KR20120096539A

KR20120096539A - 혼련용 세그먼트 및 혼련 설비

Info

Publication number: KR20120096539A
Application number: KR1020127016304A
Authority: KR
Inventors: 나오끼 기꾸찌; 호다까 미우라; 가즈히사 후꾸따니; 사야까 야마다
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-08-30
Also published as: CN102666048B; WO2011078192A1; JP5361704B2; JP2011131543A; EP2517852B1; EP2517852A1; US20120269024A1; CN102666048A; EP2517852A4

Abstract

본 발명은, 혼련이 불충분한 부분이 겔로서 남지 않도록 재료를 혼련하는 혼련용 세그먼트(1)를 제공한다. 본 발명에 관한 혼련용 세그먼트(1)는, 내부 공동을 갖는 배럴(3)에 회전 가능하게 수용되는 혼련 스크류(4)에 설치되어, 혼련 스크류(4)의 회전에 맞추어 회전하여 배럴(3) 내에 공급되는 재료를 혼련하는 혼련용 플라이트(12)를 구비한다. 혼련용 플라이트(12)의 정상면(15)에는, 정상면(15)의 축 방향의 일부를 직경 내측을 향해 절결함으로써 오목 형상의 절결부(13)가 형성되고, 절결부(13)는, 축 방향을 향하는 2개의 측면(20)과 이들 측면(20)의 사이에 설치되는 저면(14)으로 둘러싸여 있다. 절결부(13)의 저면(14)은 정상면(15)에 대하여 경사진 면 형상으로 형성되어 있고, 이에 의해, 혼련 스크류(4)의 회전 방향의 일측을 향하는 절결부(13)의 개구(18)가 타측을 향하는 개구(19)보다 대면적으로 되도록 형성되어 있다.

Description

혼련용 세그먼트 및 혼련 설비{SEGMENT FOR KNEADING, AND KNEADING FACILITY}

본 발명은, 혼련용 세그먼트 및 혼련 설비에 관한 것이다.

일반적으로, 압출기나 연속 혼련기 등의 혼련 설비에 있어서는, 고분자 수지의 펠릿이나 가루 상태의 첨가물 등의 재료가 배럴 내에 공급되고, 배럴 내에 삽입 관통된 한 쌍의 혼련 스크류에 의해 이들이 혼련되면서 하류측으로 보내진다. 혼련 스크류는, 중심에 설치되는 스플라인축에 의해 관통 상태로 고정되는 여러 가지 종류의 세그먼트를 복수 구비한다. 예를 들어 로터 세그먼트나 니딩 디스크 세그먼트 등의 혼련용 세그먼트에, 스크류 세그먼트를 조합함으로써, 제품 용도에 맞추어 재료를 혼련할 수 있다.

그런데 최근에는, 혼련해야 하는 재료의 종류가 많아져, 혼련 설비에는, 혼련 능력의 향상이 요구되게 되었다. 그로 인해, 상술한 혼련용 세그먼트 중에서도, 특히 VCMT(Variable Cliarance Mixing Technology)를 이용한 로터 세그먼트를 사용한 혼련 설비가 개발되어 있다. 특허 문헌 1에 개시되는 바와 같이, VCMT를 이용한 로터 세그먼트에 있어서는, 혼련 스크류의 혼련 플라이트의 정상면이 축 방향을 따라 요철 형상으로 형성된다. 이에 의해, 혼련 플라이트의 정상면(선단면)과 배럴의 내벽면 사이에, 팁 클리어런스가 큰 부분과 작은 부분이 축 방향으로 교대로 형성되도록 되어 있다.

일반적으로, 재료를 양호하게 혼련하기 위해서는 재료에 분배성 및 분산성을 부여해야 한다고 일컬어지고 있다. 여기서, 분배성은, 혼련해야 하는 재료 중에, 혼입된 재료의 입자를 균등하게 흩어지게 하는 특성이다. 또한, 분산성은, 혼입된 재료의 입자 중에 예를 들어 입자끼리가 모인 입자 덩어리가 있었던 경우에, 이 입자 덩어리를 찌부러뜨려 미세화하는 특성이다. 재료에 분산성을 부여하기 위해서는, 재료를 절단하도록 전단하는 혼련이 필요하고, 또한 재료에 분배성을 부여하기 위해서는, 재료를 잡아 늘이도록 신장하는 혼련이 필요하다. 상술한 VCMT를 이용한 혼련 스크류에 따르면, 팁 클리어런스가 작은 고위 팁부에서 재료를 전단하는 동시에 팁 클리어런스가 큰 저위 팁부에서 재료를 신장한다. 그로 인해, 혼련하는 재료에 높은 분산성 및 분배성이 부여되어, 양호한 혼련 능력을 얻을 수 있다.

일본 특허 제3905397호 공보

그런데 상술한 바와 같이, VCMT는 수지 혼련 시에 재료를 전단하는 동시에 신장하여, 재료의 분배성과 분산성의 양쪽을 향상시키는 기술이다. 여기서, 최근, 일부의 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌의 혼련과 같이, 예를 들어 분자량이나 용융 점도의 차이가 커 혼련이 곤란한 재료를 혼련하는 경우가 있다. 이러한 혼련이 곤란한 재료를 혼련하는 경우에는, 혼련 능력이 큰 VCMT를 이용한 혼련 스크류를 사용해도 혼련이 불충분해지는 경우가 있어, 혼련 후의 재료 중에, 분자량이 큰 겔이 남는 경우가 있다. 겔을 억제하기 위해서는 예를 들어 분해 촉진제 등을 재료에 첨가할 수도 있지만, 분해 촉진제 등을 사용해도 겔을 완전히 없앨 수는 없다. 이러한 겔은, 혼련된 재료로부터 필름이나 시트를 형성할 때에, 필름이나 시트 상에 은점이라고 불리는 작은 오목 등의 결함이 발생하는 원인으로 된다. 따라서, 혼련 시에 겔의 발생을 확실하게 방지해 두는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상술한 문제에 비추어 이루어진 것이며, 겔이 남지 않도록 확실하게 재료를 혼련할 수 있는 혼련용 세그먼트 및 혼련 설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 혼련용 세그먼트 및 혼련 설비는 이하의 기술적 수단을 강구하고 있다.

