JP2020533194A - 粉状プラスチック粒子を熱的丸み付けまたは球状化させる方法および装置 - Google Patents

Abstract

本願は粉状プラスチックの出発物質（２０）を形成する方法に関するものであって、前記方法は以下の方法工程を有する。ａ）粉状プラスチック粒子を出発材料（２０）として提供し、ｂ）第１処理室内の前記プラスチック粒子を、前記プラスチックの融点より低い第１温度（Ｔ１）であって、前記プラスチック粒子がまだ互いに固着しないように決定される前記第１温度（Ｔ１）まで加熱し、ｃ）このようにして加熱されたプラスチック粒子の方向付けられた流れを第２処理室（４２）内に移行させ、ｄ）前記第２処理室（４２）内の前記プラスチック粒子を前記プラスチックの融点より高い第２温度（Ｔ２）まで加熱し、ｅ）前記プラスチック粒子を前記第１温度（Ｔ１）より低い温度まで冷却する。【選択図】図１

Description

粉状プラスチックを可能な限り球形の粉状プラスチックに成形する方法および装置

本発明は、粉状プラスチックを可能な限り球形の粉状プラスチックに変換する方法および装置に関する。すなわち、粉末を丸める方法及び装置について説明する。任意の形状の粒子から始めて、可能な限り球形にする。このように、本発明は、既に提供されているが、可能な限り球形では提供されていない、以下では出発材料と呼ぶ粉状材料から出発する。この材料は、個々の粒子が可能な限り球形、すなわち出発材料の粒子よりも著しく丸みを帯びるように処理される。この工程では、出発材料の粒子の体積を実質的に、例えば出発材料の９０％維持されることになる。粒子の質量は、可能な限り、例えば出発材料の少なくとも９０％維持されることになる。個々の粒子は形状が再形成されるのみである。化学組成は再形成によってできる限り変化しないことになる。

産業界では、可能な限り球形の粉状プラスチックが求められている。個々の粒子の理想的な球形状が与えられると、生成物は、特に高密度で、良好な流動性（ｆｌｏｗａｂｉｌｉｔｙ）または流動性（ｆｌｕｉｄｉｔｙ）を有することが知られており、粒子が不規則な形状の場合にはこのようにはならない。本発明に従って処理された粉状プラスチックは、例えば、粉末焼結、３Ｄ印刷、３Ｄ溶融および３Ｄ焼結に使用できることになる。

より大きな初期形状、例えば、バーまたは顆粒として提供されるプラスチックをノズルによって溶融および噴霧する方法および装置が知られている。これに関しては、ＥＰ９４５１７３Ｂ１、ＷＯ２００４／０６７２４５Ａ１およびＵＳ６９０３０６５Ｂ２が参照される。しかし、これらの方法および装置は、かなりの労力が必要とされる。このようなプラスチックは、特殊なグラインダまたは他の適当な装置で機械的に破砕することがより容易である。しかし、この場合、得られる粒子の形状は一般的に非常に不規則である。例えば、粒子は糸状または葉状であるかもしれない。それらは移動中に絡まることがある。それらは滑らかな材料円錐を形成しない。このため、多くの産業分野での実用化が困難となっている。

また、出発材料として提供されるプラスチックを溶媒で液化する方法や装置も知られている。得られた溶液は噴霧できる。一般的に、良好な球形を有する粒子が形成される。しかし、その際、環境に影響を与える化学溶剤が使用され、廃棄物が発生する。プラスチックが化学的に変化する可能性がある。本発明は、このような溶媒を用いないで済ますことを目的とする。

また、本発明の目的は、微粉内容物を増加させないことである。したがって、この方法では粒子は分解しないことになる。例えば、レーザーのレンズ上に堆積して、最適な印刷結果を妨げる可能性があるため、分解は、所望の使用にとって不利となり得る微粉内容物につながる可能性がある。あるいは、粉体から粉塵を除去するためのさらなる工程が必要とされ、これには労力を要し、結果として製品損失が１０から２０％の範囲になることも少なくない。

