(57)【要約】  ポリマー顆粒製造装置（１）は、添加剤（２５）と推進剤（３１）を簡単でしかも柔軟な方式で混合できるようにするために、第１および第２の静的融液冷却器（９，３７）を有するが、その際に前記第１融液冷却器（９）はスクリュー機（１３）の上流側に配され、前記第２融液冷却器（３７）は前記スクリュー機（１３）の下流側に配される。準備されたポリマー融液（２）を前記第１融液冷却器（９）の内部で冷却することにより、前記添加剤（２５）を損なわれることがないように非常に穏やかに前記ポリマー融液（２）中に混ぜ入れることが可能となる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマー顆粒の製造方法であって、
‐ポリマー融液（２）を準備する工程、
‐第１の静的融液冷却器（９）を利用して、前記ポリマー融液（２）を冷却する工程、
‐前記冷却後のポリマー融液（２）に少なくとも一つの添加剤（２５）を添加する工程、
‐スクリュー機（１３）を利用して、前記少なくとも一つの添加剤（２５）を前記ポリマー融液（２）中に混合する工程、
‐前記添加剤を含有したポリマー融液（２）に少なくとも一つの推進剤（３１）を添加する工程、
‐前記スクリュー機（１３）を利用して、前記少なくとも一つの推進剤（３１）を前記ポリマー融液（２）中に混合する工程、
‐第２の静的融液冷却器（３７）を利用して、前記添加剤と推進剤を含有したポリマー融液（２）の二回目の冷却を行う工程、および、
‐前記冷却後の添加剤と推進剤を含有したポリマー融液（２）を顆粒化する工程
から成る、方法。
【請求項２】
前記スクリュー機（１３）の内部にある前記ポリマー融液（２）を冷却することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも一つの添加剤（２５）の添加工程後であって、前記少なくとも一つの推進剤（３１）の添加工程前に、前記スクリュー機（１３）を利用して、ポリマー融液（２）から成る閉塞ゾーン（２２）を生じることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも一つの推進剤（３１）を添加する際の前記ポリマー融液（２）の圧力を、前記少なくとも一つの推進剤の混合工程の間、少なくとも一定に維持することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも一つの推進剤 （３１）の混合工程後に、融液ポンプ（３６，３８）を利用して、前記ポリマー融液（２）の圧力を上昇することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
重合反応器（３）を利用して、前記ポリマー融液（２）を準備することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
ポリマー顆粒の製造装置であって、
‐ポリマー融液（２）の初回冷却用の第１の静的融液冷却器（９）と、
‐前記第１静的融液冷却器（９）に後置されるスクリュー機（１３）であって、
‐‐少なくとも一つの添加剤（２５）を混合するための、第１の混合ゾーン（２１）を有するとともに、
‐‐少なくとも一つの推進剤（３１）を混合するための、前記第１の混合ゾーン（２１）に後置される第２の混合ゾーン（２３）を有する、スクリュー機（１３）と、
‐前記添加剤と推進剤を含有したポリマー融液（２）の二回目の冷却用の、前記スクリュー機（１３）に後置される第２の静的融液冷却器（３７）と、
‐前記冷却後の添加剤と推進剤を含有したポリマー融液（２）を顆粒化するための顆粒化装置（３９）と、
を備える装置。
【請求項８】
