JP2009513385A - ウォーターリング（ｗａｔｅｒ−ｒｉｎｇ）ダイの下流で熱可塑性ポリマーを切断する方法 - Google Patents

Abstract

ウォーターリング（ｗａｔｅｒ−ｒｉｎｇ）押出ダイから押し出されるビニル芳香族（コ）ポリマーの、実質的に円柱形状のペレットの製造方法であって、押出成形は、ペレットの長さ／直径比の範囲が１．３〜２であり、直径（基準）範囲が２〜３．２ｍｍであり、ポリマーの流量が各ダイの孔で４〜２０ｋｇ／ｈの範囲であるように実施される前記製造方法。

Description

本発明はウォーターリングダイの下流で熱可塑性ポリマーを切断する方法に関する。
より詳しくは、本発明はウォーターリング押出しダイから押し出される熱可塑性ポリマーの実質的に円柱状のペレットの製造方法に関する。
更に詳しくは、本発明は「ウォーターリング」技術によってウォーターリング押出しダイから押し出されるビニル芳香族（コ）ポリマー、例えば、ポリスチレン、耐衝撃性ポリスチレン、スチレンアクリロニトリル（ＳＡＮ）コポリマー、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）コポリマーの実質的に円柱状のペレットの製造方法に関する。

熱可塑性ポリマーは、通常、どのような切断技術を用いるかによって形が決まるペレット状製品である。具体的に例えばスチレンポリマーなどのビニル芳香族ポリマーの場合には、「スパゲッティ切断（ｓｐａｇｈｅｔｔｉ ｃｕｔｔｉｎｇ）」および「ウォーターリング切断（ｗａｔｅｒ−ｒｉｎｇ ｃｕｔｔｉｎｇ）」として知られる２つの方法が通常用いられている。
スパゲッティ切断法によれば、溶融したポリマーがダイから連続して排出され、ギアで引っ張られてポリマーの連続フィラメントを形成し、水槽中で冷却され、それから低温で回転ナイフによって切断される。

もう一つのウォーターリング切断方法によれば、高速回転ナイフで「発射された（ｆｉｒｅｄ）」グラニュールが、切断ヘッドから離れた循環路中を流れる。（これら二つの方法を記載した科学文献の例を非特許文献１、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６および特許文献７に示す。）
管理の観点からおよび投資費用および維持費用に関しても好ましい方法は、いわゆる「ウォーターリング」技術である。この技法を使用すれば、事実、ダイは水と直接には接触しないので短い停止後の製造プラントの再起動は、ポリマーを溶融した状態に維持することが非常に容易であるので非常に簡単である。その上、始動の間、オペレータがポリマーを直接管理せず、溶融しかつ固化していないポリマーが切断されるので騒音が大幅に減少する。

最後に、ウォーターリングペレタイジングシステムでは、切断機器が全体として非常に小型であり、中にある蒸気、未処理のモノマーおよび環境に危険のある添加剤を非常に簡単に制御できる「閉じられた」システムであることも指摘する。
ペレットはおおむね球状でありしかも鋭い端が無い丸い形状であることから、ウォーターリングシステムで製造されたペレットはスパゲッティ切断で得られた円柱形状を有するペレットよりもかなりの程度まで摩擦の影響を受けにくく、従って、また、製造の下流段階において空気輸送される傾向がある。この現象によるてきめんの効果には、ペレット自体が砕けて発生する粉の量が比較的少ないことがある。粉が存在するということは、ペレットと粉を分ければ生産量の損失問題が生じ、分けなかった場合には最終顧客にとって不都合となることは容易に理解される。

