JP2009012417A - 溶融混練脱揮押出機 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶融原料の表面更新性を向上させた溶融混練脱揮押出機を提供する。
【解決手段】表面更新領域内に、スクリュの軸周りのディスク相互間のずれ角度である位相角度Ｅが０°＜Ｅ＜９０°で配列された複数のディスク１０を備えた少なくとも１つの表面更新性スクリュセグメント９を有し、表面更新性スクリュセグメント９は、各ディスク１０がスクリュの軸方向に間隔を空けて配置されるように各ディスク１０の間に空隙部１１を有する溶融混練脱揮押出機。
【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂原料の溶融混練脱揮押出機に関するものである。
従来、樹脂原料の溶融混練脱揮押出機に関しては、例えば、特許文献１、特許文献２に開示されているものがある。
特許文献１では、混練部と脱揮部が交互に複数箇所に設けられていて、脱揮部では真空状態になっており、その脱揮部で、スクリュの搬送混練により脱揮を行う構成が開示されている。
一方、特許文献２では、特許文献１と同様に、原料に充満部で気密性が保持された脱揮領域で、原料を下流に移送可能なように捩れた混練フライトを有し、材料を下流に送りつつ練り混ぜて揮発分を分離する装置が提示されている。特許文献２に開示されている装置を図１１に示す。押出機は、内部を負圧状態に吸引する真空ベント１０３を備えたシリンダ１０１内にスクリュ１０２を回転可能に有する。押出機内に供給された原料は、シリンダ１０１内部に挿通されたスクリュにより混練部１０４まで輸送され、混練部１０４で剪断力を付加されながら溶融し、下流側へ輸送される。真空ベント１０３から吸気されることで負圧状態となった脱揮領域１０５において、溶融原料が含有している揮発成分は、溶融原料から分離されて押出機外に除去される。
特許文献２においては、気密性が保持された脱揮領域１０５に、表面更新性（原料混練に際して、外気に曝されていない溶融原料の内側部分を外気に曝すようにすること）を有するスクリュセグメント１０６を設置し、原料を練り混ぜながら下流側へ輸送することで、さらに効率よく含有する揮発成分を除去することが可能であると報告されている。表面更新性を有する特許文献２のスクリュセグメントの正面図を図１２（ａ）に、側面図を図１２（ｂ）に示す。スクリュセグメント１０６は径方向で互いに反対向きに突出する一対の混練フライトを備えた２条翼ローターセグメントからなり、シリンダ内壁とのチップクリアランスが大きい低位チップ部１０７と、チップクリアランスが小さい高位チップ部１０８とを有する。低位チップ部１０７でシリンダ内壁に原料の薄膜を形成すると共に、高位チップ部１０８により形成された薄膜を掻き取ることで、表面更新を反復して行い脱揮をさらに効果的に促進させることができる。
特許第３８５７４１１号 特開２００６−１２５２号公報
特許文献１で開示されている脱揮方法は、脱揮部に存在する両スクリュの噛合い部で、樹脂の一部を逆流させ、滞留時間を稼ぎ脱揮を行うものである。この特許文献１による方法では、脱揮を促進するためには、滞留時間だけでなく、脱揮される樹脂の暴露面積の拡大が必要となる。しかしながら、フライトの繋がった輸送スクリュでは輸送能力が高いことから、表面更新性が不足する場合がある。
