JP3751992B2

JP3751992B2 - 合成樹脂粉末の製造方法および装置

Info

Publication number: JP3751992B2
Application number: JP01622495A
Authority: JP
Inventors: 進内田; 篤史吉永; 敏夫白石
Original assignee: Sumitomo Seika Chemicals Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Seika Chemicals Co Ltd
Priority date: 1995-02-02
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2021-03-08
Also published as: JPH08207045A

Description

【０００１】
【技術分野】
本願発明は、合成樹脂粉末の製造方法および装置に関し、合成樹脂ペレットを粉砕してその微粉末を得るための技術に関する。
【０００２】
【従来技術】
たとえば２０メッシュパスの合成樹脂微粉末は、粉体塗料としての用途はもちろん、回転成形、圧縮成形等の合成樹脂成形素材、塗料充填剤、化粧品素材等種々の分野に使用されており、その生産量も年々増大している。一般に、このような合成樹脂微粉末は、たとえば剪断摩砕型粉砕機を利用し、数ミリ角程度の大きさの合成樹脂ペレットを粉砕することによって生産されている。
【０００３】
剪断摩砕型粉砕機の一例はたとえば本願の出願人による特開平５−９６１９３号公報に示されている。すなわち、この粉砕機１は、本願の図９に示すように、ハウジング２内に同一軸心をもって相対回転する雄粉砕刃３と雌粉砕刃４とを備えて基本的に構成される。雄粉砕刃３のコーン外面３ａと雌粉砕刃４のコーン内面４ａは所定間隔をあけて対向させられており、その各々には、図１０および図１１に示すように、軸心から放射方向に延びる複数の突条で構成される刃部５が形成されている。この刃部５のピッチおよび刃高さは、どの程度のメッシュの微粉末を製造するか、あるいはどの程度の大きさのペレットを導入するかによって異なるが、それぞれ、１〜２mmの範囲で設定される。このようにして、両粉砕刃３，４の対向刃部５，５によって粉砕隙間６が形成される。
【０００４】
ハウジング２には、雄粉砕刃３の中心に開けた導入孔７に連通するペレット導入部８と、両粉砕刃３，４の周囲を取り囲むように形成される製品回収部９とが設けられる。そして、この製品回収部９の適部には製品粉末搬送管１０がつなげられている。
【０００５】
上記両粉砕刃３，４の刃部５，５どうしの間隔を所定に設定した上で両粉砕刃３，４を互いに逆方向に回転させるなどして相対回転状態におき、図示しないフィーダによって原料ペレットがハウジング２のペレット導入部８に導入される。原料ペレットは、上記粉砕隙間６において両刃部５，５による剪断力を受け、粉砕隙間６の外周部にいたる間に所定の大きさの微粉末に粉砕される。
【０００６】
こうして製造された合成樹脂微粉末は、製品回収部９を介して製品粉末搬送管１０に送られる。なお、製品粉末搬送管１０には、所定の吸引力が作用させられており、この吸引力によって製品粉末の外部への搬送が行われる。
【０００７】
ところで、熱可塑性の合成樹脂ペレットを上記のような粉砕機によって粉砕して微粉末を生産する場合、その樹脂の軟化点と融点との間の所定温度において粉砕する必要がある。粉砕時の温度が樹脂の融点を超えると、樹脂そのものが溶けて粉砕刃３，４に付着してしまい、粉砕機１が運転不能に陥る。粉砕時の温度が樹脂の軟化点より低いと、樹脂が完全な粉砕に至らず、粉末表面に細かい髭状物が形成されるなどして、流動性が悪くなる。一定品位の微粉末を連続的に得るために許される粉砕時の温度範囲はきわめて厳しく、好ましくは適正温度の±１℃以内、理想的には±０．５℃以内に制御する必要がある。
