プラスチック

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プラスチック語源et構造

プラスチックは、ポリマーを主成分として使用する幅広い合成または半合成材料です。それらの可塑性により、プラスチックをさまざまな形状の固体オブジェクトに成形押し出し、またはプレスすることが可能になります。この適応性に加えて、軽量、耐久性、柔軟性、安価な製造など、他のさまざまな特性により、広く使用されています。プラスチックは通常、人間の産業システムを通じて作られています。最新のプラスチックのほとんどは、天然ガス石油などの化石燃料ベースの化学物質に由来しています。; ただし、最近の工業的手法では、トウモロコシや綿の派生物などの再生可能な材料から作られたバリアントが使用されています。[1]

さまざまな種類のプラスチック製の家庭用品

先進国では、プラスチックの約3分の1が包装に使用されており、配管配管ビニールサイディングなどの用途の建物でもほぼ同じです。[2]その他の用途には、自動車(最大20%のプラスチック[2])、家具、おもちゃなどがあります。[2]発展途上国では、プラスチックの用途は異なる場合があります。インドの消費量の42%は包装に使用されています。[2]医療分野では、ポリマーインプラントおよびその他の医療機器は、少なくとも部分的にプラスチックに由来しています。世界中で、1人あたり年間約50 kgのプラスチックが生産されており、生産量は10年ごとに2倍になっています。

世界初の完全合成プラスチックは、1907年にニューヨークでレオベークランドによって発明されたベークライトであり[3]、「プラスチック」という用語を生み出しました。[4]プラスチックの異なるタイプの数十のような、今日製造されるポリエチレン広範に使用され、製品の包装、及びポリ塩化ビニル構造と、その強度及び耐久性のパイプで使用されます、。多くの化学者に貢献してきた材料科学を含む、プラスチックのノーベル賞受賞者ヘルマン・シュタウディンガー「の父と呼ばれている、高分子化学」とハーマンマーク「の父として知られている、高分子物理学」。[5]

20世紀初頭に始まったプラスチックの成功と優位性は、自然の生態系での分解速度が遅いため、広範な環境問題を引き起こしました。20世紀の終わりに向けて、プラスチック業界は、バージンプラスチックの生産を継続しながら、環境問題を緩和するためにリサイクルを推進しました。プラスチックを製造している主要企業は、当時のリサイクルの経済的実行可能性に疑問を抱いており、これは現代のプラスチックコレクションに反映されています。プラスチックの収集とリサイクルは、使用済みプラスチックの洗浄と選別が複雑であるため、ほとんど効果がありません。生産されたほとんどのプラスチックは再利用されておらず、埋め立て地に回収されるか、プラスチック汚染として環境に残留しています。プラスチック汚染は、世界のすべての主要な水域で見られます。たとえば、世界のすべての海にゴミベルトができたり、陸域の生態系が汚染されたりします。

プラスチックという言葉は、ギリシャ語のπλαστικός(プラスティコス)が「成形または成形可能」を意味し、πλαστός(プラストス)が「成形」を意味することに由来しています。[6]名詞として、この単語は最も一般的に石油化学製品から派生した製造の固体製品を指します。[7]

名詞の可塑性とは、ここでは特にプラスチックの製造に使用される材料の変形能を指します。可塑性により、フィルム、繊維、プレート、チューブ、ボトル、ボックスなど、さまざまな形状への成形、押し出し、または圧縮が可能になります。塑性はまた、固体物質の形の不可逆的な変化に言及するこの記事の範囲外の材料科学における技術的定義を持っています。

ほとんどのプラスチックには有機ポリマーが含まれています。[8]これらのポリマーの大部分は、酸素、窒素、または硫黄原子の結合の有無にかかわらず、炭素原子の鎖から形成されます。これらの鎖は、モノマーから形成された多くの繰り返し単位を含みます。各ポリマー鎖は、数千の繰り返し単位で構成されています。バックボーンは、上にあるチェーンの一部であるメインパス繰り返し単位の多数を一緒にリンクします。プラスチックの特性をカスタマイズするために、側鎖と呼ばれるさまざまな分子グループがこのバックボーンからぶら下がっています。それらは通常、モノマー自体が結合してポリマー鎖を形成する前に、モノマーからぶら下がっています。これらの側鎖の構造は、ポリマーの特性に影響を与えます。

プラスチックは通常、ポリマーの主鎖と側鎖の化学構造によって分類されます。このように分類される重要なグループには、アクリル、ポリエステル、シリコーン、ポリウレタン、およびハロゲン化プラスチックが含まれます。

プラスチックは、縮合、重付加、架橋など、合成に使用される化学プロセスによって分類できます。[9]

また、硬度、密度、引張強度、熱抵抗、ガラス転移温度などの物理的特性によって分類することもできます。

プラスチックはさらに、有機溶剤への暴露、酸化、電離放射線など、さまざまな物質やプロセスに対する耐性と反応によって分類できます。[10]

プラスチックの他の分類は、特定の目的のための製造または製品設計に関連する品質に基づいています。例としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、導電性ポリマー、生分解性プラスチック、エンジニアリングプラスチックおよびエラストマー。

熱可塑性樹脂と熱硬化性ポリマー

台所用品のプラスチック製の取っ手が熱で変形している

プラスチックの重要な分類の1つは、プラスチックを製造するために使用される化学プロセスが可逆的であるかどうかです。

熱可塑性プラスチックは、加熱しても組成が化学変化しないため、繰り返し成形することができます。例としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、およびポリ塩化ビニル(PVC)があります。[11]

熱硬化性樹脂、または熱硬化性ポリマーは、一度だけ溶けて形を成すことができます。固化した後は、固まったままです。[12]再加熱すると、熱硬化性樹脂は溶けるのではなく分解します。熱硬化性プロセスでは、不可逆的な化学反応が発生します。ゴムの加硫はこのプロセスの一例です。硫黄の存在下で加熱する前は、天然ゴム(ポリイソプレン)は粘着性があり、わずかに流動性のある材料です。加硫後、製品は乾燥して硬くなります。

