JP2001252967A - ペット樹脂パイプ押出成形用のサイジング装置 - Google Patents

ペット樹脂パイプ押出成形用のサイジング装置

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JP2001252967A
JP2001252967A JP2000064884A JP2000064884A JP2001252967A JP 2001252967 A JP2001252967 A JP 2001252967A JP 2000064884 A JP2000064884 A JP 2000064884A JP 2000064884 A JP2000064884 A JP 2000064884A JP 2001252967 A JP2001252967 A JP 2001252967A
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pipe
sizing
die
pet
extrusion
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Hirosuke Kojima
博助 小島
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Nissho Giken KK
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JSS KK
Nissho Giken KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ペット樹脂のパイプ押出成形におけるパイプ押
出成形性と生産性を向上させることができるサイジング
装置を提供する。 【解決手段】 ペット樹脂及びペットボトル粉砕フレー
クを原料とするペットパイプ押出成形用のサイジングダ
イの材質をアルミニウム合金とし、ダイ内のパイプとの
接触面を酸化硬化膜に弗素樹脂の含浸処理を施したペッ
ト樹脂パイプ押出成形用のサイジング装置。また、サイ
ジングダイをセグメント構成とし、各セグメントダイ毎
に温度設定して温度の不連続面を形成させると共にパイ
プ押出速度に応じて必要な冷却長にダイ個数を調節可能
にする。更に、サイジングダイを押出機にクロスヘッド
型に連結してパイプの内外面の冷却を容易にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ペット樹脂(ポリ
エチレンテレフタレート樹脂)、特にペットボトルの粉
砕フレーク品によるペットパイプの押出成形機にクロス
ヘッド型にサイジング・ダイを連結して、押出成形性と
生産性を向上させることができるサイジング装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】押出成形に用いられるサイジングダイに
ついては、一般によく知られており、パイプ成形で日常
的に使用されているサイジングダイは、例えば、村上健
吉監修「押出成形」(プラスチックエンジ社1985年
刊)、沢田慶司監修「プラスチック押出成形の最新技
術」1993年初版45頁〜54頁、高分子学会編「プ
ラスチック加工技術ハンドブック」747頁〜749
頁、沢田慶司監修「押出成形技術入門」(シグマ社19
95年刊)51頁〜67頁等の文献に数多く報告されて
いる。
【0003】これらの文献から明らかなように、従来公
知となっているサイジング装置とはダイより押し出され
たまだ熱い溶融樹脂パイプを変形の起こらない程度に所
定の寸法に冷却、固化する部分をサイジング部と称して
おり、寸法規正を目的としている。
【0004】また、クロスヘッドダイも公知であり、例
えば「押出成形技術入門」沢田慶司著1995年50頁
にも説明されているように、従来から主として電線被覆
とかインフレーションチューブやパイプの押出の場合、
押出機の方向と直角に左、右或いは上、下に流れ方向を
転向させて押出すダイを云う。
【0005】以上の文献でも報告されているように、押
出成形品におけるサイジングダイは寸法規正のためであ
り、また押出方向を変更するために従来、電線の樹脂被
覆にクロスヘッドが使用されて来ている。
【0006】本発明のサイジング装置は、従来の目的や
定義とは異なり、溶融粘度の低いペット樹脂を用いてパ
