KR20120064693A - 혼합 디바이스 및 동적 혼합 방법 - Google Patents

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KR20120064693A
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키쇼 케이. 칼
매던 소메시
리차드 에프. 코프
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다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 일반적으로 회전형 혼합 디바이스, 동적 혼합 장치 및 고처리량 작업흐름 시스템 및 이들을 이용하는 동적 혼합 방법에 관한 것이다.

Description

혼합 디바이스 및 동적 혼합 방법{MIXING DEVICE AND DYNAMIC MIXING METHOD}
본 발명은 일반적으로 회전형 혼합 디바이스, 동적 혼합 장치 및 고처리량 작업흐름 시스템 및 이를 이용하는 동적 혼합 방법에 관한 것이다.
정적 혼합 요소 및 튜브 또는 파이프를 포함하는 정적 혼합 디바이스가 40년 넘게 알려져 왔다. 이러한 정적 혼합 디바이스의 예는 특허 US 3,286,992호, US 3,861,652호, US 4,068,830호 및 GB 1,122,493호 및 특허 출원 공개 GB 2,086,249 A호, EP 0 071 454 A1호, WO 92/14541 A1호 및 WO 99/00180 A1호에 언급되어 있다. 정적 혼합 요소의 몇몇은 나선형 형상이다. 일반적으로, 정적 혼합 요소는 튜브 또는 파이프의 내부면 내에 고정되고 물리적으로 접촉된다. 튜브 또는 파이프를 통한 그리고 그 내부에 고정된 정적 혼합 요소 주위의 축방향으로 유동하는(예를 들어, 압력 하에서 펌핑하는) 2개 이상의 액체는 튜브 또는 파이프 내의 유체의 일시적인 반경방향 전환을 야기할 수 있고 몇몇 지점에서 유체의 혼합을 유도할 수 있다. 이러한 정적 혼합 디바이스는 튜브 또는 파이프를 통한 액체의 축방향 유동을 요구하기 때문에, 정적 혼합 디바이스는 용기 내에서 2개 이상의 유체를 함께 혼합하기 위해 적합하지 않고 비효과적이다.
화학 및 관련 산업은 무엇보다도 용기 내에서 점성 및 비점성 재료를 함께 혼합하는 것이 가능할 수 있는 회전형 혼합 디바이스 및 혼합 방법을 요구하고 있다. 바람직하게는, 회전형 혼합 디바이스의 실험실용 버전이 고처리량 혼합 작업흐름을 위한 시스템에 유용할 수 있고, 혼합 방법은 고처리량 혼합 작업흐름을 포함한다. 이러한 고처리량 혼합 작업흐름은 특히 재료 및 조성물 연구 및 개발을 가속화하기 위한 수단으로서 유용할 수 있다.
제 1 실시예에서, 본 발명은 선단 나선형 혼합 요소, 후단 나선형 혼합 요소, N개의 중간 나선형 혼합 요소로서, 여기서 N은 0 이상의 정수인 중간 나선형 혼합 요소, 및 X개의 연결용 수단(연결 수단)으로서 여기서 X는 1 더하기 N(X=1+N)인 연결 수단을 포함하는 회전형 혼합 디바이스로서, 나선형 혼합 요소는 비틀린 리본 형상 및 동일한 비틀림 방향(즉, 도는 방향)을 갖고, 회전형 혼합 디바이스는 선단, 중간 및 후단 나선형 혼합 요소가 서로 축방향으로 정렬되고 순차적으로 작동 연결되는 방식으로 구성되고, 인접한 나선형 혼합 요소 사이의 각각의 작동 연결부는 독립적으로 연결 수단 중 하나를 포함하는 회전형 혼합 디바이스이다. 각각의 나선형 혼합 요소는 이격된 선단 및 후단 에지, 종축, 그 종축을 따른 길이(Le), 그 종축에 대한 90도(°) 내지 360°의 비틀림각(Te), 그 종축에 수직인 직경(De)을 갖는 것으로서 특징화 가능하고, De≤Le≤2De의 각각의 Le 및 De 사이의 수학적 관계에 의해 특징화 가능한 나선형 혼합 요소의 구성을 설정하기 위해 치수 설정된다. 인접한 나선형 혼합 요소 및 이를 통해 이들 나선형 혼합 요소가 연결되는 연결 수단은 각각 0Le≤Sa≤Le의 이들의 각각의 Le와 Sa 사이의 수학적 관계 및 0° 내지 90°의 αa의 값에 의해 특정화 가능한 인접한 나선형 혼합 요소 사이의 상대 간격 및 배향을 독립적으로 설정하기 위해 인접한 나선형 혼합 요소 중 하나의 선단 에지를 인접한 나선형 혼합 요소 중 다른 하나의 후단 에지에 대해 오프셋각(αa)에서 및 이격 거리(Sa) 이내에서 배치하는 방식으로 구성된다.
제 2 실시예에서, 본 발명은 제 1 실시예의 회전형 혼합 디바이스 및 용기를 포함하는 동적 혼합 장치로서, 용기는 상부 부분 및 저부 부분 및 벽부를 갖고, 상부 부분은 개구를 형성하고, 벽부는 상부 부분과 저부 부분을 이격하고 용기 내에 포위된 체적 공간을 형성하기 위해 상부 부분과 저부 부분 사이에 배치되고, 용기는 상부 부분의 개구와 저부 부분 사이에 종축을 갖고, 회전형 혼합 디바이스의 적어도 나선형 혼합 요소는 용기의 포위된 체적 공간 내에 배치되는 동적 혼합 장치이다.
제 3 실시예에서, 본 발명은 제 2 실시예의 적어도 2개의 동적 혼합 장치를 포함하는 고처리량 작업흐름 시스템이다.
제 4 실시예에서, 본 발명은 2개 이상의 유동성 재료를 함께 혼합하는 동적 혼합 방법으로서, 2개 이상의 유동성 재료는 제 2 실시예의 동적 혼합 장치의 용기의 포위된 체적 공간 내에 배치되고, 2개 이상의 유동성 재료는 그 불완전하게 혼합된 조성물의 형태이고, 불완전하게 혼합된 조성물은 용기의 포위된 체적 공간보다 작고 회전형 혼합 디바이스의 나선형 혼합 요소의 적어도 선단 혼합 요소에 적어도 대부분 침지되기 위해(즉, Le에 의해 측정될 때 길이의 적어도 55 퍼센트 침지됨) 충분한 총 체적을 포함하는 동적 혼합 방법에 있어서, 회전형 혼합 디바이스에 인접한 2개 이상의 유동성 재료의 동시 하향 지향 유동 및 하향 지향 유동에 인접하여 회전형 혼합 디바이스로부터 이격된 2개 이상의 유동성 재료의 상향 지향 유동을 설정하기 위해 나선형 혼합 요소의 도는 방향에 적절한 방향(즉, 시계방향 또는 반시계방향)에서 충분한 속도(예를 들어, 충분한 분당 회전수)로 동적 혼합 장치의 회전형 혼합 디바이스를 독립적으로 회전시키는 단계를 포함하고, 하향 지향 유동 및 상향 지향 유동은 회전형 혼합 디바이스 및 용기의 종축에 본질적으로 평행하고(예를 들어, 평행하고 역평행함), 이에 의해 2개 이상의 유동성 재료를 함께 혼합하여 그 대략적으로 균일한 혼합물을 제공하는 동적 혼합 방법이다.
제 1 실시예의 회전형 혼합 디바이스, 제 2 실시예의 동적 혼합 장치 및 제 3 실시예의 시스템은 제 4 실시예의 방법에 독립적으로 유용하다. 제 3 실시예의 고처리량 작업흐름 시스템을 이용하는 제 4 실시예의 방법에서, 각각의 용기는 2개 이상의 유동성 재료를 독립적으로 유지한다. 본 발명은 동적 혼합으로부터 이득을 얻을 수 있는 임의의 절차, 프로세스 또는 방법에서 유용하다. 이러한 절차, 프로세스 또는 방법은 구성[예를 들어, 혼합 콘크리트 또는 코팅, 예를 들어 19 리터(L) 버켓과 같은 용기 내의 페인트], 산업 규모 제조, 파일럿 설비 규모 개발 및 실험실 규모 연구 세팅과 같은 점성 유체 세팅을 포함한다. 본 발명은 2개 이상의 유동성 재료를 함께 혼합하기 위해 특히 유용하고, 여기서 유동성 재료의 적어도 하나는 유동성 미립자 고체(예를 들어, 고체 안료, 예를 들어 이산화티타늄 안료) 또는 중간 또는 고점도 액체로서 특징화 가능한 액체이다.
