JP5116057B2

JP5116057B2 - 樹脂と繊維とを分離する方法

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Publication number: JP5116057B2
Application number: JP2011088447A
Authority: JP
Inventors: 雅史菊池; 明男小山; 吉之助網本; 孝夫西下; 裕赤星; 和子伊藤
Original assignee: MEIJI UNIVERSITY LEGAL PERSON
Current assignee: MEIJI UNIVERSITY LEGAL PERSON
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2026-10-27
Also published as: JP2011183806A

Description

本発明は、樹脂と繊維を含む複合材料から樹脂と繊維とを分離する方法に関する。

近年のリサイクル機運の高まりと共に、塩ビ等の樹脂層と裏打ち紙（パルプ繊維層）とを張り合わせた樹脂壁紙や、塩ビ等の樹脂層とナイロンやポリエステル製の繊維層とを張り合わせた、又は、樹脂層間に繊維層を挟み込んだ、又は、繊維層に樹脂を含浸させた、タイルカーペット、防音シート、防水シート、工事用安全ネット等の異種材料からなる複合材料を効率よくリサイクルすることが求められている。このような複合材料をリサイクルするためには複合材料を粉体化し、粉体を材料毎に、例えば、樹脂粉と、繊維とに分離することが必要である。

このような複合材料を効率よく粉体化する方法として、特許文献１に記載されたような切削法、特許文献２に記載されたようなシュレッダー法、特許文献３〜４に記載されたような剪断法及び回転ハンマ法等が知られている。また、コンクリート廃棄物等のより硬い材料を破砕する装置として、特許文献５〜６等に記載されているようなチェーン回転型の破砕方法等が知られている。

特開２００３−８８７７２号公報特開２００３−２４８１７号公報特開２００３−１２７１４０号公報特開２００３−３２０５３２号公報特開２００６−０６１８９８号公報特開２０００−１８９８２３号公報

しかしながら、本発明者らが検討したところ、従来の方法では複合材料を３００μｍ程度以下まで効率良く粉体化することができず、複合材料を構成素材ごと、例えば、樹脂粉と繊維とに機械的に分離することが困難であった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、樹脂と繊維を含む複合材料から樹脂と繊維とを効率よく粉体化し分離する方法を提供することである。

本発明に関する分離方法は、樹脂と繊維を含む複合材料から樹脂と繊維とを分離する方法において、複合材料を、筒状容器の内壁と打撃部材との間で粉体化したのち、遠心力の作用により樹脂と繊維とを分離する。

本発明の分離方法において、打撃部材が、上記筒状容器の内壁に近い位置にあって、回転軸に固定されたロッド固定部材に回転軸と略平行に設けられた複数のロッドに設けられていることが好ましい。

本発明の分離方法において、上記ロッド固定部材が、開口又は切欠きを有していることが好ましい。

本発明の分離方法において、遠心力が、上記筒状容器内で回転する回転軸の回転により発生することが好ましい。

本発明の分離方法において、上記筒状容器の内壁と上記打撃部材との間が、１〜２０ｍｍであることが好ましい。

本発明の分離方法において、上記複合材料が、予め１００ｍｍ以下とされたチップ状又はシート状であることが好ましい。

本発明の分離方法において、打撃部材がその先端の周速が１００ｍ／ｓ以上で回転することが好ましい。

本発明の分離方法において、筒状容器が、略水平方向に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、樹脂と繊維を含む複合材料から樹脂と繊維とを効率よく粉体化、分離する方法が提供される。

図１は、本発明の実施形態の分離方法に係る粉体化装置の主として軸方向断面を説明する模式図である。図２は、図１の粉体化装置の円筒付近軸方向に垂直な断面を説明する模式図である。図３は、打撃部材の種々の形態（ａ）〜（ｇ）を示す斜視図である。図４は、図２とは別実施形態に係る円筒付近軸方向に垂直な断面を説明する模式図である。図５は、塩ビ樹脂＋可塑剤＋充填材からなる樹脂コンパウンド粉のＳＥＭ写真である。図６は、パルプのＳＥＭ写真である。

本発明の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。本実施形態の分離方法に係る粉体化装置１は、主として、筒状容器１０、回転軸２０、ロッド３０、ロッド固定部材４０、及び、打撃部材５０等を備える。

筒状容器１０は、略水平方向に伸びる円筒状の容器である。筒状容器１０は中空のジャケット構造（冷却手段）を有しており、ジャケット１０ａ内部を水等の冷媒が流通可能となっている。ジャケット１０ａにはラインＬ１を介して、冷媒供給装置５からの冷媒が供給される。

