JP7433353B2 - 樹脂組成物のリサイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂組成物のリサイクル装置に関する。

従来、ε－カプロラクタムの開環重合物（例えば、ポリアミド６）は、添加剤と混合して、使用されているが、廃棄物をリサイクルする方法が検討されている。

特許文献１に、廃棄物のリサイクル方法が記載されている。具体的には、まず、押出機を用いて、ε－カプロラクタムの開環重合物を熱溶融させ、圧縮した後、耐圧管状反応器を用いて、過熱水蒸気により、ε－カプロラクタムの開環重合物を加水分解させ、ε－カプロラクタムを生成させる。次に、減圧装置を用いて、水を除去した後、フィルタ装置を用いて、添加剤を除去する。最後に、フィルタ装置を通過した液を精製し、ε－カプロラクタムを回収する。

特表平１０－５１０２８０号公報

しかしながら、ε－カプロラクタムの開環重合物を加水分解しても、未分解のオリゴマーとして残留するため、フィルタ装置において、オリゴマーが除去される。このため、ε－カプロラクタムの回収率を向上させることが望まれている。

本発明は、樹脂組成物に含まれる樹脂を構成する単量体の回収率を向上させることが可能な樹脂組成物のリサイクル装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、樹脂および添加剤を含む樹脂組成物をリサイクルする装置であって、前記樹脂組成物に含まれる樹脂を加水分解させて解重合物を得る押出反応器と、前記解重合物を熱分解させて単量体を気化させる気化器と、を備え、前記押出反応器は、前記樹脂組成物を導入する第１導入部と、水を導入する第２導入部と、前記樹脂組成物を前記水と混合させるスクリューと、を有する。

前記押出反応器および前記気化器は、背圧弁を介して連結されていてもよい。

前記気化器および前記背圧弁は、前記解重合物から単量体を分離する気液分離器を介して連結されていてもよい。

上記の樹脂組成物のリサイクル装置は、前記気化器で気化した単量体および前記気液分離器で分離された単量体を凝縮させる凝縮器をさらに備えてもよい。

上記の樹脂組成物のリサイクル装置は、前記気化器の内部を減圧する減圧部をさらに備えてもよい。

前記気化器は、前記解重合物を輸送するコンベアを有してもよい。

前記コンベアは、スクリューコンベアであってもよい。

前記樹脂組成物は、繊維強化樹脂であってもよい。

本発明によれば、樹脂組成物に含まれる樹脂を構成する単量体の回収率を向上させることが可能な樹脂組成物のリサイクル装置を提供することができる。

本実施形態の樹脂組成物のリサイクル装置の一例を示す模式図である。 図１の樹脂組成物のリサイクル装置の変形例を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態の樹脂組成物のリサイクル装置は、樹脂および添加剤を含む樹脂組成物をリサイクルする装置である。樹脂としては、加水分解により解重合することが可能であれば、特に限定されないが、例えば、ポリアミド（例えば、ポリアミド６、ポリアミド６６）、ポリエステル（例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ））、ポリカーボネート（ＰＣ）等が挙げられる。ここで、樹脂を構成する単量体は、単数であってもよいし、複数であってもよい。樹脂を構成する単量体が複数である場合は、樹脂を構成する単量体の少なくとも一部が回収される。添加剤としては、特に限定されないが、例えば、ガラス繊維、炭素繊維等の無機繊維、アラミド繊維、セルロース系繊維等の有機繊維、タルク、マイカ、アルミフレーク等が挙げられ、二種以上を併用してもよい。本実施形態の樹脂組成物のリサイクル装置は、繊維強化樹脂をリサイクルする場合に、特に有効である。

図１に、本実施形態の樹脂組成物のリサイクル装置の一例を示す。

樹脂組成物のリサイクル装置１０は、樹脂組成物に含まれる樹脂を加水分解させて解重合物を得る押出反応器１１と、解重合物を熱分解させて単量体を気化させる気化器１２と、を備える。ここで、押出反応器１１は、樹脂組成物を導入する第１導入部としての、原料フィーダー１１ａおよび原料ホッパー１１ｂと、水を導入する第２導入部としての、高圧水ポンプ１１ｃおよび水加熱器１１ｄと、樹脂組成物を解砕し、水と混合させるスクリューと、を有する。また、解重合物は、単量体、オリゴマー等を含む。このとき、気化器１２で解重合物を熱分解させて単量体を気化させるため、単量体の回収率が向上する。また、押出反応器１１で樹脂組成物に含まれる樹脂を加水分解させるため、加水分解反応が促進される。

