JP2008273217A - 押出し成形品 - Google Patents

Abstract

【課題】成形品の強度を向上させることができる押出成形装置を提供することである。
【解決手段】補強用繊維を含有した成形材料をダイ１の押出孔２から連続的に押し出して、前記成形材料を成形品に成形する押出成形装置であって、前記押出孔２内または押出孔２近傍のダイ1内に成形材料を攪拌するための攪拌手段を設けたものある。攪拌手段としては、押出孔２内またはその近傍のダイ１内に位置し且つ回転するピン５の外周に設けた線材７などが使用される。この押出成形装置により、前記成形材料を成形して成形品を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、機械的強度が向上した成形品を得ることができる押出成形装置およびこれを用いる成形品の製造方法、並びに機械的強度が向上した押出し成形品に関する。

一般に、触媒、触媒担体、吸着材、乾燥材、調湿材等は、直径２〜１０ｍｍ、長さ２〜２０ｍｍ程度の円柱形または円筒形の成形品に成形され、これを反応器に充填して種々の化学反応プロセスに使用される。このような触媒等の成形品を製造するために、従来から押出成形法が採用されている。
すなわち、アルミナ等の軟質な粘土状材料をダイから連続的に押し出した成形品を小さく切断して成形品を製造する。特許文献１，２には、このような成形品の切断寸法の精度を向上させた押出成形装置が開示されている。

ところで、成形品の強度を上げ成形品が容易に破損しないようにするために、成形材料に繊維を混ぜ込み、分散させることが行なわれている。ところが、押出成形により製造した成形品は、たとえ繊維が分散されていても、床に落とすなどの衝撃を加えた場合、簡単に割れてしまうという問題があった。特に円柱形または円筒形の成形品の場合、その軸方向に割れやすかった。

特開２００２−６７０２０号公報 特開２００２−７９５６８号公報

本発明の課題は、成形品が割れないように、成形品の強度を向上させることができる押出成形装置およびこれを用いる成形品の製造方法を提供することである。
本発明の他の課題は、割れに対する強度が向上した押出成形品を提供することである。

本発明者らは、前記した成形品がその軸方向、即ち押出方向に割れやすい原因について種々の調査を行なった結果、成形品内の繊維の向きが押出方向に揃っているためであるとの知見を得た。これは、押出時に成形材料が押出孔に向かう流れの中で繊維が当該流れの方向に揃えられるためであると考えられる。そこで、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、押出成形装置内のダイに設けた押出孔内またはその近傍のダイ内に成形材料を攪拌するための攪拌手段を設けることにより、押出時に成形材料内の繊維がランダムに分散するので、成形品の強度が向上するという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の押出成形装置は、成形材料をダイの押出孔から連続的に押し出して、前記成形材料を成形品に成形する装置であって、前記押出孔内または押出孔近傍のダイ内に成形材料を攪拌するための攪拌手段を設けたことを特徴とする。
前記攪拌手段としては、押出孔内またはその近傍のダイ内に位置し且つ回転するピンの外周に設けた突起物が挙げられる。
また、本発明にかかる成形品の製造方法は、上記の押出成形装置により、補強用繊維を含有した成形材料を成形することを特徴とする。

さらに、本発明の押出し成形品は、補強用繊維を含有したものであって、前記補強用繊維は、押出し方向に対する５０％累積度数の角度が２０°以上であり、かつ９０％累積度数の角度と１０％累積度数の角度との差が４０°以上であることを特徴とする。好ましくは、前記補強用繊維は、押出し方向に対する５０％累積度数の角度が３０°以上であり、かつ９０％累積度数の角度と１０％累積度数の角度との差が５０°以上である。

本発明の押出成形装置によれば、前記攪拌手段によって押出孔から押出される直前の成形材料を攪拌することにより、成形材料がよく混合された状態で押し出されるため、成形品の強度が向上し、成形品の割れ等を抑制することができる。
特に、本発明の押出成形装置により、補強用繊維を含有した成形材料を成形することにより、成形材料内の繊維の向きをランダムに分散させることができるので、成形品がその押出方向に割れることが少なくなり、成形品の強度が向上する。
具体的には、本発明の押出し成形品は、押出し方向に対する補強用繊維の角度が広く分散しているので、割れに対する強度が向上するという効果がある。

本発明の一実施形態を図１および図２に示す。図１はこの実施形態にかかる押出成形装置の要部である押出孔とその周辺の構造を示している。

ダイ１は、成形装置１０の前面に取り付けられ、成形材料が連続的に押し出される押出孔２を有している。押出孔２の後方には、成形材料が押出孔２に向かって流れる流路３が形成されている。押出孔２の後方の流路３内にはスクリュー４が設けられている。このスクリュー４は、プランジャー式押出装置やスクリュー式押出装置等（図示せず）により流路３を通って圧送されてくる成形材料が一定の流量で押出孔２から押出されるようにしたものである。

