JP3728543B2

JP3728543B2 - 高粘度水溶液からのポリマー粉末の製造方法

Info

Publication number: JP3728543B2
Application number: JP2003080821A
Authority: JP
Inventors: 寛田中; 圭一藤瀬; 正樹手塚; 貴生横橋; 隆男西畑
Original assignee: DKS CO. LTD.
Current assignee: DKS CO. LTD.
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004285267A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリビニルピロリドン系重合体その他の高粘度のポリマー水溶液から、ドラムドライヤーによる乾燥、及び粉砕を経て、粉末製品を製造する方法に関する。特には、見かけ密度（かさ比重）の高い粉末製品を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ポリマーの水溶液やスラリーから、乾燥粉末製品を得るにあたり、ドラムドライヤーが用いられている（例えば、特許文献１〜２）。
【０００３】
ドラムドライヤーは、水溶液やスラリーを加熱ドラム上に薄く展延し、乾燥固化を行うものである。通常、加熱ドラム上で乾燥固化して生成されるシート状物を、スクレーパーナイフにより掻（か）き取った後、粉砕して乾燥粉末製品を得ている。
【０００４】
ドラムドライヤーには、いくつかの方式があるが、高粘度のポリマー水溶液を乾燥させて粉末製品を得るのには、加熱ドラムの上部外周面に液を供給するトップフィード方式が一般に採用されている。これは、トップフィード方式であると、比較的高粘度の水溶液であっても定量供給ポンプを用いて液を問題なく供給できるからである。
【０００５】
これに対して、スプレー噴霧により加熱ドラムの外周面（加熱蒸発面）に液を供給するスプレー方式は、高粘度の溶液に対応するのが困難である。また、加熱ドラムの一部を液に浸漬させて液を巻き上げるようにして乾燥を行うディップフィード方式も高粘度の溶液には通常あまり適していない。
【０００６】
高粘度のポリマー水溶液からトップフィード方式のドラムドライヤーを用いて乾燥粉末製品を得るにあたり、ある種の製品では、見かけ密度（かさ比重）を大きくすることが一つの課題となっていた。これは、粉末製品の見かけ密度が小さいと、溶解時にママコが生じ、溶解に長時間を要する等の問題があったためである。
【０００７】
そこで、特開２００２−１４６０３３（特許文献３）においては、複数の塗布ローラーを用いて加熱ドラムに対して重ね塗り方式で塗布を行うことが提案されている。これにより、加熱ドラムの外周面に形成されるシート状の乾燥固化物について、気泡の噛み込みを少なくできるので、乾燥固化物の見かけ密度、及びこれからの粉末製品についても見かけ密度を小さくできるとしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２８０８４０号公報段落番号[０００２]
【０００９】
【特許文献２】
特開平６−２３５５８２号公報
【００１０】
【特許文献３】
特開２００２−１４６０３３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、重ね塗り方式であると、複数の塗布ローラとこれにポリマー水溶液を供給する系統等を要し、その分だけ複雑な機構を必要とする。また、加熱乾燥条件などについて、重ね塗りに適したものに限定されるといった問題点もあった。
【００１２】
本件発明者らは、上記問題点に鑑み鋭意検討する中で、ポリマー水溶液の供給条件を最適化することについて着目した。すなわち、ポリマー水溶液の供給条件と、乾燥固化物の見かけ密度との間に何らかの相関関係があるのではないかと考えた。
【００１３】
しかし、高粘度のポリマー水溶液であることから、定量供給ポンプの精度を上げるのには限界があった。また、加熱ドラムが収容されたチャンバー内は、高温の蒸気が充満していることから、作業員が内部の状態を観察しつつ条件を最適化するのは困難であった。
【００１４】
