JP4495510B2 - 多軸混練装置及び材料混練方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数本のスクリュー及び材料混練部材を有して材料の混練を行いかつ材料の押し出しも行う多軸混練装置及び材料混練方法に関する。

従来、少量の熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等の材料について、混練性等の処理可能性をテストする装置として、「Measuring Mixers」の名称のミキサー装置が存在する。該ミキサー装置は、材料を混ぜ合わすためのブレードを有するギアユニットを備え、少量の材料を長時間にわたり混練させることができる。（例えば、非特許文献１参照。）。
Brabender OHG、「Measuring Mixers」、[online]、Brabender OHGのホームページ、[平成１５年４月２２日検索]、インターネット＜URL: http://www.brabender.de/2_2_1.html＞

しかしながら、上記ミキサー装置には、混ぜ合わした材料を搬送する機構がなく、処理後の材料は、塊のまま上記ミキサー装置から取り出さねばならず、材料の取り扱いに問題がある。又、該ミキサー装置は、材料を単に混ぜ合わせるだけであるので、該ミキサー装置にて材料の混練性等を評価しても、スクリューによる搬送機能を有する押出機にスケールアップした場合、上記ミキサー装置と同様の評価を得るのは困難である。

上記材料の取扱性を良くするため、いわゆる押出機に備わるスクリュー構造を上記ミキサー装置に備えることで上記搬送機構を追加することも考えられる。しかしながら、スクリューとケーシングとの隙間を狭くしたスクリュー構造を有する搬送機構を設けた場合、経路内には材料の一方向への流れが発生するため、材料投入口に対して材料排出口が必要となる。短距離の搬送機構だけの追加では十分な溶融混練は得られないことから、装置に大きな負荷がかかるという問題を生じる。したがって、たとえ上記搬送機構を追加しても良好な材料混練性を得ることはできない。一方、上記搬送機構を長軸化すると、いわゆる押出機と同じ構造となり、大量の材料が必要となってしまう。

又、上記スクリュー構造の代わりに、ニーディングと呼ばれる材料混練用部材を上記ミキサー装置に設けたとしても、材料混練用部材のみでは、装置内の一部の場所に材料を偏在させたり残存させたりする傾向が強く、装置が過負荷となったり、あるいは材料内に混在する気泡の除去が困難であることから良好な材料混練性を得ることができなくなったりする。

一方、押出機のみにて上記ミキサー装置と同様に材料混練性を増加させるためには、混練を行う部分を長くする、つまりスクリュー軸長を長くする必要がある。しかし、スクリュー軸長の増加により、上述したように投入する材料が多量になるという問題を生じる。例えば近年のいわゆるナノテクノロジー用の材料は、単価が非常に高価であり、必要量を超えて材料を用いることは経済的に困難である。又、超小型の押出機にて処理量を下げる方法も考えられるが、この場合でも数グラムオーダーの材料量にて処理を行うことは困難である。
又、短軸長の押出機を用い、混練され押出機より排出され一旦取り出した材料を再び材料供給部へ投入して繰り返し混練させる方法も考えられる。しかしながら該方法では、材料を押出機より取り出すことで、冷却、固化、再度の溶融、混練等の、当該材料に作用する熱履歴が変化し、材料の物性評価が正確に行えないという問題がある。
本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたもので、複数本のスクリューを備え、材料の搬送機能及び混練機能を有する多軸混練装置、及び該多軸混練装置にて実行される材料混練方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様の多軸混練装置は、スクリュー状で互いに噛み合わせかつ互いに平行に配列した複数の第１搬送用部材、及び混練される材料の材料供給部を有し、上記第１搬送用部材の回転により該第１搬送用部材の軸方向に沿った搬送方向へ上記材料を搬送する材料供給搬送部と、
上記軸方向に沿って上記材料供給搬送部に連結され、上記材料供給搬送部にて搬送されてきた上記材料を混練する混練用部材を有する混練部と、
上記軸方向に沿って上記混練部に連結され、スクリュー状で互いに噛み合わせかつ互いに平行に配列した複数の第２搬送用部材を有し、上記混練部にて混練された材料を上記第２搬送用部材の回転により材料排出口へ搬送する排出用搬送部と、
上記材料排出口に連結され、該材料排出口から排出された材料を再度上記材料供給搬送部へ供給する材料戻し部と、
を備えたことを特徴とする。

又、上記材料戻し部は、上記材料排出口から排出された材料を再度上記材料供給搬送部へ供給する材料戻し管を有し、該材料戻し管は、上記混練部の直前に設置されている上記第１搬送用部材におけるネジ山において少なくとも１山以上上記混練部より離れた戻し位置にて上記材料供給搬送部に接続するように構成することもできる。

又、上記材料戻し部は、上記材料戻し管において上記戻し位置の直前に設けられ上記材料戻し管を通して上記材料供給搬送部へ戻される上記材料を上記材料戻し管からサンプリングするサンプリング部をさらに有するように構成することもできる。

又、上記材料戻し部は、上記材料戻し管に設けられ上記材料供給搬送部へ戻される上記材料の上記材料戻し管内における物理量を測定する測定器をさらに有するように構成することもできる。

