機械的に再生されたPETの溶融紡糸における固相重合が繊維構造の発達に与える影響

ボトル廃棄物を丈夫な新しい繊維に変える

飲料用プラスチックボトルは至る所にあり、ほとんどはPETで作られています。PETは用途が広い一方で自然に分解されにくい素材です。多くのプラスチックは埋立地や環境に放置されがちです。本研究は、単純な機械的リサイクルを経た古いPETボトルが、座席ベルトやジオテキスタイル、工業用ファブリックなどに使われるような強く信頼できる工業用繊維にアップグレードできるかを検討しています。つまり、昨日のボトルが安全に明日の高耐久糸になり得るかを探るものです。

なぜ再生PETは通常性能が劣るのか

PETボトルを機械的にリサイクルすると、回収・洗浄・フレーク化・再溶融して新しいペレットに加工します。この工程は化学的リサイクルより安価で簡便ですが、加熱や水分により長いPET鎖が静かに切断され短くなってしまいます。その損傷は粘度に相当する指標である内在粘度を低下させ、内在粘度は分子量や最終的な強度の代理指標として用いられます。そのため、通常の機械的に再生されたPET（mr‑PET）は低価用途には問題ありませんが、工業用繊維に求められる高い強度や耐久性を満たすのは難しいことが多いのです。

穏やかな加熱で高分子鎖を回復する

短くなった鎖を修復するために、研究者たちは固相重合（SSP）と呼ばれる工程を用いました。プラスチックを溶かすのではなく、ガラス転移温度より高く融点より低い温度にペレットを加熱し、回転式の真空反応器内で数時間保持します。この条件下でポリマー鎖の末端が徐々に再結合し、完全な溶融処理で起こり得る激しい分解を避けつつ鎖長を増大させます。チームはバージンPET（v‑PET）とmr‑PETの両方について、220、230、240 ℃の温度と6、12、18時間の処理時間を試しました。その後、溶融時の流動性、溶液の粘度、分子量の変化を測定し、鎖の再構築がどの程度進んだかを追跡しました。

リサイクルの実用的な最適条件を見つける

解析の結果、鎖長と結晶化度（ポリマー構造がどれだけ秩序化するか）は、SSPの温度と時間が増すほど高まることが示されました。しかし、より長時間・高温の処理はエネルギー消費が増え生産性が低下します。研究者たちは230 ℃、6時間を実用的な最適条件と特定しました。この条件下でmr‑PETは内在粘度およそ1.1 dL/gに達し、しばしば高強度の工業用繊維で目標とされるレベルに到達し、処理時間も合理的に抑えられます。この設定では、再生PETの平均分子量は同様に処理したバージンPETに近くなりましたが、再生材料には依然としてボトル由来の微量の不純物が残っていました。

構造形成のために高速で紡ぐ

次に、チームは処理済み・未処理の両方のPETペレットを溶融し、微小な穴から押し出してフィラメントを生成し、高速で引き取る溶融紡糸を行いました。引き取り速度を1000〜4000 m/minに変えることで、冷却時に溶融糸がどれだけ引き伸ばされるかを制御できます。熱分析とX線回折を用いると、より高い紡糸速度は鎖の配向と繊維軸方向への結晶化を促し、結果として繊維の融点と内部秩序を高めることが分かりました。興味深いことに、SSP処理を受けたPETから作られた繊維は、未処理のPETより低い速度で明瞭な結晶構造を示し始めました。つまり、修復されて長くなった鎖は、紡糸中に強く秩序だった領域に組織されやすくなっているのです。

バージン素材に匹敵する強度

得られたフィラメントの機械的試験は、構造解析が示唆したことを裏付けました。紡糸速度が上がるとすべての繊維で引張強さ（テンシティ）が上がり、破断までの伸びは小さくなりました。これはより配向し結晶化した材料の特徴です。SSP後はバージンと再生の両方で全体的に性能が向上しました。特に、230 ℃で6時間のSSPを受けたmr‑PETを3000 m/minで溶融紡糸した場合、そのテンシティは同様に処理したバージンPET繊維とほぼ同等で、約4.4 g/デニールでした。言い換えれば、使用・回収・再加工の履歴があるにもかかわらず、再生材料は工業用等級の糸において“新しい”PETと同等の強度に仕上げることが可能だったのです。

日常製品への意義

専門外の方への結論は明快です。注意深く調整された熱処理と紡糸条件を組み合わせれば、プラスチックボトルは低級品だけでなく要求の厳しい工業用途に適した高性能繊維に変えられます。SSPで高分子鎖を再構築し、紡糸速度を最適化して鎖を配向させることで、本研究は機械的に再生されたPETが従来の弱点を克服し、バージン素材と肩を並べ得ることを示しました。これにより、自動車部品や建設用生地、強靭なロープなどのハードワーキングな技術繊維を、かつてリサイクルに出した同じボトルから作るというより循環的な利用への道が開かれます。

引用: Kim, H., Bae, J.H., Hahm, WG. et al. Effect of solid-state polymerization on fiber structure development in melt spinning of mechanical recycled PET. Sci Rep 16, 6752 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36850-2

キーワード: 再生PET繊維, 固相重合, 溶融紡糸, ペットボトルリサイクル, 工業用ポリエステル糸