本発明は、高粘度のポリマー水溶液からドラムドライヤーによる乾燥と粉砕を経て乾燥粉末製品を得るにあたり、ドラムドライヤーの構成を複雑にせず、したがって、装置コスト及び生産コストをほとんど上昇させることなく、見かけ密度を大きくできる方法を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明のポリマー粉末の製造方法は、ポリマー水溶液をトップフィード方式にて加熱ドラム上に供給し乾燥固化した後、粉砕してポリマー粉末を製造する方法において、前記加熱ドラムに接した液溜まりの液面の高さを光学的に検出する光学センサと、この光学センサの検出に基づき、前記ポリマー水溶液の供給量を制御する制御装置とを備えることを特徴とする。
【００１６】
上記構成により、加熱ドラム上に、均一に、厚みの大きいシート状固化物を生成することができる。そのため、重ね塗りと同一またはそれ以上の効果を得ることができ、したがって、乾燥粉末製品の見かけ密度（かさ比重）を充分に大きくできる。
【００１７】
好ましくは、前記光学センサが、前記加熱ドラムの軸方向端部よりも外側に配置され、前記液溜まりの液面を斜め上方から捉える。
【００１８】
このようであると、光学センサは、加熱蒸発面から上昇する水蒸気に直接さらされないように配置されているため、加熱水蒸気により損傷を受けることもない。
【００１９】
ポリマー水溶液の粘度が３０００ｍＰａ・ｓ以上であるならば、均一な厚さのシート状固化物を得る上で好ましい。
【００２０】
なお、本発明の説明において、ポリマー水溶液の語は、未溶解の分散物を含む場合や、スラリー状の場合も含めるものとする。また、ポリマー水溶液の粘度は、室温（２５℃）にてＢ型粘度計により測定した値である。
【００２１】
本発明のポリマー粉末の製造方法は、ポリビニルピロリドン系重合体に特に適しており、０．４Ｋｇ／リットル以上の見かけ密度を容易に得ることができる。
【００２２】
好ましくは、トップフィード方式で供給されるポリビニルピロリドン系重合体の水溶液の粘度を１０，０００〜５０，０００ｍＰａ・ｓの範囲内とし、かつ加熱ドラムへの供給直前の温度を３０〜８０℃の範囲内に保つ。また、加熱ドラムの乾燥蒸発面の温度を１１０〜１３０℃に保つ。
【００２３】
このような条件を採用することにより、乾燥粉末製品の見かけ密度を大きくすることができる。ポリマーがポリビニルピロリドン系重合体である場合、見かけ密度を、容易に、０．４Ｋｇ／リットルまたはそれ以上とすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明のポリマー粉末の製造方法は、高粘度のポリマー水溶液を用いる場合に適したものであり、ポリマー水溶液の粘度は、一般に３０００ｍＰａ・ｓ以上、好ましくは５０００ｍＰａ・ｓ以上、特に好ましくは１０，０００ｍＰａ・ｓ以上である。ポリマー水溶液の粘度の上限は、一般に１００，０００ｍＰａ・ｓ、好ましくは５０，０００ｍＰａ・ｓである。このような粘度の範囲であると、加熱ドラム上で、均一な厚さの含水ポリマーシートを形成しやすく、見かけ密度を高くする上で有利である。
【００２５】
ポリマー水溶液は、水溶液重合の重合反応完結後のものが好ましい例として挙げられるが、これに限らず、水溶性ポリマーを種々の方法で溶解して得られたものが含まれる。また、ポリマー水溶液は、有機溶媒や各種低分子添加物を少なからず含むものであっても良い。
【００２６】
ここで、水溶性ポリマーとしては、ポリビニルピロリドン系重合体、アクリルアミド系重合体、ポリビニルアルコール、でんぷん変性物等を挙げることができる。
【００２７】
これらの中でも、ポリビニルピロリドン系重合体は、安全性や生体適合性が高く、医薬、化粧品、接着剤、塗料、インク等の各種用途に有用であり、見かけ密度を大きくすることが、特に、意義がある。また、ポリビニルピロリドン系重合体は、水溶液での重合に適したものであるため、重合により生成したポリマー水溶液をそのまま用いることができる点で、本発明に適している。
【００２８】
しかし、水溶液重合以外の方法で得た、ポリビニルピロリドン系重合体であっても、本発明のポリマー粉末の製造方法を好適に適用することができる。
【００２９】
なお、ポリビニルピロリドン系重合体とは、N-ビニル-2-ピロリドンなどのビニルピロリドンの単独重合体または他のモノマーとの共重合体である。共重合する他のモノマーとしては、マレイン酸、イタコン酸、フマル酸、アクリル酸、メタクリル酸等のカルボキシル基含有モノマー、アクリルアミドやその誘導体などを挙げることができる。ポリビニルピロリドン系重合体におけるビニルピロリドンの含量は、好ましくは４０％以上、特に好ましくは５０％以上である。
【００３０】
