JP2006505419A - ブラスチックの多段階分離 - Google Patents
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- B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
- B29C48/03—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor characterised by the shape of the extruded material at extrusion
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- B03C1/247—Magnetic separation acting directly on the substance being separated with material carried by oscillating fields; with material carried by travelling fields, e.g. generated by stationary magnetic coils; Eddy-current separators, e.g. sliding ramp with material carried by travelling fields obtained by a rotating magnetic drum
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- B29C48/288—Feeding the extrusion material to the extruder in solid form, e.g. powder or granules
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- B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
- B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
- B29C48/285—Feeding the extrusion material to the extruder
- B29C48/29—Feeding the extrusion material to the extruder in liquid form
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- B29K2021/00—Use of unspecified rubbers as moulding material
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- B29K2023/06—PE, i.e. polyethylene
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Abstract
Description
本出願は、参考のために本明細書に加えた仮出願第60/372,001号の利益を主張するものである。また、本出願は、L.E.Allen、III,B.L.Riise,R.C.Rauによる、2003年4月14日出願の、“再生プラスチックを含有する材料の組成物(Compositions of Materials Containing Recycled Plastics)”という名称の、米国特許出願番号第 号に関連し、参考のため本明細書に加える。
本発明はプラスチックの再生に関する。
プラスチックとそれに関連する事業は、十億トン以上の材料を生産し、年間数千億ドルの生産高を生じ、約百万件の仕事に寄与し、米国での第4番目に大きい産業になっている。しかし、鋼やアルミニウムのような他の原材料産業とは異なり、この産業は、再生不可能な原料である大部分が輸入された石油にのみ大きく依存している。この依存は、プラスチックの成長速度が他のすべての材料の成長速度よりも高い水準を保つと一層大きくなる。
