特に安定したプラスチックは、多くの場合、生分解されることなく環境中で何世紀にもわたって持続します。研究者らは現在、これまで一般的だったプラスチック材料とほぼ同じくらい安定しているが、より分解しやすい多用途プラスチックポリエステルの新しい変種を開発した。これは、微生物酵素の開始点となる特別な切断点をポリマー鎖に組み込むことによって可能になります。初期テストでは、実験室の酵素は数日で新しいポリエステルを分解しましたが、堆肥化プラントでは微生物が分解するのに約 2 か月かかりました。したがって、このプラスチックは、たとえばポリエステル製のプラスチックフィルムなど、より環境に優しい代替品となる可能性があります。
プラスチックは、1 つまたはいくつかの基本的な化学構成要素の長い鎖で構成されています。これらのポリマーは、その構造に応じて、硬くて耐久性のあるものからゴム状で柔らかいものまで、幅広い特性を持つことができます。プラスチック製のバージョンは特に耐久性と安定性に優れ、その鎖は水素結合によって結晶のような構造を形成し、撥水性もあります。その一例として、高密度ポリエチレン (HDPE) が挙げられます。これは、プラスチック製の清掃用品ボトル、丈夫なフィルム、プラスチック パイプ、射出成形された家庭用品や包装材の製造に使用されます。しかし、その優れた安定性は、これらのプラスチックがほとんど分解されないことも意味します。プラスチックは、数十年から数世紀にわたって分解されずに環境中に残ります。コンスタンツ大学の上級著者ステファン・メッキング氏は、「結晶化度と撥水特性の組み合わせにより、微生物が所定の限界点に到達することがより困難になるため、一般に材料の生分解性が遅くなります」と説明する。
新しいポリエステルのバリエーション
したがって、メッキング氏のチームは、使用中に強くて耐久性がありながら、簡単にリサイクルして分解できるプラスチックを探しています。 HDPE のようなプラスチックでは、リサイクルの一環として基本構成要素を回収して新しいプラスチックとして使用できるようにする場合、多くの場合非常にエネルギーを消費し、非効率的になるためです。プラスチックの耐久性と分解性の間のこの想定される非互換性を回避する 1 つの戦略は、ポリマー鎖に化学的な「所定の切断点」を組み込むことです。化学者らは、これによってポリエチレン状プラスチックのリサイクル性が大幅に向上することをすでに示しています。しかし、このプラスチックはまだ生分解性ではありませんでした。今回、彼らはこの 2 番目の重要なステップにも成功しました。彼らは、工業的に求められている材料特性と優れた環境適合性を 1 つのプラスチックで組み合わせた新しいポリエステルを開発しました。
新しいプラスチック材料であるポリエステル-2,18 は、2 つの基本構成要素で構成されています。18 個の炭素原子を含むジカルボン酸 1,18-オクタデカンジカルボン酸と、2 個の炭素原子を含むエチレングリコールです。研究チームが説明しているように、どちらの基本構成要素も持続可能な原材料源から簡単に入手できます。たとえば、ジカルボン酸の出発原料は植物由来です。これらの基本単位を結合させることにより、高密度ポリエチレンに似た結晶構造を持ち、高い機械的安定性と耐熱性を備えたポリマーが生成されます。テストでは、PE-2.18 は HDPE と同様に高い圧縮強度と引張強度を示しました。
数日から数週間で解体
さらに重要なことは、この高い結晶化度と強度にもかかわらず、天然酵素を用いた実験室試験や工業用堆肥化プラントでの試験が示しているように、ポリエステルは驚くほど生分解性であるということです。 「私たちは、その劣化の速さに驚きました」とメッキング氏は言います。酵素は臨床検査で数日以内にプラスチックを分解することができた。堆肥化プラント内の微生物の育成には約 2 か月かかりました。 「もちろん、堆肥化プラントからの結果を、考えられるすべての環境状況に 1 対 1 で当てはめることはできません」と化学者は認めます。 「それでも、それらは材料の生分解性を実証しており、誤って環境に入った場合でもHDPEなどのプラスチックよりも耐久性が何倍も低いことを示しています。」
新しいポリエステルのリサイクル性とさまざまな環境条件下での生分解性の両方が今後さらに調査される予定です。メッキング氏は、この新素材の潜在的な用途として、たとえば 3D プリンティングや包装用フィルムの製造などに期待しています。結晶性と、リサイクル性および磨耗または同様の材料損失の分解性との組み合わせが望ましい他の分野もある。
出典: Marcel Eck (コンスタンツ大学) 他、Angewandte Chemie International Edition、 doi: 10.1002/anie.202213438
