香港の大埔火災で難燃性プラスチックへの注目が再燃。このようなプラスチックの難燃性とリサイクル性のバランスをどのようにとればよいのでしょうか?
11月26日午後、香港新界の大埔にある王福法廷で複数の住宅街区で火災が発生した。 11月27日に香港消防局が発表した最新の統計によると、大埔火災で40人の命が奪われ、さらに45人が負傷した。香港警察はビルメンテナンスを担当するエンジニアリング会社の幹部３人を過失致死容疑で逮捕した。調査の結果、建物の外壁には防護ネット、防水シート、ビニールシートが使用されていたことが判明し、防火基準を満たしていない可能性がある。さらに、影響を受けていない建物の各階のエレベーターロビーの窓を囲む発泡断熱材は可燃性が高く、火災の延焼を促進する可能性があることが判明した。当局は、この断熱材が火災の急速な進行の一因である可能性を排除していない。
これは、難燃剤用途の極めて重要性を強調しています。しかし、難燃性プラスチックの複雑な材料組成と、複数の破壊的要因および潜在的な環境影響によって課せられる制約のため、多くの場合、難燃性プラスチックはリサイクルプロセスから除外され、代わりにエネルギー回収に転用されます。では、難燃性プラスチックは本当に回収不可能なのでしょうか？
2015 年から 2024 年にかけて、家庭用電化製品の故障は火災の最も一般的な原因の 1 つにランクされ、全火災事故の 30% を占めました。電気自動車やデジタル化などの大きなトレンドにより、家庭の電化レベルがさらに高まり、火災の危険性が高まります。プラスチックは可燃性物質として、安全上の危険性が高まります。難燃剤 (FR) を使用すると、避難時間を延長し、火災の延焼を防ぐことでこの問題に対処できます。 2022 年の世界の難燃剤消費量は約 219 万トンに達し、主に建設、エレクトロニクス、輸送部門に使用されています。
世界的に最も広く使用されているエンジニアリング プラスチック (特にエレクトロニクス、電気産業、家電分野) は、アクリロニトリル - ブタジエン - スチレン共重合体 (ABS) およびポリカーボネート/アクリロニトリル - ブタジエン - スチレン共重合体 (PC/ABS アロイ) です。電気および電子分野では、これらのプラスチックはエンジニアリングポリマー使用量の 26% を占めています。家電分野では、この割合は 40% に上昇します。今後もその利用は増えていくと考えられます。しかし、ヨーロッパでは現在、廃電気・電子機器（WEEE）から年間約260万トンのプラスチック廃棄物が発生しています。この問題に対処するために、WEEE 指令などの規制は、WEEE からのプラスチック廃棄物のリサイクルを促進することを目的としており、それによって持続可能な開発と資源の保護が促進されます。
しかし、難燃性プラスチックは通常、材料の複雑な混合物で構成されるため、現在、さまざまな破壊的要因や潜在的な環境への影響によりリサイクルプロセスから除外され、代わりにエネルギー回収に転用されています。難燃剤に関連するコストと持続可能性の向上への要求を考慮すると、適切なリサイクル戦略を通じて電気・電子分野で難燃性プラスチックのマテリアルリサイクルを達成することが不可欠になっています。それにもかかわらず、技術的、経済的、規制上の障壁により、この課題は非常に困難なものになっています。
1.リサイクル材料を使用しながらもUL94 V-0規格を満たしています。
ドイツのベーゼリッヒ・オーバーティーフェンバッハにある MKV GmbH Kunststoffgranulate とシュトゥットガルト大学のプラスチック技術研究所 (IKT) との共同プロジェクトでは、まさにこの問題を調査しています。このプロジェクトは、マテリアルリサイクルプロセスおよび自然環境における難燃性プラスチックの経年変化を調査し、それによってリサイクル可能性を評価することを目的としています。
このプロジェクトでは、研究結果に基づいて ABS および PC/ABS 産業プラスチック廃棄物 (PIR) の処理戦略をさらに開発し、UL94 V-0 難燃性規格への準拠を回復できるようにします。範囲を産業用プラスチック廃棄物 (PIR) に限定することで、このプロジェクトは、破壊的な不純物を最小限に抑えた、明確に定義されたマテリアル ストリームの組成を保証します。
テストでは難燃性 ABS および PC/ABS を使用し、非難燃性の対応物と比較します。具体的には、難燃性ABSはKingfa Science & Technology社から供給されるFW-620であり、非難燃性ABSは韓国錦湖石油化学社から供給されるABS 750である。 PC/ABS 試験の場合、難燃材料は SABIC が供給する Cycoloy C2950 であり、非難燃材料は同じく SABIC が供給する Cycoloy C1200HF です。
2.各種ハロゲンフリー難燃剤の試験
材料の経時変化を調査するために、すべての粒状材料に標準的な単軸押出機による 5 サイクルのリサイクル処理を施しました。 ABSの加工温度は230℃、PC/ABSの加工温度は260℃でした。それぞれ 1 回目、3 回目、5 回目のサイクル後にサンプルが採取され、詳細な分析が行われました。
