(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空ペレットを製造する押出プロセスであって、
溶融物をペレット製造機へ供給する工程と、
前記ペレット製造機の押出ダイを通じて前記溶融物を押出成形する工程と、を備え、
当該押出成形工程の間、前記溶融物が、インサートの中空カンを通り、前記インサートの少なくとも１つの孔を通り、前記インサートのマンドレル上に配置されるフィンの周囲を流れ、前記フィンは、前記インサートが配置される押出ダイ内において、前記マンドレルの外表面からダイオリフィスの内表面に当接するように延びている、プロセス。
【請求項２】
前記溶融物が前記インサートのマンドレル上に配置される前記フィンの周囲を流れた後、前記溶融物は、前記インサートのフィンを有さない部分の周囲を流れる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
中空キャビティを有するペレットを製造するために前記押出成形された溶融物を冷却する工程をさらに含み、前記中空キャビティは、ペレットの第１の表面を貫通し、当該ペレットの第２の表面を通って連続的に延びているか、ペレット中に完全に包み込まれているか、または、ペレットの第１の表面を貫通し、当該ペレットの本体の内部へ向かって内側に延びているかである、請求項１に記載のプロセス。
【請求項４】
前記インサートは、当該インサートの後縁と前記中空カンとの間にテーパを含み、前記溶融物は、当該テーパを通って流れる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
前記ペレット製造機は、流体中ペレット製造機である、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６】
中空ペレットを製造するペレット製造機であって、
溶融物を受け入れる流入口と、
流入口の後段に配置され、前記溶融物を押出成形する型孔と、
前記型孔内に配置されるインサートであって、後方部および前方部を含み、前記後方部は中空カンを含み、前記前方部はマンドレルを含み、前記マンドレルは複数のフィンを含み、前記フィンは、前記インサートが配置される押出ダイ内において、前記マンドレルの外表面からダイオリフィスの内表面に当接するように延びており、前記インサートは、前記溶融物を前記中空カンから前記マンドレルへと流すことができるように構成された少なくとも１つの孔をさらに含む、インサートと、を備え、
前記ペレット製造機は、流体中ペレット製造機である、ペレット製造機。
【請求項７】
前記複数のフィンは、前記マンドレルの前記型孔内での位置を維持する凸部を含む、請求項６に記載のペレット製造機。
【請求項８】
前記マンドレルは、前記インサートの前記後方部から最も遠い領域を含み、当該領域は、フィンを有さない、請求項６に記載のペレット製造機。
【請求項９】
前記中空カンは、ねじ切りされたものである、請求項６に記載のペレット製造機。
【請求項１０】
前記マンドレルは、着脱式マンドレルである、請求項６に記載のペレット製造機。
【請求項１１】
前記マンドレルは、前記カンにねじ込み装着できる、請求項６に記載のペレット製造機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空ペレットを製造する押出プロセスに関し、押出ダイの型孔内にインサートが配置され、それを通じて溶融物が押し出されて中空ペレットを形成する。
【背景技術】
【０００２】
ペレット製造装置および押出成形処理による使用は、米国特許第4,123,207号、第4,251,198号、第4,500,271号、第4,621,996号、第4,728,276号、第4,888,990号、第5,059,103号、第5,403,176号、第5,624,688号、第6,332,765号、第6,551,087号、第6,793,473号、第6,824,371号、第6,925,741号、第7,033,152号、第7,157,032号、第7,171,762号、第7,172,397号、第7,318,719号、第7,402,034号、第7,421,802号、第7,524,179号、第7,771,635号、第8,007,701号、第8,011,912号、第8,080,196号、第8,205,350号、第8,220,177号、第8,303,871号、第8,361,364号、第8,366,428号、第8,444,923号、第8,512,021号、第8,562,883号、第8,671,647号、および第8,708,688号、米国特許出願公開第2012/0084993号、第2012/0280419号、第2012/0000161号、第2013/0036714号、第2012/0298475号、および第2009/0206507号、米国特許出願第14/198,270号、ドイツ特許および出願公開DE3243332号、DE3702841号、DE8701490号、DE19642389号、DE19651354号、およびDE29624638号、ならびに、欧州特許および出願公開EP1218156号、EP1582327号、およびEP2008784号を含む開示によって例示されるように、本件出願人により長年にわたって紹介され、および／または各種用途に用いられてきた。これらの特許および出願はすべて本件出願人が所有するものであり、参照によりその全内容を本明細書に援用する。
【発明の概要】
【０００３】
上記開示には、ペレット製造プロセスにおいてインサートを用いることに関する記載がない。より具体的に、上記開示には、押出ダイ内でインサートを用い、当該押出ダイおよび当該インサートに溶融物を流して中空ペレットを形成することに関する記載がない。
【０００４】
