JP2006524592A - マルチモーダル及びバイモーダルポリオレフィンを溶融し均質化する方法 - Google Patents

マルチモーダル及びバイモーダルポリオレフィンを溶融し均質化する方法 Download PDF

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Abstract

マルチモーダル及びバイモーダルポリオレフィンを溶融し均質化する方法において、多軸第一押出機（１）と搬送方向（１７）においてその下流側に配置される第二押出機（２）が使用される。第二押出機（２）は、多軸設計であっても良い。第一押出機（１）のスクリューシャフト（１４，１５）の外径は、第二押出機の第二スクリューシャフト（２９，３０）の外径よりも小さい。第一押出機（１）は第二押出機（２）よりも高い回転速度で駆動される。第一押出機（１）におけるせん断速度は第二押出機（２）におけるそれよりも高い。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブル部分（所謂おいて部分）に記載の方法に関するものである。
WO 98/15591 DE 43 01 431 C2 U.S. patent 3 261 056 German published patent application 23 04 088 U.S. patent 3 860 220 EP 1 005 411 B1 Peter Heidemeyer and Joerg Pheifferの論文 in "Macromol.Symp.181,167〜176頁 2002年"
バイモーダル（bimodal）またはマルチモーダル（multimodal）ポリオレフィン粉末は、粒子によって激しく異なる分子量分布を有し、したがって溶融粘度と弾性特性が激しく異なる個々の粒子の特性を有する。大きい粒子は、凝集する小さな粒子をもとにし得る。一般的に、これらの微小不均質物（micro-inhomogeneities）は、最終生成物として均質なポリオレフィンの中に調製されたときに、相当数の問題を提示する。
既述の粉末化合物の調製において、個々の粒子は溶融される。しかしながら、高分子粒子、従って高粘性で高柔軟性の粒子が低粘度の溶融基材中に存在し、本高分子粒子は、せん断場において不充分にしか変形され、または分割されず、部分的には全く変形・分割されず、結果として微小構造における不均質基材となる。顆粒物が、パイプの製造のために提供されるそのような黒色の不完全に調製されたポリオレフィンから最終生成物としてせん断されているとき、これらの粒子は、とても小さい白いしみの形で視覚的にさえ不均質物として現れる。この点における問題は、非特許文献１からあきらかになろう。
特許文献１は、一般的な形式の方法を記述し、その中で、可塑化は第一の二軸押出機で行われ、均質化は下流側の第二押出機で行われる。第一押出機は低いせん断速度で作動するのに対して、第二押出機は高いせん断速度で作動する。この方法では、冒頭に述べた問題の十分な解決法を提示することができない。
特許文献２、特許文献３及び特許文献４（特許文献５に対応する）は、プラスチックを溶融し均質化するために、二つの連続して接続された単軸押出機を使用することを教示し、第一押出機は相対的に小さい直径と相対的に高い回転速度のスクリューシャフトを有し、第二押出機は相対的に大きな直径と相対的に低い回転速度のスクリューシャフトを有する。本形式の処理設備では、冒頭に述べたポリオレフィンの調製に適していないことが証明されている。
アミノ樹脂（aminoplasts）及び／又はフェノール性樹脂（phenoplasts）を製造する方法は、特許文献６より周知であり、その中で、凝縮前溶液（precondensate solution）は、第一押出機で製造され、添加剤と充填剤と共に第二押出機に供給される。この場合、同方向に駆動可能なスクリューを有する二軸スクリュー押出機が用いられる。第一押出機は、１２〜２０毎分の非常に低い回転速度で駆動され、第二押出機は、２０〜３００毎分、好ましくは８０〜１５０毎分のより高い速度で駆動される。そのような押出機カスケード（extruder cascade）は、一般的な形式の方法で冒頭に述べた問題を解決するために使用できない。
本発明の目的は、一般的な形式の方法において、完全に均質な溶融基材が得られるポリオレフィン処理を実行することである。