また、筒状容器１０を冷却する冷却手段や、筒状容器１０内に冷媒を供給する冷媒供給手段をさらに備えることが好ましい。筒状容器１０内に、液化炭酸ガス、液化窒素ガス、水蒸気、水ミスト、冷却空気等の冷媒を供給することによっても、筒状容１０器内の、対象物である樹脂と繊維から成る樹脂と繊維の複合材料を粉体化した粉や打撃部材の過熱を抑制できて好ましい。また、筒状容器１０内に投入する対象物を予め予冷する対象物予冷装置を備えることも好ましい。

なお、筒状容器１０がジャケット構造を有さない場合には、筒状容器１０の外面に水等を滴下して冷却しても良い。また、筒状容器１０は、メンテナンス性を考慮して、上下方向及び／又は左右方向に分割可能とされていても良い。筒状容器１０の両端は、円板１４でそれぞれ閉じられている。

回転軸２０は、両方の円板１４を貫通するように、かつ、筒状容器１０の軸に沿うように、好ましくは筒状容器１０の軸と同軸に配置されている。円板１４において回転軸２０が貫通する部分には、それぞれ、ガスや粉塵のシールが可能な軸受１５が設けられている。

また、回転軸２０は、筒状容器１０の両外側にそれぞれ配置された軸受２２により軸周りに回転可能に支持されている。さらに、回転軸２０の端部にはモータ２４が接続されており、回転軸２０を高速に回転可能となっている。回転速度は、たとえば、打撃部材５０の先端の周速、すなわち、打撃部材５０の最大回転半径における線速が５０ｍ／ｓ以上、より好ましくは１００ｍ／ｓ以上、更に好ましくは１２０ｍ／ｓ以上となる速度であることが粉体化にとって好ましい。なお、２００ｍ／ｓ以上の超高速回転では、さらに威力を発揮する。

回転軸２０は、筒状容器１０内の部分において径が広くされた太径部２０ａを有し、この太径部２０ａに円形枠状のロッド固定部材４０が円形枠の軸が回転軸２０と同軸となるように固定されている。ロッド固定部材４０は、軸方向に所定間隔離間して多数設けられている。

また、板状のロッド固定部材４０を軸方向に３枚以上備え、各ロッド３０は各ロッド固定部材４０を貫通しており、各固定部材間に複数の打撃部材５０がそれぞれ設けられることが好ましい。これにより、構造が簡単化され、製作、メンテナンス性が高まる。

そして、ロッド３０は、各ロッド固定部材４０を貫通するように軸方向と平行に伸びており、ロッド３０はロッド固定部材４０により回転軸２０に対して固定されている。

ロッド３０は、図２に示すように、回転軸２０に対して軸対称となる位置に複数本が回転軸に平行に設けられている。なお、図２では、４本のロッドが、９０°ずつずれて配置されているが、２本のロッドを１８０°ずつずらして配置してもよく、３本のロッドを１２０°ずつずらして配置してもよく、複数であるｎ本のロッドを（３６０／ｎ）°ずつずらして配置することが高速回転の観点から好ましい。

また、ロッド３０の位置は、図1に示すように、回転軸２０の太径部２０ａと筒状容器１０との間において、回転軸２０の太径部２０ａから離れて筒状容器１０の内壁に近い側に配置される。

そして、各ロッド３０には、複数の打撃部材５０が固定されている。打撃部材５０は、図３の（ａ）に示すように、本体部５１及びパイプ部５２を有する。本体部５１の根元部５１ａにパイプ部５２が貫通するように設けられており、このパイプ部５２の開口にロッド３０が貫通することにより打撃部材５０がロッド３０に固定される。本体部５１は、パイプ部５２の軸方向から見た場合に、先端部５１ｂの幅５１Ｈが根元部５１ａの幅５１Ｌに比べて細くなるように先細形状とされている。パイプ部５２の軸方向における本体部５１の長さ５１Ｗは、先端部５１ｂの幅５１Ｈよりも長くされている。

図１に示すように、各打撃部材５０は、各ロッド固定部材４０間に複数配置されるようにロッド３０に固定されている。また、打撃部材５０は、ロッド３０に対して、ロッド３０の軸周りを回動可能に固定されている。これにより、打撃部材５０と、樹脂と繊維を含む複合材料（以下「対象物」という。）とが衝突する際の打撃部材５０に係る衝撃を低減でき、また、繊維の無用な切断を軽減でき、打撃部材５０の寿命が延びる。また、通常は、打撃部材５０の回転運動から生じる遠心力により、打撃部材５０の先端部５１ｂが回転半径方向外側を向く。なお、打撃部材５０の先端部５１ｂと、筒状容器１０の内壁との間隔（図２参照）は、１〜２０ｍｍ程度とすることが好ましい。打撃部材５０やロッド３０の材料としては、例えば、ステンレス等の金属材料が挙げられる。

