JP2009029131A - 連続配合用の混合混練装置及び混合混練装置を用いた連続配合の実施方法 - Google Patents
連続配合用の混合混練装置及び混合混練装置を用いた連続配合の実施方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】ケーシング内で回転すると同時に軸方向に並進移動するスクリューシャフトを含む、連続配合用の混合混練装置を提供する。
【解決手段】単位時間当たりの材料の処理能力に関して、装置の効率を持続的に向上させるために、以下の幾何比を有するスクリューシャフト３を提案する。スクリューシャフト内径Ｄｉに対するスクリューシャフト外径Ｄａの比Ｄａ／Ｄｉは１．５〜２．０であり、ストロークＨに対するスクリューシャフト外径Ｄａの比Ｄａ／Ｈは４〜６であり、ストロークＨに対するピッチＴの比Ｔ／Ｈは１．３〜２．５の間であるスクリュシャフト３。かかるスクリューシャフト３を備えた混合混練装置は、好ましくは５００ｒｍｐを超える回転速度、特には８００ｒｍｐを超える回転速度で運転される。
【選択図】図２
【解決手段】単位時間当たりの材料の処理能力に関して、装置の効率を持続的に向上させるために、以下の幾何比を有するスクリューシャフト３を提案する。スクリューシャフト内径Ｄｉに対するスクリューシャフト外径Ｄａの比Ｄａ／Ｄｉは１．５〜２．０であり、ストロークＨに対するスクリューシャフト外径Ｄａの比Ｄａ／Ｈは４〜６であり、ストロークＨに対するピッチＴの比Ｔ／Ｈは１．３〜２．５の間であるスクリュシャフト３。かかるスクリューシャフト３を備えた混合混練装置は、好ましくは５００ｒｍｐを超える回転速度、特には８００ｒｍｐを超える回転速度で運転される。
【選択図】図２
Description
この発明は、ケーシング内で回転すると同時に軸方向に並進移動するスクリューシャフトを含む、連続配合用の混合混練装置に関する。また、この発明は、請求項１に記載されたように構成された混合混練装置を用いた連続配合の実施方法にも関する。
このような種類の混合混練装置は、バルク流動性プラスチック及び／又は粘着体の配合に特に用いられる。例えば、この種の装置は、粘性可塑性体の加工、プラスチックの均質化及び可塑化、増量剤と増強剤の混合、並びに食品、化学物質／薬品及びアルミニウム工業の出発原料の製造に利用され、多くの場合、連続した脱気、混合及び膨張の統合を伴う。場合によっては、混合混練装置は、反応器としても用いられる。
混合混練装置の作動部材は、加工用材料を軸方向に送り出す、いわゆるスクリューとして構成されるのが一般的である。
従来の混合混練装置においては、作動部材は単に回転運動を発生するのみである。さらに、混合混練装置は、作動部材が回転すると同時に並進移動することも知られている。作動部材の運動プロファイルは、主軸が回転の上に正弦曲線運動を行うという点を特徴とする。この運動プロファイルによって、混練ピン又は混練歯等の嵌合部材のケーシングへの取り付けが可能となる。この目的のため、スクリューにはねじ加工が施され、分離した混練羽根を形成する。スクリューねじ、すなわち混練羽根は、主軸に配置されており、ケーシングに取り付けられた嵌合部材と相互作用して、種々の加工領域において、所望のせん断／混合混練機能を発生する。最後に説明した種の混合混練装置は、商品名ブス・コニーダー（Ｂｕｓｓ ＫＯ−ＫＮＥＡＤＥＲ、登録商標）として当業者には公知である。