즉, 본 발명의 혼련용 세그먼트는, 내부 공동(空洞)을 갖는 배럴에 회전 가능하게 수용되는 혼련 스크류에 설치되어, 상기 배럴 내에 공급되는 재료를, 상기 혼련 스크류의 회전에 맞추어 회전시킴으로써 혼련하는 혼련용 플라이트를 구비하는 혼련용 세그먼트이며, 상기 혼련용 플라이트의 정상면에는, 상기 정상면의 축 방향의 일부를 직경 방향 내측을 향해 절결하여 오목 형상으로 형성되는 동시에, 축 방향으로 마주 보는 2개의 측면과 이들 측면의 사이에 설치되는 저면으로 둘러싸인 절결부가 형성되어 있고, 상기 절결부의 상기 저면을 상기 정상면에 대하여 경사진 면 형상으로 형성함으로써, 상기 절결부는, 상기 혼련 스크류의 회전 방향의 일측을 향하는 상기 절결부의 개구가 타측을 향하는 개구보다 대면적으로 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명자들은, 겔 등의 미혼련 부분을 없애기 위해서는, 재료를 잡아 늘이도록 혼련하는 것이 유효한 것을 발견하였다. 그리고 본 발명자들은, 종래의 VCMT 등의 설비에서 부족하였던, 재료를 신장하도록 혼련하는 능력을 향상시킬 수 있으면, 재료를 겔이 남지 않도록 확실하게 혼련할 수 있는 것이 아닐까라고 생각하였다. 그리고 본 발명자들은, 예를 들어 VCMT가 적용된 혼련 플라이트의 저위 팁부와 같이 배럴측을 향하는 혼련용 플라이트의 단부면을 일부만 절결할 때에, 혼련 시에 재료가 들어가는 측(입구측)보다 재료가 나오는 측(출구측) 쪽이 좁아지도록 절결부의 저면을 경사지게 하여 형성하면, 혼련 중에 절결부에 유입된 재료가 짜내어지듯이 잡아 늘여져, 재료에 강한 신장 흐름을 부여할 수 있는 것을 발견하였다. 이에 의해, 본 발명자들은, 겔이 남지 않도록 재료를 확실하게 혼련할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성시킨 것이다.

즉, 본 발명의 혼련용 세그먼트에서는, 절결부의 저면이 정상면에 대하여 경사진 면 형상으로 형성되어 있고, 혼련 스크류가 회전하였을 때에 재료가 들어가는 입구측보다 재료가 나오는 출구측 쪽이 좁아지도록 절결부가 형성되어 있다.

그로 인해, 절결부에 공급한 재료를 대면적으로 개방된 타측의 개구로부터 소면적으로 개방된 일측의 개구로 유도함으로써, 재료를 잡아 늘이도록 혼련하여 재료에 신장 흐름을 부여할 수 있어, 혼련이 불충분한 부분이 겔로서 남지 않도록 재료를 혼련할 수 있다.

또한, 상기 혼련용 플라이트는, 상기 배럴의 내벽과의 팁 클리어런스가 일정한 고위 팁부와, 상기 고위 팁부보다 팁 클리어런스가 큰 저위 팁부를 축 방향을 따라 교대로 갖고 있고, 상기 저위 팁부가 상기 절결부에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 재료를 분배성 좋게 혼련할 수 있는 혼련용 플라이트는, 특히 고위 팁부와 저위 팁부를 교대로 구비한 VCMT의 혼련 스크류에 대하여 유효하다. 상술한 혼련용 플라이트를 구비한 VCMT의 혼련 스크류에서는, 복수의 저위 팁부의 각각에서 재료에 신장 흐름을 부여하므로, 재료의 분배성을 높여 겔의 발생을 확실하게 방지할 수 있다.

또한, 상술한 혼련용 세그먼트를 구비한 혼련 설비에서는, 혼련이 곤란한 재료라도, 겔이 남지 않는 확실한 혼련이 가능해진다.

본 발명의 혼련용 세그먼트 및 혼련 설비에 의해, 겔이 남지 않도록 재료를 확실하게 혼련할 수 있다.