本発明の種々の実施形態は、押出ダイプレートを通る複数のダイオリフィスにおいて、同数の複数のインサートを用いることによって、再生可能な中空ペレットを製造する、コスト効果の高い方法を提供する。
【０００５】
簡単に説明すると、本発明の種々の実施形態は、押出ダイ内の少なくとも１つのダイオリフィスを通る少なくとも１つのインサートを用いて、中空ペレットを押出成形するプロセスを提供する。溶融物は、インサートを含むダイオリフィスへと流れ、当該ダイオリフィスを通過する。溶融物は、好ましくは圧力によって押出成形され、冷却されると中空ペレットを形成する。この場合に形成される中空キャビティは、ペレットを通じて連続して中空であるか、ペレット中に完全に周囲が包み込まれているか、これらを数多くのパターンで組み合わせて、包み込まれた中空キャビティが少なくとも１つの位置でペレット外部へ少なくとも孔部として繋がるようにするか、のうちの少なくとも１つであってもよい。
【０００６】
中空ペレットは、再生可能な構造を有し、好ましくはポリマー性物質であるいかなる溶融物からなっていてもよく、ペレット形状および中空キャビティ形状の両方について、いずれの形状であってもよい。得られる中空ペレットを左右する要因としては、押出粘度、ダイ膨張、物質組成、溶融温度、冷却速度、結晶度、メルトインデックス、ペレット製造プロセスの切断速度等が挙げられるが、これらに限定されない。
【０００７】
したがって、本発明の一態様は、押出ダイの少なくとも１つのオリフィス内において少なくとも１つのインサートを用い、ペレット形状、ペレット直径、キャビティ形状、キャビティ直径、および、ペレット内および／またはペレットに亘るキャビティの貫通度もしくはキャビティの不形成を制御しつつ、当該押出ダイを通じて溶融物を押し出して、相対的に一貫した再生可能な中空ペレットを製造する、安価でコスト効果の高い方法を提供する。
【０００８】
本発明の実施形態は、中空ペレットを製造する押出プロセスであって、押出ダイを通じて溶融物を押出成形する工程と、中空キャビティを有するペレットを製造するのに効果的な押出成形された溶融物を冷却する工程と、を含むプロセスを含み得る。押出ダイは、一体式押出ダイ、着脱入れ子式押出ダイアセンブリ、または他の構造体であってもよい。場合によっては、押出成形工程は、圧力を用いて実現される。押出ダイは、型孔および型孔内に配置されるインサートを含み得る。インサートは、後方部および前方部を含み得る。いくつかの実施形態において、後方部は、中空カンを含み得る。いくつかの実施形態において、カンは、その内部に中空キャビティを有し得る。いくつかの実施形態において、前方部は、マンドレルを含み得る。いくつかの実施形態において、マンドレルは、溶融物が押し出される際に、マンドレルの型孔内での位置を維持する複数のフィンを含み得る。
【０００９】
いくつかの実施形態において、溶融物は、中空カンを通って流れ得る。いくつかの実施形態において、溶融物は、中空カンとマンドレルのフィンとの間に配置される少なくとも１つの孔を通り得る。
【００１０】
いくつかの実施形態において、フィンは、溶融物がフィンの周囲を流れる際に、型孔に当接してマンドレルの位置を維持する凸部を含み得る。いくつかの実施形態において、マンドレル上のフィンのうち少なくとも１つは、テーパ状であってもよい。いくつかの実施形態において、マンドレルは、溶融物を単一で均一な流れにするための凸部をさらに含み得る。
【００１１】
いくつかの実施形態において、カンは、ねじ切りされたものであってもよい。いくつかの実施形態において、マンドレルは、着脱式マンドレルであってもよく、当該マンドレルは、カンにねじ込み装着されてもよい。
【００１２】
ある実施形態において、ペレットの中空キャビティは、ペレットの第１の表面を貫通し、当該ペレットの第２の表面を通って連続的に延び得る。あるいは、中空キャビティは、ペレット中に完全に包み込まれていてもよい。また、中空キャビティは、ペレットの第１の表面を貫通し、当該ペレットの本体の内部へ向かって内側に延びていてもよい。ペレットが１つより多い中空キャビティを有する場合、これらの種類の中空キャビティのうちいずれかの１以上の種類がペレットにおいて組み合わされてもよい。
【００１３】
いくつかの実施形態において、中空ペレットを製造するのに用いられる溶融物は、ポリマー、コポリマー、バイオポリマー、およびバイオプラスチック、ならびにそれらの組み合わせから選択されてもよい。溶融物には、１以上の添加物が含まれていてもよい。ポリマー、コポリマー、および添加物は、反応性官能基を含み得る。反応性官能基は、架橋性のものであってもよい。反応性官能基は、膨張を含む化学反応によって改質されてもよい。
【００１４】
本発明の実施形態は、溶融物をペレット製造機へ供給する工程と、ペレット製造機の押出ダイを通じて溶融物を押出成形する工程と、を備える中空ペレットを製造する押出成形プロセスであって、当該押出成形工程の間、溶融物が、インサートの中空カンを通り、インサートの少なくとも１つの孔を通り、インサートのマンドレル上に配置されるフィンの周囲を流れてもよい。いくつかの実施形態において、ペレット製造機は、例えば、水中ペレット製造機等の流体中ペレット製造機であってもよい。いくつかの実施形態において、溶融物がフィンの周囲を流れた後、溶融物は、インサートのフィンを有さない部分の周囲を流れ得る。
【００１５】
いくつかの実施形態において、インサートは、当該インサートの後縁と中空カンとの間にテーパを含み得、溶融物は、当該テーパを通って流れ得る。
【００１６】
