(57)【要約】  混合室（１１）および少なくとも１つの、好ましくは少なくとも２つの格納式混合要素（１３）を含む、材料を加工するための装置を開示する。混合室は、混合室から材料を取り出すための弁（１６）と弁を通して混合室から実質的にすべての材料を取り出すためにピストンを動かすことができるような態様で混合室の中に適合するピストン（１２）とを有する。混合要素の各々は、ポートを通して、混合室の中に出入りできる。混合中および混合要素が混合室から引っ込められているときに、材料がポートを通して混合室から実質的に除去されないように、混合要素およびポートは構成されている。また、そのような装置を用いる方法、および自動化されたまたは部分的に自動化された配列におけるそのような装置の使用を含む設備も提供する。高生産性スクリーニング方法は、多くの材料の組合せの迅速な評価に有用である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合室および少なくとも１つの格納式混合要素を含む、材料を加工するための装置であって、
混合室は、混合室から材料を取り出すための弁、および弁を通して混合室から実質的にすべての材料を取り出すためにピストンを動かすことができるような態様で混合室内に適合したピストンを有し、
混合要素はポートを通って混合室の中におよび混合室から外に動くことができ、
混合中および混合要素が混合室から引っ込められているときにポートを通って混合室から材料が実質的に除去されないように混合要素およびポートが構成されている
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
格納式混合要素を少なくとも２つ含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
格納式混合要素を少なくとも４つ含む請求項１に記載の装置。
【請求項４】
混合室、ピストンおよび混合要素が円柱状であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
格納式混合要素が長方形、正方形またはダイヤモンド形の配列に配置され、筋向かいの混合要素が２対存在し、そして筋向かいの混合要素の２対は反対方向に回転することを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項６】
格納式混合要素が混合室内で回転もしくは振動または回転かつ振動することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
弁に連結されそして混合室の外にある口金をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項８】
弁に連結されそして混合室の外にある型をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項９】
該装置が少なくとも１つの追加の開口部をさらに含み、その開口部を通して混合される材料を混合室の中に入れることができることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
混合要素が、混合室の主軸の方向に、混合室の中におよび混合室から外に動くことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
混合室の内容物を加熱するための加熱要素を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
混合室が１００ｃｍ３以下の体積の試料を加工することができることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
混合室が２０ｃｍ３以下の体積の試料を加工することができることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
混合室が１０ｃｍ３以下の体積の試料を加工することができることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
同一の装置が、ピストンおよび混合要素の少なくとも１つを混合室の中に挿入する程度を制御することによって、異なる試料体積で操作することができることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
ピストン、混合要素、出口弁、混合室、または装置に取り付けられた押出口金もしくは型の１つ以上に超音波振動を供給する要素をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
試料の特性を測定するための少なくとも１つの検出器をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
少なくとも１つの検出器が、温度、圧力および化学組成の１つ以上を測定することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
検出器が、混合要素、ピストン、またはそれらの両方を動かすために加える力を測定することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
混合工程中に格納式混合要素間の間隔を変更することができる、混合室の対向する側面に配置された格納式混合要素を用いる請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