前記ポリマー融液（２）を準備するために重合反応器（３）が備えられることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記スクリュー機（１３）に少なくとも一つの冷却装置（２９，３５）が備えられることを特徴とする、請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の混合ゾーン（２１，２３）の間に閉塞ゾーン（２２）を形成可能であるように、前記スクリュー機（１３）が構成されることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記スクリュー機（１３）が、同じ向きに回転し、密に噛み合った二軸スクリュー式混練押出機として構成されていることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記スクリュー機（１３）に後置される少なくとも一つの融液ポンプ（３６，３８）が備えられることを特徴とする、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記重合反応器（３）と前記第１の静的融液冷却器（９）との間に融液ポンプ（６）が備えられていることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリマー顆粒の製造方法に関する。本発明はさらに、ポリマー顆粒の製造装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
発泡性ポリマー顆粒または既に発泡したポリマー顆粒は、発泡成形品を製造するためにかなり以前から導入されている。その際に発泡性ポリマー顆粒は多くの場合ポリスチレンから製造されるのに対して、既に発泡したポリマー顆粒は多くの場合ポリプロピレンから製造されるようになっている。ポリマー顆粒の発泡性ないしは膨張は、推進剤（発泡剤）により達成される。
【０００３】
発泡性ポリマー顆粒は、公知である重合方法により製造されるが、そこでは推進剤および添加剤の添加が既に重合反応器において行われるようになっている。この方法では、使用可能な推進剤および添加剤に関して、ごく僅かな柔軟性しか与えられていない点、さらに特に使用される添加剤が重合反応により損なわれる点が短所となっている。それに加えてさらに、そのようにして製造されたポリマー顆粒は広い粒度分布を持つために、製造後には手間隙かけて顆粒を仕分けする作業が必要となる。
【０００４】
特許文献１から、発泡性スチレンポリマーの製造方法の一例が知られている。この方法では、静的攪拌器または動的攪拌器を利用して、推進剤がスチレンポリマー融液に混合されるようになっている。推進剤を含有したスチレンポリマー融液は、引き続いて冷却されて顆粒化される。この方法では、スチレンポリマー融液に入る機械エネルギーや熱エネルギーを可能な限り微小に止める必要上、静的攪拌器の使用が好ましいとされている。この方法でも、使用可能な推進剤および添加剤に関して、僅かな柔軟性しか与えられていない点が短所となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許発明第１５１７９４７号明細書
【特許文献２】欧州特許発明第１２９５０３６号明細書
【特許文献３】米国登録特許第６，７６１，５４６号明細書
【特許文献４】欧州特許発明第１０６７３５２号明細書
【特許文献５】ドイツ特許出願公開第１０３２２６１０号明細書
【特許文献６】欧州特許発明第１１１０６９５号明細書
【特許文献７】米国登録特許第６，５４７，５４９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のような背景から、本発明の課題は、ポリマー中への添加剤および推進剤の簡単でしかも柔軟性に富んだ混合を、高いポリマー処理能力と同時に実現する、ポリマー顆粒の製造方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１の各特徴を具備した方法により解決される。少なくとも一つの添加剤を添加する前に、ポリマー融液の初回冷却を行うことにより、添加剤を損なわれることがないように穏やかにポリマー融液中に混合することができる。特にこの少なくとも一つの添加剤は、少なくとも一つの推進剤を添加する前の段階で、損なわれないように穏やかに混合できるようになっている。それにより、難燃剤や気泡径調節剤などのように温度に敏感な添加剤についても、ポリマー融液中に混合することが可能となる。ポリマー融液の初回冷却後の温度は、２４０℃未満、特に２２０℃未満、さらには特に２００℃未満となっている。静的融液冷却器により、ポリマー融液の均質な冷却とあわせ、均一な温度特性が達成される。少なくとも一つの添加剤および少なくとも一つの推進剤の混合が、スクリュー機、すなわち動的攪拌器だけを利用して行われることにより、少なくとも一つの添加剤および少なくとも一つの推進剤はポリマー融液中に極めて均質に混合されることになる。少なくとも一つの添加剤および少なくとも一つの推進剤は、スクリュー機の内部に添加されるために、公知である重合方法と比較して、添加剤および推進剤の添加方式を簡単かつ急速に変化させることが可能となる。
