JP2010131962A - 押出機および押出成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少ないエネルギーの投与で大量の押出しをすることができる押出機、及び、少ないエネルギーで大量の押出成形品を製造する方法を提供する。
【解決手段】樹脂を溶融可塑化して押出成形するための、シリンダーにスクリューが挿通され少なくともフィード部２３，２４、コンプレッション部２６を有する押出機において、フィード部２３，２４はスクリューのフライトが２〜４条で、シリンダー内壁に溝を有し、コンプレッション部２６はシリンダー内壁に溝を有さず、コンプレッション部２６のシリンダー内側面とコンプレッション部のスクリューフライトの外周先端部との距離が１０〜２５０μｍであることを特徴とする押出機。同押出機を用いることを特徴とする押出成形品の製造方法。
【選択図】図１

Description

この発明は、プラスチックフィルム、シート（以下、この発明の説明においてはプラスチックフィルム、シート等を単に「フィルム」という。）、コンパウンド、異形押出成形品、ボトル等の押出成形に用いられる押出機及び同押出機を用いた押出成形品の製造方法に係り、特に熱可塑性樹脂および熱可塑性エラストマーの押出に適した、少ないエネルギーで成形できる押出機及び同押出機を用いた押出成形品の製造方法に関する。

地球温暖化防止対策の観点から省エネルギー押出機への要求が高まっており、特に設備稼動時のランニングコスト低減、設備の小型化の要求が高まっている。投入エネルギー当りの押出量は多ければ多い方がよく、例えば低密度ポリエチレンでは溶融に必要な理論的エネルギーは０．１５ｋｗｈ／ｋｇであるためこの値に近いことが望まれており、ポリオレフィン等の熱可塑性樹脂製フィルムの押出において消費電力半減（０．４ｋｗｈ／ｋｇを０．２ｋｗｈ／ｋｇ以下にすること）及び／又は、押出能力５倍（４０φｍｍ径において２０ｋｇ／ｈを１００ｋｇ／ｈ以上にすること）が求められている。

従来の同樹脂用の標準的押出機は、溶融された樹脂の吐出される先端に向けて、順にフィード部（原料供給部）、コンプレッション部（可塑化部）、メータリング部（計量部）からなり、口径４０ｍｍでは押出量は約２０ｋｇ／ｈである。この場合１ｋｇの原料を押出すには、平均０．４ｋｗｈの動力を必要とする。例えば低密度ポリエチレン樹脂を８０ｒｐｍ、１５ｋｇ／ｈで押し出す場合、モーター動力１．５ｋｗｈ、ヒーター４．４ｋｗｈ計５．９ｋｗｈの電力を消費する。この場合単位重量あたりの消費エネルギー（以後「比エネルギー」という。）は、０．３９ｋｗｈ／ｋｇとなる。

押出の省エネルギー化に対して種々の試みがされている。その一つとして、押出機のスクリュー回転にダイレクトドライブモーターを使用することが開発されている。ダイレクトドライブモーターによれば、減速機を使用しないため、動力伝達ロスが少なく５〜１５％の省エネになる。更に低騒音化でき、発塵しないことからクリーンルーム環境での使用が可能である。ただし本方式は原理的に、低速運転に適さず、効率を上げるには押出機を高速回転で運転することが好ましい。

他の試みとして、混練部のシリンダーに溝を形成した溝付シリンダーを用いる技術が開発されており（特許文献１、２、３参照）、この様なタイプの押出機では押出能力は、従来の１．５倍程度に増加することが期待されており、６０ｒｐｍ以下の低速領域では２倍程度が期待されている。しかしこの様なタイプの押出機は高速回転領域では、コンプレッション部で高速に樹脂を可塑化することができないため、押出量の能力改善度合いが小さいという問題がある。例えば特許文献３ではポリプロピレンに対しスクリュー径６５ｍｍで１７２ｋｇ／ｈの押出量であったとされている。４０ｍｍ径スクリューに換算すれば、２．３乗則を適用すれば１７２ｋｇ／ｈ＊（４０ｍｍ／６５ｍｍ）^２．３＝５６．３ｋｇ／ｈである。溝付シリンダーを用いる方法のみでは、押出能力の大幅アップの目標は達成できず、かつ、高速回転に適さないことからダイレクトドライブモーターと組み合わせて使用することには適さない。

特開平８−１４２１５９ 特開平８−２６７５４０ 特開昭５８−１０８１１８

少ないエネルギーの投与で大量の押出成形品の製造をすることができる押出機、及び、少ないエネルギーで大量の押出成形品を製造する製造方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の押出機は、樹脂を溶融可塑化して押出成形するための、シリンダーにスクリューが挿通され少なくともフィード部、コンプレッション部を有する押出機において、フィード部はスクリューのフライトが２〜４条で、シリンダー内壁に溝を有し、コンプレッション部はシリンダー内壁に溝を有さず、コンプレッション部のシリンダー内側面とコンプレッション部のスクリューフライトの外周先端部との距離が１０〜２５０μｍであることを特徴とする押出機である。