본 발명은 예를 들어 유동성 액체-액체 조성물, 액체 내의 미립자 고체 분산물, 콜로이드, 그 내부의 용질의 농도 구배에 의해 특징화되는 용제 내에 용해된 용질의 용액, 마이크로겔 및 액체 내의 가스의 분산물 또는 용액과 같은 점성 구성 재료 또는 조성 샘플을 준비하기 위한 용례에 특히 유용하다. 제 3 실시예의 시스템은 고처리량 혼합 작업흐름에 특히 유용하다. 이러한 고처리량 혼합 작업흐름은 특히 예를 들어 조합 화학, 시험관내 생물학적 분석, 코팅(예를 들어, 페인트), 세척제 조성물, 폴리머 라텍스 및 폴리머 마이크로충전제 및 나노충전제 복합물 분야에서 재료 및 조성물 연구 및 개발을 가속화하기 위한 수단으로서 특히 유용하다.
부가의 실시예는 청구범위를 포함하는 첨부 도면(들) 및 명세서의 나머지 부분에 설명된다.
본 발명의 몇몇 실시예는 실시예의 다양한 특징을 예시하는 것을 적어도 지원할 수 있는 첨부 도면(들)과 관련하여 본 명세서에 설명된다.
도 1a(도 1a) 및 도 1b는 회전형 혼합 디바이스의 바람직한 실시예의 몇몇 예를 도시하는 도면.
도 2는 동적 혼합 장치의 바람직한 실시예의 예를 도시하는 도면.
도 3은 나선형 혼합 요소의 바람직한 실시예의 예를 도시하는 도면.
도 4는 회전형 혼합 디바이스의 후단 나선형 혼합 요소의 선단 에지 및 선단 나선형 혼합 요소의 후단 에지의 바람직한 배향을 도시하는 도면.
도 1a(도 1a) 및 도 1b는 후단 나선형 혼합 요소(50A)가 선단 나선형 혼합 요소(50) 상부에 배치되도록 회전형 혼합 디바이스가 바람직한 수직 배향으로 배치되어 있는 회전형 혼합 디바이스의 바람직한 실시예의 몇몇 예를 도시한다. 본 발명은 회전형 혼합 디바이스의 수평 배향 및 전술된 수평 배향의 역과 같은 다른 배향(도시 생략)을 고려하고, 회전형 혼합 디바이스는 저부 장착되어 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 회전형 혼합 디바이스의 바람직한 실시예에서, 각각 Sa = 0 Le(즉, Sa = 0) 또는 Sa > 0 Le이다. 도 1a는 화살표(23)에 의해 지시된 바람직한 반시계 회전 방향을 갖는 회전형 혼합 디바이스(10)를 도시한다. 도 1a에서, 회전형 혼합 디바이스(10)는 선단 나선형 혼합 요소(50), 후단 나선형 혼합 요소(50A), 연결 수단(20) 및 구동 가능 원통형 샤프트(22)(부분 절결도)를 포함한다. 이후의 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 선단 및 후단 나선형 혼합 요소(50, 50A)는 직경(De) 및 길이(Le)를 갖고, 여기서 도 1a에서 De < Le이다. 각각의 선단 및 후단 나선형 혼합 요소(50, 50A)는 180° 비틀림각(Te = 180°)을 갖고, 연결 수단(20)(예를 들어, 용접부)에 의해 서로 작동적으로 연결되고, 도 3에 도시된 바와 같이 구성되고 치수 설정된다. 구동 가능 원통형 샤프트(22)(부분 절결도)는 구동 가능 연결 요소(이하에 설명됨)의 예이고 용접부(도시 생략)를 경유하여 후단 나선형 혼합 요소(50A)에 작동적으로 연결된다. 선단 및 후단 나선형 혼합 요소(50, 50A)를 함께 용접함으로써 회전형 혼합 디바이스(10)를 조립하고, 이어서 구동 가능 원통형 샤프트(22)를 후단 나선형 혼합 요소(50A)에 용접하여 이에 의해 회전형 혼합 디바이스(10)를 조립한다.
도 1b는 화살표(23)에 의해 지시된 바람직한 반시계 회전 방향을 갖는 회전형 혼합 디바이스(12)를 도시한다. 도 1b에서, 회전형 혼합 디바이스(12)는 선단 및 후단 나선형 혼합 요소(50, 50A)(도 1a에서와 같은), 연결 샤프트(24) 및 구동 가능 원통형 샤프트(22)(도 1에서와 같이 부분 절결도)를 포함한다. 선단 나선형 혼합 요소(50)는 선단 에지(56) 및 후단 에지(58)를 규정하고, 후단 나선형 혼합 요소(50A)는 선단 에지(56T) 및 후단 에지(58T)를 규정한다. 선단 나선형 혼합 요소(50)의 후단 에지(58)는 연결 샤프트(24)에 의해 후단 나선형 혼합 요소(50A)의 선단 에지(56T)로부터 거리(Sa)만큼 이격되고, 그에 작동 연결된다. 각각의 선단 및 후단 나선형 혼합 요소(50, 50A)는 180° 비틀림각(Te = 180°)을 갖고, 도 3에 도시된 바와 같이 구성되고 치수 설정된다. 구동 가능 원통형 샤프트(22)(부분 절결도)는 구동 가능 연결 요소의 예이고 용접부(도시 생략)를 경유하여 후단 나선형 혼합 요소(50A)의 후단 에지(58T)에 작동적으로 연결된다. 선단 나선형 혼합 요소(50)와 연결 샤프트(24)의 단부(도시 생략)를 함께 용접함으로서 회전형 혼합 디바이스(12)를 조립하고, 이어서 연결 샤프트(24)의 다른 단부(도시 생략)를 후단 나선형 혼합 요소(50A)에 용접하고, 이어서 구동 가능 원통형 샤프트(22)를 후단 나선형 혼합 요소(50A)에 용접하여, 이에 의해 회전형 혼합 디바이스(12)를 조립한다.
회전형 혼합 디바이스(10, 12)가 제 3 실시예의 고처리량 작업흐름 시스템에 사용을 위해 치수 설정되는 경우에, 바람직하게는 각각의 Le는 17 밀리미터(mm)이고, De는 11 mm이고, 구동 가능 원통형 샤프트(22)는 약 27 mm의 길이를 갖는다. 더 바람직하게는, 얕은 채널(도시 생략)이 그 미부착된 단부(도 1a 및 도 1b에는 도시되지 않음)로부터 약 3 mm 구동 가능 원통형 샤프트(22)를 에워싼다. 또한 더 바람직하게는, 구동 가능 원통형 샤프트(22)는 또한 그 미부착된 단부로부터 약 10 mm에서 그 대향 단부들 상에 배치된 2개의 3 mm 길이×1 mm 폭의 플랜지를 갖는다.
도 2는 도 1a의 회전형 혼합 디바이스 및 용기(30)를 포함하는 동적 혼합 장치(70)의 바람직한 실시예의 예를 도시한다. 도 2에서, 용기(30)는 저부 부분(32) 및 벽부(34), 포위된 체적 공간(36), 개구(38), 가상 충전 라인(35) 및 내경(Dc)(이하에 설명됨)을 갖는다. 회전형 혼합 디바이스(10)는 거리(δb)(이하에 설명됨)만큼 용기(30)의 저부 부분(32)으로부터 이격되도록 용기(30)의 포위된 체적 공간(36) 내에 배치되고, 용기(30)의 벽부(34)로부터 이격된다. 회전형 혼합 디바이스(10)의 후단 나선형 혼합 요소(50A)는 거리(δS)(이하에 설명됨)만큼 가상 충전 라인(35)으로부터 이격된다. 나선형 혼합 요소(10)의 직경(De)은 용기(30)의 내경(Dc)의 대략 절반이고(즉, De = 0.5Dc), δb < Le이고, δS < Le이다. 전술된 바와 같이 용기(30)의 포위된 체적 공간(36) 내에 회전형 혼합 디바이스(10)를 배치함으로써 동적 혼합 장치(70)를 조립하고, 또한 바람직하게는 설명된 바와 같이 용기(30)의 포위된 체적 공간(36) 내에 회전형 혼합 디바이스(10)를 유지하기 위한 기능을 하는 회전 수단(도시 생략, 이하에 설명됨)에 회전형 혼합 디바이스(10)의 구동 가능 원통형 샤프트(22)를 작동적으로 연결한다. 가상 충전 라인(35)에 용기(30)를 충전하는 그 불완전하게 혼합된 조성물(도시 생략)을 형성하기 위해 동적 혼합 장치(70)의 용기(30)의 포위된 체적 공간(36) 내에 2개의 유동성 재료(도시 생략)를 추가함으로써 동적 혼합 장치(70)를 이용하는 제 4 실시예의 동적 혼합 방법을 수행한다. 적절한 속도로 적절한 방향[즉, 도 1a 및 도 1b에서 화살표(23)에 의해 도시된 바와 같은 반시계방향]에서 그 불완전하게 혼합된 조성물(도시 생략) 내에서 회전형 혼합 디바이스(10)를 회전시키기 위해 회전 수단(예를 들어, 도시되지 않은 교반기 모터)을 작동하고, 이에 의해 회전형 혼합 디바이스(10)에 인접한 2개 이상의 유동성 재료(도시 생략)의 동시 하향 지향 유동(도시 생략) 및 회전형 혼합 디바이스(10)로부터 이격되고 하향 지향 유동(도시 생략)에 인접한 2개 이상의 유동성 재료(도시 생략)의 상향 지향 유동(도시 생략)을 설정하고, 하향 지향 유동 및 상향 지향 유동(도시 생략)은 회전형 혼합 디바이스(10) 및 용기(30)의 종축(도시 생략, 즉 수직축)에 본질적으로 평행하고(예를 들어, 평행 및 역평행), 이에 의해 2개 이상의 유동성 재료(도시 생략)를 함께 혼합하여 그 대략적으로 균일한 혼합물(도시 생략)을 제공한다. 방법의 이러한 실시예에서, 2개 이상의 유동성 재료(도시 생략)의 상향 지향 유동은 또한 용기(30)의 벽부(34)에 인접한다.