アモルファスプラスチックと結晶性プラスチック

熱硬化性樹脂、ポリスチレン、メチルメタクリレート(PMMA)など、多くのプラスチックは完全にアモルファスです(高度に秩序化された分子構造はありません)[13]。結晶性プラスチックは、高密度ポリエチレン(HDPE)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)など、より規則的な間隔の原子のパターンを示します。ただし、一部のプラスチックは、分子構造が部分的にアモルファスで部分的に結晶性であるため、融点と1つ以上のガラス転移(局所的な分子の柔軟性の程度が大幅に増加する温度)の両方が得られます。これらのいわゆる半結晶性プラスチックには、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリアミド(ナイロン)、ポリエステル、および一部のポリウレタンが含まれます。

導電性高分子

本質的に導電性ポリマー(ICP)は、電気を伝導する有機ポリマーです。延伸配向で80のKS / cmの最大の導電率ながらポリアセチレン、[14] 、それはほとんどの金属のそれに接近していない、達成されました。たとえば、銅の抵抗率は数百kS / cmです。[15]

生分解性プラスチックおよびバイオプラスチック

生分解性プラスチック

生分解性プラスチックは、日光や紫外線にさらされると分解(分解)するプラスチックです。水または湿気; バクテリア; 酵素; または風による摩耗。ワックスワームやミールワームなどの昆虫による攻撃も、生分解の形態と見なすことができます。好気性分解ではプラスチックが表面に露出している必要がありますが、嫌気性分解は埋め立てや堆肥化システムで効果的です。一部の企業は、生分解を促進するために生分解性添加剤を製造しています。でんぷん粉末をフィラーとして添加して、一部のプラスチックをより簡単に分解できるようにすることができますが、そのような処理では完全な分解には至りません。一部の研究者は、ポリヒドロキシブチレート(PHB)などの完全に生分解性のプラスチックを合成するように細菌を遺伝子操作しています。ただし、これらは現在比較的コストがかかります。[16] [時間枠?]

バイオプラスチック

ほとんどのプラスチックは石油化学製品から製造されていますが、バイオプラスチックは実質的にセルロースやデンプンなどの再生可能な植物材料から製造されています。[17]化石燃料の埋蔵量の限界と、主にそれらの燃料の燃焼によって引き起こされる温室効果ガスのレベルの上昇の両方のために、バイオプラスチックの開発は成長分野です。[18] [19]バイオベースのプラスチックの世界的な生産能力は、年間327,000トンと推定されています。対照的に、世界をリードする石油化学製品由来のポリオレフィンであるポリエチレン(PE)とポリプロピレン(PP)の世界的な生産量は、2015年に1億5000万トンを超えると推定されました。[20]

一般的なプラスチック

このカテゴリには、コモディティ(標準)プラスチックとエンジニアリングプラスチックの両方が含まれます。

  • ポリアミド(PA)または(ナイロン):繊維、歯ブラシの毛、チューブ、釣り糸、およびエンジン部品やガンフレームなどの低強度の機械部品
iPhone 5c、ポリカーボネート製ユニボディシェルを搭載したスマートフォン
  • ポリカーボネート(PC):コンパクトディスク、眼鏡、暴動シールド、セキュリティウィンドウ、信号機、レンズ
  • ポリエステル(PES):繊維および繊維
  • ポリエチレン(PE):スーパーマーケットのバッグやペットボトルなど、さまざまな安価な用途
英国製のGEECO製プラスチック(LDPE)ボウル c。 1950年
  • 高密度ポリエチレン(HDPE):洗剤ボトル、ミルクジャグ、成形プラスチックケース
  • 低密度ポリエチレン(LDPE):屋外用家具、羽目板、床タイル、シャワーカーテン、クラムシェル包装
  • ポリエチレンテレフタレート(PET):炭酸飲料ボトル、ピーナッツバタージャー、プラスチックフィルム、電子レンジ対応パッケージ
カメルーンの農村地域で のモノブロックプラスチック製の椅子の使用 。ポリプロピレンで製造されたモノブロック は、世界で最も製造された椅子のデザインの1つです。
  • ポリプロピレン(PP):ボトルキャップ、ストロー、ヨーグルトコンテナー、電化製品、車のフェンダーとバンパー、およびプラスチック製の圧力パイプシステム
  • ポリスチレン(PS):発泡ピーナッツ、食品容器、プラスチック食器、使い捨てカップ、プレート、カトラリー、コンパクトディスク(CD)、カセットボックス
  • 耐衝撃性ポリスチレン(HIPS):冷蔵庫のライナー、食品包装、自動販売機のカップ
  • ポリウレタン(PU):緩衝フォーム、断熱フォーム、表面コーティング、印刷ローラー:現在6番目または7番目に最も一般的に使用されているプラ​​スチック、たとえば自動車で最も一般的に使用されているプラ​​スチック
  • ポリ塩化ビニル(PVC):配管パイプと側溝、電線/ケーブルの絶縁体、シャワーカーテン、窓枠、フローリング
  • ポリ塩化ビニリデン(PVDC):サランなどの食品包装
  • アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS):電子機器ケース(コンピューターモニター、プリンター、キーボードなど)および排水管
  • ポリカーボネート+アクリロニトリルブタジエンスチレン(PC + ABS):PCとABSのブレンドで、車の内外装部品や携帯電話のボディに使用されるより強力なプラスチックを作成します
  • ポリエチレン+アクリロニトリルブタジエンスチレン(PE + ABS):低負荷の乾式軸受で使用されるPEとABSの滑りやすいブレンド