いくつかの実施形態において、プロセスは、中空キャビティを有するペレットを製造するのに効果的な押出成形された溶融物を冷却する工程をさらに含み得る。いくつかの実施形態において、ペレットの中空キャビティは、ペレットの第１の表面を貫通し、当該ペレットの第２の表面を通って連続的に延び得る。あるいは、中空キャビティは、ペレット中に完全に包み込まれていてもよい。また、中空キャビティは、ペレットの第１の表面を貫通し、当該ペレットの本体の内部へ向かって内側に延びていてもよい。ペレットが１つより多い中空キャビティを有する場合、これらの種類の中空キャビティのうちいずれかの１以上の種類がペレットにおいて組み合わされてもよい。
【００１７】
本発明の実施形態は、ペレット製造機をさらに含み得る。ペレット製造機は、溶融物を受け入れる流入口と、流入口の後段に配置されてもよい、溶融物を押出成形する型孔と、型孔内に配置されるインサートと、を含み得る。いくつかの実施形態において、インサートは、後方部および前方部を含み得る。いくつかの実施形態において、後方部は、中空カンを含み得、そのカンは、その内部に中空キャビティを有し得る。いくつかの実施形態において、前方部は、マンドレルを含み得、そのマンドレルは、複数のフィンを含み得る。いくつかの実施形態において、インサートは、溶融物を中空カンからマンドレルへと流すことができるように構成された少なくとも１つの孔を含み得る。
【００１８】
いくつかの実施形態において、複数のフィンは、溶融物が押し出される際に、マンドレルの型孔内での位置を維持する凸部を含み得る。いくつかの実施形態において、インサートの後方部から最も遠いマンドレルの領域は、フィンを有していなくてもよい。
【００１９】
いくつかの実施形態において、押出成形された溶融物は、中空キャビティを有するペレットを含み得る。いくつかの実施形態において、ペレット製造機は、押出成形された溶融物をペレット製造機から搬送する流出口をさらに含み得る。ペレット製造機は、水中ペレット製造機等の流体中ペレット製造機であってもよい。
【００２０】
本発明の上記ならびにその他の目的、特徴、および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る、孔部を含む部分が一体式構造を有する一体式押出ダイアセンブリの縦断面模式図である。
【図２】本発明に係る、孔部を含む部分が着脱式中央構造を有する着脱入れ子式押出ダイアセンブリの縦断面模式図である。
【図３】ダイオリフィスとインサートとの組み合わせを示す縦断面模式図である。
【図４】一実施形態に係るインサートの概略図である。
【図５】型孔内における図４のインサートの断面図である。
【図５ａ】型孔内における図４のインサートの線ａに沿った横断面図である。
【図５ｂ】型孔内における図４のインサートの線ｂに沿った横断面図である。
【図５ｃ】型孔内における図４のインサートの線ｃに沿った横断面図である。
【図５ｄ】型孔内における図４のインサートの線ｄに沿った横断面図である。
【図６ａ】第２の実施形態に係るインサートを後方上部からみた透視図である。
【図６ｂ】別の実施形態に係るインサートの側方からみた透視図である。
【図６ｃ】図６ａのインサートを前方からみた透視図である。
【図７ａ】型孔内における図６ａのインサートの断面図である。
【図７ｂ】別の実施形態に係るインサートを後方上部からみた透視図である。
【図７ｃ】図７ｂのインサートを前方からみた透視図である。
【図８ａ】さらに別の実施形態に係るインサートの垂直断面図である。
【図８ｂ】さらに別の実施形態に係るインサートの垂直断面図である。
【図８ｃ】図８ａおよび図８ｂのインサートを前方からみた斜視図である。
【図９ａ】図９ａ〜図９ｉは、ペレットの種々の形状を示す上面図、断面図、および側面図であって、図９ａは、中空部が完全に貫通している円筒状ペレットの上面図である。
【図９ｂ】図９ａの中空かつ略円筒状ペレットの断面図である。
【図９ｃ】図９ａの中空かつ略円筒状ペレットの側面図である。
【図９ｄ】略球体状ペレットの上面図である。
【図９ｅ】図９ｄの球体状ペレットの断面図である。
【図９ｆ】略直方体状ペレットの上面図である。
【図９ｇ】図９ｆのペレットの断面図であり、当該直方体状ペレット内の球体状中空部またはキャビティを示す。
【図９ｈ】略球体状ペレットの上面図である。
【図９ｉ】図９ｈのペレットの断面図であり、キャビティが、ペレット壁内へと延びてこれを通過する孔部を有する構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の特定の実施形態のみを詳細に説明するが、本発明の範囲は、以下の記載または図面で説明される構造および構成要素の配置の詳細に限定されるものではないことが理解されよう。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な様式で実行または実施することができる。また、実施形態の説明において、説明を明確にするために、特定の専門用語を用いることがある。各特定の用語は、同様に動作して同様の目的を達成するすべての技術的同等物を含むことが理解されよう。
【００２３】
図面を参照して、図１は、ペレット製造機の構成要素に関連した本発明の一実施形態を示す。ペレット製造機は、溶融装置および／または混合装置（図示せず）からの流入ハウジング１２を含む。流入ハウジング１２は、有機物、オリゴマー、ポリマー、ワックス、およびそれらの組み合わせに限定されないが、これらを含み得る溶融物または他の押出成形品（以下、まとめて「溶融プロセス品」とする）のための流路１４を含む。円錐部１６は、円錐部１６がねじ切りされたロッド（図示せず）によって装着接合される一体式押出ダイ１０の上流側へと、溶融プロセス品を方向付ける。ねじ切りされたロッドは、その一端が円錐部１６のねじ穴１８へとねじ止めされ、他端が一体式押出ダイ１０のねじ穴２０へとねじ止めされる。あるいは、円錐部１６は、一体式押出ダイ１０と一体であってもよく、本明細書に記載のように装着接合しなくてもよい。
【００２４】
