JP2018008416A - ニーディングディスク、スクリュエレメント及び押出機 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂原料のスクリュの回転方向における混練能力を高める。【解決手段】ニーディングディスク７は、回転可能なシャフト３に嵌められ、シリンダ２内に配置される。本発明のニーディングディスク７のシリンダ２と対向する外周面８は、シャフト３の軸方向Ｘにおけるニーディングディスク７の両端７ａ，７ｂ間を延びシリンダ２との間隙が極小となる帯状部９を有し、帯状部９は少なくとも一つの屈曲部１０を有している。【選択図】図２

Description

本発明は、ニーディングディスクとそれを用いたスクリュエレメント、及び押出機に関し、特にニーディングディスクの構成に関する。

熱可塑性樹脂原料の混合プロセスや脱揮プロセスに用いられる押出機は、シャフトに嵌められたスクリュを有し、スクリュはシャフトの軸方向において、機能別に分割されている。具体的には、樹脂原料の投入部には主に樹脂原料を搬送するためのスクリュが設けられ、その下流側には樹脂原料の可塑化や混練を行うためのスクリュが設けられている。その下流側には混練された樹脂原料をダイに向けて搬送するスクリュが設けられている。このうち、樹脂原料の可塑化や混練を行うためのスクリュは、複数のニーディングディスクがシャフトの軸方向に配列された、いわゆるニーディングディスク型スクリュとされていることが多い。

特許文献１には、概ね楕円形の断面形状を有するニーディングディスクが開示されている。このニーディングディスクのシリンダと対向する外周面のうち、長軸上に位置する端面は他の端面と比べてシリンダとの間隙が小さくなっている。このため、長軸上の端面において強い混練作用が得られる。特許文献２には、同様の断面形状を有するニーディングディスクが開示されている。このニーディングディスクでは、長軸上に位置する端面が、シャフトの軸方向に対して傾斜する帯状部となっている。樹脂原料はこの帯状部から、シリンダの周方向だけでなく軸方向の搬送力を受けるため、樹脂原料が複雑に流動し、混練機能が高められる。

特開２００１−２６０２０８号公報 特開２００３−２１１４４０号公報

特許文献１に記載のニーディングディスクは端面がシャフトの軸方向と平行に延びているため、樹脂原料はほぼスクリュの回転方向に混練される。このため、樹脂原料の動きは比較的単純で、混練機能に改良の余地がある。特許文献２に記載のニーディングディスクは、樹脂原料を帯状部と直交する方向に押し出し、その力の一部がスクリュの回転方向における混練作用を担う。しかし、スクリュの回転方向における混練作用は特許文献１に記載のニーディングディスクと大きな違いはなく、依然として改良の余地がある。

本発明は樹脂原料のスクリュの回転方向における混練作用が向上したニーディングディスクを提供することを目的とする。

本発明のニーディングディスクは、回転可能なシャフトに嵌められ、シリンダ内に配置される。本発明のニーディングディスクのシリンダと対向する外周面は、シャフトの軸方向におけるニーディングディスクの両端間を延びシリンダとの間隙が極小となる帯状部を有し、帯状部は少なくとも一つの屈曲部を有している。帯状部が有する屈曲部のため、樹脂原料は帯状部に沿って複数の方向に押し出され、複雑な混練作用を受ける。

従って、本発明によれば樹脂原料のスクリュの回転方向における混練能力が向上したニーディングディスクを提供することができる。

第１の実施形態の押出機の概略正面図である。 図１に示す押出機のニーディングディスクの概略正面図である。 図２に示すニーディングディスクの側面図と外周面の展開図である。 樹脂原料の流動を示す概念図である。 第２の実施形態のニーディングディスクの概略正面図である。 第３の実施形態のニーディングディスクの外周面の展開図である。 実施例と比較例における、樹脂原料の押出量と未溶融樹脂原料の比率との関係を示すグラフである。

