KR20190118177A

KR20190118177A - 구아율 라텍스 압출

Info

Publication number: KR20190118177A
Application number: KR1020197026643A
Authority: KR
Inventors: 니콜라스 사우티; 브리트니 선데이; 하워드 콜빈
Original assignee: 쿠퍼 타이어 앤드 러버 캄파니
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2019-10-17
Also published as: WO2018148731A1; CN110402256B; EP3580243A4; MX2019009456A; KR102451438B1; CN110402256A; US20180230243A1; US11440977B2; JP7365901B2; CA3052478A1; EP3580243A1; EP3580243B1; JP2020507651A

Abstract

라텍스 가공 시스템(100) 및 방법(200)은 라텍스(104)에서 확인되는 수지를 제거하고, 상기 라텍스(104)를 응고시켜, 응괴를 형성하기 위해, 압출기(102)에서 라텍스 및 적어도 하나의 용매 배합물(138, 140, 142)을 혼합하는 단계를 수반한다. 적어도 하나의 용매 배합물(138, 140, 142)은 라텍스를 응고시키도록 구성된 제1 용매, 및 생성된 응괴를 팽윤시키도록 구성된 제2 용매를 가진다. 특히, 용매 배합물(138, 140, 142) 시리즈는 압출기(102)의 길이를 따라 상이한 위치(106, 144, 146)에서 사용될 수 있고, 상이한 위치(106, 144, 146)에서 도입되고 상이한 비(ratio)의 제1 용매 및 제2 용매를 갖는 제1 용매 및 제2 용매의 별개의 배합물들(138, 140, 142)을 추가로 포함할 수 있다.

Description

구아율 라텍스 압출

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2017년 2월 13일에 출원된 미국 가출원 62/458,300의 이득을 주장한다. 상기 출원의 전체 개시내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.

기술분야

본 개시내용은 비-히비어 식물(non-Hevea plant)로부터 천연 고무 라텍스를 추출하기 위한 시스템 및 방법, 보다 특히 구아율 관목(guayule shrub)으로부터 천연 고무 라텍스를 추출하기 위한 압출-기초 시스템 및 방법에 관한 것이다.

"히비어 나무(Hevea tree)" 또는 "고무 나무"로도 공지된 식물 히비어 브라실리엔시스(Hevea brasiliensis)는 천연 고무의 잘-공지된 공급원이다. 미국에서 천연 고무 소모량은 대체로 히비어 나무로부터 유래된다. 히비어 나무, 및 다른 식물, 예컨대 피쿠스 엘라스틱(Ficus elastic) 또는 "인도 고무 나무", 및 크립토스테기아 그란디플로라(Cryptostegia grandiflora) 또는 "마다가스카르 고무 덩굴(rubber vine)"과 같은 고무 공급원은 모두, 고무 라텍스를 함유하는 수액(sap)의 형태로 천연 고무를 생산하며, 상기 수액은 자유 유동하고 식물의 수액 채취(tapping)에 의해 회수될 수 있다.

다양한 비-히비어 식물이 또한, 천연 고무를 함유하는 것으로 공지되어 있다. 그러나, 이들의 고무는 통상, 식물, 예컨대 줄기, 뿌리 또는 잎의 개별 세포 내에 저장된다. 이들 비-히비어 식물 내의 라텍스는 수액 채취에 의해 접근될 수 없고, 대신에 물리적 수단 또는 다른 수단을 통해 세포벽을 분해함으로써 접근될 수 있을 뿐이다. 이러한 이유에서, 비-히비어 식물로부터 고무를 제거(removal)하는 공정은 일반적으로, 히비어 나무와 같은 수액-생산 공급원으로부터 고무를 수합하는 공정보다 더 복잡하다.

특정 비-히비어 식물은 흔히 구아율 관목으로 공지된 파르테늄 아르겐타툼(Parthenium argentatum)이다. 역사적으로, 미국에 의해 수입된 압도적으로 대부분의 히비어-유래 천연 고무는 인도네시아, 말레이시아 및 태국에서 기원한다. 그러나, 구아율 관목으로부터의 천연 고무는 미국 남서부 및 멕시코 북부에서 성장될 수 있고, 따라서 미국에서 히비어-유래 천연 고무에 대한 국내 대체재로서 바람직하다.

구아율 관목으로부터 구아율 고무를 단리하기 위한 몇 가지 방식 및 연관된 변형이 존재한다. 이들 방식은 3개의 범주: 부유(flotation); 라텍스 공정; 및 용매 공정으로 분류될 수 있다.

부유 공정의 일례는 Hoover 등의 미국 특허 2,408,853에서 확인되고, 분쇄되거나 또는 절단되어 고사된(defoliated) 구아율 관목이 어떻게 슬러리에서 페블 밀(pebble mill)되어 "고무 웜(rubber worm)"을 형성하는지 기재하고 있으며, 상기 고무 웜은 그 후에 부유에 의해 분리된다. Hoover 등은 또한, 발효 방법에 의한 고무 웜의 정제를 기재하고 있다.

라텍스 공정은 Cornish의 미국 특허 5,580,942에 기재되어 있다. Cornish 특허는 식물을 수성 매질 내에서 균질화하고, 균질물을 여과하고, 고무-함유 상(phase)을 수성상으로부터 원심분리에 의해 분리함으로써 구아율 라텍스를 제조하는 공정을 기재한다.

