JPH0315736A - プラスチック及びゴムの配合において工程所要時間に応じて混合比を検出する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、種々のκ合過程においてインライン測定技術
によりポリマー／ポリマー、ポリマー／填料、ポリマー
／補強材、ポリマー／顔料、ポリマー／セラミック材料
及びポリマー／金属粉末の混合比を工程所要時間に応じ
て検出し、定皿化するための方法と装置とに関する。

〔従来の技術〕

プラスチックやエラストマーを加工する際に、極めて多
種多様に組み合わされたポリマー／添加物の混合物が広
範囲に使用ざれる。例としては、鉱物質の種々の填料（
タルク、白亜、珪酸質粘土鉱物等）の添加された熱可塑
性樹脂、繊雑質補強材（ガラス繊維、カーボン繊維で改
質されたポリマー、染料や顔料（例えばＣｒ２０３、Ｔ
ｉｅ２，　Ｆｅ２０３等）の添加されたポリマー母材物
質（いわゆるマスターバッチ〉及び、最後にあげるけれ
ども重要な対象である、２種類又は３種類の熱可塑性樹
脂又はエラストマーを混合することにより作られるいわ
ゆるポリブレントがあげられる。このような種々の混合
物の調製は一般に車軸又は２軸のスクリュー押出し機で
行なわれ、このもののスクリューはそれぞれの必要な作
業を分担する幾つかの混合帯域及び剪断帯域ｔ含んでい
る。各配合成分の配合装置中への供給は、容積的に、又
は重量的に作動する配量系によって行なわれる。押出し
機中で混綽された混合物はその押出し機に直接連結され
たベレット化ステーションを用いて円筒状、レンズ状、
立方形又は球形のベレットにし、次いでこれらは、例え
ば押出し成形機、ブロー成形機又は押出しライン等の種
々の加工機械中で成形して最終製品又は半製品にする。

このような配合段階及び成形段階はまた、かなりの程度
まで、種々組合わせて単一工程に構成されている。

このような混合物配合過程の作業性能は非常に高くて５
００　　ないし２５０００　ｋｇ／ｈｒ　　に達する。

この混合物配合の際の時間の変化は最終製品の諸性質に
必然的に重大な悪影響を及ぼすので、混合物の配合作業
者はその都度作り出されている混合物の現在の％組成に
ついて継続的に情報を得ようとする。生産者の責任のた
めに彼はまたそのような情報の記録表現にも努力するで
あろう。

このような技術分野においては、一般に或る定時間間隔
で各原料ベレットの流れから分析試料を採取して操業ラ
インの外部、すなわちその工程から離れた実験室におい
てそれぞれのｍ量％組成を調べることが行なわれる。こ
のような検査において屯金物の比重を測定するために比
重勾配管か用いられ、その混合物の配合成分の比重が知
られているならばこれから各配合成分の重量割合を算出
することができる。例えば種々の無ｌａ顔料を含む顔料
濃厚物の充填された鉱物質充填ポリマー又は捕強材人り
ポリマーの場合には混合物の重量比組成は各分析試料を
灰化することによっても求めることができる。このよう
な混合物の組成を分析するもう一つの可能性はフーリエ
変換赤外分光法（ＦＴ　Ｉ　Ｒ）を利用することである
。しかしながらこの分析方法は煩わしい試料調製を必要
とし、そして装置が極めて高価である。このようなポリ
マー／添加物の混合物の重量％組成を決定する上述の全
ての方法において、製造ライン外の場所で作業しなけれ
ばならないということが共通しており、その結果、大き
なロスタイムが現われ、その間に或る場合には望ましく
ない品質の材料が配合されてしまうことになる。これら
の方法の或るものが種々の障害を生じ易いと言うこと（
例えば比狽勾配管を用いる場合の比重測定に際しての試
料への空気の付着等）は別としても、それらは工程制御
用の閉じた回路を展開させるための基礎をなし１｝るよ
うな分析結果は提供しない。

