進化する相溶化剤技術はどのようにして混合プラスチック廃棄物のリサイクルを可能にするのでしょうか?

添加剤サプライヤーや研究者は、互換性のないポリマーを混合して高性能で安定した材料を製造するための、既製品または開発中のソリューションを多数保有しています。その多くは、再生プラスチック（多くの場合、使用済み再生材料（PCR）ですが、必ずしもPCRに限定されるわけではありません）の改良を目的として開発されています。多くの（すべてではありませんが）研究で、マレイン酸無水物グラフト重合技術を用いて、極性ポリマーと非極性ポリマー間、または非極性であっても互換性のないポリマー（例：PEとPP）間の界面を架橋しています。

米国に拠点を置くインターミックス・パフォーマンス・マテリアルズは、コーネル大学からライセンス供与を受けたエチレン-プロピレンマルチブロック相溶化剤添加剤技術の開発を商業化するために昨年設立されたスタートアップ企業です。コーネル大学ティッシュスクール化学・化学生物学教授のジェフ・コーツ氏、ビジネスアナリストのアンドリュー・アリズ氏、そして主任研究員のティンウェイ・リン氏によって設立されました。

「HDPEとアイソタクチックポリプロピレン（iPP）は世界で最も多く生産されている市販プラスチックであり、光学特性が類似しているため、大規模な選別プロセスは困難を極めています」とリン氏は述べています。HDPEとiPPは化学構造が類似しているにもかかわらず、互いに相溶性がなく、溶融混合すると脆くて価値のない材料が生成されます。これがこれらのプラスチックのリサイクル効率を阻害しています。HDPEとiPPのリサイクル率は、それぞれ重量比で7%未満と1%未満であると報告されています。

確立されたプラスチックリサイクル業者インターミックス社は、主に海から回収された古いロープと魚網を原料としたペレットを入手しました。これらの海洋プラスチックは、HDPEとIPPの重量比が約1:1です。同社によると、この混合物は脆く、伸びてもほとんど伸びません。しかし、同社の相溶化剤を重量比2%添加することで、破断伸びを800%以上にまで高めることができます。

リン氏は、適合性のあるHDPE/iPPブレンドは「リサイクル後のHDPE/iPPブレンドの組成や分離不能性に関わらず、製品に再加工できる有望な材料になりつつある」と述べています。これにより、プラスチックリサイクルのコストを大幅に削減し、リサイクル効率を向上させることができます。

インターミックス社は現在、製品研究と事業開発に注力する5名の従業員を擁し、複数の鋳造メーカーと協力し、相溶化剤の生産をグラム単位からキログラム単位へと拡大しています。リン氏は、「リサイクルHDPE/iPPブレンドから作られた製品も、近いうちに実現可能になるかもしれません」と述べています。

スウェーデンのNexam Chemical社は、「リアクティブリサイクル」と呼ばれるコンセプトを開発し、リサイクルが難しい混合リサイクルポリマーの性能向上を目指しています。一例として、HDPEを含むリサイクルPPが挙げられます。「Nexamite R201はポリマーと反応してPP/PEブレンドを形成し、PPとPEの相溶性を高めます」と、同社の最高マーケティング責任者であるLars Öhrn氏は述べています。85% rPPと15% rHDPEのブレンドでは、引張試験において変動が小さくなることが示されました。」

もう一つの応用例として、PAを含むPEが挙げられます。Nexamite R405を93%のHDPEと7%のPA6のブレンドに添加したところ、引張試験において機械的特性と表面外観が改善されました。降伏応力も改善され、破壊強度は純粋なHDPEに匹敵すると言われています。

オーレン氏は使用した具体的な化学反応については明らかにしなかったが、無水マレイン酸グラフト重合に基づくものではないと述べた。「ポリオレフィンに作用しますが、重縮合物とも架橋反応を起こします。他の反応性押出成形と同様に、最良の結果を得るには適切な配合とエネルギー投入が必要です。」ネクサマイトR201とR405はどちらもマスターバッチの形で入手可能です。

ノルディック・グラフティング・カンパニー（NGC）のポートフォリオに新たに加わったActi-Tech Compatibilizer 16MA11Fは、エクソンモービルの半結晶性コポリマーであるグラフト化無水マレイン酸（MA）Vistamaxxをベースとしています。この新しい添加剤は、EU 10/2011食品接触規制に準拠しており、リサイクル業者や加工業者にとって、ポリオレフィン、EVOH、PA、PETなど、様々な包装用ポリマーを含む混合物の価値を高める、添加が容易な汎用相溶化剤となります。NGCはこの技術についてエクソンモービルにライセンス供与しています。

Acti-Tech製品は、リサイクルプロセスのあらゆる段階で添加可能です。成形業者による社内リサイクルまたはプレコンシューマーリサイクル、リサイクラーによる濾過の有無にかかわらず再造粒、あるいはリサイクラーまたは改質業者による再造粒など、様々な段階で添加可能です。同社は次のように述べています。「本製品は、ポストインダストリアルリサイクル（PIR）またはポストコンシューマーリサイクル（PCR）から得​​られた混合ポリマー原料、そして社内廃棄物からのアップサイクルに最適なソリューションです。これらのリサイクルプラスチックを、最終用途における性能を損なうことなく、新製品または既存製品に使用することができます。」