また、ロッド固定部材４０には、それぞれ、図２に示すように、回転軸２０の軸方向から見たときに、少なくともロッド３０よりも回転半径が小さい領域において、軸方向へのガス等の流通を可能とする開口４２が形成されている。

これにより、半径方向内側において軸方向へのガスの流通が可能となり、このガス流れと共に半径方向内側に偏析した軽質粉を選択的に外部に排出させることができ、分離機能も発揮させることができる。

図１の左端側の円板１４には、対象物入口１４ａが形成されており、この入口１４ａには、対象物を供給するスクリューフィーダ７０が接続されている。スクリューフィーダ７０は、円筒７２、円筒７２内に配置されたスクリュー７４、スクリュー７４を回転させるモータ７６、及び、円筒７２の一端に対象物を供給するホッパ７８を備え、円筒７２の他端が対象物入口１４ａに接続されている。

ホッパ７８内に供給される対象物としては、特に限定されないが、異種の材料を含む複合材料、例えば、塩ビ等の樹脂層と裏打ち紙（パルプ繊維層）とを張り合わせた樹脂壁紙や、塩ビ等の樹脂層とナイロンやポリエステル製の繊維層とを張り合わせた、又は、樹脂層間に繊維層を挟み込んだ、又は、繊維層に樹脂を含浸させた、タイルカーペット、防音シート、防水シート、工事用安全ネット等の複合樹脂材料が挙げられる。特に、繊維と樹脂層とを含む複合材料が好ましい。また、単一組成の材料を粉体化することもできる。また、医薬品、食品等の原料、例えば、乾燥した昆布、きのこ等を粉体化することもできる。

ここで、筒状容器１０内に供給される対象物は、事前に１００ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下に粗破砕されていることが好ましい。なお、対象物の形状は特に限定されず、粒状でもよく、チップ状、シート状でもよい。また、対象物は含水していてもよい。

左側の円板１４には、さらに、ガス入口１４ｂが複数形成されている。ガス入口１４ｂは、回転半径方向における位置が互いに異なるように設けられており、それぞれ、空気等のガスを筒状容器１０内に供給可能である。

筒状容器１０の周面における下部には、出口１０ｂが設けられている。出口１０ｂの先には、ラインＬ４を介して容器１２が接続されている。

右側の円板１４には、出口１４ｃが複数設けられている。各出口１４ｃは、回転半径方向の位置が互いに異なるように配置されている。各出口１４ｃにはラインＬ２を介して、バグフィルタ８０及び吸引ファン８２がそれぞれ設けられている。

これらの出口１０ｂ、１４ｃからの排出方法はこれに限定されず、スクリューフィーダ等を用いても良く、筒状容器１０内の圧力により自然に排出させてもよい。これら出口１０ｂ、１４ｃからの粉体化後の対象物を排出する速度を制御することにより、滞留時間をコントロールしても良い。このようにして、出口１０ｂ、及び、出口１４ｃから粉体化された対象物の粉を排出することにより、後述するように、軽質粉と重質粉とを分離して排出することができ、係る粉体化装置は分離装置として機能する。なお、出口を３つ以上設けることも可能である。また、出口１０ｂに代えて、例えば、図１において点線で示すように、右側の円板１４の半径方向最外側に出口１４ｄを設け、ラインＬ５を介してバグフィルタ８０及び吸引ファン８２を設けても良い。

続いて、本実施形態の分離方法に係る粉体化装置１を用いて対象物を樹脂と繊維とに分離する方法について説明する。

まず、回転軸２０を回転させる。ここでは、上述のように打撃部材５０の先端の周速が所定の速度となるようにすることが好ましい。また、入口１４ｂから空気等のガスを供給する。

続いて、ホッパ７８に投入された対象物を入口１４ａから筒状容器１０内に投入する。そうすると、対象物は高速回転する打撃部材５０によって筒状容器１０内を回転され、遠心力によって筒状容器１０の内面上を回転運動する。このとき、対象物は打撃部材５０との衝突や筒状容器１０の内壁との衝突や摩擦、あるいは、対象物同士での衝突や摩擦等により迅速に粉体化される。