도 1은 본 발명의 혼련용 세그먼트를 구비한 혼련 설비에 사용되는 배럴 및 혼련 스크류의 설명도이다.
도 2의 (a)는 본 발명의 혼련용 세그먼트의 사시도, (b)는 (a)의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 혼련용 세그먼트를 축 방향을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 실시예에 사용한 재료에 있어서의 전단 속도와 전단 점도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5의 (a)는 혼련 시에 재료에 가해지는 대수 변형율의 평균값을 클리어런스에 대하여 나타낸 도면이며, (b)는 혼련 시에 재료에 가해지는 대수 변형율의 표준 편차를 클리어런스에 대하여 나타낸 도면이다.
도 6의 (a)는 혼련 시간이 5초까지의 대수 변형율의 도수 분포를 나타내는 도면이며, (b)는 혼련 시간이 10초까지의 대수 변형율의 도수 분포를 나타내는 도면이다.
도 7의 (a)는 혼련 시에 재료에 가해지는 응력 적분값의 평균값을 클리어런스에 대하여 나타낸 도면이며, (b)는 혼련 시에 재료에 가해지는 응력 적분값의 표준 편차를 클리어런스에 대하여 나타낸 도면이다.
도 8의 (a)는 혼련 시간이 5초까지의 응력 적분값의 도수 분포를 나타내는 도면이며, (b)는 혼련 시간이 10초까지의 응력 적분값의 도수 분포를 나타내는 도면이다.
도 9의 (a)는 혼련 시에 재료에 발생한 누적 변형의 평균값을 클리어런스에 대하여 나타낸 도면이며, (b)는 혼련 시에 재료에 발생한 누적 변형의 표준 편차를 클리어런스에 대하여 나타낸 도면이다.
도 10의 (a)는 혼련 시간이 5초까지의 누적 변형의 도수 분포를 나타내는 도면이며, (b)는 혼련 시간이 10초까지의 누적 변형의 도수 분포를 나타내는 도면이다.
도 11의 (a)는 혼련 시에 재료에 가해지는 에너지(재료에 가해지는 변형과 응력의 곱을 시간 적분한 것)의 평균값을 클리어런스에 대하여 나타낸 도면이며, (b)는 혼련 시에 재료에 가해지는 에너지(재료에 가해지는 변형과 응력의 곱을 시간 적분한 것)의 표준 편차를 클리어런스에 대하여 나타낸 도면이다.
도 12의 (a)는 혼련 시간이 5초까지의 에너지의 도수 분포를 나타내는 도면이며, (b)는 혼련 시간이 10초까지의 에너지의 도수 분포를 나타내는 도면이다.
도 13의 (a), (b)는 실시예의 혼련용 세그먼트를 구비한 혼련 스크류의 회전에 수반하는 재료 입자의 확산 상태를 나타내는 도면이며, (c), (d)는 비교예의 혼련용 세그먼트를 구비한 혼련 스크류의 회전에 수반하는 재료 입자의 확산 상태를 나타내는 도면이다.
도 14의 (a)는 종래의 혼련용 세그먼트의 사시도, (b)는 (a)의 단면도이다.

이하, 본 발명에 관한 혼련용 세그먼트(1) 및 연속 혼련기(2)의 실시 형태를, 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 혼련용 세그먼트(1)가 설치된 2축의 연속 혼련기(2)(혼련 설비)를 도시하고 있다. 본 발명의 혼련용 세그먼트(1)가 설치되는 혼련 설비는, 연속 혼련기 이외에도, 예를 들어 2축 압출기 등의 설비여도 된다. 그러나 이후의 설명에서는, 혼련용 세그먼트(1)가 연속 혼련기에 사용된 예를 들어, 본 발명의 혼련용 세그먼트(1)를 설명한다.

연속 혼련기(2)는, 공동을 갖는 배럴(3)과, 이 배럴(3)의 내부를 축 방향을 따라 삽입 관통하도록 설치된 혼련 스크류(4)를 구비한다. 또한, 도 1에 있어서는, 설명을 위해, 배럴(3) 및 혼련 스크류(4)가 나열되어 도시되어 있다. 연속 혼련기(2)는, 혼련 스크류(4)를 회전시킴으로써 배럴(3) 내의 재료를 혼련하면서 하류측에 전달할 수 있도록 구성되어 있다.

또한, 이후의 연속 혼련기(2)의 설명에 있어서, 도 1의 지면의 좌측이 상류측, 지면의 우측이 하류측이다. 또한, 도 1의 지면의 좌우 방향이 축 방향이며, 당해 축 방향에 대하여 수직한 방향(지면의 상하 방향)이 축 수직 방향이다.

배럴(3)은 축 방향을 따라 긴 통 형상으로 형성되어 있고, 그 내부에 형성된 공동의 단면은, 2개의 원을 나열하여, 혹은 일부 중복시켜 접속한 형상(안경 형상)으로 되어 있다. 배럴(3)의 축 방향의 상류측에는 배럴(3) 내에 재료를 공급하는 호퍼(5)가 설치되어 있다. 또한, 배럴(3)의 내부에는, 전기 히터나 가열한 오일을 사용한 가열 장치(도시 생략)가 구비되어 있다.

혼련 스크류(4)는, 배럴(3)의 안경 형상의 내부 공동을 삽입 관통하도록 좌우 한 쌍 설치되어 있다. 한 쌍의 혼련 스크류(4, 4)는, 축 방향을 따라 형성된 스플라인축(6)을 내부에 구비하고 있고, 이 스플라인축(6)에 의해 관통 상태(꼬치 형상)로 복수의 세그먼트를 고정하도록 구성되어 있다.

혼련 스크류(4)는, 여러 가지 종류의 세그먼트를 조합함으로써 형성되어 있고, 도 1에서는 축 방향으로 3개의 부분으로 구성되어 있다. 이들 3개의 부분은, 재료를 혼련하는 혼련부(7)와, 혼련부(7)보다 상류측에 배치되어 혼련부(7)에 재료를 보내는 이송부(8)와, 혼련부(7)보다 하류측에 배치되어 혼련부(7)에서 혼련된 재료를 하류측의 펠리타이저 등에 보내는 압출부(9)로 구성되어 있다.

3개의 부분 중 이송부(8) 및 압출부(9)는, 각각 축 방향으로 나선 형상으로 비틀린 스크류 플라이트(도시 생략)를 구비한 복수의 스크류 세그먼트(10)로 구성되어 있고, 혼련 스크류(4)의 회전에 맞추어 재료를 하류측에 보낼 수 있도록 되어 있다.

