JP2002066286A - 揺動回転運動を行う回転体を具備した高分子化合物等の混合・溶解装置。 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】発泡や「ままこ」更にはワイセンベルク効果を
起こすことなく、少ないエネルギーで短時間の内に高分
子化合物等を効率的に混合・溶解させる装置を開発す
る。 【解決手段】平行に位置する２軸間に回転体を懸架し、
該回転体を揺動回転運動させる回転体からなる攪拌装置
を、該攪拌装置の回転体並びに回転軸が取り扱う液体と
空気との界面下に来るように取り付けた装置を提供す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高分子化合物等の混
合・溶解装置に関するものであり、さらに詳しくは、揺
動回転運動を行う回転体を具備した高分子化合物等の混
合・溶解装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】化学物質、特に高分子化合物を製造し、
或いはこれを利用する過程においては、２種以上の物質
を混合したり、または、溶剤に溶解するという単位操作
が必須のものとなっている。当該操作を行うに際して
は、系全体を攪拌する操作が必要となるが、このために
は回転式攪拌機、スタティックミキサー或いはポンプ循
環を利用する装置等が一般的である。

【０００３】この内、回転式攪拌機を備える装置が最も
多く利用されているが、攪拌翼としてはプロペラ型、タ
ービン型、らせん型、いかり型、パドル型並びにくし型
等が広く利用されている。これらはいずれも攪拌羽根を
中心軸のまわりに回転させる方式である。

【０００４】高分子化合物を製造する過程の例として、
酢酸ビニルの溶液重合においてはらせん型やいかり型
が、酢酸ビニルの乳化重合や塩化ビニルの懸濁重合には
いかり型やパドル型等を具備した重合装置が利用されて
いる。

【０００５】また、ポリビニルアルコール（以下ＰＶＡ
と略す）やカルボキシメチルセルロース（以下ＣＭＣと
略す）の様な水溶性高分子を水に溶解させる場合には、
プロペラ型、いかり型並びにパドル型等を具備した溶解
装置が利用されている。

【０００６】例えば、ＰＶＡの溶解方法としては、先ず
溶解装置に所定量の常温の水を入れ、次に攪拌しながら
所定量のＰＶＡを投入し、間接加熱方式或いは水蒸気吹
き込み方式によって、６０℃ないし１００℃に加熱攪拌
する方法が一般的である。

【０００７】さらに、溶解作業時における発泡を押さえ
るために、消泡剤を添加することが多い。

【０００８】塗料やインクを製造する過程においては、
これに使用するワニスを製造する際、合成樹脂、乾性
油、溶剤、添加剤等を加熱攪拌して溶解するために、通
常プロペラ型攪拌機を具備した製造装置が利用されてい
る。

【０００９】化粧用クリームを製造する過程において
は、精製水にステアリン酸、水酸化カリウム、グリセリ
ン、香料その他の添加物を加えて乳化させるために、通
常いかり型攪拌機を具備した混合装置が使用されてい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
混合・溶解装置を利用して混合・溶解作業を行うに当た
っては、以下のような問題点があった。

【００１１】前述の回転式攪拌機の場合には、攪拌軸に
様々な形状をした回転羽根が取り付けられており、攪拌
軸を回転させることによって回転羽根がその周囲をまわ
り、これによって周辺の媒体を流動させるという共通の
機構であるが、これには次のような基本的な欠点を有す
る。

【００１２】第１に、このような攪拌機の場合には、回
転羽根と周囲の媒体との間で発生する強い抵抗のために
消費電力が大きくなって、環境問題の観点からも好まし
くない。

【００１３】第２に、高粘度物質を攪拌した場合、回転
軸の周りに周囲の媒体がついて盛り上がるというワイセ
ンベルグ効果が発生し、混合・溶解が不十分となる。例
えば、ゴムのトルエン溶液、ポリイソブチレンのデカリ
ン溶液、濃い水ガラス等でこの現象が見られる。

【００１４】第３に、これらはすべて攪拌軸が攪拌すべ
き媒体と空気との界面を貫いているため、回転に伴って
媒体中に空気を巻き込み、このために様々な障害が起こ
る。たとえば、ＰＶＡを水に溶解させる際に発泡し、極
端な場合には激しい泡が溶解槽の上部から溢れ出し、こ
れに伴って内容物の多くが系外に流れ出してしまうこと
がある。このような場合には経済的にも損失となるばか
りか、環境汚染の面からも好ましくない。

【００１５】上述の現象を押さえるために、ＰＶＡの溶
解時に消泡剤を添加することが多い。消泡剤としては、
高級アルコール系、エチレングリコール系、非イオン界
面活性剤系さらにはシリコンオイル系等が使用される
が、これらは一般に曇点を有するためＰＶＡ水溶液に濁
りが生じたり、或いは、特にシリコンオイル系を用いる
と「はじき」が出る等、その使用にはかなりの制約があ
る。また、これらを許容したとしても消泡効果は完全で
はなく、若干軽減されるに止まっている。さらに、消泡
剤はいずれも高価であるため、それを使用する側にとっ
ては、経済的に不利となる。

