JPH10510583A - 薄膜処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、円筒状処理容器と、この容器の中心に取り付けられると共に、移動可能でありロータ軸に対して角度αで傾斜した攪拌器を有するロータとを含む薄膜処理装置に関する。この装置において、ロータは円筒状ジャケットを有し、このジャケット内にはロータブレードが回転するように取り付けられており、ロータ内に取り付けられた機構によって取り付け角αを調節することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 薄膜処理装置 本発明は、円筒状処理容器と、該処理容器の中心に設けられるロータとを含む 薄膜処理装置に関する。ロータは、調節可能であると共にロータの軸に対する取 り付け角を示す攪拌要素を有する。特に、本発明は、第３アミンオキサイドのセ ルロース用の非溶剤溶液、特に第３アミンオキサイドの水溶液中のセルロースの 懸濁液から、均質で成形可能な非常に粘性のあるセルロースの第３アミンオキサ イド溶液を製造するための薄膜処理装置に関する。 第３アミンオキサイドがセルロースを溶解し、水性媒体中に沈殿させることに よってこれらの溶液からセルロース成形体を製造できることが、ＵＳ−Ａ−２， １７９，１８１から知られている。 ＵＳ−Ａ−４，２４６，２２１では、他の物質の中でも水性Ｎ−メチルモルホ リン−Ｎ−オキサイド（ＮＭＭＯ）中のセルロースの混合物を出発原料として使 用する成形可能セルロース溶液の製造方法が知られている。この既知の方法は、 紡糸可能溶液を得るための以下の４つのステップを含んで断続的に行われる： １．ＮＭＭＯ水溶液中のパルプの混合物を、混合容器内で減圧下及び高温で処理 して溶液を形成し、 ２．該溶液を中間でタンクに供給し、 ３．該溶液を中間でろ過し、 ４．該溶液を押出機内で処理して紡糸可能溶液を得る。 この方法によると、セルロースを断続的にしか溶解できず、これは更に非常に 時間がかかる。溶解速度は、１分あたリセルロース７ｇ未満である。 以前は、セルロースのポリマー性質のために、低溶解速度は当業者にとって珍 しくはなかった。ＵＳ−Ａ−４，２４６，２２１の公告後の数年間でさえも、マ ルチステップ処理でしかセルロースを水性アミンオキサイド溶液に溶解すること ができないと当業者は考えていた。ＮＭＭＯ方法では、懸濁液からのセルロース を溶解するには一般的に２つのステップを要すると考えられていた。第１のステ ップは、混合装置内で懸濁液を加熱しながら懸濁液を減圧下で処理して水を取り 除き、セルロースを膨張させ、セルロースを溶解できる水の濃度を実質的に調節 することであった。第２のステップは、剪断要素を有する２軸スクリュー押出機 内で膨張したセルロースを処理し、膨張したセルロースを最後に紡糸可能溶液に 変えることからなった（ルビノ(D．Loubinoux)及びショニ(S．Chaunis)；"An Ex perimental Approach to Spinning New Cellulose Fibers with N-Methylmorpho line-Oxide as solvent"、Lenzinger Berichte、第59巻、105-107頁、1985年８ 月）。紡糸可能セルロース溶液の生成に必要であると考えられる高剪断力を提供 するために、剪断要素を有する２軸スクリュー押出機の使用が提案された。 一方、１９９０年発行のＥＰ−Ａ−０ ３５６ ４１９は、マルチステップの 押出機技術を克服することができ、かつアミンオキサイド水溶液中のセルロース 懸濁液を連続的に、しかも単一ステップで成形（モールド）可能溶液に変えるこ とができる技術を記載している。この技術によると、まず、懸濁液を激しく混合 しながら加熱面上で懸濁液を層のように拡げ、懸濁液を激しく混合しながら加熱 面の上に搬送し、この層を加熱する。