Buchanan의 미국 특허 4,136,131에서, 용매 공정이 구아율 관목으로부터 구아율 고무를 추출하기 위한 프로토콜 형태로 기재되어 있다. Buchanan 공정은 구아율 관목의 크기 감소 및 발생된 입자의 형상화, 그 후에 선택된 용매를 이용한 수지 및 고무의 순차적인 추출을 포함한다.

그 후에, 라텍스를 추출하는 데 사용된 공정과 상관 없이, 고무 라텍스로부터 천연 고무의 회수가 응고, 뒤이어 추출에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, Cole 등의 미국 특허 8,815,965는 비-히비어 라텍스가 어떻게 유기 용매와 접촉되어 고무-풍부 유기상 및 고무-빈곤(poor) 수성상이 수득될 수 있는지 기재하고 있다. 유기상의 추가의 가공(예를 들어 추출 및 건조)은 고형 구아율 고무를 제공한다.

통상적으로-가공된 구아율 라텍스는 정상적으로, Cornish의 미국 특허 5,580,942에 서술된 기술을 사용하여 구아율 식물로부터 수득된다. 이러한 라텍스는 적어도 50% 고형분까지 농축될 수 있지만, 더 낮은 수준도 사용될 수 있다. 라텍스는 무기 염, 전형적으로 칼슘 염의 용액과 혼합되며, 이는 계면활성제를 탈안정화시키고 응고를 초래하여 고형 고무를 형성할 것이다. 그 후에, 중합체는 안정화되어, 산화를 방지하고 건조될 수 있다.

구아율 라텍스는 정상적으로, 등가량의 수지를 함유하고, 바람직한 물리적 특성을 갖는 천연 고무를 제공하기 위해서는 이러한 수지가 제거되어야 한다. 수지 제거를 다루는 공지된 공정은 Clark의 미국 특허 2,618,670을 포함하며, 이의 개시내용의 전체는 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. Clark 특허는 구아율 수지가 어떻게 메틸 에틸 케톤/물 공비 혼합물을 추출 매질로서 사용함으로써 구아율 고무-함유 물질로부터 추출될 수 있는지 기재하고 있다. Martin 등의 미국 특허 9,273,153 또한, 압출기에서 구아율 라텍스의 가공을 기재하고 있다. Martin 등의 특허에서, 구아율 라텍스는 압출기에 공급되고, 여기에서 고무의 응고, 세척 및 건조가 기재되어 있다. 용매 및 용매 배합물이 Martin 등에 의해 언급되어 있긴 하지만, 제1 용매가 라텍스를 응고시키도록 구성되고 제2 용매가 생성된 응괴(coagulum)를 팽윤시키도록 구성된 용매 시스템(배합물)을 구체적으로 선택하는 중요성에 대한 어떠한 이해도, 어떠한 예도 없다. 사실상, 응괴의 용매 팽윤은 Martin 등에 의해 개시되어 있지 않다.

구아율 관목과 같은 비-히비어 공급원으로부터 고무를 수득하기 위한 보다 효율적이고 효과적인 시스템 및 방법에 대한 필요성이 계속 존재하고, 이러한 시스템 및 방법은 우수한 천연 고무 품질 및 유용성을 초래할 것이다. 바람직하게는, 상기 시스템 및 방법은 천연 고무 라텍스의 응고 및 추출을 용이하게 한다.

본 개시내용에 따르면, 우수한 천연 고무 품질 및 유용성을 초래할 것이며 천연 고무 라텍스의 응고 및 추출을 용이하게 하는, 구아율 관목과 같은 비-히비어 공급원으로부터 고무를 수득하기 위한 보다 효율적이고 효과적인 시스템 및 방법이 놀랍게도 발견되었다.

일 구현예에서, 라텍스 가공 방법은 라텍스와 적어도 하나의 용매 배합물을 압출기에서 혼합하는 단계를 포함한다. 적어도 하나의 용매 배합물은, 라텍스에서 확인되는 수지를 제거하고 상기 라텍스를 응고시켜 응괴를 형성하도록 구성된다. 적어도 하나의 용매 배합물은 제1 용매 및 제2 용매를 포함한다. 상기 제1 용매는 라텍스를 응고시키도록 구성되고, 상기 제2 용매는 생성된 응괴를 팽윤시키도록 구성된다. 용매 배합물은 상이한 용해성 매개변수를 달성하며, 따라서 고무는 용매상에서 혼화되지 않고 팽윤은 조심스럽게 조절된다.

또 다른 구현예에서, 라텍스 가공 방법은 압출기의 길이를 따라 상이한 위치에서 일련의 용매 배합물과 라텍스를 혼합하여, 라텍스를 응고시켜 응괴를 형성하고 상기 라텍스에서 확인된 수지를 제거하는 단계를 포함한다. 일련의 용매 배합물은 라텍스를 응고시키도록 구성된 제1 용매 및 생성된 응괴를 팽윤시키도록 구성된 제2 용매를 포함한다. 용매 배합물은 상이한 용해성 매개변수를 달성하며, 따라서 응괴는 용매상에서 혼화되지 않고 팽윤은 조심스럽게 조절된다. 제1 용매와 제2 용매의 별개의 배합물들을 포함하는 일련의 용매 배합물은 상이한 위치에 도입되고, 제1 용매와 제2 용매를 상이한 비율로 갖는다.