又、上記材料戻し部は、上記材料戻し管に設けられ当該材料戻し管に滞留する上記材料にて当該材料の試験片を作製する試験片作製用型部をさらに有するように構成することもできる。

又、上記材料排出口に設けられ、該材料排出口から排出される材料を上記材料戻し部及び材料を成形する口金のいずれか一方へ供給する切換部をさらに備えるように構成することもできる。

又、上記材料の搬送及び混練中に上記材料の加熱及び冷却の少なくとも一方を行う温度調節装置をさらに備えるように構成することもできる。

又、上記排出用搬送部に設けられ、上記材料から気体を除去する気体除去部をさらに備えるように構成することもできる。

又、上記材料供給搬送部及び上記排出用搬送部の少なくとも一方に設けられ、上記材料へ液体を供給する液体供給部をさらに備えるように構成することもできる。

又、上記材料供給搬送部に設けられ、上記材料へ気体を供給する気体供給部をさらに備えるように構成することもできる。

又、上記混練部と上記排出用搬送部との間に、上記第２搬送用部材に対して逆ネジ構造を有するスクリュー状のシール部材を有するシール部をさらに備えるように構成することもできる。

さらに本発明の第２態様の材料混練方法は、供給した材料をスクリュー状の第１搬送用部材にて当該第１搬送用部材の軸方向に沿った搬送方向へ搬送し、
搬送されてきた上記材料を混練し、
混練された材料をスクリュー状の第２搬送用部材にて材料排出口へ搬送し、
上記材料排出口から排出された材料を、材料戻し管を通して再度上記第１搬送用部材へ戻して繰り返し材料の混練を行う、
ことを特徴とする。

又、上記材料混練方法において、上記材料戻し管による材料の戻しは、材料混練動作の直前に設置されている上記第１搬送用部材におけるネジ山において少なくとも１山以上上記材料混練動作より離れた戻し位置へ戻すようにしてもよい。

以上詳述したように本発明の第１態様の多軸混練装置、及び第２態様の材料混練方法によれば、混練部にて材料を繰り返し混練することができ、かつ材料供給搬送部及び排出用搬送部にて材料を移動させながら搬送することができ材料を特定場所に偏在させてしまうことはない。又、上記移動では、材料は、混ぜ合わされながら搬送されるので、材料内部に混在する可能性のある気泡を十分に取り除くことができ、従来の装置に比べて材料混練性を向上させることができる。さらに、材料戻し部を有することで、混練装置の長軸化が防止でき、材料搬送機能を備えた材料の混練動作を、少量の材料にて材料の物性を評価することが可能となる。したがって、本実施形態の多軸混練装置によれば、従来の装置に比べて、材料搬送機能を有しながら、材料を効率よくかつ十分に混練することができる。

さらに、切換部を設けたことで、混練された材料を装置外部へ取り出すことができ、さらに、口金を通すことで成形して取り出すことも可能である。

本発明の実施形態である多軸混練装置、及び該多軸混練装置にて実行される材料混練方法について、図を参照しながら以下に詳しく説明する。尚、各図において同じ構成部分については同じ符号を付している。
図１は、本実施形態における基本タイプの多軸混練装置１０１の縦断面図を示し、図２は図１の多軸混練装置１０１の横断面図を示している。
多軸混練装置１０１は、基本的には、いわゆる波形ネジを有し互いに噛み合わせかつ互いに平行に配列した複数のスクリューシャフト１８０を、駆動源であるモータ１９０にて周方向に沿ってそれぞれ同方向へ回転可能にして、バレル１８５内に挿入した押出機の構成を備え、特徴的な構成の一つとして、材料排出口から排出される材料を再び材料供給部付近へフィードバックする構成を備えている。よって、多軸混練装置１０１は、基本的構成部分として、材料供給搬送部１１０と、混練部１２０と、排出用搬送部１３０と、材料戻し部１４０とを備える。
尚、本多軸混練装置１０１では、２本のスクリューシャフト１８０を備えた場合であるが、２軸以上、例えば４軸等のスクリューシャフト１８０を備えることができる。

又、バレル１８５の外面には、バレル１８５内を搬送され混練される材料に対して、加熱及び冷却の少なくとも一方を行うための、プレートヒータ等を有する温度調節装置１５０を設けることもできる。
又、バレル１８５の先端である材料排出部分には、排出される材料を適宜な形状、例えば紐状や板状等の形状に成形し、上記材料を連続的に排出するための口金１９５を設置するのが好ましい。
又、本実施形態では、口金１９５を設けるバレル１８５の先端部分は、バレル１８５の本体部分とは別部材のバレルヘッド部１８５−１にて構成している。バレルヘッド部１８５−１は、バレル１８５の本体部分に対して着脱自在に締結可能である。尚、バレルヘッド部１８５−１のような別部材とせずに先端部分まで一つの部材でバレル１８５を形成することもできる。一つの部材でバレル１８５を形成した場合には、バレル１８５の耐圧力を上昇可能なことから、スクリューシャフト１８０の先端圧力の高い押出成形が可能となる。
尚、以下の説明では、バレル１８５の本体部分及びバレルヘッド部１８５−１をバレル１８５と総称する。