前述の種類の混合混練装置は公知であり、スクリューシャフト直径が最大で７００ｍｍであり、いずれの場合にも、材料処理量を決めるのは特にスクリューシャフト直径である。スクリューシャフト内径（Ｄｉ）に対するスクリューシャフト外径（Ｄａ）の比は約１．５であり、一方、ストローク（並進運動成分）（Ｈ）に対するスクリューシャフト外径（Ｄａ）は約６．７であり、ストローク（Ｈ）に対するピッチ（スクリュー羽根の軸方向間隔）（Ｔ）は２程度である。混合混練装置の寸法に応じて、スクリューシャフトは５〜５００ｒｐｍの速度で動く。
混合混練装置は、幾何学的相似の原理に基づいて設計されるのが一般的である。比Ｄａ／Ｄｉ、Ｄａ／Ｈ及びＴ／Ｈが一定の場合には、その大きさに関わらず、このことが存在する。
処理された製品がどの程度良好に分散、混合及び均質化されるかを決める因子は、溶解温度、装置の加工空間に製品が滞留する時間、せん断速度及び溶解物で満たされたスクリューチャネル／加工空間内のせん断サイクルの回数である。
多くの処理に適用されるように、供給、溶解、混合分散及び脱気領域等の順次の処理領域が、搬送、せん断速度レベル及び充填に良好に調和されるほど、製品はより良好に混合され、分散され、均質化される。混合混練装置技術の現状において、標準的な組成物に一般的な値は、平均せん断速度が１５ １／ｓ〜１５０ １／ｓの溶解範囲内で、スクリュー全体に対する平均製品滞留時間が３０〜６００ｓである。
従来の混合混練装置において、平均せん断速度は、スクリューの回転速度及び比Ｄａ／Ｄｉにより最大値が制限される。しかし、せん断速度の増加は、比エネルギー入力の値の増加を招き、これは許容することのできないほど高い溶解温度を招く。混合混練装置内の製品の平均滞留時間の長期化とともに、過剰に高いせん断速度も、品質を低下させる製品の劣化（熱分解又は架橋）を招く。
この発明は、請求項１の序文に記載したような混合混練装置を改良するという目的に基づくものであり、処理した製品の品質の明らかな低下を伴うことなく、単位時間当たりの材料の処理能力を向上できるようにする。
この目的は、請求項１の特徴部に記載された特徴を備えた混合混練装置により達成される。
スクリューシャフト内径に対するスクリューシャフト外径の比Ｄａ／Ｄｉが１．５〜２．０となり、ストロークＨに対するスクリューシャフト外径Ｄａの比Ｄａ／Ｈが４〜６となり、ストロークＨに対するピッチＴの比Ｔ／Ｈが１．３〜２．５となるように混合混練装置の幾何形状を選択することにより、最大製品処理能力に関して、装置の効率の最適化に対する基本的要求を達成する。このように定められた形状に設計された混合混練装置は、５００ｒｐｍを超える回転速度での運転に特に適しており、速度が速いほど製品処理能力は高くなることが基本的に分かっている。
さらに、この定義された幾何形状は、軸線方向に順次配置された処理領域、特には供給領域、溶解領域、混合領域及び脱気領域を適正化し、それぞれを処理能力、せん断速度レベル及び充填量について互いに適合して、品質を向上すると同時に、製品のピーク温度の有効持続時間を短くする平均せん断速度領域の達成を可能にする。
この発明にしたがって幾何形状を選択することにより、単位時間当たりの製品処理能力を高めるに当たり、許容できないほど高い比エネルギー入力を招くことなく、混合混練装置を、高速なスクリュー速度で直接操作することが可能である。
混合混練装置のさらに好適な実施態様は、従属請求項２〜８に記載されている。
この発明の他の目的は、請求項１にしたがって設計された混合混練装置を用いて連続配合を行う方法の提案を伴うものであり、これによって単位時間当たりの材料処理量を増加することができる。
この目的を達成するため、請求項９の特徴部に記載されたように、スクリューシャフトを５００ｒｐｍ超の、特には８００ｒｐｍ超の回転速度で運転することを提案する。