その目的は、５００未満の中粒度、特に１００μｍ未満、例えば３０から１００μｍの範囲の粒子である。特定できる上限は８００μｍである。粉塵内容物、つまり、例えば、４５、１０または５μｍより小さい粒子も目標である。産業界から様々な用途への要望がある。他の顧客は、この細かい粉塵を含まない粒度分布の粉末を望んでいる。

そこで、本発明の目的は、粉状に形成された不規則形状のプラスチック粒子の出発材料を、可能な限り球形であるものに変換できる装置および方法を特定することにある。

この方法は、粉状プラスチック粒子の出発材料を可能な限り球形の粉状プラスチック粒子に再成形する方法であって、以下の工程を含む方法により達成される。
ａ）粉状プラスチック粒子を出発材料として提供し、
ｂ）第１処理室内のプラスチック粒子を、プラスチックの融点より低い第１温度Ｔ１であって、プラスチック粒子がまだ互いに固着しないように決定される前記第１温度Ｔ１まで加熱し、
ｃ）このようにして加熱されたプラスチック粒子の方向付けられた流れを第２処理室内に移行させ、
ｄ）前記第２処理室内の前記プラスチック粒子を前記プラスチックの融点より高い第２温度Ｔ２に加熱し、
ｅ）前記プラスチック粒子を前記第１温度Ｔ１より低い温度に冷却する。

装置に関して、前記目的は、請求項１３に記載の装置によって達成される。

この方法及び装置によれば、そうでなければかなり危機的であると考えられる、小さなバー、短い繊維、シート状の断片、細長い形状を有する粒子及び小さな引裂き糸の形状の粒子であっても、球形構造に再形成することができる。その過程で、体積の大部分は維持される。有利には、表面領域のみが溶融され、再形成され、粒子のコアは、可能な限り凝集の固体状態のままである。ガラス繊維や炭素繊維を含む材料であっても、繊維を短くしたり、それら繊維を折って破壊したりすることなく、丸めることができる。繊維は、一般にプラスチック材料よりもかなり高い溶融温度を有するので、熱的に柔らかくなることはなく、形状が変更される。乾燥ブレンド粉末／繊維混合物もまた、この方法によって少なくとも部分的に結合され得る。これにより、後の過程での分離が防止される。

有利には、この方法は密閉空間内で行われる。装置は、第１処理室および第２処理室の形状の密閉されたハウジングを有し、このハウジングは移行領域を含み、この移行領域は、完成品の供給および除去に適した開口部を有し、好ましくは閉鎖可能であり得る。この方法は、連続的に、または分割して実施することができる。球状化はもっぱら熱的に達成される。

本発明は実質的に２段階で作用する。第１処理室で行われる第１段階では、出発材料の粒子は、プラスチック材料の融点よりも僅かに低い温度を有する程度まで加熱される。それらはまだ粘着性の表面を有していないと考えられる。これらには可能な限り多くの熱エネルギーが与えられるので、第２処理室で行われる次の第２工程では、少なくとも境界領域を溶融するのに必要な熱エネルギーのみを供給すればよい。例えば、ポリアミド１２は、融点が、例えば、１７５°Ｃ〜１８０°Ｃである。第１段階では、ポリアミド１２の粒子は、好ましくは、高くとも１７０°Ｃまでしか加熱されない。

粒子は第２工程でのみ粘着性を有する。ここでは、それらがどこかに付着したり、互いに接触したり付着したりすることを防止しなければならない。第２段階の下部領域における急激な冷却のために、粒子が再形成され、粘着性である臨界領域は下方に制限される。この臨界領域の上限は、第２加熱装置内の、粒子が粘着性を有する程度に追加的に加熱される場所によって画定される。粒子は、第１段階と第２段階の間の移行部ではまだ粘着性ではない。それらは、まだ第２加熱装置によって熱エネルギーが供給されていない。好ましくは、臨界領域は、自由空間、シース流および／または好ましくは円筒壁によって横方向に区切られる。この壁は、例えば円筒状として形成されてもよいし、ガラスや石英からなる円錐状であってもよい。好ましくは、壁は、壁に向かって飛翔する粒子が偏向されるか、または振り落とされる手段を有する。例えば、壁は超音波によって振動される。ｚ方向では、臨界領域の長さはｄである。

