JP5660700B2 - Inorganic nanocomposite production equipment - Google Patents
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Description
本発明は、無機ナノコンポジットの製造装置に関するものである。
The present invention relates to manufacturing equipment of inorganic nanocomposite.
高分子材料は、高分子材料と他の物質と混合、混練して複合材にすることでその物性の改良若しくは向上を図ることができる。前記他の物質を無機材料とする場合をコンパウンドと呼んでいる。そして、高分子材料中に、より細かい無機材料をより均一に分散させることより目的とするより高度な分散状態の物性に近づけることができる。 The polymer material can be improved or improved in physical properties by mixing and kneading the polymer material with another substance to form a composite material. The case where the other substance is an inorganic material is called a compound. And it can approach the physical property of the more advanced target state by disperse | distributing a finer inorganic material more uniformly in a polymeric material.
従来、高分子材料中に無機材料を分散させる方法は、スクリュウー機構を備えた押出機にミクロンサイズ以上の一次粒子を持つ無機材料の乾粉を高分子材料中に直接供給するなどにより実施された。しかし、乾粉が空中に存在する条件では凝集現象が進むので、無機材料の一次粒子はミクロンサイズの一次粒子よりはるかに大きなサイズの粒子に凝集し、せん断力を応用した機械によって分散を図ってもこの凝集を完全に解くことが出来ないため、無機材料の一次粒子よりはるかに大きなサイズに凝集した粒子が高分子材料中に残存する結果となっていた。さらに、ミクロンサイズより小さな無機材料の一次粒子を高分子材料中に分散する目的で、サブミクロンサイズの一次粒子をもつ無機材料が開発されて用いられたが、前述同様の理由により、無機材料の乾粉の凝集が進むため、サブミクロンサイズの一次粒子を高分子材料中の全粒子の粒子サイズとして分散を図ることが出来ない問題点が発生した。 Conventionally, a method for dispersing an inorganic material in a polymer material has been carried out by directly feeding dry powder of an inorganic material having primary particles of micron size or more directly into the polymer material in an extruder equipped with a screw mechanism. However, the agglomeration phenomenon proceeds in the presence of dry powder in the air, so the primary particles of inorganic materials aggregate into particles that are much larger than micron-sized primary particles, and can be dispersed by a machine that applies shear force. Since this agglomeration cannot be completely solved, particles aggregated to a size much larger than the primary particles of the inorganic material remain in the polymer material. Furthermore, for the purpose of dispersing primary particles of inorganic material smaller than micron size in a polymer material, an inorganic material having primary particles of submicron size was developed and used. Due to the progress of the agglomeration of the dry powder, there was a problem that it was impossible to disperse the sub-micron primary particles as the particle size of all the particles in the polymer material.
そこで、全ての無機材料の粒子がサブミクロンサイズで高分子材料中に分散するコンパウンドを得る分野における問題解決として、無機材料の一次粒子をサブミクロンサイズの状態のまま高分子材料中に分散するスラリー分散方法が実用化された。この方法は、スクリューを備えた2軸押出機で高分子材料を溶融すると共に、液体中に無機材料の一次粒子がサブミクロンサイズの状態のまま分散したスラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力を保った状態とし、この状態に置かれた高分子材料に前記スラリーを注入することでスラリー内の液体分を蒸発させない状態の下でスクリューにより高分子材料と無機材料の一次粒子とを混練し、その後液体分を蒸発させることによって、高分子材料中で無機材料の一次粒子の分散を図るものである。このスラリー分散方法は、無機材料の一次粒子をサブミクロンサイズの状態のまま保持するスラリーが、サブミクロンサイズの一次粒子を持つ無機材料の乾粉を水もしくはアルコールなどの溶液に溶かすだけで容易に作成できる点に着目して本願に利用した。 Therefore, as a solution to the problem of obtaining a compound in which all inorganic material particles are submicron-sized and dispersed in the polymer material, a slurry in which the primary particles of the inorganic material are dispersed in the polymer material in the submicron-size state. A dispersion method was put into practical use. In this method, the polymer material is melted by a twin screw extruder equipped with a screw, and the pressure in the slurry in which the primary particles of the inorganic material are dispersed in the liquid in a sub-micron size state does not evaporate. The polymer material and the primary particles of the inorganic material are kneaded with a screw under a state in which the pressure is maintained and the slurry is injected into the polymer material placed in this state so that the liquid content in the slurry is not evaporated. Then, the liquid component is then evaporated to disperse the primary particles of the inorganic material in the polymer material. In this slurry dispersion method, a slurry that keeps primary particles of inorganic material in a submicron size state can be easily created by simply dissolving dry powder of inorganic material having primary particles of submicron size in a solution such as water or alcohol. It paid attention to the point which can be used for this application.
さらに、技術が進歩して、高分子材料中に分散された全ての無機粒子の径を100nm以下のサイズ(ナノ粒子と呼ばれる)とした無機ナノコンポジットを作成する段階に至り、これまでに数方法が実現されているが、これらは作成上種々の技術的およびその他の問題点を有している。 Furthermore, the technology has advanced to the stage of creating inorganic nanocomposites in which the diameter of all inorganic particles dispersed in the polymer material is 100 nm or less (called nanoparticles), and several methods have been developed so far. However, they have various technical and other problems in production.
それらの従来技術として、第1にインシチュウ法と呼ばれ、溶媒中において、化学プロセスによって無機材料のナノ粒子をナノオーダまで合成、析出して無機粒子として成立させる分散状態を作る方法が知られている。第2に、層間挿入法と呼ばれる方法が知られている。この方法は、カチオンなどによる薄い層状組成からなる粒子状の無機粒子(フィラ)の層間に、モノマーを挿入して重合する、もしくはポリマーを挿入し、ナノオーダの薄膜として剥離して、分散させる方法である。第3に、微粒子の直接混練分散方法が知られている。この方法は、高分子材料中において、応力によって無機粒子の凝集破壊を行って、ナノオーダの一次粒子に破砕分散する方法である(特許文献1参照)。 As those prior arts, firstly called the in-situ method, a method is known in which a nanoparticle of an inorganic material is synthesized and deposited in a solvent by a chemical process in a solvent to form a dispersed state that is formed as an inorganic particle. Yes. Secondly, a method called an interlayer insertion method is known. This method is a method in which a monomer is inserted and polymerized between layers of a particulate inorganic particle (filler) having a thin layer composition such as a cation, or a polymer is inserted and peeled and dispersed as a nano-order thin film. is there. Thirdly, a method for directly kneading and dispersing fine particles is known. This method is a method in which, in a polymer material, inorganic particles are aggregated and broken by stress, and are crushed and dispersed into primary particles of nano-order (see Patent Document 1).
しかしながら、インシチュウ法は、温度的あるいはその他の状態条件で制限のある溶融した高分子材料中で、イオン化した金属などを原料として無機材料を合成する方法であり、プロセス制御が非常に難しく、合成出来ても物質が制限されるなどの制約が存在する。さらに、その合成を行う装置および操業に必要なコストが多大にかかるため、大規模生産に有利な方法とはいえない。また、別方法として、溶剤に溶かした低粘度の高分子液体を用意しなければならない等の大きな規制がある。一方、層間挿入法は、ナノオーダの層厚を持つ層状組成物質という限定された無機材料のみ有効であり、他の物質には応用できないという問題がある。直接混練分散法は、粒子の凝集破壊に大きな応力を応用すれば材料内で発生する熱量が非常に大きくなり、逆にせん断応力が低下してしまい分散が進まないことになる。さらに、高温になると高分子材料が劣化するなどの問題がある。また、一次粒子径と見かけ凝集度の関係を示す図5のように、一次粒子の粒子径が小さくなるに従い、飛躍的に一次粒子の凝集度が高くなるので、ナノコンポジット用の粒子径が100nm以下の一次粒子の場合、直接混練分散法では、被分散粒子を一次粒子に破砕分散しにくい。また、無機材料のナノ粒子を高分子材料中に分散させる場合、応用されたせん断応力が不均一であるため大きく凝集した無機材料のナノ粒子を高分子材料中に全てが100nm以下の粒子として分散させることが困難であった。このように、直接混練分散法では、大規模生産に有利な方法とはいえない。 However, the in-situ method is a method of synthesizing inorganic materials using ionized metals as raw materials in molten polymer materials that are limited by temperature or other state conditions. Even if possible, there are restrictions such as the restriction of substances. Furthermore, since the cost required for the apparatus and operation which synthesize | combine is large, it cannot be said that it is an advantageous method for large-scale production. In addition, as another method, there is a large restriction that a low-viscosity polymer liquid dissolved in a solvent must be prepared. On the other hand, the intercalation method is effective only for a limited inorganic material called a layered composition material having a nano-order layer thickness, and cannot be applied to other materials. In the direct kneading dispersion method, if a large stress is applied to the cohesive failure of particles, the amount of heat generated in the material becomes very large, and on the contrary, the shear stress is lowered and the dispersion does not proceed. Furthermore, there is a problem that the polymer material deteriorates at high temperatures. Further, as shown in FIG. 5 showing the relationship between the primary particle diameter and the apparent aggregation degree, as the primary particle diameter decreases, the primary particle aggregation degree increases dramatically, so that the nanocomposite particle diameter is 100 nm. In the case of the following primary particles, the particles to be dispersed are difficult to be crushed and dispersed into primary particles by the direct kneading dispersion method. In addition, when inorganic material nanoparticles are dispersed in a polymer material, since the applied shear stress is non-uniform, all of the highly aggregated inorganic material nanoparticles are dispersed in the polymer material as particles of 100 nm or less. It was difficult to make. Thus, the direct kneading dispersion method is not an advantageous method for large-scale production.
特に、層間挿入法および直接混練分散方法の場合、乾粉のサブミクロンあるいはナノ粒子を扱うため、乾粉のサブミクロンあるいはナノ粒子を人間が吸引することで珪肺(中皮腫)等の健康被害の原因になる。 In particular, in the case of the intercalation method and the direct kneading and dispersion method, since submicron or nanoparticles of dry powder are handled, human suction of dry submicron or nanoparticles of dry powder causes health damage such as silicosis (mesothelioma) become.
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、無機材料のナノ粒子を高分子材料中に分散させてなる無機ナノコンポジットであって、無機材料のナノ粒子を容易に高分子材料中に一次粒子のまま均一に分散させることが可能であり、工業的価値のある無機ナノコンポジットの製造装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is an inorganic nanocomposite in which inorganic material nanoparticles are dispersed in a polymer material, and the inorganic material nanoparticles can be easily removed. it is possible to remain uniformly dispersed in primary particles in the polymeric material, and an object thereof is to provide a manufacturing apparatus of an inorganic nanocomposite with industrial value.
