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廃プラスチックのマテリアルリサイクル技術
シャープ技報 第79号・2001年4月 廃プラスチックのマテリアルリサイクル技術 Recycling Technologies of Plastic for an End-of-Life Washing Machine 後 藤 輝 正 *1 Terumasa Gotoh 隅 田 憲 武 *2 Yoshitake Sumida 門 馬 哲 也 *4 Tetsuya Kadoma 福 嶋 容 子 *3 Yohko Fukushima 清 水 善 弘 *4 Yoshihiro Shimizu 要 旨 特定家庭用機器再商品化法（家電リサイクル法）が いよいよ 2001 年 4 月からスタートし，企業において は，再商品化率の遵守はもちろんのこと，さらなる向 上が求められている。一方，ユーザの環境保護意識は ますます高まっており， 環境に配慮した商品の開発が 急務となっている。家電製品，特に洗濯機にはプラス チックが多く使われており， プラスチックのリサイク ルは重要な課題となっている。本報では，まず，使用 済み洗濯機のプラスチック製水槽の材料物性， 寿命特 性の評価を行った。その結果，リサイクル材の引張強 度，疲労強度はバージン材に比べ10％程度低く，酸化 防止剤はほとんど無くなっていることがわかった。廃 プラスチックの改質技術，強度設計により，廃洗濯機 水槽のクローズドマテリアルリサイクル技術を確立し た。 Massive effort has been poured to establish recycling technologies, as 'Environmental Consciousness' has gained much momentum and the 'Law for Recycling of Specified Kinds of Consumer Electric Goods' is to be taken into effect as of April, 2001. This paper describes our newly developed closed material recycling technology for a plastic tub of a washing machine. Washing machine is the typical product among many kinds of electric appliances using many plastic parts. Our research has started by assessing both material and life-span properties of a recycled plastic tub recovered from an end-of-life washing machine. Those results reveal that the tensile and fatigue strength characteristics of a recycled material sustain approximately *1 *2 *3 *4 生産技術開発推進本部 生産技術開発センター 環境安全本部 環境グリーンプロダクト企画部 電化システム事業本部 商品信頼性管理センター 電化システム事業本部 電化商品開発研究所 大 西 章 *1 Akira Ohnishi 西 尾 元 秀 *3 Motohide Nishio 岩 田 充 浩 *1 Mitsuhiro Iwata 岡 田 英 生 *1 Hideo Okada 90% that of a virgin material.We also found that almost all antioxidants have disappeared from the recycled material. Developing material compound technology to improve the strength and reliability of the recycled material and introducing FEM analysis lead us to establishing the closed material recycling technology for plastic tubs. まえがき 特定家庭用機器再商品化法（家電リサイクル法）が いよいよ 2001 年 4 月からスタートし，まず家電4 品目 が対象となり，エアコン 60％，TV55％，冷蔵庫 50％， 洗濯機50％の再商品化率が義務付けられる。