JP2552821B2 - ガスと流動ポリマー材料とを混合する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、種々の製品の接着用に広く使用
されているポリマー被覆材や塗料のようなホット・メル
ト熱可塑性接着剤又はいわゆるホット・メルトを発泡さ
せる装置に関する。

【０００２】例えばホット・メルトに関して、接着剤を
従来の非発泡状でなく、発泡体として塗布した場合には
ホット・メルト接着剤から得られる接着剤の接合強度が
かなり向上し、多くの場合、少なくとも２倍になること
を本発明の譲渡人は発見した。ホット・メルト熱可塑性
接着剤発泡システムは発明者ショル（Scholl）等の米国
特許第4,059,466 号に開示されており、この特許ではホ
ット・メルト熱可塑性接着剤と発泡剤との固体混合物を
加熱用貯槽に入れて、接着剤の溶融温度以上であって発
泡剤の分解温度未満の温度に加熱して溶解する。この溶
解した接着剤と固体状態の発泡剤との混合物は、歯車ポ
ンプによって加圧され、例えば、３００ポンド／平方イ
ンチの圧力でホット・メルト吐出機に供給される。この
歯車ポンプとホット・メルト吐出機出口との間で、溶融
接着剤と固体発泡剤との混合物は、更に高温に加熱さ
れ、これにより発泡剤が分解し、例えば窒素ガスのよう
なガスを発生する。こうして発生したガスは上記圧力に
より液体接着剤に溶解される。この加圧状態の液体・ガ
スの接着剤溶体は、その後、接着剤吐出機の弁付型出口
に送られ、大気圧で吐出される。この吐出機の出口ノズ
ルからの放出の際に、ガスが小さな泡となって溶体から
発生し接着剤を膨張させる。こうして非加圧状態となっ
た接着剤は、凝固し均質な固体発泡体になり、この発泡
体には、ガス泡即ち気泡が発泡体全体にほぼ一様に分散
する。

【０００３】発明者ショル（Scholl）等の米国特許第4,
059,714 号には別のホット・メルト熱可塑性接着剤発泡
システムが開示され、これは溶融接着剤をガスに混合し
１段又は２段の歯車ポンプで加圧するもので、ガスと溶
融接着剤とはこの歯車ポンプ内で完全に混合されてガス
がポンプ出口圧力により液体接着剤内に溶解する。その
後、この加圧状態の液体・ガス接着剤溶体は、弁付吹出
ガンに送られて大気圧で吹出される。この吐出機の出口
ノズルから放出される際に、ガスは小さな泡となり、接
着剤を膨張させて、非加圧状態の均質な固体泡含有物を
生成する。この泡含有物内には、ガス小室が全体に均一
に分散している。本譲渡人に譲渡された発明者コブス、
ジュニア（Cobbs, Jr)等の米国特許第4,156,754 号に
は、可溶性の又は固相の表面活性剤を混入して、溶融熱
可塑性材料中のガスの分散状態を安定化し、その後ポン
プを具えた簡単な機械的手段によってかなりの時間にわ
たって加圧状態を保ち、ガスを容易にかつ簡単に、溶解
し流動移動し吐出して発泡させることが開示されてい
る。

【０００４】また本譲受人に譲渡された、発明者がコブ
ス、ジュニア（Cobbs,Jr）等の米国特許第4,247,581 号
には、以下のような関連技術が開示されている。即ち、
ポリマー材料を表面に被覆する表面被覆方法及び装置
は、まず成膜用固体を含有する液体組成物を発泡させ、
次いでその泡含有物を上記表面の方へ搬送して泡含有物
の分解により、表面上に固体の膜を形成する。この発明
では粘度が３００センチポアズを越える、具体的には３
００〜３０，０００センチポアズ以上の成膜用組成物を
使用することができる。

【０００５】コブス・ジュニア（Cobbs,Jr）米国特許第
4,301,119 号及び第4,423,161 号には、泡体積比がほぼ
一定となる泡含有物を吐出する方法及び装置が開示され
ている。これらの発明では、容器に液体と発泡剤との発
泡可能混合物を収容する。この容器には、吐出用出口と
上記液体の上方の蒸気空間とが夫々設けられ、更に上記
発泡可能混合物の蒸気圧に少なくとも等しい蒸気圧で、
ほぼ一定組成の発泡剤を蒸気状態に保持する手段が設け
られており、これによって泡体積比が一定の発泡体を吐
出する。これらの特許は、熱可塑性及び熱硬化性の樹脂
組成物などの液体成膜成分又はポリマー成分から成る被
覆用又は接着用組成物を含むいろいろな液体組成物を発
泡させる技術が開示されている。

【０００６】発明者ワイドロ（Wydro）等の米国特許第
4,405,063 号には、吐出されたホット・メルト熱可塑性
接着剤発泡体の密度を制御して泡特性を均一にするシス
テムが開示されている。この特許では、２段の歯車ポン
プを使用して、接着剤発泡体の吐出時にポンプに接続さ
れるガス供給源からのガスと溶融接着剤とを混合する。

【０００７】発明者がコブス・ジュニア（Cobbs,Jr）等
の米国特許第4,505,406 号及び第4,505,957 号には、循
環ループを用いて熱発泡可能な組成物を、劣化や硬化さ
せることなく又揮発成分を損失することなく連続的に処
理して被覆材として均一に塗布することが開示されてい
る。