本発明は、前記全ての無機材料の粒子がサブミクロンサイズで高分子材料中に分散するコンパウンドを作成する場合に用いた、液体中に無機材料の一次粒子をサブミクロンサイズのまま分散させたサブミクロンスラリーに相当するところの、液体中に無機材料の一次粒子をナノサイズのまま分散させたナノスラリーを用いて無機ナノコンポジットを製造する工業的に価値のある無機ナノコンポジットの製造装置を提供するものである。液体中に無機材料の一次粒子をナノサイズのまま分散させたナノスラリーは、粒子の凝集性が異常に大きいため、サブミクロンスラリーと比べて容易には作成しにくいが、溶液と共に分散剤を存在させ、超音波分散などの手段で凝集現象の存在しないナノ粒子スラリーが達成された。本発明は、この既に開発されたナノスラリーの応用に係わるものでありサブミクロンスラリーとは技術程度が大きく異なる。
The present invention is a sub-micron-sized material in which primary particles of an inorganic material are dispersed in a submicron size in a liquid, which is used to create a compound in which particles of all the inorganic materials are submicron-sized and dispersed in a polymer material. where corresponding to micron slurry, providing a manufacturing apparatus of an inorganic nanocomposites industrially valuable for producing inorganic nanocomposites using nanoslurry dispersed leave nanosized primary particles of the inorganic material in a liquid To do. Nano-slurry in which primary particles of inorganic materials are dispersed in a liquid in a liquid form is extremely difficult to create compared to sub-micron slurries due to the unusually large cohesiveness of the particles. Thus, a nanoparticle slurry having no aggregation phenomenon was achieved by means such as ultrasonic dispersion. The present invention relates to the application of the already developed nano-slurry, and is technically different from the sub-micron slurry.
本発明に係る無機ナノコンポジットの製造装置は、上記課題を解決するために以下のような特徴を有している。
The inorganic nanocomposite production apparatus according to the present invention has the following features in order to solve the above-described problems.
上記課題を解決するための本発明に係る無機ナノコンポジットの製造装置の第1の特徴は、高分子材料中に無機材料のナノ粒子を分散させてなる無機ナノコンポジットの製造装置であって、前記高分子材料と前記無機材料のナノ粒子を液体中に分散させたスラリーとよりなる原料のうち前記高分子材料のみを供給する高分子材料供給手段と、前記高分子材料が溶融する温度を加える加熱手段と、前記加熱手段で加熱され溶融した高分子材料を搬送するスクリュー手段と、前記スクリュー手段に前段マテリアルシールと後段マテリアルシールを設け、当該両マテリアルシール間の圧力が溶融した前記高分子材料の保持する材料温度により前記スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に達した後、その圧力を保持する昇圧保圧手段と、前記両マテリアルシール間の溶融した前記高分子材料中に前記スラリーを供給するスラリー供給手段と、前記昇圧保圧手段により、前記原料が共存する前記両マテリアルシール間が前記スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に保持された状態において、前記ナノ粒子の周囲に液体を介在せた状態で前記高分子材料と前記スラリーとを混練し、前記高分子材料中に前記ナノ粒子を分散させ、前記高分子材料中に前記ナノ粒子を一次粒子の状態で分離独立した状態のまま保持する混練分散手段と、前記ナノ粒子の周囲に介在する液体を含む高分子材料中の液体を蒸発させ、前記ナノ粒子単体を単独で前記高分子材料中に残存させて、発生した気体を脱気する脱気手段と、を備えることである。 A first feature of an inorganic nanocomposite manufacturing apparatus according to the present invention for solving the above problems is an inorganic nanocomposite manufacturing apparatus in which nanoparticles of an inorganic material are dispersed in a polymer material, Polymer material supply means for supplying only the polymer material out of a raw material comprising a polymer material and a slurry in which nanoparticles of the inorganic material are dispersed in a liquid, and heating for applying a temperature at which the polymer material melts Means, a screw means for transporting a molten polymer material heated by the heating means, a front material seal and a rear material seal are provided in the screw means, and the pressure between the material seals of the polymer material is melted. A pressurizing and holding means for holding the pressure after reaching a pressure higher than the pressure value at which the liquid in the slurry does not evaporate due to the temperature of the material to be held The slurry supply means for supplying the slurry into the polymer material melted between the material seals, and the pressure-holding means for preventing the liquid in the slurry from evaporating between the material seals where the raw materials coexist. In a state where the pressure is maintained at a value or higher, the polymer material and the slurry are kneaded in a state where a liquid is interposed around the nanoparticles, and the nanoparticles are dispersed in the polymer material, Kneading and dispersing means for maintaining the nanoparticles in a polymer material in a separated and independent state in the state of primary particles, and evaporating the liquid in the polymer material including the liquid interposed around the nanoparticles, A degassing means for degassing the generated gas by allowing the single particles to remain alone in the polymer material.
この構成によると、昇圧保圧手段により、スラリーを溶融した高分子材料中に供給する際に、溶融した高分子材料が保持する材料温度によりスラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に保持される。そのため、混練分散手段により、無機材料のナノ粒子の一次粒子の全外周面が液体の膜で覆われた状態のまま、高分子材料中で分散される。つまり、ナノ粒子間に液体が介在した状態で、ナノ粒子が高分子材料中に分散される。分散過程でナノ粒子各々の間に液体が介在しているので、無機材料のナノ粒子同士が接近しても、ナノ粒子が凝集することなく、その後ナノ粒子各々の間隔が大きくなり、高分子材料中にナノ粒子を分散させることができる。その結果、無機材料のナノ粒子を高分子材料中に一次粒子の粒子径の状態で、ナノ粒子各々がある距離を保ったまま、均一に分散させることができる。また、高分子材料中にナノ粒子を一次粒子のまま分散させた後、脱気手段により高分子材料を常温もしくは減圧下にさらすことによって、ナノ粒子各々の間に介在する液体を含む高分子材料中の液体を蒸発させ、発生した気体を脱気するが、この段階では、ナノ粒子の一次粒子各々が高分子材料中に捕捉されているので、ナノ粒子の凝集は発生しない。その結果、高分子材料中に分散したナノ粒子の位置に、ナノ粒子を残存させた状態を維持することができる。以上の装置構成により、無機材料のナノ粒子が高分子材料中に一次粒子のまま、均一に分散した無機ナノコンポジットを連続式で製造することができる。 According to this configuration, when the slurry is supplied into the molten polymer material, the pressure is maintained at a pressure higher than the pressure value at which the liquid in the slurry does not evaporate due to the material temperature held by the molten polymer material. Is done. Therefore, the kneading and dispersing means disperses the polymer in the polymer material with the entire outer peripheral surface of the primary particles of the inorganic material being covered with the liquid film. That is, the nanoparticles are dispersed in the polymer material with the liquid interposed between the nanoparticles. Since a liquid is present between each nanoparticle in the dispersion process, even if the nanoparticles of inorganic materials approach each other, the nanoparticles do not aggregate, and the spacing between the nanoparticles increases thereafter, and the polymer material Nanoparticles can be dispersed therein. As a result, the nanoparticles of the inorganic material can be uniformly dispersed in the polymer material in the state of the particle size of the primary particles while each nanoparticle is kept at a certain distance. In addition, after dispersing the nanoparticles in the polymer material as primary particles, the polymer material containing a liquid interposed between the nanoparticles by exposing the polymer material to normal temperature or reduced pressure by a deaeration means The liquid inside is evaporated and the generated gas is deaerated. At this stage, since the primary particles of the nanoparticles are trapped in the polymer material, the aggregation of the nanoparticles does not occur. As a result, it is possible to maintain a state in which the nanoparticles remain at the positions of the nanoparticles dispersed in the polymer material. With the above apparatus configuration, it is possible to produce an inorganic nanocomposite in which the inorganic material nanoparticles are uniformly dispersed in the polymer material while maintaining the primary particles in a continuous manner.
また、前記スラリーの濃度は、0.1〜50W%、好ましくは0.1〜15W%であってもよい。この構成によると、スラリーの濃度が0.1〜50W%、好ましくは0.1〜15W%の場合、無機材料のナノ粒子が凝集しないスラリーを得ることができる。その結果、取扱い易いスラリーを得ることができる。The concentration of the slurry may be 0.1 to 50 W%, preferably 0.1 to 15 W%. According to this configuration, when the concentration of the slurry is 0.1 to 50 W%, preferably 0.1 to 15 W%, a slurry in which the inorganic material nanoparticles are not aggregated can be obtained. As a result, an easy-to-handle slurry can be obtained.
また、前記スラリーを構成する液体は、スラリーを形成できる液体であれば良いが、特に水またはアルコールを用いてもよい。この構成によると、特に、水またはアルコールを用いた場合、コストが安いスラリーを得ることができる。また、脱気において、除外された液体分の処理が容易でかつ人体などに有害でないことに加え、環境に良い。Moreover, the liquid which comprises the said slurry should just be a liquid which can form a slurry, However, You may use water or alcohol especially. According to this configuration, particularly when water or alcohol is used, a slurry having a low cost can be obtained. Further, in the deaeration, in addition to being easy to process the excluded liquid and not harmful to the human body, it is good for the environment.
以上の説明に述べたように本発明に係る無機ナノコンポジットの製造装置は、スラリーを溶融した高分子材料中に供給する際に、高分子材料が保持している材料温度によりスラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に保持されている。そのため、ナノ粒子の一次粒子の全外周面が液体の膜で覆われた状態のまま、高分子材料中で分散される。つまり、ナノ粒子間に液体が介在した状態で、ナノ粒子が高分子材料中に分散される。分散過程でナノ粒子各々の間に液体が介在しているので、無機材料のナノ粒子同士が接近しても、一次粒子を覆う液体によりナノ粒子が凝集することなく、その後ナノ粒子各々の間隔が大きくなり、高分子材料中にナノ粒子を分散させることができる。その結果、無機材料のナノ粒子を高分子材料中に一次粒子の粒子径の状態で、ナノ粒子各々がある距離を保ったまま、均一に分散させることができる。また、高分子材料中にナノ粒子を一次粒子のまま分散させた後、ナノ粒子各々の間に介在する液体を含む高分子材料中の液体を蒸発させ、発生した気体を脱気するが、この段階では、ナノ粒子の一次粒子各々が高分子材料中に捕捉されているので、ナノ粒子の凝集は発生しない。その結果、高分子材料中に分散した単独の一次粒子のナノ粒子の位置を残存させた状態に維持することができる。
Above as described in the description manufacturing apparatus inorganic nanocomposite according to the present invention, when supplying the polymeric material to the molten slurry, the liquid in the slurry material temperature polymeric material holds Is maintained at a pressure higher than the pressure value at which it does not evaporate. For this reason, the entire outer peripheral surface of the primary particles of the nanoparticles is dispersed in the polymer material while being covered with the liquid film. That is, the nanoparticles are dispersed in the polymer material with the liquid interposed between the nanoparticles. Since the liquid is interposed between the nanoparticles in the dispersion process, even if the nanoparticles of the inorganic material approach each other, the nanoparticles are not aggregated by the liquid covering the primary particles, and the intervals between the nanoparticles are thereafter increased. It becomes large and the nanoparticles can be dispersed in the polymer material. As a result, the nanoparticles of the inorganic material can be uniformly dispersed in the polymer material in the state of the particle size of the primary particles while each nanoparticle is kept at a certain distance. In addition, after the nanoparticles are dispersed as primary particles in the polymer material, the liquid in the polymer material including the liquid interposed between the nanoparticles is evaporated and the generated gas is deaerated. In the stage, each primary particle of the nanoparticle is trapped in the polymer material, so that no nanoparticle aggregation occurs. As a result, the position of the single primary particle nanoparticles dispersed in the polymer material can be maintained in a remaining state.
