高分子化合物の処理方法及びその装置
【課題】超臨界二酸化炭素と酸化剤を押出機に供給してポリマーと混練する際に、反応を均一かつ精密にコントロールできる高分子化合物の処理方法及びその装置を提供する。
【解決手段】押出機１を用いて高分子化合物を押し出しながらその押出機１に二酸化炭素および酸化剤を注入して超臨界二酸化炭素中で酸化剤を用いて高分子化合物を変性する高分子化合物の処理方法であって、上記押出機１に、二酸化炭素と酸化剤を注入する前にあらかじめ二酸化炭素と酸化剤を混合するものである。
【解決手段】押出機１を用いて高分子化合物を押し出しながらその押出機１に二酸化炭素および酸化剤を注入して超臨界二酸化炭素中で酸化剤を用いて高分子化合物を変性する高分子化合物の処理方法であって、上記押出機１に、二酸化炭素と酸化剤を注入する前にあらかじめ二酸化炭素と酸化剤を混合するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子化合物を酸化剤により変性反応、分解反応、架橋ポリマーの架橋点又は分子鎖を切断して熱可塑性樹脂又はワックスを得るための高分子化合物の処理方法及びその装置に係り、特に、材料供給用押出機を用いて高分子と超臨界二酸化炭素中の酸化剤を反応させて連続的に処理できる高分子化合物の処理方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題が重要となる中で、廃棄物処理費用が年々高くなっている。ポリマー廃棄物についても再生再利用の気運が高まっている。しかし、リサイクルポリマーは一般に付加価値が低く、材料価格の変動に影響されて逆有償で取引されることになるなどの問題がある。こうした動きの中で、廃棄物をより高付加価値製品ヘリサイクルするための技術が重要となっている。特に、熱硬化性樹脂や架橋ポリマー、エラストマーなどは、加熱しても分子の三次元的なネットワークのために流動化が生じず、成形ができないのでマテリアルリサイクルが困難である。このため、低付加価値のサーマルリサイクルが行なわれる場合が多く、石油価格の変動に大きく影響を受ける。
【０００３】
ポリマーをリサイクルした材料の価値がバージンよりも下がるのは、異物の混入や色が混ざるという問題、さらにはポリマーの劣化などが原因である。このような問題を避けて、できるだけ高付加価値製品にリサイクルするためにバージンポリマーと同等のリサイクルポリマーを製造する試みがある。しかし、汎用ポリマーはバージンポリマーの価格が安いので、それだけでは経済的に有利なリサイクルを実現することが難しい。
【０００４】
一方で、超臨界ＣＯ2中でポリマーを窒素酸化物で酸化することによりリサイクルすると同時にポリマーを機能化することが検討されている（特許文献１）。この方法では、熱可塑性ポリマーを機能化するのみならず、架橋ポリマーの三次元ネットワーク構造を崩して熱可塑化しつつ高機能化することも可能である。
【０００５】
こうした手法を実用規模とするには、ポリマーを連続的に処理するプロセスが必須である。
【０００６】
超臨界流体を用いてポリマーを連続処理する方法として特許文献２、３のように押出機を用いることが提案されている。
【０００７】
この方法では廃ポリマーを押出ながら超臨界水や超臨界アルコールを注入して大量にポリマーを処理することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１９１１７４号公報
【特許文献２】特開２００１−２５３９６７号公報
【特許文献３】特開２００７−８４７４８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】第５８回高分子討論会、予稿集、２００９／９／１６〜９／１８、熊本大（熊本）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２、３の実施例に示されているケースの場合、アルコールや水が反応するポリマー中の化学結合が限られるため反応の制御が容易であるが、架橋ポリマーの架橋部を優先的に切断することは困難である。
【００１１】
一方、特許文献１や非特許文献１に示されるように二酸化炭素と酸化剤である二酸化窒素を混ぜてポリマーと押出機内で反応させることで優先的に架橋部を切断できることが可能となるが、押出機内での反応条件を厳密にコントロールしなければ必要以上にポリマーを酸化劣化してしまう問題がある。すなわち、酸化剤による変性反応は、アルコールや水よりも選択性が低いからである。
【００１２】
したがって、反応を均一に進行させなければ一方ではポリマーの劣化が進み、他方では十分に変性できないという問題が発生する。
【００１３】
例えば特許文献２、３のような押出装置を用いて酸化剤と二酸化炭素を個別に押出機に注入した場合、ポリマーが部分的に酸化劣化してしまう問題が発生する。また、反応時間を精密にコントロールしなければ酸化反応が進みすぎてポリマーが劣化してしまう問題が発生する。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、超臨界二酸化炭素と酸化剤を押出機に供給してポリマーと混練する際に、反応を均一かつ精密にコントロールできる高分子化合物の処理方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、押出機を用いて高分子化合物を押し出しながらその押出機に二酸化炭素および酸化剤を注入して超臨界二酸化炭素中で酸化剤を用いて高分子化合物を変性する高分子化合物の処理方法であって、上記押出機に、二酸化炭素と酸化剤を注入する前にあらかじめ二酸化炭素と酸化剤を混合することを特徴とする高分子化合物の処理方法である。
【００１６】
請求項２の発明は、前記二酸化炭素と前記酸化剤を混合する前に、あらかじめ二酸化炭素を超臨界点以上に加圧・加熱する請求項１記載の高分子化合物の処理方法である。
【００１７】
請求項３の発明は、前記二酸化炭素と前記酸化剤を混合する際に、前記二酸化炭素および前記酸化剤を同じ相状態で混合する請求項１記載の高分子化合物の処理方法である。
【００１８】
請求項４の発明は、高分子化合物を押し出しながら超臨界二酸化炭素中で高分子化合物と酸化剤を混合するための押出機と、前記押出機に接続され、押出機からの高分子化合物と酸化剤の混合物を導入してそれらを反応させるための反応容器と、二酸化炭素と酸化剤をあらかじめ混合して、前記押出機に注入する混合ガス供給手段とを備えたことを特徴とする高分子化合物の処理装置。
【００１９】
請求項５の発明は、前記混合ガス供給手段は、前記押出機に二酸化炭素と酸化剤を注入する前に、超臨界状態の二酸化炭素と酸化剤を混合するスタティックミキサーを備えた請求項４記載の高分子化合物の処理装置である。
【００２０】
