JP5363558B2 - 押出機及びポリマーを押出す方法 - Google Patents

Description

本発明は、ポリマーのための押出機、及び前記押出機を用いてポリマーを押出す方法に関する。

ポリマーの押出は、ポリマー製造における共通の処理工程である。一般に、ポリマー粉末は、供給ホッパーへ望ましい速度で計量され、その後、前記供給ホッパーから供給口として知られるものを通って、回転スクリューがある押出機バレルへ重力で進むことができる。スクリューが回転して、ポリマーが供給口からバレルに沿って移動する。バレル内のポリマー粉末に(スクリューからの)熱エネルギーと機械的エネルギーが与えられ、それを溶融させる。溶融すると、ポリマーは、適切なダイに進み、押出されて、ポリマーがペレット又はフィルムのような望ましい押出された形に形成される。
工業規模の押出プロセスにおいて、典型的な押出機は、“標準”のバレル長さを有するバレル部分で構成されている。典型的には、標準のバレル部分の全長は、スクリュー又はローターの直径の2〜3倍である。通例、工業規模のポリマーは、順番に第1のバレル部分に供給され、少なくとも第2のバレル部分は“下流に”設けられている。少なくとも第3のバレル部分は、ポリマーが押出の前に完全に溶融されることを確実にすることも共通である。押出プロセスに重要である多くのパラメーターがあり、例えば、バレル寸法、スクリュー速度、スクリューピッチ、トルクが含まれる。当該技術における一般的方向は、押出処理能力を増加させることであり、これにはバレル、スクリュー速度及びトルクのすべての線寸法を、これらは現在まで限定因子であったので可能な限り増加させることが必要となった。

ポリマーの供給の主な要求は、ポリマーがそれに沿って移動するように、バレルに充分に充填することであった。ポリマーは、通常はホッパーから、供給口として知られる領域を通って、第一のバレル部分に供給される。供給口の幅は、バレル部分の幅に基づいて、即ち、スクリューの端まで、例えば、二軸スクリュー押出機又は二軸ローター押出機の場合にはスクリュー又はローターの直径の2倍まで最大にされることが典型的である。
典型的には、供給口は、また、押出機のこの部分におけるスクリュー又はローターの直径の2倍までの軸長を有し、スクリュー直径の2倍までの長さと幅の双方によって供給口面積が得られる。
二軸スクリュー押出機のためのポリマー粉末の供給速度は、一般的には、粉末がホッパーへ計量される速度によって制御される。ホッパーは、一般的には、その中に有意な容積の粉末を含まず且つホッパーの底に粉末の“持続”がないことを意味する“空に”なるとみなされる。現在まで、供給口面積は、一般的には、プロセスで限定されなかったので、多くの関心を引き起こさなかった。
しかしながら、ここで、容量が増加するにつれて、また、スクリューとバレルサイズが増加するにつれて(幅と長さの比例増加によって)供給口面積が一般的には増加するとしても、供給口面積は四角形の数学の関係でのみ増加するが処理能力は立方体の関係で増加し、ポリマーがバレルに充分に充填するほどの速い速度で供給口を通ってバレルへ供給しないという問題があることがわかった。この問題は、流動性が不充分な原料には特に重要である。

従って、より大きい容量に対して継続した要求を満たすためには、先行技術押出機と比較して増加したポリマー供給能力を有する押出機を設計することが必要である。

従って、本発明の第1の態様において、本発明は、
(i)連続して配置されている2つ以上のバレル部分と、
(ii)押出されるポリマー原料を、押出機に、その上流端で供給するための1つ以上の供給口と、を備える押出機であって、
前記バレル部分が、
(a)押出されるポリマー原料が供給される上流供給バレル部分であって、各々直径がXである2つ以上のスクリューを含む、前記上流供給バレル部分から;
(b)溶融ポリマーがダイに進み、更に押出される下流バレル部分まで
連続して配置されており、
ポリマー原料が導入される1つ以上の供給口の総面積が4^*X²より大きいことを特徴とする、前記押出機を提供する。

1a(上流供給バレル部分)、1b(第2のバレル部分)及び1c(下流バレル部分)を示し、各々が長さ、Lを有する、3つのバレル部分を有する押出機を示す図である。 非噛み合い型ツインスクリュー押出機のツインスクリューの一部分を示す概略平面図である。