도 3은 바람직한 180° 비틀림각(Te = 180°), 직경(De) 및 길이(Le)를 갖는 나선형 혼합 요소(50, 50A)의 바람직한 실시예의 예를 도시한다. 이러한 나선형 혼합 요소는 예를 들어 미국 오하이오주 데이톤 소재의 케미니어 인크(Chemineer Inc.)[케미니어 인크는 로빈스 앤드 마이어스 인크(Robbins & Myers, Inc.의 자회사임]에 의해 시판되는 케닉스(Kenics)
Figure pct00001
KM 시리즈 정적 혼합기와 같은 상업적인 소스로부터 얻어지거나 적용될 수 있다.
도 4는 회전형 혼합 디바이스(12)(도 1b 참조)의 선단 나선형 혼합 요소(50)의 후단 에지(58) 및 후단 나선형 혼합 요소(50A)의 선단 에지(56T)의 바람직한 배향(도 1b에서 전복되어 보는 것과 같은)을 도시하고, 후단 에지(58)는 선단 에지(56T)에 대한 바람직한 90° 오프셋각(즉, αa = 90°)에 배향된다.
참조에 의한 요지의 포함을 허용하는 미국 특허 실시 및 다른 특허 실시를 위해, 발명의 요약 또는 상세한 설명에서 언급된 각각의 US 특허, US 특허 출원, US 특허 출원 공개, PCT 국제 특허 출원 및 그 등가의 WO 공보는 참조로서 본 명세서에 포함되어 있다. 본 명세서에 기록된 것과 특허, 특허 출원 또는 특허 출원 공개 또는 참조로서 포함되어 있는 그 부분에 기록된 것 사이의 상충이 존재하는 경우에, 본 명세서에 기록된 것이 우선한다.
본 출원에서, 수의 범위의 임의의 하한 또는 범위의 임의의 바람직한 하한은 범위의 임의의 상한 또는 범위의 임의의 바람직한 상한과 조합될 수 있어 범위의 바람직한 양태 또는 실시예를 규정한다. 각각의 수의 범위는 이 범위 내에 포함되어 있는 유리수 및 무리수의 모두인 모든 수를 포함한다(예를 들어, 약 1 내지 약 5의 범위는 예를 들어, 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4 및 5를 포함함).
괄호 없이 언급되는 단위 값, 예를 들어 2 인치와 괄호 내에 언급되는 대응 단위 값, 예를 들어 (5 센티미터) 사이에 상충이 존재하는 경우에, 괄호 없이 언급되는 단위 값이 우선한다.
본 명세서에 사용될 때, 단수 표현, "적어도 하나" 및 "하나 이상"은 상호 교환 가능하게 사용된다. 본 명세서에 설명된 본 발명의 임의의 양태 또는 실시예에서, 수치값을 참조하는 구문에서 용어 "약"은 본 발명의 다른 양태 또는 실시예를 제공하기 위해 구문으로부터 삭제될 수 있다. 용어 "약"을 이용하는 이전의 양태 또는 실시예에서, "약"의 의미는 그 사용의 문맥으로부터 해석될 수 있다. 바람직하게는, "약"은 수치값의 90 퍼센트 내지 100 퍼센트, 수치값의 100 퍼센트 내지 110 퍼센트 또는 수치값의 90 퍼센트 내지 110 퍼센트를 의미한다. 본 명세서에 설명된 본 발명의 임의의 양태 또는 실시예에서, 개방형 용어 "포함하는", "포함한다" 등("구비하는", "갖는" 및 "~을 특징으로 하는"과 동의어임)은 각각의 부분적 폐쇄형 구문 "~으로 본질적으로 이루어지는", "~으로 본질적으로 이루어진다" 등 또는 각각의 폐쇄형 구문 "~으로 이루어지는", "~으로 이루어진다" 등에 의해 대체될 수 있어 본 발명의 다른 양태 또는 실시예를 제공한다. 본 출원에서, 선행 요소(예를 들어, 성분)의 리스트를 언급할 때, 구문 "이들의 혼합물", "이들의 조합" 등은 열거된 요소의 모두를 포함하여 임의의 2개 이상을 의미한다. 멤버의 열거에 사용되는 용어 "또는"은 달리 언급되지 않으면, 개별적으로 뿐만 아니라 임의의 조합의 열거된 멤버를 칭하고, 개별 멤버의 임의의 하나를 언급하는 부가의 실시예를 지원한다(예를 들어, 구문 "10 퍼센트 또는 그 이상"을 언급하는 실시예에서, "또는"은 "10 퍼센트"를 언급하는 다른 실시예 및 "10 퍼센트 초과"를 언급하는 또 다른 실시예를 지원함). 용어 "복수"는 2개 이상을 의미하고, 각각의 복수는 달리 언급되지 않으면 독립적으로 선택된다. 부호 "≤" 및 "≥"는 각각 이하 및 이상을 의미한다. 부호 "<" 및 ">"는 각각 미만 및 초과를 의미한다.
바람직하게는, Te는 120° 내지 270°이고, 더 바람직하게는 Te는 약 180°이다.
바람직하게는, 1.2De≤Le≤1.8De(예를 들어, Le = 1.25De 또는 1.75De)이고, 더 바람직하게는, 1.3De≤Le≤1.7De(예를 들어, Le = 1.35De 또는 1.65De)이고, 더욱 더 바람직하게는, 1.4De≤Le≤1.6De(예를 들어, Le = 1.45De 또는 1.55De)이고, 더욱 더 바람직하게는, Le는 약 1.5De(예를 들어, Le = 1.5De)이다. 또한 바람직하게는, 각각의 나선형 혼합 요소(예를 들어, 50, 50A)에 대한 Le는 동일하고, 각각의 나선형 혼합 요소(예를 들어, 50, 50A)에 대한 De는 동일하다.
인접한 나선형 혼합 요소(예를 들어, 50, 50A) 사이의 각각의 작동적인 연결은 Sa가 0일 때 직접적인 물리적 연결 또는 Sa가 0보다 클 때 간접적인 물리적 연결을 포함하고(즉, Sa와 이들의 Le 사이의 수학적 관계는 0Le<Sa≤Le가 됨), 각각의 연결 수단은 연결 요소를 독립적으로 포함하는 간접적인 물리적 연결을 포함하고, 연결 요소는 인접한 나선형 혼합 요소와 작동적으로 연결된다.
몇몇 실시예에서, Sa는 약 0Le이고, 더 바람직하게는 Sa는 0Le이다(즉, Sa는 0임). 이러한 실시예에서, 연결 수단(예를 들어, 20)은 이에 의해 함께 연결되는 인접한 나선형 혼합 요소(예를 들어, 50, 50A)를 포함하거나 그로부터 유도된다. 이러한 연결 수단의 예는 용접부이고 또는 인접한 나선형 혼합 요소 중 하나의 후단 에지 및 인접한 혼합 요소 중 다른 하나의 선단 에지는 각각 노치를 형성하고, 노치들은 인접한 나선형 혼합 요소 사이의 마찰 끼워맞춤을 설정하기 위해 서로 상보적이다.
