JP4292195B2

JP4292195B2 - プラスチック廃材のリサイクル成形方法

Info

Publication number: JP4292195B2
Application number: JP2006119547A
Authority: JP
Inventors: 直人安藤; 武千代小林; 猛長岡; 明男生駒; 二朗瀧口
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2026-04-24
Also published as: JP2007291213A

Description

本発明は、多種類のプラスチック材料が混在するプラスチック材料の物性改善、特に多種類のプラスチック材料やプラスチック廃材を再利用し、一定の機械的強度を備えたプラスチック成形品を成形するプラスチック廃材のリサイクル成形方法に関するものである。

表１は一般家庭からゴミとして排出されるボトル、トレー等のプラスチック製容器、およびフィルム等のプラスチック包装材からなるプラスチック廃材の成分を分析した結果である。

各成分は回収された都市や時期によりバラツキがあるが、一般にゴミとして排出されるプラスチック廃材は、上記のようにポリプロピレンおよびポリエチレンを主成分とし、これにポリスチレンが１１重量％前後含まれており、この３種のプラスチックで８９（重量）％以上を占める。なお、このようなプラスチック廃材は、主としてプラスチック製容器をリサイクルする目的で集められた材料であることから「容リ材」と称される。

ところでこのような多種類のプラスチック材料が混在するプラスチック廃材を処理する方法には、従来から燃料として燃やすサーマルリサイクル法、原材料に戻すケミカルリサイクル法、および、新たなプラスチック成形品を成形する材料として再利用するマテリアルリサイクル法があるが、このうちでマテリアルリサイクル法は、省資源、省エネルギー、経済性、および環境対策の観点から最も望ましい処理方法であると言える。
しかしながら、上記プラスチック廃材は、それぞれ特性を異にする多種類のプラスチック材料の混合体であるので、従来のマテリアルリサイクル法では、成形品を成形する際に異種材料間で相間剥離が発生して物性が低下し、特に衝撃強度が著しく低下するため製品としての用途が限られるという問題があった。

また、下記特許文献１等に示されたように、従来からプラスチックに添加されている公知の安定剤や改質剤、或いは金属不活性剤、難燃剤等をプラスチック廃材に添加したり、ポリプロピレンやポリエチレン等の所謂バージン材をプラスチック廃材に混ぜることが考えられていたが、これらの方法ではコストが高くなり、その割に十分な機械的強度が達成されないという問題があった。
特開２００５−２３１９０号公報

そこで本発明は、上記従来の改質材の欠点を克服し、機械的強度が優れた成形品をプラスチック廃材によって容易に成形することができるプラスチック廃材のリサイクル成形方法を提供しようとするものである。

そのために請求項１に記載したプラスチック廃材のリサイクル成形方法の発明は、プラスチック廃材は、一般家庭からゴミとして排出される多種類のプラスチック製容器およびプラスチック製包装材からなるものであって、ポリプロピレンおよびポリエチレンを主成分とし、ポリスチレンがこの両主成分よりも低い割合で含まれていて、この３種の成分で８９（重量）％以上を占めるものであり、一方、改質剤は、ポリスチレンとポリブタジエンを共重合したスチレン系熱可塑性エラストマーを１重量部に対し、平均粒子径０．１〜０．５μｍの炭酸カルシウムからなる微粉末を２〜３重量部混合してなるものであり、前記プラスチック廃材を１００重量部に対して前記改質剤を１〜２０重量部の割合で添加し、該プラスチック廃材を該改質剤と共に回転羽根型ミキシング機に投入して該ミキシング機のスクリュおよび羽根を高速回転させることで該プラスチック廃材を混合攪拌し、そのときの摩擦による自己発熱により溶融させゲル状態になったプラスチック廃材を成形型に移動して加圧することにより所定形状に成形することを特徴とする。
また、請求項２に記載したプラスチック廃材のリサイクル成形方法の発明は、プラスチック廃材は、一般家庭からゴミとして排出される多種類のプラスチック製容器およびプラスチック製包装材からなるものであって、ポリプロピレンおよびポリエチレンを主成分とし、ポリスチレンがこの両主成分よりも低い割合で含まれていて、この３種の成分で８９（重量）％以上を占めるものであり、一方、改質剤は、ポリスチレンとポリエチレン・ポリブチレンを共重合したスチレン系熱可塑性エラストマーを１重量部に対し、平均粒子径０．１〜０．５μｍの炭酸カルシウムからなる微粉末を２〜３重量部混合してなるものであり、前記プラスチック廃材を１００重量部に対して前記改質剤を１〜２０重量部の割合で添加し、該プラスチック廃材を該改質剤と共に回転羽根型ミキシング機に投入して該ミキシング機のスクリュおよび羽根を高速回転させることで該プラスチック廃材を混合攪拌し、そのときの摩擦による自己発熱により溶融させゲル状態になったプラスチック廃材を成形型に移動して加圧することにより所定形状に成形することを特徴とする。

本発明に係る改質剤をプラスチック廃材に添加することにより、成形品の機械的強度が向上する。また、低コストで改質できるのでプラスチック廃材のマテリアルリサイクルを促進させる。このため資源の循環型社会が実現され地球環境の保護に役立つ。