請求項２記載の押出機は、請求項１記載の押出機において、フィード部はシリンダー内壁に溝を有しスクリューのフライトが２〜４条である第１フィードゾーン部と、引き続きその下流に、シリンダー内壁に溝を有さない第２フィードゾーン部とを有することを特徴とする押出機である。

請求項３記載の押出機は、請求項２記載の押出機において、第１フィードゾーンに、シリンダー外部から冷却を行う冷却設備が付設されていることを特徴とする押出機である。

請求項４記載の押出機は請求項１乃至３のいずれかに記載の押出機において、コンプレッション部の終端からスクリュー先端までの部分の長さのＬ／Ｄが５以下であることを特徴とする押出機である。

請求項５記載の押出機は請求項１乃至４のいずれかに記載の押出機において、押出機の樹脂流路先端に、ギヤポンプが付設されていることを特徴とする押出機である。

請求項６記載の製造方法は、樹脂を溶融可塑化して押出成形品を製造する押出成形品の製造方法において、請求項１乃至５のいずれかに記載の押出機を用いて製造することを特徴とする押出成形品の製造方法である。

請求項７記載の製造方法は、請求項６記載の押出成形品の製造方法においてスクリュー回転数が１００ｒｐｍよりも大きい速度で押出を行うことを特徴とする押出成形品の製造方法である。

請求項１記載の押出機によれば、フィード部のシリンダー内壁に溝を有しスクリューのフライトが２〜４条のため大量の樹脂をコンプレッション部に送り込むことができる。コンプレッション部はシリンダーに溝を有さずコンプレッション部のシリンダー内側面とコンプレッション部のスクリューフライトの外周先端部との距離が１０〜２５０μｍであるので、高速でスクリューを回転させても急速に樹脂を可塑化することができる。
このため少ないエネルギーで大量の押出しをすることができる。特に高速スクリュー駆動に適するため、ダイレクトドライブモーターと組み合わせ高速駆動することで一層少ないエネルギーで大量の押出しをすることができる。
ダイレクトドライブモーターと組み合わせれば騒音が小さくなるため製造現場の低騒音化にも効果がある。

請求項２記載の押出機によれば、フィード部はシリンダー内壁に溝を有しスクリューのフライトが２〜４条である第１フィードゾーン部と、引き続きその下流に、シリンダー内壁に溝を有さない第２フィードゾーン部とを有するコンプレッション部を有するので請求項１記載の押出機の奏する効果をさらに効率的に行うことができる。
第１フィードゾーン内のシリンダー内壁面の溝は、樹脂の大量供給のために必要である。一方コンプレッション部は急速に樹脂を融解するために高温に加温されている。このため押出機のスクリューを停止した場合にコンプレッション部の溶融樹脂が逆流して、シリンダー内壁面の溝に入り込み固化して詰まるおそれがある。シリンダー内壁に溝を有さない第２フィードゾーン部を設けることにより、内壁に溝を有する第１フィードゾーン部と、コンプレッション部を隔離し、溝内に樹脂がはいりこみ固化するのを防ぐ効果がある。第２フィードゾーン部はコンプレッション部への助走区間ともいえる。

請求項３記載の押出機によれば、請求項２記載の押出機において、第１フィードゾーンに、シリンダー外部から冷却を行う冷却設備が付設されているので、シリンダー内壁の溝中に樹脂がかたまり付着することを防ぐことができる。第１フィードゾーン内のシリンダー内壁面の溝が詰まることがなく効率よく樹脂を送り出すことができるので請求項２記載の押出機の奏する効果にさらに効率良く原料を供給することができる。

請求項４記載の押出機によれば、請求項１乃至３のいずれかに記載の押出機において、コンプレッション部の終端からスクリュー先端までの部分の長さのＬ／Ｄが５以下であるので押出機を小型化できる。また粘性抵抗を小さくすることができるので、少ないエネルギーでより大量の押出しをすることができる

請求項５記載の押出機によれば、請求項１乃至４のいずれかに記載の押出機において、押出機の樹脂流路先端に、ギヤポンプが付設されているので、脈圧なく安定した状態で少ないエネルギーで大量の押出しをすることができる。このため押出品の肉厚の変動が少なく、押出成形品の品質が向上する。

請求項６記載の製造方法によれば、樹脂を溶融可塑化して押出成形品を製造する押出成形品の製造方法において、請求項１乃至５のいずれかに記載の押出機を用いて製造するので、少ないエネルギーで大量の押出成形品を製造することができる。ダイレクトドライブモーターと組み合わせ高速でスクリュー回転させることにより、効率的に少ないエネルギーで大量の押出成形品の押出しをすることができる。

請求項７記載の製造方法によれば、請求項６記載の押出成形品の製造方法においてスクリュー回転数が１００ｒｐｍよりも大きい速度で押出を行うので、より効率的に少ないエネルギーで大量の押出成形品を製造することができる。

本願発明の実施例１の押出機を模式的に表す図である。 実施例１の押出機に用いるスクリューを模式的に表す図である。 本願発明の実施例２の押出機を模式的に表す図である。 実施例２の押出機に用いるスクリューを模式的に表す図である。