몇몇 실시예에서, Sa≤0.9Le이고, 더 바람직하게는, Sa≤0.7Le이고, 더욱 더 바람직하게는 Sa≤0.6Le이고, 더욱 더 바람직하게는 Sa≤0.5Le이다. 이러한 실시예에서, 연결 수단은 연결 요소(예를 들어, 24)를 포함하고, 연결 요소는 인접한 나선형 혼합 요소(예를 들어, 50, 50A) 중 하나의 후단 에지에 작동 연결되는 부분 및 인접한 나선형 혼합 요소 중 다른 하나의 선단 에지에 작동 연결되는 부분을 갖는 연결 요소가 이에 의해 함께 연결된다. 이러한 연결 요소의 예는 샤프트, 접착제 및 암형-암형 브래킷이다. 바람직한 것은 샤프트이다.
몇몇 실시예에서, αa>0°이고, 더 바람직하게는 αa>30°이고, 더욱 더 바람직하게는 αa>45°이고, 더욱 더 바람직하게는 αa>60°이고, 더욱 더 바람직하게는 75°≤αa≤90°(예를 들어, αa는 약 90°임)이다.
제 2 실시예의 동적 혼합 장치(예를 들어, 70)의 몇몇 실시예에서, 회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10)의 나선형 혼합 요소(예를 들어, 50, 50A)의 적어도 2개, 바람직하게는 모두는 회전형 혼합 디바이스 및 용기가 서로 대략 축방향으로 정렬되고(즉, 대략적으로 평행하고, 바람직하게는 수직으로 축방향으로 정렬됨) 선단 나선형 혼합 요소(예를 들어, 50)의 선단 에지(예를 들어, 56)가 0Le<δb≤Le의 선단 나선형 혼합 요소의 δb와 Le 사이의 수학적 관계를 설정하기 위해 거리(δb)만큼 용기(예를 들어, 30)의 저부 부분(예를 들어, 32)으로부터 이격되는 방식으로 용기(예를 들어, 30)의 포위된 체적 공간(예를 들어, 36) 내에 배치된다. 몇몇 실시예에서, δb>0Le이다(예를 들어, δb는 0.1Le임). 몇몇 실시예에서, δb≤0.9Le이고, 더 바람직하게는 δb≤0.7Le이고, 더욱 더 바람직하게는 δb≤0.6Le이고, 더욱 더 바람직하게는 δb≤0.5Le이다(예를 들어, δb는 0.5Le임). 몇몇 실시예에서, δb≥0.2Le이고, 더 바람직하게는 δb≥0.3Le이고, 더욱 더 바람직하게는 δb≥0.4Le이고, 더욱 더 바람직하게는 δb>0.5Le이다(예를 들어, δb는 0.55Le임).
제 4 실시예의 동적 혼합 방법에서, 바람직하게는 모든 선단 나선형 혼합 요소, 더 바람직하게는 모든 선단 나선형 혼합 요소 및 모든 적어도 다음의 나선형 혼합 요소(예를 들어, 존재하는 경우 중간 나선형 혼합 요소 또는 어떠한 중간 나선형 혼합 요소가 존재하지 않는 경우 후단 나선형 혼합 요소), 더욱 더 바람직하게는 모든 나선형 혼합 요소가 불완전하게 혼합된 조성물 내에 완전히 침지된다. 모든 나선형 혼합 요소(예를 들어, 50, 50A)가 불완전하게 혼합된 조성물 내에 완전히 침지될 때, 바람직하게는 불완전하게 혼합된 조성물은 상부면[예를 들어, 도 2의 가상 충전 라인(35)에서]을 갖고, 불완전하게 혼합된 조성물의 상부면은 0Let<δS≤Let의 후단 나선형 혼합 요소의 δS 및 Le 사이의 수학적 관계를 설정하기 위해 거리(δS)만큼 완전하게 침지된 후단 나선형 혼합 요소(예를 들어, 50A)의 후단 에지(예를 들어, 58T)에 대략 위치하거나 그로부터 이격되고, 여기서 Let는 후단 나선형 혼합 요소의 길이(Le)이다. 몇몇 실시예에서, δS>0Let이다(예를 들어, δS는 0.1 Let임). 몇몇 실시예에서, δS≤0.9Let이고, 더 바람직하게는 δS는 0.5Let이다.
제 4 실시예의 동적 혼합 방법에서, 바람직하게는 용기(예를 들어, 30)는 폭 또는 더 바람직하게는 용기(예를 들어, 30)의 포위된 체적 공간(예를 들어, 36) 내에 및 그 종축(도시 생략)에 수직인 내경(Dc)을 갖는 것으로서 특징화 가능하다. 회전형 혼합 디바이스의 종축이 용기의 종축에 대해 이동되는 제 4 실시예의 방법의 실시예에서, 더 바람직하게는 동적 혼합 장치는 0.10Dc≤De≤0.70Dc의 Dc와 각각의 De 사이의 수학적 관계를 설정하는 방식으로 치수 설정된다. 이러한 상대 이동은 회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10)를 고정 위치에 유지하고 용기(예를 들어, 30, 궤도 혼합기를 사용함으로써)를 이동시킴으로써, 또는 용기(예를 들어, 30)를 고정 위치에 유지하고 회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10, 휴대형 교반기 모터와 같은 가동 교반기 모터를 이동시킴으로써)를 이동시킴으로써 성취될 수 있다.
회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10, 12)의 종축(도시 생략)이 본질적으로 용기(예를 들어, 30, 즉 회전형 혼합 디바이스는 본질적으로 그 내부에서 회전되는 것을 제외하고는 용기 내에서 주위로 이동하지 않음)의 종축(도시 생략)에 대해 고정 위치에 본질적으로 유지되는 제 4 실시예의 동적 혼합 방법의 실시예에서, 바람직하게는 2개 이상의 유동성 재료의 상향 지향 유동이 용기(예를 들어, 30)의 벽부(예를 들어, 34)에 인접하고 동적 혼합 장치(예를 들어, 70)는 0.30Dc≤De≤0.70Dc의 Dc와 각각의 De 사이의 수학적 관계를 설정하는 방식으로 치수 설정된다. 이러한 실시예에서, 더 바람직하게는 0.33Dc≤De≤0.67Dc이고, 더 바람직하게는 0.40Dc≤De≤0.60Dc이고, 더욱 더 바람직하게는 0.45Dc≤De≤0.55Dc이다(예를 들어, 0.5Dc = De). 이러한 실시예는 제 3 실시예의 고처리량 작업흐름 시스템에 사용을 위해 바람직하다.
제 4 실시예의 동적 혼합 방법의 몇몇 실시예에서, 방법은 직렬로 또는 더 바람직하게는 병렬로(예를 들어, 제 3 실시예의 고처리량 작업흐름 시스템에서) 제 2 실시예의 2개 이상의 동적 혼합 장치를 이용한다. 2개 이상의 동적 혼합 장치가 이용되는 경우에, 2개 이상의 동적 혼합 장치(및 따라서 이들의 각각의 회전형 혼합 디바이스)는 이들의 각각의 특징이 동일하거나 상이할 수 있도록 독립적으로 이용된다. 예를 들어, 2개 이상의 동적 혼합 장치의 2개 이상의 회전형 혼합 디바이스의 각각의 방향(예를 들어, 시계방향 또는 반시계방향), 속도 및 회전 시간과 같은 회전 특징은 동일하거나 상이할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10, 12)는 중간 나선형 혼합 요소를 포함하지 않는데, 즉 N은 0이다. 몇몇 실시예에서, 회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10, 12)는 하나 이상의 중간 나선형 혼합 요소(예를 들어, 도시되지는 않았지만, 예를 들어 50일 수 있음)를 추가로 포함하는데, 즉 N은 1 이상의 정수이다. 바람직하게는, 3개 이하의 중간 나선형 혼합 요소(즉, N은 0, 1, 2 또는 3), 더 바람직하게는 2개(즉, N은 2), 더욱 더 바람직하게는 1개(즉, N은 1), 더욱 더 바람직하게는 0개(즉, N은 0)의 중간 나선형 혼합 요소가 존재한다.
몇몇 실시예에서, 회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10, 12)는 구동 가능 연결 요소(예를 들어, 22)를 추가로 포함하고, 구동 가능 연결 요소(예를 들어, 22)는 나선형 혼합 요소(예를 들어, 50A)의 후단 요소의 후단 에지(예를 들어, 58T)에 작동 연결된다. 바람직하게는, 구동 가능 연결 요소는 샤프트(예를 들어, 22)를 포함하고, 회전 수단(예를 들어, 도시 생략)에 작동적으로 연결 가능하고, 회전 수단은 제 4 실시예의 동적 혼합 방법에서 그 종축(도시 생략) 주위로 회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10, 12)를 회전하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 회전 수단은 교반 모터(예를 들어, 전동식 또는 압축 공기 구동식 교반기 모터)이다.
