JP2006509052A - 増大された磁化率を有するプラスチック材料、及びその製造方法及び分離方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 高純度のリサイクルプラスチック産物を許容可能な処理速度で供給可能な、従来のアプローチとは異なるアプローチを提供すること。
【解決手段】 リサイクルのために他の材料からのプラスチックの分離を促進するためにプラスチック製品の磁化率を増大する方法であって、前記プラスチック製品を作製する前に、所定量の磁性材料をプラスチック処方物に混合することを含み、前記所定量は、前記プラスチック製品の機能に関連した特性に実質的に影響を及ぼさないほど十分少なくかつ前記プラスチック製品の前記磁化率を変化するために十分多いことを特徴とする。

Description

本発明は、ａ）プラスチック材料のリサイクルを可能にするためにプラスチック材料の磁化率（ないし磁気感受性：magnetic susceptibility）を増大する方法、ｂ）増大された磁化率を有するプラスチック及びｃ）廃棄物の流れから磁気感受性プラスチックを分離する方法に関する。

プラスチックは産業上広く受け入れられており、種々の用途のために日常使用される多くの物品の製造に使用されている。家庭用洗剤ないし洗浄剤の容器、工業薬品（の容器）、自動車の部品、児童用玩具及びその他の家庭用製品のような産業用・民生用製品のために幾多の種類のプラスチックが普通に使用されている。家庭用製品の僅かな例外を除いて、プラスチックポリマーの大多数は利用に値するリサイクル技術が存在しないため単に廃棄されている。残念なことに、これらプラスチックの廃棄処分は、増加の一途をなす家庭廃棄物の一因であり、天然資源の莫大な浪費でもある。廃棄物投棄場の巨大化するプラスチック製品の山は、いわば、これらプラスチック製品の効果的なリサイクルの怠慢により建設されていくモニュメントといえる。

材料リサイクルに関し過去数十年に亘って多くの研究が行われてきた。自動車の破砕処理から出るゴム製タイヤ、切断されたワイヤやケーブル及び種々の金属のような産業材料の回収は、現在、異なる（複数の）物理的処理技術を用いることにより商業的に成功を収めてはいる。例えば、ゴム製タイヤは、現在、剪断処理（shredded）／粒状化処理（granulated）されて、ナイロンコードと金属製ベルトが結合解除される。次いで、ナイロンと金属は、スクリーニング、空気再分級（air reclassification）及び磁力分離の組合せを用いることにより除去ないし分離される。粒状化された最終ゴム産物は、舗装用材や競技場グラウンドの被覆材のような種々の材料にリサイクルするのに十分な純度を有する。

ワイヤやケーブルも、銅及び／又はアルミニウムワイヤとプラスチック絶縁材の両者を回収するという意図のもとに広範にリサイクルされている。典型的な通信ケーブルは、凡そ８０〜８５％の銅と種々のプラスチックとからなる。通常、このようなケーブルは切断されて、剪断（shredding）／粒状化（granulation）に適する小さな断片にされる。粒状化産物（粒径凡そ６ｍｍ以下）は、ダストないし塵埃（dust/fluff）を除去するために空気分級され、重力及び静電分離技術を用いて金属成分（銅／アルミニウム）と非金属成分（プラスチック）とに分別される。この方法により、商品として直ちに販売可能な高品質の金属産物が得られる。

残念なことに、この方法によって生じるプラスチック副産物の品質は、再利用のために容認できるものではない。というのは、このプラスチック副産物は、ＰＶＣ、ＰＥＴ、ゴム及びその他のプラスチックのような成分の混合物からなるからである。個々のプラスチック成分は、未使用（virgin）成分と混合することにより、リサイクル品として認められるべき許容可能な品質になるよう品質向上されなければならない。しかしながら、異なる複数のプラスチック成分の更なる精製ないし純化は、困難な作業であることが分かっている。