本発明は、複数(2つ以上)のスクリューを有する押出機に関する。スクリューは、平行に(又はそれに近く)設けられ、使用中に同じか又は対向する方向で回転することができる(それぞれ共回転するか又は逆回転するものとして知られる)。スクリューは、噛み合っていなくても、部分的に噛み合っていても、又は完全に噛み合っていてもよい。
複数のスクリューを有する最も一般的なタイプの押出機、及び本発明の好ましい押出機は、2つのスクリューを有するものである。このような押出機の例は、二軸スクリュー押出機及びツインローターミキサー押出機である。用語“スクリュー”及び“ローター”は、押出機業界では、しばしば明らかに同じ意味で、広く用いられることが留意される。本明細書に用いられる用語“スクリュー”は、このようなスクリュー及びローター双方を含むことを意味し、“二軸スクリュー押出機”について述べられる場合、特に別の定義がされなければ、ツインローター押出機についても述べられていると読み取られなければならない。
好ましくは、押出機は、3つ以上のバレル部分を備える。
誤解を避けるために、それは本発明のプロセスにおいて重要である上流供給バレル部分における2つ以上のスクリューの直径であるが、各バレル部分は、上流供給バレル部分における2つ以上のスクリューと連通している対応する2つ以上のスクリュー部分を含有する。
本発明は、ポリマー原料が導入される1つ以上の供給口の総面積が4^*X² (ここで、Xは、上流供給バレル部分におけるスクリューの直径である)より大きいことを特徴とする。
一実施態様において、第1の供給口の下流の第2の供給口、又は第1の供給口の下流の複数の供給口さえも加えて、合わせた供給口の面積が4^*X²より大きくなることによって、本発明の目的が達成されてもよい。

しかしながら、一般的には、面積が4^*X²より大きい単一の供給口が用いられることが好ましい。
好ましくは、ポリマーが導入される1つ以上の供給口の総面積は、5^*X²より大きく、最も好ましくは6^*X²より大きい。
理論上は他の形状が用いられてもよいが、単位長さ当たりの最大面積のために、また、設計や製造の単純性のために、供給口面積は、一般的には、幅が上流供給バレル部分の幅、即ち、2^*Xによって制限された矩形の形状になる。角度がついた角はその中で粉末がより粘着する傾向があるので、矩形の形状は好ましくは角が丸い矩形である。
供給口の上記面積を得るために、供給口の長さがいわゆる“標準”バレルの長さより大きくなり得ることは明らかである。
従って、供給口長さは、2^*Xより大きく、好ましくは2.5^*Xより大きく、より好ましくは3^*Xより大きい。
上流供給バレル部分の長さが増大した延長或いは“非標準”バレルを用いることが可能である。或はまた、供給口の長さ/面積が供給口を第2の下流バレル部分に延長することになり、その少なくとも一部分は、ポリマーを第2のバレル部分に直接供給する。例えば、押出機は、各々が長さ、Lを有する3つ以上のバレル部分を備えることができ、供給口の長さは、Lより大きい。
本発明のプロセスにおいて他の重要なパラメーターは、スクリューピッチである。スクリューピッチは、スクリューの螺旋がスクリュー上の同じ半径方向の位置に戻る隣接の位置の間の距離である。誤解を避けるために、スクリューが1つを超える螺旋を備える場合、本明細書に用いられるスクリューピッチは、個々のスクリュー螺旋が同じ半径方向の位置に戻る距離であり、それは隣接の螺旋の間の距離より大きい。ピッチは、また、図2に概略図で示されている。スクリューピッチと上流供給バレル部分の中のスクリュー直径との比率は、適切には1以上であって2.5以下である。

より長いスクリューピッチの使用は、押出機処理能力を増加させることができる。しかしながら、本発明のプロセスの拡大した供給口を用いなければ、規模が増加するにつれて、部分的に充填されているだけのスクリューのチャネルが生じるので、これ以上のピッチの増加、又は速度の増大は処理能力の増加を与えないことが分かった。更に、長いピッチスクリューの場合、ポリマー原料の前方運搬効率が低下する。
第2の態様において、本発明は、ポリマーを押出す方法であって、本明細書に記載される押出機の供給口にポリマー原料を供給することを含む、前記方法を提供する。
ポリマー原料は、典型的には、粉末又はペレットの形で供給される。本発明のポリマー原料は、好ましくは、エチレン又はプロピレンのポリマー、又はそのいずれかのホモポリマー又は他のコモノマーとのそのコポリマーである。
本発明は、特に、比較的高容量の押出プロセスや比較的大きな押出機寸法に適用する。典型的には、本発明は、上流供給バレル部分において各スクリューが200mm以上のスクリュー直径を有する押出機に適用する。
本発明の押出機及びプロセスがいかなるポリマー粉末とも、一般的には“自由流動性”又は“易流動性”とみなされるものとさえ用いることができるが、本発明は、特に、流動性が比較的不充分なポリマー粉末に適用する。
粉末流動性は、典型的には、せん断セルにおける試験によって確認される。このような試験の一例は、ASTM D 6773-02“シュルツ環せん断テスターを用いたバルク固体の標準せん断試験法”に記載される。ASTMD6773-02に記載されるように、ポリマー粉末の流動関数は、粉末の無拘束降伏強さと主要圧密応力とのプロットである。一般に、ポリマーは流動性比率、ff_cに関するそれらの流動性で評価され、以下の通り圧密応力と無拘束降伏強さとの比として定義される:
ff_c < 1 非流動性
1 < ff_c < 2 非常に凝集性(非流動性まで)
2 < ff_c < 4 凝集性
4 < ff_c < 10 易流動性
10 < ff_c 自由流動性。