본 발명은 2개 이상의 유동성 재료의 대략 균일한 혼합물을 제공한다. 용어 "대략 균일한 혼합물"은 2개 이상의 재료의 조성물을 의미하고, 조성물은 디지털 이미지 프로세싱 측정(이하의 예 1 참조)에 의해 결정되는 바와 같이, 적어도 85% 퍼센트(%) 혼합되고, 바람직하게는 적어도 95% 혼합되고, 더 바람직하게는 적어도 99% 혼합된다.
제 4 실시예의 동적 혼합 방법은 바람직하게는 10분 미만, 더 바람직하게는 5분 미만, 더욱 더 바람직하게는 3분 미만, 더욱 더 바람직하게는 2분 미만에 그 대략적으로 균질한 혼합물을 제공하기 위해 2개 이상의 유동성 재료의 급속한 혼합에 의해 특징화 가능하다. 급속 혼합은 특히 2개 이상의 유동성 재료(도시 생략)의 상향 지향 유동(도시 생략)이 용기(예를 들어, 30)의 벽부(예를 들어, 34)에 인접하고, 유동성 재료 중 하나가 섭씨 20도(℃)에서 중간 또는 높은 점도를 갖는 것으로서 특징화 가능하고 유동성 재료 중 다른 하나는 20℃에서 낮은 점도를 갖는 것으로서 특징화 가능할 때에도 0.30Dc≤De≤0.70Dc의 Dc와 각각의 De 사이의 수학적 관계를 설정하는 방식으로 동적 혼합 장치(예를 들어, 10, 12)가 치수 설정되는 경우이다.
본 발명은 유동성 재료를 유지하기 위해 용기(예를 들어, 30)를 이용하는 것을 고려한다. 혼합을 위해 적합한 임의의 용기가 사용될 수 있지만, 특히 회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10, 12)의 종축(도시 생략)이 본질적으로 용기의 종축(도시 생략)에 대해 이동되지 않는 제 실시예의 방법에서, 바람직하게는 용기(예를 들어, 30)의 벽(예를 들어, 34)은 원통형이고 그 종축(도시 생략)을 따라 실질적으로 일정한 내경(Dc)을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 용기(예를 들어, 30)는 구성 재료를 혼합하기에 적합하다. 이러한 구성 용기의 예는 경화, 건조 또는 양자 모두 중에 최근에 부어진 콘크리트를 유지하기 위한 버켓 및 프레임이다. 몇몇 실시예에서, 용기(예를 들어, 30)의 포위된 체적 공간(예를 들어, 36)의 크기는 예를 들어 용기(예를 들어, 30)가 100 갤런(380 리터) 내지 10,000 갤런(38,000 리터) 혼합 또는 반응기 용기인 경우와 같은 제조 규모 작동을 위해 적합한 체적이다. 몇몇 실시예에서, 용기(예를 들어, 30)의 포위된 체적 공간(예를 들어, 36)의 크기는 예를 들어, 용기(예를 들어, 30)가 2 갤런(7.6 리터) 내지 100 갤런(380 리터) 미만의 혼합 또는 반응기 용기인 경우와 같은 파일럿 설비 규모 작업을 위해 적합한 체적이다. 몇몇 실시예에서, 용기(예를 들어, 30)의 포위된 체적 공간(예를 들어, 36)의 크기는 실험실 규모 작업에 적합한 체적이다. 적합한 실험실 규모 용기(예를 들어, 30)의 유형의 예는 유리병, 테스트 튜브, 혼합 튜브, 비이커, 병 및 96-우물 플레이트(96-well plate)이다. 적합한 실험실 용기의 체적[예를 들어, 용기(30)의 포위된 체적 공간(36)]은 최대 약 10,000 밀리리터(mL)의 임의의 체적일 수 있다. 바람직하게는, 체적은 1000 mL 이하, 더 바람직하게는 50 mL 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 20 mL 이하, 적어도 약 0.2 mL이다. 몇몇 실시예에서, 유동성 재료 및 존재하는 경우 그 내부에 배치된 자기 교반 요소를 갖는 용기는 또한 용기(예를 들어, 30)의 포위된 체적 공간(예를 들어, 36)의 적어도 10 퍼센트, 더 바람직하게는 적어도 15 퍼센트를 포함하는 헤드공간을 갖는다.
몇몇 실시예에서, 용기(예를 들어, 30)의 포위된 체적 공간(예를 들어, 36)은 용기(예를 들어, 30)의 상부 부분(도시 생략)의 개구(예를 들어, 38)를 경유하여 용기(예를 들어, 30)에 외부(도시 생략)와 유체 연통한다. 몇몇 실시예에서(특히, 회전형 혼합 디바이스의 전술된 수평 배향 또는 역 수직 배향을 이용하는 것들), 회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10, 12)는 구동 가능 연결 요소(예를 들어, 22)를 추가로 포함하고, 동적 혼합 장치(예를 들어, 70)는 밀봉 수단(도시 생략)을 추가로 포함하고, 밀봉 수단은 그 개구에 근접하여 용기(30)의 부분(도시 생략)과 밀봉 작동 접촉하고 회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10, 12)의 구동 가능 연결 요소(예를 들어, 22)와 저마찰(즉, 회전 허용) 밀봉 접촉하여 2개 이상의 유동성 재료의 누설에 대해 용기를 밀봉한다. 밀봉 수단의 예는 실리콘 윤활제, 교반기 베어링, 윤활된 고무 격벽, 폴리테트라플루오로에틸렌 슬리브 및 이들의 2개 이상의 조합이다.
몇몇 실시예에서, 동적 혼합 장치(예를 들어, 10, 12)는 용기(예를 들어, 30)를 수용하기 위해 배치된 용기 홀더(도시 생략)를 추가로 포함한다. 본 발명이 용기 홀더를 이용하는 것을 고려할 때, 용기 홀더는 1 내지 1000개의 용기, 더 바람직하게는 4 내지 96개의 용기를 유지하는 것이 가능하다. 본 발명은 동적 혼합 장치(예를 들어, 10, 12)가 갖는 실시예를 고려하고, 제 4 실시예의 방법은 하나 초과의 용기 홀더(예를 들어, 4개의 96-우물 플레이트는 총 384개의 용기를 제공함)를 동시에 이용한다. 용기 홀더의 예는 복수의 개구를 형성하는 직사각형 블록(도시 생략)이고, 블록의 각각의 개구는 하나의 용기(예를 들어, 30)를 유지하기 위해 치수 설정된다. 블록은 직사각형 블록이 단단히 안착될 수 있는 직사각형 프레임(도시 생략), 직사각형 블록의 정면 및 후면이 압박될 수 있는 이격된 대향 레일들을 갖는 프레임을 추가로 포함할 수 있다.
바람직하게는, 제 4 실시예의 방법은 제 3 실시예의 고처리량 작업흐름 시스템을 이용한다. 더 바람직하게는, 고처리량 작업흐름 시스템은 제 4 실시예의 방법에 따라, 2개 이상의 동적 혼합 장치(예를 들어, 70)의 2개 이상(즉, 복수)의 용기(예를 들어, 30)의 각각 내에서 2개 이상의 유동성 재료를 혼합하는 것이 가능하고, 용기의 상이한 것들 내의 유동성 재료는 동일하거나 상이할 수 있다. 바람직하게는, 회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10)의 회전 방향은 인접한 것들 사이에서 상이하고, 따라서 고처리량 작업흐름 시스템의 2개 이상의 동적 혼합 장치(예를 들어, 70)의 모든 다른 것들에서 동일하다.
용어 "작업흐름"은 실험적 설계의 단계, 2개 이상의 재료를 함께 혼합하여 혼합물을 제공하는 단계, 혼합물을 독립적으로 분석하여 그 하나 이상의 특징 또는 특성(예를 들어, 혼합도)을 결정하는 단계 및 최종 혼합물 분석으로부터 데이터를 수집하는 단계를 포함하는 통합 프로세스를 의미한다. 이와 관련하여, 용어 "고처리량 작업흐름"은 작업흐름의 단계가 통합되고 시간 압축되어 고처리량 작업흐름의 통합 프로세스를 실행하기 위한 전체 시간이 표준 비고처리량 작업흐름의 대응 프로세스를 실행하기 위한 전체 시간보다(예를 들어, 임의의 대응 종래의 프로세스)2.0배 이상(예를 들어, 10, 50 또는 100배 이상) 빠르게 되는 것을 의미한다. 바람직하게는, 제 3 실시예의 고처리량 작업흐름 시스템은 유동성 재료, 특히 액체를 복수의 용기 내에 분산하기 위한 재료 분배 로봇을 추가로 포함한다.
