JP6909852B2 - ポリマーの粘度のオンライン測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の公知要件事項部に記載の方法、及びこの方法を実施する、請求項８の公知要件事項部に記載の装置に関する。

さらに、本発明は、ポリマーの加工法、特に再生加工法であって、ポリマーが溶融され、請求項１〜５の何れか１項に記載のポリマーの粘度のオンライン測定法が用いられるポリマーの加工法に関し、また、本発明は、ポリマーの溶融モジュール好ましくは押出機と、溶融モジュールに連結された請求項８〜１２の何れか１項に記載の粘度のオンライン測定装置を備えたポリマーの加工装置、特にポリマーの再生加工装置に関する。

ポリマーの加工、特に熱可塑性ポリマーの加工においては、それらポリマーの特性、特に粘度特性に関する知識が、非常に重要である。ポリマーを、それらの粘度特性に関して評価する場合には、種々のポリマーを対象とする評価方法があるが、それらの評価方法は大部分がオフラインで、したがって、通常、実験室で行われている。しかしながら、これらの特性を、製造過程中に測定する重要性が高まっている。通常、特に再生利用するポリマーの場合には、これらのポリマーは、器具を備えた裁断容器内で前処理され、一般的には細かく砕かれ、その後、仕上げられる。ここでは溶融は行われないが、この裁断容器内における滞留時間の間に加熱又は軟化が行われる。前処理された材料は、この裁断容器から溶融を行う押出機へと移送される。

したがって、一般に、ポリマーの加工は、押出過程を含んでいる。これらの場合には、ポリマーは、通常、全面的に溶融され、様々な公知の方法を用いて粘度を測定することができる。

多くの公知のオンライン測定システムには、不純物による限界がある。これらのシステムは、２０μｍの範囲のクリアランスを有する小さな溶融ポンプを用いて稼働することが多い。ポリオレフィンの再生利用においては、最終的な用途によるが、溶融体における異物混入レベルは、１００μｍ〜１０００μｍであるのが通常である。公知のシステムは、こうした環境における良好な長期の耐久性を有していない。

本発明の目的は、構成が簡単で、良好で信頼性のある長期の耐久性を有する装置と、正確な測定値をもたらすオンライン粘度測定法を案出することである。特に、ポリマーの加工を中断しない長期測定を可能にすることである。

この目的で、請求項１の特徴、すなわち、
ポリマーの粘度のオンライン測定用に、少なくとも１バッチ、好ましくは時間間隔をおいて相次ぐ多数のバッチが、加工中のポリマーから分流され、測定モジュールの測定空間に移送されること、
特定量のそれぞれのバッチが、それぞれのバッチに所定の圧力を、場合に応じて、所定の力、好ましくは一定の力が加えられるピストンにより、加えることにより、測定モジュールに形成された測定ノズルを通じて測定空間から排出されること、
特定量のバッチを測定ノズルを通じて排出するのに要する時間が測定されること、
これらの測定値が、ポリマーの粘度の計算に用いられること、
測定空間が、測定するポリマーで満たされる前に、測定空間及び場合に応じてポリマーを測定空間に供給する供給管路も、或る量の加工するポリマーで少なくとも一度濯がれること、
が提供される。

本発明による装置は、
押出機、好ましくは管路によって構成された抽出モジュールが、好ましくは溶融モジュールに連結されてペースト状又は液状のポリマーのバッチを抽出し、
抽出モジュールが、遮断モジュールを介して、細長いことが好ましい測定空間を備えた測定モジュールに連結され、測定空間は測定ノズルを有し、測定ノズルを通じて測定空間に移送されたバッチの全量又は所定部分を、圧力発生手段を用いて圧力を加えることにより、測定空間から排出することができ、
測定ノズルを通じて所定量のポリマーを排出する時間を測定する時間測定モジュールが備わっており、
得られた時間測定値から粘度を計算する算定モジュールが備わっており、
遮断モジュール及び圧力発生手段を作動させる制御モジュールが備わっており、制御モジュールによって、遮断モジュールを開位置又は閉位置に所定の回数変位させることができ、遮断モジュールによって、測定空間へのポリマーの流れを制御することができ、このポリマーを濯ぎ又は測定の目的で用いることができる、
ことを特徴としている。

