JP3035480B2 - 熱可塑性樹脂材料の水中造粒方法および水中造粒ダイス - Google Patents

熱可塑性樹脂材料の水中造粒方法および水中造粒ダイス

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱可塑性樹脂材料
がスクリュ式混練押出機で混練溶融され押出されて水中
造粒される方法および水中造粒ダイスに関し、特に、起
動方法の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、ポリエチレン、ポリプロピレン
等の熱可塑性樹脂材料を原料パウダーからペレットへ大
量に造粒する方法として、スクリュ式混練押出機と水中
造粒装置とを用いて造粒する水中造粒方法が広く行われ
ている。すなわち、原料パウダーがスクリュ式混練押出
機に供給されて混練溶融され、混練押出機の先端に設け
られたダイスのノズルから細紐状となって水中造粒装置
を循環する４０〜８０℃の冷却水中に押出されると同時
にカッターにより切断され、冷却水により冷却されて粒
状のペレットに造粒される。このような水中造粒方法に
おいて、機器のトラブルおよび保全、原料系あるいは製
品系のトラブル等で機器を一時停止しなければならない
場合が時々発生する。その際には、スクリュ式混練押出
機および水中造粒装置は一時停止され、トラブル等の解
消された短時間後に再起動される。従来、スクリュ式混
練押出機および水中造粒装置のこのような一時停止およ
び再起動は、以下のように行われている。すなわち、停
止する場合には、先ず、原料パウダーの供給を停止する
とともにスクリュ式混練押出機を停止する。ただし、加
熱状態は内部に滞留する樹脂材料を溶融状態に維持する
ため運転時の状態に維持しておく。次に、ダイスから溶
融樹脂材料が押出されなくなった後にカッターをダイス
表面から遠ざけて停止させ、ノズル内の溶融樹脂材料が
冷却水により冷却固化されないように水中造粒装置から
冷却水を排出する。ダイス表面は冷却水と接触すること
なく約２５０℃の高温に保持され、容易に起動される状
態に維持される。起動する場合には、先ず、カッター装
置を運転し、次に、カッターのダイス表面への接近、水
中造粒装置への冷却水の循環供給およびスクリュ混練押
出機の運転によるダイスからの溶融樹脂材料の押出し
を、ほぼ同時に行う。また、スクリュ式混練押出機が最
初に運転される場合、あるいは定期点検、オーバーホー
ル等の場合、すなわち樹脂材料が全く内包されていない
状態から運転する場合は、図４に示されるように、先
ず、水中造粒装置３を分離してスクリュ式混練押出機の
みの運転を行い、ダイス２のノズル７から溶融樹脂材料
１２を垂れ流す。次に、垂れ流される溶融樹脂材料が正
常な定常状態になったところで、加熱状態を維持したま
までスクリュ式混練押出機の運転を停止し、ダイス２の
表面をきれいに清掃し、水中造粒装置３をダイス２に連
結して起動待機状態とする。以下、起動する場合は、上
記の一時停止の場合と同様に行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の熱可塑性樹脂材
料の水中造粒方法における一時的な停止および起動は以
上のように行われていたため、つぎのような課題が存在
していた。停止状態でダイス表面が樹脂材料を溶融状態
に維持可能な高温に保持されていることにより、ノズル
に充満している樹脂材料が溶融してダイス表面から流出
する。さらに、スクリュ式混練押出機も運転時の加熱状
態を維持されていることにより、ダイスの上流部に充満
している溶融状態の樹脂材料の一部がノズルを経て流出
する。その結果ダイスの上流部に空間が発生してノズル
から空気が流入し、高温溶融状態の樹脂材料が空気中の
酵素と反応して酸化し、材質の劣化が起こる。それゆ
