| 研究課題/領域番号 |
16K00620
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
加茂 徹 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 環境管理研究部門, 上級主任研究員 (10186017)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 可溶化 / リサイクル / ネットワークポリマー |
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| 研究実績の概要 |
３次元の網目構造を有するネットワークポリマー（熱硬化性樹脂）は、堅牢で絶縁性が高い等材料として優れた性能を有しているために電子基板や複合材料の基材として工業製品に広く利用されている。一方、使用済み工業製品に含まれているネットワークポリマーは加熱しても可塑化せず、300℃以上で熱分解すると大部分が固体の残渣となるためにリサイクル際の大きな障害となっていた。本研究グループでは、これまでエポキシ樹脂やフェノール樹脂等をアルコール系溶媒中で可溶させる研究、いったん可溶化したエポキシ樹脂を熱分解し可溶化溶媒として再利用する研究、およびリグニン等のバイオマス由来の高分子を液化して可溶化溶媒として利用する研究等を行ってきた。
太陽電池は再生可能エネルギーとして世界的に広く普及し、20~30年後に大量の使用済み太陽電池は廃棄されると推算されている。太陽電池はシリコン半導体を架橋化EVAで封止する構造のものが最も広く普及しており、使用済み太陽電池から銀やシリコン等の有用資源を回収するには架橋化EVAを効率的に除去する技術開発が重要で、粉砕等の機械的手法あるいは剥離等の化学的手法が検討されている。当研究グループでは、これまでの研究から架橋化EVAが1-ヘキサノールや2-エチル-1-ヘキサノール等のアルキル系アルコール中に水酸化カリウム等のアルカリ化合物を添加すると可溶化され、可溶化率は架橋化EVAに対する水酸化化合物の量（NaOH/EVA）に比例することを見出した。
本研究の初年度では、所定の温度に加熱された溶媒に試料を挿入および引き上げ、反応時間を明確にできる反応装置を用いて架橋化EVAの可溶化速度に対する反応温度、時間、溶媒、試料濃度、アルカリ添加物濃度の影響を検討した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究では反応時間を明確にするため、体積500 mlのセパラブルフラスコに1-ヘキサノールを200 g入れ、水冷乾溜器が付いたフタをして135～157℃の範囲の所定の温度まで加熱し、40メッシュのステンレス製のカゴに入れた架橋化EVA試料を溶媒に挿入して反応を開始し、所定の時間経過後にカゴを引き上げて反応を停止させた。また試料を溶媒へ挿入後に速やかに所定の温度に達するよう、厚さ約2.0 mmの架橋化EVAシートを5 mm四方に切断して用いた。試料を入れたカゴを溶媒へ挿入すると溶媒温度は低下するが、5分程で所定の温度に戻った。反応後にステンレス製のカゴの中に残った試料をテトラヒドロフランの中で超音波洗浄した後、110℃2時間減圧乾燥させた後に秤量し可溶化率を算出した。
架橋化率の異なるEVAを上述の手法で可溶化させると、可溶化率の対数値は反応時間に対して直線的に減少し、架橋化EVAの可溶化反応は擬一次反応として処理できることが分かった。溶媒に対する架橋化EVAの濃度が2％の場合、可溶化速度は共存する水酸化カリウム濃度にほぼ比例して増加した。これに対して架橋化EVAの濃度が5％および8％の場合、水酸化カリウム濃度が低い範囲では観測された可溶化速度は2％の場合と同様に水酸化カリウム濃度にほぼ比例したが、水酸化カリウム濃度が高くなると可溶化速度は急速に大きくなった。また、可溶化した架橋化EVAを熱分解ガスクロマト質量分析計や熱天秤で分析すると、架橋化EVAの可溶化過程で初めにアセチル基が溶媒に置換され、可溶化された架橋化EVAにはカリウムが取り込まれていることが示唆された。
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| 今後の研究の推進方策 |
３次元の網目構造を有する熱硬化性樹脂の可溶化では、（１）溶媒が高分子網目構造へ浸入して膨潤する過程、（２）架橋結合が溶媒や添加物（水酸化カリウム等）によって開裂する過程、および（３）架橋結合が切れた鎖状高分子が溶媒中へ溶出・拡散する過程からなると考えられる。本研究の２年目では、分子量や架橋率の異なるEVAをモデル化合物として、分子容積や誘電率の異なる有機溶媒、イオン価や平衡定数の異なる添加物（例えば水酸化カリウム、リン酸三カリウム、硫酸）、複数の混合溶媒等を用いて架橋化EVAの可溶化速度を測定し、可溶化速度に対する化学的および物理的（粘度、拡散、攪拌）な影響を実験的に検討する。また最終年度では実験的に得られた結果に基づき、種々の動力学的なシミュレーターを用いて（１）～（３）の各過程の詳細な反応機構を検討して可溶化反応の律速過程を明らかにすると共に、これまでほとんど知られていな３次元の網目構造を有する熱硬化性樹脂の可溶化機構を解析する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
契約職員を採用して実験を進める予定であったが、研究代表者が直接実験を行い成果を得たため当初計画していた人件費を使用することはなかった。
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| 次年度使用額の使用計画 |
次年度以降は契約職員を雇用し実験をして貰う予定なので、繰り越した予算は計画通り人件費として使用される予定である。
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