本願発明の押出機は熱可塑性樹脂の押出に適する。フィルム、コンパウンド、異形押出成形品、ボトル等の押出成形に用いられる。熱可塑性樹脂には熱可塑性エラストマーを含む。中でもＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）、ＣＯＣ（環状オレフィン・コポリマー）のようなオレフィン樹脂に特に適する。
以下、実施例に基づいて説明する。

図１は実施例１の押出機１を示す。本押出機では熱可塑性樹脂材料が元部から取り入れられスクリューの回転によって次第に先端へと送られ、可塑化混練され、先端から溶融樹脂として吐出される。スクリュー径４０ｍｍφの単軸押出機で、Ｌ／Ｄは２４である。シリンダー３にスクリュー２が回転自在に挿通されている。シリンダー３は、中空円筒状で断面が真円状の中空部を有するが、第１フィードゾーンはシリンダーの内側面に溝が刻まれている。

押出機１は、フィード部２３、２４、コンプレッション部２６とその先の先端部２７、２８に、その部分の有する機能により機能上、ゾーン分けされている。

図２は実施例１の押出機に用いるスクリュー２を示す。スクリュー２の一端２２１はスクリューの回転を与えるダイレクトドライブモーター（図示せず）の動力伝達部（図示せず）と機械的に直接接続され、ダイレクトドライブモーターの回転によりシリンダー３中で回転する。

ダイレクトドライブモーターはドイツＢＡＵＭＵＥＬＬＥＲ社製、型番 DＳＴ ２００ Ｌ ５４ Ｗ ３０−５、モーター容量３６．５ｋｗ、最高回転数３００ｒｐｍを用いた。

フィード部は第１フィードゾーン２３と第２フィードゾーン２４に分かれている。第１フィードゾーン２３の部分のスクリュー２２３には２条フライト２４３が形成されている。高速に大量の樹脂をコンプレッション部２６に送り込むためである。第１フィードゾーン２３部分のシリンダー３２３には樹脂をホッパー１３からシリンダー中に供給するための貫通孔１２が開いている。

第１フィードゾーン部分のシリンダー内径は４０ｍｍ、第１フィードゾーン部分の長さは２４０ｍｍ、Ｌ／Ｄは６である。第１フィードゾーン部分のスクリュー２２３の外径は３９．７ｍｍ、スクリュー谷径は２６．６ｍｍ、リードは４０ｍｍ、フライト２４３のピッチは２０ｍｍ、条数は２条、フライト幅は３ｍｍである。なお条数は１条では高速回転しても、樹脂の供給力が不足するため適さず、３条、４条であってもよいが、５条以上では供給が過剰になるため好ましくない。

第１フィードゾーン部分のシリンダー３２３には１２本の溝（図示せず）が形成されている。溝の長手方向はスクリューの回転軸に平行で溝幅は６ｍｍ、溝深さは第１フィードゾーンの開始部付近では２ｍｍであるが、第２フィードゾーンに近づくにしたがって浅くなっている。コンプレッション部での高温が伝わることにより樹脂が溝中に固着するのを防ぐためである。溝断面形状は半径の異なる同心円状の等深さ型である。溝方向はスパイラル状であってもよく、溝断面形状は三日月型であってもよい。
第１フィードゾーン部分のシリンダー３２３の溝本数は特に限定されないが約４０ｍｍのシリンダーにおいては６本〜１６本が好ましい。５本以下では樹脂を送り込む効率が上がりにくく、１７本以上では溝間の距離が小さくなりすぎるためである。
スクリュー径が変わる場合には、溝本数に限らず、一般的に用いられるスケールアップ則に基づき拡大又は縮小して適用される。

スクリューを高速で回転させることにより本構造により第２フィードゾーンを通じてコンプレッション部に大量の樹脂を供給することができる。

第２フィードゾーン２４の長さは１６０ｍｍ、Ｌ／Ｄは４である。第２フィードゾーン部分のスクリュー２２４の外径は３９．７ｍｍ、スクリュー谷径は２６．６ｍｍ、リードは４０ｍｍ、フライト２４４のピッチは４０ｍｍ、条数は１条、フライト幅は３ｍｍである。

フィード部にはフィード部のシリンダー３２３、３２４の外側に冷却ジャケット７１が設けられておりフィード部のシリンダーの溝内で樹脂が溶融し付着するのを防ぐため、所定温度に冷却される。樹脂が軟化しペレットが溝やスクリューに固着しないように、樹脂により異なるが、５０°Ｃ以下、必要ならば３０°Ｃ以下に保たれる。

次にコンプレッション部であるが、コンプレッション部２６では樹脂を高速で溶融可塑化する。樹脂は回転による混練によりせん断発熱するが、これのみでは溶融可塑化には熱量が不足する。このためコンプレッション部のシリンダー３２６の外側にヒーター７２が設けられておりコンプレッション部内の樹脂を加熱し溶融させる。

樹脂はシリンダー３に用いられる金属等に比して熱伝導率が低い。このためコンプレッション部に溝を形成すると溝中の樹脂を経由して内部の樹脂に熱が伝達される経路では熱伝達が損なわれる。コンプレッション部のシリンダーには溝は形成されていない。溝を形成しないのは、後述するようにシリンダー内壁に付着し溶融した樹脂をスクリューフライトで薄くかきとり、高速可塑化を行うためである。また、溝内の樹脂が滞留により熱劣化をするのを防ぐためでもある。