혼련부(7)는, 3개의 부분의 중앙에 위치하고 있고, 축 방향으로 연속하여 배치된 복수의 혼련용 세그먼트(1)로 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 혼련용 세그먼트는 로터 세그먼트(1)이며, 혼련부(7)는 이 로터 세그먼트(1)를 축 방향으로 연속하여 6개 나열하여 배치함으로써 구성되어 있다.

각각의 로터 세그먼트(1)는, 축 수직 방향의 단면이 대략 타원 형상으로 형성되어 있다. 또한, 각각의 로터 세그먼트(1)의 중앙측에는, 스플라인축(6)을 삽입 관통 가능한 삽입 관통 구멍(11)이 축 방향을 따라 형성되어 있다. 로터 세그먼트(1)는, 삽입 관통 구멍(11)의 내주면에 복수의 이를 구비하고 있고, 스플라인축(6)과 결합하여 일체로 회전할 수 있도록 되어 있다.

각 로터 세그먼트(1)는, 혼련 스크류(4)의 회전 중심을 사이에 두고 배치되는 동시에 축 방향으로 연속하여 형성된 2조의 혼련용 플라이트(12)를 구비하고 있다. 혼련 스크류(4)가 회전하면, 이들 혼련용 플라이트(12)의 정상면(15)이 배럴(3)의 내주면을 스치도록 회전하여, 배럴(3)에 부착된 재료를 남기지 않고 긁어내 재료를 혼련할 수 있다.

혼련용 플라이트(12)의 정상면(15)에는, 이 정상면(15)의 축 방향의 일부를 직경 내측(축 수직 방향의 내측)을 향해 절결하여 오목 형상으로 형성된 절결부(13)가 형성되어 있다. 본 실시 형태의 혼련 스크류(4)는 축 방향을 따라 일정한 간격을 두고[구체적으로는, 도 3에 도시되는 바와 같이, 절결부(13)가 형성되어 있지 않은 정상면(15)의 축 방향 길이 a와, 절결부(13)의 축 방향 길이 b가 서로 동등해지도록] 복수의 절결부(13)를 구비한다. 이에 의해, 절결부(13)의 후술하는 저면(14)은, 혼련용 플라이트(12)의 정상면(15)보다 배럴(3)의 내벽까지의 간격(팁 클리어런스)이 커지도록 형성되어 있다. 즉, 본 실시 형태의 혼련 스크류(4)에 있어서, 혼련용 플라이트(12)의 정상면(15)이 팁 클리어런스가 작은 고위 팁부(16)로 되고, 절결부(13)의 저면(14)이 고위 팁부(16)보다 팁 클리어런스가 큰 저위 팁부(17)로 되어 있다.

상술한 바와 같은 고위 팁부(16)와 저위 팁부(17)를 축 방향으로 교대로 구비한 로터 세그먼트, 예를 들어 도 14의 (a), (b)에 도시되는 종래의 VCMT의 로터 세그먼트(21)에서는, 고위 팁부(16)는, 배럴(3)의 내벽과의 팁 클리어런스가 저위 팁부(17)보다 작게 되어 있다. 이 작은 팁 클리어런스에 재료를 유도하여 재료에 전단 방향의 힘을 가하면서 혼련을 행하므로, 혼련하는 재료에 높은 분배성을 부여할 수 있다. 한편, 저위 팁부(17)에서는, 배럴(3)의 내벽과의 팁 클리어런스가 고위 팁부(16)보다 크게 되어 있다. 이 큰 팁 클리어런스에 재료를 유도하여 재료에 신장 방향의 힘을 가하면서 혼련을 행하므로, 혼련하는 재료에 높은 분배성을 부여할 수 있다. 그로 인해, 재료에 높은 분산성과 분배성을 부여하여 양호하게 혼련을 행할 수 있다.

그런데 혼련이 곤란한 재료끼리를 혼련할 때, 예를 들어 분자량이나 용융 점도가 전혀 다른 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌을 서로 혼련하는 경우에는, 혼련 능력이 높은 VCMT의 로터 세그먼트(1)에 의해서도 혼련 능력이 부족한 경우가 있다. 이러한 경우에는, 혼련이 불충분한 부분이 겔로서 혼련 후의 재료 중에 남는 경우가 있다. 이러한 겔은, 분해 촉진제 등을 첨가해도 완전히 없앨 수는 없고, 혼련된 재료를 필름이나 시트로 성형하였을 때에 은점 등의 결함의 원인으로 되므로, 바람직하지 않다.

따라서, 도 2의 (a)에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 혼련용 세그먼트(1)에서는, 혼련용 플라이트(12)의 정상면(15)에, 축 방향을 향하는 2개의 측면(20, 20)과 이들 측면(20, 20)의 사이에 설치되는 저면(14)으로 둘러싸인 절결부(13)가 형성된다. 이 절결부(13)의 저면(14)은, 정상면(15)에 대하여 경사진 면 형상으로 형성된다. 이에 의해, 혼련 스크류(4)의 회전 방향의 일측을 향하는 절결부(13)의 개구(18)가, 타측을 향하는 개구(19)보다도 대면적으로 되어 있다.

다음으로, 본 발명의 절결부(13)에 대해 설명한다.

