JP2006315261A - 複合スクリュ混練押出機および押出発泡成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超臨界流体状態の不活性ガスを溶融樹脂中に効率良く混合・分散させて均一に含浸させるとともに、迅速に適切な発泡条件に整えて微細発泡成形できるようにする。
【解決手段】上流側に供給口５が設けられたシリンダ２と、シリンダ２内に回転自在に配設された２本の複合スクリュ３と、シリンダ２の下流端に配設されたダイ１３とを有し、供給口側からダイ側へ順次、二軸スクリュ混練押出部Ａ、混練度調整機構Ｂ、単軸スクリュ混練押出部Ｃを備えている。複合スクリュ３は二軸スクリュ混練押出部Ａに対応する二軸スクリュ部３ａと単軸スクリュ混練押出部Ｃに対応する単軸スクリュ部３ｂを有している。シリンダ２は、二軸スクリュ部３ａが位置する一つの二軸スクリュ内径部６と単軸スクリュ部３ｂがそれぞれ位置する一対の単軸スクリュ内径部７を有し、単軸スクリュ内径部７には上流側部位に超臨界流体状態の不活性ガスの注入口８が開口されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超臨界流体状態の不活性ガスを発泡剤として用いた押出発泡成形方法および複合スクリュ混練押出機に関するものである。

超臨界流体状態の不活性ガスを発泡剤として用いた発泡成形方法の従来例について説明する。

特許文献１（特開２００３−１４５６５７号公報）には、予め成形された未発泡の樹脂成形体を高圧容器の中へ封入し、高圧容器に超臨界流体状態の不活性ガスを注入することにより、未発泡の樹脂成形体に不活性ガスを浸透させたのち、圧力解放を行って発泡させる発泡成形方法が開示されている。

特許文献２（特開２００３−８９７２７号公報）には、熱可塑性樹脂に不活性ガスまたはその超臨界流体を高圧、加熱条件下で含浸させたのち、圧力を解放することにより、微細気泡を有する熱可塑性樹脂発泡体を製造する方法において、前記加熱条件を、熱可塑性樹脂のガラス転移温度または融点よりも低い温度であって、不活性ガスまたはその超臨界流体が含浸された熱可塑性樹脂のガラス転移温度または融点よりも高い温度とすることにより、微細気泡を有する高発泡倍率の発泡体を製造する方法が開示されている。

また、特許文献３（特開２００３−２９１２０１号公報）には、図５に示すように、超臨界状態の不活性ガスを供給するためのガス供給ライン１１１が接続された第１押出機１０２と、第１押出機１０２の吐出口１０５に接続管１０３を介して接続された第２押出機１０４と、を備えたタンデム型押出機において、第１押出機１０２から第２押出機１０４へ押し出される成形材料の押出量を絞り１０６によって調整する。これにより、第１押出機１０２内で不活性ガスを成形材料に効率良く溶解させて微細セルを有する発泡体を製造する旨開示されている。
特開２００３−１４５６５７号公報 特開２００３−８９７２７号公報 特開２００３−２９１２０１号公報

しかし、特許文献１、２に開示された発明では、超臨界流体状態の不活性ガスの含浸時間が１０時間以上、場合によっては１週間を必要とするため、生産量を多くするためには１バッチの生産量を多くしなければならず、生産設備が大型化するとともに発泡ガスの抜けが遅いという問題がある。

また、特許文献３に開示された発明は、超臨界流体状態の不活性ガスを溶融樹脂に混合・分散させるための第１押出機と、第１押出機により不活性ガスが混合・分散された溶融樹脂を適切な発泡条件に整えるための第２押出機からなるタンデム型混練押出機であるため、全長が長く広い設置面積を必要とする。また、スクリュは片持ちで軸支されており、高性能化を図るためにスクリュを高速回転させた場合、振動やシリンダ壁面とのカジリが発生するおそれがあるという問題点がある。

