性を処理するのに適しています。次に、熱硬化性複合材料の化学リサイクル技術の研究を検討します。これらの技術により、リサイクル繊維の一貫性が向上し、高価値の回収が可能になります。

3つ目はリサイクル繊維の価値を高めることです。 1つは、適用範囲を拡大し、リサイクルされた炭素繊維を他の材料の代わりに使用することです。たとえば、不織布マットにリサイクル繊維を使用すると、ガラス繊維やアルミニウムと同じ性能が得られますが、品質は低くなります。 2つ目は、リサイクル繊維の濃度を高めてバージン繊維と同じ機能を提供することですが、これは現時点では実験室規模でしか行われていないため、商業化を促進するにはさらなる投資が必要です。 3つ目は、自動車メーカーに販売する中間製品にリサイクル繊維を使用することで、リサイクル繊維の価値をさらに高めることができることです。

4つ目は、自動車用複合材料のポリマーを改良することです。現在の炭素繊維複合材のほとんどには、リサイクルできない熱硬化性プラスチックが含まれていますが、熱可塑性複合材は加熱によって形を変えたり溶かしたりできるため、迅速な製造とリサイクル性が向上します。また、再利用のためにコンポーネントを作り直す可能性もあります。ポリエーテルエーテルケトン (PEEK) は、自動車用途において熱硬化性樹脂と同等の性能を発揮する唯一の熱可塑性樹脂ですが、高価です。したがって、繊維プリフォームをより良くコーティングできる（すなわち、粘着性を低減できる）添加剤または新しい熱可塑性樹脂を開発し、熱可塑性樹脂を改良し、炭素繊維と熱可塑性樹脂の接着をより良く達成できるコーティング（すなわち、繊維を製造でより使いやすくするコーティング）を開発し、繊維を改良し、熱硬化性ポリマーのリサイクル性を向上させる必要がある。

したがって、炭素繊維複合材料のリサイクルシステムは表2のようになります。

表2 炭素繊維複合材リサイクルシステムの構築

2. バイオプラスチックバイオプラスチックとは、バイオベースのプラスチックまたは生分解性プラスチックを指します。バイオベースプラスチックは、植物やその他の非化石燃料原料から作られたプラスチックで、ポリエチレンなどの一般的なタイプのプラスチックや、現在小規模で使用されている緊急用プラスチックが含まれます。生分解性プラスチックは、化学的に無毒の化合物に分解できます。これには、通常の条件下で分解できるプラスチックや、産業用堆肥化施設または嫌気性消化施設でのみ分解されるプラスチックが含まれます。一部のバイオプラスチックはバイオベースかつ生分解性であるため、これら 2 つのカテゴリは相互に排他的ではありません。

バイオプラスチックへの関心は高まっていますが、実際にはバイオベースのプラスチックはプラスチック市場全体のわずかな部分（約0.5％）を占めるだけです。バイオプラスチックの市場構造を図5に示します。

図5 2015年のバイオプラスチック市場

（１）既存の障害一つは物質的な障壁です。場合によっては、バイオプラスチックは従来のプラスチックよりも機能性が劣ることがあります。これにより、その応用範囲が制限され、類似の用途に複数のポリマーが使用されるという現象が発生し、リサイクルの障害となる可能性があります。

2つ目は技術的な障壁です。既存の廃棄物管理システムを使用してバイオプラスチックをリサイクルすると、既存の選別技術の複雑さが増し、特に物理的な選別が困難になるなど、技術的な障壁が生じる可能性があります。しかし、バイオプラスチックを他のポリマーから分離しないと、リサイクルが難しくなり、汚染を引き起こしてしまいます。

3つ目は市場障壁です。すべてのプラスチック包装がリサイクルのために回収されるわけではありません。英国では、ペットボトルはほぼどこでも回収されているが、水差し、バケツ、トレイなどの他の硬質プラスチックを回収しているところはごくわずかで、プラスチックフィルムを回収しているところはさらに少ない。たとえ市場にあるバイオプラスチックがすべて回収されたとしても、現状では実行可能な閉ループリサイクル工場を維持するのに十分な供給量がありません。