보다 다른 구현예에서, 라텍스 가공 시스템은 제1 기계적 필터, 제2 기계적 필터 및 제3 기계적 필터를 갖는 압출기를 포함한다. 상기 압출기는 제1 말단부, 제2 말단부 및 적어도 하나의 스크류를 갖는다. 싱글 스크류가 사용될 수 있긴 하지만, 소정의 구현예에서는 트윈 스크류 압출기가 바람직할 수 있다. 상기 압출기는 추가로, 제1 말단부와 제2 말단부 사이에 위치한 복수의 공정 구역을 가진다. 복수의 공정 구역은 응고 구역, 제1 세척 구역 및 제2 세척 구역을 포함한다. 상기 응고 구역은 라텍스 및 제1 용매 배합물을 수용하고 상기 라텍스를 응괴로 응고시키도록 구성된다. 제1 세척 구역은 응고 구역과 연통(communication)되어 있고, 응괴 및 제2 용매 배합물을 수용하도록 구성된다. 제2 세척 구역은 제1 세척 구역과 연통되어 있고, 응괴 및 제3 용매 배합물을 수용하도록 구성된다. 제1 기계적 필터는 응고 구역과 연통되어 있고, 상기 응고 구역에서 응괴로부터 제1 용매 배합물의 적어도 일부를 제거하도록 구성된다. 제2 기계적 필터는 제1 세척 구역과 연통되어 있고, 상기 제1 세척 구역에서 응괴로부터 제2 용매 배합물의 적어도 일부를 제거하도록 구성된다. 제3 기계적 필터는 제2 세척 구역과 연통되어 있고, 상기 제2 세척 구역에서 응괴로부터 제3 용매 배합물의 적어도 일부를 제거하도록 구성된다.

추가의 구현예에서, 라텍스 가공 방법은 압출기의 응고 구역에서 라텍스와 제1 용매 배합물을 혼합시켜 응괴를 형성하는 단계를 포함한다. 그 후에, 응고 구역에서 제1 용매 배합물의 일부가 제1 기계적 필터를 사용하여 제거된다. 그 후에, 응괴는 제1 세척 구역에서 제2 용매 배합물로 세척된다. 그 후에, 제2 용매 배합물의 일부가 제1 세척 구역에서 제2 기계적 필터를 사용하여 제거된다. 그 후에, 응괴는 제2 세척 구역에서 제3 용매 배합물로 세척된다. 그 후에, 제3 용매 배합물의 일부가 제2 세척 구역에서 제3 기계적 필터를 사용하여 제거된다. 그 후에, 진공이 제3 기계적 필터로부터 다운스트림의 위치에서 압출기에 적용되어, 임의의 잔여량의 제1 용매 배합물, 제2 용매 배합물 및 제3 용매 배합물이 추출된다. 그 후에, 응괴는 압출기의 제2 말단부를 통해 압출되어, 천연 고무를 제공한다.

예시적인 구현예에서, 본 개시내용은 수지를 제거하기 위해 스크류 압출기 및 용매 배합물을 사용하여 구아율 라텍스로부터 구아율 천연 고무를 제조하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 압출기의 응고 구역에서 라텍스를 용매 배합물(예를 들어 아세톤/헥산)과 혼합하는 단계를 포함한다. 구아율 천연 고무는 헥산에서는 가용성이지만, 아세톤에서는 불용성이다. 아세톤은 라텍스를 구아율 천연 고무로 응고시키는 데 사용된다. 헥산은 생성된 구아율 천연 고무를 팽윤시키는 데 사용되어, 보다 효율적인 수지 추출을 위해 상기 고무를 더 부드럽게 만들고 상기 고무와 압출기와의 기계적 상호작용을 증가시킨다. 상기 수지는 응고 구역 후에 기계적 필터를 통해 대부분의 용매와 함께 제거된다. 진공이 사용되어, 총 휘발성 물질을 1% 미만까지 감소시키며, 그 후에 고무가 최종 용도를 위해 압출기를 떠난다.

유리하게는, 아세톤/헥산의 비는, 응괴가 가공되기에(즉, 수지가 추출되기에) 충분할 정도로는 부드럽지만 상기 응괴가 용매에 용해되거나 또는 필터를 통해 밀어질 정도로 부드럽지는 않도록 선택된다. 헥산 습식 분획은 요망되는 양의 팽윤을 유도할 정도로 충분히 높다. 이를 위해 헥산 중량 분획이 특히 약 1% 내지 약 53%, 보다 특히 약 20% 내지 약 40%이어야 한다는 것이 놀랍게도 확인되었다. 물질 팽윤비(mass swell ratio)(즉, 평형에서 팽윤된 고무의 중량/건조 고무의 중량)는 또한, 1.3 내지 2.5, 특히 1.4 내지 2.0, 가장 특히 1.5 내지 1.6이고, 상기 물질 팽윤비는 용매 배합물 내 헥산 함량이 증가함에 따라 비-선형 관계에서 증가한다. 특정 예에서, 이러한 물질 팽윤비는 79-84% 아세톤/21-16% 헥산의 비에 의해 수득된다.

부가적으로, 필터를 통한 응괴의 손실을 최소화하기 위해, 가공 동안 압출기 온도가 또한, 조절된다. 당업자는 요망된다면 압출 공정 동안 압출기에 대한 적합한 온도 또는 온도 범위를 선택할 수 있다.