スクリューシャフトの回転速度を増加することは、請求項１０に記載されたように、さらに劇的に製品滞留時間を短くすることを可能とする。
スクリューシャフトの高速な回転速度と高い製品処理能力から得られる１〜２０秒という短い製品滞留時間は、同時に、製品が熱劣化又は架橋する傾向を縮小する。
この発明に従って混合混練装置を設計することにより、装置の適用の範囲が広がる。
図面を参照しつつ、以下でこの発明を詳細に説明する。
図１を参照して、混合混練装置１の長手方向断面が概略的に示されている。混合混練装置１は、ケーシング２により包囲された、スクリューシャフト３の形態の稼動部材を備えており、このスクリューシャフト３には、らせん状に構成された複数のスクリュー羽根４が設けられている。また、かかる混合混練装置１は、１つのスクリューシャフトのみを有していることから、単スクリュー押出機とも呼ばれる。スクリューシャフト３のスクリュー羽根４は、円周方向に不連続であり、スクリューシャフト３が、実際の回転運動に加えて軸線方向の、すなわち搬送動作を行うことを可能とするに当たり、ケーシング２に配置された混練ピン５のための軸線方向開口を形成する。ケーシング２の内側とスクリューシャフト３の間には、複数の処理領域８〜１１を通常含む実際の加工空間６が形成される。この例では、混合混練装置１は、例えば、供給領域８、溶解領域９、混合／分散領域１０及び脱気領域１１を備える。混合混練装置１は、送り込み端にホッパー１２を備える一方、送り出し端に排出開口１３を備えており、この開口１３を介して配合された材料が矢印１４の方向に出ることができる。かかる混合混練装置の基本構成は、例えばスイス国特許第２７８，５７５号明細書から公知である。この例では、図示のように、混練ピン５は混合／分散領域１０にのみ描かれているが、無論、混練ピンを必要に応じて他の領域に設けることもできる。
図２を参照して、この発明にしたがうスクリューシャフト３の一部の幾何形状が斜視図で示されている。この場合に図示したスクリューシャフトモジュール３ａのシャフト形状は、縮尺どおりではないことに留意すべきである。スクリューシャフト３は、前述したブス・コニーダー（登録商標）と同様に、スクリューシャフトを、回転と搬送動作を同時に行うことのできる作動部材として構成した、いわゆる単一スクリュー押出機の形で混合混練装置１を用いるように意図される。スクリューシャフトモジュール３ａは、合計で８個のスクリュー羽根を備えており、そのうちの４ａ〜４ｆの６個が図に表れている。周方向に順に並んだ２つのスクリュー羽根４ａ、４ｂの間に、貫通孔１６が開口しており、ケーシングに配設した混練ピン（図示せず）がこの貫通孔内に延在することができる。スクリューシャフト３の内径をＤｉとし、スクリューシャフト３の外径をＤａとする。内径Ｄｉは、スクリューシャフト３の円筒シェル表面７により決まり、一方、外径Ｄａは、半径方向に対向し、軸線方向にずらされたスクリュー羽根４ａ、４ｂの最高部又は最外部の間の直径方向距離により決まる。ピッチ、すなわち軸線方向に順に並ぶ２つのスクリュー羽根４ａ、４ｂの間の平均距離をＴとする。必要に応じて、ピッチＴを決めるスクリュー羽根を半径方向にもずらすことができる。ストローク、すなわちスクリューシャフト３が軸線方向にわたる距離をＨとする。