熱可塑性スチレンポリマーの切断にウォーターリングシステムを使用することには、これまで述べてきたように非常に多くの利益があるが、最も一般に普及した状態を変化させる方法、すなわち、例えば押出し成形および射出成形のようにポリマーの可塑化にスクリューを使用する方法では丸い形状のペレットには潜在的にマイナスの影響があるので使用が制限される。実際、これらの形状故に、この種類のペレットは生産潜在能力および生産安定性に関連した問題を発生させる可塑化段階の摩擦熱の発生を減少させる。
例えば射出成形では、この一連の現象は、特に高速射出成形を難しくする一成形時間（ｄｏｓｉｎｇ ｔｉｍｅ）の増加につながる。この作用を間接的に確認するには、通常は可塑化スクリューへの適切な供給を確認するのだが、ペレットの自重による多量のペレットの流れを表すＡＳＴＭ Ｃ １４４４−００試験方法によって計算される「安息角」の測定もある。丸いペレットの安息角は普通２０〜３２．５度であるが、円柱状ペレットの安息角は、例えばスパゲッティ切断の場合には、３５〜４５度である。

米国特許３，２０７，８１８号 米国特許４，２４５，９７２号 米国特許４，３０８，８７７号 米国特許４，８４６，６４４号 米国特許４，９７８，２８８号 米国特許５，２１５，７６３号 米国特許６，５５１，０８７号 Ｐｌａｓｔｉｃ Ａｄｄｉｔｉｖｅｓ ＆ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｉｎｇ ７月／８月 ２００５年、２２頁「ペレタイジング：適切な方法の選択」

出願人は新たに、ダイ孔の直径、切断刃の速度および数、および一孔当たりの流量を適切に加減することで、ウォーターリング切断システムであっても実質的に円柱形状のペレットを取得することが可能であることを見出した。
このようにして製造されたペレットは、可塑化スクリューへの供給部分において、スパゲッティ切断によって得られたペレットによる作用と全く類似の作用をする。このようにして得られたペレットの安息角値の範囲は３５〜４５度であるので、スパゲッティ切断による円柱状ペレットの典型的な範囲内となる。従って想定通り、このようにして得られたペレットでは空気輸送の摩擦で生成される粉の量はかなり減少する。
従って本発明の目的は、ウォーターリングダイの下流で実質的に円柱形状のペレットとなる熱可塑性ポリマーを切断する方法に関し、
ａ．一例として一軸または二軸スクリュー押出成型機または共重合プラントで生産される溶融状態のポリマーを、ウォーターリングダイへ供給し、
ｂ．長さ／直径比の範囲が１．３〜２であり、直径の（基準）範囲が２〜３．２ｍｍである実質的に円柱状のペレットを得るためにダイからポリマーを成形することを含み、
ｃ．ダイ孔毎の溶融したポリマーの流量を、（ペレット数）／グラム比が２５〜７０ｇｒ^-1の範囲になるようにし、かつ
ｄ．同一の孔における二回の切断間の時間を、５×１０^-3〜２×１０^-2秒とすることを特徴とする。
ペレットを切断後、５０℃よりも低い温度の水に浸してできるだけ迅速に冷却しなければならない。このために、ウォーターリングの入口における水温は５０℃よりも低い。

本発明によれば、上記ポイント（ｃ）および（ｄ）において特定される事項は、それぞれの孔における流量が４〜２０ｋｇ／ｈの範囲であって、ダイ孔の直径が１．５〜３ｍｍの範囲であって、ダイと接しているポリマーの温度が通常２００〜２６０℃の範囲の場合に得られる。この結果、従来のウォーターリング切断よりも、ダイ孔の直径が短く、従ってダイの圧力降下を封じる多くの孔があり、切断刃数が少ない条件での切断となる。
たとえビニル芳香族ポリマーまたはコポリマーが好ましいとしても、どのような熱可塑性ポリマーも本発明の目的であるこの切断方法に適合できる。本発明によれば、以下の一般式に該当する少なくとも一種類のビニル芳香族モノマーを重合することで得られるビニル芳香族（コ）ポリマーの好ましい重量平均分子量範囲は５０，０００〜５００，０００である。

（式中、ｎはゼロまたは１〜５の範囲の整数であり、Ｙは塩素または臭素のようなハロゲンまたは１〜４個の炭素原子を有するアルキル基またはアルコシル基であり、ＲはＣ₁〜Ｃ₄アルキル基を示す。）