[第1実施形態]
以下、本発明を実施するための第1実施形態について図面を参照しつつ説明する。第1実施形態では、無機ナノコンポジットを連続式で製造する製造方法および製造装置について説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. 1st Embodiment demonstrates the manufacturing method and manufacturing apparatus which manufacture an inorganic nanocomposite by a continuous type.
(無機ナノコンポジット)
本実施形態における無機ナノコンポジットは、カーボンナノチューブ(CNT)を含む無機材料のナノ粒子を高分子材料中に分散させたものである。
(Inorganic nanocomposite)
The inorganic nanocomposite in this embodiment is obtained by dispersing nanoparticles of inorganic material including carbon nanotubes (CNT) in a polymer material.
(ナノ粒子)
本実施形態における無機材料のナノ粒子は、全ての粒子径が100nm以下のものをいう。
(Nanoparticles)
The inorganic material nanoparticles in the present embodiment refer to those having a particle size of 100 nm or less.
(スラリー)
本実施形態におけるスラリーとは、細かい固体粒子が液体中に懸濁している懸濁液のことをいい、図9に示すように、本実施形態では、液体中に無機材料のナノ粒子が一次粒子のまま分散しているものをいう。
(slurry)
The slurry in this embodiment means a suspension in which fine solid particles are suspended in a liquid. As shown in FIG. 9, in this embodiment, nanoparticles of inorganic material are primary particles in the liquid. It means something that is dispersed.
(無機ナノコンポジットの製造方法)
連続式で無機ナノコンポジットを製造する製造方法について説明する。
(Inorganic nanocomposite production method)
A production method for producing an inorganic nanocomposite in a continuous manner will be described.
まず、原料として、液体中に無機材料のナノ粒子を一次粒子のまま分散させたスラリーと、固体状の高分子材料とを用意する。スラリーは、市販されているものを使用することができる。例えば、株式会社シーアイ化成製のナノ粒子スラリー、株式会社名城ナノカーボン製のカーボンナノチューブ(CNT)分散液等が市販されている。市販されているナノ粒子のスラリーのスラリー濃度は、0.1〜15W%であるWet状態に分散させているので、凝集が生じない。 First, as a raw material, a slurry in which nanoparticles of inorganic material are dispersed as primary particles in a liquid and a solid polymer material are prepared. A commercially available slurry can be used. For example, nano particle slurry manufactured by C.I. Kasei Co., Ltd., carbon nanotube (CNT) dispersion manufactured by Meijo Nano Carbon Co., Ltd., etc. are commercially available. Since the slurry concentration of the commercially available nanoparticle slurry is dispersed in a wet state of 0.1 to 15 W%, aggregation does not occur.
スラリーの液体としては、種々応用できるが、有機溶剤および水を用いることができる。好ましくは、安価なものとしてアルコールまたは水を用いることができる。また、アルコールと水の混合物を用いてもよい。アルコールとしては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等が挙げられる。水を用いれば、ベント口105から回収された蒸気などの処理、特に火事、汚染などの問題がない点、および、安価である点でメリットがある。
The slurry liquid can be applied in various ways, but an organic solvent and water can be used. Preferably, alcohol or water can be used as an inexpensive one. Also, a mixture of alcohol and water may be used. Examples of the alcohol include methanol, ethanol, isopropyl alcohol and the like. The use of water is advantageous in that it does not have problems such as treatment of steam collected from the
無機材料のナノ粒子としては、例えば、カーボンナノチューブ、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属窒素酸化物、金属硼化物、金属珪化物、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂から選ばれる少なくとも1種である。より好ましくは、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化イットリウム、酸化亜鉛、酸化銀、チタン酸バリウム、炭酸カルシウム、酸化マグネシウムなどの金属酸化物である。粒子は、1種のみ用いても良いし、2種以上を併用しても良い。 Examples of the inorganic material nanoparticles include carbon nanotubes, metals, metal oxides, metal nitrides, metal nitrogen oxides, metal borides, metal silicides, thermoplastic resins, thermosetting resins, and photocurable resins. At least one selected. More preferred are metal oxides such as silicon oxide, zirconium oxide, titanium oxide, aluminum oxide, iron oxide, yttrium oxide, zinc oxide, silver oxide, barium titanate, calcium carbonate, and magnesium oxide. Only one type of particle may be used, or two or more types may be used in combination.
高分子材料としては、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリスチレン、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート(PET)等を用いることができる。 As the polymer material, polyolefin, polyamide, polystyrene, polycarbonate, polyethylene terephthalate (PET), or the like can be used.
図1は、2軸押出機を用いて、無機ナノコンポジットを連続で製造する過程を示した図である。図1に示すように、無機ナノコンポジットを製造する過程は、高分子材料を供給する高分子材料供給工程と、高分子材料を溶融する溶融工程と、当該溶融工程の後に高分子材料が保持している材料温度において、スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上に圧力を加える昇圧工程とを備える。さらに、当該昇圧工程でスラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に達した後、その圧力を保持する圧力保持工程と、当該圧力保持工程において、溶融した高分子材料中にスラリーを供給するスラリー供給工程と、圧力保持工程において、スラリー供給工程の後に、無機材料のナノ粒子を高分子材料中に分散させる混練分散工程とを備える。さらに、混練分散工程の後に、ナノ粒子の周囲の液体を含む高分子材料中の液体を蒸発させ、発生した気体を脱気する脱気工程を備えている。圧力保持工程は、昇圧工程の後に行われ、混練分散工程が終了するまで継続して行われる。スラリー供給工程は、圧力保持工程において、溶融工程で溶融した高分子材料の圧力が、スラリーの液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に保持された後に行われる。以下各工程について具体的に説明する。 FIG. 1 is a diagram showing a process of continuously producing inorganic nanocomposites using a twin screw extruder. As shown in FIG. 1, the process of manufacturing an inorganic nanocomposite includes a polymer material supply process for supplying a polymer material, a melting process for melting the polymer material, and the polymer material held after the melting process. And a pressurizing step of applying a pressure higher than a pressure value at which the liquid in the slurry does not evaporate at the material temperature. Furthermore, after reaching a pressure higher than the pressure value at which the liquid in the slurry does not evaporate in the pressurizing step, the slurry is supplied into the molten polymer material in the pressure holding step for holding the pressure and in the pressure holding step The slurry supplying step and the pressure holding step include a kneading and dispersing step for dispersing the inorganic material nanoparticles in the polymer material after the slurry supplying step. Further, after the kneading and dispersing step, a deaeration step is provided for evaporating the liquid in the polymer material including the liquid around the nanoparticles and degassing the generated gas. The pressure holding process is performed after the pressurizing process and continuously performed until the kneading and dispersing process is completed. The slurry supply step is performed after the pressure of the polymer material melted in the melting step is maintained at a pressure equal to or higher than a pressure value at which the slurry liquid does not evaporate. Each step will be specifically described below.
(高分子材料供給工程)
高分子材料供給工程は、高分子材料供給手段により、固体状の未溶融の高分子材料を投入口から2軸押出機のシリンダ内へ連続で供給する工程である。なお、高分子材料供給工程において、溶融状態の高分子材料を投入口から2軸押出機のシリンダ内へ供給してもよい。
(Polymer material supply process)
The polymer material supply step is a step of continuously supplying the solid unmelted polymer material from the inlet into the cylinder of the twin-screw extruder by the polymer material supply means. In the polymer material supply step, the molten polymer material may be supplied from the inlet into the cylinder of the twin screw extruder.
(溶融工程)
溶融工程は、シリンダに設けられた加熱手段により、投入口からシリンダ内に供給された高分子材料を加熱し、シリンダの内部で高分子材料を溶融状態とする工程である。高分子材料はシリンダ内部で溶融状態になりつつ、スクリュー手段の回転によって下流側に搬送される。
(Melting process)
The melting step is a step of heating the polymer material supplied into the cylinder from the charging port by a heating means provided in the cylinder so that the polymer material is melted inside the cylinder. The polymer material is conveyed to the downstream side by rotation of the screw means while being in a molten state inside the cylinder.
(昇圧工程)
スクリュー軸に前段シールリングを設けることにより、前段シールシングの外径とシリンダの内径との間に隙間を形成する。この隙間が溶融した高分子材料の流路となり、この流路が上流側のスクリュー部分での流路より小さく設定することで流れが阻害され、溶融した高分子材料によって当該隙間に前段マテリアルシールを形成する。また、前段シールリングより下流側に後段シールリングを設けることにより、後段シールリングの外径とシリンダの内径の間に隙間を形成する。この隙間が溶融した高分子材料またはスラリーを含む原料の流路となり、溶融した高分子材料またはスラリーを含む原料によって当該隙間に後段マテリアルシールを形成する。投入口から連続して高分子材料を供給し、上流側から溶融した高分子材料を下流側に搬送することで、前段マテリアルシール部分で流れが阻害され、樹脂圧力は上昇する。そして、後段マテリアルシールにより、発生した当該樹脂圧力を逃げないようにしている。これにより、両マテリアルシール間の圧力は次第に昇圧する。昇圧工程は、前段マテリアルシール部分における原料の流れ抵抗および後段マテリアルシールにより、両マテリアルシール間の圧力を昇圧させる工程である。昇圧工程により、後述のスラリー供給工程で、両マテリアルシール間にスラリーを供給する際に、スラリーの液体が蒸発しない圧力値以上の圧力になるように両マテリアルシール間の圧力を昇圧させる。
(Pressure increase process)
By providing a front seal ring on the screw shaft, a gap is formed between the outer diameter of the front seal single and the inner diameter of the cylinder. This gap becomes a flow path for the molten polymer material, and the flow is hindered by setting this flow path smaller than the flow path in the upstream screw portion, and the previous material seal is placed in the gap by the molten polymer material. Form. Further, by providing the rear seal ring downstream from the front seal ring, a gap is formed between the outer diameter of the rear seal ring and the inner diameter of the cylinder. The gap serves as a flow path for the raw material containing the molten polymer material or slurry, and a subsequent material seal is formed in the gap by the molten polymer material or the raw material containing the slurry. By continuously supplying the polymer material from the inlet and transporting the molten polymer material from the upstream side to the downstream side, the flow is hindered at the upstream material seal portion, and the resin pressure rises. The generated material pressure is prevented from escaping by the subsequent material seal. As a result, the pressure between the material seals is gradually increased. The pressurizing step is a step of increasing the pressure between the material seals by the flow resistance of the raw material and the subsequent material seal in the former material seal part. When the slurry is supplied between the material seals in the later-described slurry supply step, the pressure between the material seals is increased so that the pressure is higher than the pressure value at which the slurry liquid does not evaporate.