図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本実施形態の押出機は二軸押出機であるが、単軸押出機、多軸押出機にも適用することができる。以下の説明で「軸方向」はシャフトの軸方向を意味する。「軸方向」はスクリュの軸方向、シリンダの軸方向と一致している。「周方向」はスクリュの外周に沿い軸方向と直交する方向を意味する。「周方向」はシャフトの回転方向と、その反対方向を含む。

図１は本発明の一実施形態の押出機の断面図を示している。押出機１はシリンダ２と、互いに平行に延びる２本の回転可能なシャフト３（図１には１本のシャフト３のみを図示）と、シャフト３に嵌められたスクリュ４と、を有している。シャフト３とスクリュ４はシリンダ２内に配置されている。スクリュ４はスプライン継手などの適宜の方法で、シャフト３との相対回転を固定されて、シャフト３に保持されている。シャフト３はモータ（図示せず）によって中心軸３ａの周りを方向Ｒに回転駆動される。樹脂原料はシリンダ２の上流側に設けられた投入部（図示せず）から投入され、シリンダ２内を移送されながら混練され、ダイに接続された出口部（図示せず）から流出する。スクリュ４は軸方向Ｘに複数のスクリュエレメントに分割されている。投入部と出口部の近傍にはそれぞれ、らせん状に延びるフライト５ａが形成された複数の搬送用スクリュエレメント５が設けられ、投入部と出口部の間にはニーディングディスクを備えた複数の混練用スクリュエレメント６が設けられている。本実施形態では３つの混練用スクリュエレメント６ａ〜６ｃが設けられているが、混練用スクリュエレメント６の数は３つに限定されない。混練用スクリュエレメント６ａ〜６ｃはすべて同じ構成を有している。搬送用スクリュエレメント５は主に樹脂原料を軸方向Ｘに搬送する機能を有している。混練用スクリュエレメント６は主に樹脂原料を混練する機能を有している。具体的には、混練用スクリュエレメント６は樹脂原料及び樹脂原料と混合される副成分に、大きな圧力とせん断力を作用させる。これらのスクリュエレメント５，６を組み替えることで、様々なプロセスに適したスクリュ構成を実現することができる。

図２は、図１と同じ方向からみた混練用スクリュエレメント６の正面図を示している。個々の混練用スクリュエレメント６は軸方向Ｘに配列した複数のニーディングディスク７からなっている。複数のニーディングディスク７は軸方向Ｘに一体化され、一つの混練用スクリュエレメント６を構成している。ニーディングディスク７の厚さ（軸方向Ｘ寸法）はニーディングディスク７の最大直径の０．０５〜２倍であり、ニーディングディスク７の枚数は２〜３０枚である。ただし、１枚のニーディングディスク７が一つのスクリュエレメント６を構成してもよい。ニーディングディスク７の最大半径（上記最大直径の１／２）は、後述する帯状部の外周面のシャフト３の中心からの距離に等しい。

図３は個々のニーディングディスク７を示している。図３（ａ）は、樹脂原料の投入部側から軸方向Ｘにみた、ニーディングディスク７の側面図、図３（ｂ）は、ニーディングディスク７のシリンダ２と対向する外周面の展開図である。図３（ａ）において、実線は図３（ｂ）のニーディングディスク７の軸方向Ｘ中央を通るＡ−Ａ線に沿った断面図を、破線は図３（ｂ）のニーディングディスク７の軸方向Ｘ端部を通るＢ−Ｂ線に沿った断面図を示している。

図３（ａ）に示すように、ニーディングディスク７は概ね楕円形の形状を有している。ニーディングディスク７は、シリンダ２と対向する外周面８を有している。ニーディングディスク７の外周面８は、ニーディングディスク７の軸方向Ｘにおける両端７ａ，７ｂ間を延びシリンダ２との間隙が極小となる２つの帯状部９を有している。帯状部９は外周面８のうち、ニーディングディスク７の長軸７ｃ上の互いに対向する２つの位置に設けられている。間隙が極小とは、シリンダ２との間隙が、周方向におけるその前方部と後方部における間隙よりも小さいことを意味する。帯状部９の外周面は、シリンダ２の内面２ａと同軸の円弧であり、周方向のどの位置でも、帯状部９とシリンダ２の内面２ａとの間隔は一定である。帯状部９は平面であってもよい。ニーディングディスク７の外周面８のうち、２つの帯状部９の間の部分は帯状部９より曲率半径が大きくなっている。

