JP2013188671A - 高せん断加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部帰還型スクリューの先端部と加熱筒の内奥部との間隙を容易に調整できる。
【解決手段】高せん断加工装置１は、加熱筒５内に回転可能に配設されると共に内部に帰還穴を連通する内部帰還型スクリュー６を有する。内部帰還型スクリュー６と加熱筒５の間の周方向に外周クリアランス１７を設け、先端部に先端クリアランス１９を設ける。スピンドル７の先端部に内部帰還型スクリュー６を支持するチャッキング部３１を設けた。内部帰還型スクリュー６の基端側の軸部３３にリング状の調整スペーサ３６を嵌挿させ、チャッキング部３１の嵌合孔３２に軸部３３を嵌合させて、嵌合孔３２の段部３２ａと軸部３３を連結する基部６ｃとの間に調整スペーサ３６を挟持させる。調整スペーサ３６の挿脱によって先端クリアランス１９の間隙Ｓ２を調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、高分子材料等の各種材料を高せん断加工することによって、高分子材料等の各種材料を微細レベルに分散・混合するための高せん断加工装置に関する。

従来、静置場では相互に溶け合わない（非相溶性）ブレンド系の材料において、相溶化剤等の余分な添加物を加えることなく、例えば数十ナノメーターサイズの分散相を有する高分子ブレンド押出し物を製造するための高せん断加工機が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

特許文献１や特許文献２に記載された高せん断加工機は、内部帰還型の高せん断スクリューである内部帰還型スクリューを回転可能に収容した加熱筒を有している。内部帰還型スクリューは螺旋状のスクリュー羽根を有する外周面と先端面から基部側に延びて外周面に開口する帰還穴が形成され、加熱筒は略有底円筒状に形成されている。
そして、内部帰還型スクリューの外周面と加熱筒内周面との間の外周クリアランス内に２〜５ｇの溶融状態の高分子微量材料を供給して、内部帰還型スクリューを例えば５００〜５０００ｍｉｎ^−１の回転数で高速回転させて数秒間混練する。

混練に際して、溶融した高分子材料は外周クリアランス内を前進して内部帰還型スクリュー先端面と加熱筒の底面である内奧面との間の先端クリアランスらこのスクリューの内空部を通って後方に帰還して外周クリアランスに戻されて循環移動させられることでせん断され、ナノ分散化されて耐熱性、機械的特性、寸法安定性等に優れた高分子ブレンド押出し物を製造するようにしている。

ところで、溶融状態の高分子材料は内部帰還型スクリューのスクリュー羽根の間の溝面に保持されて前進させられるが、内部帰還型スクリューの外周面と加熱筒の内周面との間隔が比較的大きい場合に、一部の高分子材料が高速回転する内部帰還型スクリューのスクリュー羽根を乗り越えて後退してしまう、いわゆるバックフローが生じることがある。
そのため、特許文献２に記載された高せん断加工機では、内部帰還型スクリューの外周面と加熱筒の内周面との間隔を小さく設定することで、バックフローを防止して高せん断部の樹脂圧を上昇させてせん断力を大きくするように制御されている。また、高せん断加工機では、内部帰還型スクリュー外周面と加熱筒内周面との間隔を全周にほぼ均一にすることで安定した高せん断加工を可能にしている。

ところで、高せん断加工機を用いて高せん断加工を行う場合、内部帰還型スクリューの外周面と加熱筒の内周面との外周クリアランスと、内部帰還型スクリュー先端面及び加熱筒内奥面の先端クリアランスとが、高せん断加工時の分散・混合能力に大きく影響を与えることが本発明者らの研究によって判明した。
そのため、投入する材料の種類や用途、せん断加工の目的等に応じて最適な外周クリアランスと先端クリアランスになるように内部帰還型スクリューと加熱筒の形状と大きさを調整する必要があった。

特開２００５−３１３６０８号公報 国際公開第２０１０／０８９９９７号

しかしながら、上述した従来の高せん断加工機においては、高せん断加工の途中で異なる外周クリアランスや先端クリアランスに調整しようとする場合、運転加工中に外周クリアランスや先端クリアランスやギャップを調整したり変更したりすることができなかった。そのため、その都度、高せん断加工機を停止させて、加熱筒を分解して内部帰還型スクリューの溝径や全長の異なるものに交換して再組み立てして、外周クリアランスと先端クリアランスを設定し直さなければならず、煩雑で手間がかかるという不具合があった。