この改質剤はスチレン系熱可塑性エラストマーを１重量部に対して平均粒子径０．１〜０．５μｍの炭酸カルシウム微粉末を２〜３重量部混合してなる。なお、このスチレン系熱可塑性エラストマーと炭酸カルシウム微粉末との混合比は、コスト面からも望ましい。
スチレン系熱可塑性エラストマーは、図１に示したように、ポリスチレン部分（ハードセグメント）と、柔らかい性質を与えるポリブタジエンまたはポリエチレン・ポリブチレンの部分（ソフトセグメント）をブロック状に共重合させた基本単位構造を持ち、これらは夫々ＳＢＳ、ＳＥＢＳと表されている。ポリスチレンの末端ブロックは互いに凝集して極微小粒子を形成し、この極微小粒子が均一に分散し架橋ゴムの架橋点に相当する役割を果たすため三次元網目構造の弾性体としての性質を示す。しかし、１４０〜２３０℃に加熱すると溶融し、熱可塑性樹脂としての流動性を示す。なお、ＳＥＢＳはＳＢＳのブタジエン部分を水素添加して不飽和二重結合をなくしたもので、優れた耐熱性・耐候性を有する。
この実施形態ではアロン化成株式会社から商品名「エラストマーＡＲ−１４０」として市販されているスチレン系熱可塑性エラストマーを使用する。表２はこのスチレン系熱可塑性エラストマーの基本物性を示す。

また、上記微粉末は炭酸カルシウムを乾式で機械的に超微粉砕することにより、平均粒子径０．１〜０．５μｍの球形に近い不定形粒子となる。そして、この微粉末に金属石鹸により再凝集防止処理を施すのが望ましい。
上記スチレン系熱可塑性エラストマーとこの微粉末とを混合するに際しては、１５０℃程度に加熱した容器にスチレン系熱可塑性エラストマーを入れて該エラストマーを溶融した後、微粉末を少量ずつ十分に混練されたのを確かめながら３回程度に分けて投入することにより、該微粉末を該エラストマー中に均一に分散させるようにする。なお、微粉末を一度に投入することは均一な分散を困難にするので好ましくない。

一方、一般家庭から排出されるプラスチック廃材は、破砕機に掛けて数センチ〜数ミリのチップ状に破砕し、このプラスチック廃材を１重量部に対して上記改質剤を０．０１〜０．２重量部の割合で添加し、以下に例示するようにこれを溶融し所定形状の成形品に成形する。

次に上記プラスチック廃材を溶融成形する手段を説明する。プラスチック廃材を溶融成形するには、プレス成形装置による方法と、押出成形装置による方法と、射出成形装置による方法とがある。プレス成形装置を使用するに際しては、先ず図２に示した回転羽根型ミキシング機を使用する。この回転羽根型ミキシング機１は、チャンバ２中を貫通するモータ３の回転軸４に螺旋状のスクリュ５および複数の羽根６が設けられ、該チャンバの下部にシャッター７を備えた排出口８を設けてなるもので、ホッパー９にプラスチック廃材を上記改質剤と共に投入し、モータ３の駆動によってスクリュ５および羽根６を高速回転させ、これらを混合攪拌するとともに、該羽根６によりプラスチック廃材を激しく衝突させ、そのときの摩擦による自己発熱により、該プラスチック廃材が溶融し、ゲル状態となる。こうしてゲル状態となったプラスチック廃材はシャッター７を開けて取り出される。図３は下型１０ａと上型１０ｂとからなるプレス成形装置１０を示し、ゲル状態となったプラスチック廃材１１を該下型内にセットして上型１０ｂを圧下することにより該プラスチック廃材を所定形状に成形することができる。

表３はスチレン系熱可塑性エラストマーを１重量部に対して上記炭酸カルシウム微粉末を２重量部混合した改質剤（以下、改質剤Ａという）をプラスチック廃材に添加したことによる物性の改善効果を試験した結果を示す。また表４はスチレン系熱可塑性エラストマーを１重量部に対して上記炭酸カルシウム微粉末を３重量部混合した改質剤（以下、改質剤Ｂという）をプラスチック廃材に添加したことによる物性の改善効果を試験した結果を示す。これらの試験には、上記プレス成形（面圧５０ｋｇ／ｃｍ^２とする）により、一辺の長さが２００ｍｍで厚さ５ｍｍの正方形板を成形しこれをテストピースとして用いた。なお、表３中（１）は改質剤を全く添加しないで成形したテストピースの機械的強度を測定した結果を示す。表３中（２）〜（６）はプラスチック廃材を１００重量部に対して改質剤Ａの添加割合を夫々３〜２０重量部としたときの上記テストピースの機械的強度を示す。また、表４中（７）〜（１１）は同じく改質剤Ｂの添加割合を３〜２０重量部としたときの上記テストピースの機械的強度を示す。