【００１６】また、ラジカル重合やその他の化学反応を
行う場合、酸素との接触を避けるのが一般的である。そ
のために、周囲の空気を窒素等の不活性ガスで置換する
が、１００％完全に酸素を遮断することは現実的には不
可能である。従って周囲の気体を反応媒体中に極力持ち
込みたくないのが化学反応を行う上での一般常識ではあ
るが、従来の攪拌装置を使用する限りこれを達成するこ
とは出来ない。

【００１７】第４に、プロペラ式やパドル式攪拌機の場
合、周囲の媒体は渦巻き流を形成するにすぎず、溶解槽
の隅々まで攪拌・混合を十分行き渡らせるのが困難であ
るために、様々な障害が生ずる。たとえば、ＰＶＡやＣ
ＭＣのような水溶性高分子を水に溶解させようとしたと
き、未溶解の「ままこ」が生ずることが多い。「まま
こ」とは溶解槽の隅に溜まったＰＶＡやＣＭＣ粒子の表
面にゲル膜が発生し、未溶解のＰＶＡやＣＭＣの粒子を
その中心に巻き込んだ形状をしたものであり、一旦これ
が出来ると完全に溶解させるのは極めて難しく、「まま
こ」の塊を溶解槽の外に取り出さざるを得ないのが現実
である。ＰＶＡにおける「ままこ」や前述の発泡現象は
部分けん化物において顕著であるが、完全けん化物の場
合は部分けん化物に比べて溶解性が悪いので、より効率
的な混合・溶解装置が要求される。

【００１８】また、特に化粧品のように、人の好みに左
右され、かつ、人体に接する化学物質を製造する際に
は、極めて厳格な品質管理が要求される。攪拌・混合に
バラツキが生ずると、付加価値の高い製品の商品価値を
極端に低下させてしまうために、どうしても装置の大型
化が出来ず、製造コストが高くつく要因となっている。
カラーの印刷インキや塗料・染料のように、人の感性に
訴える商品を製造する場合にも、ほぼ同様のことが言え
る。

【００１９】スタティックミキサーやポンプ循環の場合
には、回転式攪拌装置よりさらに攪拌効果が悪く、その
利用範囲は制約されている。

【００２０】このように、従来型の混合・溶解装置には
問題点が多く、これらを基本的に改善する装置の開発が
永く産業界で待ち望まれていた。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、このよう
な課題を解決するために鋭意検討の結果、揺動回転運動
を行う回転体を有する攪拌装置を用いることにより、発
泡や「ままこ」更にはワイセンベルク効果等を発生させ
ることなく、少ないエネルギーで短時間の内に高分子化
合物等を効率的に混合・溶解させる装置の開発に成功
し、本発明に到達した。

【００２２】すなわち、本発明は、揺動回転運動を行う
回転体を有する攪拌装置を用いることにより、プロペラ
式やパドル式のような従来型の攪拌装置では到底得られ
なかった優れた攪拌効果によって、極めて効率的に高分
子化合物等を混合・溶解させることの出来る装置を提供
するものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。

【００２４】本発明の攪拌装置によれば、オロイド形状
または直交する平板形状を有する回転体の揺動回転運動
に基づく周期的な縦および横方向の位置の移動に起因し
て、回転体に付着する不動液層とその周辺の液層とを押
し退ける揚力流が発生する。より詳細には、回転体を支
持する２つのフォーク状桿の支持点を結ぶ直線の軌道が
描く８の字状に、支持軸間で支持軸に直角な方向に主力
の液流体が発生する。このような揚力流（液流帯）を利
用することで、周期的に発生する広範な方向への分散液
流を利用して攪拌を行うことができる。その結果、極め
て効率的な攪拌効果が得られる。

【００２５】さらに、本発明の混合・溶解装置は、オロ
イド形状または直交する平板形状の回転体を用いるの
で、攪拌羽根を回転させる場合に比べて約１／５〜約１
／１０のエネルギーしか必要としない。オロイド形状の
回転体は、例えば、特公平６−８６６２号に記載されて
おり、また、直交する平板構造の回転体は図３に示すが
これらに限定されるものではない。これらの回転体は翼
が造り出す渦層の発生のために媒体との抵抗が少なくな
り、従って消費電力が大幅に軽減される。

【００２６】さらに、本発明の混合・溶解装置には、プ
ロペラ式やパドル式にあるような空気と水との界面を貫
く回転軸がないために、回転に伴って周囲の気体を巻き
込むことがない。このことが例えばＰＶＡの溶解時にお
ける発泡を防いだり、化学反応を有利に導いたりするこ
との出来る大きな理由である。

