JP2010174249A - ポリエステルおよび不飽和ポリエステルの解重合方法、ならびに当該解重合方法を用いたポリエステルモノマーの回収方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の解重合方法の一つの態様としては、嵩密度が0.3g/cm3以下の酸化チタン微粉末が分散したアルキレングリコールの存在下で、ポリエステルにマイクロ波を照射する。このような本発明の解重合方法を用いることにより、アルキレングリコールや不飽和二塩基酸といった、ポリエステル、不飽和ポリエステルまたはポリウレタンの原料を効率的に回収することができる。
【選択図】なし
Description
また、嵩密度が0.3g/cm3以下の酸化チタン微粉末が分散したアルキレングリコールに、ポリエステルまたはポリエステルを含有する成型品を浸漬させる工程、上記1番目の解重合方法を従ってマイクロ波を照射し、ポリエステルを解重合することにより、アルキレングリコールと飽和二塩基酸のビス−β−ヒドロキシアルキルエステルとを生成させる工程、さらに、当該飽和二塩基酸のビス−β−ヒドロキシアルキルエステルとメタノールとのエステル交換反応により、飽和二塩基酸のジメチルエステルを生成させる工程などにより、ポリエステルモノマーを回収することができる。また、解重合反応で生成したアルキレングリコールは、この解重合反応の溶媒に加えて再使用することもできる。
本発明の第1〜第3態様の解重合方法の対象となる「ポリエステル」は、飽和二塩基酸とアルキレングリコールとを重合してなるポリエステル(ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等)、またはカプロラクトンを重合してなるポリカプロラクトンである。これらのポリエステルを解重合することにより、飽和二塩基酸、アルキレングリコール、またはカプロラクトンをモノマーとして回収することができる。
本発明の第4および第5態様の解重合方法の対象となる「不飽和ポリエステル」は、例えば、飽和二塩基酸類と、不飽和多塩基酸類と、アルキレングリコール類とを重縮合させて不飽和アルキッド樹脂を生成し、このアルキッド樹脂を重合性ビニルモノマー(架橋モノマー)に溶解させることにより調製することができるような、一般的な不飽和ポリエステルである。
ポリエステルおよび不飽和ポリエステルを構成する、すなわち本発明の第1〜第5態様により回収することができるアルキレングリコールとしては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオ−ル、1,6−へキサンジオール、1,9−ノナンジオール、ネオペンチルグリコール、ポリテトラメチレングリコール、1,4−シクロヘキサンジオール、1,4−ベンゼンジオールなどが挙げられる。例えば、ポリエステルがポリエチレンテレフタレートの場合はアルキレングリコールとしてエチレングリコールを、また、ポリエステルがポリブチレンテレフタレートの場合はブチレングリコールをモノマーとして回収できる。
ポリエステルおよび不飽和ポリエステルを構成する、すなわち本発明の第1〜第3態様により回収することができる飽和二塩基酸としては、具体的には、例えばテレフタル酸、フタル酸(オルト体)、イソフタル酸、ジブロモイソフタル酸、スルホイソフタル酸ナトリウム、フェニレンジオキシジカルボン酸、4,4'−ジフェニルジカルボン酸、4,4'−ジフェニルエーテルジカルボン酸、4,4'−ジフェニルケトンジカルボン酸、4,4'−ジフェノキシエタンジカルボン酸、4,4'−ジフェニルスルホンジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、トリメリット酸、ピロメリット酸等の芳香族ジカルボン酸が挙げられる。また、その他のジカルボン酸、例えばヘキサヒドロテレフタル酸、ヘキサヒドロイソフタル酸等の脂環式ジカルボン酸、およびコハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ウンデカジカルボン酸、ドデカジカルボン酸等の脂肪族ジカルボン酸なども、上記飽和二塩基酸として挙げられる。
不飽和ポリエステルを構成する不飽和多塩基酸類としては、具体的には、例えばマレイン酸、無水マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、シトラコン酸等を挙げることができ、また、重合性ビニルモノマーとしては、例えば、スチレン、ビニルトルエン、メタクリル酸メチル、ジアリルフタレート、ジアリルテレフタレート等が挙げられる。
