JP2018039216A - 二軸押出混練機 - Google Patents

Abstract

【課題】 混練材料の損傷を抑制しつつ，その粘度を調整することができる二軸押出混練機を提供すること。【解決手段】 二軸押出混練機は，ハウジングの内部空間の混練材料にせん断力を加えつつ混練を行う混練パドルと，内部空間内の混練材料を搬送するスクリューと，内部空間における供給部から排出部までの間に設けられた抵抗部とを有する。また，内部空間から排出される混練材料の粘度を指標する粘度指標値を検出して出力する粘度出力部と，内部空間から排出される混練材料の排出量を調整する調整部とを有する。そして，調整部は，粘度出力部により出力される粘度指標値に基づいて，排出量を調整する。【選択図】図１

Description

本発明は，二軸押出混練機に関する。より詳細には，混練材料の粘度を調整しつつ混練を行うことができる二軸押出混練機に関する。

リチウムイオン二次電池などの二次電池に使用されている正負の電極板は，集電箔の表面に電極合剤層を形成することで製造されている。電極合剤層は，電極合剤層を形成するための各材料（電極合剤材料）を含む電極ペーストを集電箔上に塗布後，電極ペースト中の溶媒を除去することで形成されることがある。電極合剤層の形成に用いる電極ペーストは，混練対象である混練材料としての電極合剤材料および溶媒を混練することで製造することができる。

例えば，電極ペーストを製造するための混練は，特許文献１に記載されているような二軸押出混練機を用いて行うことができる。特許文献１の二軸押出混練機は，ハウジングの内部空間に供給された混練材料を，スクリューの回転によって混練することのできる装置である。また，特許文献１には，二軸押出混練機によって混練された後，排出される混練材料の粘度により，二軸押出混練機へ供給する混練材料の量を調整することが記載されている。これにより，混練材料の粘度を調整できるとされている。

特開２００７−７６２９０号公報

しかし，上記の従来技術では，混練材料が損傷してしまうおそれがあった。すなわち，二軸押出混練機から排出される混練材料の粘度によっては，二軸押出混練機へと供給される混練材料の量が多くなる。供給される混練材料の量が多くなった場合，二軸押出混練機の内部空間における上流側において，充填率が高くなる。

また，二軸押出混練機に供給された直後の混練材料は，その固形分に，強いせん断力が掛かってしまいやすい状態である。そして，混練材料にかかるせん断力は，充填率が高いほど，高くなる傾向にある。

つまり，供給される混練材料の量が多くなることで，二軸押出混練機に供給された直後の混練材料に過大なせん断力がかかってしまうおそれがあった。よって，混練材料の供給量によって粘度を調整する場合には，混練材料の損傷を抑制できないことがあった。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点の解決を目的としてなされたものである。すなわちその課題とするところは，混練材料の損傷を抑制しつつ，その粘度を調整することができる二軸押出混練機を提供することである。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の二軸押出混練機は，ハウジングの内部空間に供給された混練材料を混練する二軸押出混練機であって，内部空間に並べて設けられた２つの回転軸と，回転軸を回転駆動する回転駆動部と，回転軸に設けられ，回転軸とともに回転することで混練材料にせん断力を加えつつ混練を行う混練パドルと，回転軸に設けられ，回転軸とともに回転することで内部空間内の混練材料を搬送するスクリューと，内部空間へ混練材料を供給する供給部と，スクリューによる混練材料の搬送方向における供給部よりも下流側に設けられ，内部空間から混練材料を排出する排出部と，内部空間における供給部から排出部までの間に設けられ，その位置での搬送方向への混練材料の移動を，混練パドルよりも阻害する抵抗部と，内部空間から排出される混練材料の粘度を指標する粘度指標値を検出して出力する粘度出力部と，内部空間から排出される混練材料の排出量を調整する調整部とを有し，調整部が，粘度出力部により出力される粘度指標値に基づいて，排出量を調整するものであることを特徴とする二軸押出混練機である。

本発明に係る二軸押出混練機では，調整部が排出量を調整することで，抵抗部よりも下流側における混練材料の充填率を調整することができる。よって，排出量の調整により，混練材料にかかるせん断力を調整し，排出される混練材料の粘度を調整することができる。一方，抵抗部よりも上流側では，充填率を，排出量を調整したとしても低いままで維持することができる。このため，供給された直後の混練材料に強いせん断力がかかることがなく，混練材料の損傷を抑制することができる。よって，混練材料の損傷を抑制しつつ，その粘度を調整することができる。