測定と測定との間に行われる濯ぎは、ポリマーの連続的な加工と粘度の逐次的な測定を可能にするものである。測定値は、装置内の付着物、特に測定空間における先の測定の残留物又は混入物質による影響を受けない。

清掃に用いられたポリマーが、測定空間すなわちピストンシリンダから十分に除去された後、測定する特定量のバッチを測定空間に導入することができる。ピストンに作用する力は、ピストンの運動中、付着物又は凝集物によって影響されることも変化することもない。

濯ぎ過程は、濯ぎ用に測定空間に導入されたポリマーが、測定ノズルを通じて測定空間から分流される及び／又は測定空間の上部領域に位置しているのが好ましい若しくは測定ノズルの反対側に位置する測定空間の端部領域に位置しているのが好ましい少なくとも１本の排出路に分流されると迅速かつ効果的に行うことができる。濯ぎ処理は、濯ぎに用いるポリマーが、加工中に分流部位において有している圧力によって測定空間に移送されると、容易に本発明による測定方法に組み込むことができる。測定に関し、濯ぎ過程が終了すると、ポリマーの測定空間への移送が停止され、追加のポリマーが分流されて測定空間に移送され、測定ノズルを通じて排出されるか又は測定するバッチとして、まだ測定空間内にある濯ぎ過程からのポリマーが、分流されたバッチとして測定ノズル（３）を通じて排出され、排出時間が測定される。

ポリマーの温度及び軟化度に応じて、測定空間及び場合により排出路を、測定空間及び分流部位から測定空間に通じる供給路よりも大きな量のポリマー、場合によりこれら二つの体積を合わせた体積の少なくとも２倍の量のポリマーで濯いでもよい。

本発明は、さらに、ポリマーが溶融され、請求項１〜５の何れか１項に記載のポリマーの粘度のオンライン測定法が用いられるポリマーの加工法、特にポリマーの再生加工法に関する。ここで、確認した測定値を、加工処理の管理、特にポリマーの溶融過程の管理及び／又は押出機の制御、特に押出機の回転速度の制御に用いられ、場合に応じて、下流のメルトバルブ又は下流の粒状体分別装置の操作が行われ、得られるポリマーが、粘度に応じて分別又は選別されるのが好ましい。この目的に適した好ましい装置は、粒状体分別装置又はメルトバルブが、この装置又は粘度を測定するポリマーを移送することのできる溶融モジュールの下流に位置していることを特徴としている。

迅速で正確な測定を可能にし、測定空間を、迅速かつ清浄にすることができると同時に、特に測定空間に残留する異物の混入をなくすことのできる構造的に簡単な構成は、抽出モジュールの管路の開口部と排出路の開口部が、測定空間の反対側の端部領域に位置している及び／又は測定ノズルと排出路のオリフィスが、測定空間の垂直方向に反対側の端部領域に配置されていると得られる。

濯ぎ過程及び測定過程の特徴的な管理は、遮断モジュールの正確な切り替え及び／又は排出路のオリフィスを、ピストンが測定空間に進入を開始する時に圧力発生装置のピストンによって閉じることができることにより達成される。圧力発生装置のピストンは、排出路を閉じ、排出路が閉じられた後、測定ノズルを通じた測定過程又は排出過程が開始できる。

本発明による装置が、図面に概略的に示されている。

ピストンが上端の位置にある本発明による装置を示している。 ピストンが測定空間に引っ込んだ本発明による装置を示している。

図面から明らかなように、押出機であるのが好ましいポリマーの処理モジュール１００には、少なくともペースト状又は液状のポリマー１０を所定量抽出する又はバッチ抽出するのに用いる管路１が接続されている。