上記材料供給搬送部１１０は、上記スクリューシャフト１８０の一部を構成するスクリュー状の第１搬送用部材１１１と、混練される材料を投入する材料供給部１１２と、第１搬送用部材１１１を回転可能に嵌合して装填しかつ材料供給部１１２を設置するためのケーシングとしてのバレル１８５とを有し、上記モータ１９０にて各第１搬送用部材１１１が回転することでスクリューシャフト１８０つまり第１搬送用部材１１１の軸方向１８０ａに沿った搬送方向１８１へ、材料供給部１１２から投入された材料、例えば材料Ａ及び材料Ｂを混ぜ合わせながらバレル１８５内を搬送する。
尚、供給される材料は、上述の２種類に限定されず、１種類以上の材料が供給される。又、供給される材料は、上記搬送中に、混ぜ合わされ溶融する。又、本実施形態では、材料供給部１１２は単に材料投入口であるが、強制的に材料を材料供給搬送部１１０へ供給する材料供給装置を設けることもできる。
又、図３に、材料排出口１８６の近傍におけるスクリューシャフト１８０の先端側から見た各スクリューシャフト１８０の回転方向１８２を示している。各スクリューシャフト１８０が回転方向１８２に回転することで、各第１搬送用部材１１１の谷部分に存在する材料は、矢印１８１ａにて示す方向へ移動しながら、上記搬送方向１８１へ搬送されていく。

上記混練部１２０は、上記軸方向１８０ａに沿って材料供給搬送部１１０に連結され、混練用部材１２１と、該混練用部材１２１を装填するためのケーシングとしてのバレル１８５とを有し、本実施形態では、混練部１２０と材料供給搬送部１１０とは一体的に形成されている。混練用部材１２１は、スクリューシャフト１８０の一部を構成し、材料供給搬送部１１０の第１搬送用部材１１１と一体的に形成され、第１搬送用部材１１１にて搬送されてきた上記材料を混練する。
尚、上記混練用部材１２１は、ニーディングとも呼ばれ、図４に示すように、木の葉形状のようなほぼ楕円状の複数の部材についてそれぞれ配置角度を変化させて配列した構成を有する。上記配置角度を変化させることにより、混練用部材１２１には、一般的に、回転方向１８２に回転したとき、搬送方向１８１へ材料を搬送可能なタイプ、搬送方向１８１とは逆方向へ材料を搬送可能なタイプ、及び材料の搬送機能を有しないタイプの３タイプが存在する。本実施形態では、上記搬送可能なタイプを使用しているが、上述の各タイプを使用することができる。
又、多軸混練装置１０１では、軸方向１８０ａに沿って２つの混練用部材１２１を並設しているが、材料の混練具合の増減要求に応じて、混練用部材１２１の個数は、１以上の個数を設定することが可能である。例えば図８に示すように、３つの混練用部材１２１を並設することもできる。複数の混練用部材１２１を並設する場合、上記３つのタイプのいずれか１タイプのみを使用してもよいし、３つのタイプを組み合わせて使用してもよい。

上記排出用搬送部１３０は、上記軸方向１８０ａに沿って混練部１２０に連結され、第２搬送用部材１３１と、第１搬送用部材１１１を回転可能に嵌合し装填するためのケーシングとしてのバレル１８５とを有し、本実施形態では、排出用搬送部１３０と混練部１２０とは一体的に形成されている。上記第２搬送用部材１３１は、上述の第１搬送用部材１１１と同様にスクリュー状の部材であり、スクリューシャフト１８０の一部を構成し、上記混練用部材１２１と一体的に形成される。又、本実施形態では、第２搬送用部材１３１は、上述の第１搬送用部材１１１と同一の構造にてなる。このような第２搬送用部材１３１は、回転方向１８２に回転することで、混練用部材１２１にて混練された材料を材料排出口１８６へ搬送する。又、排出用搬送部１３０は、以下に説明する材料戻し部１４０の材料戻し管１４１内を通り上記材料を搬送するための昇圧部としても機能する。

又、本実施形態では、排出用搬送部１３０には、材料から気体を取り除くための気体除去部を構成するベント口１３２がバレル１８５に形成されており、該ベント口１３２には、真空装置１３３が接続され、常時、例えば約２．３ｋＰａ（約１７Ｔｏｒｒ）の真空度にベント口１３２部分が減圧される。尚、このような減圧状態は、後述するシール部１７５を設けることで効果的に達成可能である。又、該ベント口１３２の設置の要否は、気体例えば空気が混じることで分散性が低下するような材料を処理する場合に設けることが望ましい。例えば、ナノカーボン等の材料を混練処理するときには、ベント口１３２及び真空装置１３３は必須の構成となる。
又、搬送されている材料から効率良く気体を除去するため、ベント口１３２は、上記軸方向１８０ａに沿って第２搬送用部材１３１におけるネジ山で２つ分程度の長さに渡り延在するのが好ましい。