【０００８】
ポリマー融液が、少なくとも一つの添加剤および少なくとも一つの推進剤を混合する前に冷却されることによって、スクリュー機を利用した混合時にポリマー融液に取り込まれる剪断エネルギーの結果として生じる昇温により、不利な影響がもたらされることはない。添加剤と推進剤を含有したポリマー融液の二回目の冷却により、少なくとも一つの添加剤および少なくとも一つの推進剤の混合時の昇温が補償される。それ以外にもこの二回目の冷却により、少なくとも一つの推進剤を添加した結果生じるポリマー融液の粘度低下が補償されるが、そこではポリマー融液が顆粒化に必要な温度まで冷却されるようにしている。ポリマー融液のこの二回目の冷却後の温度は、２２０℃未満、特に２００℃未満、さらには特に１７０℃未満となっている。この静的融液冷却器によってもまた、ポリマー融液の均質な冷却とあわせ、均一な温度特性を実現している。
【０００９】
ポリマーとしては、たとえばポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ならびにこれらのポリマーの混合物が使用されるとよい。それ以外にも、たとえばポリ乳酸などの再生可能な原料をベースとするポリマー、ならびに、たとえば酢酸セルロースなどの分解可能なポリマーを使用することもできる。添加剤としては、たとえば難燃剤、気泡径調節剤、黒鉛、または顔料をポリマー融液に混合することができる。推進剤としては、たとえばｎペンタンまたはイソペンタンなどの炭化水素、アルコール、二酸化炭素、窒素またはこれらの化合物の混合物をポリマー融液中に混合することができる。どのようなポリマーおよび少なくとも一つの推進剤が選択されるかにより、顆粒化方案次第で、発泡性ポリマー顆粒も、また発泡済みのポリマー顆粒も製造することができる。発泡性ポリマー顆粒の製造には、水中顆粒化方案が導入されることが好ましいのに対して、発泡済みのポリマー顆粒の製造には、水封式の顆粒化方案が導入されることが好ましい。本発明にしたがった連続製造方法により、発泡性ポリマー顆粒または既に発泡されたポリマー顆粒を、高いポリマー処理能力で製造することが可能となる。
【００１０】
請求項２に記載される冷却工程により、少なくとも一つの添加剤、および／または少なくとも一つの推進剤を混合する間のポリマー融液の温度を定常に保持することができる。これは、ポリマー顆粒の品質に有利に作用する。
【００１１】
請求項３に記載される閉塞ゾーンの形成工程により、少なくとも一つの推進剤が混合ゾーンに向かって逃れて、少なくとも一つの添加剤と混合されることが阻止される。
請求項４に記載される圧力により、少なくとも一つの推進剤が圧力低下のためにポリマー融液から分離することが回避される。この圧力は、少なくとも一つの推進剤を混合する間は、分離を回避するために、定常に保持されるか、または上昇されるようにするとよい。
【００１２】
請求項５に記載される昇圧により、一方では後工程のために必要な圧力が発生され、他方ではスクリュー機が昇圧機能の負担から実質的に解放されることになるために、スクリュー機の内部のポリマー融液の昇温が回避される。
【００１３】
請求項６に記載されるポリマー融液の準備工程により、ポリマー融液を重合反応器から直接取り出すことできると同時に、ポリマー融液を生成するための追加エネルギーが一切不要となるために、本方法の非常に優れた経済性が達成される。
【００１４】
ほかにも上述の課題は、請求項７に記載の各特徴を具備した装置によっても解決される。本発明にしたがった装置の長所は、本発明にしたがった方法の長所と合致する。
請求項１１に記載されるスクリュー機の構成方式により、少なくとも一つの添加剤および少なくとも一つの推進剤を、同時に高いポリマー処理能力で、極めて均質に、損なわれないように穏やかに混合することが可能となる。
【００１５】