一体式押出ダイ１０は、少なくとも１つ、好ましくは複数の型孔２２を含む。当該型孔２２は、単独で、または複数が少なくとも１つのリング状となるように同心状に配置され、一体式押出ダイ１０の上流面２４から下流面２６へと延びている。切断チャンバ（図示せず）内の回転駆動カッターハブ３０に搭載された複数のナイフ刃アセンブリ２８は、押出成形され、冷却され、少なくとも部分的に固化した溶融プロセス品を切断して、ペレットを形成する。このように形成されたペレットは、機械的手段、空圧、流体圧、およびそれらの組み合わせで下流処理へと運ばれる。
【００２５】
下流面２６の領域を任意で切り欠いて、型孔２２に周囲が隣接する少なくとも１つの円環状の凹部すなわち窪み３２を形成し、一体式押出ダイ１０のベースプレート３６と連続する凸部３４に型孔２２が収まるようにしてもよい。凸部３４の有無にかかわらず、型孔２２内には、以下に詳説する同数のインサート５０が配置される。円環状のカバープレート３８を、円環状の凹部すなわち窪み３２に被せて、ロウ付け、溶接、または当業者に公知の同様の技術によって、ベースプレート３６および凸部３４に装着接合する。カバープレート３８は、好ましくはニッケル鋼等の耐摩擦耐食金属、好ましくは炭化タングステン等の硬質面材、および数多くのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つからなっていてもよい。同様に、カバープレート３８のベースプレート３６および／または凸部３４への装着は、溶接、ロウ付け等によってなされることが好ましい。カバープレート３８の表面、ひいては、一体式押出ダイ１０の下流面２６は、当業者に公知のように、耐薬品、耐摩擦、耐食、かつ耐摩耗の被膜で任意で被覆されていてもよい。
【００２６】
図２は、本発明の第２の実施形態における着脱入れ子式押出ダイアセンブリ１００を示す。着脱入れ子式押出ダイアセンブリ１００は、ベースプレート１０５および着脱式入れ子１１０を含む。図１と同様に、着脱入れ子式押出ダイアセンブリ１００は、溶融装置および／または混合装置（図示せず）からの流入ハウジング１２に装着接合される。流入ハウジング１２は、上記のように、溶融プロセス品のための流路１４を含む。円錐部１６は、円錐部１６がねじ切りされたロッド（図示せず）によって装着接合される着脱式入れ子１１０の上流側へと、溶融プロセス品を方向付ける。ねじ切りされたロッドは、その一端が円錐部１６のねじ穴１１８へとねじ止めされ、他端が着脱式入れ子１１０のねじ穴１２０へとねじ止めされる。
【００２７】
着脱式入れ子１１０は、少なくとも１つ、好ましくは複数の型孔２２を含む。当該型孔２２は、単独で、または複数が少なくとも１つのリング状となるように同心状に配置され、着脱式入れ子１１０の上流面１２４から下流面１２６へと延びている。切断チャンバ（図示せず）内の回転駆動カッターハブ３０に搭載された複数のナイフ刃アセンブリ２８は、押出成形され、冷却され、少なくとも部分的に固化した溶融プロセス品を切断して、ペレットを形成する。このように形成されたペレットは、上記のように、機械的手段、空圧、流体圧、およびそれらの組み合わせで下流処理へと運ばれる。
【００２８】
下流面１２６の領域を任意で切り欠いて、型孔２２に周囲が隣接する少なくとも１つの円環状の凹部すなわち窪み１３２を形成し、着脱式入れ子１１０の着脱式中央ベースプレート１３６と連続する凸部１３４に型孔２２が収まるようにしてもよい。凸部１３４の有無にかかわらず、型孔２２内には、以下に詳説する同数のインサート５０が配置される。円環状のカバープレート１３８を、円環状の凹部すなわち窪み１３２に被せて、ロウ付け、溶接、または当業者に公知の同様の技術によって、着脱式中央ベースプレート１３６および凸部１３４に装着接合する。カバープレート１３８は、好ましくはニッケル鋼等の耐摩擦耐食金属、好ましくは炭化タングステン等の硬質面材、および数多くのそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つからなっていてもよい。同様に、カバープレート１３８の着脱式中央ベースプレート１３６および／または凸部１３４への装着は、溶接、ロウ付け等によってなされることが好ましい。カバープレート１３８の表面、ひいては、着脱式入れ子１１０の下流面１２６は、当業者に公知のように、耐薬品、耐摩擦、耐食、かつ耐摩耗の被膜で任意で被覆されていてもよい。
【００２９】
加熱および／または冷却プロセスは、一体式押出ダイ１０および着脱入れ子式押出ダイアセンブリ１００に関して従来開示されてきたように、電気抵抗、誘導、蒸気、または伝熱流体によって実施できる。あるいは、着脱式入れ子１１０およびベースプレート１０５を、同様または異なるメカニズムによって、別々に加熱することもできる。加熱部材４６は、図１および図２にそれぞれ示すように、一体式押出ダイ１０または着脱入れ子式押出ダイアセンブリ１００に挿入されていることが好ましい。当業者に公知の他の設計も参照により本明細書に援用されるが、これらに限定されない。
【００３０】
次いで、一体式押出ダイ１０を示す図３を参照して、上流面２４から、ベースプレート３６に任意で形成される凸部３４内へと延びてこれを通過し、カバープレート３８の下流面２６まで延びる型孔２２内に、インサート５０が示されている。説明を明確にするために、任意で形成される円環状の凹部すなわち窪み３２も示されている。同様のアセンブリが着脱式入れ子１１０にも適用されるが、図示を省略する。
【００３１】
