ＣＣＵとしてのＣＯ２原料プラスチック
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ＣＣＵとしてのＣＯ２原料プラスチック

　三洋化成は２０２４年４月１５日、英国の触媒システム開発スタートアップ エコニック社と覚書を締結したと発表した。エコニック社が保有するＣＯ２を原料としたポリオール製造技術を評価し、製品開発を行っていくというものだ。

　二酸化炭素（ＣＯ２）を原料として化成品に転換する技術開発は、カーボンニュートラルでのＣＯ２利用技術ＣＣＵ（Ｃａｒｂｏｎ　Ｃａｐｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ）の一手法として注目を浴びている。本編では、触媒技術を用いてＣＯ２を利用してプラスチックへ転換する技術の開発、商用化を行っている企業についてまとめる。

目次

プラスチックへのCO2利用方法
ＣＯ２原料プラスチック
　ポリカーボネート（ＰＣ）
　ポリウレタン（ＰＵＲ）　
ＣＯ２原料プラスチック開発企業
　ポリカーボネート　旭化成
　ポリオール　コベストロ
　ヒドロキシポリウレタン　大日精化
ＣＣＵとしてのＣＯ２原料プラスチックの貢献度
成功例から学ぶ

プラスチックへのCO2利用方法

　ＣＯ２を高分子または高分子原材料に変換する方法は、水素細菌や微生物などバイオ技術を活用する方法と触媒による化学反応による方法がある。本編では触媒による化学反応を取り上げる。

ＣＯ２原料プラスチック

　Ｏ－Ｃ=Ｏ構造を持つプラスチックは、水素を用いることなくＣＯ２を原料として製造することが可能だ。代表的なものにポリカーボネートやポリウレタンがある。

ポリカーボネート（ＰＣ）

　ポリカーボネートの製造方法は、ビスフェノールＡとホスゲンによる界面重合法とポリカーボネートとフェノールによるエステル交換重合法がある。エステル交換で使用されるジフェニルカーボネート（ＤＰＣ）はＯ－Ｃ=Ｏ構造を持つ。ポリカーボネートの原料としてＤＰＣをどのように製造するかがカギとなる。

ポリウレタン（ＰＵＲ）

　ポリウレタンは、ジオールやポリオール（ＰＯ）とイソシアネートの反応によってできるウレタン結合をもつポリマーの総称だ。様々なＰＯやイソシアネートの組み合わせによって特性の異なるウレタン製品を製造することができる。ＰＯ、イソシアネートともにＣＯ２を原料として製造することができる。

　このようにＣＯ２を原料としてプラスチックを作ると言っても、ＰＣ、ＰＵＲ共にプラスチック製造原料となる化学物質の製造する触媒とプロセスを開発することが、最終的にプラスチックにＣＯ２を取り込むことになる。

ＣＯ２原料プラスチック開発企業

　表１にＣＯ２を原料としたＰＣ及びＰＵＲを開発、商用化している企業の一覧を掲載する。

　ＰＣでは、旭化成がＥＣ法ＰＣ製造技術をライセンス供与していて、２０２０年時点で５か国・地域の６社がＣＯ２原料ＰＣを製造している。

　ＰＵＲでは、コベストロが前身となるバイエル・マテリアルサイエンスが２０１３年に商用化したＣＯ２を原料としたＰＯ「Ｃａｒｄｙｏｎ」を販売しているほか、米国のノボマーが開発したＣＯ２原料ＰＯ「Ｃｏｎｖｅｒｇｅ」の知財をアラムコ・パフォーマンス・マテリアルズが取得している。

ポリカーボネート　旭化成

　旭化成は、１９８０年頃から非ホスゲン法ＰＣ製造プロセスの研究を開始した。エチレンオキサイド（ＥＯ）とＣＯ２からエチレンオキサイド（ＥＣ）を製造し、最終的にＰＣを製造するＥＣ法ＰＣ製造プロセスを開発し、台湾の旭美化成に製造技術のライセンスを提供し２００２年から商用運転を開始した。

　有毒なホスゲンを使用する溶融重合法に比べ、ＥＣ法は設備の建設費も安く、廃液や廃棄物を抑制しているため操業費もメリットがあるという経済性に優れた製造プロセスだ。２０２０年時点で５か国・地域の６社に約９０万トン相当のライセンス供与を実施している。

　ＥＯとＣＯ２を原料にＥＣに転換すると、ＥＣにはＣＯ２由来の構造が５０％含まれていることになる。このようにしてＥＣ法ＰＣ製造プロセスではＣＯ２構造が維持され、最終的にＰＣに含まれるＣＯ２由来の構造は１１％となる。原料のＣＯ２がすべて製品に固定化されれば、ＰＣ１ｋｇあたり１７３ｇのＣＯ２がポリマー中に固定化されることになる。