今後，こ の再商品化率は 2008 年には 80％以上に引き上げられ る可能性があり，さらなる向上が求められている。一 方，ユーザの環境保護意識はますます高まっており， 環境に配慮した商品の開発が急務となっている。廃プ ラスチックのリサイクルは，従来，技術的にリサイク ルが困難であることから，大部分は埋め立て，燃料と してのサーマルリサイクル， グレードを落としたカス ケードリサイクルが一般的であった。しかしながら， 埋め立てやサーマルリサイクルは家電リサイクル法の 再商品化率にカウントできない。また，環境負荷（CO2 排出量）低減効果はサーマルやケミカルリサイクルに 比べてマテリアルリサイクルの方が優れているとの研 究報告１） があり，洗濯機のようなプラスチック構成 比の高い製品では，廃プラスチックのマテリアルリサ イクル技術が重要な課題となっている。最近では，富 士ゼロックス２），キャノン３）がコピー機やプリンター 外装に使われているＡＢＳプラスチックのマテリアル リサイクル技術を開発しているが， 洗濯機水槽のよう な動的荷重がかかり疲労寿命に影響する機能部材へ適 用した例はまだ報告されていない。本報では，まず， 使用済み洗濯機のプラスチック製水槽の材料物性，寿 命特性，酸化防止剤の残量等についてバージン材と比 ― 10 ― 廃プラスチックのマテリアルリサイクル技術 較評価し，マテリアルリサイクルの可能性を見極め た。さらには，マテリアルリサイクルのための課題を 明らかにし，改質技術，強度設計により，廃洗濯機水 槽から水槽への元の部品と同レベル部品へ再利用する 「ホリゾンタル型クローズドループマテリアルリサイ クル」技術を開発した。その研究成果を報告する。 １ . リサイクル材の成形加工プロセス 市場から回収した使用済の全自動洗濯機100台から 水槽を取り出した後，図１のプロセスを経てリサイク ル材の成形加工品を作成し，評価検討を行った。 リサイクル材のペレット加工は，テクノベル社製 ２ . リサイクル材の基本特性と材料評価 ２・１ 初期物性の検討 リサイクル材の基本物性を把握するため，引張強 度，引張伸び，曲げ強度，曲げ弾性率，アイゾット衝 撃値などの機械物性値を測定し，バージン材と比較検 討した。 機械物性の測定は，島津製作所製万能試験機 AG-1 を使用し，引張強度，引張伸びは JIS K7113 に，曲げ 強度，曲げ弾性率は JIS K7203 にそれぞれ準拠して測 定した。また，アイゾット衝撃値は東洋精機製アイ ゾット衝撃試験機を使用し，JIS K7110 に準拠して測 定した。 表２ リサイクル材の物性 製品回収 Table 2 Mechanical properties of recycled material. 単位 リサイクル材 MPa 引張強度 26 % 56 引張伸び MPa 34 曲げ強度 MPa 1297 曲げ弾性率 kJ/m2 4.3 アイゾット衝撃値 引張速度：50mm/min 曲げ速度：2mm/min 標点間距離：65mm 支点間距離：50mm 歪み：0.0005∼0.0025 液体（手分解） 関西リサイクル システムズ（株）にて処理 破 砕 洗浄， 乾燥 押出加工（ペレット加工） バージン材 28 82 40 1627 3.6 均一混合 射出成形 図１ リサイクル材の成形加工プロセス Fig. 1 Preparation scheme for recycled material. 25φ,L/D26二軸押出機を使用し樹脂温度220℃で調整 した。リサイクル材の基本特性検討用試験片の成形 は，日精樹脂工業製型締力 10t 小型射出成形機を使用 し，表 1 の射出成形条件で作成した。作成した試験片 は 23℃で 48 時間放置した後，物性測定などの検討に 供した。また，必要に応じて現行量産用バージン材 （以下バージン材と略記）についても同様の条件で射 出成形加工を行い比較検討を実施した。なお，実験に 供した廃洗濯機の使用期間は８∼10年を中心として， ５∼ 15 年の範囲であった。 表１ 射出成形条件 Table 1 Injection molding conditions. 射出圧力 射出速度 樹脂温度 金型温度 冷却時間 24 MPa 35 mm/s 210℃ 40℃ 30 s 表２のように，リサイクル材の物性値は，引張強 度，曲げ強度，曲げ弾性率でバージン材の 80 ∼ 90%， 伸びで 70％程度の値を示している。一方，衝撃値は バージン材よりも 20％程度高い値を示している。こ れらの結果から， リサイクル材の初期の物性値はバー ジン材と比較するとやや柔らかい傾向にあるが，物性 改善を施すことによりマテリアルリサイクルは可能で あると考える。 ２・２ 疲労特性の検討 リサイクル材及びバージン材を用いて試験片（JIS K7118 Ⅱ号試験片相当）を成形し，振動疲労試験機を 用いて表３の試験条件で繰り返し疲労試験を行った。 