JP3590393B2

JP3590393B2 - 生分解性プラスチックの製造方法とこれに用いる装置

Info

Publication number: JP3590393B2
Application number: JP2002142879A
Authority: JP
Inventors: 名可男野村; 孝次高村; 東伯金; 純二山田; 正利松村
Original assignee: 株式会社ジェイ・コーポレーション
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: JP2003335850A

Description

【０００１】
本発明は乳酸を原料とする生分解性プラスチックの製造方法とこれに用いる装置に関する。
【０００２】
乳酸を原料として生分解性プラスチックの主成分であるポリ乳酸を製造する方法が既知であるが、これまでの製造方法は図１に示すように、乳酸を高温加圧下において脱水縮重合することにより、乳酸からラクチドを経てポリ乳酸にする合成経路が一般的であった。
【０００３】
生分解性プラスチックは、通常の使用にあってはプラスチックとしての機能や性能を持っているが、使用が終わって廃棄するときには自然環境で容易に分解無害化するような性質を持ったプラスチックで、自然環境を汚染しないため近い将来にはあらゆる分野で使用されることが予想されており、極めて有用な素材である。
【０００４】
然しながら上記従来の製造方法は製造コストが高く、又汎用プラスチックに比較して十分な強度や性能が得られない等の欠点により、これまではコンポストバッグや農業用マルチフィルム等に利用されているに過ぎなかったが、生体適合性がよいことから手術用の縫合糸など医療分野にも利用され始めている。
【０００５】
本発明はそうした生分解性プラスチックを安価に提供することを目的に創案されたものであり、上記乳酸からラクチドを経てポリ乳酸を合成する経路を採らずに、図２に示すように、上記乳酸から直接ポリ乳酸を合成する方法と装置を提供する。これによりポリ乳酸の合成時間を大幅に短縮し、製造コストを低減するものである。
【０００６】
この方法はトウモロコシ澱粉に代表される澱粉を乳酸発酵することにより乳酸を得る。この乳酸を原料とし、該乳酸を金属触媒の存在下において、且つ高温減圧下において脱水縮重合することにより生分解性プラスチックの主成分であるポリ乳酸を得る。
【０００７】
上記脱水縮重合に伴い生成される水蒸気を系外に排出し、該排出される水蒸気量を計測して反応の終点を検知し、生分解性プラスチックの主成分であるポリ乳酸を得る。
【０００８】
上記金属触媒としては、塩化亜鉛又は／及び塩化第一錫が適性である。即ち乳酸を原料とし、該乳酸を塩化亜鉛又は／及び塩化第一錫の存在下において、且つ高温減圧下において、上記脱水縮重合を促し生分解性プラスチックの主成分であるポリ乳酸を得る。
【０００９】
好ましくは塩化亜鉛と塩化第一錫を触媒として併用する場合、上記塩化亜鉛の添加量は０．１〜０．３重量％の範囲で選択し、上記塩化第一錫の添加量は０．１〜１重量％の範囲で選択する。
【００１０】
又上記脱水縮重合温度は１８０〜２２０℃の範囲で選択し、脱水縮重合時の真空度はマイナス０．０５〜マイナス０．０８Ｍｐａの範囲で選択するのが好ましい。
【００１１】
上記併用を行う場合、塩化亜鉛と塩化第一錫の添加量の総重量％が０．４重量％を下回ると脱水縮重合反応が著しく遅くなり、１重量％を上回ると脱水反応のみが進み、反応物が炭化してしまうことがある。これを回避するために装置の真空度を上げると縮重合反応は速まるが、ラクチドの生成が進行し、ポリ乳酸の収量が減るなどの障害が発生する。
【００１２】
このため塩化亜鉛と塩化第一錫を併用する場合の総添加量は０．４〜１重量％の範囲であることが好ましく、塩化亜鉛の添加量が０．１〜０．３重量％の範囲であり、塩化第一錫の添加量が０．３〜０．７重量％であることが望ましい。
【００１３】
具体例として塩化亜鉛と塩化第一錫を併用し、塩化亜鉛を０．１重量％、塩化第一錫を０．４重量％とした時のポリ乳酸の重量平均分子量は１１０，０００で、塩化亜鉛を０．２重量％、塩化第一錫を０．５重量％とした時のポリ乳酸の重量平均分子量は１２０，０００であった。
【００１４】
又塩化亜鉛のみを触媒として用いる場合は、添加量が０．２〜０．８重量％の範囲が好ましく、生成するポリ乳酸の重量平均分子量は８０，０００〜１００，０００であった。
【００１５】
又塩化第一錫のみを触媒として用いた場合は、添加量が０．３〜１重量％の範囲が好ましく、生成するポリ乳酸の重量平均分子量は１００，０００〜１２０，０００であった。
【００１６】
然しながらこれら塩化亜鉛と塩化第一錫の何れかを単独で用いる場合には、重合に要する時間が多くかかることがわかった。従って反応時間を無視すれば、これら触媒を単独で用いることも可能である。
【００１７】
これらにより、触媒として塩化亜鉛と塩化第一錫を併用すると、重合時間が短く、生成するポリ乳酸の分子量が大きく、ポリ乳酸の収量が多くなることが確かめられた。
【００１８】
次に図３，図４に基づき、上記生分解性プラスチックの製造法に用いる装置について説明する。