スペシャリストプラスチック

  • フラン:鋳物砂や生物学的に得られた複合材料に使用されるフルフリルアルコールをベースにした樹脂
  • マレイミド/ビスマレイミド:高温複合材料に使用
  • メラミンホルムアルデヒド(MF):アミノプラストの1つで、フェノール樹脂のマルチカラー代替品として使用されます。たとえば、成形品(たとえば、子供用のセラミックカップ、プレート、ボウルの耐破損性代替品)および装飾された上面層紙ラミネート(例、Formica)
  • フェノールまたはフェノールホルムアルデヒド(PF):耐火性に優れた、高弾性で比較的耐熱性のあるポリマー。電気器具、紙ラミネート製品(Formicaなど)の断熱部品、および断熱フォームに使用されます。これは、おがくずの商品名である熱硬化性プラスチックであり、木粉などのフィラーと混合したり、未充填の液体の形でキャストしたり、フォーム(オアシ​​ス)としてキャストしたりすると、熱と圧力で成形できます。
  • プラスターチ:加工コーンスターチで構成された生分解性で耐熱性の熱可塑性プラスチック
  • ポリジケトエナミン(PDK):酸に浸して無限に形を変えることができる新しいタイプのプラスチック(現在、実験室でテスト中)[21] [時間枠?]
  • ポリエポキシド(エポキシ):接着剤、電気部品のポッティング剤、およびアミン、アミド、三フッ化ホウ素などの硬化剤との複合材料のマトリックスとして使用されます
  • ポリエーテルエーテルケトン(PEEK):強力で、耐薬品性および耐熱性の熱可塑性プラスチック。その生体適合性により、医療用インプラント用途や航空宇宙成形品での使用が可能になります。これは、最も高価な市販のポリマーの1つです。
  • ポリエーテルイミド(PEI)(Ultem):結晶化しない、高温で化学的に安定したポリマー
  • ポリイミド:カプトンテープなどの材料に使用される高温プラスチック
  • ポリ乳酸(PLA):生分解性の熱可塑性プラスチックを乳酸由来のさまざまな脂肪族ポリエステルに変換します。これは、かつて乳製品から製造されていたコーンスターチなどのさまざまな農産物を発酵させることで製造できます。
深さ10メートル(33フィート)のモントレーベイ水族館の水槽には、水圧に耐えるために最大33センチメートル(13インチ)の厚さのアクリル製の窓があります。
  • ポリメチルメタクリレート(PMMA)(アクリル):(オリジナルの「ハード」品種の)コンタクトレンズ、板ガラス(最高世界中の様々な商標名で、この形で知られている;例えばパースペックス、プレキシグラス、およびOroglas)、蛍光灯拡散、および車両用リアライトカバー。また、他の薬剤を使用して水に懸濁すると、芸術的および商業的なアクリル絵の具の基礎を形成します。
  • ポリスルホン:膜、ろ過材、給湯器ディップチューブおよびその他の高温用途で使用される高温溶融加工可能な樹脂
  • ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、またはテフロン:フライパン、配管テープ、ウォータースライドの非粘着性表面に使用される耐熱性の低摩擦コーティング
  • シリコーン(ポリシロキサン):主にシーラントとして使用されるが、高温調理器具や工業用塗料のベース樹脂としても使用される耐熱性樹脂
  • 尿素-ホルムアルデヒド(UF):フェノール類のマルチカラー代替品として使用されるアミノプラストの1つ:木材接着剤(合板、チップボード、ハードボード用)および電気スイッチハウジングとして使用

ベークライト

合成ポリマーをベースにした最初のプラスチックは、1907年に、ニューヨーク州に住むベルギー生まれのアメリカ人、レオ・ヘンドリック・ベークランドによって発明されました。彼は、電気モーターや発電機のワイヤーをコーティングするための絶縁シェラックを探していました。彼は、フェノール(C 6 H 5 OH)とホルムアルデヒド(HCOH)を組み合わせると粘着性の塊が形成され、その材料を木粉、アスベスト、またはスレートダストと混合して、強力で耐火性の「複合」材料を作成できることを発見しました。新しい材料は合成中に発泡する傾向があり、ベークランドは気泡を押し出し、滑らかで均一な製品を提供するために圧力容器を構築する必要がありました。[22]ベークライトは、彼自身にちなんで名付けられ、1909年に特許を取得しましたが、もともとは電気部品と機械部品に使用されていました。1920年代に一般的な商品やジュエリーで広く使用されるようになりました。純粋な合成材料であるベークライトは、初期の熱硬化性プラスチックでもありました。

ナイロン

デュポンコーポレーションは、ハーバード大学の化学者ウォーレスカロザースと化学部門のディレクターであるエルマーカイザーボルトンの指導の下、1927年にFiber66と呼ばれる秘密の開発プロジェクトを開始しました。Carothersの研究により、非常に丈夫で柔軟性のある合成ナイロン繊維が発見されました。最初の用途は歯ブラシの毛でした。Carothersと彼のチームは、ポリアミド6.6と4.6、およびポリエステルを含む多くの異なるポリアミドを合成しました。[23]

ナイロンは、最初の商業的に成功した合成熱可塑性ポリマーでした。最初の女性用ナイロンストッキング(ナイロン)は、1939年にニューヨーク市で開催された万国博覧会でデュポンによって紹介されました。ナイロンを精製し、そのバルク製造のための工業プロセスを開発するのに12年と2700万米ドルを要しました。1940年には、6,400万ペアのナイロンが販売されました。

米国が第二次世界大戦に突入したとき、デュポンがナイロンを生産するために開発した能力は、チラシや落下傘兵用の膨大な数のパラシュートの製造にシフトしました。戦争が終わった後、デュポンはナイロンの一般への販売を再開し、いわゆるナイロン暴動を引き起こした1946年の宣伝キャンペーンに従事しました。

その後、カプロラクタムなどの環化合物であるモノマーに基づいて、ポリアミド6、10、11、および12が開発されました。ナイロン66は縮合重合で製造された素材です。さまざまな種類のナイロンは依然として重要なプラスチックであり、そのバルク形態では、特にオイルを含浸させた場合、非常に耐摩耗性があります。ギア、すべり軸受、バルブシート、シールの製造に使用されます。また、耐熱性に優れているため、車両輸送用途やその他の機械部品にますます使用されています。

ポリメチルメタクリレート)

ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)は、アクリルまたはアクリルガラスとしても知られ、Plexiglas、Acrylite、Lucite、およびPerspexの商品名でも知られています。透明な熱可塑性プラスチックで、軽量または飛散防止の代替品としてシート状でよく使用されます。ガラス。PMMAは、鋳造樹脂として、インクやコーティングに利用することもでき、他にも多くの用途があります。