（２）機会一つは廃棄バイオマスを原料として利用することです。バイオプラスチックは、廃棄物や他のプロセスの低価値副産物などの二次原材料を使用して製造できます。一方で、環境への影響はほとんどなく、他方では英国での生産を確保し、関連する知的財産権を取得することもできます。しかし、有機廃棄物原料への切り替えは決して簡単ではありません。経済的実現可能性と原材料の入手可能性の季節変動を考慮する必要があります。さらに、廃棄原料をバイオプラスチックの製造に必要な化学物質に変換するプロセスの多くは、資源集約型の酵素に依存しています。

廃棄物原料のバイオプラスチックへの利用を促進するには、次のことが必要です。利用可能な原料を、その入手可能性や季節変動を含めてマッピングする。特定の廃棄物ストリームから特定のバイオプラスチック（乳製品廃棄物からの PLA など）への最も直接的な変換経路を特定する。プラットフォーム化学物質（他の多くの化学物質の製造に使用できる化合物、および農業廃棄物のセルロースからのエタノールなど、高収率の原料を使用して生成される化合物）の製造を優先する。バイオ燃料製造や嫌気性消化など、他のバイオ燃料プロセスからの出力がバイオプラスチック製造に適しているかどうかを判断する。さまざまな廃棄物原料の使いやすさを糖（バイオマテリアルを変換する最も簡単な方法）と比較して測定する指標は、これを達成するのに役立つでしょう。廃棄バイオマスの原料としての利用を増やすためには、食品生産部門と製造部門の連携を強化する必要があります。公共部門には情報提供と研究開発への資金提供が求められるべきである。

2つ目は、選別プロセスを改善することです。既存のリサイクルストリームの汚染を防ぐために、プラスチックはポリマーの種類ごとに識別および分類する必要があります。これは近赤外線光学選別技術で実現できますが、すべての施設がこの技術を備えているわけではなく、たとえ備えていたとしても、メラニンを含む製品やラベルで完全に覆われている製品の場合は、このプロセスが複雑になる可能性があります。幸いなことに、光学技術を使用して選別効率を向上させるソリューションが最近市場に導入されたり、導入が近づいてきたりしています。さらに、より細かいプラスチックの選別を可能にするために、デジタル透かしや蛍光インクが開発されています。

3つ目は、生分解性プラスチックの選択的使用です。収集されたプラスチックを分類するために光学選別技術が広く採用されるまで、生分解性プラスチックの使用は、リサイクルサイクルが現在不可能な用途に限定されるべきです。さらに、さまざまなプラスチックがどのように使用されているかについての認識を高める必要があります。これは、用途ごとにポリマーの種類を標準化し、規制を策定することで対処できます。

4番目に、バイオプラスチックの可能性を実現します。さまざまな用途に使用できるバイオプラスチック、特に生分解性プラスチックを特定して、製品システムを開発します。現在、ほとんどのバイオプラスチックはリサイクル性、特に生分解性を実現しています。これらのバイオプラスチックの多くは、廃棄原料から製造することも、解重合によってリサイクルすることもできます。
既存のバイオプラスチックが従来のプラスチックとまったく同じ機能を提供できる用途はまだほとんどありません。炭素繊維と同様に、新しいバイオプラスチックは複合材料の用途に役立つ可能性があります。このようなポリマーを解重合することができれば、複合材料の用途から材料をリサイクルする問題の解決に役立つ可能性があります。さらに、バイオプラスチックは 3D プリントにも使用できます。 PLA は 3D プリントで広く使用されている素材です。したがって、既存のバイオプラスチックの特性の改善や、新しいバイオプラスチックの製造に使用できる新しいバイオモノマーの開発など、バイオプラスチックの機能性を向上させるためのさらなる材料科学研究が必要です。