コンプレッション部２６では、樹脂がシリンダー３２６を介したヒーター７２からの熱及びせん断発熱により溶融するが、シリンダー３２６に接する樹脂及び近傍の樹脂はシリンダー３２６を介したヒーター７２からの伝導熱により溶融しシリンダー３２６の内側面にメルトフィルムを形成する。これをスクリュー２２６のフライト２４６の先端でかきとる。かきとられたメルトフィルムがメルトプールとなる。メルトプールがソリッドベッドを押し、ソリッドベットがシリンダー内壁に押し当てられメルトフィルムが形成されるということを繰り返しつつコンプレッション部２６内の樹脂全体が可塑化溶融し、混練されるものと推測される。

コンプレッション部２６はシリンダー３２６の内径４０ｍｍ、コンプレッション部長は４００ｍｍ、Ｌ／Ｄは１０である。コンプレッション部２６部分のスクリュー２２６のスクリュー外径は３９．８０〜３９．８５ｍｍ、スクリュー谷径は２６．６ｍｍ、リードは３２０ｍｍ、フライト２４６のピッチは４０ｍｍ、条数は８条で、フライト幅は２．５ｍｍである。スクリュー谷径は３２ｍｍでもよい。

コンプレッション部２６にヒーター７２からの熱を高速に熱伝導するため、シリンダー外壁とヒーターとが密着するようにされている。高速で樹脂を融解させるためには急速に樹脂を加熱することが必要であり、このためにはシリンダーを誘導加熱することが好ましい。誘導加熱することでコンプレッション部分のゾーン長を短くすることができ、エネルギー効率が更に上がるからである。

熱伝導率を高めるためには、シリンダー３２６の材質は熱伝導性にすぐれることが好ましく、良熱伝導性の金属ないし合金、カーボンナノチューブ分散系金属等が好ましい。熱伝導量を高めるためには、シリンダー３２６の肉厚は、強度的に耐えうる範囲で薄い方が好ましい。

スクリュー２２６のスクリュー外径（フライト２４６の外周径）を３９．８０〜３９．８５ｍｍにしたのは、ヒーター７２からの熱をシリンダー３２６を介してコンプレッション部２６中の樹脂に高速に伝える際に、樹脂は熱伝導性が悪いため、シリンダー３２６内側面に付着する樹脂が溶融して形成されたメルトフィルム層を、フライトの先端でできるだけ薄くかきとるためである。

スクリュー２２６のフライト２４６の外周先端部はできるだけシリンダー内側面に近付く方がシリンダー３２６内側面に付着した樹脂のメルトフィルム層をより薄くまでかきとることができるため望ましいが、熱膨張、焦げ付き等及びスクリューのシリンダーへの挿入、抜き出し時の作業性も考慮すれば、実用的にはシリンダー３２６内側面とフライト２４６の外周先端部との距離は１０〜２５０μｍが好ましく、１５〜１００μｍがより好ましく、さらに好ましくは２５〜７５μｍである。
このため、シリンダー３２６内径とスクリュー外径（フライト２４３の外周先端部径）との差は、２０〜５００μｍが好ましく、３０〜２００μｍがより好ましく、さらに好ましくは５０〜１５０μｍである。

コンプレッション部のスクリュー２２６のフライト２４６の条数は限定されないが、条数が多い方が、スクリュー1回転当りのフライト２４６によるシリンダー３２６内側面に付着した樹脂のメルトフィルム層のかきとり回数が増えることより、短時間に内壁に付着した樹脂をかきとることができるため高速可塑化効果が大きい。しかし条数が多すぎるとフライトにより樹脂の通るスペースが減じ、樹脂が通りにくくなる。これを防ぐためフライトを薄くしすぎるとフライトの強度が小さくなり、スクリューの加工が複雑になる。このためコンプレッション部のスクリュー２２６のフライト２４６の条数は１条から１０条が好ましく、２条から８条がより好ましい。

コンプレッション部２６が高速で樹脂を可塑化するため高温に保たれるのに比し、第２フィードゾーン２４は樹脂ペレット同士が融着しない程度の低温に保たれる。したがってスクリューを通じての熱伝導は好ましくない。このためスクリュー２の第２フィードゾーン２４とコンプレッション部２６とを繋ぐ繋ぎ目のスクリュー部分２２５は、断熱されていることが好ましく、セラミックス等の熱伝導性の低い材質で断熱することが好ましい。
同様にシリンダー３の、スクリュー２２５に相当する部分も、シリンダーにおけるフィード部とコンプレッション部の間の熱伝導を防ぐため断熱材料でできていることが好ましい。
更に積極的にフィード部のスクリュー２２３、２２４に冷却媒体を循環して冷却することが好ましい。

コンプレッション部の終端よりも更に押出機の先端側には、従来、押出しを安定化するため長いメータリングゾーンが設けられている。本願発明においては粘性抵抗を下げるため、又、小型化を図るために、コンプレッション部の終端から押出機中の樹脂流路先端までの部分の長さのＬ／Ｄは５以下が好ましい。したがってコンプレッション部で押出機が終了する構造のものであってもよい。その場合であっても押出機の先端にギアポンプを接続することで安定的に高精度のフィルムを押し出すことができるからである。