【００１９】
この装置は原料である乳酸と金属触媒が投入される気密容器１と、該気密容器１内を減圧する減圧装置２と、該気密容器１を加熱する加熱手段３と、該気密容器１内において乳酸を撹拌する撹拌装置４とを備える。
【００２０】
上記気密容器１は例えば上方へ向け開放された容器本体１ａと、該開放部を密閉又は開放する開閉可能な蓋体１ｂから成る。
【００２１】
上記容器１の例えば天板、即ち蓋体１ｂには原料たる乳酸及び触媒を投入するための投入口５と、減圧装置２に接続する抜気口６を設ける。
【００２２】
又上記加熱手段３は上記気密容器本体１ａの周面に接して、これを包囲するように配した電気ヒーターにて形成する。
【００２３】
又上記気密容器１の底板、即ち容器本体１ａの底板に合成されたポリ乳酸を排出する気密容器１内空間と連通する排出シリンダー７を設け、該排出シリンダー７の外端に製品排出口８を設ける。
【００２４】
そして上記排出シリンダー７内にスクリューシャフト９を同軸に設け、該スクリューシャフト９は上記製品排出口８の開放時に気密容器１内のポリ乳酸を該排出口８を通じて排出する。
【００２５】
図３，図４は上記スクリューシャフト９の作動構造例を示している。図示のように、上記撹拌装置４を撹拌羽根４ａにて形成し、該撹拌羽根４ａの回転軸４ｂの上端にモーター４ｃを接続し、該モーター４ｃにて回転軸４ｂ及び撹拌羽根４ａを回転する。
【００２６】
上記モーター４ｃは気密容器１の外部、例えば容器天板の上位、即ち蓋体１ｂの上位に配し、該モーター４ｃの駆動軸に上記回転軸４ｂを直結し、気密容器１内の中心部に垂設する。
【００２７】
上記回転軸４ｂの下端に上記スクリューシャフト９を同軸に連設し、該スクリューシャフト９を上記排出シリンダー７内に挿入する。
【００２８】
他方上記モーター４ｃを支持台１０にて支持し、該支持台１０を流体圧シリンダー１１にて支持し、図３に示すように、該流体圧シリンダー１１の収縮動作により上記支持台１０とモーター４ｃを下降し、これに伴い回転軸４ｂ及び撹拌羽根４ａと一緒に上記スクリューシャフト９を下降する。即ちスクリューシャフト９を排出シリンダー７内において製品排出口８へ向け押し込み、スクリューシャフト９の端面を製品排出口８との連設部に形成した段部１２に当接し、同排出口８を閉鎖する。
【００２９】
上記排出口８の閉鎖状態において、モーター４ｃにより撹拌羽根４ａを正転し、容器内乳酸を撹拌し、減圧装置２と加熱手段３による高温減圧下における前記脱水縮重合を促す。
【００３０】
又図４に示すように、上記流体圧シリンダー１１の伸長動作にて上記支持台１０とモーター４ｃを押し上げ、これに伴い回転軸４ｂ及び撹拌羽根４ａと一緒に上記スクリューシャフト９を上昇する。即ちスクリューシャフト９を排出シリンダー７内において引き上げて、段部１２から離間し製品排出口８を開放する。
【００３１】
上記排出口８の開放状態においてモーター４ｃを逆転駆動して回転軸４ｂを逆転し、スクリューシャフト９を逆転する。これにより合成済みポリ乳酸を製品排出口８へ向け搬送し、同排出口８から排出する。
【００３２】
再述すると、重合装置（気密容器１）内に乳酸と触媒を所定量投入し撹拌装置４を作動させながら容器１内を減圧装置２により減圧し、同時に加熱手段３により１８０〜２２０℃に加熱する。反応が進むにつれて容器１内部に水、即ち水蒸気を生成するが、この水蒸気を減圧装置２により系の外部に排出することにより、ラクチドの生成割合が少なくポリ乳酸が多く生成される。
【００３３】
又減圧装置２への配管途中に水蒸気センサー１３を挿入し、計測装置１４により発生する水蒸気量を計測することにより反応の進み具合を把握し、計算された水蒸気量に達した時点で反応を終了する。
【００３４】
斯くして得られた生分解性プラスチックの主成分であるポリ乳酸を上記排出シリンダー７と製品排出口８を通じて外部へ排出する。この排出されたポリ乳酸から金属触媒を回収する方法は既知の技術に基づく。
【００３５】
本発明によれば、図１に示す乳酸からラクチドを経てポリ乳酸を合成する従来の合成経路を採らずに、図２に示すように、上記乳酸から直接ポリ乳酸を合成できるので、ポリ乳酸の合成時間を大幅に短縮し、製造コストを低減するものである。
【００３６】
又従来の重合法に比較して反応時間が約５０％節約されると同時に、重合装置内の酸素分圧が少ないため、加熱温度が多少変動しても製品が炭化することがなく、品位の高いポリ乳酸が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のポリ乳酸の合成経路を示す化学式。
【図２】本発明に係るポリ乳酸の合成経路を示す化学式。
【図３】本発明の生分解性プラスチックの製造方法に用いる装置を排出口閉鎖状態を以って示す断面図。
【図４】上記装置を排出口開放状態を以って示す断面図。
【符号の説明】
１…気密容器、１ａ…容器本体、１ｂ…蓋体、２…減圧装置、３…加熱手段、４…撹拌装置、４ａ…撹拌羽根、４ｂ回転軸、４ｃ…モーター、５…乳酸と触媒の投入口、６…抜気口、７…排出シリンダー、８…製品排出口、９…スクリューシャフト、１０…モーター支持台、１１…流体圧シリンダー、１２…段部、１３…水蒸気センサー、１４…水蒸気計測器