特に好ましい態様においては、ビニルピロリドンのモノマー含量が５０モル％以上のポリビニルピロリドン系重合体に本発明が適用され、この際、ポリマー水溶液の粘度（Ｂ型粘度計，２５℃）が１０，０００〜４０，０００ｍＰａ・ｓ（ｃＰ）に調整される。また、この特に好ましい態様において、加熱ドラムの外周面の温度が、１１０〜１３０℃に保たれるとともに、加熱ドラム上に供給される直前のポリマー水溶液の温度が３０〜８０℃に保たれる。
【００３１】
このような特定の条件を採用することにより、ポリマー水溶液を均一に厚く塗布する上で有利となり、適度の速度での水の蒸発を起こさせることができる。その結果、見かけ密度が０．４Ｋｇ／リットル以上の粉末製品を、容易に得ることができる。
【００３２】
本発明の製造方法においては、トップフィード方式のドラムドライヤーの中でも、小径の塗布ローラーを用いてポリマー水溶液を加熱ドラム上部外周面に供給する方式のものが、塗布量を一定にする上で特に好ましい。しかし、これに限らず、２つの略等径の加熱ドラムを組み合わせて用いるダブルドラム（ツインドラム）方式であっても、ほぼ同様である。また、これら以外でも、加熱ドラムの外周面の上部で液溜まりが形成されるものならば採用可能である。例えば、スクレーパーナイフと加熱ドラムとの間で液溜まりが形成される方式であっても良い。
【００３３】
本発明の製造方法に用いる光学センサーの好ましいものとして、デジタル式のレーザーセンサを挙げることができる。レーザー光を用いることにより、水蒸気が充満する条件で精度の高い計測が容易に行え、また、デジタル式であると、マイコン、コンピュータまたはその他のコントローラーによる数値制御が容易であるからである。しかし、非デジタル式や非レーザー方式の各種光学センサを使用可能である。
【００３４】
光学センサーにより液面を捉える個所は、加熱ドラムの軸方向端部の近傍とするのが好ましい。光学センサからの距離が近く、蒸気等の影響が少ないからである。しかし、場合によっては、それ以外の個所を捉えて液面の高さを測定しても良い。
【００３５】
以下に、本発明の実施例で用いたドラムドライヤー１０の構成について図１〜２を用いて説明する。
【００３６】
実施例のドラムドライヤー１０は、加熱ドラム２の外周面（加熱蒸発面）に対し、塗布ローラー３を用いてポリマー水溶液６の塗布を行うものである。塗布ローラー３は、例えば、加熱ドラム２の頂点から約４５度傾斜した位置で加熱ドラム２の外周面にほぼ接している。そして、この塗布ローラー３と、加熱ドラム２との間のくぼみに、ポリマー水溶液６が供給されて液溜まり６２が形成されている。
【００３７】
液溜まり６２の個所の上方には、ドラム軸方向に等間隔に複数の給液ノズル４１が設けられており、ポリマー水溶液６のタンク４３から、電磁バルブ４２及び給液管４を経て、各給液ノズル４１へとポリマー水溶液６が均等に供給される。
【００３８】
また、塗布ローラー３とほぼ対称をなす位置、すなわち、加熱ドラム２の頂点から逆側に約６０度傾斜した位置では、スクレーパーナイフ５が加熱ドラム２の外周面に接している。ゆっくりと回転する加熱ドラム２の外周面上で、含水ポリマーシート７が充分に乾燥された後、スクレーパーナイフ５により掻（か）き取られる。そして、充分に乾燥されたシート状固化物が、不図示の粗砕機及び粉砕機により、粉砕されて、粉末製品が得られる。
【００３９】
一方、ドラムドライヤー１０には、液溜まり６２の液面６１の高さを検出するためのレーザーセンサー１が備えられる。レーザーセンサー１は、加熱ドラム２の一方の軸方向端部２ａの外側、すなわち、加熱ドラム２の上方の領域からドラム軸方向に外れた個所に備え付けられる。そして、レーザーセンサー１は、その軸方向端部２ａの近傍の個所で液溜まり６２の液面６１にレーザー光を照射し、レーザー光の反射強度により液面６１の高さを検出する。
【００４０】
図１に模式的に示すように、レーザーセンサー１がマイコン８に電気的に接続しており、マイコン８には、さらに、ポリマー水溶液６の供給量を調整するための電磁バルブ４２が電気的に接続されている。レーザーセンサー１により検出された液面６１の高さＬが所定値Ｌｏよりも低い場合、電磁バルブ４２の開度を大きくし、高さＬが所定値Ｌｏよりも大きい場合、電磁バルブ４２の開度を小さくする。このような制御により、液面の高さＬを、所定値Ｌｏ±ｄの範囲内に保つ。
【００４１】