本発明にしたがって、この目的は、請求項１の特徴記載部分の特徴構成により達成される。本発明の要点は、マルチモーダルまたはバイモーダルポリオレフィンの溶融が第一段階となる第一押出機において、溶融エンタルピーをわずかに超えるエンタルピーに相当するエネルギー入力によって行われることにある。この溶融作業は、エネルギー入力がいかなる要求位置においても実際に起こることを保証する高いせん断速度で行われる。なお存在し得るエネルギー入力の位置相違は、既に形成されたポリオレフィン溶融物から未だ溶融されていないポリオレフィンへの熱の流れによって、粗く溶融されたポリオレフィンを第一段階となる第一押出機の放出端で入手可能な程度にまで補われる。他の状況では一定である押出機構造では、高いせん断速度は高い回転速度によって生じさせられる。その後、ポリオレフィンの均質化は、第二段階となる第二押出機において明らかに低めのせん断速度で行われる。低めのせん断速度は、それに相応する低めの速度によって生じさせられる。局所的に高いエネルギー入力は、低いせん断速度によって回避される。結果として、溶融温度もまた低くなり、したがって変形と分散のために必要なせん断力が、不均質物を構成する微小構造に作用することができる。これらの方法において、高分子粒子を埋め込む基材は、高いせん断速度を伴う場合よりも低めの溶融温度のために、より高い粘度を持つことが経験により明らかである。完全を期すために、体積要素がせん断される速度、すなわち、互いに流れ過ぎる二つの層の速度差の、流れ方向に垂直なその距離・間隔に対する比率として、せん断速度を定義することに注意が向けられる。第一概略近似（proximation）において、スクリューにおける平均せん断速度を、スクリューの周速と平均ねじ溝深さの商（指数・比）によって表すことができる。多軸の、特に二軸の押出機の使用によって、搬送の高安定性を得ることができ、したがって、プロセスの非常に均一な推移を得ることができる。これらの驚くべき長所は、特に粉末のマルチモーダルまたはバイモーダルポリオレフィンの使用において明白になったが、さらにその顆粒物及び顆粒物と粉末の混合物の使用においても明白になった。
従属請求項は、本発明にしたがう教示の有利であり且つ部分的に発明性のある成果を反映している。
本発明の更なる特徴、長所及び詳細を好ましい実施形態の以下の記述から、図面と併せて明らかにする。
図中に見られる処理設備は、第一押出機１と第二押出機２を備えて成る。第一押出機１は、第二押出機２の上方に配置される。第一押出機１は、第一継ぎ手４と第一トランスミッション５を介して第一モータ３によって作動させられる。第二押出機２は、第二継ぎ手７と第二トランスミッション８を介して第二モータ６により作動させられる。モータ３と６は、制御ユニット９により制御される。
第一押出機１は、加熱システム１０を備えるケーシング１１を備えて成り、平行であり且つお互いにほぼ８の字型にかみ合う二つの第一ケーシング孔１２、１３を備えて成る。二つの第一スクリューシャフト１４、１５は、これらのケーシング孔１２、１３に配置される。それらは第一トランスミッション５と連結される。スクリューシャフト１４、１５は、同方向、すなわち同じ回転方向１６に駆動される。それらは、自己清掃式であるいわゆる近接かみ合いスクリューシャフト（closely intermeshing screw shaft）１４、１５である。第一押出機１は、搬送方向１７で認識されるように、第一トランスミッション５の下流側に配置される供給ホッパー１８を備え、当該供給ホッパーに、スクリューシャフト１４、１５がスクリュー要素２０を備えている入口区間１９が続いている。入口区間１９に、スクリューシャフト１４、１５が可塑化要素、例えば混練要素２２を装備させられる溶融区間２１が続いている。これに、シャフト１４、１５がスクリュー要素２４を再び装備させられる供給区間２３が続いている。要素２０、２２、２４は、第一コア径Ｄｉと第一外径Ｄａを有する。供給区間は、放出区間２５に接合されている。設備が、二つのケーシング孔とそれに相応する二つのスクリューシャフトの代わりに、三以上の孔とそれに相応する数のスクリューシャフトとされるのも好都合である。部分的に、自己清掃式でない要素が存在してもよい。
第二押出機２も、二つの第二ケーシング孔２７、２８が、お互い平行に形成され、且つはっきりと８の字型の断面形状に相互にかみ合うケーシング２６を有する。二つのスクリューシャフト２９、３０は第二ケーシング孔２７、２８に配置される。それらは、第二トランスミッション８と連結され、同方向、すなわち同じ回転方向３１に回転駆動可能である。第二スクリューシャフト２９、３０もまた、いわゆる近接かみ合いであって、よって自己清掃式スクリューシャフト２９、３０である。第二トランスミッション８に隣接して、第二押出機２は、搬送区間３３を構成するエルボー配管３４を経由して第一押出機１の放出区間２５と接続する供給接合部分３２を備える。搬送区間３３において、ストレーナープレート、ふるい等が、保持手段３５として配置される。ストレーナープレートは、１〜４ｍｍの穴を有する。ふるいは、明らかに小さめの穴、例えばおよそ０．２ｍｍの穴を有する。第二押出機２にとっても、自己清掃式ではない二以上の孔とそれに相応する二以上のスクリューシャフトが利用可能であると言える。さらに、第二押出機２において、スクリューシャフトの駆動は、逆方向に起こり得て、このようにして、同方向に駆動させられるスクリューシャフトよりも高い圧力増加が得られる。
