JP5366275B2 - 熱可塑性材料のリサイクル方法 - Google Patents
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Description
プラスチック製品の再生及びリサイクルには多くのさまざまな方法がある。しかしながら、これらの方法はどれも個々のとらえ方で取り組んでいるばかりで、それゆえ、従来公知の方法は特定の利用には適しているが、その他の分野ならびに他の条件や課題においてはうまくいかない。
高温における多くのプラスチック製品の粘着性など、処理技術の問題も考慮されなければならない。
リサイクルされたプラスチック製品の再使用が増えるにつれ、食品容器の分野においても、リサイクル製品の使用が増えている。しかし、リサイクルされたプラスチックと食品が直接接触する場合には、リサイクルされたプラスチックをもとに製造された容器材料から、望まれない汚染物質が食品に移らないことが保証されなければならない。この問題を解決するために、使用後の、それ故に食品に関して汚染や多くの場合有害な不純物を有するプラスチックを、全く問題なしに食品容器の分野において再使用可能なプラスチック製品となるようにリサイクルするための、多くの方法が既に開発されている。
他方で、物理的手法はずっと低い温度で実施でき、このためリサイクルされたプラスチック製品の構造、特に分子鎖長は基本的に変化しない。
重要度が増大しているプラスチックはポリ乳酸、すなわちポリラクチド(以下、PLAという。)である。ポリ乳酸すなわちPLAは下記式で表される熱可塑性の合成物質である。
PLAは包装業界において最も利用範囲が広い。この物質の1つの顕著な性質は、大変優れた生分解性を有し、生体適合性があり、環境に優しく、従って微生物によって簡単に分解され得るということである。
PLAの医学的利用も同様に注目されている。例えば、移植組織片や活性成分賦形(ふけい)剤(active ingredient vehicles)はPLAで作られており、人体の中で分解される。PLA製の骨板及び/又はねじは、折れた骨が治っていくにつれて体内で分解されるため、もはや2度目の手術をして取り除く必要はない。再吸収に要する期間は、使用されるポリマーの鎖長によるだけでなく、L及びD成分の混合比率によっても、調整することが可能である。活性成分を埋め込んだPLAスポンジ(sponges)は、特定の期間に特定の場所でこれらを放出することができる。
PLAプラスチックのリサイクルにおいて、可塑化あるいは分解時における分子鎖の加水 分解を防ぐため、リサイクルされる材料は出来るだけ乾燥していることが重要である。
ところが、PLAは吸湿性であり、そのため効率的な乾燥が難しい。
その温度以上ではPLA材料が粘性を発現することになるガラス転移点が低いこと、そして比較的結晶化時間が長いことが、従来の結晶化装置及び乾燥装置を用いた、非晶質の製品廃棄物、特に、厚く製造されたフィルム(deep-drawn films)の残留物、の結晶化及び/又は乾燥を難しくしている。
このような従来から知られている乾燥装置は、乾燥空気ドライヤーであり、粒状物(granulate)1kgにつき、およそ1.85m3/hの流量で作動する。例えば、非結晶質PLAは露点が−40℃の空気を用いて45℃で約4時間、結晶PLAは露点が−40℃の空気を用いて90℃で約2時間、乾燥される。
このような理由で、乾燥前に該プラスチックの結晶化を行うことが考えられる。このような結晶化は例えば、乾燥温度より低い温度で、いかなる場合も融点あるいは可塑化温度より低い温度で、粒子を均一に揺動(振動、movement)又は機械的に操作することにより達成できる。この揺動は、各々の粒子の相互付着の防止に有利である。
従来の結晶化装置で早期結晶化段階に直接進もうとすると、それも極めて困難で、粘着性の問題が慣例である。
従って、あるポリマー材料の再処理に関して得られた知識を、別の材料に適用したり直接転用することは容易にできることではない。よってどのポリマーも、個別に特に考慮すべき事柄や評価、そして特に、その特定の材料に合わせた処理条件を必要とする。その上、詳細な処理調整(process control)は、扱っている材料の形状や、特に厚さにも影響される。