上記材料戻し部１４０は、上記材料排出口１８６に連結され、該材料排出口１８６から排出された材料を再度上記材料供給搬送部１１０へ供給する部分であり、材料排出口１８６から材料供給搬送部１１０へ至る材料戻し管１４１を有する。本実施形態では、材料戻し管１４１は、バレル１８５及び戻し用ブロック１４２に形成され、戻し用ブロック１４２は、バレル１８５に取り付けられている。
又、本実施形態では、材料排出口１８６の後段で材料排出口１８６の近傍に切換部１４３を設けている。該切換部１４３は、該材料排出口１８６から排出される材料を、材料戻し部１４０の材料戻し管１４１及び口金１９５のいずれか一方へ供給する部分であり、図５及び図６に示すように、駆動装置１４４にて流路が切り換えられるように構成している。本実施形態では、切換部１４３は、ボール弁構造を有し流路切換部分を駆動装置１４４にて回転されることで流路の切り換えを行う。尚、切換部１４３の構造は、上記ボール弁構造に限定されるものではなく、当業者が容易想到な構造を採ることができる。通常、図５に示すように切換部１４３は、材料排出口１８６を材料戻し管１４１に連結するように切り換えられており、材料排出口１８６から排出される材料の排出圧力にて、材料は、材料供給搬送部１１０へ搬送、供給される。尚、材料排出口１８６から排出された材料を強制的に材料供給搬送部１１０へ搬送、供給する材料搬送装置を材料戻し管１４１に設けるように構成することも可能である。

材料供給搬送部１１０における材料戻し管１４１の接続位置は、例えば図１に示すように、混練部１２０の直前に備わる第１搬送用部材１１１−Ｌに対応する位置であって、混練部１２０に至るまでに第１搬送用部材１１１−Ｌのネジ山が少なくとも１山存在するような戻し位置１４５である。このような戻し位置１４５に材料戻し管１４１を接続する理由は、材料戻し管１４１を通して戻された戻り材料が第１搬送用部材１１１−Ｌの回転により混練部１２０へ搬送可能とするためである。つまり、混練部１２０の直前に材料戻し管１４１を接続したのでは、第１搬送用部材１１１−Ｌのネジ山が存在せず、上記戻り材料は、混練部１２０へ供給困難又は供給不可となるからである。
尚、材料供給搬送部１１０における材料戻し管１４１の接続位置は、上記戻し位置１４５が最も好ましいが、上記ネジ山が１山存在する位置と、材料供給部１１２との間の位置を選択することもできる。

又、例えば図８に示すように混練用部材１２１の個数が変化することで、材料戻し管１４１の上記戻し位置１４５を変更する必要が生じる。このような位置変更に対応するため、例えば、それぞれの戻し位置１４５に対応した長さを有する材料戻し管１４１を形成したそれぞれの戻し用ブロック１４２を作製しておき、該戻し用ブロック１４２をバレル１８５に着脱可能な構造としたり、材料戻し管１４１を伸縮可能な構造とする等の工夫を施すのが好ましい。

本実施形態における多軸混練装置１０１における各部分の寸法の一例として、スクリュー状の第１搬送用部材１１１及び第２搬送用部材１３１の直径は１５ｍｍで、軸方向１８０ａに沿った材料供給搬送部１１０の長さは約８０ｍｍ、排出用搬送部１３０の長さは約４０ｍｍ、及び混練部１２０の長さは約３０ｍｍである。
又、上述のように多軸混練装置１０１は、単に材料の混練のみを行う装置ではなく、混練した材料を装置外部へ押し出すこともでき、かつ材料混練のために装置系内で材料の循環を行うことができる。よって、本実施形態の多軸混練装置１０１は、多軸混練部付押出機、又は材料循環型多軸混練部付押出機と呼ぶこともできる。

上述のような構成を有する多軸混練装置１０１は、以下のような変形例としての構成を採ることもできる。
図７に示す多軸混練装置１０２のように、材料供給搬送部１１０には、材料供給部１１２の後方に位置して、搬送される材料に気体を供給するための気体供給部を構成する気体供給口１７１、及び該気体供給口１７１に気体供給を行う気体供給装置１７２をさらに設けることができる。供給する気体の一例として、搬送される材料の酸化を防止するための窒素ガス等がある。
又、排出用搬送部１３０には、ベント口１３２の後方に位置して、排出される材料に液体を供給する液体供給部を構成する液体供給口１７３、及び該液体供給口１７３に液体供給を行う液体供給装置１７４をさらに設けることができる。供給する液体の一例として可塑剤又は滑剤がある。このような液体供給機能を備えることで、材料に液体を加えることで、材料の加工性を改善したり、流動性を向上させたりすることができる。
尚、液体供給口１７３及び液体供給装置１７４は、材料供給搬送部１１０における材料供給部１１２の後方の適宜な場所に設置することも可能である。
尚、多軸混練装置１０２におけるその他の構成は、上述の多軸混練装置１０１の構成と変わるところはない。

さらに又、既に上述したが図８に示す多軸混練装置１０３のように、混練部１２０に備わる混練用部材１２１の個数を３個、又は３個以上若しくは１個とした構成を採ることもできる。尚、多軸混練装置１０３におけるその他の構成は、上述の多軸混練装置１０１の構成と変わるところはない。

