JP5301274B2 - 生物材料合成物を造粒する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明はポリマー生物材料合成物および発泡ポリマー生物材料合成物を造粒し、その後加速加熱し著しく含水量が減少したペレットを生成する方法および装置に関する。さらに詳しくは、本発明はポリエチレンおよびポリプロピレンのようなポリオレフィン、塩化ポリビニールおよびポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ポリカーボンとまたはこれらの共重合体のような置換ポリオレフィンであって、セルロースおよびでんぷんを含む多糖類、またはポリペプチドを含むタンパク質材料のような固形または半固形合成物を含み、また発泡可能合成物を含むもの水中造粒し、これらのペレットまたはグラニュールの含水量が著しく減少するような方法で、これらのペレットおよびグラニュールを加速、乾燥し、発砲可能にする方法および装置に関する。ここに記載した造粒および乾燥方法は、１％以下の所望のレベルの水分を有するペレットおよびグラニュールを製造する。

木製品工業は、長年ポリマーと木製品の合成物に焦点を絞ってきた。装飾的な木工部及び露出した木材表面用の高品質の資材が年々減少しているので経済的代替物を見つけるのに相当な努力をなされてきた。その関心の多くは、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ポリビニールの合成物を含む。これらの内、後者は、木粉および種々の無機充填剤と共に発泡合成物として使用する為に広範囲に研究されている。

最近の研究の多くは、その関心の領域を甲板のような構造材、紙および木材パルプ工業のリサイクル、及び発酵工程からの廃棄複製物に拡張している。石油価格の連続的な高騰により、リサイクル可能なプラスチック資源に対する考慮が追加的になされている。更なる関心は造園分野、自動車部品、ペット臭気抑制分野に発展している。

主な懸念は、最終製品に至る水分の制御である。高い含水量は、応力割れ及び泡の生成による最終製品の構造的一体性を潜在的に減少する。表面仕上げは制御不能の水分レベルにより損なわれる。更なる懸念は、処理温度の上昇により炭化する傾向のあるセルロースの使用により強要される温度制限である。この懸念は、合成物が製造されるプラスチック材料の選択を制限している。

生物材料の乾燥は時間を浪費し、経済的に高価である。これは貯蔵中の合成物の生物成分により、水分が吸い上げられる可能性によってさらに複雑化し、これにより高価な湿度制御を必要とし、または、不透水的包装を必要とする。したがって、環境湿度を吸い上げまたは水への直接曝露をともなう処理は、工業にとって魅力のあるものではなかった。

生産量は、配合（formulation）プロセス前および／または、その間に含水量が減少する必要性により速度拘束を受ける。不必要な保管を回避し、望ましくない水分吸い上げを軽減するために、多くの工業は合成物配合（composite formulation）に頼り、直ちに押し出し、または、その他の生産技術により最終製品を生成していた。

この発明が焦点を合わせる懸念事項は、不必要な成分予備乾燥をすることなく、その後の処理、輸送、または必要な多段処理のために適度に乾燥した中間ペレットを準備するために、ポリマー生物材料合成物を形成する技術を提供することである。このプロセスは、所望の低含水量合成物を達成するために、押し出し、水中造粒および加速乾燥からなる連続生産シーケンスを伴う。

米国特許
5441801 1995年8月 ディーナーら 428/326 5563209 1996年10月 シューマンら 524/709 5714571 1998年2月 アルガータら 528/308.2 5746958 1998年5月 グスタッフソンら 264/115 5847016 1998年12月 コープ 521/84.1 5938994 1999年8月 イングリッシュら 264/102 5951927 1999年9月 コープ 264/54 6015612 2000年1月 ディーナーら 428/326 6066680 2000年5月 コープ 521/79 6083601 2000年7月 プリンスら 428/71 6245863 2001年6月 アルガータ 525/437 6255368 2001年7月 イングリッシュら 524/13 6280667 2001年8月 コーニヒら 264/68 6498205 2002年12月 ツェーナー 524/14 6624217 2003年9月 トング 524/9 6632863 2003年10月 ヒッチソンら 524/13 6685858 2004年2月 コーニーJr 204/162 6706824 2004年3月 フェンドナーら 524/437 6737006 2004年5月 グローマン 264/211.21 6743507 2004年6月 バーローら 428/393 6762275 2004年7月 ルールら 528/271 6790459 2004年9月 アンドリューら 428/36.92 6797378 2004年9月 シミズら 428/394 米国特許出願公開 2002/0106498 2002年8月 ディーナーら 428/292.4 2003/0025233 2003年2月 コーニーJr 264/102 2004/0126568 2004年7月 ディーナーら 428/326 2004/0140592 2004年7月 バーローら 264/523 2004/0169306 2004年9月 クルーズら 264/140 2005/0075423 2005年4月 ディーベルら 524/17 他の継続中米国特許出願 20050110182 2005年5月 エルー 264/69 20050110184 2005年5月 エルー 264/143 外国特許文献 1467246 2004年1月 中国 1470568 2004年1月 中国 1515617 2004年7月 中国 1603088 2005年4月 中国 2005/035134 2005年2月 日本 2005/053149 2005年3月 日本 2005/060556 2005年3月 日本 2005/088461 2005年4月 日本 2005/097463 2005年4月 日本 他の文献 上級編集者リリー・マノリス・シャーマンによる木材充填プラスチック、2004年7月プラスチックテクノロジィ