本発明の解重合方法およびモノマーの回収方法の産業上の利用においては、ポリエステルまたは不飽和ポリエステルを含有する成型品、特に廃棄物を対象とすることが想定される。この廃棄物とは、ポリエステルまたは不飽和ポリエステルを含有する成型品を使用した後に発生する廃棄物のほか、成形品製造時に発生する残余物、不良品等などをいう。例えば、使用済みのPET製ボトル、カップ、ひも、包装パック等、あるいはこれらを成形する際のバリ、スプルー、真空成形後のカップ切り取り後のシート等が挙げられる。
本発明の第1態様の解重合方法では、酸化チタン微粉末が分散したアルキレングリコールの存在下で解重合反応を行う。本発明の第2〜第5態様の解重合方法では、アルカリ金属および/またはアルカリ土類金属を含有するモノアルコールまたは多価アルコールの存在下で解重合反応を行う。
本発明の第1態様で用いられるアルキレングリコールとしては、前述のポリエステルのモノマーとして挙げたアルキレングリコールを使用することができるが、なかでもエチレングリコールまたはプロピレングリコールが安価でかつ低粘度であるため好ましい。これらのアルキレングリコールは、1種単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
一般的な酸化チタンには、白色顔料として用いられている正方晶系のルチル型酸化チタン、光触媒機能に優れた正方晶系のアナターゼ型酸化チタン、および斜方晶型のブルッカイト型酸化チタンの3種類がある。本発明の第1態様における酸化チタンとしては、これらのいずれの酸化チタンを用いることもできるが、反応性および入手のしやすさなどの点から、アナターゼ型酸化チタンを用いることが好ましい。
本発明の第2〜第5態様では、アルカリ金属および/またはアルカリ土類金属を含有するアルコール類の存在下で解重合反応を行う。
(マイクロ波)
本発明の方法ではポリステルの解重合反応を促進するためにマイクロ波を用いる。マイクロ波は、周波数が100MHz〜100GHz程度の高周波である。例えば、日本においては一般に2450MHzのマイクロ波の使用が家庭用に認められており、食品解凍用としては915MHzのマイクロ波も使用されているが、いずれの波長も本発明において使用できる。
このようなマイクロ波を発生させるための装置としては、例えば家庭用または業務用に用いられている電子レンジの他、公知のバッチ式、あるいはベルトコンベアー等の搬送部を有する連続式の各種マイクロ波発生、処理装置を用いることができる。
本発明のポリエステルまたは不飽和ポリエステルの解重合方法は、一般的には、反応溶媒を調製する工程、ポリエステルまたは不飽和ポリエステルをこの反応溶媒に浸漬する工程、およびマイクロ波を照射して解重合反応を進行させる工程などにより構成される。
以下、本発明のポリエステルまたは不飽和ポリエステルの解重合方法の第1〜第5態様について、ステップを追って説明する。
回収したポリエステルまたは不飽和ポリエステルの廃棄物を解重合の対象とする場合は、本発明の解重合方法に供する前に、これらの廃棄物を洗浄し、廃棄物に付着している汚れ、例えば内容物、土等を除去することが望ましい。
本発明の解重合方法では、まず、アルコール類に酸化チタン微粉末やアルカリ金属化合物等を添加し、分散または溶解させ、反応溶媒を調製する。これらの酸化チタン微粉末やアルカリ金属化合物等は、アルコール類を撹拌しながら少しずつ添加することが好ましく、また、それらを迅速に分散または溶解させるために、超音波発生機や通常の加熱器を用いてもよい。なお、アルコール類に溶解するアルカリ金属化合物等を用いる場合は、投入後にマイクロ波を照射すれば解重合反応の進行と共に溶解するので、一般的には前処理的な溶解操作は不要である。
次に、工程1で調製した反応溶媒に、ポリエステルまたは不飽和ポリエステルを浸漬させる。この際の反応溶媒とポリエステルまたは不飽和ポリエステルとの重量比は、本発明の第1〜第3態様のいずれにおいても、1〜50:1程度とすればよく、3〜15:1とすることが好ましい。
以上の準備が完了した後、上記反応溶媒/ポリエステル混合体または反応溶媒/不飽和ポリエステル混合体にマイクロ波を照射する。反応形式は、連続反応方式あるいはバッチ方式のいずれでもよい。これらの混合体は、前述のように、セラミック等のマイクロ波を吸収しない容器に収容された状態で反応に供されることが望ましい。
本発明の第2態様における解重合方法は、通常10秒間〜20分間、好ましくは30秒間〜10分間、特に好ましくは1分間〜5分間の範囲で行われる。
本発明の第5態様における解重合方法(エステル交換型)は、通常1〜12時間、好ましくは1〜6時間、特に好ましくは1〜3時間の範囲で行われる。
本発明の第1態様においてポリエステルを解重合した場合、アルキレングリコールと飽和二塩基酸のビス-β-ヒドロキシアルキルエステルとが生成する。