さらに又、図９に示す多軸混練装置１０４のように、混練部１２０と排出用搬送部１３０との間にシール部１７５を設けることもできる。該シール部１７５は、排出用搬送部１３０の第２搬送用部材１３１に対して逆ネジ構造を有するスクリュー状のシール部材１７６と、該シール部材１７６を回転可能に嵌合し装填するケーシングとしてのバレルとを有する。該シール部材１７６は、上記スクリューシャフト１８０の一部となり、混練用部材１２１及び第２搬送用部材１３１と一体的に形成されている。尚、多軸混練装置１０４において、軸方向１８０ａにおけるシール部材１７６の長さは、ネジの半山分の長さにてなるが、シール部材１７６の長さは、これに限定されるものではない。

このようなシール部１７５を設けることで、混練部１２０から排出用搬送部１３０への材料移動が抑制され、一方、材料供給搬送部１１０から混練部１２０には材料が供給されてくることから、混練部１２０における材料圧力を向上させることができる。即ち、シール部１７５を設けずにベント口１３２より真空減圧ベントを行ったとき、シール性が乏しいことからベント口１３２、混練部１２０、及び材料供給搬送部１１０における材料充満率が低くなり、場合によっては、ベント口１３２から材料が吸引されてしまうこともあり得る。一方、シール部１７５を設けることで、ベント口１３２より真空減圧ベントを行ったときでも、混練部１２０における材料圧力が高いことから、シール部１７５にてシール性が生じ、ベント口１３２における吸引力が材料供給搬送部１１０に作用することを防止することができる。よって、ベント口１３２における真空度を維持することができる。尚、投入される材料が少量である場合、装置内部における充満体積が小さいことから、混練用部材１２１のみでは真空を維持できない場合が多い。よって、少量の材料を処理する多軸混練装置では、シール部１７５を設けることが真空を維持のため有効な手段となる。
又、シール部１７５を設けることで、混練部１２０への材料供給が向上することから、混練部１２０における材料の混練性を向上させることも可能となる。
尚、多軸混練装置１０４におけるその他の構成は、上述の多軸混練装置１０１の構成と変わるところはない。

又、上述した各種の多軸混練装置１０１〜１０４における各構成を適宜組み合わせた構成を有する多軸混練装置を作製することも可能である。

以上のように構成される多軸混練装置における動作つまり材料混練方法について、以下に説明する。尚、多軸混練装置１０１を例に採り説明する。
モータ１９０を作動させ、第１搬送用部材１１１、混練用部材１２１、及び第２搬送用部材１３１を回転方向１８２に所定回転数にて回転させながら、材料供給部１１２へ例えば材料Ａ及び材料Ｂを投入する。材料の一例として、樹脂材３グラム、フィラー材２グラムの計５グラムを投入する。上記回転により、上記材料は、第１搬送用部材１１１により矢印１８１ａに沿って移動しながら搬送方向１８１へ搬送される。該搬送により材料は混ぜ合わされ、又、温度調節装置１５０による加熱又は冷却により溶融する場合もある。そして上記搬送により、材料は、混練部１２０へ供給されていく。
混練部１２０では、混練用部材１２１にて材料が混練され、混練後、次段の排出用搬送部１３０へ供給される。排出用搬送部１３０では、混練された材料は、第２搬送用部材１３１にて搬送方向１８１へ搬送される。そして、混練された材料は、排出される圧力にて、材料排出口１８６及び切換部１４３を通り、材料戻し管１４１へ供給され、材料戻し管１４１を通り、再び材料供給搬送部１１０へ供給される。

供給された材料の混練性等の評価が可能となるまで、材料は、繰り返し、材料排出口１８６から材料戻し管１４１を通り材料供給搬送部１１０へ供給される。
上記評価可能と判断されたときには、駆動装置１４４を作動させて、切換部１４３の流路を材料戻し管１４１側から口金１９５側へ切り換える。そして、十分に混練された材料を口金１９５にて、円筒状や平板状等の所望の形状に成形して排出する。

このように本実施形態の多軸混練装置によれば、特に混練部１２０にて材料を繰り返し混練することができ、かつ材料供給搬送部１１０及び排出用搬送部１３０にて矢印１８１ａに沿って材料を移動させながら搬送することができ、材料をある場所に偏在させたり残存させたりすることはない。又、上記矢印１８１ａに沿った移動では、材料は、混ぜ合わされながら搬送されるので、材料内部に混在する可能性のある気泡を十分に取り除くことができ、従来の装置に比べて材料混練性を向上させることができる。したがって、本実施形態の多軸混練装置によれば、従来の装置に比べて、材料を効率よくかつ十分に混練することができる。
さらに、切換部１４３を設けたことで、混練された材料を装置外部へ取り出すことができ、さらに、口金１９５を通すことで材料を成形して取り出すことも可能である。
又、本実施形態の多軸混練装置によれば、材料戻し部１４０を有することで装置の長軸化が防止できることから、材料搬送機能を備えた材料の混練動作を、少量の材料、例えば５グラム程度の量の材料にて、材料の物性、例えば混練性等を評価することができる。又、材料戻し部１４０を有することで、１回の搬送、混練では材料の溶融、混練が不十分であるような場合でも、任意の回数や時間にて材料の混練度を調整できる。よって、従来の装置で問題となる過負荷や混練分散不良の問題は、本実施形態の多軸混練装置では生じない。
又、材料戻し部１４０を有することで、混練された材料を一旦装置外部へ取り出す必要がないことから、材料に作用する冷却、固化、再度の加熱溶融等の熱履歴における影響が少なく、材料の上記物性評価をより正確に行うことができる。