同時に、この処理の間にこの層を減圧する ことによって水を蒸発させ、三元物質混合物、即ちセルロース／アミンオキサイ ド／水の相状態図に従ってセルロースを溶解できる濃度条件を調節する。驚くこ とに、この段階の間に、即ち加熱表面の上に層を搬送する間にセルロースは既に 溶解するため、押出機を使用する必要がなく、連続的に単一ステップで溶液を生 成することができる。 更に、薄膜技術は、２ステップの押出機技術によって可能なものよりもかなり 速くセルロースを溶解することができる。薄膜処理装置では、２軸スクリュー押 出機の剪断要素によって生じるような高剪断力を生じないことが明らかであり、 溶液の生成にはこのような高剪断力が不可欠であると考えられていたため、この ことは完全に予期しえなかったものであった。 前述の薄膜処理方法は、ＥＰ−Ａ−Ｏ ３５６ ４１９に記載される装置にお いて都合よく行われる。この装置を、薄膜処理装置と呼ぶ。薄膜処理装置の１つ の実施形態は、例えば、スイスのバス社(Buss AG)製のいわゆるフィルムトウル ーダー（Filmtruder）である。薄膜処理装置は、ＤＥ−ＯＳ ２ ０１１ ４９ ３にも記載されている。更に、薄膜処理装置は、イタリアのフォッキ社（Focchi ）によってＳＶのタイプ名で製造されている。 １９９４年発行のＷＯ９４／０６５３０は、ＥＰ−Ａ−０ ３５６ ４１９か ら既知の薄膜技術を使用して、セルロースの第３アミンオキサイド水溶液混合物 から紡糸可能溶液を得ている。この方法は、ＥＰ−Ａ−０ ３５６ ４１９に記 載される実施形態に類似して、フィルムトウルーダー内で行われる。ＷＯ９４／ ０６５３０の方法の目的はエネルギーを節約することであり、この目的のために ロータをより遅く回転させることを提案している。 前述のように、ＷＯ９４／０６５３０の方法も、フィルムトウルーダー又は薄 膜処理装置内で行われる。しかし、ＷＯ９４／０６５３０では、この装置を薄膜 蒸発器という。本明細書を明確にし、かつセルロース溶液の生成に用いる薄膜処 理をより良く理解するために、薄膜処理装置及びフィルムトウルーダーを薄膜蒸 発器というべきではないことを指摘する。何故なら、薄膜蒸発器では、当業者は 本発明の方法を行うことができない異なる装置を包含すると考えるからである。 薄膜蒸発器は、セルロース溶液の生成のためにＥＰ−Ａ−０ ３５６ ４１９及 びＷＯ９４／０６５３０で使用した装置と類似しているが、薄膜蒸発器のデザイ ンと、フィルムトウルーダー又は薄膜処理装置とでは、著しい動作の違いがある 。この違いは、製造会社によっても指摘されている（例えば、フリーズ（Howard L. Freese）及びエツプリ(Hans D．Aeppli)、"Lowa-Filmtruder Type HS"、Fib er Producers Buyers Guide、第２版、116頁、1974年4月を参照のこと）。 薄膜蒸発器は、重力の影響下で薄膜蒸発器の加熱面を流れ落ちることができる 液体の揮発成分を蒸発させるのに適切であるにすぎない（"Ullmanns Encyklopad ie der technischen Chemie"、第４版、第２巻、657頁、1972年、フェアラーク ケミー社(Verlag Chemie GmbH)、ヴァインハイム／ベルクシュトラーセ、ドイツ ）。しかし、重力による流れは、粘度が高すぎないことが必要であり、重力によ って流れることができる粘度の上限は１５Ｐａ．ｓであると考えられている （同上）。しかし、成形可能セルロース溶液は、１５０００Ｐａ．ｓまでの粘度 を示しうる。従って、このような薄膜蒸発器を使用して非常に粘性の高いセルロ ース溶液を生成することができないことは、明らかである。 ＥＰ−Ａ−０ ３５６ ４１９は、取り付け角、即ちロータブレードによって 形成されるロータの軸に対する角度を調節することができる調節可能なロータブ レードを有する薄膜処理装置を記載している。 