【０００８】上述のいくつかの特許に述べられているよ
うに、ガス状発泡剤を溶融接着剤に混合し加圧してガス
を接着剤に溶解する方法では、一段又は二段の歯車ポン
プが使用されている。この場合、溶融接着剤と発泡用ガ
スとは、歯車ポンプ内に流入され、ここで一対の歯車の
噛合によって充分に混合され、ガスは圧力により溶解し
て溶融状態の接着剤・ガス溶体を生成する。歯車ポンプ
はガスと溶融接着剤との混合物の圧力を約３００ポンド
／平方インチに増加し、この圧力では、溶融ポリマー内
のガスは、溶融ポリマーに溶解した状態のままであり、
この状態は溶融ポリマーが大気圧中に吐出され泡含有物
を生成するときまで保たれる。歯車ポンプの歯の噛合は
多数の小ピストンとして作用し、供給された液体をポン
プ内に吸引し加圧してポンプ出口から吐出する。例えば
米国特許第4,059,714 号に開示された歯車ポンプを用い
て発泡する場合には、使用されるホット・メルト接着剤
組成物としては、例えばイーストマン・ケミカル（East
man Chemical）社のイースタボンド（Eastabond）Ａ−
３〜Ａ−３２の如きポリエチレンをベースにした公知の
ホット・メルト接着剤組成物が存在する。これらの材料
の粘度は約３５０°Ｆの溶融温度で約２，２００cps 乃
至３５，００〜４０，０００cps の範囲内である。これ
らの材料は、１段又は２段の歯車ポンプによってうまく
発泡させることができるが、しかしながら粘度が増大す
るにつれて材料の押出量が急激に低下してしまう。即
ち、粘度が高くなり３０，０００cps のオーダになる
と、押出量は低粘性材料の押出量の 1／3 〜 1／4 程度
にまで低下してしまう。

【０００９】更に、粘度が３００，０００〜１１，００
０，０００cps 以上の熱硬化性シーラント材料の如き比
較的高粘性ポリマー材料を、歯車ポンプを使用して発泡
させようとしたとき、押出量が大幅に低下しかつポリマ
ー材料の温度上昇も非常に大きくなってしまうことが分
った。或る熱可塑性樹脂、例えばポリイソブチレンをベ
ースにした材料やポリエチレンをベースにしたホット・
メルトの如き熱可塑性物質を発泡する場合には温度上昇
は許容しうるが、しかしシリコーンＲＴＶ（室温硬化）
ゴムの如き熱硬化性材料の場合には上述の温度上昇によ
って材料が予め硬化されてしまい非常に短かい「オープ
ンタイム」となってしまうか、それとも発泡装置内で凝
固し装置を止めてしまう。また上述の温度上昇によって
ポリマーは、その化学構造によっては劣化することもあ
る。歯車ポンプを使用して高粘性のポリマー材料を発泡
した時に起こる押出量の大幅な低下及び大幅な温度上昇
の原因を調べてみると、ポンプがポリマー材料に及ぼす
作用即ち、機械的仕事量が熱に変換され、ポリマー材料
の温度上昇をもたらしていることが分った。上述のよう
に、比較的高粘性の材料を従来の歯車を使用して発泡す
ることは、温度上昇のため商業的にみて実用的ではな
い。

【００１０】本発明は、互に噛合いかつ逆方向に回転さ
れる一組の円盤群を用いて発泡用ガスをポリマー材料に
混合するようにすれば、温度上昇を充分許容値内に抑え
た状態でかつまた商業的に充分大きな押出量でもって、
粘度が３０，０００〜１，０００，０００cps 以上のオ
ーダのポリマー材料にガスを溶解させることができると
いう発見に基づくものである。円盤混合器内でガスとポ
リマーとを混合することによってガス気泡を加圧状態で
ポリマー材料中に溶解することができ、こうして作られ
たポリマー材料とガスとの溶体が吐出されると、圧力の
解放に伴い、溶体から発生したガスがポリマー内に捕捉
されてポリマー材料を連続的かつ直接に発泡させ、均質
な発泡体を生成することが分った。

【００１１】本発明で使用した円盤型混合装置は、管状
ハウジングと、このハウジングの長手方向に沿って互に
ほぼ平行に延在し、かつ逆方向に駆動される一対の軸
と、各軸の軸線にほぼ垂直となるように各軸に固着さ
れ、かつ互に離間された堅く、平らな一連の円盤と、上
記ハウジング内に収容されその長手方向に沿って延在し
たステータとを具備し、上記一方の軸の複数の円盤は他
方の軸の複数の円盤に噛合し、上記ステータは上記噛合
円盤の一部の外形状に非常に近い表面形状を有してい
る。これらの噛合円盤はハウジングをその長手方向に沿
って複数の区画に分割する。発泡すべきポリマーは、液
体状態でハウジングの一部に導入される。ポリマー・ガ
ス溶体用出口はハウジングの他端から延在し、発泡用ガ
スは、円盤混合器の上流側からガス気泡の形で、ポリマ
ー中に導入されるか、それとも、混合器内のポリマー上
方の上部空間を充填してポリマー中に導入される。平行
な軸は、互に逆方向に駆動され噛合円盤を互に相対的に
回転させる。これらの円盤が回転すると、ポリマー材料
が円盤の面に対して層流となって流れ、ガス気泡を引き
伸ばして、ガス表面積を大きくしてガスをポリマー中に
溶解させる。ガスが混合器内のポリマーの上方空間に導
入されると、円盤の回転によって軸間のポリマー材料が
相対的に移動して、上記上方空間のガスを取り込んでポ
リマー中に溶解させる。混合器はポリマー内の大きなガ
ス気泡を砕き、円盤とハウジング壁との間の間隙におい
て、非常に小さな気泡を取り込む。また円盤の回転によ
ってガス・ポリマー溶体が一連の個々の区画を通ってハ
ウジングの長手方向に沿って搬送される。

【００１２】混合動作を行うと、被覆材や、接着剤や、
シーラントや、ガスケット材などに適したポリマー材料
が内部にガス気泡を分散し溶解して生成される。このポ
リマー・ガス溶体は、その後加圧状態でポリマー・ガス
用出口から弁付ノズルのような吐出装置に送られ、ここ
から大気圧中に吐出される。