この明細書で使用されている用語「ペレット」は、その広い意味において、水中造粒機で形成される製品を意味するように意図されており、水中造粒機で形成されるグラニュールおよびその他の形状および大きさの粒子を含む。

本発明は最小の水中滞留時間でポリマーペレット合成物を生成し、充分な熱を保有して乾燥工程を自己開始し、追加処理の前にポリマーペレット合成物の追加加熱工程を必要とすることなく、１パーセント（１％）以下の充分に低い含水率を最終的に与えることができる造粒方法および装置に向けられている。従来適切な乾燥ペレットを得るために造粒と冷却の有効性を実証してきたが、典型的には湿気に対する曝露、特に水への直接浸入を回避し、生物材料による水分の重大でかつ望まれない吸い上げを実行していた。本発明によると高熱状態にさらし、水スラリー中でのペレットの滞留時間を減少すると、受容できる乾燥状態のポリマー合成物ペレットを得ることができ、ペレットに充分な熱を残し、ペレット内の含水量を有効に減少することができることを発見した。

高い潜熱を達成するためにペレットは自らできるだけ早く分離し、水中造粒機の出口から乾燥装置に入り通過する速度を著しく増加しなければならない。ペレットは多くの潜熱を保有して、乾燥機を出て、従来の振動コンベアまたは類似の振動または取り扱い機器上を輸送され、時間をかけて所望の含水レベルを達成することができる。従来の保熱容器または断熱容器に高温ペレットを保管することは本発明に含まれるが、所望の乾燥レベルを達成するのに時間がかかる。達成される所望の含水レベルはその後の処理または生産工程で許容されるレベルにより決定され、１パーセント（１％）以下であってよい。

本発明により造粒することができるポリマー生物材料合成物は基本成分として適切なポリマーおよび生物材料粒子を含む。適切な添加剤も含められる。これらの基本成分は相対的割合を選択されたポリマーおよび生物材料粒子に応じて変化させることができるが、典型的には５％−９５％ｎｏポリマーおよび１０％−９０％の生物材料粒子を有する。

水からのペレットの分離および乾燥装置へのペレット速度の増加は、ガスの加圧注入と水の同時的吸引との組み合わせにより達成される。切断ペレットが水中造粒機水箱を離れて水スラリーになると、空気または他の適切な不活性ガスが水箱から乾燥装置にいたる輸送管に注入される。以下「空気」の用語は空気、窒素または他の適切な不活性ガスを含むように意図されている。注入された空気は水を蒸気に吸引し、水をペレットから有効に分離するのに役立つ。注入された空気は乾燥機へのペレットおよび乾燥機を通るペレットの輸送速度を増加する。輸送速度の増加はペレットの乾燥処理を開始するのに充分な高温でペレットが残留するほど十分に急激である。ペレットは遠心乾燥機を通って輸送されることでさらに乾燥されてもよい。ペレットを同等な効率で乾燥させるその他の従来の方法を当業者により使用してもよく、これらの方法はここに含むように意図されている。

水の吸引の造粒機水箱の出口から乾燥機への輸送速度を増加するため。注入された空気は非常に高速でなければならない。本発明によると、注入された空気の容積は、バルブを介して１．５インチの径のパイプに注入する場合、単位時間当たり少なくとも１００立方メートルでなければならない。この流量は、当業者に理解されるように、処理容量、乾燥効率およびパイプ径に応じて変化する。

スラリー配管への空気流入量は好ましくは、注入点の後のスラリー輸送管に位置するボール弁または他の弁機構を使用することで調整される。この弁機構による調整は、輸送管および乾燥装置におけるペレットの滞留時間のより多くの制御を許容し、ペレット／水スラリーの吸引を促進するのに役立つ。振動は注入点の後方で弁機構を使用することにより輸送管内で減少され、または排除される。

空気注入の調整により、造粒機水箱の出口から乾燥機への輸送時間を減少するのに必要な制御を行うことができ、これによりペレットは内部に充分な熱を保有することができる。大径のペレットは長径のペレットほど迅速に熱を損失しないので、小径のペレットよりも低速で輸送することができる。当業者に理解されるように、ペレットの径が増加するにつれて空気注入速度を増加することにより同等な結果が達成される。造粒機水箱と乾燥機出口の間の滞留時間の減少はペレットに十分熱を残し、所望の含水レベルを達成することができる。ペレットの内側の保有熱は、乾燥機からペレットを放出した後の熱保有振動コンベアの使用、および／または従来の貯蔵容器または必要に応じて断熱容器の使用により増大してもよい。この方法とこの装置は、ここに記載されたポリマーに対して有効であることがわかっている。１パーセント（１％）近傍、好ましくは１パーセント（１％）以下の含水レベルはここに記載された方法および装置により達成されてもよい。ポリマーおよびポリマー混合物の滞留時間の変化は、当業者に理解されるように特定の配合（formulation）に対する結果を最適化するために必要に応じて調整されてもよい。ここに記載された方法と装置を使用することで追加の加熱工程が排除される。

