JP2005035212A - ニーディングディスク、ディスクおよび混練方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】樹脂混練の際の樹脂温度の上昇を抑制するとともに、最適な分散機能と分配機能を発揮するニーディングディスクを提供する。
【解決手段】ニーディングディスク1は、樹脂の主流れ50a、50bに沿わす方向に螺旋角度θで配置されているフライトチップ3を備えた複数のディスク2を有する。各ディスク2のフライトチップ3間には隙間部52が形成されている。樹脂は、フライトチップ3に沿って流れる主流れ50a、50bと、隙間部52を流れる逆流53と、フライトチップ3を乗り上げて流れるチップ乗り上げ流れ54との概ね3つの流れにより、樹脂温度の過度の温度上昇を伴うことなく分散、分配されて混練される。
【選択図】図2

Description

本発明は、主にプラスチックスの混練を行う同方向回転の二軸混練機あるいは二軸押出機のニーディングディスク、ディスクおよび混練方法に関するものである。
従来、プラスチックスの混練機あるいは押出機に使用されてきた混練用スクリュは、一般的に送り翼と戻し翼、さらに逆フライト、シールリング、中立翼などを組み合わせて、目的に適合した混練性能を得ていた。
送り翼と戻し翼には、混練スクリュのフライトチップ部が連続した螺旋を描くロータ型とスクリュ軸方向に多段に並べられ、そのスクリュ軸方向に平行なフライトチップ部が不連続かつ螺旋状に配列されたディスクから構成されるニーディングディスク型があり、混練は主にこれらのスクリュにて行われる。
逆フライトは、フライトの螺旋方向が正(順)と逆方向であるフルフライトで、フライトの押し戻し効果を利用した堰き止めに使用される。
シールリングは、つば状のリングでシリンダ内径とリング外径で構成されるクリアランス部の通過抵抗による堰き止め効果が利用されている。
中立翼は、それ自体には輸送能力は無いが、混練能力を有している。ロータ型の中立翼は、フライトチップ部がスクリュ軸に平行なものが一般的であり、ニーディングディスク型の中立翼は、スクリュ軸方向に並べたディスクのずらし角度を調整して輸送能力を無くしたもので、混練スクリュの断面形状が2条の場合は90°、3条の場合は60°が一般的である。
混練方式は、シリンダ内壁と混練スクリュのチップ部にて構成されるチップクリアランスに混練物を流入させることにより発生するせん断応力やせん断エネルギーによる分散型と、シリンダと混練スクリュにより構成される混練部内を混練物が循環することにより発生する分配型とに分けられる。
一般的には、ロータ型混練スクリュが分散型(せん断型)、またニーディングディスク型が分配型(攪拌型)と言われており、目的とする混練性能に合わせてこれらを使い分けている。
すなわち、分散主体の混練性能が求められる場合は、ロータ型が主に使用され、分配主体の混練性能が求められる場合は、ニーディングディスク型が主に使用されている。
従来のニーディングディスクに関しては、例えば、耐摩耗性を向上させたニーディングディスクおよびニーディングディスクの製造方法(特許文献1参照)、低温混練を可能とするとともに、セルフクリーニング作用を十分に発揮するニーディングスクリュピース体(特許文献2参照)、あるいは針状フィラーを過度に圧縮せずに樹脂を混練するための凸曲面を有するニーディングディスク(特許文献3参照)等が開示されている。
次に、従来のプラスチックスの混練動作の概要について説明する。
前述したように、混練スクリュは、大別するとロータ型とニーディングディスク型の2タイプになる。
図6に従来の2条正送りロータの一例における樹脂混練を模式的に表した展開図を示す。2条正送りロータ200は混練スクリュのフライトチップ202が連続した螺旋を描くように配置されている。ロータ型は、フライトチップ202によって形成された混練物主流路251aを流れる樹脂の主流れ251aの一部がフライトチップ202を乗り越えて主流れ251b側へと剪断力を受けながら流れ込むことで分散がなされる。
図7に従来の2条正送りニーディングディスクの一例における樹脂混練を模式的に表した展開図を、また、図8(a)に従来の2条正送りニーディングディスクの一例の側面図を、図8(b)にスクリュの軸方向にみた正面図をそれぞれ示す。
