JP2006240240A - スクリュ式混練押出機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、スクリュが樹脂に与えるせん断速度の適切な範囲を設定し、スクリュ設計及びスクリュ形状の決定をするための押出し試験を効率よく行うことができるようにすることを目的とする。
【解決手段】本発明によるスクリュ式混練押出機は、シリンダ(11)の上流から下流へ向けて、固体輸送部(A)、可塑化混練部(B)、溶融体輸送部(D)、及び放出部(F)を複数のスクリュ(12)を用いて形成し、樹脂を溶融・混練するようにしたスクリュ式混練押出機において、前記スクリュ(12)が樹脂に与えるせん断速度が５００から１２００ｌ／ｓであるようにした構成である。
【選択図】図１

Description

本発明はスクリュ式混練押出機に関し、特に、スクリュが樹脂に与えるせん断速度の適切な範囲を設定し、スクリュ設計及びスクリュ形状の決定をするための押出し試験を効率よく行うことができるようにするための新規な改良に関する。

一般に、合成装置により生産された合成樹脂原料は、合成樹脂としての特性の均質化及び改質に、あるいは二次加工用材料としての取扱いを容易にするペレット造粒に、溶融混練による加工処理が行われている。このような加工処理のために、多くの場合、二軸スクリュ式混練押出機を主要機器とする混練押出装置が使用され、大容量の連続加工処理が行われている。

このような大容量の溶融混練処理において、特許文献等は特に開示していないが、従来より使用されている一般的な二軸スクリュ式混練押出機を図１に示す。図１は二軸スクリュ式混練押出機の主要部を示す平面断面図である。図１において、符号１０で示されるものは二軸スクリュ式混練押出機であり、この二軸スクリュ式混練押出機１０はシリンダ１１及び２本のスクリュ１２により構成されている。

前記シリンダ１１はほぼ筒状部材であり、２本の前記スクリュ１２を平行に配置して回転駆動可能に内挿できる貫通内孔１１ａが形成されている。また、シリンダ１１の一端（上流端）部の上側壁面に原料供給口１１ｂ、他端（下流端）部の横側壁面あるいは下側壁面（図１では横側壁面）に排出口１１ｃが、それぞれ壁面を貫通して形成されている。なお、図１に示す二軸スクリュ式混練押出機１０では、貫通内孔１１ａの下流端がスクリュ１２の下流端を回転支持する軸受部材１１ｄにより封止されている。さらに、シリンダ１１は上流端から下流端までを複数の区間に分割され、伝熱ヒータ、オイルヒータ等の加熱装置により、それぞれの区間を個別に温度調節可能に構成されている。

前記スクリュ１２は棒状部材であり、前記シリンダ１１の貫通内孔１１ａに内挿される部分の長さ方向において、形状の異なる複数種類のスクリュが外周に形成されている。すなわち、図１の場合、上流端から下流端へ向けて、固体輸送スクリュ１２ａ、可塑化混練スクリュ１２ｂ、混練調節軸１２ｃ、溶融体輸送スクリュ１２ｄ、混練スクリュ１２ｅおよび放出スクリュ１２ｆにより構成されている。

前記二軸スクリュ式混練押出機１０は、スクリュ１２の前記駆動軸端部１２ｇが図示しない駆動装置に連結され、シリンダ１１の前記原料供給口１１ｂが図示しない原料供給装置に連結され、シリンダ１１の前記排出口１１ｃが図示しないギアポンプ等の昇圧装置を介して造粒装置へ連結され、後述の混練調節部Ｃに図示しない混練調節装置が連結されて前記二軸スクリュ式混練押出機１０を形成している。この二軸スクリュ式混練押出機１０は、内挿されたスクリュ１２の前記固体輸送スクリュ１２ａ、可塑化混練スクリュ１２ｂ、混練調節軸１２ｃ、溶融体輸送スクリュ１２ｄ、混練スクリュ１２ｅ及び放出スクリュ１２ｆに対応して、上流から下流へ向けて、固体輸送部（フィード部）Ａ、可塑化混練部Ｂ、混練調節部Ｃ、溶融体輸送部Ｄ、混練部Ｅ及び放出部Ｆが構成されている。なお、図１では、２本のスクリュ１２がシリンダ１１の貫通内孔１１ａに非噛合い状態で内挿され、駆動軸端部１２ｇ部に矢印で示すように、相互に異方向回転する場合が示されているが、これ以外の構成も可能である。

以上のように構成される二軸スクリュ式混練押出機１０において、シリンダ１１の各部が所定の温度に加熱され、連結された各装置が所定条件で運転され、スクリュ１２が回転駆動された状態で、原料供給口１１ｂから貫通内孔１１ａ内へ粉粒体状の合成樹脂原料が連続的に供給されると、貫通内孔１１ａ内に供給された合成樹脂原料は、固体輸送部Ａにおいてシリンダ１１により徐々に加熱されながら固体輸送スクリュ１２ａの輸送作用により下流方向へ輸送され、可塑化混練部Ｂに到る。この可塑化混練部Ｂにおいて、粉粒体状の合成樹脂原料はシリンダ１１により加熱されながら可塑化混練スクリュ１２ｂの混練作用により溶融混練される。

