JP2008202162A - 改質剤添加方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ベースポリマーに対する改質剤の添加比率が小さく、改質剤の粘度が高計量性を有する計量ポンプの適用が難しい範囲である場合においても、ベースポリマーおよび改質剤の粘度変化などに対して影響を受けず、添加比率を一定値に維持できる改質剤の添加方法とそのための装置を提供する。
【解決手段】熱可塑性樹脂からなるベースポリマーに改質剤を添加して改質された改質ポリマーを溶融紡糸装置へ供給する際に、改質剤の計量手段としてギヤポンプを使用し、ベースポリマーに対する溶融状態の改質剤添加割合の流量制御を、高精度流量計によるギヤポンプモーター回転数制御により実施して合流させ、合流させた前記ベースポリマーと改質剤とを静的に混合し、溶融紡糸装置へ供給する。
【選択図】なし

Description

本発明は、ポリエステル、ポリアミド等の溶融状態にある熱可塑性樹脂に対して改質剤を添加混合する改質剤添加方法とそのための装置に関するものである。

従来より、ポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィンなどの熱可塑性樹脂に各種の改質剤を溶融混合して、改質剤を含んだポリマーを溶融紡糸することによって、様々な機能性を有する繊維を製造することが試みられている。

例えば、特許文献１（特開平９−１６２４号公報）に提案されているように、スクリュー式押出機を使用し、スクリューが装備された押出機のシリンダーの、樹脂が充満された部分の中心を通る水平断面より上方に添加剤の注入ノズルがシリンダーを貫通して設けられ、この注入ノズルの先端が前記スクリューの表面との距離を常に一定に保つように、スクリューの回転に同調して鉛直方向に連動するようにする混合技術がある。

確かに、この混合技術によると、押出機の中で改質剤を均一に混合できる効果がある。しかしながら、この技術は、ベースポリマー量と改質剤供給量との間の混合量比率を正確に一定に制御することが困難であり、特に、一軸押出機を使用する場合に、この欠点が顕著に現れる。

また、従来の他の混合技術としては、例えば、特許文献２（特開２００３−２０５１４号公報）に提案されているものがある。この混合技術によると、改質剤の注入ノズルが設けられた注入部の下流にスタティックミキサーや撹拌器などからなる混合装置を設置することによって、ベースポリマー中に注入した改質剤の均一な混合性能を維持している。しかも、この混合技術では、押出機を出た後のポリマー導管を取り替えるといった簡単な改造で、改質剤の添加装置を具現化できるなどのメリットがあり、一般に広く適用されている混合技術である。

確かに、前記特許文献２に提案されている混合技術を用いることによって、わずかな量の改質剤であっても、ベースポリマー中に均一に混合することができるという利点がある。しかし、この方法では、何らかの原因でポリマー導管中を流れるベースポリマーに圧力変動が生じたり、供給量が変化したり、あるいはベースポリマーまたは改質剤に粘度変化が起ったような場合には、改質剤の添加比率を一定に維持できないという問題がある。

何故ならば、前記特許文献２の混合技術では、その図１に記載されているように、押出機から供給されるベースポリマー量と、このベースポリマー中へ添加する改質剤の供給量とは、常に一定量に供給されているからである。したがって、いずれかの供給量が変化してしまうと、これを補正する機能が無いために、ベースポリマー中の改質剤の添加比率を一定にできないという問題が生じる。

また、前述の圧力変動、流量変動、あるいは粘度変動をできるだけ抑制するような工夫をした場合であっても、改質剤の添加量の精度が計量ポンプの性能に依存することを考慮しなければならない。つまり、改質剤の溶融粘度が低粘度領域にあるような場合では、ギヤポンプを使用して計量すると、ギヤポンプでは低粘度になればなるほど、計量性が低下する傾向が強くなる。それゆえ、ギヤポンプによるベースポリマーあるいは改質剤の計量が正確に行なわれずに、ベースポリマー中に混合する改質剤の添加比率を一定に維持することが困難となる。

特開平９−１６２４号公報 特開２００３−２０５１４号公報

本発明は、前述の従来技術が有する諸問題を解決することを目的としてなされたものである。すなわち、その目的とするところは、ベースポリマーに対する改質剤の添加比率が小さく、しかも、改質剤の粘度が低粘度であって、更に、高い精度の計量性を有する計量ポンプを使用するのが困難である場合であって、その上、ベースポリマーあるいは改質剤が導管中で、少々の圧力変動、流量変動、あるいは粘度変動などを起こしたとしても、その影響をほとんど受けず、ベースポリマー中の添加剤の添加比率を一定値に維持できる改質剤の添加方法とそのための装置を提供することにある。