混合プラスチック成分をリサイクルするための試みがこれまで多々行われてきた。例えば、重力及び静電分離が含まれる。重力型の処理は、プラスチック成分間の密度の相違を基礎とする。例えば、処理仕様（書）（process specifications）は、０．０５未満の比重を有する２つの成分の分離を要求し得る。ほぼ同じ比重を有する複数の成分の分離は、可能であっても、商業的な連続処理においては実用的でない極めて厳密な処理を要求する。更に、そのような小さな値の媒体密度の制御は、溶解された塩の使用を要求する。このため２つの付加的な問題、即ち処理装置の強度の腐食と最終産物の洗浄・乾燥の必要（このため、コストが増える）が生じる。

複数のプラスチックを分離するために静電技術を採用する試みは他にもある。摩擦静電分離は、プラスチックの表面の電気的性質に依存する。とりわけ、１つの（第１の）プラスチックの仕事関数（work function）は、反対電荷を帯びるよう、他の（第２の）プラスチック成分（の仕事関数）と十分に異なっていなければならない。ところが、残念なことに、この方法は、処理能力が極めて小さく、また、高純度の産物を生産することもできない。更に、分離機構は表面依存性であるため、被膜、汚染物質、及び雰囲気（大気）条件（即ち温度及び湿度）の変化により、分離の質に影響が及び得る。重力型及び静電型の処理は、限定的な成果しか得られていない。というのは、これらの技術では、許容可能な回収速度の下では所望の産物純度を達成することができないからである。

限定的な成果は、ポスト家庭廃棄物（post consumer waste）のリサイクルにおいても達成されてはいる。この場合、プラスチックは、消費者によって他の廃棄物から手作業で分類され、街角の収集設備を用いて処分される。各種のプラスチック（即ちＰＶＣ、ＰＥＴ等）の分離は、材料リサイクル施設で手作業で実行される。場合によっては、手作業分類の代わりに、全ボトル分類装置（whole bottle sorting machine）が使用される。

プラスチックをリサイクルするための従来の方法は、最もリサイクルの適用が必要とされるタイプの高純度のプラスチックの効率的な分離を達成するためには極めて不十分であることは明らかである。従って、本発明の課題は、高純度のリサイクルプラスチック産物を許容可能な処理速度で供給可能な、（従来のアプローチとは）異なるアプローチを提供することである。

効果的な分離プロセスを構築するために、分離されるべきプラスチックの再処理（re-engineer）をする必要があった。即ち、本発明の特有の特徴の１つは、添加剤の使用により製品ないし産物を処方するために使用されるプラスチックポリマーの磁化率（ないし磁気感受性：magnetic susceptibility）を操作することである。磁力分離（magnetic separation）は粒子大の材料の分離に十分に好適で効率的な高生産性プロセスであることはよく知られている。磁力分離のコンセプトは、ある磁化率を示す特定の材料を誘引し、当該材料を非磁性の又は異なる磁化率を有するパーティクルから物理的に分離する能力に基づく。磁化率は、材料の固有の性質であり、磁力分離の特徴を扱う場合、それ自体、最も重要な単独の（ただ１つの）パラメータである。残念なことに、プラスチックポリマーは、分離を可能とするために十分な大きさの磁化率を本来的に有しない。

プラスチックポリマーの磁化率は、産物ないし製品を作製する前に、例えば塩化鉄（II）ＦｅＣｌ_２等の強磁性材料を（プラスチック）処方物（ないし組成物）に混入することによって変化される（塩化鉄（II）については評価されるが、他の強磁性材料も材料の磁化率を変化するために使用することができる。）。

本発明は、リサイクルのため他の材料からのプラスチック製品の分離（取出し）ないし選別を促進するためにプラスチック製品の磁化率（ないし磁気感受性）を増大する方法に関する。この磁化率増大方法は、プラスチック製品を製造する前に所定量の磁性材料をプラスチック処方物（ないし組成物：formulation）に混合することを含み、当該所定量が、プラスチック製品の機能に関する性質に実質的（materially）に影響を及ぼさないほど十分に小さくかつプラスチック製品の磁化率を変化するために十分大きいことを特徴とする。磁性材料は、好ましくは、０．１質量％〜５質量％の範囲で添加されるマグネタイト及び鉄金属パーティクルからなる群から選択される。