樹脂の場合明確な疲労限界強度 （回数をいくら増や しても破断しない応力）は存在しないが，3 × 105 以 降はグラフがほぼ水平になるので107 での応力値を疲 労限界強度とみなすと，リサイクル材における疲労 カーブはバージン材とほぼ同様に推移し， 疲労限界強 度はリサイクル材，バージン材共に曲げ強度の 26 ∼ 28% 程度であった。 （リサイクル材はバージン材に較 べ曲げ強度が低い分，疲労カーブ全体が低くなる） 実際の水槽に掛かる応力を考えると， リサイクル材 においても安全率は２以上ありリサイクル材の疲労強 度は問題無いと考える。（図２，表４） ― 11 ― シャープ技報 第79号・2001年4月 表３ 試験条件 Table 3 Testing condition. 試験機 振動モード 繰り返し速度 環境温度 疲労破壊判定条件 東洋精機 振動疲労試験機 両振れ曲げ試験 30回／秒 25℃ 樹脂が軟化し振れ量が試験機のリミッタに達したとき を疲労破壊と判断する。 図２ 疲労カーブ Fig. 2 Fatigue profile. 表４ 疲労試験結果 マテリアルリサイクルは十分可能である。 リサイクル材を使用する際， 初期特性とともに長期 信頼性の確保は重要な課題である。 ポリプロピレンに は劣化を抑制するために各種の添加剤が配合されてい るが，長期間使用すると，これらの添加剤は消費ある いは逃散し， ポリマーが急激に劣化を開始することが 知られている。このような観点から，リサイクル材に 残存する添加剤を分析した。その結果，テトラキス ［メチレン -3-（3'，5'- ジ -t- ブチル -4- ヒドロキシフェ ニル）プロピオネート］メタンなどのフェノール系酸 化防止剤は数百ppm程度検出されたが，成形加工安定 剤であるリン系酸化防止剤は全て消費されており，ト リス -（2，4- ジ -t- ブチルフェニル）フォスファイト 酸化物などが検出された。自動酸化劣化反応に於い て、フェノール系酸化防止剤は自動酸化連鎖反応を抑 制するが，副生成物として劣化因子となる過酸化物 を生成する。リン系酸化防止剤は、過酸化物をさらに 安定なアルコールに分解するため、 結果的には添加剤 相互の消費量を減らすという相乗作用がある。 このこ とから，リン系酸化防止剤は成形加工安定剤としてだ けではなく， リサイクル材の長期信頼性を確保するた めにも追加配合が必要である。 Table 4 Result of Fatigue test. 材料 条件 曲げ強度（MPa） 疲労限界強度（MPa） 疲労限界強度／ 曲げ強度 比率（%） バージン材 リサイクル材 46 12.6 43 11.2 リサイクル／ バージン比率（%） 93.5 88.9 27.4 26.0 ― ２・３ 組成分析 リサイクル材の組成分析，および結晶化温度，融解 温度，融解熱量の測定４）５），添加剤の残存量の分析６） ７） を行い化学的な劣化を考察した。 組成分析はパーキンエルマー社製Spectrum GX FTIR System で，結晶化温度，融解温度，融解熱量の測 定はセイコー電子工業製熱分析装置示差走査熱量計 SSC5200 DSC220U で測定した。それぞれの結果を図 ３，図４に示す。 図３のように， リサイクル材の組成はポリプロピレ ン‐ポリエチレンブロック共重合であり，バージン材 と同一の組成である。また，酸化劣化に起因するカル ボニル化合物の吸収はほとんどみられない。一方，結 晶化温度，融解温度，融解熱量は，図４のように，と もにバージン材と同等であることから， リサイクル材 の結晶性についてもほぼ問題ないと考えられる。 これ らの結果から，リサイクル材の化学的な劣化はほとん ど進行していないものと判断され， 組成面からみても ― 12 ― 図３ リサイクル材の FT-IR スペクトル Fig. 3 FT-IR spectrum of recycled material. 図４ リサイクル材の DSC チャート Fig. 4 DSC chart of recycled material. 廃プラスチックのマテリアルリサイクル技術 ３ . 洗濯機水槽実成形品の評価 リサイクル材の水槽への適応性を評価するため， 洗 濯機水槽を成形し評価検討を行った。検討にあたっ て，リサイクル材による成形品と，バージン材成形品 との差を明確にするため， リサイクル材とバージン材 を混合比率 100/0，70/30，30/70，0/100 の 4 種類で調 整し，水槽を成形した。 ３・１ 切り出し物性の検討 水槽成形品の側面（円周面）を鉛直方向に4分割し， 各面から機械物性測定用試験片を切り出した後， 引張 強度，引張伸び，曲げ強度，曲げ弾性率，アイゾット 衝撃値を測定した。