押出反応器１１としては、例えば、二軸スクリュー押出機を用いることができる。押出反応器１１の各シリンダブロック１１ｅは、ヒーターによる加熱および冷却水、チラー水等による冷却が可能である。また、原料フィーダー１１ａは、例えば、廃棄された樹脂組成物の粉砕物を原料ホッパー１１ｂの中に定量的に供給する。さらに、原料ホッパー１１ｂは、押出反応器１１の内部に樹脂組成物の粉砕物を投入する。一方、高圧水ポンプ１１ｃは、所定のシリンダブロック１１ｅから押出反応器１１の内部に水を供給する。このとき、押出反応器１１の内部が高圧になっても、定量的に水を供給できることから、高圧水ポンプ１１ｃとして、ダイヤフラムまたはプランジャーポンプを使用する。また、水加熱器１１ｄは、例えば、高圧水配管の途中に、水配管をスパイラル状に加工して管状炉内に設置し、水配管を加熱する。水加熱器１１ｄの代わりに、高温の熱媒体油を用いて、熱交換器により水を加熱してもよい。

押出反応器１１および気化器１２は、背圧弁（圧力制御弁）１３を介して連結されている。これにより、押出反応器１１の内部の圧力が保持されるため、樹脂組成物に含まれる樹脂の加水分解（解重合）が促進される。

気化器１２および背圧弁１３は、解重合物から単量体を分離する気液分離器１４を介して連結されている。このため、気化器１２の構成を簡素化できるとともに、純度の高い単量体が回収される。気液分離器１４は、高圧状態の反応液をフラッシュ蒸留させるタンクであり、気体成分は、上側から排出され、液体成分および固体成分は、下側から排出される。ここで、気体成分としては、単量体、水等が挙げられる。また、液体成分としては、オリゴマー等が挙げられる。さらに、固体成分としては、繊維等が挙げられる。

気化器１２は、気液分離器１４の下側から排出される解重合物（オリゴマー等）を熱分解させて単量体を気化させる。気化器１２としては、例えば、二軸スクリュー押出機を用いることができる。気化器１２の各シリンダブロック１２ａは、ヒーターによる加熱および冷却水、チラー水等による冷却が可能である。ここで、気化器１２の所定のシリンダブロック１２ａにベント１２ｂが設置されており、気化した気体成分が排出される。ここで、気体成分としては、単量体、水蒸気、炭酸ガス等が挙げられる。また、気化器１２の最も下流側のシリンダブロック１２ａに排出口が設置されており、気化せずに残留した液体成分および固体成分が排出される。

気化器１２は、解重合物を輸送するコンベアを有するため、解重合物が連続的に熱分解する。また、コンベアとして、スクリューコンベアが用いられているため、解重合物が均質に加熱されることに加え、繊維に付着している解重合物が繊維から分離される。

なお、気化器１２は、恒温槽を用いて、加熱してもよい。

樹脂組成物のリサイクル装置１０は、気化器１２で気化した単量体および気液分離器１４で分離された単量体を凝縮させる凝縮器１５をさらに備える。これにより、気化器１２で気化した単量体および気液分離器１４で分離された単量体を凝縮させる凝縮器を共有できるため、樹脂組成物のリサイクル装置１０の構成の簡素化および小型化が可能となる。凝縮器１５は、気体成分を冷却し、微量の水蒸気、空気等が上側から排出され、単量体、水等が下側から排出される。

樹脂組成物のリサイクル装置１０は、気化器１２の内部および気液分離器１４の内部を減圧する減圧部１６をさらに備える。これにより、気化器１２および気液分離器１４で単量体が円滑に気化するため、単量体を分離回収しやすくなる。また、大気下で単量体を気化させる場合に比べて、単量体の酸化反応が減少する。減圧部１６は、例えば、真空ポンプであり、気化器１２の内部および気液分離器１４の内部を排気し、負圧にする。このとき、気体が水蒸気を含むため、真空ポンプとして、水封式ポンプを使用する。

次に、樹脂組成物のリサイクル装置１０を用いて、繊維強化樹脂をリサイクルする方法について説明する。ここでは、一例として、繊維強化樹脂を構成する繊維および樹脂が、それぞれガラス繊維およびポリアミド６である場合を説明する。

原料フィーダー１１ａから定量的に供給された繊維強化樹脂の粉砕物が、原料ホッパー１１ｂを介して、押出反応器１１の内部に投入される。一方、高圧水ポンプ１１ｃにより、水加熱器１１ｄにより加熱された水が、押出反応器１１の内部に供給される。このとき、繊維強化樹脂に対する水の質量比は、特に限定されないが、例えば、２以上１０以下である。また、水の温度は、押出反応器１１の内圧から計算される水の飽和温度よりも低い。