この例では、スクリュー羽根４ａ〜４ｆの側主面は、自由形成された表面として設計されている。好ましくは、混練ピン（図示せず）の主面を同様にして自由形成された表面として設計する。自由形成された表面とは、その三次元配置が、いずれの箇所にも自然原点を持たない面のことをいう。ここで、スクリュー羽根４ａ〜４ｆ及び／又は混練ピンの主面は、少なくとも部分的に自由形成された表面として構成されているので、例えば、スクリュー羽根とこれに関連する混練ピントの間に残存する隙間に関して、静的及び動的スクリューシャフト形状に影響を与える全く新しい可能性が開ける。特に、この隙間の大きさ及び方向を、回転動作に加えたスクリューシャフトの軸線方向動作を考慮に入れて、事実上任意の程度で変えることができる。このことは、加工空間内に作られ、処理される製品に影響するせん断及び延伸流領域内での機械的エネルギー入力及び／又は変化を適正化することを究極的には可能とする。
この発明にしたがい設計されたスクリューシャフト３に関する比は以下の通りである。
・ Ｄａ／Ｄｉ＝１．５〜２．０
すなわちスクリューシャフト内径Ｄｉに対するスクリューシャフト外径Ｄａの比が１．５と２．０の間となる。
・ Ｄａ／Ｈ＝４〜６
すなわち、ストロークＨに対するスクリューシャフト外径Ｄａの比が４と６の間となる。
・ Ｔ／Ｈ＝１．３〜２．５
すなわち、ストロークＨに対するピッチＴの比が１．３と２．５の間となる。
・ Ｄａ／Ｄｉ＝１．５〜２．０
すなわちスクリューシャフト内径Ｄｉに対するスクリューシャフト外径Ｄａの比が１．５と２．０の間となる。
・ Ｄａ／Ｈ＝４〜６
すなわち、ストロークＨに対するスクリューシャフト外径Ｄａの比が４と６の間となる。
・ Ｔ／Ｈ＝１．３〜２．５
すなわち、ストロークＨに対するピッチＴの比が１．３と２．５の間となる。
この発明にしたがって設計されたスクリューシャフトを用いた試験を、
それぞれ１００〜５００ｒｍｐという通常の回転速度でプラスチック組成物に対して、装置の構造（処理領域の構成）を従来と原理的に同様のままにして、ブス・コニーダー（回転と同時に搬送動作する単一スクリュー混練機）で行った。
それぞれ１００〜５００ｒｍｐという通常の回転速度でプラスチック組成物に対して、装置の構造（処理領域の構成）を従来と原理的に同様のままにして、ブス・コニーダー（回転と同時に搬送動作する単一スクリュー混練機）で行った。
驚くべきことに、５００ｒｐｍを大きく超えるスクリュー速度において、マス温度、すなわち分配、せん断速度レベル及び充填を調和させた処理領域内における装置内で処理される製品の温度が実質的に増加しないということが分かった。
したがって、運転時には、かかるスクリューシャフトを、配合される製品を劣化することなく、５００ｒｐｍを超える速度、８００ｒｍｐから２０００ｒｍｐもの高速で動かすことが好ましい。
好ましくは、５００ｒｐｍを超える回転速度でスクリューシャフト３を運転した場合に、スクリュー羽根４ａ〜４ｆのピッチを、加工空間６（図１）の長さに適合させて、装置内の製品の滞留時間を最大で２０秒にする。
図３には、並進運動するスクリューシャフトの単純化した運動順序が示されており、ケーシングの内側とそれぞれの作業空間の全長のシェル面とが示されており、スクリュー羽根４ａ、４ｂ、４ｃのみを表している。単純化のため、混練ピン５を円形部材として描いてある。この図から、隣接する混練ピン５に対するそれぞれのスクリュー羽根４ａ、４ｂ、４ｃの動きが分かる。より分かりやすくするには、動きの順序を運動学的に反転させて示す、すなわちスクリュー羽根４ａ、４ｂ、４ｃが固定されており、混練ピン５が、スクリューシャフトの回転運動及び並進運動の結果、正弦曲線路を動くと仮定する。この図から明らかなように、スクリュー羽根４の２つの側主面と通過する混練ピン５の間には、隙間の形態で自由空間Ｓが存在し、この空間の幅及び方向は、スクリュー羽根４ｃの幾何形状及び回転する作動部材の軸線方向変位により決まる。同様に、２つの軸線方向に並置された混練ピン５とそれぞれのスクリュー羽根４ｃ、４ｆの間の空間に対応するピッチＴが示されている。また、スクリューシャフトのストロークＨも示されている。