本発明は、このような実情に鑑みて、高せん断加工に際し、内部帰還型スクリューや加熱筒を交換したり分解したりしなくても、内部帰還型スクリューの先端部と加熱筒の内奥底面とのクリアランスを調整できるようにした高せん断加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係る高せん断加工装置は、せん断応力を付与しつつ混練することで可塑化された材料を分散及び混合するための高せん断加工装置において、内部に材料を供給する加熱筒と、加熱筒内に回転可能に配設されていて内部に帰還穴を連通させた内部帰還型スクリューと、加熱筒及び内部帰還型スクリューの間の周方向と端部方向に形成されたクリアランスと、内部帰還型スクリュー及び加熱筒のいずれかの固定位置を調整することによって内部帰還型スクリュー及び前記加熱筒の端部方向のクリアランスの間隙の大きさを調整する間隙調整手段とを設けたことを特徴とする。
本発明による高せん断加工装置によれば、加熱筒から内部帰還型スクリューとの間のクリアランスに供給された可塑化材料等の材料は、内部帰還型スクリューの回転によるせん断力でせん断加工されて、クリアランスと内部帰還型スクリューの帰還穴とを循環して分散及び混合されるが、せん断加工に先立って間隙調整手段によって内部帰還型スクリューと加熱筒の端部方向のクリアランスの間隙の大きさを調整しておくことで、端部方向のクリアランスの大きさを予め調整して、材料の種類や得るべき特性等に応じてせん断応力を調整することができる。

また、内部帰還型スクリューを回転させるスピンドルには内部帰還型スクリューを連結するチャッキング部が設けられ、間隙調整手段は、内部帰還型スクリューとチャッキング部との間に着脱可能な調整スペーサであることが好ましい。
間隙調整手段として、内部帰還型スクリューとチャッキング部との間に装着可能な調整スペーサによって、加熱筒に対する内部帰還型スクリューの相対的な進退位置を調整して設定することができ、これによって端部方向のクリアランスの大きさを予め調整できる。

また、加熱筒を支持すると共に移動可能なスライド部材と、スライド部材の位置決めを行う位置決め部材とが設けられ、間隙調整手段は、スライド部材と位置決め部材との間に着脱可能な調整スペーサであることが好ましい。
本発明による高せん断加工装置によれば、位置決め部材とスライド部材との距離を設定し、その間に調整スペーサを装着することでスライド部材の位置決めを行うことによって、内部帰還型スクリューの先端部と加熱筒の内奧面とのクリアランスを設定できて、内部帰還型スクリューの回転による材料のせん断応力を調整できる。

また、加熱筒には材料を供給するための射出ノズルが設けられており、加熱筒の移動に応じて射出ノズルを移動可能としてもよい。
内部帰還型スクリューに対する加熱筒の位置を移動させることに応じて、射出ノズルも同一距離移動させることで、材料を確実に加熱筒内に供給できる。

また、調整スペーサは一対の半円リング状のスペーサまたは略Ｕ字型スペーサであってもよい。
半円リング状のスペーサまたは略Ｕ字型スペーサを装着することで、内部帰還型スクリュー及び加熱筒のいずれかの固定位置を調整することができて、内部帰還型スクリュー及び加熱筒の端部方向のクリアランスの間隙の大きさを調整できる。
また、内部帰還型スクリューの後端側に設けた軸部に対して調整スペーサとして半円リング状のスペーサまたは略Ｕ字型スペーサを嵌合させることで、内部帰還型スクリュー及び加熱筒の端部方向のクリアランスの大きさを設定できる。また、位置決めストッパーと加熱筒を支持するスライド部材との間に位置する軸部に対して調整スペーサとして半円リング状のスペーサまたは略Ｕ字型スペーサを嵌合させることで、内部帰還型スクリュー及び加熱筒の端部方向のクリアランスの大きさを設定できる。

本発明による高せん断加工装置によれば、高せん断能力に影響を与える内部帰還型スクリューの先端部と加熱筒の内奥部との間隙について材料の分散・混合に最適なクリアランス量の調整を内部帰還型スクリューの交換をしないで行えるようになった。そのため、材料の分散・混合に最適なクリアランス量を容易に調整できる。

本発明の第一の実施形態による高せん断加工装置の概略構成を示す断面図である。 図１に示す高せん断加工装置における内部帰還型スクリューの先端部の間隙を調整した構成を示す要部断面図である。 図１に示す高せん断加工装置における内部帰還型スクリューの先端部の間隙を調整した構成を示す要部断面図である。 図１に示す高せん断加工装置における内部帰還型スクリューの先端部の間隙を調整した構成を示す要部断面図である。 第一の実施形態の変形例による高せん断加工装置の内部帰還型スクリュー先端部の間隙を調整する構成を示す要部断面図である。 第二の実施形態による高せん断加工装置の内部帰還型スクリュー先端部の間隙を調整する構成を示す要部断面図であり、（ａ）は調整スペーサを設けない構成を示す図、（ｂ）は調整スペーサを設けた構成を示す図、（ｃ）は同図（ｂ）の調整スペーサ部分の拡大図である。

以下、本発明の第一実施形態による高せん断加工装置について、図１乃至図４に基づいて説明する。
図１に示す本発明の第一実施形態による高せん断加工装置１は、例えば高分子材料を溶融状態にして高せん断応力を与えつつ混練することで、樹脂の内部構造をナノレベル等の微細レベルまで分散して混合するものである。