本発明の他の一視点によれば、そのリサイクルを可能にするために他の材料からの分離（取出し）を促進する増大された磁化率（ないし磁気感受性）を有するプラスチック材料が提供される。このプラスチック材料は、プラスチック製品を製造する前に所定量の磁性材料が混合されるプラスチックポリマーを含み、当該所定量が、プラスチック製品の機能に関する性質に実質的に影響を及ぼさないほど十分に小さくかつプラスチック製品の磁化率を変化するために十分大きいことを特徴とする。

更に、本発明は、複数のプラスチック製品を含む物品群の流れから、増大された磁化率（ないし磁気感受性）を有する少なくとも１つのプラスチックポリマーを分離するための方法を含む。この方法は、以下の工程ａ）〜ｅ）の少なくとも２つを含むことを特徴とする：ａ）プラスチック製品のサイズをプラスチックパーティクルのサイズの範囲に縮小する工程、ｂ）プラスチックパーティクルのサイズの前記範囲を分級する工程、ｃ）前記分級されたプラスチックパーティクルを調製する工程、ｄ）前記調製されたプラスチックパーティクルから夾雑金属（tramp metal）を除去する工程、ｅ）前記調製されたプラスチックパーティクルに少なくとも第１磁界を印加して、前記調製されたプラスチックパーティクルから増大された磁化率を有する前記プラスチックポリマーを分離する工程。請求項７の方法は、前記少なくとも２つの工程が、工程ａ）及び工程ｅ）を含んでいることが好ましい。

前記分離方法は、好ましくは、前記調製されたプラスチックパーティクルに前記第１磁界とは異なる強さを有する少なくとも１つの更なる磁界を印加して、前記（第１の）プラスチックポリマーとは異なるレベルの増大された磁化率を有する少なくとも１つの更なるポリマーを分離することを含む。前記縮小工程ａ）は、粉砕（crushing）、剪断（shredding）、グラインド（grinding）及び粒状化（granulating）からなる群から選択される機能を実行することを含み、前記分級工程ｂ）は、乾燥（drying）及びスクリーニング（screening）からなる群から選択される機能の少なくとも１つを実行することを含む。

前記調製工程ｃ）は、前記分級されたプラスチックパーティクルの表面のダスト除去（粉塵除去：de-dusting）及び清浄化（ないし洗浄：cleansing）からなる群から選択される操作の少なくとも１つを実行することを含む。本発明は、前記分離されたプラスチックポリマーの２次的分離を実行する工程を実行することを含み得る。

本発明の他の特徴、利点及び特質は、本書の以下の記載を参酌することにより当業者には明らかとなる。

本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、図においては、類似の特徴に類似の参照符号を付した。

本発明のニュアンスを理解するために、材料の性質の基礎に関する基本的理解が必要である。パーティクルは、磁界に対するその感応（応答）の仕方に基づいて４つのグループ、即ち強磁性体、常磁性体、反磁性体、及び非磁性体の１つに分類することができる。強磁性材料は、磁界に対する極めて大きな感受性（帯磁性）を有し、磁界によって強く影響を受ける材料である。常磁性材料は、小さい磁化率を有し、磁界によって弱く影響を受ける材料である。反磁性材料は、無視できるほど小さい磁化率を有し、実用上の全ての目的に対し、非磁性体であるとみなされ得る。非磁性材料は、磁界に対する感受性（磁化率）を有しない材料である。

強磁性材料と、程度はより小さいが常磁性材料は、磁界中におかれると磁化される。当該パーティクルに誘導される磁化の強さは、パーティクルの質量、磁化率、及び印加される磁界の強さに依存する。パーティクルの誘導された磁化Ｍは、以下の式のように表すことができる：
Ｍ＝ｍＸＨ （１）
ここに、ｍはパーティクルの質量、Ｘはパーティクルの比磁化率（任意の材料に対して定数である）、及びＨは磁界強度である。

本質的に、分離方法は、外力を印加することにより１つの種類のパーティクルを他の種類のパーティクルに対し相対的に運動させる能力に依存する。この場合、大きい磁化率を有するパーティクルを他の全ての材料に対し相対的に運動させるのに十分な大きさの磁気力が印加される。同様に、小さい磁化率を有するパーティクル（即ち常磁性材料）は、非磁性パーティクルや反磁性パーティクルに対し相対的に運動させることができる。従って、パーティクルに作用する力は定量化（quantify）されかつ制御されなければならないことは明らかである。

