JPH11501074A - 重合体の固相結晶化及び重合のための放射加熱器システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 重合体の固相重合のための装置は晶析装置を備え、低温非晶質の重合体を晶析装置に導入する。晶析装置に赤外線放射源を関連づけ、赤外線放射を印加することにより重合体を加熱する。加熱の程度は、重合体が、融点に達することなく結晶化又は重合温度に達するように制御される。

Description

【発明の詳細な説明】 重合体の固相結晶化及び重合のための放射加熱器システム 発明の背景 本発明は、重合体の固相結晶化及び重合のための方法及び装置に関する。本発 明はより詳細には、固体の状態で重合体を加熱し所望の反応を達成する独特なシ ステムに関する。 一般的なタイプの従来システムは、低温非晶質粒状重合体材料を晶析装置へ供 給し、実質的な入熱の後、高温結晶化生成物を排出する。結晶化を達成する特定 の装置は、非直接熱供給ユニット又は流動床を備えるように構成することができ る。ミネソタ州ミネアポリスのＨosokawa Ｂepex社製のＳＯＬＩＤＡＩＲＥ（ 登録商標）又はＴＯＲＵＳＤＩＳＣ（登録商標）の機器が、固相結晶化及び／又 は重合の達成に使用できる非直接熱供給ユニットの例である。そのようなシステ ムでは、蒸気その他の高温流体が、勢い良く攪拌される粒状重合体材料と接触す るロータ及び／又はジャケット内を通過する。これらの加熱面との接触により、 重合体は結晶化及び重合反応を達成するのに必要な温度まで加熱される。 例えばＨosokawa Ｂepex社製ユニットのような流動床システムでは、加熱空 気を重合体材料と接触させる。熱伝達を改善し、結晶化反応のために必要な温度 を達成するために、管束又はプレートコイルの形態の非直接加熱エレメントを流 体化材料中に沈めることができる。 従来システムによる重合体の処理はうまく達成されるのであるが、固相結晶化 及び重合中に粘着特性を示す重合体チップの粘着性に関連する永続的な問題が存 在する。この問題は、米国特許 Ｎo.3,014,011号に議論されているように長い間認識されていた困難な問題であ り、さらに最近、米国特許Ｎo.5,090,134号において提案された改善方法が議論 されている。後者のケースでは、塊状集積及び固化の防止について詳細に議論さ れている。 発明の概要 本発明のシステムは、例えば、ポリエチレンテレフタレートのチップの処理の ような低温非晶質粒状重合体の固相結晶化及び重合を達成するのに好適な独特の 方法及び装置を含む。本発明の方法においては、チップを、赤外線放射源を備え る晶析装置内に導入する。チップは赤外線放射の手段により加熱され、その加熱 の程度は、生成物が結晶化及び／又は重合を達成するために十分に高い温度に上 昇するが、重合体の融点を超えないことを確保するように制御される。 企図されるタイプのシステムは、マイクロプロセッサ又はコンピュータによる 精密な制御に特に適している。本発明の装置が、非晶質粒状重合体を入口を通じ て導入する手段を有する継続動作ユニットと、入口と離隔した出口から結晶化さ れた重合体を排出する手段と、を備える場合に特にそのようになる。複数の離隔 した赤外線放射源がユニットに関連付けられ、これらの放射源が独立に制御され て動作中に最適効率を提供する。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の態様により特徴付けられた重合体処理ユニットの一部切断側 面図である。 図２は、図１に示すユニットの端面図である。 図３は、本発明との関連において使用される赤外線放射加熱器の 垂直断面図である。 図４は、本発明の実施において使用するのに適したユニットの代替的形態を示 す斜視図である。 図５は、図４に示すユニットの垂直断面図である。 発明の詳細な説明 図面は、本発明の方法を実施するのに適する重合体処理ユニットを示す。図１ 及び２において、ユニット１０は細長いハウジング１２を備え、そのハウジング １２は低温非晶質粒状重合体を受け入れる入口１４と、結晶化した重合体を排出 する出口１６とを有する。 攪拌器１８がハウジング１２内で回転するように設けられる。この構造は、攪 拌器シャフト２２の周囲から外側へ延びる複数のパドル２０を備える。既知の実 行例に従い、攪拌器の回転により重合体がユニット入口端部から出口端部へと継 続的に移動するようにパドルが設けられる。