本発明は、上記従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであって、超臨界流体状態の不活性ガスを溶融樹脂中に効率良く混合・分散させて均一に含浸させるとともに、迅速に適切な発泡条件に整えて連続的に微細発泡成形ができる、複合スクリュ混練押出機および押出発泡成形方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の複合スクリュ混練押出機は、上流側に供給口が設けられたシリンダと、前記シリンダ内に回転自在に配設された２本の複合スクリュと、前記２本の複合スクリュを回転させる回転駆動手段と、前記シリンダの下流端に配設されたダイとを有し、前記供給口側から前記ダイ側へ順次、二軸スクリュ混練押出部、混練度調整機構、一対の単軸スクリュ混練押出部を備えた複合スクリュ混練押出機であって、前記複合スクリュは、前記二軸スクリュ混練押出部に対応する二軸スクリュ部と前記単軸スクリュ混練押出部に対応する単軸スクリュ部とを有し、前記シリンダは、前記２本の複合スクリュの前記二軸スクリュ部が位置する一つの二軸スクリュ内径部と、前記複合スクリュの前記単軸スクリュ部がそれぞれ位置する一対の単軸スクリュ内径部を有し、前記単軸スクリュ内径部には上流側部位に超臨界流体状態の不活性ガスを注入する注入口が開口されていることを特徴とする。

また、本発明の押出発泡成形方法は、請求項１ないし５いずれか１項に記載の複合スクリュ混練押出機を用い、二軸スクリュ混練押出部において供給した樹脂を混練溶融させたのち、一対の単軸スクリュ混練押出部において溶融樹脂中に超臨界流体状態の不活性ガスを注入して均一に含浸させて多量の発泡核を生成させ、ついでダイより押し出して急激な圧力解放を行って前記発泡核を気泡化させることにより、微細な発泡セルを有する発泡成形品を製造することを特徴とする。

本発明は、上述のとおり構成されているので次に記載するような効果を奏する。

上流側の二軸スクリュ混練押出部においては、混練度を好適に調整して溶融樹脂中に添加剤が十分に分散され、添加剤が分散された溶融樹脂には、下流側の一対の単軸スクリュ混練押出部において、注入された超臨界流体状態の不活性ガスが好適に混合・分散されるとともに、迅速に適切な発泡条件に整えられ、高品質の微細発泡成形体を製造することができる。

また、タンデム型混練押出機に比較して全長が短く、小型であって設置面積が少なくてすみ、省エネルギ、省スペースを促進できる。

図１は、本発明に係る複合スクリュ混練押出機の一実施の形態を示し、（ａ）は主要部の模式断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う模式断面図である。

図１の（ａ）に示すように、複合スクリュ混練押出機１は、シリンダ２の上流側に設けられた供給口側から下流端に配設されたダイ１３側へ順次、二軸スクリュ混練押出部Ａ、混練度調整機構Ｂ、一対の単軸スクリュ混練押出部Ｃを備えている。

複合スクリュ混練押出機１は、複数のシリンダブロック２ａ〜２ｄを連結したシリンダ２と、シリンダ２内に回転自在に配設された二本の複合スクリュ３と、二本の複合スクリュ３を回転させる回転駆動手段（不図示）とを備えている。

シリンダ２において、供給口５から混練度調整機構としてのスロットバルブ１０までの上流側のシリンダブロック２ａ、２ｂ、２ｃは、二本の複合スクリュ３の二軸スクリュ部３ａのフルフライトが噛み合った状態で回転自在に嵌挿される形状の１つの二軸スクリュ内径部６を有している。また、スロットバルブ１０からダイ１３までの下流側のシリンダブロック２ｄは、二本の複合スクリュ３の単軸スクリュ部３ｂがそれぞれ個別に回転自在に嵌挿される一対の単軸スクリュ内径部７を有している。

複合スクリュ３には、上流側の二軸スクリュ部３ａと下流側の単軸スクリュ部３ｂとの間に下流側に向かって外径が縮小する円錐状の絞り部１１が設けられており、絞り部１１に対応するシリンダ側に混練度調整機構Ｂとしてのスロットバルブ１０が配設されている。スロットバルブ１０は、絞り部１１の外周面との間に図示していないスクリュ前後進手段による開度可変流路を形成しており、その開度を変化させることにより二軸スクリュ混練押出部Ａにおける混練度を調節できるように構成されている。また、スロットバルブ１０の上流側に隣接するシリンダブロック２ｃに対応する部位にミキシングエレメントとしてのニーディングディスク４が設けられている。