請求項１２に記載される融液ポンプにより、スクリュー機は、後工程のための昇圧機能の負担から解放されるために、スクリュー機の内部のポリマー融液の昇温が回避される。第１の融液ポンプがスクリュー機と第２の静的融液冷却器との間に配置されることにより、ポリマー融液はこの融液ポンプにより静的融液冷却器を通り顆粒化装置に圧送されることになる。それに加えてさらに、第２の融液ポンプが第２の静的融液冷却器と顆粒化装置との間に備えられるようにするとよい。これらの融液ポンプは、高圧ギヤポンプとして構成されることが好ましい。
【００１６】
請求項１３に記載される融液ポンプにより、ポリマー融液が第１の静的融液冷却器を通り圧送されるように、重合反応器から出た後のポリマー融液を昇圧することが可能となる。
本発明のその他の特徴、細部および長所は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
以下では、図を参照しながら本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ポリマー顆粒製造装置を示す概略図である。
【図２】図１のスクリュー機を線ＩＩ‐ＩＩに沿って切り取ったときの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ポリマー顆粒製造装置1は、ポリマー融液２を準備するために、反応容器４を有する重合反応器３を有している。この重合反応器３は、通例どおりに構成された公知のものである。
この重合反応器３の供給方向５で下流側には融液ポンプ６が配置されており、重合反応器３はその内部と連通している。融液ポンプ６は高圧ギヤポンプとして構成され、ポンプケース８の内部に配置される回転駆動可能な二つのギヤ付きロータ７、７’を有している。そのような高圧ギヤポンプの正確な構造については、特許文献２（特許文献３に相当）を参照されたい。
【００１９】
この第１の融液ポンプ６の供給方向５で下流側には第１の静的融液冷却器９が配置されており、融液ポンプ６はその内部と連通している。融液冷却器９は冷却器ケース１０を有しており、その内部に通常の静的攪拌体１１が配置されている。ポリマー融液２を冷却するために、冷却器ケース１０にはヒートシンク１２が備えられている。静的攪拌体１１は、通例どおりに構成された、たとえば特許文献４に説明されるものである。
【００２０】
この第１の融液冷却器９の供給方向５で下流側には、二軸スクリュー式混練押出機として構成されたスクリュー機１３が配置されている。このスクリュー機１３は、その基本構造において通例どおりに構成されたものとなっており、ハウジング１６のそれぞれ対応するボア１５、１５’の内部に配置される二つのスクリュー１４、１４’を有している。図２から察知することができるように、これらのスクリュー１４、１４’は、密に噛み合いながら同じ向きに回転するように構成されている。これらのスクリュー１４、１４’の駆動は、一つの電動モータ１７により、ハウジング１６にフランジ接続された変速兼動力分割用の歯車装置１８を介して行われるようになっている。この歯車装置１６に隣接した、スクリュー機１３の上流側の端部に、第１の融液冷却器９が融液供給口１９を介してハウジング１６の内部と連通している。
【００２１】
スクリュー機１３は、供給方向５に前後に並べて配置される、供給ゾーン２０、第１混合ゾーン２１、閉塞ゾーン２２、および第２混合ゾーン２３を有している。スクリュー１４、１４’は、供給ゾーン２０内では、ポリマー融液２を供給方向５に供給するためのスクリューフライト２４を有している。
【００２２】
第１混合ゾーン２１の上流側端部には、添加剤２５を供給するために、添加剤供給口２６がハウジング１６に配設されている。この添加剤供給口２６を通して、第１の供給装置２７がハウジング１６の内部と連通している。この供給装置２７は、二軸式の供給用スクリュー機として構成されている。スクリュー１４、１４’は、この第１混合ゾーン２１内では、スクリューフライト２４のほかにも、添加剤２５を混合するために、混合・混練要素２８を有している。スクリュー機１３は、この第１混合ゾーン２１に、ポリマー融液２を冷却するための第１の冷却装置２９を有している。
【００２３】
スクリュー１４、１４’は、二つの混合ゾーン２１、２３の間に配置された閉塞ゾーン２２内では、供給方向５とは逆向きへの供給を行うようになっているスクリューフライト３０を有している。
