廃棄ポリエステル繊維製品はどのように利用率が10%未満の関門を突破しますか?

ポリエステルは紡績の主導原料であり、その廃棄物の貯蔵量は1億トンを超えているが、再生利用率は10%未満であり、自然分解が困難であり、資源環境の影響が大きい。廃棄ポリエステル繊維製品の循環再生技術を模索し、石油、耕地資源の緊張問題を効果的に緩和し、大量の繊維原料を節約し、経済の持続可能な発展を実現することができる。本文はポリエステル再生循環技術の発展から出発し、國內外のポリエステル再生の発展現狀を簡単に述べ、物理法、化學法、物理化學法技術を含め、中國の現在の國情に適した発展路線を分析し、最後にポリエステル再生技術の発展傾向と建設措置を展望した。

1はじめに

人民の生活水準の向上に伴い、廃棄紡績品の保有量が大幅に増加し、どのように科學的に合理的に利用するかが各國の注目の焦點となっている。日本、フランス、イギリス、アメリカなどの國は紡績化學繊維の循環と低炭素経済の発展を國家戦略に上昇させ、環境基本法、生態と持続可能な法などの面で紡績服裝、靴類と家紡績製品の回収と処理に関する法案を公布した。中國は世界の紡績大國であり、毎年廃棄された紡績品の數は2000萬トンを超えているが、回収利用率は10%未満であり、深刻な資源浪費と固體廃棄物汚染をもたらしている。特に紡績原料の70%近くを占めるポリエステル繊維の年間生産量は2018年に4000萬トンを超え、廃棄物の在庫量は現在1億トンを超え、その廃棄ポリエステル繊維製品の回収と再生リサイクルは國家化學繊維と紡績業界の持続可能な発展の重要な中の一つである。[1]

廃棄ポリエステル繊維製品とは、ポリエステル紡績服裝を原材料として加工を行い、生産過程で発生した各種下足材、廃棄物を指し、化學繊維の製造過程で発生した廃糸廃塊、紡糸織り過程で発生した廃糸、回糸、印染服裝の加工過程で発生した廃生地及び角材、及び各種消費後に発生した廃紡績服裝、使用後廃棄される衣類、布、カーペット、裝飾などのポリエステル系織物。その源や形態も回収方法の選択に重要な參考価値を持っている。源は往々にして廃棄物中の不純物成分を決定しているからだ。例えば、ポリエステル繊維工場の生産廃糸と消費後に回収されたポリエステル服裝の2つの異なる源のポリエステル繊維廃棄物は、前者は単純にドープした直接溶融再生紡糸を採用することができ、後者は破砕、造粒、溶融、調質調粘、調配色などの多くのプロセスを経て再生を実現する必要がある。同時に、中國は現在、中古服裝の市場進出を許さず、廃棄服裝の成分が複雑で、回収分類が混亂しているため、再生応用率も直接制約されている。どのように再生サイクル技術を通じて廃棄ポリエステルの高効率高値化利用を実現するかは化學繊維業界及び循環経済発展の重點である。

2國外廃棄再生サイクル技術

ヨーロッパ、アメリカ、日本などの國外の工業先進國と地域は1960年代から廃棄ポリエステルの回収利用問題を研究し始め、今でも技術のリード乃至獨占的な地位を維持している。形成された技術は主に物理法と化學法の2種類である。

2.1

ぶつりてきほう

典型的なプロセスは主に:廃棄物成分の識別と選別、粉砕洗浄、造粒(廃棄繊維製品に対する)、乾燥、増粘(主に拡鎖剤の添加による増粘、液相または固相重縮合手段によって実現)、溶融加工成形などを含む。近年の代表的な技術進展は主にドイツのGneuss社が開発した多回転超高比表面真空押出機(MRS)技術[2]とオーストリアのErema社が開発したVACUREMシステム[3]。

図1ドイツGneuss社多回転超高比表面真空押出技術

Gneuss社の多回転超高比表面真空押出機(MRS)技術は、図1に示すように、ポリエステルを溶融しながら脫揮発増粘を実現し、効率的で省エネを実現することができる。オーストリアErema社が開発したVACUREMシステムも真空脫揮発の原理に基づいて廃棄ポリエステルを再生し、システムは自動真空ブレーキによって連続的な乾燥と溶融を実現し、高真空反応器はスクリューに直接接続され、押出過程の排気を免れることができ、スクリューの長さを短縮し、再生効率を向上させ、アセトアルデヒドの発生を減少させることができる。