コンプレッション部の終端よりも更に押出機の先端側の部分はメータリングゾーンとして用いてもよいが、コンプレッション部２６で高速可塑化するため、未溶融の樹脂が生じることも想定される。より完全に混練するために、あるいは、本願押出機では高速、高温、高吐出で押出を行うため、条件によっては樹脂温度分布が悪くなることも考えうるので、樹脂温度分布を均一にするために混練部を設けてもよい。

実施例１の押出機ではコンプレッション部２６の先に第１混練部２７が、更にその先にミキシングを設けた第２混練部２８が設けられている。第１混練部２７と第２混練部２８とを合わせた長さは１６０ｍｍ、Ｌ／Ｄは４である。第１混練部２７と第２混練部２８は、シリンダー３２７、３２８の内径４０ｍｍ、スクリュー２２７、２２８の外径は３９．７ｍｍである。

第１混練部２７のスクリュー２２７はフルフライト型であり、スクリュー谷径は３２ｍｍ、Ｌ／Ｄは２である。フライト２４７の条数は１条である。スクリュー谷径は３４ｍｍ、３６ｍｍであってもよい。

第２混練部２８のスクリュー２２８にはバリアスリット型のミキシング部が設けられている。ミキシング２４８はスパイラル方式の３０度、スリット深さ０．５ｍｍ、Ｌ／Ｄは２である。スパイラル方式の３０度、スリット深さ１．０ｍｍであってもよい。

第１混練部２７、第２混練部２８の保温加熱のためにヒーター７３がシリンダー３２７、３２８の外側に設けられている。

押出機１の先端には、ギヤポンプ９が付設されている。本願押出機はコンプレッション部の終端よりも更に押出機の先端側の部分は無いか、あっても短いため、昇圧および圧力変動緩和に対する能力低下が発生しやすいが、ギヤポンプを押出機先端に接続することにより上記問題が解決するため、ギヤポンプを接続することが好ましいからである。

ギヤポンプ９の先にはアダプター１０を介してＴ字ダイ１１が接続されている。

本押出機を用いてフィルムを押出した。更に省エネルギー性を確認するため以下の方法で測定を行った。
樹脂は低密度ポリエチレン（日本ポリエチレン株式会社「ノバテック（登録商標）ＬＦ４０５Ｍ」）を用いた。
温度：コンプレッション部のＣ１、以下下流に向けてＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｈの各ゾーン位置の設定温度は表１の様に１８０℃とした。温度の実測値を表１に示す。

押出量の測定のため、ギヤポンプをはずし、代わりに絞り弁を取り付けて押出実験を行った。
押出条件は表１の１〜８の条件とした。
押出条件１、３、５、７は絞り弁として固定形状のオリフィスをつけて行った。
押出条件２、４、６、８は絞り弁部で２０ＭＰａになるように弁の開度を調整して行った。いずれも絞り弁部での樹脂圧力を測定した。
スクリュー回転数を、５０、１００、２００、２９２ｒｐｍにて行った。
更にスクリューの根元から４１０ｍｍの位置でフィード部の樹脂の圧力を測定した。

押出量の測定は、３６秒間に絞り弁から吐出される樹脂重量を３度測定し、平均値を求めた。使用エネルギーはヒーターの使用電力とダイレクトドライブモーターの使用電力とを和して求め、比エネルギーは、使用エネルギーを押出量で除して求めた。
実験結果を表１に示す。

押出条件１、３、５、７における絞り弁部の樹脂圧力は４．３〜１２ＭＰａ強と回転数が増えるにつれ増加した。
押出条件２、４、６、８における絞り弁部の樹脂圧力は回転数が増えるにつれ増加したが、１９．３５〜１９．７５ＭＰａであった。

ギヤポンプを着けずに、Ｔ字ダイをとりつけフィルムを押出したところ１１００ｍｍ幅で、縦方向（流れ方向）の厚み精度は±３％であった。

表１に示すように単位重量あたりの消費エネルギーである比エネルギーは、スクリュー回転数が１００ｒｐｍ以上の押出条件３〜８の全てで０．２ｋｗｈ／ｋｇ以下を満たしており、少ないエネルギーでエネルギー効率よく押出できることがわかる。更にスクリュー回転数が２９２ｒｐｍでの押出条件７〜８では押出量が１００ｋｇ／ｈを超えており少ないエネルギーで大量の押出しができることがわかる。

押出条件７〜８では比エネルギーが０．２ｋｗｈ／ｋｇ以下のため消費エネルギーが従来０．４ｋｗｈ／ｋｇに比し半減しており、押出能力は１００ｋｇ／ｈ以上であるので従来の２０ｋｇ／ｈの５倍という要請を共に満たしていた。

表１の結果から、少ないエネルギーで押出が達成できることが実証された。特に高速回転時において高効率で少ないエネルギーで大量の押出が達成できることが実証された。
本願発明の押出機はフィード部の構造による樹脂の大量供給、コンプレッション部の構造による高速可塑化が、フィード部による樹脂供給量とコンプレッション部の樹脂可塑溶融化量とが一致するようにバランスよく適切に組み合わされたため上記効果を生じたものである。