本発明は、多数の処理段階でプラスチックを分離する技術を実施する方法と装置を提供する。一般に、ある観点によると、本発明は、再生処理を定める方法を提供する。方法は、再生プラスチック生成物を製造するための4以上の異なる処理の配置を定めることを含む。該配置される処理は、前処理操作、寸法減少操作、重力式濃縮操作、色による選別、厚み、摩擦、終速度差もしくは空気中での抵抗による選別、表面積対質量比による制御操作、狭い表面積対質量比の分布により向上された分離処理、混合操作、及び押出し配合操作からなる群から選択される。該4以上の処理は、分離されるプラスチック含量の高い混合物の1以上の性質及び/又は廃プラスチック材料から製造される再生プラスチック材料の所望の1以上の性質に基づき選択される。
本発明の一観点によるプラスチック再生方法及び装置は、著しく混じり合った廃プラスチック材料の流れを分離して要求された純度を有する生成物にすることが可能である。異なる分離方法の有効性のレベルは、部分的に廃プラスチック材料の寸法と性質に基づき異なる。従って、本発明の分離方法は、適切な大きさにされた廃プラスチック材料に関して特別な分離方法を行うことができ、本発明の装置は、このような方法を行うために構成された装置を含むことができる。択一的又は付加的に、この分離方法は多数の処理段階を順次行うことを含んでよく、また本発明の装置は、これらの処理段階の幾つか又はすべてを行うように構成された2つ以上の装置を含んでよい。本明細書で、これらの方法による生成物及びこれらの生成物を更に操作することにより得られた生成物は、“再生プラスチック材料”として言及される。
前処理は、更に処理するためプラスチック含有量の高い材料を作るために体系化された操作のグループを含む。前処理は多数の操作を含み、幾つかの操作は、他の操作を同じ設備で同時に行っている間に離れて行うことができる。前処理の一例は、2002年7月22日に出願の仮出願第60/397,953号に記載されており、参照のために本明細書に加える。前処理は寸法減少とは異なる。というのは、前処理は離れて行われたり、又は廃プラスチック材料供給業者により行われることが多い一方、寸法減少は典型的にはプラスチック再生プラント内での処理に含まれるからである。ある実施の場合、サイズIからサイズIIの材料への寸法減少に基づき、2つの処理が区別される。ある場合では、寸法減少の一部として含まれる幾つかの操作は離れて行うことができ、また、前処理の一部である幾つかの処理は、主要なプラスチック再生プラントで行うことができる。
典型的には、寸法減少処理は、多様な任務を達成するように配置されたプラスチック再生プラントの前端部で行われる1以上の処理を含む。寸法減少処理は、寸法減少装置を損傷しうるか又は下流の分離処理に悪影響を及ぼしうる金属を除去するため、非プラスチック材料を遊離させるようにプラスチックの粒子サイズを減少させるため、比較的狭い粒子サイズ分布を形成すめため、また、下流の処理に送られる材料の組成を安定化できるように実施できる。
プラスチック同士で異なる固有の物理的性質の一つは密度である。典型的には、プラスチックの密度は、1.0g/cm3以下から1.7g/cm3以上の範囲にある。表1は、耐久消費財に由来する供給材料に共通の幾つかのプラスチックの密度範囲を示す。
大抵の供給材料は、異なる色のプラスチックの混合物を含む。非着色のプラスチックが、各種の顔料を有するプラスチックと同じタイプであるか、別のタイプのプラスチックか又は望ましくない汚染物であるかも知れない。高い純度のプラスチック生成物を製造するために、非着色の汚染物を除去することが望ましい。
異なるタイプのプラスチックを互いに、また、汚染物から区別する場合に有用な材料の他に特性は、プラスチックの厚みと材料の摩擦、接着又は弾性の性質である。これらの性質のすべては、幾つかの場合、類似あるいは同じ操作を用いる分離に供するので、この明細書では単独の範疇の分類される。
多くのプラスチック分離処理は、分離されるプラスチックの表面積対質量比を制御することにより改良できる。静電気による選別処理は、電荷対質量比(これは表面積対質量比に比例すると思われる)に比例する量だけ偏向する粒子により行われる。泡浮上処理や密度差変更処理もプラスチックの表面積対質量比に左右される。
種々のプラスチックは、それらの相対的な帯電特性に基づき分離できる。そのような装置の例として、例えば、帯電粒子が電場を落下して通過する装置及びコンベヤベルト上の粒子がそれらの電荷に基づく電位に引きつけられる装置が含まれる。主な静電式分離技術の一つとして、摩擦電気式分離(TES)が知られている。
密度差変更処理(DDA)は、別の表面積対質量比に依存する処理である。分離されね材料のタイプに依存して、静電式選別又は泡浮上処理の代わりに、前に又は後にDDAを使用できる。