(圧力保持工程)
圧力保持工程は、上記昇圧工程において、両マテリアルシール間の圧力がスラリーの液体が蒸発しない圧力値以上の圧力まで昇圧された後、両マテリアルシール間の圧力を保持する工程である。上記昇圧工程において、両マテリアルシール間は、スラリーの液体が蒸発しない圧力値以上の圧力まで上昇するが、その圧力に到達すると、それ以上は上昇しない。投入口から連続して高分子材料を供給し、両マテリアルシール間で所定量の原料が流れている間は、両マテリアルシール間の圧力は、スラリーの液体が蒸発しない圧力値以上の圧力で保持された状態となる。
(Pressure holding process)
The pressure holding step is a step of holding the pressure between the two material seals after the pressure between the two material seals is increased to a pressure equal to or higher than the pressure value at which the slurry liquid does not evaporate. In the pressurizing step, the pressure between the material seals rises to a pressure equal to or higher than the pressure value at which the slurry liquid does not evaporate. While the polymer material is continuously supplied from the inlet and the specified amount of raw material is flowing between the material seals, the pressure between the material seals is maintained at a pressure value that is equal to or higher than the pressure at which the slurry liquid does not evaporate. It will be in the state.
上記昇圧工程および圧力保持工程により、図4に示すように、両マテリアルシール間には、非蒸発分散領域が形成される。非蒸発分散領域とは、後述するスラリー供給工程で両マテリアルシール間にスラリーを注入した際に、スラリー内の液体が蒸発しない状態で、後述の混練分散工程により溶融した高分子材料とスラリーとが混練される領域のことである。 As shown in FIG. 4, a non-evaporation dispersion region is formed between the material seals by the pressure raising step and the pressure holding step. The non-evaporation dispersion region is a state in which the polymer material and the slurry melted in the kneading dispersion process described below are in a state where the liquid in the slurry does not evaporate when the slurry is injected between both material seals in the slurry supply process described later. It is an area to be kneaded.
ここで、図6は、スクリューの所定位置における樹脂圧力を示した図である。図6に示す非蒸発分散領域は、図4に示す非蒸発分散領域に対応している。図4および図6に示すように、前段マテリアルシール部分で樹脂圧力が上昇する。そして、後段マテリアルシールにより、発生した当該樹脂圧力を逃げないようにしている。これにより、両マテリアルシール間の樹脂圧力は、スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力まで上昇した後、当該圧力で保持される。後段マテリアルシール部分より下流側では、ベント口により減圧されることで樹脂圧力は下降する。非蒸発分散領域での樹脂圧力は、後述のスラリー供給工程で両マテリアルシール間にスラリーを供給した際に、スラリー内の液体が蒸発しない圧力値(水分蒸発圧力限界値)以上の圧力に保持する。 Here, FIG. 6 is a diagram showing the resin pressure at a predetermined position of the screw. The non-evaporation dispersion region shown in FIG. 6 corresponds to the non-evaporation dispersion region shown in FIG. As shown in FIG. 4 and FIG. 6, the resin pressure increases at the front material seal portion. The generated material pressure is prevented from escaping by the subsequent material seal. Thereby, after the resin pressure between both material seals rises to a pressure equal to or higher than the pressure value at which the liquid in the slurry does not evaporate, the resin pressure is held at that pressure. On the downstream side of the rear material seal portion, the resin pressure is lowered by being depressurized by the vent port. The resin pressure in the non-evaporation dispersion region is maintained at a pressure equal to or higher than the pressure value (moisture evaporation pressure limit value) at which the liquid in the slurry does not evaporate when the slurry is supplied between both material seals in the slurry supply process described later. .
(スラリー供給工程)
スラリー供給工程は、スラリー供給手段により、スラリーを両マテリアルシール間の溶融した高分子材料中に注入する工程である。スラリーを供給する際、上記圧力保持工程において、両マテリアルシール間がスラリーの液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に保持されているので、両マテリアルシール間の溶融した高分子材料中にスラリーを注入しても、スラリー内の液体は蒸発しない。
(Slurry supply process)
The slurry supply step is a step of injecting the slurry into the molten polymer material between both material seals by the slurry supply means. When supplying the slurry, in the above pressure holding step, since the pressure between the material seals is maintained at a pressure higher than the pressure value at which the liquid of the slurry does not evaporate, the slurry is injected into the molten polymer material between the material seals. Even so, the liquid in the slurry does not evaporate.
図12は、両マテリアルシール間の圧力が不足して、水分の蒸発現象が同時に発生してしまった分散不良な状態を示す。これは、両マテリアルシール間の圧力がスラリーの液体が蒸発しない圧力値以上まで達していない状態で、スラリーを両マテリアルシール間の溶融した高分子材料中に注入したことに起因する。つまり、スラリーを両マテリアルシール間に注入した段階では無機材料のナノ粒子が分散する前であり、ナノ粒子各々の間に介在していた液体が蒸発することで、ナノ粒子各々の間に液体が存在しない状態となる。そのため、ナノ粒子が接近して凝集現象が生じ始めてしまう。 FIG. 12 shows a poorly dispersed state in which the pressure between the two material seals is insufficient and the moisture evaporation phenomenon occurs simultaneously. This is caused by injecting the slurry into the molten polymer material between the material seals in a state where the pressure between the material seals does not reach the pressure value that does not evaporate the slurry liquid. In other words, when the slurry is injected between both material seals, before the nanoparticles of the inorganic material are dispersed, the liquid interposed between the nanoparticles evaporates, so that the liquid is interposed between the nanoparticles. It will not exist. For this reason, the nanoparticles approach and the aggregation phenomenon starts to occur.
スラリーの液体が蒸発しない圧力値以上の圧力条件としては、例えば、スラリーの液体が水の場合、図13に示す水の状態線図を用いて決定される。すなわち、水が蒸発して蒸気となる気相と液相との境界線は、100℃、1kg/cm2の点を通り、図13中に示される曲線となる。温度が高い状態の水でも、この境界線以上の圧力を負荷されれば、蒸発しない過熱水となる。この原理を使用し、溶融工程で溶融した高分子材料が保持する材料温度によりスラリーを構成する液体が蒸発しない圧力値以上の圧力となるように、両マテリアルシール間の圧力を昇圧させる。図中に使用条件として示す。 The pressure condition equal to or higher than the pressure value at which the slurry liquid does not evaporate is determined using, for example, the water state diagram shown in FIG. 13 when the slurry liquid is water. That is, the boundary line between the gas phase and the liquid phase, in which water evaporates to become a vapor, passes through a point of 100 ° C. and 1 kg / cm 2 and becomes a curve shown in FIG. Even when the water is in a high temperature state, it becomes superheated water that does not evaporate if a pressure higher than this boundary is applied. Using this principle, the pressure between the two material seals is increased so that the material temperature held by the polymer material melted in the melting step is equal to or higher than the pressure value at which the liquid constituting the slurry does not evaporate. Shown as usage conditions in the figure.
(混練分散工程)
混練分散工程は、混練分散手段により、溶融した高分子材料と上記スラリー供給工程で注入されたスラリーとをニーディングディスクなどの混練分散手段で混練する工程である。混練分散工程では、上記圧力保持工程において、両マテリアルシール間がスラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に保持されているので、スラリー内の液体が蒸発しない状態で溶融した高分子材料とスラリーとが混練される。これにより、高分子材料中に無機材料のナノ粒子が分散される。図10に、混練分散工程において、高分子材料中に分散されたナノ粒子の状態概念図を示す。混練分散工程では、スラリー内の液体が蒸発しないので、図10に示すように、ナノ粒子の一次粒子の全外周面が液体の膜で覆われた状態のまま、ナノ粒子が高分子材料中で分散される。ナノ粒子の各々の間に液体が存在しているので、ナノ粒子同士が接近しても、凝集することがなく高分子材料中にナノ粒子を分散させることができる。その結果、高分子材料中に一次粒子のナノ粒子を単独で残存させた状態となり、ナノ粒子を一次粒子のまま高分子材料中に分散させることができる。
(Kneading dispersion process)
The kneading and dispersing step is a step of kneading the molten polymer material and the slurry injected in the slurry supplying step by a kneading and dispersing unit such as a kneading disk. In the kneading and dispersing step, since the pressure between the material seals is maintained at a pressure equal to or higher than the pressure value at which the liquid in the slurry does not evaporate, the polymer material melted in a state where the liquid in the slurry does not evaporate and The slurry is kneaded. Thereby, the nanoparticles of inorganic material are dispersed in the polymer material. FIG. 10 shows a conceptual diagram of the state of nanoparticles dispersed in the polymer material in the kneading and dispersing step. In the kneading and dispersing step, since the liquid in the slurry does not evaporate, as shown in FIG. 10, the nanoparticles are in the polymer material while the entire outer peripheral surface of the primary particles of the nanoparticles are covered with the liquid film. Distributed. Since a liquid exists between each of the nanoparticles, even if the nanoparticles approach each other, the nanoparticles can be dispersed in the polymer material without aggregation. As a result, the nanoparticles of the primary particles are left alone in the polymer material, and the nanoparticles can be dispersed in the polymer material as the primary particles.
(脱気工程)
混練分散工程において、溶融した高分子材料中で無機材料のナノ粒子が一次粒子のまま分散した分散状態となる。混練分散工程の後、スクリュー手段の回転によって下流側に搬送される原料は、やがて脱気手段が設けられた場所まで搬送される。脱気手段が設けられた場所まで搬送された高分子材料は、高分子材料中に無機材料のナノ粒子が一次粒子のまま、均一に分散している状態となっている。脱気工程は、脱気手段により、大気圧状態または、減圧状態でナノ粒子の周囲の液体を含む高分子材料中の液体を蒸発させ、発生した気体を脱気する工程である。脱気工程により、高分子材料中の液体が蒸発することで除去される。具体的には、図10に示すように、ナノ粒子の一次粒子の全外周面が液体の膜で覆われた状態から、図11にしめすように、ナノ粒子の周りの水分が除去された状態となる。この段階では、ナノ粒子の一次粒子各々が高分子材料中に捕捉されているので、ナノ粒子の凝集は発生しない。そのため、高分子材料中に分散した単独の一次粒子のナノ粒子の位置を残存させた状態に維持することができる。そして、高分子材料中に無機材料のナノ粒子が一次粒子のまま、均一に分散した無機ナノコンポジットをスクリュー手段の回転により排出口に搬送することにより、吐出口から無機ナノコンポジットが搬出される。
(Deaeration process)
In the kneading and dispersing step, the nano-particles of the inorganic material are dispersed in the molten polymer material as primary particles. After the kneading and dispersing step, the raw material conveyed downstream by the rotation of the screw means is eventually conveyed to the place where the deaeration means is provided. The polymer material transported to the place where the deaeration means is provided is in a state where the inorganic material nanoparticles are uniformly dispersed in the polymer material as primary particles. The degassing step is a step of degassing the generated gas by evaporating the liquid in the polymer material including the liquid around the nanoparticles in the atmospheric pressure state or the reduced pressure state by the degassing means. In the degassing step, the liquid in the polymer material is removed by evaporation. Specifically, as shown in FIG. 10, the water around the nanoparticles has been removed as shown in FIG. 11 from the state in which the entire outer peripheral surface of the primary particles of the nanoparticles is covered with a liquid film. It becomes. At this stage, since the primary particles of the nanoparticles are trapped in the polymer material, no aggregation of the nanoparticles occurs. Therefore, the position of the single primary particle nanoparticles dispersed in the polymer material can be maintained in a remaining state. And the inorganic nanocomposite is carried out from the discharge port by transporting the uniformly dispersed inorganic nanocomposite to the discharge port by rotation of the screw means while the inorganic material nanoparticle remains as the primary particle in the polymer material.