【０００８】
剪断摩砕型の粉砕機では、上記の粉砕温度は樹脂粉砕時に粉砕刃と樹脂ペレットとの間に生じる摩擦熱によって得ている。上記のような適正温度で樹脂ペレットの粉砕を行うには、厳密には粉砕刃の刃部の温度を管理するべきである。しかしながら、刃部の温度を直接的に計測することは事実上不可能であるため、従来は、粉砕機内の雰囲気温度を常時計測し、こうして計測される温度が所定の温度となるように樹脂ペレットの導入量を調節するという温度調節方法をとらざるをえなかった。
【０００９】
より詳細には、粉砕刃の回転速度が所定速度で一定の場合、一般には、粉砕機への樹脂ペレット導入量を増やせば内部温度が上昇し、樹脂ペレット導入量を減らせば内部温度が低下する。従来においては、オペレータが粉砕機内部温度を常時監視しつつ、こうして監視される粉砕機内部温度が所定の範囲となるように、原料ペレットのフィーダの運転速度を手動で調整していた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の粉砕機内温度調節方法では、次のような問題がある。
【００１１】
すなわち、粉砕機１の粉砕刃間、すなわち、粉砕隙間６で発生する熱が粉砕機内の温度に反映されるまでに時間的なずれがある上に、オペレータによるペレットフィーダの運転速度調節操作から実際に粉砕機内に調節された量のペレットが導入されるまでに時間的なずれがあるため、粉砕機内温度調節の正確さは、上記のような各時間ずれを見越した操作というオペレータの技量に大きく依存する。一般には、このような手法によって粉砕機内の温度を適正温度の±１℃の範囲内に調節することは非常に困難であり、その結果、生産される合成樹脂微粉末の品位のバラツキを一定範囲内に抑制することがきわめて困難であった。
【００１２】
本願発明は、上述のような事情のもとで考え出されたものであって、剪断摩砕型粉砕機によって合成樹脂ペレットを微粉末に粉砕する場合において、粉砕機の粉砕刃間の粉砕隙間の温度をより正確に管理することをその課題とする。
【００１３】
【発明の要約】
上記の課題を解決するため、本願発明では、次の各技術的手段を講じている。
【００１４】
本願発明の第１の側面によれば、合成樹脂粉末の製造方法が提供される。この方法は、剪断摩砕型粉砕機によって原料合成樹脂ペレットから合成樹脂粉末を製造する方法であって、上記粉砕機の負荷を検出してその負荷が所定の設定値となるように原料合成樹脂ペレットの供給量を自動調節する第１の制御と、粉砕機内温度を検出してその温度が所定の設定値となるように粉砕機冷却空気量を自動調節する第２の制御とを、同時に、かつ独立して行うようにしたことに特徴づけられる。
【００１６】
粉砕機の負荷は、具体的には、粉砕機を作動させるための電動モータの電流を測定することによって検出することができる。本願発明では、まず、上記検出電流値が所定の設定値となるように原料合成樹脂ペレットの供給量を自動的に加減する。好ましい実施例においては、上記自動調節の手法として、いわゆるＰＩＤ制御が採用される。この場合、上記モータの検出電流値を移動平均フィルタ等のノイズカット処理を施した上でＰＩＤ調節器を介して原料供給制御をするのが望ましい。このようにすることにより、原料ペレットの形状の不揃いや微妙な粉末の流れの違い等によって±数Ａの範囲で脈動的に電流値が振動することの影響をうけることなく、ハンチングを起こさない安定した制御を得ることができる。
【００１７】