高せん断加工装置１で使用される高分子材料として、例えば非相溶性ポリマーブレンド系、ポリマー／フィラー系、ポリマーブレンド／フィラー系の樹脂材料等のブレンド材料が挙げられる。非相溶性ポリマーブレンド系として、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とポリアミド１１（ＰＡ１１）の組み合わせや、ポリカーボネート（ＰＣ）とポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）の組み合わせがある。ポリマー／フィラー系としては、例えばポリ乳酸とカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の組み合わせがあり、ポリマーブレンド／フィラー系として、例えばＰＶＤＦとポリアミド６とＣＮＴとの組み合わせなどがある。
なお、本発明では高分子系材料として高分子ブレンド材料に限定されることなく、他のブレンド材料や、ブレンドしない単一の分子材料等を高せん断してナノ分散化することもできる。

本実施形態による高せん断加工装置１は、例えばペレット形状をなす固体状の高分子ブレンド系の樹脂（以下、「固体状樹脂」という）を上述した特許文献２に記載されたように可塑化ユニット（図示せず）に投入して可塑化し、可塑化された溶融樹脂を可塑化ユニットの射出ノズル２によって注入口３から加熱筒５内に注入して溶融樹脂をナノ分散化させるようにしている。
図１に示す高せん断加工装置１は、本実施形態による高せん断加工装置の基本構成を説明するためのものであり、加熱筒５内に内部帰還型スクリュー６が回転加工に挿入されて概略構成されている。

本実施形態による高せん断加工装置１は、以下の説明では、内部帰還型スクリュー６の中心軸線Ｏ方向でこのスクリュー６による送り方向前方を「前方」、「前端」、「先端」とし、その反対側を「後方」、「後端」、「基端」として統一して用いる。
高せん断加工装置１は、略水平方向に配設された有底の略中空円筒形状の加熱筒５と、この加熱筒５内に挿通された状態で中心軸線Ｏ回りに回転可能な略円柱形状の内部帰還型スクリュー６と、この内部帰還型スクリュー６の基端部６ｂ側に連結されたスピンドル７と、このスピンドル７を介して内部帰還型スクリュー６を回転させるための例えばサーボモータからなる駆動モータ８と、スピンドル７をベアリング１０を介して回転可能に支持する軸受１１とを有している。

次に高せん断加工装置１の加熱筒５について説明する。
加熱筒５は、例えば長手方向を略水平方向に向けた状態で保持され、外周面がヒーター１２によって覆われている。ヒーター１２を温度制御することで加熱筒５は温度調節可能となっている。加熱筒５の肉厚の先端部５ａには例えば中心軸線Ｏと略同軸状に高せん断された溶融樹脂を排出するための排出口１４が設けられている。

また、加熱筒５に設けられる注入口３には内部帰還スクリュー６を回転可能に収容する内空部の高せん断領域Ｋに連通する注入路３ａが形成されており、注入路３ａの外周側注入口３に上述した射出ノズル２の射出口が係合して連通する構成となっている。また、注入路３ａには溶融樹脂の充填量を調整するための注入バルブ１６が注入手段として設けられている。

また、加熱筒５の先端部５ａに形成した排出口１４は例えば回転軸線Ｏと略同軸に形成されて外部に連通され、排出口１４の高せん断領域Ｋに連通する排出路１４ａには排出バルブ１８が設けられている。そして、注入バルブ１６は予め設定された時間等に応じて溶融樹脂の注入量を制御することが可能な自動開閉式とされ、本実施形態では排出バルブ１８の開閉動作に連動しているものとする。

次に、内部帰還型スクリュー６について説明する。
内部帰還型スクリュー６は、加熱筒５内に略同軸に挿通された状態で回転可能に設けられ、その基端部６ｂが駆動モータ８の回転軸に連結されたスピンドル７と同軸に連結され、駆動モータ８の回転力が伝達されている。内部帰還型スクリュー６は駆動モータ８により、例えば１００〜５０００ｍｉｎ^−１の回転数で高速回転させられて溶融樹脂を混練しつつ高せん断することができる。
内部帰還型スクリュー６は略円柱状に形成され、その外周面には螺旋状にスクリュー羽根２０が突出して形成されていて、内部帰還型スクリュー６が高速回転することで高せん断領域Ｋの溶融樹脂をスクリュー羽根２０で高速せん断しつつスクリュー羽根２０間の溝面２１に保持して前方に移送するようになっている。