え、起動に先立ち、図４に示されるように、劣化部分を
除去するためのスクリュ式混練押出機の予備運転が行わ
れ、ノズルから押出された樹脂材料は廃棄される。その
廃棄量は、製造能力毎時２０トンの場合、半減以下の能
力で２〜３分運転されて３００〜５００ｋｇである。ま
た、スクリュ式混練押出機が運転可能な停止条件の場
合、ダイスの上流部に空間部を発生させないように、停
止中と言えどもスクリュ式混練押出機を一時的に最低の
回転数で運転し、ノズルから溶融樹脂材料を押出すこと
も行われ、この場合も押出された樹脂材料は廃棄物とさ
れる。いずれにしても、停止後起動までの間にノズルか
ら廃棄される溶融樹脂材料が押出されるので、図４に示
されるように、水中造粒装置はダイスから分離されてい
る。スクリュ式混練押出機を起動するには、先ず、予備
運転の終了後溶融樹脂材料が垂れ流されたダイス表面を
きれいに清掃し、次に、水中造粒装置をスクリュ式混練
押出機の先端のダイスに連結し、カッター装置を運転
し、次に、カッターのダイス表面への接近、水中造粒装
置への冷却水の循環供給およびスクリュ式混練押出機の
運転によるダイスからの溶融樹脂材料の押出しを、ほぼ
同時に行う。これ等の一連の起動操作は、溶融樹脂材料
がノズルから流れ出さない間に、迅速に行う必要があ
る。また、この起動操作においては、冷却水の循環供給
と溶融樹脂材料のダイスからの押出しとのタイミングが
重要であり、冷却水の循環供給が早過ぎるとダイス表面
が急激に冷却されて局部的に温度差が生じて押出しむら
が発生し、溶融樹脂材料の押出しが早過ぎると溶融樹脂
材料がカッターに付着して造粒不可能になる。タイミン
グが合わず起動がうまくできない場合は、改めて上記の
予備運転からの操作を繰り返す。このように、スクリュ
式混練押出機と水中造粒装置の起動には高度の技術と廃
棄される樹脂材料を処理するための作業が必要とされ、
少なくとも３〜４名の操作員が必要とされる。さらに
は、ダイス表面にはカッターとの接触に耐えるために耐
摩耗材がコーティングされ硬化層が形成されているが、
この硬化層が約２５０℃の高温に加熱維持されている状
態で４０〜８０℃の冷却水と急激に接触して冷却される
ことにより熱衝撃を受け、この冷却を度々繰り返される
ことにより、硬化層にひび割れが発生し、硬化層の剥離
が起こる原因の１つとなっている。
【０００４】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたものであり、スクリュ式混練押出機と水中
造粒装置の起動を容易にし、廃棄される樹脂材料を無く
し、ダイスの硬化層に繰り返し熱衝撃を与えない熱可塑
性樹脂材料の水中造粒方法および水中造粒ダイスを提供
することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明による熱可塑性樹
脂材料の水中造粒方法は、混練押出機により熱可塑性樹
脂材料を混練溶融するとともに外表面が冷却水に覆われ
たダイスのノズルから冷却水中に溶融状態の樹脂材料を
押出し、押出された細紐状の樹脂材料を前記ダイスの外
表面に沿って移動駆動されるカッター装置により切断す
る水中造粒方法において、前記混練押出機が樹脂材料を
供給された加熱状態で定常運転を一時停止し、前記カッ
ター装置が停止し、前記ダイスが加熱量を減少されて外
表面を冷却水により覆われ、前記ノズル内の外表面付近
に充満している樹脂材料が軟化状態となってノズルを塞
いでいる状態から、該ダイスの加熱量を増加させること
により前記ノズル内の外表面付近に充満している軟化状
態の樹脂材料が溶融状態とされた後、前記カッター装置
を駆動開始するとともに前記混練押出機を駆動開始する
方法である。
【０００６】さらに詳細には、前記混練押出機の停止状
