JP2010221490A - 混練装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリュー部とシリンダー部との摩擦抵抗を低減でき、高分子材料の混練性を向上することができる混練装置を提供する。
【解決手段】駆動部に接続されたスクリュー部と、該スクリュー部を囲繞するように配設されたシリンダー部とを備えた混練装置において、前記スクリュー部と前記シリンダー部との対向面である前記スクリュー部の山部１４の側面１４ａおよび前記シリンダー部の内面の少なくともいずれか一方に、微細な凹凸構造２１が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、混練装置に関するものである。

少なくとも一種の熱可塑性を有する高分子材料に対して、他の高分子材料もしくは無機材料を混練するのに用いる混練装置において、当該装置のスクリュー部およびシリンダー部の摩耗低減手段を設けたものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１の装置（２軸混練押出機用バレル）は、比較的摩耗の激しい部位に耐摩耗層を設けることにより、バレル穴の内周面の耐摩耗性を向上したものである。
また、特許文献２の装置は、摩耗および損傷を受けやすいパドルの先端部に補強層を形成し、亀裂や剥離および離脱を防止して、耐摩耗性を向上したものである。

特許第３４７４３２６号公報 特許第３７２５７４５号公報

ところで、上述の特許文献１および特許文献２の装置では、ベース合金と炭化物や窒化物の硬質物質からなる耐摩耗層やタングステン系炭化物の耐摩耗層によるスクリュー部およびシリンダー部の摩耗低減手段が開示されている。しかしながら、それら開示された方法では、シリンダー部とスクリュー部の摩擦係数が好適でないことから、スクリュー部を高速回転させた場合、スクリュー部とシリンダー部との摩擦により大きな発熱が起こる。そのため、高分子材料を高速回転で混練することができず、高分子材料の混練性を向上させることができなかった。

そこで、本発明は、上述の事情を鑑みてなされたものであり、スクリュー部とシリンダー部との摩擦抵抗を低減でき、高分子材料の混練性を向上することができる混練装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明は、駆動部に接続されたスクリュー部と、該スクリュー部を囲繞するように配設されたシリンダー部とを備えた混練装置において、前記スクリュー部と前記シリンダー部との対向面である前記スクリュー部の山部の側面および前記シリンダー部の内面の少なくともいずれか一方に、微細な凹凸構造が形成されていることを特徴としている。
この発明によれば、微細な凹凸構造を形成することで、スクリュー部とシリンダー部との摩擦抵抗を低減させることができる。その結果、スクリュー部を高速回転させても、スクリュー部とシリンダー部とが摩擦により発熱しない。したがって、高分子材料を高速回転で混練することができるため、高分子材料の混練性を向上させることができる。

また、前記微細な凹凸構造が、前記微細な凹凸構造が、凸部長さ５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で、かつ、凹凸のピッチが前記凸部長さの１．５倍以上３．０倍以下で、あるとともに、前記凸部の高さが、前記凸部長さの１倍以上５倍以下であることを特徴としている。
この発明によれば、凹凸構造の凹部に高分子材料を滞留させることなくスクリュー部を高速回転させることが可能となる。したがって、高分子材料をせん断発熱により劣化させることなく、混練させることができるため、高分子材料の混練性を向上させることができる。

本発明によれば、スクリュー部の山部の側面およびシリンダー部の内面の少なくともいずれか一方に微細な凹凸構造を形成することで、スクリュー部とシリンダー部との摩擦抵抗を低減させることができる。その結果、スクリュー部を高速回転させても、スクリュー部とシリンダー部とが摩擦により発熱しない。したがって、高分子樹脂材料を高速回転で混練することができるため、高分子樹脂材料の混練性を向上させることができる。

本発明の実施形態における混練装置の斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２のＢ部拡大図である。

次に、本発明の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１、図２に示すように、混練装置１０は、モータなどで構成された駆動部１１と、駆動部１１に接続されて軸方向に回転可能に構成されたスクリュー部１３と、スクリュー部１３の外側を囲繞するように配設されたシリンダー部１５と、シリンダー部１５の外表面に配設され、混練装置１０内に供給された高分子樹脂材料を加熱可能に構成されたヒータ１７と、を備えている。

スクリュー部１３は、例えばステンレスで形成された断面略円形の棒状部材で構成されている。スクリュー部１３の表面には、軸方向に沿って連続的に山部１４が螺旋状に形成されている。