수지의 가공 및 제거를 최적화하기 위해, 아세톤/헥산의 비가 또한, 압출기의 길이를 따라 변화된다. 예를 들어, 응고 구역에서 응고를 용이하게 하기 위해 상기 비는 64/16일 수 있으며, 제1 세척 구역에서 팽윤을 용이하게 하기 위해 상기 비는 79/21일 수 있고, 제2 세척 구역에서 팽윤을 유지시키고 고무의 과연화(over-softening) 또는 용해를 방지하기 위해 상기 비는 100/0일 수 있으며, 이는 그렇지 않으면 필터를 통한 고무의 손실을 초래할 것이다. 다시 말해, 100/0 비는 팽윤을 최소까지 감소시켜, 팽윤된 물질로부터 용매를 배출시킬 수 있으며, 상기 용매는 용해된 수지를 함유한다.

본 개시내용의 상기 이점뿐만 아니라 다른 이점은 특히 본원에 기재된 도면의 측면에서 고려될 때 하기 상세한 설명으로부터 당업자에게 쉽게 명확해질 것이다.
도 1은 본 개시내용의 일 구현예에 따른, 천연 고무로부터 구아율 수지를 제거하고 구아율 고무 라텍스를 응고시키기 위한 압출기 시스템의 도식도이고;
도 2는 본 개시내용의 일 구현예에 따른, 천연 고무로부터 구아율 수지를 제거하고 구아율 고무 라텍스를 응고시키기 위한 방법을 도시한 흐름도이다.

하기 상세한 설명 및 첨부된 도면은 본 발명의 다양한 구현예를 기재하고 예시한다. 상세한 설명 및 도면은 당업자가 본 발명을 제조하고 사용할 수 있게 하는 역할을 하며, 본 발명의 범위를 임의의 방식으로 제한하려는 것이 아니다. 개시된 방법에 관하여, 제시된 단계는 예시적인 성질을 가지며, 따라서 단계의 순서는 다르게 개시되지 않는 한 필수적이거나 결정적이지 않다.

본 개시내용은 압출기에서 수지 제거와 구아율 라텍스의 응고 둘 모두를 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 상기 개시내용은 응고 공정 동안 구아율 수지를 효과적이고 효율적으로 제거하기 위해, 압출기에서 응고제 및 세척 용매에 대한 용매 배합물의 예상치 못한 놀랍게 발견된 임계성, 뿐만 아니라 압출기 스크류 속도의 적용을 수반한다.

도 1은 압출기(102)의 유입구(106)에서 구아율 라텍스(104)를 수용하기 위한 압출기(102)를 포함하는, 본 개시내용에 따른 시스템(100)의 대표도를 보여준다. 상기 압출기(102)는 제1 말단부(108), 제2 말단부(110) 및 적어도 하나의 스크류(112)를 가진다. 전형적인 압출기 구성을 포함하여 압출, 응고 및 액화(de-volatilization) 작업의 예시적인 설명은 "Direct Extrusion of Polymer Latex Emulsions" by Russell Nichols, Richard Senn and Farokh Kheradi in Advances in Polymer Technology, vol. 3, n 1, p 41-49, 1983에 기재되어 있고, 이의 개시내용의 전체는 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 중합체 에멀젼을 고형 중합체로 전환시키며, 상기 중합체를 탈수시키고, 상기 중합체를 건조하는 공정 또한, Skidmore의 미국 특허 3,742,093에 기재되어 있으며, 이의 전체 개시내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.

특히, 상기 압출기(102)는 제1 말단부(108)와 제2 말단부(110) 사이에 배치된 복수의 공정 구역을 추가로 가진다. 압출기(102)의 복수의 공정 구역은 구아율 라텍스(104)가 가공되어 응괴를 형성하는 응고 구역(114), 제1 세척 구역(116) 및 제2 세척 구역(118)을 포함한다. 응고 구역(114), 제1 세척 구역(116) 및 제2 세척 구역(118) 각각은 또한, 연관된 필터(120, 122, 124)를 가진다. 여러 가지 필터 유형이 사용될 수 있긴 하지만, 기계적 필터가 특히 본 출원에 유용할 수 있다. 예시적인 기계적 필터(120, 122, 124)는 Skidmore의 미국 특허 4,110,843, 및 "Direct Extrusion of Polymer Latex Emulsions" by Russell Nichols, Richard Senn and Farokh Kheradi in Advances in Polymer Technology, vol. 3, n 1, p 41-49, 1983에 기재되어 있고, 이들의 전체 개시내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 예를 들어, 기계적 필터(120, 122, 124)는 소형 트윈 스크류 압출기일 수 있으며, 이는 과량의 용매에 대한 유출구의 역할을 하지만, 연행된(entrained) 고형분을 압출기(102)의 주요 배럴(barrel) 내로 다시 밀어넣는다. 당업자는 또한, 요망된다면 본 개시내용의 범위 내에서 다른 적합한 유형의 필터를 사용할 수 있다.

압출기(102)에는 또한, 적어도 하나의 출입구(126, 128, 130)가 제공되며, 공정 구역 후에 이러한 출입구를 통해 항산화제(132)와 같은 부가적인 성분이 압출기(102) 내로 주입될 수 있거나, 또는 이러한 출입구 상에서 진공(134, 136)이 당겨져서(pull) 용매를 추가로 추출하고 구아율 라텍스(104)로부터 형성된 응괴를 건조할 수 있다.