加熱筒５の内周面と内部帰還型スクリュー６の外周面との間の略円筒状をなす空間は外周クリアランス１７であり、射出ノズル２から射出された溶融樹脂を注入路３ａを通して加熱筒５内の外周クリアランス１７に流入させることができる。
そして、スクリュー羽根２０の間の溝面２１がスクリュー６の中心軸線Ｏに平行となる構成、すなわち外周クリアランス１７における加熱筒５の内周面と内部帰還型スクリュー６の外周面のスクリュー羽根２０（または溝面２１）との間の隙間が中心軸線Ｏ方向にわたって略一定の間隔Ｓ１となっている。内部帰還型スクリュー６の先端面６ａと加熱筒５の内奧部５ｃとの隙間は先端クリアランス１９（ギャップ）とされ、略一定幅の間隙Ｓ２を有している。
そのため、高せん断領域Ｋは外周クリアランス１７と先端クリアランス１９、即ち間隙Ｓ１と間隙Ｓ２とで形成されている。

内部帰還型スクリュー６の内部には、その回転中心である中心軸線Ｏに沿って先端面６ａの流入口２３ａから後方に向かって帰還穴２３が穿孔されており、そして帰還穴２３は溶融樹脂の注入路３ａよりも後側また略同一位置において中心軸線Ｏ上から径方向外側にそれぞれ延びて外周面の吐出口２３ｂで外周クリアランス１７に連通している。即ち、帰還穴２３は内部帰還型スクリュー６の中心軸線Ｏ上を流入口２３ａから後方に延びて吐出口２３ｂ近傍の位置で滑らかに湾曲して中心軸線Ｏから外れて外周面に向けて略径方向外側に延びて各吐出口２３ｂに連通する流路を形成している。
これにより、帰還穴２３は流入口２３ａと吐出口２３ｂとで高せん断領域Ｋに連通している。

この帰還穴２３において、流入口２３ａが高せん断中に帰還穴２３内を流れる溶融樹脂の上流側となり、吐出口２３ｂが下流側となる。つまり、高せん断領域Ｋの外周クリアランス１７に注入された溶融樹脂は、内部帰還型スクリュー６の回転とともに溝面２１に沿って先端側に送られ、先端面６ａと加熱筒５の内奧面５ｃとの先端クリアランス１９において流入口２３ａより帰還穴２３に流入して後方へ流れて吐出口２３ｂより外周クリアランス１７へ吐出され、再び内部帰還型スクリュー６の回転とともに先端側へ送られる循環がなされる。
また、注入口３に形成される注入路３ａの位置は、内部帰還型スクリュー６の後端寄りに設けられている帰還穴２３の吐出口２３ｂよりも先端側または略同一の位置となっている。

そのため、内部帰還型スクリュー６は加熱筒５との間で、混練に必要な溶融樹脂の循環がスムーズとなり、高せん断効率を高めることができる。
また、内部帰還型スクリュー６の基端部６ｂは、スクリュー羽根２０が形成されていない外周クリアランス１７の範囲外の位置に設けられていて、スクリュー羽根２０より大径に形成された円柱状領域を有する。この基端部６ｂは加熱筒５の内面に対して液密に摺動可能となっている。

また、加熱筒５の周面及び先端部５ａには適宜な位置に図示しない温度センサーが設けられており、高せん断時の加熱筒５の周面及び先端部５ａの温度が図示しない制御手段に入力されて管理され、ヒーター１２で温度調整できるようになっている。
さらに、加熱筒５の周面及び先端部５ａ内には図示しない冷却流路が埋設されていて、高せん断領域Ｋ内の溶融樹脂の温度調整を行うようになっている。

また、図１おいて、加熱筒５は、その中心軸線Ｏ方向の先端部５ａが加熱筒第一サポート部２７によって支持され、基端部５ｂが加熱筒第二サポート部２８によって支持されている。加熱筒５を前後の加熱筒第一及び第二サポート部２７、２８によって基板２６上に支持することで、ヒーター１２による熱やせん断加工熱等が加熱筒５から基板２６を通して外部へ放熱されることを防止する。
また、スピンドル７を回転可能に支持する軸受１１はスピンドルブロック２９によって基板２６上に支持されている。

そして、スピンドル７と内部帰還型スクリュー６の連結部には、スピンドル７に内部帰還型スクリュー６を連結するためのチャッキング部３１が設けられている。
このチャッキング部３１について図２の断面図により説明する。
スピンドル７の先端に設けられたチャッキング部３１は、中心軸線Ｏに沿って嵌合孔３２が形成されている。この嵌合孔３２内には内部帰還型スクリュー６の基端部６ｂの後方に設けた拡径された基部６ｃが形成され、この基部６ｃの後方には嵌合孔３２に嵌合可能な小径の軸部３３が延びている。そして、チャッキング部３１には、例えばスクロールチャックやインデペンデントチャック等のメカニカルなチャック３４が設けられ、チャッキング部３１の嵌合孔３２に嵌合された軸部３３をチャック３４で締め込むことで内部帰還型スクリュー６をスピンドル７と同軸に固定できる。

