バイオプラスチックと従来プラスチックの強度差と加工方法【業界向け】

バイオプラスチックとは何か

バイオプラスチックは、トウモロコシやサトウキビなどの植物由来原料を使用するか、または生分解性を有する熱可塑性樹脂を総称する業界用語です。
前者を「バイオマスプラスチック」、後者を「生分解性プラスチック」と呼び分ける場合もあります。
近年はカーボンニュートラルの潮流を受け、石油由来の従来プラスチックから転換を図る企業が増加しています。

従来プラスチックとの強度比較

バイオプラスチックは環境性能こそ高いものの、機械特性が課題になるケースがあります。
下記に代表値を示します（数値はグレードにより変動）。

引張強度

ポリ乳酸（PLA）は50～70 MPaで、ポリプロピレン（PP）の25～40 MPaより高いものの、延伸性は低く脆性破壊しやすいです。
ポリブチレンサクシネート（PBS）は35～45 MPaでPPと同程度ですが、使用温度域が狭い点に注意が必要です。

曲げ強度

PLAは曲げ弾性率が3 GPa前後と高剛性である一方、衝撃強度は低いです。
ポリエチレンテレフタレート（PET）の2.7 GPaと比較しても剛性面では遜色ありません。
ただしエンプラ領域の衝撃特性を求める場合は改質が必須になります。

耐熱性

PLAの荷重たわみ温度（HDT）は60 ℃付近で、PPの100 ℃、PETの70 ℃より低いです。
一方、部分生分解性のポリブチレンアジペートテレフタレート（PBAT）はHDTが100 ℃を超えるグレードもあり、車載用途での実績が増えています。

バイオプラスチックの加工方法

射出成形

既存の射出成形機を用いられるため、導入障壁は低いです。
PLAは乾燥条件として80 ℃×4 hが推奨され、含水時に加水分解して粘度が低下します。
シリンダー温度は180～210 ℃が一般的で、過剰な滞留を避ける必要があります。

押出成形

シート成形やフィルム、ストロー用途で多用されます。
PLAは低せん断粘度なため、L/Dを長く設定し安定化剤を添加すると溶融均質性が向上します。

ブロー成形

PBSやバイオPET系が主力で、燃料タンクやボトルに展開されています。
結晶化速度が遅いPLAはブロー成形に不向きですが、核剤添加で冷却サイクルを短縮できます。

3Dプリンティング

FDM方式ではPLAが標準フィラメントとして定着しており、低反り・無臭という利点があります。
PBSやPHAベースのフィラメントも開発が進み、耐熱性や靭性を付与したグレードが選択肢に加わりました。

強度を高めるための改質技術

ブレンドとアロイ化

PLAとPBATをブレンドすると衝撃強度が3倍近く向上し、生分解性も確保できます。
エポキシ官能化オリゴマーを添加すると相溶性が改善し、層間剥離を抑制できます。

フィラー添加

セルロースファイバーやバサルトファイバーを20 wt%添加すると曲げ弾性率が4 GPa以上に達し、自動車内装部品に耐えうる剛性を確保できます。
ただし、生分解速度は低下するため用途に応じたバランス設計が必要です。

結晶化制御

PLAは光学的に透明である反面、非晶性が多く耐熱性が劣ります。
ヒドロキシアパタイトやタルクを核剤として0.5 phr添加すると、結晶化温度が20 ℃上昇し、HDTを90 ℃近くまで引き上げられます。

実用事例と業界別応用

包装材

食品包装ではPLA/PBAT複合フィルムがコンビニの弁当トレーで採用されています。
改質PLAフォームは断熱性に優れ、発泡PSの代替として宅配用保冷箱へ展開中です。

自動車部品

バイオPA11は耐油性と耐熱性が高く、燃料ラインやブレーキホースに採用されています。
また、セルロースナノファイバー強化PLAはインストルメントパネル基材で実証試験が行われ、従来ABSと同等強度を示しました。

電子機器

バイオPC/ABSアロイは難燃グレードも上市され、ノートPC筐体に採用されています。
カーボンニュートラル達成を掲げるIT企業が調達基準を強化しており、今後の需要拡大が見込まれます。

バイオプラスチック導入時の留意点

コスト

原料価格は従来樹脂の1.2～2倍が目安で、スケールメリットを得にくい点が課題です。
LCA評価でCO₂削減量を数値化し、炭素税やESG投資と連動させることでプレミアムを吸収しやすくなります。

供給安定性

バイオマス原料は収穫量の変動リスクがあります。
マルチサプライヤー契約や、廃糖蜜・廃バイオマスを原料とする第二世代バイオプラスチックの採用がリスクヘッジ策となります。

リサイクルインフラ

生分解性であってもコンポスト条件が揃わなければ分解しません。
分別表示やQRコードを活用したトレーサビリティを構築し、既存リサイクルラインとの競合を避けることが重要です。

今後の展望

欧州では2030年までに包装材の20 %をバイオプラスチックへ転換する政策目標が掲げられました。
日本でもプラスチック資源循環促進法により、自治体ごとの分別指針が整備されつつあります。
また、化学的リサイクルとバイオプラスチックを組み合わせたクローズドループ構築が研究段階から実装フェーズへ移行しています。
機能面では、高耐熱PLAやバイオPA9Tなどエンジニアリンググレードが台頭し、家電・車載の金属代替を加速させる見込みです。

まとめ

バイオプラスチックは環境配慮型素材として注目される一方、強度・耐熱性・加工性で従来プラスチックに劣る面があります。
しかし、ブレンド・フィラー強化・核剤添加などの改質技術を組み合わせることで、機械特性を大幅に改善できます。
射出成形や押出成形など既存設備を転用できる点も導入障壁を下げる要素です。
業界別では、包装材から自動車、電子機器まで応用が広がりつつあり、政策・規制を追い風に市場は拡大が続くでしょう。
導入検討にあたっては、コストやリサイクルインフラの整備状況を総合的に評価し、最適グレードを選定することが成功の鍵となります。