本発明は、特に、ffc値が4未満のポリマー粉末に適用できるが、値が4を超えるポリマー粉末にさえ有効であり得る。
それ故、好ましくは、本発明のプロセスにおいて押出されるポリマー粉末は、6未満の流動性比率を有する。より好ましくは、本発明のプロセスにおいて押出されるポリマー粉末は、4未満の流動性比を有し、最も好ましくは2未満の流動性比を有する。好ましくは、本発明のプロセスにおいて押出されるポリマー粉末は、少なくとも1の流動性比を有する。ポリマー粉末の流動性比が、圧密圧力の、また、温度の関数として変化し得ることは留意すべきである。本明細書に用いられるポリマー粉末の流動性比率は、2000Paの圧密圧力において、かつ、それが供給される押出プロセスの間の供給口におけるポリマー粉末の温度に等しい温度で、ASTM D 6773-02に記載される瞬間せん断試験を用いて測定される値である。例えば、押出されることになっている及び押出機の供給口のポリエチレン粉体の温度が65℃であるポリエチレン粉体に対して、ポリエチレン粉体の流動性比は、65℃の温度で測定されなければならない。
本発明の押出機は、図1に概略図で示されている。特に、図1は、1a(上流供給バレル部分)、1b(第2のバレル部分)及び1c(下流バレル部分)を示し、各々が長さ、Lを有する、3つのバレル部分を有する押出機を示す図である。バレルは、直径Xの2つの非噛み合い型スクリューを含有する(図1には示されてなく、図2に示されている)。(各バレルの内部の高さは、スクリューを含有するとともに動作中にスクリューの回転を可能にするのに必要なXより大きい一部分である。同じ理由から、各バレルの内部幅は、2^*Xより大きい一部分である。) 図において、長さLは、ほぼ2.5^*Xである。押出機にポリマーを供給するために、面積が少なくとも4^*X²である供給口を有するホッパー、2が提供される。(図示されるように、供給口は、ほぼ3^*Xである軸の長さ、Zを有し、ほぼ6^*X²の面積に対応している)。また、図1には、スクリューモータ、3、押出機用ギヤボックス、4、変換部、5、及びダイ、6も概略図で示されている。
図2は、非噛み合い型ツインスクリュー押出機のツインスクリューの一部分を示す概略平面図である。この場合は、幅は、2^*Xである。(噛み合い型又は部分的噛み合い型は、噛み合いの程度に関係してより小さい幅を有する。)

Claims (9)

1. (i)連続して配置されている2つ以上のバレル部分と、
   (ii)押出されるポリマー原料を、押出機に、その上流端で供給するための1つ以上の供給口と、を備える押出機であって、
   前記バレル部分が、
   (a)押出されるポリマー原料が供給される上流供給バレル部分であって、各々直径がXである2つ以上のスクリューを含む、前記上流供給バレル部分から;
   (b)溶融ポリマーがダイに進み、更に押出される下流バレル部分まで
   連続して配置されており、
   供給口の形状は、角が丸い矩形であり、供給口長さは2.5 ^* Xより長く、ポリマー原料が導入される1つ以上の供給口の総面積が5^*X²より大きいことを特徴とする、前記押出機。
2. 2つのスクリューを有する、請求項1に記載の押出機。
3. 3つ以上のバレル部分を備える、請求項1又は請求項2に記載の押出機。
4. 5^*X²より大きい面積を有する単一の供給口を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の押出機。
5. ポリマーが導入される1つ以上の供給口の総面積が、6^*X²より大きい、請求項1〜4のいずれか1項に記載の押出機。
6. スクリューピッチと上流供給バレル部分の中のスクリュー直径との比率が、1以上であって2.5以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の押出機。
7. 供給口バレル部分におけるスクリューの直径が、200mm以上である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の押出機。
8. 押出機の供給口にポリマー原料を供給することを含む、ポリマーを押出す方法であって、
   前記ポリマー原料が、１以上であって6未満の流動性比率を有する粉末の形であり、前記流動性比率が、2000Paの圧密圧力において、かつ、押出プロセスの間の供給口におけるポリマー粉末の温度に等しい温度において、ASTM D 6773-02に記載される瞬間せん断試験を用いて測定され、
   前記押出機が、
   (i)連続して配置されている2つ以上のバレル部分と、
   (ii)押出されるポリマー原料を、押出機に、その上流端で供給するための1つ以上の供給口と、を備える押出機であって、
   前記バレル部分が、
   (a)押出されるポリマー原料が供給される上流供給バレル部分であって、各々直径がXである2つ以上のスクリューを含む、前記上流供給バレル部分から;
   (b)溶融ポリマーがダイに進み、更に押出される下流バレル部分まで
   連続して配置されており、
   ポリマー原料が導入される1つ以上の供給口の総面積が5 ^* X ² より大きいことを特徴とする、前記方法。
9. 前記押出機が、請求項１〜７のいずれか１項記載の押出機である、請求項８記載の方法。

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