したがって、バイオプラスチックのリサイクルシステムは表3に示されています。

表3 バイオプラスチックリサイクルシステムの構築

3. 積層造形材料積層造形 (AM) は、最初のシートから材料を除去するのではなく、層を積み重ねて物体を製造するプロセスです。後者は、減算造形と呼ばれます。使用されるテクノロジの種類を図 7 に示します。

図6 6種類の積層造形技術

付加製造では、プラスチックポリマー、金属、ワックス、木材、セラミック材料、チョコレート、さらには人間の組織など、溶融または成形できるあらゆる材料を使用でき、コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアによって駆動されます。

付加製造の使用は、1987 年の最初の商業的応用から 2016 年の世界市場規模が 50 億米ドルに達するまで、過去 30 年間で急速に成長しました。積層造形装置の顧客の収益分布を図 8 に示します。従来の製造技術と比較して、積層造形はカスタマイズされた製品を迅速かつ低コストで生産できます。

図7. 積層造形装置の顧客の収益分布

付加製造は、迅速な試作、革新的な設計、小ロット生産、効率的な資源利用により、さまざまな産業の循環型経済への移行をサポートすることが期待されています。

（１）既存の障害まず、ユニークで複雑な多材料製品を生産する能力により、リサイクル性が低下します。積層造形技術の大規模なカスタマイズにより、異なる材料の組み合わせを同じ種類の製品に統合することが可能になりますが、これは有用な材料の分離と回収に大きな障害となります。 1 種類のポリマーのみで作られたおもちゃなど、形状のカスタマイズは脅威にならない可能性があります。しかし、複数の材料タイプのカスタマイズは扱いが困難です。リサイクル不可能な製品の増加を避けるために、AM 生産からどの材料の組み合わせと用途を避けるべきかを判断するために、セクター固有の分析を実施する必要があります。

2 つ目は、電子廃棄物への潜在的な貢献です。英国国内の3Dプリンター市場はまだ比較的小さい。 2013 年だけで 200 万台を超える従来の消費者向けプリンターが販売されたのに対し、2015 年 3 月の英国での消費者向け 3D プリンターの販売台数はわずか 10 万台と推定されています。 2030年までに米国とヨーロッパの全世帯の半数が3Dプリンターを所有すると予想されており、これが電子廃棄物問題の拡大に寄与する可能性があります。これを回避する 1 つの方法は、リースまたはサービスベースのビジネスモデルを通じて AM テクノロジの使用を拡大することです。ハードウェアのコストが比較的高いため、これらの方法は従来の商用プリンターの供給に広く使用されています。このようなサービスは通常、プリンターメーカーまたは専用の印刷サービス会社によって直接提供されます。さらに、3D プリンターは 3D センターを通じて利用可能になり、これらの新しいプラットフォームは地元で印刷したい人にも役立ちます。ハードウェアはまだ開発中であるため、再利用と再製造の可能性は設計段階で最大化できます。より耐久性の高いハードウェアにより、レンタルやサービスベースのビジネスモデルの収益性が向上します。

（２）機会 1つ目は、製品の耐久性、メンテナンス性、リサイクル性の再設計を実現することです。循環型経済の発展における現在の障害の 1 つは、ほとんどの製品がリサイクル性を考慮して設計されていないことです。したがって、積層造形技術を使用して製品の再設計コストを削減することで、製品の再利用、修理、リサイクルの範囲をさらに拡大できます。さらに、積層造形技術により、循環型経済のビジネスモデルにさらに適合した製品設計が可能になります。

2つ目は、再製造を支援することです。再製造と修理は、特にベアリングやシールなど、通常は修理不可能とみなされるアイテムに対する積層造形の新しい応用分野です。したがって、AM 技術をどの再製造およびどの分野に適用できるかをさらに決定し、それによって独立した再製造会社の実現可能性を高める必要があります。