ニーディングディスク300は、フライトチップ303の位置が互いにずれるように、45°のずらし角度A’をもって配列された5枚のディスク302からなる。各フライトチップ303は、スクリュ軸方向に平行なフライトチップ303が不連続かつ螺旋状に配列されており、各フライトチップ303間には隙間部352が形成されている。
ニーディングディスク300がシリンダ内で回転することにより混練部下流方向への主流れ351aが形成され、この主流れ351aの一部は、チップ乗り上げ流れ354としてフライトチップ303を乗り上げ、フライトチップ303とシリンダ30の内壁との間の隙間で剪断力を受けながら主流れ351aから主流れ351bへと流れ込むとともに、逆流353も主流れ351aから主流れ351bへと流れ込む。このようにニーディングディスク型は、混練物のフライトチップ部への通過効率が高く、フライトチップ303が不連続であるため、この隙間部352からの逆流353による滞留時間延長による分配効果が高いため、均一な混練物を得るのに好適である。
特開平11−10709号公報 特開2001−260208号公報 特開2002−103422号公報
しかしながら、従来の混練スクリュの場合、以下のような問題点を有していた。
ロータ型は、主にフライトチップ部による分散効果は高いものの、フライトチップ部が連続しているため混練物の輸送能力が強く、ショートパスを発生させ易い。つまりロータ型は、チップ部を通過した混練物の分散状態は良好でありショートパスにより樹脂温度を低く抑えることは可能であるが、混練物の品質は不均一になり易い。
一方、ニーディングディスク型は、混練物のフライトチップ部への通過効率が高く、均一な混練物を得ることができるが、フライトチップ部が不連続であるため、ディスクの隙間部からの逆流による滞留時間延長により樹脂温度の上昇を招き易い。
また、戻し翼あるいは逆フライト・中立翼・シールリングなどの堰き止め効果のある混練スクリュを使用する構成の場合、混練部におけるスクリュ軸方向長さが長くなってしまう。
そこで本発明は、戻し翼あるいは逆フライト・中立翼・シールリングなどの堰き止め効果のある混練スクリュを使用せず、送り翼のみで最適な混練状態、すなわち分散機能と分配機能を発揮し、かつ混練時における樹脂温度を低く抑えることが可能なニーディングディスクおよび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のニーディングディスクは、シリンダ内にスクリュとともに回転可能に配置される樹脂混練用のニーディングディスクにおいて、前記スクリュの軸方向に配列した際に、前記軸に対して螺旋角度θで傾斜している少なくとも2つのフライトチップが外周面に形成されている複数のディスクを有し、前記各ディスクが、互いに前記軸周りにずらし角Aで前記各フライトチップの位置をずらして前記軸方向に配列されていることを特徴とする。
また、本発明のニーディングディスクは、フライトチップの螺旋角度θが0°<θ<90°の範囲内で設定されているものであってもよいし、あるいは、90°<θ<180°の範囲内で設定されているものであってもよい。
また、本発明のニーディングディスクは、シリンダの内壁面とフライトチップとの隙間であるチップクリアランスδ1が、シリンダの内径の0.005〜0.06倍の範囲内に設定されているものであってもよいし、さらには、各ディスクの1枚あたりのスクリュ軸方向長さWがシリンダの内径の0.1〜0.9倍に設定されているものであってもよい。
本発明のディスクは、シリンダ内にスクリュとともに回転可能に配置される樹脂混練用のニーディングディスクを構成する、外周面に少なくとも2つのフライトチップが形成されたディスクにおいて、前記フライトチップが、前記スクリュの軸方向に配列した際に前記軸に対する角度が螺旋角度θとなるように形成されていることを特徴とする。
また、本発明のディスクは、フライトチップの螺旋角度θが0°<θ<90°の範囲内で設定されているものであってもよいし、90°<θ<180°の範囲内で設定されているものであってもよい。