ヒンジによって回転可能なブレードを有するロータを含む垂直乾燥機も知られ ている。このような垂直乾燥機は、溶液から固形物及び結晶を生成するのに使用 される。ブレードは、左右に旋回しながら結晶ペーストを破砕するか、又は加熱 壁から付着物を分離する（ヴィトマー(Fritz Widmer): Zum Einsatz von Dunns chichtapparaten bei hochviskosen Medien und bei der Erzeugung von Trocke nprodukten; Sonderdruck 95(1971)、772-780頁、"Chemikerzeitung" より）。 従来技術の薄膜処理装置は全て、時間依存工程が生じる原料の処理を満足のゆ くように正確に制御することができない、という共通の欠点を有する。例えば、 最終生成物の品質に悪影響を及ぼす分解プロセスが生成物に生じる場合、例えば これらの時間依存製品に依存して処理する原料の滞留時間を制御し、例えばこの 処理の間に薄膜処理装置内で生成される生成物を出来るだけ速く排出することが 望ましい。更に、例えば溶解のための正確な温度を調節することができる薄膜処 理装置の一定レベルにおいて溶剤に固体を溶解させるなどの一定の処理を行うこ とが有益である。 本発明の目的は、個々のケースの特有の要件に合わせて、処理すべき原料の滞 留時間を制御し、調節することができる薄膜処理装置を提供することである。 円筒状処理容器と、該処理容器の中心に設けられるロータとを含み、該ロータ が調節可能であると共にロータの軸に対する取り付け角を示す攪拌要素（部材） を有する本発明の薄膜処理装置は、ロータはロータブレードが回転可能に設けら れる円筒状ジャケットを有し、ロータ内部に設けられる機構によって取り付け角 が調節可能であることを特徴とする。従って、ロータブレードは外側からではな く内側から調節される。ロータ内部の調節機構により、薄膜処理装置からロータ を取り外さずに取り付け角を調節することができる。従って、薄膜処理装置の蒸 気排出パイプによってロータの軸に対するロータブレードの取り付け角を調節し 、従って処理すべき原料の加熱面をわたる搬送速度を制御することが非常に容易 である。 取り付け角を調節することができる機構は、ロータの軸に対して直角にロータ 内に設けられる実質的に少なくとも１つの支持プレートと、ロータブレードにし っかりと結合した少なくとも１つの位置決め要素（部材）とを含み、ロータブレ ードは支持プレートの軸動によって動く。 本発明の薄膜処理装置の好適な実施の形態は、円筒状ロータの中心に配置され たシャフトを回転させ、中心を介して少なくとも１つの支持プレートを通過させ ることによって少なくとも１つの支持プレートを動かし、シャフトは外側にねじ 山を有し、このねじ山は、少なくとも１つの支持プレートが取り付けられる円筒 状チューブの内部に設けられたカウンタねじと螺合することを特徴とする。 本発明の薄膜処理装置の更なる好適な実施の形態は、ロータの軸の方向にそれ ぞれ別個に動かすことができる少なくとも２つの支持プレートが設けられること を特徴とする。 本発明の薄膜処理装置のこの実施の形態では、処理すべき材料の搬送速度が異 なる少なくとも２つのゾーンを提供することが可能である。 ロータが、ロータジャケットの表面１ｍ²あたり２０〜５０個のロータブレー ドを含むと有益であることがわかっている。 本発明の薄膜処理装置は、セルロースの懸濁液を成形可能溶液に変えるのに非 常に適切であることがわかっている。従って、本発明は更に、第３アミンオキサ イドのセルロース用の非溶剤溶液、特に第３アミンオキサイドの水溶液中のセル ロースの懸濁液から成形可能セルロース溶液を生成するための本発明の薄膜処理 装置の使用に関する。