重合体の滞留時間は、既知の実行例 に従ってロータの速度を制御し、パドルの姿勢を調整することにより制御される 。また、ユニットは習慣的に両端部にガス送りパイプ２４及び２６を備え、それ により加熱空気その他を、ハウジング内で重合体の移動に対して並流又は向流の 方向に移動させるように導入することができる。 また、ユニット１０は離隔した赤外線放射加熱器２８を備える。図示の加熱器 はＲesearch Ｉnc.社製のモデル５２０８であるが、本発明の実施においては種 々のタイプの赤外線放射加熱器を使用可能であることが理解される。赤外線スペ クトルは、結晶化及び／又は重合中に異なる形態変形を受ける重合体の熱処理に 非常に好適であることが分かっている。 図示の加熱器２８各々はハウジング３０を備え、そのハウジング ３０は底部側において支持された透き通った石英窓３２を有する。窓の上方には 複数の赤外線放射加熱ランプ３４が設けられる。加熱器の空冷又は水冷のために 通路３６及び３８が設けられる。ゲージ４０は、温度状態を監視し、加熱器の正 しい動作を確保するため設けられる。加熱器の内面４２は反射器として機能し、 ランプ３４により生成された熱を窓３２を通じて通過させる。 本発明の実施においては、ハウジング１２の頂面に開口が規定され、加熱器２ ８は各々の開口上に配置され、それにより加熱器の窓がハウジング内で露出する 。よって、ハウジング内の重合体は加熱器により生成される熱にさらされる。 図４は、本発明の実施において使用され得る重合体処理ユニットの代替的形態 を示す。この装置１１０は、米国特許Ｎo.5,271,163号に記載された一般的なタ イプのものであり、長細いハウジング１１２を備える。このハウジングは内壁１ １４及び外壁１１６を規定し、それらにより導管壁間に通路１１８が規定される 。従って、外壁１１６は内壁１１４の離隔したジャケットを構成する。 入口管継手１２０が外部ジャケットと関連付けられ、それにより内壁及び外壁 の間に規定された通路１１８内へ蒸気その他が導入される。出口管継手１２２が 設けられ、これにより濃縮物その他を除去することができ、またこれにより導管 内面周りの一定の循環が達成される。 材料は入口１２６を通じて導管１１２へ導入され、導管の対向端部には材料出 口１２８が設けられている。必要であれば、導管を通じた循環のために加熱ガス を材料と共に導入することもできる。そのような状況下では、ガスを入口１２６ 又は別個の入口１２９を通じて導入することができ、蒸気の排出のための排出パ イプ１３０が設けられる。この構成では、結果的にガスが導管を横切って、材料 と並流するガス流を生成する。 その代わりに、材料と向流の方向に移動するガスを導入するためにパイプ１３ ０を設けることができ、また、蒸気の排出のために別個のパイプ１２９を設ける ことができ、この排出は入口１２６を通じて行うこともできる。この構成は“向 流”の流れを生じる。 管状ロータ１３２及びパドル列１３４により構成される攪拌器は導管１１２内 で回転するように配置され、ロータの回転のためにモータ１３６が使用される。 上述の特許において記述されているように、パドルは、ロータの回転軸近傍のロ ータ面から外側へ延びている。パドルは内壁１１４の内面の極めて近傍まで延び 、それによりパドルは材料を導管の入口から導管の長さ方向に沿って導管の出口 まで推進する。 複数の赤外線放射加熱器２８がハウジングに結合される。図１−３を参照して 述べたように、これらの加熱器は、装置内で重合体が処理される時に、再結晶化 を達成するために必要な熱を供給するために使用される。 図５は、米国特許Ｎo.5,271,163号に記載された特定のパドル構成を示し、こ れは赤外線放射加熱器を使用するシステムにおいて特に有用な構成の一例である 。上記特許に記載されるように、パドル１４８及び１８０を支持するロータ１３ ２は内部通路１３８を規定し、空気はこの通路内を送られる。パドル１８０の内 部は通路１３８に通じる通路１８４を規定し、その通路１８４は導管１１２の内 部へ開放している。 ガスはノズル１８４を通じて外部へ通じるためにロータ１３２へ送られる。図 ４に示すように、ガスはロータリージョイント１２７へ通じるパイプ１２５を通 じてロータヘ供給される空気を含むようにすることができる。 本発明のシステムは従来技術の構成に比べ、ある明確な長所を有する。まず第 １に、伝導性又は対流性加熱ではなく、放射性加熱によることで、所望の温度を 実現するために、例えば加熱空気のような介在する媒体への依存性をなくすこと ができる。