再生HDPEの性能と品質の安定化

イアン・クエリ | 2021年7月15日

高密度ポリエチレン (HDPE) の劣化は、リサイクル業者にとって重大な問題となる可能性があります。 HDPE は最も一般的にリサイクルされるプラスチックの 1 つであり、さまざまな方法を使用して分離できますが、このポリマーのリサイクルは実際には完全に効率的ではありません。 以下は、性能と品質の低下に対処し、2019 年の世界市場価値が 680 億米ドルに達したこの材料に対する強い需要を満たすために加工を調整する方法です。

HDPE リサイクルプロセスからの熱とせん断により、以前の使用による既存の摩耗が悪化する可能性があります。 この劣化により、ゲルや斑点が生じて樹脂の構造が変化したり、ポリマーの色が変化したり、メルトフローの変動を引き起こす副反応が引き起こされたりする可能性があり、これらすべてがリサイクル品の性能と品質に悪影響を与える可能性があります。

酸性種などのリサイクルストリームからの汚染物質も分解を開始し、それらを「分解促進物質」にする可能性があります。 これらはポリマー製造時の触媒残留物によって存在し、酸を生成する副反応を引き起こしたり、リサイクルの流れから混入したりする可能性があります。 酸は、制酸剤が存在しない限り、HDPE ポリマー鎖の構造を劣化させ、酸化防止剤の有効性を低下させます。

主要ブランドによる持続可能性への取り組みや、循環性をサポートするためにプラスチックの再利用を奨励する新たな規制によって、使用後リサイクル（PCR）コンテンツに対する世界的な強い需要があります。 特に、自然色のリサイクル HDPE 市場は、主に消費者向けパッケージ製品 (CPG) 企業からの需要の増加により、2020 年に拡大しました2。

市場に供給するためには、リサイクル業者がリサイクルプロセスを経る際に、色を含む消費者使用後の HDPE の特性を維持することが重要です。 実証済みの戦略の 1 つは、熱やせん断応力にさらされる前に PCR 内容物に安定剤を添加することです。

HDPE PCR コンテンツの化学的安定化により、次のことが可能になります。

スタビライザーが HDPE でどのように機能するか

樹脂製造業者は、物理的特性と視覚的特性の優れた一貫性を実現するために、バージン材料の構造を厳密に制御します。 多くの場合、最終製品への変換中に過酷なプロセス条件によってこれらの特性が影響を受けるのを防ぐために、基本レベルの安定剤ブレンドが追加されます。

これらの安定剤ブレンドは通常、次のようないくつかの成分で構成されています。:

HDPE 中の安定剤の基本レベルが限られた用途 (樹脂変換) にのみ十分であり、最終製品がリサイクルのために収集されるまでに使い果たされている場合、PCR 内容物は過酷なリサイクル条件による劣化に対する保護が不足します。 これが、一部のリサイクル業者がスクラップを PCR 内容物に変換する際に溶融物に安定剤を添加する理由です。 彼らは、安定化が魅力的な利益対費用比をもたらすことを発見しました。 元の特性、色、加工性を保持しているリサイクル HDPE は、多くの場合、より高い価格で取引されることがあります。

HDPE の安定化の定量化

再生 HDPE に対する安定剤の影響は、酸化誘導時間 (OIT)、メルトフロー、色保持性を試験することで判断できます。

酸化誘導時間は、酸化分解に対するポリマーの耐性の尺度です。 これは、その材料で作られた部品が、熱、酸素、光、放射線などの環境要素にさらされた際の老化 (亀裂、ひび割れ、弱化、破損など) にどれだけ耐えられるかを示します。

OIT の試験では、ポリオレフィン、特にポリエチレン (PE) の熱酸化安定性を特徴付けます。 これは、ポリマー内の酸化防止添加剤のレベルを測定する高感度の測定値です。 ASTM D3895 規格では、示差走査熱量測定 (DSC) を使用した OIT の試験方法を指定しています。 簡単に言えば、これは加速熱老化試験です。

このテスト中、樹脂は窒素雰囲気中で融点以上に制御された加熱を受けます。 溶融すると、樹脂は純粋な酸素にさらされ、時間の経過とともに主な酸化防止剤が消費されるとタイマーが開始されます。 一次抗酸化物質が完全に消費されると、それは熱流の変化によって示され、誘導時間が決定されます。 一般に、OIT 時間が長いほど、安定化レベルが高いことを示します。 実際には、熱老化が現実的でない場合、OIT は高速テストに適した選択肢です。 異なるアプリケーションでは OIT の結果は同じでも、熱老化の結果は異なる可能性があるため、熱老化と組み合わせて使用​​するのが最善です。 リサイクルでは、ゼロに近い OIT 結果がよく見られます。