図４は、一実施形態に係るインサート５０の構造を詳細に示す。図４に示すように、インサート５０ａは、マンドレル５２、複数のインサートフィンテーパ５４、および複数のフィン５６を含む。インサート５０ａは、いかなる耐摩耗材からなっていてもよいが、好ましくは金属からなる。当該金属は、アルミニウム、真鍮、青銅、銅、鋼鉄、工具鋼、炭素鋼、バナジウム鋼、ステンレス鋼、ニッケル鋼、ニッケル等に限定されないが、これらを含み得る。より好ましくは、当該金属は、真鍮、青銅、および銅を含む、熱の良導体である。いかなる理論にも限定されるものではないが、熱伝導性金属は、型孔２２に進入してこれを通過する溶融プロセス品の温度を均一に維持すると考えられている。これは、複数のフィン５６によって形成される複数の流路を物質が流れる際の熱損失および／または温度変化を最小とするのに有効である。
【００３２】
インサート５０ａの寸法は、処理温度において型孔２２の寸法を超えないものでなくてはならない。インサート５０ａの金属がベースプレート３６または着脱式入れ子１１０の金属とは異なる場合、伸び差を考慮しなくてはならない。フィン５６は、溶融プロセス品のための複数の流路を形成するだけではなく、インサート５０ａの型孔２２内での位置を維持する役割を果たす。フィンの最小数は、少なくとも２つであり、好ましくは少なくとも３つである。より好ましくは、インサート５０ａには少なくとも４つのフィン５６が配置される。複数のフィン５６は、溶融ポリマーが流れる流路を形成するために、隣接するフィンに対していかなる角度に向けられてもよい。好ましくは、フィン同士の間は、１８０度以下である。より好ましくは、フィン同士の間は、１２０度以下である。最も好ましくは、フィン同士の間は、９０度以下である。その結果、場合によっては、インサートは、インサート５０ａの周りに少なくとも４つのフィンを有し、当該少なくとも４つのフィンのそれぞれは、隣接するフィンとの間が約９０度以下となる。
【００３３】
図５は、ダイオリフィスまたは型孔２２内のインサート５０ａを示す。図示されるように、マンドレル５２は、ダイランド６０内にほぼ含まれ、インサートフィンテーパ５４は、その寸法が型孔テーパ６２にほぼ相当し、フィン５６は、プレランドチューブ６４内にほぼ含まれる。ダイランド６０の長さは、一般的に少なくともおよそ３．８ｍｍ（およそ０．１５インチ）〜およそ３１．７５ｍｍ（およそ１．２５インチ）であり、好ましくは少なくともおよそ６．４ｍｍ（およそ０．２５インチ）〜およそ２５ｍｍ（およそ１．００インチ）である。ダイランド６０内のマンドレル５２は、押出ダイの下流面と面一であることが好ましい。別の実施形態において、マンドレル５２の長さは、ダイランド６０の長さ未満であってもよい。このような別の実施形態において、マンドレル５２の長さは、ダイランド６０の長さより、最大約０．５０ｍｍ（およそ０．０２０インチ）〜約５．０ｍｍ（およそ０．２０インチ）だけ短く、マンドレル５２の先端が、押出ダイの下流面からごく僅かに凹むことになる。ダイランド６０および／またはマンドレル５２は、円筒状またはテーパ状であってもよく、その形状が円形、楕円形、長方形等であってもよい。同様に、ダイランド６０とマンドレル５２とは、形状が同様であっても異なっていてもよい。インサート５０ａは、型孔２２へ圧入されてもよいが、好ましくはスライドして嵌合される。
【００３４】
インサートフィンテーパ５４は、型孔テーパ６２と角度６６が同様である。型孔テーパ６２は、プレランドチューブ６４の直径上に仮定される垂直円筒に対して型孔テーパ６２との接続部で計測された場合に、０°〜９０°の角度であり得る。好ましくは、角度６６は、本明細書に記載のように１５°〜４５°である。インサートフィンテーパ５４の輪郭は、型孔テーパ６２の輪郭と同一でも異なっていてもよいが、その寸法はフィン５６の直径からマンドレル５２の直径までテーパ状でなくてはならない。同様に、フィン５６の形状は、例えば、円筒状、テーパ状、またはそれらの組み合わせであるプレランドチューブ６４の形状と同一でも異なっていてもよい。好ましくは、プレランドチューブ６４およびフィン５６は、円筒状である。フィン５６の長さは、プレランドチューブ６４の長さと同一であってもよいが、好ましくはプレランドチューブ６４の長さ未満である。より好ましくは、フィンがプレランドチューブ６４の長さを超えて外部へ突出しないように、フィン５６の長さは、プレランドチューブ６４の長さより少なくともおよそ０．５０ｍｍ（およそ０．０２０インチ）だけ短くする。
【００３５】
図５ａは、プレランドチューブ６４内におけるフィン５６を線ａに沿って例示する断面図である。図５ｂは、型孔テーパ６２内におけるインサートフィンテーパ５４を線ｂに沿って例示する断面図である。図５ｃは、ダイランド６０内におけるインサートフィンテーパ５４への装着位置におけるマンドレル５を、線ｃに沿って例示する断面図である。図５ｄは、ダイランド６０内における任意で先細りのテーパ状とされるマンドレル５２を線ｄに沿って例示する断面図である。
【００３６】
図６ａ〜図６ｃは、別の実施形態に係るインサート５０の構造を詳細に示す。まず図６ａを参照して、インサート５０ｂは、後方部７０および前方部７２を含む。後方部７０は、カン７４を含む。前方部７２は、複数のフィン７８および複数のフィンテーパ８０を含むマンドレル７６を含む。インサート５０ｂの後方部７０のカン７４は、後縁８２および中空キャビティ８４を含む。後縁８２は、溶融プロセス品を受け入れるように開口している。後縁８２と中空キャビティ８４との間には、任意でねじ山８６が形成される。ねじ山８６は、例えば、器具をねじ山８６に挿入し、インサート５０ｂを掴んで型孔２２から取り外したり型孔２２に取り付けたりすることによって、インサート５０ｂを型孔２２に脱着するのに用いることができる。この任意のねじ山の有用な特徴は、最小限の投資で、ペレット製造処理を、中空ペレット製造から通常の非中空（中実）ペレット製造へと切り替え、さらに逆方向の切り替えを行うことができるという柔軟性にある。
【００３７】