図３（ｂ）に示すように、帯状部９は軸方向Ｘにおける中央部に一つの屈曲部１０を有している。屈曲部１０は帯状部９の一部とこれに隣接する部分とが０度以外の角度をなす部位である。帯状部９は、軸方向Ｘに対して斜めに延びる第１の部分９ａと、屈曲部１０で第１の部分９ａと接続され、軸方向Ｘに関し第１の部分９ａと反対方向に斜めに延びる第２の部分９ｂと、を有している。第１の部分９ａと第２の部分９ｂは直線状の形状をしており、屈曲部１０は第１の部分９ａと第２の部分９ｂの交点である。第１の部分９ａは軸方向Ｘの一方の端部７ａから回転方向Ｒと逆方向に延びており、第２の部分９ｂは回転方向Ｒと同じ方向に他方の端部７ｂまで延びている。この結果、帯状部９はシャフト３の回転方向Ｒに関し帯状部９ないし屈曲部１０の前方に、一部を帯状部９で囲まれたポケット１１を形成する。

第１の部分９ａと第２の部分９ｂは周方向に関し対称形となっている。第１の部分９ａが軸方向Ｘとなす鋭角θ１と第２の部分９ｂが軸方向Ｘとなす鋭角θ２は共に３０度以上、９０度未満であることが望ましい。

図４（ａ）は本実施形態の混練用スクリュエレメント６の、図４（ｂ）は比較例の混練用スクリュエレメントの、図３（ｂ）と同様の展開図を示している。図４では各ニーディングディスク７（比較例については１０７）について一つの帯状部９（比較例については１０９）だけを示しているが、他方の帯状部９，１０９も同様の構成を有している。シャフト３が回転方向Ｒに回転すると、樹脂原料はスクリュ４とシリンダ２の内面２ａ（図３（ａ）参照）との間でせん断力を受け、可塑化及び混練作用を受ける。特に、スクリュ４とシリンダ２の間隔が狭まる帯状部９，１０９を通過する際に、樹脂原料は大きなせん断力を受ける。樹脂原料は固定されたシリンダ２の内面２ａと回転するスクリュ４との間を、回転するスクリュ４に押され、帯状部９を乗り越えるように流動する。この際、図４（ａ）に示す本実施形態のニーディングディスク７では、樹脂原料は矢印で示すように流動する。すなわち、第１の部分９ａの近傍にある樹脂原料は、第１の部分９ａに接すると、第１の部分９ａに沿って、軸方向Ｘ中央部（ポケット１１の中心部）に向けて、周方向に対して斜めに流動する。第２の部分９ｂの近傍にある樹脂原料は、第２の部分９ｂに接すると、第２の部分９ｂに沿って、軸方向Ｘ中央部に向けて、周方向に対して斜めに流動する。第１の部分９ａの近傍にある樹脂原料と、第２の部分９ｂの近傍にある樹脂原料は、軸方向Ｘに関して互いに反対方向に流動する。屈曲部１０の近傍にある樹脂原料は概ね周方向に、軸方向Ｘ中央部（ポケット１１の中心部）に向けて流動する。この結果、樹脂原料は互いに異なる方向からポケット１１に向けて集まり、シャフト３の回転に伴い、ポケット１１の奥に向かってさらに移動する。これによって樹脂原料は、強い圧縮力を受ける。