본 발명은 압력 환경을 변경하는 수단(도시 생략), 유동성 재료의 가열 또는 냉각 수단(도시 생략) 또는 양자 모두를 용기(예를 들어, 30) 내에 추가로 포함하거나 이용할 수 있는 몇몇 실시예를 고려한다. 이러한 가열 수단의 예는 적외선 복사, 마이크로파 복사, 고온 환경, 가열욕(예를 들어, 따뜻한 물 또는 미네랄 오일욕)이고 바람직하게는 그 내부에 배치된 온도 조절 가열 요소(예를 들어, 전기 가열 요소)를 갖는 용기 홀더를 이용한다. 이러한 냉각 수단의 예는 차가운 공기 환경, 냉각욕[얼음/물 욕 및 온도 조절 냉각 요소(예를 들어, 냉각된 글리콜 라인)를 갖는 용기 홀더(도시 생략)]이다. 제 4 실시예의 방법을 수행하기 위한 바람직한 온도 범위는 0℃ 내지 120℃이다. 주위 온도(예를 들어, 20℃)가 바람직하다. 주위 온도에서 이동하거나 혼합이 곤란한 유동성 재료가 이용될 때(예를 들어, 100,000 cP 초과 및 바람직하게는 500,000 cP 미만의 점도를 갖는 액체 또는 1.5 이상의 팩터만큼 상이한 밀도를 갖는 유동성 재료), 유동성 재료는 이들의 유효 점도를 낮추기 위해 전술된 바와 같이 가열될 수 있다.
제 4 실시예의 방법은 부가의 유동성 재료가 방법의 수행 중에 첨가되는 절차를 고려한다.
본 발명의 회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10, 12) 및 동적 혼합 장치(예를 들어, 70)는 당 기술 분야에 사용을 위해 공지된 하나 이상의 재료로부터 구성될 수 있다. 재료의 예는 금속(예를 들어, 티타늄), 금속 합금[예를 들어, 강, 스테인레스강 및 하스텔로이(HASTELLOY)
Figure pct00002
(헤인즈 인터내셔널 인크(Haynes International, Inc.)) 합금], 글래스(예를 들어, 보로실리케이트 글래스), 세라믹, 플라스틱(예를 들어, 폴리프로필렌 및 폴리테트라플루오로에틸렌), 보강 플라스틱(예를 들어, 파이버글래스 보강 플라스틱) 및 이들의 조합이다. 회전형 혼합 디바이스용 바람직한 구성 재료는 금속과, 예를 들어 넘버 316 스테인레스강과 같은 금속 합금, 또는 고처리량 작업흐름 시스템이 사용되는 경우에 예를 들어 폴리(아크릴산) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 유기 폴리머이다.
본 발명은 임의의 유동성 재료를 이용하는 것을 고려한다. 용어 "유동성 재료"는 미립자 고체, 액체 또는 가스를 의미한다. 바람직하게는, 유동성 재료는 액체 유동성 재료 및 고체 유동성 재료, 2개 이상의 상이한 액체 유동성 재료 또는 액체 유동성 재료 및 기체 유동성 재료를 포함한다. 용어 "미립자 고체"는 명확한 형상 및 체적을 갖는 물질을 의미하고, 비정질, 결정질 또는 반결정질 형태 및 예를 들어, 플레이크, 플레이트, 구, 난형체, 정사각형 형상, 니들 등과 같은 형상을 포함한다. 바람직한 미립자 고체는 유탁제 또는 충전제(예를 들어, 탈크, 이산화실리카, 이산화티타늄, 무기 점토, 유기점토, 카본 블랙, 산화지르코늄 및 산화알루미늄)이다. 용어 "액체"는 하나 이상의 용제 내의 하나 이상의 용질의 용액 및 순 물질을 포함한다. 바람직한 액체는 예를 들어 실리콘 오일, 실리콘 그리스, 탄화수소 오일 및 그리스, 용제 내의 탄화수소 왁스의 용액, 물 내의 폴리머 라텍스 분산물, 유기 용제 내에 용해된 폴리머, 물 내에 용해된 수용성 폴리머(예를 들어, 폴리에틸렌 산화물), 구아 또는 크산틱 검과 같은 천연 검과 같은 20℃에서 고점도 액체와, 예를 들어 물, 200℃ 미만의 비등점을 갖는 유기 용제(예를 들어, 알코올, 글리콜, 케톤, 염소화 용제), 디메틸프롬알데히드 및 N-메틸피로리딘과 같은 아미드, 에테르 및 테트라하이드로퓨란과 같은 고리형 에테르, 및 톨루엔 및 자일렌과 같은 방향족 솔벤트와 같은 20℃에서 저점도 액체이다. 바람직한 가스는 이산화탄소와, 플루오로트리클로로메탄(CFC 11), 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판, 1,1,2,2,3,3-헥사플루오로프로판, 1,1,1,2,3-펜타플루오로프로판, 1,1,1,3,3-펜타플루오로부탄, 사이클로펜텐, 노멀-펜탄, 1,1,2,2-테트라플루오로에탄, 1,1,1-트리플루오로에탄, 1,1-디플루오로에탄 및 1,1-디클로로플루오로에탄과 같은 발포제이다.
2개 이상의 유동성 재료가 본 발명에 따라 용기 내에서 조합되어 혼합될 때, 동일한 용기(예를 들어, 30) 내의 유동성 재료는 서로로부터 상이하다. "상이하다"는 것은 유동성 재료가 예를 들어 조성, 상태(즉, 고체, 액체 또는 기체), 밀도, 순도, 점도 또는 이들의 2개 이상의 조합에 의해 서로 다르다는 것을 의미한다. 2개 이상의 유동성 재료의 조합의 예는,
녹 억제제, 산화 방지제, 살생물제 및 패시베이터(passivator)와 같은 액체 또는 고체 첨가제의 하나 이상과 폴리글리콜(예를 들어, 폴리에테르 기반 또는 폴리에스테르 기반 글리콜)의 조합,
1차 계면 활성제(예를 들어, 지방산 또는 설폰산), 비이온성 계면 활성제, 발포제(예를 들어, 알카놀아미드), 증점제(rheology modifier)(예를 들어, 메틸셀룰로오스), 조절제(예를 들어, 실리콘 및 염), 방부제(예를 들어, 항균제) 또는 개질제(예를 들어, 산, 염기, 유탁제 또는 방향제)와 같은 액체 또는 고체 첨가제의 하나 이상과 물의 조합,
고체(예를 들어, 안료, 무기 점토 또는 염색제) 및 물 내의 라텍스의 콜로이드 용액, 용제 내에 용해된 첨가제 중 2개 이상의 조합으로서, 여기서 첨가제는 계면 활성제, 필름 형성제, 발포 방지제, 항균제, 분산제, 중화제 또는 증점제인 조합,
액체(에폭시 프리폴리머) 및 용제(예를 들어, 아세톤 또는 톨루엔) 내에 용해된 경화제(예를 들어, 비스페놀 A) 및 접착제[충전제, 유탁제, 강화재, 증점제, 가속제(예를 들어, 경화제), 접착 촉진제, 착색제 및 산화 방지제] 중 2개 이상의 조합, 및
이소시아네이트 및 글리콜로부터 제조된 폴리우레탄 프리폴리머, 아민 촉매, 분산제, 발포제, 계면 활성제 및 가소제 중 2개 이상의 조합이다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "점도"는 브룩필드(Brookfield) CAP-2000 원추 및 플레이트 점도계[미국 매사추세츠주 미들보로 소재의 브룩필드 엔지니어링 래버러터리즈 인크(Brookfield Engineering Laboratories, Inc.)] 및 바로 이어지는 테스트 방법을 사용하여 측정된 바와 같은 20℃에서의 동적 점도를 의미한다. 테스트 방법: 필요하다면 약 30분 동안 점도계를 워밍업한다. 통상의 수단에 의해 점도 표준을 사용하여 점도계를 교정한다. 점도계의 온도 제어를 설정하고, 테스트 샘플을 플레이트 상에 분배하고, 적절한 원추(공지되어 있을 수 있는 바와 같이)를 그에 부착하여 부착된 테스트 샘플이 원추의 면을 완전히 덮고 원추의 에지를 넘어 약 1 mm 연장하게 한다. 약 1분 내지 3분 대기하여 부착된 테스트 샘플이 온도 평형에 도달하게 하고, 이어서 원추가 원추에 대해 적절한 속도로 회전하면서(공지되어 있을 수 있는 바와 같이) 그와 함께 점도 측정을 실행하고, 테스트 샘플에 대한 최종 출력된 점도값을 기록한다.