ポリオール　コベストロ

　コベストロの前身となるバイエルは、ポリカーボネートやポリウレタンを発明した会社だ。バイエルのマテリアルサイエンス部門は、何十年にもわたる研究の結果、ＣＯ２とプロピレンオキサイドなどのアルキレンオキシドを非結晶性の二重金属シアン化物（ＤＭＣ）触媒存在下で共重合させて製造するポリエーテルカーボネートポリオール「Ｃａｒｄｙｏｎ」を開発した。

　２０１６年、バイエルはドイツのドルマーゲン工場に年間５，０００トンのＰＯ生産能力を持つ設備を設置した。生産に必要なＣＯ２は近隣の化学工場の排ガスから回収している。コベストロによると、主にウレタンフォームの原料として使用されているＣａｒｄｙｏｎはＣＯ２を石油などの化石原料の代替とすると同時に、既存法と比較して経済性に優れるとしている。

　コベストロによるとＣａｒｄｙｏｎには最大２０％ＣＯ２が含まれていることになる。２０１８年に公表された欧州連合のＣＥＭＣＡＰ報告書によると、従来のポリエーテルポリオールをＣＯ２含有量２０％のＣＯ２ベースポリオールに置き換えることで、年間２００万トンのＣＯ２を原料として利用できるとしている。

ヒドロキシポリウレタン　大日精化

　大日精化は、２０１６年ＣＯ２を直接原料として側鎖に水酸基（－ＯＨ）を有するヒドロキシポリウレタン（ＨＰＵ）を上市した。ＨＰＵの合成方法は、エポキシ化合物とＣＯ２から環状カーボネート化合物をつくり、ジアミン化合物との重化合反応により合成する。

　大日精化のＨＰには開発秘話が載っている。それによるとＣＯ２を原料とした「“エコマテリアル゛というアピールをしても、顧客の反応は冷たかった」。そのため、”機能性ポリウレタン“として再定義を行い、ＯＨ基を持つことでガスバリア性や接着性が優れるという特性を強調し、既存ＰＵＲの機能を遥かに凌駕する製品として上市することができたとある。

ＣＣＵとしてのＣＯ２原料プラスチックの貢献度

　これまで商業化されているＣＯ２を直接原料としたポリカーボネート及びポリウレタン原材料について見てきた。表１に示したように、カーボンニュートラル社会を目指して化学、プラスチック会社はＣＯ２を原料としたプラスチック及びプラスチック原材料の開発を行っている。

　経済産業省の資料によると、含酸素機能性プラスチックの世界需要は、ポリカーボネートが４６０万トン、ポリウレタン原料が２，１６０万トンとなっている。日本の需要はＰＣが３０万トン弱、ＰＵＲ原料が７０万トン弱で、それぞれ世界需要の６％、３％程度でしかない。

　旭化成のＥＣ法ＰＣ製造プロセスでは、ＰＣにＣＯ２由来構造が１１％含まれ、ＰＣ１ｋｇあたり１７３ｇのＣＯ２がポリマー中に固定化される。従って、すべてのＰＣがＣＯ２原料ＰＣに置き換わったとすると、年間８０万トンＣＯ２がＰＣに固定化されることになる。

　コベストロのパートで言及したように、欧州連合のＣＥＭＣＡＰ報告書は、従来のポリエーテルポリオールをＣＯ２含有量２０％のＣＯ２ベースポリオールに置き換えることで、年間２００万トンのＣＯ２を原料として利用できるとしている。

　２０２０年の世界のＣＯ２排出量は３１４億トンであるので、ＰＣとＰＵＲ原料のすべてがＣＯ２原料に代わったとして、ＣＯ２固定化貢献度は０．００９％程度となる。日本の需要から見た場合はさらに貢献度が下がる。

成功例から学ぶ

　ＣＯ２を直接原料としたプラスチックの研究は１９６０年代からあった。１９８０年代には企業での開発に拍車がかかり、２０００年代に入って商用生産が始まった。先鞭研究から４０年、企業開発から２０年の時間を必要とした。

　旭化成ＥＣ法ＰＣやコベストロのＰＯ　Ｃａｒｄｙｏｎは、ＣＯ２を原料とした環境にやさしい材料と言うよりも、有毒なホスゲンを使用しない安全性や従来製造プロセスに対して経済性で優位があるという点が製造会社にとって支持される点のようだ。

　また、大日精化のＨＰＵでは、“エコマテリアル”という面では市場から評価されず、ガスバリア性や接着性など機能面での優位性が必要であった。

　ＣＯ２削減のためのＣＣＵの必要性は重要で、関係企業はいろいろな方法で既存材料のＣＣＵの可能性を研究開発しているが、強制的な政策としての導入がなければ、ＣＯ２原料プラスチックが市場に受け入れられるためには、経済性や機能面での特徴が重要な要素になる。


　三洋化成の英国エコニック社のＣＯ２原料ＰＯ製造技術の評価や他のＣＯ２を原料としたプラスチックおよび原材料の開発及び上市の行方に注目していきたい。

参考

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