遮断モジュール２、例えば、制御弁が配置された抽出モジュールとしての役割を果たす供給管路１の端部には、測定空間４０が接続されており、この測定空間は測定ノズル３を有し、プレッシャープレート又はピストン６を用いて圧力を加えることにより、この測定ノズル３を通じて、測定空間４０を満たす所定量のバッチを排出することができる。さらに、測定ノズル３を通じてバッチを排出する時間を測定する測定モジュール２１と、得られる測定時間の値から粘度を計算する算定モジュール２９が備わっている。そのほか、所定の単位時間にピストン６が移動する距離を測定し、測定ノズル３を通じて排出されるポリマー１０の量を判定してもよい。

そのため、加工するポリマー又はそうしたポリマー混合物が移送可能な形態で存在する押出システムすなわち溶融モジュール５の選択可能な位置において、粘度を判定する測定装置１２が、押出システムすなわち溶融モジュール５つまり押出モジュールに直接連結され、流動性を有するポリマー１０が測定装置１２に導入されて測定される。

測定装置１２は、基本的に、測定モジュール２１と、管路１及び遮断モジュール２、例えば、遮断弁を備えた抽出モジュールを備えている。抽出モジュールは、様々な設計のものでよい。肝心な点は、ポリマーを、できるだけ容易かつ迅速に測定モジュールに移送できることである。遮断弁２は、押出システムと管路１の測定空間４０との間に配置されている。本発明による装置の寸法決定及び設計は、抽出されるポリマー１０のバッチに及ぼす滞留時間、温度などによる影響ができるだけ少なく、溶融モジュールの押出機５における本流に相当する代表的な測定値が得られるように選択される。抽出モジュール１は、抽出モジュールが、押出機から始まる溶融体流路の内部領域に存在する代表的な量のポリマーを抽出することができるように溶融体流路の内部領域に延び込むように設計されているのが好ましい。

測定モジュール１２は、必要であれば交換することができる測定ノズル３（メルトフローレート（ＭＦＲ）ノズル）を備えており、この測定ノズルは、異なる断面を有する多数の測定ノズルから随意選択してよい。さらに、選択可能な若しくは可変の重り(重さ)又は調節可能な圧力発生手段３０を有するピストン６が、測定空間４０を構成する随意に温度調節可能なシリンダ８に移動可能に配置されている。重り(重さ)又は圧力発生手段３０は、随意に温度調節可能なシリンダ８に嵌め込まれたピストン６を介して、測定ノズル３を通してポリマー１０を押し出す圧力を加える。時間測定モジュール２１を用いて、測定空間４０にあるポリマー又はこのポリマーの所定量の一部分を排出するのに要する時間を測定する。

粘度の測定に加えて、溶融体の温度及び圧力の測定を行ってもよい。シリンダ８及び測定空間４０の温度は、調節することができる。すなわち、これらのシリンダ及び測定空間は、加熱しても冷却してもよい。温度調節をするのに、シリンダ８の温度を測定してもよく、例えば、このシリンダの温度は、電気加熱装置又は電気冷却装置を用いて調節することができる。

制御システム２９又は遮断モジュール２若しくはピストン６への圧力付与を制御するコンピュータシステムを用いて、測定プロセスを自動化又は部分的に自動化することができる。特に自動化を行うのに、バッチの排出時間を測定するには、ピストン６の移動量、特にピストン６の長手方向の移動量を正確に記録するのが好ましい。それにより、排出するポリマーの量を、予め決定する又は正確に決定することができる。測定ピストン６が移動する距離を連続的に記録することにより排出量を決定することは、適切であることが分かっている。これは、様々な測定時間、ポリマーなどに測定方法を適合させることを可能にする。この目的で、ピストン６の上側の出発点と下側の終点を決定又は記録するのが好ましい。これは、例えば、ピストンの或る点に光電ビームを通過させることによって行うことができる。ピストンが移動する距離を測定することにより、バッチの排出量を決定することができる。又は、ピストンの移動距離を用いて、或る量のポリマーの排出を特定することができる。したがって、測定されたピストンの移動量を用いて、排出時間を決定することができる又は一定の圧力における排出時間を決定して必要な測定値を得ることができる。