3つ目は、小ロット生産や製造中止になったスペアパーツを生産することです。生産部品はすでに、積層造形技術の最も一般的な用途の 1 つです。付加製造技術は、スペアパーツの入手性が限られているという問題を克服し、オンデマンドでスペアパーツを製造できるため、製品の修理コストを削減できます。 AM ハードウェアのコストが削減されると、独自のスペアパーツを製造して簡単な修理作業を行う独立した修理会社や家庭の存続可能性も高まります。

しかし、スペアパーツの製造に積層造形法を使用する場合、いくつかの問題もあります。つまり、もともと積層造形を使用して製造されなかった部品を製造する場合、つまり関連するデジタル設計ファイルがない場合に、積層造形技術を適用できるかどうかです。重要な要素は、積層造形用の CAD ファイルの開発が容易であることです。 3D スキャン技術の利用可能性と高度化が進むことでこの問題は解決される可能性がありますが、知的財産と保証制限の設計上の問題には注意を払う必要があります。

4つ目は、資源利用効率の高い生産です。付加製造の明らかな魅力の 1 つは、生産に使用する材料の量を削減できることです。付加製造では余分な材料を除去するのではなく、積み重ねていくため、理論的には最終製品に必要な量の材料のみが使用されます。積層造形により、中空部品による材料の効率的な使用や、荷重支持領域への材料の選択的適用も可能になります。さらに、リサイクル可能な原材料の使用を増やし、未使用の印刷物や印刷物のリサイクルを強化することで、積層造形に使用される材料の環境への影響を軽減することができます。

付加製造が循環型経済に適した製品の設計と製造にどの程度役立つかは、対象となる製品の種類によって異なります。そのためには、各部門の製品構造、材料、コストの要件を満たすための技術力を見直す必要があります。表 4 は、循環型経済の成果を向上させるために AM 技術をすでに採用しているセクターを示しています。

表4 循環型経済の改善のために付加製造技術を採用した分野

循環型経済の実現に貢献する付加製造の可能性が最も高いのは、自動車および航空宇宙分野です。ハードウェアのコストが高く、耐用年数が長いため、これら 2 つのセクターでは多くの循環型経済の原則が採用されています。しかし、他の業界では、積層造形の使用に対する障壁を特定し、さらなる研究開発を通じてこれをどのように進歩させることができるかを特定する必要があります。障壁がコストである場合、テクノロジーのコストは時間の経過とともに最終的に低下します。障害が材料要件を満たすことができないことである場合、より的を絞った研究開発活動が必要です。
したがって、積層造形の材料リサイクルシステムは表5に示される。

表5 積層造形材料リサイクルシステムの構築

IV. 提案される対策
1. 製造業が新素材のライフサイクル全体を総合的に考慮できるよう支援する<br /> 開発段階では、メーカーは、材料のリサイクルと再利用を回避するために、つまり初期段階から耐用年数が長く、実用性が高い製品を設計するために、大量市場での新材料のリサイクルに影響を与える要因を決定します。

2. リサイクル材料の新しい用途の開発に協力する部門を支援する
サプライチェーン企業が連携し、材料価値を最大化する機会を最大限に活用し、一社だけでは実現できないシステムを開発できるよう支援します。たとえば、リサイクル業者と製造業者が協力することで、リサイクルされた材料が既存の生産プロセスに適合することが保証されます。

3. 新しいリサイクル可能な材料と新しいリサイクル技術の研究開発に資金を提供する<br /> 製品のライフサイクル終了時のリサイクルを常に考慮した、新素材の開発と導入に関する研究に対する公的資金提供。公共政策は、埋め立てや焼却といった価値の低い選択肢を奨励するのではなく、最高の価値と最低の環境影響を提供するリサイクルシステムの開発を促進すべきです。

出典：工業情報化部CCID原材料産業研究所のLi Danがまとめた

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