２０２２年度 ＪＰＥＣフォーラム＜ セッション５ ＞

プラスチック資源循環

廃プラスチック触媒分解プロセス開発に向けた各種プラスチックの物性評価
２０２２年５月１１日
一般財団法人石油エネルギー技術センター
石油基盤技術研究所
ー禁無断転載・複製 ©JPEC ２０２２ー発表概要
１．廃プラスチックの触媒分解プロセスについて
２．プロセス開発に必要なプラスチックの物性評価
３．各種プラスチックの粘度評価－ プラスチック単独系・混合系の動的ずり粘弾性評価 －４．まとめ

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廃プラスチックとは3•

廃プラ量は日本国内で800-900万トン/年。そのうちPE, PP, PSが60%以上を占める。

•市販プラスチックの分子量は数万～数十万。石油精製プロセスの原料で最も分子量の大きい重質原油系VRと比較しても2桁大きい。

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廃プラスチックとは4•

廃プラ量は日本国内で800-900万トン/年。そのうちPE, PP, PSが60%以上を占める。

•市販プラスチックの分子量は数万～数十万。石油精製プロセスの原料で最も分子量の大きい重質原油系VRと比較しても2桁大きい。

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プラスチック製品は機能性向上等のため、複数のプラだけでなく、様々なフィラー（主にμmオーダーの無機微粒子）が添加されたものが一般的。

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新ケミカルリサイクルと石油精製との連携
NEDO事業革新的プラスチック資源循環プロセス
技術開発(2020～24年度)

既存の製油所

廃プラスチック
・産業廃棄物・一般廃棄物

LCA評価による最適な組合せ選別技術開発
マテリアルリサイクル技術開発
ケミカルリサイクル技術開発
高効率燃焼技術開発

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新ケミカルリサイクルと石油精製との連携
NEDO事業革新的プラスチック資源循環プロセス
技術開発(2020～24年度)

既存の製油所

廃プラスチック・産業廃棄物・一般廃棄物

LCA評価による最適な組合せ選別技術開発
マテリアルリサイクル技術開発
ケミカルリサイクル技術開発

ケミカルリサイクル向け廃プラスチック

高効率燃焼技術開発

廃プラスチック
触媒分解プロセス
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石油化学品原料
中間製品

廃プラ触媒分解プロセス開発に必要な物性評価

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廃プラを液状化し、ゼオライト系触媒で接触分解する固液反応プロセスを想定◇廃プラの融点・ガラス転移点 ⇒示差走査熱量分析(DSC)◇廃プラの機械的強度⇒熱機械分析(TMA)◇廃プラの熱伝導性⇒熱伝導率測定◇廃プラ中の夾雑物除去⇒プラ中の無機物除去評価

廃プラ(固体)廃プラ
液状化◇廃プラ液体の流動性⇒動的ずり粘弾性測定

原料プラの物性評価データ、触媒分解等の反応評価のデータを、関係機関と連携して取得中。
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廃プラ
触媒分解

◇廃プラの分解特性⇒熱重量示差熱分析（TG-DTA)

石化原料等(液体)プラスチックの流動性について

8ー プラスチックの粘度特性 －⚫ 石油留分のほとんどはニュートン流体。せん断速度によらず粘性率が一定。石油精製の測定現場では、ニュートン流体を前提とした粘度評価が行われている。
⚫ プラスチック溶融物は非ニュートン流体。せん断速度により粘性率が変化する。粘度評価
はせん断を加えながら測定を行う必要あり。（動的ずり粘弾性測定）

粘性率 η (Pa･s)

粘性率 η = μ D n-1

n=1

ニュートン流体
ほとんどの石油系留分

n<1

非ニュートン流体
プラスチックの溶融物(擬塑性流体)せん断速度(ずり速度) D (/s)

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動粘度測定装置(JIS K2283準拠)
Cannon社ホームページより

レオメーター
せん断速度を変化さえながら、粘性率の変化を測定。

各種プラスチックの動的ずり粘弾性測定

9サンプル
開発プロセスの原料となるプラスチック4種類（市販品グレード）を使用。
・高密度ポリエチレン HDPE
・直鎖状低密度ポリエチレン LLDPE

ポリプロピレン
PP

汎用ポリスチレン
GPPS

融点 130～140℃

融点 160～170℃

融点無し
ガラス転移点82℃

測定
レオメーター

1. サンプルをレオメーターのプレートに挟み、240℃以上に加熱して、サンプルを溶融。
2. プレートを一定の周波数(1Hz)で振動させながら徐々に冷却(-5℃/min)し、サンプルの粘弾性を測定。
測定開始時に液体である方が、サンプルとプレートの密着性が高まり測定精度が向上。
3. 各サンプルについて、ニュートン流体の粘度μに相当する複素粘性率ηの温度変化を測定。

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各種プラスチックの粘度特性評価 ープラスチック単独系ー 10
複素粘性率 𝜼∗ (𝐏𝐚 ∙ 𝐬ሻ

1010

108

HDPE(融点130-140℃)

HDPE・LLDPE・PP(結晶性)LLDPE(融点130-140℃)

融点より20℃以上低い110℃付近から粘性率が著しく上昇。

PP(融点160-170℃)
GPPS(ガラス転移温度82℃)

GPPS(非晶性)

106

温度低下にともない粘性率が徐々に増加。

冷却しながら測定10410280100120140160

温度(℃)

高分子固体の構造イメージ

180200結晶質220240

プラスチックの粘性率と温度との関係は、その結晶性によって大きく異なる。

ラメラ構造

東北大・青柳准教授のHPより引用。
https://web.tohoku.ac.jp/aoyagi/

非晶質

球晶
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各種プラスチックの粘度特性評価

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ープラスチック単独系と混合系の比較ー
複素粘性率 𝜼∗ (𝐏𝐚 ∙ 𝐬ሻ

1010

1010

単独系

HDPE
LLDPE

108

混合系

HDPE/LLDPE=50/50

108

HDPE/LLDPE/PP/GPPS=15/15/30/10

PPGPPS

106

106

104

104

1028010280100120140160 180

200 220温度(℃)

240100120140160180200 220240温度(℃)⚫ 混合系サンプルの粘性率は、最も粘性率の高いHDPEのプロファイルに近かった。
⇒ 混合系の粘性率は、含有プラのうち最も粘性率の高いプラに支配される傾向。
⚫ 単独/混合系プラの粘性率は、融点を超える温度でも102～103Pa・s。重質系VRの粘度より1～2桁高いことを確認した。
⇒ 今後のプロセス開発では、廃プラを低粘度化する対策が必要。
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まとめ12⚫ 結晶性のHDPE, LLDPE, PPでは、融点より低い温度で粘性率が著しく増加。
一方、非晶性のGPPSでは、温度低下にともない粘性率が徐々に増加。

⇒ プラスチックの粘度特性と温度との関係は、その結晶性により大きく異なる。
⚫ 混合系の粘性率は、最も粘性率が高いHDPEのプロファイルに近かった。
⇒ 混合系の粘性率は、含有プラのうち最も粘性率の高いプラに支配される傾向。
⚫ 単独/混合系プラの粘性率は、融点を超える温度でも102～103Pa・s。重質系
VRの粘度より1～2桁高いことを確認。
⇒ 今後の触媒分解プロセス開発では、廃プラを低粘度化する対策が必要。

謝辞
この成果は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託業務（JPNP20012）より得られたものである。ここに記し謝意を表する。
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以上

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