前記課題を達成するために、本発明者が鋭意検討した結果、以下の改質剤添加方法およびその装置によって解決できることを見出した。

ここに、前記課題を解決するための請求項１の改質剤添加方法に係る本発明として、「溶融状態で払い出された熱可塑性ベースポリマーに対して、第１ギヤポンプによって供給された改質剤の流量を測定した後に前記ベースポリマーに添加し、添加した前記改質剤を前記ベースポリマー中に混合して改質ポリマーを調整し、調製した改質ポリマーを第２ギアポンプによって溶融紡糸に供給するに際して、予め設定した基準値から測定した前記流量値を減算した偏差を求め、前記偏差に比例するように第２ギアポンプのモータ回転数をフィードバック制御して一定比率の改質剤をベースポリマー中へ均一に添加することを特徴とする改質剤添加方法」が提供される。
また、請求項２に係る本発明のように、「溶融状態で払い出された熱可塑性ベースポリマーに対して、第１ギヤポンプによって供給された改質剤の流量を測定した後に前記ベースポリマーに添加し、添加した前記改質剤を前記ベースポリマー中に混合して改質ポリマーを調整し、調製した改質ポリマーを第２ギアポンプによって溶融紡糸に供給するに際して、予め設定した基準値から測定した前記流量値を減算した偏差を求め、前記偏差を解消するように前記第１ギヤポンプのモータ回転数をフィードバック制御して一定比率の改質剤をベースポリマー中へ均一に添加することを特徴とする改質剤添加方法」が提供される。
このとき、請求項３に係る本発明のように、「前記改質剤の溶融粘度が１０〜１０００ｐｏｉｓｅの範囲である請求項１または請求項２に記載の改質剤添加方法」とすることが好ましい。

次に、請求項４の改質剤添加装置に係る本発明として、「溶融状態のベースポリマーが流れるベースポリマー導管と、溶融状態の改質剤を計量供給する第１ギヤポンプと、前記第１ギヤポンプによって計量供給された改質剤の流量を測定する高精度流量計と、流量測定された改質剤を前記ベースポリマー導管中へ添加する添加ノズルと、ベースポリマーに添加された改質剤を均一に混合して改質ポリマーとして調製する静的混合装置と、調整された前記改質ポリマーを溶融紡糸装置へ計量供給する第２ギヤポンプと、予め設定した基準値から前記高精度流量計によって測定された流量値を減算した偏差に比例して前記第２ギヤポンプの回転数をフィードバック制御して前記改質ポリマーに含有される改質剤の添加比率を一定に制御する流量制御装置と、を備えたことを特徴とする改質剤添加装置」が提供される。
また、請求項５の改質剤添加装置に係る本発明として、「溶融状態のベースポリマーが流れるベースポリマー導管と、溶融状態の改質剤を計量供給する第１ギヤポンプと、前記第１ギヤポンプによって計量供給された改質剤の流量を測定する高精度流量計と、流量測定された改質剤を前記ベースポリマー導管中へ添加する添加ノズルと、ベースポリマーに添加された改質剤を均一に混合して改質ポリマーとして調製する静的混合装置と、調整された前記改質ポリマーを溶融紡糸装置へ計量供給する第２ギヤポンプと、予め設定した基準値から前記高精度流量計によって測定された流量値を減算した偏差を解消するように前記第１ギヤポンプの回転数をフィードバック制御して前記改質ポリマーに含有される改質剤の添加比率を一定に制御する流量制御装置と、を備えたことを特徴とする改質剤添加装置」が提供される。
このとき、請求項６に記載の本発明のように、「前記添加ノズルの上流に逆止弁を配置したことを特徴とする請求項４又は請求項５に改質剤添加装置」とすることが好ましい。
また、請求項７に記載の本発明のように、「前記改質剤を前記ベースポリマー導管へ供給するまでの改質剤供給導管に配管加熱手段と、その内部を流れる改質剤の温度を一定に制御する温度制御装置とを備えたことを特徴とする請求項４〜６の何れか一項に記載の改質剤添加装置」とすることが好ましい。
更には、請求項８に係る本発明のように、「前記高精度流量計がコリオリ式質量流量計又は容積式微小流量計であることを特徴とする請求項４〜７の何れか一項に記載の改質剤添加装置」とすることが好ましい。

以上に述べたように、本発明によれば、ベースポリマーに対する添加剤の添加比率が小さい場合においても、ベースポリマーおよび改質剤の粘度変化などに対して影響を受けず、添加比率を一定値に維持することができ、これによって、改質剤の混合斑がない繊維を安定して製造することができるという極めて顕著な効果を奏する。