同時に本願発明では、粉砕機内温度を検出してそれに基づいて粉砕機冷却空気量を自動的に調節する。より具体的には、粉砕機内温度を検出して、この検出温度が所定の設定値となるように、粉砕機冷却空気量を調節する。自動調節の手法としては、上記原料ペレットの供給量の調節と同様、ＰＩＤ制御によることができる。また、粉砕機冷却空気量の調節は、具体的には、たとえば、製品粉末搬送管の途中に設けたバタフライバルブ等のバルブの開度を調節することによって達成することができる。製品粉末搬送管は、低圧源によって粉砕隙間から排出される樹脂微粉末製品を周囲空気とともに製品回収部を介して搬送するようになっており、上記吸引力によって粉砕機内に周囲空気が導入されることから、この周囲空気が冷却空気として作用する。したがって、上記の場合、製品粉末搬送管のバルブの開度を上げると冷却空気量が増え、開度を絞ると冷却空気量が減る。これによって、粉砕機内温度、より具体的には、２つの粉砕刃の間の粉砕隙間の温度を実質的に制御することができる。
【００１８】
本願発明の第２の側面によれば、合成樹脂粉末の製造装置が提供される。この装置は、ハウジングと、このハウジング内において粉砕空間を挟んで刃部が対向させられ、相対回転させられる一対の粉砕刃と、上記一対の粉砕刃に相対回転を与えるモータと、上記粉砕空間に原料合成樹脂ペレットを供給するフィーダと、上記ハウジングに連結され、吸引力によって製品粉末を搬送する製品粉末搬送管とを備える合成樹脂粉末の製造装置において、上記モータの負荷を検出する負荷検出手段と、上記ハウジング内の適部の温度を検出する温度検出手段とを設け、上記負荷検出手段によって検出されるモータの負荷が所定の設定値となるように上記フィーダによる原料樹脂ペレット供給量を自動制御する第１の制御と、上記温度検出手段によって検出される温度が所定の設定値となるように上記製品粉末搬送管の流量を自動制御する第２の制御とを、同時に、かつ独立して行うように構成したことに特徴づけられる。
【００１９】
本願発明は要するに、剪断摩砕型粉砕機によって原料合成樹脂ペレットから合成樹脂粉末を製造する場合において、粉砕機の駆動モータの負荷が所定の設定値となるように原料樹脂ペレット供給量を自動制御する第１の制御と、粉砕機内温度が所定の温度となるように粉砕機冷却空気量を自動制御する第２の制御とを独立に行うことに特徴づけられるものである。
【００２０】
従来技術の項で既に説明したように、原料ペレットの供給量を増やすと原料ペレット粉砕時に生ずる熱によって粉砕機内温度が上昇する傾向が生じ、原料ペレット供給を減少させると原料ペレット粉砕時に生ずる熱が少なくなるので粉砕機内温度上昇傾向が緩和される。したがって、上記第１の制御は、間接的に粉砕機内の温度を一定に制御しようとするものであるといえる。そして、上記第２の制御は、冷却空気量を調節して、粉砕機内温度を直接的に制御しようとするものである。
【００２１】
本願発明では、上記２つの制御によって実質的に粉砕機内温度を所定の設定値に制御しようとするものであり、従来のように、原料ペレット供給量の手動調節のみによって粉砕機内温度を制御する場合に比較し、精度の高い粉砕機内温度制御が可能となる。
【００２２】
しかも、本願発明は、上記第１の制御と第２の制御とをいずれもＰＩＤ制御等の自動制御によって行っているので、粉砕機内温度を監視しながらオペレータが手動で原料ペレット供給フィーダの速度を調節する場合に比較し、格段に精度のよい制御を行うことができるし、また、オペレータの技量の差による制御の精度のバラツキが生じるといった問題もなくすことができる。
【００２３】
なお、本願発明の第３の側面によれば、粉砕機内温度が所定の温度となるように冷却空気量を制御する第２の制御を行う場合において、設定温度を所定の演算式によって求められる予測値にしたがって変化させるが、この第３の側面の詳細については後述する。
【００２４】
【実施例の説明】
以下、本願発明の好ましい実施例を、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００２５】
