JP2006218436A5

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Publication number: JP2006218436A5
Application number: JP2005035802A
Authority: JP
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2007-12-13

Description

連続剪断装置

本発明は多段円盤型連続混練装置および多段円盤型連続粉砕装置および多段円盤型連続メカノケミカル装置における被加工材料の固形化による閉塞を防止して流動を容易にし、且つ剪断効率を高める連続剪断装置に関する。

（被混練材料、被粉砕材料、被メカノケミカル材料、）を以下被加工材料という、を本発明の多段円盤型の連続剪断装置でナノ固相混練、ナノ粉砕、メカノケミカル、等の剪断操作の効率を高めるために被加工材料の流動を損なわずして圧縮加圧することが重要である。

なお、本発明に関連する公知技術として固定円盤と回転円盤を多段に構成した連続捏和装置はマトリックス樹脂に微粉体を分散する（固相−液相）のレオロジー的な流動挙動で剪断を付与する装置である。（例えば、非特許文献１及び特許文献６を参照）
これに対して、ナノ超微粒子をマトリックス樹脂中に分散する場合にナノ超微粒子はミクロ微粒子の１，０００倍の表面エネルギーを有し、その結果、凝集粒子は、１，０００倍の凝集力を有する。この凝集粒子を解砕して混練分散するには従来の流動挙動を示すレオロジー的な液相剪断混練では液相の滑り現象で剪断エネルギーは低く作用して分散に必要とする剪断力を被加工材料に作用させて分散することが不可能となっている。そこでナノ粒子の分散においてマトリックス樹脂を固相化の状態にして固相−固相の状態で剪断する方法がある（例えば、特許文献１を参照）。

該特許文献１より先に固定円盤と回転円盤を多段に構成した連続混練法（特許文献２を参照）では加熱溶融状態のレオロジー的な流動挙動剪断と冷却による固相化状態の固相剪断とを繰り返し、固相の状態温度点でトライボロジー的な剪断を凝集粒子に与えることにより凝集粒子を一次粒子に解砕して分散する方法がある。

粉砕は被加工材料（被粉砕材料）を剪断によって粒子を分割しミクロ微粒子からナノ超微粒子と微細化によって表面積を増大することにより反応活性が高められ、素材の新機能を出現し付加価値の向上が図られ、利用分野の拡大が期待される（例えば、非特許文献２を参照）。

また、従来の機械式粉砕方法で最も微粉砕が可能とするジェットミルでは１μｍが粉砕限界とされている。また、固定円盤と回転円盤を多段に構成した連続粉砕法ではトライボロジー的な粒子間の摩擦を利用する剪断粉砕方法では平均粒子径０．３μｍの超微粒子に粉砕出来る粉砕方法と装置がある（特許文献３を参照）。

また、メカノケミカル操作は、ミクロ粒子とナノ粒子に機械的剪断摩擦を付与すると物理的・化学的変化の作用によって、ミクロ粒子が核となりその表面にナノ粒子が表層に修飾される（例えば、非特許文献３及び非特許文献４と特許文献４を参照）。また、固定円盤と回転円盤を多段に構成した連続磨砕剪断による粒子の表面改質微粒子の製造装置がある（特許文献５を参照）。

ナノ固相混練、ナノ粉砕、メカノケミカル、等の連続剪断操作を可能とする装置に固定円盤と回転円盤を多段に構成した連続捏和機（特許文献６を参照）がある。この連続捏和機の固定円盤と回転円盤に形成された凹谷部空間が先端部側ほど減少されて圧縮圧力が作用して被加工材料の密度を高めて剪断効率を向上させる機構の装置がある。
ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎＮｕｍｂｅｒＷＯ２００４／０４３６６３Ａ２特開２００２−３４７０２０号公報特開２００２−００１１５４号公報特開平０８−２２７７１４号公報特開平１０−２０２６５３号公報ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＰａｔｅｎｔ４，４０８，８８７号「プラスチックス」１９９５年１０月号Ｖｏｌ．１４６Ｎｏ．１０（フィラーの分散・複合化・混練）山岡岸泰筆８６〜８９頁「無機系微粒子・超微粒子技術と応用の最新動向」（株）東レリサーチセンター編集・発行１９９６．０１．１８第２刷発行４〜９頁「無機物のメカノケミストリー」久保輝一郎著（株）綜合技術出版第一版１〜３頁「図解ナノテクノロジーのすべて」川合知二監修（株）工業調査会初版第２刷発行１８４〜１９１頁