請求項１〜２０に記載の２つ以上の装置が１つの配列に配置された設備。
【請求項２２】
その配列が、直列または並列に操作される線状配列、１つの列に配置された装置が直列または並列で操作される少なくとも４つの装置の格子状配列、または回転木馬状配置であることを特徴とする請求項２１に記載の設備。
【請求項２３】
混合室を装填する工程、材料を混合する工程、および材料を排出する工程のうちの少なくともいくつかの工程が自動化およびコンピューター制御されていることを特徴とする請求項２１に記載の設備。
【請求項２４】
請求項１〜２０に記載の装置の混合室の中に加工される材料を装填する工程、
材料の上にピストンをはめ込む工程、
混合要素を挿入する工程、
混合要素の運動によって材料を混合する工程、
混合要素を引っ込める工程、および
試料を形成するために混合室の端までピストンを前進させることによって弁を通して材料を排出する工程
を含む材料を加工する方法。
【請求項２５】
材料が、試料を形成するために、型の中に排出されることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
材料が、試料を形成するために、口金を通して排出されることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
材料が、ポリマー物質、オリゴマー物質、および非ポリマー物質、ならびにそれらの組合わせから選択された成分を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
材料が、ポリマー物質の主要相の中に分散した非ポリマー物質の少量相を含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
非ポリマー物質が固体、液体または気体であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
１つの装置で毎時少なくとも２つの試料が調製されることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３１】
１つの配列に配置された装置の少なくとも２つにおいて同時にまたは直ちに続けて行われる請求項２４に記載の方法。
【請求項３２】
混合室を装填する工程、材料を混合する工程、および材料を排出する工程のうちの少なくともいくつかの工程が自動化およびコンピューター制御されていることを特徴とする請求項２４または３１に記載の方法。
【請求項３３】
試料がその特性について試験されることを特徴とする請求項２４または３１に記載の方法。
【請求項３４】
試験される特性が、機械的、熱的、光学的、または流動学的性質から選ばれることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
装置の材料の収率が９５％を超えることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３６】
装置の材料の収率が９８％を超えることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３７】
装置が本質的に自浄式であることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３８】
混合要素の動きが回転もしくは振動またはそれらの組合わせであることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３９】
混合が超音波振動の使用によってさらに高められることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項４０】
混合要素の動きが時間とともに変わることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項４１】
混合要素が回転するものであり、回転方向が時間とともに変わることを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
混合要素の動きの速度が時間とともに変わることを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
無秩序混合運動で操作される少なくとも２つの混合要素が存在し、混合要素の回転速度が時間周期的であり、混合要素のいずれかまたはすべてが位相がずれていることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項４４】
ピストンによって加える力が制御されることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項４５】
ピストンの押退け量が制御されることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項４６】
ピストンまたは混合要素の少なくとも１つを動かすのに必要な力が測定され、その測定が材料の粘度を計算するために用いられることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項４７】
混合室の中に装填される材料が、混合されたときに反応して第二の材料を形成する反応物を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項４８】
加熱が反応を促進するために用いられることを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