パーティクルに作用する磁気力は、誘導された磁化Ｍと磁界の勾配（磁界勾配）とに依存する。磁界勾配（magnetic field gradient）は、磁界強度の変化率ないし収束（convergence）を意味する。この概念を図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示した。図１（Ａ）は、勾配を伴わない一様な（平行な）パターンの磁力線（群）を示す。この磁界に進入する帯磁パーティクルは、磁束（ないし磁力線）の（両）方向に引き付けられ、何れの磁極片へ向かって移動することもなく静止し続ける。これに対し、図１（Ｂ）は、大きな勾配を伴う収束するパターンの磁力線を示す。この磁力線（群）は、比較的狭い領域を通過するので、磁界強度には著しい増大がある。このような形態の磁界に侵入する帯磁パーティクルは、磁力線に引き付けられるだけではなく、図示下側の磁極片の頂端部に生じる最も磁束密度（ないし磁力線の密度）が大きい領域へ向かって移動する。これは、磁力分離の方法論の説明をなしている。簡単にいえば、磁界強度はパーティクルを保持するのに対し、磁界勾配はパーティクルを運動させるのである。

パーティクルに作用する磁気引力はパーティクルの磁化と磁界勾配の積なので、式（１）から、以下のように表すことができる：
Ｆ_ｍ＝ｍＸＨ（ｄＨ／ｄｘ）又はＭ（ｄＨ／ｄｘ） （２）
ここに、（ｄＨ／ｄｘ）は磁界勾配である。

式（２）から分かるとおり、磁界強度と磁界勾配が一定の場合は、相対パーティクル運動は（パーティクル間の）磁化率の相違によってのみ実現することができる。ポリマーの混合物の分離の実現には、ある１つの種類（タイプ）のプラスチックの磁化率が他の種類のプラスチックの磁化率と十分に（実質的に）異なることが必要とされる。磁化率（Ｘ）は、材料の基本的容積特性（bulk property）であり、振動磁力計を用いて定量される。図２に示した応答曲線は、単位：キロエルステッド（ｋＯｅ）で測定された印加磁界の関数としての磁化Ｍ（単位：ｅｍｕ／ｃｃ）を示す。磁化率は、応答曲線の最初の勾配（接線の傾き）から求められ、単位：ｅｍｕ／ｃｃｋＯｅで与えられる。この方法を用いることにより、異なる量及び／又は異なる種類の添加物を含むプラスチックに対する応答曲線を求めることができる。更に、図２に示したとおり、磁化率の大きさは、添加物の量を変化することにより調節することができることは明らかである。上述のとおり、適切な磁界勾配を与えることにより、分離操作が磁化率間における相違に基づき達成できることは明らかである。

磁化率は、ポリマー又は最終製品の製造中の種々の時点において磁性材料を添加することにより変化することができる。本発明のプラスチック材料は、マグネタイト及び鉄金属（ferrous metal）パーティクル（例えば鉄粉（iron filings））の群から選択される材料のような強磁性材料の所要量の混入によって変化された磁化率を有する。強磁性材料は、結果として得られるプラスチック製品の機能に影響を及ぼす諸特性を実質的に変化しないで当該プラスチック製品の磁化率を変化するために十分な量で添加される。添加される磁性材料の量は、プラスチック製品に占めるプラスチックポリマーの割合で０．１質量％〜５質量％の範囲にあると都合がよい。

図３は、磁化率が変化されたプラスチック材料を分離するための方法のフローチャートの一例であり、全体を符号２０で示した。ブロック２２においては、プラスチックスクラップがサイズ（寸法）縮小工程２４によって処理される。サイズ縮小（処理）は、プラスチックスクラップの粉砕（crushing）、剪断（shredding）、グラインド（grinding）及び粒状化（ないしグラニュレーティング：granulating）からなる群から選択される。それから、プラスチックスクラップのパーティクルは、工程２６に示したような乾燥（drying）及びスクリーニング（screening）の工程の１又は２（以上）を用いて分級してもよい。分級されたプラスチックパーティクルは、次に、当該パーティクルのダスト除去（粉塵除去：dedusting）及び洗浄（washing）及び乾燥（drying）の工程の１又は２以上を含む工程２８に示したような材料調製工程にかけてもよい。調製されたパーティクルは、次に、工程３０において、プラスチックパーティクルの流れに混入していることがありうる任意の夾雑（トランプ）金属（tramp metal）を除去するふるい分け磁石（スカルピングマグネット：scalping magnet）にかけられる。