本発明によれば，混練材料の損傷を抑制しつつ，その粘度を調整することができる二軸押出混練機が提供されている。

実施形態に係る二軸押出混練機の概略構成図である。 二軸押出混練機の混練材料の搬送方向における断面図である。 図２におけるＸ−Ｘ断面図である。 図２におけるＹ−Ｙ断面図である。 バルブの開度と混練材料の充填率との関係を示す図である。 バルブの開度と負極ペーストの粘度との関係を示す図である。 バルブの開度と活物質割れ度との関係を示す図である。 二軸押出混練機の変形例を示す図である。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１に，本形態に係る二軸押出混練機１を示す。二軸押出混練機１は，混練対象である混練材料を混練することにより，ペーストとして排出することができるものである。本形態では，二軸押出混練機１により，リチウムイオン二次電池の負極板の負極合剤層の形成に使用される負極ペーストを製造する場合について説明する。

二軸押出混練機１は，図１に示すように，本体部５，第１供給部５０，第２供給部５１，排出部６０を有している。また，本体部５は，矢印Ｚで示す混練材料の搬送方向について，供給区間Ａ，湿潤区間Ｂ，固練り区間Ｃ，排出区間Ｄを有している。第１供給部５０，第２供給部５１はともに，本体部５の供給区間Ａに接続されている。排出部６０は，本体部５の排出区間Ｄに接続されている。そして，二軸押出混練機１は，第１供給部５０および第２供給部５１より供給された混練材料を，本体部の５内部に矢印Ｚの向きに搬送しつつ混練し，排出部６０より排出することができるものである。

具体的に，第１供給部５０，第２供給部５１はそれぞれ，本体部５に，負極ペーストを製造するための各材料を供給するためのものである。本形態では，負極ペーストを製造するための材料として，活物質，結着材，溶媒を用いる。つまり，本形態における混練材料は，活物質，結着材，溶媒である。これら混練材料のうち，固形分である活物質および結着材は，第１供給部５０から本体部５へと供給する。溶媒は，第２供給部５１から本体部５へと供給する。

また，排出部６０は，中空の管であり，バルブ７０，粘度検出部８０がこの順で設けられている。バルブ７０は，その位置における排出部６０の内部の断面積を調整する開度調整を行うことができるものである。これにより，バルブ７０は，本体部５から排出される混練材料の排出量を調整することができるものである。なお，本体部５からの排出量が調整されることで，当然，排出部６０からの排出量についても調整される。粘度検出部８０は，本体部５から排出される混練材料（負極ペースト）の粘度を検出して出力することができるものである。

図２に，二軸押出混練機１の本体部５の，混練材料の搬送方向における断面図を示す。また，図３には，図２に示すＸ−Ｘ位置での断面図を，図４には，図２に示すＹ−Ｙ位置での断面図を示している。

図２に示すように，二軸押出混練機１の本体部５は，ハウジング１０，回転軸２０，３０，回転駆動部４０を有している。ハウジング１０は，その内部に，内部空間１１が形成されている。つまり，ハウジング１０は，内部空間１１を外側から囲う内壁面１２を有している。また，ハウジング１０に形成されている内部空間１１は，図３または図４に示すように，２つの円柱形状のものが，互いに一部，重なり合った断面形状をしている。

また，ハウジング１０には，図２に示すように，第１供給口１５，第２供給口１６，排出口１７が形成されている。第１供給口１５，第２供給口１６，排出口１７はそれぞれ，第１供給部５０，第２供給部５１，排出部６０へとつながっている。

本形態の回転軸２０，３０は，図２に示すように，ハウジング１０に，互いに平行に並べて設けられている。また，回転軸２０，３０は，軸方向について，ハウジング１０の内部空間１１の一端側から他端側まで延びている。さらに，回転軸２０，３０はそれぞれ，図３または図４の断面図に示すように，内部空間１１を形成する２つの円柱形状の中心に設けられている。

回転駆動部４０は，回転軸２０，３０をそれぞれ，図２に矢印で示す向きに回転させるための駆動源である。本形態では，回転駆動部４０として，モーターを用いている。さらに，本形態では，図１に示すように，回転駆動部４０にて発生させた駆動力により，回転軸２０，３０をともに回転させる。回転駆動部４０から回転軸２０，３０へ駆動力を伝達するための機構は，例えば，歯車を用いて構成することができる。