カン７４の中空キャビティ８４は、前方壁８８を含む。前方壁８８は、図６ａに示すように平坦であってもよい。前方壁８８は、少なくとも１つの孔９０を含む。前方壁８８は、少なくとも２つの孔９０、少なくとも３つの孔９０、または少なくとも４つの孔９０を含んでいてもよい。あるいは、前方壁８８が平坦ではなく、図６ｂに示すように当該領域に複数のテーパ状流入口９１を含んでいてもよい。テーパ状流入口９１は、溶融物を少なくとも１つの孔９０へ流し込み、溶融物が前方壁８８で溜まらないようにするのに役に立つ。
【００３８】
再び図６ａを参照して、少なくとも１つの孔９０は、中空キャビティ８４の前方壁８８から、インサート５０ｂの後方部７０の前方壁９２まで延びている。少なくとも１つの孔９０によって、溶融プロセス品の流れを阻害したり圧力を不要に増加させたりすることなしに、溶融プロセス品を中空キャビティ８４から流し、インサート５０ｂの前方部７２へと送ることができる。前方壁９２は、面取り部９４を任意で含んでいてもよい。
【００３９】
図６ｃは、インサート５０ｂを前方からみた透視図であり、マンドレル７６、マンドレル７６上の複数のフィン７８、および複数のフィンテーパ８０を含む、インサート５０ｂの前方部７２をより明らかに示す。マンドレル７６は、少なくとも３つの別々の領域であるところの、ベース領域１０２、中間領域１０４、および前方領域１０６を有することが好ましい。ベース領域１０２において、フィン７８は、後方部７０の前方壁９２から前方領域１０６および押出ダイの下流面へとマンドレル７６に沿って前方に延びている。これによって、溶融プロセス品を、少なくとも１つの孔９０を通って流れさせることができ、少なくとも１つの孔９０を通ってフィン７８に沿った一定の層流や他の望ましい流れを維持することができる。フィン７８は、溶融プロセス品の流れを阻害することなしに、溶融プロセス品を誘導する役割を果たす。中間領域１０４において、フィン７８は、凸部１０８を有する。フィン７８は、マンドレル７６の中間領域内のフィンテーパ８０で終わりとなる。インサートフィンテーパ８０は、フィン７８の直径からフィン７８のないマンドレル７６の直径までテーパ状となる。したがって、マンドレル７６の前方領域１０６は、フィンを有していなくてもよい。前方領域１０６にフィンがない場合、溶融プロセス品が型孔２２から押し出されると、結果として得られる中空ペレットが、フィン７８がマンドレル７６の先端１１２まで伸びている場合に生じるような隙間なしに完全に形成可能であるように、マンドレル７６の前方領域１０６の周囲に溶融プロセス品を流すことができる。
【００４０】
マンドレル７６上に配置されるフィン７８の最小数は、少なくとも２つであり、少なくとも３つである場合もある。いくつかの実施形態において、少なくとも４つのフィン７８がマンドレル７６上に配置される。マンドレル７６上の複数のフィン７８は、溶融ポリマーが流れる流路を形成するために、隣接するフィンに対していかなる角度に向けられてもよい。フィン７８同士の間は、等間隔に配置され得る。したがって、フィン７８同士の間は、マンドレル７６の周りに約１８０度以下であってもよく、マンドレル７６の周りに約１２０度以下であってもよく、隣接するフィンとの間がマンドレルの周りに約９０度以下であってもよい。
【００４１】
次いで、図７ａを参照して、インサート５０ｂは型孔２２内に示されている。インサート５０ｂの寸法は、処理温度において型孔２２の寸法を超えないものでなくてはならない。インサート５０ｂの金属がベースプレート３６または着脱式入れ子１１０の金属とは異なる場合、伸び差を考慮しなくてはならない。
【００４２】
フィン７８は、溶融プロセス品のための複数の流路を形成するだけではなく、マンドレル７６の型孔２２内での位置を維持する役割を果たす。型孔２２内の圧力または流れの差、および／または刃２８を有するカッターハブ３０を回転する力によって、マンドレル７６に力が伝えられ、マンドレル７６が動き得ることになる。マンドレル７６上のフィン７８は、マンドレル７６をさらに支持して安定させ、マンドレル７６を型孔２２内でしっかりと保持し、マンドレル７６の望ましくない動きを防ぐことができる。凸部１０８は、型孔２２に当接して、マンドレル７６の型孔２２内での位置を維持することを補助する。
【００４３】
インサート５０ｂは、マンドレル７６の中間領域１０４および前方領域１０６がダイランド６０内にほぼ含まれるように、型孔２２内に配置される。同図に示すように、型孔テーパ６２は、２つの領域１１４および１１６を含み得る。領域１１４は、任意で湾曲（図示）していてもよいし、平坦（図示せず）であってもよい。同様に、領域１１６は、直線のテーパ状で斜めの領域（図示）であってもよいし、平坦（図示せず）であってもよい。フィン７８は、型孔テーパ６２を通ってダイランド６０内へと延び、凸部１０８がダイランド６０に当接してマンドレル７６の位置を維持することができる。
【００４４】
また、ダイランド６０の長さは、一般的に少なくともおよそ３．８ｍｍ（およそ０．１５インチ）〜およそ３１．７５ｍｍ（およそ１．２５インチ）であり、好ましくは少なくともおよそ６．４ｍｍ（およそ０．２５インチ）〜およそ２５ｍｍ（およそ１．００インチ）である。ダイランド６０内のマンドレル７６は、押出ダイの下流面と面一であることが好ましい。別の実施形態において、マンドレル７６の長さは、ダイランド６０の長さ未満であってもよい。このような別の実施形態において、マンドレル７６の長さは、ダイランド６０の長さより、最大約０．５０ｍｍ（およそ０．０２０インチ）〜約５．０ｍｍ（およそ０．２０インチ）だけ短く、マンドレル７６の先端１１２が、押出ダイの下流面からごく僅かに凹むことになる。
【００４５】