イプ(中空形状)を押出成形する場合に、冷却によるパ
イプ形状の保持や生産性の向上のために、従来のサイジ
ングの概念とは全く異なった目的で使用するという工夫
に成功したものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ペットボトル用グレー
ドのペット樹脂は、固有粘度が0.7〜0.8と云う最
も低価格で低分子量のグレードが使用されており、その
ブロー成形における水分による加水分解と高温による熱
分解によってペットボトルの樹脂成分は更に低分子量化
されている。
【0008】そのために鎖延長剤としてカルボジイミド
化合物や2官能のイソシアネートを添加し、ペット樹脂
の溶融粘度を増粘させ、押出成形性や機械的強度の向上
を図ることがペットボトル粉砕フレークの押出成形を成
功させる先ず第一の手段である。ペット樹脂にカルボジ
イミド化合物を添加して射出成形するケースは、特開平
8−225722号公報、特開平8−245864号公
報、特開平10−298303号公報で報告されてい
る。
【0009】然し乍ら、中空形状であるパイプ成形の場
合にはカルボジイミド化合物や2官能のイソシアネート
の鎖延長剤としての効果だけでは不十分でありパイプの
押出成形はできない。即ちペットボトルの粉砕フレーク
を原料とするパイプ成形の場合は、射出成形やブロー成
形の場合とは大きく異なり、パイプ成形ダイの中を20
0〜300ポイズの極めて低粘度の融液が流れながら2
〜3℃の温度差で急激に固化し、その固化後はパイプ成
形ダイの金属壁面を高温のため動的摩擦係数の大きい固
化ペットパイプを前方に推進輸送させねばならないので
ある。この現象は、一般のパイプ材料であるポリオレフ
ィン樹脂、塩化ビニル樹脂やスチロール系樹脂のパイプ
押出とは根本的に異なる現象である。
【0010】従って、ペット樹脂、特に溶融粘度の非常
に低いペットボトル粉砕フレークを原料としてパイプの
ような中空形状の連続成形が日本及び世界で未だ企業化
されていない根本的な原因である。
【0011】一方、1995年6月に通称「容器包装リ
サイクル法」が公布、施行され、分別排出、分別収集が
行われるようになり、2000年4月からは完全実施さ
れることになる。然し、その法律の第2種指定製品であ
るペットボトルのマテリアル・リサイクルについて大量
消費のできる新しい成形加工技術は現時点では日本及び
世界で成功していない。それはペットボトル粉砕フレー
クを用いたパイプ押出成形のような大量消費型の加工技
術が上記の理由即ち極めて低粘度のペット融液から2〜
3℃の温度差で急速に固化してしまう中空形状のパイプ
の連続押出成形が技術的に非常に困難であるからであ
る。
【0012】ペット樹脂、特にペットボトル粉砕フレー
ク品のパイプ押出成形においては、270〜280℃の
押出作業温度で溶融粘度が200〜300ポイズと極め
て低粘度の融液となる。この点で一般のパイプ材料(ポ
リオレフィン樹脂や塩化ビニル樹脂やスチロール系樹
脂)とは比較にならぬ程の大きな差があるが、その融液
の冷却過程、即ち270〜280℃から冷却していく
際、僅か2〜3℃の温度降下で急激に固化し、成形ダイ
内部の大きな摩擦係数によってパイプの推進が停止して
しまうのである。
【0013】この極めて急激な相転移現象は、他のパイ
プ材料(ポリオレフィン樹脂や塩化ビニル樹脂やスチロ
ール系樹脂)にはあり得ない決定的な相違である。然
も、この固化ペットパイプは高温なるが故に粘着性であ
り、ダイの金属表面との動的摩擦係数が大きいために、
ダイ内部を前進するパイプと金属表面との間に滑性を付
与しないとパイプの移動に要するパイプ推進力の負荷が
非常に大きくなり、パイプの前進が停止してしまう。
【0014】本発明者は、ペット樹脂及びペットボトル
粉砕フレークを原料としてパイプを成形するための押出
成形にあたっては、これらの課題を解決するための技術
に成功した。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、ペット樹脂及
びペットボトル粉砕フレークを原料とするペットパイプ
押出成形用のサイジングダイの材質をアルミニウム合金
とし、ダイ内のパイプとの接触面を酸化硬化膜に弗素樹
脂の含浸処理を施したペット樹脂パイプ押出成形用のサ
イジング装置である。
【0016】また、本発明は、上記サイジング装置にお
いて、サイジングダイをセグメント構成とし、各セグメ