反応が、混合要素を動かすのに必要な力の変化の測定によって監視されることを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
反応が、温度の変化、混合要素を動かすのに必要な力の変化、または化学組成の変化のうちの１つ以上によって監視されることを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項５１】
反応物のうちの１種以上が、混合室の最初の装填の後に反応の最中に加えられることを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は材料を混合するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高生産性スクリーニング方法は、多くの材料の組合せを迅速に評価するのに有用である。米国特許出願公開第２００５／０１７９１５６号明細書は高生産性スクリーニングにおいて用いることができる様々な試料形成技術を説明しているが、生産性を向上したシステムに対するニーズがいまなお存在する。
【０００３】
ピンまたはロッド混合機が知られている（たとえば、タドマー（Tadmor）およびゴゴス（Gogos）著，「高分子加工の原理（Principles of Polymer Processing）」，第１章，１１；クリス・ローウェンダール（Chris Rauwendaal）著，「ポリマー混合（Polymer Mixing）」；ツームブルンネン（Zumbrunnen）およびイナムダール（Inamdar），ケミカル・エンジニアリング・サイエンス（Chem. Eng. Sci.），２００１年，第５６巻，ｐ．３８９３参照）が、これらの混合機の既存の形式は、高生産性研究技術で使用するには一般に適していなかった。
【０００４】
ここで使用するときは、「ワークフロー」とは、少なくとも次の工程からなる総合プロセスをいう。実験計画、配合、試験片への変形、当面の研究または開発問題に関連する１つ以上の特性を測定するための試験、およびデータ分析。本明細書において、「高生産性」とは、材料当たりのワークフローを実行する全体の時間がどこでも標準の非高生産性ワークフローの２〜１００倍以上速くなるように、これらの工程が非常によく統合され時間圧縮されたワークフローをいう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、様々な組成物の高生産性試料調製に非常に適したそしてそれを可能にする装置である。これらの組成物は、好ましくは、限定するものではないが、ポリマーもしくはオリゴマーを基剤とする組成物（たとえば、２種のポリマーもしくはオリゴマーの配合、ポリマーもしくはオリゴマーを形成するためのまたはそれらの分子構造を変更するための反応性配合、ポリマーもしくはオリゴマー中の非ポリマー成分の複合材料の形成）、スラリーおよび混合または配合を必要とする他の材料を含む群から選択される。
【０００６】
その様々な実施態様における本発明は、次の利点のすべてまたはいくつかを提供する。それは、機械的におよび操作上、単純で強い。それは、運転中、実質的に自浄式である。それは、実質的にすべての材料の回収を容易にし、それによって高い収率を提供する。それは、種々様々の規模で作ることができる。それは、所与の装置のために試料の大きさを変更することができる。それは、オートメーション、ロボット工学および並列化に非常に適している。それは、短い試料調製サイクル時間、高収率を提供する。それは、調製することができる材料における融通性を有する。そして、それは、最終試料の形態における融通性を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、第一の実施態様によれば、本発明は、材料を加工するための装置であって、混合室から材料を取り出すための弁および弁を通して混合室から実質的にすべての材料を取り出すためにピストンを動かすことができるように混合室の中に適合したピストンを有する混合室、少なくとも１つの、好ましくは少なくとも２つの格納式混合要素（ただし、該要素の各々はポートを通って混合室の中におよび混合室から外へ動くことができ、該要素およびポートは、混合中および該要素が混合室から引っ込められているときに、材料がポートを通って混合室から実質的に除去されないように構成されている。）を含む。
【０００８】
第二の実施態様によれば、本発明は、試料を調製する方法であって、
ａ）試料に調製される材料を用意する工程（ただし、該材料は、好ましくは、少なくとも２つの成分を含む。）、
ｂ）該材料を前記装置の混合室に導入する工程、
ｃ）該材料を混合要素の運動によって混合する工程、
ｄ）混合室から混合要素を引っ込める工程、
ｅ）ピストンで該材料を圧縮することによって弁を通して混合室から該材料を取り出す工程
を含む。好ましくは、前記取り出す工程において、該材料は、次に続く試料の試験（たとえば機械的性質、熱的性質、流動学的性質、光学的性質などの測定）のために所望の形の型に射出されまたは所望の形に口金を通して押し出される。
【０００９】
第三の実施態様によれば、本発明は、１つの配列で配置されそして制御装置に連結された少なくとも２つ、好ましくは少なくとも３つ、より好ましくは少なくとも４つの前記装置を含む設備（System）である。制御装置は、混合室を装填する工程、混合する工程および混合室から試料を取り出す工程のうちの少なくとも１つの自動化を可能にする。
【００１０】