この方法では、複数の粒子が、流れの中で方向付けられた方法で誘導される。この過程で個々の粒子は接触しないことになる。個々の粒子間の距離は対応する大きさになるように選択される。全体として、粒子は理想気体のように振舞うことになる。粒子流の運動は粒子が位置するガス流に従う。この移動は重力方向であることが好ましい。

粒子は、液相に完全に移行する必要はなく、移行すべきでもない。例えば、表面に近い体積の６０または８０％の外側領域が、表面張力により不規則性が補償されるほど十分な程度に溶融する場合であれば十分である。この方法では、粒子のコアは、接触しない状態であってもよい。次に、可能な限り球状なボディを外面的に与える再形成された層で囲まれる。これはプラスチック材料にもやさしい。また、エネルギーに関しては、実施するのにより良く、また、より容易である。しかし、これは、粒子が完全に液相に移行することを妨げるものではない。粒子の温度は、溶融温度よりも高く、可能な限りそれに近い温度、特に最高で５°Ｃ高い温度にしておくべきである。例えば、ポリアミド１２の場合、第２段階の粒子の温度は、例えば１７５°Ｃ〜１８０°Ｃである。

この方法は好ましくは不活性ガス雰囲気、例えば窒素中で行われる。好ましくは、酸素含有量は、少なくとも第２処理室において、好ましくは第１処理室においても酸素限界濃度より低い。

出発材料として装置に導入された粉状プラスチック材料は、好ましくは、同じ出願人による出願番号１０ ２０１７ １００ ９８１である２０１７年１月１９日のドイツ優先権出願に記載されている方法で製造することができる。当該出願の開示の内容は、完全に本出願の開示の内容に属する。

本発明の例示的な実施形態を以下に説明し、図面を参照してより詳細に記載する。これらの例示的な実施形態は、限定として理解されるべきではない。図面内において：

図１は、装置の第１の例示的な実施形態を示す概略図である。 図２は、装置の第２の例示的な実施形態を示す概略図である。 図３は、第１の構成における整流器の部分領域の斜視図である。 図４は、第２の構成における図３のような斜視図を示す。

右回りのｘ−ｙ−ｚ座標系が説明に使用される。ｚ軸は重力の方向とは反対に、上向きに伸びる。

まず、図１に示す第１の例示実施形態について以下に説明する。次に、図２に示す第２の例示実施形態について、第１の例示実施形態と異なる部分のみを説明する。

例えば、グラインダ（表示されない）で粉砕された出発材料２０は、バンカ２２に充填されている。バンカ２２は、気密に密封することができる。それには対応する蓋を有する。好ましくは、円錐形状を有する。ロータリーフィーダ２４は、その下端に配置される。その出口は、第１処理室２８の製品入口２６に接続されている。ロータリーフィーダ２４は、従来技術から知られている。それらは、粒径０−８ｍｍの粒子に対してサイロからの計量放出に使用されている。例えば、ＤＥ３１ ２６ ６９６Ｃ２が参照される。

第１処理室２８は、実質的に円柱状に形成されており、円柱軸がｚ方向に一致する。その下部領域において、第１処理室２８は円錐状に次第に細くなり、そこに出口３０を有する。そこでは、移行領域３２に接続されている。第１加熱装置３４を形成する熱風用の環状入口は、下側円錐領域内に配置される。第１処理室２８には、矢印３６の方向にｚ方向に高温ガスが吹き込まれる。この高温ガスは、第１処理室２８内に位置する出発材料２０を加熱して第１温度Ｔ１にする。その目的は、出発材料２０の個々の粒子が、可能であれば全て、第１処理室２８内で第１温度Ｔ１まで均一に加熱されることである。

また、第１加熱装置３４の構成を変更することも可能である。この場合、熱風によって粒子が輸送されるので、熱風の注入は維持される。しかし、熱風の吹き込みは少なく、さらに、筒状の外壁に設けられた加熱ジャケット（表示されていない）を介して熱が供給される。