【００２７】本発明の１つの実施態様によれば、回転体
の駆動手段は揺動可能な支持体に取り付けられる。好ま
しくは、支持体は回転可能である。このような構成を取
ることにより、回転体の回転軸を３次元的に変化させる
ことが可能となる。その結果、液体の流れをあらゆる方
向にも向かわせることが可能となるので、溶解槽の隅な
どの従来では攪拌できなかった場所も攪拌することが可
能となる。このことは、ＰＶＡやＣＭＣの溶解時におけ
る「ままこ」発生の防止に極めて有効に働く。さらに、
化粧品や塗料のように、品質管理が極めて厳格であった
ために装置の大型化が困難であった産業においても、こ
れが可能となって、製造コストを低く押さえることが可
能となる。

【００２８】さらに、本発明の混合・溶解装置を用いて
高粘度物質の混合・溶解作業を行う場合、構造上ワイセ
ンベルク効果は発生し得ない。従って極めて効率的にこ
れらの作業を行うことができる。

【００２９】図１は、本発明に使用する回転体を用いた
攪拌装置並びに駆動方法の一例である。本発明の効果
は、この例に示された攪拌装置並びに駆動方法に限定さ
れるものではない。

【００３０】攪拌装置は、支持台１２１と、揺動可能な
回転体駆動手段とを備える。回転体駆動手段は、支持台
１２１にボール支持シャフト１２２を介して揺動可能に
取り付けられた装置架台１０１と、回転体１０８と、回
転体１０８を駆動するシャフト１０２および１０３とを
有する。シャフト１０２および１０３を駆動するため
に、シャフト１０２および１０３には、それぞれモータ
ー１および４が配設されている。

【００３１】シャフト１０２および１０３は、装置架台
１０１に所定の間隔で相互に平行に回転自在に軸支され
ている。シャフト１０２の端部には、自在継手１０６に
よって、ホーク状桿１０７が旋回自在に取り付けられて
いる。同様に、シャフト１０３の端部には、自在継手１
０４によって、ホーク状桿１０５が旋回自在に取り付け
られている。ホーク状桿１０５および１０７の回転位置
は、相互に９０°ずれている。ホーク状桿１０５および
１０７には、回転頚軸１０９によって、オロイド形状を
有する回転体１０８が取り付けられている。回転体１０
８は、シャフト１０２および１０３が逆方向へ回転した
際、揺動回転運動を行う。この場合、回転体１０８は、
それぞれホーク状桿１０５および１０７に回転頚軸１０
９を結ぶ直線に対応する相互に食い違う軸線１１０およ
び１１１のまわりに回転する。

【００３２】図２は、本発明の駆動装置の構成を示す模
式図である。

【００３３】動力源にモーター１および４を用い、それ
ぞれのモーターの駆動を制御するための回転制御部２お
よび５がある。同回転制御部２および５には回転信号を
与える回転信号発生部３および６が接続され、それに対
して、その回転信号発生を制御する信号発生制御部７が
接続され、さらに、同信号発生制御部７には記憶部８が
接続されている。また、モーター１および４に接続され
たシャフト（Ａ軸）１０２およびシャフト（Ｂ軸）１０
３があり、シャフト１０２および１０３には、それぞれ
自由継手１０６および１０４、ホーク状桿１０７および
１０５を介して、回転体１０８が取り付けられている。
さらに、シャフト１０２および１０３に対して、軸回転
角度位置を得るためのセンサ１１および１２が配置され
ている。

【００３４】以上のように、独立２軸駆動の制御を行う
ため、上記のような構成をとる回転体の駆動装置を提示
する。なお、明細書中においては、電源供給部は省略す
る。

【００３５】本発明に係る混合・溶解装置の形状は、直
方体型、円筒型等が考えられるが、円筒型を採用するの
が好ましい。

【００３６】本発明に係る混合・溶解装置を構成する揺
動回転運動をするオロイド回転体を該装置に取り付ける
場所としては、装置の側面、底面あるいは底面を一部斜
めに切り込んだ場所等が考えられ、用途によりいずれを
採用することも出来るが、必ず、オロイド回転体本体並
びに回転軸部分が、取り扱う液体と上部の空気との界面
下に来るように取り付けなければならない。

【００３７】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。しかしながら、本発明はこれらのみに制限されるも
のではない。

【００３８】実施例１ 内径１０００ｍｍ、高さ１５００ｍｍのジャケット付き
ステンレス製容器に、図１に示した揺動回転運動を行う
回転体を有する攪拌装置を、該回転体が容器の底から３
００ｍｍでほぼ容器の中央付近に来るように取り付け
た。該回転体は長径３００ｍｍのものを用いた。次に、
該容器に１立方米の常温の水を張り、攪拌下に重合度１
７８０、けん化度８８モル％で消泡剤無添加の部分けん
化ＰＶＡ４０ｋｇを投入した。ジャケットにスチームを
入れ徐々に昇温し、２０分後に内温が８０℃に達した時
点で攪拌および昇温を停止した。回転体の回転速度は８
０ｒｐｍであった。

