JP2018012793A - 繊維強化プラスチックの分解方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】菌体を用いた環境負荷の低い繊維強化プラスチックの分解方法の提供。【解決手段】バシラス属菌、及びアクロモバクター属菌のうちの少なくとも一方の菌体の存在下において、繊維強化プラスチック（例えば、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする炭素繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチック等）を分解する繊維強化プラスチックの分解方法。熱可塑樹脂がポリアミド樹脂である、繊維強化プラスチックの分解方法。【選択図】図４
Description
本発明は、繊維強化プラスチックの分解方法に関する。更に詳しくは、本発明は、菌体を用いた環境負荷の低い繊維強化プラスチックの分解方法に関する。
従来、炭素繊維とマトリックス樹脂との複合材料である炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、鉄やアルミニウム合金等の金属材料よりも強度が高く、軽量であり且つ安価であることから、自動車用途や航空用途等の幅広い分野において用いられている。そして、今後も需要が増加すると考えられている。
その一方で、ＣＦＲＰは自然に分解される材料ではなく、使用後の分解処理が、一般的なプラスチックよりも困難であり、効率の良い分解処理方法やリサイクル方法が模索されている。具体的な処理方法としては、例えば、（ａ）常圧にて、５００〜７００℃程度の高熱で処理する熱分解法、（ｂ）メタノール等のアルコール系溶媒を用い、１０ＭＰａにて、２５０〜３５０℃程度で処理する超臨界流体法、（ｃ）アルカリ金属塩触媒とベンジルアルコール等のアルコール系溶媒を用い、１〜４ＭＰａにて、３００〜４００℃程度で処理する亜臨界流体法、及び（ｄ）アルカリ金属塩触媒とベンジルアルコール等のアルコール系溶媒を用い、常圧にて、２００℃程度で処理する常圧溶解法等が提案されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１を参照）。
その一方で、ＣＦＲＰは自然に分解される材料ではなく、使用後の分解処理が、一般的なプラスチックよりも困難であり、効率の良い分解処理方法やリサイクル方法が模索されている。具体的な処理方法としては、例えば、（ａ）常圧にて、５００〜７００℃程度の高熱で処理する熱分解法、（ｂ）メタノール等のアルコール系溶媒を用い、１０ＭＰａにて、２５０〜３５０℃程度で処理する超臨界流体法、（ｃ）アルカリ金属塩触媒とベンジルアルコール等のアルコール系溶媒を用い、１〜４ＭＰａにて、３００〜４００℃程度で処理する亜臨界流体法、及び（ｄ）アルカリ金属塩触媒とベンジルアルコール等のアルコール系溶媒を用い、常圧にて、２００℃程度で処理する常圧溶解法等が提案されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１を参照）。
日立化成テクニカルレポートＮｏ５６（２０１３年）、６〜１１頁
しかしながら、ＣＦＲＰを処理する従来の方法では、高温雰囲気や高圧雰囲気とするために多大なエネルギーが必要であったり、有機溶剤が必要であったりするため、環境負荷が高いという問題があり、その影響も懸念されている。そのため、環境負荷のより低いＣＦＲＰの分解方法が求められているのが現状である。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、菌体を用いた環境負荷の低い繊維強化プラスチックの分解方法を提供することを目的とする。
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、繊維強化プラスチックの分解方法であって、バシラス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）属菌、及びアクロモバクター（Ａｃｈｒｏｍｏｂａｃｔｅｒ）属菌のうちの少なくとも一方の菌体の存在下において、繊維強化プラスチックを分解することを要旨とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記繊維強化プラスチックが、炭素繊維強化プラスチック又はガラス繊維強化プラスチックであることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記繊維強化プラスチックにおけるマトリックス樹脂が、熱可塑性樹脂であることを要旨とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂であることを要旨とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記繊維強化プラスチックが、炭素繊維強化プラスチック又はガラス繊維強化プラスチックであることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記繊維強化プラスチックにおけるマトリックス樹脂が、熱可塑性樹脂であることを要旨とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂であることを要旨とする。