本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。明確化のために従来技術がここに含まれるが、本発明は図示し以下で説明する構成、要素の配置、又は化学成分にその範囲が限定されるものではないことを理解されたい。本発明の実施形態は、本発明の範囲に含まれる種々の方法で実施し、実行することができる。

以下の実施形態の説明は、明確化のための用語を使用するが、当業者により全ての技術的均等物を含む広い意味に理解されるように意図するものである。この発明で説明されるポリマー成分は、当業者に開示された方法の広さについての詳細を与えるものであり、本発明の範囲を制限することを意図するものではない。

ポリマー生物材料合成物は、典型的には、繊維状生物材料、熱可塑性基質、結合剤、又は安定剤、潤滑剤、充填剤、着色剤、及び種々の加工助剤から配合（formulate）される。それらはまた、最終使用用途により要求されるように、膨張又は発泡剤、架橋剤を含めてもよい。種々のリサイクル処理から導入される定型化の成分はこの発明の範囲内である。

生物材料又は繊維状成分は特定の製品に対する材料強度と表面特性を与える。生物材料又は繊維状成分の寸法は、所望の必要な表面特性を達成するための中間ペレットの大きさによってのみ拘束される。合成物の水分吸い上げ及び保持は、生物材料の選択に強く影響される。ポリマー基質材料を考慮すると、生物材料成分の熱的安定性は重要である。生物材料の炭化（charring）又は劣化に至らない溶融温度又は処理温度のポリマーを選択するよう注意するべきである。配合（formulation）は、典型的には１０％から９０％の生物材料、好ましくは３０％から９０％の生物材料を含む。残り（balance）は、ポリマー基質とその他の成分から構成されている。押し出し温度は２２０℃以下、好ましくは２００℃以下である。

生物材料は、セルロース及び澱粉を含む多糖類、ポリペプチドを含むタンパク質材料を含むがこれらに限定されない。セルロースの例は、木材チップ、合板、ベニヤ合板、フレーク木片、木質繊維、木材粒子、挽いた木材、ごがくず、ココナツの殻、ピーナツの殻、わら、麦わら、綿、もみ殻またはトウモロコシの皮、アルファルファ、稲、小麦ぬか、小麦パルプ（wheat pulp）、豆の茎、コーン又はトウモロコシ（maize）、トウモロコシの穂軸、トウモロコシの茎、ソルガム又はミロ、サトウキビ、オレンジジュース残渣、バガス、竹の灰、飛散灰、ピートモス、昆布、もみ殻、ライ麦、キビ、オオムギ、オートムギ、大豆、コーヒー残渣、豆科植物、飼料草、及び竹、ヤシ、麻及びジュートを含む植物繊維である。さらに、コンピュータ用紙、ボール紙、新聞、雑誌、本、ミルク及び飲料容器、及び紙パルプのような紙製品は、この発明の利用分野である。

澱粉の例は、ポテト、スウィートポテト、キャッサバ、及びまぐさを含む。タンパク質材料は、発酵固体、蒸留所の穀物及び固形物、グルテンミール、グリアジンとして小麦及びライイムギから、ゼインとしてトウモロコシから、カフィニンとしてソルガム及びキビからのプロラミンを含む。

生物材料粒子の大きさは、粒子が繊維状であるか粉末であるかどうか、ペレットのサイズ及び最終用途に依存して変化する。繊維状粒子の大きさは、典型的には、１から５０、より好ましくは２から２０のアスペクト比で、１０から９００ミクロンまで変化することができる。粉末については、粒子の大きさは典型的には１５から４２５ミクロンまで変化する。

ポリマー生物材料合成物で使用する従来の熱可塑性材料は、ポリエチレンすなわちＰＥ、ポリ塩化ビニルすなわちＰＶＣ、ポリプロピレンすなわちＰＰ、ポリスチレンすなわちＰＳを含み、高密度ポリエチレンすなわちＨＤＰＥが最も普及している。発泡用の配合の中で、中心はＰＶＣ又は塩素化ＰＶＣ、ＣＰＶＣの領域であった。材料の選択は生物材料の劣化点以下の温度で処理されるものに制約されていた。

配合を注意深く選択することで、様々なポリマーはポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、及びポリカーボネートを含むように拡張することができる。熱硬化性材料はもちろん熱可塑性材料は本発明の範囲内にある。熱硬化性材料の使用は、ポリマーの選択と同様に、ある温度又は本発明の範囲内で処理中に達成又は開始されない化学反応により、硬化後の架橋が行われる架橋温度に厳重な注意を要する。

本発明で使用するポリエチレンは、低密度ポリエチレンすなわちＬＤＰＥ、線形低密度ポリエチレンすなわちＬＬＤＰＥ、中密度ポリエチレンすなわちＭＤＰＥ、高密度ポリエチレンすなわちＨＤＰＥ、及び超高密度ポリエチレンＵＨＤＰＥとしても知られている超高分子量ポリエチレンすなわちＵＨＭＷＰＥを含む。

