JP4660528B2 - Polymer composite material manufacturing apparatus and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、合成高分子及びバイオマス由来成分が混合してなる高分子複合材料に関連する技術分野に属し、特にそのような高分子複合材料を製造する製造装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention is a synthetic polymer and a biomass origin component belongs to a technical field related to a polymer composite material formed by combining, in particular it relates to such a polymer composite material to that production equipment producing and manufacturing method thereof is there.
ここで、バイオマス(生物資源)とは、太陽のエネルギーによって、成長する動物や植物のうち再生可能な有機性資源を指す。
具体的には、リグノセルロース又はセルロースを主成分とする草木質系バイオマス(木材工業およびパルプ工業等の廃棄物である間伐材・建築解体材等、農業廃棄物である稲ワラ・さやガラ・籾ガラ等)、アミロース又はアミロペクチンを主成分とするデンプン質系バイオマス(米、小麦、とうもろこし、馬鈴薯、甘藷、タピオカ等)、甲殻類動物に由来するキチン(又はキトサン)質系バイオマス(蟹ガラ、蝦ガラ等)が挙げられる。
Here, the biomass (biological resource) refers to an organic resource that can be regenerated among animals and plants that grow by solar energy.
Specifically, lignocellulose or plant-based biomass mainly composed of cellulose (such as thinning and building demolition materials such as wood industry and pulp industry) , Etc.), starchy biomass mainly composed of amylose or amylopectin (rice, wheat, corn, potato, sweet potato, tapioca, etc.), chitin (or chitosan) based biomass derived from crustacean animals Gala etc.).
現在、これらバイオマスに由来する成分と合成高分子とを複合化させることにより、化石資源から生産される合成高分子の使用量を低減させ地球環境の保全に貢献したり、従来にない新機能を発現したりする高分子複合材料を創出する研究が進められている。そのような高分子複合材料にあっては、合成高分子の母相にバイオマス由来成分をいかにして微細にかつ均一に分散させるかが重要な検討課題となっている。
しかし、バイオマスは、分子間の強固な水素結合に基づく高い結晶性を有するとともに三次元架橋等の高次構造を有している。また機械的に粉砕された場合であってもバイオマスの粉末は凝集しやすい性質を有している。このため、バイオマス由来成分を合成高分子の母相に微細にかつ均一に分散させることは一般に容易でない。
Currently, by combining these biomass-derived components and synthetic polymers, the amount of synthetic polymers produced from fossil resources can be reduced, contributing to the preservation of the global environment, Research is underway to create polymer composite materials that can be expressed. In such a polymer composite material, how to disperse the biomass-derived component finely and uniformly in the matrix of the synthetic polymer is an important study subject.
However, biomass has high crystallinity based on strong hydrogen bonds between molecules and has a higher-order structure such as three-dimensional crosslinking. Moreover, even when mechanically pulverized, the biomass powder has a property of easily agglomerating. For this reason, it is generally not easy to finely and uniformly disperse the biomass-derived component in the matrix of the synthetic polymer.
前記した課題に対する従来技術として、前記デンプン質系バイオマスにあっては、これに含水処理を行った後に、合成高分子の主剤とともに加熱混練することにより、デンプン質を糊化(α化)させ母相に微細に均一に分散させる技術が公知となっている(例えば、特許文献1)。
また、草木質系バイオマスやキチン質系バイオマスにあっては、高圧ホモゲナイザー等を用いて、これらバイオマスを水溶媒中で微細化し均質な懸濁液を作製する。そして、この懸濁液を、合成高分子の主剤とともに加熱混練することにより、バイオマス由来成分を母相に微細に均一に分散させる技術が公知となっている(例えば、特許文献2)。
As a conventional technique for the above-mentioned problems, the starchy biomass is subjected to a hydrous treatment and then heated and kneaded with a synthetic polymer main ingredient to gelatinize (α-form) the starchy material, thereby making the mother A technique for finely and uniformly dispersing a phase is known (for example, Patent Document 1).
In the case of grassy biomass and chitinous biomass, a high-pressure homogenizer or the like is used to refine these biomasses in an aqueous solvent to produce a homogeneous suspension. And the technique which disperse | distributes a biomass origin component finely and uniformly to a parent phase by heat-kneading this suspension with the main ingredient of a synthetic polymer is well-known (for example, patent document 2).
しかし、以上述べた従来技術では、混練処理中に微細に均一に分散したバイオマス由来成分が、大気圧開放により急激になされる脱水工程において、部分的に再凝集する現象が避けられない問題があった。このため、前記した従来技術により製造された高分子複合材料は、母相に対する分散相の微細化・均一化の達成度が不十分であるといえる。 However, the conventional technology described above has a problem in which the phenomenon that the biomass-derived components finely and uniformly dispersed during the kneading process partially re-aggregate in the dehydration process that is abruptly performed by releasing the atmospheric pressure is unavoidable. It was. For this reason, it can be said that the polymer composite material manufactured by the above-described conventional technology has an insufficient degree of achievement of the refinement and uniformization of the dispersed phase with respect to the matrix phase.
本発明は、前記した問題を解決することを課題とし、合成高分子の母相におけるバイオマス由来成分の分散相を高度に微細化、均一化した高分子複合材料を製造する技術を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a technique for manufacturing a polymer composite material in which a dispersed phase of a biomass-derived component in a matrix phase of a synthetic polymer is highly refined and homogenized in order to solve the above-described problems. Objective.
前記課題を解決するために本発明は、合成高分子及びバイオマス由来成分が混合してなる高分子複合材料を製造する製造装置において、前記バイオマス由来成分の過剰含水物が少なくとも含まれる混練物を設定された混練温度で混練する混練手段と、前記混練温度における飽和蒸気圧よりも低くかつ大気圧よりも高い設定圧力で前記主剤及び前記過剰含水物を含む混練物を脱水する脱水手段と、脱水された前記混練物を取り出す取出手段とを、含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention sets a kneaded material containing at least an excess water-containing material of the biomass-derived component in a production apparatus for producing a polymer composite material obtained by mixing a synthetic polymer and a biomass-derived component. Kneading means for kneading at the kneading temperature, dehydrating means for dehydrating the kneaded material containing the main agent and the excess hydrous material at a set pressure lower than the saturated vapor pressure at the kneading temperature and higher than atmospheric pressure, and dehydrating And a take-out means for taking out the kneaded product.
このような手段から本発明が構成されることにより、大量の水分を共存させた状態で混練が実行され、バイオマス由来成分と合成高分子との微細な混合状態が得られる。そして、このように微細に混合した混練物が前記設定圧力におかれると、含まれる大量の水分が徐々に気化して分離し、前記混練物の脱水が実行される。そして、バイオマス由来成分の再凝集が抑制されることになる。なお、合成高分子は、熱可塑性高分子及び熱硬化性高分子のいずれであっても適用することができる。 By this invention a means is configured, the kneading performed in a state in which the coexistence of large amounts of moisture, fine fine Do admixture with biomass origin component and the synthetic polymer is obtained. And thus the kneaded material obtained by mixing the fine pore is placed in the set pressure, a large amount of water and separated vaporized gradually included, dehydration of the kneading object is executed. And reaggregation of a biomass origin component will be suppressed. Incidentally, the synthetic polymer can be applied either a thermoplastic polymer and thermoset polymer.
さらに本発明は、この高分子複合材料を製造する製造装置において、前記混練手段は、前記合成高分子の主剤及び前記バイオマス由来成分の過剰含水物を投入する投入手段が上流側に設けられ取出手段が下流側に設けられているシリンダと、前記混練温度に設定されている前記シリンダの内部で軸回転し前記投入手段から前記取出手段に向かって押し出すスクリューと、を有し、前記脱水手段は、前記シリンダの内部及びその外部を隔てるとともに前記混練物のうち含まれる水分を選択的に濾過する濾過板と、前記濾過板により濾過された水分を気化させる気化空間を形成するとともに大気を遮断する遮断壁と、前記気化空間の気圧を前記設定圧力に設定する調圧手段とを、手段として有することを特徴とする。 Furthermore, the present invention provides the production apparatus for producing the polymer composite material, wherein the kneading means is provided with an introduction means for introducing the synthetic polymer main ingredient and the excess hydrated biomass-derived component on the upstream side, and an extraction means. Is provided on the downstream side, and a screw that rotates inside the cylinder set at the kneading temperature and pushes out from the input means toward the take-out means, the dehydrating means, a filter plate for selectively filtering water content that is part of the kneaded product with separate internal and external to the cylinder, the air to form a vaporizing space to vaporize the water content that has been filtered by the filtration plate It has a blocking wall for blocking and pressure adjusting means for setting the pressure in the vaporization space to the set pressure, as means.
このような手段から本発明が構成されることにより、連続式の製造装置が構成される。すなわち、合成高分子が溶融する温度に設定されたシリンダの内部で軸回転するスクリューによって、バイオマス由来成分は、含有する水分とともに混練物中に均一に分散される。また、軸回転するスクリューから付与される圧力によって、混練物は濾過板に押し付けられるとともに含有する水分が気化空間に濾しだされることになる。そして、この気化空間は調圧手段により前記した設定圧力に設定されるので、濾しだされた水分はこの気化空間において気化して調圧手段から大気中に放出されることになる。 By configuring the present invention from such means, a continuous manufacturing apparatus is configured. That is, the screw synthetic polymer pivots within a cylinder which is set to a temperature for melting, the biomass origin component is uniformly dispersed in the kneaded product with moisture contained. Further, the kneaded product is pressed against the filter plate by the pressure applied from the axially rotating screw, and the contained water is filtered out into the vaporization space. Since this vaporization space is set to the set pressure by the pressure adjusting means, the filtered water is vaporized in this vaporization space and discharged from the pressure adjusting means to the atmosphere.
さらに本発明は、この高分子複合材料の製造装置において、前記シリンダに対し複数個の前記脱水手段が設けられ、これら複数個の脱水手段の設定圧力は、取出手段に近い程小さく設定されていることを特徴とする。 Furthermore, in the polymer composite material manufacturing apparatus according to the present invention, a plurality of the dewatering means are provided for the cylinder, and the set pressure of the plurality of dewatering means is set to be smaller as the take-out means is closer. It is characterized by that.
このように本発明が構成されることにより、混練物がシリンダの下流に向かって押し出される過程において、この混練物に含まれる水分は、段階的に脱水されることとなり、バイオマス由来成分の再凝集が効果的に抑制されることになる。 By configuring the present invention in this way, in the process in which the kneaded product is extruded toward the downstream of the cylinder, the water contained in the kneaded product is dehydrated step by step, and the biomass-derived components are re-agglomerated. Is effectively suppressed.
さらに本発明は、この高分子複合材料の製造装置において、前記取出手段に直近の前記脱水手段の設定圧力は、大気圧よりも低圧に設定することも可能であることを特徴とする。 Furthermore, the present invention is characterized in that, in the polymer composite material manufacturing apparatus, the set pressure of the dehydrating means closest to the take-out means can be set lower than the atmospheric pressure.
このように本発明が構成されることにより、混練物がシリンダの下流に向かって押し出される過程において、この混練物の脱水がより完全になり、バイオマス由来成分の再凝集が抑制されることになる。 By configuring the present invention in this way, in the process in which the kneaded product is extruded toward the downstream of the cylinder, the dehydration of the kneaded product becomes more complete, and reaggregation of biomass-derived components is suppressed. .
