中国科学院の朱美芳院士：可循環繊維材料は国家戦略、環境保護と経済発展において非常に意義がある

「二重炭素」戦略の実施背景の下で、我が国の化学繊維科学技術の含有量、発展機能と知能繊維新材料とグリーン化生物系繊維を向上させることは、我が国が繊維大国から繊維強国へ踏み出すのに重大な現実的意義がある。中国科学院の朱美芳院士は「二重炭素」戦略の背景を分析し、繊維材料産業の進展と結びつけて、国家戦略、環境保護と経済発展における循環可能繊維材料の重要な意義を詳しく紹介し、そして未来に対して展望を行った。

　　01グリーン化生物基盤の発展の見通しが広い

繊維とは、一般に十分な細さ（直径<100μm）及び十分な長径比（長さ／直径＞1000）を有し、且つ一定の柔軟性を有する物質。金属、鉱石、生体、高分子は、上記の定義を満たす限り繊維とみなされる。朱美芳氏によると、現在、我が国の化学繊維の産業規模は引き続き増加しており、2022年、我が国の化学繊維の生産量は6500万トン近くに達し、世界総量の70%を占め、化学繊維は紡績繊維の加工量の約85%を占め、化学繊維業界の収入は兆元を超え、輸出は500万トンを超え、4社の企業は世界500強に進出し、上場は30社を超えた。

合成繊維の起源である欧米諸国に比べ、機能知能とグリーン化生物基材の発展において中国にはまだ広い発展空間がある。朱美芳氏は、化学繊維工業の現在の省エネ・低炭素技術の応用普及レベルは比較的弱く、リサイクルシステムはさらに健全化されなければならず、その高品質発展の全体目標と3つのボトルネックに直面しているのは、産業チェーンサプライチェーンの安全安定能力、産業チェーンの知識化デジタル化の能力、化学繊維のグリーン化の持続可能な発展能力であると指摘した。「我が国の化学繊維科学技術の含有量を高め、繊維大国から繊維強国へ踏み出すことは重要な現実的意義があり、グリーン化生物基による分解可能な循環再生繊維材料は主流の発展方向である。」と彼女は強調した。

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　　グリーン、低炭素、環境保護はすでに世界の大勢の赴くところとなり、グリーン環境保護と持続可能な発展の需要に適応するため、バイオベース繊維の生産技術は絶えず現れ、バイオベース繊維はすでに服装、家庭紡績と産業用織物の中で広く応用されている。

バイオベース繊維とは、生体自体またはその抽出物を用いて製造される繊維を指す。石油基を原料として製造されたポリエステル繊維、ポリアミド繊維（ナイロン/ナイロン）、ポリアクリロニトリル（アクリル）などの合成繊維とは異なり、生物系繊維の原料はバイオマスに由来する。

バイオベース繊維は原料が再生可能バイオマスに由来するため、石油ベース原料に比べて炭素削減効果がより顕著であるため、バイオベース繊維の発展に力を入れることは炭素ピーク炭素の中和を助ける上で非常に重要な意義がある。その中、生物系合成繊維は天然植物または農作物を原料とし、遺伝子工学、微生物発酵、濾過、精製などの工程を経て高純度モノマーを製造し、その後重合反応を経て一定の分子量を有するポリマーを製造し、溶融紡糸技術を経て製造した。

現在、紡績に用いられている重要な生物系繊維は、主にPLA繊維、生物系PDT繊維、生物系PTT繊維などのポリエステル繊維である。

PLAはバイオマス原料を発酵させて乳酸を生成した後、重縮合と溶融紡糸を経て製造される。PLA繊維の縦面には不規則な斑点や不連続な縞があり、穴や亀裂が存在し、毛細管効果を形成しやすく、吸湿速乾の特徴があり、PLAは弱酸性繊維であるため、一定の抗菌性と難燃効果がある。しかし、PLA繊維の強力さは低く、染色効果（特に濃い色への染色）は悪く、後期染色加工過程で高温に耐えられない。これらの問題に対して、国内生産企業も積極的に研究開発を革新しており、現在、関連問題は基本的に解決されている。