又、本実施形態では、バレル１８５の先端部分をバレルヘッド部１８５−１として着脱自在に構成したことで、バレル１８５を上下に分割せず、又、モータ１９０の駆動部分をバレル１８５に取り付けた状態で、スクリューシャフト１８０を前方から抜き出すことも可能である。よって、例えばバレル内の清掃を容易に行うことができる。又、後述するように材料戻し部１４０−１等に設けたサンプリング部１４６から材料のサンプリングを行い、サンプリングした材料の物性値等に基づいて、例えば、スクリューシャフト１８０の交換や、バレルの延長等を行う場合にも、これらの作業を容易に行うことが可能となる。

尚、上述した多軸混練装置１０１〜１０４は、少量の材料の搬送、混練に適すると説明したが、勿論、第１搬送用部材１１１の直径等、各部分をスケールアップすることで、材料戻し部１４０を有する大型の多軸混練装置を作製してもよい。この大型の多軸混練装置によれば、スクリューが１回転したときのスクリュー外周移動距離と、該スクリューの溝深さとの比率であるＬ／Ｄの値が小さい状態の押出機であって、長軸化した押出機の代用機とすることも可能である。

上述では、樹脂材にフィラー材を同時に投入した場合を例に説明を行ったが、樹脂材のみを先に投入し、該樹脂材の溶融後、又はある程度の時間経過後にフィラー材を投入することもできる。例えば、ガラス繊維等の繊維系の材料を処理する場合、本多軸混練装置１０１〜１０４では繊維長を短くし易いため、材料の溶融前に混練を行うよりも溶融後に混練する方が繊維長を長く維持することができる。

上述した材料戻し部１４０は、材料を単純に材料供給搬送部１１０へ戻す機能を有するものであり、例えば上記材料の戻り速度、戻り圧力、戻り量、温度等の材料戻し管１４１内における材料の物理量の測定が困難であり、材料供給搬送部１１０、混練部１２０、及び排出用搬送部１３０における例えば混練時間等の把握が困難である。そこで、上記材料戻し部１４０の変形例として以下のような材料戻し部を採用することができる。

一例として図１０に示す材料戻し部１４０−１を上記材料戻し部１４０に代えて設けることができる。該材料戻し部１４０−１は、サンプリング部１４６を有する。材料戻し部１４０−１におけるその他の構成は材料戻し部１４０に同じである。サンプリング部１４６は、材料戻し管１４１において材料の搬送方向における上記戻し位置１４５の直前に設けられ、材料戻し管１４１を通して上記材料供給搬送部１１０へ戻される上記材料を材料戻し管１４１からサンプリング可能とする部分である。該サンプリング部１４６は、切換部１４３と同様に、本実施形態ではボール弁構造を有し上記材料の搬送を戻し位置１４５側又はサンプリング口１４６３側に切り換える流路切換部分１４６１と、該流路切換部分１４６１を回転させる駆動装置１４６２とを有する。材料戻し部１４０−１を用いて材料が材料供給搬送部１１０へ循環される状態と可能な限り同じ状態にて、循環している材料をサンプリングするため、流路切換部分１４６１の中心から戻し位置１４５までの経路１４６４と、流路切換部分１４６１の中心からサンプリング口１４６３までの経路１４６５とが同じ条件となるように、サンプリング部１４６は構成される。例えば、経路１４６４と経路１４６５とは、その長さ、経路断面形状、ルート形状等が同一である。

このような材料戻し部１４０−１を設けることで、当該材料戻し部１４０−１を通過させて材料を循環させている途中でも状況に応じて、駆動装置１４６２にて流路切換部分１４６１を回転させ、流路を戻し位置１４５側からサンプリング口１４６３側へ切り換えて、循環している材料を系外へ取り出すことができる。該取り出し動作により、循環している材料の物理量、例えば、材料戻し管１４１内における材料の単位時間当たりの排出量、戻り搬送速度、圧力、温度等を測定することができる。又、少なくともサンプリング口１４６３の断面を円形とすることで、サンプリング口１４６３から紐状にて上記材料を取り出すことができ、取り出した材料を一定長さに切断することで、ペレット化が可能であり２次加工に最適となる。

他の例として図１１に示す材料戻し部１４０−２を上記材料戻し部１４０に代えて設けることができる。該材料戻し部１４０−２は、本実施形態では材料戻し部１４０−１の構成を有するとともに、循環されている材料の上記物理量を測定する測定器１４７を有する。測定器１４７として、本実施形態では、材料戻し管１４１において規定の測定距離ＭＬをあけて２つの圧力検出器１４７−１、１４７−２を設けている。
従来の押出機では混練途中において材料の粘度を確認することはできなかったが、上述のように材料戻し部１４０−２にて圧力検出器１４７−１、１４７−２を設けることで、循環させている材料の経時変化、つまり混練による材料の粘度変化を２点間の圧力損失を測定することで求めることが可能となる。したがって、保持時間及と粘度変化との関係を得ることで、実機となる多軸押出機において連続成形を行う場合における適切な上記Ｌ／Ｄを推察することが可能となる。
又、上記測定器１４７として温度計や、材料の流動状態を目視可能な可視化用ガラス窓が取り付け可能である。