구아율 라텍스(104)는 유입구(106)를 통해 제1 용매 배합물(138)과 함께 응고 구역(114) 내에 도입될 수 있다. 제1 용매 배합물(138)은 구아율 라텍스(104)를 응고시켜 응괴를 형성하며, 상기 구아율 라텍스(104)에 천연적으로 존재하는 수지를 제거하고, 생성된 응괴에서 팽윤을 유도하여 상기 압출기(102)에서 응괴의 가공을 용이하게 하도록 구성된다. 제2 용매 배합물(140) 및 제3 용매 배합물(142)은 각각 제1 세척 구역(116) 및 제2 세척 구역(118)에서 출입구(144, 146)를 통해 도입된다.

제1 용매 배합물(138), 제2 용매 배합물(140) 및 제3 용매 배합물(142)은 라텍스(104)의 응고에 의해 생성된 응괴로부터 잔여 수지를 제거하도록 추가로 구성되는 한편, 응괴의 팽윤을 가공을 용이하게 하는 수준에서 유지시키며, 한편 추가로 기계적 필터(120, 122, 126)를 통해 압출기(102)로부터의 응괴의 과연화 및 우연한 제거를 방해한다.

특정 예에서, 제1, 제2 및 제3 용매 배합물(138, 140, 142)은 아세톤 및 헥산을 다양한 예정된 비로 포함한다. 그러나, 다른 유형의 용매 및 배합물이 고려되고, 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 여겨진다. 3개 초과의 별개의 용매 배합물들이 또한, 고려된다. 당업자는 요망된다면, 제1, 제2 및 제3 용매 배합물(138, 140, 142), 및 다른 배합물에 적합한 용매 조성물을 선택할 수 있다.

놀랍게도, 용매로서 아세톤만 사용한 경우, 구아율 라텍스(104)로부터 수지가 효과적으로 제거되지 않음이 확인되었다. 용매 배합 조성물의 이러한 임계성은 하기 표 1에 제시되고, 이는 도 1을 참조로 기재되어 있다.

표 1: 용매 배합 조성물의 임계성

	실시예 #1	실시예 #2
응고제	100% 아세톤	71% 아세톤 - 29% 헥산
제1 세척	100% 아세톤	85% 아세톤 - 15% 헥산
제2 세척	100% 아세톤	95% 아세톤 - 5% 헥산

잔여 구아율 수지	11.1%	3.7%
무니 점도 ML1+4	65	78
추출 효율	26%	75%

임의의 특정 이론으로 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 구아율 천연 고무는 헥산에서는 가용성인 한편, 아세톤에서는 불용성이다. 구아율 천연 고무가 가용성인 아세톤/헥산 배합물, 및 구아율 천연 고무가 불용성인 배합물이 존재한다. 용매 중 헥산 중량 분획이 약 53% 미만인 경우, 구아율 천연 고무는 아세톤/헥산 용매 배합물에서 가용성이 아닌 것으로 확인되었다. 대신에, 고무는 소정의 정도까지 팽윤되고, 이는 중합체-용매 상호작용을 반영한다. 물질 팽윤비(즉, 평형에서 팽윤된 고무의 중량/건성 고무의 중량)는 헥산 함량이 증가함에 따라 증가하고, 이러한 관계는 비-선형적이다.

본원에 사용된 바와 같이, 용어 "추출 효율"은 총 수지 함량에 대한, 추출에 의해 제거된 수지의 비(ratio)를 의미한다. 표 1의 예에 대해, 초기 수지 함량은 건조 기준으로 약 15 중량%이었다. 따라서, 실시예 #2의 추출 효율은 순수한 아세톤을 사용한 실시예 #1과 연관된 추출 효율보다 유의하게 더 컸다. 이는, 본 발명 전에 이전에 순수한 아세톤이 수지의 추출에서 그 자체로 충분하다고 여겨졌다는 점에서, 놀랍고 예상치 못한 결과였다.

물질 팽윤비가 증가함에 따라, 물질의 경도 및 점도는 저하되고, 이로써 압출기에서 물질의 기계적 상호작용에 영향을 미친다. 아세톤 및 헥산의 용매 배합물을 수반하는 다양한 물질 팽윤비는 하기 표 2에 제시된다.

표 2: 물질 팽윤비

아세톤	헥산	구아율 고무 물질 팽윤비
100%	0%	1.19
95%	5%	1.31
90%	10%	1.41
85%	15%	1.55
80%	20%	1.67
75%	25%	1.85
70%	30%	2.10
65%	35%	2.51
60%	40%	3.05
55%	45%	4.46
50%	50%	5.69
48%	52%	9.92
47%	53%	14.59

응괴로부터 효율적인 수지 추출을 달성하기 위해, 상기 응괴는, 압출기(102)의 스크류(들)의 기계적 작용이 효율적인 매스 전달(mass transfer)을 위해 상당한 정도의 표면 재개(renewal)를 유도하기에 충분할 정도로 부드러워야 한다. 그렇지만, 응괴가 너무 부드럽다면, 기계적 필터(120, 122, 124)가 압출기 배럴에서 이것을 보유할 수 없게 된다(즉, 손실). 응고 및 제1 세척 구역에서 1.5 내지 1.6의 물질 팽윤비가 바람직한 것으로 결정되었다.