また本発明の範囲内にあるのは、ポリプロピレンすなわちＰＰを含有するオレフィン、ポリマー及び共重合体を含むポリアルファオレフィンすなわちＰＡＯであり、その例示としてポリブテン、ポリイソブテン、ポリペンテン、ポリメチルペンテン、及びポリヘキサンがある。ポリスチレンすなわちＰＳ及びポリ（アルファ−メチルスチレン）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンすなわちＡＢＳ、アクリル−スチレン−アクリロニトリルすなわちＡＳＡ、スチレン−アクリロニトリルすなわちＳＡＮ、及びスチレンブロック共重合体は例示的にここに含まれる。アモルファス、非晶質、結晶質、半結晶質材料も本発明の範囲に含まれる。

本発明用としてここに記載されたポリ塩化ビニルすなわちＰＶＣ、塩素化ポリ塩化ビニルすなわちＣＰＶＣは、可塑化又は非可塑化されてもよいし、ホモポリマーとして使用されてもよいし、前に挙げたオレフィンを含む共重合体において使用されてもよいし、
また例示的にアクリロニトリル、ビニリデン、二塩化ビニリデン、アクリレート、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート、ビニルアセテート、ビニルトルエン、及びアクリルアミドを有するポリマー合成物において使用されてもよい。

本発明の範囲内にあるポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、及びポリウレタンは、材料の処理温度が生物材料の劣化温点以下であるように配合（formulate）されるべきである。当業者に公知であるように、これは、縮合化学の広範な群内にある共重合体の使用により達成することができる。

本発明に有用なポリエステルは、一般構造式
（ＯＲ_１Ｏ）_ｘ［（Ｃ＝Ｏ）Ｒ_２（Ｃ＝Ｏ）］_ｙ及び/又は
［（Ｃ＝Ｏ）Ｒ_１Ｏ］_ｘ［（Ｃ＝Ｏ）Ｒ_２Ｏ］_ｙを有する。ここに記載のＲ_１及びＲ_２は、ハロゲン、窒素官能基、アルキル及びアルキル基を含むがこれらに限定されない脂肪族、脂環式、芳香族、及びペンダント置換部分を含み、また同一又は異なるものとすることができる。さらに詳しくは、ここに説明するポリマーは、ポリ（エチレンテレフタレート）又はＰＥＴ、ポリ（トリメチレンテレフタレート）又はＰＴＴ、ポリ（ブチレンテレフタレート）又はＰＢＴ、ポリ（エチレンナフタレート）又はＰＥＮ、ポリラクチド又はＰＬＡ、及びポリ（アルファ−ヒドロキシルアルカノアーテ）又はＰＨＡ及びそれらの共重合体を含む。

本発明に有用なポリアミドは、一般構造式
[Ｎ（Ｈ，Ｒ）Ｒ_１Ｎ（Ｈ，Ｒ）]_ｘ[（Ｃ＝Ｏ）Ｒ_２（Ｃ＝Ｏ）]_ｙ及び/又は
[（Ｃ＝Ｏ）Ｒ_１Ｎ（Ｈ，Ｒ）]_ｘ[（Ｃ＝Ｏ）Ｒ_２Ｎ（Ｈ，Ｒ）]_ｙを有する。ここに記載のＲ_１及びＲ_２は、ハロゲン、窒素官能基、アルキル及びアルキル基を含むがこれらに限定されない脂肪族、脂環式、芳香族、及びペンダント置換部分を含み、また同一又は異なるものであってもよい。ここに記載するＲは、脂肪族、脂環式、及び芳香族部分を含むがこれらに限定されない。さらに詳しくは、ポリアミドは、ポリテトラメチレン、アジポアミド又はナイロン４，６、ポリヘキサメチレンアジポアミド又はナイロン６，６、ポリヘキサメチレンセバシン酸アミド又はナイロン６，１０、ポリ（ヘキサメチレンジアミン−共ドデカン二酸）又はナイロン６，１２、ポリカプロラクタム又はナイロン６、ポリヘプタノラクタム又はナイロン７、ポリウデカノラクタム又はナイロン１１、及びポリドデカノラクタム又はナイロン１２及びこれらの共重合体を含む。

本発明に有用なポリカーボネートは、一般構造式
[（Ｃ＝Ｏ）ＯＲ_１Ｏ]_ｘ[（Ｃ＝Ｏ）ＯＲ_２Ｏ]_ｙを有する。ここに記載のＲ_１及びＲ_２は、ハロゲン、窒素官能基、アルキル及びアルキル基を含むがこれらに限定されない脂肪族、脂環式、芳香族、及びペンダント置換部分を含み、また同一又は異なるものとすることができる。さらに詳しくは、ポリカーボネートは、ビスフェノール、及び置換ビスフェノールカーボネートを含み、ここでビスフェノールは構造式ＨＯＰｈＣ（ＣＨ_３）_２ＰＨＯＨ又はＨＯＰｈＣ（ＣＨ_３）（ＣＨ_２ＣＨ_３）ＰｈＯＨを有し、ここでＰｈはフェニル環をいい、置換基はアルキル、シクロアルキル、アリル、ハロゲン、及びニトロ官能基を含むがこれらに限定されない。Ｒ_１及びＲ_２は、同一又は異なるものであってもよい。

