JP2019104203A - 微分散混練装置及び微分散混練方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可塑化された材料を連続処理で高せん断加工して製品を大量生産できる。【解決手段】微分散混練装置は、予備可塑化部２で可塑化された樹脂材料を高せん断加工装置４の高せん断加工部４Ａの高せん断領域Ｋに供給する。高せん断加工部４Ａの加熱筒１３内に設けた内部帰還型スクリューを高速回転させて溶融樹脂を帰還穴２３を通して循環移動させ、高せん断して分散混合する。内部帰還型スクリューの先端クリアランス２２で帰還穴２３に連通する貫通穴３０を伸長加工部４Ｂに設けた。加熱筒１３内で循環する溶融樹脂は予備可塑化部２から連続して供給される粘度の高い溶融樹脂と層流になる。貫通穴３０の管路抵抗を帰還穴２３の管路抵抗より大きく設定し、内部帰還型スクリューの混練で粘度が低下した溶融樹脂は貫通穴３０内に通して線状に引き延ばして連続して送り出す。【選択図】図２

Description

本発明は、高分子樹脂材料等の各種の材料を高せん断加工することによって、微細レベルに分散・混合して元の材料と異なる特性の製品を製造するための微分散混練装置及び微分散混練方法に関する。

従来、このような高せん断加工装置として例えば特許文献１に記載されたものが提案されている。この高せん断加工装置は、例えば静置場では相互に溶け合わない（非相溶性）ブレンド系の材料を投入して高せん断加工することによって、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し、元の材料と特性の異なる高分子ブレンド押出し物を製造することができる。

特許文献１に記載された高せん断加工機は、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、加熱筒の樹脂供給口と樹脂排出口を閉鎖させた密閉空間内で、溶融した高分子材料は加熱筒と高速回転する内部帰還型スクリューとの間の外周クリアランス内を前進し、内部帰還型スクリューの先端部から中心軸線に沿った帰還穴を通って後方に帰還して循環移動させられる。これによって、樹脂はせん断加工されて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できる。
この押出し物は、せん断加工後に樹脂排出口を開弁することで外部に排出できるバッチ処理によって製造できる。

図７は特許文献１に記載の高せん断加工装置におけるバッチ処理での樹脂圧力の変化と内部帰還型スクリューの回転数を示すグラフである。図７において、高せん断加工装置の加熱筒の供給バルブと排出バルブを閉弁した状態で内部帰還型スクリューを高速回転させると、高せん断領域Ｋ内における帰還穴前部の前部樹脂圧力は高せん断抵抗の変化により最初はΔＰ１と高く、時間の経過に従ってΔＰ２、ΔＰ３と次第に低下し、混練の進行に従って粘度が低下する。高せん断終了後に排出バルブを開弁することで内部の樹脂を排出するため、帰還穴の後部における後部樹脂圧力は低い圧力に維持される。

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装置は、バッチ処理によって高分子ブレンド押出し物を断続的に製造できるにすぎなかった。そのため、１回の高せん断加工によって製造できる高分子ブレンド押出し物は加熱筒と内部帰還型スクリューとのクリアランスの容積によって制限されていた。その生産能力は材料開発レベル（例えば４００ｇ／ｈ）や製品試作レベル（４ｋｇ/ｈ）でしかなく、市場が要求する程度に大量生産することができなかった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、バッチ式高せん断加工に代えて、可塑化された材料を連続処理で高せん断加工して大量生産できるようにした微分散混練装置及び微分散混練方法を提供することを目的とする。

本発明に係る微分散混練装置は、可塑化された材料を連続して高せん断加工し分散混合する微分散混練装置であって、可塑化された材料を加熱筒内に設けられた回転する内部帰還型スクリューによってナノレベルに分散混合する高せん断加工部と、前記高せん断加工部の加熱筒に連通されていて分散混合により混練された材料を連続して送り出し可能な貫通穴を有する伸長加工部と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、可塑化された複数の材料が高せん断加工部に連続して供給され、加熱筒内の内部帰還型スクリューによって高せん断されつつ混練されて循環され、ナノレベルに分散混合されると粘度が低下するため、伸長加工部の貫通穴から送り出されて線状の製品を連続して製造できる。

また、内部帰還型スクリューには、加熱筒内の先端側に送り出した材料をその中心軸線に沿って後方に循環させる帰還穴が形成されており、貫通穴の管路抵抗は帰還穴の管路抵抗より大きく設定されていることを特徴とする。
高せん断加工部の帰還穴と伸長加工部の貫通穴は連通状態に保持され、粘度の高い可塑化された材料は管路抵抗の大きい貫通穴に移送されることなく管路抵抗の小さい帰還穴に戻されて循環されつつ内部帰還型スクリューで高せん断加工され、せん断と分散混合が進んで粘度の下がった材料が貫通穴を通して移送される。