供給接合部分３２の上流側（第二トランスミッション８の方向）に、いわゆる逆脱気システム（reverse venting system）の形式で通気区間３６が設けられる。当然ながら、いかなる他の適当な脱気形態を、必要と考えられる位置に設けることができる。搬送方向１７において、供給接合部分３２に、第二スクリューシャフト２９、３０がスクリュー要素３８を装備させられる入口区間３７が続いている。これに、混合・混練要素４０とスクリュー要素４１が交互にスクリューシャフト２９、３０に配置されている伸長均質化区間（elongated homogenization）３９が続いている。さらにまた圧力増加区間４２が接合し、そこでスクリューシャフト２９、３０にスクリュー要素４３が備わっている。
圧力増加区間４２の下流側に、設備には調節可能絞り４４を設けることが可能であり、この絞りを用いてスクリューシャフト２９、３０の速度を変えずにエネルギー入力を変更できる。溶融ポンプ（melt pump）４５が備えられ、とりわけ高圧力に増加する。溶融ポンプはトランスミッション４７を伴うポンプモータ４６によって駆動させられる歯車式ポンプである。
要素３８、４０、４３は第二コア径ｄｉと第二外径ｄaを有する。
マルチモーダルポリオレフィン、特にバイモーダルポリオレフィンは、既述された処理設備で調製される。溶融は、プラスチックが供給ホッパー１８により供給される第一押出機１で、機械的なエネルギーの入力と場合によっては加熱システム１０を介して外側からの熱エネルギーの入力によって溶融区間２１において行われる。溶融プロセスは、高いせん断速度とそれに相応する第一スクリューシャフト１４、１５の高い速度で行われる。その速度は、２００〜１２００毎分の範囲であり、好ましくは４００〜６００毎分の範囲である。
溶融プラスチック材料は、搬送区間３３において第一押出機１を離れ、ほとんど圧力なしで、すなわち低圧力で第二押出機２に供給される。溶融プラスチックの均質化は、第二押出機２で行われる。その後で、それらは、直接放出されるか、または更なる処理のために溶融ポンプ４５によって供給される。
第二押出機２における均質化は、第一押出機１と比べて明らかにより低いせん断速度で行われ、したがって第二スクリューシャフト２９、３０のより低い速度で行われる。これらの速度は、５０〜２５０毎分の範囲に、好ましくは６０〜１９０毎分の範囲に、特に好ましいのは８０〜１５０毎分の範囲になる。いかなる場合においても、第二シャフト２９、３０の速度は、第一シャフト１４、１５の速度よりも低い。第一スクリューシャフト１４、１５の速度が動作中に一定であるのに対して、第二スクリューシャフト２９、３０の速度が調整可能であるときに、特別な効率が得られる。
処理量は、当然ながら押出機１、２の両方において同じでなければならないので、第二シャフト２９、３０の搬送断面は、第一シャフト１４、１５の搬送断面を上まわる。以下に述べる比が外径ｄａに対する外径Ｄａの比として適合する。０．３≦Ｄａ／ｄａ≦０．８、好ましいのは０．５≦Ｄａ／ｄａ≦０．８。直径比Ｄａ／Ｄｉに関しては、１．４≦Ｄａ／Ｄｉ≦２．１が適合する。それに対応して、１．４≦ｄａ／ｄｉ≦２．１が、第二スクリューシャフト２９、３０の直径比ｄａ／ｄｉに当てはまる。具体的に述べられた寸法と具体的に述べられた作動方式の結果として、溶融作業は、第一押出機１において非常に急速に行われるのに対して、第二押出機における均質化は、より長い時間にわたって続く。用いられる押出機１，２が、二軸機あるいは多軸機であれば、安定した作動と安定した搬送が、ポンプ作動する傾向のある単軸押出機とは対照的に、確保される。
用いられるマルチモーダルまたはバイモーダルポリオレフィンは、粉末あるいは顆粒あるいは粉末と顆粒の混合物の形で供給される。仮に、供給されるこれらのポリオレフィンが、凝集したりまたは焼結したりする傾向があるとすると、粉末または顆粒の大きな塊が、溶融区間２１において形成し、それら塊は、それらを取り囲む溶融物中で固体のように作用し、第一押出機１により溶融物と一緒に放出される。それらは、粗いメッシュのふるいまたはストレーナープレートの形をとる保持手段３５によって集められ、そこで、それらは、これらの粒径がストレーナープレートまたはふるいの穴まで縮小されるまで溶融する。これらの粒子は、取り囲む熱い溶融物によって比較的急速に溶融されるので、全ての粒子が、均質化区間３９に入るときに、完全に溶融されることが確保される。
本発明にしたがう方法の実現するための処理設備の平面図であり、ところどころ開放図の押出機を図解する。 図１の矢印IIにしたがう設備の側面図であって、ところどころ開放図の押出機を示している。 図２のIII−III線に沿った第一押出機の横断面図である。 図１のIＶ−IＶ線に沿った第二押出機の垂直断面図である。
符号の説明
１ 第一押出機
２ 第二押出機
１４ 第一スクリューシャフト