そして、チャッキング部３１の嵌合孔３２の先端開口部には嵌合孔３２と同軸に拡径された段部３２ａが形成されている。この段部３２ａは例えば内部帰還型スクリュー６の基部６ｃと略同径とされている。軸部３３には段部３２ａと同一外径のリング状の調整スペーサ３６が挿通可能とされている。
この調整スペーサ３６は例えば標準厚さＡｍｍの標準スペーサ３６Ａと、標準厚さＡｍｍより大きい（または小さい）厚さＢｍｍの追加スペーサ３６Ｂとを有している。標準スペーサ３６Ａは一対の略半円弧状のハーフリング部３６ａ、３６ａからなり、追加スペーサ３６Ｂは一対の略半円弧状のハーフリング部３６ｂ、３６ｂからなっている。

図２に示す内部帰還型スクリュー６の後端の軸部３３に例えば標準スペーサ３６Ａ、追加スペーサ３６Ｂを挿通させて、スピンドル７の嵌合孔３２に軸部３３を嵌合させることで、各スペーサ３６Ａ、３６Ｂが段部３２ａに嵌合された状態で、チャック３４で締め込み可能とされている。そして、標準スペーサ３６Ａや追加スペーサ３６Ｂを選択的に着脱して内部帰還型スクリュー６の軸部３３をスピンドル７の嵌合孔３２に嵌合させてチャック３４で締め込み固定することで、内部帰還型スクリュー６の先端面６ａと加熱筒５の内奧部５ｃとの先端クリアランス１９の間隙Ｓ２の大きさを調整できるようにしている。

例えば、図３に示すように、標準スペーサ３６Ａのみを軸部３３に挿通させてチャッキング部３１の段部３２ａと基部６ｃとで挟持させることで、先端クリアランス１９の間隙Ｓ２を標準のａｍｍとすることができる。また、図２に示すように、標準スペーサ３６Ａと追加スペーサ３６Ｂを軸部３３に挿通させてチャッキング部３１の段部３２ａと基部６ｃとで挟持させることで、先端クリアランス１９を最小の大きさ（ａ−Ｂ）ｍｍとすることができる。
図４に示すように、標準スペーサ３６Ａと追加スペーサ３６Ｂのいずれをも軸部３３に挿通させることなく、チャッキング部３１の段部３２ａに基部６ｃを嵌合させることで、先端クリアランス１９を最大の大きさ（ａ＋Ａ）ｍｍとすることができる。

本実施形態による高せん断加工装置１は上述の構成を備えており、次に先端クリアランス１９の調整方法と、高分子材料である高分子ブレンド系の樹脂についての高せん断方法を説明する。
なお、高分子ブレンド系の樹脂として、例えば非相溶性ポリマーブレンド系、ポリマー／フィラー系、ポリマーブレンド／フィラー系の固体状樹脂材料等を用いるものとするが、他の高分子材料を用いてもよい。

高せん断装置１の駆動に先立って、先端クリアランス１９の間隙Ｓ２の大きさを設定する。まず、チャッキング部３１のチャック３４を緩めて内部帰還型スクリュー６の軸部３３を嵌合孔３２から若干引き出して、例えば標準スペーサ３６Ａと追加スペーサ３６Ｂを選択し、チャッキング部３１の外側でハーフスペーサ３６ａ，３６ａ、３６ｂ、３６ｂを軸部３３の両側から嵌め込む。そして、内部帰還型スクリュー６の軸部３３を嵌合孔３２に押し込むことで、標準スペーサ３６Ａと追加スペーサ３６Ｂを嵌合孔３２の段部３２ａに嵌合させて基部６ｃとの間に挟持させる。次に、チャック３４を締め込んで内部帰還型スクリュー６を固定する。
これによって、図２に示すように、内部帰還型スクリュー６の先端面６ａと加熱筒５の内奧部５ｃとの間の先端クリアランス１９の間隙Ｓ２を最小の（ａ−Ｂ）ｍｍに設定する。

次に、図２に示す高せん断加工装置１において、例えば高分子材料を図示しない可塑化ユニットで可塑化させ、溶融された樹脂を射出ノズル２から注入口３を通して加熱筒５内に注入する。
高せん断加工装置１では、加熱筒５内の内部帰還型スクリュー６を例えば３００ｍｉｎ^−１以下の低速回転で回転させて、加熱筒６内の高せん断領域Ｋに溶融樹脂を注入することで、加熱筒５内の外周クリアランス１７及び予め設定された先端クリアランス１９、そして帰還穴２３内が溶融樹脂で次第に満たされる。
そして、溶融樹脂の注入を完了させると、注入バルブ１６を閉じる。

注入バルブ１６を閉じた段階で、高せん断加工装置１で高せん断加工が行われる。高せん断加工装置１では、加熱筒５内の内部帰還型スクリュー６を高速回転させる。高速回転数は投入される樹脂材料によって決定される。本実施形態では、上述した低速回転より高速回転である例えば１００〜５０００ｍｉｎ^−１で回転させ、高せん断領域Ｋ及び帰還穴２３中の溶融樹脂に対して所定の設定時間だけ高せん断を行う。