また、筒状容器１０の内壁には凹凸が形成されていることが好ましい。筒状容器１０の内壁に凹凸が形成されていると、対象物がこの凹凸に衝突することや、この凹凸によって乱流が発生して対象物同士の衝突を促進できるために、筒状容器１０の内壁に沿って回転運動する対象物の粉体化をより促進することができる。

そして、本実施形態では、ロッド３０が回転軸２０から離れた筒状容器１０の内壁に近い側に配置され、このロッド３０に打撃部材５０が固定されているので、打撃部材５０を回転軸の太径部２０ａに固定するのに比べて打撃部材５０の回転半径方向の長さを十分に小さくでき、回転軸２０の回転に要する空気抵抗を小さくできる。したがって、回転軸２０を従来に比して高速回転させることが容易であり、対象物が高速で回転する打撃部材５０の先端部分と筒状容器１０の内周面との間を高速運動することとなり、対象物を迅速に微粉化、例えば、３００μｍ以下にすることが容易となる。そして、異なる材質を複合化した複合材料を粉体化した場合には、各材質ごと、例えば、樹脂粉と繊維とに物理的に分離することができる。また、対象物が、紙、繊維等の繊維材料を含む場合には、筒状容器１０内において繊維の解きほぐしもなされる。さらに、回転に必要な電力も低減できるので、省エネ化が可能である。

そして、各ロッド３０に複数の打撃部材５０を設けておけば、打撃部材５０が回転する領域を回転軸方向に長くかつ連続的に形成することが可能となり、粉体化の効率が良くなる。

さらに、筒状容器１０の内部では、高速回転により粉体化がなされた粉体に対して強い遠心力が働き、繊維等の軽質粉と、樹脂粉等の重質粉とが、半径方向に分離する。すなわち、軽質粉が半径方向の中心付近に、重質粉が半径方向の外側に分離される。また、ロッド固定部材４０には、開口４２が形成されているので、軸方向へのガス及び軽質粉の移動が可能である。特に、ロッド３０が、回転軸２０から離れた筒状容器１０の内壁に近い側に配置されているので、開口４２を十分に広く設けることができ、半径方向内側に集まってくる軽質粉の排出が容易となっている。

したがって、出口１４ｃからは半径方向内側に偏析した軽質粉が排出されフィルタ８０に捕集される一方、出口１０ｂからは半径方向外側に偏析した重質粉が排出されバグフィルタ８０に捕集される。すなわち、この粉体化装置１は、遠心分離装置としても機能する。なお、出口１４ｃ、１４ｃが互いに回転半径方向に離間されていることにより、バグフィルタ８０、８０間においても分離が可能となっている。

また、出口１４ｃのうち回転軸からの距離が最も長いものは筒状容器１０の周面に形成されることは好ましい。このようにすることにより、回転している粉体をスムースに排出させることができるという利点がある。

この様にして粉体化された重質粉、例えば、塩ビ樹脂粉は、再生塩ビコンパウンド等の再生塩ビ材料として好適に利用でき、また、軽質粉も、例えば、パルプはフリース壁紙の材料や、土壌改良剤等として、繊維は、再生樹脂原料としてそれぞれ利用できる。

特に複合材料の廃材、たとえば、塩ビ壁紙（塩ビ樹脂及び可塑剤約４０ｗｔ％、充填材約２０ｗｔ％、裏打ち紙約４０ｗｔ％）において、年間総排出量約１０万トンのうち再資源化されているのはわずか１０００トンであり、建設系廃棄物の中でももっとも再資源化が困難なものである。しかしながら、上述の本発明の方法によれば、３００μｍ以下程度まで微粉化が行われ、塩ビ樹脂＋可塑剤＋充填剤からなる樹脂コンパウンド粉と繊維粉とに分離された粉を得ることができる。また、遠心力によって、重質粉（例えば、塩ビ樹脂＋可塑剤＋充填剤からなる樹脂コンパウンド粉）と、軽質粉（裏打ち紙由来のパルプ）とに分離されるので、再利用も容易となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、さまざまな変形態様が可能である。

例えば、筒状容器１０は完全に水平方向に配置されなくても良く、例えば、３０°程度傾斜していても良い。また、筒状容器１０は、テーパ形状であっても良い。

また、ロッド３０も、回転軸２０と完全に平行でなくても、例えば、ロッド３０の一端が回転軸２０に近づく又は遠ざかるように１０°程度傾いていても良く、また、ロッド３０の一端が回転方向に１０°程度傾いていても良い。