第四の実施態様によれば、本発明は、完全な高生産性材料試験ワークフローの一部として試料を形成するための前記設備を使用する方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
混合室およびピストンは、好ましくは、装置を単純にし、耐久性があるものにし、そして、高生産性ワークフローに適したものにする寸法および形状のものである。したがって、図１〜３に、混合室１１、ピストン１２および混合要素１３を有する、本発明の範囲内の装置の一例を示す。この実施態様においては、混合要素１３は、混合室１１の１つの側面を形成するピストン１２の面１５の中にポート１４を通して挿入されたものとして示されている。しかし、混合要素は、合理的に、混合室１３の両側面または反対の壁に代替的にまたは追加的に配置することもできる。弁１６は、ピストン１２の反対側にその好ましい位置において示されているが、もし望むならば他の配置を使用することもできる。用語「弁」は、ここでは、材料の流れを止めまたは妨げるが、材料の流れを可能にするために手動でまたは自動的に動かすことができる構造を意味するものとして、できるだけ広い意味で使用される。この特定の実施態様は、混合要素および／またはピストンを作動させるための空気圧または水圧式制御装置１７、およびピストン１２を回転させそれによって混合要素１３の運動を引き起こすためのモーター１８を示す。
【００１２】
図３に、混合後に所望の試料形状の形成のために型２０の中に試料を射出したときの弁１６を示す。図１は、ピストン１２および混合要素１３が引っ込められた状態の装置１０を示す。図２は、混合要素が混合室１１の中に挿入された状態の装置１０を示す。
【００１３】
混合は、混合要素の運動によって、たとえば回転（好ましくは該要素自体がその軸を中心に回転してもよいし、または図に示されるようにピストンが回転しその結果混合室中で混合要素が運動するようにしてもよいことに注意されたい。）によって、振動しながら出入りすることによって、またはそのような運動のいくつかの組合せによって起こることができる。混合要素は、定常状態または時間周期的、たとえば無秩序運動または時間変化などのような様々な運転モードで動かすことができる。ピン回転および振動のこれらのモードおよびシーケンスは、回転方向および速度の変動とともに、任意の所望の方式で組み合わせることができる。１つの好ましい実施態様によれば、該装置は、該装置内に超音波振動を供給する要素または手段をさらに含む。たとえば、ピストン、混合要素、出口弁、混合室、または装置に取り付けられた押出口金もしくは型の超音波振動。これは、主軸の方向のピストン、混合要素、または出口弁の振動によって加工される材料の振動を伴うであろう。振動の周波数、振幅および強度は、装置に備えられた制御装置によって制御することができる。
【００１４】
したがって、１つの実施態様によれば、該装置は、主軸および主軸に沿った均一の横断面を有する混合室、混合室の主軸に沿って動くことができそして同じ形状の横断面および混合室の横断面と実質的に同じ寸法を有するピストン、長さおよび混合要素の長さに沿って均一の横断面を有する少なくとも１つの格納式の混合要素（ただし、その要素は、混合要素の横断面と同じ形状および実質的に同じ寸法の横断面を有するポートを通して、混合室の中に出入りすることができる。）、および好ましくはピストンとは反対の混合室の壁に弁を含む。
【００１５】
好ましくは、少なくとも２つの混合要素があり、より好ましくは少なくとも４つの混合要素がある。混合要素は、横断面が様々な形状であってもよく、たとえば、円形、楕円形、正方形、三角形、星形、羽根付きまたは縦溝彫りの棒などであってもよい。１つの実施態様によれば、混合要素は、長さ、および混合要素の長さに沿って均一の横断面を有し、そして、ポートは、混合要素を引っ込めるときに、ポートを通って混合室から材料が不注意に除去されるのを回避するために、実質的に同じ横断面および寸法を有する。その代わりに、混合要素におけるらせん対称は、それがまた混合室内の追加の方向における混合を促進するので、使用することができる。分散混合を促進するために、単一の偏心混合ピンを使用することができる。混合要素は、所望の混合効果を提供するために、様々な角度で挿入することもできる。混合要素は、混合室の両側から挿入してもよい。これは、混合要素の間の間隔を変えることを可能にする。ポートは、材料の漏出を最小限にするために混合要素のまわりにぴったり密封すべきであるが、混合室の中に混合要素が出入りするのを可能にしなければならない。材料の漏出を防ぐためにポートにおいてシールまたはガスケットを使用してもよい。このシールまたはガスケットは、加工される材料に対して不活性な材料から作られるべきである。
【００１６】
混合要素は、混合される材料に対して実質的に不活性な材料で作ることができる。該要素は完全に硬質である必要はないが、効果的に材料を混合するのに十分硬質であるべきである。潜在的に適した材料の例としては、金属、セラミックスおよびポリマー材料が挙げられる。発明者は、回転方法における４本の棒状混合要素の使用が、実質的に混合を改善し、同様の方法で使用される２本だけの棒状混合要素の装置に比べて混合時間を減少させることを発見した。混合要素は、回転、振動および他の適切な運動によって使用されてもよい。混合要素の運動は、パルスモーターまたは他の型のモーターの使用によって与えることができる。
【００１７】