図４には、混合混練装置内で処理される製品の滞留時間ｔ（秒）の関数として処理能力Ｇ（ｋｇ／ｈ）が示されている。このグラフから、処理能力の増加につれた高温にさらされる製品の滞留時間が顕著に低減する様子が明らかである。
実施した試験から、効果持続時間が十分に短い場合には、これまでの経験から品質の低下を招くこととなるマス温度でさえも、品質に対して安全となることが示された。しかし、十分に短い滞留時間の達成は、処理能力の増大によってのみ可能である。
これらの検討における配合した製品の処理能力及び品質は、用いたスクリューの幾何形状、それの回転速度及び装置の個々の加工領域の搬送特性により決まる。
配合の目的は、均一な最終製品を達成すること、一般には添加物と配合することである。これが、添加物及び均質性の欠如を装置内で分散させ、分配的に相互混合する必要がある所以である。粒子を粉砕するために、周囲の基質を介して粒子に伝える際にせん断能力を変化させる必要がある。せん断能力τは次式により与えられる。
式中、ηは基質媒体の粘度であり、γ´はそのせん断速度である。処理させる製品の分散、混合及び均質化の程度の要因は、溶解温度及び滞留時間に加え、溶解物の充填されたスクリューチャネル内におけるせん断速度γ´（１／秒）である。
これを、スクリュー周速度をせん断隙間で除した商の平均値として単純化して考えると（スクリューチャネルは１００％充填されていると仮定する）、
多くの処理が準拠する。
バランスの取れたせん断速度レベルによって、混合、分散及び均質化が適正に達成されることとなる。混合分散装置分野の現状の最新技術においては、標準的な配合の通常の値は、溶解物中の平均せん断速度が２０ １／ｓ〜１５０ １／ｓの範囲であり、スクリューの全長に対する平均製品滞留時間が３０〜６００秒である。
バランスの取れたせん断速度レベルによって、混合、分散及び均質化が適正に達成されることとなる。混合分散装置分野の現状の最新技術においては、標準的な配合の通常の値は、溶解物中の平均せん断速度が２０ １／ｓ〜１５０ １／ｓの範囲であり、スクリューの全長に対する平均製品滞留時間が３０〜６００秒である。
従来の混合混練装置においては、式（２）から明らかなように、平均せん断速度は、スクリューの回転速度及びＤａ／sにより最大値が制限される。
しかし、
であるから、せん断速度の増加もまた特に比エネルギー入力値の増加を招き、これは、次式により溶解温度の上昇となることから、許容できない高い溶解温度となり得る。
式中、ｃｐは比エンタルピーである。すなわち、混合混練装置における製品の平均滞留時間が長いことと相まって、高いせん断速度も、品質の低下を招く製品の劣化（熱劣化又は架橋）を引き起こす場合がある。
この発明にしたがう混合混練装置は、品質を向上する平均せん断速度を達成しつつ、提案したような比Ｄａ／Ｄｉ、Ｄａ／Ｈ及びＴ／Ｈを用いて製品中のピーク温度での滞留時間を短くすることが可能であるので、回転及び並進運動と組み合わせて、スクリューシャフトの回転速度を５００〜２０００ｒｐｍとして運転することができる。
式に用いた記号
ｅｓｐｅｃ 平均比エネルギー入力（ｋＷｈ／ｋｇ）
ｔ 押出機内での製品の平均滞留時間（秒）
ｐ 溶解密度（ｋｇ／ｍ３）
γ 平均せん断速度（１／秒）
η 平均動粘度（Ｐａ＊秒）
Ｄａ スクリューシャフト外径（ｍｍ）
Ｄｉ スクリューシャフト内径（ｍｍ）
Ｓ スクリュー羽根と混練ピン／歯の間の平均せん断隙間
ｎｓ スクリューの回転速度（ｒｐｍ又は１／秒）