放射エネルギーにより粒子へ直接熱を伝達するので、重合体の温度を 最適なレベルに効果的に維持することができる。赤外線放射による熱伝達率は、 対流型システム（例えば流動床）又は伝達型システム（例えば、Ｈosokawa Ｂep ex社製ＳＯＬＩＤＡＩＲＥ（登録商標）及びＴＯＲＵＳＤＩＳＣ（登録商標）シ ステムを使用する場合）に比べて非常に高い。そのようなシステムについての一 般的な言及は、係属中の米国出願Ｎo.08/272,027“重合体の固相重合方法及び装 置”に記載されている。そのような高い熱伝達率により、少ないスペースでより 多くの熱処理を実現することができる。 赤外線放射加熱器は熱質量（慣性）が低く、それゆえ変調制御に対して殆ど瞬 間的に応答することができる。従って、重合体の温度を正確に維持することがで きる。この制御はユニットを通じて所定の温度範囲に集中させることができ、そ れにより、図１の手段４４（又は他の温度検出手段）に示すような熱電対の出力 をマイクロプロセッサ４６の如き手段により使用し、放射加熱器の出力を増減さ せてこの温度範囲を維持することができる。その代わりに、ユニットを複数の領 域に分割し、各々の領域に特定の温度範囲を割り当てることができる。上述のよ うに、熱電対４４を個々の範囲に関連付けることができ、それから個々の領域に 近接する放射加熱器を独立に制御することができる。 Ｒeserch Ｉnc.社製の上述の加熱器はそのような制御動作で使用される加熱器 の例である。よって、処理制御計測管理及びＳＣＲ電源コントローラはそのよう な加熱器の使用のために詳細に設計されて いる。本発明において図示された処理ユニット１０及び１００は、従来温度検出 手段と共に実施されていたタイプのものであり、それゆえ本発明のシステムはプ ログラム可能なコンピュータにより制御される動作に容易に適用することができ る。 制御動作の適応性は、非常に敏感及び／又は固着の問題を生じ易い重合体に関 しては特に重要である。この点に関し、所定の重合体の融点は処理中に生じる結 晶化及び／又は重合の程度に依存して変化することが知られている。 本発明のシステムにおいては、ユニットのあらゆる所定の領域内の重合体の温 度は、重合体の融点又は焼結温度近くで、かつこれを超えないように維持される 。従って、過度の加熱に関連する問題を回避しつつ、結晶化及び／又は重合の観 点から最大効率が達成される。この点、図面は処理ユニットに関連して２個又は ３個の赤外線放射加熱器を図示するが、これらの加熱器の数及び配置は処理の適 用が変化するのに伴って変化させることができる。 また、赤外線放射加熱器のための即答制御は緊急事態条件に遭遇した場合に有 益である。従って、加熱器が遮断すると、上述の従来システムはその特有の高い 熱質量のために応答が非常に遅いのに対し、本発明のユニットの温度は非常に迅 速に低下する。 処理される個々の重合体粒子の性質を考慮すると、本発明のシステムの他の長 所が明らかになる。対流型又は伝導型熱伝達条件では、重合体粒子は、各々の粒 子内で実質的な温度傾斜を生じ、かつ、全体的反応速度を減少させる表面領域に 依存して熱エネルギーを吸収する。材料の温度が設定されるあらゆる所定の点に おいて、粒子の表面は“過度に加熱され”、粒子表面の層を軟化させ、その結果 望ましくない塊状集積が生じる。従って、上述の従来システムは比較的低い結晶 化及び／又は重合温度を使用し、それにより反応速度が 制限されていた。 これに対し、本発明の放射加熱器システムは、重合体粒子内に少ない温度傾斜 を生じさせ、かつ、反応速度を改善する点において非常に効率的である。これは 、放射エネルギーが、特に電磁気スペクトルの赤外線部分において、重合体粒子 の表面下を迅速に通過する能力による。 この現象は、半透明非晶質チップが非常に好ましい光学的特性を有する場合に 、固相結晶化中において特別に重要である。従って、赤外線放射エネルギーを使 用すると、重合体の結晶化及び形態遷移が粒子の中央で迅速に始まり、それによ り粒子表面を“過度に加熱する”危険をかなり現象させ、かつ、粒子が上昇した 温度で一体に固着する傾向を減少又は除去させることができる。 本発明の放射技術によって、結晶化及び／又は重合の速度は顕著に改善され、 最終製品の品質の改善が実現される。これらの改善は最適な結晶サイズ、核生成 及び結晶化の形態で実現される。 上述の長所は、唯一の加熱源として放射加熱器を使用することにより実現でき るが、処理ユニット１１０の説明により特に示されるように、熱供給を補うため に種々の手段を使用することができる。