本発明によれば、常温・常圧にて、微生物（特定の菌体）により繊維強化プラスチックを分解処理することができるため、高温雰囲気や高圧雰囲気が必要な従来の処理方法と比較して、環境負荷を大幅に低減化することができる。更には、環境に負荷をかけることなく、樹脂部分及び繊維部分を分離回収することができる。
ここで示される事項は例示的なものおよび本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明の繊維強化プラスチックの分解方法は、バシラス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）属菌、及びアクロモバクター（Ａｃｈｒｏｍｏｂａｃｔｅｒ）属菌のうちの少なくとも一方の菌体の存在下において、繊維強化プラスチックを分解することを特徴とする。
本発明の繊維強化プラスチックの分解方法は、バシラス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）属菌、及びアクロモバクター（Ａｃｈｒｏｍｏｂａｃｔｅｒ）属菌のうちの少なくとも一方の菌体の存在下において、繊維強化プラスチックを分解することを特徴とする。
上記菌体は、菌体自体、菌体を含む微生物群、菌体やそれを含む微生物群を培地中で生育培養させた培養液、菌体やそれを含む微生物群を凍結乾燥等により処理した粉末等の処理物等の形態で用いることができる。
生育培養の際に用いる生育培地としては、窒素源（例えば、硝酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、燐酸アンモニウム、炭酸アンモニウム等）、無機塩（例えば、硫酸マグネシウム、リン酸水素二カリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、塩化ナトリウム、塩化カルシウム等）、及び、エキス類（例えば、酵母エキス等）等を含む基本培地等が挙げられる。
この生育培地のｐＨは、４〜９が好ましい。培養温度は、２０〜７０℃が好ましく、より好ましくは２５〜３７℃である。また、培養時間は、２０〜９０日であることが好ましく、より好ましくは３０〜４０日である。
生育培養の際に用いる生育培地としては、窒素源（例えば、硝酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、燐酸アンモニウム、炭酸アンモニウム等）、無機塩（例えば、硫酸マグネシウム、リン酸水素二カリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、塩化ナトリウム、塩化カルシウム等）、及び、エキス類（例えば、酵母エキス等）等を含む基本培地等が挙げられる。
この生育培地のｐＨは、４〜９が好ましい。培養温度は、２０〜７０℃が好ましく、より好ましくは２５〜３７℃である。また、培養時間は、２０〜９０日であることが好ましく、より好ましくは３０〜４０日である。
上記繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）等が挙げられる。特に、本発明においては、繊維強化プラスチックが炭素繊維強化プラスチックであるものとすることができる。
また、上記繊維強化プラスチックとしては、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂（例えば、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン、メチルメタアクリレート等）であるものとすることができる。特に、本発明においては、このマトリックス樹脂がポリアミド樹脂であるものとすることができる。
また、上記繊維強化プラスチックとしては、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂（例えば、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン、メチルメタアクリレート等）であるものとすることができる。特に、本発明においては、このマトリックス樹脂がポリアミド樹脂であるものとすることができる。