NGCによると、Acti-Tech 16MA11Fは、ポリオレフィン基材（典型的なPA/PE比40/60）におけるPAおよびPET粒子の分散性を向上させ、分散相サイズを縮小します。同社の事業開発マネージャーであるQuentin Le Piouff氏は次のように述べています。「さらに、リサイクルバリアフィルム（LDPE 60% / PA 30% / EVOH 10%）にActi-Tech Compatibilizer 16MA11Fを4%添加することで、相溶化処理を施していないブレンドと比較して、フィルムおよび光学特性の回復率が向上し、コストも削減されました。」

Acti-Tech 添加剤は現在、多層バリアフィルム包装、シュリンクスリーブ、ブロー成形された化粧品および植物保護化学薬品容器、硬質包装、強化/多層チューブおよびホース、魚網、マット、カーペットなど、さまざまな使用前廃棄物、産業廃棄物、使用後廃棄物でテストされています。

ル・ピウフ氏によると、Acti-Tech 16MA11Fは、バイオベース（デンプン、セルロース）、木材複合材（WPC）、天然繊維（NFC）などの材料のカップリング剤としても使用できます。「この汎用相溶化剤を使用したいくつかの用途が、今後数ヶ月以内に商品化される予定です」と彼は述べています。

リーチの拡大

オランダに拠点を置くPolyscope Polymersは、スチレン-無水マレイン酸を主力事業としており、過去10年間でこの分野で市場シェアを大幅に拡大したと主張しています。今年初めにVertellusによる買収が、同社の今後の成長戦略を後押しすると期待されています。PolyscopeのCEOであるPatrick Muezers氏は、「今回の買収により、Polyscopeは特殊添加剤市場におけるプレゼンスを拡大します。Vertellusのグローバルなリソース、能力、そして強力な市場リーダーシップを活用することで、既存および新規のお客様により良いサービスを提供できるようになります」と述べています。

Polyscope と Vertellus のポートフォリオ間の潜在的な相乗効果は現在調査中です。muezers は次のように述べています。「新しい相乗効果は今後も現れ続けるでしょうが、Vertellus が提供するエチレン MA 共重合体 ZeMac は、Polyscope の現在の製品と非常に補完的であることが証明されています。」

「当社の添加剤を組み合わせることで、Xibondブレンドの最適化に関するお客様の疑問にお答えできるようになります」と彼は述べています。より持続可能なソリューションへの需要は既に高まっています。例えば、PLA/PBATと当社の添加剤を組み合わせたバイオベースプラスチックの加工を支援するプロジェクトを複数開始しました。このプロジェクトでは、従来のPEバッグからバイオマテリアルショッピングバッグへの移行を含む、様々な用途や​​開発において最適な性能を発揮するために、当社のXibond相溶化剤が不可欠です。」

「さらに、様々なポリマーのアップサイクルソリューションを提供する機会が増えています。お客様の中には、当社の相溶化剤がABS樹脂と混ざり合った『プラスチックの寄せ集め』を混合し、PET/ABSブレンドを電気ハウジングなどの用途に使用できるようにするのに役立っていることに気づいている方もいらっしゃいます」とミュザーズ氏は説明します。

「最後に、私たちはXiboxサービスモデルに関する経験を積んできました。このモデルは、お客様の製品開発を加速し、開発プロセスを数週間、場合によっては数ヶ月も短縮するお手伝いをしています。小型のベンチトップ型ミニエクストルーダーを用いて、お客様の配合の迅速なスクリーニングを行っています。」

Xibox スクリーニング コンセプトは、複数の材料のリサイクルという課題に直面している複数の顧客に採用されていると言われています。
トルコのTisan Engineering Plastics社のOlebond製品は、反応押出法によって製造される無水マレイン酸グラフトポリマーです。同社は、「グラフト化の程度とポリマーの種類に応じて、Olebondは相溶化剤、カップリング剤、耐衝撃性改良剤、バインダーとして作用し、材料特性の向上に役立ちます」と主張しています。

Olebond 7401グレードは、PPをベースとし、ポリマーとフィラー間のカップリング剤として高濃度のマレイン酸を添加したグレードです。同社によれば、7401グレードは、PPとPAなどの非相溶性ポリマーとのブレンドの機械的特性向上にも役立ちます。
Olebond 7402グレードは、ハロゲンフリーケーブル材料、多層チューブ、ラミネート、PEと他のポリマーとのブレンドなどの用途において、相溶化剤およびカップリング剤として使用されます。相溶化剤として、Olebond 7402は、PAやその他のポリオレフィンなどのポリマーとPEの相間接着を改善すると言われています。Tisan氏は次のように述べています。「Olebond 7402は、鉱物充填剤、繊維、ポリマー基材間の最適な分散を提供し、改質プラスチックの機械特性を向上させます。例えば、タルクを充填した改質材料に使用すると、Olebond 7402はタルクの分散性を2倍に高めます。」