前処理と寸法減少処理に関係して上記に述べたように、続く処理への供給材料を安定化させる方策の一部として混合をこれらの処理の前又は後に使用できる。供給材料の組成を安定化させるために、効果的な混合処理を使用しても、ある分離処理での変動が、時間の経過と共に生成物の純度の変動をもたらすことがある。従って、押出し処理に先立って及び/又は後に材料を混合することが望ましい。
分離されたフレークは一軸又は二軸押出し機により押出してよい。着色剤、衝撃性改質剤、酸化防止剤及び他の添加剤を正確に添加できる供給システムが、典型的には、押出システムと共に備えられる。
以下に説明する多様な処理の幾つかの配置が可能である。典型的には、処理の順序は、処理される供給材料源のタイプ(又は複数)、これら供給材料源の地理学的な由来、供給材料源からのプラスチックの一時的な分布及び所望の生成物の範囲と品質のような要因に左右される。
厚み及び/又は摩擦による選別処理は、多様な供給材料に対して有用である。有用性の一例は、同じタイプのプラスチックの異なるグレードのものを分離できることである。
典型的には、混じり合った電子機器の流れからの廃プラスチックには、Underwriters Laboratories及び他の国の同様の公共的な機関により要求されているような安全性の要求を満たすため難燃剤を含有するプラスチックが含まれる。Brを含有することが非常に多い部品には、コンピュータのモニターのハウジングとテレビジョンのハウジングが含まれる。
収率を向上させるために、エンジニアリング熱可塑性プラスチック(ETP複数)を、オフィスオートメーション装置(OA)からのような混合された流れから回収してよい。ETPには、変性PPO、ナイロン、PC及びPC/ABSが含まれるが、これらに限定されない。難燃性グレードのABS、HIPS、変性PPO、ナイロン、PC及びPC/ABSもまたETPとしてみなされる。ETPの回収は、これらの材料の混合物が複雑であり、多くの供給材料の流れにはこの材料が大量にまた一貫した量で存在しないので、大きい難問である。
全体的な再生処理から生じる生成物のタイプは、供給材料のタイプ、供給材料減の位置、供給材料の一時的な混合及び処理の配置に劇的に依存する。
日本の白物製品に由来するサイズIの材料は、大きい塊、薄い金属片及びワイヤを含む多量の金属を含有した。入口速度を23m/sに設定したエア−レグ分離機に送った。表4に、供給材料、軽量物の流れ及び重量物の流れの中の大きい金属と小さい金属との重量百分率を示す。これらの結果は、エア−レグ分離機は、単独の段階で、例えば粉砕機のような寸法減少装置を損傷する恐れがある嵩高い金属を殆どすべての除去できることを示す。
日本の白物製品に由来するサイズIIの材料は、大きい塊、薄い金属片及びワイヤを含む多量の金属を含有していた。水上昇速度を0.13m/sに設定した重力式濃縮システムに送った。
ゴムと発泡体を、厚み/摩擦による選別で廃プラスチック材料から除去できる。発泡体やゴムは比較的厚い傾向にあり、プラスチックら関して異なる摩擦性質をもつので、上記のような分離にロール厚み選別機が使用でこる。
日本の白物製品に由来するプラスチックB(1.00から1.10の比重)とプラスチックC(1.10から1.20の比重)の混合物を、湿式篩を使用して分離した。
自動車用破砕機による残滓からのプラスチックは、非常に厚くなる傾向にある(>3mm)。他方、白物製品からのプラスチックは非常に薄くなる傾向にある(<2.5mm)。前処理センターが、様々な量での自動車用破砕機からの残滓と白物製品との混合物を受ける場合、その供給材料を分離して2つのより均一な生成物にし、その後、特別なタイプに供給材料に計画された別々のプラスチック再生処理に送ることができる。
自動車用破砕機による残滓からのプラスチックは、黒、赤又は暗い灰色のような暗色を持つ傾向にあり。他方、白物製品からのプラスチックは、ベージュ又は白のような明色をもつ傾向にある。前処理センターが、様々な量での自動車用破砕機からの残滓と白物製品との混合物を受ける場合、その供給材料を分離して2つの更により均一な生成物にし、その後、特別なタイプに供給材料に計画された別々のプラスチック再生処理に送ることができる。
図27に、6mmスクリーン又は1/4インチ(6.25mm)スクリーンを使用して造粒された、日本の白物製品からのプラスチックフレークの累積粒子サイズ分布を示す。図27に見られるように、湿式造粒による粒子サイズ分布ははるかに鋭い。