繊維強化プラスチックを分解する具体的な処理方法としては、例えば、（１）処理対象となる繊維強化プラスチックを土壌に埋め（既に埋め立てられた繊維強化プラスチックであっても良い）、上述した形態の菌体を土壌に散布することで行う方法や、（２）培養装置内に、上述した生育培地、処理対象となる繊維強化プラスチック、及び上述した形態の菌体を配置することで行う方法等を挙げることができる。尚、培地のｐＨ及び培養温度については、上述の生育培地における各説明を適用することができる。
この際、繊維強化プラスチックの形状は特に限定されないが、細かく粉砕したり、フィルム状に加工して表面積を大きくするほど、分解効率を向上させることができる。尚、繊維の回収を目的とする場合には、あまり細かく粉砕しないことが好ましい。
また、生育培地に対する繊維強化プラスチックの配合割合は、特に限定されないが、生育培地を１００質量部とした場合に、２質量部以下（特に０．０１〜０．２質量部、更には０．０２〜０．１質量部）とすることができる。
更に、菌体の添加割合は、特に限定されないが、生育培地を１００体積部とした場合に、１体積部以下（特に０．０１〜０．８質量部、更には０．１〜０．５質量部）とすることができる。
また、生育培地に対する繊維強化プラスチックの配合割合は、特に限定されないが、生育培地を１００質量部とした場合に、２質量部以下（特に０．０１〜０．２質量部、更には０．０２〜０．１質量部）とすることができる。
更に、菌体の添加割合は、特に限定されないが、生育培地を１００体積部とした場合に、１体積部以下（特に０．０１〜０．８質量部、更には０．１〜０．５質量部）とすることができる。
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
（１）繊維強化プラスチック分解能の評価試験
＜実施例１〜１５＞
表１に示すｐＨに調整された液体培地［ＮＨ４ＮＯ３（０．２ｇ）、Ｋ２ＨＰＯ４（０．１ｇ）、ＮａＨ２ＰＯ４（０．１ｇ）、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ（０．０２ｇ）、酵母エキス（０．０１ｇ）、水（１００ｍＬ）］に、表１に示す繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）フィルム（１×１ｃｍ、０．０２ｇ）を入れ、その後、表１に示す菌体（１００μＬ）を接種し、常圧下、常温（３０℃）にて、３０日間静置培養した。
（１）繊維強化プラスチック分解能の評価試験
＜実施例１〜１５＞
表１に示すｐＨに調整された液体培地［ＮＨ４ＮＯ３（０．２ｇ）、Ｋ２ＨＰＯ４（０．１ｇ）、ＮａＨ２ＰＯ４（０．１ｇ）、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ（０．０２ｇ）、酵母エキス（０．０１ｇ）、水（１００ｍＬ）］に、表１に示す繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）フィルム（１×１ｃｍ、０．０２ｇ）を入れ、その後、表１に示す菌体（１００μＬ）を接種し、常圧下、常温（３０℃）にて、３０日間静置培養した。
尚、表１に示す各ＦＲＰフィルムは、以下のように作製し、滅菌処理されたものである。
（フィルムの作製及び滅菌処理方法）
下記のＣＦＲＰペレット又はＧＦＲＰペレットを１．０ｇ秤量し、蓋付き試験管に入れた。その後、ギ酸を１０ｍＬ程度加え、ペレットが溶解するまで撹拌した。溶解後、シャーレに注ぎ込み、ドラフト内において３時間、７０℃の条件で乾燥させた。次いで、得られたフィルム状物を１×１ｃｍの寸法に切断した。そして、そのフィルムを試験管に入れた後、上記液体培地を５ｍＬ分注し、１２１℃で１５分間の加圧滅菌処理を行い、評価試験に用いた。
（各ペレットの詳細）
ＣＦＲＰペレット；炭素繊維強化プラスチックペレット（東レ株式会社製、「トレカ ３１０１Ｔ−２０Ｖ」、マトリックス樹脂；ポリアミド６６、炭素繊維の含有割合；２０質量％）
ＧＦＲＰペレット；ガラス繊維強化プラスチックペレット（Ｄｕｐｏｎｔ社製、「ザイテル ７０Ｇ３３ＨＳＩＬ」、マトリックス樹脂；ポリアミド６６、ガラス繊維の含有割合；３３質量％）
（フィルムの作製及び滅菌処理方法）
下記のＣＦＲＰペレット又はＧＦＲＰペレットを１．０ｇ秤量し、蓋付き試験管に入れた。その後、ギ酸を１０ｍＬ程度加え、ペレットが溶解するまで撹拌した。溶解後、シャーレに注ぎ込み、ドラフト内において３時間、７０℃の条件で乾燥させた。次いで、得られたフィルム状物を１×１ｃｍの寸法に切断した。そして、そのフィルムを試験管に入れた後、上記液体培地を５ｍＬ分注し、１２１℃で１５分間の加圧滅菌処理を行い、評価試験に用いた。
（各ペレットの詳細）
ＣＦＲＰペレット；炭素繊維強化プラスチックペレット（東レ株式会社製、「トレカ ３１０１Ｔ−２０Ｖ」、マトリックス樹脂；ポリアミド６６、炭素繊維の含有割合；２０質量％）
ＧＦＲＰペレット；ガラス繊維強化プラスチックペレット（Ｄｕｐｏｎｔ社製、「ザイテル ７０Ｇ３３ＨＳＩＬ」、マトリックス樹脂；ポリアミド６６、ガラス繊維の含有割合；３３質量％）
