JP7462607B2 - 粉体貯留器、溶融混練機、及び、粉体貯留方法、及び、熱可塑性樹脂組成物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉体原料を、筒内を流下させながらホッパ等の容器へ供給する際における、容器の排気口からの粉体原料の飛び出しを抑制する方法等に関する。

従来より、特許文献１及び２に例示されるように、粉体を、溶融混練機のホッパ等の対象物に、筒内を流下させながら供給することが知られている。

特開２００４－３２２４７３号公報 特開２０１２－７６２７５号公報

粉体を、筒内を流下させながら容器に供給する際、供給される粉体に同伴して空気などの気体も筒を介して容器に供給される。容器には、流入する気体を逃がすための気体出口が設けられており、同伴気体の流量が多すぎると、容器内で粉体が舞い上がって気体出口から排出されてしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、粉体を、筒内を流下させながら容器に供給する際の気体出口からの粉体の飛び出しを抑制することを目的とする。

本発明に係る粉体貯留器は、粉体入口、粉体出口、及び、気体出口を有する容器と、
前記粉体入口に接続される筒と、を備える。ここで、前記筒の下端における前記筒の軸に垂直な断面の断面積をＡ_Ｓ［ｍ^２］、前記気体出口の断面積をＡ_Ｂ［ｍ^２］とした時に、下式を満たす。

Ａ_Ｓ／Ａ_Ｂ＜４

ここで、上記粉体貯留器は、前記筒の軸と水平面とがなす角度が４０～９０°であることができる。

また、前記筒の下端の少なくとも一部は、前記容器の粉体入口と同じ高さに位置する、又は、前記粉体入口よりも下に位置していることができる。

本発明に係る粉体貯留方法は、上記の粉体貯留器を用いた粉体貯留方法であって、
前記筒の上端から供給した粉体を、前記筒内を流下させて前記筒の下端から前記容器内に供給する工程を備える。

ここで、上記方法は、前記筒を介して前記容器内に供給する前記粉体の供給流量をＭ［ｋｇ／ｓ］、前記粉体のかさ密度をρ_ｐ’［ｋｇ／ｍ^３］、前記粉体の終端速度をＵ_ｒ［ｍ／ｓ］としたときに、下式を更に満たすことができる。

Ａ_Ｓ＞（Ｍ／（ρ_ｐ’Ｕ_ｒ））

本発明に係る溶融混練機は、上記の粉体貯留器と、前記粉体出口に接続されたシリンダと、前記シリンダ内に設けられたスクリューと、を有する。

本発明に係る方法は、上記の溶融混練機を用いた熱可塑性樹脂組成物の製造方法であって、
熱可塑性樹脂粉を、前記筒の上端から供給し、及び、前記筒内を流下させて前記筒の下端から前記容器内に供給する工程と、添加剤粉を前記容器に供給する工程と、
前記容器内の熱可塑性樹脂粉及び添加剤粉を、前記粉体出口から前記シリンダ内に供給する工程と、
前記スクリューにより前記熱可塑性樹脂粉及び添加剤粉を溶融及び混練して熱可塑性樹脂組成物を得る工程と、を備える。

本発明によれば、粉体を容器に貯留する際の粉体の飛び出しを抑制することができる。

本発明の実施形態にかかる粉体貯留器及び溶融混練機の概略断面図である。

本発明の実施形態について図１を参照して説明する。

図１は、本実施形態に用いられる粉体貯留器４１及び溶融混練機４０の断面図である。

溶融混練機４０は、主として、粉体貯留器４１、シリンダ４４、スクリュー４６、及び、モータ４８を備えている。

スクリュー４６は、シリンダ４４内に設けられており、モータ４８はシリンダを回転させる。

粉体貯留器４１は、筒７０、及びホッパ（容器）４２を有する。

ホッパ４２は、連結管１０、コーン部１２、及び、胴部１４、及び、天板１６を有する。天板１６はなくてもよい。コーン部１２は、下方に行くほど内部断面積が縮小する形状を有する。コーン部１２の形状の例は、円錐形状、及び、偏芯円錐形状である。

連結管１０は、コーン部１２の下端開口と、溶融混練機４０のシリンダ４４とを接続する。連結管１０はなくてもよく、コーン部１２の下端開口と、溶融混練機４０のシリンダ４４が直接連結されたものでもよい。

胴部１４は、上下にわたって内部断面積が一定の管であり、コーン部１２の上端開口に接続されている。胴部１４の水平断面形状に特に限定は無く、例えば、丸型、四角形などの多角形であることができる。