ポリスチレン

可塑化されていないポリスチレンは、プラスチックモデルキットや同様の小物を作るために使用されてきた、剛性があり、もろく、安価なプラスチックです。また、スチレンフォームまたは発泡スチロールの名前で最も人気のある「発泡」プラスチックの基礎でもあります。他のほとんどの発泡スチロールと同様に、発泡スチロールは、吸収性スポンジのように発泡気泡が相互接続された「オープンセル」形式と、小さな風船のようにすべての気泡が異なる「独立気泡」形式で製造できます。 、ガス充填発泡断熱材および浮選装置のように。1950年代後半に、脆性ではない耐衝撃性スチレンが導入されました。おもちゃの置物やノベルティの物質として現在多くの用途があります。

ポリ塩化ビニル

PVCは、その低コスト、耐薬品性、および接合の容易さから、下水管に広く使用されています。

ポリ塩化ビニル(PVC、一般に「ビニル」と呼ばれる)[24]は、塩素原子を組み込んでいます。バックボーンのC-Cl結合は疎水性であり、酸化(および燃焼)に抵抗します。PVCは、堅く、強く、耐熱性と耐候性があり、配管、側溝、家の羽目板、コンピューターのエンクロージャー、その他の電子機器での使用に適しています。PVCは化学処理で軟化させることもでき、この形でシュリンクラップ、食品包装、雨具に使用されています。

すべてのPVCポリマーは、熱と光によって劣化します。これが起こると、塩化水素が大気中に放出され、化合物の酸化が起こります。[25]塩化水素は空気中の水蒸気と容易に結合して塩酸を形成するため、[26]ポリ塩化ビニルは、銀、写真フィルム、または紙の長期保管には推奨されません(マイラーが望ましい)。[27]

ゴム

天然ゴムは、元々ラテックス(一部の植物の特殊な容器に見られる乳白色のコロイド懸濁液)に由来するエラストマー(弾性炭化水素ポリマー)です。これはこの形で直接役立ちます(実際、ヨーロッパで最初に登場したゴムは、ブラジルの未加硫ラテックスで防水された布でした)。しかし、1839年にチャールズグッドイヤーは加硫ゴムを発明しました。硫黄(および他のいくつかの化学物質)で加熱された天然ゴムの一種で、ポリマー鎖間に架橋を形成し(加硫)、弾性と耐久性を向上させます。1851年、ネルソングッドイヤーは、天然ゴム材料にフィラーを添加してエボナイトを形成しました。[28]

合成ゴム

最初の完全合成ゴムは1910年にセルゲイレベデフによって合成されました。第二次世界大戦では、南東アジアからの天然ゴムの供給遮断により、合成ゴム、特にスチレン-ブタジエンゴムの開発がブームになりました。1941年、米国での合成ゴムの年間生産量はわずか231トンでしたが、1945年には84万トンに増加しました。宇宙開発競争と核兵器競争では、カルテックの研究者がロケットの固体燃料に合成ゴムを使用する実験を行いました。最終的に、すべての大型の軍用ロケットとミサイルは合成ゴムベースの固体燃料を使用し、民間の宇宙活動においても重要な役割を果たします。

添加剤は、パフォーマンス機能を強化するためにプラスチックにブレンドされたさまざまな有機または無機化合物で構成されています。[29]追加される量は大幅に異なる可能性があります。たとえば、PVCの重量の70%が可塑剤である可能性がありますが、顔料は1%未満である可能性があります。[29]プラスチックに関連する多くの論争は、実際には添加剤に関係しています。[30] [31] [29] [さらに説明が必要]

典型的な添加剤は次のとおりです。

着色剤

プラスチック着色剤は、プラスチックの着色に使用される化合物です。これらの化合物は、染料と顔料の形で提供されます。着色剤の種類は、着色する必要のある高分子樹脂の種類に基づいて選択されます。[要出典]染料は通常、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリルポリマーで使用されます。顔料は、ポリオレフィンでの使用に適しています。[32] [33]

着色剤は、例えば、化合物は、である必要があり、様々な制約を満たさなければならない[34] 、ベース樹脂と化学的に適合する色標準(例えば、参照と適切な一致である国際カラーコンソーシアム)、である化学的に安定し、この場合、手段は、あります製造工程でのストレスや加工温度(熱安定性)に耐え、製品の寿命に見合うだけの耐久性があります。

化合物のパラメータは、真珠光沢、金属、蛍光、リン光、サーモクロミック、またはフォトクロミックである最終製品を含む、所望の効果によって変化する。[35]

正確な化学式はさらに、用途のタイプによって異なります:汎用、食品接触アイテム、おもちゃ、CONEGの対象となるパッケージ、[36]など。[35]

成形プラスチックに着色剤を供給するさまざまな方法には、 マスターバッチ(濃縮物)、濃縮物を樹脂に分離する方法、天然ポリマーであるキューブブレンド(「ソルト&ペッパーミックス」-ドライブレンド)、すでに天然ポリマーにスプレーされている方法などがあります。 コーティング、およびプレカラー樹脂。プレカラー材料を使用して製造を安価にします。 [37] [38]

フィラーと補強材

類似しているように見えますが、これらの添加剤は異なる目的を果たします。フィラーは、コストと重量を削減するためにポリマーに追加される不活性で低コストの材料です。[39]例としては、チョーク、でんぷん、セルロース、木粉、酸化亜鉛などがあります。機械的損傷に対してポリマーを強化するために、補強材を追加することができます。例としては、炭素繊維を追加して繊維強化プラスチックを形成することが含まれます。[28]

難燃剤

難燃剤 という用語 は、プラスチックや 繊維、表面仕上げや コーティングなどの製造材料に添加されるさまざまな化学物質のグループを含みます 。難燃剤は、発火源の存在によって活性化さ れ、さまざまな物理的および化学的方法による発火のさらなる進展を防止または遅らせることを目的としています。それらは、重合プロセス中にコポリマーとして添加される か、または後で成形または押出プロセスでポリマーに添加される か、または(特に繊維の場合)局所仕上げとして適用され得る。 [40]ミネラル難燃剤は通常添加剤ですが、 有機ハロゲンおよび 有機リン化合物は反応性または添加剤のいずれかです。