その他の Olebond グレードには、さまざまな製品の相溶化剤として使用できる ABS および EVA ベースの製品があります。7404 は無水マレイン酸グラフト ABS であり、7405 は無水マレイン酸グラフトエチレン酢酸ビニル (EVA) です。
韓国に拠点を置くSKファンクショナルポリマー（SKFP）は、混合プラスチックスクラップを高価値の材料に変換できるようにすると言われる幅広い相溶化剤とリサイクル促進剤を供給しています（同社は2020年にSKジオセントリックによるアルケマの機能性ポリオレフィン事業の買収により設立されました）。

SKFPのフランス事業開発マネージャー、ロリータ・オギュエル氏は次のように述べています。「SKFPは、メカニカルリサイクルされたプラスチックブレンドの相溶性を高める反応性ポリオレフィンの開発に、多くの研究努力を注いできました。ロタダー反応性ターポリマーとオレバックグラフト樹脂は、様々なブレンドの相溶化剤として広く使用されています。SKFPは、rPET/rPE、rPET/rPP、rPA/rPE、rPA/rPP、rPA/rPETといったブレンドのリサイクルソリューションだけでなく、PE/EVOHブレンドにもソリューションを提供しています。」

ロタダー4210マレイン酸グレードは、リサイクルPEおよびEVOH多層スクラップのアップグレード用に市販されています（最終製品は食品用途以外に限られます）。SKFP社によると、選別工程で完全に除去されなかったポリオレフィンが混入したリサイクルPETにロタダーAXを使用した成功例もあります。

SKFP社は、新たに開発した高度に不均一なLotryl Tアクリレート共重合体が、リサイクルスチレン樹脂の高効率なブースターソリューションとして、衝撃特性を大幅に向上させることを実証したと述べています。同社はまた、非反応性のLotryl高極性共重合体と反応性のLotader AXを組み合わせることで、rABS材料の耐衝撃性を向上させ、粘度を調整するソリューションも提供しています。Hauguel氏は、「これらの樹脂の極性と反応性の組み合わせが、リサイクルプラスチック廃棄物の改良を成功させる鍵となります」と述べています。

Orevacグラフトポリオレフィンは、充填PPおよびPE改質材料のカップリング剤として広く使用されていると言われています。製品ラインナップには、グラフトPP、グラフトHDPE/LLDPE、グラフトEVAが含まれます。これらの製品に含まれる反応性無水マレイン酸の含有量は様々ですが、含有量が多いほどカップリング剤としての効果が高まります。ATH、MDH、その他の鉱物フィラー、ガラス繊維、天然繊維との併用に適しています。

ペトロケミカルズ社長のサルヴァトーレ・モンテ氏は、反応性グラフトポリマーを用いることで、異なるポリマーの相溶性を実現できると述べています。例えば、無水マレイン酸グラフトPP、双極性共重合体（SEBS等）、フリーラジカルグラフト開始剤（ジイソプロピルベンゼンペルオキシド等）、有機金属カップリング剤（チタン酸塩等）などが挙げられます。「ほとんどの改質剤メーカーは、充填剤や各種基材への接着​​に問題がある場合にのみ、ヘテロ原子チタン酸塩カップリング剤を検討します」とモンテ氏は言います。しかし実際には、これらは熱的に安定な触媒であり、モノマー重合にチタノセン触媒やZN触媒が使用されるのと同様に、押出機溶融物中の異なるポリマーを再重合することができます。」

彼は次のように述べています。「ヘテロ原子チタン酸塩触媒の利点の一つは、得られるポリマーの流動性が低温でも向上し、引張強度がわずかに向上し、伸びが大幅に増加することです。重量比0.2%の触媒を添加することで加工温度を下げることは、通常300℃を超える高温加工を必要とするPCや、一般的に熱に弱いPVCなど、様々なポリマーの加工温度範囲を広げる新たな方法です。」

モンテ社によると、この添加率で、この添加剤は、加工温度を47℃に下げることで、透明uPVC製コンピュータチップハウジングの押出成形品の押出量を2倍に増加させたという。また、顧客が長年にわたり鋼板上に成形することで石臼のベースを製造するために使用してきた40%ガラス繊維強化PC改質剤の射出成形においても、加工温度を100℃に下げることでメルトフローを改善した。

ダウは、線形経済から循環型経済への移行において、改質剤と相溶化剤が重要な役割を果たすと述べ、互換性のない材料の組み合わせのリサイクルを支援するための追加製品の開発を進めています。EVOHを含む産業廃棄物フィルムのリサイクル用に設計されたRetain 3000ポリマー改質剤は、ゲル化を最小限に抑えるとされています。一方、Fusabondグレードは、使用済みポリオレフィンリサイクル材の耐衝撃性改質剤および相溶化剤として使用されています。