測定プロセスを、以下のように実地に行うことができる。

加工システムからの溶融体は、管路１を経由してピストン６を上側位置（図１）に押し上げ、シリンダ８又は測定空間４０を満たす。加工システムからの溶融体の圧力は、押出機の下流の手段すなわち遮断モジュール２が開いた状態での前記の圧力下にあるポリマーで満たされた手段によって測定される。ピストン６が上側位置にある時には、溶融体の供給が遮断されており、ピストン６を下げることにより、バッチの測定プロセスが開始される。ピストン６は、装置によって、特に機械的又は液圧的又は幾何学的装置によって、入口すなわち管路１がぴったりと閉じられるまで、上側位置に保持されるのが好ましい。背圧がもはやなくなると、すなわち測定空間４０内の圧力が尽きると、ピストン６が解放される。すると、測定ピストン６は、自重で又は圧力発生手段３０の作用により、下方に移動し（図２）、測定ノズル３を通じてポリマーを排出させる。測定ノズル３の形状、測定空間４０におけるポリマーの温度、及び測定ピストンの圧力は、基準に従って又は規格により選択される。測定ピストン６が所定の位置又は最下点に達するまでの時間が記録される。この目的で、移動距離の測定を行ってもよい。既知の形状と測定時間から、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ １１３３−２規格に従って、グラム／１０分のＭＦＲ（メルトフローレート）又はｃｍ^３／１０分のＭＶＲ（メルトボリュームレート）を計算することができる。粘度が既知の物質を用いて、測定モジュールを較正することもできる。すると、粘度に正比例して測定時間を設定することができる。

環境パラメータ、特に融点を正確に測定することにより、得られた値の修正を行い、それにより、基準によって予め定められた値を得ることができる。基本的に、ポリマーの融点は、測定空間４０内のポリマーの量が少ないことから、基準に対応して調整される測定シリンダ８の温度に近づく。

測定ピストン６の重さ(重り、重量)の代わりに、圧力発生手段３０を用いてもよく、圧力発生手段は、所定の一定な、場合に応じてポリマーの粘度（ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ）に適合させた圧力を測定ピストン６に加える。

押出機と測定装置すなわち本発明による装置との間の振動デカップリング(振動の切り離し)は、押出機の振動に起因する測定ピストン６の移動速度における変化を防止するのに有益であることが分かっている。さらに、測定装置又は測定空間を、押出機又は管路１とは無関係に、垂直方向に調節することにより、調節による測定ピストン６の移動に対する影響を最小限にすることができれば好ましい。

さらに、環境からの熱とのデカップリングがなされていると、好ましい効果が得られることが分かっている。このデカップリングは、覆いと適切な断熱材を用いて比較的容易に行うことができる。温度管理(温度調節)は、測定の精度にとって重要な特徴なので、例えば、暖かい気流も冷たい気流も、測定装置の温度に影響を与えてはならない。加熱器のみを用いてシリンダ８の温度管理(温度調節)が行われる場合には、シリンダ８を冷却もできるよう、自然の対流が必要である。

排出路又は流出路２５を設けるのが好ましいことが分かっている。排出路又は流出路を利用して、測定ピストン６が上側位置にある時に、測定空間４０及び／又はシリンダ８を素早く濯ぐことができる。この測定空間４０の清掃は、本発明による測定装置を洗浄することなしに、何日、何週間又は何ヶ月にもわたって連続操業を行うことを可能にする。自動化された測定プロセスを用いることにより、測定データの記録を行い(作成して)、長期間の傾向を確かめることができる。

排出路又は流出路２５は、測定空間４０の上部領域にオリフィス２６を有しており、オリフィスの断面が、素早い濯ぎ処理を可能にしている。オリフィス２６を、好ましくは細長い、特に円筒状の測定空間４０の一端、好ましくは測定ピストン側の端に設け、管路１のオリフィス２７を、反対側の他端に設けることにより、測定空間４０をできるだけ十分に濯ぐ。測定空間４０への進入すなわち測定空間の内部に向かう運動が始まると、測定ピストン６は、オリフィス２６を塞いで、望ましくないポリマーの漏れ出しを防止することができ、測定プロセスが開始できる。