本発明に有用なポリウレタンは、一般構造式
[（Ｃ＝Ｏ）ＯＲ_１Ｎ（Ｈ，Ｒ）]_ｘ[（Ｃ＝Ｏ）ＯＲ_２Ｎ（Ｈ，Ｒ）]_ｙを有する。ここに記載のＲ_１及びＲ_２は、ハロゲン、窒素官能基、アルキル及びアルキル基を含むがこれらに限定されない脂肪族、脂環式、芳香族、及びペンダント置換部分を含み、また同一又は異なるものとすることができる。ここに記載のＲは、脂肪族、脂環式、及び芳香族置換部分を含むがこれらに限定されない。さらに詳しくは、ここに記載のポリウレタンは、ポリエーテルポリウレタン、及び/又はメチレンビス（フェニルイソシアネート）を含むポリエステルポリウレタン共重合体を含む。Ｒ_１及びＲ_２は、同一又は異なるものであってもよい。

ポリエステル及び共重合体、ポリアミド及び共重合体、ポリカーボネート及び共重合体、ポリウレタン及び共重合体は、エチレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，３−プロピレングリコール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、１，５−ペンタンジオール、１，３−ヘキサンジオール、１，６−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、デカメチレングリコール、ドデカメチレングリコール、２−ブチル−１，３−プロパンジオール、２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオール、２，２−ジエチル−１，３−プロパンジオール、２−エチル−２−イソブチル−１，３−プロパンジオール、２−メチル−１，４−ペンタンジオール、３−メチル−２，４−ペンタンジオール、３−メチル−１，５−ペンタンジオール、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオール、２−エチル−１，３−ヘキサンジオール、２，２，４−トリメチル−１，６−ヘキサンジオール、１，２−シクロヘキサンジオール、１，４−シクロヘキサンジオール、１，２−シクロヘキサンジメタノール、１，３−シクロヘキサンジメタノール、１，４−シクロヘキサンジメタノール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、プロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール、カテコール、ヒドロキノン、イソソルビド、１，４−ビス（ヒドロキシメチル）−ベンゼン、１，４−ビス（ヒドロキシエトキシ）−ベンゼン、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）プロパン及びこれらの異性体を含む少なくとも１つのジオールからなっていてもよい。

ポリエステル及び共重合体、ポリアミド及び共重合体、ポリカーボネート及び共重合体、ポリウレタン及び共重合体は、例示的にブチロラクトン、カプロラクトン、乳酸、グリコール酸、２−ヒドロキシエトキシ酢酸、３−ヒドロキシプロポシキ−酢酸、及び３−ヒドロキシ酪酸を含む少なくとも１つのラクトン又はヒドリキシ酸からなっていてもよい。

ポリエステル及び共重合体、ポリアミド及び共重合体、ポリカーボネート及び共重合体、ポリウレタン及び共重合体は、例示的であるがフタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ナフタリン酸−２，６−ジカルボン酸及び異性体、スチルベンジカルボン酸、ジフェニルジカルボン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、フマル酸、ピメリン酸、ウンデカン酸、オクタデカン二酸、及びシクロヘキサンアセト酢酸を含む少なくとも１つの二塩基酸からなっていてもよい。

ポリエステル及び共重合体、ポリアミド及び共重合体、ポリカーボネート及び共重合体、ポリウレタン及び共重合体は、例示的にジメチル又はジエチルフタレート、ジメチル又はジエチルイソフタレート、ジメチル又はジエチルテレフタレート、ジメチルナフタレン−２，６−ジカルボン酸塩及び異性体を含む少なくとの１つのジエステルからなっていてもよい。

ポリアミド及び共重合体、ポリエステル及び共重合体、ポリカーボネート及び共重合体、ポリウレタン及び共重合体は、１，３−プロパンジアミン、１，４−ブタンジアミン、１，５−ペンタンジアミン、１，６−ヘキサンジアミン、１，８−オクタンジアミン、１，１０−デカンジアミン、１，１２−ドデカンジアミン、１，１６−ヘキサデカンジアミン、フェニレンジアミン、４，４′−ジアミノジフェニルエーテル、４，４′−ジアミノジフェニルメタン、２，２−ジメチル１，５−ペンタンジアミン、２，２，４−トリメチル−１，５−ペンタンジアミン、及び２，２，４−トリメチル−１，６−ヘキサンジアミンを含むジアミンからなり、本発明に含まれるが、ここに記載したものに限定されない。

ポリアミド及び共重合体、ポリエステル及び共重合体、ポリカーボネート及び共重合体、ポリウレタン及び共重合体は、例示的にプロピオンラクタム、ピロリジノン、カプロラクタム、ヘプタンノンラクタム、カプリルラクタム、ノナンラクタム、デカノラクタム、ウンデカンラクタム、及びドデカンラクタムを含む少なくとも１つのラクタン又はアミノ酸からなっていてもよい。