規定の循環回数にて材料の混練が終了した時点で、上述したように、切換部１４３にて口金１９５側に流路を切り換えることで、材料は口金１９５から外部へ排出される。一方、上述しているような材料戻し部１４０等を設けることで、切換部１４３にて口金１９５側に流路が切り換えられたときには、材料戻し部１４０等における材料戻し管１４１内に存在する材料には搬送力が作用しなくなり、材料戻し管１４１内に材料が滞留した状態になる。滞留した材料は、洗浄等により除去する必要があるが、材料戻し部１４０の別の例として図１２に示す材料戻し部１４０−３は、材料の上記滞留を積極的に利用しようとするものである。
即ち、材料戻し部１４０−３は、上記材料戻し部１４０に代えて設けられ、材料戻し部１４０−１の構成を有するとともに、材料戻し管１４１内に滞留する上記材料にて当該材料の試験片を作製する試験片作製用型部１４８を有する。従来、押出機にてペレットを成形後、射出成形機にて試験片を成形しているが、材料戻し部１４０−３を設けることで、上述の従来工程を経ることなく試験片を作製することが可能となる。上記試験片作製用型部１４８は、ＪＩＳ（日本工業規格） Ｋ ７１１３（２００３年度版）に規定されるような、材料試験用の１〜４号形試験片を成形可能な形状を有する。尚、図１２では、２号形試験片に相当する試験片を成形する試験片作製用型部１４８を図示し、後述の図１３では４号形試験片に相当する試験片を成形する試験片作製用型部１４８を図示している。

試験片作製用型部１４８を設けることで、混練のための材料の循環が終了し切換部１４３にて口金１９５側に流路が切り換えられたときには、材料戻し部１４０−３をバレル１８５から取り外し冷却して滞留している材料を固化させる。該動作により試験片作製用型部１４８にて自動的に試験片が成形、作製可能である。よって、効率的であり、又材料のロスも少なくすることができる。尚、図１２及び図１３では図示を省略しているが、試験片作製用型部１４８にて作製された試験片を材料戻し部１４０−３から取り出すため、当然ながら材料戻し部１４０−３には試験片取出用の開閉機構を設けている。
又、各種の試験片を作製するため、各形状の試験片作製用型部１４８に対応して複数の材料戻し部１４０−３を用意し、バレル１８５に付け替えることもできる。
又、試験片の作製は、混練のための材料の循環終了後でなくてもよく、混練の途中でも状況に応じて試験片作製用型部１４８にて試験片を作製することができる。尚、この場合、材料戻し部１４０−３の付け替えが必要である。
又、試験片作製用型部１４８を有する場合、他の材料戻し部１４０、１４０−１，１４０−２の場合に比べて、第１搬送用部材１１１へ投入する材料の量を、試験片に相当する分、多くする必要がある。

さらに又、別の例として図１３に示す材料戻し部１４０−４を上記材料戻し部１４０に代えて設けることができる。該材料戻し部１４０−４は、上述した図１１に示す材料戻し部１４０−２の構成と、図１２に示す材料戻し部１４０−３の構成とを組み合わせ、測定器１４７と試験片作製用型部１４８とを備えた構成である。
このような材料戻し部１４０−４によれば、材料戻し部１４０−２の構成による効果と、図１２に示す材料戻し部１４０−３の構成による効果との両方を奏することができる。特に、図１３に示す材料戻し部１４０−４では、試験片作製用型部１４８の形状を、上記４号形試験片に相当する形状としていることから、図１２に示すような２号形試験片の場合に比べて試験片作製用型部１４８における材料の圧力損失の影響が少ない。よって、試験片作製用型部１４８に加えて圧力検出器１４７−１、１４７−２を設けることができる。

尚、上述の材料戻し部１４０−２、１４０−３、１４０−４では、材料戻し部１４０−１のサンプリング部１４６を並設した構造を有するが、該構成に限定するものではなく、サンプリング部１４６を有しない構成とすることもできる。

本発明は、複数本のスクリュー及び材料混練部材を有して材料の混練を行いかつ材料の押し出しも行う多軸混練装置に適用可能である。

本発明の実施形態である多軸混練装置の縦断面図である。 図１に示す多軸混練装置の横断面図である。 図１に示す多軸混練装置に備わるスクリューシャフト及びその回転方向を示す図である。 図１に示す多軸混練装置に備わる混練用部材の形状及び回転方向を示す図である。 図１に示す多軸混練装置に備わる切換部の動作を説明するための図である。 図１に示す多軸混練装置に備わる切換部の動作を説明するための図である。 図１に示す多軸混練装置の変形例を示す図である。 図１に示す多軸混練装置の別の変形例を示す図である。 図１に示す多軸混練装置のさらに別の変形例を示す図である。 図１に示す材料戻し部の変形例を示す図である。 図１に示す材料戻し部の他の変形例を示す図である。 図１に示す材料戻し部の別の変形例を示す図である。 図１に示す材料戻し部のさらに別の変形例を示す図である。