シリンダー部１５は、例えばステンレスで形成された略直方体の部材にスクリュー部１３を挿入可能な穴部２７が形成されたものである。穴部２７の断面形状はスクリュー部１３の外径よりも若干大きい略円形形状である。穴部２７の奥行（軸方向）寸法は、スクリュー部１３の山部１４が全て囲繞される長さを有している。穴部２７の先端部には混練された高分子樹脂材料が押し出される押出貫通孔２９が形成されている。また、シリンダー部１５における駆動部１１側（押出貫通孔２９と反対側）の上面１５ａには、高分子樹脂材料を穴部２７内に供給するための原料投入口３１が形成されている。

シリンダー部１５の上面１５ａおよび下面１５ｂには、ヒータ１７がそれぞれ複数（本実施形態では４個ずつ）設けられている。ヒータ１７は、シリンダー部１５の上面１５ａおよび下面１５ｂにそれぞれ略等間隔に複数設けられ、上面１５ａのヒータ１７と下面１５ｂのヒータ１７とはそれぞれ対向するように配されている。また、ヒータ１７はシリンダー部１５と略同一の幅を有しており、シリンダー部１５全体を加熱することができるようになっている。なお、複数のヒータ１７は、それぞれ個別に加熱することができるように構成されている。

ここで、スクリュー部１３の山部１４におけるシリンダー部１５の内周面１６との対向面１４ａには、ナノ構造の凹凸部２１が形成されている。図３は凹凸部の概略断面図である。図３に示すように、凹凸部２１は、山部１４の対向面１４ａから突出するように略等間隔に形成された凸部２２と、隣接する凸部２２，２２間に形成された凹部２３とで構成されている。この凹凸部２１は、スクリュー部１３の軸方向に沿うように形成されている。また、凹凸部２１は、山部１４の対向面１４ａの略全面に形成されている。

さらに、本実施形態では、凸部２２の凸部長さＬ１を５０ｎｍとし、凸部高さＨ１を５０ｎｍとし、隣接する凸部２２，２２間のピッチＬ２を１００ｎｍとして、凹凸部２１を形成した。このように構成した混練装置１０におけるスクリュー部１３とシリンダー部１５との摩擦係数は０．０９１となり、かつ、高分子樹脂材料の劣化変色も発生しない（実施例にて詳述する。）。

本実施形態によれば、スクリュー部１３の山部１４にナノ構造の凹凸部２１を形成することで、スクリュー部１３とシリンダー部１５との摩擦抵抗を低減させることができる。その結果、スクリュー部１３を高速回転させても、スクリュー部１３とシリンダー部１５とが摩擦により発熱しない。したがって、高分子樹脂材料を高速回転で混練することができるため、高分子材料の混練性を向上させることができる。

また、凹凸部２１の凹凸形状の寸法を適正寸法で形成することで、凹部２３に高分子樹脂材料を滞留させることなくスクリュー部１３を高速回転させることが可能となる。したがって、高分子材料をせん断発熱により劣化させることなく、混練させることができるため、高分子樹脂材料の混練性を向上させることができる。

次に、上述した凹凸部２１の形状を変化させたときのスクリュー部１３（金属プレート）とシリンダー部１５（測定子）との摩擦係数および高分子樹脂材料の劣化度を測定した結果を説明する。

実施例１は、金属プレートに形成した凹凸部２１の凸部長さＬ１、凸部高さＨ１および凸部ピッチＬ２の比率を固定して金属プレートと測定子との間の摩擦係数および高分子樹脂材料の劣化度を測定したものである。また、実施例２は、凹凸部２１の凸部長さＬ１および凸部高さＨ１を固定し、凸部ピッチＬ２を変化させて摩擦係数および劣化度を測定したものである。さらに、実施例３は、凹凸部２１の凸部長さＬ１および凸部ピッチＬ２を固定し、凸部高さＬ２を変化させて摩擦係数および劣化度を測定したものである。

なお、本実施例の摩擦係数の計測方法は、一般的な摩擦試験機であるヘイドンにて計測したものである。具体的には、各種の凹凸構造（凹凸部２１）を作製したステンレス製の金属プレートに、ステンレス製の平板を測定子とし、荷重１００Ｎ、移動速度１０ｍｍ／秒で測定した結果である。

また、本実施例の高分子樹脂材料の劣化度の確認試験は、外径２０φ、長さ５００ｍｍ、山部長さ７．５ｍｍ、山部高さ７．５ｍｍ、山部ピッチ２５ｍｍのスクリュー部１３の山部１４に各種凹凸部２１を形成し、混練試験を行ったものである。なお、高分子樹脂材料としては、ポリエステルとナイロンを用い、加工温度は２３０℃の設定とし、スクリュー部１３の回転数は３０００ｒｐｍとした。劣化度の判定基準は、混練サンプルの変色度合いにて評価し、変色が無かった場合は○、変色が少しでも有った場合は×（劣化と判断）とした。