【００１３】本明細書及び特許請求の範囲において、用
語「溶体」は高圧状態で吐出装置に供給される液体ポリ
マーとガスとの分散物を述べるために使用されている。
尚この分散物は、大気圧中に吐出されると冷却され、発
泡ポリマー構造を生成する。この混合物は本当の意味で
の溶体であり、溶解したガスの分子が液体ポリマー中に
分散していると、本出願人は考えている。しかし本願の
明細書及び特許請求の範囲において用語「溶体」は、非
常に広い定義又は意味で使用されており、溶解したガス
の分子が溶媒分子中に実際に分散していようとしてしま
いと、ガスが溶融ポリマー即ち液体ポリマーと均質に混
合している溶体（溶液）すべてを抱括的に含むものであ
る。

【００１４】溶体が吐出機の出口ノズルから放出される
と、ガスは小さな気泡となって溶体から発生し、これら
の気泡は、大きくなりポリマー材料を膨張させ、材料が
凝固即ち硬化するにつれて材料内に捕捉される。こうし
て作られた製品は非加圧状態で均質な固体泡含有物とし
て凝固し、この泡含有物には、密閉の気泡や開放の気泡
などいろいろな形態のガス孔又はガス気泡がポリマー全
体にほぼ均一に分布している。ポリマー材料が冷却され
即ち硬化すると永久的に均質な発泡体が生産される。

【００１５】上述のように、本発明によると、粘度が
１，０００、０００センチポアズ以上の広い範囲にわた
る種々のポリマー材料を連続的に発泡することができ
る。即ち本発明の重要な特長は、温度上昇に対して鋭敏
すぎる為及びその高粘性の為に従来は発泡に不適であっ
たような種々の熱可塑性材料や熱硬化性材料をも発泡で
きることである。本発明は、発泡用ガスを比較的高粘度
のポリマー材料に混合し、材料の温度上昇を充分許容範
囲内となるようにできるだけ抑制した状態でかつ商業的
に充分な押出し速度でもって、このガスを溶解させて発
泡ポリマー材料を連続的に生成することができる。こう
して、本発明の装置によって、種々の熱可塑性及び熱硬
化性材料を発泡して、商業的に実施可能な押出し速度で
かつ連続的に一様な品質の低密度発泡体を生産すること
ができる。

【００１６】上述のように、本発明は熱可塑性ポリマー
材料と熱硬化性材料の両方を発泡することができるもの
である。

【００１７】「熱可塑性材料」とは、当業者が使用しか
つ理解しているように、天然の又は合成の熱可塑性ポリ
マーやポリマー組成物を含むものである。熱可塑性材料
は、使用温度において通常固体又は半固体であり、加熱
されると溶融即ち液化されるが、冷却されると凝固され
即ち固体又は半固体状態に戻る。また本明細書で用いて
いる用語「熱可塑性ホット・メルト接着剤」又は「ホッ
ト・メルト接着剤」は、この分野で周知の用語であり、
この材料は加熱時に液化し、冷却時に固体又は半固体若
しくはべとべとした高粘性状態に凝固するもので、上述
の熱可塑性材料と同じ特性を有する。

【００１８】当業者で使用され理解されている用語「熱
硬化性材料」は、天然又は合成の熱硬化性ポリマー又は
ポリマー組成物をすべて含むものである。熱硬化性樹脂
は、或る処理工程ではしばしば液体であり、この液体は
加熱や触媒や他の化学的手段によって硬化される。熱硬
化性物質は、充分に硬化された後には、実質的に不融解
性かつ不溶解性を呈し、加熱されても再び軟化すること
はない。

【００１９】熱可塑性材料の例としては、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリブチレン類、ポリスチレン
類、ポリ（α−メチルスチレン）、ポリ塩化ビニル、ポ
リ酢酸ビニル、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチル・
アクリレート、ポリアクリロニトリルなどのような、エ
チレン系の不飽和モノマーのポリマーと；エチレンとプ
ロピレンの共重合体やエチレンとスチレンの共重合体や
ポリ酢酸ビニルとスチレンと無水マレイン酸の共重合体
のようなエチレン系の不飽和モノマーの共重合体と；ス
チレンとメタクリル酸メチルと；スチレンとアクリル酸
エチル（エチルアクリレイト）と；スチレンとアクリロ
ニトリルと；メタクリル酸メチルとアクリル酸エチルな
どと；ポリイソプレンやポリクロロプレンやポリブタジ
エンのような共役ジエン類のポリマー及び共重合体とが
存在する。本発明で使用できる熱硬化性材料の例として
は、合成ブチル・ゴム類や、合成イソプレン・ゴム類
や、シリコーンＲＴＶ（室温硬化）ゴム類や、スチレン
ブタジエン・ゴムや、エチレン・プロピレン・ジエン・
ゴムや、アクリロニトリル・スチレン・ブタジエンゴム
などと；アルキドや他のポリエステルを含む飽和及び不
飽和ポリエステル類と；ナイロン類と他のポリアミド類
と；ポリエステルアミド類とポリウレタン類と；塩素化
ポリエーテル類、エポキシポリマー類、アセチルブチル
セルロースのようなセルロースエステル類などが存在す
る。これらの材料は粘度が１，０００，０００cps 以上
になることもある。

【００２０】本明細書では、「熱可塑性材料」なる用語
は、時々、「ホット・メルト」、「ホット・メルト熱可
塑性物質」又は「ホット・メルト接着剤」として使用さ
れている。もちろん、これらの組成物は、上述した熱可
塑性の特徴が顕著である。また、後述の例では、粘度が
大きく異った二組の熱可塑性即ちホット・メルト接着剤
組成物を使用している。この両組成物は、イーストマン
化学社製の公知のポリエチレンをベースとした接着剤組
成物であり、その一方は３５０°Ｆの温度で２，２００
cps の粘度を有する「イースタボンド（Eastabond）Ａ
−３」であり、他方の接着剤は３５０°Ｆの温度で３
５，０００〜４０，０００cps の粘度を有する「イース
タボンドＡ−３２」である。また後述の別の例では、ト
レムコ（Tremco）社がトレムコブイルシーライト（Trem
co Butyl Sealant）ＪＳ−７９２なる商標で販売してい
るポリイソブチレンをベースとした熱可塑性シーリング
及びコーキング材料を発泡している。