このように改質剤Ａおよび改質剤Ｂは、プラスチック廃材に添加することにより、その成形品の機械的強度を大幅に向上させることが分かったが、改質剤Ａは特に衝撃強度を改善する効果が顕著であるのに対し、改質剤Ｂは引張強度を改善する効果が顕著であることが判明した。このため成形品の用途によって改質剤Ａと改質剤Ｂとを使い分けることが望ましい。

なお、プラスチック廃材に対するこれらの改質剤の添加割合については、この表３，表４に示されたように、プラスチック廃材を１００重量部に対して改質剤を１〜２０重量部の割合で添加するのがよく、改質剤の添加割合が１重量部以下では機械的強度を向上させるには至らない。また、改質剤を２０重量部以上添加してもコストを増大させるだけでさらなる機械的強度の向上は見込めない。

このように本発明に係る改質剤は、熱可塑性エラストマーに粒子径１μｍ未満（好ましくは、平均粒子径０．１〜０．５μｍ）の微粉末を混合したものであるので、該微粉末が溶融したプラスチック廃材と混じることにより三次元網目構造の熱可塑性エラストマーと相俟って種類の異なるプラスチックを結合させ相間剥離を防止する。このため、成形品の物性、機械的強度を著しく向上させる。このため、運搬用パレットのような耐衝撃性を要する物品にまで用途が拡大され、製品価値の高い物に容易にリサイクルすることができる。

なお、この実施形態はプレス成形装置によって成形する過程を示したが、本発明ではプレス成形装置によるものだけでなく射出成形装置や押出成形装置によっても成形することが可能である。図４はスクリュー型押出成形装置１５を例示するもので、横置されたシリンダ２０の基部上面にホッパ２１が設けられ、該シリンダ２０中にモータ２２により回転するスクリュ２３が設けられ、該シリンダの先端部にはダイス２４に連なる材料押出通路が形成された金型２５が設けられている。２６は該シリンダの外周に設けられたバンドヒータである。また、２７はダイス２４の先方に設けられた支持ローラである。

この押出成形装置では、ホッパ２１にプラスチック廃材を上記改質剤と共に投入し、スクリュ２３を旋回させることにより該プラスチック廃材を混合攪拌し、バンドヒータ２６の加熱により該プラスチック廃材を溶融させる。そしてゲル状態となったプラスチック廃材をダイス２４から押し出し、成形品２８を支持ローラ２７に支持させ抽出するものである。このように押出成形による方法は、溶融・成形が連続的に行われることから生産性を向上させる。

本発明に係る改質剤を構成する熱可塑性エラストマーの基本単位構造を示す模式図。本発明に係る成形方法を実施するための回転羽根型ミキシング機の縦断面図。本発明に係る成形方法を実施するためのプレス成形装置の縦断面図。本発明に係る成形方法を実施するための押出成形装置の縦断面図。

符号の説明

１回転羽根型ミキシング機
１０プレス成形装置
１５スクリュー型押出成形装置

Claims

プラスチック廃材は、一般家庭からゴミとして排出される多種類のプラスチック製容器およびプラスチック製包装材からなるものであって、ポリプロピレンおよびポリエチレンを主成分とし、ポリスチレンがこの両主成分よりも低い割合で含まれていて、この３種の成分で８９（重量）％以上を占めるものであり、一方、改質剤は、ポリスチレンとポリブタジエンを共重合したスチレン系熱可塑性エラストマーを１重量部に対し、平均粒子径０．１〜０．５μｍの炭酸カルシウムからなる微粉末を２〜３重量部混合してなるものであり、前記プラスチック廃材を１００重量部に対して前記改質剤を１〜２０重量部の割合で添加し、該プラスチック廃材を該改質剤と共に回転羽根型ミキシング機に投入して該ミキシング機のスクリュおよび羽根を高速回転させることで該プラスチック廃材を混合攪拌し、そのときの摩擦による自己発熱により溶融させゲル状態になったプラスチック廃材を成形型に移動して加圧することにより所定形状に成形することを特徴としたプラスチック廃材のリサイクル成形方法。
プラスチック廃材は、一般家庭からゴミとして排出される多種類のプラスチック製容器およびプラスチック製包装材からなるものであって、ポリプロピレンおよびポリエチレンを主成分とし、ポリスチレンがこの両主成分よりも低い割合で含まれていて、この３種の成分で８９（重量）％以上を占めるものであり、一方、改質剤は、ポリスチレンとポリエチレン・ポリブチレンを共重合したスチレン系熱可塑性エラストマーを１重量部に対し、平均粒子径０．１〜０．５μｍの炭酸カルシウムからなる微粉末を２〜３重量部混合してなるものであり、前記プラスチック廃材を１００重量部に対して前記改質剤を１〜２０重量部の割合で添加し、該プラスチック廃材を該改質剤と共に回転羽根型ミキシング機に投入して該ミキシング機のスクリュおよび羽根を高速回転させることで該プラスチック廃材を混合攪拌し、そのときの摩擦による自己発熱により溶融させゲル状態になったプラスチック廃材を成形型に移動して加圧することにより所定形状に成形することを特徴としたプラスチック廃材のリサイクル成形方法。