これらは、周囲ジャケット１１４、１１ ６内、及び／又はロータ１３２内、及び／又はパドル１８０を通じて加熱流体を 提供することを含む。 パドル１８０、又は米国特許Ｎo.5,271,163号に記載されたタイプの他のパド ル手段は、また、放射加熱器と共に使用される場合には他の目的に使用すること ができる。即ち、ロータ１３２を通じて、及びパドル１８０を通じて外側へ空気 を注入することは、重合体床の攪拌を増加させるように働く。この結果、発生す る反応中に顕著な均一性が生じる。 本発明の精神から逸脱することなく、上述した本発明の様々の変更及び変形、 特に請求の範囲により規定される変更が可能であることが理解されよう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，Ｂ Ｙ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ， ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．重合体の固相重合方法において、 晶析装置を用意する工程と、 前記晶析装置に低温非晶質重合体を入れる工程と、 赤外線放射源を用意する工程と、 前記重合体に赤外線放射を印加して加熱する工程と、 前記重合体が重合体の融点を超えること無く結晶化温度に達するように、前記 重合体の加熱の程度を制御する工程と、を備えることを特徴とする方法。 ２．前記晶析装置は、継続的動作ユニットを備え、前記継続的動作ユニットは前 記非晶質重合体の入口と、前記入口から離隔し、結晶化した重合体を排出する出 口と、を備え、 前記方法はさらに、前記ユニットの長さに沿って前記重合体の温度を制御する 工程を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．前記ユニットの長さに沿って複数の赤外線放射源を配置する工程と、 前記赤外線放射源の各々の動作を独立に制御する工程と、を備えることを特徴 とする請求項２に記載の方法。 ４．前記晶析装置は、前記赤外線放射源とは独立の加熱手段を有するハウジング を備え、 前記方法は、前記加熱手段を使用して、前記赤外線放射源による加熱を補う工 程を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ５．前記晶析装置は、ハウジングと、前記ハウジングにより支持されたロータと 、前記ロータにより支持されたパドルと、を備え、 前記方法は、前記ロータを回転させることにより前記重合体を前記ハウジング を通じて移動させ、前記重合体を前記パドルにかみ合わせる工程と、前記パドル により前記重合体を攪拌する工程と、を備えることを特徴とする請求項１に記載 の方法。 ６．前記ロータ及び前記パドルは、前記ハウジングの内部に通じる通路を規定し 、 前記方法は、前記通路内に空気を取り入れ、前記重合体と接触させて更なる攪 拌を行う工程を備えることを特徴とする請求項５に記載の方法。 ７．晶析装置と、 低温非晶質重合体を前記晶析装置に入れる入口手段と、 前記晶析装置から処理後の重合体を排出する出口手段と、 前記晶析装置内で処理後の重合体を加熱する赤外線放射加熱手段と、 重合体に印加される熱を制御する手段と、を備えることを特徴とする重合体の 固相重合装置。 ８．晶析装置内に設けられる温度検出手段と、 検出された温度に応じて印加される熱を制御する手段と、を備えることを特徴 とする請求項７に記載の装置。 ９．前記晶析装置の長さに沿って配置された複数の前記赤外線放射加熱手段と、 各々の赤外線放射加熱手段を独立に制御する手段と、を備えることを特徴とす る請求項８に記載の装置。 １０．前記晶析装置は、 ハウジングと、 前記ハウジングの前記赤外線放射加熱手段と独立し、熱の印加を補う加熱手段 と、を備えることを特徴とする請求項７に記載の装置。 １１．前記晶析装置は、 ハウジングと、 前記ハウジングにより支持されるロータと、 前記ロータにより支持され、前記重合体を、前記入口手段と前記出口手段との 間に送り、かつ、攪拌するパドルと、を備えることを特徴とする請求項７に記載 の装置。 １２．前記ロータ及び前記パドルは前記ハウジングの内部に通じる通路を規定し 、前記装置はさらに、前記通路に空気を取り入れて前記ハウジング内に入れ、前 記重合体に接触させてさらなる攪拌を行う手段を備えることを特徴とする請求項 １１に記載の装置。