さらに本発明は、高分子複合材料の製造装置において、前記脱水手段が備えられている部位の前記混練物を上流側よりも加圧する構成を備え、この構成は具体的に、前記スクリューの軸径を変化させたり、前記スクリューに設けられるフライトのピッチを変化させたりすることにより達成されることを特徴とする。 Furthermore, the present invention includes a structure for pressurizing the kneaded material at a portion where the dehydrating means is provided from the upstream side in a polymer composite material manufacturing apparatus, and this structure specifically includes a shaft diameter of the screw. Or by changing the pitch of the flight provided on the screw.
このように本発明が構成されることにより、混練物に含まれる水分が除去されてこの混練物の容積が減少しても、この混練物に付与される圧力は少なくとも維持されることになる。 By configuring the present invention in this way, even if the water contained in the kneaded product is removed and the volume of the kneaded product is reduced, the pressure applied to the kneaded product is at least maintained.
さらに本発明は、高分子複合材料の製造装置において、大気圧より低圧に設定された前記脱水手段が備えられている部位の前記混練物を上流側よりも減圧する構成を備え、この構成は具体的に、前記スクリューの軸径を変化させたり、前記スクリューに設けられるフライトのピッチを変化させたりすることにより達成されることを特徴とする。 Furthermore, the present invention provides an apparatus for producing a polymer composite material, comprising a configuration in which the kneaded material in a portion provided with the dehydrating means set to a pressure lower than atmospheric pressure is decompressed from the upstream side. In particular, this is achieved by changing the shaft diameter of the screw or changing the pitch of the flight provided on the screw.
このように本発明が構成されることにより、スクリューから混練物に付与されている圧力は解除されることになり、大気圧より低圧にさらされる混練物からの脱水が促進されることになる。 By configuring the present invention in this way, the pressure applied to the kneaded material from the screw is released, and dehydration from the kneaded material exposed to a pressure lower than atmospheric pressure is promoted.
さらに本発明は、高分子複合材料の製造装置において、前記過剰含水物、液状試薬又は水が前記主剤の投入手段よりも下流側に設けられている圧入手段から圧入されることを特徴とする。 Furthermore, the present invention is characterized in that in the polymer composite material production apparatus, the excess hydrate, liquid reagent or water is injected from a press-in means provided downstream of the main agent input means.
このように本発明が構成されることにより、バイオマス由来成分の過剰含水物が、懸濁液のように流動性の高いものであっても、混練される合成高分子の主剤に対してむらなく投入されることになる。さらに、投入されるバイオマス由来成分に対し、その下流側から水が注水されることによって、混練を実行しながらこのバイオマス由来成分を過剰含水物に調整することができる。また、種々の液状の液状試薬を混練物に追加することができる。 By configuring the present invention in this way, even if the excess hydrated biomass-derived component has a high fluidity such as a suspension, it is even with respect to the main component of the synthetic polymer to be kneaded. Will be thrown in. Furthermore, by pouring water from the downstream side with respect to the biomass-derived component to be input, the biomass-derived component can be adjusted to an excess water-containing material while performing kneading. Various liquid liquid reagents can be added to the kneaded product.
さらに本発明は、高分子複合材料を製造する製造装置において、前記混練手段は、前記合成高分子の主剤及び前記バイオマス由来成分の過剰含水物を投入する投入手段並びに前記取出手段が設けられるケーシングと、密閉空間にされ前記混練温度に設定された前記ケーシングの内部で回転し前記混練物を混練するローターとを、有し、前記脱水手段は、前記密閉空間の気圧を前記設定圧力に設定する調圧手段を、有することを特徴とする。 Furthermore, the present invention relates to a production apparatus for producing a polymer composite material, wherein the kneading means includes a casing provided with an introduction means for introducing the main component of the synthetic polymer and an excess water content of the biomass-derived component, and an extraction means. A rotor that rotates inside the casing and is set to the kneading temperature and is kneaded with the kneaded product, and the dehydrating means adjusts the pressure of the sealed space to the set pressure. It has a pressure means.
このように本発明が構成されることにより、バッチ式の製造装置が構成される。すなわち、合成高分子が溶融する温度に設定されたケーシングの内部で軸回転するロータによって、バイオマス由来成分は、含有する水分とともに混練物中に均一に分散される。また、このように混練物が混練されている最中は、投入手段及び取出手段の開口は閉じられることによりケーシングの内部は密閉空間となっている。そして、この密閉空間は調圧手段により前記した設定圧力に設定され、混練物に含まれる水分はこの密閉空間において気化して調圧手段から大気中に放出されることになる。 By configuring the present invention in this way, a batch type manufacturing apparatus is configured. That is, the rotor synthetic polymer pivots inside the casing is set to a temperature for melting, the biomass origin component is uniformly dispersed in the kneaded product with moisture contained. Further, while the kneaded material is being kneaded in this way, the inside of the casing becomes a sealed space by closing the openings of the charging means and the taking-out means. And this sealed space is set to the set pressure described above by the pressure adjusting means, and the water contained in the kneaded material is vaporized in this sealed space and released from the pressure adjusting means into the atmosphere.
さらに本発明は、高分子複合材料を製造する製造装置において、前記ケーシングの内部及び外部を隔てるとともに前記混練物のうち含まれる水分を選択的に濾過する濾過板と、前記濾過板を介して前記密閉空間に連通する気化空間が形成されるとともに前記調圧手段が設けられている遮断壁とを、有することを特徴とする。 The present invention is a manufacturing apparatus for manufacturing a polymer composite material, a filter plate for selectively filtering water content that is part of the kneaded product with separate internal and external to the casing, through the filter plate And a blocking wall in which a vaporizing space communicating with the sealed space is formed and the pressure adjusting means is provided.
このように本発明が構成されることにより、軸回転するロータから付与される圧力によって、混練物が濾過板に押し付けられると含有する水分が気化空間に濾しだされる。そして、この気化空間は調圧手段により前記した設定圧力に設定されるので、濾しだされた水分はこの気化空間において気化して調圧手段から大気中に放出されることになる。 By configuring the present invention in this way, moisture contained in the kneaded material is filtered out into the vaporization space when the kneaded product is pressed against the filter plate by the pressure applied from the axially rotating rotor. Since this vaporization space is set to the set pressure by the pressure adjusting means, the filtered water is vaporized in this vaporization space and discharged from the pressure adjusting means to the atmosphere.
さらに本発明は、合成高分子及びバイオマス由来成分が混合してなる高分子複合材料を製造する製造方法において、前記バイオマス由来成分の過剰含水物が少なくとも含まれる混練物を設定された混練温度で混練する混練工程と、前記混練温度における飽和蒸気圧よりも低くかつ大気圧よりも高い設定圧力で混練物を脱水する脱水工程と、脱水された混練物を取り出す取出工程とを、含むことを特徴とする高分子複合材料の製造方法であることを特徴とする。 Furthermore, the present invention provides a method for producing a polymer composite material obtained by mixing a synthetic polymer and a biomass-derived component, and kneading a kneaded material containing at least an excess water-containing material of the biomass-derived component at a set kneading temperature. A kneading step, a dehydrating step of dehydrating the kneaded material at a set pressure lower than the saturated vapor pressure at the kneading temperature and higher than the atmospheric pressure, and a taking-out step of taking out the dehydrated kneaded material. It is the manufacturing method of the polymer composite material which makes it.
これにより、前記した設定圧力で混練物を脱水しバイオマス由来成分が分散した高分子複合材料を製造するという本発明の技術思想は、特定の製造装置に限定されることなく適用することが可能になる。つまり、後記する実施形態で示す連続方式をとる押出型製造装置やバッチ方式をとる加圧ニーダ製造装置に限定されることなく本発明の製造方法を適用することが可能になる。
さらに、本発明により、水、脱水処理をしないバイオマス由来成分、バイオマス由来以外の高含水の繊維状の副材料などを投入することも可能となり、製造工程の効率化や物性の改質が容易となる。
As a result, the technical idea of the present invention of producing a polymer composite material in which the kneaded material is dehydrated at the set pressure and the biomass-derived components are dispersed can be applied without being limited to a specific production apparatus. Become. That is, the manufacturing method of the present invention can be applied without being limited to an extrusion mold manufacturing apparatus that adopts a continuous method and a pressure kneader manufacturing apparatus that adopts a batch method, which will be described later in an embodiment.
Furthermore, according to the present invention, it becomes possible to introduce water, a component derived from biomass that is not subjected to dehydration treatment, a fibrous secondary material having a high water content other than that derived from biomass, and the efficiency of the manufacturing process and the improvement of physical properties are facilitated. Become.
さらに本発明は、高分子複合材料を製造する方法において、前記バイオマス由来成分はデンプン質系バイオマスに由来するものであって、このデンプン質系バイオマスを過剰含水物にする水を注水する注水工程を含むことを特徴とする。 The present invention relates to a process for preparing a polymer composite material, wherein the biomass-derived component be derived from starch based biomass, water injection step of injection of the to that of water the starch based biomass into an excess hydrous substance It is characterized by including.
このように本発明が構成されることにより、例えば、合成高分子のペレットと、バイオマス原料(例えば精米)と、水とをそれぞれ別個に製造装置の投入手段に投入して高分子複合材料を製造することができる。これにより、生産効率の向上が見込まれる。 By configuring the present invention in this way, for example, a polymer composite material is manufactured by separately feeding a synthetic polymer pellet, a biomass raw material (for example, polished rice), and water separately to the input means of the manufacturing apparatus. can do. This is expected to improve production efficiency.
さらに本発明は、高分子複合材料を製造する方法において、前記バイオマス由来成分はバイオマスを機械的に微粒子化したものであって、その集合体に水を含浸させて過剰含水物にする含水工程を含むことを特徴とする。 The present invention relates to a process for preparing a polymer composite material, wherein the biomass-derived component be one obtained by mechanically micronized biomass, moisture process of the over Retained moisture product impregnated with water to the aggregate It is characterized by including.
このように本発明が構成されることにより、飛散しやすい微粒子の集合体の取り扱いが簡便化し、生産効率の向上が見込まれる。さらに、この微粒子の集合体は、内包される空気が水に置換されて混練に付されることとなり、気泡による欠陥の少ない高分子複合材料を製造することができる。なお、ここで微粒子の集合体とは、バイオマスを機械的に粉砕して得られる微粉末体であったり、バイオマスから抽出される繊維質体であったりする。 By configuring the present invention in this way, handling of aggregates of fine particles that are easily scattered is simplified and production efficiency is expected to be improved. Further, the aggregate of the fine particles is subjected to kneading by replacing the air contained therein with water, and a polymer composite material with few defects due to bubbles can be produced. Here, the aggregate of fine particles is a fine powder obtained by mechanically pulverizing biomass or a fibrous body extracted from biomass.
さらに本発明は、高分子複合材料を製造する方法において、前記合成高分子及び前記バイオマス由来成分の合計量100重量部に対し、鎖状炭化水素の主鎖の炭素数が10から100の範囲に含まれるワックスを1から20重量部配合するワックス配合工程を含むことを特徴とする。 Furthermore, the present invention provides a method for producing a polymer composite material, wherein the main chain of the chain hydrocarbon has a carbon number in the range of 10 to 100 with respect to 100 parts by weight of the total amount of the synthetic polymer and the biomass-derived component. It includes a wax blending step of blending 1 to 20 parts by weight of the contained wax.