(無機ナノコンポジットの連続式製造装置の構成)
[連続式]
無機ナノコンポジットの製造装置として、連続して無機ナノコンポジットを製造可能な2軸押出機100について説明する。図3は、2軸押出機100の概略図を示した図である。図4は、図3のA部位の拡大図を示した図である。図3、図4に示すように、2軸押出機100は、シリンダ101と、シリンダ101内に回転自在に配置されたスクリュー102(スクリュー手段)と、スクリュー102を回転させる回転駆動機構(図示せず)と、シリンダの外周に設けられた図示しないヒーター(加熱手段)とを備えている。シリンダ101の上流側から、高分子材料を供給する投入口103、スラリーを供給する供給口104、ナノ粒子の周囲の液体を含む高分子材料中の液体を除去するベント口105(脱気手段)、製造された無機ナノコンポジットが搬出される吐出口106が設けられている。投入口103には、高分子材料を供給するホッパー109(高分子材料供給手段)が設けられている。
(Configuration of continuous production equipment for inorganic nanocomposites)
[Continuous]
A twin-
図4に示すように、スクリュー102は、上流側から順番に、2条のフォワードスクリュまたはフォワードロータなどの順送りスクリュー102aと、シリンダ101内の軸断面を閉鎖するような円板状でありスクリュー102軸に円板の平面が垂直になるように設置された前段シールリング108aと、ニーディングディスクなどの軸方向に送り効果のない分散スクリュー102b(混練分散手段)と、シリンダ内の軸断面を閉鎖するような円板状でありスクリュー102軸に円板の平面が垂直になるように設置された後段シールリング108bと、を備えている。
As shown in FIG. 4, the
ベント口105は、ナノ粒子の周囲の液体を含む高分子材料中の液体の除去を完全に行うためのものである。当該ベント口105により原料を減圧状態にし、発生する蒸気や微量のTiO2の粒子を除去する。ベント口105の数は特に限定されないが、本実施形態では、上流から、ダクトに接続され、屋外に蒸気を排出するオープンベント105aと、真空ポンプに接続された減圧ベント105b(50〜100torr)と、真空ポンプに接続された真空ベント105c(10torr)との3段ベントとする。各ベント間のスクリュー102の構成は、マテリアルシールができる構成とする。なお、減圧ベント105bでは、排気量が大きいのでそれほどの真空度が保てないが、真空ベント105cでは、高真空が達成され、高分子材料中の水分値を下げることができる。
The
この構成で、固体状の高分子材料が投入口103から2軸押出機100のシリンダ101中へ供給され、供給された高分子材料はヒーターによりシリンダ101内部で溶融状態になりつつ、スクリュー102の回転によって下流側に搬送される。
With this configuration, a solid polymer material is supplied from the
ヒーターにより溶融状態とされた高分子材料は、順送りスクリュー102aにより前段シールリング108aが設けられた位置まで搬送される。図4に示すように、前段シールシング108aの外径とシリンダ101の内径との間には、隙間が形成されている。この隙間が溶融した高分子材料の流路となり、この流路が上流側の順送りスクリュー102a部分での流路より小さく設定することで流れが阻害される。そのため、当該隙間に溶融した高分子材料によって個体充填密度が高い部分である前段マテリアルシール107a(昇圧保圧手段)が形成される。また、前段シールリング108aよりも下流側に設けられた後段シールリング108bの外径とシリンダ101の内径との間には、隙間が形成されている。この隙間が溶融した高分子材料またはスラリーを含む原料の流路となる。この隙間により溶融した高分子材料またはスラリーを含む原料の流れを阻害するので、溶融した高分子材料またはスラリーを含む原料によって個体充填密度が高い部分である後段マテリアルシール107b(昇圧保圧手段)が形成される。
The polymer material melted by the heater is transported to the position where the
連続して上流側から溶融した高分子材料を下流側に搬送することで、前段マテリアルシール107a部分で流れが阻害され、樹脂圧力は上昇する。そして、後段マテリアルシール107bにより、発生した当該樹脂圧力を逃げないようにしている。これにより、両マテリアルシール107a、107b間の圧力は次第に昇圧する。
By continuously conveying the polymer material melted from the upstream side to the downstream side, the flow is hindered at the
両マテリアルシール107a、107b間は、スラリーの液体が蒸発しない圧力値以上の所定圧力まで上昇するが、所定圧力に到達すると、それ以上には上昇しない。投入口103から連続で高分子材料を供給し、両マテリアルシール107a、107b間で所定量の原料が流れている間は、両マテリアルシール107a、107b間の圧力は、スラリーの液体が蒸発しない所定圧力で保持される。
Between the two
なお、原料の搬送能力は、スクリューピッチやスクリュー深さで制御されるが、順送りスクリュー102aより小さく設定した搬送能力を有する逆送りスクリューを後段シールリングより下流側に設置することで、原料の搬送を阻害することができ、昇圧機構として機能させることができる。この場合、両マテリアルシール107a、107b間にスラリーを注入する際に、両マテリアルシール107a、107b間が、スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力を保てるように、逆送りスクリューの変更などを行い、事前に逆送りスクリューの戻し抵抗を調整しておく。
The feed capacity of the raw material is controlled by the screw pitch and the screw depth, but the feed of the raw material can be carried out by installing a reverse feed screw having a feed capacity set smaller than the
図7はスラリー供給回路200を示す。このスラリー供給回路200を用いることで、スラリーを容易に2軸押出機100の供給口104に導くとともに、両マテリアルシール107a、107b間へのスラリー注入を停止、再開させることが可能である。図7に示すように、スラリー供給回路200には、スラリポンプ201と、スラリーを収容するスラリタンク202と、シリンダ101に設けられた供給口104からスラリーを注入するスラリノズル203(スラリー供給手段)と、スラリポンプ201とスラリノズル203との間の回路の圧力の最大値を規制するリリーフ弁204とが設けられている。なお、高濃度のスラリーを用いる場合、開始に時間を取られると、凝集してスラリノズル203が詰まってしまう問題が生じるので、スラリタンク202内には、スラリーを攪拌する攪拌機206が設けられている。
FIG. 7 shows the
リリーフ弁204は、リリーフ圧力を変更することができ、リリーフ圧力の高い値をPs、低い値をP0とする。スラリノズル203は、閉弁方向に付勢するバネ205を備えており、スラリ圧がかかると、バネ205の付勢力に打ち勝ってスラリノズル203が開口する構成となっている。このノズルが開口するためのスラリ圧力をPnとする。また、スラリーを注入する点での樹脂圧力をPresinとする。なお、スラリ圧力Pnは、樹脂圧力Presinを超える値に設定する。この構成で、スラリノズル203が開弁されることで注入通路が開かれて、スラリーが両マテリアルシール107a、107b間に注入し始める。
図8は、リリーフ弁204の設定圧力の圧力制御システムを示す。図8に示すように、スラリーが両マテリアルシール107a、107b間に注入されない段階では、リリーフ弁204のリリーフ圧力は、P0に設定されている。スラリ供給回路200の圧力は、スラリ圧力Pnを超えないのでスラリノズル203は開口せず、スラリーは両マテリアルシール107a、107b間に注がれない。この場合、スラリポンプ201を圧源として、スラリポンプ201がスラリタンク202からスラリーを吸い上げ、再びスラリタンク202内に戻してスラリーを循環させている。つまり、Presin>P0、および、Pn>P0の関係が成立している場合である。一方、両マテリアルシール107a、107b間の圧力がスラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に保持されると、スラリーを両マテリアルシール107a、107b間に注入する段階になる。この段階になると、リリーフ弁204のリリーフ圧力がPsに設定され、図8に示すように、スラリ供給回路200の圧力が次第に高まり、スラリ圧力Pnを超えると、スラリノズル203のバネ205の付勢力に打ち勝ってスラリノズル203が開口し、スラリーは両マテリアルシール107a、107b間に注がれる。つまり、Presin≦Ps、および、Pn≦Psの関係が成立している場合である。このように、リリーフ弁204のリリーフ圧力をP0からPsに切り替えると、スラリ供給回路200内の圧力が次第に高まり、スラリーの注入が開始され、リリーフ圧力をPsからP0に切り替えると、スラリ供給回路200内の圧力が次第に減少し、Presin以下になるとスラリーの注入が停止する。
FIG. 8 shows a pressure control system for the set pressure of the
この構成で、両マテリアルシール107a、107b間の圧力がスラリーの液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に保持された状態で、両マテリアルシール107a間にスラリーが注入される。スラリーが注入されると、分散スクリュー102bにより溶融した高分子材料とスラリーとを混練する。この混練分散過程では、両マテリアルシール107a間がスラリーの液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に保持されているので、スラリー内の液体が蒸発しない状態で溶融した高分子材料と無機材料のナノ粒子とが混練される。つまり、ナノ粒子の一次粒子の全外周面が液体の膜で覆われた状態のまま、ナノ粒子が高分子材料中で分散される。そのため、ナノ粒子各々の間に液体が介在しているので、ナノ粒子同士が接近しても、凝集することがなく高分子材料中にナノ粒子を分散させることができる。その結果、高分子材料中に一次粒子のナノ粒子を単独で残存させた状態となり、ナノ粒子を一次粒子のまま高分子材料中に分散させることができる。
With this configuration, the slurry is injected between the
混練分散過程において、高分子材料中にナノ粒子が一次粒子のまま均一に分散した原料は、スクリュー102の回転によりオープンベント105a、減圧ベント105b、真空ベント105cの順に搬送される。そして、各ベント口105により、大気圧状態または、減圧状態でナノ粒子の周囲の液体を含む高分子材料中の液体を蒸発させ、発生した気体を脱気する。これにより、高分子材料中の液体が蒸発することで除去される。この段階では、ナノ粒子の一次粒子各々が高分子材料中に捕捉されているので、ナノ粒子の凝集は発生しない。そのため、高分子材料中に分散した単独の一次粒子のナノ粒子の位置を残存させ状態に維持することができる。全ての無機材料のナノ粒子が高分子材料中に一次粒子の粒子径のまま、均一に分散した無機ナノコンポジットをスクリュー102の回転により吐出口106まで搬送することにより、吐出口106から無機ナノコンポジットが搬出される。
In the kneading and dispersing process, the raw material in which the nanoparticles are uniformly dispersed in the polymer material as primary particles is conveyed in the order of the
[第2実施形態]
以下、本発明を実施するための第2実施形態について図面を参照しつつ説明する。第2実施形態では、無機ナノコンポジットをバッチ式で製造する製造方法および製造装置について説明する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a second embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. 2nd Embodiment demonstrates the manufacturing method and manufacturing apparatus which manufacture an inorganic nanocomposite by a batch type.