ポリウレタン及び共重合体、ポリエステル及び共重合体、ポリアミド及び共重合体、及びポリカーボネート及び共重合体は、４，４′−ジフェニルメタンジイソシアネート及び異性体、トルエンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ヘキサメチレン−ジイソシアネート、エチレンジイソシアネート、４，４′−メチレンビス（フェニルイソシアネート）及び異性体、キシリレンジイソシアネート及び異性体、テトラメチルキシリレンジイソシアネート、１，５−ナフタレン−ジイソシアネート、１，４−シクロヘキシルジイソシアネート、ジフェニルメタン−３，３′−ジメトキシ−４，４′−ジイソシアネート、１，６−ヘキサンジイソシアネート、１，６−ジイソシアネート−２，２，４，４−テトラメチルヘキサン、１，３−ビス（イソシアネートメチル）シクロヘキサン、及び１，１０−デカンジイソシアネートを含む少なくとも１つのイソシアネートからなっていてもよい。

結合剤は、より正反対（polar）の生物材料に対する樹脂の大きな融和性（compatibility）を与えるために、配合に組み入れられることが好ましい。結合剤は、生物材料をプラスチック基質に有効に接合し、向上した寸法安定性、より大きな衝撃抵抗、繊維状物質のより有効な分散、クリープの減少、水分吸い上げ及び中間ペレット及び最終製品の膨張の可能性の低減を与える。これらの結合剤又は安定剤の例は、マレイン酸ポリプレピレン、マレイン酸ポリエチレン、長鎖塩素化パラフィンすなわちＬＣＣＰ、パラフィンワックス、金属せっけん、シラン、チタン酸塩、ジルコン酸塩、及び界面活性剤である。

水溶性結合剤は、類似の接着促進に役立ち、本発明用のポリマー生物材料合成物に含めることができる。これらの結合剤は生物材料のより大きな溶解性を与えるが、従来有効に立証されているように、リサイクル分野に特に有効である。これらの例は、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、置換セルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウム、ヒドロキシエチルセルロースナトリウム、ヒドロキシプロピルセルロースナトリウム、及びカルボキシメチルヒドロキシエチルセルロースナトリウムを含む。

潤滑剤も、同様に生物材料の分散を促進し、摩擦抗力（frictional drag）による過剰加熱を減少する点で本発明に望ましく、その摩擦効力とその結果の問題のある劣化と変色を減少する。これらは、また生物材料の集塊及び凝集の減少を促進する。処理量及び表面特性は潤滑剤の選択により著しく修正される。シリコンオイル、パラフィンワックス、酸化ポリエチレン、金属ステアリン酸塩、脂肪酸アミド、オレオイルパルミートアミド、及びエチレンビスステアラミドは例示的にここに含まれる。

充填剤も、当業者に容易に理解されるように、コストを低減し、特性を修正するのに使用することができ、本発明の範囲内に含まれる。窒素、二酸化炭素、ブタン、ペンタン、ヘキサン、化学発泡剤（ＣＦＡ）を含む発泡剤は、同様に従来の開示の例に従う。

従来の開示を考慮すると、供給生物材料中の高含水レベルは、押出機に導入する前の当業者に公知の乾燥技術により減少することができ、供給及び押出工程中に著しく減少することができる。この詳細は本発明の範囲外であるが、参照することでここに組み入れる。４０％という高い含水レベルを押出機に導入し、適切に通気した結果、容認可能な製品を達成することができた。

本発明に関連して使用するための水中造粒システムは、図１に概略的に示されている。水中造粒システムは、参照符号１０で全体的に示され、ガラ水中造粒機のような水造粒機１２を含み、カッターハブ及びブレード１４が水箱１６及びダイプレート１８から離れて配置されている。

水中造粒システム１０では、処理されるポリマー生物材料合成物は、少なくとも１つのポリマーだる又はホッパー１６０を使用して上方から典型的には押出機１５５に供給され、剪断と熱を受けて溶解する。ポリマー生物材料合成物は、生物材料の劣化を回避するために、典型的には２２０℃以下の温度で押し出される。溶融物は円滑で制御された流量を与えるために、ギヤポンプ２２を通して供給され続ける。溶融ポリマーは、必要に応じてスクリーン交換機２０（図１参照）に供給され、塊、又は過大な固形粒子又は異物が取り除かれる。溶融流れは、ポリマー誘導弁２４を通り、ダイプレート１８のダイ孔に流入する。ダイ孔を通る押し出しにより形成される溶融ポリマーのストランドは、水箱１６に入り、ロータリーカッターハブ及びブレード１４によって切断され、所望のペレット又はグラニュールに形成される。ここに記載された方法は、例示的であり、所望のポリマー流れを達成する他の形態も当業者により容易に理解されるし、従来技術に従う他のものも本発明の範囲内に含まれる。

従来技術は、熱的又は酸化的に押出性の低下を減少するのに有効な押出処理に対する多くの修正や付加を実証している。適用されたもののなかには、副生成物及び過剰モノマーの真空除去、加水分解減少、触媒解重合、重合触媒の添加、末端基保護、分子量増大、ポリマー鎖延長、及び不活性ガスパージの使用がある。

水は、パイプ２６を通って水箱１６に入り、ダイ面から形成されるペレットを迅速に除去し、ペレットと水のスラリーを形成する。本発明に含まれる造粒機水箱を通って循環する処理水は、限定されないが、当業者に理解されるように、ペレット化を促進し、凝集を防止し、及び/又は輸送流れを維持するのに必要とされる添加剤、共溶剤、及び処理酸を含む。このように形成されるペレット水スラリーはパイプ２８を通って水箱から出て、スラリーライン３０を通って乾燥機３２に搬送される。