態は、前記ノズル内の外表面付近に充満している樹脂材
料が軟化状態となるように、前記ダイスの加熱量が設定
される方法である。
【０００７】さらに詳細には、前記ダイスの加熱量は、
該ダイス内部の少なくとも外表面付近で前記ノズルの周
辺の温度を計測することにより、該ノズル内の外表面付
近に充満している樹脂材料の温度を推定して設定される
方法である。
【０００８】本発明による水中造粒ダイスは、ダイホル
ダーを介して混練押出機の下流側先端に設けられ、外表
面を硬化層で構成された板状体であり、該板状体を内表
面から前記外表面へ貫通して円形断面の複数のノズルが
形成され、前記板状体内のノズルの近傍に熱媒流路が形
成された水中造粒用ダイスにおいて、少なくとも前記硬
化層の内側の外表面に近い位置でノズルの近傍に感温部
が設けられた構成である。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明による熱
可塑性樹脂材料の水中造粒方法および水中造粒ダイスの
好適な実施の形態について詳細に説明する。図１は、本
発明の実施の形態を示す水中造粒装置の主要部を示す断
面図であり、図２は、ダイスの加熱状態を示す拡大断面
図である。図において、符号１で示されるものは図示し
ないスクリュ式混練押出機の先端に連結されたダイホル
ダであり、下流側端面にて円環状に開口する樹脂材料流
路１ａが内部に形成されている。該樹脂材料流路１ａの
周囲には熱媒流路１ｂが設けられている。前記ダイホル
ダ１の下流側端面には略円板状のダイス２が連結されて
いる。該ダイス２には板面上の円環状に複数（多数）の
ノズル７が板厚方向に貫通して形成されており、各ノズ
ル７の内表面２ｂ側開口が前記ダイホルダ１の円環状に
開口する樹脂材料流路１ａに連通している。なお、外表
面２ａではノズル７の開口面が外表面２ａから円環状に
突出して硬化層２ｃが形成されている。また、前記ノズ
ル７の周囲にはダイス２の周辺部に供給口８ａおよび排
出口８ｂを設けられた熱媒流路８が設けられている。前
記ダイス２の外表面２ａには水中造粒装置３のカッター
チャンバ４が連結されている。該カッターチャンバ４は
前記ノズル７の円環状開口面に開口し、流入口４ｂから
流出口４ｃへ連通する冷却水流路４ａが設けられ、前記
ノズル７の円環状開口面に沿って移動（回転）駆動され
る複数のカッター６を備えたカッター装置５が、前記冷
却水流路４ａ内を前記ダイス２の外表面２ａに対して矢
印Ａ方向に接近・離反可能に設けられている。本実施の
形態においては、３箇所に熱電対が設けられている。す
なわち、前記ダイス２の内表面２ｂ上流部である前記ダ
イホルダ１の樹脂材料流路１ａ内に感温部９ａを設けら
れて樹脂材料の温度を計測する第１熱電対９、前記ダイ
ス２の内部の内表面２ｂに近いノズル７の周辺部（近
傍）に感温部１０ａを設けられてダイス７の温度を計測
する第２熱電対１０および前記ダイス２の内部の外表面
２ａに近いノズル７の周辺部（近傍）に感温部１１ａを
設けられてダイス７の温度を計測する第３熱電対１１で
ある。なお、これらの熱電対９，１０，１１は、それぞ
れ円環状に開口する前記樹脂材料流路１ａおよび円環状
に配置形成されている前記ノズル７の円環状の１箇所に
代表的に設けられてもよく、円環状の複数箇所に設けら
れてもよい。
【００１０】以上のように構成された水中造粒装置にお
いて、熱可塑性樹脂材料を造粒する場合について説明す
る。図１において、まず、熱可塑性樹脂材料が造粒され
ている運転中では、図示されない混練押出機から連続的
に押出される高温の溶融樹脂材料が、ダイホルダ１の樹
脂材料流路１ａを流動し、下流側の円環状端面からダイ
ス２のノズル７に流入し、ダイス２の外表面２ａの開口
からカッターチャンバ４の冷却水路４ａ中へ細紐状に押
出される。他方、冷却水路４ａ中では、カッター装置５