天板１６は、胴部１４の上端開口を閉じており、天板１６には、筒部材１７Ａ、１７Ｂ，１７Ｃにより、それぞれ、第１粉体入口１８Ａ、気体出口１８Ｂ、及び、第２粉体入口１８Ｃが設けられている。第１粉体入口１８Ａは、筒７０を介して第１粉体が供給される開口であり、気体出口１８Ｂは筒７０等により同伴されてホッパ４２内に供給される気体を排出させる開口であり、第２粉体入口１８Ｃは必要に応じて第２粉体が供給される開口である。連結管１０の下端の開口が粉体出口１０Ａである。天板１６がない場合は、胴部１４の上端断面のうち粉体を投入する筒の断面を除いた部分全体が気体出口となる。

ホッパ４２の材質に特段の限定はなく、鋼、ステンレスなどを使用することができる。コーン部１２の斜面と水平面とがなす角度βは、粉体原料の安息角よりも大きければよく、具体的にはβは４０～９０°であることが好ましい。

筒７０は上端７０ｔ及び下端７０ｂにそれぞれ開口を有する。筒７０の下端７０ｂは、第１粉体入口１８Ａと接続されている。具体的には、下端７０ｂの少なくとも一部が第１粉体入口（粉体入口）１８Ａと同じ高さか、又は、第１粉体入口１８Ａよりも下に位置するように配置されている。好ましくは、筒７０の下端７０ｂの全部が、第１粉体入口１８Ａと同じ高さか、又は、第１粉体入口１８Ａよりも下に位置するように配置されている。最も好ましいのは、筒７０の下端７０ｂの全部が、第１粉体入口１８Ａよりも下に位置するように配置されている、すなわち、下端７０ｂの全体がホッパ４２内に挿入されている態様である。一方、筒７０の上端７０ｔはホッパ４２の外に配置されている。筒７０の軸と、水平面とのなす角αは、粉体の安息角よりも大きければよく、例えば、４０～９０°とすることができる。筒７０の材質に限定はなく、材料の例は、鋼、ステンレスなどの金属材料、塩ビなどの樹脂材料である。筒７０と筒部材１７Ａとの間には、気密部材を設けてガスが流通する隙間を無くしておくことが好ましい。

筒７０の上端７０ｔには、第１粉体のフィーダ１００が接続されている。フィーダ１００の例は、スクリューフィーダなどの公知の粉体搬送装置である。

本実施形態では、筒７０の下端７０ｂにおける筒７０の軸に垂直な断面の断面積をＡ_Ｓ［ｍ^２］、気体出口１８Ｂの断面積をＡ_Ｂ［ｍ^２］とした時に、下式を満たす。

Ａ_Ｓ／Ａ_Ｂ＜４ …（Ａ）
Ａ_Ｓ／Ａ_Ｂ≦２．０であることが好ましく、Ａ_Ｓ／Ａ_Ｂ≦１．０であることがより好ましく、Ａ_Ｓ／Ａ_Ｂ≦０．３であることが更に好ましく、Ａ_Ｓ／Ａ_Ｂ≦０．２であることが特に好ましい。
Ａ_Ｓ／Ａ_Ｂは０より大きく、０．０２＜Ａ_Ｓ／Ａ_Ｂであることが好ましい。

第２粉体入口１８Ｃは、第２粉体用のフィーダ１１０と筒８０で接続されている。本実施形態では、筒８０の下端は、ホッパ４２内に挿入されており、筒７０と同様に、筒８０と筒部材１７Ｃとの間には、気密部材を設けてガスが流通する隙間を無くしておくことが好ましい。

（粉体貯留方法及び熱可塑性樹脂組成物の製造方法）
まず、フィーダ１００を用いて、筒７０の上端７０ｔから筒内に第１粉体を定量供給する。そして、筒７０の上端７０ｔから供給した第１粉体を、筒７０内を流下させて筒７０の下端７０ｂから排出させ、ホッパ（容器）４２内に供給する。

供給する第１粉体の種類に特段の限定はない。粉体の例は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル等の熱可塑性樹脂粉、アルミナ、シリカ、等のセラミック粉、アルミニウム、鉄等の金属粉である。

第１粉体の平均粒子径に特に限定は無いが１．５ｍｍ以下であると効果が高い。平均粒子径は、篩法により測定した重量基準の粒度分布のＤ５０とすることができる。なお、凝集した粒子の場合は、凝集粒径が１．５ｍｍ以下の原料に適用した場合に効果が高い。