請求項６の発明は、前記混合ガス供給手段は、二酸化炭素と酸化剤の混合ガスを加圧・加熱して前記押出機に注入する請求項４記載の高分子化合物の処理装置である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、二酸化炭素と酸化剤を材料供給用押出機に供給してポリマーと混練する際に、あらかじめ二酸化炭素と酸化剤を混合することにより、反応を均一かつ精密にコントロールすることができる。特に酸化反応が部分的に進行することによって起こる変色などを防止しつつ、酸化反応を利用して酸変性することが可能となるという優れた効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の高分子処理装置の一実施の形態を示す全体図である。
【図２】本発明の高分子処理装置の他の実施の形態を示す全体図である。
【図３】比較例としての高分子処理装置の全体図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２４】
図１において、ペレット状又はナゲット状に粉砕された架橋ポリエチレン（高分子化合物）は、ホッパ１３を介して材料供給用押出機１に投入される。
【００２５】
二酸化炭素と酸化剤としての二酸化窒素が、混合ガス供給手段４０を介して材料供給用押出機１に注入される。混合ガス供給手段４０による二酸化窒素と二酸化炭素の注入位置は、架橋ポリエチレンが材料供給用押出機１内で十分に高密度化された位置よりも下流であることが好ましく、それにより二酸化炭素と二酸化窒素の上流側への漏れが防止できる。
【００２６】
なお、材料供給用押出機１では昇温した架橋ポリエチレンの温度が下がらない程度に加熱することが望ましい。
【００２７】
材料供給用押出機１は、高温高圧の二酸化炭素と二酸化窒素が逆流しないように、また混練が充分行なわれるように２本のスクリュー１ａを有する二軸押出機を用いるのが好ましい。
【００２８】
混合ガス供給手段４０は、二酸化窒素と超臨界状態にした二酸化炭素を混合して材料供給用押出機１に注入するものであり、二酸化窒素は二酸化窒素ボンベ１８１からポンプ１７１で加圧され、逆止弁１５２を介してヒータ１４１に供給され、二酸化炭素は、液化二酸化炭素ボンベ１８２からマスフローコントローラ１７２、逆止弁１５３を介してスタティックミキサー１５４に供給され、そこで二酸化窒素と混合された後、ヒータ１４２で加熱され、バルブ１５を通して材料供給用押出機１内に注入される。
【００２９】
この際、二酸化炭素と二酸化窒素は、材料供給用押出機１の内部の圧力以上に加圧されて注入される。
【００３０】
スタティックミキサー１５４は、パイプの中に、長方形の板を１８０度左方向にねじった左エレメントと１８０度右方向にねじった右エレメントを９０度交差させて交互に直列挿入したもので、左右のエレメントで、導入された二酸化窒素素と二酸化炭素の混合気体を２分割することで、エレメント数（ｎ）ですなわち、２のｎ乗で分割混合する。
【００３１】
材料供給用押出機１内では、投入した架橋ポリエチレンと注入した二酸化炭素と二酸化窒素とがスクリュー１ａにより混合撹拌される。この際、少なくとも材料供給用押出機１の一部分において、二酸化炭素が超臨界状態となる温度、圧力条件になるようにすると、架橋ポリエチレンと二酸化窒素との架橋切断反応が充分に進み、良好な高分子処理物が得られる。ここでは、反応時間を十分確保するために、容積８０Ｌの流通式反応容器１００を材料供給用押出機１に接続した。
【００３２】
材料供給用押出機１および流通式反応容器１００で可塑化された架橋ポリエチレンの高分子処理物及び二酸化炭素と二酸化窒素の混合物は、圧力調整手段としての減圧バルブ１１（或いはディスチャージ弁）で減圧され、さらに段階的に圧力を下げるために複数の穴の空いた抵抗体としてブレーカプレート３１を取り付けて高分子処理物の減圧を段階的に行う。なお、圧力調整手段はギアポンプでもよい。
【００３３】
さらに後段の排出ライン２３が、脱気用押出機２に接続され、脱気用押出機２に導入された粘稠な液体の高分子処理物を、スクリュー２ａによって脱気用押出機２の吐出方向へ押出すと共に、二酸化窒素や二酸化炭素等の気体は圧力の低いバックベントのベントボックス８へと流れることにより、高分子処理物と気体が分離される。
【００３４】
ベントボックス８は電熱ヒータによるベントボックスヒータ１０によって熱せられ、二酸化窒素や二酸化炭素が気体として存在する温度に保たれる。
【００３５】
またベントボックスヒータ１０の代わりに、図には示していないがベントボックス８の高分子処理物貯蔵部の外周部に設けられた熱媒体が循環するジャケットと、熱媒体をジャケットに供給する熱媒体循環装置でベントボックス８を加熱するようにしてもよい。
【００３６】
ベントボックス８は、流通式反応容器１００の体積の２倍とする。このように流通式反応容器１００の体積よりもベントボックス８を大きくすることにより、高分子処理物と気体の吐出が断続的になった場合もベントボックス８内部の圧力を流通式反応容器１００の圧力の１／２以下に下げることができる。
【００３７】
ベントボックス８内部は、流通式反応容器１００よりは低い圧力に維持されており、これによって、高分子処理物が容易にベントボックス８外にライン２４を介して排出される。ベントボックス８では気体は槽の上方から分離され、槽の下には溶融状態の高分子処理物が溜まっており、槽の下部に設けられた穴から自重で脱気用押出機２に送られ、スクリュー２ａによって先端部のダイ３側に押し出される。
【００３８】
脱気用押出機２は一軸、二軸いずれのタイプの押出機も使用可能である。ここでは、ダイ３により、糸状のストランド５として成形され、冷却器４によってほぼ常温に冷却固化される。ストランド５はストランドカッタ６によってペレット７となる。
【００３９】
一方、ベントボックス８で高分子処理物と分離された二酸化炭素と二酸化窒素の気体は、槽圧調整手段としての槽圧調整バルブ１２を介して常圧となり、ドライ真空ポンプ１９の吸引力によりトラッパ１８に送られる。
【００４０】
トラッパ１８では、反応中に生成し、気体中に混入した不純物で沸点の高いものや樹脂粉末などを捕集する。トラッパ１８で不純物が除去された気体は、ドライ真空ポンプ１９に吸引され、コンデンサー２０に送られる。
【００４１】
コンデンサー２０では、気体を冷却することで、気体中の二酸化窒素が液化され、二酸化炭素等が排出ライン２１から排出され、液化された二酸化窒素が液化二酸化窒素ボンベ１８１に戻されて、再利用される。
【００４２】