【００２１】本発明では、いろいろな種類のポリマーを
使用することができることに加えて、発泡用ガスも、種
々のもの、例えば空気や、窒素や、酸素や、二酸化炭素
や、メタンや、エタンや、ブタンや、プロパンや、ヘリ
ウムや、アルゴンや、ネオンや、ジクロロジフルオロエ
タンのような過フッ化炭化水素や、モノクロロトリフル
オロメタンや、その他のガス又は、これらのガスの混合
物を使用することができる。これらのガスも、使用する
ポリマー材料の種類や材料の条件や材料の入手容易性に
応じていろいろ変更することができる。

【００２２】図１は、本発明に係る方法を行うシステム
を概略的に示したもので、本装置はバルク溶解器のよう
なポリマー材料のバルク供給源を使用しており、この溶
解器１０は、固体の又は半固体のポリマー材料を液化す
る加熱手段を含み、その液化ポリマー材料をタンクから
ポンプ圧送する。尚、バルク溶解器の一例は本発明の譲
受人に譲渡された米国特許第４，０７３，４０９号に示
されている。この例のポンプはカートリッジ型歯車ポン
プであるが、しかし充分な圧力でバルク容器から材料を
圧送できるものであるならば任意のポンプを使用するこ
とができる。これは、円盤混合器に一体的にまとめられ
た二軸ギヤポンプを含んでよい。この代りに、ホット・
メルトを、公知の市販のホット・メルト吐出器から供給
するようにしてもよい。感熱材料又は熱硬化材料を使用
する場合にはポリマー材料供給源を加熱しないことは当
然である。

【００２３】発泡すべき材料は、ライン１２を通って円
盤混合器１４の上流端に運ばれ、ここから混合器１４内
に注入される。尚上記ライン１２としては加熱された材
料を加圧状態で搬送できるホースを使用することができ
る。

【００２４】発泡用ガスは、圧縮ガス供給源１５からガ
スライン１６を介して円盤混合器１４に供給される。ラ
イン１６に設けられた圧力調整器１８と流量計２０は、
混合器１４に流れるガス圧と流量とを制御する。図１に
示されたように、ガスは、幾つかの代替通路１６ａ、１
６ｂを介して本システムに供給するようにしてもよい。
このような代替通路１６、１６ａ、１６ｂによるガス供
給について詳細に説明する。まず、ライン１６を用いる
供給法では、混合器１４の一部にポリマー材料を注入
し、そしてこのポリマー材料の上方の円盤混合器の上部
空間をライン１６（実線で示した。）からのガスで所望
圧力に充填する。これにより、混合器内において、発泡
すべきポリマー材料が混合器の操作で上部空間からガス
を取り込み、ポリマー・ガスの溶体が生成される。代替
のガス流通路１６ａ（破線で示した。）を用いる場合に
は、ポリマー材料を混合器１４に供給するライン１２内
に計量されたガスが気泡となって流入され、これによっ
てガスとポリマーとが一緒に混合器内に入り、完全に混
合器を満たし、ガスが混合器内でポリマー中に溶解す
る。もう一つの代替通路１６ｂ（破線）を用いる場合に
は、混合器１４に多孔性端板を設け、ガス気泡をこの多
孔性端板を介して、ポリマーで完全に満たされた混合器
１４に供給し、ポリマー中に流入させる。これらの選択
可能な方法のうちから適宜のものが一つ適用分野に応じ
て使用されるが、しかし一実施例として、ライン１６を
介して発泡用ガスを混合器１４の上部空間に供給する方
法が図示されている。

【００２５】図２乃至図４は、円盤混合器１４の構造を
詳細に示したもので、混合器１４は管状ハウジング２２
を有する。このハウジング２２は、図２に破線で示され
ている基部２３にほぼ水平位置に支持されており、帯２
５によって基部２３に固定される。ハウジング２２の長
軸に沿って、ほぼ平行な一対の軸２４、２６が延在して
いる。上流側及び下流側端部蓋２８と３０は、夫々ボル
ト３２の如き適宜の手段によってハウジング２２の夫々
の端に固着されている。端部蓋２８と３０はハウジング
２２の端を閉止しており、これらの蓋２８、３０には、
スラスト軸受３４とジャーナル３６とが設けられ、上記
軸２４、２６を端部蓋２８、３０に回転可能に支持して
いる。ホット・メルト接着剤の発泡などは高温例えば３
５０°Ｆで行われるので、軸受とジャーナルは、このよ
うな高温に耐え得るものでなければならない。

【００２６】図１に示したように、軸２４、２６の一方
の軸２４は電気モータ３８によって駆動される。定回転
数コントローラ４０は、モータ速度の制御のために使用
される。一定の処理条件の下では上記軸を駆動するトル
クは処理される材料の量に直接関連しているので、トル
ク・センサ４２を使用して混合器内の材料レベルを検出
し制御する。駆動軸２４は歯車４４を有し、この歯車４
４は隣りの被駆動軸２６の歯車４６に噛合しており、こ
れによって駆動軸２４が或る方向に回転すると、被駆動
軸２６がそれと反対の方向に回転する。

【００２７】各軸２４、２６には、一連の堅い平円盤４
８が固着されており、これらの円盤４８は軸２４、２６
の軸線にほぼ垂直でありかつ互に離間されている。図２
と図３に明示したように、円盤４８は、両軸２４、２６
の間の空間内で互に噛み合い即ち重り合っている。更に
円盤４８は、ほぼハウジング２２の内周面にまで延在し
て、この間に間隙（nip)５１を形成する。駆動モータ３
８の作動により軸２４、２６が互に逆方向（図２矢視）
に回転し、これにより噛合円盤４８の重り面が互に相対
的に移動しかつ円盤４８の外周が固定のハウジング内面
５０に対して移動する。