混合室の寸法は、高生産性ワークフローで使用するためには、好ましくは小さく、約１００ｃｍ３まで、より好ましくは５０ｃｍ３まで、さらに好ましくは２０ｃｍ３まで、さらに好ましくは約１０ｃｍ３（約１０ｇ）までの材料を収容できるものである。混合室は好ましくは約０．５ｃｍ３ほどの小さな試料を取り扱い、より好ましくは試料は少なくとも約１ｃｍ３（すなわち約１ｇ）である。ピストンが十分に混合室から実質的にすべての材料を取り出すことができ、そして混合要素が効率的に混合室に伸ばされかつ混合室から引っ込めることができる限り、混合室の形状は重要ではない。ピストンの押退け量を変えることによって、様々な寸法の試料を、同一の混合室で効率的に混合することができる。たとえば、５ｇの試料、最大能力約１０ｇで設計された混合室については、混合室を効率的により小さくするためにピストンは部分的にはめ込まれるであろう。簡単にするために、実質的に円柱状の混合室が好ましいかもしれない。ピストンは、ピストンに直線運動を与える適切な装置、たとえば、空気圧式アクチュエーター、パルスモーターなどを使用して、または電気機械もしくは水圧式手段によって作動させることができる。混合室およびピストンは、好ましくは、加工される材料に対して実質的に不活性な材料から形成される。適切な構成材料は装置の意図した使用に依存するが、一般的な例としては、金属、セラミックスおよびポリマー材料が挙げられる。
【００１８】
ポリマーおよび他のいくつかの材料を混合する際に、混合室内の温度を制御することが望ましい場合がある。したがって、加熱要素または冷却要素を、装置の中でまたは装置と共に使用してもよいしまたは装置中に１つの特徴として組み込んでもよい。たとえば、混合室のまわりの加熱または冷却ジャケットまたは要素は役立つかもしれない。好ましい装置の小規模は、それらをこの種の熱伝達機構に特に適するようにする。
【００１９】
混合室を監視するための様々な検出器もまた使用することができる。たとえば、温度、圧力、または分光学的（たとえば紫外線もしくはラマン）検出器を使用することができる。
【００２０】
もし望むならば、混合要素および／またはピストンは、材料の粘度を測定する装置に連結してもよい。たとえば、（細管レオメーターに類似した）ピストンの押退け量の制御された速度で材料を排出している間の混合室内の圧力の測定、混合要素上のトルク測定、または、（メルトインデックス機械に類似した）一定の押し込みピストン押退け量で混合室からすべての材料を排出するのに必要な時間の長さの測定のための装置に連結してもよい。さらに別の例として、混合要素を混合室から引っ込めたまま、（振動レオメーターに類似した）定常または振動剪断のピストン回転でトルク測定を行うことができる。これらの測定はすべて、標準計算方法に従って粘度を推定するまたは計算するために使用することができる。
【００２１】
該装置は、主として、比較的広範囲の材料の混合のために考えられる。これらの材料としては、特に、ポリマーもしくはオリゴマーを基剤とする組成物（たとえば、２種のポリマーもしくはオリゴマーの配合、ポリマーもしくはオリゴマーを形成するための単量体の反応性配合、ポリマーもしくはオリゴマーの分子構造を変更するための反応性混合、またはポリマーもしくはオリゴマー中の非ポリマー成分の複合材料の形成）、スラリー、食品、医薬品、接着剤、シーラント、コーキング材、および混合または配合を必要とする他の材料（特に粘性材料）が挙げられる。該装置は、様々なポリマーを溶融配合するのに、またはポリマー材料の中に添加剤および充填剤を混入させるために、特に有用である。ポリマーの中に配合される非ポリマー成分としては、固体、液体および気体を挙げることができる。非ポリマー成分は、典型的には、組成物の少量の方の相（好ましくは組成物の５０質量％未満、より好ましくは２５質量％未満）である。非ポリマー成分は、充填剤、ナノ粒子、難燃剤、流量制御剤、可塑剤、安定剤、着色剤、発泡剤、衝撃調節剤、スリップ剤、湿潤剤、表面潤滑性調節剤、またはポリマー材料またはポリマー複合材料において有用な他の材料のような、ポリマーと組み合わせて使用されると望ましい任意のものである。
【００２２】
該装置は、また、潜在的に、たとえば、熱可塑性ポリウレタンまたはウレタンもしくはエポキシプレポリマーを作るために、重合またはアドバンスメントを行なうための小規模反応器として使用することもできる。それは、また、グラフト、分岐、架橋、または加硫のような他の反応性加工、機能化、中和、相溶化、またはポリマーの鎖の切断を行なうために使用することもできる。材料は、固体、液体、または気体の形で装置に添加することができ、そして、添加の時間はまた実行される反応プロセスの性質に依存して変えることができる。その場で反応を監視する混合要素のトルク測定の使用は、該装置を反応加工に使用するときに、特に役立つであろう。その代わりに、上述した検出器またはプローブは、混合の状態または反応進行度を測定するために混合室の中で使用することができる。
【００２３】
追加の成分は、入力ポートを通して、混合および／または反応の最中に混合室の中に導入することができる。したがって、１つの好ましい実施態様によれば、混合室は、１つ以上の入力ポートを有するように設計することができ、または弁は混合室を満たすために使用することができる。その代わりに、混合室は、材料を装填するおよび／または洗浄するために、それが完全に開くことができるように、クラムシェルまたは同類の設計のものであることができる。
【００２４】
すでに述べたように、型は、次に続く加工、試験、または使用のために望ましい形状に混合材料を直ちに成形するために、出口または弁に連結することができる。出口は、望ましくは、異なる形状の様々な型を取り付けることができるように組み立てられる。その形状は、次に続く加工、試験、または使用によって決定されるであろう。たとえば、試料について引張試験を行なうことを望むならば、引張試験のための試料を製造するのに適した型を使用することができる。その代わりに、試料は、出口ポートに適切な形の口金を取り付けて、所望の形（フィルム、繊維、異形材）に押し出すことができる。