金属が除去された調製パーティクルは、次に、工程４０に示したように（順次）増大された磁界強度（ないし磁力）を有する磁石（複数）を有する１又は２以上の一連の磁気セパレータに送り込まれる。磁石４２（磁石１）は、最も大きい磁化率を有するプラスチックパーティクルＰ_１を除去（分離取出し）する。これは、例えば、コンベアベルトの末端支持ローラとして使用される磁気ローラを用いて実行してもよい。磁気ローラは、所望の磁化率を有するパーティクルＰ_１を、当該パーティクルをビン又はその他の容器に落下（排出）し又は当該パーティクルを第２のコンベアベルトに載置するコンベアベルトと接触した状態に維持する。このパーティクルの流れの残り（残留物群）は、第２のコンベアベルトに移され、そこで残存パーティクルはより強い磁界を有する第２の磁気ローラ４４（磁石２）にかけられ、より小さい磁化率を有するプラスチックパーティクルの第２群Ｐ_２が該パーティクル流から除去（分離取出し）される。このような工程は、分離されることが望まれているプラスチック材料の数ないし種類の分だけ繰り返される。磁化率に基づいて分類されたプラスチックパーティクルＰ_１〜Ｐ_４は、次に、工程５０の工程５２、５４、５６及び５８に示したような２次的分離処理にかけてもよい。

上記の記載を参酌することにより、種々の変形、置換及び修正等をなし得ることは、当業者には明らかである。特許請求の範囲内に含まれるそのような変形、置換及び修正等葉本発明の一部をなすとみなされるべきである。

（Ａ） 一様な磁界の様子を示す模式図。 （Ｂ） 収束する磁界の様子を示す模式図。 磁界強度の関数としての磁化Ｍのグラフ。 本発明の第１実施例の分離方法の各工程を示すフローチャート。

Claims (20)