図４（ｂ）に示す比較例のニーディングディスク１０７においては、樹脂原料は直線状に延びる帯状部１０９によって周方向のせん断力を受けるが、矢印で示すように帯状部１０９の端部から樹脂原料が逃げやすく、樹脂原料を効率的に捕捉することができない。これに対し本実施形態のニーディングディスク７では、樹脂原料が圧縮されながらポケット１１に効率的に集められ、回転方向Ｒに関しポケット１１のすぐ後方にある帯状部９とシリンダ２との間の間隙でさらに強い圧縮作用とせん断作用を受けるため、樹脂原料の混練機能が高められる。

隣接するニーディングディスク７においても同様の現象が生じており、樹脂原料は周方向と軸方向Ｘにせん断力を受け、複雑に流動する。この結果、樹脂原料の可塑化、混練能力が高められる。

図３（ｃ）は帯状部の他の実施形態を示している。帯状部１９は全体として曲線形状を有しており、屈曲部は軸方向Ｘに無限に存在している。第１の部分１９ａと第２の部分１９ｂはともに曲線状に延びている。帯状部１９は全体として同じ方向に湾曲しており変曲点を有していない。このため、図３（ｂ）に示す実施形態と同様、軸方向Ｘ中央部の付近に一つのポケット１１が形成される。樹脂原料は軸方向Ｘ位置に応じて様々な方向にせん断力を受けながら混練される。従って、本実施形態においても高い混練能力が得られる。

図３（ｄ）は帯状部のさらに別の実施形態を示している。帯状部２９は交互に向きを変える４つの部分（第１〜第４の部分２９ａ〜２９ｄ）を有しており、第１の部分２９ａと第２の部分２９ｂの間、及び第３の部分２９ｃと第４の部分２９ｄの間にそれぞれポケット１１が形成されている。第１〜第４の部分２９ａ〜２９ｄは直線状に延びている。第１〜第４の部分２９ａ〜２９ｄが軸方向Ｘとなす角度（鋭角）θ１〜θ４はすべて同じであるが、互いに異なっていてもよい。本実施形態においても、樹脂原料は軸方向Ｘ位置に応じて様々な方向にせん断力を受けながら混練され、高い混練能力が得られる。

図２（ｂ）は各ニーディングディスク７における帯状部９の位置を模式的に示している。具体的には樹脂原料の搬送方向に関し上流側から下流側をみたときの、各ニーディングディスクの断面を模式的に示している。帯状部９の角度位置は互いに隣接するニーディングディスク７間で４５度異なっている。すなわち、図示のように角度座標θを定義すると、最も左側の第１のニーディングディスク７１では帯状部９はθ＝９０°と２７０°の位置にあり、ひとつ右側の第２のニーディングディスク７２では帯状部９はθ＝４５°と２２５°の位置にある。同様に、第３のニーディングディスク７３では帯状部９はθ＝０°と１８０°の位置にあり、第４のニーディングディスク７４では帯状部９はθ＝３１５°と１３５°の位置にあり、第５のニーディングディスク７５では帯状部９はθ＝２７０°と９０°の位置にある。従って、樹脂原料の搬送方向に関し上流側から下流側をみたときに、シャフト３は反時計回り方向Ｒに回転し、各ニーディングディスク７１〜７５の帯状部９は、搬送方向に関し下流側に行くに従い時計回り方向に回転するように配置される。この結果、各ニーディングディスク７１〜７５の帯状部９が全体として、第１のスクリュエレメントの時計回りにらせん状に延びるフライト５ａと同様の作用を呈し、樹脂原料を下流側に搬送する。従って、本実施形態の混練用スクリュエレメント６は、樹脂原料を軸方向Ｘに搬送すると同時に、周方向への樹脂原料の圧縮作用を実現する。

本実施形態では各ニーディングディスク７の屈曲部１０の角度位置が、その上流側で隣接するニーディングディスク７の屈曲部１０の角度位置に対して４５度ずれているが、別の角度、例えば３０度や６０度等の、０度を超え６０度以下の範囲の任意の角度ずれていてもよい。具体的には、各ニーディングディスク７の屈曲部１０の角度位置が、その上流側で隣接するニーディングディスク７の屈曲部１０の角度位置に対して、シャフト３の回転方向Ｒの反対方向に１８０／Ｎ度（但し、Ｎは３以上の任意の整数）ずれた位置にあればよい。