本発明による測定装置は、基準に基づいているので、さらに、メルトフローレート（ＭＦＲ）又はメルトボリュームレート（ＭＶＲ）では通常得られないが、対応する換算式又はモデルがあるポリマーの粘度を計算することもできる。したがって、例えば、ポリエステルの粘度を測定することもできる。

本発明の測定原理及び測定装置の簡易性及びロバスト性も、特に強調さるべきである。この理由により、本発明によるこの装置は、大きめの異物を含む異物が混入したプラスチックにも用いることができる。

粘度の測定は、ビカー軟化温度より上の温度、場合に応じてポリマーの軟化点範囲にある温度を有するポリマーに関して行われるが、ポリマーが全面的に溶融状態になる温度範囲にあるポリマーに関して行われるのが好ましい。

原理的には、排出路又は流出路２５は、必ずしも必要ではない。オリフィス２７が、測定空間４０の上端領域に位置していると、測定ピストン６が上端位置にあるときに、測定ノズル３から出るポリマーで測定空間４０を濯ぐことができる。

図１及び図２から明らかなように、得られる時間測定値から粘度を計算する算定モジュール２９が備わっており、遮断モジュール２及び圧力発生装置３０を作動させる制御モジュール２０が備わっており、制御モジュールにより遮断モジュール２を開位置又は閉位置に所定の回数動かすことができ、それにより、ポリマー１０の測定空間４０への流入を制御することができ、このポリマーは、濯ぎにも測定の目的にも使用することができ、管路１が、符号４１で示す箇所において、加工モジュール１００及び溶融モジュール５に連結されている。

Claims (20)