図28に、オフィスオートメーション装置から回収された混合物に見られるプラスチックの密度に関するヒストグラムである。
図28に示す混合物を図4に示すようなシステムに送ると仮定する。3つの装置すべての分離密度は1.060であり、3つの装置すべてのEPは0.008である。
日本による白物製品に由来するサイズIIIのプラスチックフレークの混合物を湿式篩装置に入れた。この混合物は、材料A(<1.0),B(1.0−1.1),C(1.1−1.2)及びD+(>1.2)を含有する。材料Aのすべては、流れることなく浮上した。材料D+は、研究で使用した流れ速度で浮上した。
日本の白物製品に由来するプラスチックB(比重;1.00〜1.10)とプラスチックC(比重;1.10〜1.20)との混合物を、湿式篩装置を使用して分離した。混合物中のフレークは、非常に厚く(厚み;>3mm)、サイズIIであった。
異なるグレードのABSは、それらの化学的組成(例えば、アクリロニトリル含量)及び重合体に添加された顔料の量に依存してかなり異なる密度を有するだろう。図31に、破砕された米国冷蔵庫から回収されたABSフレークの混合物の密度分布を示す。
白物製品に由来する最大サイズが25mmで平均サイズが約13mmのフレークの試料を、直径が約5mmより小さい暗色のフレークを排出するよう調整されたベルト式色による選別機を使用して選別した。この色による選別機はで、欠陥のある粒子は、高速で移動するベルトの端部から落下し始めた後、空気を吹き付けることにより除去された。
オフィスオートメーション装置からのプラスチックを使用して、明るい灰色のフレークと混合された黒色のフレークの各種の組成物を生成した。色による選別に最適の寸法を決定するために、多様な寸法範囲を検討した。
日本の白物製品を由来とする密度Aの材料は、明かるい灰色、中間の灰色及び暗色(赤、青、褐色、緑、その他)のフレークを含有する。このフレークは、その大部分がPPであり、少量のPE,ABS及びHIPSが存在する。表10に、異なる色のプラスチックの組成を示す。
この実験では、日本の白物製品からのプラスチック含有量の多い材料を振動フィーダからシュートに約3cm落下させる。このシュートは水平に関して約60°の角度にある。材料はシュートを滑って下る。このシュートの長さは約5フィートの長さである。プラスチックシートをシュートの頂部に置き、材料がシュートから飛び跳ねたり及び/又はこぼれたりしないようにする。図33に示すように、これらのシートをシュートの底に向かって置かれた角度をつけた横けたの上に置く。
日本の白物製品に由来する明色のプラスチックに関して、厚みが1.8、2,0及び2.6mmのスロット式選別篩を使用して厚みによる選別を行った。試料を篩の内部に置き、約50rpmで篩を回転させながら、5分間選別した。薄い材料はこの回転するドラム篩から落下し、厚い材料はな内部に残った。
プラスチック混合物は、日本の白物製品供給材料からの密度Bの画分を色による選別で得た副生物であった。この材料は、大部分が白黒又は透明な、数タイプのプラスチックの混合物であった。混合物を、スロット式厚みによる選別機を使用して様々な厚みによる画分を得た。
プラスチック混合物は、日本の白物製品供給材料からの密度Bの画分を、多様な色による選別段階で得た生成物であった。この材料は、大部分が白又は透明であるが、いくらかの暗色のフレークを含む数タイプのプラスチックの混合物であった。混合物を、スロット式厚みによる選別機を使用して様々な厚みによる画分を得た。
この実施例の原料は、日本の白物製品源を由来とするプラスチックフレークであった。3/4(19mm)のスクリーンを有する造粒機を使用して、中間サイズ(サイズII)のフレークを生成した。その後、この材料のサイズを、3/8(9.5mm)のスクリーンを有する別の造粒機を使用して減少させた。
曲線上の正確なS/Vは、円筒状円板の幾何学的配列に関する仮定に依存するが、S/Vの計算に対して他の幾何学的配列を仮定しても、同じ傾向が観察される。
式(1)は、所定のサイズdの薄い粒子は、同じサイズdを有するより厚い粒子よりも大きいS/Vを有する。それ故、厚みによる選別は、より高いS/Vを有するフレークを分離するためサイズIIIの材料に適用できる。
破砕された混合物(10cmより小さい)をエア−レグ分離機で分離した。エア−レグ分離機は、材料を上方に流れる空気流に供給し、この空気流が終端速度を減少させながら粒子を上昇させるものである。この分離から得た生成物は、重い(H)画分と軽い(L)画分であった。この分離は、材料が上方に流れる空気流に引きずられることに基づくもので、分離の結果、大部分が厚い粒子であるH流れと大部分が薄い粒子であるL流れが得られる。
