Classification method of thermal decomposition particles in coal

本発明は、カーボンブラック又はその他の炭素質の材料の混合物を異なった品質に識別し、分離するための設備に関する。

関連出願の相互参照
この出願は、
２００７年１１月７日出願の米国特許仮出願第６０／９８６，１２６号；
２００７年１０月９日出願の米国特許仮出願第６０／９９８，１９７号；
２００７年１１月８日出願の米国特許仮出願第６０／９８６，３１８号；
２００７年１１月８日出願の米国特許仮出願第６０／９８６，３６９号；
の各出願の利益を請求する。

上記の各出願の開示を、参照により本明細書中に援用する。
発明の背景
タイヤ及びその他のゴム製品を再利用して、熱分解と呼ばれるプロセスの使用を通して利用可能な炭化水素を再生しようとする多くの試みがなされてきた。 熱分解を通して、タイヤは処理されて燃料及びその他の炭化水素のコンパウンドが製造される。 熱分解プロセスから生ずる一つの特定の副生成物は、プロセスが完了した後の残留物である灰、又は炭材料である。 この炭を、ある種類のフィラーとして用いるための低級カーボンブラックとして用いようとする試みがなされてきた。 しかしながら、この試みはいくつかの欠点に遭遇しており、最も重大な欠点は、炭自体の粒子サイズのランダムな分布から、炭中に不純物が生ずることである。 未処理の炭の組成物は、大きな粒子又は大きな凝集体と、小さな粒子又は小さな凝集体とを有することが見出されている。 しかしながら、フィラーのコンパウンドとしてカーボンブラックを用いるためのいくつかの用途は、カーボンブラック混合物が、主に、プラスチック中のゴムのためのフィラーとして用いるために適した「綿毛状の」カーボンブラック混合物を作り出す小さな凝集体からなることを必要とする。

再生された炭素質の材料の混合物を小さな粒子又は凝集体に砕くグラインダーを用いることによって「綿毛状の（ｆｌｕｆｆｙ）」カーボンブラックを作り出そうとする試みが存在する。 しかしながら、これらの試みは、常に一貫した凝集体サイズの混合物を製造するわけではなく、そしてかかる混合物はしばしば凝集体粒子の窒素表面積が好ましくない。 それ故に、凝集体を含有するカーボンブラックのサンプルを、一貫した粒子サイズと異なった等級とを有する混合物、又は粒子サイズ及びその他の要素に基づいた分類に細分化する必要性が存在する。

従って、凝集体を含有するカーボンブラックの、より小さくより一貫した凝集体サイズと、高い窒素表面積値などのより良い物理的性質とを有する混合物への識別及び分離を改善する必要性が存在する。

本発明は、熱分解されたポリマー材料から種々の品質の凝集体の混合物を形成するための識別及び分離設備に関する。 熱分解されて再生された炭素質の材料は、使用済みのタイヤ、自動車のシュレッダー残渣、及び実質的に任意の種類の使用済みのポリマーに由来する。 熱分解工程を行った後、識別及び分離設備を用いる。 識別及び分離設備は、乾燥空気供給源、及び小さな凝集体と大きな凝集体とを含有する再生された炭素質の材料の供給源を用いる。 再生された炭素質の材料を乾燥空気供給源と混合し、加圧し、次いで粉砕ミルに導入する。 粉砕ミルは、再生された炭素質の材料を小さな凝集体と大きな凝集体とに分割することによって、第１回目の識別及び分離を実行する。 粉砕ミルは、更に、大きな凝集体を細分化してより小さな凝集体を形成する。 小さな凝集体を、次いで、第２回目の識別及び分離を実行する分級器に移動させる。 分級器は、小さな凝集体を粗大凝集体と微細凝集体とに分離する。

以下で議論する再生された炭素質の材料は、カーボンブラックと、種々のサイズの凝集体を形成するために互いにクラスター化した複数の無機機能性フィラーとを含む諸成分の混合物である。 本発明は、再生された炭素質の材料を、異なった粒子サイズ及び表面の化学的性質を有する、異なった部類のフィラー材料に分離することを追求する。 本発明はまた、大きな凝集体を、より有用なフィラー材料であるより小さな凝集体に細分化するという目的を達成する。

以下で議論する大きな凝集体は、約１ミクロン〜約１００ミクロンの間のサイズである凝集体のクラスターを含み、一方で粉砕ミルを出る小さな凝集体は、一般的に、約１ミクロン〜約４５ミクロンの間のサイズの凝集体である。 分級器から得られる粗大凝集体の混合物は、一般的に、約１０ミクロン〜約２０ミクロンのサイズであり、大きな密度を有し、そしてより低級のカーボンブラックが使用可能な場合にフィラー材料として用いるために適した凝集体を有する。 微細凝集体の混合物は、低密度の凝集体を有するフィラー材料であり、一般的に、約１０ｎｍ〜約３５ｎｍのサイズである。 これらの微細凝集体は、バージン（ｖｉｒｇｉｎ）カーボンブラックフィラーの均等物である高級カーボンブラック粒子が必要な場合に適したフィラーである。