一方、特許文献２に開示されている脱揮装置では、脱揮領域に原料を下流に移送可能なように捩れた混練フライトを配備し練り混ぜながら脱揮される樹脂の暴露面積の拡大を考慮している。しかしながら、この装置も特許文献１で開示されている方法と同様に、フライトが繋がっているため、輸送能力が高いことから表面更新性が低下してしまう。よって、混練フライトを多く配備し、脱揮領域を長くしなければ十分な脱揮効果が得られない場合がある。
そこで、本発明は、溶融原料の表面更新性を向上させた溶融混練脱揮押出機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溶融混練脱揮押出機は、加熱冷却可能なシリンダ内に２本のスクリュが回転可能に挿入されており、スクリュは、樹脂原料の供給側である上流側から順に、樹脂原料が外部から供給され樹脂原料を充満させる上流側シール部、樹脂原料を脱揮する脱揮領域、樹脂原料を充満させる下流側シール部で構成されており、脱揮領域内に、樹脂原料を混練して、外気に曝されていない樹脂原料の内側部分を外気に曝すようにする表面更新領域を有する溶融混練脱揮押出機において、表面更新領域内に、スクリュの軸周りのディスク相互間のずれ角度である位相角度Ｅが０°＜Ｅ＜９０°で配列された複数のディスクを備えた少なくとも１つの表面更新性スクリュセグメントを有し、表面更新性スクリュセグメントは、各ディスクがスクリュの軸方向に間隔を空けて配置されるように各ディスク間に空隙部を有することを特徴とする。
上述の本発明の溶融混練脱揮押出機は、各ディスク間に空隙部を設けることで空隙部の部分では樹脂原料が輸送されずに表面更新性スクリュセグメントにて滞留するようにしている。これによりディスクのチップ部で行われる表面更新の回数が増加するため、脱揮特性を向上させることができる。また、脱揮特性が向上した本発明の表面更新性スクリュセグメントは、脱揮領域が従来のように長くなってしまうのを防止できる。
また、本発明の溶融混練脱揮押出機の空隙部の外周面はシリンダの内周面と平行であってもよい。これにより、空隙部における樹脂原料の輸送能力を確実に無くすことができる。
また、本発明の溶融混練脱揮押出機は、ディスクの先端部であるチップ部におけるディスクの前面側の頂部ａと該ディスクの後面側の頂部ｂとの間の角度である螺旋角度θが、スクリュの軸を法線とするディスクの断面を軸先端方向に見てスクリュの反回転方向に０°≦θ＜９０°の範囲内にあるものであってもよい。この場合、表面更新性スクリュセグメントにおける過剰な滞留を抑制することで脱揮性能を向上させることができる。
また、本発明の溶融混練脱揮押出機は、上流側シール部は、樹脂原料を混練し、樹脂原料の温度を上昇させ、かつ樹脂シールを形成するため、混練スクリュセグメントとシールリングとを有し、表面更新領域は、上流側シール部の下流側直後に配置されているものであってもよい。この場合、混練部と表面更新性スクリュセグメントとの間に樹脂原料を輸送する能力を有するスクリュを配した構成よりも脱揮特性を向上させることができる。
本発明によれば、スクリュの軸周りに位相角をもたせ、かつスクリュの軸方向に空隙部を設けて配置した複数のディスクを備えた表面更新性スクリュセグメントにより樹脂原料を滞留させることができるので、樹脂原料の表面更新の回数が増加し、脱揮特性を向上させることができる。
図１は、本発明の溶融混練脱揮押出機の構造を説明するための模式図である。なお、以下の説明において、図１の左側を上流側、右側を下流側と呼称する。