バンカ２２内に充填された出発材料２０を既に予熱することができる。この目的のためには、従来技術から知られている任意の加熱装置を使用することができる。出発材料２０は、バルク材料として加熱することができる。予熱温度は可能な限り高いが、出発材料２０の粒子が直接接触していても、それらが互いに付着する危険性はないというのに十分な程度にまで材料の融点よりも低い。第１処理室２８を不要とすることが可能である。これは、特に予熱処理が行われる場合に該当する。

移行領域３２は円筒状である。移行領域３２内に整流器３８を配置する。これは、管状移行領域３２の全断面を満たす。これは、負のｚ方向への粒子の移動を均一にするためのものであり、これは第１加熱装置３４から発し、整流器３８を介してのみ流出することができる高温ガス流に関連して行われる。ガス流は粒子を輸送し搬送する。整流器３８の適切な構成とガスの流れによって層流が得られる。移行領域３２の下方に位置する第２処理室４２に流入する方向付けられた粒子流が得られる。この粒子流は理想気体のように振舞うことになる。粒子はすべて直線的に移動することになる。それらは互いに接触しないことになる。

層流は、目に見える乱流（旋回流／横断流）が（まだ）発生しない液体と気体の動きである。流体は混合しない層を流れる。移行領域３２では一定の流速が維持されるので、これは定常流である。

整流器３８は、例えば、ＤＥ１０ ２０１２ １０９ ５４２Ａ１およびＤＥ１０ ２０１４ １０２ ３７０Ａ１から知られている。図３および４は、２つの可能な実施形態の一部を示す。図３による実施形態では、隔壁４０は、ｘ−ｙ平面にハニカムパターンを生成するように配置される。図４において、分割壁４０は直角に交差し、ｘ−ｙ平面において正方格子を形成する。ｚ方向では、両方の実施形態が、数センチメートル、例えば５から１５ｃｍにわたって延在する。ｘ−ｙ平面における対向する隔壁４０の明確な距離は、０．５から５ｃｍの範囲であってもよい。

第２処理室４２は、移行領域３２の下に配置される。上部領域は、移行領域３２の下端に接続されている。それは実質的に円筒形状を有する。それは第２加熱装置４４を含む。特定の例示実施形態では、これは第２処理室４２の内壁に配置された複数の赤外線放射器４５によって実現される。これらは、個別に制御することができ、個別に温度調節することができる。ｘ−ｙ平面では、粒子は粒子流から十分に離れているので、粒子がその近傍に到達するのを防ぐことができる。それらは粒子流に向けられ、粒子を融解温度よりもわずかに高い第２温度Ｔ２に導くことになる。したがって、個々の粒子は、少なくともそれらの表面領域で融解される。それらは少なくとも部分的には液体になる。表面張力のため、これらの粒子は変形し、多かれ少なかれ球形になる。

この過程では、粒子が形成されるのに十分な時間を与えるために、下向きに流れる粒子流が負のｚ方向の十分長い距離ｄを自由に通過できる必要がある。成形に要する時間は、各プラスチックに対する実験および二次条件によって決定される。距離ｄは、粒子を搬送するガスの時間の間隔および流速から計算される。

粒子が第２温度Ｔ２にある限り、ある粒子と他の粒子との接触は、可能であれば生じてはならず、粒子は、第２処理室４２の内壁に達するか、または他のアイテムと接触するべきではない。上記の距離にわたって粒子流を一定に保つこと、特に断面積を一定に保つことは実際上困難であるため、第２処理室４２は、下方に円錐状に膨張し、それはその方向での流れの膨張に対応している。

粒子が形成されると、それらの質量は維持される。形状のみが変更される。

距離ｄの下端では、成形過程が十分に起こっており、少なくとも実質的に球形が得られている。そこで、第２処理室４２の下部領域の粒子は、冷却領域において第１温度Ｔ１よりも低い温度に可能な限り早く冷却されて、もはや粘着性がなくなる。冷却は、冷却ガスを導入することによって行われる。好ましくは、液体窒素は、ｚ方向に横方向に配向されたノズル４６を通して注入される。冷却領域は、距離ｄの下方に位置し、第２処理室４２の底部の上方、つまり、製品出口４８の上方で終了する。