図2オーストリアErema社が開発したポリエステル再生用VACUREMシステム

2.2

かがくほう

化學法再生の主な考え方は、重縮合反応の可逆性を利用して、廃棄ポリエステルを単量體または重合中間體に解重合することによって、分離精製後、高品質の再生ポリエステルに再縮合することができる。従って、廃棄PETの閉鎖サイクル再生を実現することができ、高不純物含有量の廃棄ポリエステル織物の回収には、化學法による再生が理論的に絶対的な優位を占めている。また、化學回収の多変性により、再生過程とともに、廃棄PETの高値化再利用を実現するために、より高い付加価値を有する複數の製品を開発することができる。しかし、化學回収のプロセスは比較的複雑で、技術の難易度が高く、生産コストが高いため、現在、世界で商業化に成功したケースはまだ少ない。

現在最も産業化の代表的な技術は日本Teijin社(帝人)のアルコール分解再生法である。日本のTeijin社は、エチレングリコール分解物中にオリゴマーが多く存在するという問題に対して、PETエチレングリコール分解?メタノールエステル交換の再生プロセスを開発し[4]、大規模な商業化生産を実現した。このプロセスはエチレングリコール解重合とメタノールエステル交換の2段階反応からなり、反応はまずPETをエチレングリコール解し、アルコール分解生成物はメタノールとエステル交換する。メタノールエステルと交換する過程はエチレングリコール分解過程で完全なオリゴマーを十分に解重合できず、DMTに統一的に転化することができ、モノマー収率を明らかに向上させ、エステル交換後の粗DMTは再溶融、減圧蒸留後の純度が99%以上に達し、品質が安定しているが、明らかな欠點はプロセスが長すぎ、コストが高いことである。また、反応バランスの制限により、生成物中にオリゴマーが多く存在し、アルコール分解觸媒は製品品質を妨害しやすく、エチレングリコールは溫度が高い場合に顕著な自己重合が発生して副産物ジグリコールなどを生じる。

図3帝人公司EGアルコール分解-エチレングリコールアルコール分解連合メタノールエステル交換組合せプロセスフローチャート

3わが國の廃棄再生サイクル技術

歐米、日本などの先進國に比べて、現在、中國の廃棄紡績品の回収再生とその製品開発技術のスタートは遅く、業界全體の技術先進性と成熟度の面で國外と比較して依然として明らかな差がある。しかし、第12次5カ年計畫以來、再生業界の革新研究開発の積極性は明らかに向上し、中國の実情と確実に結びつけて技術難関攻略を行い、代表的な特色ある産業化再生技術を初歩的に形成した。現在、中國のポリエステル再生技術は機械法、物理法、化學法、物理化學法に分けることができる。

3.1

Mechanism

廃棄紡績品の直接輸送利用の生産能力は主に初期の浙江溫嶺、蒼南一帯に集中し、技術のアップグレードと世代交代のため、現在、この技術は綿製品と混紡製品にしか使われていない。廃棄物を洗浄乾燥した後、直接溶融紡糸の物理法再生比は95%近くを占め、主にポリエステルボトルシートを再生した。浙江蒼南地區で毎年処理される紡績廃棄物は數十萬トンに達し、全國で有名な廃棄紡績品の回収利用基地となっている。リサイクルされた再加工繊維は家具裝飾、服裝、家紡、おもちゃ、自動車工業などの各分野に広く応用されている。

3.2

かがくほう

中國のポリエステル化學回収技術の面での研究は主に実験室の段階に集中し、アルコール分解の高効率觸媒とアルコール分解生成物の多分野での応用を研究する。雑多な廃棄ポリエステル織物の回収にとって、化學法は理論的に絶対的な優位を占めているが、コストが高すぎるため、國內の産業化のプロセスは遅い。ここ數年來、浙江佳人新材料有限會社は資源、技術を有効に統合し、技術を改善し、DMT化學法による再生ポリエステル繊維の生産コストを大幅に低減し、持続的に安定生産した上で、生産能力を現在の2.5萬トンから16萬トンに拡大した。また、浙江緑宇環境保護有限會社は2014年に國際初の10萬トン級の低コストBHET法廃棄紡績品化學再生生産ラインを建設し、稼働を開始した。この生産ラインは帝人のDMT法とは異なり、解重合生成物中の添加剤、染料などを分離するのではなく、粉體オンライン添加技術を採用することによって解重合液を配色した。生産コストを削減するとともに、廃棄織物中の染料を最大化し、色合い面では日本帝人社の製品とは比べものにならないが、その他の性能は応用要求をよりよく満たすことができる。この低コスト化學法の開発もわが國のポリエステル再生産業技術の進歩を力強く推進した。