혼련용 플라이트(12)의 정상면(15)을 축 방향의 일부를 직경 내측을 향해 절결함으로써, 오목 형상의 절결부(13)가 형성되어 있다. 이 절결부(13)는, 2개의 측면(20)과, 이들 측면(20)의 사이에 형성되는 저면(14)으로 형성되어 있다. 측면(20)은, 혼련용 플라이트(12)의 정상면(15)으로부터 직경 내측을 향해 축 수직 방향을 따라 형성되어 있고, 축 방향으로 거리를 두고 서로 마주 보도록 형성되어 있다. 그리고 이들 2개의 측면(20)의 사이에는 후술하는 저면(14)이 형성되어 있다.

도 2의 (a)에 도시되는 바와 같이, 저면(14)은, 정상면(15)에 대하여 경사진 평면 형상으로 형성되어 있고, 배럴(3)의 내벽과의 거리가 혼련 스크류(4)의 회전 방향을 따라 서서히 이격되도록 구성되어 있다.

이와 같이 저면(14)이 정상면(15)에 대하여 경사진 평면 형상으로 형성됨으로써, 혼련 스크류(4)의 회전 방향의 일측을 향하는 절결부(13)의 개구(18)가, 타측을 향하는 개구(19)보다 대면적으로 된다. 이에 의해, 절결부(13)에 있어서 재료가 통과하는 면적은, 일측의 개구(18)로부터 타측의 개구(19)를 향함에 따라 좁아진다.

그리고 대면적의 개구(18)측으로부터 재료가 유입되도록 혼련 스크류(4)를 회전시키면, 절결부(13)에 유입된 재료는 2개의 측면(20)에 끼워져 새어나가는 일 없이 통과 면적이 서서히 좁혀져 신장 방향으로 힘이 가해진다. 이에 의해, 재료에 강한 신장 흐름을 부여하여 재료를 분배성 좋게 혼련할 수 있다.

그 결과, 본 발명의 혼련용 세그먼트(1)에서는, 혼련이 곤란한 재료끼리라도 분배성 좋게 혼련할 수 있다. 따라서, 혼련 후의 재료 중에 혼련이 불충분한 부분이 겔로서 남는 일이 없어, 은점 등의 결함을 확실하게 방지하는 것이 가능해진다.

도 2의 (b)에 도시되는 바와 같이, 저면(14)이 정상면(15)에 대하여 형성하는 경사 각도 θ는, 10 내지 25°, 바람직하게는 15 내지 20°이다. 이와 같이, 저면(14)의 경사 각도 θ가 10 내지 25°, 바람직하게는 15 내지 20°이면, 일측과 타측의 개구 면적에 큰 차이가 나므로, 재료에 충분한 신장 흐름을 발생시켜 재료를 분배성 좋게 혼련할 수 있다.

또한, 저면(14)으로부터 정상면(15)까지의 거리(최단 거리) L은, 혼련 스크류(4)의 축심으로부터 정상면(15)까지의 최대 거리에 대하여 바람직하게는 3 내지 14％, 더욱 바람직하게는 5 내지 10％이다. 저면(14)으로부터 정상면(15)까지의 거리 L이 지나치게 작으면, 재료로부터 큰 힘이 가해져 저면(14)의 단부가 손상될 가능성이 있다. 또한, 거리 L이 지나치게 크면, 절결부(13)를 통과하는 재료가 지나치게 많아져, 재료에 충분한 신장 방향의 힘을 부여할 수 없게 된다. 그로 인해, 거리 L은, 상술한 바와 같이 바람직하게는 3 내지 14％, 더욱 바람직하게는 5 내지 10％이다.

실시예

이하에, 실시예 및 비교예를 이용하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

실시예로서, 절결부(13)의 저면(14)이 정상면(15)에 대하여 경사진 로터 세그먼트(1)[본 발명의 로터 세그먼트(1)]를 사용하여 혼련을 행한다. 또한, 비교예로서, 저면(14)이 정상면(15)과 대략 평행하게 형성된 로터 세그먼트(21)(종래의 로터 세그먼트)를 사용하여 혼련을 행한다. 그리고 후술하는 대수 변형율(혼련 시에 재료에 가해지는 변형율의 로그값), 응력 적분값(재료에 가해지는 응력의 시간 적분값), 누적 변형(재료에 발생하는 변형의 시간 적분값), 에너지(응력과 변형의 곱의 시간 적분값)에 대하여, 로터 세그먼트(1, 21)의 차이가 부여하는 영향을, 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 계산하였다.

실시예에 사용되는 로터 세그먼트(1)는, 도 2의 (a), (b)에 도시되는 바와 같이, 혼련 스크류(4)의 축심을 중심으로 하여 직경 60㎜의 원통면을 정상면(15)으로 하는 것이다. 이 로터 세그먼트(1)는, 혼련 스크류(4)의 축심을 사이에 두고 대칭인 위치에 한 쌍의 혼련용 플라이트(12, 12)를 구비하고 있고, 각각의 혼련용 플라이트(12)에는 절결부(13)가 형성되어 있다. 실시예의 절결부(13)는, 정상면(15)에 대하여 경사진 저면(14)을 구비하고 있다. 이들 저면(14, 14) 사이의 직경 방향의 최대 거리[저면(14) 중 가장 직경 외측에 있는, 입구측의 개구 테두리끼리의 거리]는 53.15㎜, 최단 거리[저면(14) 중 가장 직경 내측에 있는, 출구측의 개구 테두리끼리의 거리]는 45㎜이다. 또한, 상술한 경사 각도 θ 및 거리 L로 표현하면, 실시예의 저면(14)은, 정상면(15)에 대하여 경사 각도 θ＝20°로 형성되어 있고, 또한, 거리 L은, 정상면(15)으로부터 혼련 스크류(4)의 축심까지의 최대 거리에 대하여 8％이다.