さらに、結晶化、乾燥、浄化、粘度の増大等の条件が複雑に相互作用し、これを予め予測することは極めて困難であり、共通に適用できる通則は当てはまらないため、個別のポリマーごとに、そしてリサイクルされる廃棄物の各々の種類や形状に合わせて、処理条件を個別に適合させる必要がある。
さらにこの方法は、影響を受けやすく不安定な、特に吸湿性のプラスチック製品や、含水量の多いプラスチック製品を、穏やかに処理することを可能にしなければならない。
さらに本発明の課題は、リサイクルされるプラスチック製品を、その種類、形状、及び組成に拘わらず、乾燥させ、場合によっては同時に1段階(one step)で結晶化できる方法を創出することにある。
(1)リサイクル処理されるプラスチック材料を、少なくとも一つの収容槽又は反応槽において、混合及び粉砕しながら加熱し、前記プラスチック材料の結晶化、乾燥、及び浄化を行い、
前記プラスチック材料の混合、粉砕、及び加熱は、鉛直軸の回りを回転でき、少なくとも一つの粉砕及び混合用具を使用し、該粉砕及び混合用具は材料を粉砕及び混合する効果を奏するように働く刃を有し、加熱が粉砕及び混合することに伴う発熱により行われ、
前記プラスチック材料が、高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、又はポリプロピレン(PP)であり、
前記プラスチック材料の形態が、容器を粉砕してできた部分的に結晶質又は非晶質の粒状物やフレークの形態であり、
高密度ポリエチレン(HDPE)の加熱温度が50〜130℃であり、低密度ポリエチレン(LDPE)の加熱温度が50〜110℃であり、ポリプロピレン(PP)の加熱温度が50〜155℃であり、
粉砕及び混合用具の最も外側の刃の周方向速度が1〜35m/s、収容槽又は反応槽における平均滞留時間が10〜100分、かつ150mbar以下で処理が行なわれる、
ことを特徴とするプラスチック材料のリサイクル方法。
(2)処理は単一の処理槽において1段階で行われ、プラスチック材料は、単一の作業プロセスで加熱、乾燥、結晶化及び浄化される(1)に記載の方法。
(3)処理は、複数の段階で行われ、2又はそれ以上の収容槽あるいは反応槽が連続して、及び/又は並行して配置され、処理されるプラスチック材料はこれらの処理槽を順次流れていく(1)に記載の方法。
(4)(1)に記載の処理条件が、少なくとも一つの処理槽において使用される、(3)に記載の方法。
(5)プラスチック材料は前処理に先立って、予備粉砕、洗浄又は予備乾燥される、(3)又は(4)に記載の方法。
(6)本処理の温度は、プラスチック材料の可塑化温度あるいは融点より低く保たれる、(3)〜(5)のいずれかに記載の方法。
(7)プラスチック材料は、連続的な流れにおいて前処理される、(3)〜(6)のいずれかに記載の方法。
(8)連続的又はバッチ処理として行われる、(1)〜(7)のいずれかに記載の方法。
(9)プラスチック材料は、最終的に可塑化あるいは溶融され、真空状態において、成形装置に運ばれ、あるいは粒状物に加工される、(1)〜(8)のいずれかに記載の方法。
結晶化、乾燥、浄化(purification)あるいは無毒化が、場合によってはPA(もしかするとPCも)などのある種の重縮合物における粘度の上昇も、同時に、特に一度の共通の処理段階(process step)により、有利に行われる。よって、この再生方法は迅速で、しかも穏やかである。
例えば、結晶質及び非結晶質のポリマー材料の両方が、予め粉砕されるか、又は緩く流れているいかなる形態でも、どんな混合比率でも、乾燥でき、必要であれば1段階(single step)で結晶化でき、そして望むなら該材料が溶融される成形機に直接投入できる。
プラスチック材料のより優れた乾燥は、例えば、真空(vacuum)を利用して達成される。また、このようにして行われる処理は、真空を利用するおかげで、その他の装置より少ない供給エネルギーで済む。
真空にすることによって、材料からの不純物の拡散を助け、また不純物の除去を確実にする。
さらに真空が、高温のポリマー粒子あるいはフレークを酸化的影響又はダメージから保護するため、他の処理装置と比べてより高い粘度を得ることも可能である。基本的にどの不活性ガスを使用しても無毒化は可能である。しかしこれは相当の、より高額の費用がかかる。
乾燥は、設定温度におけるその材料の一定の有利な最小限の滞留時間(dwell time)、そして場合によっては選択された真空度によってサポートされる。