図３は実施例２の押出機４０１を示す。本押出機では熱可塑性樹脂材料が元部から取り入れられスクリューの回転によって次第に先端へと送られ、可塑化混練され、先端から溶融樹脂として吐出される。押出機４０１はスクリュー径４０ｍｍφの単軸押出機で、Ｌ／Ｄは２４である。シリンダー４０３にスクリュー４０２が回転自在に挿通されている。シリンダー４０３は、中空円筒状で断面が真円状の中空部を有するが、下記の第１フィードゾーンにはシリンダーの内側面に溝が刻まれている。

押出機４０１は、フィード部４２３、４２４、コンプレッション部４２６とその先の混練部４２７、混練部４２８とに、その部分の有する機能により機能上、ゾーン分けされている。

図４は実施例２の押出機に用いるスクリュー４０２を示す。スクリュー４０２の一端４２１はスクリューの回転を与えるダイレクトドライブモーター（図示せず）の動力伝達部（図示せず）と回転軸が機械的に直接接続され、ダイレクトドライブモーターの回転によりシリンダー４０３中で回転する。

ダイレクトドライブモーターはドイツＢＡＵＭＵＥＬＬＥＲ社製、型番 DＳＴ ２００ Ｌ ５４ Ｗ ３０−５、モーター容量３６．５ｋｗ、最高回転数３００ｒｐｍを用いた。

フィード部は第１フィードゾーン４２３と第２フィードゾーン４２４に分かれている。第１フィードゾーン４２３の部分のスクリュー４２３Ｓには２条フライト４４３が形成されている。高速に大量の樹脂をコンプレッション部４２６に送り込むためである。第１フィードゾーン４２３部分のシリンダー４２３Ｃには樹脂をホッパー４１３からシリンダー中に供給するための貫通孔４１２が開いている。

第１フィードゾーン部分のシリンダー内径は４０ｍｍ、第１フィードゾーン部分の長さは２４０ｍｍ、Ｌ／Ｄは６である。第１フィードゾーン部分のスクリュー４２３Ｓの外径は３９．７ｍｍ、スクリュー谷径は２６．６ｍｍ、リードは４０ｍｍ、フライト４４３のピッチは２０ｍｍ、条数は２条、フライト幅は３ｍｍである。

第１フィードゾーン部分のシリンダー４２３Ｃには１２本の溝（図示せず）が溝の長手方向が回転軸と平行になるように形成されている。溝幅は６ｍｍ、溝深さは第１フィードゾーンの開始部付近では２ｍｍであるが、第２フィードゾーンに近づくにしたがって浅くなっている。溝断面形状は半径の異なる同心円状の等深さ型である。

スクリュー４０２を高速で回転させることにより第２フィードゾーンを通じてコンプレッション部に大量の樹脂を供給することができる。

第２フィードゾーン４２４の長さは１６０ｍｍ、Ｌ／Ｄは４である。第２フィードゾーン部分のスクリュー４２４Ｓの外径は３９．７ｍｍ、スクリュー谷径は２６．６ｍｍ、リードは４０ｍｍ、フライト４４４のピッチは４０ｍｍ、条数は１条、フライト幅は３ｍｍである。

フィード部にはフィード部のシリンダー４２３Ｃ、４２４Ｃの外側に冷却ジャケット４７１が設けられておりフィード部のシリンダーの溝内で樹脂が溶融し付着するのを防ぐため、所定温度に冷却される。樹脂が軟化しペレットが溝やスクリューに固着しないように、樹脂により異なるが、５０°Ｃ以下、必要ならば３０°Ｃ以下に保たれる。

次にコンプレッション部であるが、コンプレッション部４２６では樹脂を高速で溶融可塑化する。樹脂はスクリューの回転による混練によりせん断発熱するが、これのみでは溶融可塑化には熱量が不足する。このためコンプレッション部のシリンダー４２６Ｃの外側にヒーター４７２が設けられておりコンプレッション部内の樹脂を加熱し溶融させる。

樹脂はシリンダー４０３に用いられる金属等に比して熱伝導率が低い。このためコンプレッション部に溝を形成すると溝中の樹脂を経由して内部の樹脂に熱が伝達される経路では熱伝達が損なわれる。コンプレッション部のシリンダーには溝は形成されていない。

コンプレッション部４２６では、樹脂がシリンダー４２６Ｃを介したヒーター４７２からの熱及びせん断発熱により溶融するが、ヒーター４７２からの伝導熱により溶融しシリンダー４２６Ｃの内側面にメルトフィルムを形成する。これをスクリュー４２６Ｓのフライト４４６の先端でかきとる。かきとられたメルトフィルムがメルトプールとなる。メルトプールがソリッドベッドを押し、ソリッドベットがシリンダー内壁に押し当てられメルトフィルムが形成されるということを繰り返しつつコンプレッション部４２６内の樹脂全体が可塑化溶融し、混練されるものと推測される。