なお，各面の試験片は樹脂の流動 方向に対して平行および直交方向に切り出し， 樹脂流 動方向に平行に切り出したものをMD，直交に切り出 したものを TD として，樹脂の流動方向による物性値 の変化についても検討した。 表５にバージン材混合率 に対する全試験片の物性値の平均を， 図５にバージン 材混合率と各試験片の MD 方向と TD 方向の物性比の 関係を示す。 物性測定用試験片と実成形品からの切り出し試験片 の物性値（表２，表５）を比較すると，リサイクル材 表５ 水槽成形品の切り出し物性値 Table 5 Mechanical properties of sample peace : recycled material of tub. リサイクル材/バージン材 30/70 単位 70/30 100/0 30 MPa 29 28 引張強度 1212 MPa 1174 1132 引張弾性率 27 % 29 27 引張伸び 45 MPa 44 43 曲げ強度 1685 MPa 1597 1535 曲げ弾性率 3.8 kJ/m2 4.0 4.3 アイゾット衝撃値 引張速度：50mm/min 曲げ速度：2mm/min 標点間距離：40mm 支点間距離：35mm 歪み：0.0005∼0.0025 0/100 30 1248 27 46 1728 3.7 とバージン材の物性差は実成形品の方が小さい。ま た，MD/TD の物性比は，図５のように引張伸びおよ びアイゾット衝撃値においてやや大きい傾向がみられ るものの，その他の物性については 20％以下である。 これらのことから，リサイクル材による水槽成形品 は，異方性の少ない安定した物性の成形品が得られて いると判断される。しかしながら，リサイクル材の物 性値はバージン材よりも小さいことから， 実使用に当 たっては設計などによる改善が必要であると考える。 ３・２ 耐衝撃性の検討 水槽を実際に洗濯機に組み込み底面落下限界衝撃試 験を行った。 この試験方法はバージン材の水槽におい て亀裂の発生する落下高さを実測し，その高さから繰 返し落下させ破損に至る回数を評価するものであり， その結果を表６に示す。 この試験の結果， リサイクル材の水槽は使用不能な 破損に至るまでの回数がバージンより少なく， 破損し やすい傾向があることが判った。よって，水槽に適用 する為には， 材料または設計での改善策が必要である と考える。（４章参照） また， 落下試験結果と通常衝撃強度の評価に用いら れているアイゾット衝撃強度を較べると， リサイクル 材の混合比率を上げるほうが高くなる結果となってお り，リサイクル材の比率が大きい方が破損しやすいと いう実状を表していないことが判明した。 そこで， 水槽の破損の可能性がある個所に歪ゲージ を貼り付け，破断に至るまでの時間を測定し，同程度 の時間で破断するような引張速度を与えて引張強度を 測定する高速引張試験法による耐衝撃性評価方法を検 討中である。 表６ 落下試験結果 Table 6 Result of drop test. リサイクル/バージン 混合比（%） 0/100 30/70 70/30 100/0 破断に至る落下回数 Izod衝撃強度（kJ/m2） 5 3 2 2 3.7 3.8 4.0 4.3 ４ . リサイクル材の適用設計 ４・１ 材料設計による改善 図５ 水槽成形品の切り出し物性値（MD/TD） Fig. 5 Mechanical properties of sample peace(MD/TD) : recycled material of tub. ４・１・１ 物性の改善 リサイクル材とバージン材の混合比率を変化させ， リサイクル材の物性改善効果を検討した。 リサイクル 材とバージン材の混合比率は 100/0，70/30，30/70，0/ 100 の 4 種類とし，２・１項と同様の条件で引張強度， ― 13 ― シャープ技報 第79号・2001年4月 引張伸び，曲げ強度，曲げ弾性率，アイゾット衝撃値 を測定した。バージン材の物性値を基準として，各混 合比率の物性値を比較したものを図６に示す。 バージン材の混合率を増加するに伴って直線的に物 性が変化する傾向がみられることから， バージン材の 混合により安定した物性改善が可能である。 図６ バージン材混合による物性改善効果 Fig. 6 Mixing effect of virgin material. ４・１・２ 長期信頼性の改善 リサイクル材の長期信頼性を改善するため酸化防止 剤の添加効果を検討した。 リサイクル材にりん系酸化 防止剤トリス -（2，4- ジ -t- ブチルフェニル）フォス ファイトを 0.1% 添加し，表 1 の射出成形条件で物性 測定用試験片を作成した後，140℃のオーブン中で熱 酸化劣化試験を行った。長期信頼性の評価は， ２・１項 と同一の条件で引張強度，引張伸び，曲げ強度，曲げ 弾性率，アイゾット衝撃値を測定し検討した。