Catch Key Points of a Paper ~0156~

論文のタイトル: Closed-loop recycling of plastics enabled by dynamic covalent diketoenamine bonds（動的共有ジケトエナミン結合による閉ループプラスチックリサイクルの実現）

著者: Peter R. Christensen, Angelique M. Scheuermann, Kathryn E. Loeffler and Brett A. Helms *

雑誌: Nature Chemistry

巻: Vol. 11, pages442–448

出版年: 2019年

背景

1: プラスチックリサイクルの課題

従来のプラスチックは不可逆的な結合形成反応で合成

元のモノマーを高純度で回収するのが困難かつコスト高

リサイクルされたプラスチックは残留不純物や劣化により低価値

持続可能な代替プラスチックの開発が急務

2: 動的共有結合ポリマーの可能性

動的共有結合を利用したポリマー設計が注目

結合交換により理論上はリサイクル可能

しかし、エネルギー効率の良い脱重合と分離の例は稀

再利用可能なモノマーの回収は依然として課題

3: 研究目的

動的共有ジケトエナミン結合を利用した新規ポリマーの開発

容易な脱重合と分離を可能にする材料設計 

添加物に対する高い許容性を持つポリマーの実現

混合プラスチック廃棄物からのモノマー回収

クローズドループでのリサイクルプロセスの確立

方法

1: PDKポリマーの合成

β-トリケトンとアミンの縮合重合反応によりPDKを合成

ボールミル法を用いた無溶媒合成プロセスを開発

TRENや各種ジアミンを用いて多様なPDKネットワークを形成

反応時間や配合比を調整し、ネットワーク密度を制御

2: PDKの脱重合と分離

強酸性水溶液(0.5-5.0 M H₂SO₄)中で室温脱重合

塩基性水溶液での抽出により純粋なトリケトンを回収

酸性化により再沈殿させモノマーを単離

イオン交換樹脂を用いてアミンモノマーを回収

3: リサイクル性評価

着色剤や難燃剤を含むPDKの脱重合と分離を検証

混合プラスチック廃棄物からのPDK選択的回収を試験

繊維強化複合材料からの繊維、樹脂、難燃剤の分離を評価

回収モノマーを用いた再重合と物性評価を実施

結果

1: PDKの合成と物性

ボールミル法により高T_g(>120℃)、高ゲル分率(>95%)のPDKを合成

反応時間と配合比により、再現性よくネットワーク密度を制御可能

貯蔵弾性率は0.3〜1.8 GPaの範囲で調整可能

線状ポリマーの導入により靭性を向上

2: PDKの脱重合と分離

5.0 M H₂SO₄中、室温12時間で完全脱重合

トリケトンとアミンモノマーを>90%の収率で回収

一般的プラスチック（PET、PA、PE、PP、PVCなど）は同条件で分解せず

着色剤、難燃剤、繊維などの添加物を含むPDKも効率的に分離可能

3: クローズドループリサイクル

回収モノマーから元のPDKと同等の物性を持つポリマーを再合成

モノマー組成を変更し、異なる物性を持つPDKへの再利用も可能

繊維強化複合材料から繊維、樹脂、難燃剤を個別に回収

添加物を含む混合プラスチック廃棄物からPDKを選択的に回収

考察

1: PDKの優位性

従来のプラスチックと比較し、容易な脱重合と分離が可能

添加物に対する高い許容性により、複合材料のリサイクルに適する

混合プラスチック廃棄物からの選択的回収が可能

回収モノマーの純度が高く、即時再利用が可能

2: PDKの特徴的な化学

ジケトエナミン結合の動的特性が鍵

酸触媒加水分解に対する安定性と脱重合のバランスを実現

アリファティック・アロマティック両アミンとの結合形成が可能

低い活性化エネルギーで結合交換反応が進行

3: 研究の限界点

長期使用時の安定性や耐久性の評価が必要

大規模生産・リサイクルプロセスの確立が課題

経済性や環境負荷の詳細な分析が今後必要

既存のプラスチック産業との互換性の検討が必要

結論

PDKは容易な脱重合と高純度モノマー回収を実現

添加物や混合プラスチックからの分離も可能

クローズドループリサイクルの実現に大きく前進

スマートプラスチックとして持続可能な材料循環に貢献

将来の展望

実用化に向けたスケールアップと長期評価