ダイランド６０とマンドレル７６とは、形状が同様であっても異なっていてもよい。ダイランド６０は、円筒状またはテーパ状であってもよく、その形状が円形、楕円形、長方形、星形等であってもよい。マンドレル７６は、円筒状またはテーパ状であってもよく、その形状が円形、楕円形、長方形、星形等であってもよい。フィン７８を介した前方部７２は、圧入プラグであってもよく、好ましくは型孔２２へと圧入される。
【００４６】
図７ｂおよび図７ｃは、別の実施形態に係る、型孔２２内のインサート５０ｂを詳細に示す。図７ｂは、インサートを後方上部からみた透視図であり、図７ｃは、インサートを前方からみた透視図である。図示されるように、マンドレル７６は、凸部１１８を含む。前方壁８８が１つより多い孔９０を含む場合、凸部１１８は、孔９０から流出するポリマーの流れを、もとの単一で均一な流れにするために用いられてもよい。凸部１１８は、溶融した流れが凸部１１８上を通り過ぎる際に、溶融した流れを凸部１１８と型孔２２の壁部１２０との間で外側に押すという作用を為し、それによって、溶融物が複数の流れではなく単一で均一な流れとなる。
【００４７】
インサート５０ｂは、いかなる耐摩耗材からなっていてもよいが、好ましくは金属からなる。当該金属は、アルミニウム、真鍮、青銅、銅、鋼鉄、工具鋼、炭素鋼、バナジウム鋼、ステンレス鋼、ニッケル鋼、ニッケル等に限定されないが、これらを含み得る。いくつかの実施形態において、当該金属は、真鍮、青銅、および銅を含む、熱の良導体であってもよい。いかなる理論にも限定されるものではないが、熱伝導性金属は、型孔２２に進入してこれを通過する溶融プロセス品の温度を均一に維持すると考えられている。これは、複数のフィン７８によって形成される複数の流路を物質が流れる際の熱損失および／または温度変化を最小とするのに有効である。好ましくは、当該金属として、熱伝導率が低い、より良好な熱絶縁材であるステンレス鋼等の、強度および耐摩耗性が高いものが選択される。
【００４８】
一実施形態において、インサートは、カンおよびマンドレルを含む一体型アセンブリであってもよい。別の実施形態において、マンドレルがカンから分離している複合型アセンブリであってもよい。図８ａ〜図８ｃに、インサートの複合型アセンブリを示す。まず図８ａを参照して、図示されるように、インサート５０ｂは、カン７４およびマンドレル７６を含む。この複合型の実施形態において、マンドレル７６は、カン７４から取り外し可能である。図８ｂに示すように、マンドレル７６は、カン７４に螺合されてもよい。あるいは、マンドレルは、カンに何らかの別の手法で装着接合されてもよい。図８ｃは、マンドレル７６がカン７４に装着された状態の複合型アセンブリを前方からみた斜視図である。
【００４９】
図９ａ〜図９ｉは、本発明に従って形成された中空ペレットの種々の形状を示す。図９ａは、中空キャビティが完全に貫通している円筒状ペレットの上面図を示す。図９ｂは、図９ａの中空円筒状ペレットの断面図を示し、図９ｃは、同一ペレットの側面図を示す。図９ｄは、略球体状ペレットの上面図を示し、図９ｅは、当該ペレットの断面図を示す。図９ｆは、略直方体状ペレットの上面図を示し、図９ｇは、該ペレットの断面図であり、当該直方体状ペレット内に球体状の中空キャビティを有する構成を示す。図９ｈは、略球体状ペレットの上面図を示し、図９ｉは、該ペレットの断面図であり、ペレット壁内へと延びてこれを通過する孔部を有するキャビティを示す。数多くのペレット形状およびキャビティ形状が、限定を受けることなく本発明の方法によって実現できることが当業者には理解されよう。
【００５０】
中空ペレットの形成は、溶融レオロジー、特に溶融粘度によって大いに制御される。部分的な溶融物は、一般的に、上記した図９ａ〜図９ｃに示すような円環体すなわちドーナツ型のペレットを形成する。溶融粘度の低下に従ってメルトフローインデックスが上昇すると、ペレットがより閉じられるようになり、図９ｄ〜図９ｇに示すような完全に包み込まれたキャビティを形成する。溶融粘度のさらなる低下に従ってメルトフローインデックスが上昇すると、包み込まれる程度が完全ではないキャビティが形成されて孔部が生じ、最終的にはキャビティが崩壊するか部分的に崩壊して、不規則なキャビティが形状されることになる。
【００５１】
さらに、化学組成、融点範囲、および結晶度等の要素は、溶融プロセス品の流動性および温度に影響を与えるため、これらの要素も重要である。結晶化は、一般的に発熱を伴い、溶融処理温度を上昇させるため、粘度を低下させる。融点範囲が狭まるに従って、固化を著しく促進させるための冷却の必要性が少なくなるため、キャビティが完全に貫通している円環体すなわちドーナツ型のペレットと比較して、完全に包み込まれたキャビティの形成がより難しくなる。ポリマーの極性、分岐性、および疎水性／親水性相互作用は、融液相や固化を生じさせるプロセスの特性に影響を与える。ダイから流出する際の物質の膨張性は、特定の直径のキャビティを含む所望の直径のペレットを実現するために必要なマンドレルとダイランドと直径差や、ペレットの閉じ度を評価するのに重要な要素である。溶融粘度が低下するのに従って、これらの変数の制御が低下し、結晶の温度による影響が存在する場合、当該影響が増大する。
【００５２】
吸湿は、ペレット製造が好適な水中ペレット製造によって行われる場合の水分の取り込み性を明らかにするための手段として、評価される。形成された中空キャビティ内において、輸送流体、好ましくは水の取り込みが生じている場合、水分が比例的に高くなることが予期される。驚くべきことに、低質量の中空ペレットと同程度の直径を有する中実ペレットとの質量差を考慮すると、水分含有率が予想よりも大幅に低く、さらに驚くべきことに、材料の極性が上昇するのに従って水分がより低下することが分かった。例えば、ポリエチレンおよびポリプロピレンの中空ペレットは両方とも、同程度の直径の中実ペレットと同程度の水分含有率である一方、エチルビニルアセテートの中空ペレットは、水分が中実ペレットのおよそ１／２〜２／３であることが分かった。