【００２５】
該装置中の主要な運動が好ましくは直線（たとえばピストン運動ならびに混合要素の伸張および収縮）または回転なので、装置は自動化に非常に適している。全工程の制御を提供するために、様々なモーター、アクチュエーター、弁、検出器および他の補助装置（たとえば材料充填のための）のコンピューター制御が好ましい。コンピューター制御は、プロセスの省力化および改善された再現性という利点を提供する。装置およびプロセスの自動化およびコンピューター制御は、好ましくは、装置の中への初期の材料の装填および任意の次に続く材料の添加の自動化および制御とも統合される。
【００２６】
該装置は、配列された装置のように組み合わせて使用することができる。その配列は、たとえば、直列（共通の駆動装置で働く）または並列（独立に制御された）に操作された直線配列、格子配列（たとえば、各列が直列もしくは並列に操作される配列、またはすべての装置が並列に操作される配列）、または回転木馬状配置を含むいかなる適切な配置であってもよい。回転木馬状配置は、好ましくは、装填、溶融、混合および成形のような異なる操作のための工程を含むことができる。配列配置された自動化装置の使用は、好ましくは配列中の数個の装置間の操作を順番に並べるための追加の制御と共に、高生産性ワークフロー状況、特に（たとえば完全な高生産性材料試験ワークフローの前工程として）ポリマー材料の溶融配合および試験に適した形への変形を必要とする高生産性ワークフロー、での装置の使用を容易にする。
【００２７】
機械的作動は、空気圧手段、水圧手段、または電気的手段（またはそれら３つのうちのいくつかの組合せ）のような既知の手法によって遂行することができる。水圧手段（サーボモーターおよびボール螺子を使用したもの）または電気的手段による作動は、比較的高粘度のポリマーまたは化合物に好ましい。ピストンの水圧または電気機械的作動は、型の中への混合材料のより迅速な計量分配を得る（すなわち真の射出成形操作をより近くまねる）目的に好ましい。好ましい実施態様は、複数の列（banks）の回転木馬状配置の形をとることができ、各列は、個々の工程、たとえば、（１）混合室中へのロボットによる試料の装填、（２）溶融および混合室の中にピストンを伸ばすことによる圧縮、（３）適切な数のピンおよび回転のシーケンスを使用する混合、（４）型または口金の使用による寸法の決まった試料への材料変形、（５）製作された試料のロボットによる計量分配、を完結するために使用される。パルス蒸気暖房／水冷は、型を急速にかつ制御可能に温度調節し、成形時間の短縮を可能にするために使用することができる。その代わりに、並行加工（１つの試料が成形中に、別の試料が冷却され離型される。）を可能にするために、数個取成形型が所定の位置を往復する。型は、機械的または磁気的手段によって締めることができる。迅速かつ自動的に型を開き、続いて試料を取り出すことを可能にする型操作のために、特定の設計および戦略を用いることができる。
【００２８】
好ましくは、装填、混合および排出のためのサイクル時間は、３０分未満、より好ましくは１０分未満である。
【００２９】
好ましくは、該装置の収率は、該装置への材料の装填量を基準として約９５％超、より好ましくは９８％超である。
【実施例】
【００３０】
円柱状ピストンシリンダーデザインおよび２本の格納式混合ピンを備えた装置を構築した。この装置において、混合ピンはピストンとは反対側に配置される。２本の可撓性連接棒を介して混合ピンに連結された２つのパルスモーターが、各ピンをその軸のまわりに回転させるために使用される。ピストンが十分に引っ込められ、混合室の上部に開口部を残す状態で、材料が混合室の中に装填される。材料が溶融し固まるにつれて、ピストンが軸方向に下降し、材料を圧縮する。混合室およびいずれの押出口金も電気的に加熱される。ニードル弁が、混合室からの材料の流れを制御する。空気圧シリンダーは、空気源の１５倍に圧力を増幅されて、ピストンの軸の運動を制御する。押出物を公称幅２．５ｃｍ、公称厚さ１ｍｍのストリップの形状にするために、テープ口金を出口に取り付けることができる。その代わりに、型を出口に取り付けることもできる。ラップトップコンピュータのソフトウェアが、あらかじめ決められた混合手順（後述）に従って混合ピンの回転を制御するために、パルスモーター制御装置に命令を与えるために使用される。この装置の操作は、材料装填、弁作動、および型または口金からの材料の回収または抜き取りに関しては手動で行った。これらの基本機能の自動化は、将来の設計反復において容易に組み込むことができる。
【００３１】
該装置を操作する一般的な方法は以下のとおりである。
１．機械を所望の温度にあらかじめ加熱する。
２．開いた混合室の中に材料を装填する。
３．脱気（１分間〜３分間）し溶融するためのソーク時間（soak time）。
４．混合室の中にピストンを伸ばす。
５．徐々に圧力を上げ、試料を十分に溶融させて、試料を圧縮する。
６．混合室の中に混合ピンを伸ばす。
７．混合ピンの時間周期的運動を開始する。
８．ピンを止めて引っ込める。
９．ニードル弁を開ける。
１０．ピストンを下方へ伸ばし、装置から型または口金の中に材料を射出する。
１１．ピストンを引っ込めて、次の試料の準備をする。
【００３２】