重量比によるポリマー組成を工程所要時間にできるだけ
合致させた態様で決定するためには、原則的には例えば
バイパスさせた流れにより提供ざれるようなオンライン
で作動し得るプロセス用レオメータを使用することも可
能であろう。その物質についてのレオロジー的な数値で
あって、従って連続的に検出することができるような種
々の関数は少なくとも原理的に，混合物の組成において
生じつつある変化を測定するのに用いることができる。

しかしながら配合Ａ程によって生じ、且つその物質のレ
オロジー的性質に直接悪影彎を与えるようなポリマーの
種々の構造的パラメータの変化はその混合物の組成の変
化をシミュレートし得るということをなお考慮しなけれ
ばならない。このレオメトリ的な結果の解釈における不
確実性及びロスタイムの不充分な低下は工８制御にはな
お全〈不適当であり、混合物組成を決定する目的でレオ
メトリをオンラインで利用するのに障害となる。極端に
高価な装置費用及び比較的大きなロスタイムのためにオ
ンラインでのＦＴＩＲ分光法はポリマー／添加物の混合
物の重量比組成を工程所要時間と実際に合致させて決定
することができるような（＝リアルタイム検出）測定方
法の群には含められない。

ガンマ線比重測定系による定常的な，及び非定常的な２
相の流れの蒸気含有割合を測定する方注が知られている
。ガンマ放射線はこの２相混合物を通過する間に減衰し
、蒸気含有割合が多くなればなるほど低い値になる。残
存放射線強度をシンチレーション検出系中に記録して強
度比例電圧信号に変換させる。検出すべき媒質は薄肉の
チューブを通して流される。しかしながらこの測定系は
高温度で高圧のもとにあるポリマー溶融物に対しては不
適当である。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は種々の配合過程において作り出されるポ
リマー／添加物の混合物の重量比組成を連続的に検出し
且つ定量化する方法を見出すことである。この場合に、
通切な配合データ又は対応する種々のアナログ変数をイ
ンラインで、また従って実質的にロスタイムなく高い鯖
度で且つ良好な再現性をもって求めることができるもの
でなければならない。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、上記の目的が放射線計量技術的な濃度や
比重の測定の原理に基づく方法により、そしてこの方法
を実施するに適した装置を用いて達成できることを見出
した。

従って本発明は、矩形断面の軸方向通路・（４）を有し
てバレル部　（１）の軸に対して横断方向へこのバレル
部の両側で動くことができ、そして一方において放射，
Ｌａ源用の幾つかのホルダ（８）を、そして他方におい
てシンチレーション検出系（９）を支持しているキャリ
ッジのためのスライト面　（５）及び（６）を備えたバ
レル部　（１）を包含し、その際上記通路（４）の狭い
方の側は各スライド而（５）及び（６）に向きあってお
り、そしてバレル部（１）の壁の厚さは放射線源と検出
系とが交わる軸の領域において薄くなっていて上記通路
　（４）を通して流れるポリマー溶融物を上記放射ｍ源
から放射される測定用ビームが横断照射する装置を用い
、その放射線強度の減少量から容積割合ＫＦを次式１ ８′　”　Ｃｐ　ｒ’ｕｖ　　−　　９ｐ．，．ｐコに
従い決定し、その際この式において Ｋ２　　　一充填材、補強材、顔料又は混合成分の容積
１００分率 ｂｔ　　・空の通路（４）の測定放射線強度ＩＳｔ　．
Ｑ一溶融物で満たされた通路（４）の測定放射線強度 μ２　・ポリマーの質量派衰係数 μ１　・充填材、補強材、顔料又は混合成分の質量減衰
係数 Ｌ　　・横断照射された物質の長さ ρ，　・充填材、補強材、顔料又は混合成分の密度 ρ２　−メルト温度Ｔ、圧力Ｐ　におけるポリマーの密
度 であり、そしてこれから充填材、補強材、顔料又は混合
成分の瑣沿１００分率艷　を次式及び ｂ−ｌ−ａ に従い算出し、その際ｋ，はポリマーの容＃Ｉ　１００
分率であって旦　はポリマーの重３１　１００分率を表
わすことよりなる方法に関する。