上述した一般式で表されるビニル芳香族モノマーの例は、スチレン、メチルスチレン、エチルスチレン、ブチルスチレン、ジメチルスチレン、α−メチルスチレン、α−エチルスチレン、モノ−、ジ−、トリ−、テトラ−、およびペンタ−クロロスチレン、ブロモスチレン、メトキシスチレン、アセトキシスチレン等である。好ましいビニル芳香族モノマーはスチレンである。
「ビニル芳香族モノマー」という用語は、本発明によれば、一般式（Ｉ）で表されるビニル芳香族モノマー単体または他の共重合可能なモノマーを最大で５０重量％まで混合したものが使用可能であることを意味する。これらのモノマーの例は、（メタ）アクリル酸、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、イソプロピルアクリレート、ブチルアクリレートのような（メタ）アクリル酸のＣ₁〜Ｃ₄アルキルエステル、アクリルアミド、メタクリルアミド、アクリロニトリル、メタクリロニトリルのような（メタ）アクリル酸のニトリルおよびアミド、ブタジエン、エチレン、ジビニルベンゼン、無水マレイン酸等である。好ましい共重合可能なモノマーはアクリロニトリルおよびメチルメタクリレートである。
ビニル芳香族（コ）ポリマーの定義には、不飽和ゴムと上述したモノマーを重合することで得られるポリマーを含む。不飽和ゴムの例としては、ポリブタジエン、ポリイソプレンまたは、例えばブタジエンを５０〜９０重量％含むモノモーダルまたはバイモーダル、リニアまたはラジアルブロックゴムがある。

上述した条件で得られたペレットの安息角は、スパゲッティ切断によって得られたペレットの安息角（３５度〜４５度）と同等である。可塑化スクリューにペレットを供給する場合に、本発明の目的である方法によって得られた円柱状化されたペレットでは、前掲の値を超える切断パラメータを使用する旧来のウォーターリングシステムにおいて得られた回転楕円体形状のペレットにしばしば見られる供給に関する複雑な問題は発生しない。
本発明の円柱状化されたペレットの他の特徴は、空気輸送ラインにおいてほとんど粉を発生させないということである。本発明の実施例で見られるように、このペレットにはクラックまたはライブエッジ（live edges）がない。
更なる特徴は少なくともスチレンアクリロニトリルコポリマー（ＳＡＮ）ペレットおよびポリスチレンホモポリマーペレットにおいて見られる。ウォーターリングシステムにおいて得られるこれらのペレットの形状はより規則的かつ滑らかである。この特徴によって、旧来の切断で得られるペレットよりもペレットの外観が良いと考えられている。この円柱状化されたペレットは、事実、軸方向でも実用上は透明であり、このことで非常に多くの輝くまたは黒光りするスポットを生じさせる一方、旧来の切断で得られたペレットでは、粉々となった表面の面積は非常に大きいので、ペレットの実態よりもより灰色に見えるように全表面で光を同じように散乱させる。
本発明は以下の実施形態を示す実施例を参照して詳述されているが実施態様を限定するものではない。

実施例１
出願人が連続塊状重合技術を使用して生産したポリスチレンホモポリマーＥＤＩＳＴＩＲ Ｎ ２５６０を、スクリュー底の温度が２２５℃で動作し、毎分２２００回転で回転する二つの切断刃と直径１．８ｍｍのダイ孔が備えられたバンデラ（Ｂａｎｄｅｒａ）社の二軸スクリュー押出機へ直接供給する。
このポリマーの押出成形および切断は、各孔の流量Ｑが７ｋｇ／ｈ、切断水の温度が４０℃およびポリマー温度が２２５℃で実行される。押出成形および切断が終了すると、以下の特徴を有する円柱状ペレットが得られる。
ペレットの直径（Ｄ） ２．８ｍｍ
ペレットの長さ（Ｌ） ４．５ｍｍ
アスペクト比（Ｌ／Ｄ） １．６
１グラム当たりのペレット数 ３８ｇｒ^-1
安息角 ３６度
見掛け密度 ６５０Ｋｇ／ｍ³