한편, 비교예에 사용되는 로터 세그먼트(21)는, 도 14에 도시되는 바와 같이, 절결부(22)의 저면(23)이 정상면을 따라 평행해지도록 형성되어 있다. 따라서, 비교예의 로터 세그먼트(21)의 절결부(22)의 저면(23)은, 실시예의 로터 세그먼트(1)의 저면(14)과는 달리, 정상면에 대하여 경사져 있지 않다. 저면이 경사져 있지 않은 점을 제외하면, 비교예의 로터 세그먼트(21)는, 실시예의 로터 세그먼트(1)와 동일한 형상으로 구성되어 있다.

표 1은, 실시예의 로터 세그먼트(1) 및 비교예의 로터 세그먼트(21)가 사용될 때의 혼련 조건을 나타낸다. 또한, 표 1에 있어서, 팁 클리어런스 C1은, 정상면(15)[고위 팁부(16)인 혼련용 플라이트(12)의 정상면(15)]과 배럴(3)의 내벽 사이에 형성되는 간격이 1.3㎜로 되도록 로터 세그먼트(1)를 배럴(3) 내에 배치한 예이다. 또한, 팁 클리어런스 C2는, 정상면(15)과 배럴(3)의 내벽 사이에 형성되는 간격이 2.6㎜로 되도록 로터 세그먼트(1)를 배럴(3) 내에 배치한 예이다.

표 1의 혼련 조건에 따라, 이하에 나타내는 각 평가 지표를 계산하고 평가를 행하였다.

또한, 평가 지표를 계산하는 것에 앞서, 용융 상태의 재료를 비뉴턴 유체로 취급함으로써 까루(Carreau) 모델의 적용이 가능한지의 여부를 판단하였다.

도 4에 나타나는 바와 같이, 용융 온도를 변화시켜 재료의 전단 속도와 전단 점도를 실측하면, 실측 결과는, 제곱칙 모델의 계산 결과보다도, 까루 모델의 계산 결과에 대하여 양호한 일치를 나타낸다. 따라서, 실험에 사용한 재료는 그 동점도 특성을 까루 모델에 따라 계산할 수 있는 것을 알 수 있다.

따라서, 입자 추적법[재료(수지)의 흐름을 타고 이동하는 재료 입자가 받은 변형 속도, 응력 등의 이력에 의해, 평가 지표를 평가하는 방법]을 이용하여, 로터 세그먼트 사이에 배치된 재료 입자가, 로터 세그먼트가 회전하였을 때에 까루 모델에 따라 계산되는 거동을 나타낸다고 가정하여, 각 평가 지표를 구하였다. 각 평가 지표는, 모든 재료 입자에 대하여 개별로 평가 지표를 계산하고, 계산된 평가 지표의 평균값 및 표준 편차를 구함으로써 평가하였다. 결과를 이하에 나타낸다.

(1) 대수 변형율

대수 변형율은, 로터 세그먼트 사이에 배치된 모든 재료 입자에 대해, 혼련 스크류(4)가 회전하였을 때에 유동 해석에 의한 속도를 타고 재료 입자(선 요소)가 어떻게 이동(확산)하는지를 나타내고 있다. 대수 변형율은, 혼련 전의 선 요소의 길이에 대한 소정 시간 혼련 후의 선 요소의 길이의 비를 로그에 의해 나타낸 것이며, 혼련 시간 5초로 혼련한 경우와, 혼련 시간 10초로 혼련한 경우의 각각에 대해 구해진다. 대수 변형율은, 혼련의 분배성을 평가할 때에 사용되는 지표이며, 「대수 변형율」이 클수록 분배성이 양호해진다.

계산된 대수 변형율을 모든 재료 입자에 대하여 평균하여 로그 평균값을 구하고, 이것을 클리어런스에 대하여 플롯한 것을 「대수 변형율의 평균값」으로 하여 도 5의 (a)에 나타내고, 이 대수 변형율의 표준 편차를 클리어런스에 대하여 플롯한 것을 「대수 변형율의 표준 편차」로 하여 도 5의 (b)에 나타냈다. 또한, 혼련 시간이 5초인 경우의 「대수 변형율」의 도수 분포(빈도 분포)를 도 6의 (a)에 나타내고, 혼련 시간이 10초인 경우의 도수 분포를 도 6의 (b)에 나타냈다.

도 5의 (a)의 혼련 시간이 5초인 경우를 보면, 팁 클리어런스가 C1(1.3㎜)인 경우도 C2(2.6㎜)인 경우도, 실시예의 로터 세그먼트(1)(흑색 원)를 사용한 혼련 쪽이 비교예의 로터 세그먼트(21)(백색 원)보다 「대수 변형율의 평균값」이 크게 되어 있다. 또한, 실시예 쪽이 비교예보다 「대수 변형율의 평균값」이 크게 된다고 하는 경향은, 혼련 시간이 10초인 경우라도 동일하다. 이것으로부터, 실시예의 로터 세그먼트(1)를 사용하여 혼련하면, 비교예의 로터 세그먼트(21)를 사용하는 것보다, 재료를 잡아 늘이도록 혼련할 수 있는 것을 알 수 있다.

한편, 도 5의 (b)의 결과에서는, 실시예의 로터 세그먼트(1)를 사용하여 혼련한 경우와, 비교예의 로터 세그먼트(21)를 사용하여 혼련한 경우에, 「대수 변형율의 표준 편차」에 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 이 경향은, 팁 클리어런스를 C1으로 해도 C2로 해도 동일하며, 또한 도 6의 (a) 및 도 6의 (b)에서도 동일하다. 즉, 실시예의 로터 세그먼트(1)를 사용하여 혼련해도 비교예의 로터 세그먼트(21)를 사용하여 혼련해도 「대수 변형율」의 표준 편차에 큰 차이가 없으므로, 상술한 결과는 「대수 변형율」이 전체적으로 크게 되어 있는 것이며, 재료 입자의 일부만의 「대수 변형율」이 국부적으로 크게 된 것은 아닌 것을 알 수 있다.