【００２８】ポリマー材料は、ハウジング２２の上流側
端部蓋２８のポート５２を介してハウジング２２内に流
入する。尚ライン１２は適当な継手（不図示）によって
ポート５２に接続されている。ライン１６を介してハウ
ジングに吐出された発泡用ガスはハウジング壁２２の開
口５４を介して流入する。ライン１６は適当な圧力ホー
ス継手５５によって開口５４に接続されている。上述の
ように開口５４は上例の他に材料ライン１２又は端部蓋
２８に配置することもでき、発泡用ガスは多孔性端板を
介してハウジング内の材料内に注入するようにしてもよ
い。図３及び図４に明示したように、上流側円盤４８
（即ち端部蓋２８の方に配置された円盤）は互の間隔が
下流側円盤よりも狭くなっている。このように円盤の間
隔が上流側から下流側に向って徐々に増大するように定
めると、ハウジング内を材料、特に高粘性材料を搬送す
る際に有利であるが、しかし、このような円盤間隔は決
定的なものではなく、本発明は、円盤間隔を互に等しく
してもよい。

【００２９】浸漬管５６として示した材料出口は、ハウ
ジングの下流端においてハウジング壁２２を貫通して、
少なくとも軸２４、２６の中心線のレベルにまで延在し
ている。この浸漬管５６はポリマー材料中に入っている
ので、ガスが溶解されたポリマー材料は、ハウジングで
加圧状態である為、浸漬管５６を上昇して吐出ノズルに
送られる。即ち、図示の実施例では、ハウジングの内部
は軸２４、２６の上部のレベルまで材料によって充填さ
れ、この材料の上部空間は、例えば３００〜３５０psi
（ポンド／平方インチ）に加圧された発泡用ガスで充填
されているので、このガス圧は材料を浸漬管５８を上昇
させて吐出ノズルに送る。尚、もしハウジング上部空間
内のガスが浸漬管５６内に浸入すると材料の流出が遮断
されたり材料がぷつぷつ吹出したりするという問題が生
ずるが、しかし浸漬管５６は軸２４、２６の中心線まで
下降しているので、ハウジング上部空間のガスが決して
浸漬管５６に浸入することはない。ハウジング壁２２を
貫通する観察用ガラス５８を通して材料を観察してその
レベルを制御することができ、同様に、トルク・センサ
４２を用いてハウジング内の材料レベルを検出し、制御
することもできる。

【００３０】上述の代りに、ガスをライン１６ａ又は１
６ｂを介して注入する場合のように、ハウジング内を材
料で完全に充填することもできる。この場合には、混合
器への材料の吐出圧力によって、材料・ガス溶体を混合
器から吐出ノズルまで流出させることができる。

【００３１】ハウジング２２は、帯ヒータ６０を用い
て、例えば７０°Ｆ〜６００°Ｆの温度範囲で加熱する
ようにしてもよい。また、ハウジング内の材料温度を測
定する為に、熱電対挿入用ポート６２を複数本ハウジン
グの長手方向に沿って設置してもよい。

【００３２】噛合円盤４８が回転すると正圧が粘性ポリ
マーに加えられ、これにより入口５２からのポリマー
は、ハウジング２２の一端からその長手方向に沿ってハ
ウジングの下流側までポンプ圧送され、更にここから浸
漬管５６を介して流出される。この噛合円盤４８によっ
て粘性ポリマーに加えられるポンプ圧力は、円盤の下部
間隙において最大になる。ハウジング２２の底部に設け
られたステータ（固定子）６４は、円盤の下部間隙での
円盤半径に非常に近い断面形状を有しているので、材料
が円盤の下部間隙を通ってバイパスすることを実質的に
防止する。ポリマーは、円盤の表面に粘着し易すいた
め、円盤が回転すると、ハウジング底部から持ち上げら
れ、上部表面に運ばれる。ガスが円盤の上方の空間に注
入されると、上記表面に運ばれたポリマーはガスに対し
露呈し、新たな接触面を形成してガスをポリマー内に取
り込む。こうして「指状に延びた」ガスは、静的流体レ
ベルの下方に吸い込まれ流体と共に流れ、円盤形状が適
正であれば、ポリマー内に混合し溶解する。円盤混合器
はポリマー中の大きなガス気泡を粉砕すると共に間隙５
１において非常に小さいガス気泡を取り込み吸収する。
ガス気泡が、ポリマーの円盤混合器への計量供給の際に
ポリマーに加えられるか又は、混合器の上流端を介して
加えられる場合には、円盤の回転によってガス泡が引き
伸ばされ表面積が大きくなり溶解が起こる。こうして、
ポリマーの粘性が大きく分子量も大きい場合、ポリマー
材料の層流は円盤の回転によって維持され、流れ線に沿
った流体の分離による表面を作り出す。これにより混合
操作において仕事量をできるだけ小さくしこれに伴い消
費動力も最小にした状態でもって、表面積を最大にする
ことができる。

【００３３】図では、円盤混合器１４の方向は、軸２
４、２６がほぼ水平に配置されるように定められている
が、しかしこのような円盤混合器の特別の方向性は重要
ではない。もちろん、ガス上部空間をポリマー材料の上
方に形成するときには、軸を水平にすることが必要であ
る。しかしながら、発泡用ガスが円盤混合器への注入時
又はその前に、ポリマーに混合される場合には、ポリマ
ー材料がハウジング内部を充填しているので、混合器は
上流側端又は下流側端を上に向けて鉛直方向に延在させ
るか、または水平と鉛直との間の任意の方向に延在させ
ることができる。更に、円盤は、その数や直径や厚さや
間隙を、材料の粘性や所望の押出し速度（材料処理速
度）に応じて変えることができる。具体的には、材料の
粘性が比較的低く５００〜５，０００センチポアズのオ
ーダである場合には、比較的小径で薄い円盤を多数、小
さな容量の装置内に収容して高速回転数で駆動するとよ
く、他方、材料の粘度が高く５，０００〜３，０００，
０００センチポアズのオーダである場合には、円盤は、
上述よりも枚数を減らし径を大きくしかつ間隔をもっと
大きくして、低速で駆動される。