ントダイ毎に温度設定して温度の不連続面を形成させる
と共にパイプ押出速度に応じて必要な冷却長にダイ個数
を調節可能にした、ペット樹脂パイプ押出成形用のサイ
ジング装置である。
【0017】更に、本発明は、上記サイジング装置にお
いて、サイジングダイを押出機にクロスヘッド型に連結
してパイプの内外面の冷却を容易にした、ペット樹脂パ
イプ押出成形用のサイジング装置である。
【0018】
【発明の実施の形態】本発明は、ペット樹脂(ポリエチ
レンテレフタレート樹脂)とペットボトル粉砕フレーク
を原料とするペット樹脂パイプ押出成形用のサイジング
装置である。このサイジング装置と押出成形機とはクロ
スヘッド型に連結し、パイプ内外面の冷却を容易にす
る。
【0019】ペット樹脂とペットボトル粉砕フレーク
は、任意の割合で混合したものを原料とすることができ
る。特に、ペットボトル粉砕フレーク100〜60重量
部とペット樹脂0〜40重量部とのブレンド物を用いる
ことができる。更に、増粘効果のある添加物、例えばカ
ルボジイミド化合物や二官能イソシアネート化合物など
の鎖延長剤並びに適正な滑剤を常法によって添加する必
要がある。
【0020】上述した課題を解決するために、本発明で
採用したサイジング装置については次の通りである。
【0021】 サイジングダイの材質を熱伝導率の大
きいアルミニウム合金としたことにより、温度の鋭敏な
対応に備えることができる。
【0022】 ダイの金属表面に弗素樹脂の含浸処理
を施すことにより、パイプに滑性効果を付与することが
できる。
【0023】 サイジングダイをセグメント構造とし
たので、押出速度の変化に対応したサイジングダイの最
適冷却長が選定できる。
【0024】 サイジングダイをセグメント方式にし
たので、セグメント間の熱干渉を防ぎそれぞれのセグメ
ント設定温度のコントロールを容易にする。
【0025】 押出成形機とサイジングダイをクロス
ヘッドに連結したことにより、パイプの外面、内面の両
面を熱媒によって冷却することを容易にする。
【0026】 ペット樹脂は2〜3℃の温度差で固化
するために、コンピュータを用いて冷却温度を段階的に
制御できる機構を設けて、サイジングダイの温度コント
ロールを容易にする。
【0027】次に本発明の主要なる提案について、説明
をする。
【0028】(1)サイジングダイの材質をアルミニウ
ム合金にし、ダイ内のパイプの接触面に弗素樹脂の含浸
処理を施す理由について。
【0029】サイジングダイ内でのペット樹脂の融液か
らペットパイプに固化する相転移が温度差2〜3℃とい
う極めて狭い温度範囲で起きるために、先ず各セグメン
ト間の設定温度に対するフィードバック或いはフィード
フォワード制御が必要である。これは、コンピュータ管
理することによっても可能である。
【0030】本発明では、その微妙な温度変化に迅速に
対応するために、サイジングダイの材質として熱伝導率
の大きいアルミニウム合金を選定した。因みにアルミニ
ウム合金の熱伝導率は180kcal/m・h・℃であ
るのに対し、鉄の熱伝導率は39kcal/m・h・℃
である。
【0031】弗素樹脂の含浸処理は、一次処理として酸
化被膜処理(硬質アルマイト)を行って表面硬度を大き
くし、二次処理で弗素樹脂を含浸処理する。これによっ
て、高温時に熱膨張の差から発生するアルマイト膜の亀
裂に対し、弗素樹脂がその亀裂に沿って含浸され、強固
にアンカーされる。
【0032】このアンカーの効果により、例えばテフロ
ン(米国デュポン社の登録商標)による通常の弗素コー
ティングによる表面処理とは異なり、ペットパイプ押出
温度である270〜280℃と云う高温に於いても剥離
や脱落等を起こす危険性はない。
【0033】(2)サイジングダイの構造を、ワンピー
スではなく、セグメント構成にした理由について。
【0034】ペット樹脂特にペットボトル粉砕フレーク
品を原料として中空形状のパイプの連続押出成形を行う
には、例えば押出機のバレル温度を270℃として押出
成形を行うと、樹脂は押出機内のパイプダイを270℃
の融液の状態で流れ、ギャーポンプによって樹脂圧力を
調整してからクロスヘッドに連結したサイジングダイに
入る。そしてサイジングダイではパイプの外面、内面を
熱媒で冷却しながら固化させ、固化したパイプをダイの
金属表面を滑らせながら推進させる。勿論、配合に適正
な滑剤も加える。これが本発明に於けるペット樹脂押出