押出反応器１１の内部に投入された繊維強化樹脂に含まれるポリアミド６を、押出反応器１１の水が供給されるまでのシリンダブロック１１ｅで熱溶融させる。このとき、押出反応器１１の水が供給されるまでのシリンダブロック１１ｅを熱溶融したポリアミド６によりシールするために、熱溶融したポリアミド６の粘度を高く保持する必要がある。このため、押出反応器１１の繊維強化樹脂の粉砕物が投入されてから水が供給されるまでの間のシリンダブロック１１ｅの温度を、ポリアミド６の融点よりも１０℃以上２０℃以下程度低い温度に設定する。

押出反応器１１の水が供給された後のシリンダブロック１１ｅで、ポリアミド６を加水分解させる。このとき、ポリアミド６の加水分解反応の反応温度は、３２０℃以上３６０℃以下であり、反応温度が高い程、反応時間が短くなる。このとき、押出反応器１１の内部の圧力を、押出反応器１１の内部の温度における水の蒸気飽和圧力よりも０．５ＭＰａ以上１ＭＰａ以下程度高い圧力になるように制御する。なお、３２０℃における水の蒸気飽和圧力は、１１．３ＭＰａであり、３６０℃における水の蒸気飽和圧力は、１８．７ＭＰａである。

押出反応器１１の水が供給された後のシリンダブロック１１ｅに繊維強化樹脂が滞留する時間が反応時間である。繊維強化樹脂の供給量と加水分解反応時のポリアミド６および水の密度と押出反応器１１の内部の容積により、反応時間が決定されるため、押出反応器１１の仕様に対して、繊維強化樹脂の供給量を設定する必要がある。ポリアミド６がほぼ加水分解するのに必要な反応時間は、３２０℃では約４０分であり、３６０℃では約１５分である。

背圧弁１３から高圧状態の反応液が減圧下の気液分離器１４に放出されると、フラッシュ蒸留により、気体成分が上側から排出され、液体成分および固体成分が下側から排出される。ここで、気体成分としては、ε－カプロラクタム、水等が挙げられる。また、液体成分としては、分子量が２０００以下まで低分子化されたポリアミド６に由来するオリゴマー等が挙げられる。さらに、固体成分としては、ガラス繊維等が挙げられる。

気液分離器１４の上側から排出された気体成分は、凝縮器１５で凝縮し、カプロラクタム水溶液として回収される。

一方、気液分離器１４の下側から排出された液体成分および固体成分は、気化器１２の内部で４００℃以上４５０℃以下の温度に加熱されることにより、オリゴマーが熱分解して、ε－カプロラクタム、水、二酸化炭素等の気体成分が生成する。生成した気体成分は、凝縮器１５で凝縮し、カプロラクタム水溶液として回収される。一方、気化器１２の内部で気化せずに残留した液体成分および固体成分は、気化器１２の排出口から排出される。

図２に、樹脂組成物のリサイクル装置１０の変形例を示す。

樹脂組成物のリサイクル装置２０は、凝縮器１５の代わりに、気液分離器２１および蒸留器２２が設置されている以外は、樹脂組成物のリサイクル装置１０と同様の構成である。

次に、樹脂組成物のリサイクル装置２０を用いて、複数の単量体で構成される樹脂を含む繊維強化樹脂をリサイクルする方法について説明する。ここでは、一例として、繊維強化樹脂を構成する繊維および樹脂が、それぞれガラス繊維およびＰＥＴである場合を説明する。

原料フィーダー１１ａから定量的に供給された繊維強化樹脂の粉砕物が、原料ホッパー１１ｂを介して、押出反応器１１の内部に投入される。一方、高圧水ポンプ１１ｃにより、水加熱器１１ｄにより加熱された水が、押出反応器１１の内部に供給される。このとき、繊維強化樹脂に対する水の質量比は、特に限定されないが、例えば、９以上１０以下である。また、水の温度は、押出反応器１１の内圧から計算される水の飽和温度よりも低い。

押出反応器１１の内部に投入された繊維強化樹脂に含まれるＰＥＴを、押出反応器１１の水が供給されるまでのシリンダブロック１１ｅで熱溶融させる。このとき、押出反応器１１の繊維強化樹脂の粉砕物が投入されてから水が供給されるまでの間のシリンダブロック１１ｅを熱溶融したＰＥＴによりシールするために、熱溶融したＰＥＴの粘度を高く保持する必要がある。このため、水が供給されるまでのシリンダブロック１１ｅの温度を、ＰＥＴの融点よりも１０℃以上２０℃以下程度低い温度に設定する。

押出反応器１１の水が供給された後のシリンダブロック１１ｅで、ＰＥＴを加水分解させる。このとき、ＰＥＴの加水分解反応の反応温度は、２５０℃以上３００℃以下であり、反応温度が高い程、反応時間が短くなる。このとき、押出反応器１１の内部の圧力を、押出反応器１１の内部の温度における水の蒸気飽和圧力よりも０．５ＭＰａ以上１ＭＰａ以下程度高い圧力になるように制御する。なお、２５０℃における水の蒸気飽和圧力は、８．６ＭＰａであり、３００℃における水の蒸気飽和圧力は、１６．５ＭＰａである。