また，図２に示すように，ハウジング１０の内部空間１１における供給区間Ａ，湿潤区間Ｂ，固練り区間Ｃ，排出区間Ｄには，回転軸２０，３０に組み付けられた複数のスクリューやパドルが設けられている。具体的に，供給区間Ａにおける回転軸２０，３０にはそれぞれ，供給スクリュー２１，３１が設けられている。供給スクリュー２１，３１はともに，回転により，内部空間１１に供給された混練材料を，搬送方向へと搬送することができるものである。

湿潤区間Ｂにおける回転軸２０，３０にはそれぞれ，複数の混練パドル２２，３２，および，抵抗パドル２３，３３が設けられている。また，固練り区間Ｃにおける回転軸２０，３０にも，複数の混練パドル２２，３２が設けられている。

本形態の混練パドル２２，３２は，図３の断面図に示すように，辺の丸い三角形状のものである。そして，混練パドル２２，３２は，混練材料にせん断力をかけつつ，混練を行うことができるものである。

抵抗パドル２３，３３はそれぞれ，抵抗小パドル２４，３４および抵抗大パドル２５，３５を有している。抵抗パドル２３，３３においては，抵抗小パドル２４，３４と抵抗大パドル２５，３５とが，搬送方向について逆の順番で配置されている。また，抵抗小パドル２４，３４および抵抗大パドル２５，３５はいずれも，図４の断面図に示すように，円盤状のものである。ただし，抵抗小パドル２４，３４は，抵抗大パドル２５，３５よりも直径が小さなものである。このため，抵抗大パドル２５，３５とハウジング１０の内壁面１２との隙間は，抵抗小パドル２４，３４とハウジング１０の内壁面１２との隙間よりも小さなものである。そして，抵抗パドル２３，３３は，混練パドル２２，３２よりも，搬送方向への混練材料の移動を阻害することのできるものである。これにより，抵抗パドル２３，３３は，混練材料の搬送方向の下流側への移動速度を調整することができるものである。

排出区間Ｄにおける回転軸２０，３０にはそれぞれ，排出スクリュー対２６，３６，および，排出パドル２７，３７が設けられている。排出スクリュー対２６，３６はそれぞれ，排出パドル２７，３７を間に挟み込むように設けられている。さらに，排出スクリュー対２６，３６はともに，回転により，排出区間Ｄの混練材料を，排出パドル２７，３７へ向けて搬送することができるものである。また，図２に示すように，排出パドル２７，３７は，搬送方向について，排出口１７の位置に設けられている。よって，排出スクリュー対２６，３６，および，排出パドル２７，３７は，回転によって，排出区間Ｄの混練材料を，排出口１７へ向けて搬送することができるものである。

そして，二軸押出混練機１により負極ペーストの製造を行う際には，回転駆動部４０は，回転軸２０，３０を回転させる。これにより，回転軸２０，３０に設けられているスクリューやパドルが回転する。さらに，負極ペーストの製造を行う際には，第１供給部５０，第２供給部５１よりそれぞれ，ハウジング１０の内部空間１１に，負極ペーストを製造するための各材料が供給される。

第１供給部５０，第２供給部５１より供給区間Ａに供給された混練材料は，供給スクリュー２１，３１によって搬送方向へ向けて搬送される。よって，第１供給部５０，第２供給部５１より混練材料の供給を連続して行うことで，内部空間１１内の混練材料は，搬送方向へ搬送される。

供給区間Ａを通過した混練材料は，湿潤区間Ｂへと到達する。湿潤区間Ｂでは，各材料が混ぜ合わせられる。つまり，湿潤区間Ｂにおいて，活物質等の固形分は，溶媒と混ざり合うことで，湿潤状態とされる。湿潤区間Ｂを通過した混練材料は，固練り区間Ｃを通過する。固練り区間Ｃでは，湿潤状態の混練材料が，混練パドル２２，３２によって混練される。

そして，固練り区間Ｃにおける混練材料の混練により，負極ペーストが製造される。製造された負極ペーストは，さらに下流の排出区間Ｄより，排出部６０を通じて二軸押出混練機１より排出される。

ここで，本形態の二軸押出混練機１の排出部６０には，前述したように，バルブ７０が設けられている。そして，本形態の二軸押出混練機１は，バルブ７０の開度調整によって，製造される負極ペーストの粘度を調整することができる。このことについて説明する。

図５には，バルブ７０の開度と，湿潤区間Ｂおよび固練り区間Ｃのそれぞれにおける混練材料の充填率との関係を示している。図５は，混練材料の供給量を一定として取得したものである。図５より，湿潤区間Ｂの充填率と固練り区間Ｃの充填率とはともに，バルブ７０の開度が高いほど，低くなっていることがわかる。これは，バルブ７０の開度が高いほど，排出部６０から排出される負極ペーストの排出量が多くなるためである。