本発明はまた、矩形断面の軸方向通路　（４）を有して
バレル部　（１）の軸に対して横断方向へこのバレル部
の両側で動くことができ、そして一方において放射線源
用の幾つかのホルダ（８）を、そして他方においてシン
チレーション検出系（９）を支持しているキャリッジの
ためのスライド面　（５）及び（６）を備えた上記バレ
ル部　（１）を包含し、その際上記通路　（４）の狭い
方の側は各スライド面（５）及び（６）に向きあってお
り、そしてバレル部（１）の壁の厚さは放射線源と検出
系とが交わる軸の領域において薄くなっている装置にも
関する。

本発明に従う方法の場合に例えばガンマ線やＸ線源のよ
うな放射線源から放射される焦点合わせされた測定ビー
ムが測定通路を通して流れる全混合物の流れとその測定
通路の壁とを通して放射されるが、この放射線は一部分
吸収され、そしてそのような物質の層を通過する際に部
分的に散乱される。この放射ビームの減衰は通過する物
質の層の厚さ及び比重に依存する。押出し口金通路の壁
の厚さに起因する放射線吸収は、内部が空になった測定
通路を通して照射するいわゆるブランクチューブ試験に
おいて決定することができる。もしその測定通路の寸法
、また従ってその混合物の層の厚さが一定に保たれてい
る場合には混合物の比重はその混合物で満たされた測定
通路を通過する放射線の強度を、高度に安定なＸ線測定
チェーンによって測定することにより、直接定量化する
ことができる。ポリマー／添加物の混合物の重量比組成
を測定するために追加的な幾つかの物理的状態変数が、
例えば精密圧カセンサを用いてその照射点における局部
的な溶融物の圧力Ｐ及びその熱可塑性プラスチックの流
れの中に浸漬された熱電対により代表的屯合物温度Ｔが
測定される。極めて一般的に、或る媒質の密度の圧力及
び温度への依存性を数式化する種々の熱的状態方程式を
用いることによって、個々の配合成分の比重をそれぞれ
の測定されたＰ及びＴの値と関連していつでも求めるこ
とができる。このような熱的状態方程式は種々のその物
質に特有なパラメータを包含し、これらはいわゆるｐｖ
Ｔ線図をプロットすることにより求められ、そして本発
明に従う測定及び評価方法に元状態の情報として導入さ
れる。

このようにして照射時点において存在する混合物成分の
そのときどきの比重の値が知られているときに、全体の
流れの中での個々の濯合物成分の容積比はＸ線測定チェ
ーンで測定された、その混合物の流れの透過によって減
少した放射線強度測定値を用い、そしてそれぞれの物質
に依存し且つ放射＆Ｉ源に依存する質量減衰係数並びに
その横断照射された混合物の層の厚さを考慮することに
よって直ちに本発明に従う方法と並行して決定すること
ができる。これらの容積比はポリマー／添加物の混合物
の必要な重量比に容易に変換することができる。

或る物質の層を横断して照射したときの放射線強度の減
少ｄｉは継続的に印加されている放射線強度！、その物
質の比重ρ、質量減衰係数μ及び層厚さｄ×に比例し、
すなわち ｄｌ−−Ｔ・ｕ−　ｐ・ｄｘ　　　　（１）これを積分
すれば １　　＝　　１０　・　ｃｘｐ（−　　ｔｔ・　ｐ・　
Ｌ）　　　　（２）となり、ここで　Ｉ。は放射ざれた
ビームの派衰前の最初の強度を、そしてし　は横断照射
される測定全長を表わす。溶融物で満たされた流れ通路
についての測定可能な放射線強度は １ｓｔ　ｐ　＝　Ｉｏ’ｅＸｐＥ−（　１１　ｓｔ　’
ρｓｔ’ｔｓｔ◆μ２・ｐ　ｐ’Ｌｐ）］　　　（３） によって得られる。