(無機ナノコンポジットの製造方法)
バッチ式で無機ナノコンポジットを製造する製造方法について説明する。
(Inorganic nanocomposite production method)
The manufacturing method which manufactures an inorganic nanocomposite by a batch type is demonstrated.
図2は、無機ナノコンポジットをバッチ式で製造する過程を示した図である。図2に示すように、バッチ式で無機ナノコンポジットを製造する過程は、未溶融の高分子材料と無機材料のナノ粒子を液体中に分散させたスラリーとよりなる原料を供給する材料供給工程と、高分子材料とスラリーとよりなる原料を気密状態に保持する密閉工程と、未溶融の高分子材料が溶融する温度において、スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力を前記原料に加える昇圧工程とを備える。さらに、昇圧工程でスラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に達した後、その圧力を保持する圧力保持工程と、高分子材料が溶融する温度を外部から加える溶融工程と、圧力保持工程により、スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に保持された状態において、ナノ粒子の周囲に液体を介在させた状態で溶融した高分子材料とスラリーとを外部からの作用によって混練することで高分子材料中に前記ナノ粒子を分散させ、高分子材料中に一次粒子のナノ粒子を分離独立した状態のまま保持する混練分散工程とを備える。さらに、混練分散工程の後に、除圧することによってナノ粒子の周囲の液体を含む高分子材料中の液体を蒸発させ、ナノ粒子単体を単独で高分子材料中に残存させるために発生した気体を脱気する脱気工程を備えている。圧力保持工程は、昇圧工程の後に行われ、混練分散工程が終了するまで継続して行われる。溶融工程は、スラリーの液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に達した後その圧力を保持した後に行われ、当該スラリー供給工程の後に混練分散工程が行われる。以下各工程について具体的に説明する。 FIG. 2 is a diagram illustrating a process of manufacturing an inorganic nanocomposite in a batch manner. As shown in FIG. 2, the process of manufacturing an inorganic nanocomposite in a batch type includes a material supply process for supplying a raw material comprising an unmelted polymer material and a slurry in which nanoparticles of inorganic material are dispersed in a liquid; A sealing step for keeping the raw material composed of the polymer material and the slurry in an airtight state, and a pressure increase to the raw material at a temperature at which the liquid in the slurry does not evaporate at a temperature at which the unmelted polymer material melts A process. Furthermore, after reaching a pressure higher than the pressure value at which the liquid in the slurry does not evaporate in the pressurization step, a pressure holding step for holding the pressure, a melting step for adding a temperature at which the polymer material melts from the outside, and a pressure holding step Thus, in a state where the liquid in the slurry is maintained at a pressure higher than the pressure value at which the liquid does not evaporate, the polymer material melted with the liquid interposed around the nanoparticles and the slurry are kneaded by an external action. And kneading and dispersing step of dispersing the nanoparticles in the polymer material and holding the nanoparticles of the primary particles in the polymer material in a separated and independent state. Furthermore, after the kneading and dispersing step, the pressure in the polymer material including the liquid around the nanoparticles is removed by pressure removal, and the gas generated to leave the nanoparticles alone in the polymer material is removed. It is equipped with a degassing step to worry about. The pressure holding process is performed after the pressurizing process and continuously performed until the kneading and dispersing process is completed. The melting step is performed after the pressure reaches a pressure value or higher at which the slurry liquid does not evaporate, and then the kneading and dispersing step is performed after the slurry supplying step. Each step will be specifically described below.
(材料供給工程)
材料供給工程は、供給手段により、高分子材料とスラリーとが混練される空間内に、高分子材料およびスラリーを供給する工程である。
(Material supply process)
The material supply step is a step of supplying the polymer material and the slurry into the space where the polymer material and the slurry are kneaded by the supply means.
(密閉工程)
密閉工程は、上記材料供給工程の後、密閉手段により、高分子材料およびスラリーが供給された空間を外部から気密状態に隔離し、当該空間を密閉空間とする工程である。
(Sealing process)
A sealing process is a process of isolating the space to which the polymer material and the slurry are supplied from the outside in an airtight state by the sealing means after the material supplying process, thereby making the space a sealed space.
(昇圧工程)
昇圧工程は、上記密閉工程の後、昇圧手段により、高分子材料が溶融する温度で、スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力となるように密閉空間内の圧力を上昇させる工程である。密閉空間内の圧力は、液圧計などで空間内の圧力を計測しながら調整する。
(Pressure increase process)
The pressurizing step is a step of increasing the pressure in the sealed space by the pressurizing means after the sealing step so that the pressure in the sealed space is higher than the pressure value at which the liquid in the slurry does not evaporate at the temperature at which the polymer material melts. . The pressure in the sealed space is adjusted while measuring the pressure in the space with a hydraulic pressure gauge or the like.
(圧力保持工程)
圧力保持工程は、上記昇圧工程により、密閉空間内の圧力がスラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力まで上昇した後、圧力保持手段により密閉空間内の圧力を保持する工程である。
(Pressure holding process)
The pressure holding step is a step of holding the pressure in the sealed space by the pressure holding means after the pressure in the sealed space rises to a pressure equal to or higher than the pressure value at which the liquid in the slurry does not evaporate.
(溶融工程)
溶融工程は、圧力保持工程により、高分子材料が溶融する温度で、スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に密閉空間内の圧力が保持された状態で、加熱手段により、外部から密閉空間内の温度を高分子材料が溶融する温度まで上昇させて高分子材料を溶融させる工程である。溶融工程は、高分子材料が溶融する温度で、スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に密閉空間内の圧力が保持された後に行われるので、スラリーの液体は蒸発しない。
(Melting process)
In the melting step, the pressure in the sealed space is maintained from the outside by the heating means in a state where the pressure in the sealed space is maintained at a pressure higher than the pressure value at which the liquid in the slurry does not evaporate at the temperature at which the polymer material melts. In this step, the temperature in the space is raised to a temperature at which the polymer material melts to melt the polymer material. The melting process is performed after the pressure in the sealed space is maintained at a pressure equal to or higher than the pressure value at which the liquid in the slurry does not evaporate at the temperature at which the polymer material melts, and thus the liquid in the slurry does not evaporate.
(混練分散工程)
混練分散工程は、密閉空間内の圧力がスラリー内の液体が蒸発しない圧力が保持され、高分子材料が溶融されている状態で、混練分散手段により、高分子材料とスラリーとを混練させて、無機材料のナノ粒子を高分子材料中に分散させる工程である。混練分散工程では、スラリー内の液体が蒸発しないので、図10に示すように、無機材料のナノ粒子は、ナノ粒子の一次粒子の全外周面が液体の膜で覆われた状態のまま、高分子材料中で分散される。ナノ粒子各々の間に液体が存在しているので、無機材料のナノ粒子同士が接近しても、ナノ粒子同士が凝集することなく高分子材料中にナノ粒子を分散させることができる。その結果、高分子材料中に一次粒子のナノ粒子を単独で残存させた状態となり、ナノ粒子を一次粒子のまま高分子材料中に分散させることができる。
(Kneading dispersion process)
In the kneading and dispersing step, the pressure in the sealed space is maintained so that the liquid in the slurry is not evaporated, and the polymer material is melted in a state where the polymer material is melted, and the polymer material and the slurry are kneaded by the kneading and dispersing means. This is a step of dispersing inorganic material nanoparticles in a polymer material. In the kneading and dispersing step, since the liquid in the slurry does not evaporate, as shown in FIG. 10, the nanoparticles of the inorganic material are high in the state where the entire outer peripheral surface of the primary particles of the nanoparticles is covered with the liquid film. Dispersed in the molecular material. Since the liquid exists between the nanoparticles, even if the nanoparticles of the inorganic material approach each other, the nanoparticles can be dispersed in the polymer material without aggregation of the nanoparticles. As a result, the nanoparticles of the primary particles are left alone in the polymer material, and the nanoparticles can be dispersed in the polymer material as the primary particles.
(脱気工程)
脱気工程は、上記混練分散工程の後に、脱気手段により密閉空間内を除圧することで、ナノ粒子各々の間に介在する液体を含む高分子材料中の液体を蒸発させ、発生した気体を脱気する工程である。つまり、図10に示すように、ナノ粒子の一次粒子の全外周面が液体の膜で覆われた状態から、図11にしめすように、ナノ粒子の周りの水分が除去された状態となる。この段階では、ナノ粒子の一次粒子各々が高分子材料中に捕捉されているので、ナノ粒子の凝集は発生しない。その結果、高分子材料中に分散したナノ粒子の位置に、ナノ粒子を残存させた状態を維持することができる。これにより、無機材料のナノ粒子が高分子材料中に一次粒子の粒子径のまま、均一に分散した無機ナノコンポジットを得ることができる。
(Deaeration process)
In the deaeration step, after the kneading and dispersing step, the liquid in the polymer material including the liquid interposed between the nanoparticles is evaporated by depressurizing the inside of the sealed space by the deaeration means, and the generated gas is This is a deaeration process. That is, as shown in FIG. 10, from the state in which the entire outer peripheral surface of the primary particles of the nanoparticle is covered with the liquid film, the water around the nanoparticle is removed as shown in FIG. At this stage, since the primary particles of the nanoparticles are trapped in the polymer material, no aggregation of the nanoparticles occurs. As a result, it is possible to maintain a state in which the nanoparticles remain at the positions of the nanoparticles dispersed in the polymer material. Thereby, the inorganic nanocomposite in which the nanoparticles of the inorganic material are uniformly dispersed in the polymer material while maintaining the particle diameter of the primary particles can be obtained.