付着しなくなった粒子は、第２処理室４２の最下部の製品出口４８で除去される。このとき、それらは第２処理室４２内を流れるガス流によって搬送される。一方では、それは第１処理室２８からの熱風に源を有し、他方では、ノズル４６から流れる緩和液体窒素の圧力に源を持つ。このガス流は、製品出口４８を通してのみ排気することができる。

フィルタ５０はパイプを介して製品出口４８に接続されている。スクリーン５２は、このフィルタ５０の下に配置される。球形になった粒子はスクリーン５２から収集容器５４、例えばバッグに落下する。

上述した流れのガスに対する流出口５６はフィルタ５０に設けられている。制御可能であり、この流出口５６において流出する経時的なガスの量を測定可能なファン５８を配置することができる。

改良点をさらに図１に示す。出口が負のｚ方向に下方に向けられた噴射ノズル６０は、第２処理室４２内に配置され、また整流器３８の直径の外側のｘ−ｙ平面内で整流器３８の真下に配置される。これらを通して、高温ガスが注入され、その高温ガスは温度Ｔ２を有することが好ましい。それは、粒子流の周りにシース流を形成する。加熱された高温ガスを供給するための噴射ノズル６０は、赤外線放射器４５に加えて、またはそれらなしで、粒子を第２温度Ｔ２に加熱するために使用されてもよい。

図２による例示的な実施形態では、円筒壁６２が第２処理室４２内にさらに配置される。それは好ましくは石英ガラスから作られ、また赤外線放射器４５の光に対して透明である。その内径は、噴射ノズル６０の直径よりも僅かに大きい。噴射ノズル６０によって引き起こされるシース流は、この壁６２によって外側に向かって区切られる。壁６２の上端は、噴射ノズル６０の側方または直下に位置する。それはノズル４６の上方に位置する下端を有する。

装置は、好ましくは、複数のセンサを有し、その少なくとも１つは、以下に列挙されるセンサの１つである。
−第１処理室内、第２処理室内の少なくとも１つの温度を検出するためのセンサ
−導入された高温ガスの温度を検出するためのセンサ
−導入された高温ガスの速度を検出するためのセンサ
さらに、プロセスを制御するための制御ユニットを有する。これらの詳細は図面には示されていない。

実質的に、好ましくなどの用語および不正確であると理解される可能性のある表示は、正常値からプラス／マイナス５％、好ましくはプラス／マイナス２％、および特にプラス／マイナス１パーセントの偏差が可能であることを意味すると理解されるべきである。出願人は、請求項のいかなる特徴および下位特徴まで、および／または明細書の特徴および部分的特徴を、独立請求項の特徴の範囲外であっても、任意の形式で互いに組み合わせる権利を留保する。

２０ 出発材料
２２ バンカ
２４ ロータリーフィーダ
２６ 製品入口
２８ 第１処理室
３０ 出口
３２ 移行領域
３４ 第１加熱装置
３６ 矢印
３８ 整流器
４０ 分割壁
４２ 第２処理室
４４ 第２加熱装置
４５ 赤外線放射器
４６ ノズル
４８ 製品出口
５０ フィルタ
５２ スクリーン
５４ 収集容器
５６ 流出口
５８ ファン
６０ 噴射ノズル
６２ 壁
Ｔ１ 第１温度
Ｔ２ 第２温度
ｄ 距離

Claims (20)