このように、本発明は、超臨界二酸化炭素中で酸化剤を用いることにより、高分子化合物である架橋ポリマーを変性する反応を利用する際に、材料供給用押出機１を用いて高分子化合物を押出しながら酸化剤である二酸化窒素と二酸化炭素を材料供給用押出機１のシリンダーに注入し、高分子化合物と酸化剤を材料供給用押出機１のシリンダーの中で混練しながら、高温高圧の流通式反応容器１００の中へ高分子化合物と酸化剤の混合物を吐出して反応させるものである。この際に、材料供給用押出機１に注入する二酸化炭素と二酸化窒素を、注入前に、二酸化炭素を超臨界二酸化炭素とし、その超臨界二酸化炭素に酸化剤が混合された状態で注入することにより、材料供給用押出機１と流通式反応容器１００内での反応を均一に精密にコントロールすることができる。特に酸化剤は超臨界二酸化炭素と混合して材料供給用押出機１内に注入されるため、酸化反応が部分的に進行して起こる変色などを防止しつつ、酸化反応を利用して酸変性することが可能となる。
【００４３】
本発明においては、二酸化炭素を臨界点以上にした超臨界二酸化炭素と酸化剤をスタティックミキサー１５４であらかじめ混合するために、超臨界二酸化炭素と酸化剤が、同じ相状態（液−液、ガス−ガス、超臨界流体−超臨界流体）での混合となり、酸化剤が二酸化炭素に分散されるため、高分子化合物の反応を均一かつ精密にコントロールすることが可能となる。
【００４４】
このように本発明は、超臨界二酸化炭素中の反応を、高分子化合物の変性反応やその変性反応の一種である架橋切断反応のいずれかである場合に適応することができる。
【００４５】
また、処理される高分子化合物が架橋ポリマーであり、前記二酸化炭素に加える酸化剤が、二酸化窒素の他に、酸素、過酸化水素、過酸化水素水、あるいは硝酸や亜硝酸、硫酸であってもよい。また、酸化剤の種類によって混合部で、相状態を同じにするためにポンプ１７１と逆止弁１５２の間にヒータを入れたり、あるいは図１に示した符号１４１のヒータが不要な場合も考えられる。
【００４６】
本発明で言う高分子化合物とは、架橋ポリマー、プラスチックやエラストマー、熱硬化性樹脂などの合成高分子に加えて、リグニン、セルロース、タンパク質等の天然高分子、更には合成高分子と天然高分子混合物を含んでいる。また、シュレッダーダストの様に、高分子を主として、これに他の材料が混合したものでもよい。
【００４７】
特に、高分子化合物として架橋ポリマーを用いた場合に、高分子化合物の主鎖の酸化劣化を防止するため、このような装置及び構成が有効に機能する。
【００４８】
二酸化炭素中の酸化反応で高分子化合物を変性する場合、高分子化合物の酸化劣化を防止するために二酸化炭素が酸化剤を取り囲むケージ効果を用いて反応を進行させる必要がある。したがって、二酸化炭素と二酸化窒素を均一混合した上で材料供給用押出機１に注入することで、高分子化合物の酸化劣化を防止しながら酸化反応を行うことが可能となる。
【００４９】
次に、図２により本発明の他の実施の形態を説明する。
【００５０】
図１の実施の形態においては、酸化剤である二酸化窒素と超臨界状態にした二酸化炭素を、混合ガス供給手段４０で供給する際に、スタティックミキサー１５４で混合して材料供給用押出機１に注入する形態を示したが、本実施の形態の混合ガス供給手段４０は、二酸化炭素と酸化剤である二酸化窒素をあらかじめ混合して混合ガスボンベ１８３に収容し、その混合ガスボンベ１８３から二酸化炭素と二酸化窒素の混合物をポンプ１７１で加圧し、これをヒータ１４２で加熱して超臨界状態とし、バルブ１５を介して材料供給用押出機１に注入するように構成したものである。
【００５１】
この実施の形態における混合ガス供給手段４０は、二酸化炭素と二酸化窒素とをあらかじめ混合しておくことで、スタティックミキサー１５４等の機器が不要となり装置を簡略化できる。
【実施例】
【００５２】
次に実施例と比較例を説明する。
【００５３】
［実施例１］
図１で説明した処理装置を用いて、高分子化合物の一種である架橋ポリエチレンを変性することにより架橋を切断するとともに超臨界二酸化炭素中の酸化反応によりカルボキシル基やカルボニル基を導入する反応を行った。
【００５４】
ペレット状に粉砕された架橋ポリエチレンをホッパ１３を介して材料供給用押出機１に投入した。材料供給用押出機１は、シリンダ径３０ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝６４を用いた。
【００５５】
一方、反応に要する二酸化炭素と酸化剤である二酸化窒素は、それぞれ二酸化炭素ボンベ１８２および二酸化窒素ボンベ１８１から供給し、二酸化窒素はポンプ１７１で加圧されると共に、ヒータ１４１によって加熱される。一方、ボンベ１８２から出た二酸化炭素はマスフローコントローラ１７２で定量的に供給した。マスフローコントローラ１７２の代わりにブースターを用いたり、ブースターとマスフローコントローラを併用することも可能である。また、二酸化炭素を冷却してマスフローコントローラ１７２の代わりに送液ポンプを使用することも可能である。さらに、ボンベ内の物質の相状態をコントロールするために、ボンベ１８１、１８２に温度調節装置を付け加えても良い。二酸化窒素と二酸化炭素の比は質量分率で１：２とし、混練部における温度を５０℃、圧力を０．７〜０．８ＭＰａ（二酸化窒素、二酸化炭素ともに気体の状態）とした。
【００５６】
また、ポンプ１７１，マスフローコントローラ１７２の直後に逆止弁１５２、１５３を設けて、二酸化炭素、二酸化窒素それぞれの成分の圧力によりボンベ側へ互いに逆流することを予防した。この二成分はスタティックミキサー１５４で混合されてヒータ１４２で反応温度にまで加熱される。
【００５７】
バルブ１５を介して二酸化炭素と酸化剤の混合物を、材料供給用押出機１の減速機側からＬ／Ｄ＝２０の位置に圧力０．５ＭＰａで注入した。その注入位置は、架橋ポリエチレンが材料供給用押出機１内で１ＭＰａ以上に加圧されて高密度化された位置よりも下流で、かつ加圧部の長さがＬ／Ｄ＝４以上であり、それにより二酸化炭素や二酸化窒素の上流側への漏れが防止される。
【００５８】
材料供給用押出機１は、押出機のコストを押さえるとともに、高い圧力にも耐えうる装置とするために単軸の押出機を用いてもよい。
【００５９】
ポンプ１７１およびマスフローコントローラ１７２では、注入する位置における材料供給用押出機１に対しての内部の圧力以上に加圧することが必要であり、また、ヒータ１４１，１４２により、材料供給用押出機１で昇温した高分子化合物の温度が下がらない程度に加熱することが望ましい。また、押出機の注入口には逆止弁を設けて押出機内部の樹脂の逆流を防止した。
【００６０】
ここでは材料供給用押出機１および流通式反応容器１００の温度、圧力を１２０℃，２０ＭＰａとし、注入する際のガス温度も１２０℃とした。
【００６１】
材料供給用押出機１内では、投入した架橋ポリエチレンと注入した二酸化炭素と二酸化窒素がスクリュー１ａにより混合撹拌される。この際、少なくとも材料供給用押出機１の一部分において、二酸化炭素が超臨界状態となる温度、圧力条件にしておかなければ過剰な酸化や副反応によりポリマーが変色する可能性がある。ここでは、反応時間を１時間以上確保するために、容積８０Ｌの流通式反応容器１００を材料供給用押出機１に接続した。
