JP2014223603A - 紛体の製造方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 紛体を製造する方法としては、従来種々の方法で行われてきたが、いずれも紛体が広い粒径分布を持つ上、紛体の形状が角ばってしまい滑らかな紛体を得ることが難しいといった懸念があった。【解決手段】熱可塑性ポリマーに熱を加えて膨潤状態にして溶融ポリマーとし、この溶融ポリマーから高速エアーと電荷を使ったＭｅｌｔ ＥＳＤ方式を使用して紛体を生成するようにした紛体の製造方法およびその装置を提供しょうとしたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、熱可塑性物質を球状の紛体に製造する方法およびその装置に関する。

紛体は、人工皮革や化粧品基材などには広く使用されているが、熱可塑性樹脂において、さらに安価で且つ粒径が制御された真球状の紛体が大量に生産できる製造方法が求められるようになってきた。

特に、熱可塑性樹脂などの紛体の製造方法としては、柔らかいため液体窒素で凝固した後、粉砕機にて砕き小さな粒径に粉砕して紛体を得る方式や樹脂を溶媒に溶解し、溶媒の温度による溶解度差を利用する化学方式で紛体を得る方式や高速回転する円盤の上に溶媒で溶融した樹脂を滴下し、周囲に飛散して紛体を得る方式などが利用されている。

しかし、粉砕機にて小さな粒径に粉砕して砕く方式は、砕いた際、粒径を変えることが難しく、且つ、どうしても紛体の形状が角ばってしまい滑らかな紛体を得ることが難しいといった懸念があった。
また、他の方法においても、均一な球状にならない欠点があった。

一方、モノマーを高温で液状の物質に溶解させ、アルカリ性触媒を使用してモノマーから粒子状の紛体を得る方法があるが、この方法では金属ナトリウムなど非常に活性の高い物質を使用するために爆発や火災などの危険を伴うという問題を抱える上、触媒残渣不順物の除去が困難になるといった問題があって紛体の重合方法として一般に普及するにいたっていない。

そこで本発明はこれらの問題を解決しょうとしたもので、本発明の第１の目的は溶融電界紡糸法（以下「Ｍｅｌｔ ＥＳＤ方式」という。）を活用して簡単且つ、安全に真球状の紛体を大量生産できるようにしたものである。

本発明のもう一つの目的は、人工皮革や化粧品基材などに適した滑らかで品質の高い粉体を簡単な作業で安価に生産できるようにしたものである。

本発明のもう一つの目的は、爆発、感電、被爆の恐れをなくしたものである。

本発明の第１の解決手段は、熱可塑性ポリマーに熱を加えて膨潤状態にし、高速エアーと電荷を使って紛体を生成するＭｅｌｔ ＥＳＤ方式を設けたことである。すなわち、熱可塑性ポリマーを溶融し、風と電荷を共用したＭｅｌｔ ＥＳＤ方式による紛体の製造方法である。粒子径が大きい場合は、電荷を用いず高温高圧エアーで製造することが可能である。

本発明の第２の解決手段は、Ｍｅｌｔ ＥＳＤ方式を使用して熱可塑性ポリマーを紛体化する装置は熱可塑性ポリマーを溶融する機構と溶融ポリマーを吐出するノズル、ノズルから吐出する溶融ポリマーを延伸するために使用される高温の高速エアーを発生するエアーノズル、溶融したポリマーを吐出するノズルの先端に電荷を発生させる電極とから構成したことである。

本発明の第３の解決手段は、Ｍｅｌｔ ＥＳＤ方式を使用する際、異種熱可塑性ポリマーをペレット状態で混合し、紛体化することで異種熱可塑性ポリマーの各ポリマー特性を損なわず、各ポリマーの特性を併せ持つ紛体を作り出すことである。

ここで、Ｍｅｌｔ ＥＳＤ方式に使用する紛体の素材である熱可塑性ポリマーは、ポリエステルやポリアミド、ポリオレフイン、ポリウレタン（ＰＵ）などが挙げられる。ポリエステルとしてはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリトリメチレンテレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）などが挙げられる。また、ポリアミドとしてはナイロン６（Ｎ６）、ナイロン６６（Ｎ６６）、ナイロン１１（Ｎ１１）などが挙げられる。ポリオレフインとしてはポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）などが挙げられる。
特に、ポリ乳酸（ＰＬＡ）は、自然分解機能を有していることから地球環境を汚染することがなく好まし。