〜パイプ成形による流れである。
【0035】従って、一般のパイプ成形材料であるポリ
オレフィン樹脂、塩化ビニル樹脂やスチロール系樹脂の
場合と根本的に全く異なるのは、ペット樹脂の場合に
は、押出スクリューの先端からサイジングダイのセグメ
ント迄は低粘度の融液の状態で流れるが2〜3℃の温度
差で急激に固化する現象が起こることである。
【0036】従って、ペットパイプの成形及び押出生産
性は、他の一般的パイプ材料の場合に比較して全く異な
った発想に立脚して考える必要がある。
【0037】本発明では各セグメント毎に温度設定で指
示した冷却温度、例えば200℃、190℃、180
℃、170℃、160℃と5セグメントに設定した指示
温度のそれぞれについて、フィードバック或いはフィー
ドフォワード制御をすると共に、それぞれのセグメント
の熱干渉を解消するため、セグメント間の熱的不連続性
を確保することができる。これがセグメント構造にした
第1の理由である。
【0038】サイジングダイ内部でペット樹脂融液から
急激に固化するペットパイプに対して冷却の迅速な応答
と冷却指示温度の正確な管理をするには、サイジングダ
イにコンピュータ制御装置を設けて、正確な温度管理を
行う。
【0039】次に、ペット樹脂パイプの押出生産性を向
上させるためには、ペット樹脂パイプの押出速度に対応
して、冷却長を調節せねばならない。
【0040】ペット樹脂は結晶性高分子のために冷却温
度で結晶化熱が発生するし、280〜285℃の高温融
液から例えば150℃などの温度まで下げるために、大
きな熱カロリーの除熱、冷却が必要である。即ち、ペッ
ト樹脂パイプ押出の速度が大きくなる程、冷却長を長く
する必要がある。
【0041】その際に、本発明ではサイジングダイをセ
グメント構成にしたので、サイジングダイの個数を増加
したり、減少するだけで容易に適切な冷却長にすること
ができる。本発明によるサイジングダイの寸法は当然生
産するパイプの寸法により異なるが、例えばJIS K
6761一般ポリエチレン管の呼び径75(外径89m
m、内径78mm)の場合のサイジングダイの寸法の一例
としてφ275×300Lを挙げることができる。この
場合のセグメントの数は押出速度によって変わるが、7
0kg/hrの押出速度では一例として5個を挙げることが
できる。
【0042】これらの背景のもとに押出機のパイプダイ
から流れ出てくるペット樹脂の融液をセグメントに分割
されたサイジングダイでの冷却過程について以下の通り
議論する。
【0043】ペット樹脂、特にペットボトルの粉砕フレ
ークのような低分子量ペット樹脂から押出機による連続
パイプ成形が現時点で日本及び世界で企業化されていな
い事実に対する本発明者の見解を明らかにする。
【0044】ペットボトルの粉砕フレーク品は押出機中
で255℃以上の温度で溶融し、例えば200〜300
ポイズという非常に粘度の低い融液になる。先ず、本発
明では常法に従ってカルボジイミド化合物や2官能のイ
ソシアネートで低粘度のペット融液を増粘し、その増粘
ペット融液をサイジングダイでパイプの形状を保持しつ
つ冷却固化させる。
【0045】ペット樹脂は結晶性高分子であるため冷却
固化に際し結晶化熱を放出し、また、高温から広い温度
範囲で徐冷しながら滑らせて、パイプ成形を完成させる
のである。
【0046】例えば、パイプ形状外径89mm、内径7
9mm、肉厚5mm、押出量100kg/hrとし、サ
イジングダイによってパイプの外面、内面の両両から強
制冷却する。冷却長は1,200mm(但し全長は1,
500mm)である。
【0047】サイジング装置での押出パイプの温度帯の
温度は、一例として次のように示すことができる。
【0048】 ペット融液温度: 285℃ パイプ出口温度: 150℃ 冷却温度差: 135℃ ペット樹脂の比熱 0.24kcal/kg 以上の場合の冷却熱量は 3,240kcal/hrである。 ペット樹脂の熱伝導率 λ=0.18kcal/m・h・℃ フーリエの法則 q=λ・A・(t1−t2)/b bは伝熱断面厚み(パイプ肉厚)を、Aは伝熱面積を示
す。以上の条件から、外面・内面の両面から強制冷却す
る場合は、外面だけの冷却に比較してAが約2倍にな
り、肉厚は1/2になることから内外面の温度差が1/
4になり熱応力を非常に低減できる。
【0049】因みに、上記条件では、t1−t2=71.