【００３４】更に、円盤混合器はいろいろな変形が可能
である。例えば、二本の軸２４、２６を共に回転させる
必要はなく、軸２４、２６の一方のみを回転して、この
回転軸の円盤が他方の軸の非回転円盤に噛み合うように
しても充分に混合できる。このことから、ロータ側の一
組の円盤とステータ側の一組の円盤とを噛み合せること
によって混合がうまく行われることが分る。また、本発
明は、軸の本数を図示例の二本よりも多くしてこれらの
軸に夫々円盤を取り付けて、隣接する軸の円盤を噛み合
うように構成してもよい。この場合上述のように軸のい
くつかをロータとして、残りをステータとしてもよく、
またすべての軸をロータとしてもよい。

【００３５】ハウジング２２がポリマーで完全に充填さ
れる構成の本発明の実施例では、ステータ６４と似た形
状の第２ステータをハウジング２２内においてステータ
６４の反対側に配設してもよい。これらのステータは、
混合器の効率を低下させる渦の発生や材料の滞留領域の
発生を低減するのであろう。これらのステータの設置
は、上述の点については望ましいが、混合作用の点では
必ずしも必須のものではない。

【００３６】後述の例Ｉ〜Ｖを実行するこのに使用した
円盤混合器は、長さ１３．１９インチ、直径４．６８５
インチの鍛鋼４１４０の管から作られたものである。こ
の管は外部のワットロー（Watlow）電気帯形ヒータを有
しこのヒータによって７０°Ｆ〜６００°Ｆの範囲内で
加熱された二本の軸は図３に示したようにハウジングを
貫通している。各軸は、直径が２．６２５インチ、厚さ
が０．２５インチの中実の鋼円盤を１１枚支持してい
る。これらの円盤は、三段階を形成するように軸上で離
間された。この第１段階では円盤は互いに０．５インチ
離され、第２段階では０．７５インチ離され、第３段階
では１インチ離間された。円盤は、ハンプトン・製品
（Hampton Products）社製の、馬力が０〜３で可変であ
る電気モータによって駆動された。このモータは典型的
には０．５馬力未満で運転された。軸の回転数は０〜１
７５rpm の範囲で可変であったが、典型的には１００rp
m の領域で運転された。材料が送出された吐出用ノズル
は、材料の種類や圧力に応じて内径が 1／16〜 3／16の
範囲で、及び長さが 3／4 〜１¹/₂ の範囲で夫々可変で
あった。

【００３７】例Ｉ 上述した物理的パラメータを有する図示の装置を運転し
てイースタボンド（Eastabond）Ａ−３を発泡させた。
このイースタボンドＡ−３はイーストマンケミカル社製
の低分子量で分枝ポリエチレンをベースとしたホット・
メルト接着剤組成物である。これらの粘度は、ブルック
フィールド（Brookfield）粘度計で測定したところ、３
５０°Ｆで２，２００cps であった。この材料は、混合
器への平均流量が時間当り８０ポンドで、圧力が７００
〜７４０psigでもって混合器に供給された。温度が７０
°Ｆで圧力が８００psigの窒素ガスが（図１のライン１
６ａによって）混合器の上流側のポリマー流に加えら
れ、これにより、ポリマーとガスの両方がポリマー入口
５２を通って混合器に流入した。この混合器は軸回転数
が約１６０rpm で運転された。材料は混合器を通って浸
漬管を介して吐出用ノズルに吐出される。混合器を流出
する時のガス・ポリマー溶体の温度は３５０°Ｆであ
り、混合器から流出する材料の総流量は、時間当り８０
ポンドのオーダであった。こうして生成された製品は小
さな泡を内包した連続したクリーム状の非常に均質な泡
含有物であった。泡含有物の体積比（体積比とは、発泡
前の材料の体積に対する発泡後の材料体積の比であ
る。）は２．２６：１であった。この例は、低粘性のホ
ット・メルト接着剤を３５０°Ｆで発泡させて均質な接
着剤発泡体を作る例である。

【００３８】例II 例Ｉで使用された、図示の装置と本質的には同様の装置
を運転して、中位の分子量の分枝ポリエチレンをベース
にした接着剤であるイーストマンケミカル社製のイース
タボンドＡ−３２を発泡した。ホット・メルト接着剤で
あるこの材料は、粘度がブルックフィールド粘度計で測
定したところ３５，０００〜４０，０００cps のオーダ
であった。この材料は、温度３５０°Ｆ、圧力３００〜
５５０psigで円盤混合器に注入された。混合器へ流入す
る流量は時間当り１５〜４０ポンドであった。温度７０
°Ｆ、圧力１，４００〜１，４５０psigの二酸化炭素
が、混合器の上流側において時間当り０．２６〜０．５
８ポンドの流量でポリマー流中に計量供給された。この
ために、多孔性鋼管が混合器へのポリマー材料流線中に
挿入された。この多孔性管は加圧ガス供給源に連通し、
ポリマー材料は、そこを流通中に、多孔性管の表面から
ガス泡を奪い取った。

【００３９】材料は発泡ガスと共に混合器に流入し、こ
こを流通した。この混合器から流出する流量は時間当り
１４〜４０ポンドであった。混合器は３５０°Ｆで運転
され、材料は混合器の頂部から 1／16インチのノズルに
吐出された。混合器は、内部上部にガス頭（gas head）
が存在しないように最大運転された。両軸は約９６rpm
で回転された。こうして作られた泡含有物は泡体積比が
３：１〜７：１であった。発泡体は、内部の泡が例Ｉよ
りも大きくなったが、均質であった。この例によると、
高粘性のホット・メルト接着剤から高流量かつ高泡比で
もってポリマー泡含有物を生成することができる。