このようにポリマー水溶液６の供給量を制御して最適状態に保つことにより、加熱ドラム２の外周面上の含水ポリマーシート７の厚みを、均一にすることができる。すなわち、加熱ドラム２の外周面に塗布される厚みを一定に保つことができるのであり、ときおり、含水ポリマーシート７の厚みが小さくなるということを防ぐことができる。
【００４２】
したがって、加熱ドラム２の外周面に塗布される厚みについて、加熱ドラム２の乾燥性能や、粉砕機の性能によって決まる最大限の厚みに近い状態に、常に維持することができる。その結果、従来の技術における、ポリマー水溶液６の重ね塗りの場合と同等、またはそれ以上の効果を得ることができる。
【００４３】
図３には、本発明の変形例について示す。
【００４４】
変形例のドラムドライヤー装置は、ダブルドラム方式である他は上記実施例と全く同様である。等寸法の２つの加熱ドラム２’，２”が組み合わされ、これらの間のくぼみに、ポリマー水溶液の液溜まり６２が形成されている。そして、この液溜まり６２の液面６１の高さを検出するための、同様のレーザーセンサー１が備えられ、同様に斜め上方から計測を行っている。
【００４５】
以下に、具体的な実施例について、比較例とともに説明する。
【００４６】
＜具体的な実施例＞
５０リットルの攪拌機付き反応槽に、純水１６ｋｇ、N-ビニル-2-ピロリドン４ｋｇを仕込み、窒素ガスを導入して、反応機内の酸素を除去した。次いで、反応機内を攪拌しつつ、反応器のジャケットに温水を流して、内温を５０℃とした。この状態で、重合開始剤として2,2'-アゾビス[2-(2-イミダゾリン-2-ノル)プロパン]ジヒドロクロリド４０ｇを仕込み、重合を開始した。内温を９０℃に昇温して３時間熟成を行うことで、重合反応を完結させた。
【００４７】
得られたポリマー水溶液は、２０重量％濃度であって、２５℃での粘度が３６，０００ｍＰａ・ｓであった。
【００４８】
また、上記に説明した実施例のドラムドライヤー装置１０として、具体的には、加熱ドラム２の直径が７００ｍｍ、軸方向寸法が６００ｍｍであるものを用いた。加熱ドラム２と塗布ローラー３との間隔は、０．２ｍｍに調整した。加熱ドラム２の蒸発面の温度は、加熱ドラム２内への０．２５Ｍｐａの蒸気の導入により、１３０℃に昇温し、この温度に保った。
【００４９】
上記のポリマー水溶液６を、タンク４３中で６０℃に昇温し、加熱ドラム２と塗布ローラー３との間のくぼみ中へと、３つの給液ノズル６１から供給した。昇温したポリマー水溶液の粘度（６０℃）は、１６，０００ｍＰａ・ｓであった。
【００５０】
また、レーザーセンサー１として、キーエンス社のデジタルレーザセンサＬＶＨ−６２を用いた。ここで用いるレーザー光の波長は６５０ｎｍであり、出力は３ｍＷである。また、レーザー光の照射スポットの径が１ｍｍ以下であり、反射強度の測定により液面６１の高さＬを測定するものである。
【００５１】
加熱ドラム２と塗布ローラー３がほぼ接する個所からの液面６１の高さＬは、約３ｃｍであった。レーザーセンサー１の検知に基づく電磁バルブ４２の制御により、高さＬが３±０．５ｃｍの範囲内となるようにした。
【００５２】
加熱ドラム２は、液溜まり６２の個所からスクレーパーナイフ５まで、５０秒かけて２／３回転を行う。
【００５３】
スクレーパーナイフ５により掻き取られた乾燥固形物は、厚み１９０μｍの均一なシートであった。この乾燥固形物を粗砕機にて１ｃｍ角程度に切断した後、フィッツミルにて、平均粒径２００μｍに粉砕した。得られた粉末製品は、揮発分が４．０重量％であり、見かけ密度（かさ比重）が０．４９ｋｇ／Ｌであった。
【００５４】
５００ｍｌフラスコに、２０℃の水を２００ｍｌ入れ、攪拌しつつ２ｇの粉末製品を、１０秒かけて添加した。水への溶解の様子を観察したところ、ママコの生成は全く見られず、２０分後には、完全に溶解していた。
【００５５】
＜比較例＞
液溜まり６２の液面６１の高さの計測、及びこれに基づく、ポリマー水溶液供給量の制御を行わなかった。他の条件は、上記の具体的な実施例と全く同一の処方操作を採用した。
【００５６】
スクレーパーナイフ５により掻き取られた乾燥固形物のシートは、厚みが、１００〜１９０μｍの範囲内でばらついた。得られた粉末製品は、揮発分が３．９重量％であって、見かけ密度（かさ比重）が０．３８ｋｇ／Ｌであった。また、上記の具体的な実施例と同様に溶解テストを行ったところ、ママコの発生が見られ、溶解が完了するまで２時間を要した。
【００５７】
この比較例の結果と、上記具体的な実施例の結果との比較から知られるように、本発明の液面検出に基づく原液供給量の制御により、粉末製品の見かけ密度及び溶解性を著しく向上させることができる。
