JP4772063B2 - 送り戻し手段を備えた押出機 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は材料を加工するための押出機に関し、該押出機は、内腔と前記内腔内に位置決めされる少なくとも１つの押出機スクリューとを含む押出機バレルを備え、該内腔は、加工される材料を送るための上流入口部と、該押出機を通して加工された材料のための押出機吐出部に連通可能な下流出口部とを有する。

この加工は、材料の種類に応じて、混合、混練、および／または溶融を含み得る。例えば、熱可塑性材料、特にポリマーまたはポリマーブレンドが、加熱された押出機内で溶融され、溶融状態で例えば試験試料として成形可能である。同じプロセスで、添加剤が中に混合されてもよい。他の非熱可塑性材料、例えば、食品または他の可食材料が、押出機内で他の成分と混合され、混合物として、所望の形状（例えば、フィルムおよび顆粒）を与えられてもよい。

具体的には、本発明による押出機は、少量でのみ利用可能なポリマーを溶融および混合するのに適するように、大きさと有効容積の限られた押出機である。それらの処理量は、０．０５ｇ／分〜約１０ｇ／分の範囲であり得るが、あるいは、押出機がバッチ式押出機である場合、それらの有効容積は、５〜５０ｍＬの範囲であり得る。この種類の押出機は特に、元々少量でのみ利用可能なものである実験材料グレードおよび混合物を試験試料に加工するために、実験室環境で適用され得る。利用可能な量は、５０ｇから１５ｇまで、さらにはほんの５グラムまでの範囲であり得る。試験試料への成形は、混合されたおよび／または溶融された材料を、ダイを通して押出機内腔の下流の吐出部に送り、それぞれ適切な形状のダイに通すかまたは金型内に入れることによる、産業用押出機によって知られている方法で行われる。

かかる押出機は、米国特許第４，６９５，２４０号明細書から公知である。この公報には、大型の産業用押出機を小型化することによって、小さい押出機を容易に構成できないことが教示されている。十分な滞留時間を実現するために、押出機バレルを比較的長くする必要があるであろうが、そうすると押出機スクリューは比較的薄くなる。加工されるポリマーの粘度を変更することによって引き起こされる高い捻り力によるスクリューの故障が予想される。この公報では、小型化に伴う問題は、押出機内腔の入口部と出口部との間に熱分離領域を設けることによって解決される。それらの構成は、小型化された従来の押出機装置に付随する押出機スクリューの早期故障という問題を解消するものと主張されている。しかしながら、この文献には、提案された手段がどのように問題を解消するのか開示されていない。

本発明の目的は、一体構造を有するとともに、種々の少量で利用可能なポリマーを加工するのに適した押出機を提供することである。

この目的は、本発明によれば、前記少なくとも１つの押出機スクリューの長さ対直径の比が２０：１未満であり、前記押出機は、前記内腔の前記出口部から前記バレルを通って延在している少なくとも１つの再循環流路と、前記出口部の上流の前記内腔に再循環流路を連通させる少なくとも２つの再循環吐出部とをさらに備え、前記少なくとも１つの再循環流路および前記再循環吐出部および／または前記押出機吐出部を通して前記材料を方向付けるための手段をさらに備えることによって達成される。

このため、本発明による押出機では、少なくとも１つのスクリューが好ましくは一体であるが、押出機内の材料流れを、再循環流路を通して特定の再循環吐出部へと方向付けることによって、押出機を通って循環可能な材料の有効容積を変更可能であり、利用可能な材料の量に押出機を適合させる。

好ましい一実施形態では、該押出機は、少なくとも２つの再循環吐出部を有する再循環流路を備える。これは、ただ１つの流路をバレル内に存在させるだけで済み、にもかかわらず、有効容積を変更可能な押出機を提供する。少なくとも２つの再循環吐出部のうちの１つを選択することによって、材料を循環させるのに実際に用いられる流路の長さ、したがって用いられる容積を変更可能である。材料を方向付けるための手段としての、流路と再循環吐出部との間に配置される弁は、所望の容積を選択するように操作可能である。通常、少なくとも１つの再循環吐出部は、内腔の入口部分内に終端し、他の吐出部は、さらに下流の位置で終端する。用いられる吐出部が下流になるにしたがい、材料が押出機スクリューによって混合されたり他の態様で加工されたりする時間が短くなる。これにより、材料が流路を通って単に移送される期間と、材料が押出機スクリューによって混練および混合される期間との間の所望のバランスを選択することが可能になる。