このように本発明が構成されることにより、混練工程において、ワックスが合成高分子の主剤よりも先行して溶解し水と混合液相を形成するので、混練物の粘性が低下し、混練性が向上する。さらに先行して溶融したワックスが、バイオマス由来成分に吸着し、溶融した合成高分子の主剤に対するバイオマス由来成分の拡散を促進する。 By configuring the present invention in this way, in the kneading step, the wax dissolves prior to the main component of the synthetic polymer to form a mixed liquid phase with water, so that the viscosity of the kneaded material is reduced and the kneadability is reduced. Will improve. Further prior to melted wax, adsorbed on the biomass origin component, it promotes diffusion of the biomass origin component to base component of the molten synthetic polymer.
さらに本発明は、高分子複合材料を製造する方法において、前記混練工程では前記バイオマス由来成分の過剰含水物及び相溶化剤を混練し、前記脱水工程を経てから前記合成高分子の主剤を混合しさらに混練することを特徴とする。 The present invention relates to a process for preparing a polymer composite material, in the kneading step by kneading the excess hydrous substance and compatibilizing agent for the biomass origin component, a mixture of the main agent of the synthetic polymer from through the dehydration step Further kneading.
このように本発明が構成されることにより、バイオマス由来成分は、さらに粉砕されて微粒子化するとともに、その表面に相溶化剤を吸着させて、後で投入される合成高分子に対する親和性が向上する。 By constructing the present invention in this way, the biomass-derived component is further pulverized to form fine particles, and the compatibilizer is adsorbed on the surface to improve the affinity for a synthetic polymer to be introduced later. To do.
本発明により、合成高分子の母相におけるバイオマス由来成分の分散相を高度に微細化、均一化した高分子複合材料を製造する技術が提供される。 The present invention provides a technique for producing a polymer composite material in which a dispersed phase of a biomass-derived component in a matrix phase of a synthetic polymer is highly refined and homogenized.
以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
(第1実施形態)
図1(a)は本発明に係る高分子複合材料の製造装置10(以下、単に「製造装置」という)の第1実施形態を示す縦断面図である。
この製造装置10は、投入手段12(ホッパ)と、混練手段50と、脱水手段40と、強制減圧装置30とを、含んで構成されている。ここで混練手段50は、駆動手段11と、シリンダ13と、スクリュー15とを含んだ構成である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1A is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of a polymer composite material manufacturing apparatus 10 (hereinafter simply referred to as “manufacturing apparatus”) according to the present invention.
The
このように製造装置10が構成されことにより、投入手段12により高分子複合材料の原材料が投入されると、この原材料は、シリンダ13の内部で軸回転するスクリュー15により混練されるとともに、脱水手段40及び強制減圧装置30により脱水処理されて、取出手段17から高分子複合材料の溶融体となって取り出されることになる。
なお、この高分子複合材料の溶融体は、取出手段17に設けられ小さな穴が十数ヶ所空いているダイ(図示略)を通って、束状に放出される。さらに、冷却バスを通過して凝固した後にペレタイザー(図示略)に引込まれ米粒状のペレットにカットされる。
By configuring the
The polymer composite melt is discharged in a bundle through a die (not shown) provided in the take-out means 17 and having dozens of small holes. Further, after solidifying through the cooling bath, it is drawn into a pelletizer (not shown) and cut into rice granular pellets.
駆動手段11は、スクリュー15の一端に接続して、このスクリュー15を軸回転させるものであって、高分子複合材料の原材料を混練する動力源である。なお図1においてスクリュー15は、一本のみ表示されているが、製造装置10は、このような一軸のものに限定されるものではなく、二本以上のスクリュー15が並列して構成される多軸のものである場合も含まれる。
このように、多軸で構成される製造装置10にあって駆動手段11は、設置される複数のスクリュー15のそれぞれを軸回転させる。なおこの場合、複数のスクリュー15のそれぞれの軸回転の方向及び速度については任意設定事項である。
The driving means 11 is connected to one end of the
Thus, in the
投入手段12は、高分子複合材料の原材料である合成高分子の主剤及びバイオマス由来成分の過剰含水物を、シリンダ13の内部に投入するものである。この投入されるものの分量並びに配合率は、合成高分子とバイオマス由来成分の過剰含水物とをそれぞれ供給する供給部12a,12bによって任意に設定することができる。
さらに、この投入手段12には、バイオマス由来成分がデンプン質系バイオマスに由来するものである場合、このバイオマス由来成分が後記するように糊化するのに必要な水分が注水され過剰含水物になるための注水手段が設けられている場合がある。
The charging means 12 is for charging the main component of the synthetic polymer, which is the raw material of the polymer composite material, and the excess hydrated material of the biomass-derived component into the
Further, when the biomass-derived component is derived from starchy biomass, the charging means 12 is filled with water necessary for gelatinizing the biomass-derived component, as will be described later, to become an excess water content. There are cases where water injection means are provided.
ここで合成高分子として製造装置10に投入されるものとして、加熱により溶融する熱可塑性樹脂や、加熱により硬化する熱硬化性樹脂のいずれも採用することができる。
熱可塑性高分子の主剤として採用することができるものとしては、ペレット状に成形された、低密度ポリエチレン(LDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、ポリプロピレン(PP)、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、エチレン−アクリル酸エチル共重合体(EEA)等のポリオレフィン系の樹脂が好適である。
またこれらに限定されることなく、その他、ポリカーボネート樹脂(PC)、ポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)、アクリル・ブチレン・スチレン(ABS)等、加熱により熱流動する性質を有し一般に押出成形が可能なものであれば、特に制限無く用いることができる。さらに、これら熱可塑性樹脂は、二種以上混合して使用してもよい。
Here, as the synthetic polymer that is put into the
As the main component of the thermoplastic polymer, low density polyethylene (LDPE), high density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), ethylene-vinyl acetate copolymer ( A polyolefin-based resin such as EVA) or ethylene-ethyl acrylate copolymer (EEA) is preferable.
Other than these, polycarbonate resin (PC), polyethylene terephthalate resin (PET), acrylic / butylene / styrene (ABS), etc., which have the property of being heat-fluidized by heating, can generally be extruded. If it is, it can be used without particular limitation. Furthermore, these thermoplastic resins may be used as a mixture of two or more.
一方、熱可塑性高分子の主剤として、ポリ乳酸(PLA)、ポリブチレンサクシネート(PBS)、ポリカプロラクトン(PCL)等の生分解性を具備したものを用いれば、その全てが土に還元される性質を有し、環境保全の観点から好適な高分子複合材料が得られる。また、テグラノボン(商標)や、マクロテク・リサーチ社(米国)のECMマスターバッチ(商品名)等の生分解性を付与する添加剤が付与されているポリオレフィン樹脂を用いても同様に環境保全の観点から好適である。 On the other hand, if thermoplastic polymers such as polylactic acid (PLA), polybutylene succinate (PBS), and polycaprolactone (PCL) are used, all of them are reduced to soil. A polymer composite material having properties and suitable from the viewpoint of environmental protection can be obtained. Similarly, from the viewpoint of environmental conservation, polyolefin resins to which additives that impart biodegradability such as Tegranobon (trademark) and ECM Masterbatch (trade name) of Macrotech Research (USA) are added. To preferred.
熱硬化性高分子として採用することができるものとしては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ポリイミド、ジアリルフタレート、アルキド等の各種公知の熱硬化性樹脂が挙げられる。
これら熱硬化性高分子は、公知の硬化剤を主剤に添加して、所定の形状を保持して、硬化温度に設定して重合反応させることにより成形品にすることができるものである。なお、これら熱硬化性高分子の主剤は、重合反応前の単量体が低分子量化合物であるために、液体、固体、半固体の性状を取り得るが、少なくとも温度を上げれば流動状態を示すものである。
よって、硬化温度よりも低い温度に設定された混練温度で、熱硬化性高分子の主剤とバイオマス由来成分とが混練されることになる。
Examples of thermosetting polymers that can be used include various known thermosetting resins such as epoxy resins, phenol resins, unsaturated polyester resins, urea resins, melamine resins, polyimides, diallyl phthalates, and alkyds. .
These thermosetting polymers can be formed into molded articles by adding a known curing agent to the main agent, maintaining a predetermined shape, and setting the curing temperature to a polymerization reaction. The main component of these thermosetting polymers can be liquid, solid, or semi-solid because the monomer before the polymerization reaction is a low molecular weight compound, but it exhibits a fluid state at least when the temperature is raised. Is.
Therefore, the main component of the thermosetting polymer and the biomass-derived component are kneaded at a kneading temperature set to a temperature lower than the curing temperature.
これら熱硬化性高分子のなかでも、アルキド樹脂は、多価アルコールと多塩基酸とが縮合重合してなる合成高分子であって、この多塩基酸は、混練中にバイオマス由来成分の表面のヒドロキシ基(−OH)ともエステル結合する。このために、合成高分子とバイオマス由来成分とは界面の親和性が良好になるので、微細でかつ均一な分散構造が得られる。
このような多価アルコールとして、プロピレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリトリトール等が挙げられる。
多塩基酸としては無水フタル酸、無水マレイン酸、アジピン酸等が挙げられる。
また硬化剤として、有機過酸化物(ベンゾイールペルオキシド、ジクミルペルオキシド等)が挙げられる。
Among these thermosetting polymers, the alkyd resin is a synthetic polymer formed by condensation polymerization of a polyhydric alcohol and a polybasic acid, and this polybasic acid is formed on the surface of the biomass-derived component during kneading. An ester bond is also formed with a hydroxy group (—OH). For this reason, since the affinity of the interface between the synthetic polymer and the biomass-derived component becomes good, a fine and uniform dispersion structure can be obtained.
Examples of such polyhydric alcohols include propylene glycol, glycerin, trimethylolpropane, pentaerythritol and the like.
Examples of the polybasic acid include phthalic anhydride, maleic anhydride, and adipic acid.
Examples of the curing agent include organic peroxides (benzoyl peroxide, dicumyl peroxide, etc.).
また、前記した多価アルコールに代えてエポキシドを採用してもよい。この場合、エポキシドが混練されるとその3員環が開裂して周囲の水分子が付加して二価の多価アルコールとなり、前記した場合と同様のアルキド樹脂が合成される。また混練時に未反応のエポキシドは、その後、硬化温度に設定して成形品にする際に、3員環が開環重合してエポキシ樹脂になる。 Further, an epoxide may be adopted instead of the polyhydric alcohol. In this case, when the epoxide is kneaded, the three-membered ring is cleaved and surrounding water molecules are added to form a divalent polyhydric alcohol, and the alkyd resin similar to the above case is synthesized. Further, the unreacted epoxide at the time of kneading is then subjected to ring-opening polymerization of the three-membered ring to become an epoxy resin when the molding temperature is set to a curing temperature.
混練工程における多塩基酸を投入するタイミングとしては、多価アルコール(又はエポキシド)の投入よりも先行させて、バイオマス由来成分の表面と化学反応(エステル化)させることを優先させることが望ましい。これにより、バイオマス由来成分の表面が改質されて、合成高分子に対する親和性の向上がさらに期待できるからである。このように、混練工程の前段階でバイオマス由来成分の過剰含水物と多塩基酸の一部とを化学反応させて表面改質してから、多塩基酸の残部と多価アルコール(又はエポキシド)を投入して混練する。
なお、硬化剤を投入するタイミングは、混練工程の前半・後半及び脱水工程の前・後いずれの場合もありうるが実験的に最適条件が導かれる。
As the timing of adding the polybasic acid in the kneading step, it is preferable to prioritize the chemical reaction (esterification) with the surface of the biomass-derived component prior to the addition of the polyhydric alcohol (or epoxide). This is because the surface of the biomass-derived component is modified, and further improvement in affinity for the synthetic polymer can be expected. In this way, after the surface modification by chemically reacting the excess water content of the biomass-derived component and a part of the polybasic acid in the previous stage of the kneading process, the remainder of the polybasic acid and the polyhydric alcohol (or epoxide) And knead.