本発明の薄膜処理装置によって有益に処理した懸濁液は、 以下を含有する：ＮＭＭＯ５０〜７２質量％、水１９〜４０質量％、及びセルロ ース７〜１４質量％。 添付の図面を用いて、本発明をより詳しく説明する。図１では、図面は既知の フィルムトウルーダーの長手方向の部分断面図を示している（例えば、ハイムガ ートナー(Erich Heimgartner)、"Devolatilisation of Plastics"、Ingenieurwi ssen、69-97頁、デュッセルドルフ、1980年、VDI-フェアラーク社(Verlag GmbH) を参照のこと）。 １は、垂直が好ましい回転体の内壁を示しており、示される例示的な実施の形 態では、回転体はその殆ど全長にわたり円筒状容器２としてデザインされている 。大部分は、内壁１は加熱媒体のための結合手段４及び５を有する加熱ジャケッ ト３によって覆われている。結合手段４は加熱媒体を供給する機能を果たし、結 合手段５は加熱媒体を排出する機能を果たす。 容器２には、ロータブレード８が結合していると共にモータ６によって駆動さ れるロータが中心に設けられている。ロータブレード８は、ロータ７の軸９に対 する取り付け角αを示している。 ロータブレード８の上には、分配リング１０がロータ７に取り付けられており 、このリングは取入れ口１１を介して取り込まれるセルロース懸濁液を内壁１上 で層に拡げる。従って、分配リング１０は取入れ口１１のレベルに設けられる。 容器２は、下端部において円錐台形にテーパー付けされており、均質セルロー ス溶液の出口１２を有する。ロータブレード８は、容器２の全長にわたって容器 ２の内壁１への半径クリアランス１３を有し、このクリアランスは最大２０ｍｍ であり、一定でもよいし容器２の長さにわたって変化してもよい。 容器２の上部部分、即ち分配リング１０のレベルの上には、容器の排気をする と共に水蒸気を排出する開口１４が設けられている。 この装置の動作モードは、以下の通りである： 必要に応じて温度調節前の状態であるセルロース懸濁液を、取入れ口１１を介 して減圧下の容器２に連続的に送り、分配リング１０によって容器２内に保持し 、セルロース懸濁液を内壁上に拡げ、ロータブレード８によって、加熱面として 機能する間接的に加熱した内壁１に沿うように、容器２の下端部の出口１２にこ れを搬送する。水、油又は蒸気などの熱担体媒体が、間接的加熱に好適である。 間接的に加熱した内壁１に沿って搬送させる間にセルロース懸濁液を加熱する と、減圧のため、同時に水が蒸発し、これによって第３アミンオキサイドが濃縮 し、セルロースを溶解できる状態に達する。薄膜内でセルロース懸濁液を一定に 循環させ、混合することによって、セルロースは非常に短期間で溶解する。 ロータの軸に対するロータブレード８の取り付け角αのために、懸濁液は下に 搬送される。 懸濁液を移動させるとき、ロータブレードの垂直列の各ロータブレード８は少 しずつ懸濁液を下に搬送し、この後ロータブレードの次の列のロータブレードが これを保持し、これを拡げて更に下に搬送する。当然、この搬送には、各ロータ ブレードが動く領域がオーバーラップしていることが必要である。 懸濁液の搬送方向に対して反対の流れで水蒸気を排出すべきである。水蒸気を 迅速に排出するためには、十分に大きな蒸気排出スペースを設けるべきであり、 これは、容器２の円筒状部分の長さ対直径の比が４〜８の間である。 図２、図３、図４、図５及び図６によって、本発明の薄膜処理装置のロータの 実施の形態をより詳しく説明する。 図２は、参照番号７ａを有するリングとして図２に示されるジャケットを有す る円筒状のパイプ状ロータの水平断面図を示している。ロータは、この断面レベ ルにおいて１４個のロータブレード８を含む。各ロータブレード８は、ロータの ジャケット７ａに結合したソケット１４に回転可能に設けられている。各ロータ ブレード８は、位置決め要素（部材）１５ａによって移動される。 