可塑剤

可塑剤は、プラスチックの柔軟性とレオロジーを改善するために使用され、フィルムやケーブルの製造に重要です。質量で、それらはしばしば最も豊富な添加剤です[31]が、これはポリマー間で大幅に異なります。世界の生産量の約80〜90%がPVCで使用されており[41]、それ自体が質量で最大70%の可塑剤で構成されている可能性があります。セロハンなどのセルロースプラスチックも、かなりの量の可塑剤を使用します。[29]比較すると、ポリエチレンテレフタレート(PET)には可塑剤がほとんどまたはまったく存在しません。フタル酸エステル類は、内分泌かく乱物質としての潜在的な健康への影響について一般の人々が懸念しているにもかかわらず、依然として最も一般的なクラスの可塑剤です。

安定剤

ポリマー安定剤は、溶融プラスチックの成形および鋳造中に重要ですが、UV光、酸化、およびその他の力から生じるポリマーの劣化を抑制することにより、ポリマーの寿命を延ばします。したがって、典型的な安定剤は、紫外線を吸収するか、抗酸化剤として機能します。

他のクラス

離型剤

離型剤は、プラスチック製品の製造中に、射出成形などで金型に付着するのを防ぐために使用されます。スリップ添加剤も同様に、加工中にポリオレフィンフィルムが金属表面に付着するのを防ぐために使用されます。エルカミドとオレアミドが一般的な例です。

殺生物剤

プラスチック表面の有機体の成長を防ぐために殺生物剤が添加されます。これは通常、プラスチックの抗菌剤を作ることを目的としています。殺生物剤の大部分は、軟質PVCおよび発泡ポリウレタンに添加されます。化合物には、イソチアゾリノン、トリクロサン、ヒ素および有機スズ化合物が含まれます。

純粋なプラスチックは水に溶けないため毒性が低く、分子量が大きいため生化学的に不活性です。プラスチック製品にはさまざまな添加剤が含まれていますが、その一部は有毒である可能性があります。[42]たとえば、アジピン酸塩やフタル酸エステルなどの可塑剤は、食品包装、おもちゃ、その他の多くのアイテムで使用するのに十分な柔軟性を持たせるために、PVCなどの脆いプラスチックに添加されることがよくあります。これらの化合物の痕跡は、製品から浸出する可能性があります。このような浸出液の影響に対する懸念から、EUは一部の用途でDEHP(フタル酸ジ-2-エチルヘキシル)およびその他のフタル酸エステルの使用を制限し、米国はDEHP、DPB、BBP、DINP、DIDPの使用を制限しています。、および消費者製品安全性向上法による子供のおもちゃおよび育児用品のDnOP。ポリスチレン製の食品容器から浸出するいくつかの化合物は、ホルモン機能を妨げることが提案されており、ヒトの発がん性物質(発がん性物質)が疑われています。[43]潜在的に懸念される他の化学物質には、アルキルフェノールが含まれます。[31]

完成したプラスチックは無毒である可能性がありますが、その親ポリマーの製造に使用されるモノマーは有毒である可能性があります。場合によっては、適切な処理が行われない限り、これらの化学物質の少量が製品に閉じ込められたままになる可能性があります。たとえば、世界保健機関の国際がん研究機関(IARC)は、PVCの前駆体である塩化ビニルをヒトの発がん性物質として認識しています。[43]

ビスフェノールA(BPA)

一部のポリマーは、加熱するとモノマーやその他の有毒物質に分解することもあります。2011年には、「ほぼすべてのプラスチック製品」がエストロゲン活性のある放出された化学物質をサンプリングしたと報告されましたが、研究者はそうでないプラスチックをいくつか特定しました。[44]ポリカーボネートの主要な構成要素であるビスフェノールA(BPA)は、食品に浸出する可能性のあるエストロゲン様の内分泌かく乱物質です。[43]環境衛生の観点からの研究では、ブリキ缶、歯科用シーラント、およびポリカーボネートボトルのライニングから浸出したBPAが、実験動物の子孫の体重を増加させる可能性があることがわかっています。[45]より最近の動物研究は、BPAへの低レベルの曝露でさえインスリン抵抗性をもたらし、それが炎症や心臓病につながる可能性があることを示唆しています。[46] 2010年1月の時点で、ロサンゼルスタイムズは、米国食品医薬品局(FDA)がBPAの癌との関連の兆候を調査するために3000万ドルを費やしていると報告しました。[47] PVCベースのプラスチックラップに存在するアジピン酸ビス(2-エチルヘキシル)も、新車の臭いに存在する揮発性有機化合物と同様に懸念されます。EUは、玩具へのフタル酸エステルの使用を恒久的に禁止しています。2009年、米国政府はプラスチックに一般的に使用される特定の種類のフタル酸エステル類を禁止しました。[48]

プラスチックの開発は、天然プラスチック材料(ガムやシェラックなど)の使用から、これらの材料の化学修飾(天然ゴム、セルロース、コラーゲン、乳タンパク質など)の使用、そして最終的には完全合成へと進化しました。プラスチック(例、ベークライト、エポキシ、PVC)。初期のプラスチックは、有機ポリマーである卵や血液タンパク質などの生物由来の材料でした。紀元前1600年頃、メソアメリカ人はボール、バンド、置物に天然ゴムを使用していました。[2]中世には、処理された牛の角が提灯の窓として使用されていました。角の特性を模倣した材料は、乳タンパク質を灰汁で処理することによって開発されました。19世紀には、産業革命の間に化学が発達するにつれて、多くの材料が報告されました。プラスチックの開発は、チャールズ・グッドイヤーが1839年に天然ゴムを硬化させる加硫を発見したことで加速しました。

バーミンガム科学博物館の公園を記念する盾

1855年にアレクサンダーパークスによって発明され、翌年に特許を取得したパーケシン[49]は、最初の人工プラスチックと見なされています。硝酸を溶媒として処理したセルロース(植物の細胞壁の主成分)から製造されました。プロセスの出力(一般に硝酸セルロースまたはピロキシリンとして知られている)は、アルコールに溶解し、加熱すると成形できる透明で弾力性のある材料に硬化する可能性があります。[50]顔料を製品に組み込むことにより、象牙に似せることができます。Parkesineは、1862年にロンドンで開催された国際展示会で発表され、Parkesの銅メダルを獲得しました。[51]