ｖｕ スクリューシャフトの週速度（ｍ／秒）
τ せん断応力（Ｎ／ｍｍ２）
ｃｐ 比エンタルピー（ｋＪ／ｋｇ＊Ｋ）
Ｇ 処理能力（ｋｇ／ｈ）
ΔＴ マス温度の増加（Ｋ）
ｅｓｐｅｃ 平均比エネルギー入力（ｋＷｈ／ｋｇ）
ｔ 押出機内での製品の平均滞留時間（秒）
ｐ 溶解密度（ｋｇ／ｍ３）
γ 平均せん断速度（１／秒）
η 平均動粘度（Ｐａ＊秒）
Ｄａ スクリューシャフト外径（ｍｍ）
Ｄｉ スクリューシャフト内径（ｍｍ）
Ｓ スクリュー羽根と混練ピン／歯の間の平均せん断隙間
ｎｓ スクリューの回転速度（ｒｐｍ又は１／秒）
ｖｕ スクリューシャフトの週速度（ｍ／秒）
τ せん断応力（Ｎ／ｍｍ２）
ｃｐ 比エンタルピー（ｋＪ／ｋｇ＊Ｋ）
Ｇ 処理能力（ｋｇ／ｈ）
ΔＴ マス温度の増加（Ｋ）
Claims (11)
- ケーシング（２）内で回転すると同時に軸方向に並進移動するスクリューシャフト（３）を含む、連続配合用の混合混練装置（１）であって、スクリューシャフト内径Ｄｉに対するスクリューシャフト外径Ｄａの比Ｄａ／Ｄｉは１．５と２．０の間であり、ストロークＨに対するスクリューシャフト外径Ｄａの比Ｄａ／Ｈは４と６の間であり、ストロークＨに対するピッチＴの比Ｔ／Ｈは１．３と２．５の間であることを特徴とする混合混練装置（１）。
- 前記スクリューシャフト（３）は５００ｒｐｍを超える回転速度、特には８００ｒｐｍを超える回転速度で運転されることを特徴とする、請求項１に記載の混合混練装置（１）。
- 前記混合混練装置（１）は、加工空間（６）を形成する複数の領域を運搬方向に連続して具えることを特徴とする、請求項１に記載の混合混練装置（１）。
- 前記加工空間（６）は、少なくとも一つの送り込み領域（８）、溶解領域（９）、混合／分散領域（１０）、及び脱気領域（１１）により形成されることを特徴とする、請求項３に記載の混合混練装置（１）。
- 前記スクリューシャフト（３）の回転速度は、装置内における製品滞留時間が１秒と２０秒の間となるように加工空間（６）の長さに適合されていることを特徴とする、請求項３または４に記載の混合混練装置（１）。
- スクリュー羽根（４）のピッチは、５００ｒｐｍを超えるスクリューシャフト（３）の回転速度での装置内における製品滞留時間が最大で２０秒となるように、加工空間（６）の長さに適合されていることを特徴とする、請求項３または４に記載の混合混練装置（１）。
- 前記混合混練装置（１）は、ケーシング（２）に固定され、加工空間（６）内に突出した混練ピン（５）を具え、スクリュー羽根（４）及び／または混練ピン（５）の主表面が少なくとも部分的に自由形成された表面として構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の混合混練装置（１）。
- スクリュー羽根（４）及び／または混練ピン（５）の主表面の三次元配置は、いずれの箇所にも自然原点を持たないように少なくとも部分的に構成されていることを特徴とする、請求項７に記載の混合混練装置（１）。
- 請求項１に記載の混合混練装置を用いて連続配合を実施する方法において、スクリューシャフトが５００ｒｍｐを超える回転速度、特には８００ｒｐｍを超える回転速度で運転されることを特徴とする方法。
- スクリューシャフトの回転速度は、装置内における平均製品滞留時間が１秒と２０秒の間となるよう適合される、請求項９に記載の方法。
- バルク流動性プラスチック及び／又は粘着体が準備される、請求項９又は１０に記載の方法。
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