(無機ナノコンポジットのバッチ式製造装置の構成)
[バッチ式]
無機ナノコンポジットをバッチ式で製造する装置としてのバッチ型製造装置1について説明する。図14は、バッチ型製造装置1の概略図である。図14に示すように、バッチ型製造装置1は、フレーム2と、当該フレーム2の内部に設けられた凸形状の基台3と、当該基台3により位置決めされ、フレーム2内部に固定されるシリンダ部材4と、フレーム2の上部に設けられた上部部材5と、フレーム2に回転可能に軸支される回転部材6(昇圧手段)とを有している。
(Configuration of inorganic nanocomposite batch production equipment)
[Batch type]
A batch
フレーム2内部の底面部には、基台3を固定するための凹部21が形成されており、上に凸部22を向けた状態で当該凹部21に基台3が嵌め込まれる。シリンダ部材4に形成された孔部23の一方から基台3の凸部22が嵌合されることで、シリンダ部材4がフレーム2内部で位置決めされる。そして、位置決めされたシリンダ部材4はボルトにより固定される。シリンダ部材4に形成された孔部23の他方から回転部材6の一端が嵌合される。これにより、シリンダ部材4の孔部23には、空間が形成される。回転部材6と孔部23との摺動面には、孔部23に形成された空間内を外部から気密状態に隔離するようにOリング7(密閉手段)等のシール部材が設けられている。また、基台3と孔部23との嵌合面には、シール部材(図示せず)が設けられている。これにより、シリンダ部材4の孔部23には、密閉空間8が形成される。
A
回転部材6の中部付近には、拡径方向に突起した突起部24が形成されている。当該突起部24の上部にはテーパコロ軸受け9が設けられており、回転部材6はテーパコロ軸受け9を介してフレーム2に回転可能に支持される。当該テーパコロ軸受け9の上部には、回転部材6を押圧する押圧部材10が設けられており、当該押圧部材10には上部部材5にネジ込まれたボルト19のネジ部の先端が当接する構成になっている。上部部材5にネジ込まれたボルト19をネジ込むことで押圧部材10が下方向に押圧される。これに伴って、押圧部材10が回転部材6を下方向に押圧し、回転部材6が下方向に移動する構成になっている。これにより、上部部材5にネジ込まれたボルト19のネジ込み量に比例して密閉空間8内が昇圧される。
In the vicinity of the middle portion of the rotating
回転部材6の下端には、密閉空間8内に供給された高分子材料とスラリーとを混練する螺旋形状の攪拌羽根11(混練分散手段)が固着されている。また、回転部材6の上端には、ハンドル12が連結され、当該ハンドル12の回転操作により回転部材6を所定の方向へ回転させる。この回転操作に伴い、回転部材6の下端に設けられた攪拌羽根11が回転し原料を混練することができる。
A helical stirring blade 11 (kneading / dispersing means) for kneading the polymer material and the slurry supplied in the sealed
基台3の凸部22の上端には、2本の棒状部材13が立設されており、攪拌羽根11の螺旋形状に沿って押し出される原料の回転方向の邪魔板として機能する。すなわち、棒状部材は、攪拌時における、攪拌羽根11と原料との連れ周りを防止または抑制する役割を果たす。
Two rod-
回転部材6には、排気路25aが形成されており、当該排気路25aは配管部材27を介して配管28に接続されている。なお、配管部材27には、排気路25bが形成されている。当該排気路25aおよび排気路25b内には、材料供給工程において、スラリーが入れられる。また、排気路25aには、配管部材27を介して密閉空間8内の圧力を計測する液圧計14が接続されている。配管28には、密閉空間8内の圧力を所定圧力に設定するリリーフバルブ15(圧力保持手段)と、配管28の開閉を行う排気バルブ18(脱気手段)が設けられている。密閉空間8内の圧力が所定の圧力以上になると、リリーフバルブ15が開弁することで、密閉空間8内を所定圧力に保つことが可能である。また、排気バルブ18を開弁することで、密閉空間8内を大気圧状態とすることが可能である。
An
シリンダ部材4の外周面にはヒーター16(加熱手段)が設けられており、シリンダ部材4を加熱することで密閉空間8内の温度を上昇させることが可能である。なお、ヒーター16には、温調機29が接続されており、当該温調機29がヒーター16を制御することで、密閉空間8内の温度を調整することができる。密閉空間8内の温度を高分子材料が溶融する温度まで上昇させることにより、密閉空間8内に供給された高分子材料を溶融させることができる。シリンダ部材4の上部には、水流路26が形成されており、ヒーター16により加熱されたシリンダ部材4の上部を冷却させることができる。これにより、ヒーター16によりシリンダ部材4が加熱された際に、シリンダ部材4の内周径が熱膨張により拡径することによるOリング7とシリンダ部材4の内壁面との密着性の低下を防止することができる。さらに、Oリング7が熱劣化で寿命が短くなるのを防止することができる。
A heater 16 (heating means) is provided on the outer peripheral surface of the cylinder member 4, and the temperature in the sealed
基台3とシリンダ部材4の当接面には、アルミ板17等のシール材が設けられており、密閉空間8内で溶融した高分子材料や、スラリーが密閉空間8から漏れないようにしている。なお、アルミ板17は、高温に耐えるシール材であれば何でもよい。
The contact surface between the
この構成で、シリンダ部材4に形成された孔部23の他方から回転部材6の一端が嵌合されていない状態で、基台3とシリンダ部材4の孔部23とで形成された空間内に高分子材料とスラリーとよりなる原料が供給される。その後、シリンダ部材4に形成された孔部23の他方から回転部材6の一端が嵌合され、基台3、シリンダ部材4の孔部23、および、回転部材6により密閉空間8が形成される。
In this configuration, in a state where one end of the rotating
その後、上部部材5にネジ込まれたボルト19をネジ込むことで回転部材6を下方向に押圧し、密閉空間8内の圧力を昇圧させる。密閉空間8内の圧力は、リリーフバルブ15によってスラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の所定圧力に保持される。密閉空間8内が所定圧力に保持された状態において、ヒーターにより密閉空間8内の温度を上昇させる。これにより、密閉空間8内の高分子材料は溶融状態となる。密閉空間8内は所定圧力に保持されているので、スラリーの液体は蒸発しない。その後、密閉空間8内が所定圧力に保持された状態において、ハンドルを手動で回転させることで攪拌羽根11が回転し、溶融した高分子材料とスラリーとが混練される。これにより、高分子材料中に無機材料のナノ粒子が分散される。図10に、混練分散工程において、高分子材料中に分散されたナノ粒子の状態概念図を示す。混練分散工程では、スラリー内の液体が蒸発しないので、図10に示すように、ナノ粒子の一次粒子の全外周面が液体の膜で覆われた状態のまま、ナノ粒子が高分子材料中で分散される。ナノ粒子の各々の間に液体が存在しているので、ナノ粒子同士が接近しても、凝集することがなく高分子材料中にナノ粒子を分散させることができる。その結果、高分子材料中に一次粒子のナノ粒子を単独で残存させた状態となり、ナノ粒子を一次粒子のまま高分子材料中に分散させることができる。
Thereafter, the
混練分散過程の後、排気バルブ18を開弁することで、密閉空間8が大気圧状態にされる。ナノ粒子の周囲の液体を含む高分子材料中の液体を蒸発させ、発生した気体を排気路25a、排気路25b、および、配管28を介して脱気する。具体的には、図10に示すように、ナノ粒子の一次粒子の全外周面が液体の膜で覆われた状態から、図11にしめすように、ナノ粒子の周りの水分が除去された状態となる。この段階では、ナノ粒子の一次粒子各々が高分子材料中に捕捉されているので、ナノ粒子の凝集は発生しない。そのため、高分子材料中に分散した単独の一次粒子のナノ粒子の位置を残存させた状態に維持することができる。以上により、高分子材料中に無機材料のナノ粒子が一次粒子のまま、均一に分散した無機ナノコンポジットが製造される。その後、シリンダ部材4の孔部23から回転部材6を抜き出し、製造された無機ナノコンポジットを取り出す。
After the kneading and dispersing process, the
[実施例]
次に、実施例によって本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。無機ナノコンポジットを以下に示す使用条件で製造した。
[Example]
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples. An inorganic nanocomposite was produced under the following use conditions.
(使用条件)
(1)実施例
高分子材料は、IV値(Intringic Viscosity)が0.64のPETを用い、アナターゼ系のTiO2のナノ粒子を2軸押出機100を用いて高分子材料中に分散させる。スラリーはTiO2が15w%、水が85w%のものを用いた。このスラリーのスラリ濃度は15W%である。PETの融点は240℃付近であるが、スラリーを注入すると即座に固体化するため、分散操作で採用されるPETの温度を290℃として、PETを溶融させる。PETを投入口103から100kg/hrで供給して正常な運転を開始させ、両マテリアルシール107a、107bを形成させておく。前述のスクリュー構成、および所定の押出量において、スラリーを両マテリアルシール間の溶融したPET中に注入させる際に、両マテリアルシール107a、107b間の圧力がスラリーを構成する水が蒸発しない圧力値であることを事前に確認する。つまり、290℃でもスラリーを構成する水が蒸発しない圧力70kg/cm2以上の圧力条件を与え、当該圧力を保持する。その後、両マテリアルシール107a、107b間にスラリーを200kg/hrで注入する。なお、スクリュー102の有効長(L/D)は44とする。
(terms of use)
(1) Examples As the polymer material, PET having an IV value (Intringic Viscosity) of 0.64 is used, and anatase-based TiO 2 nanoparticles are dispersed in the polymer material using the twin-
(実験結果)
得られたマスターバッチにおけるTiO2の分散性は、全てのTiO2のナノ粒子が100nm以下のナノ粒子径で分散していて、凝集粒子は皆無であった。完全に事前に用意されたTiO2の一次粒子径の粒子がPET中に分散した状態になった。すべての粒子原料がナノオーダの場合、無機ナノコンパウンドが容易に製造できる。分散後の分散相の粒子径は、無機材料として用意した一次粒子そのままであり、粒度分布もそのままである。従って、用意する材料の粒子分布そのものが分散状態となるので、事前の材料を調整すれば、如何なる小粒子の分散状態も実現可能になる。
(Experimental result)
Regarding the dispersibility of TiO 2 in the obtained master batch, all TiO 2 nanoparticles were dispersed with a nanoparticle diameter of 100 nm or less, and there were no aggregated particles. The particles of the primary particle size of TiO 2 prepared in advance were dispersed in the PET. When all the particle raw materials are nano-order, inorganic nano-compound can be easily manufactured. The particle diameter of the dispersed phase after dispersion is the same as the primary particles prepared as an inorganic material, and the particle size distribution is also the same. Accordingly, since the particle distribution itself of the prepared material is in a dispersed state, any small particle dispersed state can be realized by adjusting the material in advance.
PET溶融体は水分によって劣化する材料であるため、樹脂劣化の心配があるが、本実験で得られたPETのIV値は0.51〜0.55であった。これは、加水分解性の樹脂であるPETが水に接している時間は、数十秒であるため、それほどの劣化にはならかったと考えられる。このように、PETでは、IV値が多少低下するが、高濃度のマスターバッチであるため、実使用のために希釈するとほとんどIV値の低下が無視できる。 Since the PET melt is a material that deteriorates due to moisture, there is a concern of resin deterioration, but the IV value of the PET obtained in this experiment was 0.51 to 0.55. This is probably because the time during which PET, which is a hydrolyzable resin, was in contact with water was several tens of seconds, so that it did not deteriorate so much. Thus, although the IV value is somewhat reduced in PET, since it is a high-concentration masterbatch, when it is diluted for actual use, the decrease in the IV value can be almost ignored.