このとき、高せん断領域Ｋ内に注入された溶融樹脂は、図２に示すように、内部帰還型スクリュー６の外周面側ではこのスクリュー６の高速回転とともに外周面の主に溝面２１で先端側へ送られる。そして、内部帰還型スクリュー６で高せん断された溶融樹脂は、内部帰還型スクリュー６の先端面６ａで先端クリアランス１９から流入口２３ａより帰還穴２３内を後方へ流れ、遠心力で吐出口２３ｂより内部帰還型スクリュー６の外周面に流出して外周クリアランス１７に帰還し、再び先端側に送られるといった循環流動を高速で所定時間繰り返す。
これによって、溶融樹脂が混練されると共に高せん断応力が付与される。この循環により溶融樹脂はナノ分散化され、高分子材料の内部構造をナノレベルで分散及び混合できる。

次に、設定された高せん断加工時間に到達したときには、内部帰還型スクリュー６の回転速度を高速回転から中速回転に切り替える。中速回転とは上述した低速回転より大きく高速回転より小さい回転数領域であり、例えば２００〜１０００ｍｉｎ^−１である。そして、排出バルブ１８を開けて排出路１４ａを開放する。
これにより、高せん断により加工された高せん断領域Ｋ内のナノ分散樹脂が内部帰還型スクリュー６の回転とともに先端側の排出路１４ａから排出され、排出された高分子材料の溶融樹脂を高分子ブレンド押出し物として得ることができる。

そして、予め設定した排出時間に到達し、高せん断加工装置１の加熱筒５内で製造したナノ分散樹脂が全て排出された状態に至る。なお、内部帰還型スクリュー６の高速回転と並行して、可塑化ユニットで新たな固体状樹脂が投入されて溶融されて、製造処理が完了している。
そのため、高せん断加工装置１の内部帰還型スクリュー６を中速回転から低速回転に戻して回転させつつ、可塑化ユニット内の新たな溶融樹脂を射出ノズル２から加熱筒５内に射出する。
このようにして、同様のステップを繰り返すことにより順次、固体状樹脂を高せん断して高分子材料をナノレベルで分散・混合することができる。

また、チャッキング部３１に装着する調整スペーサ３６を、図３に示すように、標準スペーサ３６Ａのみに設定すれば、先端クリアランス１９の間隙Ｓ２は標準のａｍｍに設定できる。或いは図４に示すように、チャッキング部３１に装着する調整スペーサ３６を、図４に示すように、装着しないようにすれば、先端クリアランス１９の間隙Ｓ２は最大の（ａ＋Ａ）ｍｍに設定できる。
このように、先端クリアランス１９の間隙Ｓ２の大きさを、標準スペーサ３６Ａ及び／または追加スペーサ３６Ｂの挿脱によって調整することで、高せん断加工装置１のせん断応力を調整することができる。

上述のように、チャッキング部３１と内部帰還型スクリュー６との間に標準スペーサ３６Ａ及び／または追加スペーサ３６Ｂを選択的に装着することによって先端クリアランス１９の間隙Ｓ２を調整することで、次のような高せん断加工を選択できる。
まず、図３に示すように、高せん断加工装置１において、チャッキング部３１と内部帰還型スクリュー６との間に調整スペーサ３６として標準スペーサ３６Ａを装着し、先端クリアランス１９の間隙Ｓ２を標準のａｍｍした場合における、高せん断加工による高分子材料の分散・混合は、例えば粒径がナノレベルになる程度の標準的な高せん断加工となる。

そして、図２に示すように、高せん断加工装置１において、調整スペーサ３６として標準スペーサ３６Ａと追加スペーサ３６Ｂを装着した構成を採用すれば、先端クリアランス１９の間隙Ｓ２は（ａ−Ｂ）ｍｍとなり、標準ａｍｍより狭くなるため高せん断時の樹脂圧が上昇する。そのため、外周クリアランス１７及び先端クリアランス１９から帰還穴２３内に送られる高分子材料に標準より高い高せん断応力が働くことになり、樹脂がより微細化され、高いレベルで分散・混合される。
他方、図４に示すように、調整スペーサ３６のいずれも装着しない構成を採用すれば、先端クリアランス１９の間隙Ｓ２は標準ａｍｍより広い（ａ＋Ａ）ｍｍとなるため高せん断時の樹脂圧が低下する。そのため、外周クリアランス１７及び先端クリアランス１９から帰還穴２３内に送られる高分子材料に標準より低い高せん断応力が働くことになり、分散・混合能力が低下し、比較的短時間で標準より粒径の大きいレベルに分散・混合される。