図２は本発明の表面更新性スクリュセグメントを示す図であり、図２（ａ）は側面図であり、図２（ｂ）に図２（ａ）に示すＡ−Ａ線方向の表面更新性スクリュセグメントの断面図である。なお、図２（ｂ）はスクリュ１４の軸を法線とし、スクリュ１４の軸先端（図１の右側方向）方向にみた表面更新性スクリュセグメントの断面である。
溶融混練脱揮押出機１は、加熱冷却可能なシリンダ１３内に回転可能に収納された互いに噛み合った２本のスクリュ１４を有する。シリンダ１３の上流側には不図示の樹脂原料供給口が設けられており、この樹脂原料供給口に接続された不図示のホッパを介してシリンダ１３内に樹脂原料が供給される。また、シリンダ１３の下流側には、シリンダ１３の内部を真空引きによって減圧状態とし、樹脂原料からの揮発成分や水分を取り去る、すなわち脱揮するための真空吸引用の真空ベント１５が設けられている。
スクリュ１４は、不図示の減速機と連結しており、減速機に連結されている不図示のモータにて同方向に回転駆動される。スクリュ１４は上流側から、上流側シール部１７ａ、脱揮領域１６、下流側シール部１７ｂで構成されている。
上流側シール部１７ａは、樹脂原料供給口から供給された樹脂原料を混練しながら下流側へと送る領域である。上流側シール部１７ａは、樹脂原料を混練し、樹脂原料の温度を上昇させ、かつ樹脂シールを形成するため、混練スクリュセグメントとシールリングとで構成されている。
脱揮領域１６は、上流側シール部１７ａから送られてきた樹脂原料を混練するとともに樹脂原料に含まれる揮発成分を溶融樹脂原料から分離して押出機外に除去する領域である。脱揮領域１６の上流側シール部１７ａ側には表面更新領域１８が設けられている。表面更新領域１８は、樹脂原料を混練して、外気に曝されていない溶融樹脂原料の内側部分を外気に曝すようにするための領域であり、この領域に表面更新性スクリュセグメント９が設けられている。
下流側シール部１７ｂの最下流部には、不図示のダイスが設けられている。下流側シール部１７ｂでは混練物が密になり溶融樹脂原料が充満する。
上述のように、上流側シール部１７ａと下流側シール部１７ｂとで樹脂原料が充満することで気密性が保持され、脱揮領域１６は負圧状態となる。
次に、表面更新領域１８に配置された表面更新性スクリュセグメント９の構成について説明する。
表面更新性スクリュセグメント９は空隙部１１を介して配列された５枚のディスク１０からなる。すわなち、各ディスク１０は各ディスク１０の間に空隙部１１が挟み込まれていることでスクリュ１４の軸方向に間隔を空けて配置されていることになる。
ディスク１０は、ＴＫＤ（Ｔｗｉｓｔ Ｋｎｅａｄｉｎｇ ｄｉｓｃ）であり、ディスク１０の先端部であるチップ部１２における、前面側の頂部ａと後面側の頂部ｂとの間の角度である螺旋角度θが、ディスク１０の断面Ａ−Ａを軸先端方向にみてスクリュ１４の反回転方向に約１１°で傾斜している。また、スクリュ１４の軸周りの各ディスク１０相互間のずれ角度である位相角度Ｅは４５°である。
なお、螺旋角度θは、スクリュ１４の軸を法線とするディスク１０の断面を軸先端方向に見てスクリュ１４の反回転方向に０°≦θ＜９０°の範囲内で適宜選択可能である。すわなち、ディスク１０は、螺旋角度θが０°＜θ＜９０°としたＴＫＤのみならず、螺旋角度θが０°のＦＫ（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｋｎｅａｄｉｎｇ ｄｉｓｋ）が適用可能である。もっとも、表面更新性スクリュセグメント９における樹脂原料の過剰な滞留を抑制するためには螺旋角度θを０°＜θ＜９０°とするのが好ましい。