以上説明したように、本第1実施形態に係る無機ナノコンポジットの製造方法および2軸押出機100によると、高分子材料と無機材料のナノ粒子を液体中に分散させたスラリーとよりなる原料のうち高分子材料のみをシリンダ101内に供給した後、シリンダ101の外周に設けられたヒーターにより高分子材料を溶融する。高分子材料は、シリンダ内部で溶融状態になりつつ、順送りスクリュー102aの回転によって混練されながら、下流側に搬送される。その後、溶融した高分子材料は、前段シールリング108aが設けられた位置まで到達する。スクリュー102軸に設けられた前段シールリング108aの外径とシリンダ101の内径との隙間の流路に溶融した高分子材料が流入することで前段マテリアルシール107aが形成され、スクリュー102軸に設けられた後段シールリング108bの外径とシリンダ101の内径の隙間に後段マテリアルシール107bが形成される。連続して上流側から溶融した高分子材料を下流側に搬送することで、前段マテリアルシール107a部分で流れが阻害され、樹脂圧力は上昇する。後段マテリアルシール107bにより、発生した当該樹脂圧力を逃げないようにしている。これにより、両マテリアルシール107a、107b間の圧力は次第に昇圧し、両マテリアルシール107a、107b間の圧力が溶融した高分子材料が保持する材料温度によりスラリー内の液体が蒸発しない圧力に昇圧された後、その圧力で保持される。その後、スラリノズル203により、両マテリアルシール107a、107b間の溶融した高分子材料中にスラリーが注入される。このため、両マテリアルシール107a、107b間にスラリーが注入されてもスラリーの液体は蒸発せず、両シールリング108a、108bの間に設けられた分散スクリュー102bにより溶融した高分子材料とスラリーとが混練される。スラリー内の液体が蒸発しないので、ナノ粒子の一次粒子の全外周面が液体の膜で覆われた状態のまま、高分子材料中で分散される。つまり、無機材料のナノ粒子の間に液体が介在した状態で、ナノ粒子が高分子材料中に分散される。分散過程でナノ粒子各々の間に液体が介在しているので、無機材料のナノ粒子同士が接近しても、一次粒子を覆う液体によりナノ粒子が凝集することなく、その後ナノ粒子各々の間隔が大きくなり、高分子材料中にナノ粒子を分散させることができる。また、ベント口105まで搬送された原料は、ナノ粒子各々の間に介在する液体を含む高分子材料中の液体を蒸発させ、発生した気体を脱気するが、この段階では、ナノ粒子の一次粒子各々が高分子材料中に捕捉されているので、ナノ粒子の凝集は発生しない。その結果、高分子材料中に分散した単独の一次粒子のナノ粒子の位置を残存させた状態に維持することができる。また、原料としてはスラリーを用いるので、ナノ粒子が空中に飛散することがない。その結果、人間がナノ粒子を吸引することによる珪肺等の健康被害の原因になることがない。また、以上の方法により、無機材料のナノ粒子が高分子材料中に一次粒子のまま、均一に分散した無機ナノコンポジットを連続で製造することができる。
As described above, according to the manufacturing method of the inorganic nanocomposite and the
また、本第2実施形態に係る無機ナノコンポジットの製造方法およびバッチ式製造装置1によると、未溶融の高分子材料と無機材料のナノ粒子を液体中に分散させたスラリーとよりなる原料を供給した後、当該原料が供給された空間を気密状態に保持し、密閉空間8とする。その後、未溶融の高分子材料が溶融する温度で、スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に密閉空間8内の圧力を昇圧させた後、その圧力をリリーフバルブ15により保持する。そして、密閉空間8内の圧力が保持された状態で、ヒーター16により未溶融の高分子材料が溶融する温度を原料に加えることで、高分子材料を溶融させる。その後、密閉空間8内において、攪拌羽根11により、溶融した高分子材料とスラリーとを混練させ、無機材料のナノ粒子を高分子材料中に分散させる。密閉空間8内の圧力は、混練分散過程が終了するまで、スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に継続して保持される。これにより、混練分散過程において、ナノ粒子の一次粒子の全外周面が液体の膜で覆われた状態のまま、高分子材料中で分散される。つまり、ナノ粒子間に液体が介在した状態で、ナノ粒子が高分子材料中に分散される。そのため、無機材料のナノ粒子同士が接近しても、一次粒子を覆う液体によりナノ粒子同士が凝集することなく、その後ナノ粒子各々の間隔が大きくなり、高分子材料中にナノ粒子を分散させることができる。その結果、無機材料のナノ粒子を高分子材料中に一次粒子の状態で、ナノ粒子各々がある距離を保ったまま、均一に分散させることができる。また、混練分散過程の後、密閉空間8内の圧力を排気バルブ18により除圧することで、ナノ粒子各々の間に介在する液体を含む高分子材料中の液体を蒸発させ、発生した気体を脱気するが、この段階では、ナノ粒子の一次粒子が高分子材料中に捕捉されているので、ナノ粒子の凝集は発生しない。その結果、高分子材料中に分散した単独の一次粒子のナノ粒子の位置を残存させた状態に維持することができる。また、原料としては、スラリーを用いるので、ナノ粒子が空中に飛散することがない。その結果、人間がナノ粒子を吸引することによる珪肺等の健康被害の原因になることがない。また、未溶融の高分子材料と無機材料のナノ粒子を液体中に分散させたスラリーとよりなる原料を供給するので、無機材料のナノ粒子が高分子材料中に一次粒子のまま、均一に分散した無機ナノコンポジットをバッチ式で製造することができる。
In addition, according to the inorganic nanocomposite manufacturing method and the
また、スラリーの濃度が0.1〜15W%の場合、無機材料のナノ粒子が凝集しないスラリーを得ることができる。その結果、取扱い易いスラリーを得ることができる。 Moreover, when the density | concentration of a slurry is 0.1-15 W%, the slurry by which the nanoparticle of an inorganic material does not aggregate can be obtained. As a result, an easy-to-handle slurry can be obtained.
また、スラリーを構成する液体として、特に、水またはアルコールを用いた場合、不純物が少なく、コストが安いスラリーを得ることができるので、無機ナノコンポジットの製造コストを安くすることができる。 In addition, when water or alcohol is used as the liquid constituting the slurry, a slurry with few impurities and low cost can be obtained, so that the manufacturing cost of the inorganic nanocomposite can be reduced.
本発明の製造方法で得られる無機ナノコンポジットは、例えば、太陽光発電の部品として利用することができる。添加する物質をナノサイズの大きさで分散することによって、光の波長を下回り、添加物質が存在するのにも係わらず透明なプラスチック素材になるなど、得意な物性が実現できる。 The inorganic nanocomposite obtained by the production method of the present invention can be used, for example, as a component for photovoltaic power generation. Dispersing the substance to be added in a nano-sized size makes it possible to realize good physical properties, such as a transparent plastic material that is below the wavelength of light and is present despite the presence of the additive substance.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。例えば、次のようにして変更して実施してもよい。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made as long as they are described in the claims. . For example, the following modifications may be made.
(1)第2実施形態では、回転部材6を回転する機構として、手動によるハンドルを用いているが、ハンドルの代わりに電動モータを使用し、その出力軸と回転部材6をベルトにより連結して回転部材6を回転させる構成であってもよい。
(1) In the second embodiment, a manual handle is used as a mechanism for rotating the rotating
1 バッチ型製造装置
2 フレーム
3 基台
4 シリンダ部材
5 上部部材
6 回転部材
7 Oリング
8 密閉空間
9 テーパコロ軸受け
10 押圧部材
11 攪拌羽根
12 ハンドル
13 棒状部材
14 液圧計
15 リリーフバルブ
16 ヒーター
18 排気バルブ
19 ボルト
100 2軸押出機
101 シリンダ
102 スクリュー
102a 順送りスクリュー、 102b 分散スクリュー
103 投入口
104 供給口
105 ベント口
106 吐出口
107a 前段マテリアルシール、 107b 後段マテリアルシール
108a 前段シールリング、 108b 後段シールリング
200 スラリ供給回路
203 スラリノズル
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記無機材料のナノ粒子を液体中に分散させたスラリーと前記高分子材料とよりなる原料のうち前記高分子材料のみを供給する高分子材料供給手段と、A polymer material supply means for supplying only the polymer material among the raw materials consisting of the slurry in which the nanoparticles of the inorganic material are dispersed in a liquid and the polymer material;
前記高分子材料が溶融する温度を加える加熱手段と、Heating means for applying a temperature at which the polymer material melts;
前記加熱手段で加熱され溶融した高分子材料を搬送するスクリュー手段とScrew means for transporting the molten polymer material heated by the heating means;
前記スクリュー手段に前段マテリアルシールと後段マテリアルシールを設け、当該両マテリアルシール間の圧力が溶融した前記高分子材料の保持する材料温度により前記スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に達した後、その圧力を保持する昇圧保圧手段と、The screw means is provided with a pre-stage material seal and a post-stage material seal, and the pressure between the material seals reaches a pressure higher than the pressure value at which the liquid in the slurry does not evaporate due to the material temperature held by the polymer material. After that, the pressure holding means for holding the pressure,
前記両マテリアルシール間の溶融した前記高分子材料中に前記スラリーを供給するスラリー供給手段と、Slurry supply means for supplying the slurry into the molten polymer material between the material seals;
前記昇圧保圧手段により、前記原料が共存する前記両マテリアルシール間が前記スラリー内の液体が蒸発しない圧力値以上の圧力に保持された状態において、前記ナノ粒子の周囲に液体を介在せた状態で前記高分子材料と前記スラリーとを混練し、前記高分子材料中に前記ナノ粒子を分散させ、前記高分子材料中に前記ナノ粒子を一次粒子の状態で分離独立した状態のまま保持する混練分散手段と、A state in which a liquid is interposed around the nanoparticles in the state where the pressure between the material seals where the raw materials coexist is maintained at a pressure equal to or higher than a pressure value at which the liquid in the slurry does not evaporate. The polymer material and the slurry are kneaded in kneading, the nanoparticles are dispersed in the polymer material, and the nanoparticles are held in the polymer material in a separated and independent state in a primary particle state. A dispersion means;
前記ナノ粒子の周囲に介在する液体を含む高分子材料中の液体を蒸発させ、前記ナノ粒子単体を単独で前記高分子材料中に残存させて、発生した気体を脱気する脱気手段と、A degassing means for evaporating a liquid in a polymer material containing a liquid interposed around the nanoparticles, leaving the nanoparticles alone in the polymer material, and degassing the generated gas;
を備えることを特徴とする無機ナノコンポジット製造装置。An inorganic nanocomposite manufacturing apparatus comprising:
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