１５ 第一スクリューシャフト
１７ 搬送方向
２９ 第二スクリューシャフト
３０ 第二スクリューシャフト

Claims (16)

  1. 第一押出機（１）と搬送方向（１７）におけるその下流側に配置される第二押出機（２）において、マルチモーダルまたはバイモーダルのポリオレフィンを溶融し均質化する方法であって、第一押出機（１）は、数個の回転駆動可能な第一スクリューシャフト（１４，１５）を有する多軸押出機であって、
    第二押出機（２）が数個の回転駆動可能な第二スクリューシャフト（２９，３０）を有する多軸押出機であることと、
    第一スクリューシャフト（１４，１５）の外径（Ｄａ）が第二スクリューシャフト（２９，３０）の外径（ｄａ）より小さいことと、
    第一スクリューシャフト（１４，１５）が第二スクリューシャフト（２９，３０）よりも高回転速度で駆動すること及び、
    第一押出機（１）におけるせん断速度が第二押出機（２）におけるせん断速度よりも高くなること
    を特徴とする方法。
  2. 第一押出機（１）におけるせん断速度が、第二押出機（２）におけるせん断速度の少なくとも２倍、好ましくは４〜５倍、特に好ましくは６〜１０倍の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 第二スクリューシャフト（２９，３０）の回転速度が調整可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
  4. 第一スクリューシャフト（１４，１５）が２００〜１２００毎分、好ましくは３００〜９００毎分、特に好ましくは４００〜６００毎分の回転速度で駆動されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 第二スクリューシャフト（２９，３０）が、５０〜２５０毎分、好ましくは６０〜１９０毎分、特に好ましくは７０〜１５０毎分の回転速度で駆動されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 第一スクリューシャフト（１４、１５）の外径（Ｄａ）の第二スクリューシャフト（２９，３０）の外径（ｄａ）に対する比が、０．３≦Ｄａ／ｄａ≦０．８、好ましくは０．５≦Ｄａ／ｄａ≦０．８に適合することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 第一スクリューシャフト（１４，１５）の外径（Ｄａ）の内径（Ｄｉ）に対する比が、１．４≦Ｄａ／Ｄｉ≦２．１に適合することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 第二スクリューシャフト（２９，３０）の外径（ｄａ）の内径（ｄｉ）に対する比が、１．４≦ｄａ／ｄｉ≦２．１に適合することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 第一スクリューシャフト（１４，１５）の回転速度が一定であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 二軸押出機が、第一押出機（１）及び／又は第二押出機（２）として用いられることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
  11. ポリオレフィンが、粉末の形で第一押出機（１）に供給されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 第一スクリューシャフト（１４，１５）及び／又は第二スクリューシャフト（２９，３０）が同方向に回転駆動されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 近接かみ合いスクリューシャフトが、第一スクリューシャフト（１４，１５）及び／又は第二スクリューシャフト（２９，３０）として用いられることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 溶融されたポリオレフィンが、第一押出機（１）から第二押出機（２）まで実質的に圧力無しで供給されることを特徴とする１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 溶融されたポリオレフィンが、第二押出機（２）に入る前に濾されあるいはふるいにかけられることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
  16. 第二押出機（２）の放出区間及び／又は第二押出機（２）の下流側において、圧力が増大することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
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