【００３９】実施例２ 重合度１７００、けん化度９８．５モル％の完全けん化
ＰＶＡを使用し、３０分後に内温を９５℃とした以外
は、実施例１と同様に行った。

【００４０】比較例１ 径３００ｍｍのプロペラ式攪拌装置を使用し、プロペラ
の回転速度を３００ｒｐｍとした以外は、実施例１と同
様に行った。

【００４１】比較例２ ＰＶＡに対して０．１５重量％のシリコンオイル系消泡
剤を添加した以外は、比較例１と同様に行った。

【００４２】比較例３ 比較例１の攪拌装置を使用し比較例１と同様の条件で実
施例２と同様に行った。

【００４３】実施例１〜２、並びに比較例１〜３で得ら
れたＰＶＡ溶解時における観察結果をまとめて表１に示
す。

【００４４】

【００４５】実施例３ 直径１０００ｍｍ、高さ１５００ｍｍのジャケット並び
に還流コンデンサー付きの重合機に、実施例１で用いた
攪拌装置を実施例１と同様に取り付けた。次に、該重合
機に酢酸ビニル５００ｋｇ、エタノール３３０ｋｇ、並
びに重合触媒としてアゾビスイソブチロニトリル７ｋｇ
を仕込み、窒素置換することなくそのまま７５℃で６時
間重合したところ、重合収率は８０％であった。比較の
ため、該攪拌装置の代わりに径９００ｍｍ、翼の幅５０
ｍｍのいかり型攪拌羽根を有する攪拌装置を取り付け同
様に行ったところ、重合収率は６０％に止まった。な
お、回転速度はいずれの場合も８０ｒｐｍで行った。

【００４６】実施例４ 実施例１で使用した容器に実施例１で使用した攪拌装置
を同様に取り付けた。次に、該容器に、ステアリン酸５
０ｋｇ、水酸化カリウム３．５ｋｇ、グリセリン５０ｋ
ｇ、香料０．５ｋｇ、モノステアリン酸グリセリン０．
２ｋｇを仕込み、これに精製水を加えて全量を５００ｋ
ｇとし、２５℃で１０時間、８０ｒｐｍで攪拌を継続し
バニシングクリームを製造したところ、これまで回転羽
根を有する攪拌機を使用た場合、５０リットル未満の反
応容器を使用する以外に得られなかったものと同様の感
触をもった製品を製造することができた。比較のため、
該容器に実施例３で使用した攪拌装置を取り付け、同様
のレサイプにて２５℃、１０時間１５０ｒｐｍで攪拌を
継続したが、出来上がった製品は一部２層に分離してお
り、満足に乳化することができなかった。

【発明の効果】本発明によれば、揺動回転運動を行う回
転体を有する攪拌装置を用いることにより、発泡や「ま
まこ」更にワイセンベルク効果等を発生させることな
く、少ないエネルギーで短時間の内に高分子化合物等を
効率的に混合・溶解させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転体の駆動装置を用いた攪拌装置の
一例である。

【図２】本発明の回転体の駆動装置の構成を表す摸式図
である。

【図３】本発明の攪拌装置に用いた攪拌翼の一例であ
る。

【符号の説明】

１ モーター ２ 回転制御部 ３ 回転信号発生部 ７ 信号発生制御部 ８ 記憶部 １１ センサ １０１ 装置架台 １０２ シャフト １０４ 自在継手 １０５ ホーク状桿 １０８ 回転体 ２０１ 平板 ２０２ シャフト

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平行に位置する２軸間に回転体を懸架し、
   該回転体を揺動回転運動させる攪拌装置を、該回転体の
   本体並びに回転軸が、取り扱う液体と空気との界面下に
   来るように取り付けることを特徴とする高分子化合物等
   の混合・溶解装置。
2. 【請求項２】回転体がオロイド体である請求項１に記載
   の高分子化合物等の混合・溶解装置。
3. 【請求項３】回転体が直交する平板からなる構造物であ
   る請求項１に記載の高分子化合物等の混合。溶解装置。
4. 【請求項４】前記攪拌装置において、該２軸を駆動させ
   るための独立した動力源を備える攪拌装置を用いた請求
   項１に記載の高分子化合物等の混合・溶解装置。
5. 【請求項５】前記２軸の回転角速度がそれぞれ異なるよ
   うに、前記駆動装置の回転体を制御することが可能な制
   御手段を有する該駆動装置を用いた請求項１に記載の混
   合・溶解装置。