コンプレッション部４２６はシリンダー４２６Ｃの内径４０ｍｍ、コンプレッション部長は４００ｍｍ、Ｌ／Ｄは１０である。コンプレッション部４２６部分のスクリュー４２６Ｓのスクリュー外径は３９．８０ｍｍ、スクリュー谷径は２６．６ｍｍ、フライト４４６のピッチは４０ｍｍ、条数は３条で、フライト幅は２．５ｍｍである。

コンプレッション部４２６にヒーター４７２からの熱を高速に熱伝導するため、シリンダー外壁とヒーターとが密着するようにされている。

熱伝導率を高めるためには、シリンダー４２６Ｃの材質は熱伝導性にすぐれることが好ましく、良熱伝導性の金属ないし合金、カーボンナノチューブ分散系金属等が好ましい。熱伝導量を高めるためには、シリンダー４２６Ｃの肉厚は、強度的に耐えうる範囲で薄い方が好ましい。

スクリュー４２６Ｓのスクリュー外径（フライト２４６の外周径）を３９．８０ｍｍにしたのは、ヒーター７２からの熱をシリンダー４２６Ｃを介してコンプレッション部４２６中の樹脂に高速に伝える際に、樹脂は熱伝導性が悪いため、シリンダー４２６Ｃ内側面に付着する樹脂が溶融して形成されたメルトフィルム層を、フライトの先端でできるだけ薄くかきとるためである。

スクリュー４２６Ｓのフライト４４６の外周先端部はできるだけシリンダー内側面に近付く方がシリンダー４２６Ｃ内側面に付着した樹脂のメルトフィルム層をより薄くまでかきとることができるため望ましい

コンプレッション部のスクリュー４２６Ｓのフライト４４６の条数は限定されないが、多い方が、スクリュー1回転当りのフライト４４６によるシリンダー４２６Ｃ内側面に付着した樹脂のメルトフィルム層のかきとり回数が増えることより、短時間に内壁に付着した樹脂をかきとることができるため高速可塑化効果が大きい。しかし条数が多すぎるとフライトの強度が小さくなり、スクリューの加工が複雑になるため、１条から１０条が好ましく、２条から８条がより好ましい。

実施例２の押出機４０１ではコンプレッション部２６の先に第１混練部４２７が、更にその先にミキシングを設けた第２混練部４２８が設けられている。第１混練部４２７と第２混練部４２８とを合わせた長さは１６０ｍｍ、Ｌ／Ｄは４である。第１混練部４２７と第２混練部４２８は、シリンダー４２７Ｃ、４２８Ｃの内径４０ｍｍ、スクリュー４２７Ｓ、４２８Ｓの外径は３９．７ｍｍである。

第１混練部４２７のスクリュー４２７Ｓはフルフライト型であり、スクリュー谷径は３２ｍｍ、Ｌ／Ｄは２である。フライト４４７の条数は１条である。スクリュー谷径は３４ｍｍ、３６ｍｍであってもよい。

第２混練部４２８のスクリュー４２８Ｓにはバリアスリット型のミキシング部が設けられている。ミキシング４４８はスパイラル方式の３０度、スリット深さ０．５ｍｍ、Ｌ／Ｄは２である。スパイラル方式の３０度、スリット深さ１．０ｍｍであってもよい。

第１混練部４２７、第２混練部４２８の保温加熱のためにヒーター４７３がシリンダー４２７Ｃ、４２８Ｃの外側に設けられている。

押出機１の先端には、ギヤポンプ４０９が付設されている。本願押出機はコンプレッション部の終端よりも更に押出機の先端側の部分は無いか、あっても短いため、昇圧および圧力変動緩和に対する能力低下が発生しやすいが、ギヤポンプを押出機先端に接続することにより上記問題が解決するため、ギヤポンプを接続することが好ましいからである。

本実施例で用いたギヤポンプ４０９はＭＡＡＧ社のＥＸ４５−５ＧＰ／ＳＥである。理論吐出量は４６．３ｃｃ／ｒｅｖである。ギアの回転用にインバーターモーターが設けられており、回転数は０〜６０回転であるが、押出量に合わせ、ギヤポンプの一次側（入れ側）の圧力が５〜１０ＭＰａになるように回転数を調整した。

ギヤポンプ４０９の先にはアダプター４１０を介してＴ字ダイ４１１が接続されている。

省エネルギー性を確認するため以下の方法で測定を行った。
樹脂は低密度ポリエチレン（日本ポリエチレン株式会社「ノバテック（登録商標）ＬＦ４０５Ｍ」）を用いた。

押出量の測定のため、Ｔ字ダイ４１１をはずし、代わりに絞り弁を取り付けて行った。
押出実験はスクリュー回転数の各水準毎に絞り弁部で２０ＭＰａになるように弁の開度を調整して行った。いずれも絞り弁部での樹脂圧力を測定した。スクリュー回転数を、５０、１００、２００、２９１ｒｐｍにて行った。各スクリュー回転数に安定後、１０分の間隔をおいて２度測定した。