前記可塑化混練部Ｂにおいて溶融混練された溶融状態の合成樹脂原料は、固体輸送部Ａから輸送されてくる合成樹脂原料の圧力により、順次混練調節部Ｃを経て溶融体輸送部Ｄへ押出される。この溶融体輸送部Ｄにおいて溶融状態の合成樹脂原料は、温度調節されたシリンダ１１により所定の温度に維持されながら、溶融体輸送スクリュ１２ｄの輸送作用により下流方向へ輸送され、混練部Ｅに到る。この混練部Ｅにおいて、溶融状態の合成樹脂原料は、温度調節されたシリンダ１１により所定の温度に維持されながら、混練スクリュ１２ｅの混練作用により再度混練される。

前記混練部Ｅにおいて混練された溶融状態の合成樹脂原料は、溶融体輸送部Ｄから輸送されてくる合成樹脂原料の圧力により、順次放出部Ｆへ押出される。この放出部Ｆにおいて溶融状態の合成樹脂原料は、温度調節されたシリンダ１１により所定の温度に維持されながら、溶融体輸送スクリュ１２ｄの輸送作用により下流方向へ輸送され、排出口１１ｃから押出される。

前記混練調節部Ｃにおいては、図示しない混練調節装置により混練調節軸１２ｃの外周の隙間すなわち流路断面積が調節され、流動抵抗が調節されることにより合成樹脂原料の混練調節部Ｃにおける滞留時間が調節され、滞留時間の長短により溶融混練度合が調節される。

従来の二軸スクリュ式混練押出機は以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。すなわち、スクリュが合成樹脂原料に与える混練エネルギは、一般に以下に定義されるせん断応力と総せん断歪量との積で表される。すなわち、
せん断応力：τ
τ＝μ・γ
μ：合成樹脂原料の粘度
γ：せん断速度（ｌ／ｓ）
γ＝πＤＮ／６０ｈ
π：円周率
Ｄ：シリンダの内径（ｍｍ）
Ｎ：スクリュの回転数（ｒｐｍ）
ｈ：チップクリアランス（シリンダ内面とスクリュ外周との距離ｍｍ）
総せん断歪量：ＴＳ
ＴＳ＝γ・ｔ
γ：せん断速度（ｌ／ｓ）
ｔ：滞留時間（ｓ）

以上の定義式において、せん断応力τを構成するμは加工処理する合成樹脂原料の種類により変化し、総せん断歪量ＴＳを構成するｔはスクリュ式混練押出機の処理能力により変化する。従って、スクリュ式混練押出機のスクリュが合成樹脂原料に与える混練エネルギは、主としてせん断速度γにより支配されていることが分かる。しかし、これらの定義式による定量的な数値は一般化されておらず、各スクリュ式混練押出機の製造者がそれぞれの研究実験設備で試験し、試験結果を反映させて生産用のスクリュ式混練押出機を製造している。

従って、スクリュ式混練押出機１０の設計時点で、その都度、多条件の長時間にわたる試験を実施して設計条件を探る必要がある。試験の全領域のデータが生産機に反映されるとは限らず、その結果、生産機の運転時に、運転条件によっては試験データとは異なる運転状態となり、不良機を生産する場合がある。

本発明によるスクリュ式混練押出機は、上流から下流へ向けて、少なくとも固体輸送部、可塑化混練部、溶融体輸送部および放出部を複数のスクリュを用いて形成し、樹脂を溶融混練するようにしたスクリュ式混練押出機において、前記スクリュが樹脂に与えるせん断速度が５００から１２００ｌ／ｓであるようにした構成であり、また、前記可塑化混練部と溶融体輸送部との間には混練調節部が設けられ、前記溶融体輸送部と放出部との間には混練部が設けられている構成である。

本発明によるスクリュ式混練押出機は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。すなわち、スクリュ式混練押出機においてせん断速度γが５００から１２００ｌ／ｓに設定されることにより、スクリュ式混練押出機の設計時において、スクリュ形状決定の試験時間及び設計時間を大幅に短縮することができる。
また、このようにして設計製作されたスクリュ式混練押出機により、良品質の合成樹脂製品を容易に生産することが可能になった。

以下、図面と共に本発明によるスクリュ式混練押出機の好適な実施の形態について説明する。尚、本発明によるスクリュ式混練押出機１０については、図１で示される従来構成と同一であるため、図１を援用するものとし、その説明は重複を避けるために省略する。