The timing for adding the curing agent may be in the first half or the second half of the kneading step and before or after the dehydration step, but the optimum condition is experimentally derived.
ワックスとして採用することができるものとしては、常温で固体であり、加熱すると合成高分子の主剤よりも低温で溶融しかつ低粘度である有機化合物である。このワックス(C)は、天然物から抽出されるものであったり、工業的に合成されるものであったりするが、有機化合物中の鎖状炭化水素の主鎖の炭素数が10から100の範囲に含まれるものであることが望ましい。 What can be adopted as the wax is an organic compound that is solid at room temperature, melts at a lower temperature than the main component of the synthetic polymer, and has a low viscosity when heated. The wax (C) is extracted from a natural product or is industrially synthesized, but the main chain of the chain hydrocarbon in the organic compound has 10 to 100 carbon atoms. It is desirable to be included in the range.
ワックスは、混練工程において合成高分子の主剤よりも先行して溶融し、水と混合液相を形成する。このため、混練物の粘性が低下し、混練手段50の負担が軽減するとともに混練性が向上する。さらに先行して溶融したワックスは、バイオマス由来成分に吸着し、このバイオマス由来成分が、合成高分子の主剤の溶融体に拡散するのを促進する。 In the kneading step, the wax is melted prior to the main component of the synthetic polymer to form a mixed liquid phase with water. For this reason, the viscosity of the kneaded product is reduced, the burden on the kneading means 50 is reduced, and the kneadability is improved. Furthermore, the previously melted wax is adsorbed on the biomass-derived component, and this biomass-derived component is promoted to diffuse into the melt of the main component of the synthetic polymer.
この炭素数が10よりも小さいと、溶融したワックスは混練温度で気化しやすくなり、脱水工程において水とともに外部に排出されてしまう。
また炭素数が100よりも大きいと、溶融したワックスの粘度が大きくなり、水との混合液相が形成されにくくなり、混練性の向上に貢献できない。
When this carbon number is less than 10, the melted wax is easily vaporized at the kneading temperature, and is discharged to the outside together with water in the dehydration process.
On the other hand, when the number of carbon atoms is larger than 100, the viscosity of the melted wax increases, and it becomes difficult to form a mixed liquid phase with water, which cannot contribute to improvement of kneadability.
ワックスのうち天然物から抽出されるものとしては、飽和脂肪酸が挙げられる。飽和脂肪酸とは、鎖状炭化水素の1価のカルボン酸であって、CH3(CH2)nCOOHの示性式で示される化合物であって、本発明に適用されるものはnが9以上であるものが好ましい。 Among the waxes, those extracted from natural products include saturated fatty acids. Saturated fatty acid is a monovalent carboxylic acid of a chain hydrocarbon, and is a compound represented by the formula of CH 3 (CH 2 ) n COOH. The above is preferable.
この飽和脂肪酸は、その末端に位置するカルボキシル基(COOH)が親水基であって、鎖状炭化水素の部分(CH3(CH2)n)が疎水基(親油基)となっている。
このために溶融した飽和脂肪酸は、その疎水基が中心になり親水基が外側を向いて水と界面を成し、水との混合液相を形成しやすい。また水との混合液相中、飽和脂肪酸は、球状ミセルを形成しているので、脱水工程において水に付随して外部に排出されにくい特徴を有している。
In this saturated fatty acid, the carboxyl group (COOH) located at the terminal is a hydrophilic group, and the chain hydrocarbon portion (CH 3 (CH 2 ) n ) is a hydrophobic group (lipophilic group).
For this reason, the melted saturated fatty acid tends to form a mixed liquid phase with water because its hydrophobic group is the center and the hydrophilic group faces outward to form an interface with water. Further, in the mixed liquid phase with water, the saturated fatty acid forms spherical micelles, and thus has a characteristic that it is difficult to be discharged outside along with water in the dehydration step.
そして、水との混合液相における飽和脂肪酸の球状ミセルは、混練により微細化して混練物の全体に一様に拡散するととになる。球状ミセルの表面に位置する飽和脂肪酸のカルボキシル基(COOH)は、バイオマス由来成分に接触すると、その表面のヒドロシル基(OH)と、エステル反応して化学結合する(化学吸着する)。
このような化学反応により、バイオマス由来成分は、その表面が飽和脂肪酸によって化学修飾されて、親水性が解消し親油性が向上することとなる。これにより、バイオマス由来成分が合成高分子の主剤の連続相中に拡散しやすい好都合な性質を備えることになる。
The spherical micelles of saturated fatty acids in the mixed liquid phase with water are refined by kneading and uniformly diffused throughout the kneaded product. When the carboxyl group (COOH) of the saturated fatty acid located on the surface of the spherical micelle comes into contact with the biomass-derived component, it chemically bonds (chemically adsorbs) with the hydrosyl group (OH) on the surface through an ester reaction.
By such a chemical reaction, the surface of the biomass-derived component is chemically modified with a saturated fatty acid, the hydrophilicity is eliminated, and the lipophilicity is improved. Thereby, the biomass-derived component has an advantageous property that it is easy to diffuse into the continuous phase of the main component of the synthetic polymer.
一方、ワックスのうち工業的に合成されるものとしては、メタロセン触媒に代表されるシングルサイト触媒により重合されたオレフィン樹脂(特にプロピレン系、エチレン系)が挙げられる。
具体例としては、プロピレン又はエチレンのモノマーの単独重合体、これらモノマーとα−オレフィンとの共重合体が挙げられる。なお、α−オレフィンとしては、エチレン、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘプテン、1−オクテンなどが挙げられ、共重合体はブロック共重合体、ランダム共重合体、ランダムブロック共重合体の何れであってもよい。
なお、ワックスは、二種以上の前記した有機化合物を混合して使用してもよい。
Meanwhile, industrially synthesized waxes include olefin resins (particularly propylene-based and ethylene-based) polymerized by a single site catalyst typified by a metallocene catalyst.
Specific examples include homopolymers of propylene or ethylene monomers, and copolymers of these monomers and α-olefins. Examples of the α-olefin include ethylene, 1-butene, 1-pentene, 1-hexene, 4-methyl-1-pentene, 1-heptene, 1-octene, and the copolymer is a block copolymer. Any of a random copolymer and a random block copolymer may be used.
The wax may be used by mixing two or more kinds of the above-mentioned organic compounds.
シングルサイト触媒により重合されたオレフィン樹脂のワックスは、チグラー・ナッタ触媒に代表されるマルチサイト触媒による場合と比較して、側鎖の分岐、分子量、結晶粒径の分布が均一化している。
シングルサイト触媒により重合されたオレフィン樹脂のワックスによれば、天然ワックスよりも分子量が大きいにもかかわらず溶融粘度が低いために、良好な混練性を維持して脱水工程で水の効率的な排出に貢献する。
The olefin resin wax polymerized by the single-site catalyst has a uniform distribution of side chain branching, molecular weight, and crystal grain size compared to the case of a multi-site catalyst typified by a Ziegler-Natta catalyst.
Olefin resin wax polymerized with a single-site catalyst has a lower melt viscosity despite its higher molecular weight than natural wax, thus maintaining good kneadability and efficiently draining water during the dehydration process To contribute.
これらワックスの配合量は、前記合成高分子及び前記バイオマス由来成分の合計量100重量部に対し、1から20重量部の範囲に含まれるのが望ましい。
ワックスの配合量が1重量部よりも少ない場合、混練性の向上効果が認められなく、脱水工程における水の効率的な排出効果も認められない。
一方、ワックスの配合量が20重量部よりも多い場合、製造される高分子複合材料の平均分子量が低下することとなり成形品の機械的性質が低下することになる。
The blending amount of these waxes is preferably in the range of 1 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the total amount of the synthetic polymer and the biomass-derived component.
When the blending amount of the wax is less than 1 part by weight, the effect of improving kneadability is not recognized, and the efficient draining effect of water in the dehydration process is not recognized.
On the other hand, when the blending amount of the wax is more than 20 parts by weight, the average molecular weight of the produced polymer composite material is lowered, and the mechanical properties of the molded product are lowered.
バイオマス由来成分の過剰含水物として採用することができるものとしては、水に所定時間浸漬させた後に水切りした生米、芯や表皮を取り除き大きさを適当に揃えて刻む程度の簡単な処理を行ったトウモロコシ、馬鈴薯、甘藷等のデンプン系の穀物が挙げられる。
これらデンプン系の穀物は、所定量以上の水分の存在下で一般的な混練温度Tz(100〜200℃)に置かれると、水分子が入り込んで結晶構造が崩れる糊化が起こる。このように糊化したデンプン(バイオマス由来成分)は、分子鎖相互間の水素結合の束縛から解放されているので、溶融している熱可塑性高分子中に微細に均一に分散されやすい性質を備えることとなる。
また、前記したように投入手段12に注水手段が設けられていれば、これらのデンプン系の穀物を製造装置10に投入すると同時に、デンプンを糊化させるのに必要な水分を補給する注水を適宜行って、過剰含水物を調整する場合もある。
What can be used as an excess hydrate of biomass-derived components is a simple process that removes raw rice, core and skin that have been soaked in water for a specified period of time, and then sized and chopped appropriately. And starch-based grains such as corn, potato, and sweet potato.
When these starch-based grains are placed at a general kneading temperature Tz (100 to 200 ° C.) in the presence of a predetermined amount or more of water, gelatinization occurs in which water molecules enter and the crystal structure collapses. Since the gelatinized starch (biomass-derived component) is freed from the binding of hydrogen bonds between the molecular chains, it has the property of being easily and finely dispersed in the molten thermoplastic polymer. It will be.
Further, as described above, if the pouring
次に、バイオマス由来成分の過剰含水物として採用することができるものとして、リグノセルロース又はセルロースを主成分とする草木質系バイオマスや、蟹ガラ及び蝦ガラ等のキチン質系バイオマス等を水中で微細化させてなる懸濁液が挙げられる。このような懸濁液は、前記した特許文献2に挙げられるような高圧ホモゲナイザーを用いてバイオマスを水中で物理的に粉砕させる場合の他、化学的な処理を行うことにより形成させる方法もとり得る。なおここで過剰含水物とは、前記した通りバイオマスに水分が人為的に加えられて構成されるもののほか、元来水分を固有に含むバイオマスそのものも指し、混練工程で最終的に脱水される水分が含有されるものであれば全て対象になる。 Next, as what can be adopted as an excess hydrate of biomass-derived components, lignocellulose or plant-based biomass mainly composed of cellulose, chitin-based biomass such as straw moth and straw moth, etc. are finely submerged in water. Suspensions obtained by the conversion are mentioned. Such a suspension can be formed by performing chemical treatment in addition to the case where the biomass is physically pulverized in water using a high-pressure homogenizer as described in Patent Document 2 described above. Here, the excess hydrated substance refers to the biomass itself inherently containing moisture in addition to the one that is artificially added to the biomass as described above, and the moisture that is finally dehydrated in the kneading process. Anything that contains is eligible.