특정 구현예에서, 압출기(102) 가공 구역 전체를 통해 아세톤 중 헥산 중량 분획을 약 16%로 유지시키는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 제1 용매 배합물(138)은 아세톤 중 헥산 중량 분획을 약 0% 내지 약 40%로 가질 수 있으며, 제2 용매 배합물(140)은 아세톤 중 헥산 중량 분획을 5% 내지 약 25%로 가질 수 있고, 제3 용매 배합물(142)은 아세톤 중 헥산 중량 분획을 약 10% 내지 약 20%로 가질 수 있다. 당업자는 요망된다면, 아세톤 중 헥산의 다른 적합한 중량 분획을 선택할 수 있다.

하기 표 3에 제시된 데이터 또한, 본 개시내용의 시스템 및 방법에 대한 압출기 스크류 속도의 임계성을 예시한다. 표 3에 제공된 상세 사항은 비제한적이지만, 단지 특정 압출기 유형에 대한 최적의 작동 범위의 일례로서만 제공됨을 이해해야 한다. 당업자는, 실제 최적 작동 범위가 응고 및 수지 제거 공정에 대해 선택된 구체적인 압출기(102)의 함수일 것임을 이해한다.

표 3: 압출기 스크류 속도의 임계성

	실시예 #1	실시예 #2	실시예 #3	실시예 #4
응고제	84% 아세톤 - 16% 헥산
제1 세척	79% 아세톤 - 21% 헥산
제2 세척	100% 아세톤 - 0% 헥산
스크류 속도	35 rpm	50 rpm	75 rpm	100 rpm

잔여 구아율 수지	5.6%	4.1%	2.1%	1.3%
무니 점도 ML1+4	83	86	95	98
추출 효율	63%	73%	86%	91%

표 3과 관련하여, 많은 매개변수가 추출 효율에 영향을 미침을 또한 이해해야 한다. 그러나, 놀랍게도, 용매 배합 조성물이 1차 인자인 것으로 확인되었다. 다른 매개변수는 스크류 디자인, 스크류 속도, 유속 및 배럴 온도를 포함한다. 부가적으로, 이러한 공정에 대한 최적 값은 45% 수분에서 라텍스에 유효한(valid) 것으로 여겨진다.

작동 시, 도 2에 제시된 바와 같이, 본 개시내용의 라텍스 가공 방법(200)은, 구아율 라텍스(104)를 압출기(102)의 제1 말단부(108)에서 제1 용매 배합물(138)과 혼합하는 제1 단계(202)를 포함한다. 제1 용매 배합물(138)은 구아율 라텍스(104)를 응고시켜, 응괴를 형성하도록 구성된다. 유리하게는, 제1 용매 배합물(138)은 또한, 구아율 라텍스(104)에서 천연적으로 존재하는 수지의 적어도 일부를 추출하도록 구성된다. 특정 구현예에서, 제1 용매 배합물(138)은 약 71% 아세톤과 약 29% 헥산의 혼합물이다.

그 후에, 응괴와 제1 용매 배합물(138)의 생성된 혼합물을 압출기(102)의 길이를 따라 응고 구역(114)을 통해 제1 기계적 필터(120)까지 진전시킨다. 그 후에, 현재 구아율 라텍스(104)로부터 추출된 수지를 함유하는 제1 용매 배합물(138)의 적어도 일부를 단계(204)에서 제1 기계적 필터(120)를 통해 압출기(102)로부터 제거한다.

그 후에, 응괴 및 잔여량의 제1 용매 배합물(138)을 압출기(102)를 통해 제1 세척 구역(116)까지 진전시킨다. 응괴를 혼합시키고, 이로써 단계(206)에서 제1 세척 구역(116)에서 제2 용매 배합물(140)을 이용하여 "세척한다". 팽윤된 응괴와 상호작용하는, 압출기 내에서 스크류의 기계적 작용은 세척 동안 응괴를 더 교반하거나 파괴하는 작용을 함을 이해해야 한다. 이 단계 동안 기계적 교반을 최적화하기 위해, 압출기 스크류의 속도를 또한 제어한다. 응괴의 이러한 기계적 교반은 응괴 내의 임의의 잔여 수지의 더욱 추가의 제거를 용이하게 하고, 잔여 수지가 제2 용매 배합물(140)에 의해 추출될 수 있게 한다.

그 후에, 응괴와 제2 용매 배합물(140)의 생성된 혼합물을 압출기(102)의 길이를 따라 제1 세척 구역(116)을 통해 제2 기계적 필터(122)까지 진전시킨다. 그 후에, 현재 응괴로부터 추출된 수지를 함유하는 제2 용매 배합물(140)의 적어도 일부를 단계(208)에서 제2 기계적 필터(122)를 통해 압출기(102)로부터 제거한다.

그 후에, 응괴 및 잔여량의 제2 용매 배합물(140)을 압출기(102)를 통해 제2 세척 구역(118)까지 진전시킨다. 응괴를 혼합시키고, 이로써 단계(210)에서 제2 세척 구역(118)에서 제3 용매 배합물(142)을 이용하여 "세척한다". 단계(206)의 세척과 마찬가지로, 팽윤된 응괴와 상호작용하는, 압출기(102) 내에서 스크류의 기계적 작용은 단계(210)의 세척 동안 응괴를 더 교반하는 작용을 함을 이해해야 한다. 이 단계 동안 기계적 교반을 최적화하기 위해, 압출기 스크류의 속도를 또한 제어한다. 응괴의 이러한 기계적 교반은 응괴 내의 임의의 잔여 수지의 더욱 추가의 제거를 용이하게 하고, 잔여 수지가 제3 용매 배합물(142)에 의해 추출될 수 있게 한다.