몇몇 실시예에서, 제 4 실시예의 방법은 중간 또는 고점도 액체인 적어도 하나의 유동성 재료 또는 액체인 적어도 2개의 유동성 재료를 이용하고, 유동성 재료들 중 적어도 하나는 저점도 액체[즉, 20℃에서 0.3 cP(0.0003 파스칼-초(Pa-S)) 내지 200 cP(0.2 Pa-s) 미만의 동적 점도를 갖는 액체]이고, 유동성 재료의 적어도 다른 하나는 중간 점도 액체[즉, 20℃에서 200 cP(0.2 Pa-s) 내지 10,000 cP(10 Pa-s) 미만의 동적 점도를 갖는 액체] 또는 바람직하게는 고점도 액체[즉, 20℃에서 10,000 cP 내지 200,000 cP(10 Pa-s 내지 200 Pa-s)의 동적 점도를 갖는 액체]이다. 몇몇 실시예에서, 적어도 2개의 유동성 재료의 적어도 하나는 유동성 액체이고, 적어도 2개의 유동성 재료의 적어도 다른 하나는 유동성 가스(20℃에서 특징화됨)이고, 유동성 가스는 20℃에서 0.009 cP(0.000009 Pa-s) 내지 0.00003 Pa-s 미만의 동적 점도를 갖고, 유동성 액체는 0.4 cP(0.0004 Pa-s) 내지 200,000 cP(200 Pa-s)의 동적 점도를 갖고, 동적 점도는 브룩필드 CAP-2000 원추 및 플레이트 점도계를 사용하여 섭씨 20도에서 측정되고, 방법은 10분 미만의 그 대략 균일한 혼합물을 제공한다.
재료
일반 조건.
사용된 유동성 재료: 유체 1 및 2
유체 1: 0.1 mL 청색 수용성 식품 컬러와 혼합되어 약 0.001 Pa-s(1 cP)의 점도의 유체를 함께 형성하는 2 mL 물
유체 2: 약 10 Pa-s(10,000 cP)의 점도의 20 mL의 옥수수 시럽
유리병 내에서 혼합된 유동성 재료의 퍼센트 혼합 균일도(즉, 혼합도)의 계산
옥수수 시럽(유체 2)은 매우 밝은 색이고 염료(유체 1)를 포함하는 물은 진한 청색 음영을 갖기 때문에, 2개의 유체 사이에 명확한 색 대비가 존재한다. 혼합 실험의 디지털 비디오 레코딩을 생성한 후에, 소스 비디오 레코딩으로부터의 이미지가 적절한(예를 들어, 규칙적인, 예를 들어, 매 10초마다) 시간 간격에서 추출된다. 각각의 추출된 이미지에서, 유리병의 단면적은 ImageJ(버전 1.42k) 개방 소스 이미지 편집 및 분석 소프트웨어를 사용하여 후속의 분석을 위해 선택된다. ImageJ 소프트웨어는 사용자가 상대 색 대비를 정량화할 수 있게 하고 이미지의 선택된 영역 내부의 각각의 화소가 "청색" 또는 "비청색"인지를 선언하는 스레시홀드(Threshold)라 칭하는 유틸리티를 포함한다. 매크로를 사용하여, ImageJ 소프트웨어는 청색 및 비청색 영역의 모두의 분획 영역을 결정하는 것을 돕는다. 실험 중에, 염색수(유체 1)는 추출된 이미지에서 명확하게 되는 연한 청색의 영역을 생성하는 옥수수 시럽(유체 2) 내에 부분적으로 혼합된다. 이러한 부분 혼합이 레코딩되는 추출된 이미지의 부분을 고려하기 위해, "청색"에 대한 기준점이 완전히 혼합된 용액(즉, 균일한 혼합물)의 최종 이미지를 사용하여 설정된다. 적어도 완전히 혼합된 유체만큼 밝은 색 대비를 나타내는 영역은 "청색"으로 고려되고, 완전히 혼합된 유체보다 적은 대비를 갖는 영역은 "비청색"으로 고려된다. 각각의 이미지는 실험 중에 형성되는 혼합 와류와 관련된 빈 공간을 보정하도록 정규화된다.
본 발명의 예(들)
본 발명의 비한정적인 예가 이하에 설명된다. 몇몇 실시예에서, 본 발명은 예들 중 임의의 하나에 설명된 바와 같다.
예 1: 대략 균일한 혼합물을 준비하기 위한 저점도 유동성 재료(유체 1)와 고점도 재료(유체 2)의 혼합
20 mL의 유체 2 및 2 mL의 유체 1을 40 mL의 유리병[예를 들어, 30, 예를 들어 1 인치(2.54 센티미터(cm)) 직경 및 3.15 인치(8.00 cm) 길이 및 편평한 저부를 갖는 유리병]에 첨가하여 그 내부에 불완전하게 혼합된(본질적으로, 혼합되지 않은) 테스트 샘플을 제공하고, 유리병은 불완전하게 혼합된 샘플 위에 헤드공간(headspace)[예를 들어, 도 2에 대해 전술된 바와 같이 용기(30) 내의 가상 충전 라인(35) 위의 공간]을 갖는다. 복제 테스트 샘플을 준비하기 위해 반복한다. 유체 1은 덜 조밀하고, 따라서 유체 2의 상부에 부유한다. 2개의 나선형 혼합 요소(예를 들어, 50, 50A)를 각각 갖는 상이한 회전형 혼합 디바이스(예를 들어, 10)의 부분을 불완전하게 혼합된 샘플 내에 침지시켜, 양 나선형 혼합 요소가 그 내부에 침지되게 된다. 각각의 회전형 혼합 디바이스는 도 1a에 도시된 바와 같이 일반적인 구성이고, 7/16 인치(1.1 cm)의 직경(De) 및 ¾ 인치(1.9 cm)의 길이(Le)를 갖고 치수 설정된다. 나선형 혼합 요소는 약 180도의 비틀림 각도(Te)를 갖는다. 약 0.2 인치(0.51 cm)의 유리병의 저부로부터 거리(Sa)가 되도록 회전형 혼합 디바이스의 선단 나선형 혼합 요소(즉, 도 1a의 저부 나선형 혼합 요소)의 선단 에지를 이격한다. 분당 600 회전수(rpm)에서 회전형 혼합 디바이스를 회전시킴으로써 실시예의 방법에 따라 그 내부에서 유체 1 및 유체 2를 혼합한다. 시간의 함수로서 기록된 비디오 이미지를 얻기 위해 DCR-VX2000 NTSC HANDYCAMTM 디지털 비디오 카메라 및 레코더(일본 도쿄 소재의 소니 코포레이션)를 사용하여 비디오 촬영함으로써 뿐만 아니라 시각적으로 유체들의 혼합을 모니터링한다.
[표 1]
유체 1 및 유체 2의 퍼센트 혼합 균일도
Figure pct00003
* 불완전하게 혼합된 테스트 샘플에 대해
표 1에 나타낸 결과의 분석은 단지 24초 후에, 회전형 디바이스가 99% 초과의 혼합 균일도를 나타낸다는 것을 지시한다. 퍼센트 혼합 균일도는 84초에 100%(완전한 혼합)에 도달한다.
제 1 실시예의 회전형 혼합 디바이스, 제 2 실시예의 동적 혼합 장치, 제 3 실시예의 시스템 및 제 4 실시예의 방법은 혼합 유동성 재료로부터 이득을 얻을 수 있는 임의의 절차, 프로세스 또는 방법에 유용하다. 실시예는 적어도 하나의 유동성 재료가 20℃에서 중간 또는 고점도 액체(예를 들어, 그로부터 용질의 결정화를 위한 고점도 용액)를 갖는 것으로서 특징화 가능한 액체이고 적어도 하나의 유동성 재료는 저점도를 갖는 것으로서 특징화 가능한 액체 또는 가스인 유동성 재료를 혼합하기 위해 특히 유용하다. 따라서, 실시예는 전술된 용례에서 유용하다.