スクリュー軸４０の先端にはピン５が配置されており、このピン５は押出孔２内に挿入されている。スクリュー軸４０は筒形で構成され、その外周面にスクリュー４が設けられている。このスクリュー軸４０の内部にピン５を回転させるための回転軸６が収容される。スクリュー軸４０の内面と回転軸６の外周面との間にはロ−ラベアリング（ニードルローラベアリングなど）（図示せず）が介在して、回転軸６がスクリュー軸４０とは別個に独立して回転できるように構成される。

前記ピン５は後端に回転軸６に接続するための取付座５０を有する。この取付座５０には、撹拌手段として複数本の線材７（例えば針金などの金属線）が取付けられている。線材７の先端はピン５の外周から径方向に突出するように曲げられている。線材７はピン５とほぼ平行に取付けてもよく、あるいはピン５に対して斜めに巻き付けるようにして取り付けてもよい。また、１つのピン５に対する線材７の取付本数は、成形材料の攪拌効果が得られる限り、特に限定されるものではないが、１〜５本程度が適当である。

図２はこの実施形態にかかる押出成形装置の全体構成を示している。成形装置１０は本体が筒状で構成され、先端面にダイ１が固定される。ダイ１には、成形装置１０の中心軸を中心として、該中心の周りに複数（通常、２〜８個）の押出孔２、２・・・が配設されている。従って、成形装置１０の先端には、複数に枝分かれし押出孔２、２・・・に通じる各流路３が形成される。

ここで、複数のピン５を回転させる機構は以下の通りである。すなわち、ピン５がそれぞれ固定された複数の回転軸６のうち１つには、後部にプーリ８が取付けられ、このプーリ８とモータ９との軸１０のプーリ１１との間にベルト１２（例えばタイミングベルト）を架け渡して、モータ９の回転駆動力にて回転軸６の１つを回転させる。

この回転軸６の外周面には、歯車１３が取付けられており、この歯車１３と歯合する歯車１４から駆動シャフト１５を介して駆動プーリ１６を回転させる。一方、他の回転軸６には、上記回転軸６と同様に歯車１３、歯車１４が設けられる他、従動シャフト１１５および従動プーリー１１６が取付けられる。そして、全てのプーリ１６、１１６間にベルト１７（例えばタイミングベルト）を架け渡して、全ての回転軸６、６・・・を等速度で回転させ、これによって先端の各ピン５を回転させ、線材７にて各押出孔２内の成形材料を攪拌する。

このとき、隣接する各プーリー１６，１１６間のベルト１７にはスプリング１８付きのエジエクターセット１９が当接し、ベルト１７の張力を一定に保っている。このようにして、複数の回転軸６、６・・・は等速度で回転するので、各押出孔２内の成形材料を線材７にて等しく攪拌することができ、成形品の割れを防止している。回転軸６、従ってピン５の回転速度は特に制限されるものではないが、成形材料が１０ｍｍ移動する間に２〜２０回転、好ましくは５〜１５回転するように構成するのが、攪拌効果を得るうえで適当である。

なお、この実施形態では、歯車１３、１４、シャフト１５、１１５およびプーリー１６，１１６を使用して、全ての回転軸６を回転させるようにしたが、これは回転軸６と成形装置の筒形本体との間にスペースがないためである。スペースがとれる場合には、上記のような歯車１３、１４、シャフト１５、１１５およびプーリー１６，１１６を使用せずに、各回転軸６に直接ベルトを掛け渡して回転させるようにすればよい。

一方、スクリュー４の回転は以下のようにして行なう。すなわち、回転軸６を挿入したスクリュー軸４０の外周に平歯車２０が固定されている。この平歯車２０は平歯車２１を介して、モーター２２のシャフトに取付けた平歯車２３と歯合している。このため、モーター２２を駆動させることにより、それぞれ対応するスクリュー４の回転を回転させることができる。

図２に示すように、スクリュー４ごとにそれぞれモーター２２が配設され、各押出孔２への成形材料の流量制御をそれぞれ独立に行っている。これにより、押出孔２ごとで異なる成形材料の押出流量の調整が可能になる。
このようにして、スクリュー４とピン５とを互いに独立に回転させ、スクリュー４にて成形材料を一定の速度で押し出しながら、ピン５に設けた線材７にて成形材料を攪拌する。これによって、成形材料に含有される繊維の向きはランダムになり、得られる成形品の強度が向上する。