本発明において、ベースポリマーには、予め何らかの添加剤、例えば、艶消剤である二酸化チタンや易滑剤としてのコロイダルシリカ、湿式シリカ、乾式シリカなどの酸化珪素、炭酸カルシウム、カオリナイト、タルク、アルミナ、ゼオライト、グラファイト等の粒子が添加されていてもかまわないが、添加剤の含有量としては０〜０．５％の範囲の少量であることが望ましい。０．５％を越えるとベースポリエステルを製造する連続重合工程の内部でスケール等の異物や添加剤の凝集を生成しやすくこれがベースポリマーに混入し品質を低下させるからである。またコストメリットが小さくなる点でも望ましくない。

次に、本発明で用いる改質剤としては、熱可塑性ポリマー本来の優れた性能を失わない範囲で、単独のポリマーだけでは得られない新規な性質、例えば、難燃性、静電性、易染性、深色性、鮮明染色性、耐熱性等の性質を付与してポリマーを改質しようとする要求に対応できる剤をいう。そして、これらの要求に応える技術として無機あるいは有機微粒子の他、各々の目的に応じた種々の機能性を有する添加剤をポリマーにブレンド及び／又は共重合により導入して、最終製品の多様化、差別化，高付加価値化、物性の改善などを図ることができる。したがって、本発明に係る改質剤添加方法とその装置は、このような改質剤をベースポリマーに均一に混合する上で重要な役割を果たす。

ただし、本発明においては、前述した改質剤は、ベースポリマーと同一種の熱可塑性ポリマーまたは異なる重合方法で製造された熱可塑性ポリマーに予め分散もしくは共重合させておいても良く、あるいはビヒクルに分散させておいても良い。ここで、前記ビヒクルは、市販の可塑剤を用いることができ、特に限定されるものではない。例えば、ベースポリマーとしてポリエステルを取り挙げれば、ポリエステルセバケート系、ポリエステルアジペート系、ポリエステルフタレート系等の可塑剤が市販されており、これらを好適に用いることができる。

以下、本発明の実施の態様に形態ついて、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る改質剤添加装置を模式的に例示した概略構成図である。ここで、図１に使用した各参照符号について説明すると、１は押出機、２はベースポリマー導管、３は静的混合装置（スタティックミキサー）、４は逆止弁、５は改質剤用計量ポンプ（第１ギヤポンプ）、６は高精度流量計、６’は流量制御装置、７は改質ポリマー用計量ポンプ（第２ギヤポンプ）、８は配管加熱手段、８’は温度制御装置、９は改質剤供給手段、１０は溶融紡糸装置、１１は改質剤添加ノズル、そして、１２は改質剤供給導管をそれぞれ示す。

この図１は、チップ状のベースポリマーが押出機１に供給され、ここで溶融押出しされて、ベースポリマー導管２へと払い出される実施形態例を示している。なお、図１には、図示省略したがベースポリマー導管２の途中にギヤポンプなどの計量供給装置を付設するようにしても良い。

また、押出機１に供給する前記チップ状のベースポリマーは、一般に重合工程において重合された後、造粒化工程（ペレタイズ工程）を経てチップなどのペレットとされたものである。したがって、造粒化工程を経ずに直接重合工程で重合された溶融状態のポリマーをベースポリマー導管２に払い出すような実施態様とすることもできる。

以上に説明したように、ベースポリマーが押出機１からベースポリマー導管２へ払い出される一方で、他方では、電気ヒーターなどの加熱手段を備えた供給タンクあるいは溶融押出機などの改質剤供給手段９で溶融状態にされた改質剤が、図１に示した改質剤用計量ポンプ５によって、改質剤供給導管１２へ計量供給される。

次いで、この改質剤は、前記改質剤供給導管１２から逆止弁４を介して、前記改質剤供給導管１２の終端部に設けられた改質剤添加ノズル１１へ供給される。ここで、本発明において、逆止弁４を設置する理由は、改質剤の溶融粘度がベースポリマーの溶融粘度よりも小さい場合に、ベースポリマーが改質剤添加ノズル１１へ逆流すると、改質剤添加ノズル１１を閉塞させてしまうなどの理由からである。なお、この逆止弁４の機構としては、デッドスペースが少なく、かつ、ばね機構を有しないボールまたはポペットからなるリフト式機構を有するものを使用することが好ましい。