符号の説明

１０１〜１０４…多軸混練装置、
１１０…材料供給搬送部、１１１…第１搬送用部材、１１２…材料供給部、
１２０…混練部、１２１…混練用部材、１３０…排出用搬送部、
１３１…第２搬送用部材、１４０…材料戻し部、１４３…切換部、
１４６…サンプリング部、１４７…測定器、１４８…試験片作製用型部、
１５０…温度調節装置、１７３…液体供給口、１７４…液体供給装置、
１７５…シール部、１７６…シール部材、１８０ａ…軸方向、
１８１…搬送方向、１８６…材料排出口、１９５…口金。

Claims (10)

1. スクリュー状で互いに噛み合わせかつ互いに平行に配列した複数の第１搬送用部材（１１１）、及び混練される材料の材料供給部（１１２）を有し、上記第１搬送用部材の回転により該第１搬送用部材の軸方向（１８０ａ）に沿った搬送方向（１８１）へ上記材料を搬送する材料供給搬送部（１１０）と、
   上記軸方向に沿って上記材料供給搬送部に連結され、上記材料供給搬送部にて搬送されてきた上記材料を混練する混練用部材（１２１）を有する混練部（１２０）と、
   上記軸方向に沿って上記混練部に連結され、スクリュー状で互いに噛み合わせかつ互いに平行に配列した複数の第２搬送用部材（１３１）を有し、上記混練部にて混練された材料を上記第２搬送用部材の回転により材料排出口（１８６）へ搬送する排出用搬送部（１３０）と、
   上記材料排出口に連結され、該材料排出口から排出された材料を再度上記材料供給搬送部へ供給する材料戻し管（１４１）を有する材料戻し部（１４０）と、
   上記材料排出口に設けられ、該材料排出口から排出される全ての材料を、上記材料戻し管及び材料を成形する口金（１９５）のいずれか一方へ供給する切換部（１４３）と、を備え、
   上記材料戻し管は、上記混練部の直前に設置されている上記複数の第１搬送用部材のうちの１つの第１搬送用部材（１１１−Ｌ）におけるネジ山において少なくとも１山以上上記混練部より離れた位置に設けられた戻し位置（１４５）に接続されている、多軸混練装置。
2. 上記材料戻し部は、上記材料戻し管において上記戻し位置の直前に設けられ上記材料戻し管を通して上記材料供給搬送部へ戻される上記材料を上記材料戻し管からサンプリングするサンプリング部（１４６）をさらに有する、請求項１に記載の多軸混練装置。
3. 上記材料戻し部は、上記材料戻し管に設けられ上記材料供給搬送部へ戻される上記材料の上記材料戻し管内における物理量を測定する測定器（１４７）をさらに有する、請求項１または２に記載の多軸混練装置。
4. 上記材料戻し部は、上記材料戻し管に設けられ当該材料戻し管に滞留する上記材料にて当該材料の試験片を作製する試験片作製用型部（１４８）をさらに有する、請求項１から３のいずれか１つに記載の多軸混練装置。
5. 上記材料の搬送及び混練中に上記材料の加熱及び冷却の少なくとも一方を行う温度調節装置（１５０）をさらに備えた、請求項１から４のいずれか１つに記載の多軸混練装置。
6. 上記排出用搬送部に設けられ、上記材料から気体を除去する気体除去部（１３２、１３３）をさらに備えた、請求項１から５のいずれか１つに記載の多軸混練装置。
7. 上記材料供給搬送部及び上記排出用搬送部の少なくとも一方に設けられ、上記材料へ液体を供給する液体供給部（１７３、１７４）をさらに備えた、請求項１から６のいずれか１つに記載の多軸混練装置。
8. 上記材料供給搬送部に設けられ、上記材料へ気体を供給する気体供給部（１７１、１７２）をさらに備えた、請求項１から７のいずれか１つに記載の多軸混練装置。
9. 上記混練部と上記排出用搬送部との間に、上記第２搬送用部材に対して逆ネジ構造を有するスクリュー状のシール部材（１７６）を有するシール部（１７５）をさらに備えた、請求項１から８のいずれか１つに記載の多軸混練装置。
10. スクリュー状で互いに噛み合わせかつ互いに平行に配列した複数の第１搬送用部材（１１１）にて、当該第１搬送用部材の軸方向（１８０ａ）に沿った搬送方向（１８１）へ材料（Ａ、Ｂ）を搬送し、
    搬送されてきた上記材料を混練用部材（１２１）により混練し、
    スクリュー状で互いに噛み合わせかつ互いに平行に配列した複数の第２搬送用部材（１３１）にて、材料排出口（１８６）へ混練された材料を搬送し、
    上記複数の第１搬送用部材のうちの１つの第１搬送用部材（１１１−Ｌ）におけるネジ山において少なくとも１山以上上記混練用部材より離れた位置に設けられた戻し位置（１４５）に、上記材料排出口から排出された全ての材料を、材料戻し管（１４１）を通して再度戻して繰り返し材料の混練を行い、
    その後、上記材料戻し管を通しての材料の戻し動作を停止して、上記材料排出口に接続された口金（１９５）より混練された材料を取り出す、材料混練方法。

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