【００４０】例 III 本例でも、上記両例Ｉ、IIで使用された、図示の装置と
同様の装置を使用した。例IIで用いたイースタボンドＡ
−３２が発泡剤として働くフレオン（Freon）１１４に
混合された。このフレオンは、温度が７０°Ｆで圧力が
１，４００〜１，５００psigであり、多孔性鋼管を通過
させた。この多孔性管は、上述の例のものと同じで、ホ
ット・メルト接着剤が入った混合器に通ずる流通管内に
収容されており、これにより、泡は多孔管を流れるホッ
ト・メルトによって多孔管表面から引き離された。フレ
オンの流量は時間当り１．３ポンドであり、これはポリ
マーの約３．３重量％に相当した。本例でも混合器は、
軸回転数が約９５rpm で最大運転された。混合器の中央
部に設けられた観察用ガラスから観察してみたところ、
泡が全く視認できなかったので、ガス気泡のほぼすべて
がポリマー材料中に拡散されたものと思われる。このポ
リマー・ガスの溶体も混合器の頂部を介して１／16イン
チの吐出用ノズルに吐出された。混合器から流通する材
料流量は時間当り１４〜４０ポンドであった。また材料
の泡体積比は約５：１〜８：１であり、生成された製品
は連続した均質な発泡体であった。

【００４１】例IV 本例は、上述の例で使用した図示と同様の装置を用い
て、トレムコ（Tremco）社製のポリイソブチレン・シー
ラントＪＳ−７９２を発泡させた。この材料の粘度は、
ブルックフィールド粘度計で測定したところ３７５°Ｆ
の温度で５００，０００〜７００，０００cps であっ
た。この材料は、時間当り１０〜３０ポンドの流量で、
混合器の上流端の材料入口を通って混合器内に導入され
た。三種のガス、即ちＣＯ₂ 、Ｎ₂ 及びＨｅが発泡用に
使用された。即ち、三種の実験に別々のガスが使用され
た。各々のガスが混合器内の材料上方の上部空間に供給
された。ＣＯ₂ とＨｅガスが２５０psigの圧力で供給さ
れ、Ｎ₂ ガスは、５００psigの圧力で供給された。ＣＯ
₂ 、Ｎ₂ 及びＨｅガスの流量は夫々、重量％でポリマー
の１％、０．５％及び０．１％のオーダーであった。ポ
リマー・ガス溶体は、４１５°Ｆの温度で、ＣＯ₂ とＮ
₂ ガスの場合には混合器の底部を通って吐出され、ま
た、Ｈｅガスの場合には混合器の上部を通って吐出され
た。ＣＯ₂ 、Ｎ₂ 及びＨｅガスの泡比は夫々２．５：１
〜４：１、２：１及び１．５：１であった。こうして生
成された各場合の混合物は時間経過に伴いしぼむ弾性発
泡体であり、この発泡体の半減期（体積が５０％だけ減
少する時間）は１５〜３０分のオーダであった。

【００４２】例Ｖ 本例は図示のものに類似した装置を使用して比較的粘性
の高いポリマー材料を発泡させた。この材料はダウ・コ
ーニング（Dow Corning）社製のダウ・コーニング７３
４シラスティック（Dow Corning 734 Silastic）ＲＴＶ
であり、これは熱硬化性のＲＴＶシリコーン・ゴムであ
る。この粘度は１，０００，０００cpsよりも大きかっ
た。材料は、２５０psigの圧力、時間当り約５ポンドの
流量、最高温度５０°Ｆで混合器に供給された。温度７
０°Ｆ、圧力２５０psigの窒素ガスが混合器内のポリマ
ーの上方の上部空間に導入された。材料は、８０°Ｆ未
満の温度で混合器の上部から流出し、 1／16インチのノ
ズルを介して吐出された。混合器からの流出流量は時間
当り５ポンドのオーダーであり、生成された泡含有物は
泡比が２．２：１であった。この製品は、強靭な可撓性
の発泡ゴムであり、そのガス気泡は最大直径 1／16イン
チであった。この例は、本発明の装置によると１，００
０，０００cps を越えるような粘性の比較的高いポリマ
ー材料を、温度上昇をできるかぎり抑え許容できる温度
上昇で、かつ充分なスループットもって、発泡できるこ
とを例証している。

【００４３】実験によると、ポリマー材料は、比較的低
馬力でかつ充分許容できる最低の温度上昇でもって発泡
され得ることが分った。例えば、イースタボンドＡ−３
は０．０２馬力で発泡された。これは、上記エネルギ入
力と材料の熱容量とに基づき、押出し速度が時間当り６
０ポンドであるとき、温度をたった１．４°Ｆ上昇させ
るにすぎない。トレムコＪＳ−７９２の如き熱可塑性ブ
チル・シーラントの場合でも、必要な動力はたった０．
０７馬力であり、このため時間当りの流量が６０ポンド
の時の温度上昇は５．１°Ｆにすぎなかった。またダウ
コーニング社の７３２シリコーンＲＴＶの如き高粘性シ
リコーン材料の発泡の場合には、必要な動力はたった
０．１２馬力であり、この結果、時間当り６０ポンドの
押出量の時、温度上昇は８．７°Ｆにすぎなかった。対
比の為に撹拌用棒を１馬力のモータで駆動した時のシリ
コーンＲＴＶシーラントの温度上昇を計算してみると１
００°Ｆを優に越えることが分った。以上のことから、
本発明は、必要な馬力をできるだけ小さくしこれにより
材料の温度上昇も許容できる値に充分抑えた状態で、比
較的高粘性のポリマー材料を効率的に発泡する装置を提
供することができる。

【００４４】本発明によって生成された発泡体は非常に
広範囲に使用される。これらの発泡体は、例えば射出そ
して成型でき、接着剤の分野で使用され、開口や継ぎ目
や裂け目のシール用に発泡され、または、ガスケットや
シールを作るような作製工程の一部で発泡される。