そして、この改質剤添加ノズル１１からベースポリマー導管２中を流れるベースポリマーへ添加される。このようにして、ベースポリマー導管２中へ添加された改質剤は、ベースポリマー中へ改質剤を均一に混合するために設けられた静的混合装置３によって混合されて改質ポリマーとして調製される。そして、この調製された改質ポリマーは、計量ポンプ７から各紡糸装置１０へそれぞれ分配供給され、最終的に各紡糸装置１０に設けられた紡糸口金パック（図示せず）から繊維として紡出される。

このとき、改質剤を改質剤添加ノズル１１へ供給するために、本発明では、前記計量ポンプとして第１ギヤポンプ５を使用しているが、この第１ギヤポンプ５の回転数に関しては、従来、一定回転数に維持されていたことについては、既に「背景技術」欄で説明した通りである。しかしながら、本発明においては、この第１ギヤポンプ５の回転数を制御することを一大特徴とする。そこで、以下、この点について詳細に説明する。

本発明においては、図１に例示したように、第１ギヤポンプ５の下流に高精度流量計６を設置して、第１ギヤポンプ５から供給される改質剤量を実測する。何故ならば、本発明では、使用する改質剤の溶融粘度を１０〜１０００ｐｏｉｓｅの範囲に設定しており、特に、前記溶融粘度の範囲中で低粘度域側へシフトすればするほど、第１ギヤポンプ５の計量精度が低くなるからである。そうすると、当然のことながら、ベースポリマー中の改質剤の含有量が一定に維持できずに変化してしまう。

そこで、本発明の第１実施形態例として、高精度流量計６によって第１ギヤポンプ５から供給される改質剤の供給量を実測し、基準量からの実測値の偏差を求めて、求めた偏差値に比例させて、流量制御装置６’によって第２ギヤポンプ７からなる計量ポンプのモータ回転数をフィードバック制御して改質ポリマーの供給量を制御する。なお、前記高精度流量計６としては、コリオリ式質量流量計、容積式微小流量計などが好適である。

ただし、以上に説明した流量制御装置６’によるフィードバック制御においては、高精度流量計６によって改質剤の供給量が少なくなっていることを検出し、これに比例させて、第２ギヤポンプ７のモータ回転数を減速させて、改質ポリマーの供給量を減らすようにすることは言うまでも無い。このとき、実際上は、ベースポリマーと改質剤との合計供給量からなる改質ポリマーの供給量を減じるようになるが、改質ポリマーの供給量を減じることは、押出機１から供給されるベースポリマー量を間接的に減じることともなる。その結果、常に改質ポリマー中に含まれる改質剤の比率を一定とすることができるのである。

また、第２実施形態として、前述のように高精度流量計６によって第１ギヤポンプ５から供給される改質剤の流量を精密に実測し、この測定流量の基準量（ベースポリマー導管へ供給するベースポリマー量に対して予め設定された値である）からの偏差（測定流量から基準量を減算したもの）を求め、求めた偏差が解消するように、流量制御装置６’によって第１ギヤポンプ５のモータ回転数を流量制御装置６’によってフィードバック制御するようにしてもよい。そうすると、第１ギヤポンプ５による改質剤の供給流量が改質ポリマー中に常に一定比率で含有されるように制御できる。

その際、改質剤の流量制御精度を更に向上させるために、改質剤供給手段９から改質剤添加ノズル１１までの間の改質剤供給導管１２については、内部を流れる改質剤の溶融粘度などが変動しないように、配管加熱手段８を設けて改質剤供給導管１２を加熱してこの導管１２内を流れる改質剤の温度を一定に制御する温度制御装置８’を設けることが好ましい。なお、前記配管加熱手段８としては、改質剤供給導管１２を二重管にしたり、あるいはジャケットを設けたりして、熱媒を二重管の外側管やジャケットに通して加熱する熱媒加熱手段、あるいは電気加熱手段など公知の加熱手段を用いることができる。

また、改質剤添加ノズル１１としては、特開２００３−２０５１４号公報などにおいて既に提案されている公知の技術である放射状またはフィルム状に吐出するようなノズルを使用することが好ましい。

更に、前記静的混合装置（スタティックミキサー）３としては、改質剤添加ノズル１１の吐出口から所定の距離を置いて設けられており、このようなスタティックミキサー３としては、公知のものが使用できる。例えば、ケニックス社によって最初に製造され、我が国においてはノリタケカンパニーなどから販売されているケニックス型スタティックミキサー、スルザー社によって最初に製造されたスルザー型スタティックミキサーなどを挙げることができる。その際、スタティックミキサー３の分割エレメント数（素子数）は、改質剤が十分に均一にベースポリマー中へ分散混合されるような数が選定されるべきであることはいうまでもない。