同時 に，無添加のもの，および耐熱処方への用途拡大の可 能性を把握するためにりん系酸化防止剤／イオウ系酸 化防止剤併用系についても検討した。 イオウ系酸化防 止剤はジ - ミリスチル -3，3'- チオジプロピオン酸エス テルを0.05％添加した。図７に物性の経時劣化の一例 として曲げ強度の変化を示す。 リン系酸化防止剤を添加することによって 10 ∼ 20％ 程度の寿命改善効果がある。また，イオウ系酸化防止 剤を併用することによって大幅な寿命改善効果がある ことから，リサイクル材を耐熱部品へ用途展開するこ とも可能である。 ４・２ 強度設計による改善 ３・２の結果から，リサイクル材を水槽に用いる為 には落下時の応力集中を緩和する必要が有ると考えら れるので，シミュレーションを用いて改善案を検討し た。 実際には， 落下試験で亀裂を生じた水槽の吊り下げ 部（図８）近傍をモデリングし，防振機構からの引張 りで生じる応力をシミュレーションで求め，この応力 を低下させる形状を見つけ出すことで改善案を検討し た。 図９からわかるとおり，改善案により旧来モデルに 比べ応力集中を36%低減可能という結果を得，耐衝撃 性の改善に対しては設計変更での回避が可能であるこ とを見出した。 むすび 本研究では， 廃家電品処理プラントから発生する廃 プラスチックを高負荷部品へ再利用するための可能性 検討として， 廃洗濯機水槽のクローズドマテリアルリ サイクルの実用化検討を行った。その結果，バージン 材の混合による物性改善， およびリン系酸化防止剤の 添加による長期信頼性の改善，成形品の強度シミュ レーションによる機械設計改善を行うことによって実 図７ 酸化防止剤の添加効果 図８ 水槽 Fig. 7 Effect of antioxydants. Fig.8 Tub of clothes washer. ― 14 ― 廃プラスチックのマテリアルリサイクル技術 形状 応力 現状 改善案 図９ シミュレーション結果 Fig. 9 Result of simulation. 用化が可能であるとの結論を得た。また，並行してリ サイクル材を使用した洗濯機による実負荷寿命試験を 行っているが，現在まで問題なく推移してきている （実使用換算で 7 年相当）。以上の結果を踏まえて，水 槽のクローズドマテリアルリサイクルの実用化は可能 と判断している。今後、関西リサイクルシステムズ株 式会社と共同で実用化を図って行く。 循環型社会の構築のもと， 化石燃料依存型のパラダ イムから持続可能な新しいパラダイムへの変革を求め られてきている。 高分子素材産業は年間石油消費量の 約 10％を消費するエネルギー多消費型産業に位置づ けられているが，わが国のプラスチック年間生産量 （約 1200 万トン）の 50 ∼ 55％がその年に廃棄されて いる８） のが現状である。プラスチック材料を大量に 消費する家電，OA 機器業界にとって，素材のイン プットを極小化することはメーカとしての責務であ り，それを実現するためにはプラスチック材料のリサ イクル技術の開発が重要な課題であると位置づけてい る。 現在，我々は本研究での成果をもとに，リサイクル 材の用途を拡大するために， 物性および長期信頼性の 新規な改善方法や耐衝撃性の評価方法についての研究 を進めており，興味ある結果を得ている。これらの研 究内容についても機会をみて紹介する予定である。 謝辞 本研究を行うにあたりご指導， ご協力を頂きました 奈良県工業技術センター， 大阪府立産業技術総合研究 所，株式会社トクヤマ，旭電化工業株式会社の関係各 位に深く感謝致します。 参考文献 １） 武末, “情報機器リサイクルの環境負荷評価” ，第4回エコバラン ス国際会議講演集，pp.555-558 （2000） . ２） 渡辺， 塚本， “資源循環型システムにおける技術・設計事例” ,エ コデザイン2000ジャパンシンポジウム論文集， pp.42-45（2000） . ３） 松久他， “BJプリンタープラスチック材料の再資源化” ， エコデザ イン'99ジャパンシンポジウム論文集， pp.238-241 （1999）. ４） 藤原鎭男他， “高分子分析ハンドブック” ， pp.338， 日本分析化学 会 （1995） . ５） 神戸博太郎， “ 熱分析”，pp.278，講談社サイエンティフィック （1979）. ６） 大勝靖一， “ チャートでみる高分子添加剤の分離・分析”， pp.101， 技術情報協会 （1999） . ７） 湯浅三男，"ポリオレフィンの添加剤分析"，出光技報，34，2， pp.72−80 （1991） . ８） 染宮， "グリーンケミストリーからみた高分子合成プロセスの選択"， ― 15 ― 高分子， 49， 12， pp.822−825（2000） . （２ ００ ０年１月１ ８日受理）