例えば、バイオマスとして木材を採用する場合は、この木材を機械的に粉砕する前処理を施して、最大径が数mm程度のサイズの粒状又はチップ状にする場合がある。もちろん、木材をそれ以下のサイズの微粒子の集合体にしても適宜採用される。なお、そのような微粒子の集合体として、バイオマスから化学的工程を経て抽出される繊維質体も含まれることとする。
これら、木材の微粉末体は、人為的に水分を加えなくても吸湿作用により、十数wt%から数十wt%の水分を含有する過剰含水物であるといえる。このような木材の微粉末体(または籾ガラ等)は、乾燥処理等の特別な工程を経ることなくそのまま製造装置10に投入することができる。
このように、バイオマスが、数mm程度の最大径のサイズを有していることの効果は、その含水量が多い場合であっても、投入手段12からバイオマス原料を製造装置10に投入するに際し、目詰まりが回避されることが挙げられる。
For example, when wood is used as biomass, a pretreatment for mechanically pulverizing the wood may be performed to form a granular or chip shape having a maximum diameter of several millimeters. Of course, wood can be appropriately adopted even if it is an aggregate of fine particles having a size smaller than that. In addition, the aggregate of such fine particles includes a fibrous body extracted from biomass through a chemical process.
These fine powders of wood can be said to be an excess water-containing material containing moisture of several tens wt% to several tens wt% due to the hygroscopic action without artificially adding water. Such a fine powder of wood (or rice bran etc.) can be put into the
Thus, the effect that the biomass has the maximum diameter of about several mm is that when the biomass material is input from the input means 12 to the
一方、バイオマスのサイズがそれ以下の微粒子の集合体であって、吸湿による含水量が多くて投入手段12が目詰まりする場合は、逆に、その集合体に水を人為的に含浸させて含水量をさらに増加させることによりこの目詰まりを回避することができる。
このように、水分が元来含有されているバイオマスの過剰含水物に水をさらに含浸させることにより、前記した目詰まりを回避させる効果以外に、飛散しやすい微粒子の集合体の取り扱いが簡便化し生産効率が向上する効果が得られる。
さらに、微粒子の集合体は、内包する空気が水に置換された後に、合成高分子と混練されることになる。これにより、製造される高分子複合材料は、残留する気泡が減少し欠陥が少なくなる効果が得られる。
On the other hand, when the biomass is an aggregate of fine particles having a size smaller than that and the water content due to moisture absorption is large and the charging means 12 is clogged, conversely, the aggregate is artificially impregnated with water and contained. This clogging can be avoided by further increasing the amount of water.
In this way, by further impregnating the excess water content of biomass that originally contains moisture with water, the handling of aggregates of fine particles that are likely to be scattered is simplified and produced in addition to the effect of avoiding clogging as described above. The effect of improving efficiency is obtained.
Further, the aggregate of fine particles is kneaded with the synthetic polymer after the air contained therein is replaced with water. As a result, the produced polymer composite material has the effect that the remaining bubbles are reduced and the number of defects is reduced.
なお、投入手段12に対し、合成高分子とバイオマス由来成分との相溶性を向上させる相溶化剤をさらに送入させる場合もある。この相溶化剤は、例えば、飽和カルボン酸、不飽和カルボン酸またはその誘導体が用いられる。また、合成高分子を不飽和カルボン酸またはその誘導体で変性させたものを使用することもできる。
このほか、無機・有機物質を問わず、シリカや繊維状の物質等を添加し、これら添加剤成分を高分子複合材料中に微分散させることも可能である。
In addition, a compatibilizing agent that improves the compatibility between the synthetic polymer and the biomass-derived component may be further fed into the charging means 12. As this compatibilizer, for example, a saturated carboxylic acid, an unsaturated carboxylic acid, or a derivative thereof is used. A synthetic polymer modified with an unsaturated carboxylic acid or a derivative thereof can also be used.
In addition, it is also possible to add silica or a fibrous substance, regardless of inorganic or organic substances, and finely disperse these additive components in the polymer composite material.
シリンダ13は、投入手段12を備える原料投入区間Aを最上流とし取出手段17を備える部分を最下流として、この最上流と最下流との間が、少なくとも混練区間B、脱水区間C(C1,C2,C3)、再加圧区間Dに分類されるよう構成されている。また、シリンダ13の周囲には、その内部を混練温度Tz(図1(c)参照)に設定するためのヒータ(図示せず)が設けられている。
The
混練区間Bは、投入手段12から投入された、合成高分子の主剤、バイオマス由来成分の過剰含水物、及び相溶化剤を、所定の圧力と混練温度Tzとで混練する区間である。これによりバイオマス由来成分は、混練物中で微細化し、適宜相溶化剤と化学反応することによって合成高分子との親和性が付与され、混練物中に均一に分散することになる。 The kneading section B is a section in which the synthetic polymer main ingredient, the biomass-derived excess water content, and the compatibilizing agent, which are input from the input means 12, are kneaded at a predetermined pressure and a kneading temperature Tz. As a result, the biomass-derived component is refined in the kneaded product, and chemically reacted with the compatibilizer as appropriate, thereby giving affinity to the synthetic polymer and being uniformly dispersed in the kneaded product.
脱水区間Cは、さらに加圧脱水区間C1、常圧脱水区間C2、減圧脱水区間C3に分類することができ、これらにはそれぞれ少なくとも1つ以上の脱水手段40(図1(b)参照)が設けられている。
ここで、加圧脱水区間C1は、混練物に含まれる水分を、図1(c)に示されるように、その混練温度Tzにおける飽和蒸気圧Pzよりも低くかつ大気圧P0よりも高い設定圧力Pa,Pbで脱水する部分である。
このような設定圧力Pa,Pbで脱水処理されることにより、混練物は、含水量を急激ではなく徐々に低減させながら、さらに混練されることになる。これにより、混練物中で微細化して分散したバイオマス由来成分は、再凝集することが抑制されつつさらに、微細化、分散化が進行することとなる。
The dewatering section C can be further classified into a pressure dewatering section C1, a normal pressure dewatering section C2, and a vacuum dewatering section C3, each of which includes at least one dehydrating means 40 (see FIG. 1B). Is provided.
Here, in the pressure dehydration section C1, as shown in FIG. 1 (c), the moisture contained in the kneaded material is lower than the saturated vapor pressure Pz at the kneading temperature Tz and higher than the atmospheric pressure P0. It is a part which dehydrates with Pa and Pb.
By performing dehydration treatment at such set pressures Pa and Pb, the kneaded product is further kneaded while gradually reducing the water content rather than abruptly. As a result, the biomass-derived components that are refined and dispersed in the kneaded product are further refined and dispersed while suppressing reaggregation.
常圧脱水区間C2は、加圧脱水区間C1を通過した混練物に含まれる水分を、図1(c)に示されるように、大気圧P0に近い設定圧力Pc,Pdで脱水する部分である。このような設定圧力Pc,Pdで脱水処理されることにより、含水量が低減した混練物は、さらに含水量を徐々に低減しつつさらに混練されることになる。これにより、混練物中で微細化して分散したバイオマス由来成分は、再凝集することが抑制されつつさらに、微細化、分散化が進行することとなる。 The atmospheric pressure dewatering section C2 is a portion that dehydrates the moisture contained in the kneaded material that has passed through the pressure dewatering section C1 with set pressures Pc and Pd close to the atmospheric pressure P0, as shown in FIG. 1 (c). . By performing the dehydration treatment at such set pressures Pc and Pd, the kneaded material having a reduced water content is further kneaded while gradually reducing the water content. As a result, the biomass-derived components that are refined and dispersed in the kneaded product are further refined and dispersed while suppressing reaggregation.
減圧脱水区間C3は、常圧脱水区間C2を通過した混練物に含まれる水分を、図1(c)に示されるように、強制減圧装置30によって大気圧P0よりも低い設定圧力Peで脱水する部分である。このような設定圧力Peで脱水処理されることにより、混練物に含まれる水分はほとんど除去されることになる。
なお減圧脱水区間C3が接続する真空トラップ31は、気化した蒸気を冷却して液体に戻し、強制減圧装置30に高温の飽和水蒸気が強制減圧装置30に入るのを防止してその劣化を抑制するものである。
このように、混練物に付与される圧力を、脱水区間Cにおいて、混練温度Tzにおける飽和蒸気圧Pzから段階的に引き下げて脱水することにより、バイオマス由来成分の再凝集を抑制しつつ、その微細化、分散化を促進させることができる。
In the reduced pressure dewatering section C3, the water contained in the kneaded material that has passed through the normal pressure dewatering section C2 is dehydrated at a set pressure Pe lower than the atmospheric pressure P0 by the forced
The vacuum trap 31 connected to the decompression dewatering section C3 cools the vaporized vapor back to a liquid, prevents high-temperature saturated steam from entering the forced
In this way, in the dehydration section C, the pressure applied to the kneaded product is stepped down from the saturated vapor pressure Pz at the kneading temperature Tz in steps to dehydrate, thereby suppressing the re-aggregation of biomass-derived components while maintaining the fineness. And dispersion can be promoted.
再加圧区間Dは、脱水処理の終了した混練物を継続して混練するとともに、再加圧して取出手段17から取り出されるに必要な圧力を付与する部位である。これにより、バイオマス由来成分が微細に分散している高分子複合材料の溶融体が取出手段17から取り出されることになる。 The re-pressurization section D is a part that continuously kneads the kneaded product after the dehydration treatment and applies a pressure necessary to re-pressurize and take out from the take-out means 17. As a result, the polymer composite melt in which the biomass-derived component is finely dispersed is taken out from the take-out means 17.
スクリュー15は、その軸周りに螺旋状のフライト16が形成されているものであって、軸回転することにより、フライト16が圧力を付与して混練物を、シリンダ13の上流から下流に向けて押し出すものである。
The
脱水手段40は、図1(b)の部分断面図で示されるように、濾過板41と、遮断壁42と、調圧手段45とを、含んで構成されるものである。
このように構成される脱水手段40は、調圧手段45により混練温度Tzにおける飽和蒸気圧Pzよりも低くかつ大気圧P0よりも高い任意の設定圧力Px(x=a,b,c,d,e)を、シリンダ13内の混練物に付与するものである。これにより脱水手段40は、混練物に含まれる水分を、急激ではなく徐々に脱水していくことが可能になる。
The dehydrating means 40 includes a
The dehydrating means 40 configured in this way is set to any set pressure Px (x = a, b, c, d, lower than the saturated vapor pressure Pz at the kneading temperature Tz and higher than the atmospheric pressure P0 by the pressure adjusting means 45. e) is applied to the kneaded material in the
濾過板41は、シリンダ13の壁面に設けられた開口を閉じるように配置され、シリンダ13の内部及びその外部を隔てるとともに混練物のうち含まれる水分を選択的に濾過するものである。このような濾過板41の構成としては、板面に多数の孔を設けられ、その板面がシリンダ13の内壁面に沿って固定されるものが挙げられる。
The
遮断壁42は、濾過板41により濾過された水分を気化させる気化空間Vを形成するとともにこの気化空間Vを大気から遮断するものである。このような遮断壁42の構成としては、有底の容体がその開口とシリンダ13に設けた開口とを略一致するように固定され、さらに濾過板41を当接してこれが固定されるようにするものが挙げられる。
The blocking
調圧手段45は、気化空間Vの気圧を計測する圧力計43と、気化空間Vから遮断壁42を通過して大気側に放出される気体(水蒸気)に流動抵抗を可変して付与する絞り弁44とから構成され、気化空間Vの気圧を所定の設定圧力Px(x=a,b,c,d,e)に設定するものである。
この絞り弁44の絞り量を適宜調節することにより、気化空間Vの気圧を、混練温度Tzにおける飽和蒸気圧Pzから大気圧P0までの間の任意の値に設定することができる。つまり、絞り弁44を完全に閉塞すれば気化空間Vの気圧は、この飽和蒸気圧Pzに設定され、絞り弁44を完全に開放すればから大気圧P0に設定されることになる。さらに矯正減圧装置30に接続して気化空間Vの気圧を大気圧P0以下に設定することができる。
The pressure adjusting means 45 is a
By appropriately adjusting the throttle amount of the
なお、この調圧手段45は、シリンダ13に設けられている複数個の脱水手段40においてその設定圧力Pxが取出手段17に近くなる程小さく設定されていること(Pa>Pb>Pc)が、バイオマス由来成分の再凝集が抑制する上で望ましいことはすでに述べたとおりである。
また設定圧力Pxは、投入された液状試薬が気化して排出されないように、水分が優先的に排出されるように適宜設定される。
そして、シリンダ13に複数設けられている脱水手段40のうち最下流に位置するものを大気圧P0よりも低圧な設定圧力Pe(P0>Pe)にすることで、取出手段17から押し出される混練物の脱水をより完全にすることができる。
The pressure adjusting means 45 is such that the set pressure Px of the plurality of dehydrating means 40 provided in the
The set pressure Px is appropriately set so that moisture is preferentially discharged so that the charged liquid reagent is not vaporized and discharged.