実施例１の結果を表１、表２に示す。なお、実施例１では凸部長さＬ１：凸部高さＨ１：凸部ピッチＬ２＝１：１：２として固定し、凸部長さＬ１を３０ｎｍ〜５００ｎｍまで変化させて測定した。表１、表２より、凸部長さＬ１が５０ｎｍより短いと、加工精度が低下することからバリなどの影響が発生し、摩擦係数が悪化してしまう（大きくなる。）。したがって、スクリュー部１３（金属プレート）とシリンダー部１５（測定子）との間の摩擦・摩耗による発熱を制御できなくなり、好ましくない。また、凸部長さＬ１が３００ｎｍより長くなると、凹部２３に溶融した高分子樹脂材料が滞留してしまい、スクリュー部１３を高速回転させた場合、高分子樹脂材料がせん断発熱により劣化・分解してしまうため、好ましくない。以上の結果から、凸部長さＬ１は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下が好ましい。

実施例２の結果を表３、表４に示す。なお、実施例２では凸部長さＬ１および凸部高さＨ１を５０ｎｍに固定し、凸部ピッチＬ２を凸部長さＬ１の１．２倍（６０ｎｍ）〜５倍（２５０ｎｍ）まで変化させて測定した。表３、表４より、凸部ピッチＬ２が凸部長さＬ１の１．５倍より小さいと、加工精度が低下することからバリなどの影響が発生し、摩擦係数が悪化してしまう（大きくなる。）。したがって、スクリュー部１３（金属プレート）とシリンダー部１５（測定子）との間の摩擦・摩耗による発熱を制御できなくなり、好ましくない。また、凸部ピッチＬ２が凸部長さＬ１の３倍より大きいと、凹部２３に溶融した高分子樹脂材料が滞留してしまい、スクリュー部１３を高速回転させた場合、高分子樹脂材料がせん断発熱により劣化・分解してしまうため、好ましくない。以上の結果から、凸部ピッチＬ２は凸部長さＬ１の１．５倍以上３倍以下が好ましい。

実施例３の結果を表５、表６に示す。なお、実施例３では凸部長さＬ１を５０ｎｍ、凸部ピッチＬ２を１００ｎｍに固定し、凸部高さＨ１を３０ｎｍ〜３００ｎｍまで変化させて測定した。表５、表６より、凸部高さＨ１が凸部長さＬ１の１倍より小さいと、加工精度が低下するとともに、凸部高さＨ１を制御することができず略平坦な仕上がりとなり、摩擦係数が大きくなる。したがって、スクリュー部１３（金属プレート）とシリンダー部１５（測定子）との間の摩擦・摩耗による発熱を制御できなくなり、好ましくない。また、凸部高さＨ１が凸部長さＬ１の５倍より大きいと、凹部２３に溶融した高分子樹脂材料が滞留してしまい、スクリュー部１３を高速回転させた場合、高分子樹脂材料がせん断発熱により劣化・分解してしまうため、好ましくない。以上の結果から、凸部高さＨ１は凸部長さＬ１の１倍以上５倍以下が好ましい。

実施例１〜実施例３の結果より、凹凸部２１の形状を、凸部長さＬ１を５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で、かつ、凸部ピッチＬ２を凸部長さＬ１の１．５倍以上３．０倍以下であるとともに、凸部高さＨ１を凸部長さＬ１の１倍以上５倍以下に設定して形成することで、凹凸部２１の凹部２３に高分子材料を滞留させることなくスクリュー部１３を高速回転（例えば、回転数３０００ｒｐｍ）させることが可能となる。したがって、高分子樹脂材料をせん断発熱により劣化させることなく、混練させることができる。また、スクリュー部１３とシリンダー部１５との間の摩擦係数を小さく抑えることができるため、高分子材料の混練性を向上させることができる。

尚、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。

１０…混練装置 １１…駆動部 １３…スクリュー部 １４…山部 １４ａ…対向面（側面） １５…シリンダー部 １６…内周面（内面） ２１…凹凸部（凹凸構造） Ｌ１…凸部長さ Ｌ２…凸部ピッチ（凹凸のピッチ） Ｈ１…凸部高さ

Claims (2)

1. 駆動部に接続されたスクリュー部と、該スクリュー部を囲繞するように配設されたシリンダー部とを備えた混練装置において、
   前記スクリュー部と前記シリンダー部との対向面である前記スクリュー部の山部の側面および前記シリンダー部の内面の少なくともいずれか一方に、微細な凹凸構造が形成されていることを特徴とする混練装置。
2. 前記微細な凹凸構造が、凸部長さ５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で、かつ、凹凸のピッチが前記凸部長さの１．５倍以上３．０倍以下で、あるとともに、
   前記凸部の高さが、前記凸部長さの１倍以上５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の混練装置。

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