図５は本発明の第２の実施形態を示す図１と同様の図である。本実施形態では３つの混練用スクリュエレメントの構成が異なっている。図５における左側、すなわち樹脂原料の移送方向に関し上流側の混練用スクリュエレメント６を第１のスクリュエレメント６１といい、図５における中央、すなわち樹脂原料の移送方向に関し中央部の混練用スクリュエレメントを第２のスクリュエレメント６２といい、図５における右側、すなわち樹脂原料の移送方向に関し下流側の混練用スクリュエレメントを第３のスクリュエレメント６３という。

第１のスクリュエレメント６１は第１の実施形態の混練用スクリュエレメント６ａと同じ構成である。これに対し、第２のスクリュエレメント６２は、各ニーディングディスク７の屈曲部１０の角度位置が、その上流側で隣接するニーディングディスク７の屈曲部１０の角度位置に対して、シャフト３の回転方向Ｒの反対方向に９０度ずれた位置にある。このため、第２のスクリュエレメント６２は軸方向Ｘへの搬送作用を有さない。一方、第３のスクリュエレメント６３は第１のスクリュエレメント６１と帯状部９の分布が逆になっている。樹脂原料の移送方向に関し上流側から下流側をみたときに、帯状部９は反時計回り方向に分布するため、搬送力は下流から上流側に生じる。第１のスクリュエレメント６１では樹脂原料が下流側に向けて搬送され、第３のスクリュエレメント６３では樹脂原料が上流側に向けて搬送されるため、樹脂原料に高い圧力が加わり、可塑化、混練能力が一層高められる。第３のスクリュエレメント６３は、各ニーディングディスク７の屈曲部１０の角度位置が、その下流側で隣接するニーディングディスク７の屈曲部１０の角度位置に対して、シャフト３の回転方向Ｒに３０度、４５度または６０度等の、０度を超え６０度以下の範囲の任意の角度ずれていればよい。具体的には、各ニーディングディスク７の屈曲部１０の角度位置が、その上流側で隣接するニーディングディスク７の屈曲部１０の角度位置に対して、シャフト３の回転方向Ｒに１８０／Ｎ度（但し、Ｎは３以上の任意の整数）ずれた位置にあればよい。

図６は本発明の第３の実施形態を示す図３（ｂ）と同様の図である。本実施形態では帯状部９が形成するポケット１１は、シャフト３の回転方向Ｒに関し帯状部９ないし屈曲部１０の後方にある。樹脂原料はまずポケット１１の裏側にある突起９ｃに当接し、突起９ｃから左右に分かれるように流動する。本実施形態では樹脂原料の高い分配作用が得られる。分配作用では樹脂原料に大きなせん断力がかかることはないが、左右に拡散されるため樹脂原料は大きなひずみを受ける。これによっても混練能力が高められる。

（実施例）
日本製鋼所製二軸押出機１ＴＥＸ３０αを用いて本実施形態のニーディングディスク７と比較例のニーディングディスクの混練能力を比較した。スクリュ４の直径は３０ｍｍとした。樹脂原料として（株）プライムポリマー製ポリプロピレンＪ１０８Ｍを使用し、二軸押出機への樹脂原料の投入温度は３０℃、スクリュ回転数は１００ｒｐｍ、シリンダ設定温度は１６５℃とした。実施例は図２に示す実施形態と同様とし、比較例は図４（ｂ）のニーディングディスク１０７と同様、帯状部が軸方向Ｘに直線状に延びる形状とした。図７に試験結果を示す。横軸はシリンダから１時間あたりに押し出された樹脂原料の量を示し、縦軸は押し出された樹脂原料における未溶融樹脂原料の量を規準化して示している。実線は実施例の近似曲線であり、破線は比較例の近似曲線である。縦軸が１を超えると未溶融樹脂原料が一定量存在し不良と判断した。押出量が増えると未溶融樹脂原料の比率が高くなり、縦軸が１に達したときの押出量が、そのスクリュを用いた場合の可塑化能力の上限値である。近似曲線に基づくと、実施例は比較例と比べ未溶融樹脂原料の比率が１に達するときの押出量が約４０％増加している。従って、本発明により単位時間に可塑化可能な樹脂原料の量が増えること、すなわち可塑化能力が高められることが確認された。