1893年、フランスの化学者Auguste Trillatは、ホルムアルデヒドに浸してカゼイン(乳タンパク質)を不溶化する手段を発見し、ガラリスとして販売されている材料を製造しました。[52] 1897年、ドイツのハノーバーにある大量印刷機の所有者であるWilhelm Krischeは、黒板の代替品の開発を依頼されました。[52]カゼインから作られた角のようなプラスチックは、オーストリアの化学者(Friedrich)のAdolph Spitteler(1846–1940)と協力して開発されました。意図された目的には不適切ですが、他の用途が発見されるでしょう。[53]

世界初の完全合成プラスチックだったベークライトによって1907年にニューヨークで発明され、レオ・ベークランド、[3]の用語造語プラスチックを[54]多くの化学者に貢献してきた材料科学ノーベル賞受賞者を含め、プラスチックのヘルマン・シュタウディンガー「の父と呼ばれている、高分子化学、」とハーマンマークとして知られている「の父ポリマー物理学。」[55]

第一次世界大戦後、化学の進歩により新しい形のプラスチックが爆発的に増加し、1940年代と1950年代に大量生産が始まりました。[56]新しいポリマーの波の初期の例の中には、ポリスチレン(1930年代にBASFによって最初に製造された)[2]とポリ塩化ビニル(1872年に最初に作成されたが、1920年代後半に商業的に製造された)がありました。[2] 1923年、Durite Plastics、Inc。はフェノールフルフラール樹脂の最初のメーカーでした。[57] 1933年、ポリエチレンはインペリアルケミカルインダストリーズ(ICI)の研究者であるレジナルドギブソンとエリックフォーセットによって発見された。[2]

ポリエチレンテレフタレートの発見は、1941年に英国のCalico Printers'Associationの従業員の功績によるものです。米国およびICIの場合はデュポンにライセンス供与され、それ以外の場合は、多くの状況でガラスの代替品として適切な数少ないプラスチックの1つとしてライセンス供与され、ヨーロッパでボトルが広く使用されるようになりました。[2] 1954年に、ポリプロピレンはジュリオナッタによって発見され、1957年に製造が開始されました。[2]また、1954年に、発泡スチロール(断熱材、包装、カップの構築に使用)がダウケミカルによって発明されました。[2]

プラスチック製造は化学産業の主要な部分であり、業界のリーダーであるBASFやDow Chemicalなど、世界最大の化学企業のいくつかが初期の頃から関わってきました。

ポリマータイプによる一次プラスチック生産

2014年の上位50社の売上高は9,613億米ドルでした。[58]企業は合計で約18カ国から来ており、リストにある企業の半数以上が米国に本社を置いています。プラスチック企業上位50社の多くは、米国が12か国、日本が8か国、ドイツが6か国の3か国に集中していました。BASFは9年連続で世界最大の化学製品メーカーでした。[58]

業界標準

プラスチックの多くの特性は、次のようにISOによって指定された規格によって決定されます。

  • ISO 306 –熱可塑性プラスチック

プラスチックの特性の多くは、UL規格、Underwriters Laboratories(UL)によって指定されたテストによって決定されます。

  • 可燃性– UL94
  • 高電圧アークトラッキングレート– UL746A
  • 比較追跡指数

2050年までに魚よりも海洋にプラスチックが多くなることを示すコミュニケーションキャンペーンのインフォグラフィック

ほとんどのプラスチックの化学構造は耐久性を高めるため、多くの自然劣化プロセスに耐性があります。この材料の多くは、琥珀などの構造的に類似した天然材料の持続性が実証されていることを考えると、何世紀にもわたって持続する可能性があります。

前世紀にどれだけのプラスチック廃棄物が発生したかについては、さまざまな見積もりがあります。ある推定では、1950年代以降、10億トンのプラスチック廃棄物が廃棄されています。[59]他の人々は、プラスチックの累積人間生産量は83億トンであり、そのうち63億トンは廃棄物であり、リサイクル率はわずか9%であると推定している。[60]

オーシャン・コンサーバンシーは、中国、インドネシア、フィリピン、タイ、ベトナムが結合されたすべての他の国よりも海の中に多くのプラスチックダンプすることを報告しました。[61]揚子江、インダス川、イエロー川、ハイ川、ナイル川、ガンジス川、パール川、アムール川、ニジェール川、メコン川は「世界の[プラスチック]負荷の88%から95%を海に輸送している」。[62] [63] [引用符の句読点を確認する]

食物連鎖内のプラスチック、特にマイクロプラスチックの存在は増加しています。1960年代に、マイクロプラスチックが海鳥の腸で観察され、それ以来、濃度が増加することが発見されました。[64]食物連鎖におけるプラスチックの長期的影響はよくわかっていません。2009年には、現代の廃棄物の10%がプラスチックであると推定されましたが[56]、推定値は地域によって異なります。[64]一方、海域の残骸の50%から80%はプラスチックです。[64]

モントリオール議定書以前は、CFCはプラスチックポリスチレンの製造に一般的に使用されていましたが、その製造はオゾン層の破壊に寄与していました。

マイクロプラスチック

ドイツの4つの川からの堆積物中のマイクロプラスチック。白い矢印で示されているさまざまな形に注意してください。(白いバーはスケールの1 mmを表します。)
マイクロプラスチックサンプル

米国海洋大気庁(NOAA)[66] [67]および欧州化学機関によると、マイクロプラスチックは長さが5 mm(0.20インチ未満のあらゆる種類のプラスチック[65]の断片です。[68]それらは、化粧品、衣類、および工業プロセスを含むさまざまなソースから自然の生態系に入ります。

マイクロプラスチックの2つの分類が現在認識されています。一次マイクロプラスチックは、環境に入る前にすでに5.0mm以下のサイズのプラスチックの破片または粒子です。これらには、衣類、マイクロビーズ、およびプラスチックペレット(ナードルとも呼ばれます)からのマイクロファイバーが含まれます。[69] [70] [71]二次マイクロプラスチックは、環境に入った後の自然風化プロセスによる大型プラスチック製品の劣化(分解)から発生します。このような二次マイクロプラスチックの供給源には、水やソーダのボトル、漁網、ビニール袋、電子レンジの容器、ティーバッグなどがあります。[71] [72] [73]どちらのタイプも、特に水生および海洋生態系において、高レベルで環境に存続することが認識されています。[74]しかしながら、マイクロプラスチックは大気および陸域の生態系にも蓄積します。マクロプラスチックという用語は、マイクロプラスチックをペットボトルなどのより大きなプラスチック廃棄物と区別するために使用されます。