【００２４】
第２混合ゾーン２３の上流側端部には、推進剤３１を供給するために、推進剤供給口３２がハウジング１６に配設されている。この推進剤供給口３２を通して、第２の供給装置３３がハウジング１６の内部と連通している。この供給装置３３はピストンポンプとして構成されている。スクリュー１４、１４’は、この第２混合ゾーン２３内では、スクリューフライト２４のほかにも、推進剤３１をポリマー融液２中に混合するために、混合・混練要素３４
有している。ポリマー融液２を冷却するために、スクリュー機１３は第２混合ゾーン２３に第２の冷却装置３５を有している。
【００２５】
スクリュー機１３の供給方向５で下流側には第２の融液ポンプ３６が配置され、さらにその下流側には第２の静的融液冷却器３７が配置されているが、その際にスクリュー機１３は第２融液ポンプ３６の内部と連通しており、また第２融液ポンプ３６は第２融液冷却器３７の内部と連通している。この第２融液ポンプ３６の構造は、第１融液ポンプ６の構造と合致している。ほかにも第２融液冷却器３７の構造は、第１融液冷却器９の構造と合致している。
【００２６】
第２融液冷却器３７の供給方向５で下流側には、第３の融液ポンプ３８が配置され、さらにその下流側には顆粒化装置３９が配置されているが、その際に第２融液冷却器３７は第３融液ポンプ３８の内部と連通し、さらに第３融液ポンプ３８は顆粒化装置３９の内部と連通している。この第３融液ポンプ３８の構造は、第１および第２の融液ポンプ６、３６の構造と合致している。
【００２７】
顆粒化装置３９は、水中顆粒化装置として構成されている。そのような顆粒化装置の正確な構造については、特許文献５および特許文献６（特許文献７に相当）を参照されたい。
【００２８】
次に作動方式を説明する。
ポリマー反応器３の内部で、ポリマー融液２、特にポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ乳酸、酢酸セルロース、またはこれらのポリマーの混合物から成る融液が生成される。ポリマー融液２の温度は、反応容器４から出る際には２４０℃から３００℃までとなっている。ポリマー融液２は、反応容器４を出た後は、第１融液ポンプ６を利用して、７０ｂａｒから３００ｂａｒまでの圧力で第１静的融液冷却器９に送り込まれる。第１融液冷却器９の内部では、後工程でポリマー融液２の処理が穏やかに行われることを保証するために、ポリマー融液２の温度が低下される。第１融液冷却器９から出た後のポリマー融液２の温度は、２４０℃未満、特に２２０℃未満、さらには特に２００℃未満となっている。
【００２９】
冷却後のポリマー融液２は、引き続いて融液供給口１９を通りスクリュー機１３に供給される。冷却後のポリマー融液２には、第１供給装置２７を利用して、少なくとも一つの添加剤２５が添加剤供給口２６から供給される。添加剤２５として、特に難燃剤、気泡径調節剤、黒鉛、または顔料が使用される。それに加えてさらに、添加剤供給口２６からそれ以外のプロセス助剤が添加されるようにしてもよい。
【００３０】
添加された添加剤２５は、第１混合ゾーン２１内で混合・混練要素２８により冷却後のポリマー融液２中に均質に混合される。添加剤を含有したポリマー融液２は、混合時には第１冷却装置２９を利用して冷却されるが、それにより、ポリマー融液２に取り込まれる剪断エネルギーの結果として生じるポリマー融液２の昇温を補償している。スクリューフライト３０により閉塞ゾーン２２が形成されるが、そこではボア１５、１５’の内部がポリマー融液２により完全に充填されている。ポリマー融液２は、この閉塞ゾーン２２において、第１混合ゾーン２１と第２混合ゾーン２３間のシールとして作用するようになっている。
【００３１】