従来行われていた、複雑で費用のかかる、外部における処理材料の予備乾燥及び結晶化、ならびに化学添加物の使用及び/又は固体凝縮(solid state condensation)は必要でない。
このために、洗浄及び乾燥されたフレークは、昇温下及び場合により真空下に、本発明の浄化処理に委ねられ、一方で指定された処理条件下での反応装置内における滞留時間も浄化の役割を果たす。処理条件は、扱っているポリマーの不活性度ならびに化学的及び物理的性質によって決まる。
拡散生成物はポリマー粒子の境界層で見つかることから、そのすぐ後に溶融物の脱気(degassing)を行う成形処理と比較して、拡散経路が大幅に短縮される。
基本的に本発明の方法は、バッチ処理により、あるいは連続的に行うことができる。都合のいいことに、温度、滞留時間、及び真空度などの処理条件が、処理時間を通してずっと維持されていることを確実にすることだけが必要である。連続処理は、処理を確実に一定に保つことにより特に効果的となることが判明している。
さらに、汚染物質の除去は、有害なにおいをも低減する。
滞留時間は、ある種のポリマーに関しては大変長くなることがある。反応槽内に普及している温度でその材料を溶かさないために、該粒子に、溶融物の脱気を伴う成形処理(extrusion process)を直接施すのが得策である場合もある。これは、LDPE、HDPE、及びPPについては特に当てはまる。
処理槽と成形装置間の輸送段階におけるエネルギー損失の発生を防ぐため、輸送設備、断熱、溶融域における真空度の増加などの方策が可能である。
成形装置の溶融域や下流の溶融物脱気においては、最後に残った揮発成分が真空下において、さらに高温で除去される。
最終的には、上記溶融物は、必要に応じて、濾過、造粒、あるいは、最終製品又は半完成品の製造のための次の製造段階に移すことができる。
このような反応槽は実用化されており、例を挙げると、「エレマ プラスチックリサイクル装置PC(EREMA Plastic Recycling System PC)」や、「1段又は2段階ヴァキュレマ装置(one-or two-stage VACUREMA layouts)」などとして知られている。
特に粒状物やフレーク等の形態のポリマー片に対しては、1段階ヴァキュレマ反応槽(one-stage VACUREMA reactor)で処理するのが好ましい。このような反応槽は上述の特徴を有し、真空を適用することも可能である。
薄いフィルム、ファイバーやフリースの形態のポリマーに対しては、1段階エレマ ピーシー反応槽(one-stage EREMA PC reactor)で処理するのが有利である。この場合、真空を用いず、大気圧(ambient pressure)下でも十分処理されることが多い。この反応槽も同様に上述の特徴を有している。
これは、結晶化工程は乾燥工程より前にくる必要があることを意味する。しかし、もし処理槽内で処理中の材料が上記手段によって長い間処理されると、該装置を連続稼動する場合は特に、特定のプラスチック粒子が非常に早く搬出ウオームに捕まる一方で、他のプラスチック粒子はずっと遅れて捕まるという危険がある。早期に捕まる粒子はまだ比較的低温で、よって前処理が不十分であり、その結果、連結された装置、例えば成形ヘッドへ、ウオームを通って運ばれる材料内において不均質性が生じる。
本処理は真空下で行われ、残留水分量をあらかじめ設定された低い値まで減少させ、また揮発性の有害物質を材料から確実に分離する。
1段階プロセスにおける処理、あるいは2段階プロセスにおける本処理の後、取り出された材料は成形装置を用いて有利に可塑化される。該成形装置は本処理レイアウトに間接的に連結されているのが好ましい。気密性を有する直接連結によって、本処理レイアウトにおける真空が成形装置の入口領域まで達することができる。成形装置は多くの場合、可塑化ゾーンを有し、これと隣接して圧縮ゾーン及び停留(retention)ゾーンを有する。この停留ゾーンは普通、脱気すなわち排気ゾーンと隣接し、ここでは真空、特に高真空により、溶融物から揮発性物質が吸い取られる。1段階あるいは多段階の脱気が可能である。また連続したいくつかの、真空度の異なる圧縮及び減圧ゾーンも設置可能である。こうすれば、頑固でなかなか揮発しない汚染物質でも気化させることができる。
基本的に、リサイクルされ、結晶化され、そして乾燥されたプラスチック片を溶融する必要はない。これらは乾燥及び結晶化状態を保ちながら蓄えられ、冷却され、あるいは搬送設備により成形装置へ運ばれ、又は他の変形プロセスによりさらに処理されることができる。