【００５８】
なお、液面検出に基づく原液供給量の制御を、必要な程度だけ行うというやり方により、粉末製品の見かけ密度及び溶解性を、所望のレベルに適宜コントロールすることも可能である。
【００５９】
＜参考例１＞
加熱ドラム２の加熱蒸発面（外周面）の温度を１５０℃に設定した他は、上記具体的な実施例と全く同様の条件で粉末製品の製造を行った。すると、加熱蒸発面で急激な沸騰が起こった。
【００６０】
掻き取られたシート状の乾燥固化物は、ひび割れやくぼみを有しており、厚みが８０〜２００μｍの範囲でばらついた。得られた粉末製品は、揮発分が３．２重量％であって、見かけ密度（かさ比重）が０．３６ｋｇ／Ｌであった。また、上記の具体的な実施例と同様に溶解テストを行ったところ、ママコの発生が見られ、溶解が完了するまで２時間を要した。
【００６１】
＜参考例２＞
ポリマー水溶液として、粘度（２５℃）が５１，０００ｍＰａ・ｓのものを用い、加熱ドラムに供給する直前のポリマー水溶液の温度を２５℃とした。すなわち、供給時の粘度がかなり高く供給量の制御が困難なものであった。
【００６２】
その他は、上記具体的な実施例と全く同様の条件で粉末製品の製造を行った。ここで用いたポリマー水溶液は、具体的な実施例と同様の合成反応において、重合開始剤の量を３０ｇに減少させて得られたものである。ポリマー水溶液は、具体的な実施例と同様、２０重量％である。
【００６３】
スクレーパーナイフ５により掻き取られた乾燥固形物のシートは、厚みが１２０μｍと、具体的な実施例の場合よりもかなり小さくなった。得られた粉末製品は、揮発分が３．５重量％であって、見かけ密度（かさ比重）が０．３５ｋｇ／Ｌであった。また、上記の具体的な実施例と同様に溶解テストを行ったところ、ママコの発生が見られ、溶解が完了するまで２時間を要した。
【００６４】
これら参考例の結果から知られるように、本発明の液面高さの検知に基づく原液供給量の制御を行うことにより、加熱蒸発面の温度や供給時の粘度が全く不適な場合でも、ある程度の見かけ密度が得られる。
【００６５】
しかし、具体的な実施例との比較から知られるように、ポリビニルピロリドン系重合体の乾燥粉末製品の製造に適した条件を採用してこそ、見かけ密度が０．４ｋｇ／Ｌ以上であって、溶解性の優れたものを得ることができる。
【００６６】
【発明の効果】
粉末製品の見かけ密度及び溶解性を向上させることができる。また、見かけ密度や溶解性を適宜コントロールすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のドラムドライヤーの構成について説明するための模式的な断面斜視図である。
【図２】図１のドラムドライヤーの要部の縦断面図である。
【図３】変形例のドラムドライヤーについて説明するための模式的な断面斜視図である。
【符号の説明】
１レーザーセンサー
２加熱ドラム
３塗布ローラー
４給液管
４１給液ノズル
４２電磁バルブ
５スクレーパーナイフ
６ポリマー水溶液
６１液面
６２液溜まり
７含水ポリマーシート
８マイコン

Claims

ポリマー水溶液をトップフィード方式にて加熱ドラム上に供給し乾燥固化した後、粉砕してポリマー粉末を製造する方法において、
前記加熱ドラムに接した液溜まりの液面の高さを光学的に検出する光学センサと、
この光学センサの検出に基づき、前記ポリマー水溶液の供給量を制御する制御装置とを用いることを特徴とするポリマー粉末の製造方法。
前記光学センサが、前記加熱ドラムの軸方向端部よりも外側に配置され、前記液溜まりの液面を斜め上方から捉えるようにすることを特徴とする請求項１記載のポリマー粉末の製造方法。
前記ポリマー水溶液の粘度が３０００ｍＰａ・ｓ以上であることを特徴とする請求項１または２記載のポリマー粉末の製造方法。
前記ポリマー粉末がポリビニルピロリドン系重合体の粉末であって、その見かけ密度が０．４Ｋｇ／リットル以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のポリマー粉末の製造方法。
前記ポリマー水溶液の粘度を１０，０００〜４０，０００ｍＰａ・ｓの範囲内とし、かつ前記加熱ドラムへの供給直前の温度を３０〜８０℃の範囲内に保ち、
前記加熱ドラムの乾燥蒸発面の温度を１１０〜１３０℃に保つことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のポリマー粉末の製造方法。