図２は、前記スクリュ式混練押出機１０において、スクリュ１２が混練により合成樹脂原料に与えるせん断速度（γ）と混練された合成樹脂原料の粘度（μ）との関係を示すグラフである。図２において、白抜き三角と黒塗り三角とは同一形状のスクリュ１２のチップクリアランス（ｈ）が異なる場合を示し、各データの数字は処理量（ｔｏｎ／ｈ）を示している。このグラフから、せん断速度（γ）の増大に伴い、その特定領域から合成樹脂原料の粘度（μ）が低下し、製品が劣化し、品質が低下することが判明した。従って、許容可能なせん断速度（γ）の上限は１２００（ｌ／ｓ）程度であることが判明した。

図３は、前記スクリュ式混練押出機１０において、スクリュ１２が混練により合成樹脂原料に与える比エネルギと混練された合成樹脂原料の粘度係数（Ｍ１）との関係を示すグラフであり、４種類（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の異なるスクリュ形状に関するデータを示している。このグラフから、比エネルギの増大に伴い、その特定領域から合成樹脂原料の粘度係数（Ｍ１）が増大（粘度が低下）し、製品が劣化し、品質が低下することが判明した。従って、許容可能な比エネルギの上限は０．２５（ｋＷｈ／ｋｇ）位と考えられる。なお、グラフの粘度係数Ｍ１５は、Ｍ１の測定荷重が５ｋｇであることを示している。

図４は、前記スクリュ式混練押出機１０において、混練調節部Ｃの図示しない混練調節装置を開閉させた場合の、スクリュ１２が混練により合成樹脂原料に与えるせん断速度（γ）と比エネルギとの関係を示すグラフである。なお、混練調節装置の閉は、最小に流路断面を絞った状態であり、完全に閉塞した状態ではない。このグラフから、混練調節装置の開度調節により前記比エネルギの調節が可能であり、せん断速度（γ）の増大に伴い、その特定領域から比エネルギが増大することが判明した。この比エネルギが０．２５（ｋＷｈ／ｋｇ）以下となるように混練調節装置の開度（破線で示す）を調節すれば、製品の良品質を維持できるが、せん断速度（γ）が１２５０（ｌ／ｓ）を上限値とし、それ以上になると比エネルギが増大し、製品が劣化し、品質が低下する。

図５は、前記スクリュ式混練押出機１０において、スクリュ１２が混練により合成樹脂原料に与えるせん断速度（γ）と以下に定義する運転安定性との関係を示すグラフであり、複数種類の異なるスクリュ形状に関するデータを示している。
（連続運転中（２分間）の駆動モータ電流値の最大値と最小値との差）×１００（％）／（連続運転中（２分間）の駆動モータ電流値の平均値）
このグラフから、せん断速度（γ）の低下に伴い、その特定領域から運転安定性が増大し、運転が不安定になることが判明した。この現象は、せん断速度（γ）の低下により合成樹脂原料の混練溶融が不完全になり、溶融状態が不安定になるためと考えられる。従って、許容可能なせん断速度（γ）の下限は５００（ｌ／ｓ）程度であると考えられる。

本発明及び従来に共通のスクリュ式混練押出機の主要部を示す平面断面図である。 スクリュ式混練押出機において、せん断速度（γ）と合成樹脂原料の粘度（μ）との関係を示すグラフである。 スクリュ式混練押出機において、比エネルギと合成樹脂原料の粘度係数（Ｍ１）との関係を示すグラフである。 スクリュ式混練押出機において、混練調節部の混練調節装置を開閉させた場合の、せん断速度（γ）と比エネルギとの関係を示すグラフである。 スクリュ式混練押出機において、せん断速度（γ）と運転安定性との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 二軸スクリュ式混練押出機
１１ シリンダ
１１ａ 貫通内孔
１１ｂ 原料供給口
１１ｃ 排出口
１２ スクリュ
１２ａ 固体輸送スクリュ
１２ｂ 可塑化混練スクリュ
１２ｃ 混練調節軸
１２ｄ 溶融体輸送スクリュ
１２ｅ 混練スクリュ
１２ｆ 放出スクリュ
Ａ 固体輸送部
Ｂ 可塑化混練部
Ｃ 混練調節部
Ｄ 溶融体輸送部
Ｅ 混練部
Ｆ 放出部

Claims (2)

1. 上流から下流へ向けて、少なくとも固体輸送部(A)、可塑化混練部(B)、溶融体輸送部(D)及び放出部(F)を複数のスクリュ(12)を用いて形成し、樹脂を溶融混練するようにしたスクリュ式混練押出機において、前記スクリュ(12)が樹脂に与えるせん断速度が５００から１２００ｌ／ｓであるように構成したことを特徴とするスクリュ式混練押出機。
2. 前記可塑化混練部(B)と溶融体輸送部(D)との間には混練調節部(C)が設けられ、前記溶融体輸送部(D)と放出部(F)との間には混練部(E)が設けられていることを特徴とする請求項１記載のスクリュ式混練押出機。

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