1. 粉状プラスチック粒子の出発材料（２０）を可能な限り球形の粉状プラスチック粒子に形成する方法であって、以下の工程を含む方法。
   ａ）粉状プラスチック粒子を出発材料（２０）として提供し、
   ｂ）第１処理室内の前記プラスチック粒子を、前記プラスチックの融点より低い第１温度Ｔ１であって、前記プラスチック粒子がまだ互いに固着しないように決定される前記第１温度Ｔ１まで加熱し、
   ｃ）このようにして加熱された前記プラスチック粒子の方向付けられた流れを第２処理室（４２）内に移行させ、
   ｄ）前記第２処理室（４２）内の前記プラスチック粒子を前記プラスチックの融点より高い第２温度Ｔ２まで加熱し、
   ｅ）前記プラスチック粒子を前記第１温度Ｔ１より低い温度まで冷却する。
2. 前記方法の工程ｃ）において、前記プラスチック粒子の流れを整流器（３８）によって層流に変換することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記プラスチック粒子は、前記第２処理室（４２）において互いに接触しないことを特徴とする先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
4. 前記第２処理室（４２）内の前記プラスチック粒子が、方向付けられた流れ内に位置し、気体流の影響、好ましくは重力の影響も受けて、負のｚ方向に移動することを特徴とする先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記出発材料（２０）の前記プラスチック粒子が、可能な限り球形である粉状プラスチック粒子の最終生成物の最大長よりも少なくとも５０％、特に少なくとも１００％の長さを有することを特徴とする、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記方法の工程ｂ）において、前記第１温度Ｔ１が、前記プラスチックの融点よりも少なくとも３°Ｃ、特に少なくとも５°Ｃ低いことを特徴とする、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記方法の工程ｄ）において、前記第２温度Ｔ２が、前記プラスチックの融点よりも少なくとも３°Ｃ、特に少なくとも５°Ｃ高いことを特徴とする、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第２処理室（４２）内の前記プラスチック粒子が直線運動をすることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記第２処理室（４２）内の前記プラスチック粒子は、前記プラスチック粒子の負のｚ方向の流れと同じ方向、好ましくは同じ速度で流れるシース流によって囲まれていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
10. 少なくとも前記第２処理室（４２）において、好ましくは前記第１処理室においても、酸素含有量が、酸素限界濃度より低いことを特徴とする先行請求項いずれか１項に記載の方法。
11. 前記第１処理室および／または前記第２処理室（４２）に前記出発材料（２０）の前記プラスチック粒子を個別に注入することを特徴とする先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
12. 工程ａ）において、前記出発材料（２０）の前記プラスチック粒子は、第１温度Ｔ１よりも著しく低い、特に第１温度Ｔ１よりも３０°Ｃ低い予熱温度まで既に加熱されていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項に記載の方法。
13. 先行請求項のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置であって、
    − 前記出発材料（２０）のための製品入口（２６）と出口（３０）とを有し、さらに第１加熱装置（３４）を有する第１処理室と、
    − 一方の端が前記出口（３０）に接続された移行領域（３２）と、
    − 上部領域において、前記移行領域（３２）の他端に接続され、第２加熱装置を有し、前記第２加熱装置の下に位置する冷却領域を有し、また、製品出口（４８）を有する第２処理室（４２）と、を備えることを特徴とする装置。
14. 前記製品入口（２６）が、前記出発材料（２０）が配置されて気密に密閉可能なバンカ（２２）に接続され、好ましくはロータリーフィーダ（２４）が前記バンカ（２２）と前記第１処理室との間に配置されていることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
15. フィルタ（５０）およびスクリーン（５２）がこの順で前記製品出口（４８）に配置されていることを特徴とする、請求項１３および１４のいずれか１項に記載の装置。
16. 前記第１処理室の前記第１加熱装置（３４）が、加熱された高温ガスを導入するための噴射装置を有することを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の装置。
17. 前記第２加熱装置が、ｚ軸に対して横方向に配置された複数の加熱要素、特にＩＲ放射器を有することを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の装置。
18. 前記第２処理室は、負のｚ方向に膨張し、特に円錐状に膨張する容器を有することを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 吸引ファン（５８）が、前記製品出口（４８）、特にフィルタ（５０）の後方に配置されることを特徴とする、請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の装置。
20. 好ましくはシリンダ管として構成される壁（６２）が前記第２処理室（４２）内に配置され、前記壁（６２）は、ｚ方向に平行に延び、上端が前記第２加熱装置の上方に位置し、下端が前記ノズル（４６）の上方に位置することを特徴とする、請求項１３〜１９のいずれか１項に記載の装置。
    
    
    

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