この実施形態では、ピン５に複数本の線材７を取り付けて突起物としたが、これに限定されるものではなく、攪拌可能である限り、種々な突起物が使用可能である。このような他の突起物を設けたピンの例を図３および図４に示す。
図３は、ピン５１に所定角度（例えば９０°や４５°）ずつずらしてあけた貫通孔２５に突起物として線材２６を嵌合させたものである。貫通孔２５は１〜５個設けられているのが適当である。ピン５１の取付座５３には、回転軸６に接続するための雄ねじ部５４が設けられている。

図４は、ピン５２に突起２７を有するリング２８を嵌め込み、スポット溶接などで固定したものである。突起２７は図示するような十字形に制限されず、各種の形状が可能である（例えば１本の突起を有するリングでもよい）。その他は図３に示すピン５１と同様である。
このようなピン５１，５２を使用しても、線材７を用いたピン５と同様の効果が得られる。

なお、以上の実施形態では、得られる成形品は中空の筒形であるが、ピン５の先端を押出孔２の出口より内方に位置させるなどにより、柱状の成形品を得ることもできる。また、攪拌効果が得られる限り、突起物が押出孔２内に存在することは必ずしも必要でなく、押出孔２の近傍のダイ内に突起物が位置していてもよい。

次に、上記の成形装置を用いて得られる本発明の押出し成形品を説明する。この押出し成形品は、上記のように補強用繊維を含有する。補強用繊維としては、例えばガラス繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、などの無機繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維（ナイロン繊維等）、ポリイミド繊維などの合成繊維が挙げられる。

補強用繊維の繊維長は、成形品の大きさ等によって決定されるため、特に限定されるものではないが、平均繊維長が０．０１〜１ｍｍ、好ましくは０．１〜０．８ｍｍであるのがよい。また、平均繊維径は１〜１０μｍ、好ましくは１．５〜５μｍであるのがよい。さらに、補強用繊維の含有量は成形材料（乾燥重量）に対して３〜３０質量％、好ましくは５〜２０質量％であるのがよい。

成形品内での補強用繊維の分散度合いを評価する尺度として、本発明では、押出し方向に対する５０％累積度数の角度(A50)と、９０％累積度数の角度と１０％累積度数の角度との差（Ａ90-Ａ10）とを用いる。
５０％累積度数の角度(A50)は、押出し方向に対する補強用繊維の長さ方向の平均角度をいう。
また、９０％累積度数の角度と１０％累積度数の角度との差（Ａ90-Ａ10）は、９０％累積度数の補強用繊維分散角度と１０％累積度数の補強用繊維分散角度との差を示す。この差が大きい程、補強用繊維がよく分散されていることを示す。これらの測定方法は、後述する実施例に記載の通りである。

本発明では、上記５０％累積度数の角度(A50)が、２０〜７０°、好ましくは３０〜６０°であるのがよい。
また、９０％累積度数の角度と１０％累積度数の角度との差（Ａ90-Ａ10）は、４０°以上、好ましくは５０°以上であるのがよい。
上記Ａ５０が２０°より小さいとき、および／または上記（Ａ９０−Ａ１０）が４０°よりも小さいときは、補強用繊維の分散程度が充分でないため、割れに対する強度が低下するおそれがある。

本発明における成形品の具体例としては、例えば触媒、触媒担体、吸着材、乾燥材、調湿材等が挙げられる。また、成形品の材料は無機材料に限定されるものではなく、種々のプラスチック材料等に対しても本発明の押出成形装置は適用可能である。

以下、実施例を挙げて本発明の押出成形装置を説明する。

図１、図２に示す押出成形装置を用いて、粘土状のアルミナ触媒成形材料を押出成形して、その成形品を製造した。アルミナ成形材料は、触媒粉１００重量部に対して平均繊維長０．４ｍｍのアルミナ繊維を６重量部、水を３８重量部含有している。
使用したダイ１は、表面がクロムメッキされたもので、押出孔２を同心円状に８個配設した円盤形状を有する。押出孔２は内径６．６ｍｍ、長さ１０ｍｍである。
押出孔２内には、内径２．５ｍｍ、長さ２２ｍｍのピン５が挿入されている。ピン５には３本の針金の後端を図１に示すようにして固定し、ピン５に斜めに巻き付けると共に、先端をピン５からわずかに立ち上げた。
この押出成形装置を用いて、押出速度１０ｍｍ／分で上記アルミナ触媒成形材料の押出成形を行った。このとき、前記ピンは成形材料が押出孔２内を６ｍｍ進む間に６回転するように回転速度を調整した。