1. リサイクルのために他の材料からのプラスチックの分離を促進するためにプラスチック製品の磁化率を増大する方法であって、
   前記プラスチック製品を作製する前に、所定量の磁性材料をプラスチック処方物に混合するステップを含み、
   前記所定量は、前記プラスチック製品の機能に関連した特性に実質的に影響を及ぼさないほど十分少なくかつ前記プラスチック製品の前記磁化率を変化するために十分多いこと
   を特徴とする方法。
2. 前記磁性材料は、マグネタイト及び鉄金属パーティクルからなる群から選択されること
   を特徴とする請求項１に記載の増大方法。
3. 前記混合ステップは、前記選択された磁性材料を０．１質量％〜５質量％の範囲の量で添加することを含むこと
   を特徴とする請求項１に記載の増大方法。
4. リサイクルを可能にするために他の材料からの分離を促進する増大された磁化率を有するプラスチック材料であって、
   プラスチック製品を作製する前に所定量の磁性材料が混合されたプラスチックポリマーを含むこと、
   前記所定量は、前記プラスチック製品の機能に関連した特性に実質的に影響を及ぼさないほど十分少なくかつ前記プラスチック製品の前記磁化率を変化するために十分多いこと
   を特徴とするプラスチック材料。
5. 前記磁性材料は、マグネタイト及び鉄金属パーティクルからなる群から選択されること
   を特徴とする請求項４に記載のプラスチック材料。
6. 前記所定量は、０．１質量％〜５質量％の範囲の量であること
   を特徴とする請求項４に記載のプラスチック材料。
7. 複数のプラスチック製品を含む物品群の流れから、増大された磁化率を有する請求項４の少なくとも１つのプラスチックポリマーを分離するための方法であって、以下の工程ａ）〜ｅ）の少なくとも２つを含むことを特徴とする分離方法：
   ａ） 前記プラスチック製品のサイズをプラスチックパーティクルのサイズの範囲に縮小する工程、
   ｂ） プラスチックパーティクルのサイズの前記範囲を分級する工程、
   ｃ） 前記分級されたプラスチックパーティクルを調製する工程、
   ｄ） 前記調製されたプラスチックパーティクルから夾雑金属を除去する工程、
   ｅ） 前記調製されたプラスチックパーティクルに少なくとも第１磁界を印加して、前記調製されたプラスチックパーティクルから増大された磁化率を有する前記プラスチックポリマーを分離する工程。
8. 前記少なくとも２つの工程は、工程ａ）及び工程ｅ）を含むこと
   を特徴とする請求項７に記載の分離方法。
9. 前記調製されたプラスチックパーティクルに前記第１磁界とは異なる強さを有する少なくとも１つの更なる磁界を印加して、前記（第１の）プラスチックポリマーとは異なるレベルの増大された磁化率を有する少なくとも１つの更なるポリマーを分離する工程を更に含むこと
   を特徴とする請求項７に記載の分離方法。
10. 前記縮小工程ａ）は、粉砕（crushing）、剪断（shredding）、グラインド（grinding）及び粒状化（granulating）からなる群から選択される機能を実行することを含むこと
    を特徴とする請求項７に記載の分離方法。
11. 前記分級工程ｂ）は、乾燥（drying）及びスクリーニング（screening）からなる群から選択される機能の少なくとも１つを実行することを含むこと
    を特徴とする請求項７に記載の分離方法。
12. 前記調製工程ｃ）は、前記分級されたプラスチックパーティクルの表面のダスト除去（de-dusting）及び清浄化（cleansing）からなる群から選択される操作の少なくとも１つを実行することを含むこと
    を特徴とする請求項７に記載の分離方法。
13. 前記分離されたプラスチックポリマーの２次的分離を実行する工程を更に含むこと
    を特徴とする請求項７に記載の分離方法。
14. 複数のプラスチック製品を含む物品群の流れから増大された磁化率を有する少なくとも１つのプラスチックポリマーを分離するための方法であって、
    以下の工程ａ）〜ｅ）の少なくとも２つを含むことを特徴とする分離方法：
    ａ） 前記プラスチック製品のサイズをプラスチックパーティクルのサイズの範囲に縮小する工程、
    ｂ） プラスチックパーティクルのサイズの前記範囲を分級する工程、
    ｃ） 前記分級されたプラスチックパーティクルを調製する工程、
    ｄ） 前記調製されたプラスチックパーティクルから夾雑金属を除去する工程、
    ｅ） 前記調製されたプラスチックパーティクルに少なくとも第１磁界を印加して、前記調製されたプラスチックパーティクルから増大された磁化率を有する前記プラスチックポリマーを分離する工程。
15. 前記少なくとも２つの工程は、工程ａ）及び工程ｅ）を含むこと
    を特徴とする請求項１４に記載の分離方法。
16. 前記調製されたプラスチックパーティクルに前記第１磁界とは異なる強さを有する少なくとも１つの更なる磁界を印加して、前記（第１の）プラスチックポリマーとは異なるレベルの増大された磁化率を有する少なくとも１つの更なるポリマーを分離する工程を更に含むこと
    を特徴とする請求項１４に記載の分離方法。
17. 前記縮小工程ａ）は、粉砕（crushing）、剪断（shredding）、グラインド（grinding）及び粒状化（granulating）からなる群から選択される機能を実行することを含むこと
    を特徴とする請求項１４に記載の分離方法。
18. 前記分級工程ｂ）は、乾燥（drying）及びスクリーニング（screening）からなる群から選択される機能の少なくとも１つを実行することを含むこと
    を特徴とする請求項１４に記載の分離方法。
19. 前記調製ステップｃ）は、前記分級されたプラスチックパーティクルの表面のダスト除去（de-dusting）及び清浄化（cleansing）からなる群から選択される操作の少なくとも１つを実行することを含むこと
    を特徴とする請求項１４に記載の分離方法。
20. 前記分離されたプラスチックポリマーの２次的分離を実行する工程を更に含むこと
    を特徴とする請求項１４に記載の分離方法。
    

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