And the kneaded material extruded from the taking-out means 17 by making the thing located in the most downstream among the dehydrating means 40 provided in the
(製造装置の動作説明)
次に図1(a)並びに図1(b)及び水の状態図である図1(c)を参照して製造装置10の動作並びに脱水手段40の機能説明を行う。
製造装置10の内部に、合成高分子の主剤、バイオマス由来成分の過剰含水物及びその他必要な成分(ワックス、相溶化剤等)が、投入手段12を通じて投入され、設定された混練温度で混練手段50により混練される。すると、活性化した水がバイオマスの分子鎖間に侵入してその分子間結合を緩くする。さらに、混練で付与される機械エネルギーにより、バイオマスが開裂して微細化が進行する。
(Explanation of operation of manufacturing equipment)
Next, the operation of the
Synthetic polymer main ingredient, biomass-derived excess water content and other necessary components (wax, compatibilizer, etc.) are introduced into the
さらに、溶融したワックスは、水と低粘度の混合液相を形成し混練物全体の粘性を低下させ混練性を向上させるとともにバイオマス由来成分の表面に吸着する。またカルボキシル基を有するその他の化合物(相溶化剤、脂肪酸、多塩基酸等)は、下記式(3)に示す脱水反応(エステル反応)によって、バイオマス由来成分の表面(R´)のヒドロシル基(OH)をエステル結合を有する置換基に置換する。これにより、バイオマス由来成分の親水性が低下して水分との結びつきが弱まり、次の脱水工程において効率の良い脱水が実現される。 Furthermore, the melted wax forms a mixed liquid phase with water and lowers the viscosity of the entire kneaded product, improves the kneadability and adsorbs to the surface of the biomass-derived component. In addition, other compounds having a carboxyl group (compatibilizer, fatty acid, polybasic acid, etc.) are converted into hydrosil groups (R ′) on the surface of the biomass-derived component (R ′) by a dehydration reaction (ester reaction) shown in the following formula (3). OH) is substituted with a substituent having an ester bond. As a result, the hydrophilicity of the biomass-derived component is lowered and the bond with moisture is weakened, and efficient dehydration is realized in the next dehydration step.
シリンダ13に設けられたもののうち最上流に位置する脱水手段40aに到達した混練物は、スクリュー15から付与される圧力により、濾過板41に押し付けられて、含まれる水分が選択的にこの濾過板41を通過して気化空間Vに溜まる。この気化空間Vに溜まった水分は混練温度Tzであるところ、その飽和蒸気圧Pzより低い圧力Paに設定されている気化空間Vにおいて、この溜まった水分は気化することになる。この気化した水分(水蒸気)は調圧手段45の絞り弁44を通過して大気に放出されることになる。
この脱水手段40aでは、設定圧力Paと大気圧P0との差圧が小さいために、混練物の脱水が急激にされることはなく、含水量が低減した状態となって混練されながら下流の脱水手段40bに押し出される。
The kneaded material that has reached the dehydrating means 40a located at the uppermost stream among those provided in the
In this dehydrating means 40a, since the differential pressure between the set pressure Pa and the atmospheric pressure P0 is small, the kneaded product is not dehydrated rapidly, and the downstream dehydration is performed while the water content is reduced and kneaded. Extruded by
次の脱水手段40bにおいても、同様に、飽和蒸気圧Pzより低い圧力Pbに設定されている気化空間Vにおいて溜まった水分は気化して大気に放出されることになる。
以下、このように、下流側に設けられている脱水手段40(40c,40d,40e)において同様の動作が繰り返されて、混練物は段階的に徐々に脱水を実行しつつ混練されるためにバイオマス由来成分の再凝集が抑制されることになる。
Similarly, in the
Hereinafter, the same operation is repeated in the dewatering means 40 (40c, 40d, 40e) provided on the downstream side in this way, and the kneaded material is kneaded while gradually dewatering step by step. Reaggregation of biomass-derived components will be suppressed.
そして、脱水が完了した混練物は、バイオマス由来成分が分散した高分子複合材料の溶融体として、取出手段17から取り出されるとともに、ペレタイザー(図示略)等により米粒状のペレット等(高分子複合材料組成物)に成形される。
このペレットは、再加熱して溶融させてから、金型に注入してバルク状の成形品としたり、延伸加工(例えばインフレーション法、カレンダー加工法、T−ダイ法、吹き込み法等)してフィルム状の成形品としたり、発泡させて発泡成形品としたりして、一般的な高分子加工成形品を製造するための原料として適用することができる。
なおこのように、ペレットの成形を経由せずに、取出手段17から押し出される高分子複合材料の溶融体からそのような成形品を直接製造してもよい。
The kneaded product that has been dehydrated is taken out from the take-out means 17 as a polymer composite material in which the biomass-derived components are dispersed, and is also granulated with rice pellets (polymer composite material) by a pelletizer (not shown). Composition).
This pellet is reheated and melted, and then poured into a mold to form a bulk molded product, or stretched (eg, inflation method, calendering method, T-die method, blowing method, etc.) It can be applied as a raw material for producing a general polymer processed molded product by forming a foamed molded product by foaming or forming a foamed molded product.
In this manner, such a molded product may be directly manufactured from a polymer composite material extruded from the take-out means 17 without going through pellet molding.
以上の実施形態は本発明を説明するための一例であり、本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、製造装置10は、加圧脱水区間C1が少なくとも設けられていれば、特に常圧脱水区間C2及び減圧脱水区間C3を設ける必要が無い場合がある。これは、混練温度Tzにおいては、大気圧P0よりも高い圧力で充分に脱水する(水分を気化させる)ことが可能であることが図1(c)の水の状態図から充分に裏付けられるからである。
The above embodiment is an example for explaining the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible within the scope of the gist of the invention. For example, the
また、図示されているシリンダ13の区分(A,B,C1,C2,C3,D)は例示であって、これらの区分の間に他の区分を設けること(例えば、常圧脱水区間C2と減圧脱水区間C3との間に混練区間Bを設けること、原料投入区間Aを複数設けること等)は適宜可能である。
そのような、他の具体的な適用例について例示する。投入手段12からは、バイオマス(木材の粉砕物又は籾ガラの未処理物等)と、相溶化剤とを、投入して第1の原料投入区間Aで両者を混練する。この原料投入区間Aで、バイオマスは、さらに粉砕されて微粒子化するとともにその表面に相溶化剤を吸着させて、後に投入される合成高分子に対する親和性を向上させる。
Further, the illustrated sections (A, B, C1, C2, C3, D) of the
Such other specific application examples will be exemplified. From the charging means 12, biomass (pulverized wood or untreated raw material such as straw) and a compatibilizing agent are charged and kneaded in the first raw material charging section A. In the raw material charging section A, the biomass is further pulverized to form fine particles, and a compatibilizing agent is adsorbed on the surface thereof, thereby improving the affinity for a synthetic polymer to be charged later.
次に、第2の原料投入区間(図示せず)において、合成高分子の主剤及びその他必要な試薬を投入し、バイオマスと共に混練する。これにより、バイオマス由来成分が合成高分子の連続相に微細にかつ均一に分散していくこととなる。
なお製造装置10の構成として、脱水区間C1,C2,C3は、第1の原料投入区間Aと第2の原料投入区間(図示せず)との中間工程に位置する場合、第2の原料投入区間(図示せず)の後工程に位置する場合の、いずれの場合も取り得る。さらに、混練区間Bが、任意区間の中間に追加される場合も取り得る。
Next, in a second raw material charging section (not shown), a synthetic polymer main ingredient and other necessary reagents are charged and kneaded with biomass. Thereby, the biomass-derived component is finely and uniformly dispersed in the continuous phase of the synthetic polymer.
As a configuration of the
(第2実施形態)
次に図2(a)に示す縦断面図を参照して、本発明に係る高分子複合材料の製造装置の第2実施形態を説明する。なお、図2(a)において図1と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、すでにした記載を援用して、詳細な説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the polymer composite material manufacturing apparatus according to the present invention will be described with reference to the longitudinal sectional view shown in FIG. In FIG. 2A, the same or corresponding parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the detailed description is omitted by using the already described description.
第2実施形態の製造装置10’は、高分子複合材料の原料として用いられるバイオマス由来成分の過剰含水物として、懸濁液のような含水量が多く流動性の高いものが採用される場合に適切なものである。
そのような製造装置10’において特徴的な構成は、このバイオマス由来成分の過剰含水物をシリンダ13の内部に圧入する圧入手段20と、軸径が変化しているスクリュー15’とを採用する点にある。そして、高分子複合材料の原料が投入される区間は、合成高分子の主剤が投入される主剤投入区間A1と、その下流に設けられバイオマス由来成分の過剰含水物の懸濁液が投入される懸濁液投入区間A2とに分割して構成される。
The
A characteristic configuration in such a
圧入手段20は、シリンダ13の懸濁液投入区間A2に設けられている注入口14を介して接続されるものであって、バイオマス由来成分の過剰含水物が充填されている液溜21と、この液溜21からバイオマス由来成分の過剰含水物をシリンダ13に注入する駆動力を与えるモータ22と、この注入されるバイオマス由来成分の過剰含水物の逆流を防止する逆止弁24と、シリンダ13に注入されるバイオマス由来成分の過剰含水物の注入量を調節する絞り弁25とを含んで構成されている。
なお、この注入口14の近傍のシリンダ13の内部は、合成高分子の混練物が加圧された状態にあるので、圧入手段20は、それよりも大きな圧力でバイオマス由来成分の過剰含水物を圧入させる必要がある。また、圧入された過剰含水物が混練物の温度を下げないように、圧入手段20には、過剰含水物を加熱する加熱手段を適宜設けてもよい。
The press-fitting means 20 is connected through the
The inside of the
仮に、このような流動性の高いバイオマス由来成分の過剰含水物を、第1実施形態の製造装置10のように合成高分子と混合してシリンダ13に投入するとなると、投入手段12の内部で両者が分離して、バイオマス由来成分の配合比率が変動して混練物に配合比率のむらが生じることが懸念される。しかし、第2実施形態の製造装置10’のように、流動性の高いバイオマス由来成分の過剰含水物を下流側に設けた注入口14から圧入することにより、常に一定比率でむらなくバイオマス由来成分を混練物に投入することが可能になる。
If such an excessively hydrated biomass-derived component is mixed with a synthetic polymer and charged into the
そして圧入手段20から圧入されるものは、前記したバイオマス由来成分の過剰含水物に限定されるものではなく、例えば前記したような、多塩基酸、多価アルコール、有機過酸化物のような混練工程において配合される種々の液状試薬が圧入される場合もある。
また圧入手段20は、図2に示されるように単数配置に限定されるものでなく目的に応じて複数配置される場合があり、また配置される位置も脱水手段40の上流に配置されることに限定されるものでなく、その下流に配置される場合もある。前記したような液状試薬は、脱水が充分に行われた後に、混練物に圧入されることが望ましい場合があるからである。
And what is press-fitted from the press-fitting means 20 is not limited to the above-mentioned excess hydrous material of biomass-derived components, for example, as described above, kneading such as polybasic acid, polyhydric alcohol, organic peroxide Various liquid reagents to be blended in the process may be injected.