그 후에, 응괴와 제3 용매 배합물(142)의 생성된 혼합물을 압출기(102)의 길이를 따라 제2 세척 구역(116)을 통해 제3 기계적 필터(124)까지 진전시킨다. 그 후에, 현재 응괴로부터 추출된 수지를 함유하는 제3 용매 배합물(142)의 적어도 일부를 단계(212)에서 제3 기계적 필터(124)를 통해 압출기(102)로부터 제거한다.

이 단계에서, 예를 들어 하기 표 4에 제시된 바와 같이, 응괴에는 실질적으로 수지가 없으며, 상기 수지는 그렇지 않으면 구아율 라텍스(104)에서 천연적으로 확인됨을 이해해야 한다.

표 4: 통상적으로-가공된 구아율 천연 고무에 비해, 본 개시내용에 따라 가공된 구아율 천연 고무에 대한 평균 잔여 수지 함량

구아율 고무 원료
	공급업체 #1	공급업체 #2
고무 형태	고형	라텍스	고형
공정	종래	전매(Proprietary)	종래

라텍스 조성물
물	-	45%	-
고형분	-	55%	-
수지	-	15%의 고형분	-

고형 고무 특성
평균 무니 점도	70	100	77
평균 잔여 수지	2 중량%	1 중량%	3 중량%
젤 함량	약 0%	<10%	<10%

생성된 응괴의 특성을 변형시키거나 또는 조정하는 추가의 성분, 예컨대 비제한적인 예로서 항산화제가 단계(214)에서 압출기 내로 선택적으로 주입된다.

단계(216)에서, 잔여 용매를 추출하고 단계(218)에서 다이 페이스 커터(die face cutter)를 통해 압출 전에 응괴를 추가로 건조하기 위해, 진공(134, 136)이 압출기(102)에 적용될 수 있다. 그 후에, 응괴 또는 천연 고무는 예를 들어 이후의 최종 용도를 위해 부가적인 가공 또는 포장을 위해, 유동화된 공기층으로 전달될 수 있다.

유리하게는, 본 개시내용의 시스템(100) 및 방법(200)은 구아율 관목과 같은 비-히비어 공급원으로부터 고무를 추출하는 데 더 효율적이고 효과적이다. 이는 우수한 천연 고무 품질 및 유용성을 초래한다.

소정의 대표적인 구현예 및 상세한 사항이 본 발명을 예시할 목적으로 제시되어 있는 한편, 당업자는 하기 첨부된 청구항에서 추가로 기재된 본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변화가 이루어질 수 있음을 명백히 알 것이다.