押出反応器１１の水が供給された後のシリンダブロック１１ｅに繊維強化樹脂が滞留する時間が反応時間である。繊維強化樹脂の供給量と加水分解反応時のＰＥＴおよび水の密度と押出反応器１１の内部の容積により、反応時間が決定されるため、押出反応器１１の仕様に対して、繊維強化樹脂の供給量を設定する必要がある。ＰＥＴがほぼ加水分解するのに必要な反応時間は、２５０℃では約６０分であり、３００℃では約１０分である。

背圧弁１３から高圧状態の反応液が減圧下の気液分離器１４に放出されると、フラッシュ蒸留により、気体成分が上側から排出され、液体成分および固体成分が下側から排出される。ここで、気体成分としては、テレフタル酸、エチレングリコール、水等が挙げられる。また、液体成分としては、分子量が２０００以下まで低分子化されたＰＥＴに由来するオリゴマー等が挙げられる。さらに、固体成分としては、ガラス繊維等が挙げられる。

気液分離器１４の上側から排出された気体成分のうち、融点が高いテレフタル酸は、気液分離器２１の内部で凝固し、気液分離器２１の下側から回収される。一方、気液分離器２１の内部で凝固しなかった気体成分は、気液分離器２１の右側から排出された後、蒸留器２２で蒸留される。その結果、気体成分のうち、沸点が高いエチレングリコールは、蒸留器２２の内部で凝縮し、蒸留器２２の下側から回収される。一方、蒸留器２２の内部で凝縮しなかった気体成分は、蒸留器２２の上側から排出される。

一方、気液分離器１４の下側から排出された液体成分および固体成分は、気化器１２の内部で４００℃程度の温度に加熱されることにより、オリゴマーが熱分解して、テレフタル酸、エチレングリコール、水、二酸化炭素等の気体成分が生成する。生成した気体成分のうち、融点が高いテレフタル酸は、気液分離器２１の内部で凝固し、気液分離器２１の下側から回収される。一方、気液分離器２１の内部で凝固しなかった気体成分は、気液分離器２１の右側から排出された後、蒸留器２２で蒸留される。その結果、気体成分のうち、沸点が高いエチレングリコールは、蒸留器２２の内部で凝縮し、蒸留器２２の下側から回収される。一方、蒸留器２２の内部で凝縮しなかった気体成分は、蒸留器２２の上側から排出される。

一方、気化器１２の内部で気化せずに残留した液体成分および固体成分は、気化器１２の排出口から排出される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨の範囲内で、上記の実施形態を適宜変更してもよい。

１０、２０ 樹脂組成物のリサイクル装置
１１ 押出反応器
１１ａ 原料フィーダー
１１ｂ 原料ホッパー
１１ｃ 高圧水ポンプ
１１ｄ 水加熱器
１１ｅ シリンダブロック
１２ 気化器
１２ａ シリンダブロック
１２ｂ ベント
１３ 背圧弁
１４ 気液分離器
１５ 凝縮器
２１ 気液分離器
２２ 蒸留器

Claims (7)

1. 樹脂および添加剤を含む樹脂組成物をリサイクルする装置であって、
   前記樹脂組成物に含まれる樹脂を加水分解させて解重合物を得る押出反応器と、
   前記解重合物に含まれるオリゴマーを熱分解させて単量体を気化させる気化器と、を備え、
   前記押出反応器は、前記樹脂組成物を導入する第１導入部と、水を導入する第２導入部と、前記樹脂組成物を前記水と混合させるスクリューと、を有し、
   前記気化器は、前記解重合物を輸送するスクリューコンベアを有する、樹脂組成物のリサイクル装置。
2. 前記押出反応器および前記気化器は、背圧弁を介して連結されている、請求項１に記載の樹脂組成物のリサイクル装置。
3. 前記気化器および前記背圧弁は、前記解重合物に含まれるオリゴマーおよび単量体を分離する気液分離器を介して連結されている、請求項２に記載の樹脂組成物のリサイクル装置。
4. 前記気化器で気化した単量体および前記気液分離器で分離された単量体を凝縮させる凝縮器をさらに備える、請求項３に記載の樹脂組成物のリサイクル装置。
5. 前記気化器の内部を減圧する減圧部をさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の樹脂組成物のリサイクル装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の樹脂組成物のリサイクル装置を用いて、前記樹脂組成物をリサイクルする、樹脂組成物のリサイクル方法。
7. 前記樹脂組成物は、繊維強化樹脂である、請求項６に記載の樹脂組成物のリサイクル方法。

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