バイオベースPETは、一般に、バイオベースPTAまたはバイオベースEGを原料として重合される。生物学的EGが多成分グリコールである場合、得られるポリエステルはPDTである。PDTはバイオエチレングリコールとテレフタル酸またはジメチルテレフタレートとの重合から得られ、合成プロセスは主にPTA法であり、エステル化、予備重縮合、最終重合のいくつかの段階を含む。多成分グリコールの存在により、PDTの重合過程と真空度は石油系ポリエステルに比べて向上する必要がある。ポリエステルを合成した後、紡糸技術を経てPDT繊維を製造し、紡糸装置はPETの設備を利用して完成することができる。PDT繊維は延伸と反発性を持ち、延伸後は速やかに元の状態に戻すことができ、衣類に使用することで快適性を高めることができる。PETよりもPDT繊維の伸びが高く、より柔らかい風合いを持っている。PET繊維も同様に低いガラス転移温度を有し、常圧染色ができ、さらに高い水洗堅牢度とアイロン堅牢度を有する。同時に、PDT繊維はPTT及びPET繊維よりも優れた帯電防止性を有する。PDT繊維は羊毛などの天然繊維と混紡することもでき、より優れた生地を作ることができる。PDT繊維の原料の1つはバイオマス資源から転化することができ、COの排出を低減し、低炭素、環境保護、緑色の新型繊維材料であり、服装、装飾材料、産業などの分野に用いることができる。

PTTは、バイオプロピレングリコール（PDO）とテレフタル酸（PTA）を重合した別のバイオポリエステルである。バイオベースPTT繊維は比較的に良い反発性を持ち、同時にPET繊維の耐化学性、アクリルのふんわり性があり、またナイロンの耐摩耗性と耐静電性があり、比較的低いガラス化温度はそれを常圧染色することができる。

DuPont（デュポン）はPTT繊維の製造技術をいち早く習得し、日本の東レ、帝人、韓国の新韓工業、台湾の極東紡績などと協力し、PTT繊維分野でのリードをさらに固めた。国内のPTT繊維の発展は遅く、東華大学は最も早い研究機関である。その後、盛虹グループと清華大学は協力して、グリセリンを主原料とするバイオベースPTTを生産した。

　　02繊維産業におけるポリエステルのリサイクル

朱美芳氏は、現在、繊維原材料の構造は多元化に向かい、グリーン設計の実践的探索を増やし、製造緩和資源の循環利用レベルも著しく向上し、廃棄織物の総合利用製品チェーンが基本的に形成され、持続可能な消費傾向が徐々に現れていると述べた。同時に、中国の紡績服装業界のシステム転換の加速も先進技術、技術、設備の革新不足などの多次元的な挑戦に直面している。トップダウン設計及び相応の政策、関連制度と標準システムは完備しなければならない。グリーン消費市場は産業に対する駆動力が不足している、統一的なビジョンと産業協同、システム転換の合力の欠如、循環ファッションを推進する専門人材が不足している。

廃棄された織物から再生可能エネルギーを抽出するための詳細な手順を示すことにより、朱美芳はポリエステル合成原材料のリサイクルを実現し、環境0に排出し、資源を節約し、高分子材料分野における循環経済の運用をさらに体現したポリエステルの全ライフサイクルグリーンリサイクル概念を紹介した。

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　　資料によると、我が国は世界最大の紡績服装生産国と消費国であり、紡績繊維加工総量は世界の50%以上を占め、毎年繊維消費総量は約3000万トン、一人当たりの繊維消費量は約22.4キロで、基本的に中程度の先進国レベルに達し、それに伴い大量の廃棄織物が発生した。2020年、廃棄織物の生産量は約2200万トン、リサイクル率は約20%、廃棄織物の再生繊維の生産量は約150万トンで、廃棄織物のリサイクル能力とレベルは依然として大きな向上の余地がある。

関連研究機関の試算によると、廃棄織物1キログラムを利用するごとに、二酸化炭素排出量を3.6キログラム削減し、6000リットルの水を節約し、化学肥料0.3キログラムと農薬0.2キログラムの使用を減らすことができる。廃棄織物のリサイクルは資源利用効率を高め、紡績原料資源の不足問題を解決するだけでなく、土地資源の節約、二酸化炭素排出の削減、生態環境の保護にも有利である。