混練度調整機構Ｂは、上述したスロットルバルブに限らず、次に説明するロータリースロットバーを用いてもよい。図４に示すように、シリンダブロック２ｄの２本のスクリュを挟んで図示上壁および下壁に、軸方向に対して直交方向へ貫通するとともにシリンダ内壁面に大きく開口する案内孔２１がそれぞれ設けられており、案内孔２１にそれぞれロータリースロットバー２２が回転自在に嵌挿されている。ロータリースロットバー２２には、複合スクリュ３の絞り部２３との間の流路面積を変化させる第１半円弧面２４ａおよび第２半円弧面２４ｂを有する開度変更用凹部２４が切り通し状に形成されており、各ロータリースロットバー２２を図示しない回転駆動手段を介して所定の回転角度に正・逆回転させて、絞り部２３の外周面と開度変更用凹部２４の間の開度可変流路の開度を変化させることにより混練度を調節するように構成されている。

また、ミキシングエレメントとしては、ニーディングディスクに限らず、ロータ等を用いることができる。

図２は、単軸スクリュ部３ｂおけるスクリュ形状の一例を示す模式部分平面図である。

本例の単軸スクリュ部３ｂは、上流側に多条フルフライト３１を有し、下流側に多条フルフライトの外周縁部に複数の切り欠き溝３２ａを互いに間隔をおいて設けた溝付き多条フルフライト３２を有している。上流側の多条フルフライト３１は、シリンダブロック２ｄの上流側に設けられた注入口８に対応する部位に位置し、下流側の溝付き多条フルフライト３２は、シリンダブロック２ｄの下流側に設けられたベント口１２に対応する部位に位置するように構成されている。

ここで、上流側の多条フルフライト３１の形状は３〜２０条にすると、超臨界流体が注入口８を通過した瞬間から細かく切断され、下流側の溝付き多条フルフライト３２の形状は２〜１２条にすると、溶融樹脂中に細かく切断された超臨界流体の発泡核が均一に分散され、セルサイズが均一な超微細セルを有する発泡成形体を製造することができる。この範囲外では超臨界流体の分散が思わしくなく、セルサイズにバラツキがあり、セル密度の低い発泡成形体となる場合がある。

供給口５より供給された樹脂は、二軸スクリュ混練押出部Ａにおいて混練・溶融され、溶融樹脂中に添加された発泡核剤、造粘剤、安定剤等の添加剤が分散され、添加剤が分散された溶融樹脂は、一対の単軸スクリュ混練押出部Ｃに輸送される。単軸スクリュ混練押出部Ｃにはスロットルバルブ１０の下流側近傍部位に注入口８が設けられており、注入口８より注入された超臨界流体状態の不活性ガスは多条フルフライト３１により溶融樹脂中に効率良く分散されたのち、下流側の溝付き多条フルフライト３２を通過する。そのため、せん断発熱が抑制されながら超臨界流体状態の不活性ガスが均一に含浸されて多量の発泡核が生成され、ダイ１３より押し出されて急激に圧力が解放される。その結果、セルサイズが微細でセル密度が高く、高品質の発泡成形体を製造することができる。

すなわち、一対の単軸スクリュ混練押出部Ｃにおいては、溶融樹脂中に超臨界流体状態の不活性ガスが混合・分散され、溶融樹脂は冷却されながら下流側へ輸送されて行く間に好適な発泡条件に整えられる。そしてダイ１３では樹脂流路が急激に狭くなっており、ダイ１３の出口のリップ部において急激に圧力が解放され、急激な圧力変化により熱学的不安定状態となり、細かく分散した発泡核から気泡に成長して微細な発泡セルが形成される。

微細な発泡セルを必要とする場合は、発泡セルの成長を止める冷却工程が重要であり、ダイ１３から押し出し直後に冷却水槽を通すか、冷却ロールを通過させて表面精度を上げながら素早くスキン層を形成させて微細なセル径を維持する。

本発明によれば、ダイの種類を選択することにより、スキン層を形成した発泡シート、スキン層のない柔らかな発泡シート、断面形状が角型、丸型、突起のある異形プロファイル発泡体、金型内でエアを吹き込んで中空体を製造するブロー発泡成形体、チューブ状の発泡成形体、発泡した電線被覆層等、断熱性能、吸音性能、振動吸収性能、シール性能等の向上を図る等、色々な効果を狙った押出発泡成形体を創出できる。