1. 加工中のペースト状又は液状のポリマーの粘度のオンライン測定法であって、
   ポリマー（１０）を測定空間（４０）に供給する供給管路（１）を設け、
   ポリマー（１０）の粘度のオンライン測定用に、少なくとも１バッチが、加工中のポリマーから分流され、測定モジュール（１２）の測定空間（４０）に移送され、
   特定量のそれぞれのバッチが、それぞれのバッチに所定の圧力を加えることにより、測定モジュールに形成された測定ノズル（３）を通じて測定空間（４０）から排出され、
   特定量のバッチを測定ノズル（３）を通じて排出するのに要する時間が測定され、
   測定空間（４０）が、測定するポリマー（１０）で満たされる前に、測定空間（４０）が、或る量の加工するポリマーで少なくとも一度濯がれる、
   ことを特徴とし、
   ポリマー（１０）の粘度の計算に測定時間の値が用いられ、
   濯ぎに用いられたポリマー（１０）が、排出路（２５）を経由して測定空間（４０）から分流され、抽出モジュールの管路（１）のオリフィス（２７）と排出路（２５）のオリフィス（２６）が、測定空間（４０）の反対側の端部領域に配置されている、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記少なくとも１バッチは、時間間隔をおいて相次ぐ多数のバッチであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記所定の圧力は、ピストン（６）により加えることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 測定空間（４０）が、測定するポリマー（１０）で満たされる前に、前記供給管路（１）も、或る量の加工するポリマーで少なくとも一度濯がれることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の方法。
5. 濯ぎ用に測定空間（４０）に移送されるポリマー（１０）が、測定空間（４０）の上部領域若しくは測定ノズル（３）の反対側の測定空間（４０）の端部領域に位置する少なくとも１本の排出路（２５）を通じて測定空間（４０）から分流されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の方法。
6. 濯ぎ用に用いられるポリマーが、ポリマーの分流部位（４１）において加工中に有している圧力によって、測定空間（４０）に移送されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の方法。
7. 濯ぎ過程が終了すると、ポリマー（１０）の測定空間（４０）への供給が停止され、追加のポリマーが分流されて測定空間（４０）に移送され、測定ノズル（３）を通じて排出されるか又は測定するバッチとして、まだ測定空間（４０）内にある濯ぎ過程からのポリマーが、分流されたバッチとして測定ノズル（３）を通じて排出され、排出時間が測定されることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の方法。
8. 測定空間（４０）及び／又は排出路（２５）が、測定空間（４０）及び分流部位（４１）から測定空間（４０）に通じる供給管路（１）の体積よりも大きな量のポリマー（１０）、及び／又は、これら二つの体積を合わせた２倍の量のポリマー（１０）で濯がれることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の方法。
9. 測定空間（４０）へのポリマー（１０）の供給が、測定空間（４０）の下端領域で行われ、濯ぎに用いられるポリマー（１０）の取り出しが測定空間（４０）の上端領域で行われることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の方法。
10. ポリマーが溶融され、請求項１〜９の何れか１項に記載のポリマーの粘度のオンライン測定法が用いられるポリマーの加工法。
11. 加工過程の管理用の測定値及び／又は押出機の回転速度の制御用の測定値が用いられ、及び／又は、下流のメルトバルブ又は下流の粒状体分別装置の操作が行われ、得られるポリマーが、粘度に応じて分別又は選別されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 加工されている、ペースト状又は液状のポリマーの粘度のオンライン測定用の、請求項１〜１１の何れか１項に記載の方法を実施するのに用いる測定装置であって、
    管路（１）によって溶融モジュール（５）に連結可能な、ペースト状又は液状のポリマー（１０）のバッチを抽出する抽出モジュールが備わっており、
    抽出モジュールが、遮断モジュール（２）を介して、測定空間（４０）を備えた測定モジュール（１２）に連結され、測定空間は測定ノズル（３）を有し、測定ノズルを通じて測定空間（４０）に移送されたバッチの全量又は所定部分を、圧力発生手段（３０）を用いて圧力を加えることにより、排出することができ、
    測定ノズル（３）を通じて所定量のポリマー（１０）を排出する時間を測定する時間測定モジュール（２１）が備わっており、
    遮断モジュール（２）及び圧力発生手段（３０）を作動させる制御モジュール（２０）が備わっており、制御モジュールによって、遮断モジュール（２）を開位置又は閉位置に所定の回数動かすことができ、遮断モジュールによって、測定空間（４０）へのポリマー（１０）の流れを制御することができ、このポリマーを濯ぎ又は測定の目的で用いることができ、
    測定ノズル（３）が、圧力発生手段（３０）と反対側の測定空間（４０）の領域にある測定装置において、
    得られた時間測定値から粘度を計算する算定モジュール（２９）が備わっており、
    使用したポリマー（１０）を濯ぐよう、排出路（２５）が、測定空間（４０）に連結されていることを特徴とし、
    抽出モジュールの管路（１）のオリフィス（２７）と、排出路（２５）のオリフィス（２６）が、測定空間（４０）の反対側の端部領域に位置していることを特徴とする測定装置。
13. 前記測定空間（４０）は、細長いことを特徴とする請求項１２に記載の測定装置。
14. 圧力発生手段が、測定空間内を行き来することのできるピストン（６）であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の測定装置。
15. 排出路（２５）のオリフィス（２６）が、測定空間（４０）の上端領域に位置していることを特徴とする請求項１２〜１４の何れか１項に記載の測定装置。
16. 管路（１）のオリフィスと測定ノズル（３）が、測定空間（４０）の下端領域に位置していることを特徴とする請求項１２〜１５の何れか１項に記載の測定装置。
17. 排出路（２５）のオリフィス（２６）を、ピストン（６）の測定空間（４０）に進入する運動が開始される時に、圧力発生手段（３０）のピストン（６）によって閉じることができることを特徴とする請求項１２〜１６の何れか１項に記載の測定装置。
18. 測定ノズル（３）と排出路（２５）のオリフィス（２６）が、垂直方向において、測定空間（４０）の互いに反対側の端部領域に配置されていることを特徴とする請求項１２〜１７の何れか１項に記載の測定装置。
19. ポリマー（１０）用の溶融モジュール（５）が連結された請求項１２〜１８の何れか１項に記載の測定装置。
20. 溶融モジュール（５）が、粘度が測定されたポリマーが移送される粒状体分別装置又はメルトバルブを下流に有することを特徴とする請求項１９に記載の測定装置。

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