8mmスクリーンを通過するように造粒されたプラスチック混合物をエア−レグ分離機で分離し、重い画分(H)と軽い画分(L)を得た。図37に、画分(H)と(L)の厚みの分布を示す。これら2つの流れの寸法の分布は似ているので、材料Lの表面積対質量比がより高いことは明白である。
これらはよく似た密度を有するので、耐久消費財に由来す混合されたプラスチックの流れを密度により分離する場合、同じ画分に属する傾向にある。電気器具の供給材料の流れの場合、PP(充填又は非充填の両方)の少量の成分も同じ密度による画分に属する。望ましい性質を有する生成物を得るためには、混合物を分離して純粋な成分にすることが重要である。そのような分離を行うために、TES技術が使用できる。
この実施例のTMS用の原料は、ABS(Magnum 3490 Dow Chemical社製)とBekaert Corporation製のBeki−Shield GR75/C12−E/5であった。Bekaert Corporation製のBeki−Shield GR75/C12−E/5は、ステンレススチール繊維(直径;8ミクロン)を75%と、該繊維を埋めている熱可塑性ポリエステルを10%と、及び、直径2mmのペレットのためのコーティング剤としてエチレンアクリル酸亜鉛イオノマーを含有する濃縮物である。ABS引張り試験片は、Beki−Shieldを0.5重量%と10重量%を配合したもので、射出成形して引張り試験片とした。
日本の混合された電子機器廃棄物からのABSとSANの混合物中の粒子の表面積対質量比を、ロール式選別とエアテーブルによる分離との組合せを使用して慎重に制御した。混合物を摩擦静電気分離機を通過させ、正及び負電極での生成物を収集した。中間の画分を再循環させた。
PC/ABSと難燃化ABS(ABS−FR)の50:50の混合物を、摩擦静電気分離機を通過させ、正及び負の生成物の両方を収集した。表20に、生成物の組成を示す。
HIPSと難燃化HIPSの50:50の混合物を、摩擦電気分離機を通過させ、正及び負の生成物の両方を収集した。表21に、生成物の組成を示す。
日本の白物製品の流れを湿式分離した後のPP含量の高い生成物を考察する。標準的な全体処理で説明したように、色による選別と静電気分離で更に分離できる。この処理から得られた明色の生成物を標準の明色PPと呼ぶ。
冷蔵庫中のABSの組成の上記の考察に基づき、押出しグレードのABSは、より薄い画分に一層脳色されると予想される。米国冷蔵庫からの殆ど純粋なABSの流れをスロット厚みによる選別機を使用して薄い(<1.6mm)、中間(1.6−2.8mm)及び(>2.8mm)の画分にする。
ABSはHIPS、ゴム及びSANより薄くなる傾向にある。日本の白物製品の流れからのABS含有量の高いフレーク生成物をスロット厚み選別機で選別した。表24に、明色のABS生成物に関係した種々の厚みによる画分の組成を示す。
電気器具からの大量のプラスチックフレークを、表面積対質量比による調整をすることなく、TESシステムで処理した。ABS生成物の純度は許容できず、更に処理が必要であった。高含量ABSの流れを、エア−レグ分離機を使用して、画分L、Hに分離した。その後、この材料をTRSシステムにより処理し、生成物L、Hを回収した。実施例24と同様に、流れHに対する電場は、流れLよりも高く設定した。
表27に記載した分離と成分要因により、HIPS(PS)と難燃性HIPS(FR)の二成分混合物の分離を考察する。分離の要因は、すべての装置に対して同じである。
日本の白物製品に由来するサイズIIの供給材料は、金属の大きい塊や片、ワイヤーを含んでいた。この材料を、水の上昇速度を0.13m/sに設定した重力式濃縮システムに送った。
図40に示す密度分布を有するオフィスオートメーション装置に由来する混合物を考察する。異なる密度により定義されるグレードに基づき、この混合物は、2つのグレードのHIPS−FR(1.150、1.170)、3つのグレードのABS−FR(1.150、1.165、1.180)、3つのグレードのPC/ABS(1.150、1.165、1.180)、3つのグレードのPC/ABS−FR(1.155、1.170、1.195)、3つのグレードのPC(1.165、1.180、1.195)を含有する。
Claims (14)