が運転され、カッター６がダイス２の外表面２ａの開口
に沿って回転駆動され、押出された細紐状の樹脂材料が
等間隔に切断され、ペレットに造粒される。この間、ダ
イホルダ１では、熱媒流路１ｂに高温の熱媒が供給さ
れ、樹脂材料流路１ａを流動する溶融樹脂材料が加熱さ
れて溶融状態を維持され、ダイス２では、熱媒流路８に
高温の熱媒が供給され、ノズル７を流動する溶融樹脂材
料が加熱されて溶融状態すなわち流動性を維持されてお
り、水中造粒装置３では、流入口４ｂから冷却水流路４
ａに冷却水が供給され、造粒されたペレットを冷却固化
するとともに流出口４ｃからペレットとともに排出され
ている。従って、ダイス２は、その外表面２ａが常時冷
却水に接して冷却されており、熱媒流路８に供給される
熱媒は、冷却水により奪われる熱量を補ってノズル７内
の樹脂材料の溶融状態すなわち流動性を維持している。
【００１１】図３は樹脂材料の流動方向における位置と
温度との関係を示しており、曲線Ｉが定常の造粒運転時
の状態を示している。すなわち、ダイホルダ１、ダイス
２および冷却水の温度は、ダイホルダ１におけるＴ０か
ら第１熱電対の位置Ｘ１でＴ１、ダイス２の第２熱電対
の位置Ｘ２でＴ２、第３熱電対の位置Ｘ３でＴ３と徐々
に温度が低下し、第３熱電対の位置Ｘ３から外表面を経
て冷却水中に到る間に急激に温度が低下し、冷却水温度
Ｔ４となっている。ダイホルダ１およびダイス２を流動
する樹脂材料は、曲線Ｉと略同様の温度変化をたどって
押出され、ダイス２の外表面２ａ直前まで溶融温度を維
持され、外表面２ａから押出された瞬間に冷却水により
冷却されて細紐状の外周から固化される。つぎに、水中
造粒装置３を起動するには、混練押出機およびダイホル
ダ１が運転時と同様に樹脂材料を充満した加熱状態とさ
れ、ダイス２のノズル７内に充満する樹脂材料が軟化状
態となる程度にダイス２の加熱量を減少され、カッタチ
ャンバ４内に冷却水を充満された状態とされている。な
お、カッター６は図１に鎖線で示されるように、ダイス
２の表面から遠ざけて停止している。この状態において
ダイホルダ１およびダイス２の温度は、図３の曲線IIに
示されるように変化している。すなわち、造粒運転時の
曲線Iと比較して、第２熱電対の位置Ｘ２の温度がＴ
２’、第３熱電対の位置Ｘ３の温度がＴ３’と低くな
り、ノズル７内の樹脂材料が溶融点以下で軟化点以上と
なる温度とされて、流動性のある溶融状態と固化状態の
中間状態に保持されている。ただし、ノズル７の外表面
２の付近では、樹脂材料が冷却水により部分的に固化さ
れている。従って、ノズル７内の樹脂材料は、外表面２
ａ付近の部分が固化してノズル７の開口を塞ぎ、樹脂材
料の流出および冷却水の流入を防止するとともに、その
他の部分は容易に溶融される軟化状態に維持されてい
る。例えば、ポリプロピレンの場合、溶融点は１６７〜
１７０℃、軟化点は１１０〜１２０℃であり、Ｔ３’が
１２０〜１６７℃の範囲となるように熱媒の加熱量を設
定する。また、高密度ポリエチレンの場合、溶融点は１
２０〜１４０℃、軟化点６０〜８８℃であり、Ｔ３’が
８８〜１２０℃の範囲となるように熱媒の加熱量を設定
する。このような状態において、まず、ダイス２の熱媒
流路８に多量の例えば定常運転時の１.５〜２倍の熱媒
を供給し、ダイス２を加熱する。ダイス２の加熱状態を
示す第３熱電対１１の温度がＴ３、従って第２熱電対１
０の温度がほぼＴ２に上昇した時点で、つぎに、カッタ
ー装置５を回転駆動し、カッター６をダイス２の外表面
２ａに接近させ、その後、冷却水を循環させ、混練押出
機を運転する。この際、ダイス２が加熱され、第３熱電
対１１の温度がＴ３に上昇した時点で、ノズル７内の樹
脂材料は少なくともノズル７の内孔に接する部分が外表
面近くの僅かな部分を残して溶融状態すなわち流動可能