もし内部が空の流れ通路を横断照射した場合には下記の
値 １ｓｔ　＝　　ｌｏ　’　ｅＸｐ（一μｓｔ・ρｓｔ−
Ｌｓｔ）　　（４）が測定される。

上記式（３）及び（４）から， Ｉｓｔ．ｐ　＝　［ｓｔ’ｅＸｌ１（−　ｕｐ・９ｐ”
　Ｌｐ）　　　　（５）が与えられる。

この式から、内部が空の通路について測定された放射線
強度がボソマーの質量減衰係数μ２、ポリマーの密度ρ
２及び通路幅ＬＰによって直接決定されるｇ衰を受ける
ことかわかる。

プラスチック材料の質量ｇ衰係数はＰ＝１バールにおい
て或る特定の溶融物温度で■ｓｔ．　ｐ　　を測定し、
そしてそれぞれ選ばれた状態変数Ｐ．ＴについてのρＰ
を予め作っておいた表から読取ることによって求めるこ
とができる。

本発明に従う方法については前期式（５）　　は次のよ
うに変形することができる： １ｓｔ．　ａ　−　１ｓ１ｅｘｐＥ−（ＩＩ　ｐ゜ρｐ
゜Ｌｐ　”μ２・ρ２・ＬＰ）　］　　　（７） この式においてＦ　は填料、補強材、顔料又は混合成分
を、Ｓｔ　　は鋼鉄を、そしてＧ　は混合物をそれぞれ
表わす付加記号である。仮想の測定長さＬ，及びｔ．ｐ
はその混合物の各容積比から求めなければならない。も
しポリマーのｆｆｌｆｆｉ％を旦とし、そして填料のｆ
ｆｉｆｆｉ％を互とするならば、質量保存及び容積一定
の原理から、下記式（８）ａ−（ｐａ／ｐｐ）＋　ｂ｛
ρａ／ρｒ）　−　１　　　（８）が与えられ、この式
において左辺の各項は重合物と填料とのそれぞれの容積
％を示す。すなわちＫＰ　電ａ・（ρ６／ρｐ） Ｋ，　−　ｂ・（ρ。／ρＰ〉 Ｌ，−　　ＫＰ−Ｌ Ｌ，−　　Ｋ，・１， ｄ合物の比重ρ６は （９ａ） （９ｂ） （９Ｃ） （９ｄ） から求められる。

亀合物の比重ρ２の圧力Ｐ及び温度Ｔへの依存性は熱的
条件式によって直接数式化し、計算することができる。

この熱的条件式と上記式（１０）とから、ポリマーの有
効也量％（ａ）及び填料，補強材、顔料及び配合成分の
それ（ｂ）は下記式８′″Ｅｐｒ．ｔｔ、−／）ｐ”，
．ｐｌ及び ｂ＝Ｉ−ａ によって求めることができる。

本発明に従う装置の１具体例を７ｇｌ及び第２図に示す
。

第１図に押出し方向に沿った長手方向断面図で示すよう
に、この装置はバレル部　（１）を含み、これは押出し
機（２）と押出し口金（３）との間に存在している。溶
融ポリマーが押出し機　（２）から押出し口金（３）へ
向って流れることのできるような通路（４）がバレル部
（１）を通して軸方向へ伸びている。このバレル部（１
）は向かい合う二つの側で斜めに切落されており、そし
てキャリッジ　（７）のためのそれぞれのスライド面（
５）及び（６）を形成している。このキャリッジ（７）
は一方において放射線！（図示せず）のためのホルダを
、そしてもう一方においてシンチレーション検出系（９
）を支持している。測定ビームを焦点合わせし、そして
軸方向の放射線をシールドするためにキャリッジ（７）
の中に放射線源の側に鉛シールド　（１０）が取付けら
れている。更にバレルＲ（１）の両側で壁の厚さはいず
れの場合にもＡ−Ａ測定面において陥凹部（ｌ１）によ
り薄くなっている。