本発明の混練方法は、本発明のニーディングディスクを備えた二軸押出機による樹脂の混練方法であって、前記各フライトチップにより形成された混練物主流路を流れる主流れと、前記各フライトチップに乗り上げて前記シリンダの内壁面と前記フライトチップとの隙間を流れるチップ乗り上げ流れと、前記各フライトチップに形成された隙間部を流れる逆流とによる樹脂の流れにより樹脂を混練する工程を含む。
本発明によれば、ニーディングディスクを構成するディスクのフライトチップがスクリュの軸に対して螺旋角度θで傾斜しており、この螺旋角度θを調整することによりニーディングディスクとロータの中間の混練特性を任意に付与させることができる。
すなわち、本発明によれば、螺旋角度θを0°<θ<90°とすることで分散主体の混練性能と樹脂の温度上昇を抑制する特性とを維持しつつ、従来のロータ型混練スクリュに不足しているニーディングディスク型と同等の分配能力を得ることができ、90°<θ<180°とすることで、従来のニーディングディスク型混練スクリュの特徴である高い分配能力を維持しつつ、従来のニーディングディスク型混練スクリュに不足している分散主体の混練性能と樹脂の温度上昇を抑制する特性とを得ることができる。
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1に、本実施形態の生産量向上型の2条正送りニーディングディスクの正面図(図1(a))およびシリンダ内に収納されたニーディングディスクの模式的な側面図(図1(b))を示す。また、図2に、本実施形態の生産性向上型の2条正送りニーディングディスクによる樹脂混練を模式的に表した展開図を示す。
本実施形態のニーディングディスク1は、不図示のスクリュの軸周りに後述するフライトチップ3の位置が互いにずれるように、45°のずらし角度Aをもって配列された5枚のディスク2からなる。各ディスク2はスクリュの軸方向にみて略楕円形状であり、その長軸側の両端部にフライトチップ3が形成されている。図1(a)には、ずらし角度A=45°のニーディングディスク1が示されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、運転条件によりずらし角度Aは30°、60°等、45°以外の角度に設定されているものであってもよいのは言うまでもない。
ニーディングディスク1は、同方向に回転駆動される二軸スクリュからなる二軸押出機のシリンダ30内に回転可能に収納されており、分散性能向上と樹脂温度低下を最適化するためにフライトチップ3とシリンダ30の内壁のクリアランス、すなわちチップクリアランスを最適化してチップへの混練部の流入量と樹脂温度の低下による高粘度状態下におけるせん断応力の増加量の調節がなされる。チップクリアランスδ1の調節範囲は、シリンダ30の内径Dをベースとするとδ1=0.005〜0.06Dとするのが好適である。これは、チップクリアランスδ1が0.005Dより小さいと、フライトチップ3とシリンダ30の内壁との間のチップ部に混練物が有効に流入できず、一方、チップクリアランスδ1が大き過ぎるとチップ部におけるせん断速度が小さくなり、かつチップ部のショートパスが発生してしまうことによる。また、ディスク2の1枚あたりのスクリュ軸方向長さWは、シリンダ内径DをベースとするとW=0.1〜0.9Dとするのが好適である。
図2に、螺旋角度θのフライトチップ3を備えたニーディングディスク1における混練される樹脂の流れを模式的に表した展開図を示す。なお、各ディスク2の外周には図1(b)に示したようにフライトチップ3が2箇所形成されているが、図2の展開図には、混練する樹脂の流れ方向を説明するため、各ディスク2に3つのフライトチップ3を示している。
本実施形態のニーディングディスク1は、生産量向上および樹脂温度低下を主眼としたものであり、樹脂が流れる混練物主流路51a、51bを形成する各ディスク2のフライトチップ3は樹脂の主流れ50a、50bに沿わす方向に螺旋角度θで配置されている。生産量向上および樹脂温度低下を主眼としたニーディングディスク1のフライトチップ3の螺旋角度θは、スクリュ軸直角方向を0°とすると、スクリュ軸先端方向(図2中矢印F方向)に向かって0°<θ<90°である。このような角度で各フライトチップ3を配列することにより、各フライトチップ3間には、主流れ50a、50bとは流れ方向が概ね逆方向の逆流53が流れる隙間部52が形成される。これにより、ニーディングディスク1の場合、樹脂の流れが主流れ50a、50bと、逆流53と、フライトチップ3を乗り上げて流れるチップ乗り上げ流れ54との概ね3つの流れが形成される。