また、ロッド固定部材４０の形状は、開口４２を有して回転軸２０を取り囲む枠状でなく、例えば、図４に示すように、ロッド３０よりも回転半径が短い部分において回転軸２０の軸方向へのガス流通を可能とする切欠き４２ａが形成された、回転軸から放射状に伸びる構造でもよい。また、開口や切欠きが無いものでも、３００μｍ以下への粉体化は可能である。

また、打撃部材５０としては、図３の（ａ）のような形状でなくても構わず、例えば、図３の（ｂ）のように本体部５１が板状をなす、すなわち、軸方向の長さ５１Ｗが先端部５１ｂの幅５１Ｈより小さくても良く、図３の（ｃ）のように根元部５１ａが筒状で、先端部５１ｂが板状でありその板の一辺がパイプ部５２に固定された形状でも良く、図３の（ｄ）のように先端部５１ｂが棒状のものでも良く、図３の（ｅ）のように本体部５１がパイプ部５２を取り囲むリング状であり、本体部５１の内側の一部がパイプ部５２の外周と接して固定された偏心リング状のものでもよく、図３の（ｆ）のように、パイプ部５２を有さずに本体部５１に貫通孔５１ｃが形成されたものでもよく、図３の（ｇ）のように（ｂ）の本体部５１の回転方向側の側面にさらに刃が形成されたものでも構わない。

また、筒状容器１０内に静電気除去用のイオンを供給することも可能である。また、筒状容器１０の内周面にはセラミックコーティングを行っても良く、凹凸をつけても良い。

また、出口１０ｂの軸方向の位置は特に限定されず、また、２つ以上設けて対象物や運転条件によって使い分けても良い。

図１に示す装置により１０００ｋｇの塩ビ壁紙（塩ビ樹脂及び可塑剤及び充填材からなる樹脂コンパウンド約６０ｗｔ％、裏打ち紙約４０ｗｔ％）を粉体化した。打撃部材５０の先端の周速は１５０ｍ／ｓとした。

その結果、５０〜５００μｍ程度にまで粉体化がなされた。容器１２に回収された粉体は５５０ｋｇであり、その組成は塩ビ樹脂＋可塑剤＋充填材からなる樹脂コンパウンド粉が９０ｗｔ％、パルプが１０ｗｔ％であった。バグフィルタ８０に回収された粉体は４５０ｋｇであり、その組成は塩ビ樹脂＋可塑剤＋充填材からなる樹脂コンパウンド粉が２０ｗｔ％、パルプが８０ｗｔ％であった。これらパルプと塩ビ樹脂コンパウンド粉とは既に機械的に分離されており、篩等を利用したさらなる精密分離と分級処理により３００μｍ以下の樹脂コンパウンド粉及び繊維長１〜３ｍｍのパルプフィラメントを９９．５％以上の分離度で得ることができた。樹脂コンパウンド粉のＳＥＭ写真及びパルプのＳＥＭ写真を、それぞれ図５、図６に示す。

１…粉体化装置、１０…筒状容器、１０ｂ…出口、１４ａ…入口、１４ｃ…出口、２０…回転軸、３０…ロッド、４０…ロッド固定部材、４２…開口、４２ａ…切欠き、５０…打撃部材。

Claims

樹脂と繊維を含む複合材料から樹脂と繊維とを分離する方法において、
前記複合材料を、筒状容器の内壁と、前記筒状容器内で回転する回転軸に設けられた打撃部材との間で粉体化したのち、
前記打撃部材の回転運動に伴って回転運動することにより与えられる遠心力の作用により、得られた樹脂粉を前記筒状容器内で前記回転の半径方向外側に、得られた繊維を前記筒状容器内で前記回転の半径方向内側に、分離し、
前記筒状容器の第一出口から前記繊維を排出し、前記筒状容器の第二出口から前記樹脂粉を排出し、前記第一出口は前記第二出口よりも前記回転の半径方向内側にあることを特徴とする樹脂と繊維とを分離する方法。
前記打撃部材が、前記筒状容器の内壁に近い位置にあって、回転軸に固定されたロッド固定部材に回転軸と略平行に設けられた複数のロッドに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂と繊維とを分離する方法。
前記ロッド固定部材が、開口又は切欠きを有していることを特徴とする請求項２に記載の樹脂と繊維とを分離する方法。
前記筒状容器の内壁と前記打撃部材との間が、１〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の樹脂と繊維とを分離する方法。
前記複合材料が、予め１００ｍｍ以下とされたチップ状又はシート状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の樹脂と繊維とを分離する方法。
前記打撃部材が、その先端の周速が１００ｍ／ｓ以上で回転することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の樹脂と繊維とを分離する方法。
前記筒状容器が、略水平方向に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の樹脂と繊維とを分離する方法。