第２図の測定面内の垂直断面Ａ−Ａで示すように、バレ
ル部　（１）は二つの側で面平行に斜めに切落されてお
り、そしてキャリッジ　（７）のためのスライド面（５
）及び（６）を形成している（後者は見えない）か、こ
のキャリッジは組立を容易にするために４つの部分（７
ａ）、（７ｂ）、〈７Ｃ）及び（７ｄ）より構成ざれて
いる。通路　（４）は好ましくは矩形断面を有し、この
通路　（４）の狭い方の側はキャリッジ　（７）のスラ
イド面（５）及び（６）に向かい合っている。従ってこ
の断面の長千輔は放射線源陥凹部（ｌ１）とシンチレー
ション検出器（９）との間の軸と同一であり、これはバ
レル部　（１）の軸に垂直である。測定面内に溶融物用
圧カセンサのための穿孔（１２）と熱電対用の穿孔（図
示せず）とが存ｒＥシている。通路（４）の寸法は溶融
物の横断照射される層の厚さが２０　ｍｍ　　よりも厚
くなるように選ばれている。

放射線源とシンチレーション検出器とを備えたキャリッ
ジは好ましくはバレル部（１）の軸に対して垂直に、■
つ横断方向へ動くことができる。この運動はねじ軸を介
して手動で行なうことも可ｎＦ．であるが、好ましくは
例えばステップモータ等によるモータ駆動により行なう
のがよい。

変位センサ（図示せず）がバレル部（１）とキャリッジ
　（７）とにそれぞれ結合ざれていてこれがその都度の
キャリッジの位置を連続的に指示する。

このようにして流れ通路の全体を走査することができ、
その結果、或る一つの混合物組成から別な混合物組成へ
の移行の間の滞留時間変化、変位の種々の関数及び速度
変化についての追加的な情報が得られる。上にあげたキ
ャリッジの具体例は特に実験室での研究に推奨すること
のできる多くの設計態様のうちの−つをあげたものに過
ぎない。

一方、実際の製造操業のためには、放射線源と検出系と
が流れ通路（４）に対して固定され、すなわち変位不可
能に設けられているような、より単純化された設計のも
のを用いるのが好ましい。

ポリマー／添加物の混合物の重量％による組成のイニラ
イン検出においては、比較的薄い壁厚の小さな検査チャ
ンバ、及び比重の低い溶融混合物のための放射線源とし
てガンマ線源又はｘｌｌ源が推奨され、或はまた大きな
寸法及び／又は高密度の媒体の測定のためには放射線源
として制動放射線源（Ｘ線管又は加速機）が推奨される
。流れ通路（４）を通過する放射線強度は好ましくは高
度に安定なＸ線測定チェーンによって決定するのがよい
。この測定チェーンは放射線検出器と、対応する幾つか
のアナログ式電子装置とからなる。圧力信号や温度イ３
号と同様に測定強度信号は数値化して測定データ検出、
測定データ評価、従属変数決定、及びデータ表示のため
のコンピュータ系へ送り込まれる。プロセス制御の種々
の概念の発展とともに、同様にこれらのデータに基づく
別な数値化制御装置を更に作ることができる。従属変数
決定のため（すなわち個々の成分の重量比決定のため〉
には物質に特異的な種々のパラメータ（凝集圧力、凝集
容積、或る千ノマー単位の分子量等）及びそれぞれの質
量＄ｔ衰係数が全ての成分について必要であり，そして
予め上記のコンピュータ中に組み込んでおかなければな
らない。

本発明に従う方法及び装置は多くの実用上の利点ととも
に使用することができる． Ｏ純粋な各ポリマーの密度の連続的な測定（密度の不変
性。

○各プラスチック材料のｐｖＴ線図の描画。

Ｏポリマー／填料又はポリマー／７１１強材の混合物中
の容積比及び重ｑ比の測定。

Ｏマスターバッチ調合における顔料の重量比の決定。

Ｏ材料の混合及び熱的均質性に関して更に深く記述する
ための測定データの決定。

Ｏ填料配合比を一定に保ち且つ監視するための閉じたｉ
ｔＬＩＩ御ループのための基礎的モジュールとしてのセ
ンサ。

（実施例） ベレット化用押出し口金抵抗、従って溶融物圧力Ｐを変
化させることのできる、一緒に回転する互いに緊密に組
み合わされた２軸の押出し機で種々異なった組成のポリ
プロピレン／タルクの混合物を配合した。個々の成分ポ
リエチレン及びタルクの容積配合比を予め設定しておく
ことによって重量比がそれぞれ８０　：　　２０、７０
　：　　３０及び６０：４０の各配合比のものを作った
。各試料の実効タルク含有率を、一方において灰化試験
によりライン外で、そして他方において本発明の方法及
び第１並びに第２図に示す装置によってインラインで測
定した。下記の表に示すように、それらそれぞれ異なっ
た方法で求めたタルクの含有率は非常によく一致してい
た。