本発明によると、空気がスラリーライン３０に、好ましくは水箱１６からの出口に隣接し、かつ、スラリーライン３０の始点の近傍の点７０で、注入される。この空気注入の好ましい場所７０は、輸送量を増加し、スラリー中の水の吸引を促進することで、ペレットの輸送を促進する。これにより、ペレット及びグラニュールは十分な潜熱を保持し、所望の結晶化を生じる。高速の空気が、空気圧縮機により製造施設で典型的に利用できる従来の圧縮空気ラインを使用して、点７０で都合良くかつ経済的にスラリーライン３０に注入される。本発明によると、前述したように高速でペレットを搬送するのに、窒素を含むがこれに限定されない他の不活性ガスを使用してもよい。この高速空気又は不活性ガスの流れは、圧縮ガスを使用して達成され、少なくとも８バールの圧力に調整するための標準のボール弁を使用して、標準のパイプ径、好ましくは１．５インチのパイプ径であるスラリーライン３０に、少なくとも１００ｍ^３/時の流量を提供する。

当業者にて、流量とパイプ径は、処理容量、所望の含水量レベル、及びペレットのサイズに応じて変化させることができる。高速空気は、有効にペレット水スラリーに接触し、吸引（aspiration）により水蒸気を発生させ、スラリーラインを通る間にペレットを分散し、これらのペレットを増加した速度好ましくは水箱１６から乾燥機出口３４まで１秒以下の速度で乾燥機３２に伝搬する。高速吸引は、ペレットと空気の混合物を生成し、それはガス状混合物中に９８−９９容積％の空気に達する。

図５は、スラリーラインへの空気の注入のための好ましい配置を示す。水/ペレットスラリーは、造粒機水箱１０２を出てスラリーライン１０６に入り、覗き窓１１２を介してエルボ１１４を通る。ここで、圧縮空気が弁１２０から注入され、傾斜したスラリーライン１１６に入る。注入空気、ペレット及び水蒸気は、拡大エルボ１１８を経て、乾燥機入口１１０を通って乾燥機１０８に入る。エルボ１１４への空気の注入は、スラリーライン１１６の軸と一致しているので、ペレット/水スラリーへの空気注入の最大の効果を発揮する結果、混合物の吸引が一定になる。

スラリーライン１０６の縦軸とスラリーライン１１６の長手軸との間に形成される角度は、乾燥機１０８への入口１１０の高さに対する造粒機１０２の高さの変化により、要求により０°から９０°又はそれ以上まで変化させることができる。この高さの差は、造粒機１０２に対する乾燥機１０８の物理的位置によるか、乾燥機と造粒機のサイズの差の結果であるかもしれない。好ましい角度範囲は、３０°から６０°であり、さらに好ましい角度は４５°である。乾燥機入口１１０への拡大エルボ１１８は、流入スラリーライン１１６から乾燥機１１０の入口への高速吸引ペレット/水スラリーの移動を促進し、乾燥機１０８へのペレットスラリーの速度を低減する。

図５に示す装置の好ましい位置により、造粒機１０２から乾燥機１０８の出口まで、約１秒でペレットを移送することができ、ペレット内の熱の損失が最小になる。これは、エルボ１１４での空気注入口の後に、第２の弁機構又はさらに好ましくは第２のボール弁１５０を挿入することにより、さらに最適化することができる。この追加のボール弁により、スラリーライン１１６内のペレットの滞留時間をよりよく調整することができ、スラリーラインで生じる振動を減少することができる。第２のボール弁により、チャンバーに注入される空気をさらに加圧することができ、ペレット/水スラリーからの水の吸引を促進することができる。これは、ペレット及びグラニュールのサイズが径において減少する際に特に重要となる。

ペレットは乾燥機１０８の出口１２６から排出され、好ましくは、図２ａ、２ｂに概略的に示す振動コンベア８４のような振動装置に向かって導かれる。振動コンベア８４の振動動作から生じる攪拌により、ペレットが他のペレットや振動コンベアに接触する際に、熱がペレット間で移動する。これにより、温度の均一化が達成され、ペレットの含水量が向上し、低下し、より均一になる。攪拌により、ペレット温度が増加する結果、ペレットが互いに、及び/又は振動コンベアの構成部材に付着するのが、緩和される。

振動コンベア上のペレットとグラニュールの滞留時間は、達成されるべき所望の含水量に影響する。ペレットが大きければ大きいほど、長い滞留時間が期待される。滞留時間は、ペレットが所望の程度まで乾燥し、ペレットが取り扱えるように冷却するために、典型的には約２０秒から約１２０秒又はそれ以上、好ましくは約３０秒から６０秒、さらに好ましくは約４０秒である。大きなペレットは、減少した径のペレットで期待されるよりも、多くの熱を内部に保有し、速く乾燥する。逆に、ペレットサイズが大きければ大きいほど、取扱いのためにペレットが冷却するのに必要な滞留時間が長い。最終包装の望まれるペレットの温度は、典型的には、さらなる処理に要求される温度よりも低い。