上述したように、本発明のＭｅｌｔ ＥＳＤ方式により製造された紛体は次のような効果が得られる。
（１）ノズル側をＧＮＤに接続することで高電圧電源の電源をゼロにし、ＧＮＤからプラス電荷を供給することができるようにしたので、漏電の危険性をなくし大量生産を可能にしたこと。
（２）高電圧電源は静電誘導を起こすだけであるため、電流がまったく必要なく、ノズル数を無限に接続可能にしたこと。
（３）有機溶剤を使用せず、熱可塑性ポリマーに熱を加えて膨潤状態にし、高速エアーと電荷を使って紛体を生成するようにしたので、作業者に対して有機溶媒の被爆危険が全くない。
（４）電界干渉やイオン風の現象を防止し、必要な粒径の真球状の紛体を大量生産できるようにしたこと。
（５）ノズル先端での電荷量の減少を防止し、長時間のスプレーを可能にしたこと。
（６）ポリマー溶液側がＧＮＤであるため漏電を無くすようにしたこと。さらにこの漏電により、作業者の安全を可能にしたこと。
（７）ポリマー溶液供給関連装置などを絶縁しなくて良いため装置が非常に安全で簡単な構成であること。
（８）ノズル先端に電気力線を集中できるようにしたので、一本のノズルから大量のナノファイバーを作り出すことができ、多数のノズルを装備する必要がないこと。
（９）単純な構成で大量生産を可能にしたので、生産コストも低減できる上、消費電力やメンテナンスコストもかからずコストの面で多大な効果があること。
（１０）単純な装置であるので、扱い易く、保守に手間がかからないといった効果があること。

Ｍｅｌｔ ＥＳＤ方式の構造を示す概念図。 Ｍｅｌｔ ＥＳＤ方式の動作を示す概念図。 Ｍｅｌｔ ＥＳＤ方式を使用した紛体化装置の１実施例を示す図。 Ｍｅｌｔ ＥＳＤ方式を使用した紛体化装置から生成した紛体の拡大図。

以下、本発明のＭｅｌｔ ＥＳＤ方式を使用した紛体化の原理について、図１、２に基づいて説明する。
１は溶融ポリマーを装填するシリンダーで、シリンダー１の先端には溶融ポリマーを吐出するノズル２が形成されている。このノズル２には高温の高速エアーを導通する円形のカバー３が取り付けられエアー導通路４とエアーノズル５が形成されている。これらは金属で作られている。このカバー３には電極６が設置され、ノズル２の先端との間に高電圧が印加されている。

次に、Ｍｅｌｔ ＥＳＤ方式を使用した紛体化の方法について、図２に基づいて説明する。
まず、粘土が十分下がるまで加熱して溶融された熱可塑性ポリマーをシリンダー１の先端に供給する。次に、供給された溶融ポリマーはノズル２から吐出する。この際、同時にエアー導通路４に供給された高温の高速エアーがエアーノズル７から噴出される。この噴出した高速エアーは、ノズル２上で衝突し圧縮され高圧となる。そして、この噴出した高温の高圧縮エアーにより生じる気圧差により溶融ポリマーは紛体化される。

上記のように、高温の高速エアーの役割は、ノズル２の先端の温度を高温に保つ役割とノズル２先端で高温エアーが収束することで圧縮され、圧縮された高温エアーがノズル２先端から開放されたときに、吐出された溶融ポリマーを気圧差の利用により紛体化する。このとき、電極６によって静電誘導された電荷が紛体化されたポリマーに与えられ、同極による反発力（クーロン）によって更に静電爆発が起きナノ紛体化が形成される。このとき生成されたナノ紛体は、電荷を有する荷電ナノ紛体である。

この際、重要なことは、溶融ポリマーが溶融温度を保ち紛体化することで表面張力が働き完全な真球となる。

次に、荷電ナノ紛体の捕集方式は次のようにして行われる。まず、溶融された溶融ポリマーを高電圧を印加したノズル２から吐出する際、溶融ポリマーは電荷が帯電される。それによって、ポリマー溶液表面の同極電荷による反発力（クーロン力）とポリマー溶液のサブストレート間で働く逆極電荷の引力（クーロン力）が合わさりポリマー溶液の表面張力を上回った時に１次誘電爆発が発生し、ポリマー溶液が爆発的に延伸される。１次誘電爆発で延伸を始めた紛体は、電界中を捕集板（逆電極）に向かって引き寄せられ、捕集板に堆積して滑らかな球形状のナノ紛体として捕集される。