＜比較例１〜４（コントロール）＞
菌体の接種を行わなかったこと以外は、実施例１と同様にして、３０日間静置した。
菌体の接種を行わなかったこと以外は、実施例１と同様にして、３０日間静置した。
（２）繊維強化プラスチックの分解率
実施例１〜１５及び比較例１〜４において、評価試験後のＦＲＰフィルムを取り出して重量を測定し、下記式より繊維強化プラスチックの分解率を算出した。その結果を表１に併記する。
分解率＝［（試験前のフィルム重量−試験後のフィルム重量）／試験前のフィルム重量］×１００（％）
実施例１〜１５及び比較例１〜４において、評価試験後のＦＲＰフィルムを取り出して重量を測定し、下記式より繊維強化プラスチックの分解率を算出した。その結果を表１に併記する。
分解率＝［（試験前のフィルム重量−試験後のフィルム重量）／試験前のフィルム重量］×１００（％）
（３）繊維強化プラスチック分解能の画像評価
＜実施例１６＞
ｐＨ７に調整された液体培地［ＮＨ４ＮＯ３（０．２ｇ）、Ｋ２ＨＰＯ４（０．１ｇ）、ＮａＨ２ＰＯ４（０．１ｇ）、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ（０．０２ｇ）、酵母エキス（０．０１ｇ）、水（１００ｍＬ）］に、ＣＦＲＰペレット［東レ株式会社製、「トレカ ３１０１Ｔ−２０Ｖ」］（０．２ｇ）を入れ、その後、バシラス属菌（１００μＬ）を接種し、常圧下、常温（３０℃）にて、３０日間静置培養した。
その後、実施例１６のＣＦＲＰペレットを液体窒素により凍結させた。その後、カッターで切断し、断面を形成した。次いで、表面及び断面を、グルタルアルデヒド及びオスミウムで固定し、アルコールで脱水した後、白金でコーティングした。そして、実施例１６のペレット表面及び断面をＳＥＭ観察し、その結果を図１〜図４に示した。
尚、図１、図２は実施例１６のペレット表面［倍率；５００倍（図１）、２５００倍（図２）］、図３、図４は実施例１６のペレット断面［倍率；５００倍（図３）、２５００倍（図４）］を示す。
＜実施例１６＞
ｐＨ７に調整された液体培地［ＮＨ４ＮＯ３（０．２ｇ）、Ｋ２ＨＰＯ４（０．１ｇ）、ＮａＨ２ＰＯ４（０．１ｇ）、ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ（０．０２ｇ）、酵母エキス（０．０１ｇ）、水（１００ｍＬ）］に、ＣＦＲＰペレット［東レ株式会社製、「トレカ ３１０１Ｔ−２０Ｖ」］（０．２ｇ）を入れ、その後、バシラス属菌（１００μＬ）を接種し、常圧下、常温（３０℃）にて、３０日間静置培養した。
その後、実施例１６のＣＦＲＰペレットを液体窒素により凍結させた。その後、カッターで切断し、断面を形成した。次いで、表面及び断面を、グルタルアルデヒド及びオスミウムで固定し、アルコールで脱水した後、白金でコーティングした。そして、実施例１６のペレット表面及び断面をＳＥＭ観察し、その結果を図１〜図４に示した。
尚、図１、図２は実施例１６のペレット表面［倍率；５００倍（図１）、２５００倍（図２）］、図３、図４は実施例１６のペレット断面［倍率；５００倍（図３）、２５００倍（図４）］を示す。
＜比較例５＞
菌体の接種を行わなかったこと以外は、実施例１６と同様にして、３０日間静置した。
その後、実施例１６と同様にして、ＳＥＭ観察し、その結果を図５及び図６に示した。 尚、図５、図６は比較例５のペレット断面［倍率；５００倍（図５）、２５００倍（図６）］を示す。
菌体の接種を行わなかったこと以外は、実施例１６と同様にして、３０日間静置した。
その後、実施例１６と同様にして、ＳＥＭ観察し、その結果を図５及び図６に示した。 尚、図５、図６は比較例５のペレット断面［倍率；５００倍（図５）、２５００倍（図６）］を示す。
（４）評価結果
表１によれば、バシラス属菌を接種した実施例１及び実施例３〜７（分解対象物；ＣＦＲＰフィルム）では、分解率が４．４５〜６．９５％であった。また、アクロモバクター属菌を接種した実施例２（分解対象物；ＣＦＲＰフィルム）では、分解率が３．３５％であった。更に、バシラス属菌を接種した実施例８〜１５（分解対象物；ＧＦＲＰフィルム）では、分解率が２．６０〜５．５５％であった。
これに対し、菌体を接種していない比較例１〜４（コントロール）では、それぞれ、分解率は０％であった。
表１によれば、バシラス属菌を接種した実施例１及び実施例３〜７（分解対象物；ＣＦＲＰフィルム）では、分解率が４．４５〜６．９５％であった。また、アクロモバクター属菌を接種した実施例２（分解対象物；ＣＦＲＰフィルム）では、分解率が３．３５％であった。更に、バシラス属菌を接種した実施例８〜１５（分解対象物；ＧＦＲＰフィルム）では、分解率が２．６０〜５．５５％であった。
これに対し、菌体を接種していない比較例１〜４（コントロール）では、それぞれ、分解率は０％であった。