(2) 응력의 적분값

응력의 적분값은, 혼련 스크류(4)가 회전하였을 때에 재료 입자에 가해지는 응력을, 소정의 혼련 시간까지 시간 적분한 것이다. 응력의 적분값은, 혼련 시간 5초까지 시간 적분한 경우와, 혼련 시간 10초까지 시간 적분한 경우의 양쪽에 대해 구해진다.

구해진 적분값을 입자 전체에 대하여 평균하고, 평균값을 클리어런스에 대하여 플롯한 것을 「응력의 적분값의 평균값」으로 하여 도 7의 (a)에 나타내고, 적분값의 표준 편차를 클리어런스에 대하여 플롯한 것을 「응력의 적분값의 표준 편차」로 하여 도 7의 (b)에 나타냈다. 또한, 혼련 시간이 5초인 경우의 「응력의 적분값」의 빈도 분포를 도 8의 (a)에 나타내고, 혼련 시간이 10초인 경우의 빈도 분포를 도 8의 (b)에 나타냈다.

도 7의 (a) 내지 도 8의 (b)의 결과를 보면, 실시예의 로터 세그먼트(1)를 사용하여 혼련한 경우와, 비교예의 로터 세그먼트(21)를 사용하여 혼련한 경우에, 「응력의 적분값의 평균값」, 「응력의 적분값의 표준 편차」 및 「응력의 적분값」의 빈도 분포에 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 실시예의 로터 세그먼트(1)는, 저면(14)을 경사지게 함으로써, 비교예의 로터 세그먼트(21)보다 다량의 재료를 절결부(13)에 유도해 넣도록 한 것이다. 그러나 상술한 평가 지표에 큰 차이가 없으므로, 실시예의 로터 세그먼트(1)에 의한 혼련 시에도, 비교예의 로터 세그먼트(21)에 비해 큰 부하가 가해지는 것은 아니다. 따라서, 혼련 시에 예를 들어 혼련 스크류(4)의 구동 기구에 막대한 부하를 부여하는 등의 문제를 일으킬 염려는 없다고 생각된다.

한편, 도 8의 (a)에 나타나는, 혼련 시간이 5초인 경우의 「응력의 적분값」의 빈도 분포를 보면, 응력 적분값이 2000000 내지 2600000 부근의 결과(도면 중 P1으로 나타내는 부분)에 있어서, 비교예의 결과에만 빈도의 편차가 보인다. 이러한 빈도의 편차가 있는 혼련에서는, 전단 발열 등의 이상 발열이 일어나고 있는 경우가 있어, 발열에 의해 재료가 열화되는 등의 문제가 일어날 가능성이 높다. 또한, 도 8의 (b)에 나타나는, 혼련 시간이 10초인 경우의 결과에서도, 응력 적분값이 5000000 부근의 결과(도면 중 P2로 나타내는 부분)에 있어서, 도 8의 (a)와 마찬가지의 편차가 비교예에만 보여, 이상 발열이 일어나고 있을 가능성이 높다.

그런데 실시예의 결과에서는, 이러한 빈도의 편차가 전혀 보이지 않으므로, 실시예의 로터 세그먼트(1)에서는 이상 발열이 일어나기 어려워, 이상 발열에 의한 열화를 일으키는 일 없이 재료를 혼련할 수 있는 것을 알 수 있다.

(3) 누적 변형 및 에너지

누적 변형은, 혼련 스크류(4)가 회전하였을 때에 재료 입자에 발생하는 변형을 소정의 혼련 시간까지 시간 적분한 것이다. 누적 변형은, 혼련 시간 5초까지 시간 적분한 경우와, 혼련 시간 10초까지 시간 적분한 경우의 양쪽에 대해 구해진다.

구해진 적분값을 입자 전체에 대하여 평균하고, 평균값을 클리어런스에 대하여 플롯한 것을, 「누적 변형의 평균값」으로 하여 도 9의 (a)에 나타내고, 표준 편차를 클리어런스에 대하여 플롯한 것을, 「누적 변형의 표준 편차」로 하여 도 9의 (b)에 나타냈다. 또한, 혼련 시간이 5초인 경우의 「누적 변형」의 빈도 분포를 도 10의 (a)에 나타내고, 혼련 시간이 10초인 경우의 빈도 분포를 도 10의 (b)에 나타냈다.

한편, 이 변형과 상술한 응력값의 곱을 시간 적분한 것이 「에너지」이다. 「에너지」는, 혼련의 분산성을 평가할 때에 사용되는 지표이며, 「에너지」가 클수록 분산성이 양호해진다. 에너지도, 혼련 시간 5초까지 시간 적분한 경우와, 혼련 시간 10초까지 시간 적분한 경우의 양쪽에 대해 구해진다.

구해진 「에너지」를 입자 전체에 대하여 평균한 것을, 「에너지의 평균값」으로 하여 도 11의 (a)에 나타내고, 적분값의 표준 편차를, 「에너지의 표준 편차」로 하여 도 11의 (b)에 나타냈다. 또한, 혼련 시간이 5초인 경우의 「에너지」의 빈도 분포를 도 12의 (a)에 나타내고, 혼련 시간이 10초인 경우의 빈도 분포를 도 12의 (b)에 나타냈다.