１ 押出機
２ シリンダ
３ シャフト
４ スクリュ
５ スクリュエレメント
６，６ａ〜６ｃ スクリュエレメント
７ ニーディングディスク
８ ニーディングディスクの外周面
９，１９，２９ 帯状部
９ａ 第１の部分
９ｂ 第２の部分
１０ 屈曲部
Ｒ 回転方向
Ｘ 軸方向

Claims (10)

1. 回転可能なシャフトに嵌められ、シリンダ内に配置されるニーディングディスクであって、
   前記シリンダと対向する外周面は、前記シャフトの軸方向における前記ニーディングディスクの両端間を延び前記シリンダとの間隙が極小となる帯状部を有し、前記帯状部は少なくとも一つの屈曲部を有している、ニーディングディスク。
2. 前記帯状部は、前記軸方向に対して斜めに延びる第１の部分と、前記屈曲部で前記第１の部分と接続され、前記軸方向に関し前記第１の部分と反対方向に斜めに延びる第２の部分と、を有している、請求項１に記載のニーディングディスク。
3. 前記第１及び第２の部分は直線状に延び、前記第１及び第２の部分が前記軸方向となす鋭角は３０度以上である、請求項２に記載のニーディングディスク。
4. 前記第１及び第２の部分は曲線状に延びている、請求項２に記載のニーディングディスク。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の複数のニーディングディスクが前記軸方向に一体化されたスクリュエレメント。
6. 前記ニーディングディスクの厚さは前記ニーディングディスクの最大直径の０．０５〜２倍であり、前記ニーディングディスクの枚数は２〜３０枚である、請求項５に記載のスクリュエレメント。
7. 前記帯状部が前記屈曲部の付近に形成するポケットは、前記シャフトの回転方向に関し前記屈曲部の前方にある、請求項５または６に記載のスクリュエレメント。
8. 前記帯状部が前記屈曲部の付近に形成するポケットは、前記シャフトの回転方向に関し前記屈曲部の後方にある、請求項５から６のいずれか１項に記載のスクリュエレメント。
9. 請求項５から８のいずれか１項に記載の複数のスクリュエレメントと、前記複数のスクリュエレメントが嵌められるシャフトと、前記スクリュが配置されるシリンダと、を有する押出機。
10. 前記複数のスクリュエレメントは、樹脂原料の搬送方向における上流側に配置された第１のスクリュエレメントと、前記第１のスクリュエレメントの下流側に配置された第２のスクリュエレメントと、前記第２のスクリュエレメントの下流側に配置された第３のスクリュエレメントと、を有し、
    前記樹脂原料の搬送方向における上流側から下流側をみたときに、前記第１のスクリュエレメントは、各ニーディングディスクの前記屈曲部の角度位置が、その上流側で隣接する前記ニーディングディスクの前記屈曲部の角度位置に対して、前記シャフトの回転方向の反対方向に０度を超え６０度以下の範囲の角度ずれた位置にあり、前記第２のスクリュエレメントは、各ニーディングディスクの前記屈曲部の角度位置が、その上流側で隣接する前記ニーディングディスクの前記屈曲部の角度位置に対して、前記シャフトの回転方向の反対方向に９０度ずれた位置にあり、前記第３のスクリュエレメントは、各ニーディングディスクの前記屈曲部の角度位置が、その上流側で隣接する前記ニーディングディスクの前記屈曲部の角度位置に対して、前記シャフトの回転方向に０度を超え６０度以下の範囲の角度ずれた位置にある、請求項９に記載の押出機。

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