본 발명이 그 바람직한 실시예에 따라 전술되었지만, 이는 본 개시 내용의 사상 및 범주 내에서 수정될 수 있다. 따라서, 본 출원은 본 명세서에 개시된 일반적인 원리를 사용하여 본 발명의 임의의 변형, 사용 또는 적용을 커버하도록 의도된다. 또한, 본 출원은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 공지의 또는 통상의 실시 내에 있고 이하의 청구범위의 한계 내에 있는 본 개시 내용으로부터 이러한 일탈을 커버하는 것으로 의도된다.
10: 회전형 혼합 디바이스 12: 회전형 혼합 디바이스
20: 연결 수단 22: 구동 가능 원통형 샤프트
24: 연결 샤프트 30: 용기
32: 저부 부분 34: 벽부
36: 포위된 체적 공간 38: 개구
50: 선단 나선형 혼합 요소 50A: 후단 나선형 혼합 요소
56: 선단 에지 58: 후단 에지

Claims (14)

  1. 선단 나선형 혼합 요소, 후단 나선형 혼합 요소, N개의 중간 나선형 혼합 요소들로서, 여기서 N은 0 이상의 정수인 상기 중간 나선형 혼합 요소들, 및 X개의 연결용 수단(연결 수단)으로서 여기서 X는 1 더하기 N인 연결 수단을 포함하는 회전형 혼합 디바이스로서,
    상기 나선형 혼합 요소들은 비틀린 리본 형상 및 동일한 비틀림 방향(즉, 도는 방향)을 갖고, 상기 회전형 혼합 디바이스는 상기 선단, 중간 및 후단 나선형 혼합 요소들이 서로 축방향으로 정렬되고 순차적으로 작동 연결되는 방식으로 구성되고, 인접한 나선형 혼합 요소들 사이의 각각의 작동 연결부는 독립적으로 연결 수단 중 하나를 포함하고, 각각의 나선형 혼합 요소는 독립적으로 이격된 선단 및 후단 에지들, 종축, 그 종축을 따른 길이(Le), 그 종축에 대한 90도(°) 내지 360°의 비틀림각(Te), 그 종축에 수직인 직경(De)을 갖는 것으로서 특징화 가능하고, De≤Le≤2De의 각각의 Le 및 De 사이의 수학적 관계에 의해 특징화 가능한 상기 나선형 혼합 요소의 구성을 설정하기 위해 치수 설정되고, 인접한 나선형 혼합 요소들 및 이를 통해 이들 나선형 혼합 요소들이 연결되는 연결 수단은 각각 0Le≤Sa≤Le의 이들의 각각의 Le와 Sa 사이의 수학적 관계 및 0° 내지 90°의 αa의 값에 의해 특정화 가능한 인접한 나선형 혼합 요소들 사이의 상대 간격 및 배향을 독립적으로 설정하기 위해 인접한 나선형 혼합 요소들 중 하나의 선단 에지를 인접한 나선형 혼합 요소들 중 다른 하나의 후단 에지에 대해 오프셋각(αa)에서 및 이격 거리(Sa) 이내에서 배치하는 방식으로 구성되는 회전형 혼합 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, αa는 75°≤αa≤90°인 회전형 혼합 디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Sa는 0Le인 회전형 혼합 디바이스.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Sa는 0Le<Sa≤Le인 회전형 혼합 디바이스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 회전형 혼합 디바이스 및 용기를 포함하는 동적 혼합 장치로서, 상기 용기는 상부 부분 및 저부 부분 및 벽부를 갖고, 상기 상부 부분은 개구를 형성하고, 상기 벽부는 상기 상부 부분과 상기 저부 부분을 이격하고 상기 용기 내에 포위된 체적 공간을 형성하기 위해 상기 상부 부분과 상기 저부 부분 사이에 배치되고, 상기 용기는 상기 상부 부분의 개구와 상기 저부 부분 사이에 종축을 갖고, 상기 회전형 혼합 디바이스의 적어도 나선형 혼합 요소들은 상기 용기의 포위된 체적 공간 내에 배치되는 동적 혼합 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 용기는 그 종축에 수직이고 상기 용기의 포위된 체적 공간 내에 있는 내경(Dc)을 갖는 것으로서 특징화되고, 상기 동적 혼합 장치는 0.10Dc≤De≤0.70Dc의 Dc와 각각의 De 사이의 수학적 관계를 설정하는 방식으로 치수 설정되는 동적 혼합 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 회전형 혼합 디바이스의 모든 나선형 혼합 요소들은 상기 회전형 디바이스 및 상기 용기가 서로 대략적으로 축방향으로 정렬되는 방식으로 상기 용기의 포위된 체적 공간 내에 배치되고 상기 선단 나선형 혼합 요소의 선단 에지는 0Le<δb≤Le의 상기 선단 나선형 혼합 요소의 δb와 Le 사이의 수학적 관계를 설정하기 위해 거리(δb)만큼 상기 용기의 저부 부분으로부터 이격되는 동적 혼합 장치.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 적어도 2개의 동적 혼합 장치들을 포함하는 고처리량 작업흐름 시스템.
  9. 2개 이상의 유동성 재료들을 함께 혼합하는 동적 혼합 방법으로서, 상기 2개 이상의 유동성 재료들은 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 동적 혼합 장치의 용기의 포위된 체적 공간 내에 배치되고, 상기 2개 이상의 유동성 재료들은 그 불완전하게 혼합된 조성물의 형태이고, 상기 불완전하게 혼합된 조성물은 상기 용기의 포위된 체적 공간보다 작고 상기 회전형 혼합 디바이스의 나선형 혼합 요소들의 적어도 선단 혼합 요소에 적어도 대부분 침지되기 위해 충분한 총 체적을 포함하는 동적 혼합 방법에 있어서,
    상기 회전형 혼합 디바이스에 인접한 2개 이상의 유동성 재료들의 동시 하향 지향 유동 및 상기 하향 지향 유동에 인접하여 상기 회전형 혼합 디바이스로부터 이격된 2개 이상의 유동성 재료들의 상향 지향 유동을 설정하기 위해 상기 나선형 혼합 요소들의 도는 방향에 적절한 방향에서 충분한 속도로 상기 동적 혼합 장치의 회전형 혼합 디바이스를 독립적으로 회전시키는 단계를 포함하고, 상기 하향 지향 유동 및 상기 상향 지향 유동은 상기 회전형 혼합 디바이스 및 용기의 종축들에 본질적으로 평행하고, 이에 의해 상기 2개 이상의 유동성 재료들을 함께 혼합하여 그 대략적으로 균일한 혼합물을 제공하는 동적 혼합 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 불완전하게 혼합된 조성물은 상부면을 갖고, 모든 상기 혼합 요소들은 상기 불완전하게 혼합된 조성물 내에 침지되는 동적 혼합 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 불완전하게 혼합된 조성물의 상부면은 0Let≤δS≤Let의 후단 나선형 혼합 요소의 δS 및 Le 사이의 수학적 관계를 설정하기 위해 거리(δS)만큼 상기 후단 나선형 혼합 요소의 후단 요소로부터 이격되고, Let는 상기 후단 나선형 혼합 요소의 길이(Le)인 동적 혼합 방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 적어도 하나의 부가의 동적 혼합 장치를 이용하여, 이에 의해 총 적어도 2개의 동적 혼합 장치들을 이용하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 2개의 동적 혼합 장치들은 고처리량 작업흐름 시스템을 포함하는 동적 혼합 방법.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 유동성 재료들의 각각은 동적 점도를 갖는 것으로서 독립적으로 특징화 가능하고, 상기 적어도 2개의 유동성 재료들 중 하나의 동적 점도는 0.0003 파스칼-초 내지 0.2 파스칼-초 미만이고, 상기 적어도 2개의 유동성 재료들 중 다른 하나의 동적 점도는 10 파스칼-초 내지 200 파스칼-초이고, 상기 동적 점도들은 브룩필드 CAP-2000 원추 및 플레이트 점도계를 사용하여 섭씨 20도에서 측정되고, 상기 방법은 10분 미만에 그 대략 균일한 혼합물을 제공하는 동적 혼합 방법.
  14. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 유동성 재료들 중 적어도 하나는 유동성 액체이고, 상기 적어도 2개의 유동성 재료들 중 적어도 다른 하나는 유동성 가스이고, 상기 유동성 가스는 20℃에서 0.000009 파스칼-초 내지 0.00003 파스칼-초 미만의 동적 점도를 갖고, 상기 유동성 액체는 0.0004 파스칼-초 내지 200 파스칼-초의 동적 점도를 갖고, 상기 동적 점도들은 브룩필드 CAP-2000 원추 및 플레이트 점도계를 사용하여 섭씨 20도에서 측정되고, 상기 방법은 10분 미만에 그 대략 균일한 혼합물을 제공하는 동적 혼합 방법.
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