【００６２】
材料供給用押出機１および流通式反応容器１００で架橋ポリエチレンを処理して得られた高分子処理物及び二酸化炭素と二酸化窒素の混合物は、減圧バルブ１１で減圧され、さらに段階的に圧力を下げるために複数の穴の空いた抵抗体としてとりつけたブレーカプレート３１により段階的に減圧した。さらに後段には脱気用押出機２が接続され、ここで粘稠な液体の高分子処理物はスクリュー２ａによって脱気用押出機２の吐出方向へ押出すとともに、気体となった二酸化炭素と二酸化窒素は圧力の低いバックベントのベントボックス８へと流れることにより、高分子処理物と分離される。ベントボックス８には酸化剤も流入するため、これを気化するためにベントボックス８を電熱ヒータなどで加熱したほうがよい。ベントボックス８内部は真空ポンプ１９により減圧されており、これによって高分子処理物と二酸化炭素などのガスが完全に分離できる。
【００６３】
高分子処理物は脱気用押出機２に送られ、その先端部のダイ３によって成形される。脱気用押出機２は一軸又は二軸の押出機が使用可能である。ここでは糸状のストランド５として成形され、冷却器４によって融点以下に冷却固化される。ストランド５はストランドカッタ６によってペレット７となる。脱気用押出機２は高分子処理物から二酸化炭素と二酸化窒素を完全に除去するためにダイスよりも上流側にベントをさらに設けても良い。
【００６４】
一方、ベントボックス８で高分子処理物と分離された二酸化炭素と二酸化窒素を含むガスは、槽圧調整バルブ１２を介して常圧となり、トラッパ１８に送られる。トラッパ１８では、反応中に生成した固形物などをフィルターにより分離する。二酸化炭素と二酸化窒素の混合物は、真空ポンプ１９の下流に接続されたコンデンサ２０によって冷却され、二酸化窒素を液化してボンベ１８１に戻される。
【００６５】
このような装置構成は、二酸化炭素に二酸化窒素などの酸化剤を混ぜる場合に有効である。
【００６６】
この様な装置を用いた場合、架橋ポリエチレンの処理量は押出機の吐出能力が許す単位時間あたり２〜５０ｋｇ／ｈの範囲で２４時間以上の連続安定運転による処理が可能であり、得られた生成物はゲル分率０％で数平均分子量１万以上、供給したポリマーと同じ色相のポリマーを得ることができた。
【００６７】
この方法では次の実施例２に比べてコンデンサ２０に回収したものの二酸化窒素濃度が減少しないので実施例２に見られるように反応が徐々に抑制されることはなく、その結果より長時間の運転が可能である。また、あらかじめ混合ガスを作る必要がないのでコスト高になるという問題がない。
【００６８】
［実施例２］
実施例２は、図２で説明した、架橋ポリエチレンの架橋切断処理装置で高分子化合物を処理した例である。
【００６９】
この実施例２では、実施例１における二酸化炭素と二酸化窒素の混合をあらかじめ混合し、これを混合ガスボンベ１８３に収容し、その混合ガスボンベ１８３から二酸化炭素と二酸化窒素の混合ガスをポンプ１７１で加圧し、これをヒータ１４２で加熱して超臨界状態とし、バルブ１５を介して材料供給用押出機１に注入するようにしたものである。
【００７０】
この様な装置を用いた場合、架橋ポリエチレンの処理量は押出機の吐出能力が許す単位時間あたり２〜５０ｋｇ／ｈの範囲で１０時間以上の連続安定運転による処理が可能であり、得られた生成物はゲル分率０％で数平均分子量１万以上、供給したポリマーと同じ色相のポリマーを得ることができた。
【００７１】
［比較例１］
比較例１として、図３に示した処理装置を用いて高分子化合物の酸化反応を行った。
【００７２】
図３は、図１、図２の実施の形態と違って、二酸化窒素と二酸化炭素を別個に材料供給用押出機１に注入したものであり、二酸化窒素ボンベ１８１と液化二酸化炭素ボンベ１８２から独立して材料供給用押出機１に注入する架橋ポリエチレンの架橋切断処理装置を示したものである。
【００７３】
すなわち、二酸化炭素は、液化二酸化炭素ボンベ１８２からマスフローコントローラ１７２にて超臨界圧にし、ヒータ１４１で臨界点まで加熱し、バルブ１６から供給し、二酸化窒素は、二酸化窒素ボンベ１８１からポンプ１７１で加圧し、バルブ１５を介して、二酸化炭素が供給される位置より上流側の位置で材料供給用押出機１へ注入するようにしたものである。
【００７４】
この様な装置を用いた場合、架橋ポリエチレンの処理量は押出機の吐出能力が許す単位時間あたり２〜５０ｋｇ／ｈの範囲で１０時間以上の連続安定運転による処理が可能であったが、反応を十分に制御することができず、数平均分子量は４０００であり、ゲル分率０％で数平均分子量１万以上のものを得ることができなかった。また、生成物は黄色から茶色に着色したものであった。これは、二酸化窒素と二酸化炭素が十分に混ざり合わない状態で架橋ポリエチレンに接触するので、部分的に酸化反応が激しく進行するためと考えられる。
【００７５】
以上により、本発明は、二酸化炭素と酸化剤を材料供給用押出機に供給してポリマーと混練する際に、あらかじめ二酸化炭素と酸化剤を混合することにより、反応を均一かつ精密にコントロールすることができる。特に酸化反応が部分的に進行することによって起こる変色などを防止しつつ、酸化反応を利用して酸変性することが可能となる。
【符号の説明】
【００７６】
１ 材料供給用押出機
１３ ホッパー
４０ 混合ガス供給手段
１５４ スタティックミキサー
１８１ 二酸化窒素ボンベ
１８２ 二酸化炭素ボンベ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子化合物を酸化剤により変性反応、分解反応、架橋ポリマーの架橋点又は分子鎖を切断して熱可塑性樹脂又はワックスを得るための高分子化合物の処理方法及びその装置に係り、特に、材料供給用押出機を用いて高分子と超臨界二酸化炭素中の酸化剤を反応させて連続的に処理できる高分子化合物の処理方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題が重要となる中で、廃棄物処理費用が年々高くなっている。ポリマー廃棄物についても再生再利用の気運が高まっている。しかし、リサイクルポリマーは一般に付加価値が低く、材料価格の変動に影響されて逆有償で取引されることになるなどの問題がある。こうした動きの中で、廃棄物をより高付加価値製品ヘリサイクルするための技術が重要となっている。特に、熱硬化性樹脂や架橋ポリマー、エラストマーなどは、加熱しても分子の三次元的なネットワークのために流動化が生じず、成形ができないのでマテリアルリサイクルが困難である。このため、低付加価値のサーマルリサイクルが行なわれる場合が多く、石油価格の変動に大きく影響を受ける。
【０００３】