本発明の解重合反応の第1〜第5態様における反応溶媒として、ポリエステルまたは不飽和ポリエステルの構成成分であるアルキレングリコールとは異なるアルコール類を用いた場合、解重合により生成したアルキレングリコールと上記反応溶媒とは一旦混合するが、両者を分離することにより、解重合により生成したアルキレングリコールのみを回収することが可能である。
本発明の第1,第3または第5態様によりポリエステルを解重合した場合、飽和二塩基酸またはオリゴマーのエステル化合物が生成するが、この生成物は解重合反応に用いたグリコールの種類により変化する。例えば、本発明の第1態様において、溶媒としてエチレングリコールを用いてポリエチレンテレフタレートを解重合した場合、モノマーとしてビス(β-ヒドロキシエチル)テレフタレート(BHET)が得られ、溶媒としてプロピレングリコールを用いて解重合した場合、モノマーとして主にビス(β-ヒドロキシエチルイソプロピル)テレフタレート(BHEPT)が得られる。
本発明の第2または第4態様によりポリエステルを解重合した場合、飽和二塩基酸またはオリゴマーのジアルカリ金属塩が生成するが、この生成物は解重合反応に用いたアルカリ金属の種類により変化する。例えば、ポリエチレンテレフタレートを、触媒として水酸化ナトリウムを用いて解重合した場合、エチレングリコールと共にテレフタル酸ナトリウムが生成する。
電子レンジ:東芝(株)製,ER−B2(WT),高周波出力500W
電子レンジ:三菱電機(株)製,RO−S5B,高周波出力200W/500W
μ−Reactor:四国計測工業株式会社製,マイクロ波周波数2.45GHz,マイクロ波出力0−700W
また、PETの解重合(エステル交換型)では、下記表に示した2種類の酸化チタンを使用した。
[実施例1−1]
100mL平底フラスコにポリエチレンテレフタレート(PET)0.965g(5mmol)、エチレングリコール(EG)6.21g(100mmol)及び酸化チタン0.0406g(5mmol)を入れた。容器は開放したまま、電子レンジに入れ、30分間マイクロ波を照射した。放冷後、アセトン40mlを用いて、未反応のPETと酸化チタンをろ別した。次に、減圧下でアセトンを留去した。更に未反応のEGを、クーゲルロール蒸留装置を用いて減圧留去し、3.09g(54℃/3.5mmHg〜138℃/2.2mmHg)を得た。結果を表2に示す。残渣としてビス(β-ヒドロキシエチル)テレフタレート(BHET)を白色固体として1.23g得た。収率は96%であった。また、未反応のPETは全く回収されなかったので、反応率は99%以上である。
実施例1において、反応容器を100mL平底フラスコから50mLビーカーに変更した以外は実施例1−1と同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表2に示す。
実施例1−1において、酸化チタンの配合量を0.0406g(5mmol)から0.0081g(1 mmol)に、反応時間を30分から60分に変更した以外は実施例1−1と同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表2に示す。
実施例1−3において、反応時間を60分から90分に変更した以外は実施例1−3と同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表2に示す。
実施例1−1において、酸化チタンの配合量を0.0406g(5mmol)から0.004g(0.5mmol)に変更した以外は実施例1−1と同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表2に示す。
実施例1−5において、反応時間を30分から90分に変更した以外は実施例1−5と同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表2に示す。
三口フラスコにPET1.00g、ジエチレングリコールモノメチルエーテル(DGMM)19.0g、K3PO4・nH2O1.00gを量りとった。μ−Reactorを用いてマイクロ波を20分間照射した。反応後、アセトン50mLを加え、超音波を当てて生成物を溶解させ、吸引濾過をした。濾液を濃縮してクーゲルロール蒸留をしてBMEETを得た。結果を表2に示す。
実施例1−7において、溶媒をDGMMからエチレングリコールに変更し、反応時間を20分間から80分間に変更した以外は実施例1−7とほとんど同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表2に示す。
100mLナス型フラスコにPET0.97g、EG9.36g、酸化チタン0.0400gを入れた。攪拌しながらオイルバス180℃で加熱還流を2時間行った。放冷後、アセトン40mlを用いて、未反応のPETと酸化チタンをろ別した。このとき未反応のPETを0.97g回収した。減圧下でアセトンを留去した。未反応のEGをクーゲルロール蒸留装置を用いて減圧留去し、9.34g(95℃/15mmHg〜157℃/18mmHg)を得た。残渣として白い固体を微量得たが、IR測定の結果、BHETの吸収は全く認められなかった。反応は全く進行しなかった。