3.3

ぶつりかがくほう

物理化學法は物理法自體の限界に対する改善とアップグレードであり、回収したポリエステル廃棄物を溶融した後、液相または固相増粘を行うことによって、この方法は物理法を主とし、化學法を補助して分子量を高め、不純物含有量を低下させる。生産コストの増加が大きくない場合、再生製品の品質を効果的に向上させ、差別化再生を実現する。寧波大発化學繊維有限會社、優彩環境保護資源科學技術株式會社が自主的に開発した「マイクロアルコール分解-脫揮発-重合」ポリエステル再生技術[5、6]は現在の中國の物理化學法産業化の代表的な技術であり、図4に示す。この技術は、まず、解重合によってポリエステル溶融物の粘度を低下させ、溶融物中の不純物を濾過及び脫揮発によって効率的に除去できるとともに、ポリエステル分子量を均一化することによって不純物含有量の低い低粘度溶融物を得た後、縮合により良好な増粘効果を得ることができ、この技術は、再生溶融物が0.63 dL?g-1以上に安定に増粘することを実現する、粘度変動は±0.01 dL?g?1まで減少した。

図4物理化學法「立式降膜-臥式ネズミかご」調質粘著裝置

4総括と展望

機械法及び物理法はプロセスが短く、効率が高く、コストが低く、適用性が広いなどの優位性があり、現在の廃棄紡績品の再生の主導技術である。しかし、このような方法は、製品の品質価値が低く、安定性が悪いなど、多くの問題を解決する必要がある。同時に、技術の敷居が低く、ローエンドの生産能力が相対的に過剰であるため、生産技術レベルのバラツキも再生製品の応用を直接制約している。化學法再生は高分子を小分子に解重合し、精製した後に再重合して再生を実現し、製品の品質はほとんど原生レベルに達することができ、この技術の適応性は広く、多種の廃棄化學繊維紡績品の再生総合利用を実現することができるが、現在比較的際立った問題はコストが高すぎ、産業化の普及が阻害されていることである。物理化學法の再生は物理法自體の限界に対する改善とアップグレードであり、物理法を主とし、化學法を補佐して分子量を高め、不純物含有量を低下させる。この方法は現在、中國のポリエステル再生産業化の発展に適しており、生産コストの増加が大きくない場合、再生製品の品質を効果的に向上させ、差別化再生を実現することは、再生製品の品質と利用率を向上させる上で重要な意義を持っている。

また、先進國と我が國の再生と循環経済発展モデルを見渡すと、今後の再生ポリエステル繊維の発展は資源の効率と循環利用を核心とすることを強調し、量子化、再利用、資源化を原則とし、低投入、低消費、低排出、高利益を特徴とする。再生ポリエステル原料の含雑特徴に基づき、服裝、土工、自動車、家紡などの分野の応用要求と結びつけて、調質調粘調色、アルコール分解脫色、共重合改性などの柔軟化再生技術を設計し、全プロセスの制御を実現し、繊維と紡績製品の標準を規範化し、製品の効率的な再生と循環使用を保証し、再生ポリエステル産業の規模化、自動化、連続化、クリーン化、集積化の方向が発展している。同時に、ブランド企業と連攜し、理念の宣伝と普及を強化し、産業の健全な発展を促進する。

(本文の著者:陳鎏、王少博、柯福佑、王華平。そのうち、陳鎏、柯福佑、王華平は東華大學材料科學と工程學院繊維材料改性國家重點実験室から來た。王少博は中原工學院紡績學院河南省機能性紡績材料重點実験室から來た。)

參考文獻

[1]中國化學繊維工業協會.2018年中國化學繊維経済情勢の分析と予測[M]。北京:中國紡績出版社、2018.

[2] Gmbh G K. MRS extrusion technology offers new options in PET [J]. Plastics, Additives and Compounding, 2009, 11(2): 24-26.

[3]Erema.Co.Ltd.www.erema.at/VACUREMA_systerm_for_PET_recycling [J]. 2013.

[4] Takuo N, Tetsuya C, Minoru N, et al. Method for recycling PET bottle: W.O., 2,003,033,581 [P/OL]. 2003.

[5] Qin D, Wang C., wang H., Chen Y., Ji P., Xi Z. Modeling and Optimizing of Producing Recycled PET from Fabrics Waste via Falling Film-Rotating Disk Combined Reactor [J]. International Journal of Polymer Science, 2017, 2017:1-13.

[6]邢喜全、秦丹、銭軍、王方河、阮佳倫。マイクロアルコール分解-液相増粘法により高品質再生ポリエステル[J]を調製した。合成繊維、2017、46(6):23-28.