なお，図５に示すように，湿潤区間Ｂの充填率と固練り区間Ｃの充填率とは，バルブ７０の開度に対する傾向が異なるものである。具体的に，湿潤区間Ｂの充填率と固練り区間Ｃの充填率とはともに，バルブ７０の開度が低くなるほど，高くなる傾向にある。ただし，バルブ７０の開度の低下に伴う充填率の上昇の程度は，湿潤区間Ｂの方が，固練り区間Ｃよりも小さなものである。これは，湿潤区間Ｂの下流位置に，抵抗パドル２３，３３が設けられていることによるものである。つまり，抵抗パドル２３，３３がその位置での混練材料の移動を阻害しているため，その上流側の湿潤区間Ｂよりも，下流側の固練り区間Ｃの方が，バルブ７０の開度が低下し，負極ペーストの排出量が減少したときの充填率が高くなりやすい傾向にあるためである。

次に，図６には，バルブ７０の開度と，製造される負極ペーストの粘度との関係を示している。図６より，バルブ７０の開度を調整することで，製造される負極ペーストの粘度を調整できることがわかる。具体的には，バルブ７０の開度を低くするほど，製造される負極ペーストの粘度を低下させることができることがわかる。これは，バルブ７０の開度を低くするほど固練り区間Ｃの充填率が高まることによるものである。

すなわち，バルブ７０の開度が低く固練り区間Ｃの充填率が高いときには，バルブ７０の開度が高く固練り区間Ｃの充填率が低いときよりも，固練り区間Ｃでの混練により，混練材料に，せん断力をより加えることができる。そして，混練においてせん断力が加えられたときほど，負極ペーストの粘度は低くなる。よって，図６より，バルブ７０の開度調整によって，製造される負極ペーストの粘度を制御できることがわかる。

また，図７には，バルブ７０の開度と，活物質割れ度との関係を示している。活物質割れ度は，製造された負極ペースト中における活物質を観察し，割れによって損傷している活物質の比率を調査することで得たものである。また，図７の開度ごとの活物質割れ度は，バルブ７０の開度ごとに，バルブ７０の開度が１００％のときに対する比率によって示している。

そして，図７より，バルブ７０の開度調整を行ったとしても，活物質割れ度にはほとんど影響がないことがわかる。つまり，バルブ７０の開度を異なる開度としても，活物質の損傷の程度はほとんど変わらないことがわかる。これは，図５で説明した，バルブ７０の開度の低下に伴う湿潤区間Ｂの充填率の上昇の程度が，小さいことによるものである。

すなわち，活物質の損傷は，湿潤区間Ｂにおいて生じやすい。具体的に，湿潤区間Ｂに到達した直後の混練材料は，まだ，活物質などの固形分が十分に溶媒と混ざり合っておらず，湿潤状態となる前の状態である。この状態で活物質に強いせん断力が加わったときほど，活物質は損傷しやすい傾向にある。しかし，本形態では，湿潤区間Ｂでの充填率がバルブ７０の開度が低くても低減されており，混練材料の湿潤前において，活物質に強いせん断力がかかってしまうことが抑制されている。これにより，活物質の損傷が抑制されているのである。よって，図５，図６，図７より，本形態の二軸押出混練機１では，活物質の損傷を抑制しつつ，負極ペーストの粘度を制御できていることがわかる。

なお，上記の図５，図６は負極ペーストの製造における一例であり，使用する各材料の成分や比率，環境温度，二軸押出混練機の構成により，各区間における混練材料の充填率や製造される負極ペーストの粘度は異なるものである。ただし，その傾向は，使用する各材料の成分や比率，環境温度，二軸押出混練機の構成が異なったとしても，図５，図６と同じである。

また，バルブ７０は，その開度調整を，粘度検出部８０が検出する負極ペーストの粘度に基づいて行う。つまり，本形態のバルブ７０は，粘度検出部８０の検出する粘度が，負極ペーストの粘度の目標範囲外であるときに，開度調整を行う。

具体的に，本形態のバルブ７０は，粘度検出部８０の検出する粘度が目標範囲の下限値よりも低いとき，開度を高くし，負極ペーストの排出量を多くする。一方，粘度検出部８０の検出する粘度が目標範囲の上限値よりも高いとき，開度を低くし，負極ペーストの排出量を少なくする。これにより，製造される負極ペーストの粘度が，目標範囲内となるように制御を行う。