上述のように本実施形態による高せん断加工装置１によれば、スピンドル７のチャッキング部３１の段部３２ａと内部帰還型スクリュー６の基部６ｃとの間に、調整スペーサ３６を選択的に挿脱して先端クリアランス１９の間隙Ｓ２の大きさを変更することで、溶融樹脂のせん断応力を増減調整できる。これによって、高せん断すべき材料や得るべき特性等に応じて分散・混合に最適な先端クリアランス１９の間隙Ｓ２を容易に設定できてせん断効率を高めることができる。
しかも、先端クリアランス１９の間隙Ｓ２の大きさを調整するに際し、従来のように内部帰還型スクリュー６を異なる形状や異なる長さのものに変更することなく、調整スペーサ３６の選択と挿脱によって行うことができるため、形状や長さの異なる予備の内部帰還型スクリュー６を設ける必要がなく、経済的である。

以上、第一の実施形態による高せん断加工装置１について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。なお、以下の説明において、上述した実施形態と同一または同様な部材、部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。
例えば、本実施形態による高せん断加工装置１では、高せん断加工できる材料として高分子材料の溶融樹脂を採用しているが、その性状は粉体、流体、粒子からなる材料であってもよい。また、使用対象となる材料系としては、非相溶性ポリマーブレンド系、ポリマー／フィラー系、さらにはポリマーブレンド／フィラー系の材料が挙げられるが、それ以外の材料、そして高分子材料以外の他の種類の材料であってもかまわない。

次に、図５に基づいて本発明の第二の実施形態による高せん断加工装置４０について説明する。
本実施形態では、調整スペーサ３６の配設すべき位置の構成が上述の第一の実施形態による高せん断加工装置１と相違し、その余の構成で一致するものとする。
図５に示す高せん断加工装置４０において、チャッキング部３１の嵌合孔３２に段差３２ａは形成されていない。そのため、調整スペーサ３６は内部帰還型スクリュー６の軸部３３に挿通されて、チャッキング部３１と軸部６ｃの間に挟まれて固定されている。図５に示す例では、調整スペーサ３６として標準スペーサ３６Ａと追加スペーサ３６Ｂが、内部帰還型スクリュー６の軸部３３に挿通されてチャッキング部３１と軸部６ｃの間に固定されている。

本第二実施形態による高せん断加工装置４０によれば、調整スペーサ３６は内部帰還型スクリュー６の軸部３３に挿通されてチャッキング部３１の外側で軸部６ｃとの間に挟まれて固定されているため、各ハーフスペーサ３６ａ、３６ｂからなる調整スペーサ３６の着脱を一層容易に行うことができる。

次に本発明の第三の実施形態による高せん断加工装置５０について、図６（ａ），（ｂ）により説明する。本第三の実施形態においては、内部帰還型スクリュー６の進退位置を調整するための調整スペーサ３６は設けられておらず、内部帰還型スクリュー６に対して加熱筒５の進退位置を調整することで先端クリアランス１９の間隙Ｓ２の大きさを調整するようにしている。

本第三の実施形態による高せん断加工装置５０では、内部帰還型スクリュー６はスピンドル７を支持するスピンドルブロック２９によって固定状態で回転可能に支持されている。
他方、加熱筒５を支持する第一加熱筒サポート部２７と第二加熱筒サポート部２８はスライド部材、例えばスライドテーブル５１に固定されている。基板２６に位置決めストッパー５２が固定されており、スライドテーブル５１は位置決めストッパー５２に螺合されたセットボルト５３によって螺合されていて、中心軸線Ｏ方向に進退可能に保持されている。

また、スライドテーブル５１の下側には基板２６上にレール５４が中心軸線Ｏ方向に固定されており、スライドテーブル５１の下面に固定されたＬＭガイド５５がレール５４上を摺動可能とされている。そして、セットボルト５３を緩めることで、スライドテーブル５１及びスライドテーブル５１に第一及び第二加熱筒サポート部２７、２８を介して支持された加熱筒５は、レール５４の延在方向即ち中心軸線Ｏ方向に微小移動可能とされている。

また、位置決めストッパー５２とスライドテーブル５１の間にはセットボルト５３の軸部が取り付けられ、所定の厚さの調整スペーサ５７が選択的にセットボルト５３の軸部に嵌挿可能とされている。調整スペーサ５７は例えば図６（ｂ）、（ｃ）に示すように略Ｕ字形状とされ、適宜の厚さを有する１または複数のスペーサを用いることができる。なお、セットボルト５３の軸部には雄ねじを形成しなくてもよく、軸部に続く先端側に雄ねじが形成されていればよい。
ここでは、調整スペーサ５７として、第一の実施形態の調整スペーサ３６と同様に、例えばＣｍｍ厚を有する第一スペーサ５７Ａ、Ｄｍｍ厚を有する第二スペーサ５７Ｂを選択的に装着可能とされている。

そして、図６（ａ）において、位置決めストッパー５２にスライドテーブル５１が当接した位置における、加熱筒５の内奧部５ｃと内部帰還型スクリュー６の先端面６ａとの間の先端クリアランス１９の間隙Ｓ２を最小の標準ａｍｍとする。
次に、先端クリアランス１９の間隙Ｓ２を広く設定するためには、セットボルト５３を緩めてスライドテーブル５１を位置決めストッパー５２から離間するように微小移動させてレール５４に沿ってＬＭガイド５５を摺動させる。これにより、加熱筒５を中心軸線Ｏに沿って内部帰還型スクリュー６から離間する方向に移動させる。これによって、加熱筒５の内奧部５ｃと内部帰還型スクリュー６の先端面６ａとの間の先端クリアランス１９を広げる。