温度制御条件としては、非結晶性樹脂においては図３に示すように、溶融樹脂が結晶化温度からガラス転移温度へ移動する間の粘弾性領域が溶融樹脂へ超臨界流体が含浸することの可能な温度範囲であり、この温度範囲のなかでも温度が高い領域ほど含浸、発泡させると気泡が成長しすぎるため、隣接した発泡セル同士が合体して大きなセルになる。したがって、極力ガラス転移点近傍での含浸が好ましく、ガラス転移温度＋３〜＋１００℃が好適であり、より好ましくはガラス転移温度＋１０〜＋２０℃の範囲が好ましい。

さらに、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）においては、粘弾性領域が極めて少なく溶融状態から直ぐ固化状態になる性質を持っており、この点からしても極めて狭い温度範囲（約１０℃）での発泡に好適な圧力制御が必要となってくる。この点からも下流側の単軸スクリュ部では、スクリュ回転によるせん断発熱が抑えられ、超臨界流体状態の不活性ガスを溶融樹脂中に溶解して溶融粘度を低下させることで低温押出が可能となる本装置は超微細な発泡成形に極めて有効である。したがって、結晶性樹脂では結晶化温度〜（融点＋２０℃以下）の範囲の低温押出が好ましい。

超臨界流体状態の不活性ガスとしては、二酸化炭素または窒素を超臨界流体状態で用いることが好ましい。

二酸化炭素の場合、臨界圧力が７．３８ＭＰａ以上、臨界温度が３１．１℃以上であり、窒素の場合は臨界圧力が３．４０ＭＰａ以上、臨界温度が−１４７．０℃以上である。

超臨界流体状態の不活性ガスを発泡剤として用いる場合、材料との相性で選択する必要があり、超臨界流体状態の不活性ガスの溶解性の点から選択すると、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）等の非結晶性樹脂で微細な発泡を必要とする場合では、二酸化炭素を用いることが多い。ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）の結晶性樹脂では超臨界流体状態の不活性ガスの溶解性の点から高発泡を目的とする場合は二酸化炭素を用いることが多く、微細な発泡を目的とする場合は、超臨界流体状態の窒素が多く用いられる。好ましくは窒素を注入部直下の多条フライト部で細かく切断して溶融樹脂中へ分散させることで、ダイ通過直後の急激な圧力解放により熱力学的不安定要素を形成する要因となり、ひいては、微細な発泡成形が可能となる。

発泡倍率について言えば、高発泡の場合は二酸化炭素が多く用いられ、低発泡、微細発泡の場合は窒素を用いるのが一般的である。しかし、微細発泡の場合は窒素が好適であるが、溶融樹脂の中へ溶解しにくいことが、色々な実験で判ってきた。したがって、溶融樹脂中に溶解度を高めることが、さらなる微細発泡につながり、合わせて核剤を添加することが従来に無い微細な発泡へとつながることが判明した。実験した結果、注入口に対応する多条フルフライトスクリュで微細孔から噴出された超臨界流体状態の不活性ガスを細かく分断し、下流に位置する多条フルフライトに複数の切り欠き溝を設けることで、切り欠き溝を溶融樹脂が通過することで細かく分断された超臨界流体状態の不活性ガスが、さらに高分散へと進み、より良好な混合・分散がなされる。さらに、スクリュの高速回転により、注入された超臨界流体状態の不活性ガスがスクリュフライト部との接触時間が短く小刻みに極短時間に通過することなり、さらに超微細で均一な発泡セルが形成される。

一方スクリュの高速回転は溶融樹脂からせん断発熱が多く発生することを考慮すると好ましいものではないが、高速回転でありながらせん断発熱が抑制される同方向非噛み合い型二軸スクリュを上流側の二軸スクリュ混練押出部に適用してもよい。