4℃となり、即ち285℃のペット融液から150℃の
パイプに冷却する際、パイプ表面とパイプ中心部の温度
差が71.4℃となる。
【0050】本発明は、これらの要件を備えたサイジン
グ装置を用いることによって、溶融粘度の低いペット樹
脂を用いて中空形状のパイプを押出成形する場合の冷却
を適切に行うことを可能にし、パイプ押出成形性と生産
性とを向上させることができるという付加価値の高い技
術開発に成功したのである。
【0051】
【実施例】本発明を例に基づいて説明するがこれは本発
明を限定するものではない。
【0052】 実施例1 (1)押出装置 押出機 神戸製鋼所製 HYPER KTX−46MX サイジングダイ (有)ジェイ・エス・エス製 8個のセグメントで構成 アルミニウム合金、弗素樹脂による含浸処理 押出棚とサイジングダイはクロスヘッド型(直角)に連結 (2)原料配合 ペットボトル粉砕フレーク(水分90ppmに乾燥したもの) 100重量部 カルボジイミド化合物(日清紡製 HMV10B) 1.0重量部 滑剤(理研ビタミン製 リケマールSL−800) 2.0重量部 (3)運転条件 押出パイプの寸法外径 外径89mm、内径79mm、厚み5mm パイプ押出量 100kg/hr 押出機シリンダー温度 280℃ 押出機スクリュー回転数 150RPM サイジングダイ、セグメント温度 No.1…285℃、 No.2…255℃、 No.3…240℃、 No.4…200℃、 No.5…170℃、 No.6…180℃ No.7…160℃、 No.8…150℃ (4)結果 サイジングダイでの冷却熱量 3,350kcal/hr 得られたパイプはフローマークがなく外観良好である。 JIS K6761 引張試験 32.3N/mm2 ※JIS規格値よりはるかに優れている。
【0053】 実施例2 (1)押出装置 押出機 実施例1に同じ。 サイジングダイ (有)ジェイ・エス・エス製 10個のセグメントで構成 アルミニウム合金、弗素樹脂による含浸処理 押出機とサイジングダイはクロスヘッド型(直角)に連結 (2)原料配合 ペットボトルフレーク(水分90ppmに乾燥) 100重量部 2官能イソシアネート 1.5重量部 滑剤(理研ビタミン製リケマールSL−800) 2.0重量部 (3)運転条件 押出パイプの寸法 実施例1に同じ。 パイプ押出量 130kg/hr 押出機シリンダー温度 285℃ 押出機スクリュー回転数 180RPM サイジングダイ、セグメント温度 No.1…285℃、 No.2…260℃ No.3…240℃、 No.4…220℃ No.5…190℃、 No.6…180℃ No.7…170℃、 No.8…160℃ No.9…150℃、 No.10…140℃ (4)結果 サイジングダイでの冷却熱量 4,350kcal/hr 得られたパイプはフローマークがなく外観良好である。 JIS K6761 引張試験 31.2N/mm2 ※JIS規格値よりはるかに良好である。
【0054】 実施例3 (1)押出装置 押出機 実施例1に同じ。 サイジングダイ (有)ジェイ・エス・エス製 12個のセグメントで構成 アルミニウム合金 弗素樹脂による含浸処理 押出機とサイジングダイはクロスヘッド型(直角)に連結 (2)原料配合 実施例1に同じ。 (3)運転条件 押出パイプの寸法 実施例1に同じ。 パイプ押出量 150kg/hr 押出シリンダー温度 実施例2に同じ スクリュー回転数 210RPM サイジングダイ、セグメント温度 No.1…285℃、 No.2…280℃ No.3…270℃、 No.4…250℃ No.5…230℃、 No.6…200℃ No.7…190℃、 No.8…180℃ No.9…170℃、 No.10…160℃ No.11…150℃、 No.12…140℃ (4)結果 サイジングダイでの冷却熱量 5,010kcal/hr 得られたパイプはフローマークがなく外観良好。 JIS K6761 引張試験 30.5N/mm2 ※JIS規格値よりはるかに良好である。