操作において、この混合装置は機械的に丈夫であり、ピストンまたは混合ピンのいずれかのまわりにも漏れは観察されず、そして、これらの部品は空気圧を用いて軸方向に容易に並進運動させることができた。該装置は本質的に自浄式であり、ピストンと混合室の間隙が狭い（０．０００５インチ（０．０１２７ｍｍ）〜０．００１０インチ（０．０２５４ｍｍ））ときに材料収率は９９％超であった。
【００３３】
実施例１
上記の装置を用いて、ポリスチレンとポリ（メタクリル酸メチル）の混合物の調製のために単純な矩形波時間周期的運動を使用した。混合時間は、１本のピンの一定の速度での決められた回転数と、それに続く第二のピンの同一の回転数からなるものであった。この混合プログラムについては、２本のピンの運動は位相がずれていた（out-of-phase）が、この場合は正弦波的変動とは対照的にオン／オフ様式であった。全体の混合プログラムは、一定のピン回転速度および期間当たりの回転数を変えることが可能であった、多くの期間（すなわち１つのオン／オフ−オフ／オン・シーケンス）からなる。
【００３４】
ＳＴＹＲＯＮTM６８５ポリスチレン（ＰＳ）（ダウ・ケミカル社（The Dow Chemical Company）製）に、５質量％のポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）（オールドリッチ社（Aldrich）製）（３７００３−７、公称分子量＝１００，０００ｇ／ｇｍｏｌ）を、異なる時間で装置の中で混合した。混合に選択された条件は６ピン回転／期間および１５ｒｐｍであった。混合された材料は、円形口金を通して押し出され、試料は円形押出物から６つの等しい間隔の位置で引き出した。これらの試料は、配合物組成について赤外分光法（ＩＲ）によって分析された。スペクトルは、パーキン・エルマーＳｐｅｃｔｒｕｍ  Ｏｎｅ  ＦＴ−ＩＲおよびダイヤモンド・ユニバーサルＡＴＲアクセサリーによって得られた。バンド強度は、ＰＭＭＡについては１７３５ｃｍ-1（カルボニルの伸縮バンド）で、ＰＳについては１６０１ｃｍ-1（芳香族の伸縮バンド）で測定した。ＰＳバンド強度に対するＰＭＭＡバンド強度の比は配合物組成の目安である。混合は、異なる位置の組成の合併によって示されるように、一定の組成プロフィールに達する時間によって定量化することができた。これらの試験は、混合が速く、組成の均一性が約４分間で達成されたことを示した。
【００３５】
実施例２
実施例１において記述した２ピンのプロトタイプ混合機の混合能力は、多数のピンの使用によって高めることができる。この高められた能力は、ここに記述されるＣＦＤ（計算流体力学）モデル化によって実証された。用いられたモデル化条件は、定常状態、層流型、粘度８０００Ｐａ・ｓ、密度１０６４ｋｇ／ｍ３であった。
【００３６】
これらのモデルによれば、４ピンの無秩序運転モード（矩形波）は、混合効率が、匹敵する２ピンの無秩序の場合の２倍である。さらに、定常状態混合で運転する４本のピンによる混合は、無秩序運転モード（矩形波）を同一の回転速度で同一の装置に用いた場合よりも速い。定常状態での回転速度を増加させると、必要な混合時間がさらに減少する。
【００３７】
実施例３
実施例１に記述した２ピンの混合装置を一連の混合物を調製するために用い、その後、それらの混合物の引張特性を測定した。その２ピンの混合装置は、２つの部分に分かれるアルミニウムの型を装備していた。型のキャビティーは、２．５インチ（６３．５ｍｍ）×２．５インチ（６３．５ｍｍ）×０．０６４インチ（１．６２ｍｍ）の寸法を有し、混合機の出口経路に連結された円柱状の流路を通して開閉された。型のキャビティーを含む面は、混合機の底板にボルト締めされ、したがって固定であった。型の分割面はレールに沿って移動可能であった。それは、成型中は決まった場所にボルト締めされたが、部品凝固の後はプラークおよびスプルーの取り出しのために邪魔にならない所に容易に動かされた。型の両方の部分は、型の温度制御のために流体を循環させることができる機械加工された流路を有していた。
【００３８】
混合物および成形されたプラークを次の方法によって調製した。混合室および底板の温度を２３０℃に設定した。プラークの型の２つの部分を一緒にボルトで締め、型の温度を循環水浴で５０℃〜６０℃に制御した。極低温粉砕されたポリマー成分の合計７グラムを量りとって所望の比でバイアルの中に入れ、その後、振って、粗く成分を混合した。出口弁を閉じた状態で、出発混合物を混合室の中に装填した。ピストンを直ちに混合室の中に途中まで下げ、密閉を促進するためにそれを加熱し膨張させた。ポリマーを９０秒間溶融させた。その後、材料を圧縮し脱気するために、低圧、約２００ｐｓｉｇ（ゲージ圧１３７９ｋＰａ）で、材料と接触させて、ピストンを下げた。材料を装填してから２分後に、混合要素を上げた。その後、混合プログラムは、混合プログラム中ピストンの上に約２００ｐｓｉｇ（ゲージ圧１３７９ｋＰａ）の圧力を維持しながら、実行した。この実施例については、全体の混合プログラムは、次の２つの部分を有する基本的混合サイクルの反復からなるものであった。（ａ）混合要素を（上端から見て右回りに）共回転させながら１００ｒｐｍで２０回転、および（ｂ）混合要素を逆方向に回転させながら１００ｒｐｍで２０回転。２４秒の長さのこの基本的な混合サイクルを、所望の全混合時間を与えるのに必要な回数、繰り返した。たとえば８分間混合するためには２０回繰り返した。混合プログラムの終わりに、混合要素を混合室から引っ込め、高圧（５０００ｐｓｉｇ（ゲージ圧３４．５ＭＰａ）〜５５００ｐｓｉｇ（ゲージ圧３７．９ＭＰａ））をピストンに加えた。高圧で約３０秒間脱気した後、出口弁を開いて型を満たした。型を満たす時間は、混合物の粘度および出口経路寸法を考えると、この圧力では約１秒であった。約３〜４分間冷却した後、プラークを、付属のスプルーと共に、取り出した。プラークは、目で見た限りでは、均一であり、実質的に気泡がなかった。混合時間が８分間のプロセスでは、出発混合物の装填からプラークの取り出しまでの全体のサイクル時間は、約１４分間〜１５分間であった。