以下、本発明のＭｅｌｔ ＥＳＤ方式を使用した紛体化装置およびその製造方法について図３を参照して具体例を説明する。

７はポリ乳酸のペレットを充填したホッパーで、このホッパー７はシリンダー１に連通している。紛体化本体の後方には油圧モーター８が配置され、このモーター８の先端にはシリンダー１内を回転運動するスクリューが配置されている。さらに、シリンダー１の外周にはヒーター９が巻き付けられている。
シリンダー１の先端には溶融したポリ乳酸を吐出するノズル２が形成されている。さらに、このノズル２には高温の高速エアーを導通する円形のカバー３が取り付けられエアー導通路４とエアーノズル５が形成されている。１０は高温の高速エアーをエアー導通路４に供給するエアー供給管である。

上記のような構造であるので、まず、ポリ乳酸を紛体化する場合はホッパー７にポリ乳酸のペレットを充填してシリンダー１内に装填する。次に、装填されたポリ乳酸のペレットはヒーター９によって粘度が十分下がるまで加熱され溶融される。溶融された溶融ポリ乳酸は、油圧モーター８によって駆動されたスクリューによって、ノズル２側へ押し出されノズル２より吐出される。この時同時にエアー供給管１０より高温の高速エアーが供給され、ノズル２先端でこの高温の高速エアーが収束圧縮され、この圧縮された高温の高速エアーがエアーノズル５から開放されたときに、前記吐出された溶融ポリ乳酸を気圧差の利用により紛体化される。この時、電極６によって静電誘導された電荷が紛体化されたポリ乳酸に与えられ、同極による反発力（クーロン）によって更にナノ紛体化が形成される。この時生成されたナノ紛体は、荷電を有する荷電ナノ紛体として電極捕集される。

疎水性材料と親水性材料あるいは融点の違う異種ポリマーを使用してＭｅｌｔ ＥＳＤ方式で生成した紛体について説明する。

Ｍｅｌｔ ＥＳＤ方式で異動ポリマーをペレット状態で混合すると、異種ポリマーは互いに混ざり合わないため、独立した状態で紛体となる。これによって、異種ポリマーが紛体状態で分散状態となる。その結果、各ポリマーの特性を併せ持つ状態となる。

なお、本発明は前記実施形態そのままに限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化でき、また前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の変更が可能である。さらに、前記実施形態ではポリマーを主体にして述べたが、例えば、シリンダーの外周を取り巻いたコイルを用いて誘導過熱で３，０００℃まで加熱することができ、金属あるいは無機物質を溶解できることから、金属あるいは無機物質の紛体も製造可能である。

紛体を製造する方法としては、従来種々の方法で行われてきたが、いずれも十分満足するものでなく改善された紛体の製造方法が望まれていた。種々の研究の末、Ｍｅｌｔ ＥＳＤ法により紛体を製造する方法を開発し、必要な粒度分布が揃った真球状のものを形成したもので、本発明は産業上極めて利用価値の高いものである。

１・・・シリンダー ２・・・ノズル ３・・・円形のカバー
４・・・エアー導通路 ５・・・エアーノズル ６・・・電極
７・・・ホッパー ８・・・油圧モーター ９・・・ヒーター
１０・・・エアー供給管

Claims (3)

1. 熱可塑性ポリマーに熱を加えて膨潤状態にし、高速エアーと電荷を使ったＭｅｌｔ ＥＳＤ方式て紛体を生成したことを特徴とした紛体の製造方法。
2. 熱可塑性ポリマーが異種熱可塑性ポリマーから構成されたことを特徴とする請求項１の紛体の製造方法。
3. 溶融ポリマーを装填するシリンダーと、シリンダーを覆う円形のカバーと、シリンダーと円形カバーにより形成した高温の高速エアーを導通するエアー導通路およびエアーノズルと、シリンダーの外周に巻き付けたヒーターと、シリンダーに連通するホッパーと、シリンダーを回転駆動する油圧モーターと、シリンダーの先端に形成したノズルと、ノズルの先端に電荷を発生させる電極とから構成し、ノズル先端から吐出した荷電を帯びた溶融ポリマーを、高温の高速エアーから発生する気圧差により紛体化できるようにしたことを特徴とした紛体の製造装置。