粉体の粒子密度に特に限定は無いが、０．２ｇ／ｃｍ^３以上である場合に、効果が高い。

筒７０を介して供給する粉体の供給流量Ｍが１ｋｇ／ｈｒ以上の場合に、同伴気体の流量が多くなるので効果が高い。

ここで、筒を介して供給される第１粉体の供給流量をＭ［ｋｇ／ｓ］、第１粉体のかさ密度をρ_ｐ’［ｋｇ／ｍ^３］、第１粉体の終端速度をＵ_ｒ［ｍ／ｓ］としたときに、下式を更に満たすことが好適である。
Ａ_Ｓ＞（Ｍ／（ρ_ｐ’Ｕ_ｒ）） … （Ｂ）
これにより、筒７０内を流下する粉体が詰まりにくくなる。
ここで、第１粉体の終端速度Ｕ_ｒは下式のアレン域の終端速度式を用いて計算することができる。
Ｕ_ｒ＝｛（４／２２５）×（（ρ_ｐ－ρ_ｆ）^２ｇ^２）／（ρ_ｆμ_ｆ）｝^１／３Ｄｐ
Ｄｐ：第１粉体の平均粒子径［ｍ］
ρ_ｆ：同伴ガスの密度［ｋｇ／ｍ^３］
μ_ｆ：同伴ガスの粘度［Ｐａ・ｓ］

続いて、必要に応じて、第２粉体入口１８Ｃを介して、第２粉体を供給する。熱可塑性樹脂組成物を製造する際に使用される第２粉体の例は、酸化防止剤、紫外線吸収剤、顔料、帯電防止剤、銅害防止剤、難燃剤、中和剤、発泡剤、可塑剤、造核剤、気泡防止剤、架橋剤等の添加剤である。

さらに、通常、第２粉体の供給流量は、第１粉体の供給流量よりも十分少なく、例えば、第１粉体の供給流量の１／１０以下、あるいは、１／２０以下であるため、添加剤粉の供給に伴って第２粉体用の筒８０から同伴する気体の流量は、第１粉体に同伴する気体の量に比べてほぼ無視できるレベルである。なお、第２粉体を供給しない場合には、第２粉体入口１８Ｃは閉じておくことができる。

第２粉体の平均粒子径及び粒子密度は第１粉体と同様とすることができる。第２粉体の供給は、通常、第１粉体の供給と同時におこなう。

粉体の供給中、又は、供給後にスクリュー４６を回転させてホッパ４２内の粉体混合物を、連結管（粉体出口）１０を介してシリンダ４４内に供給し、スクリュー４６で溶融混練し、熱可塑性樹脂組成物を得る。

本実施形態によれば、Ａ_Ｓ／Ａ_Ｂが上述の関係を満たしているので、第１粉体を、筒７０を介してホッパ４２内に供給する際に、粉体が気体出口１８Ｂから飛び出してホッパ４２内から失われにくくなる。

特に、第１粉体の粒径が小さい場合（例えば、平均粒子径３００μｍ以下）、あるいは、第１粉体の粒径が大きい場合であっても、第２粉体を供給する場合においては第２粉体の粒径が小さい場合（例えば、平均粒子径３００μｍ以下）に、気体出口１８Ｂからの粒子の飛び出しが起こりやすく、本実施形態の効果が高い。本実施形態によれば、粉体原料をロス無く熱可塑性樹脂組成物の原料として使用することができて効率的である。本実施形態によれば、ホッパ４２に複数の粉体を供給する混合する場合には、組成のコントロールされた可塑性樹脂組成物を得ることができる。すなわち、第１粉体及び第２粉体のホッパ４２への供給流量の比と、得られる熱可塑性樹脂組成物における第１粉体及び第２粉体の配合比を実質的に同一とすることができる。

第２粉体を用いない場合、第１粉体の平均粒子径の範囲は５０～１０００μｍであることが好ましく、第２粉体を用いる場合、第１粉体及び第２粉体の少なくとも一方の平均粒子径の範囲は５０～１０００μｍであることができる。この場合における平均粒子径とは、凝集粒子の場合には凝集粒径である。平均粒子径は、篩法により測定した重量基準の粒度分布のＤ５０とすることができる。
上記の好適な粒径範囲に対応する、粒子密度（凝集粒子の場合は凝集粒子のみかけ密度）の好適な範囲は、０．１ｇ／ｃｍ^３以上である。

本発明は、上記実施形態に限定されず、様々な変形態様にて実施することができる。

ホッパの形態に特に限定はなく、粉体を貯留して外部に供給できる形状であればよい。例えば、胴部がない形態であってもよく、第２粉体入口１８Ｃを有さなくてもよい。

粉体貯留器４１から粉体を供給する対象は、溶融混練機のシリンダに限定されず、攪拌槽などの装置でもよい。

また、筒７０の軸に垂直な断面の断面積は、軸方向にわたって一定であることが好ましいが、断面積が軸方向にわたって一定でない、例えば、テーパー形状であっても実施は可能である。