【００３９】
調製された試料は、様々なメルトインデックスおよび密度を有する異なる線状低密度ポリエチレンの混合物であった（表３−１）。実施例３ａ、３ｂ、および３ｃは、上記の方法によって、８分間の混合プログラムで、そして型の温度を５０℃〜６０℃に制御して、調製した。実施例３ｄは、型の温度をより厳格に５０℃に制御しながら、３ｃを繰り返した。実施例３ｅおよび３ｆは、全混合時間をそれぞれ４分間および２分間とした以外は、３ｄを繰り返した。
【００４０】
【表１】
2009525868.tif 000003
【００４１】
引張破断特性は、空気圧把持具および１０ポンドの荷重検出器を装備した電気機械的試験架を用いて決定した。引張試験片（ＡＳＴＭ  Ｄ１７０８）は、流れ方向と平行なものと垂直なものの両方を、プラークから切り出した。クロスヘッド速度は毎分２インチ（５０．８ｍｍ）としたが、これは、有効ゲージ長が０．８７インチ（２２．１ｍｍ）であると仮定すると、１分間当たり約２３０％の歪速度に対応した。
【００４２】
実施例３ａ〜３ｆについて測定された引張破断特性の正規化数を表３−２に示す（実施例３ａについては流れに平行な値に正規化された値）。報告された値は、破断点工学応力および歪みに基づき、４つの反復試験片の平均である。実施例３ｃと同一の組成を有する比較例３ｇの結果も示す。比較例３ｇは、２ピン混合機の中に装填した出発原料が長さ／直径比が４０の１８ｍｍ二軸スクリュー押出機に多数回通過させることによってあらかじめ完全に混合したものである点以外は、３ｃと同一の方法を用いた。実施例３ｃおよび３ｄの特性がこの比較例３ｇに似ていることによって証明されるように、２ピン混合機は優れた混合効果を有する。
【００４３】
【表２】
2009525868.tif 000004
【００４４】
プラークの形のこれらの配合物の実施例の各々を調製するのに必要な時間は、２０分間未満であった。これらの配合物の実施例の各々を試験するのに必要な時間は約３０分間（試験片を切り出すのに５分間、引張試験に２５分間）であった。明らかに、特性の評価に必要な操作は、配合物およびそれのプラークの調製と並行して行うことができる。さらに、これらの特性評価は、たとえば、商業上入手可能なマルチステーション機械的試験架、より高い歪速度での試験、ロボットによる試料装填システムなどによって、多数の試験片を同時に試験することによって、容易に自動化し加速することができる。総合すれば、混合装置プラス機械的性質試験装置は、材料組成物を調製し、それらの機械的性質を評価する迅速な手段を構成する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】混合要素が引っ込められた状態の装置の１つの可能性のある実施態様を示す。
【図２】混合要素が作動中の装置の１つの可能性のある実施態様を示す。
【図３】混合室から材料を取り出すときの装置の１つの可能性のある実施態様を示す。
【図１】
2009525868.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年2月9日(2009.2.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合室および少なくとも１つの格納式混合要素を含む、材料を加工するための装置であって、
混合室は、混合室から材料を取り出すための弁、および弁を通して混合室から実質的にすべての材料を取り出すためにピストンを動かすことができるような態様で混合室内に適合したピストンを有し、
混合要素はポートを通って混合室の中におよび混合室から外に動くことができ、
混合中および混合要素が混合室から引っ込められているときにポートを通って混合室から材料が実質的に除去されないように混合要素およびポートが構成されている
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
格納式混合要素を少なくとも４つ含む請求項１に記載の装置であって、格納式混合要素が長方形、正方形またはダイヤモンド形の配列に配置され、筋向かいの混合要素が２対存在し、そして筋向かいの混合要素の２対は反対方向に回転することを特徴とする装置。
【請求項３】
弁に連結されそして混合室の外にある口金または型をさらに含む請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の２つ以上の装置が１つの配列に配置された設備。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置の混合室の中に加工される材料を装填する工程、
材料の上にピストンをはめ込む工程、
混合要素を挿入する工程、
混合要素の運動によって材料を混合する工程、
混合要素を引っ込める工程、および
試料を形成するために混合室の端までピストンを前進させることによって弁を通して材料を排出する工程
を含む材料を加工する方法。
【国際調査報告】
2009525868.tif 000008
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2009525868.tif 000010