すなわち、ニーディングディスク1がシリンダ内で回転することにより混練部下流方向への主流れ50aが形成され、このうち、フライトチップ3の面3aに沿いながら流れる主流れ50aは一部がチップ乗り上げ流れ54として、フライトチップ3を乗り上げ、フライトチップ3とシリンダ30の内壁との間の隙間で剪断力を受けながら主流れ50aから主流れ50bへと流れ込むとともに、逆流53も主流れ50aから主流れ50bへと流れ込む。
このように、生産量向上および樹脂温度低下を主眼としたニーディングディスク1の場合、スクリュ先端方向への樹脂の供給量を確保し、かつ、樹脂に対して過度に荷重をかけないため、樹脂温度を過度に上げてしまうことなく、樹脂を分散させることができる。
なお、フライトチップ3の螺旋角度θを30°より小さな値に設定すると主流れ50a、50bに沿う送り効果がロータ並に高くなり、混練部のショートパスが容易に発生してしまうため、30°<θ<90°の範囲とするのがより好適である。
以上説明したように、0°<θ<90°の螺旋角度θのフライトチップ3を備えたディスク2を、フライトチップ3がずらし角度Aで不連続かつ螺旋状に配列されるようにスクリュ軸方向に正送り方向に多段に並べた本実施形態の生産性向上型のニーディングディスク1によれば、従来のロータ型混練スクリュの特徴である分散主体の混練性能と樹脂の温度上昇を抑制する特性とを維持しつつ、従来のロータ型混練スクリュに不足しているニーディングディスク型と同等の分配能力を得ることができる。さらには、従来技術に必要だった逆送り翼、逆フライト、シールリング、中立翼などの堰き止め抵抗スクリュの機能がニーディングディスク自身に付与されるため、これらのスクリュが不要となり混練部のスクリュ軸方向の長さの短縮化を図ることも可能である。
(第2の実施形態)
図3に、本発明の分散性能向上型の2条正送りニーディングディスクによる樹脂混練を模式的に表した展開図を示す。
図3に示すニーディングディスク11は、分散性能向上を主眼としたものであり、樹脂が流れる混練物主流路61a、61bを形成する各ディスク12のフライトチップ13は樹脂の主流れ60a、60bを堰き止める方向になるように螺旋角度θで配置されている。分散性能向上を主眼としたニーディングディスク11のフライトチップ13の螺旋角度θは、スクリュ軸直角方向を0°とすると、スクリュ軸先端方向(図3中矢印F方向)に向かって90°<θ<180°である。このような角度でフライトチップ13を配列することにより、各フライトチップ13間には、主流れ60a、60bとは流れ方向が概ね逆方向の逆流63が流れる隙間部62が形成される。これにより、ニーディングディスク11の場合、樹脂の流れが主流れ60a、60bと、逆流63と、フライトチップ13とシリンダ内壁との間で強い剪断作用を受けながらフライトチップ13を乗り上げて流れるチップ乗り上げ流れ64との概ね3つの流れが形成される。
すなわち、ニーディングディスク11がシリンダ内で回転することにより樹脂の主流れ60aが形成され、このうち、主流れ60aを堰き止めるフライトチップ13の面13aで堰き止められた樹脂は、チップ乗り上げ流れ64として、フライトチップ13とシリンダ内壁との間で強い剪断作用を受けながらフライトチップ13を乗り上げて強制的に主流れ60aから主流れ60bへの樹脂の流し込まされるとともに、逆流63も主流れ60aから主流れ60bへと流れ込む。これにより樹脂を効果的に分散させることができる。
なお、本実施形態のニーディングディスク11の場合、フライトチップ13の螺旋角度θが第1の実施形態のフライトチップ3の螺旋角度θよりも大きいことで隙間部62は第1の実施形態の隙間部52よりも広くなっているが、これ以外の基本的な構成は第1の実施形態で示したニーディングディスク1と同様であるため、詳細の説明は省略する。
また、フライトチップ13の螺旋角度θを170°を超えるような大きな値に設定すると主流れの堰き止め効果は高くなるが、一方で隙間部62からの逆流63が多くなり、混練部における滞留時間が著しく増加するため樹脂温度が高くなり、その結果樹脂粘度の低下を招き有効な分散性能を得ることができないため、90°〜170°とするのがより好適である。