図１は、本願発明の合成樹脂粉末の製造装置１の概略合成図である。同図において、符号１は、剪断摩砕型粉砕機を示しており、その内部構造は、図９ないし図１１を参照して既に従来技術の項で説明したものと同様である。この粉砕機１の一対の粉砕刃３，４（図１１）は、モータ１１によって回転駆動される。このモータ１１の負荷が、電流値として、変換器１２および移動平均フィルタ１３を介して第１の指示調節器１４に入力される。
【００２６】
図１において符号１５は、原料ペレット供給フィーダを示しており、この原料ペレット供給フィーダ１５のモータ１６には、上記第１の指示調節器１４から延びる制御線がモータ制御装置１７を介して接続されている。
【００２７】
一方、粉砕機１のハウジング２内適部、より好ましくは製品回収部９の両粉砕刃３，４（図９）の周囲出口近傍に、温度センサ２０が配置されており、この温度センサ２０からの検出温度出力は、シグナルコンディショナ２１を介して第２の指示調節器２２に入力されている。
【００２８】
図１において符号１０は、粉砕機１内で生産された樹脂粉末を搬送する製品粉末搬送管を示しており、その出口側端は、図示しない吸引力発生手段に連結されている。そして、この製品粉末搬送管１０の中間部には、バタフライバルブ等のバルブ２４が設けられている。このバルブ２４の駆動アクチュエータ２５は、第２の指示調節器２２から出力される制御信号によって制御される。
【００２９】
上記第１の指示調節器１４は、粉砕機１の負荷値が所定の設定値となるように、原料ペレット供給フィーダ１５による原料ペレット供給量を制御する。すなわち、この第１の指示調節器１４は、粉砕機１のモータ１１の電流値が所定の設定値となるように原料ペレット供給フィーダ１５のモータ１６を工業用コンピュータを介してＰＩＤ制御する。原料ペレットの供給量が増えると、粉砕機の負荷が増大するとともに、粉砕隙間で発生する熱が増大するため、粉砕機１の内部温度、ないしは粉砕隙間の温度が上昇する。逆に、原料ペレット供給量が少なくなると、粉砕機の負荷が小さくなるとともに、粉砕隙間での温度が低くなる。したがって、第１の指示調節器１４は、間接的に、粉砕機１の内部温度を制御していることになる。
【００３０】
図１に示す実施例では、モータ１１の電流値を移動平均フィルタ１３を介して第１の指示調節器１４に入力するようにしているので、原料ペレットの形状の不揃いや微妙な粉末の流れの違いによって生じる粉砕機負荷の変動の影響を受けてハンチングを起こすといったことを回避し、安定した制御を達成することができる。
【００３１】
一方、第２の指示調節器２２は、粉砕機１の内部温度が所定の設定値となるように、製品粉末搬送管１０のバルブ２４の開度を調節する。前述したように、製品粉末搬送管１０には、粉砕機１で生産された製品粉末を吸引排出する吸引力が作用しており、そのために、粉砕機１では、周囲空気が粉砕隙間６に流れ込むとともに、この空気流れによって製品粉末が搬送される。この時の周囲空気は、冷却空気として作用することから、上記のようにバルブ２４の開度を調整することは、冷却空気量を調節することになる。すなわち、第２の指示調節器２２は、粉砕機１の内部温度を冷却空気量を工業用コンピュータを介してＰＩＤ制御することにより加減して直接的に制御していることになる。
【００３２】
このように、第１の指示調節器１４と、第２の指示調節器２２とは、独立して、それぞれ粉砕機１の内部温度を自動的に調節しているのであり、そのため、相互にハンチングを回避しつつ、安定した粉砕機内部温度の制御が可能となる。
【００３３】
なお、上記第２の指示調節器２２での設定温度は、数３によって演算される温度予測値Ｔ（ｔ）にしたがって変化させることにより、より適正な粉砕機内温度調節が可能であることが本願の発明者によって確認されている。
【００３４】
【数３】