なお、スタティックミキサー３は、装置構成を簡単にでき、しかも、導管内に容易に収納して設置することができ、設置スペースを節約でき、更には設置コストも低く抑えることができるなどの利点を有している。

本発明に係る改質剤添加装置の一つの実施形態を模式的に示した概略装置構成図である。

符号の説明

１ 押出機
２ ベースポリマー導管
３ 静的混合装置
４ 逆止弁
５ 改質剤用計量ポンプ（第１ギヤポンプ）
６ 高精度流量計
６’ 流量制御装置
７ 改質ポリマー用計量ポンプ（第２ギヤポンプ）
８ 配管加熱手段
８’ 温度制御装置
９ 改質剤供給手段
１０ 溶融紡糸装置
１１ 改質剤添加ノズル
１２ 改質剤供給導管

Claims (8)

1. 溶融状態で払い出された熱可塑性ベースポリマーに対して、第１ギヤポンプによって供給された改質剤の流量を測定した後に前記ベースポリマーに添加し、添加した前記改質剤を前記ベースポリマー中に混合して改質ポリマーを調整し、調製した改質ポリマーを第２ギアポンプによって溶融紡糸に供給するに際して、予め設定した基準値から測定した前記流量値を減算した偏差を求め、前記偏差に比例するように第２ギアポンプのモータ回転数をフィードバック制御して一定比率の改質剤をベースポリマー中へ均一に添加することを特徴とする改質剤添加方法。
2. 溶融状態で払い出された熱可塑性ベースポリマーに対して、第１ギヤポンプによって供給された改質剤の流量を測定した後に前記ベースポリマーに添加し、添加した前記改質剤を前記ベースポリマー中に混合して改質ポリマーを調整し、調製した改質ポリマーを第２ギアポンプによって溶融紡糸に供給するに際して、予め設定した基準値から測定した前記流量値を減算した偏差を求め、前記偏差を解消するように前記第１ギヤポンプのモータ回転数をフィードバック制御して一定比率の改質剤をベースポリマー中へ均一に添加することを特徴とする改質剤添加方法。
3. 前記改質剤の溶融粘度が１０〜１０００ｐｏｉｓｅの範囲である請求項１または請求項２に記載の改質剤添加方法。
4. 溶融状態のベースポリマーが流れるベースポリマー導管と、溶融状態の改質剤を計量供給する第１ギヤポンプと、前記第１ギヤポンプによって計量供給された改質剤の流量を測定する高精度流量計と、流量測定された改質剤を前記ベースポリマー導管中へ添加する添加ノズルと、ベースポリマーに添加された改質剤を均一に混合して改質ポリマーとして調製する静的混合装置と、調整された前記改質ポリマーを溶融紡糸装置へ計量供給する第２ギヤポンプと、予め設定した基準値から前記高精度流量計によって測定された流量値を減算した偏差に比例して前記第２ギヤポンプの回転数をフィードバック制御して前記改質ポリマーに含有される改質剤の添加比率を一定に制御する流量制御装置と、を備えたことを特徴とする改質剤添加装置。
5. 溶融状態のベースポリマーが流れるベースポリマー導管と、溶融状態の改質剤を計量供給する第１ギヤポンプと、前記第１ギヤポンプによって計量供給された改質剤の流量を測定する高精度流量計と、流量測定された改質剤を前記ベースポリマー導管中へ添加する添加ノズルと、ベースポリマーに添加された改質剤を均一に混合して改質ポリマーとして調製する静的混合装置と、調整された前記改質ポリマーを溶融紡糸装置へ計量供給する第２ギヤポンプと、予め設定した基準値から前記高精度流量計によって測定された流量値を減算した偏差を解消するように前記第１ギヤポンプの回転数をフィードバック制御して前記改質ポリマーに含有される改質剤の添加比率を一定に制御する流量制御装置と、を備えたことを特徴とする改質剤添加装置。
6. 前記添加ノズルの上流に逆止弁を配置したことを特徴とする請求項４又は請求項５に改質剤添加装置。
7. 前記改質剤を前記ベースポリマー導管へ供給するまでの改質剤供給導管に配管加熱手段と、その内部を流れる改質剤の温度を一定に制御する温度制御装置とを備えたことを特徴とする請求項４〜６の何れか一項に記載の改質剤添加装置。
8. 前記高精度流量計がコリオリ式質量流量計又は容積式微小流量計であることを特徴とする請求項４〜７の何れか一項に記載の改質剤添加装置。

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