一実施の形態による複合スクリュ混練押出機の主要部を示し、（ａ）は模式断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う模式断面図である。 本発明に係る複合スクリュ混練押出機における複合スクリュの単軸スクリュ部の一例を示す模式部分平面図である。 樹脂の溶融・固化線図である。 混練度調整機構の一例であるロータリースロットバーを示し、（ａ）は主要部の模式断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う模式断面図である。 従来のタンデム型混練押出機の模式断面図である。

符号の説明

１ 複合スクリュ混練押出機
２ シリンダ
２ａ〜２ｄ シリンダブロック
３ 複合スクリュ
３ａ 二軸スクリュ部
３ｂ 単軸スクリュ部
４ ニーディングディスク
５ 供給口
５ａ ホッパ
６ 二軸スクリュ内径部
７ 単軸スクリュ内径部
８ 注入口
１０ スロットバルブ
１１、２３ 絞り部
１３ ダイ
２１ 案内孔
２２ ロータリースロットバー
２４ 開度変更用凹部
２４ａ 第一円弧面
２４ｂ 第二円弧面

Claims (8)

1. 上流側に供給口（５）が設けられたシリンダ（２）と、前記シリンダ内に回転自在に配設された２本の複合スクリュ（３）と、前記２本の複合スクリュを回転させる回転駆動手段と、前記シリンダの下流端に配設されたダイ（１３）とを有し、前記供給口側から前記ダイ側へ順次、二軸スクリュ混練押出部（Ａ）、混練度調整機構（Ｂ）、一対の単軸スクリュ混練押出部（Ｃ）を備えた複合スクリュ混練押出機であって、
   前記複合スクリュは、前記二軸スクリュ混練押出部に対応する二軸スクリュ部（３ａ）と前記単軸スクリュ混練押出部に対応する単軸スクリュ部（３ｂ）とを有し、
   前記シリンダは、前記２本の複合スクリュの前記二軸スクリュ部が位置する一つの二軸スクリュ内径部（６）と、前記複合スクリュの前記単軸スクリュ部がそれぞれ位置する一対の単軸スクリュ内径部（７）を有し、前記単軸スクリュ内径部には上流側部位に超臨界流体状態の不活性ガスを注入する注入口（８）が開口されていること、を特徴とする複合スクリュ混練押出機。
2. 前記複合スクリュの前記単軸スクリュ部は、上流側に多条フルフライト（３１）を有し、下流側に多条フルフライトの外周縁部に複数の切り欠き溝（３２ａ）が互いに間隔をおいて設けられた溝付き多条フルフライト（３２）を有すること、を特徴とする請求項１記載の複合スクリュ混練押出機。
3. 前記複合スクリュの前記二軸スクリュ部は、上流側のフルフライトスクリュと、下流側のミキシングエレメントとを有することを特徴とする請求項１または２記載の複合スクリュ混練押出機。
4. 前記二軸スクリュ混練押出部における前記複合スクリュの前記二軸スクリュ部が、かみ合い型であること、を特徴とする請求項１ないし３いずれか１項に記載の複合スクリュ混練押出機。
5. 前記二軸スクリュ混練押出部における前記複合スクリュの前記二軸スクリュ部が、非かみ合い型であること、を特徴とする請求項１ないし３いずれか１項に記載の複合スクリュ混練押出機。
6. 請求項１ないし５いずれか１項に記載の複合スクリュ混練押出機を用い、二軸スクリュ混練押出部（Ａ）において供給した樹脂を混練溶融させたのち、一対の単軸スクリュ混練押出部（Ｃ）において溶融樹脂中に超臨界流体状態の不活性ガスを注入して均一に含浸させて多量の発泡核を生成させ、ついでダイより押し出して急激な圧力解放を行って前記発泡核を気泡化させることにより、微細な発泡セルを有する発泡成形品を製造すること、を特徴とする押出発泡成形方法。
7. 前記樹脂が非晶性樹脂であり、前記単軸スクリュ混練押出部におけるダイの入口の溶融樹脂温度を、ガラス転移温度＋３〜＋１００℃にすること、を特徴とする請求項６記載の押出発泡成形方法。
8. 前記樹脂が結晶性樹脂であり、前記単軸スクリュ混練押出部におけるダイの入口の溶融樹脂温度を、結晶化温度〜（融点＋５０℃）以内にすること、を特徴とする請求項６記載の押出発泡成形方法。

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