【００３５】
上記数３は、次のようにして導くことができる。
粉砕機の内部発熱量をｑ〔Ｊ・ｈｒ^-1〕、粉砕機の熱容量をＣ〔Ｊ・Ｋ^-1〕、粉砕機の総括伝熱係数をＵ〔Ｊ・ｈｒ^-1・ｍ^-2・Ｋ^-1〕、粉砕機の伝熱面積をＡ〔ｍ²〕、粉砕時間ｔ〔ｈｒ〕、粉砕機内部と外部との温度差をＴ〔Ｋ〕とおくと、内部発熱量ｑは、蓄積熱量（粉砕機の熱容量に温度上昇速度を乗じたもの）と放散熱量との和であるので、数４のように表すことができる。
【００３６】
【数４】

【００３７】
上記数４の微分方程式を解くと、数５を得る。
【数５】

【００３８】
上記数５において、（ｑ／ＵＡ）はＴ→∞のときの漸近温度であるので、これをＴ∞とする。また、exp の指数〔ｔ／（Ｃ／ＵＡ）〕を、−１にするｔの値をτ（緩和時間）とし、この粉砕機に関する温度変化の目安とする。そうすると、数６を得る。
【００３９】
【数６】

【００４０】
上記数６中のＴとＴ∞は、それそれ粉砕機内部と外気との差で評価しているので、これらを粉砕機内部温度Ｔ（ｔ）と外気温度（Ｔ₀）と置き換えると、上記数３を得る。
【００４１】
上記数３によって求められる温度予測値にしたがってポリエチレン樹脂を粉砕した場合において、第２の指示調節器２２で制御を行った際の粉砕機内昇温曲線を図２に示す。この場合のτは４００（ｓｅｃ）としたものであるが、このτ＝４００は、粉砕機特有の値であって、実測によって求めたものである。なお、比較のためにコンピュータによるシミュレーションで得られた理想昇温曲線を図３に示すが、この２曲線を重ね合わせると、ほぼ一致することがわかる。
【００４２】
このように温度制御を行うことによって、滑らかに、しかもできるかぎり自然に最適粉砕温度に近づけることができ、加熱による樹脂の溶融等がほとんど無くなる。
【００４３】
図４および図５に、同一のポリエチレン樹脂粉末を生産する場合における、従来方法と本願発明方法との温度記録例を示す。この図から判るように、従来方法では、温度過上昇に起因する原料ペレット供給停止が見られるが、本願発明方法の場合、定常運転以降は安定した温度が維持されているのがわかる。なお、装置起動後の温度上昇曲線は、前述のように、数３によって演算される温度予測値にしたがって制御されていることから、理想的な温度上昇を達成しており、加熱による樹脂の溶融等が都合よく回避されつつ定常運転に移行していることは前述したとおりである。
【００４４】
従来方法では、設定温度を中心として±１．０ないし２．０℃の範囲で調整するのがやっとであったが、本願発明によれば、設定温度に対し、±０．１℃の範囲での高精度な温度調節が可能となったことが確認されている。
【００４５】
また、上記のような高精度な粉砕機内温度調節が可能となった結果、粉砕時の温度が樹脂の融点を越えて粉砕機が運転不能に陥るといったトラブルが激減するとともに、樹脂粉末製品の品質（嵩比重、安息角、平均流量）が従来方法に比べて著しく向上することになった。
【００４６】
図６は、樹脂粉末製品嵩比重についての従来方法と本願発明方法との比較を表している。同図からわかるように、従来方法では、基準値付近で製品嵩比重が時間とともに大きく変動しているのに対し、本願発明方法では、基準値よりも良側において、時間による嵩比重の変動が少なく、安定しているのがわかる。
【００４７】
図７は、樹脂粉末製品の安息角についての従来方法と本願発明方法との比較を表している。同図からわかるように、従来方法では、基準値付近で安息角が時間とともに大きく変動しているのに対し、本願発明方法では、基準値よりも良側において、安息角の変動が少なく、安定している。
【００４８】
図８は、樹脂粉末製品の平均粒径についての従来方法と本願発明方法との比較を表している。同図からわかるように、従来方法では、平均粒径が時間経過にともなって大きく変動しているのに対し、本願発明方法では、従来方法のような大きな変動はなく、きわめて安定している。
【００４９】
なお、本願発明は、合成樹脂粉末、とりわけ、熱可塑性合成樹脂粉末の製造技術の関するものであるが、製造するべき樹脂の種類は問われない。本願発明を適用できる樹脂としては、たとえば、ＰＥ（ポリエチレン）、ＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）、ＥＡＡ（エチレン−アクリル酸共重合体）、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＥＭＭＡ（エチレン−メタアクリル酸メチル共重合体）、ＰＶＡｃ（ポリ酢酸ビニル）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＩ（ポリイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の合成樹脂粉末を得る場合に本願発明を適用することができる。
【００５０】
また、本願発明において使用する粉砕機としては、いわゆる剪断摩砕型の粉砕機であれば、特定の機種に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の一実施例の全体概略構成図である。
【図２】本願発明の一態様の作用を説明するための図であり、本願発明の方法を用いて粉砕機を運転開始した時点からの昇温曲線を示す。
【図３】本願発明の一態様において定義された数式によってコンピュータで演算して得られた粉砕機内理想昇温曲線を示す。
【図４】従来の制御方法による粉砕機内温度曲線を示す。
【図５】本願発明方法による粉砕機内温度曲線を示す。
【図６】樹脂粉末製品の嵩比重についての従来方法と本願発明方法との比較を示すチャートである。
【図７】樹脂粉末製品の安息角についての従来方法と本願発明方法との比較を示すチャートである。
【図８】樹脂粉末製品の平均粒径についての従来方法と本願発明方法との比較を示すチャートである。
【図９】剪断摩砕型粉砕機の一例の断面図である。
【図１０】図９に示す粉砕機の粉砕刃の刃部を示す部分平面図である。
【図１１】図９に示す粉砕機の雄粉砕刃と雌粉砕刃とによって形成される粉砕隙間を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１粉砕機
３雄粉砕刃
４雌粉砕刃
６粉砕隙間
１０製品粉末搬送管
１１モータ
１４第１の指示調節器
１５原料ペレット供給フィーダ
２０温度センサ
２２第２の指示調節器
２４バルブ