また、位相角度Ｅも、０°＜Ｅ＜９０°の範囲内で適宜選択可能であり、ディスク１０の枚数も、例えば、６枚以上１５枚以下としてもよい。なお、ディスク１０の枚数はこれらに限定されるものではない。
空隙部１１はリング状の部材であり、その外径は、特に限定されるものではないがディスク１０の短径ｄ以下のものを用いるのが好ましい。また、空隙部１１に樹脂原料の輸送能力を持たせないようにするため、空隙部１１の外周面１１ａがシリンダ１３の内周面と平行となるようにするのが好ましい。
表面更新性スクリュセグメント９は、螺旋角度θを有するディスク１０が隣接するディスク１０と位相角度Ｅで配列されている。また、空隙部１１は輸送能力が無いため、脱揮領域１６での溶融樹脂原料の滞留時間をさらに長くすることができる。すわなち、本発明の表面更新性スクリュセグメント９を、脱揮領域に採用することにより、樹脂原料の表面更新の回数の増加による暴露面積の拡大を促進し、短いＬ／Ｄ（Ｌ＝スクリュセグメントの長さ、Ｄ＝シリンダー内径）で高い脱揮効果が得ることが可能となる。表面更新性スクリュセグメント９の空隙部はＬ／Ｄ＝０．０２以下とするのが好ましく、本実施形態では、Ｌ／Ｄ＝０．０１５としている。
なお、表面更新性スクリュセグメント９は、上流側シール部１７ａの混練部直後に配置するのが好ましい。
次に、本発明の溶融混練脱揮押出機における脱揮領域の脱揮操作に関して説明する。
溶融樹脂原料の揮発成分は、脱揮領域で除去される。その脱揮領域に配備されている表面更新性スクリュセグメント９において、ディスク１０では、樹脂原料の表面を更新させながら薄膜を形成し、樹脂原料表面の揮発成分の除去が促される。空隙部１１では、輸送能力が無いので樹脂原料は表面更新用スクリュ９で滞留する。これによりディスク１０のチップ部１２で行われる表面更新の回数が増加するため、脱揮をさらに効果的に促進させることができる。もっとも、シリンダ１３内に樹脂原料が過剰に充満すると、減圧雰囲気に曝される樹脂原料の面積が低下し、脱揮効率が低下してしまう。この為、ディスク１０のチップ部１２は軸方向に螺旋角度０°≦θ＜９０°で傾斜させて輸送能力を付加することにより、シリンダ１３内に樹脂原料を過剰に充満させること無く暴露面積を増加させ、脱揮効率を向上させている。揮発成分は、真空ベント１５から真空吸引される。
以下に、一般的なスクリュ構成及び本発明の表面更新性スクリュセグメント９を備えたスクリュ構成の溶融混練脱揮押出機を用いて行った脱揮性能の比較試験の結果を示す。なお、各試験は以下の条件にて行われた。
樹脂原料：ＬＤＰＥ（低粘度ポリエチレン）、ＭＩ（Ｍｅｌｔ Ｉｎｄｅｘ）＝２
含有揮発成分：ｎ−Ｈｅｘ（ノルマルヘキサン）、３０００ｐｐｍ
シリンダ内径：６９φｍｍ
処理能力：１５０〜２５０ｋｇ／ｈ
スクリュ回転速度：１００〜２５０ｒｐｍ
（Ｓｃｒｅｗ−１）
図３に示すＳｃｒｅｗ−１は、脱揮領域１６に本発明の表面更新性スクリュセグメント９を用いない一般的なスクリュ構成であり、下流側への輸送能力が高いスクリュセグメント（ＦＦ：Ｆｏｒｗａｒｄ Ｆｕｌｌ−ｆｌｉｇｈｔ ｓｃｒｅｗ）のみで構成されている。
（Ｓｃｒｅｗ−２）
図４に示すＳｃｒｅｗ−２は、脱揮領域１６に本発明の表面更新性スクリュセグメント９を備えたスクリュ構成である。Ｓｃｒｅｗ−２は、上流側シール部１７ａの混練部１７ａ２のすぐ下流側の表面更新領域１８に、螺旋角度θ＝０°、位相角度Ｅ＝４５°とした表面更新性スクリュセグメント９（ＦＫ）を配置している。図８にＳｃｒｅｗ−２で用いた表面更新性スクリュセグメント９（ＦＫ）を示す。図８（ａ）は表面更新性スクリュセグメント９（ＦＫ）の側面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示すＡ−Ａ線方向の表面更新性スクリュセグメントの断面図である。
