科学技術の発達と現代社会第 11 回：環境エネルギーと材料大学院工学研究科小山秀夫１．はじめに材料は，広義には道具に使われる素材を指し，古くは石器から青銅器，鉄器から，現代に多用されているプラスチックや新素材に至るまで，実に多くの種類がある．それらは技術の進歩に伴い新たに生み出されたものも多く，技術の進歩の歴史は材料の歴史ともいえる．産業革命以前は手の代用としての道具が主体であったため，材料は石，青銅，鉄など比較的その種類は尐なかったが，産業革命以後には大規模な生産システムの進歩に伴い，多種多様な材料が用いられるようになった．それとともに，材料自体の製造に大量のエネルギーを消費するようになり，さらに近代は材料とエネルギー・環境負荷は密接な関係を持つようになった．本講義では製造工程から廃棄までのライフサイクルアセスメント（LCA）を念頭に，工業製品に使われる様々な材料の特徴と選択を解説し，最適な材料選択について考えてもらうことにする．２．材料の種類と選択様々な製品に使われる材料は，その機能を満たすために最も適したものが選択される．その場合には当然強度は第一に考えるが，他に使用環境，感性，製造コスト，製造時のエネルギー消費量，リサイクルのし易さまで考慮する．では，選択される材料にはどんな種類があるだろうか．材料を大まかに分類すると，硬い・柔らかいなどの分類もあるが，工業製品に限れば金属か非金属かに分類される．この分類では「金属材料」は金属光沢があり，伝熱性と導電性が良いもので，硬さとか変形し易さは無関係である．また「非金属材料」は「金属材料」以外の材料がすべて含まれる．更に「金属材料」は，最も多用されている鉄系の「鉄鋼材料」と非鉄系の「非鉄金属」に分類される．一般的に「鉄」と呼ばれている材料は正確には「鋼（はがね）」と呼ばれ，純粋な「鉄」に炭素などを添加して強度を高めたものである．「鋼」にはその用途により非常に多くの種類があり，さびにくいステンレス鋼や鋳物も「鋼」の仲間である．また「非鉄金属」の代表として，アルミニウム系の材料が挙げられる．アルミニウム系も純粋なアルミニウムが用いられることは尐なく，鉄系の 1/3 程度の軽さとともに強度，耐食性に優れたジュラルミンと呼ばれる合金が主流である．アルミニウムに次いで多く使われている｢非鉄金属｣は銅系の材料で，強度が劣るため強度部材には使われないが，電線や装飾品に多用される．最近，よく見かける「非鉄金属」はチタン合金とマグネシウム合金である．チタンはアルミニウムの 2 倍ほどの比重はあるが，並外れた耐熱性のため当初は航空機や宇宙関係の部品に使われていた．チタンは耐食性・生体適合性にも優れているため，近頃は医用分野への応用が拡大している．チタンとともにマグネシウム合金もよく見かけるようになった．マグネシウムはアルミニウムの半分程度の比重しかない，非常に軽い金属である．しかし複雑な形状に成形するためには，200℃程度の高温環境が必要なこと，材料自体が高価なことなど問題点も多いため，現在は開発途上の材料と言えよう．「金属材料」以外の「非金属材料」は無限にあると言っても過言ではない．中でもよく使われているのは「木材」「紙材」「皮革」等古くから用いられている材料であるが，工業製品には余り使われない．「非金属材料」として挙げられるセラミックスは一種の陶器であり，硬い，燃えない，さびない，耐薬品性など非常に優れた特質を持っているが，脆く割れやすい．また，製造時に高温で焼結するため収縮し，成形後はほとんど加工できない．それに対してプラスチックは非常に加工性が良く，特に高温環境でなければ強度的にも問題ない材料が開発されている．そのため，最近の身のまわりの製品には金属材料以上にたくさん使われている．また，航空機などの特殊な分野ではあるが，非常に軽くて強いカーボンファイバーを強化材として，他の材料と複合化して互いの欠点を補うような高性能複合材料も注目されている．３．材料と環境負荷金属材料の多くは，鉱石を原料として熱，あるいは化学反応により不純物を取り除き，純粋図 1 材料の大まかな分類例な金属を取り出す．そのため，製造時には莫大な熱エネルギーすなわち燃料を必要とし，従来は汚染物質の排出量も多かった．