【００４５】本発明は、更に以下のような利点を有す
る。即ち、これまではシリコーンＲＴＶゴムは高価な特
別な成分や自金触媒を使わなければ発泡できず、従って
コスト高のため使用範囲が非常に限定されていた。他
方、本発明は、非常に効率的にかつ低コストでポリマー
材料を発泡することができるので、適用分野はホット・
メルト接着剤から高粘性熱硬化性シーラントやコーキン
グ材に至るまで広範囲となる。更に上記ポリマー材料
は、充填材を含むことが多く、この充填材は歯車ポンプ
を通るときに、それを摩耗させてしまう。例えば、トレ
ムコＪＳ−７９２ブチル・シーラントは充填材を３５％
も含んでいる。しかし、本発明に係る円盤型混合装置で
は、上記摩耗は問題とならない。

【００４６】軸や円盤は、発泡すべきポリマー材料や所
望のスループット速度に応じて種々の形状をとることが
できる。また平円盤は、スポーク付輪による激しい混合
とは対照的に、ポリマーの層流を惹起するものである。
この平円盤もいろいろな変形例が存在する。しかしなが
ら、本明細書における用語「円盤」は層流を惹起するい
ろいろな変形例をも含む概念として使用されている。更
に本発明によると、粘度が数千センチポアズ〜３，００
０，０００cps の材料を発泡することができるが、しか
し約１０，０００cps 未満の粘度の材料を発泡する場合
には、歯車ポンプを使用した方が通常効率的である。従
って本発明は、粘性が１０，０００cpsを越える材料の
発泡に特に適するもので、就中、歯車ポンプを使用した
時にはスループット速度が急激に低下する３０，０００
cps 以上の材料を発泡するのに適するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するシステムを示した概略図。

【図２】本発明を実施するのに使用される円盤混合器を
示すもので、円盤が取付けられた軸の横断面図。

【図３】図２の線３−３に沿った断面図。

【図４】図２の線４−４に沿った断面図である。

【符号の説明】

１４ 円盤混合器 １６ ガスライン ２２ ハウジング ２４、２６ 被駆動軸 ３８ モータ ４８ 円盤 ５２ 入口 ５６ 浸漬管 ６４ ステータ

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスと流動ポリマー材料とを混合して大
   気圧より高い圧力のポリマー・ガス溶体を作る装置にお
   いて、 互いにほぼ平行で逆方向に駆動される一対の軸と、 前記一対の軸の各々の軸線にほぼ垂直に互いに間隔を開
   けて前記一対の軸の各々に固着された一連の円盤と、 前記一対の軸の一方の軸に固着された円盤は、他方の軸
   に固着された円盤と互いに噛み合っており、 前記互いに噛み合う円盤を取り囲むハウジングと、 前記円盤は、前記ハウジングをその長手方向に沿って一
   連の区画室に分割しており、 前記ハウジングの一端部に設けられたポリマー材料用入
   口手段と、 前記ハウジングの他端部に設けられたポリマー・ガス溶
   体用出口手段と、 前記ハウジング内にガスを導入するガス導入手段と、 前記一対の軸を駆動し、これにより前記一対の軸に固着
   された前記円盤を駆動し、前記区画室内で前記ガスと前
   記ポリマー材料とを混合して、前記ポリマー・ガス溶体
   用出口手段の上流側に前記ポリマー・ガス溶体をつくる
   ための手段とから成ることを特徴とするガスと流動ポリ
   マー材料とを混合する装置。
2. 【請求項２】 前記円盤の間隔は、前記ポリマー材料用
   入口手段から前記ポリマー・ガス溶体用出口手段に向か
   って増大していることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の装置。
3. 【請求項３】 前記一対の軸は、ほぼ水平に配置されて
   おり、前記ハウジングは、前記噛み合っている円盤の下
   部弓形部分の外形と密接に対応する内部形状を有してお
   り、前記ガス導入手段は、前記一対の軸の中心線の上方
   の前記ハウジングの壁に開口を有しており、それによっ
   て、前記ガスは、前記装置内の前記ポリマー材料の上方
   の上部空間を充填することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の装置。
4. 【請求項４】 前記ガス導入手段は、前記ポリマー材料
   用入口手段の上流側で前記ポリマー材料にガスを導入す
   るための、ガス供給源に接続可能なガス入口を有してい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装
   置。
5. 【請求項５】 前記ハウジングは、前記噛み合っている
   円盤の少なくとも弓形部分の外形と密接に対応する内部
   形状を有していることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の装置。
6. 【請求項６】 ガスと流動ポリマー材料とを混合して大
   気圧より高い圧力のポリマー・ガス溶体を作る装置にお
   いて、 少なくとも一つの回転可能な軸と、 前記回転可能軸の軸線にほぼ垂直に互いに間隔を開けて
   前記回転可能軸に固着され、前記回転可能軸と共に前記
   軸線を中心として回転可能な第一の一連の円盤と、 互いに間隔を開けて前記第一の一連の円盤に関して固定
   され、前記第一の一連の円盤と噛み合う第二の一連の円
   盤と、 前記互いに噛み合う円盤を取り囲むハウジングと、 前記円盤は、前記ハウジングをその長手方向に沿って一
   連の区画室に分割しており、 前記ハウジングの一端部に設けられたポリマー材料用入
   口手段と、 前記ハウジングの他端部に設けられたポリマー・ガス溶
   体用出口手段と、 前記ハウジング内にガスを導入するガス導入手段と、 前記回転可能軸を駆動し、これにより前記第一の一連の
   円盤を前記第二の一連の円盤に関して回転させ、前記ハ
   ウジング内で前記ガスと前記ポリマー材料とを混合し
   て、前記ポリマー・ガス溶体用出口手段の上流側に前記
   ポリマー・ガス溶体をつくるための手段とから成ること
   を特徴とするガスと流動ポリマー材料とを混合する装
   置。