そして、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、所要の調整スペーサ５７、例えば第一スペーサ５７Ａを選択して位置決めストッパー５２とスライドテーブル５１の間でセットボルト５３の軸部に嵌挿させる。次にセットボルト５３を締め込むことでスライドテーブル５１が移動して位置決めストッパー５２との間に第一スペーサ５７Ａを挟持させ、加熱筒５を位置決めする。これによって、先端クリアランス１９の間隙Ｓ２は（ａ＋Ｃ）ｍｍに設定される。
本第三の実施形態による高せん断装置５０によれば、加熱筒５を中心軸線Ｏ方向に微小移動して位置決めすることで供給口３も移動するため、射出ノズル２も同一距離移動させる必要がある。そのため、射出ノズル２を例えば加熱筒５に連動させるか、連結し、図示しない可塑化ユニットや可塑化樹脂の供給管をチューブ等の可撓性部材を介して射出ノズル２に接続すればよい。

本第三の実施形態による高せん断加工装置５０によれば、加熱筒５を支持するスライドテーブル５１と位置決めストッパー５２との間でセットボルト５３の軸部に調整スペーサ５７を嵌挿させることで、加熱筒５の内奧部５ｃと内部帰還型スクリュー６の先端面６ａとの間の先端クリアランス１９の間隙Ｓ２を調整できる。しかも、上述した第一及び第二実施形態による高せん断加工装置１、４０と比較して、内部帰還型スクリュー６をチャッキング部３１から緩めたりする必要がないため、先端クリアランス１９の間隙Ｓ２の調整が一層容易であり、位置決め精度が高い。

なお、調整スペーサ３６は一対の略半円リング状とし、調整スペーサ５７は略Ｕ字形状としたが、調整スペーサ３６，５７の形状はどのような形状でもよい。これらは間隔調整手段を構成する。
また、内部帰還型スクリュー６の先端面６ａと加熱筒５の内奧部５ｃとの間に形成された先端クリアランス１９は、中心軸線Ｏに沿った加熱筒５及び内部帰還型スクリュー６の間の端部方向のクリアランスである。

１，４０，５０ 高せん断加工装置
５ 加熱筒
６ 内部帰還型スクリュー
７ スピンドル
１７ 外周クリアランス
１９ 先端クリアランス
２７ 加熱筒第一サポート部
２８ 加熱筒第二サポート部
２９ スピンドルブロック
３１ チャッキング部
３２ 嵌合孔
３２ａ 段部
３３ 軸部
３４ チャック
３６、５７ 調整スペーサ
３６Ａ 標準スペーサ
３６Ｂ 追加スペーサ
５１ スライドテーブル
５２ 位置決めストッパー
５３ セットボルト
５５ ＬＭガイド
５７Ａ 第一スペーサ
５７Ｂ 第二スペーサ
Ｋ 高せん断領域
Ｓ１、Ｓ２ 間隙

Claims (5)

1. せん断応力を付与しつつ混練することで材料を分散及び混合するためのせん断加工装置において、
   内部に材料が導入される加熱筒と、
   該加熱筒内に回転可能に配設されていて内部に帰還穴を連通させた内部帰還型スクリューと、
   前記加熱筒及び前記内部帰還型スクリューの間の周方向と端部方向に形成されたクリアランスと、
   前記内部帰還型スクリュー及び前記加熱筒のいずれかの固定位置を調整することによって前記内部帰還型スクリュー及び前記加熱筒の端部方向のクリアランスの間隙の大きさを調整する間隙調整手段とを
   設けたことを特徴とする高せん断加工装置。
2. 前記内部帰還型スクリューを回転させるスピンドルには前記内部帰還型スクリューを連結するチャッキング部が設けられ、
   前記間隙調整手段は、前記内部帰還型スクリューと前記チャッキング部との間に着脱可能な調整スペーサである請求項１に記載された高せん断加工装置。
3. 前記加熱筒を支持すると共に移動可能なスライド部材と、該スライド部材の位置決めを行う位置決め部材とが設けられ、
   前記間隙調整手段は、前記スライド部材と位置決め部材との間に着脱可能な調整スペーサである請求項１に記載された高せん断加工装置。
4. 前記加熱筒には材料を投入するための射出ノズルが設けられており、前記加熱筒の移動に応じて前記射出ノズルを移動可能とした請求項３に記載された高せん断加工装置。
5. 前記調整スペーサは、一対の半円リング状のスペーサまたは略Ｕ字型スペーサである請求項２乃至４のいずれか１項に記載された高せん断加工装置。

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