詳細な記載、及び添付の図面から、本発明をより完全に理解することになるだろう。

図１は、本発明に従った識別設備の概略図である。

図２は、本発明に従った、粉砕ミル及びそこを通るカーボンブラックのフローの断面概略図である。

図３は、本発明に従った分級器の断面概略図である。

以下の好ましい各実施態様の記載は、実際には単なる例示であり、本発明、その用途、又はその使用を限定することを意図するものではまったくない。
本発明は、エラストマーとブレンドされた微細凝集体の混合物を有する担体エラストマー組成物に向けられている。 微細凝集体の混合物は、ゴムの混合において用いるために適したフィラー材料である。 微細凝集体の混合物をエラストマーとブレンドすることは、予め分散された形態で微細凝集体の混合物を包む方法を提供し、これにより、微細凝集体の混合物は、エラストマーのコンパウンドとブレンドするために理想的なものとなる。

図１は、本発明に従った識別及び分離設備１０の概略図を示す。 まず、全ての図面、特に図１を参照すると、設備１０は粉砕ミル１２及び分級器１４を含む。 ホッパー１６は、再生された炭素質の材料のための、設備１０への供給源として役立つ。 ホッパー１６を用いて、これらに限定されないが、スクラップタイヤ、ポリマーの自動車構成物、使用済みのゴム材料、及びプラスチック容器などの、再利用されたポリマー材料の熱分解によって準備された、再生された炭素質の材料を収集する。 再生された炭素質の材料は、カーボンブラック及びその他の材料の、大きな凝集体及び小さな凝集体からなる。 収集ホッパー１６を使用して、は再生された炭素質の材料を保持するが、再生された炭素質の材料を、ホッパー１６中にまず収集することなく、熱分解反応器（図示せず）から設備１０に直接供給することも可能である。

バルブ１８は、再生された炭素質の材料の、ホッパー１６から磁気分離器２０へのフローを制御する。 再生された炭素質の材料は、再利用されたポリマー材料中に熱分解より前に存在していた金属粒子を有することもある。 これらの金属粒子は、粉砕ミル１２を傷つける可能性があり、磁気分離器２０はこれらの望ましくない金属粒子を取り除く。 磁気分離器２０の使用は必須ではなく、より多くの数の、又はより少ない数の磁気分離器を使用しても良い。

磁気分離器２０を通過した後、再生された炭素質の材料は、回転しかつ材料の粉砕ミル１２へのフローを制御するスクリュー２２に現れる。 バルブ２４を用いて、再生された炭素質の材料の混合節点２６へのフローを出したり止めたりする。 混合節点２６では、再生された炭素質の材料を、空気供給源２８から生成された、ろ過された乾燥高圧空気と混合する。 乾燥し加圧された空気と再生された炭素質の材料との混合物は、粉砕ミル１２の供給入口３０（図２を参照）を通して導入される供給物である。

図２は、渦カラム２８を有する粉砕ミル１２の概略的な図を示す。 粉砕ミル１２において、加圧された供給物は供給入口３０を通して導入され、渦カラム２８の周囲を旋回し、これにより供給物中に存在する小さな凝集体が渦カラム２８の頂部に移動し、一方でより大きな凝集体は下方に落ちる。 単一の供給入口３０が記載されているが、渦カラム２８中における旋回を調節し、又は促進するために、より多くの数の供給入口を有することも可能である。 分級ディスク３２が渦カラム２８中に存在し、供給物の旋回に寄与し、大きな凝集体が分級ディスク２２を通り越して移動することを防ぐ。 分級ディスク３２は凝集体及び空気を渦カラム２８中で旋回させ、比重を用いて、重く密な凝集体及び粒子をより軽い低密度の凝集体及び粒子から分離する。 それ故に、重く密な凝集体は渦カラム２８の底部に沈降し、一方で低密度の凝集体は渦カラム２８の頂部に移動する。

より大きな凝集体は渦の底部に移動して、粉砕ミル１２の細分化チャンバー３４に入る。 チャンバーの相対する側でお互いのほうに向けて大きな凝集体粒子を吹き飛ばすために、少なくとも二つの相対する空気入口３６が細分化チャンバー３４に存在する。 二つの相対する空気入口３６を論じたが、より多くの数の、又はより少ない数の相対する空気入口３６を有することが可能である。 大きな凝集体粒子はお互いのほうに向けて加速され、衝突し、そしてより小さな凝集体に細分化される。 より小さな凝集体は、渦カラム２８中に再び導入され、ここでその密度が十分に低い場合には分級ディスク３２を通り越し、次いで小凝集体ポート３８を出発する。 細分化されなかったより大きな凝集体は、チャンバー出口３８を出て収集される。 場合により、チャンバー出口３８を経由して出た大きな凝集体は、再生された炭素質の材料にバルブ２４で再び導入することが出来る。