となり、混練押出機を運転することにより、ノズル７か
ら冷却水中に容易に押出され、回転駆動されているカッ
ター６により切断され、以後連続的に造粒される。造粒
が開始されると、高温の溶融樹脂材料が連続的に押出さ
れてダイス２に必要な加熱量が減少することにより、熱
媒の供給量を減少し、図２（ｂ）の曲線Iの温度変化を
維持する。
【００１２】以上のように水中造粒装置３を起動するに
は、従来の技術の項で述べられた運転中の一時停止の場
合には、運転停止後、カッターチャンバ４に冷却水を保
持したままでダイス２の加熱量をノズル７内の樹脂材料
が軟化状態を維持できる程度まで減少して待機し、最初
の運転開始の場合には、垂れ流し運転後の待機状態でカ
ッターチャンバ４をダイス２に連結し、カッターチャン
バ４に冷却水を保持し、一時停止の場合と同様に、ダイ
ス２をノズル７内の樹脂材料が軟化状態を維持できる程
度に加熱した状態で待機する。なお、本実施の形態で
は、ダイス２の２箇所すなわち、外表面２ａおよび内表
面２ｂに近い位置でノズル７の近傍に感温部が位置する
熱電対１１，１０が設けられているが、ノズル７内の樹
脂材料を確実に軟化状態とするように、また、その割合
が大きくなるように、少なくとも外表面２ａに近い位置
に感温部が位置する熱電対１１を設ける。
【００１３】
【発明の効果】本発明による熱可塑性樹脂材料の水中造
粒方法および水中造粒ダイスは以上のように構成されて
いるため、つぎのような効果を得ることができる。 (1) ダイスのノズル内の樹脂材料が軟化状態でノズル
を塞ぎ、ノズルの外表面が冷却水で覆われて停止した状
態から、ダイスを加熱してノズル内の樹脂材料を溶融状
態とした後、水中造粒装置および混練押出機を運転開始
する水中造粒方法により、これらの手順を順次実行する
ことで殆んど失敗することなく、高度の技術を必要とせ
ず、容易に運転開始することが可能になる。 (2) 殆んど失敗することなく運転開始することが可能
になるので、廃棄される樹脂材料は発生せず、廃棄樹脂
材料を処理するための作業が無くなり、装置の運転員の
みで運転開始することが可能になる。 (3) 廃棄される樹脂材料が発生しなくなるので、製品
の歩留まりが向上するとともに廃棄物の処理費用も必要
なくなる。 (4) ダイスが定常運転時より温度が低く、樹脂材料が
容易に溶融可能な軟化状態を維持する温度に加熱される
ことにより、定常運転時の高温に加熱されている場合に
比較して、ダイスから冷却水へ伝達され放散される熱量
が少なく、ダイスの加熱を完全に停止してノズル内の樹
脂材料が固化した場合に比較して、運転開始時にノズル
内の樹脂材料を溶融状態とするために必要な熱量が少な
く、加熱時間が短くなる。 (5) ノズル内の樹脂材料が軟化状態でノズルを完全に
塞ぐとともに、ダイスの外表面が冷却水で覆われている
ことにより、ノズルからダイス上流部に冷却水が流入す
ることはなく、空気が流入して樹脂材料が酸化劣化する
こともなくなる。 (6) 高温のダイスの外表面は常時冷却水に覆われてい
ることにより、従来のように繰り返し熱衝撃を受けるこ
とがなくなり、熱衝撃による硬化層のひび割れおよび剥
離が起こらなくなった。 (7) 水中造粒ダイスの内部温度を少なくとも外表面付
近のノズル周辺で計測することにより、ノズル内の樹脂
材料の温度をより確実に把握することが可能になり、ノ
ズル内の樹脂材料の軟化状態を維持することが可能にな
る。 (8) 水中造粒ダイスの少なくとも外表面付近のノズル
の近傍に感温部を設けることにより、ノズル内の樹脂材
料の外表面付近の温度を推定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による水中造粒ダイスと水中造粒装置と
を組合せた熱可塑性樹脂材料の造粒部を示す構成断面図