- 再生プラスチック生成物を製造するために使用される4以上の異なる処理の配置を定めることを含む方法であって、該配置される処理は、前処理操作、寸法減少操作、重力式濃縮操作、色による選別、厚み、摩擦、終速度差もしくは空気中での抵抗による選別、表面積対質量比による制御操作、狭い表面積対質量比の分布により向上された分離処理、混合操作、及び押出し配合操作からなる群から選択され、該4以上の処理は、分離されるプラスチック含量の高い混合物の1以上の性質及び/又は廃プラスチック材料から製造される再生プラスチック材料の所望の1以上の性質に基づき選択される方法。
- プラスチック再生方法であって、
プラスチック含量の高い混合物を、前処理操作、寸法減少操作、重力式濃縮操作、色による選別、厚み、摩擦、終速度差もしくは空気中での抵抗による選別、表面積対質量比による制御操作、狭い表面積対質量比の分布により向上された分離処理、混合操作、及び押出し配合操作からなる群から選択される一連の処理に供する工程;及び
再生プラスチック材料を該一連の処理の産出物として収集する工程、
を包含する、方法。 - 前記一連の処理が、プラスチック含量の高い混合物の1以上の性質及び/又は再生プラスチック材料の所望の1以上の性質に基づき決定されることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
- 前記プラスチック含量の高い混合物を一連の処理に供する工程が、プラスチック含量の高い混合物を分離して異なるグレードのプラスチック材料にすることを含むことを特徴とする、請求項2又は3のいずれかに記載の方法。
- 前記プラスチック含量の高い混合物を一連の処理に供する工程が、プラスチック含量の高い混合物を分離して異なるタイプのプラスチック材料にすることを含むことを特徴とする、請求項2〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記プラスチック含量の高い混合物を、白物製品、オフィスオートメーション装置、家庭用電化製品、自動破砕機からの残滓、包装廃棄物、家庭廃棄物、建築廃棄物、工業的成形及び押出しスクラップからなる群から選択された源から、再生プラスチック材料の所望の1以上の性質に従って選択する工程を更に包含することを特徴とする、請求項2〜5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記プラスチック含量の高い混合物を、該プラスチック含量の高い混合物の源の地理学的な位置に基づき、再生プラスチック材料の所望の1以上の性質に従って選択する工程を更に含むことを特徴とする、請求項2〜6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記1以上の処理が、その処理順序で繰り返されることを特徴とする、請求項2〜7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記プラスチック含量の高い混合物を一連の処理に供する工程が、2以上の材料を混合して再生プラスチック材料の所望の性質を得ることを含むことを特徴とする、請求項2〜8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記プラスチック含量の高い混合物を一連の処理に供する工程が、再生プラスチック材料と1以上の添加剤を混合することを含むことを特徴とする、請求項2〜9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記再生プラスチック材料を該一連の処理からの産出物として収集する工程が、複数の再生プラスチック材料を収集することを含むことを特徴とする、請求項2〜10のいずれか1項に記載の方法。
- 前記プラスチック含量の高い混合物を前記一連の処理に供する工程が、該一連の処理でプラスチック粒子の平均サイズを約75mmから約8mm未満に減少させること含むことを特徴とする、請求項2〜11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記一連の処理でのプラスチック粒子の平均サイズが該一連の処理における複数の処理を経て減少していくことを特徴とする、請求項12に記載の方法。
- 廃プラスチック材料を再生する装置であって、請求項2〜13のいずれか1項に記載の方法を実行するよう構成された3以上の装置を備える装置。
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