50mLビーカーにPET0.97g、EG9.32g、酸化チタン0.0412gを入れた。加熱用マグネチックスターラーを用いて攪拌しながら40分間150℃で加熱した。放冷後、アセトン40mlを用いて、未反応のPETと酸化チタンをろ別した。このとき未反応のPETを0.962g回収した。減圧下でアセトンを留去した。未反応のEGをクーゲルロール蒸留装置を用いて減圧留去し、0.44g(67℃/2.2mmHg〜142℃/2.2mmHg)を得た。ほとんど系外へ蒸発した。残渣として白い固体を微量得たが、IR測定の結果、BHETの吸収は全く認められなかった。反応は全く進行しなかった。
実施例2において、酸化チタンをチタンAからチタンBに変更した以外は実施例2と同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表2に示す。
[実施例2−1]
200ml平底丸型フラスコに、反応溶媒として6.37gのエチレングリコール(EG)と、触媒として水酸化ナトリウム(NaOH)0.500gを入れ、超音波を1時間照射して均一溶液にした。次に、0.961gのポリエチレンテレフタレート(PET)片(約3mm×3mm)をこの溶液に浸漬し、フラスコを電子レンジにセットしてマイクロ波を2.0分間照射した。
実施例2−1において、反応時間を1.0分間に変更した以外は実施例2−1とほとんど同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表3に示す。
実施例2−1において、反応時間を1.5分間に変更した以外は実施例2−1とほとんど同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表3に示す。
実施例2−3において、反応溶媒を6.37gのエチレングリコールから10.6gのジエチレングリコールに変更した以外は実施例2−3とほとんど同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表3に示す。
実施例2−3において、反応溶媒を6.37gのエチレングリコールから10.5gのトリエチレングリコールに変更した以外は実施例2−3とほとんど同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表3に示す。
実施例2−3において、反応溶媒を6.37gのエチレングリコールから9.99gのポリエチレングリコール(n=300)に変更した以外は実施例3とほとんど同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表3に示す。
実施例2−6において、反応時間を1.5分間から4.0分間に変更した以外は実施例2−6とほとんど同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表3に示す。
実施例2−3において、反応溶媒を6.37gのエチレングリコールから9.22gのグリセリンに変更した以外は実施例2−3とほとんど同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表3に示す。
実施例2−8において、反応時間を1.5分間から2.0分間に変更した以外は実施例2−8とほとんど同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表3に示す。
実施例2−9において、反応触媒を0.650g(11.6mmol)のKOHに変更した以外は実施例2−8とほとんど同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表3に示す。
実施例2−9において、反応触媒を0.913g(10.8mmol)のNaHCO3に変更した以外は実施例2−8とほとんど同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表3に示す。
実施例2−9において、反応触媒を0.603g(5.65mmol)のNa2CO3に変更した以外は実施例2−8とほとんど同様にPETの解重合およびモノマーの回収を行った。結果を表3に示す。
200mlナス型フラスコにPET0.962g、グリセリン9.23g、水酸化ナトリウム0.572gを入れた。攪拌しながらオイルバス180℃で加熱還流を2分間行った。放冷後、水100mlを用いて、未反応のPETをろ別した。このとき未反応のPETを0.962g回収した。減圧下で水を留去して、未反応の水酸化ナトリウムを含むグリセリンを9.80g回収した。