また、図１及び図２によれば、実施例１６におけるＣＦＲＰペレットの表面には菌体が付着していることが確認できた。そして、その断面においては、図３及び図４に示すように、表面に近い領域において、網目構造が形成されていることが確認できた。
これに対し、菌体の接種を行っていない比較例５におけるＣＦＲＰペレットの断面においては、図５及び図６に示すように、網目構造は形成されていなかった。
これらの画像結果から、網目構造部位は、微生物（菌体）が内部まで浸食した痕跡であると推測することができる。
これに対し、菌体の接種を行っていない比較例５におけるＣＦＲＰペレットの断面においては、図５及び図６に示すように、網目構造は形成されていなかった。
これらの画像結果から、網目構造部位は、微生物（菌体）が内部まで浸食した痕跡であると推測することができる。
以上のことから、バシラス属菌又はアクロモバクター属菌を用いることで、炭素繊維強化プラスチック及びガラス繊維強化プラスチックを分解できることが確認できた。
そのため、本発明の分解方法によれば、常温・常圧にて、微生物（特定の菌体）により繊維強化プラスチックを分解処理することができ、高温雰囲気や高圧雰囲気が必要な従来の処理方法と比較して、環境負荷を大幅に低減化することができる。
そのため、本発明の分解方法によれば、常温・常圧にて、微生物（特定の菌体）により繊維強化プラスチックを分解処理することができ、高温雰囲気や高圧雰囲気が必要な従来の処理方法と比較して、環境負荷を大幅に低減化することができる。
前述の例は単に説明を目的とするものでしかなく、本発明を限定するものと解釈されるものではない。本発明を典型的な実施形態の例を挙げて説明したが、本発明の記述および図示において使用された文言は、限定的な文言ではなく説明的および例示的なものであると理解される。ここで詳述したように、その形態において本発明の範囲または精神から逸脱することなく、添付の特許請求の範囲内で変更が可能である。ここでは、本発明の詳述に特定の構造、材料および実施例を参照したが、本発明をここにおける開示事項に限定することを意図するものではなく、むしろ、本発明は添付の特許請求の範囲内における、機能的に同等の構造、方法、使用の全てに及ぶものとする。
本発明は上記で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形または変更が可能である。
本発明の繊維強化プラスチックの分解方法は、廃棄物処理分野やリサイクル分野において好適に用いることができる。
Claims (4)
- バシラス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ）属菌、及びアクロモバクター（Ａｃｈｒｏｍｏｂａｃｔｅｒ）属菌のうちの少なくとも一方の菌体の存在下において、繊維強化プラスチックを分解することを特徴とする繊維強化プラスチックの分解方法。
- 前記繊維強化プラスチックが、炭素繊維強化プラスチック、又はガラス繊維強化プラスチックである請求項１に記載の繊維強化プラスチックの分解方法。
- 前記繊維強化プラスチックにおけるマトリックス樹脂が、熱可塑性樹脂である請求項１又は２に記載の繊維強化プラスチックの分解方法。
- 前記熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂である請求項３に記載の繊維強化プラスチックの分解方法。
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|---|---|---|---|---|
| JP2020132781A (ja) * | 2019-02-21 | 2020-08-31 | トヨタ紡織株式会社 | 繊維強化プラスチックの分解方法 |
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| JP2001512504A (ja) * | 1997-02-17 | 2001-08-21 | バイエル・アクチエンゲゼルシヤフト | 酵素を用いた生分解性ポリマー類の分解 |
| JP2001329072A (ja) * | 2000-05-23 | 2001-11-27 | Toray Ind Inc | 炭素繊維強化樹脂複合体および成形品、ならびに炭素繊維の回収方法 |
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| JP2016060096A (ja) * | 2014-09-17 | 2016-04-25 | トヨタ自動車株式会社 | 熱可塑性樹脂材料を含んで構成された部品の製造方法及び熱可塑性樹脂材料を含んで構成された部品の製造装置。 |
-
2016
- 2016-07-21 JP JP2016143722A patent/JP6752469B2/ja active Active
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