である。
【図２】図１の主要部の拡大断面図である。
【図３】図２に対応した装置の温度変化を示す図であ
る。
【図４】従来の水中造粒装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１ ダイホルダー ２ ダイス ２ａ 外表面 ２ｂ 内表面 ３ 水中造粒装置 ４ カッターチャンバ ４ａ 冷却水流路 ５ カッター装置 ６ カッター ７ ノズル ８ 熱媒流路 ９，１０，１１ 熱電対
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 正治 広島県広島市安芸区船越南１丁目６番１ 号 株式会社日本製鋼所内 (56)参考文献 特開 昭51−89278（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−242208（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B29B 9/00 - 9/16

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 混練押出機により熱可塑性樹脂材料を混
    練溶融するとともに外表面(2a)が冷却水に覆われたダイ
    ス(2)のノズル(7)から冷却水中に溶融状態の樹脂材料を
    押出し、押出された細紐状の樹脂材料を前記ダイス(2)
    の外表面(2a)に沿って移動駆動されるカッター装置(5)
    により切断する水中造粒方法において、 前記混練押出機が樹脂材料を供給された加熱状態で定常
    運転を一時停止し、前記カッター装置(5)が停止し、前
    記ダイス(2)が加熱量を減少されて外表面(2a)を冷却水
    により覆われ、前記ノズル(7)内の外表面付近に充満し
    ている樹脂材料が軟化状態となってノズル(7)を塞いで
    いる状態から、該ダイス(2)の加熱量を増加させること
    により前記ノズル(7)内の外表面(2a)付近に充満してい
    る軟化状態の樹脂材料が溶融状態とされた後、前記カッ
    ター装置(5)を駆動開始するとともに前記混練押出機を
    駆動開始することを特徴とする熱可塑性樹脂材料の水中
    造粒方法。
  2. 【請求項２】 前記混練押出機の停止状態は、前記ノズ
    ル(7)内の外表面(2a)付近に充満している樹脂材料が軟
    化状態となるように、前記ダイス(2)の加熱量が設定さ
    れていることを特徴とする請求項１記載の熱可塑性樹脂
    材料の水中造粒方法。
  3. 【請求項３】 前記ダイス(2)の加熱量は、該ダイス(2)
    内部の少なくとも外表面(2a)付近で前記ノズル(7)の周
    辺の温度を計測することにより、該ノズル(7)内の外表
    面(2a)付近に充満している樹脂材料の温度を推定して設
    定されることを特徴とする請求項１または２記載の熱可
    塑性樹脂材料の水中造粒方法。
  4. 【請求項４】 ダイホルダー(1)を介して混練押出機の
    下流側先端に設けられ、外表面(2a)を硬化層(2c)で構成
    された板状体であり、該板状体を内表面(2b)から前記外
    表面(2a)へ貫通して円形断面の複数のノズル(7)が形成
    され、前記板状体内のノズル(7)の近傍に熱媒流路(8)が
    形成された水中造粒用ダイス(2)において、 少なくとも前記硬化層(2c)の内側の外表面(2a)に近い位
    置でノズル(7)の近傍に感温部(11a)が設けられたことを
    特徴とする熱可塑性樹脂材料の水中造粒ダイス。
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