200ml平底丸型フラスコに、反応溶媒として9.23gのグリセリンを入れ、0.963gのポリエチレンテレフタレート(PET)片(約3mm×3mm)をこの溶媒に浸漬し、フラスコを電子レンジにセットしてマイクロ波を5.0分間照射した。冷却後、水100mlを加えて、未反応のPETをろ別した。このとき未反応のPETを0.963g 回収した。水溶液に塩酸を加えてpH2にしても何も回収できなかった。
[実施例3−1]
200ml容平底丸型フラスコに6.63gのエチレングリコール(EG)と水酸化ナトリウム(NaOH)0.561g入れ、超音波を1時間照射して均一溶液にした。0.505gのFRP片(約5mm×5mm×5mm)を入れ、フラスコを電子レンジにセットしてマイクロ波を2分間照射した。
実施例3−1において、反応溶媒としてエチレングリコールの代わりにプロピレングリコールを用いた以外は実施例3−1と同様にしてFRPの解重合反応を行なった。結果を表4に示す。
実施例3−1において、反応溶媒としてエチレングリコールの代わりに1.6倍量のジエチレングリコールを用い、反応時間を3.5分間とした以外は実施例3−1と同様にしてFRPの解重合反応を行なった。結果を表4に示す。
実施例3−1において、反応溶媒としてエチレングリコールの代わりに1.5倍量のポリエチレングリコールを用い、反応時間を10分間とした以外は実施例3−1と同様にしてFRPの解重合反応を行なった。結果を表4に示す。
実施例3−1において、解重合触媒としてNaOHの代わりにKOHを用い、反応時間を5分間とする以外は実施例3−1と同様にしてFRPの解重合反応を行なった。結果を表4に示す。
実施例3−1において、反応溶媒としてエチレングリコールの代わりに1.4倍量のグリセリンを用いる以外は実施例3−1と同様にしてFRPの解重合反応を行なった。結果を表4に示す。
実施例3−6において、解重合触媒としてNaOHの代わりにKOHを用いる以外は実施例3−6と同様にしてFRPの解重合反応を行なった。結果を表4に示す。
実施例3−6において、解重合触媒としてNaOHの代わりにLiOHを用いる以外は実施例3−6と同様にしてFRPの解重合反応を行なった。結果を表4に示す。
実施例3−6において、解重合触媒としてNaOHの代わりにK3PO4を用い、反応時間を11分間に変更した以外は、実施例3−6と同様にしてFRPの解重合反応を行なった。結果を表4に示す。
100ml平底丸型フラスコにFRP0.53g、ベンジルアルコール10g、およびリン酸三カルシウム水和物1.1gを入れ、電子レンジを用いて2時間マイクロ波を照射した。
100mlナス型フラスコにFRP0.513g、グリセリン9.23g、水酸化ナトリウム0.580gを入れた。攪拌しながらホットマグネットスターラーを用いて200℃、20分間反応した。放冷後、処理を実施例3−1の操作にしたがって行った。反応率は70%であった。
Claims (7)
- 嵩密度が0.3g/cm3以下の酸化チタン微粉末が分散したアルキレングリコールの存在下で、ポリエステルを含有する成型品または廃棄物にマイクロ波を照射することを特徴とする、ポリエステルの解重合方法。
- 前記酸化チタンがアナターゼ型酸化チタンであることを特徴とする、請求項1に記載のポリエステルの解重合方法。
- 前記アルキレングリコールがエチレングリコールおよび/またはプロピレングリコールであることを特徴とする、請求項1に記載のポリエステルの解重合方法。
- 前記ポリエステルを含有する成型品または廃棄物が、ポリエチレンテレフタレートを含有する成型品または廃棄物であることを特徴とする、請求項1に記載のポリエステルの解重合方法。
- 嵩密度が0.3g/cm3以下の酸化チタン微粉末が分散したアルキレングリコールに、ポリエステルを含有する成型品または廃棄物を浸漬させる工程、および
請求項1〜4のいずれかに記載のポリエステルの解重合方法を用いて、アルキレングリコールと飽和二塩基酸のビス−β−ヒドロキシアルキルエステルとを生成させる工程
を含むことを特徴とする、ポリエステル、不飽和ポリエステルまたはポリウレタンの原料の回収方法。 - さらに、飽和二塩基酸のビス−β−ヒドロキシアルキルエステルとメタノールとのエステル交換反応により、飽和二塩基酸のジメチルエステルを生成させる工程を含むことを特徴とする、請求項5に記載のポリエステル、不飽和ポリエステルまたはポリウレタンの原料の回収方法。
- 解重合反応で生成したアルキレングリコールを、解重合反応の分散媒として再使用することを特徴とする、請求項5に記載のポリエステル、不飽和ポリエステルまたはポリウレタンの原料の回収方法。
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