ポリマーをリサイクルした材料の価値がバージンよりも下がるのは、異物の混入や色が混ざるという問題、さらにはポリマーの劣化などが原因である。このような問題を避けて、できるだけ高付加価値製品にリサイクルするためにバージンポリマーと同等のリサイクルポリマーを製造する試みがある。しかし、汎用ポリマーはバージンポリマーの価格が安いので、それだけでは経済的に有利なリサイクルを実現することが難しい。
【０００４】
一方で、超臨界ＣＯ2中でポリマーを窒素酸化物で酸化することによりリサイクルすると同時にポリマーを機能化することが検討されている（特許文献１）。この方法では、熱可塑性ポリマーを機能化するのみならず、架橋ポリマーの三次元ネットワーク構造を崩して熱可塑化しつつ高機能化することも可能である。
【０００５】
こうした手法を実用規模とするには、ポリマーを連続的に処理するプロセスが必須である。
【０００６】
超臨界流体を用いてポリマーを連続処理する方法として特許文献２、３のように押出機を用いることが提案されている。
【０００７】
この方法では廃ポリマーを押出ながら超臨界水や超臨界アルコールを注入して大量にポリマーを処理することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１９１１７４号公報
【特許文献２】特開２００１−２５３９６７号公報
【特許文献３】特開２００７−８４７４８号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】第５８回高分子討論会、予稿集、２００９／９／１６〜９／１８、熊本大（熊本）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２、３の実施例に示されているケースの場合、アルコールや水が反応するポリマー中の化学結合が限られるため反応の制御が容易であるが、架橋ポリマーの架橋部を優先的に切断することは困難である。
【００１１】
一方、特許文献１や非特許文献１に示されるように二酸化炭素と酸化剤である二酸化窒素を混ぜてポリマーと押出機内で反応させることで優先的に架橋部を切断できることが可能となるが、押出機内での反応条件を厳密にコントロールしなければ必要以上にポリマーを酸化劣化してしまう問題がある。すなわち、酸化剤による変性反応は、アルコールや水よりも選択性が低いからである。
【００１２】
したがって、反応を均一に進行させなければ一方ではポリマーの劣化が進み、他方では十分に変性できないという問題が発生する。
【００１３】
例えば特許文献２、３のような押出装置を用いて酸化剤と二酸化炭素を個別に押出機に注入した場合、ポリマーが部分的に酸化劣化してしまう問題が発生する。また、反応時間を精密にコントロールしなければ酸化反応が進みすぎてポリマーが劣化してしまう問題が発生する。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、超臨界二酸化炭素と酸化剤を押出機に供給してポリマーと混練する際に、反応を均一かつ精密にコントロールできる高分子化合物の処理方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、押出機を用いて高分子化合物を押し出しながらその押出機に二酸化炭素および酸化剤を注入して超臨界二酸化炭素中で酸化剤を用いて高分子化合物を変性する高分子化合物の処理方法であって、上記押出機に、二酸化炭素と酸化剤を注入する前にあらかじめ二酸化炭素と酸化剤を混合することを特徴とする高分子化合物の処理方法である。
【００１６】
請求項２の発明は、前記二酸化炭素と前記酸化剤を混合する前に、あらかじめ二酸化炭素を超臨界点以上に加圧・加熱する請求項１記載の高分子化合物の処理方法である。
【００１７】
請求項３の発明は、前記二酸化炭素と前記酸化剤を混合する際に、前記二酸化炭素および前記酸化剤を同じ相状態で混合する請求項１記載の高分子化合物の処理方法である。
【００１８】
請求項４の発明は、高分子化合物を押し出しながら超臨界二酸化炭素中で高分子化合物と酸化剤を混合するための押出機と、前記押出機に接続され、押出機からの高分子化合物と酸化剤の混合物を導入してそれらを反応させるための反応容器と、二酸化炭素と酸化剤をあらかじめ混合して、前記押出機に注入する混合ガス供給手段とを備えたことを特徴とする高分子化合物の処理装置。
【００１９】
請求項５の発明は、前記混合ガス供給手段は、前記押出機に二酸化炭素と酸化剤を注入する前に、超臨界状態の二酸化炭素と酸化剤を混合するスタティックミキサーを備えた請求項４記載の高分子化合物の処理装置である。
【００２０】
請求項６の発明は、前記混合ガス供給手段は、二酸化炭素と酸化剤の混合ガスを加圧・加熱して前記押出機に注入する請求項４記載の高分子化合物の処理装置である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、二酸化炭素と酸化剤を材料供給用押出機に供給してポリマーと混練する際に、あらかじめ二酸化炭素と酸化剤を混合することにより、反応を均一かつ精密にコントロールすることができる。特に酸化反応が部分的に進行することによって起こる変色などを防止しつつ、酸化反応を利用して酸変性することが可能となるという優れた効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の高分子処理装置の一実施の形態を示す全体図である。
【図２】本発明の高分子処理装置の他の実施の形態を示す全体図である。
【図３】比較例としての高分子処理装置の全体図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２４】
図１において、ペレット状又はナゲット状に粉砕された架橋ポリエチレン（高分子化合物）は、ホッパ１３を介して材料供給用押出機１に投入される。
【００２５】
二酸化炭素と酸化剤としての二酸化窒素が、混合ガス供給手段４０を介して材料供給用押出機１に注入される。混合ガス供給手段４０による二酸化窒素と二酸化炭素の注入位置は、架橋ポリエチレンが材料供給用押出機１内で十分に高密度化された位置よりも下流であることが好ましく、それにより二酸化炭素と二酸化窒素の上流側への漏れが防止できる。
【００２６】
なお、材料供給用押出機１では昇温した架橋ポリエチレンの温度が下がらない程度に加熱することが望ましい。
【００２７】
材料供給用押出機１は、高温高圧の二酸化炭素と二酸化窒素が逆流しないように、また混練が充分行なわれるように２本のスクリュー１ａを有する二軸押出機を用いるのが好ましい。
【００２８】
混合ガス供給手段４０は、二酸化窒素と超臨界状態にした二酸化炭素を混合して材料供給用押出機１に注入するものであり、二酸化窒素は二酸化窒素ボンベ１８１からポンプ１７１で加圧され、逆止弁１５２を介してヒータ１４１に供給され、二酸化炭素は、液化二酸化炭素ボンベ１８２からマスフローコントローラ１７２、逆止弁１５３を介してスタティックミキサー１５４に供給され、そこで二酸化窒素と混合された後、ヒータ１４２で加熱され、バルブ１５を通して材料供給用押出機１内に注入される。