別の好ましい実施形態では、各々が少なくとも１つの再循環吐出部を有する少なくとも２つの再循環流路が存在する。ここで、例えば、弁を適切に配置することによって、押出機内に循環する材料の容積を適合させるために、流路を使用しないか、１つまた２つの流路を使用することができる。特に好ましい実施形態では、少なくとも２つの再循環流路は、例えば、異なる断面積または異なる長さによって形成される異なる容積を有する。再循環流路の容積を適合させるための代替的な方法では、この流路は最も上流の再循環吐出部を越えて延在し、押出機ハウジングの壁の開口部で終端する。そこで、再循環流路にぴったりと嵌まるバーが、１つまたは複数の再循環吐出部を塞ぐように外側から流路内に押し込まれ、これによって、再循環材料が、バーによって塞がれていない再循環流路を通って流れるようにする。バーを再循環流路内に浅く押し込むかまたは深く押し込むかによって、塞がれる再循環吐出部の数を選択できる。バレルが、押出機スクリューを解放するように回転されて脱離できる２つ以上の部分からなる場合、必要に応じて再循環吐出部を塞いだりまたはそれらを再循環流路に連通させたりするためにインサートを用いることができる。これらの代替的な方法の利点は、再循環吐出部を開閉するのに弁が必要ないことである。

また、ただ１つの再循環吐出部を有する、またはそれ以上の再循環吐出部を有する、または異なる長さまたは断面を有する再循環流路の組合せが存在することができ、幅広い有効容積を提供する。断面積の異なる複数の流路を有することにより、押出機は、異なる溶融粘度を有する材料を加工するように適合し、ここで、狭い流路は高粘度の種類の材料に向けたものであり、広い流路は低粘度の種類の材料に向けたものである。

加工された材料を押出機吐出部へと実際に送る前に、所定の期間にわたって、押出機内腔およびいずれかの連通された再循環流路に通して加工されるポリマーを循環させることによって、利用可能な量のポリマーを所望の程度で加熱および混合するための適切な加工時間を実現することができる。このため、この押出機により、所定の量のポリマーを加工するのにそれぞれ合わせたいくつかの異なる押出機を手元に有する必要がなくなる。これは、ほんの少しの実験用の量の材料が存在する傾向にある実験室環境に特に関係がある。

押出機内腔の入口部分と出口部分をつなぐ送り戻し（ｆｅｅｄｂａｃｋ）流路が存在する小さい押出機が米国特許第６，１２９，４５０号明細書から知られている。加工されるポリマーは、所定のレオロジーパラメータが送り戻し流路内のセンサによって測定される層流を得るように内腔から送り戻し流路内へと循環される。静的な（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ）層流を得るために、流路の直径は比較的広くなければならない。

この文献には、本発明の基礎をなす洞察、すなわち、少なくとも２つの異なる吐出部を押出機内腔内に設けることによって、種々の有効容積を有する押出機を作製することができるという洞察が存在しない。

該押出機は、少なくとも１つのスクリューの長さがその直径に比べて比較的短く、それらの比が２０：１未満、好ましくは１５：１未満、またはさらに１０：１未満であるように設計される。円錐形のスクリューが適用されると、直径が最も大きな直径として読み取られるようになっている。かかるスクリューは、公知の小型化されたスクリューよりも、バレルを通してポリマー材料を加工することがもたらす捻り力に容易に耐えることができる。

押出機それ自体は当該技術分野で公知であり、通常、中空の主として軸方向の内腔を含む金属製のハウジングまたはバレルを備え、該内腔の中には、混合および移送機能を有する１つまたは複数の回転式スクリューが存在する。内腔の上流の入口部では、加工される材料を押出機内に送るための入口が存在する。送られた材料は、少なくとも１つのスクリューの回転によって加工され、それによって、材料を溶融するためにバレルが加熱され、好適なスクリュー形態によって、適切な混合およびバレルの下流の出口部への移送がもたらされる。内腔は押出機の外側への排出口内に終端し、混合されたおよび／または溶融された材料を、少なくとも１つのスクリューの移送動作の下で押出機から出す。押出機吐出口にはダイが設けられ、ダイにより、材料を当該ダイの形状にすることができるが、その際にこの形状は、溶融された出口流れを冷却することによって保持される。また、出口は、所望の形状の空洞を含む金型に連結され得る。そして、この空洞は溶融された材料で満たされ、冷却後に、該空洞の形状を有する物体が得られる。かかる空洞は、例えば、所定の試験手順に向けた規定された試験試料の形状を有し得る。

本発明による押出機においては、内腔の出口部をその上流の位置に連通させる少なくとも１つの流路および少なくとも２つの再循環吐出部が存在する。このようにして、スクリューによって移送された材料が内腔の出口部に到着すると同時に、１つまたは複数の再循環流路内に流れ、そして、これらの流路を通って、１つまたは複数の再循環吐出部を通って内腔に戻り、ここで材料が再びスクリューに送られ、バレルを通って再び下流に移動するループが形成され得る。このため、前述したように、溶融されたポリマーの流れが、それを押出機吐出部を通して排出するとともにそれを所望の形状にするのに十分な程度に混合され溶融されるまで循環され得る。

好ましい実施形態では、少なくとも内腔への２つの再循環出口を有する少なくとも１つの再循環流路が存在する。このようにして、ただ１つの再循環流路によって２つおよびさらには３つの異なる有効容積を実現することが可能になり、構成するのがより容易になる。