一方、別の新素材バッチには、ドイツ工業規格 DIN 75220 に従って、温度 80°C、相対湿度 20%、放射照度 1000 W/m² で、自然環境条件をシミュレートした加速老化処理が施されました。それぞれ 5 日間と 10 日間の保管期間の後、これらのサンプルを同様に分析しました。
さらなる実現可能性研究では、研究者らはさまざまなハロゲンフリー難燃添加剤を ABS サンプルに組み込み、その基本的な効果を評価し、場合によっては材料リサイクル中に失われた難燃性を回復しました。第５段階熟成処理を施した顆粒を二軸押出機により２３０℃で加工した。加工試験で使用した難燃剤は、Green Chemicals から調達したもので、具体的には、12.5 重量％のビスフェノール A ジフェニルホスフェート (BDP)、60 重量％の水酸化マグネシウム (MDH)、およびそれぞれ 12.5 重量％のポリリン酸アンモニウム (APP) と次亜リン酸アルミニウム (AHP) の混合物で構成されています。
3.総合的な特性分析
REACH、WEEE、RoHS 指令などのさまざまな規制により、ハロゲンフリー難燃剤の用途はますます普及しています。前述の BDP のようなリン系難燃剤は、材料表面に炭素層を形成することで機能し、さらなる燃焼を遅らせます。同時に、フリーラジカルを気相に放出し、炎の広がりに重要な役割を果たす他のフリーラジカルを中和します。
老化プロセスを特徴付けるために、研究者はリサイクルの各段階からのサンプルの包括的な分析を実施しました。分析内容: 1J および 4J 振り子を使用した衝撃強度試験 (DIN EN ISO 179-1 規格による)。タイプ 1A 試験片の 50mm/min での引張試験 (DIN EN ISO 527 規格による)。この試験では、垂直にクランプされた試験片 (寸法: 125 mm × 13 mm × 3.2 mm) が 2 回、それぞれ 10 秒間炎にさらされました。 UL 94 分類は次のとおりです。
• V-2 クラス: 炎は 30 秒以内に自然消火します。燃焼飛沫は許可されています。
• V-1 クラス: 炎は 30 秒以内に自然に消えますが、燃焼液滴は許可されず、最大 60 秒続く残光は許可されます。
• V-0 クラス: 炎は 10 秒以内に自然に消えますが、燃焼液滴は許可されず、残光は最大 30 秒間持続します。
4.老化試験結果
老化試験の結果を表 1 に示します。この表は、5 回の機械的リサイクル プロセス (ステージ V) および 10 日間の保管後の材料の機械的特性を、未使用の材料の機械的特性と比較しています。 5 回のリサイクル サイクルと模擬環境劣化にもかかわらず、すべてのサンプルは UL 94 規格に基づく最も厳しい V-0 評価を維持しました。ただし、試験片の全体的な燃焼時間は増加しました。
模擬環境老化試験では、通常、材料の衝撃強度と破断伸びが低下します。ただし、エージングの第 5 段階までの複数の処理サイクルの後、これらのパフォーマンス メトリックは実際にわずかな増加を示します。 ABS 材料内では、衝撃強度と破断伸びはポリブタジエン含有量によって大きく影響されます。この場合、熱機械老化中に鎖切断反応と架橋反応の両方が同時に発生します。処理後に観察された衝撃強度の増加は、一見すると直観に反しているように見えます。この現象は、おそらく材料の形態学的構造と相境界分布の変化に起因すると考えられます。粉末状の難燃剤を充填剤として使用すると、通常、材料の延性と靭性が低下します。
5.経年劣化してもV-0基準を満たしています。
難燃性試験中に老化したサンプルは依然として V-0 分類基準を達成していたため、研究者は第 5 段階の老化後に非難燃性 ABS 750 サンプルにのみ難燃剤を添加し、その有効性をテストしました。結果は、BDP を除くすべての難燃剤によりサンプルが V-0 分類基準を達成できることを示しました。
しかし、BDPは高粘度の液体であるため、輸送が難しく、難燃剤の分布が偏ってしまうという問題がありました。これは、難燃性試験におけるその性能が他の研究結果と矛盾する理由も説明します。ブレンドされた難燃剤 (APP/AHP) については、主に APP の熱不安定性に起因して、加工中に分解反応が発生することが研究で示されています。それにもかかわらず、この複合難燃剤を使用したサンプルは依然として V-0 評価基準を達成しました。
6.結論と展望
テスト結果は、選択された材料が 5 回の処理サイクル後も実質的に変化しない難燃特性を示すことを示しています。これは、これらの材料を生産サイクルに再導入して高品質の製品を製造できることを意味します。難燃性は影響を受けませんが、衝撃強度や破断伸びなどの他の材料特性は、長期間にわたって環境要因によって悪影響を受ける可能性があることに注意してください。実際には、プラスチック廃棄物が純粋な材料の流れとして得られることはほとんどありません。したがって、異なる材料、特に非難燃性材料との混合は、難燃特性の低下につながる可能性があります。このプロジェクトの今後の作業は、この可能性の調査に焦点を当てます。さらに、難燃剤の投与量の最適化による経済的実行可能性の分析と並行して、さまざまな難燃剤を配合する実現可能性も検討されます。