도 9의 (a) 내지 도 12의 (b)의 결과를 보면, 실시예의 로터 세그먼트(1)를 사용하여 혼련한 경우와, 비교예의 로터 세그먼트(21)를 사용하여 혼련한 경우에, 「누적 변형」이나 「에너지」의 평균값, 표준 편차, 빈도 분포에 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다. 즉, 실시예의 로터 세그먼트(1)는, 비교예의 로터 세그먼트(21)에 비해 재료의 분산성을 떨어뜨리는 일 없이 혼련 가능한 것이라고 판단된다.

또한, 도 13은 실시예의 로터 세그먼트(1) 및 비교예의 로터 세그먼트(21)의 각각에 있어서, 팁 클리어런스가 C1 또는 C2일 때에, 재료 입자가 어떻게 분포하는지를 시각화하여 도시한다. 도 13의 (a) 및 (b)에 도시되는 실시예의 로터 세그먼트(1)에서는, 도 13의 (c) 및 (d)에 도시되는 비교예의 로터 세그먼트(21)에 비해, 재료 입자가 로터 세그먼트(1)의 주위에 보다 광범위하게 확산되어 있어, 재료를 분배성 좋게 혼련할 수 있는 것을 알 수 있다.

이것으로부터, 실시예의 혼련용 세그먼트(1)에서는, 비교예의 혼련용 세그먼트(21)에 비해 재료를 분배성 좋게 혼련할 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 실시예의 혼련용 세그먼트(1)에서는, 혼련 후의 재료 중에 혼련이 불충분한 부분이 겔로서 남는 일이 없어, 은점 등의 결함을 확실하게 방지하는 것이 가능해진다고 판단된다.

본 발명은 상기 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 발명의 본질을 변경하지 않는 범위에서 각 부재의 형상, 구조, 재질, 조합 등을 적절하게 변경 가능하다.

예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 배럴(3)의 내벽과의 팁 클리어런스가 일정하게 된 고위 팁부(16)와, 이 고위 팁부(16)보다 팁 클리어런스가 큰 저위 팁부(17)가 축 방향을 따라 교대로 형성된 혼련용 플라이트(12)를 갖는 VCMT의 혼련 스크류(4)에 대하여, 이 혼련 스크류(4)의 저위 팁부(17)를 절결부(13)로 한 예를 들어 본 발명의 혼련용 세그먼트(1)를 설명하였다.

그러나 절결부(13)는 VCMT의 혼련 스크류(4)에 있어서의 저위 팁부(17)에 한정되지 않고, 절결부(13)를 설치하는 혼련용 세그먼트(1)는 로터 세그먼트에 한정되지 않는다. 예를 들어, 니딩 디스크 세그먼트의 혼련용 플라이트(12)의 정상면(15)에 절결부(13)를 설치하고, 이 절결부(13)의 저면(14)을 정상면(14)에 대하여 경사지게 하여, 이 니딩 디스크 세그먼트를 혼련용 세그먼트(1)로 해도 된다.

본 출원은 2009년 12월 25일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2009-295056호)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

1 : 혼련용 세그먼트(로터 세그먼트)
2 : 연속 혼련기(혼련 설비)
3 : 배럴
4 : 혼련 스크류
5 : 호퍼
6 : 스플라인축
7 : 혼련부
8 : 이송부
9 : 압출부
10 : 스크류 세그먼트
11 : 삽입 관통 구멍
12 : 혼련용 플라이트
13 : 절결부
14 : 절결부의 저면
15 : 혼련용 플라이트의 정상면
16 : 고위 팁부
17 : 저위 팁부
18 : 일측의 개구(재료가 유입되는 측에 면하는 절결부의 개구)
19 : 타측의 개구(재료가 유출되는 측에 향하는 절결부의 개구)
20 : 절결부의 측면
21 : 로터 세그먼트(종래예)
22 : 절결부(종래예)
23 : 저면(종래예)
θ : 저면이 정상면에 대하여 형성하는 각도
L : 저면으로부터 정상면까지의 거리(최단 거리)
a : 혼련용 플라이트의 정상면의 축 방향 길이
b : 절결부의 저면의 축 방향 길이

Claims

내부 공동을 갖는 배럴에 회전 가능하게 수용되는 혼련 스크류에 설치되어, 상기 배럴 내에 공급되는 재료를, 상기 혼련 스크류의 회전에 맞추어 회전시킴으로써 혼련하는 혼련용 플라이트를 구비하는 혼련용 세그먼트이며,
상기 혼련용 플라이트의 정상면에는, 상기 정상면의 축 방향의 일부를 직경 방향 내측을 향해 절결하여 오목 형상으로 형성되는 동시에, 축 방향으로 마주 보는 2개의 측면과 이들 측면의 사이에 설치되는 저면으로 둘러싸인 절결부가 형성되어 있고,
상기 절결부의 상기 저면을 상기 정상면에 대하여 경사진 면 형상으로 형성함으로써, 상기 절결부는, 상기 혼련 스크류의 회전 방향의 일측을 향하는 상기 절결부의 개구가 타측을 향하는 개구보다 대면적으로 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 혼련용 세그먼트.
제1항에 있어서, 상기 혼련용 플라이트는, 상기 배럴의 내벽과의 팁 클리어런스가 일정한 고위 팁부와, 상기 고위 팁부보다 팁 클리어런스가 큰 저위 팁부를 축 방향을 따라 교대로 갖고 있고,
상기 저위 팁부가 상기 절결부에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 혼련용 세그먼트.
제1항 또는 제2항에 기재된 혼련용 세그먼트를 구비한, 혼련 설비.