しかし、固定円盤と回転円盤を多段に構成した特許文献６の連続捏和機を使用してナノ固相混練・ナノ粉砕・メカノケミカルの操作を行うとき、被加工材料に作用する剪断は固体−固体の摩擦抵抗が非常に高く作用する操作となる。また、被加工材料と円盤谷底面の間においても固体−固体の摩擦抵抗によって被加工材料の流動を阻害する傾向となる。特許文献６の多段円盤構造は固定円盤と回転円盤に形成された谷と山の形状変化によって被加工材料に圧縮加圧を付与し密度を高めて高剪断力を作用することが特徴となっている。

しかし、特許文献６の説明図のＦＩＧ７とＦＩＧ８に示す挽き臼形状の固定円盤と回転円盤の組合せの相対面に生ずる放射方向又は求心方向に形成されている凸山部の回転方向相対稜線の交点相対角度が回転円盤の回転角度毎に一定の角度で形成されることがなく、そのために生ずる問題は相対稜線の交点相対角度が０度から−度の交点相対角度となる回転の角度位置を形成する構造となっている。

そのために０度から−度の交点相対角度となる凹谷溝同士の被加工材料は必要以上に高い圧縮加圧力を受けて被加工材料は完全な固形化状態に形成され、放射方向又は求心方向え流動する推力がゼロとなりその谷溝を閉塞する現象となる。その次に生ずる問題はその閉塞現象が始めの閉塞点から投入側え向かって順次に成長し、最後には全ての固定円盤と回転円盤の空隙間を埋め尽くし、被加工材料はすべての円盤凹谷溝を流動しない状態となり、円盤凹谷溝に固形化された被加工材料と円盤が一体化して被加工材料の流動は完全に停滞する。

つぎに固定円盤と回転円盤の相対する凸山の頂点面上のみで剪断回転し、モーターが過負荷状態となり装置が停止するという問題がおこる。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、固定円盤と回転円盤を多段に構成した連続剪断装置の投入側から排出側までの総組合せにおいて溝の形状に変化を付けず、固定円盤と回転円盤の相対面に放射方向に形成されている凸山部の回転方向相対稜線の出会によって形成される交点相対角度が、投入側から排出側に至る総組合せにおいて排出側へ沿って相対角度を減少し角度変異して交点相対角度を５度〜４０度に形成することにより被加工材料に圧縮加圧力を発生する手段で局所の滞留を防ぐことを特徴とする。

また、上記の課題を解決するための本発明の手段は、固定円盤と回転円盤を多段に構成した連続剪断装置の投入側から排出側までの総組合せにおいて溝の形状に変化を付けず、固定円盤と回転円盤の相対面に放射方向に形成されている凹谷部の深さが、投入側から排出側までの総組合せにおいて排出側へ沿って減少し深さ変異することにより被加工材料に剪断に適切な圧縮加圧力を発生する手段を特徴とする。

また、上記の課題を解決するための本発明の手段は、固定円盤と回転円盤を多段に構成した連続剪断装置の投入側から排出側までの総組合せにおいて溝の形状に変化を付けず、固定円盤と回転円盤の相対面に放射方向に形成されている凸部山の回転方向相対稜線の相対角度が、投入側から排出側までの総組合せにおいて排出側へ沿って相対角度を減少し角度変異すること、及び、固定円盤と回転円盤の相対面に放射方向に形成されている凹谷部が、投入側から排出側までの総組合せにおいて排出側へ沿って深さを減少し深さ変異することを複合して形成したことにより被加工材料に最適な圧縮加圧状態で剪断を発生する構造の手段を特徴とする。

上記の説明において、連続剪断装置の回転円盤と固定円盤の凸山部の稜線が相対して出来る相対交点角度を５度〜４０度で角度変位して形成することにより、回転円盤と固定円盤の凹溝部を被加工材料が固形化で閉塞して流動が停滞する現象を防ぎ、さらに回転円盤と固定円盤の凹部溝深さを投入側から排出側え段差で深さを変位形成することによってナノ固相混練、ナノ粉砕、メカノケミカル、に対応する適切な圧縮加圧を被加工材料に付与して強力な剪断を連続に操作することが可能になった。