プラスチックはゆっくりと分解するため(多くの場合、数百年から数千年以上)、[75] [76]マイクロプラスチックは、多くの生物の体や組織に摂取、取り込み、蓄積する可能性が高くなります。海と流出の両方から来る有毒化学物質も食物連鎖を生物拡大する可能性があります。[77] [78]陸域生態系では、マイクロプラスチックが土壌生態系の生存率を低下させ、ミミズの体重を減少させることが実証されています。[79] [80]環境中のマイクロプラスチックの周期と動きは完全にはわかっていませんが、この現象を調査するための研究が現在進行中です。中国の深層海洋堆積物調査(2020)は、プラスチックの発明よりもはるかに古い堆積層にプラスチックが存在することを示しており、表面サンプルの海洋調査ではマイクロプラスチックの過小評価が疑われています。[81] [82]

海洋環境で確認されたマイクロプラスチック繊維
ハイキングトレイルに隣接する光分解されたビニール袋。屋外に3か月間さらされた後、1〜25mmのサイズで約2,000個。

プラスチックの分解

プラスチックは廃棄物の約10%を占めています。最も一般的なプラスチックは容易に生分解されないことはよく知られていますが、それでもさまざまなプロセスを介してポリマーが分解されます。その中で最も重要なのは通常、光酸化です。プラスチックと樹脂は、その化学組成に応じて、汚染物質の吸収と吸着に関連するさまざまな特性を持っています。ポリマーの海洋劣化は、塩水環境と海の冷却効果の結果としてはるかに長くかかり、特定の環境でのプラスチックの破片の持続に寄与します。[64]しかしながら、最近の研究は、太陽、雨、および他の環境条件への暴露のために、海洋のプラスチックが以前に考えられていたよりも速く分解し、ビスフェノールAなどの有毒化学物質の放出をもたらすことを示しました。しかし、海洋でのプラスチックの量の増加により、分解は遅くなりました。[83]海洋保護区は、いくつかのプラスチック製品の分解速度を予測しています。発泡プラスチックカップは50年、プラスチック飲料ホルダーは400年、使い捨ておむつは450年、釣り糸は劣化するのに600年かかります。[84]

プラスチックを分解する可能性のある微生物種は科学的に知られており、そのいくつかは特定のクラスのプラスチック廃棄物の処分に役立つ可能性があります。

  • 1975年、ナイロン工場からの廃水を含む池を研究している日本の科学者のチームは、6-アミノヘキサン酸の線状二量体など、ナイロン6製造の特定の副産物を消化するフラボバクテリウムの菌株を発見しました。[85]ナイロン4(ポリブチロラクタム)は、シュードモナス属のND-10およびND-11鎖によって分解される可能性がありますスラッジに含まれ、副産物としてGABA(γ-アミノ酪酸)を生成します。[86]
  • エクアドルの真菌ペスタロチオプシスの2種を含む、いくつかの種の土壌真菌がポリウレタンを消費する可能性があります[87]。それらは、好気的および嫌気的の両方でポリウレタンを消費する可能性があります(埋め立て地の底など)。[88]
  • メタン生成微生物コンソーシアムは、スチレンを炭素源として使用してスチレンを分解します。[89] Pseudomonas putidaは、スチレンオイルをさまざまな生分解性プラスチック|生分解性ポリヒドロキシアルカノエートに変換することができます。[90] [91]
  • デンプンと混合された土壌サンプルから分離された微生物群集は、ポリプロピレンを分解できることが示されています。[92]
  • 真菌アスペルギルスフミガーツスは、可塑化されたPVCを効果的に分解します。[93] Phanerochaete chrysosporiumは、PVC上でミネラル塩寒天培地で培養されています。[94] P. chrysosporiumLentinus tigrinusA。niger、およびA.sydowiiもPVCを効果的に分解できます。[95]
  • 一般にベークライトとして知られているフェノール-ホルムアルデヒドは、白色腐朽菌P.chrysosporiumによって分解されます。[96]
  • アシネトバクターは、低分子量ポリエチレンオリゴマーを部分的に分解することがわかっています。[86] Pseudomonas fluorescensSphingomonasを組み合わせて使用​​すると、3か月以内にビニール袋の重量の40%以上を分解する可能性があります。[97]好熱性細菌ブレビバチルス・ボルステレンシス(707株)は土壌サンプルから分離され、50℃でインキュベートしたときに唯一の炭素源として低密度ポリエチレンを使用できることがわかりました。プラスチックを紫外線に前もってさらすと、化学結合が壊れ、生分解が促進されました。UV照射期間が長いほど、劣化が促進されます。[98]
  • ゴムを消化可能な形に分解する危険なカビが宇宙ステーションで発見されました。[99]
  • 酵母、バクテリア、藻類、地衣類のいくつかの種が、博物館や遺跡の合成ポリマーの遺物で成長しているのが発見されています。[100]
  • サルガッソ海のプラスチック汚染水域では、さまざまな種類のプラスチックを消費するバクテリアが発見されています。しかし、これらのバクテリアが単にそれらを海洋微生物生態系に放出するのではなく、どの程度効果的に毒を浄化するかは不明です。
  • プラスチックを食べる微生物も埋め立て地で発見されています。[101]
  • ノカルディアはエステラーゼ酵素でPETを分解する可能性があります。[要出典]
  • ベリーズで見つかった真菌Geotrichumcandidumは、CDで見つかったポリカーボネートプラスチックを消費することがわかっています。[102] [103]
  • Futuroの家は、ガラス繊維強化ポリエステル、ポリエステルポリウレタン、およびPMMAでできています。そのような家の1つは、シアノバクテリア古細菌によって有害に劣化していることがわかりました。[104] [105]
リサイクルのための手動の材料トリアージ。

リサイクル

プラスチックのリサイクルは、回収の過程でスクラップや廃プラスチックを、有用な製品に材料を再処理します。プラスチック包装の意図的に誤解を招く記号と多くの技術的ハードルのために、プラスチックの10%未満がこれまでにリサイクルされました。[106] [107]金属の儲かるリサイクルと比較して、そしてガラスのリサイクルの価値が低いのと同様に、プラスチックポリマーのリサイクルは密度が低く価値が低いためにしばしばより困難です。