小凝集体ポート３８を通過した小さな凝集体は、二つのフィルターホッパー４０、４０'の一つへ流れる。 フィルターホッパーは、渦カラム２８を出た後に空気に浮遊することとなる傾向を有する小さな凝集体を収集するポリマー表面積フィルターを含有する。 本発明は小さな凝集体を収集するために二つのフィルターホッパーの使用を記載するが、粉砕ミル１２からの生産速度に依存して、より多くの数の、又は少ない数のフィルターホッパーを用いることは、この発明の範囲内である。 バルブ４２、４２'は、フィルターホッパー４０、４０'から、小さな凝集体を分級器１４に供給するために用いられる小凝集体供給ホッパー４４への、小さな凝集体のフローを制御する。 図１はフィルターホッパー４０、４０'に関連する複数のバルブ４２、４２'を示すが、より多くの数の、又はより少ない数のバルブを有することも可能である。 小凝集体供給ホッパー４４を出た後、小さな凝集体は任意に第２の磁気フィルター４６を通過して、存在する全ての金属不純物を更に取り除く。 供給スクリュー４８は小さな凝集体を受け取り、小さな凝集体を別の供給スクリュー５２及びバルブ５４に移動させるコンベヤー５０に供給される小さな凝集体のフローを制御し、バルブ５４は小さな凝集体の分級器１４へのフローを制御する。 供給スクリュー４８によりフローを分級器１４に直接流すことはこの発明の範囲内であるが、識別及び分離設備１０における構成物の物理的なサイズは小さな凝集体が構成物の間の距離を移動することを必要とするので、好ましくは複数の供給スクリュー及びコンベヤーを用いる。

図１及び図３を参照すると、小さな凝集体は二つの高圧入口６６の一つを通って分級器１４に入る。 小さな凝集体は加圧された乾燥空気と混合され、二つの入口６６の一つを通って供給され、分級器１４の渦カラム５６内で旋回し、分級器１４で小さな凝集体は粗大凝集体の混合物及び微細凝集体の混合物に分離される。 小さな凝集体のいくらかは、粗大凝集体から出来ており、微細凝集体が粗大凝集体に付着している。 小さな凝集体の旋回により、低い密度を有し、ナノメートルの範囲のサイズである微細凝集体は、より非常に密であり、ミクロンの単位で測定される粗大凝集体粒子から分離される。 渦カラム５６における旋回運動は高圧入口６６及び回転分級ホイール５８を通って流れる空気圧によって起こり、より密度が低くより小さな粒子サイズの微細凝集体を渦カラム５６の頂部に移動させる。 より密度が高く、小さな凝集体よりサイズが一般的に大きな粗大凝集体は、渦カラムの底部に移動する。 より多くの数の、又はより少ない数の空気入口６６を有すること、ならびに一つより多くの高圧入口６６を通して小さな凝集体を渦カラム５６に導入することは、この発明の範囲内である。

回転分級ホイール５８は、一定のサイズ、及び一定の密度の凝集体のみが微細凝集体出口６４を通って渦カラム５８から出て行くことを可能にすることにより、粉砕ミル１２の分級ディスク３２と同じように動作する。 粗大凝集体は渦カラム５６の底部に沈降し、粗大凝集体が許容されるプロセスにおいてフィラーとして用いるために容器６２に収集される。 微細凝集体出口６４を通過した微細凝集体は、微細凝集体を収集するポリマー表面積フィルターを含有するフィルターホッパー６８に流れる。 微細凝集体は、容易に空気に浮遊ほどサイズが小さく、この工程が必要である。 フィルターホッパー６８を通過した後、微細凝集体は、次いで、任意に磁気分離器７０を通過して、存在する可能性のある全ての金属の不純物を取り除き、次いで、微細凝集体は保持領域７２に移動し、ここで微細凝集体の混合物を形成し、容器、ペレタイザー、袋中に貯蔵されるか、又はエラストマーとブレンドされて、微細凝集体が空気に浮遊することを防ぐ。 微細凝集体の混合物及び粗大凝集体の混合物は、多量のカーボンブラックを含有し、未使用のカーボンブラックに匹敵する有用なフィラー材料である。

本発明に従って用いた材料の追加の情報及び実施例は、２００７年１０月９日出願の、「再生されたフィラー材料を用いたエラストマー組成物」と名付けられた米国特許出願第６０／９９８，１９７号明細書、２００７年１１月８日出願の、「熱分解された炭中の粒子の分級方法」と名付けられた米国特許出願第６０／９８６，３１８号明細書、２００７年１１月８日出願の、「熱分解された炭素質の材料を用いたアスファルト組成物」と名付けられた米国特許出願第６０／９８６，３６９号明細書、及び２００７年１１月７日出願の、「非常に微細な凝集体の混合物」と名付けられた米国特許出願第６０／９８６，１２６号明細書、に見出され、ここで各々の出願の全体を参照により本明細書中に援用する。

本発明の記載は実際には単なる例示であり、それ故に、本発明の骨子から逸脱しない変化は、本発明の範囲内であると意図している。 かかる変化は、本発明の精神及び範囲から逸脱するものとはみなされない。