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粉砕された容器から得られるフレーク状の高密度ポリエチレン(HDPE)は、
− 50℃〜130℃、好ましくは90℃〜122℃の温度に加熱され、
− 10分〜100分、特に20分〜70分の平均滞留時間の間、反応槽に留まる。
− ここで、粉砕又は混合用具の最も外側の攪拌チップの周方向速度が1〜35m/s、好ましくは3〜20m/sの範囲内にあり、
− ここで、150mbar以下、好ましくは50mbar以下、特に20mbar以下、特に0.1〜2mbarの間の真空が使用されてもよい。
粉砕された容器から得られるフレーク状の低密度ポリエチレン(LDPE)は、
− 50℃〜110℃、好ましくは75℃〜105℃の温度に加熱され、
− 10分〜100分、特に20分〜70分の平均滞留時間の間、反応槽に留まる。
− ここで、粉砕又は混合用具の最も外側の攪拌チップの周方向速度が2〜35m/s、好ましくは3〜20m/sの範囲内にあり、
− ここで、150mbar以下、好ましくは50mbar以下、特に20mbar以下、特に0.1〜2mbarの間の真空が使用されてもよい。
粉砕された容器から得られるフレーク状のポリプロピレン(PP)は、
− 50℃〜155℃、好ましくは100℃〜150℃の温度に加熱され、
− 10分〜100分、特に20分〜70分の平均滞留時間の間、反応槽に留まる。
− ここで、粉砕又は混合用具の最も外側の攪拌チップの周方向速度が2〜35m/s、好ましくは3〜20m/sの範囲内にあり、
− ここで、150mbar以下、好ましくは50mbar以下、特に20mbar以下、特に0.1〜2mbarの間の真空が使用されてもよい。
Claims (9)
- リサイクル処理されるプラスチック材料を、少なくとも一つの収容槽又は反応槽において、混合及び粉砕しながら加熱し、前記プラスチック材料の結晶化、乾燥、及び浄化を行い、
前記プラスチック材料の混合、粉砕、及び加熱は、鉛直軸の回りを回転でき、少なくとも一つの粉砕及び混合用具を使用し、該粉砕及び混合用具は材料を粉砕及び混合する効果を奏するように働く刃を有し、加熱が粉砕及び混合することに伴う発熱により行われ、
前記プラスチック材料が、高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、又はポリプロピレン(PP)であり、
前記プラスチック材料の形態が、容器を粉砕してできた部分的に結晶質又は非晶質の粒状物やフレークの形態であり、
高密度ポリエチレン(HDPE)の加熱温度が50〜130℃であり、低密度ポリエチレン(LDPE)の加熱温度が50〜110℃であり、ポリプロピレン(PP)の加熱温度が50〜155℃であり、
粉砕及び混合用具の最も外側の刃の周方向速度が1〜35m/s、収容槽又は反応槽における平均滞留時間が10〜100分、かつ150mbar以下で処理が行なわれる、
ことを特徴とするプラスチック材料のリサイクル方法。 - 処理は単一の処理槽において1段階で行われ、プラスチック材料は、単一の作業プロセスで加熱、乾燥、結晶化及び浄化される請求項1に記載の方法。
- 処理は、複数の段階で行われ、2又はそれ以上の収容槽あるいは反応槽が連続して、及び/又は並行して配置され、処理されるプラスチック材料はこれらの処理槽を順次流れていく、請求項1に記載の方法。
- 請求項1に記載の処理条件が、少なくとも一つの処理槽において使用される、請求項3に記載の方法。
- プラスチック材料は前処理に先立って、予備粉砕、洗浄又は予備乾燥される、請求項3又は4に記載の方法。
- 本処理の温度は、プラスチック材料の可塑化温度あるいは融点より低く保たれる、請求項3〜5のいずれかに記載の方法。
- プラスチック材料は、連続的な流れにおいて前処理される、請求項3〜6のいずれかに記載の方法。
- 連続的又はバッチ処理として行われる、請求項1〜7のいずれかに記載の方法。
- プラスチック材料は、最終的に可塑化あるいは溶融され、真空状態において、成形装置に運ばれ、あるいは粒状物に加工される、請求項1〜8のいずれかに記載の方法。
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