また、本実施形態のニーディングディスク11も、第1の実施形態と同様に同方向に回転駆動される二軸スクリュからなる二軸押出機の押出シリンダ内に回転可能に収納されて用いられるが、第1の実施形態と同様にチップクリアランスδ1の調節範囲は、シリンダ内径Dをベースとすると0.005〜0.06Dとするのが好適であり、ディスク1枚のスクリュ軸方向長さも、第1の実施形態と同様にシリンダ内径Dをベースとすると0.1〜0.9Dとするのが好適である。
以上説明したように、90°<θ<180°の螺旋角度θのフライトチップ13を備えたディスク12を、フライトチップ13が不連続かつ螺旋状に配列されるようにスクリュ軸方向に正送り方向に多段に並べた本実施形態の分散性向上型のニーディングディスク11によれば、従来のニーディングディスク型混練スクリュの特徴である高い分配能力を維持しつつ、従来のニーディングディスク型混練スクリュに不足している分散主体の混練性能と樹脂の温度上昇を抑制する特性とを得ることができる。
次に、本発明のニーディングディスクを用いた樹脂混練の実施例について説明する。
(第1の実施例)
本実施例では、原料の食込み量が必要なタルクの混練についての実施例について説明する。
PPペレット(MI=30g/10min)にタルクを20%練り込むプロセスにおいて本発明によるニーディングディスクと従来型のニーディングディスクとのタルク供給能力、すなわち、生産量に及ぼす影響の確認を実施した。
スクリュ構成は、PPを溶融した後にタルクをサイドフィーダにより添加する方式とした。
準備した混練用ニーディングディスクは、第1の実施形態で説明した生産性向上型のニーディングディスク1であり、樹脂の主流れ50a、50bに対してフライトチップ3を送り方向になるように螺旋角度θを75°に設定した。
従来型スクリュの比較例としては、螺旋角度θを0°に設定したニーディングディスクを準備した。
図4に、本実施例のニーディングディスクを用いた場合と、従来のニーディングディスクを用いた場合との混練樹脂の生産量の比較結果を示す。
樹脂とタルクの混練物は、配列された各ディスク2により構成される流路を流れるが、各フライトチップ3がその流れ方向に対して送り方向に配置されているため、積極的にタルクを食い込み、かつ適度にせん断作用を与えられることにより、図4から明らかなように、生産量が従来のニーディングディスクに比べて飛躍的に向上した。
また、スクリュの軸方向下流方向に第1混練部、第2混練部の2段の混練部を備えた原料をホッパーから一括供給する方式の場合においても、本発明によるニーディングディスク1を第1混練部に組み込むことで同様の効果が得られた。
(第2の実施例)
本実施例では、分散性能が必要なカーボンブラックのマスターバッチ混練についての実施例について説明する。
すなわち、本実施例では、LDPEペレット(MI=20g/10min)にカーボンブラックを40%練り込むプロセスにおいて本発明によるニーディングディスクと従来型ニーディングディスクのカーボンブラックの分散に及ぼす影響の確認を実施した。
スクリュ構成は、LDPEを溶融した後にカーボンブラックをサイドフィーダにより添加する方式とした。
準備した混練用ニーディングディスクは、第2の実施形態で説明した樹脂の主流れ60a、60bに対してフライトチップ13を堰き止め方向になるように螺旋角度θを105°に設定した。
従来型スクリュの比較例としては、螺旋角度θを0°に設定したニーディングディスクを準備した。
なお、スクリュの回転速度は200rpmとした。
図5に、カーボンブラックのマスターバッチ混練における分散級の、本実施例のニーディングディスクを用いた場合と、従来のニーディングディスクを用いた場合との比較結果を示す。
樹脂とカーボンブラックの混練物は、配列された各ディスク12により構成される流路を流れるが、各フライトチップ13がその流れ方向に対して堰き止め方向に配置されているため、樹脂とカーボンブラックの混練物が積極的にフライトチップ13へ乗り上げ、シリンダ内壁との間で強いせん断作用を与えられることにより、カーボンブラックの分散度が、従来のニーディングディスクに比べて飛躍的に向上した。