Ｓｃｒｅｗ−２は、表面更新性スクリュセグメント９（ＦＫ）を３つ連接して配置している。このため、押出機の全長は、Ｓｃｒｅｗ−１の構成よりも３．５Ｄだけ延長されたものとなっている。
（Ｓｃｒｅｗ−３）
図５に示すＳｃｒｅｗ−３は、脱揮領域１６に本発明の表面更新性スクリュセグメント９を備えたスクリュ構成である。Ｓｃｒｅｗ−３は、上流側シール部１７ａの混練部１７ａ２のすぐ下流側の表面更新領域１８に、螺旋角度θ＝１１°、位相角度Ｅ＝４５°とした表面更新性スクリュセグメント９（ＴＫＤ）を配置している。図９にＳｃｒｅｗ−３で用いた表面更新性スクリュセグメント９（ＴＫＤ）を示す。図９（ａ）は表面更新性スクリュセグメント９（ＴＫＤ）の側面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示すＡ−Ａ線方向の表面更新性スクリュセグメント９（ＴＫＤ）の断面図である。
Ｓｃｒｅｗ−３は、表面更新性スクリュセグメント９（ＴＫＤ）を３つ連接して配置している。このため、押出機の全長は、Ｓｃｒｅｗ−１の構成よりも３．５Ｄだけ延長されたものとなっている。
（Ｓｃｒｅｗ−４）
図６に示すＳｃｒｅｗ−４は、図９に示した表面更新性スクリュセグメント９（ＴＫＤ）が混練部１７ａ２のすぐ下流側の表面更新領域１８に、１つのみ配置した構成となっている。押出機の全長は、Ｓｃｒｅｗ−１の構成よりも３．５Ｄだけ延長されたものとなっている。
（Ｓｃｒｅｗ−５）
図７に示すＳｃｒｅｗ−５は、図９に示した表面更新性スクリュセグメント９（ＴＫＤ）を１つのみ有する点ではＳｃｒｅｗ−４と同じである。しかしながら、Ｓｃｒｅｗ−４が表面更新性スクリュセグメント９（ＴＫＤ）が設けられた表面更新領域１８が混練部１７ａ２のすぐ下流側であるのに対し、Ｓｃｒｅｗ−５は、混練部１７ａ２と表面更新領域１８との間に輸送能力を有したスクリュを配置されている点で異なる。
（試験結果）
図１０は、Ｓｃｒｅｗ−１〜Ｓｃｒｅｗ−５を用いて行った脱揮性能試験の結果を示すグラフである。
ここで、脱揮性能とは、一般的なスクリュ形状の一例としてのＳｃｒｅｗ−１の脱揮率を１とし、各スクリュ形状での脱揮率の比とした。脱揮率（％）は、１００％（１−Ｃｏｕｔ／Ｃｉｎ）とする。なお、
Ｃｏｕｔ＝押出機から吐出された樹脂原料に含有される揮発成分濃度
Ｃｉｎ＝押出機へ供給される前の樹脂原料に含有される揮発成分濃度
である。
ディスク１０間に位相角度Ｅを有するＦＫを用いたＳｃｒｅｗ−２の形状では、Ｓｃｒｅｗ−１の形状に比べ９％脱揮性能が向上した。一方、ディスク１０に螺旋角度θを有するＴＫＤを用いたＳｃｒｅｗ−３においては、表面更新性スクリュセグメント９における過剰な滞留が抑制されることからＳｃｒｅｗ−１の形状に比べ２７％脱揮性能が向上した。
また、ＴＫＤの個数を減らしたＳｃｒｅｗ−４においては、Ｓｃｒｅｗ−１に比べ３５％脱揮性能が向上した。すわなち、本発明の表面更新性スクリュセグメント９は、少ない個数で十分な脱揮性能が得られるため脱揮領域が従来のように長くなってしまうのを防止できる。
Ｓｃｒｅｗ−４とＳｃｒｅｗ−５を比較すると、Ｓｃｒｅｗ−４の方が脱揮性能が１４％高いことから、混練部１７ａ２の直後に表面更新性スクリュセグメント９を配置させることにより脱揮性能が向上することが明らかとなった。