【００２９】
この際、二酸化炭素と二酸化窒素は、材料供給用押出機１の内部の圧力以上に加圧されて注入される。
【００３０】
スタティックミキサー１５４は、パイプの中に、長方形の板を１８０度左方向にねじった左エレメントと１８０度右方向にねじった右エレメントを９０度交差させて交互に直列挿入したもので、左右のエレメントで、導入された二酸化窒素素と二酸化炭素の混合気体を２分割することで、エレメント数（ｎ）ですなわち、２のｎ乗で分割混合する。
【００３１】
材料供給用押出機１内では、投入した架橋ポリエチレンと注入した二酸化炭素と二酸化窒素とがスクリュー１ａにより混合撹拌される。この際、少なくとも材料供給用押出機１の一部分において、二酸化炭素が超臨界状態となる温度、圧力条件になるようにすると、架橋ポリエチレンと二酸化窒素との架橋切断反応が充分に進み、良好な高分子処理物が得られる。ここでは、反応時間を十分確保するために、容積８０Ｌの流通式反応容器１００を材料供給用押出機１に接続した。
【００３２】
材料供給用押出機１および流通式反応容器１００で可塑化された架橋ポリエチレンの高分子処理物及び二酸化炭素と二酸化窒素の混合物は、圧力調整手段としての減圧バルブ１１（或いはディスチャージ弁）で減圧され、さらに段階的に圧力を下げるために複数の穴の空いた抵抗体としてブレーカプレート３１を取り付けて高分子処理物の減圧を段階的に行う。なお、圧力調整手段はギアポンプでもよい。
【００３３】
さらに後段の排出ライン２３が、脱気用押出機２に接続され、脱気用押出機２に導入された粘稠な液体の高分子処理物を、スクリュー２ａによって脱気用押出機２の吐出方向へ押出すと共に、二酸化窒素や二酸化炭素等の気体は圧力の低いバックベントのベントボックス８へと流れることにより、高分子処理物と気体が分離される。
【００３４】
ベントボックス８は電熱ヒータによるベントボックスヒータ１０によって熱せられ、二酸化窒素や二酸化炭素が気体として存在する温度に保たれる。
【００３５】
またベントボックスヒータ１０の代わりに、図には示していないがベントボックス８の高分子処理物貯蔵部の外周部に設けられた熱媒体が循環するジャケットと、熱媒体をジャケットに供給する熱媒体循環装置でベントボックス８を加熱するようにしてもよい。
【００３６】
ベントボックス８は、流通式反応容器１００の体積の２倍とする。このように流通式反応容器１００の体積よりもベントボックス８を大きくすることにより、高分子処理物と気体の吐出が断続的になった場合もベントボックス８内部の圧力を流通式反応容器１００の圧力の１／２以下に下げることができる。
【００３７】
ベントボックス８内部は、流通式反応容器１００よりは低い圧力に維持されており、これによって、高分子処理物が容易にベントボックス８外にライン２４を介して排出される。ベントボックス８では気体は槽の上方から分離され、槽の下には溶融状態の高分子処理物が溜まっており、槽の下部に設けられた穴から自重で脱気用押出機２に送られ、スクリュー２ａによって先端部のダイ３側に押し出される。
【００３８】
脱気用押出機２は一軸、二軸いずれのタイプの押出機も使用可能である。ここでは、ダイ３により、糸状のストランド５として成形され、冷却器４によってほぼ常温に冷却固化される。ストランド５はストランドカッタ６によってペレット７となる。
【００３９】
一方、ベントボックス８で高分子処理物と分離された二酸化炭素と二酸化窒素の気体は、槽圧調整手段としての槽圧調整バルブ１２を介して常圧となり、ドライ真空ポンプ１９の吸引力によりトラッパ１８に送られる。
【００４０】
トラッパ１８では、反応中に生成し、気体中に混入した不純物で沸点の高いものや樹脂粉末などを捕集する。トラッパ１８で不純物が除去された気体は、ドライ真空ポンプ１９に吸引され、コンデンサー２０に送られる。
【００４１】
コンデンサー２０では、気体を冷却することで、気体中の二酸化窒素が液化され、二酸化炭素等が排出ライン２１から排出され、液化された二酸化窒素が液化二酸化窒素ボンベ１８１に戻されて、再利用される。
【００４２】
このように、本発明は、超臨界二酸化炭素中で酸化剤を用いることにより、高分子化合物である架橋ポリマーを変性する反応を利用する際に、材料供給用押出機１を用いて高分子化合物を押出しながら酸化剤である二酸化窒素と二酸化炭素を材料供給用押出機１のシリンダーに注入し、高分子化合物と酸化剤を材料供給用押出機１のシリンダーの中で混練しながら、高温高圧の流通式反応容器１００の中へ高分子化合物と酸化剤の混合物を吐出して反応させるものである。この際に、材料供給用押出機１に注入する二酸化炭素と二酸化窒素を、注入前に、二酸化炭素を超臨界二酸化炭素とし、その超臨界二酸化炭素に酸化剤が混合された状態で注入することにより、材料供給用押出機１と流通式反応容器１００内での反応を均一に精密にコントロールすることができる。特に酸化剤は超臨界二酸化炭素と混合して材料供給用押出機１内に注入されるため、酸化反応が部分的に進行して起こる変色などを防止しつつ、酸化反応を利用して酸変性することが可能となる。
【００４３】
本発明においては、二酸化炭素を臨界点以上にした超臨界二酸化炭素と酸化剤をスタティックミキサー１５４であらかじめ混合するために、超臨界二酸化炭素と酸化剤が、同じ相状態（液−液、ガス−ガス、超臨界流体−超臨界流体）での混合となり、酸化剤が二酸化炭素に分散されるため、高分子化合物の反応を均一かつ精密にコントロールすることが可能となる。
【００４４】
このように本発明は、超臨界二酸化炭素中の反応を、高分子化合物の変性反応やその変性反応の一種である架橋切断反応のいずれかである場合に適応することができる。
【００４５】
また、処理される高分子化合物が架橋ポリマーであり、前記二酸化炭素に加える酸化剤が、二酸化窒素の他に、酸素、過酸化水素、過酸化水素水、あるいは硝酸や亜硝酸、硫酸であってもよい。また、酸化剤の種類によって混合部で、相状態を同じにするためにポンプ１７１と逆止弁１５２の間にヒータを入れたり、あるいは図１に示した符号１４１のヒータが不要な場合も考えられる。
【００４６】
本発明で言う高分子化合物とは、架橋ポリマー、プラスチックやエラストマー、熱硬化性樹脂などの合成高分子に加えて、リグニン、セルロース、タンパク質等の天然高分子、更には合成高分子と天然高分子混合物を含んでいる。また、シュレッダーダストの様に、高分子を主として、これに他の材料が混合したものでもよい。
【００４７】
特に、高分子化合物として架橋ポリマーを用いた場合に、高分子化合物の主鎖の酸化劣化を防止するため、このような装置及び構成が有効に機能する。
【００４８】