一部の仕様では、最小 OIT 数が必要です。 米国州道路交通職員協会 (AASHTO) によると、「リサイクル PE 材料 (PCR または PIR 含有量、あるいはその両方) から製造されたパイプは、20 分の酸化誘導時間 (OIT) を持つものとします。3」

一例として、Baerlocher USA は、OIT テストを通じて、Baeropol® T-Blend 安定剤がどのように HDPE PCR フレークの安定性を高めることができるかを実証しました。 材料を複数回押し出した後も、OIT レベルは安定化していないフレークの初期測定値を超えて上昇したままであり、ポリマーの寿命が長くなり、リサイクル可能性が延長されました。

PCR コンテンツの使用に反対する議論の 1 つは、高速成形、ブロー成形、および押出プロセスへの潜在的な影響です。 メルトフローが一貫していない使用済みリサイクル材料はスループットを低下させ、金型の充填が不完全になり、スクラップ率が高くなる可能性があります。

メルト フローは、機械的リサイクル プロセスのストレスの影響を受ける可能性があります。 リサイクル中に発生する可能性のある酸化分解中に、ポリマー鎖はさまざまなマイナス方向に変化します。 HDPE などのポリマーは架橋する可能性があり、溶融粘度が上昇し、溶融流動が遅くなります。 スタビライザーを追加すると、この問題を防ぐことができます。

メルトフローレートを測定するための標準は ASTM D1238 です。 樹脂はシュート内で溶融され、おもりとピストンによって一定の圧力を加えることにより、制御された速度で押し出されます。 樹脂が押し出される速度が測定されます。 架橋は、特に溶融プロセス（再ペレット化および加工）中に発生します。主な問題は、メルトフローレートが変化すると、プロセス条件を変更する必要があるため、加工業者が品質を維持することが困難になることです。

天然リサイクル HDPE のユーザーはより高度な制御を望むことが多いため、HDPE リサイクル ストリームの色の安定性は、混合ストリームよりも天然グレードの方が重要であると考えられています。 異なる顔料を含む混合ストリームでの色の制御は現実的ではありません。 一方、ナチュラルグレードでは、顧客がより多くの色のオプションを作成できる可能性があります。 望ましい色の結果を一貫して達成できるように、一貫した自然なグレードが必要です。 天然グレードでは、色変化ボディを生成する分解メカニズムにより黄変が発生する可能性があります。 安定剤ブレンドに酸捕捉剤を組み込むと、これらの変色体を防ぐことができます。

色の変化は比色計を使用して測定できます。 データは、L* (明度/暗さの尺度)、a* (赤み/緑度の尺度)、b* (黄色/青さの尺度) などの複数の値を使用して報告されることがよくあります。

安定剤ブレンドの利点

事前にブレンドされた添加剤パッケージを使用することには、いくつかの利点があります。 相乗効果のある成分は、配合する前にブレンドするとより効果的です。 安全性や清潔さの理由から粉末ブレンドを使用できないお客様には、低粉塵/無粉塵パッケージのオプションが必要になる場合があります。 ブレンドは、個別の添加剤を使用する場合と比較してサプライチェーンの簡素化に役立つため、ユーザーのエラーを削減し、コスト面でのメリットも得られます。

従来の安定剤の二成分ブレンド (一次酸化防止剤と二次酸化防止剤) は、限られた製品形態で提供されます。

リサイクルされた HDPE は、食品以外のボトル、パイプ、パレット、デッキなど、さまざまな用途に使用できます4。 HDPE はリサイクルが比較的簡単ですが、その色や性能はリサイクル プロセス中の熱、せん断、汚染によって悪影響を受ける可能性があります。 化学安定剤、特に安定剤ブレンドをリサイクル中に溶融物に添加すると、最終製品の劣化を防ぎ、溶融物の流れの一貫性を高め、望ましい自然な色を維持するのに役立ちます。 Baerlocher の T ブレンドは、最適な相乗効果と性能を実現するために事前に配合されており、溶融安定性を向上させ、黄変を最小限に抑え、最終製品の性能を向上させて部品の耐用年数を延長します。

Ian Query は、Baerlocher USA の特殊添加剤部門の技術スペシャリストです。

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