Claims

乳酸を原料とし、該乳酸を金属触媒の存在下において、且つ高温減圧下において脱水縮重合することにより生分解性プラスチックの主成分であるポリ乳酸を得る生分解性プラスチックの製造方法であって、上記金属触媒が塩化亜鉛及び塩化第一錫であり、該塩化亜鉛の添加量は０．１〜０．３重量％、塩化第一錫の添加量が０．１〜１重量％であり、更に上記脱水縮重合温度が１８０〜２２０℃であり、脱水縮重合時の真空度がマイナス０．０５〜マイナス０．０８Ｍｐａであることを特徴とする生分解性プラスチックの製造方法。
乳酸を原料とし、該乳酸を金属触媒の存在下において、且つ高温減圧下において脱水縮重合することにより生分解性プラスチックの主成分であるポリ乳酸を得る生分解性プラスチックの製造方法であって、上記金属触媒が塩化亜鉛及び塩化第一錫であり、該塩化亜鉛の添加量は０．１〜０．３重量％、塩化第一錫の添加量が０．１〜１重量％であり、更に上記脱水縮重合温度が１８０〜２２０℃であり、脱水縮重合時の真空度がマイナス０．０５〜マイナス０．０８Ｍｐａであり、上記脱水縮重合に伴い生成される水蒸気を系外に排出すると同時に、排出される水蒸気量を計測して反応の終点を検知することを特徴とする生分解性プラスチックの製造方法。
原料である乳酸が投入される気密容器と、該気密容器内を減圧する減圧装置と、該気密容器を加熱する加熱手段と、該気密容器内において乳酸を撹拌する撹拌装置とを備え、上記気密容器に排出口を有する排出シリンダーを設け、該排出シリンダー内にスクリューシャフトを同軸に設け、該スクリューシャフトは上記排出口の開放時に気密容器内のポリ乳酸を該排出口を通じて排出することを特徴とする生分解性プラスチック製造装置。