【００５３】
本発明に係る中空ペレットを製造するのに用いられる物質は、例えば、ポリマー、コポリマー、バイオポリマー、およびバイオプラスチック、ならびにそれらの組み合わせに限定されないが、これらを含む。
【００５４】
本発明に係る中空ペレットを製造するのに有用なポリマーは、ポリオレフィン、架橋性ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリスルフィド、ポリスルホン、ポリウレタン、ポリエーテル、ポリチオエーテル、ワックス、ホットメルト接着剤、アスファルト、熱可塑性エラストマー、ゴム、セルロース化合物、ガム基礎剤、芳香族ビニルポリマーおよび脂肪族ビニルポリマーを含むビニルポリマーや置換ビニルポリマー、ポリスチレン等の芳香族アルケニルポリマー、ならびにこれらのコポリマーであってもよい。
【００５５】
最終的に得られる中空ペレット、あるいは他のバイオまたは非バイオポリマーや物質を含むもしくは含まない組成物の構成要素としてのバイオプラスチックは、例えば、ポリヒドロキシアルカノエート、ポリグリコライド、ポリラクチド、ポリエチレングリコール、多糖類、セルロース化合物、スターチ、ポリ無水物、脂肪族ポリエステル、ポリカーボネート、ポリオルトエステル、ポリホスファゼン、ポリラクトン、およびポリラクタムに限定されないが、これらを含む。
【００５６】
本発明に有用なポリオレフィンは、超低密度ポリエチレン、直鎖低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリブチレン、イオノマー、ポリメチルペンテン、ポリプロピレン、エチレン−ビニルアセテート、アルキルおよびアリール置換ビニル化合物、ハロゲン化およびポリハロゲン化ビニル化合物、ポリビニルエステル、ポリビニルアルコール、ならびにこれらのコポリマーであってもよい。
【００５７】
本発明に係る中空ペレットの製造において、溶融物には、１以上の添加物が含まれていてもよい。添加物の組成は、レオロジー改質剤、架橋促進剤、酸化防止剤、紫外線安定剤、熱安定剤、色素、顔料、充填剤、繊維、核化剤、膨張剤、カプセル化された農業上および製薬上の有効成分、着香剤および香料、粘着付与剤、脱粘着剤、ペレット被膜、可塑剤、滑沢剤、ワックス、バイオ物質添加物（セルロース化合物、スターチ、およびタンパク様物質に限定されないが、これらを含んでいてもよい）、カップリング剤、バインダー、捕集剤、相乗剤、加工助剤、およびペレット化助剤に限定されないが、これらを含み得る。当該１以上の添加物は、単独であってもよいし、複数の組み合わせであってもよい。
【００５８】
本発明に有用なポリマー、コポリマー、および１以上の添加物は、アモルファス、結晶体、またはそれらの組み合わせであってもよい。ポリマー、コポリマー、および１以上の添加物は、反応性官能基を含み得る。反応性官能基は、架橋性のものであってもよい。反応性官能基は、膨張を含む化学反応によって改質されてもよい。
【００５９】
押出プロセスにおける背圧は、インサートを用いることによって増加することが見込まれるが、ダイ孔の数を増加すること、溶融プロセス品の温度を上昇させること、およびダイの温度を上昇させることのうちの少なくとも１つによって緩和できることが分かった。当業者には理解できるように、これらの要素は驚きに値する結果ではない。
【００６０】
いかなる理論にも限定されるものではないが、本発明に従って製造された中空ペレットは、通常の中実ペレットよりも高い表面積−体積比および短い外表面−「核」距離を有するため、中空ペレットは、中実ペレットと比較していくつかの利点を有する。例えば、中空ペレットは、より早く溶融するだけではなく、より早く乾燥、結晶化、および／または固体重合するため、中空ペレットを用いることによって生産性が向上する。形成後、ペレットが溶媒に投入される場合もあるが、中空ペレットは、通常の中実ペレットより速く溶融する。中空ペレットは、化合前混合物における混合および分散特性も高いため、押出成形や他の用途に用いる前に、他の物質と乾式混合することがより容易になる。場合によっては、衝撃エネルギーを吸収したり総重量を低減したりする等の機能を達成するのに、より安価なペレットが必要となるが、中空ペレットによってこれが実現される。さらに、ペンタン等の膨張剤が溶融物に含まれてもよく、結果として得られるペレットが、「発泡ドーナツ」等の形状に膨張して、パッキング用途に直接使用できるようになる。
【００６１】
以上の記載は、本発明の原理を単に説明しているにすぎない。また、当業者による様々な変形や変更が容易に可能であるため、本発明は、図示され記載された実施形態そのものに限定されるものではない。したがって、あらゆる適切な変形およびその等価物が本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
0006383865.tif 000021
【図９ｃ】
0006383865.tif 000022
【図９ｄ】
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【図９ｅ】
0006383865.tif 000024
【図９ｆ】
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【図９ｇ】
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【図９ｈ】
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【図９ｉ】
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