Claims

剪断摩砕型粉砕機によって原料合成樹脂ペレットから合成樹脂粉末を製造する方法であって、
上記粉砕機の負荷を検出してその負荷が所定の設定値となるように原料合成樹脂ペレットの供給量を自動調節する第１の制御と、粉砕機内温度を検出してその温度が所定の設定値となるように粉砕機冷却空気量を自動調節する第２の制御とを、同時に、かつ独立して行うようにしたことを特徴とする、合成樹脂粉末の製造方法。
請求項１の方法において、数１によって演算される温度予測値Ｔ(t) を設定値とすることを特徴とする、合成樹脂粉末の製造方法。
ハウジングと、このハウジング内において粉砕空間を挟んで刃部が対向させられ、相対回転させられる一対の粉砕刃と、上記一対の粉砕刃に相対回転を与えるモータと、上記粉砕空間に原料合成樹脂ペレットを供給するフィーダと、上記ハウジングに連結され、吸引力によって製品粉末を搬送する製品粉末搬送管とを備える合成樹脂粉末の製造装置において、
上記モータの負荷を検出する負荷検出手段と、上記ハウジング内の適部の温度を検出する温度検出手段とを設け、
上記負荷検出手段によって検出されるモータの負荷が所定の設定値となるように上記フィーダによる原料樹脂ペレット供給量を自動制御する第１の制御と、上記温度検出手段によって検出される温度が所定の設定値となるように上記製品粉末搬送管の流量を自動制御する第２の制御とを、同時に、かつ独立して行うように構成したことを特徴とする、合成樹脂粉末の製造装置。
請求項３の装置において、数２によって演算される温度予測値Ｔ(t) を設定値とすることを特徴とする、合成樹脂粉末の製造装置。