押出量の測定は、３６秒間に絞り弁から吐出される樹脂重量を２度測定し、平均値を求めた。
１０分間の運転の間のヒーター４７２、４７３の使用電力とギヤポンプ（回転エネルギーと温調エネルギーの和）の使用エネルギーを積算電力計により求め算定した。ダイレクトドライブモーターの使用電力量は、使用電流から次の式により求めた。
使用電力量（ｋｗｈ）＝スクリュー回転数（ｒｐｍ）＊モーター電流（Ａ）＊１５．６／（９７６＊９．８１）
使用エネルギーはヒーター電力量とギヤポンプ電力量とダイレクトドライブモーターの使用電力量を和して求めた。比エネルギーは、使用エネルギーを押出量で除して求めた。

押出機のシリンダーのコンプレッション部、混練部の設定温度は２００℃に設定し、ギヤポンプ後の絞り弁から吐出される樹脂の温度を、温度計を挿し込み直接測定した。樹脂温度は、スクリュー回転数が５０ｒｐｍでは２１３℃、１００ｒｐｍでは２０９℃、１５０ｒｐｍでは２０４℃、２００ｒｐｍでは２０５℃、２９１ｒｐｍでは２０１℃であり、異常な昇温は観察されなかった。
実験結果を表２に示す。

表２に示すようにギヤポンプと一体になった押し出し装置において、ギヤポンプの消費エネルギーを含む消費エネルギーにおいても、比エネルギー（単位重量あたりの消費エネルギー）は、スクリュー回転数が１００ｒｐｍ以上ではほぼ０．２ｋｗｈ／ｋｇであり、少ないエネルギーで効率よく大量の押出しができることがわかった。

Ｔ字ダイをとりつけフィルムを押出したところ１１００ｍｍ幅での厚み精度は±２％であった。

本願発明に係る押出機及び製造方法はフィルム、コンパウンド、異型押出成形品、ボトル等の押出成形に好適に用いられ、特に少ないエネルギーで大量のフィルム押出をするのに好適に用いられる。本押出機及び製造方法は射出成形にも適用することができる。

１、４０１ 押出機本体
２、４０２ スクリュー
３、４０３ シリンダー
９、４０９ ギヤポンプ
１０、４１０ アダプター
１１、４１１ Ｔ字ダイ
１２、４１２ シリンダーに開けられた樹脂を通すための貫通孔
１３、４１３ ホッパー
２３、４２３ 第１フィードゾーン部分
２４、４２４ 第２フィードゾーン部分
２５、スクリュー断熱部
２６、４２６ コンプレッション部
２７、４２７ 第１混練部
２８、４２８ 第２混練部
７１、４７１ 冷却ジャケット
７２、７３、４７２、４７３ ヒーター
２２１、４２１ 外部からの回転力伝達部（スクリュー）
２２３、４２３Ｓ 第１フィードゾーン部分（スクリュー）
２２４、４２４Ｓ 第２フィードゾーン部分（スクリュー）
２２５ スクリュー断熱部
２２６、４２６Ｓ コンプレッション部（スクリュー）
２２７、４２７Ｓ 第１混練部（スクリュー）
２２８、４２８Ｓ 第２混練部（スクリュー）
２４３、４４３ フライト（第１フィードゾーン部分）
２４４、４４４ フライト（第２フィードゾーン部分）
２４６、４４６ フライト（コンプレッション部）
２４７、４４７ フライト（第１混練部）
２４８、４４８ ミキシング（第２混練部）
３２３、４２３Ｃ 第１フィードゾーン部分（シリンダー）
３２４、４２４Ｃ 第２フィードゾーン部分（シリンダー）
３２６、４２６Ｃ コンプレッション部（シリンダー）
３２７、４２７Ｃ 第１混練部（シリンダー）
３２８、４２８Ｃ 第２混練部（シリンダー）

Claims (7)

1. 樹脂を溶融可塑化して押出成形するための、シリンダーにスクリューが挿通され少なくともフィード部、コンプレッション部を有する押出機において、フィード部はスクリューのフライトが２〜４条で、シリンダー内壁に溝を有し、コンプレッション部はシリンダー内壁に溝を有さず、コンプレッション部のシリンダー内側面とコンプレッション部のスクリューフライトの外周先端部との距離が１０〜２５０μｍであることを特徴とする押出機。
2. 請求項１記載の押出機において、フィード部はシリンダー内壁に溝を有しスクリューのフライトが２〜４条である第１フィードゾーン部と、引き続きその下流に、シリンダー内壁に溝を有さない第２フィードゾーン部とを有することを特徴とする押出機。
3. 請求項２記載の押出機において、第１フィードゾーンに、シリンダー外部から冷却を行う冷却設備が付設されていることを特徴とする押出機。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の押出機において、コンプレッション部の終端からスクリュー先端までの部分の長さのＬ／Ｄが５以下であることを特徴とする押出機。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の押出機において、押出機の樹脂流路先端に、ギヤポンプが付設されていることを特徴とする押出機。
6. 樹脂を溶融可塑化して押出成形品を製造する押出成形品の製造方法において、請求項１乃至５のいずれかに記載の押出機を用いて製造することを特徴とする押出成形品の製造方法。
7. 請求項６記載の押出成形品の製造方法においてスクリュー回転数が１００ｒｐｍよりも大きい速度で押出を行うことを特徴とする押出成形品の製造方法。

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