Further, the press-fitting means 20 is not limited to a single arrangement as shown in FIG. 2, and a plurality of press-fitting means 20 may be arranged depending on the purpose, and the arrangement position is also arranged upstream of the dehydrating means 40. It is not limited to this, and it may be arranged downstream thereof. This is because it may be desirable to press the liquid reagent as described above into the kneaded product after sufficient dehydration.
次に、スクリュー15’は、加圧脱水区間C1又は常圧脱水区間C2に設けられている脱水手段40(40a,40b,40c,40d)の設置部位において、その軸径が上流側よりも太径に形成されている。このようにスクリュー15’が構成されることにより、混練物は上流側よりもさらに加圧されることとなり、含有する水分が除去されて混練物の容積が減少してもこの混練物に付与される圧力は少なくとも維持されることになる。
Next, the screw 15 'has a shaft diameter larger than that of the upstream side at the installation site of the dehydrating means 40 (40a, 40b, 40c, 40d) provided in the pressure dewatering section C1 or the normal pressure dewatering section C2. It is formed in the diameter. By configuring the
さらにスクリュー15’は、減圧脱水区間C3に設けられている脱水手段40(40e)の設置部位において、その軸径が上流側よりも細径に形成されている。このようにスクリュー15’が構成されることにより、混練物はこの区間においてスクリュー15’から混練物に付与されている圧力は解除(減圧)されることになり、さらに混練物は大気圧P0より低圧にさらされて脱水が促進されることになる。
Further, the screw 15 'is formed so that its shaft diameter is smaller than that of the upstream side at the installation site of the dewatering means 40 (40e) provided in the vacuum dewatering section C3. By configuring the
さらにスクリュー15’は、脱水区間C1,C2,C3を通過した再加圧区間Dにおいて、その軸径が上流側よりも太径に形成されている。このようにスクリュー15’が構成されることにより、脱水された混練物はこの区間において再加圧されて取出手段17から取り出されることになる。
Further, the shaft diameter of the screw 15 'is larger than that of the upstream side in the re-pressurizing section D that has passed through the dewatering sections C1, C2, and C3. By configuring the
また、前記した第2実施形態の説明においては、投入手段12からシリンダ13の内部には合成高分子の主剤が投入され、圧入手段20からシリンダ13の内部にバイオマス由来成分を含む懸濁液が投入される例を示した。
第2実施形態における他の適用例として、投入手段12からは合成高分子の主剤及びデンプン質系バイオマス(生米等)がシリンダ13の内部に投入されることとして、圧入手段20を注水手段としてシリンダ13の内部に水を注水する場合もある。
この場合、圧入手段20は、流量並びに温度の調節機能を有する一般的な給湯手段を用いることができる。そして、デンプン質系バイオマス(生米等)は、合成高分子の主剤とともに混練されつつ、注水された水を吸水して過剰含水物になってから糊化する。
In the description of the second embodiment described above, the synthetic polymer main agent is introduced into the
As another application example in the second embodiment, the main component of the synthetic polymer and the starchy biomass (raw rice etc.) are thrown into the
In this case, the press-fitting means 20 can be a general hot water supply means having a function of adjusting the flow rate and temperature. And starchy biomass (raw rice etc.) gelatinizes, after knead | mixing with the main ingredient of a synthetic polymer, absorbing the injected water and becoming an excess hydrate.
(第3実施形態)
次に図2(b)に示す縦断面図を参照して、本発明に係る高分子複合材料の製造装置の第3実施形態を説明する。なお、図2(b)において図1及び図2(a)と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、すでにした記載を援用して、詳細な説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the polymer composite material manufacturing apparatus according to the present invention will be described with reference to the longitudinal sectional view shown in FIG. In FIG. 2B, the same or corresponding parts as those in FIGS. 1 and 2A are denoted by the same reference numerals, and the detailed description is omitted by using the already described description.
第3実施形態の製造装置10”は、第2実施形態の場合と同様に、高分子複合材料の原料として用いられるバイオマス由来成分の過剰含水物として、懸濁液のように含水量が多く流動性の高いものを採用する場合に適切なものである。
そして製造装置10”において特徴的な構成は、フライト16のピッチが変化しているスクリュー15”を採用する点にある。
このようにスクリュー15の下流に向うに従いフライト16のピッチが狭く変化すると混練物に付与される圧力は増大し、逆にピッチが広く変化すると混練物に付与される圧力は減少することになる。
As in the case of the second embodiment, the
A characteristic configuration of the
Thus, the pressure applied to the kneaded product increases as the pitch of the
そこでスクリュー15”は、加圧脱水区間C1又は常圧脱水区間C2に設けられている脱水手段40(40a,40b,40c,40d)の設置部位において、フライト16のピッチが上流側よりも狭く形成することにする。そしてスクリュー15”は、減圧脱水区間C3に設けられている脱水手段40(40e)の設置部位において、フライト16のピッチが上流側よりも広く形成されている。
このようにスクリュー15”が構成されることにより、混練物は、第2実施形態の場合と同じ要領で、脱水手段40が設けられている位置で加圧又は減圧されることになり、その脱水が段階的に促進されることになる。
Therefore, the
By configuring the
(第4実施形態)
次に図3に示す断面図を参照して、本発明に係る高分子複合材料の製造装置の第4実施形態を説明する。前記した図1及び図2の製造装置10は、原料の投入工程、混練工程、混練物の取出工程がそれぞれ寸断されることなく同時に進行し連続的に高分子複合材料を製造する連続式のものであった。これに対し、第4実施形態に係る製造装置60は、原料の投入工程、混練工程、混練物の取出工程がそれぞれ順繰りに繰り返され断続的に高分子複合材料を製造するバッチ式のものである。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the polymer composite material manufacturing apparatus according to the present invention will be described with reference to a sectional view shown in FIG. The
この製造装置60は、投入手段12(ホッパ)と、混練手段62と、脱水手段40とを、含んで構成されている。ここで混練手段62は、駆動手段(図示せず)と、ケーシング63と、ロータ65とを含んだ構成である。
また図3(a)〜(c)は、ロータ65の回転軸に直交する断面であって、その長手方向に沿って異なる(それぞれ投入手段12、脱水手段40、取出手段67を含む)製造装置60の断面図を示している。
なお、図3において図1と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、すでにした記載を援用して、詳細な説明を省略する。
The
3A to 3C are cross-sectional views orthogonal to the rotation axis of the
3 that are the same as or correspond to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the detailed description is omitted with the aid of the above description.
混練手段62は、ケーシング63と、ロータ65とを構成に含み、投入された合成高分子の主剤、バイオマス由来成分の過剰含水物及びその他のものを設定した混練温度で撹拌して混練し、微細にかつ均一な高分子複合材料にするものである。
ケーシング63は、合成高分子の主剤及びバイオマス由来成分の過剰含水物を投入する投入手段12並びに混練物を外部に取り出す取出手段67が設けられている。
この投入手段12は、第1開閉手段61を介してケーシング63内部の混練空間Wと連通しており、この第1開閉手段61を「開状態」にすると投入手段12から混練空間Wに合成高分子の主剤やバイオマス由来成分の過剰含水物を投入することができるようになっている。一方、第1開閉手段61を「閉状態」にすると混練空間Wと投入手段12との間を行き交う気体の流れも遮断される。
The kneading means 62 includes a
The
The charging means 12 communicates with the kneading space W inside the
取出手段67は、第2開閉手段68を介してケーシング63の混練空間Wと連通しており、この21開閉手段61を「開状態」にすると混練空間Wにある混練物が取り出せることができるようになっている。一方、第2開閉手段68を「閉状態」にすると混練空間Wと取出手段67との間を行き交う気体の流れも遮断される。
このように、第1開閉手段61及び第2開閉手段68を「閉状態」にすると混練空間Wは密閉空間になり、混練空間Wは、設定された混練温度Tzにおける飽和蒸気圧Pz(>P0:大気圧)に保持されることになる(図1(c)参照)。
The take-out means 67 communicates with the kneading space W of the
Thus, when the first opening / closing means 61 and the second opening / closing means 68 are in the “closed state”, the kneading space W becomes a sealed space, and the kneading space W is saturated vapor pressure Pz (> P0) at the set kneading temperature Tz. : Atmospheric pressure) (see FIG. 1C).
ロータ65は、密閉空間にされ混練温度に設定されたケーシング63の混練空間Wで回転し混練物を混練するものである。このロータ65は、図3中、互いに回転方向が逆方向である二つの回転体が、投入手段12からの投入物を巻き込むようにかつ取出手段67へ混練物を押し出すように回転するものが例示されているが、このような実施形態に限定されるものでなく公知のものを適用することができる。
The
脱水手段40は、図3(b)に示されるように、ケーシング63に穿設された混練空間Wの開口に設けられ、密閉空間の圧力を調節し、この調節された圧力により混練物の脱水を実行するものである。
濾過板41は、ケーシング63の混練空間W及び外部を隔てるとともに混練物のうち含まれる水分を選択的に濾過するものである。
遮断壁42は、濾過板41を介して混練空間Wに連通する気化空間Vが形成されるとともに調圧手段45が設けられている。
調圧手段45は、密閉空間にされた混練空間Wの気圧を調節して設定圧力に設定するものであって、圧力計43及び絞り弁44を備える。
As shown in FIG. 3 (b), the dehydrating means 40 is provided at the opening of the kneading space W formed in the
The
The blocking
The pressure adjusting means 45 adjusts the atmospheric pressure of the kneading space W that is a sealed space and sets it to a set pressure, and includes a
なお図3(b)の脱水手段40は、図1(b)と同じものが示されているが、本実施形態の製造装置60おいては、混練空間Wの上部も連通する気化空間Vと同じ役割を果たしてい濾過板41及び遮断壁42を設けずに、ケーシング63に直接調圧手段45を設ける構成も取り得る。
また、図3で図示されていないが、製造装置60において、圧入手段20(図2参照)が設けられる構成も取り得る。
The dehydrating means 40 in FIG. 3B is the same as that in FIG. 1B. However, in the
Although not illustrated in FIG. 3, a configuration in which the press-fitting means 20 (see FIG. 2) is provided in the
(製造装置の動作説明)
次に図3を参照して製造装置60の動作説明を行う。
第1開閉手段61を「開状態」とし第2開閉手段68を「閉状態」とし、製造装置60の内部に、合成高分子の主剤、バイオマス由来成分の過剰含水物及びその他必要な成分(ワックス、相溶化剤等)を、投入手段12を通じて投入する。そして、第1開閉手段61を「閉状態」にして投入物を混練温度に設定し混練手段62により混練する。
(Explanation of operation of manufacturing equipment)
Next, the operation of the
The first opening / closing means 61 is set to the “open state”, the second opening / closing means 68 is set to the “closed state”, and the synthetic polymer main component, the excess water content of biomass-derived components and other necessary components (waxes) are placed inside the
そして、適時、調圧手段45を動作させて混練空間Wにある水分を水蒸気にして外部に放出させたり、図示しない圧入手段20(図2参照)から必要な液状試薬を投入したりする。また必要に応じて強制減圧装置30(図1(a)参照)により、混練空間Wを大気圧よりも減圧し、脱水を完全にする。
次に第2開閉手段68を「開状態」とし混練空間W内の混練物を取出手段67から取り出す。以上の工程を繰り返すことにより、高分子複合材料を量産する。
Then, when appropriate, the pressure adjusting means 45 is operated to release the water in the kneading space W into water vapor, or to discharge the liquid reagent from the press-fitting means 20 (see FIG. 2) (not shown). Further, if necessary, the kneading space W is depressurized from the atmospheric pressure by the forced depressurization apparatus 30 (see FIG. 1A), and the dehydration is completed.