以下、本発明の好適な実施の形態を図１〜図７に例示し連続剪断装置を詳細に説明する。図１は連続剪断装置を構成する全体図である。１は被加工材料の定量供給装置であり、該定量供給装置１は、フイードスクリュー４の上流側に配置される。該フイードスクリュー４と、回転円盤群３並びに排出スクリュー５は同軸上で回転するよう構成している。該回転円盤３１〜３６は固定円盤２１〜２５と交互に配置して本発明の剪断機構を形成している。図２は図１のＡ断面矢視図であり、図３は図１のＢ断面矢視図である。また、図４は図１のＣ断面矢視図であり、図５は図１のＤ断面矢視図である。さらに、図６は図１の固定円盤２１〜２５及び回転円盤３１〜３６の組合せ構成断面拡大図であり、図７は図６の投入側任意経Ｄ１から排出側任意経Ｄ２へ到る断面展開図である。

まず、被加工材料の投入側における固定円盤２１の図１における右面側では、図２に示すように、固定円盤と回転円盤の相対面に放射方向に形成されている凸山部の回転方向相対稜線の出会によって投入側求心向交点相対角度αを２０〜４０度で形成して出来た投入側求心交点６は回転円盤の投入側回転円盤回転方向７へ回転することによって投入側求心向交点移動方向８へ移動する。この投入側求心交点６が投入側求心向交点移動方向８へ移動することにより固定円盤と回転円盤の凹谷溝に存在する被加工材料は、求心方向へ移送される。

ついで、被加工材料の投入側における固定円盤２１の図１における左面側では、図３に示すように、固定円盤と回転円盤の相対面に放射方向に形成されている凸山部の回転方向相対稜線の出会によって投入側放射向交点相対角度θを２０〜４０度で形成して出来た投入側放射向交点９は回転円盤の投入側回転円盤回転方向１０へ回転することによって投入側放射向交点移動方向１１へ移動する。この投入側放射向交点９が投入側放射向交点移動方向１１へ移動することにより固定円盤と回転円盤の凹谷溝に存在する被加工材料は、放射方向へ移送される。

ついで、製品の排出側における固定円盤２５の図１における右面側では、図４に示すように、固定円盤と回転円盤の相対面に放射方向に形成されている凸山部の回転方向相対稜線の出会によって排出側求心向交点相対角度βを５〜１５度で形成して出来た排出側求心向交点１２は回転円盤の排出側回転円盤回転方向１３へ回転することによって排出側求心向交点移動方向１４へ移動する。この排出側求心向交点１２の排出側求心向交点移動方向１４へ移動することにより固定円盤と回転円盤の凹谷溝に存在する被加工材料は、求心方向へ移送される。

ついで、製品の排出側における固定円盤２５の図１における左面側では、図５に示すように、固定円盤と回転円盤の相対面に放射方向に形成されている凸山部の回転方向相対稜線の出会によって排出側放射向交点相対角度ωを５〜１５度で形成して出来た排出側求心向相対交点１５は回転円盤の排出側回転円盤回転方向１６へ回転することによって排出側求心向交点移動方向１７へ移動する。この排出側求心向交点１５の排出側求心向交点移動方向１７へ移動することにより固定円盤と回転円盤の凹谷溝に存在する被加工材料は、放射方向へ移送される。

すなわち、図１のＡ断面矢視部からＣ断面矢視部に至るに従って求心向相対交点移動方向の固定円盤と回転円盤の組合せにおいて図２の投入側求心向交点相対角度αから図４の排出側求心向交点相対角度βに減少する角度変異により被加工材料に送り速度の減少をもたらして被加工材料への圧縮の加圧力を投入側から排出側へ向かうに従い順次大きくなるようにしている。

このように、図１のＢ断面矢視部からＤ断面矢視部に至るに従って求心向相対交点移動方向の投入側求心向交点相対角度を、図３に示す「θ」から排出側求心向交点相対角度である図５に示す「ω」へ向けて減少方向で角度変異させることにより、剪断・捏和処理の進行に比例して被加工材料の送り速度が投入側から排出側に向けて漸減していき、連続剪断装置の全長に亘って、被加工材料に常に適正な圧縮の加圧力を発生させることができるようになる。