材料回収施設は、プラスチックの選別と処理を担当しています。2019年の時点で、経済的実行可能性の制限により、これらの施設はプラスチックサプライチェーンに有意義な貢献をするのに苦労しています。[108]プラスチック業界は、ほとんどのプラスチックの再資源化するため、これらの制限の可能性は低いであることを、少なくとも1970年代から知られています。しかし、業界はリサイクルの拡大を働きかけ、これらの企業はバージンプラスチックの生産量を増やし続けています。[109] [110]

さまざまな種類のプラスチックが一緒に溶けると、油と水のように相分離し、これらの層に固まる傾向があります。相境界があることを意味し、得られた材料の構造的弱点を引き起こすポリマーブレンドは唯一の限られた用途に有用です。これが、プラスチック業界が樹脂識別コードを開発した理由の一部です。最も広く製造されている2つのプラスチック、ポリプロピレンとポリエチレンはこのように動作するため、リサイクルへの有用性が制限されます。プラスチックをリサイクルするたびに、材料の完全性を向上させるために、追加の未使用材料を追加する必要があります。そのため、再生プラスチックでも新しいプラスチック素材が追加されています。また、同じプラスチックでも2〜3回しかリサイクルできません。[111]したがって、プラスチックに樹脂コードがある場合、またはリサイクルのために収集された場合でも、実際にリサイクルされるのはその材料のごく一部にすぎません。たとえば、2017年の時点で、米国のプラスチックの8%しかリサイクルされていません。[112]

ほとんどすべてのプラスチックは非 生分解性であるため、 リサイクルは廃棄物の流れの中のプラスチックを減らすことの一部になり得ます。これは、たとえば、毎年地球の海に流入する約800万メートルトンの廃プラスチックを削減するために重要 です。 [113] [114]しかし、リサイクルは複雑であるため、リサイクルのために収集されたかなりの量のプラスチックは、ごみ焼却などの他の方法で 処理されるか、まったく処理されません。

気候変動

2019年、国際環境法センターは、プラスチックが気候変動に与える影響に関する新しいレポートを発表しました。報告書によると、プラスチックは2019年に8億5000万トンの二酸化炭素(CO2)に相当する温室効果ガスを大気に放出します。現在の傾向が続く場合、年間排出量は2030年までに13.4億トンに増加します。2050年までに、プラスチックは560億トンの温室効果ガス排出量を排出します。これは、地球の残りの炭素収支の14%に相当します。[115]

プラスチックが地球温暖化に及ぼす影響はまちまちです。プラスチックは一般的に石油から作られています。プラスチックを焼却すると、炭素排出量が増加します。生分解性プラスチックはメタンの排出を引き起こしましたが、埋め立て地に置くと炭素吸収源になります[116][117]プラスチックはガラスや金属に比べて軽いため、プラスチックはエネルギー消費を削減する可能性があります。たとえば、飲料をガラスや金属ではなくPETプラスチックで包装すると、輸送エネルギーを52%節約できると推定されています。[2]

プラスチックの製造

原油からのプラスチックの生産には、7.9〜13.7 kWh / lbが必要です(米国のユーティリティステーションの平均効率35%を考慮に入れると)。最新の電子機器用のシリコンと半導体の製造は、さらにエネルギーを消費します。シリコンの場合は29.2〜29.8 kWh / lb、半導体の場合は約381 kWh / lbです。[118]これは、他の多くの材料を生産するために必要なエネルギーよりもはるかに高いです。たとえば、(鉄鉱石から)鉄を生産するには、2.5〜3.2 kWh / lbのエネルギーが必要です。ガラス(砂などから)2.3〜4.4 kWh / lb; 鋼(鉄から)2.5–6.4 kWh / lb; および紙(木材から)3.2〜6.4 kWh / lb。[119]

プラスチックの焼却

850°C以上で2秒間の制御された高温焼却[要出典]は、選択的な追加加熱で実行され、プラスチックの燃焼から有毒なダイオキシンとフランを分解し、都市ごみ焼却で広く使用されています。地方自治体の固形廃棄物焼却炉には、通常、汚染物質をさらに削減するための煙道ガス処理も含まれています。プラスチックを制御せずに焼却すると、発がん性物質(発がん性化学物質)であるポリ塩化ジベンゾ-p-ダイオキシンが生成されるため、これが必要になります。この問題は、廃棄物の流れの熱容量が変化するために発生します。[120]プラスチックの野外燃焼は低温で起こり、通常そのような有毒ガスを放出します。

熱分解処分

プラスチックには水素と炭素が含まれているため、プラスチックは熱分解して炭化水素燃料にすることができます。1キログラムの廃プラスチックはおよそ1リットルの炭化水素を生成します。[121]

  • トウモロコシの建設
  • 映画
  • 光活性樹脂
  • ナードル
  • 成形(工程)
    • 射出成形
    • 回転成形
  • 有機発光ダイオード
  • プラスチックフィルム
  • プラスチックのリサイクル
  • プラスチック工学
  • プラスチック押し出し
  • 塑性培養
  • 生分解性プラスチック
  • バイオプラスチック
  • プラスチックを分解する生物
  • プログレッシブバッグアライアンス
  • ロールツーロール処理
  • 自己修復プラスチック
  • 熱洗浄
  • 熱成形
  • 材料技術のタイムライン

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  • このテキストの大部分は 、パブリックドメインにあるGreg Goebel(2001年3月1日)によるAn Introduction to Plasticsv1.0に 由来しています

  • プラスチックの歴史に関するJ.ハリーデュボアコレクション、ca。1900〜 1975年アーカイブセンター、国立アメリカ歴史博物館、スミソニアン研究所。
  • プラスチックの材料特性–機械的、熱的、電気的特性
  • 600以上のプラスチックのリスト
  • プラスチック歴史協会
  • プラスチックの歴史、プラスチック工業協会
  • 「プラスチックの簡単な歴史、天然および合成」、BBCMagazineから
  • プラスチック射出成形とプラスチックの重要なマイルストーンのタイムライン