よって，本形態の二軸押出混練機１は，混練材料の損傷を抑制しつつ負極ペーストの粘度を制御することで，目標範囲の粘度の，品質の安定した負極ペーストを製造できる。また，排出量の調整によって粘度調整を行う本形態の二軸押出混練機１は，従来のような混練材料の供給量の調整によって粘度調整を行うものと比較して，より，一定の粘度で負極ペーストを製造できることが確認できた。つまり，本形態の二軸押出混練機１は，混練材料の供給量の調整によって粘度調整を行うものよりも，粘度にバラつきのない負極ペーストを製造できることが確認された。

以上詳細に説明したように，本実施の形態の二軸押出混練機１は，ハウジング１０，回転軸２０，３０，回転駆動部４０，混練パドル２２，３２，抵抗パドル２３，３３，供給スクリュー２１，３１，第１供給部５０，第２供給部５１，排出部６０を有している。また，排出部６０には，バルブ７０，粘度検出部８０が設けられている。そして，バルブ７０は，粘度検出部８０の検出する負極ペーストの粘度に基づいて開度を調整することで，負極ペーストの排出量を調整する。これにより，混練材料の損傷を抑制しつつ，その粘度を調整することができる二軸押出混練機が実現されている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。従って本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，上記の実施形態では，粘度検出部として，負極ペーストの粘度を検出するものを用いている。しかし，粘度検出部は，粘度と相関のある粘度指標値を検出できるものであればよい。例えば，粘度指標値としては，温度や流量，流速等が挙げられる。

また，上記では，排出部における開度調整により負極ペーストの排出量を調整している。しかし，その他の方法によって負極ペーストの排出量を調整してもよい。そのような例として，図８の構成が考えられる。図８に示す二軸押出混練機２は，第１排出部１６０，第２排出部１９０がこの順で設けられている。粘度検出部８０は，第１排出部１６０に設けられている。さらに，第１排出部１６０と第２排出部１９０との間には，上記のバルブ７０（図１）とは異なる方法で負極ペーストの排出量を調整するタンク１７０が設けられている。

タンク１７０は，図８に示すように，圧力制御部１７１と，タンク本体１７２とを有している。第１排出部１６０はタンク本体１７２の上部に接続され，第２排出部１９０はタンク本体１７２の下部に接続されている。よって，第１排出部１６０よりタンク本体１７２の内部空間１７３へと流入した負極ペーストは，タンク本体１７２から第２排出部１９０を通って排出されるようになっている。そして，圧力制御部１７１は，タンク本体１７２の内部空間１７３の内圧を制御することができるものである。このような構成のタンク１７０は，圧力制御部１７１によるタンク本体１７２の内部空間１７３の内圧制御によって，負極ペーストの排出量を制御することができる。よって，二軸押出混練機２についても，圧力制御部１７１の内圧制御を，粘度検出部８０の検出する粘度に基づいて行うことで，混練材料の損傷を抑制しつつ負極ペーストの粘度を調整することができる。また，目標範囲の粘度の，品質の安定した負極ペーストを製造できる。

１ 二軸押出混練機
２０，３０ 回転軸
２１，３１ 供給スクリュー
２２，３２ 混練パドル
２３，３３ 抵抗パドル
４０ 回転駆動部
５０ 第１供給部
５１ 第２供給部
６０ 排出部
７０ バルブ
８０ 粘度検出部

Claims (1)

1. ハウジングの内部空間に供給された混練材料を混練する二軸押出混練機において，
   前記内部空間に並べて設けられた２つの回転軸と，
   前記回転軸を回転駆動する回転駆動部と，
   前記回転軸に設けられ，前記回転軸とともに回転することで混練材料にせん断力を加えつつ混練を行う混練パドルと，
   前記回転軸に設けられ，前記回転軸とともに回転することで前記内部空間内の混練材料を搬送するスクリューと，
   前記内部空間へ混練材料を供給する供給部と，
   前記スクリューによる混練材料の搬送方向における前記供給部よりも下流側に設けられ，前記内部空間から混練材料を排出する排出部と，
   前記内部空間における前記供給部から前記排出部までの間に設けられ，その位置での前記搬送方向への混練材料の移動を，前記混練パドルよりも阻害する抵抗部と，
   前記内部空間から排出される混練材料の粘度を指標する粘度指標値を検出して出力する粘度出力部と，
   前記内部空間から排出される混練材料の排出量を調整する調整部とを有し，
   前記調整部が，前記粘度出力部により出力される前記粘度指標値に基づいて，前記排出量を調整するものであることを特徴とする二軸押出混練機。

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