また、本実施形態においては、図６に示す経Ｄ１〜経Ｄ２に至る断面の経を円周方向に展開した図７に示すように、最上流側の回転円盤３１の凹谷溝深さｄ１を４〜１０ｍｍに設定するとともに、最下流側の回転円盤３６の凹谷溝深さｄ２を１〜３ｍｍに設定している。そして、中間の回転円盤３２〜３５の凹谷溝の深さ寸法については、下流側に向かうに従い漸減させている。すなわち、該凹谷溝深さｄ２に至る回転円盤両面の各凹谷溝深さがｄ１〜ｄ２に至るに段差で形成して深さ変位することによる溝空隙体積の減少により被加工材料に順次大きくなるように圧縮の加圧力を発生させる機構とされている。

これについては固定円盤でも同様であり、最上流側の固定円盤２１の凹谷溝深さｄ３を４〜１０ｍｍに設定するとともに、最下流側の固定円盤２５の凹谷溝深さｄ３を１〜３ｍｍに設定している。そして、中間の固定円盤２２〜２４の凹谷溝の深さ寸法については、下流側に向かうに従い漸減させている。すなわち、該凹谷溝深さｄ４に至る固定円盤両面の各凹谷溝深さはｄ３〜ｄ４に至るに段差で形成して深さ変位することによる溝空隙体積を減少により被加工材料に順次大きくなるように圧縮の加圧力を発生させる機構とされている。

連続剪断装置を構成する全体図である。図１のＡ断面矢視図である。図１のＢ断面矢視図である。図１のＣ断面矢視図である。図１のＤ断面矢視図である。図１の多段に組み合わされた固定円盤と回転円盤部の拡大図である。図６に示す経Ｄ１〜経Ｄ２に至る断面の経円周展開図である。

符号の説明

１被加工材料定量フィーダー
２固定円盤群
３回転円盤群
４フイードスクリュー
５押出スクリュー
６投入側求心向交点
７投入側回転円盤回転方向
８投入側求心向交点移動方向
９投入側放射向交点
１０投入側回転円盤回転方向
１１投入側放射向交点移動方向
１２排出側求心向交点
１３排出側回転円盤回転方向
１４排出側求心向交点移動方向
１５排出側放射向交点
１６排出側回転円盤回転方向
１７排出側放射向交点移動方向
２１〜２５固定円盤
３１〜３６回転円盤
α 投入側求心向交点相対角度
β 排出側求心向交点相対角度
θ 投入側放射向交点相対角度
ω 排出側放射向交点相対角度
Ｄ１投入側任意経
Ｄ２排出側任意経
Ｄ１×π 投入側任意Ｄ１断面経展開長
Ｄ２×π 排出側任意Ｄ２断面経展開長
ｄ１投入側回転円盤凹溝深さ
ｄ２排出側回転円盤凹溝深さ
ｄ３投入側固定円盤凹溝深さ
ｄ４排出側固定円盤凹溝深さ

Claims

固定円盤と回転円盤を多段に構成した連続剪断装置の固定円盤と回転円盤の被加工材料の投入側から製品の排出側までの総組合せにおいて、相対面に放射方向に形成されている凸山部の回転方向相対稜線の出会によって形成される投入側の交点相対角度を２０〜４０度で形成し、排出側の交点相対角度を５〜１５度に形成し、前記交点相対角度は、投入側より排出側に向けて減少されることを特徴とする連続剪断装置。
固定円盤と回転円盤を多段に構成した連続剪断装置の固定円盤と回転円盤の被加工材料の投入側から製品の排出側までの総組合せにおいて、相対面に放射方向に形成されている凹谷部の深さを、投入側は４〜１０ｍｍで形成し、排出側は１〜３ｍｍに形成し、前記凹谷部の深さは、投入側より排出側に向けて減少されることを特徴とする連続剪断装置。
固定円盤と回転円盤を多段に構成した連続剪断装置の、固定円盤と回転円盤の投入側から排出側までの総組合せにおいて、相対面に放射方向に形成されている凸山部の稜線の交点相対角度の角度変異と、固定円盤と回転円盤の凹谷部の溝深さとの双方が、投入側より排出側に向けてそれぞれ減少されることを特徴とする連続剪断装置。