二酸化炭素中の酸化反応で高分子化合物を変性する場合、高分子化合物の酸化劣化を防止するために二酸化炭素が酸化剤を取り囲むケージ効果を用いて反応を進行させる必要がある。したがって、二酸化炭素と二酸化窒素を均一混合した上で材料供給用押出機１に注入することで、高分子化合物の酸化劣化を防止しながら酸化反応を行うことが可能となる。
【００４９】
次に、図２により本発明の他の実施の形態を説明する。
【００５０】
図１の実施の形態においては、酸化剤である二酸化窒素と超臨界状態にした二酸化炭素を、混合ガス供給手段４０で供給する際に、スタティックミキサー１５４で混合して材料供給用押出機１に注入する形態を示したが、本実施の形態の混合ガス供給手段４０は、二酸化炭素と酸化剤である二酸化窒素をあらかじめ混合して混合ガスボンベ１８３に収容し、その混合ガスボンベ１８３から二酸化炭素と二酸化窒素の混合物をポンプ１７１で加圧し、これをヒータ１４２で加熱して超臨界状態とし、バルブ１５を介して材料供給用押出機１に注入するように構成したものである。
【００５１】
この実施の形態における混合ガス供給手段４０は、二酸化炭素と二酸化窒素とをあらかじめ混合しておくことで、スタティックミキサー１５４等の機器が不要となり装置を簡略化できる。
【実施例】
【００５２】
次に実施例と比較例を説明する。
【００５３】
［実施例１］
図１で説明した処理装置を用いて、高分子化合物の一種である架橋ポリエチレンを変性することにより架橋を切断するとともに超臨界二酸化炭素中の酸化反応によりカルボキシル基やカルボニル基を導入する反応を行った。
【００５４】
ペレット状に粉砕された架橋ポリエチレンをホッパ１３を介して材料供給用押出機１に投入した。材料供給用押出機１は、シリンダ径３０ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝６４を用いた。
【００５５】
一方、反応に要する二酸化炭素と酸化剤である二酸化窒素は、それぞれ二酸化炭素ボンベ１８２および二酸化窒素ボンベ１８１から供給し、二酸化窒素はポンプ１７１で加圧されると共に、ヒータ１４１によって加熱される。一方、ボンベ１８２から出た二酸化炭素はマスフローコントローラ１７２で定量的に供給した。マスフローコントローラ１７２の代わりにブースターを用いたり、ブースターとマスフローコントローラを併用することも可能である。また、二酸化炭素を冷却してマスフローコントローラ１７２の代わりに送液ポンプを使用することも可能である。さらに、ボンベ内の物質の相状態をコントロールするために、ボンベ１８１、１８２に温度調節装置を付け加えても良い。二酸化窒素と二酸化炭素の比は質量分率で１：２とし、混練部における温度を５０℃、圧力を０．７〜０．８ＭＰａ（二酸化窒素、二酸化炭素ともに気体の状態）とした。
【００５６】
また、ポンプ１７１，マスフローコントローラ１７２の直後に逆止弁１５２、１５３を設けて、二酸化炭素、二酸化窒素それぞれの成分の圧力によりボンベ側へ互いに逆流することを予防した。この二成分はスタティックミキサー１５４で混合されてヒータ１４２で反応温度にまで加熱される。
【００５７】
バルブ１５を介して二酸化炭素と酸化剤の混合物を、材料供給用押出機１の減速機側からＬ／Ｄ＝２０の位置に圧力０．５ＭＰａで注入した。その注入位置は、架橋ポリエチレンが材料供給用押出機１内で１ＭＰａ以上に加圧されて高密度化された位置よりも下流で、かつ加圧部の長さがＬ／Ｄ＝４以上であり、それにより二酸化炭素や二酸化窒素の上流側への漏れが防止される。
【００５８】
材料供給用押出機１は、押出機のコストを押さえるとともに、高い圧力にも耐えうる装置とするために単軸の押出機を用いてもよい。
【００５９】
ポンプ１７１およびマスフローコントローラ１７２では、注入する位置における材料供給用押出機１に対しての内部の圧力以上に加圧することが必要であり、また、ヒータ１４１，１４２により、材料供給用押出機１で昇温した高分子化合物の温度が下がらない程度に加熱することが望ましい。また、押出機の注入口には逆止弁を設けて押出機内部の樹脂の逆流を防止した。
【００６０】
ここでは材料供給用押出機１および流通式反応容器１００の温度、圧力を１２０℃，２０ＭＰａとし、注入する際のガス温度も１２０℃とした。
【００６１】
材料供給用押出機１内では、投入した架橋ポリエチレンと注入した二酸化炭素と二酸化窒素がスクリュー１ａにより混合撹拌される。この際、少なくとも材料供給用押出機１の一部分において、二酸化炭素が超臨界状態となる温度、圧力条件にしておかなければ過剰な酸化や副反応によりポリマーが変色する可能性がある。ここでは、反応時間を１時間以上確保するために、容積８０Ｌの流通式反応容器１００を材料供給用押出機１に接続した。
【００６２】
材料供給用押出機１および流通式反応容器１００で架橋ポリエチレンを処理して得られた高分子処理物及び二酸化炭素と二酸化窒素の混合物は、減圧バルブ１１で減圧され、さらに段階的に圧力を下げるために複数の穴の空いた抵抗体としてとりつけたブレーカプレート３１により段階的に減圧した。さらに後段には脱気用押出機２が接続され、ここで粘稠な液体の高分子処理物はスクリュー２ａによって脱気用押出機２の吐出方向へ押出すとともに、気体となった二酸化炭素と二酸化窒素は圧力の低いバックベントのベントボックス８へと流れることにより、高分子処理物と分離される。ベントボックス８には酸化剤も流入するため、これを気化するためにベントボックス８を電熱ヒータなどで加熱したほうがよい。ベントボックス８内部は真空ポンプ１９により減圧されており、これによって高分子処理物と二酸化炭素などのガスが完全に分離できる。
【００６３】
高分子処理物は脱気用押出機２に送られ、その先端部のダイ３によって成形される。脱気用押出機２は一軸又は二軸の押出機が使用可能である。ここでは糸状のストランド５として成形され、冷却器４によって融点以下に冷却固化される。ストランド５はストランドカッタ６によってペレット７となる。脱気用押出機２は高分子処理物から二酸化炭素と二酸化窒素を完全に除去するためにダイスよりも上流側にベントをさらに設けても良い。
【００６４】
一方、ベントボックス８で高分子処理物と分離された二酸化炭素と二酸化窒素を含むガスは、槽圧調整バルブ１２を介して常圧となり、トラッパ１８に送られる。トラッパ１８では、反応中に生成した固形物などをフィルターにより分離する。二酸化炭素と二酸化窒素の混合物は、真空ポンプ１９の下流に接続されたコンデンサ２０によって冷却され、二酸化窒素を液化してボンベ１８１に戻される。
【００６５】
このような装置構成は、二酸化炭素に二酸化窒素などの酸化剤を混ぜる場合に有効である。
【００６６】
この様な装置を用いた場合、架橋ポリエチレンの処理量は押出機の吐出能力が許す単位時間あたり２〜５０ｋｇ／ｈの範囲で２４時間以上の連続安定運転による処理が可能であり、得られた生成物はゲル分率０％で数平均分子量１万以上、供給したポリマーと同じ色相のポリマーを得ることができた。