表 ２」一え１ｊＬ％ 測定益　　　　　券班値 インーイン ２０　　　　　　　２０．６０ ３０　　　　　　　２９．９６ ３７　　　　　　　３７．８０

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う装置の１具体例を押出し方向に沿
った長手方向断面図で示し、第２図は第１図のＡ−Ａ垂
直断面図である。 １・・・バレル部　　　２・・・押出し機３・・・押出
し機口金　４・・・流れ通路５、６・・・スライド面 ７・・・キャリッジ　　８・・・ホルダ９・・・シンチ
レーション検出系 ｌＯ・・・鉛シールド　　＋１・・・陥凹部ｌ２・・・
溶融物圧カセンサ用穿孔

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）矩形断面の軸方向通路（４）を有してバレル部（
   １）の軸に対して横断方向へこのバレル部の両側で動く
   ことができ、そして一方において放射線源用の幾つかの
   ホルダ（８）を、そして他方においてシンチレーション
   検出系（９）を支持しているキャリッジのためのスライ
   ド面（５）及び（６）を備えたバレル部（１）を包含し
   、その際上記通路（４）の狭い方の側は各スライド面（
   ５）及び（６）に向きあっており、そしてバレル部（１
   ）の壁の厚さは放射線源と検出系とが交わる軸の領域に
   おいて薄くなっていて上記通路（４）を通して流れるポ
   リマー溶融物を上記放射線源から放射される測定用ビー
   ムが横断照射する装置を用い、その放射線強度の減少量
   から容積割合Ｋ＿Ｆを次式 ▲数式、化学式、表等があります▼ に従い決定し、その際この式において Ｋ＿Ｆ＝充填材、補強材、顔料又は混合成分の容積１０
   ０分率 Ｉ＿Ｓ＿ｔ＝空の通路（４）の測定放射線強度Ｉ＿Ｓ＿
   ｔ，Ｇ＝溶融物で満たされた通路（４）の測定放射線強
   度 μ＿Ｐ＝ポリマーの質量減衰係数 μ＿Ｆ＝充填材、補強材、顔料又は混合成分の質量減衰
   係数 Ｌ＝横断照射された物質の長さ ρ＿Ｆ＝充填材、補強材、顔料又は混合成分の密度 ρ＿Ｐ＝メルト温度＠Ｔ＠、圧力＠Ｐ＠におけるポリマ
   ーの密度 であり、そしてこれから充填材、補強材、顔料又は混合
   成分の重量１００分率￥ｂ￥を次式 ▲数式、化学式、表等があります▼ 及び ｂ＝１−ａ に従い算出し、その際Ｋ＿Ｐはポリマーの容積１００分
   率であって￥ａ￥はポリマーの重量１００分率を表わす
   ことよりなる方法。
2. （２）矩形断面の軸方向通路（４）を有してバレル部（
   １）の軸に対して横断方向へこのバレル部の両側で動く
   ことができ、そして一方において放射線源用の幾つかの
   ホルダ（８）を、そして他方においてシンチレーション
   検出系（９）を支持しているキャリッジのためのスライ
   ド面（５）及び（６）を備えた上記バレル部（１）を包
   含し、その際上記通路（４）の狭い方の側は各スライド
   面（５）及び（６）に向きあっており、そしてバレル部
   （１）の壁の厚さは放射線源と検出系とが交わる軸の領
   域において薄くなつている、装置。
3. （３）請求項２記載の装置をポリマー溶融物の比重の測
   定のために使用する方法。