実施例２
出願人が連続塊状重合技術を使用して生産したポリスチレンホモポリマーＥＤＩＳＴＩＲ Ｎ １８４０を、スクリュー底の温度が２０５℃で動作し、毎分２２５０回転で回転する三つの切断刃と直径１．８ｍｍのダイ孔が備えられたバンデラ（Ｂａｎｄｅｒａ）社の二軸スクリュー押出機へ直接供給する。
このポリマーの押出成形および切断は、各孔の流量Ｑが１１．８ｋｇ／ｈ、切断水の温度が４０℃およびポリマー温度が２０５℃で実行される。押出成形および切断が終了すると、以下の特徴を有する図１に図示された円柱状ペレットが得られる。
ペレットの直径（Ｄ） ３ｍｍ
ペレットの長さ（Ｌ） ４．２ｍｍ
アスペクト比（Ｌ／Ｄ） １．４
１グラム当たりのペレット数 ３４ｇｒ^-1
安息角 ３７．５度
見掛け密度 ６４０Ｋｇ／ｍ³

実施例３
出願人が連続塊状重合技術を使用して生産した耐衝撃性ポリスチレンＥＤＩＳＴＩＲ ＩＣＥ ＰＤＲ ８３５ Ｄを、切断部（ｃｕｔｔｉｎｇ ｇｒｏｕｐ）に供給されるポリマーの温度がおおよそ２４０℃の重合ラインの下流へ直接供給する。この切断部には、毎分１６００回転で回転する四つの切断刃と直径２．８ｍｍのダイ孔が備えられている。
このポリマーの押出成形および切断は、各孔の流量Ｑが１２．８ｋｇ／ｈ、切断水の温度が４５℃およびポリマー温度が２４０℃で実行される。押出成形および切断が終了すると、以下の特徴を有する図２に図示された円柱状ペレットが得られる。
ペレットの直径（Ｄ） ３．０ｍｍ
ペレットの長さ（Ｌ） ５．３ｍｍ
アスペクト比（Ｌ／Ｄ） １．７
安息角 ４２．５度
１グラム当たりのペレット数 ３１ｇｒ^-1

実施例４
出願人が連続塊状重合技術を使用して生産したアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、Ｓｉｎｋｒａｌ Ｂ ４３２／Ｅを、切断部（ｃｕｔｔｉｎｇ ｇｒｏｕｐ）に供給されるポリマーの温度がおおよそ２５０℃の重合ラインの下流へ直接供給する。この切断部には、毎分１５００回転で回転する四つの切断刃と直径２．８ｍｍのダイ孔が備えられている。
このポリマーの押出成形および切断は、各孔の流量Ｑが１２ｋｇ／ｈ、切断水の温度が４５℃およびポリマー温度が２５０℃で実行される。押出成形および切断が終了すると、以下の特徴を有する円柱状ペレットが得られる。
ペレットの直径（Ｄ） ３．１ｍｍ
ペレットの長さ（Ｌ） ４．６ｍｍ
アスペクト比（Ｌ／Ｄ） １．５
１グラム当たりのペレット数 ３０ｇｒ^-1

Claims (5)

1. ａ．一例として一軸または二軸スクリュー押出成型機または共重合プラントで生産される溶融状態のポリマーを、ウォーターリング（ｗａｔｅｒ−ｒｉｎｇ）ダイへ供給し、
   ｂ．長さ／直径比の範囲が１．３〜２であり、直径の（基準）範囲が２〜３．２ｍｍである実質的に円柱状のペレットを得るために前記ダイから前記ポリマーを成形することを含む、前記ウォーターリングダイの下流で実質的に円柱形状の前記ペレットとなる熱可塑性ポリマーの切断方法において、
   ｃ．前記ダイ孔毎の溶融した前記ポリマーの流量を、（ペレット数）／グラム比が２５〜７０ｇｒ^-1の範囲になるようにし、かつ
   ｄ．同一の孔における二回の切断間の時間を、５×１０^-3〜２×１０^-2秒とすることを特徴とする方法。
2. 前記各孔の前記ポリマーの前記流量は４〜２０ｋｇ／ｈの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ペレットを切断後、５０℃よりも低い温度の水に浸してできるだけ迅速に冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ダイと接している前記ポリマーの温度範囲が２００〜２６０℃であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記ダイ孔の前記直径の範囲が１．５〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法。

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