第２供給装置２を利用して、少なくとも一つの推進剤３１が、推進剤供給口３２から添加剤を含有したポリマー融液２に添加される。推進剤３１として、特にたとえばｎペンタンまたはイソペンタンなどの炭化水素、二酸化炭素、窒素またはこれらの化合物の混合物が使用される。閉塞ゾーン２２のおかげで、第１混合ゾーン２１に向かう推進剤３１の損失は皆無となる。推進剤３１は、液体または気体の形態で添加され、第２混合ゾーン２３の混合・混練要素３４を利用して、添加剤を含有したポリマー融液２中に均質に混合される。添加剤と推進剤を含有したポリマー融液２は、この第２混合ゾーン２３内では第２の冷却装置３５を利用して冷却されるが、それによりポリマー融液２に取り込まれる剪断エネルギーの結果として生じるポリマー融液２の昇温を補償している。スクリュー機１３から出る際のポリマー融液２の温度は、スクリュー機１３内に入る際の温度と実質的に等しくなっている。推進剤３１を添加する際には、ポリマー融液２から推進剤３１が分離するのを阻止するために、ポリマー融液２の圧力が、第２混合ゾーン２３内で定常に保持されるか、または上昇されるようになっている。
【００３２】
ポリマー融液２は、スクリュー機２から出た後は、第２融液ポンプ３６を利用して、７０ｂａｒから３００ｂａｒまでの圧力で第２の静的融液冷却器３７の内部に送り込まれるようになっている。スクリュー機１３は、この第２融液ポンプ３６により、昇圧機能の負担から解放されることになり、それによりポリマー融液２の昇温を回避している。第２融液冷却器３７により、推進剤３１の添加の結果として生じるポリマー融液２の粘度低下が補償される。それ以外にも、冷却装置２９、３５により十分な冷却がもたらされないケースや、冷却装置２９、３５がそもそも備えられないケースにおいては、取り込まれた剪断エネルギーに基づくスクリュー機１３の内部の昇温を、この第２融液冷却器３７により解消することが可能となる。融液冷却器３７から出る際のポリマー融液２の温度は、２２０℃未満、特に２００℃未満、さらには特に１７０℃未満となっている。
【００３３】
第２冷却器３７を出た後、ポリマー融液２は、第３融液ポンプ３８を利用して７０ｂａｒから３００ｂａｒまでの圧力で顆粒化装置３９に供給され、通常どおりの方式で顆粒化されることにより、ポリマー融液２からポリマー顆粒が製造される。
【００３４】
どのようなポリマー２および推進剤３１が選択されるかにより、顆粒化方案次第で、発泡性ポリマー顆粒も、また発泡済みのポリマー顆粒も製造することができる。発泡性ポリマー顆粒の製造には、水中顆粒化方案が導入されることが好ましいのに対して、発泡済みのポリマー顆粒の製造には、水封式の顆粒化方案が導入されることが好ましい。
【００３５】
本発明のさらに別の実施例においては、ポリマー融液をさらにもう一つのスクリュー機により準備できるようになっているが、それによりポリマー融液を準備するための重合反応路および融液ポンプが不要となる。それ以外にも、混合ゾーンの冷却装置を廃止して、取り込まれた剪断エネルギーの結果として生じるポリマー融液の昇温が、第２の融液冷却器の内部で完全に補償されるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１    ポリマー顆粒製造装置
２    ポリマー融液
３    重合反応器
４    反応容器
５    供給方向
６    第１融液ポンプ
７    ギヤ付きロータ
７’  ギヤ付きロータ
８    ポンプケース
９    融液冷却器
１０    冷却器ケース
１１    静的攪拌体
１２    ヒートシンク
１３    スクリュー機
１４    スクリュー
１４’  スクリュー
１５    ボア
１５’  ボア
１６    ハウジング
１７    電動モータ
１８    歯車装置
１９    融液供給口
２０    供給ゾーン
２１    第１混合ゾーン
２２    閉塞ゾーン
２３    第２混合ゾーン
２４    スクリューフライト
２５    添加剤
２６    添加剤供給口
２７    供給装置
２８    混合・混練要素
２９    第１冷却装置
３０    スクリューフライト
３１    推進剤
３２    推進剤供給口
３３    供給装置
３４    混合・混練要素
３５    第２冷却装置
３６    第２融液ポンプ
３７    第２融液冷却器
３８    第３融液ポンプ
３９    顆粒化装置
【図１】
2011500378.tif 000003
【図２】
2011500378.tif 000004
【国際調査報告】
2011500378.tif 000005
2011500378.tif 000006
2011500378.tif 000007
2011500378.tif 000008