図３は、図２の拡大断面図を示している。図３は、ソケット又はシェル１４に 回転可能に設けられるロータブレード８を示している。ロータブレード８は、棒 状の延長部８ａによってロータの内部に入り込んでおり、安全要素８ｂによって 位置決め要素１５ａと結合している。 本発明のロータの実施の形態の一部分を示す図４から、位置決め要素１５ａは リンク１５ｂによって中間要素１５ｃに結合しており、中間要素１５ｃはリンク １５ｄによって支持プレート１６にしっかりと取り付けられたベース１５ｅに結 合されていることがわかる。支持プレート１６は、中空シャフト１８のカウンタ ねじと螺合する内部ねじ山を有するパイプ状シェル１７をその中心に含む。中空 シャフト１８を回転させることによって、支持プレートを上方向及び下方向に動 かすことができる。ベース１５ｅ及び中間要素１５ｃによって、この動きはロー タブレード８を回転させる位置決め要素１５ａに伝達する。従って、取り付け角 αが変えられる。 図４は、中空シャフト１７を介して動かすことができる単一の支持プレート１ ６のみを示している。一方の上に他方が位置する複数の支持プレート１６を設け ることができることは、明らかである。これらの支持プレートは同時に動き、各 々のロータブレード８の取り付け角は同程度に変えられる。 図４に示される実施形態では、本発明のロータは、部分的に中空シャフト１８ 内に導かれていると共に、回転によって支持プレートを動かすことができるフル (full)シャフト１９も含んでいる。図４は、一方の上に他方が設けられた２つの 支持プレート１６ａを示している。しかし、通常はそれより多くの支持プレート １６ａが設けられる。この実施の形態は、支持プレート１６とは別に支持プレー ト１６ａの動きを可能にし、従って取り付け角を別個に変えることが可能である 。 前述の方法において複数の中空シャフトを設け、ロータブレードの取り付け角 を調節する柔軟性をなお高めることができることが、当業者には明らかである。 フルシャフト１９は、従来の態様で本発明のロータの底部に回転可能に設けら れる。 図４に示されるロータを薄膜処理装置のメインシャフト２７に結合する機械的 結合手段は、参照番号２４で示される。 図４に示される中空シャフト１８及びフルシャフト１９を回転させる機構４３ を、結合手段２４に設けられる開口４２を介して動作させることができる。この 機構４３は、図５に詳しく示されている。 図５は、環状スペーサ２０ａによってロータジャケットの上部部分７ｂに嵌入 した中空シャフト１８を示している。スペーサ２０ａの上には、中空シャフト１ ８への正の力伝達結合部分を有するリング２１ａが設けられる。正の力伝達結合 部分は、参照番号２２ａで示される。リング２１ａを回転させることにより、中 空シャフト１８を回転させることができる。回転の後、中空シャフト１８の位置 はナット２３ａによって固定される。 フルシャフト１９の回転は、これに類似して達成される。フルシャフト１９は 、環状スペーサ２０ｂによって中空シャフト１８の上部部分に嵌入される。スペ ーサ２０ｂの上には、フルシャフト１９への正の力伝達結合部分を有するリング ２１ｂが設けられる。正の力伝達結合部分は、参照番号２２ｂで示される。リン グ２１ｂを回転させることにより、フルシャフト１９を回転させることができる 。回転の後、フルシャフト１９の位置はナット２３ｂによって固定される。 図６は、薄膜処理装置のメインシャフト２７の軸受を示している。このメイン シャフト２７は、結合フランジ２５によってモータ（図示せず）に結合しており 、モータはピニオン端部においてカウンタ結合フランジ（図示せず）に結合して いる。参照番号２６はまた、モータとメインシャフトとの間に生じうる傾斜を平 らにできるように弾性が少しある結合部を示している。 メインシャフト２７の軸受は、軸受ケーシング３１内に配置された軸受３２に よって提供される。