Claims

라텍스 가공 방법으로서,
상기 라텍스 가공 방법은 라텍스와 적어도 하나의 용매 배합물을 압출기에서 혼합하여, 라텍스에서 확인되는 수지를 제거하고 상기 라텍스를 응고시켜, 응괴(coagulum)를 형성하는 단계를 포함하고,
적어도 하나의 상기 용매 배합물은 라텍스를 응고시키도록 구성된 제1 용매 및 생성된 응괴를 팽윤시키도록 구성된 제2 용매를 포함하며,
적어도 하나의 상기 용매 배합물은 천연 고무를 용해시키지 않으나 상기 천연 고무를 팽윤시키는, 라텍스 가공 방법.
제1항에 있어서,
상기 라텍스가 구아율(guayule) 라텍스인, 라텍스 가공 방법.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 상기 용매 배합물이, 아세톤 중 헥산 중량 분획을 0% 내지 53%로 하여 아세톤 및 헥산을 갖는 제1 용매 배합물을 포함하는, 라텍스 가공 방법.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 상기 용매 배합물이, 아세톤 중 헥산 중량 분획을 5% 내지 25%로 하여 아세톤 및 헥산을 갖는 제2 용매 배합물을 포함하는, 라텍스 가공 방법.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 상기 용매 배합물이, 아세톤 중 헥산 중량 분획을 10% 내지 20%로 하여 아세톤 및 헥산을 갖는 제3 용매 배합물을 포함하는, 라텍스 가공 방법.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 상기 용매 배합물이 용매 배합물 시리즈이고,
상기 용매 배합물 시리즈가, 상이한 위치에서 도입되고 상이한 비(ratio)의 제1 용매 및 제2 용매를 갖는 상기 제1 용매 및 상기 제2 용매의 별개의 배합물들을 포함하는 것인, 라텍스 가공 방법.
제6항에 있어서,
상기 라텍스가 구아율 라텍스인, 라텍스 가공 방법.
제7항에 있어서,
상기 용매 배합물 시리즈가 아세톤 중 헥산 중량 분획을 0% 내지 53%로 하여 아세톤 및 헥산을 갖는 제1 용매 배합물을 포함하는, 라텍스 가공 방법.
제8항에 있어서,
상기 용매 배합물 시리즈가, 아세톤 중 헥산 중량 분획을 5% 내지 25%로 하여 아세톤 및 헥산을 갖는 제2 용매 배합물을 포함하는, 라텍스 가공 방법.
제9항에 있어서,
상기 용매 배합물 시리즈가, 아세톤 중 헥산 중량 분획을 10% 내지 20%로 하여 아세톤 및 헥산을 갖는 제3 용매 배합물을 포함하는, 라텍스 가공 방법.
라텍스 가공 시스템으로서,
상기 라텍스 가공 시스템은
제1 말단부(end) 및 제2 말단부, 및 적어도 하나의 스크류(screw)를 포함하는 압출기로서, 상기 압출기는 상기 제1 말단부와 상기 제2 말단부 사이에 위치한 복수의 공정 구역을 포함하고, 상기 복수의 공정 구역은 응고 구역, 제1 세척 구역 및 제2 세척 구역을 포함하며, 상기 응고 구역은 라텍스 및 제1 용매 배합물을 수용하고 상기 라텍스를 응괴로 응고시키도록 구성되며, 상기 제1 세척 구역은 응고 구역과 연통(communication)되어 있고 응괴 및 제2 용매 배합물을 수용하도록 구성되며, 상기 제2 세척 구역은 제1 세척 구역과 연통되어 있고 응괴 및 제3 용매 배합물을 수용하도록 구성되어 있는, 압출기;
응고 구역과 연통되어 있는 제1 필터로서, 상기 제1 필터는 상기 응고 구역에서 응괴로부터 제1 용매 배합물의 적어도 일부를 제거하도록 구성되어 있는, 제1 필터;
제1 세척 구역과 연통되어 있는 제2 필터로서, 상기 제2 필터는 상기 제1 세척 구역에서 응괴로부터 제2 용매 배합물의 적어도 일부를 제거하도록 구성되어 있는, 제2 필터; 및
제2 세척 구역과 연통되어 있는 제3 필터로서, 상기 제3 필터는 상기 제2 세척 구역에서 응괴로부터 제3 용매 배합물의 적어도 일부를 제거하도록 구성되어 있는, 제3 필터
를 포함하는, 라텍스 가공 시스템.
제11항에 있어서,
상기 라텍스가 구아율 라텍스인, 라텍스 가공 시스템.
제11항에 있어서,
상기 제1 용매 배합물이, 아세톤 중 헥산 중량 분획을 0% 내지 40%로 하여 아세톤 및 헥산을 포함하는, 라텍스 가공 시스템.
제11항에 있어서,
상기 제2 용매 배합물이, 아세톤 중 헥산 중량 분획을 5% 내지 25%로 하여 아세톤 및 헥산을 포함하는, 라텍스 가공 시스템.
제11항에 있어서,
상기 제3 용매 배합물이, 아세톤 중 헥산 중량 분획을 10% 내지 20%로 하여 아세톤 및 헥산을 포함하는, 라텍스 가공 시스템.
라텍스 가공 방법으로서,
상기 방법은 제1 말단부 및 제2 말단부, 및 적어도 하나의 스크류를 포함하는 압출기를 제공하는 단계로서, 상기 압출기는 상기 제1 말단부와 상기 제2 말단부 사이에 위치한 복수의 공정 구역을 포함하고, 상기 복수의 공정 구역은 응고 구역, 제1 세척 구역 및 제2 세척 구역을 포함하며, 상기 응고 구역은 라텍스 및 제1 용매 배합물을 수용하고 상기 라텍스를 응괴로 응고시키도록 구성되며, 제1 세척 구역은 응고 구역과 연통되어 있고 응괴 및 제2 용매 배합물을 수용하도록 구성되며, 제2 세척 구역은 제1 세척 구역과 연통되어 있고 응괴 및 제3 용매 배합물을 수용하도록 구성되며, 제1 기계적 필터는 상기 응고 구역과 연통되어 있는, 단계;
상기 라텍스와 상기 제1 용매 배합물을 상기 압출기의 응고 구역에서 혼합하여, 응괴를 형성하는 단계;
상기 응고 구역 내의 제1 용매 배합물의 일부를 제1 기계적 필터를 사용하여 제거하는 단계;
상기 응괴를 제1 세척 구역에서 제2 용매 배합물로 세척하는 단계;
상기 제1 세척 구역에서 제2 용매 배합물의 일부를 제2 기계적 필터를 사용하여 제거하는 단계;
상기 응괴를 제2 세척 구역에서 제3 용매 배합물로 세척하는 단계;
상기 제2 세척 구역에서 제3 용매 배합물의 일부를 제3 기계적 필터를 사용하여 제거하는 단계;
상기 제3 기계적 필터로부터 업스트림의 위치에서 진공을 상기 압출기에 적용하여, 잔여량의 제1 용매 배합물, 제2 용매 배합물 및 제3 용매 배합물을 추출하는(extra) 단계; 및
상기 응괴를 상기 압출기의 제2 말단부를 통해 압출시켜, 천연 고무를 제공하는 단계
를 포함하는, 라텍스 가공 방법.
제16항에 있어서,
상기 라텍스가 구아율 라텍스인, 라텍스 가공 시스템.
제16항에 있어서,
상기 제1 용매 배합물이, 아세톤 중 헥산 중량 분획을 0% 내지 40%로 하여 아세톤 및 헥산을 포함하는, 라텍스 가공 시스템.
제16항에 있어서,
상기 제2 용매 배합물이, 아세톤 중 헥산 중량 분획을 5% 내지 25%로 하여 아세톤 및 헥산을 포함하는, 라텍스 가공 시스템.
제16항에 있어서,
상기 제3 용매 배합물이, 아세톤 중 헥산 중량 분획을 10% 내지 20%로 하여 아세톤 및 헥산을 포함하는, 라텍스 가공 시스템.