図１に示すピン５に代えて、図３に示すピン５１を用いた他は、実施例１と同様にして押出成形を行った。ただし、ピン５１の貫通孔に嵌合させた線材２６は２本であり、両線材２６の角度は９０°である。

図１に示すピン５に代えて、図４に示すピン５２を用いた他は、実施例１と同様にして押出成形を行った。ただし、十字形リング２８の数は１つである。

［比較例］
突起物を有さないピンを用いた他は、実施例１と同様にして押出成形を行った。

これらの実施例および比較例で得た成形品の強度を、下記に示す落下強度試験および耐圧強度試験によって調べた。

（耐圧強度試験）
長さ６．６ｍｍに切断した成形品に対し、その厚み方向（径方向）に圧力を加えていったとき、成形品が割れた圧力を測定し、これを耐圧強度とした。

（落下強度試験）
長さ６．６ｍｍに切断した成形品を２５℃、８０％ＲＨで１５時間かけて乾燥し、５５０℃で焼成した後、鉛直に立てられ下端に高さ３０ｍｍのシリコーンゴム製の栓をした内径２５．４ｍｍ、長さ５ｍの鉄パイプ中を上端から落下させたときの成形品の粉化率を測定した。すなわち、落下した成形品をふるいにかけ、粉砕品、半割れ品および良品の割合を以下の基準で評価した。
・粉砕品：８メッシュ下（−８＃）［８メッシュのふるい（目開き２．３６ｍｍ）を通過したものの割合（質量％）］
・半割品：８メッシュ上４メッシュ下（＋８＃〜−４＃）［４メッシュのふるい（目開き４．７５ｍｍ）を通過し、８メッシュのふるい（目開き２．３６ｍｍ）を通過しないものの割合（質量％）］
・良品：４メッシュ上（＋４＃）［４メッシュのふるい（目開き４．７５ｍｍ）を通過しないものの割合（質量％）］

また、成形品中の補強用繊維の分散状態を以下の方法によって評価した。まず、成形品を押出し方向に平行に割り、その破断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、倍率が５００倍のＳＥＭ写真を撮影する。次に、得られたＳＥＭ写真から成形品の押出し方向に対する補強用繊維の角度を測定する。すなわち、ＳＥＭ写真に成形品の押出し方向に平行な細線を任意な間隔で記入し、この細線に対する繊維の角度を分度器にて測定する。
実施例１〜３および比較例で得た成形品について、以上のようにして複数の補強用繊維の角度を測定した。その測定結果(角度分布)を示すグラフを図５〜図８に示す（図中、ｎは繊維数を示す）。また、これらの角度測定結果から１０％および９０％の累積度数の角度を求め、それらの差から９０％累積度数の角度と１０％累積度数の角度との差（Ａ90-Ａ10）を求めた。５０％累積度数の角度(A50)も同様にして求めた。

これらの試験結果を表１に示す。

表１から、実施例で得た成形品は、比較例の成形品に比べて、補強用繊維の分散度が高いため、長手方向に割れる、いわゆる半割れ品が少なく、かつ耐圧強度も向上していることがわかる。

本発明の一実施形態である押出成形装置の要部を示す概略断面図である。 押出成形装置の略全体構成を示す概略断面図である。 （ａ）は本発明におけるピンの他の例を示す側面図、（ｂ）はその正面図である。 （ａ）は本発明におけるピンのさらに他の例を示す側面図、（ｂ）はその正面図である。 実施例１で得た成形品における押出し方向に対する補強用繊維の角度の累積度数を示すグラフである。 実施例２で得た成形品における押出し方向に対する補強用繊維の角度の累積度数を示すグラフである。 実施例３で得た成形品における押出し方向に対する補強用繊維の角度の累積度数を示すグラフである。 比較例で得た成形品における押出し方向に対する補強用繊維の角度の累積度数を示すグラフである。

符号の説明

１ ダイ
２ 押出孔
３ 流路
５ ピン
７ 線材
２６ 線材
２７ 突起
５１ ピン
５２ ピン

Claims (2)

1. 補強用繊維を含有した押出し成形品であって、前記補強用繊維は、押出し方向に対する５０％累積度数の角度が２０°以上であり、かつ９０％累積度数の角度と１０％累積度数の角度との差が４０°以上であることを特徴とする押出し成形品。
2. 前記補強用繊維は、押出し方向に対する５０％累積度数の角度が３０°以上であり、かつ９０％累積度数の角度と１０％累積度数の角度との差が５０°以上である請求項１に記載の押出し成形品。

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