複数の胴径のアルミ製のホッパ４２、複数の径の塩ビ樹脂製の円筒直管形状を有する筒７０（β＝６０°）を用意した。各実施例及び比較例において、ホッパと筒との組み合わせを表１のようにした。表１には、筒７０の断面積Ａ_Ｓ、気体出口１８Ｂの直径Ｄ_Ｂ及び断面積Ａ_Ｂ、及び、Ａ_Ｓ／Ａ_Ｂを示す。

クマエンジニアリング社製のスクリューフィーダを用いて、筒７０の上端７０ｔから第一粉体を一定の供給流量Ｍで供給した。第一粉体には、ポリプロピレン粉体（平均粒子径７５０μｍ、密度９５０ｋｇ／ｍ^３、かさ密度４５０ｋｇ／ｍ^３）、活性アルミナ（平均粒子径３ｍｍ、密度１６００ｋｇ／ｍ^３、かさ密度８６０ｋｇ／ｍ^３）を使用した。第一粉体の供給と並行して、第２粉体入口１８Ｃから第２粉体として透明化剤（凝集粒径２７０μｍ、かさ密度２００ｋｇ／ｍ^３）を供給流量Ｍ２でホッパ４２内に供給した。第１粉体入口１８Ａにおける筒７０と筒部材１７Ａとの隙間、及び第２粉体入口１８Ｃにおける筒８０と筒部材１７Ｃとの隙間からの気体の出入りは、気密部材によりにより実質的にゼロとなるようにした。

続いて、スクリューを回して、ホッパ４２内の粉体混合物をシリンダ４４内で溶融及び混練し、熱可塑性樹脂組成物を得た。

熱可塑性樹脂組成物を分析し、ホッパ４２内に供給した全粉体における第２粉体の質量濃度に対する、熱可塑性樹脂組成物における添加剤の質量濃度の比を、添加剤通過率として求めた。結果を表１に示す。

比較例に比べて、実施例では飛び出しが抑制された。

１８Ａ…第１粉体入口、１０Ａ…粉体出口、１８Ｂ…気体出口、４２…ホッパ（容器）、７０…筒、４１…粉体貯留器、４０…溶融混練機、４４…シリンダ、４６…スクリュー。

Claims (7)

1. 粉体入口、粉体出口、及び、気体出口を有する容器と、
   前記粉体入口に接続される筒と、を備える、粉体貯留器であって、
   前記筒の下端における前記筒の軸に垂直な断面の断面積をＡ_Ｓ［ｍ^２］、
   前記気体出口の断面積をＡ_Ｂ［ｍ^２］とした時に、下式を満たす、粉体貯留器。
   Ａ_Ｓ／Ａ_Ｂ＜４
2. 前記筒の軸と水平面とがなす角度が４０～９０°である、請求項１に記載の粉体貯留器。
3. 前記筒の下端の少なくとも一部は、前記容器の粉体入口と同じ高さに位置する、又は、前記粉体入口よりも下に位置している、請求項１または２に記載の粉体貯留器。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の粉体貯留器を用いた粉体貯留方法であって、
   前記筒の上端から供給した粉体を、前記筒内を流下させて前記筒の下端から前記容器内に供給する工程を備える、粉体貯留方法。
5. 前記筒を介して前記容器内に供給する前記粉体の供給流量をＭ［ｋｇ／ｓ］、前記粉体のかさ密度をρ_ｐ’［ｋｇ／ｍ^３］、前記粉体の終端速度をＵ_ｒ［ｍ／ｓ］としたときに、下式を更に満たす、請求項４に記載の粉体貯留方法。
   Ａ_Ｓ＞（Ｍ／（ρ_ｐ’Ｕ_ｒ））
6. 請求項１～３のいずれか１項に記載の粉体貯留器と、前記粉体出口に接続されたシリンダと、前記シリンダ内に設けられたスクリューと、を有する、溶融混練機。
7. 請求項６に記載の溶融混練機を用いた熱可塑性樹脂組成物の製造方法であって、
   熱可塑性樹脂粉を、前記筒の上端から供給し、前記筒内を流下させて前記筒の下端から前記容器内に供給する工程と、添加剤粉を前記容器に供給する工程と、
   前記容器内の熱可塑性樹脂粉及び添加剤粉を、前記粉体出口から前記シリンダ内に供給する工程と、
   前記スクリューにより前記熱可塑性樹脂粉及び添加剤粉を溶融及び混練して熱可塑性樹脂組成物を得る工程と、を備える、熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
   
   

Images