【００６７】
この方法では次の実施例２に比べてコンデンサ２０に回収したものの二酸化窒素濃度が減少しないので実施例２に見られるように反応が徐々に抑制されることはなく、その結果より長時間の運転が可能である。また、あらかじめ混合ガスを作る必要がないのでコスト高になるという問題がない。
【００６８】
［実施例２］
実施例２は、図２で説明した、架橋ポリエチレンの架橋切断処理装置で高分子化合物を処理した例である。
【００６９】
この実施例２では、実施例１における二酸化炭素と二酸化窒素の混合をあらかじめ混合し、これを混合ガスボンベ１８３に収容し、その混合ガスボンベ１８３から二酸化炭素と二酸化窒素の混合ガスをポンプ１７１で加圧し、これをヒータ１４２で加熱して超臨界状態とし、バルブ１５を介して材料供給用押出機１に注入するようにしたものである。
【００７０】
この様な装置を用いた場合、架橋ポリエチレンの処理量は押出機の吐出能力が許す単位時間あたり２〜５０ｋｇ／ｈの範囲で１０時間以上の連続安定運転による処理が可能であり、得られた生成物はゲル分率０％で数平均分子量１万以上、供給したポリマーと同じ色相のポリマーを得ることができた。
【００７１】
［比較例１］
比較例１として、図３に示した処理装置を用いて高分子化合物の酸化反応を行った。
【００７２】
図３は、図１、図２の実施の形態と違って、二酸化窒素と二酸化炭素を別個に材料供給用押出機１に注入したものであり、二酸化窒素ボンベ１８１と液化二酸化炭素ボンベ１８２から独立して材料供給用押出機１に注入する架橋ポリエチレンの架橋切断処理装置を示したものである。
【００７３】
すなわち、二酸化炭素は、液化二酸化炭素ボンベ１８２からマスフローコントローラ１７２にて超臨界圧にし、ヒータ１４１で臨界点まで加熱し、バルブ１６から供給し、二酸化窒素は、二酸化窒素ボンベ１８１からポンプ１７１で加圧し、バルブ１５を介して、二酸化炭素が供給される位置より上流側の位置で材料供給用押出機１へ注入するようにしたものである。
【００７４】
この様な装置を用いた場合、架橋ポリエチレンの処理量は押出機の吐出能力が許す単位時間あたり２〜５０ｋｇ／ｈの範囲で１０時間以上の連続安定運転による処理が可能であったが、反応を十分に制御することができず、数平均分子量は４０００であり、ゲル分率０％で数平均分子量１万以上のものを得ることができなかった。また、生成物は黄色から茶色に着色したものであった。これは、二酸化窒素と二酸化炭素が十分に混ざり合わない状態で架橋ポリエチレンに接触するので、部分的に酸化反応が激しく進行するためと考えられる。
【００７５】
以上により、本発明は、二酸化炭素と酸化剤を材料供給用押出機に供給してポリマーと混練する際に、あらかじめ二酸化炭素と酸化剤を混合することにより、反応を均一かつ精密にコントロールすることができる。特に酸化反応が部分的に進行することによって起こる変色などを防止しつつ、酸化反応を利用して酸変性することが可能となる。
【符号の説明】
【００７６】
１ 材料供給用押出機
１３ ホッパー
４０ 混合ガス供給手段
１５４ スタティックミキサー
１８１ 二酸化窒素ボンベ
１８２ 二酸化炭素ボンベ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
押出機を用いて高分子化合物を押し出しながらその押出機に二酸化炭素および酸化剤を注入して超臨界二酸化炭素中で酸化剤を用いて高分子化合物を変性する高分子化合物の処理方法であって、上記押出機に、二酸化炭素と酸化剤を注入する前にあらかじめ二酸化炭素と酸化剤を混合することを特徴とする高分子化合物の処理方法。
【請求項２】
前記二酸化炭素と前記酸化剤を混合する前に、あらかじめ二酸化炭素を超臨界点以上に加圧・加熱する請求項１記載の高分子化合物の処理方法。
【請求項３】
前記二酸化炭素と前記酸化剤を混合する際に、前記二酸化炭素および前記酸化剤を同じ相状態で混合する請求項１記載の高分子化合物の処理方法。
【請求項４】
高分子化合物を押し出しながら超臨界二酸化炭素中で高分子化合物と酸化剤を混合するための押出機と、前記押出機に接続され、押出機からの高分子化合物と酸化剤の混合物を導入してそれらを反応させるための反応容器と、二酸化炭素と酸化剤をあらかじめ混合して、前記押出機に注入する混合ガス供給手段とを備えたことを特徴とする高分子化合物の処理装置。
【請求項５】
前記混合ガス供給手段は、前記押出機に二酸化炭素と酸化剤を注入する前に、超臨界状態の二酸化炭素と酸化剤を混合するスタティックミキサーを備えた請求項４記載の高分子化合物の処理装置。
【請求項６】
前記混合ガス供給手段は、二酸化炭素と酸化剤の混合ガスを加圧・加熱して前記押出機に注入する請求項４記載の高分子化合物の処理装置。
【請求項１】
押出機を用いて高分子化合物を押し出しながらその押出機に二酸化炭素および酸化剤を注入して超臨界二酸化炭素中で酸化剤を用いて高分子化合物を変性する高分子化合物の処理方法であって、上記押出機に、二酸化炭素と酸化剤を注入する前にあらかじめ二酸化炭素と酸化剤を混合することを特徴とする高分子化合物の処理方法。
【請求項２】
前記二酸化炭素と前記酸化剤を混合する前に、あらかじめ二酸化炭素を超臨界点以上に加圧・加熱する請求項１記載の高分子化合物の処理方法。
【請求項３】
前記二酸化炭素と前記酸化剤を混合する際に、前記二酸化炭素および前記酸化剤を同じ相状態で混合する請求項１記載の高分子化合物の処理方法。
【請求項４】
高分子化合物を押し出しながら超臨界二酸化炭素中で高分子化合物と酸化剤を混合するための押出機と、前記押出機に接続され、押出機からの高分子化合物と酸化剤の混合物を導入してそれらを反応させるための反応容器と、二酸化炭素と酸化剤をあらかじめ混合して、前記押出機に注入する混合ガス供給手段とを備えたことを特徴とする高分子化合物の処理装置。
【請求項５】
前記混合ガス供給手段は、前記押出機に二酸化炭素と酸化剤を注入する前に、超臨界状態の二酸化炭素と酸化剤を混合するスタティックミキサーを備えた請求項４記載の高分子化合物の処理装置。
【請求項６】
前記混合ガス供給手段は、二酸化炭素と酸化剤の混合ガスを加圧・加熱して前記押出機に注入する請求項４記載の高分子化合物の処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１６２６８９（Ｐ２０１１−１６２６８９Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８０３５（Ｐ２０１０−２８０３５）
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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