更に、軸受３２はシャフト保護シェル２９上に設けられる。 参照番号２８は、軸受リッド２８を指している。 薄膜処理装置を減圧下でも動作させることができるため、周囲の圧力を封止す る遊動リングシール４４が設けられている。この遊動リングシール４４は、パイ プ状の封止ケース３４及びセンタリングフランジ３６上のベースフランジ３５内 に設けられている。遊動リングシール４４は、封止ケース３４の内部に設けられ る封止液（図示せず）によって動作するため、一方では封止液が外に漏れないよ うに、他方では外からほこりが軸受３２に入らないように、封止リング３０、３ ３が設けられる。 参照番号３７は、薄膜処理装置の上部部分３９に設けられるカウンタフランジ を示しており、このカウンタフランジは、ねじ３８によって封止ケース３４のベ ースフランジ３５及びセンタリングフランジ３６に結合している。 参照番号４０及び４１は、ロータへの結合部又はロータにおけるドライブタイ プの固定部を示している。 参照番号２４は、メインシャフト２７への正の力伝達結合部分を有するロータ の結合手段を示している。この結合手段２４は側部開口４２を有し、これによっ て調節機構を動作させることができる。排気及び蒸気の排出のために設けられる 開口１４によって、開口４２に達することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ // Ｄ０１Ｆ 2/00 Ｄ０１Ｆ 2/00 Ｚ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｅ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ， ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．円筒状処理容器と、前記処理容器の中心に設けられるロータとを含み、前 記ロータが調節可能であると共に前記ロータの軸に対する取り付け角αを示す攪 拌要素を有する薄膜処理装置であって、前記ロータ（７）はロータブレード（８ ）が回転可能に設けられる円筒状ジャケット（７ａ）を有し、前記ロータ（７） の内部に設けられる機構によって前記取り付け角αが調節可能であることを特徴 とする、薄膜処理装置。 ２．前記取り付け角αを調節することができる前記機構が、前記ロータ（７） の軸に対して直角に前記ロータ（７）内に設けられる少なくとも１つの支持プレ ート（１６）と、ロータブレード（８）にしっかりと結合した少なくとも１つの 位置決め要素（１５ｄ；１５ａ）とを含み、前記ロータブレード（８）が前記支 持プレート（１６：１６ａ）の軸動によって動くことを特徴とする、請求の範囲 第１項に記載の薄膜処理装置。 ３．前記円筒状ロータ（７）の中心に配置されたシャフト（１８；１９）を回 転させ、中心を介して前記少なくとも１つの支持プレート（１６：１６ａ）を通 過させることによって前記少なくとも１つの支持プレート（１６；１６ａ）を動 かし、前記シャフト（１８；１９）が外側にねじ山を有し、前記ねじ山は、少な くとも１つの支持プレート（１６；１６ａ）が取り付けられる円筒状チューブ（ １７；１７ａ）の内部に設けられたカウンタねじと螺合することを特徴とする、 請求の範囲第２項に記載の薄膜処理装置。 ４．前記ロータ（７）の軸の方向にそれぞれ別個に動かすことができる少なく とも２つの支持プレート（１６；１６ａ）が設けられることを特徴とする、請求 の範囲第３項に記載の薄膜処理装置。 ５．前記ロータ（７）が、前記ジャケット（７ａ）の表面１ｍ²あたり２０〜 ５０個のロータブレードを含むことを特徴とする、請求の範囲第１項〜第４項の うち１つに記載の薄膜処理装置。 ６．第３アミンオキサイドのセルロース用の非溶剤溶液中のセルロースの懸濁 液から成形可能セルロース溶液を生成する、請求の範囲第１項〜第５項のうち１ つに記載の薄膜処理装置の使用。