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

押出機および押出成形品の製造方法 Download PDF

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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。
Figure 2010131962
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。
Figure 2010131962
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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