別の好ましい実施形態では、例えば、その長さの差および／またはその長さ方向に垂直なその断面積の差に起因して、その容積の異なる少なくとも２つの再循環流路が存在する。

さらに別の実施形態では、その断面積および／またはその長さの異なる少なくとも２つの再循環流路が存在する。

これらの差により、再循環容積の幅広い変動が可能になり、異なる断面を有する流路が存在するとき、異なる粘度を有する組成物を再循環させることが可能になる。その際、大きな断面の流路は、高粘度の材料を再循環させ、小さな断面の流路は、より流れ易い材料のために用いることができる。

１つまたは複数の再循環流路を通って１つまたは複数のそれらの吐出口への、または直接押出機吐出部への所望の流れ経路を選択するために、バレルの出口部と押出機吐出部との間、および、妥当な場合には、２つ以上の再循環吐出部を有する再循環流路内に適切な弁機構が存在する。流路は通常、バレルを通って延在しているが、バレルの外側に延在していてもよい。材料が溶融状態で加工される場合、バレルおよび任意の外側に延在している流路は、それらを通って流れている材料を溶融状態に保つために加熱される。

内腔の形状は、円筒形または円錐形であり得る。２つのスクリューが存在する場合、内腔は、２つの部分的に交わる円筒形または円錐形の内腔を有するほぼ８の字の形状であり、各内腔には、円筒形または円錐形のスクリューが存在している。単軸または多軸スクリュー押出機のためのかかる構成はそれ自体公知である。また、２つを超えるスクリューを有する押出機も当該技術分野で公知であり、本発明による押出機に適用可能である。２つのスクリューが存在する場合、これらのスクリューは、逆回転式であってもよいが、好ましくはそれらは同方向回転式である。これは、高速混合のための非常に有効な配置構成であることが明らかになっており、それにより規定された移送経路が確保される。

以下の図面によって本発明をさらに説明する。図１は、２つの再循環流路を有する単軸スクリュー押出機の断面図であり、２つの再循環流路のうちの１つは、２つ以上の再循環吐出口を有している。図１は、本発明の実施例の１つを示すが、本発明の範囲を限定するものではない。

図１には、押出機バレル３を有する押出機１が示されている。バレル３には、円筒形の内腔５（その下流の出口部において押出機吐出部７内に終端している）が存在する。吐出部は、三方弁９につながっており、該三方弁は、押出機スクリュー１１によって下流に移送された材料流れを、再循環のために再循環流路１３および１５の一方または両方へと、または押出機から出すために吐出部１７へと方向付けることが可能である。吐出部１７がそれを出る材料流れに所望の形状を与えるように設計されているか、または、所望の出口形状を有するダイ（図示せず）がそのために吐出部１７に連結されていてもよい。

流路１５は、上流の異なる高さにおいて内腔５に開口している３つの再循環吐出部１９、２１および２３を有する。吐出部１９、２１および／または２３を必要に応じて開閉するために、弁２５、２７および２９が存在し、これによって、押出機の有効容積、および／または、再循環時間、および全再循環時間のうちの混練／混合部分を変動させる。弁２９は省略可能であるが、主に、押出機が過剰供給になった場合に起こり得る材料の押出機内腔から吐出部流路２３内への流入を防ぐ働きをする。同じ理由で、再循環流路１３の上流の端部において再循環吐出部に弁が存在してもよい。

流路１５と異なる直径を有する流路１３は、直接内腔７の出口部からその入口部へと戻るように延在している。未加工の基礎材料を押出機へと送るための供給流路はこの図面には示されていないが、再循環吐出部２３の上流に存在している。

２つの再循環流路を有する単軸スクリュー押出機の断面図であり、２つの再循環流路のうちの１つは、２つ以上の再循環吐出口を有している。

Claims (5)

1. ５０ｇから５ｇまでの少量で利用可能な、ポリマーを溶融および混合するためのバッチ式押出機であって、内腔と前記内腔内に位置決めされる少なくとも１つの押出機スクリューとを含む押出機バレルを備え、前記内腔は、加工される材料を送るための上流入口部と、前記押出機を通して加工された材料のための押出機吐出部に連通可能な下流出口部とを有する押出機において、
   前記少なくとも１つの押出機スクリューの長さ対直径の比が２０：１未満であり、前記押出機は、前記内腔の前記出口部から延在している少なくとも１つの再循環流路と、前記出口部の上流の前記内腔に再循環流路を連通させる少なくとも２つの再循環吐出部とをさらに備え、前記少なくとも１つの再循環流路および前記再循環吐出部および／または前記押出機吐出部を通して前記材料を方向付けるための手段をさらに備えることを特徴とする押出機。
2. 前記長さ対直径の比が１５：１未満である請求項１に記載の押出機。
3. 少なくとも２つの再循環吐出部を有する少なくとも１つの再循環流路を備える請求項１または２に記載の押出機。
4. 各々が少なくとも１つの再循環吐出部を有する少なくとも２つの再循環流路を備える押出機であって、前記少なくとも２つの再循環流路は、少なくともそれらの容積、および／またはそれらの断面積、および／またはそれらの長さが異なる請求項１または２に記載の押出機。
5. ２つの同方向回転式押出機スクリューを備える請求項１〜４のいずれか一項に記載の押出機。

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