本発明の第1の実施形態である、生産量向上型の2条正送りニーディングディスクの側面図および正面図である。 本発明の第1の実施形態である、生産性向上型の2条正送りニーディングディスクによる樹脂混練を模式的に表した展開図である。 本発明の第1の実施形態である、分散性能向上型の2条正送りニーディングディスクによる樹脂混練を模式的に表した展開図である。 本発明の第1の実施例のニーディングディスクを用いた場合と、従来のニーディングディスクを用いた場合との混練樹脂の生産量の比較結果を示すグラフである。 カーボンブラックのマスターバッチ混練における分散級の、本発明の第2の実施例のニーディングディスクを用いた場合と、従来のニーディングディスクを用いた場合との比較結果を示すグラフである。 従来の2条正送りロータの一例における樹脂混練を模式的に表した展開図である。 従来の2条正送りニーディングディスクの一例における樹脂混練を模式的に表した展開図である。 従来の2条正送りニーディングディスクの一例の側面図およびスクリュの軸方向にみた正面図である。
符号の説明
1、11 ニーディングディスク
2、12 ディスク
3、13 フライトチップ
3a、13a 面
30 シリンダ
50a、50b、60a、60b 主流れ
51a、51b、61a、61b 混練物主流路
52、62 隙間部
53、63 逆流
54、64 チップ乗り上げ流れ

Claims (9)

  1. シリンダ内にスクリュとともに回転可能に配置される樹脂混練用のニーディングディスクにおいて、
    前記スクリュの軸方向に配列した際に、前記軸の直角方向に対して螺旋角度(θ)で傾斜している少なくとも2つのフライトチップ(3、13)が外周面に形成されている複数のディスク(2、12)を有し、前記各ディスク(2、12)が、互いに前記軸周りにずらし角(A)で前記各フライトチップ(3、13)の位置をずらして前記軸方向に配列されていることを特徴とするニーディングディスク。
  2. 前記フライトチップ(3)の螺旋角度(θ)が0°<θ<90°の範囲内で設定されている請求項1に記載のニーディングディスク。
  3. 前記フライトチップ(13)の螺旋角度(θ)が90°<θ<180°の範囲内で設定されている請求項1に記載のニーディングディスク。
  4. 前記シリンダ(30)の内壁面と前記フライトチップ(3、13)との隙間であるチップクリアランス(δ1)が、前記シリンダ(30)の内径の0.005〜0.06倍の範囲内に設定されている請求項1〜3のいずれか1項に記載のニーディングディスク。
  5. 前記各ディスク(2、12)の1枚あたりのスクリュ軸方向長さ(W)が前記シリンダ(30)の内径の0.1〜0.9倍に設定されている請求項1〜3のいずれか1項に記載のニーディングディスク。
  6. シリンダ内にスクリュとともに回転可能に配置される樹脂混練用のニーディングディスクを構成する、外周面に少なくとも2つのフライトチップが形成されたディスクにおいて、
    前記フライトチップ(3、13)が、前記スクリュの軸方向に配列した際に前記軸の直角方向に対する角度が螺旋角度(θ)となるように形成されていることを特徴とするディスク。
  7. 前記フライトチップ(3)の螺旋角度(θ)が0°<θ<90°の範囲内で設定されている請求項6に記載のディスク。
  8. 前記フライトチップ(13)の螺旋角度(θ)が90°<θ<180°の範囲内で設定されている請求項6に記載のディスク。
  9. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のニーディングディスクを備えた二軸押出機による樹脂の混練方法であって、
    前記各フライトチップ(1、13)により形成された混練物主流路(51a、51b、61a、61b)を流れる主流れ(50a、50b、60a、60b)と、前記各フライトチップ(1、13)に乗り上げて前記シリンダ(30)の内壁面と前記フライトチップ(3、13)との隙間を流れるチップ乗り上げ流れ(54、64)と、前記各フライトチップ(3、13)に形成された隙間部(52、62)を流れる逆流(53、63)とによる樹脂の流れにより樹脂を混練する工程を含む混練方法。
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