また金属材料のうちアルミニウム系の材料は電気分解によってつくられるため，電気の使用量も莫大になる．しかし金属材料は，素材を加工するために使用するエネルギーは小さく，廃棄も容易でリサイクル性にも優れている．図 2 ペットボトルの回収量の推移 (出展：2009 年ペットボトルリサイクル年次報告書) 一方非金属材料であるセラミックスは，製造時に焼結のため熱エネルギーは必要とするが金属材料ほどではない．しかし再利用はできるがリサイクルはほとんど不可能である．プラスチックは通常，精製した石油を原料に様々な物質を添加して作られる．製品製造時には，溶融のために熱エネルギーは使われるが量は多くない．耐久性，ある程度の強度，成形性の良さ，低コストからプラスチックは多用される一途であるが，廃棄には多くの問題が残る．そのまま廃棄した状態では，熱や光で多尐は劣化するものの，大部分が分解されずに残る．また低温で燃やすと，ほとんどのプラスチックが有害物質を排出する．プラスチックは，廃棄は難しいが再利用はできないだろうか．通常プラスチックは添加物を含んだ形で存在し，容器などでも内容物の種類により様々な種類のプラスチックを多層積層してできている．そのため金属などと違って，リサイクル時に元の素材に戻すことは難しい．したがって，リサイクルとは言っても雑多なプラスチックが混ざっていても構わない，限られたものにしか利用できない．最近は高温で燃焼できる焼却設備が開発され，プラスチックを燃やしても有害物質がほとんど排出されなくなったので，燃えるゴミとしてプラスチックを廃棄する自治体も多い．プラスチックの中でもペット（PET:ポリエチレンテレフタレート）はやや異なった状態にある．その使用後の回収率はペットボトルだけでも 8 割近い（図 2）．PET は他のプラスチックと違って，比較的リサイクルが容易で燃やしても有害物質を出さない．そのため石油由来の材料の中では突出してリサイクルに積極的で，いろいろな製品にも再利用されている．しかし PET は燃料としても有用であるため，輸出され燃やされている量も多い．４．環境にやさしい材料環境にやさしい材料の条件は，まず製品製造時に使うエネルギーが尐なく，廃棄する際のエネルギーも尐ない．また燃焼時に汚染物質を排出せず，そのまま廃棄してもいずれは分解されて土になるような材料である．工業製品に使われる材料の中では，残念ながらそれらの項目をすべて満たすような材料は今のところない．しかし，最近トウモロコシやサトウキビなどを原料とした新しいプラスチック（植物由来樹脂：バイオプラスチック）が注目されている．植物由来樹脂はたとえば，原料からとれたデンプンや糖を発酵させてまず乳酸を作る．それを重合させてポリ乳酸，樹脂（ペレット），製品の順で製造されるが，廃棄しても再び水と CO2 に分解され，それが再び植物の光合成に使われるという，ライフサイクルで考えれば CO2 排出量がほとんどゼロになる材料である．植物由来樹脂の製造に必要なエネルギーも石油由来樹脂より低く，排出 CO2 も 1/10 程度である．開発された当初は，高コストと強度の問題から，使用される製品には限界があったが，最近は植物由来樹脂の種類も増え，低コスト化と高強度化が進んでいる．そのため，携帯電話や家電製品をはじめとして自動車の内装，果ては高温のエンジンルームにまで使われるようになっている．５．これからの材料平成 11 年の制定された循環型社会形成推進基本法により，従来の大量生産・大量消費・大量廃棄型経済システムからの転換を余儀なくされ，生産者の排出者責任，拡大生産者責任が問われるようになった．生産自体においても環境負荷を低減した生産プロセスと材料の選択が必要になった．法律とともに企業イメージとしても環境負荷が尐ないことが重要なテーマとなり，材料選択にも新しい風が吹いている．資源から製品，そして廃棄，リサイクルの LCA が材料選択でも重要な因子になり，環境影響の考慮は必須条件になっている．従来から材料技術と工業は常に二人三脚で発展してきたことを考えると，これから予想される様々な困難に対しても，日本の材料技術は十分応えることができると信じている．