これまで、国家発展改革委員会、商務部、工業・情報化部は『廃棄織物のリサイクル促進に関する実施意見』（以下『実施意見』と略称する）を印刷、配布してきた。『実施意見』が提出した発展目標に基づき、2025年までに、廃棄織物のリサイクル率は25%に達し、廃棄織物の再生繊維の生産量は200万トンに達した。2030年までに、廃棄織物のリサイクル率は30%に達し、廃棄織物の再生繊維の生産量は300万トンに達した。目標の達成は二酸化炭素排出量の削減、エネルギー資源の節約に重要な意義がある。

　　03リグニン系炭素系繊維及びその高価値化への応用

リグニンは第二の天然高分子として、芳香族構造を有する天然高分子材料であり、地球上でセルロースに次ぐ再生可能炭素源であり、毎年自然界で5 ~ 36億トンが発生する。朱美芳氏によると、リグニンは木の中に存在し、土のように見えるが、有用な繊維を作ることができるという。リグニンの炭素含有量は約68%で、接着剤繊維よりも炭素含有量が高い。リグニンから炭素繊維を製造するのは非常に良い資源であり、小型からコンピュータ、大型から自転車、自動車まで、炭素繊維複合材で製造することができ、その特徴の一つは非常に軽量である。

特筆すべきは、リグニン系カーボンナノチューブ繊維の全体的な性能は、ファイン化学工業品を用いて生産されたカーボンナノチューブ繊維に近似しており、電気伝導率はほとんどの商業用炭素繊維より高く、同時に高柔軟性、高引張強度、高導電特性を備えており、これまでほとんどのバイオマス由来の炭素系繊維材料より優れている。

繊維の発展は、民生産業だけでなく、国家戦略にもかかわる。朱美芳氏は将来の中国の新材料と新紡績経済を展望し、原材料構造をさらに最適化し、再生不可能資源の消費を減らす、循環経済原則に基づく織物設計への転換、製造プロセスの資源利用効率をさらに向上させる、ビジネスモデルを革新し、グリーン消費を拡大する、廃棄された織物のリサイクルによる品質向上を促進する。

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　　炭素繊維は高強度、耐食性、低密度、高弾性率及び良好な導電性を有する補強材料として、航空宇宙、自動車部品及び医療機器などの分野で広い応用の将来性を持っている。

現在、市販されている炭素繊維の80%以上はポリアクリロニトリル（PAN）を原料として製造されており、高価であるだけでなく、製造過程で多くの汚染が発生し、PANは再生不可能な化石資源に由来するため、その供給も化石資源の採掘に伴い一定の制限を受ける。そのため、再生可能原料の開発による低コスト炭素繊維の製造は将来の発展傾向となっている。リグニン系炭素繊維は、従来の石油系高分子の代わりにリグニンを主原料として製造された炭素繊維材料である。主な製造過程は、リグニン前処理、紡糸液の調製、静電紡糸、予備酸化、繊維炭化などに関する。

PAN系炭素繊維と比較して、リグニン系炭素繊維は以下の利点がある：

（1）源が広く、コストが安いリグニンは自然界にセルロースに次ぐ含有量の再生可能資源であり、植物基体中に広く存在し、加えて毎年製紙業界の副産物も数千万トンのリグニンを産生し、リグニン系炭素繊維の原料はコストが安いだけでなく、「取っても尽きず、使っても尽きない」。

（2）環境保護無汚染リグニン中の炭素含有量は60%に達し、紡糸液の製造にアルコール系溶媒を用い、紡糸はより環境に優しい。

（3）より強い理化特性を有するリグニンは、芳香族炭化水素ベンゼン環構造を多く含有しており、これにより、炭素繊維を製造する際に従来の糸状構造をよりよく維持することができ、より大きな引張強度を得ることができる。これにより、伝統的なPAN系炭素繊維と比べて、リグニン系炭素繊維は原料、コスト、環境保護及び性能の面で一定の優位性を備えており、将来の低コスト炭素繊維の製造の第一選択である。

情報源：国家先進機能繊維革新センター