Next, the second opening / closing means 68 is set to the “open state”, and the kneaded material in the kneading space W is taken out from the take-out means 67. The polymer composite material is mass-produced by repeating the above steps.
以上述べた高分子複合材料の製造装置10,10’,10”,60で混練される合成高分子の主剤としては、熱可塑性高分子及び熱硬化性高分子のいずれも適用することができるものである。また、これら合成高分子の主剤に適宜添加される試薬(熱硬化性高分子の硬化剤を含む)については、その種類、性状、添加方法について公知のものを採用することができる。さらにそのような試薬を主剤に混合する手段は、例示した実施形態に限定されるものでなく、事例に応じて最適な手段が採用される。
As the main component of the synthetic polymer kneaded by the polymer composite
また合成高分子の主剤、バイオマス由来成分の過剰含水物及びその他必要な成分(ワックス、相溶化剤等)が、投入手段12から投入される順番並びに脱水を実施するタイミング及び回数についても任意である。
つまり、前記した成分を全て一機に投入して混練・脱水して取り出す場合の他、例えば、バイオマス由来成分の過剰含水物及び相溶化剤を、先行して投入し混練・脱水した後に、合成高分子の主剤を投入して混練して混練物を取り出す場合も取り得る。
The order of the synthetic polymer main component, biomass-derived excess water content and other necessary components (wax, compatibilizer, etc.) being charged from the charging means 12 and the timing and frequency of dehydration are also arbitrary. .
In other words, in addition to the case where all the above-mentioned components are put into one machine and kneaded and dehydrated and taken out, for example, an excess water content of a biomass-derived component and a compatibilizer are added in advance, kneaded and dehydrated, and then synthesized. It is also possible to take out the kneaded product by adding a polymer main ingredient and kneading.
10,10’,10”,60 製造装置
12 ホッパ(投入手段)
13 シリンダ
14 注入口
15,15’,15” スクリュー
16 フライト
17 取出手段
20 圧入手段
30 強制減圧装置
40(40a,40b,40c,40d,40e) 脱水手段
41 濾過板
42 遮断壁
45 調圧手段
50,62 混練手段
63 ケーシング
65 ロータ
67 取出手段
61,68 開閉手段
A 原料投入区間
B 混練区間
C1 加圧脱水区間(脱水区間)
C2 常圧脱水区間(脱水区間)
C3 減圧脱水区間(脱水区間)
D 再加圧区間
P0 大気圧
Pz 混練温度における飽和蒸気圧
Px(Pa,Pb,Pc,Pd,Pe) 設定圧力
Tz 混練温度
V 気化空間
W 混練空間(密閉空間)
10, 10 ', 10 ", 60
13
C2 normal pressure dehydration section (dehydration section)
C3 vacuum dewatering section (dehydration section)
D Repressurization section P0 Atmospheric pressure Pz Saturated vapor pressure at kneading temperature Px (Pa, Pb, Pc, Pd, Pe) Set pressure Tz Kneading temperature V Vaporization space W Kneading space (sealed space)
Claims (18)
前記バイオマス由来成分の過剰含水物が少なくとも含まれる混練物を設定された混練温度で混練する混練手段と、
前記混練温度における飽和蒸気圧よりも低くかつ大気圧よりも高い設定圧力で前記混練物を脱水する脱水手段と、
脱水された前記混練物を取り出す取出手段とを、含むことを特徴とする高分子複合材料の製造装置。 In a manufacturing apparatus for manufacturing a polymer composite material in which a synthetic polymer and a biomass-derived component are mixed ,
A kneading means for kneading the kneaded material containing at least the excess water-containing biomass-derived component at a set kneading temperature;
A dehydrating means for dehydrating the kneaded material at a set pressure lower than the saturated vapor pressure at the kneading temperature and higher than the atmospheric pressure;
An apparatus for producing a polymer composite material, comprising: take-out means for taking out the dehydrated kneaded product.
前記混練手段は、
前記合成高分子の主剤及び前記バイオマス由来成分の過剰含水物を投入する投入手段が上流側に設けられ前記取出手段が下流側に設けられているシリンダと、
前記混練温度に設定されている前記シリンダの内部で軸回転し前記混練物を前記投入手段から前記取出手段へ向かって押し出すスクリューとを、有し、
前記脱水手段は、
前記シリンダの内部及びその外部を隔てるとともに前記混練物のうち含まれる水分を選択的に濾過する濾過板と、
前記濾過板により濾過された水分を気化させる気化空間を形成するとともに大気を遮断する遮断壁と、
前記気化空間の気圧を前記設定圧力に設定する調圧手段とを、有することを特徴とする高分子複合材料の製造装置。 In the manufacturing apparatus which manufactures the polymer composite material of Claim 1,
The kneading means includes
A cylinder in which an input means for supplying an excess water content of the main component of the synthetic polymer and the biomass-derived component is provided on the upstream side, and the take-out means is provided on the downstream side;
A screw that rotates inside the cylinder that is set to the kneading temperature and pushes the kneaded material from the input means toward the take-out means,
The dehydrating means includes
A filter plate for selectively filtering water content that is part of the kneaded product with separate internal and external to the cylinder,
A blocking wall for blocking the air to form a vaporizing space to vaporize the water content that has been filtered by the filtration plate,
An apparatus for producing a polymer composite material, comprising pressure adjusting means for setting the pressure in the vaporization space to the set pressure.
これら複数個の脱水手段の設定圧力は、前記取出手段に近くなる程小さく設定されていることを特徴とする高分子複合材料の製造装置。 The apparatus for producing a polymer composite material according to claim 2, wherein a plurality of the dehydrating means are provided for the cylinder.
The apparatus for producing a polymer composite material, wherein the set pressures of the plurality of dehydrating means are set to be smaller as they become closer to the take-out means.
前記混練手段は、
前記合成高分子の主剤及び前記バイオマス由来成分の過剰含水物を投入する投入手段並びに前記取出手段が設けられるケーシングと、
密閉空間にされ前記混練温度に設定された前記ケーシングの内部で回転し前記混練物を混練するローターとを、有し、
前記脱水手段は、
前記密閉空間の気圧を前記設定圧力に設定する調圧手段を、有することを特徴とする高分子複合材料の製造装置。 In the manufacturing apparatus which manufactures the polymer composite material of Claim 1,
The kneading means includes
A casing provided with a charging means for charging the main component of the synthetic polymer and an excess water content of the biomass-derived component, and the extraction means;
A rotor that rotates in the casing set in the sealed space and set to the kneading temperature, and kneads the kneaded product,
The dehydrating means includes
An apparatus for producing a polymer composite material, comprising pressure adjusting means for setting the pressure in the sealed space to the set pressure.
前記ケーシングの内部及び外部を隔てるとともに前記混練物のうち含まれる水分を選択的に濾過する濾過板と、
前記濾過板を介して前記密閉空間に連通する気化空間が形成されるとともに前記調圧手段が設けられている遮断壁とを、有することを特徴とする高分子複合材料の製造装置。 In the manufacturing apparatus which manufactures the polymer composite material of Claim 10,
A filter plate that separates the inside and outside of the casing and selectively filters moisture contained in the kneaded product;
An apparatus for producing a polymer composite material, comprising: a vaporization space communicating with the sealed space through the filter plate, and a blocking wall provided with the pressure adjusting means.
前記合成高分子として熱可塑性高分子が適用されるものであることを特徴とする高分子複合材料の製造装置。 The apparatus for producing a polymer composite material according to any one of claims 1 to 11,
An apparatus for producing a polymer composite material, wherein a thermoplastic polymer is applied as the synthetic polymer .
前記合成高分子として熱硬化性高分子が適用されるものであることを特徴とする高分子複合材料の製造装置。 The apparatus for producing a polymer composite material according to any one of claims 1 to 11,
Apparatus for manufacturing a polymer composite material characterized in der Rukoto those thermoset polymeric is applied as the synthetic polymer.
前記バイオマス由来成分の過剰含水物が少なくとも含まれる混練物を設定された混練温度で混練する混練工程と、
前記混練温度における飽和蒸気圧よりも低くかつ大気圧よりも高い設定圧力で混練物を脱水する脱水工程と、
脱水された混練物を取り出す取出工程とを、含むことを特徴とする高分子複合材料の製造方法。 In a production method for producing a polymer composite material obtained by mixing a synthetic polymer and a biomass-derived component ,
A kneading step of kneading a kneaded material containing at least an excess hydrate of the biomass-derived component at a set kneading temperature;
A dehydration step of dehydrating the kneaded material at a set pressure lower than the saturated vapor pressure at the kneading temperature and higher than the atmospheric pressure;
A method for producing a polymer composite material, comprising a step of taking out a dehydrated kneaded product.
前記バイオマス由来成分はデンプン質系バイオマスに由来するものであって、このデンプン質系バイオマスを過剰含水物にする水を注水する注水工程を含むことを特徴とする高分子複合材料の製造方法。 The method for producing a polymer composite material according to claim 14,
The biomass-derived component be derived from starch based biomass, method for producing a polymer composite material which comprises a water injection step of injection of the to that of water the starch based biomass into an excess hydrous substance.
前記バイオマス由来成分はバイオマスを機械的に微粒子化したものであって、その集合体に水を含浸させて過剰含水物にする含水工程を含むことを特徴とする高分子複合材料の製造方法。 The method for producing a polymer composite material according to claim 14,
The biomass origin component is a obtained by mechanically micronized biomass, method for producing the polymer composite material comprising a hydrated step of over-Retained moisture product impregnated with water to the aggregate.
前記合成高分子及び前記バイオマス由来成分の合計量100重量部に対し、鎖状炭化水素の主鎖の炭素数が10から100の範囲に含まれるワックスを1から20重量部配合するワックス配合工程を含むことを特徴とする高分子複合材料の製造方法。 The method for producing a polymer composite material according to any one of claims 14 to 16,
A wax blending step of blending 1 to 20 parts by weight of a wax having a main chain of chain hydrocarbons in the range of 10 to 100 with respect to 100 parts by weight of the total amount of the synthetic polymer and the biomass-derived component. A method for producing a polymer composite material, comprising:
前記混練工程では前記バイオマス由来成分の過剰含水物及び相溶化剤を混練し、
前記脱水工程を経てから前記合成高分子の主剤を混合しさらに混練することを特徴とする高分子複合材料の製造方法。 The method for producing a polymer composite material according to any one of claims 14 to 17,
In the kneading step, the biomass-derived component excess water content and a compatibilizing agent are kneaded,
A method for producing a polymer composite material, wherein the synthetic polymer main ingredient is mixed and further kneaded after the dehydration step.
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