【0055】比較例1 (1)押出装置 押出機 神戸製鋼所製 HYPER KTX 46M
X サイジングダイ セグメント構成でなく、φ275×600L(mm)の
一本物とした。 押出機とサイジングタイは直線状に連結した。そのた
めにパイプ外面のみ熱媒で冷却しパイプ内面の冷却は行
わず。 (2)原料配合 実施例1に同じ (3)運転条件 押出パイプの寸法 実施例1に同じ(外径89m
m、内径79mm) 押出シリンダー温度 280℃ スクリュー回転数 150RPMで運転を開始した
が、サイジングダイからはパイプが押出されず、融液ば
かり流出した。従って、150RPMから30RPMに
下げてようやく融液の流出が止まった。 サイジングダイの温度 一本物のため200℃加熱
帯と150℃加熱帯に分けた。
【0056】(4)結果 サイジングダイでの冷却熱量 1,720kcal/
h 得られたパイプは内外面の温度差のためにカーブ状に
湾曲し、正常なパイプが得られなかった。 パイプ押出量 15kg/hrで生産性は激減し
た。
【0057】比較例2 (1)押出装置 押出機 実施例1と同じ サイジングダイ 材質をステンレス鋼のバフ研磨処理
とした。セグメント数は実施例1と同様に8個で構成し
た。 押出機とサイジングダイはクロスヘッド型(直角)に
連結 (2)原料配合 実施例2に同じ (3)運転条件 押出パイプの寸法 実施例1と同じ 押出シリンダー温度 280℃ 押出機スクリュー回転数 150RPMでスタートし
たがサイジングダイでパイプ推進が停止したため、20
RPM迄下げて運転した。 サイジングダイの温度 実施例1と同じに設定。
【0058】(4)結果 サイジングダイでの冷却熱量 1850kcal/
hr パイプの表面にフローマークが多く、外観不良のパイ
プであった。 押出作業 サイジングダイ内でのパイプの粘着のた
めに時々パイプの押出が停止し、その度にパイプのフロ
ーマークの発生が多発し外観が極めて不良となった。 押出量8kg/hrで生産性は激減した。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ペット樹脂及びペットボトル粉砕フレー
    クを原料とするペットパイプ押出成形用のサイジングダ
    イの材質をアルミニウム合金とし、ダイ内のパイプとの
    接触面を酸化硬化膜に弗素樹脂の含浸処理を施したペッ
    ト樹脂パイプ押出成形用のサイジング装置。
  2. 【請求項2】 サイジングダイをセグメント構成とし、
    各セグメントダイ毎に温度設定して温度の不連続面を形
    成させると共にパイプ押出速度に応じて必要な冷却長に
    ダイ個数を調節可能にした、請求項1記載のペット樹脂
    パイプ押出成形用のサイジング装置。
  3. 【請求項3】 サイジングダイを押出機にクロスヘッド
    型に連結してパイプの内外面の冷却を容易にした、請求
    項1又は2に記載のペット樹脂パイプ押出成形用のサイ
    ジング装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008123052A1 (ja) * 2007-03-28 2008-10-16 National University Corporation Tohoku University 樹脂成型装置
KR102082003B1 (ko) * 2019-04-19 2020-02-26 송창호 복합 파이프 제조장치 및 제조방법

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