本発明の溶融混練脱揮押出機の構造を説明するための模式図である。 本発明の表面更新性スクリュセグメントを示す図である。 脱揮性能試験に用いたＳｃｒｅｗ−１の構成を示す模式図である。 脱揮性能試験に用いたＳｃｒｅｗ−２の構成を示す模式図である。 脱揮性能試験に用いたＳｃｒｅｗ−３の構成を示す模式図である。 脱揮性能試験に用いたＳｃｒｅｗ−４の構成を示す模式図である。 脱揮性能試験に用いたＳｃｒｅｗ−５の構成を示す模式図である。 Ｓｃｒｅｗ−２に用いられた表面更新性スクリュ（ＦＫ）を示す図である。 Ｓｃｒｅｗ−３〜Ｓｃｒｅｗ−５に用いられた表面更新性スクリュ（ＴＫＤ）を示す図である。 Ｓｃｒｅｗ−１〜Ｓｃｒｅｗ−５を用いて行った脱揮性能試験の結果を示すグラフである。 従来の溶融混練脱揮押出機の一例の構成の模式図である。 図１１に示す溶融混練脱揮押出機に用いられるスクリュセグメントの正面図及び側面図である。
符号の説明
１ 溶融混練脱揮押出機
９ 表面更新性スクリュセグメント
１０ ディスク
１１ 空隙部
１２ チップ部
１３ シリンダ
１４ スクリュ
１５ 真空ベント
１６ 脱揮領域
１７ａ 上流側シール部
１７ａ１ スクリュセグメント
１７ａ２ 混練部
１７ｂ 下流側シール部
１８ 表面更新領域

Claims (4)

  1. 加熱冷却可能なシリンダ（１３）内に２本のスクリュ（１４）が回転可能に挿入されており、前記スクリュ（１４）は、樹脂原料の供給側である上流側から順に、前記樹脂原料が外部から供給され前記樹脂原料を充満させる上流側シール部（１７ａ）、前記樹脂原料を脱揮する脱揮領域（１６）、前記樹脂原料を充満させる下流側シール部（１７ｂ）で構成されており、前記脱揮領域（１６）内に、前記樹脂原料を混練して、外気に曝されていない前記樹脂原料の内側部分を外気に曝すようにする表面更新領域（１８）を有する溶融混練脱揮押出機において、
    前記表面更新領域（１８）内に、前記スクリュ（１４）の軸周りのディスク相互間のずれ角度である位相角度Ｅが０°＜Ｅ＜９０°で配列された複数のディスク（１０）を備えた少なくとも１つの表面更新性スクリュセグメント（９）を有し、
    前記表面更新性スクリュセグメント（９）は、前記各ディスク（１０）が前記スクリュ（１４）の軸方向に間隔を空けて配置されるように前記各ディスク（１０）の間に空隙部（１１）を有することを特徴とする溶融混練脱揮押出機。
  2. 前記空隙部（１１）の外周面（１１ａ）は、前記シリンダ（１３）の内周面と平行である、請求項１に記載の溶融混練脱揮押出機。
  3. 前記ディスク（１０）の先端部であるチップ部（１２）における前記ディスク（１０）の前面側の頂部（ａ）と該ディスク（１０）の後面側の頂部（ｂ）との間の角度である螺旋角度θが、前記スクリュ（１４）の軸を法線とする前記ディスク（１０）の断面を軸先端方向に見て前記スクリュ（１４）の反回転方向に０°≦θ＜９０°の範囲内にある、請求項１または２に記載の溶融混練脱揮押出機。
  4. 前記上流側シール部（１７ａ）は、前記樹脂原料を混練し、前記樹脂原料の温度を上昇させ、かつ樹脂シールを形成するため、混練スクリュセグメントとシールリングとを有し、前記表面更新領域（１８）は、前記上流側シール部（１７ａ）の下流側直後に配置されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の溶融混練脱揮押出機。
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