他の冷却方法又は振動コンベヤに付加される方法は、乾燥機を出たペレットが乾燥し、その後の取扱いのために冷却するのに十分な時間を有するように、使用することができる。配送されるペレットは、ペレットの追加の処理又は中間及び最終発泡製品を含む最終製品の製造のために、必要に応じて包装、保管、又は輸送することができる。

本発明による空気注入振動コンベアを備え、バージニア州イーグルロックのガラインダストリーズインコーポレーテッド（ガラ）により製造販売された水中造粒機及び遠心乾燥機を含む水中造粒システムの概略図。 図１の振動コンベアの側面の概略図。 図１の振動コンベアの端面の概略図。 製造ラインが遮断されたときのバイパスモード中の図１に示す水中造粒システムの構成要素を示す。 本発明により造粒機から乾燥機へのスラリーラインに不活性ガスを注入する方法及び装置を示す概略図。 造粒機から乾燥機へのスラリーラインに不活性ガスを注入する好ましい装置を示す概略図と、スラリーラインのボールバルブの拡大図。

符号の説明

１０ 水中造粒システム
１２ 水造粒機
１４ カッターハブ及びブレード
１６ 水箱
１８ ダイプレート
２０ スクリーン交換機
２２ ギアポンプ
２６ パイプ
２８ パイプ
３０ スラリーライン
３２ 乾燥機
３４ 乾燥機出口
７０ ガス注入点
８４ 振動コンベア
１０２ 造粒機水箱
１０６ スラリーライン
１０８ 乾燥機
１１０ 乾燥機入口
１１２ 覗き窓
１１４ エルボ
１１６ スラリーライン
１１８ 拡大エルボ
１２０ 空気注入口
１２６ 乾燥機出口
１５０ ボール弁

Claims (16)

1. ポリマー生物材料合成物をペレットに加工する方法であって、
   ポリマー生物材料合成物のストランドをダイプレート（１８）に通して、水中造粒機（１２、１０２）に押し出す工程、
   前記造粒機内で前記合成物ストランドをペレットに切断する工程、
   前記造粒機から前記合成物ペレットを水およびペレットのスラリーとして輸送する工程、
   および前記合成物ペレットを乾燥する工程からなる方法において、
   前記合成物ペレットを輸送する工程は、前記水およびペレットのスラリーに高速不活性ガスを注入し、前記水を前記ペレットから吸引させ、前記ペレットに内部熱を保有させ、前記ペレットによる水分の吸い上げを減少し、前記ペレットの輸送および乾燥を促進することからなり、
   前記ペレットの乾燥工程は、１％以下の水分レベルを達成することを特徴とする方法。
2. 前記ペレットは、前記高速不活性ガスを前記水およびペレットのスラリーに注入した後、乾燥機（３２、１０８）に輸送することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記乾燥機を出る前記ペレットは、振動装置（８４）により運動を維持し、その間に前記ペレットを乾燥し続けることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記高速不活性ガスを水およびペレットのスラリーに注入する工程は、前記乾燥機に進入し、および通過するペレットの速度を増加させることを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記ガスを前記水およびペレットのスラリーに少なくとも１００ｍ^３／ｈｒの流量で注入することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記スラリーの移動線にほぼ一致させて、前記ガスを前記水およびペレットのスラリーに注入することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記スラリーの移動線は３０°と６０°の間の角度で曲がり、前記ガスは前記曲がりに注入することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記移動線における前記ペレットの滞留時間は、前記空気注入の下流側でボール弁（１５０）により、調整することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記ポリマー生物材料合成物は膨張又は発泡剤を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記ポリマー生物材料は、５％から９５％のポリマーと、１０％から９０％の生物材料とを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記生物材料は、セルロースおよび澱粉を含む多糖類、ポリペプチドを含むタンパク質材料、およびこれらの組み合わせからなる群から選択することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記生物材料は、アスペクト比が１から５０で、１０から９００ミクロンの繊維状粒子を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 前記生物材料は１５から４２５ミクロンの粒子サイズを有する粉末を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
14. 前記ポリマーは、ポリオレフィン、置換ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタンおよびポリカーボネートからなる群から選択することを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記ポリマー生物材料合成物はポリマーと生物材料の間のより大きな融和性を与える１または複数の薬品を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
16. ポリマー生物材料合成物をペレットに加工する方法であって、
    ポリマー生物材料合成物のストランドをダイプレート（１８）に通して、水中造粒機（１２、１０２）に押し出す工程、
    前記造粒機内で前記合成物ストランドをペレットに切断する工程、
    前記造粒機から前記合成物ペレットを水およびペレットのスラリーとして輸送する工程、
    および前記合成物ペレットを乾燥する工程からなる方法において、
    前記合成物ペレットを輸送する工程は、前記水およびペレットのスラリーに高速不活性ガスを注入し、前記水を前記ペレットから吸引させ、前記ペレットに内部熱を保有させ、前記ペレットによる水分の吸い上げを減少し、前記ペレットの輸送および乾燥を促進することからなり、
    前記ポリマー生物材料合成物のストランドを押し出す工程は、５％から９５％のポリマーと１０％から９０％の生物材料とを有する前記ポリマー生物材料を選択することを特徴とする方法。

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