また、帰還穴の温度と貫通穴の温度の制御によって帰還穴及び貫通穴の管路抵抗を制御し、加熱筒内の粘度が低下した材料が貫通穴から連続して送り出されていることが好ましい。
高せん断加工部の帰還穴と伸長加工部の貫通穴の管路抵抗は帰還穴の温度と貫通穴の温度によって制御され、貫通穴の管路抵抗は帰還穴の管路抵抗より大きく設定されている。

また、高せん断加工部の帰還穴と伸長加工部の貫通穴を冷却する冷却流路と、高せん断加工部に設けられた温度センサとが設けられ、温度センサの測定値に基づいて冷却流路の冷却媒体で帰還穴及び貫通穴の温度を制御するようにしてもよい。
冷却流路を流れる冷却媒体の供給量を制御することで、帰還穴及び貫通穴の温度を制御することができる。

また、伸長加工部の貫通穴に接続されたストランド製造部が設けられ、ストランド製造部から粘度が低下した材料を線状に送り出すようにしてもよい。
伸長加工部の貫通穴を通って製造された、粘度が低下した材料をストランド製造部で線状に加工してストランド部を製造できる。

また、伸長加工部の貫通穴から送り出された材料を所定長さ毎に分断する分断加工部が設けられていてもよい。
伸長加工部の貫通穴から送り出された線状の材料は、直接またはストランド製造部を介して分断することで取り扱いの容易なペレットを製造できる。

また、高せん断加工部は、可塑化された材料を循環させる帰還穴の内径寸法の異なる内部帰還型スクリューに交換可能であり、伸長加工部は、貫通穴の内径寸法の異なるものに交換可能であることが好ましい。
帰還穴の内径の異なる内部帰還型スクリューと貫通穴の内径の異なる伸長加工部との少なくとも一方を交換することで、可塑化された材料の加工条件の幅を容易に変更可能である。

本発明による微分散混練方法は、可塑化された材料を連続して高せん断加工し分散混合する微分散混練方法であって、可塑化された材料を、高せん断加工部の加熱筒内で高速回転する内部帰還型スクリューによって前方に移送させると共に内部帰還型スクリューに形成された帰還穴を通して後方に戻すことで循環させてナノレベルに分散混合させる工程と、高せん断加工部で混練された材料を、伸長加工部に形成された貫通穴を通して連続して送り出す工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、可塑化された材料を連続して高せん断加工部の加熱筒内に供給すると共に、内部帰還型スクリューによって高せん断加工されナノレベルに分散混練することで、粘度の低下した材料を伸長加工部の貫通穴を通して移送して線状の製品として製造することができる。

また、伸長加工部の貫通穴の管路抵抗は高せん断加工部の帰還穴の管路抵抗より高く設定され、帰還穴と貫通穴の管路抵抗の差によって、粘度が低下した可塑化材料が貫通穴から連続して送り出されていることが好ましい。
高せん断加工部の加熱筒内に供給される可塑化された材料は、粘度が高い状態では管路抵抗の大きい貫通穴に流れずに管路抵抗の小さい帰還穴を戻されて循環され、分散混合が進んで粘度が低下した材料は管路抵抗の大きい貫通穴を流れて外部へ移送される。

本発明による微分散混練装置及び微分散混練方法によれば、バッチ式高せん断加工に代えて、連続処理で高せん断加工することができて可塑化された材料を大量生産できる。
特に、可塑化された材料が高せん断加工部の内部帰還型スクリューによって高せん断加工されてナノレベルに分散混合されると粘度が低下するため、伸長加工部の貫通穴を通して連続して製品を製造できる。

本発明の実施形態による微分散混練装置の概略構成を示す斜視図である。 図１に示す高せん断加工装置の水平断面図である。 高せん断加工装置における高せん断加工を行う工程を示す断面図である。 高せん断加工装置における高せん断加工後の溶融樹脂を貫通穴から排出する工程を示す断面図である。 高せん断加工装置における冷却装置を示す要部断面図である。 高せん断加工装置における樹脂材料の微分散混練工程を示すフローチャートである。 従来の高せん断加工装置のバッチ式処理において溶融樹脂の粘度が低下する過程を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態による微分散混練装置及び微分散混練方法について、図１乃至図６に基づいて説明する。
図１に示す実施形態による微分散混練装置１は、連続処理により、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混合して製造するものである。
本実施形態による微分散混練装置１は、例えばポリマーアロイ、ポリマーブレンド、ポリマーコンポジット系の樹脂における内部構造をナノレベルに分散・混合するための高せん断加工装置である。

この装置に用いられる高分子材料の一例として、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）の組み合わせ等がある。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加工してナノ分散化して連続製造することができる。２種または３種以上の適宜材料を用いて相互に分散混練することができる。

本実施形態による微分散混練装置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）を予備可塑化部２に投入して予備可塑化スクリュー３で可塑化し、可塑化された溶融樹脂を予備可塑化スクリュー３によって高せん断加工装置４の前段部である高せん断加工部４Ａ内に押し出し注入して溶融樹脂をナノ分散化させる。高せん断された溶融樹脂は高せん断加工装置４の後段部である伸長加工部４Ｂによって線状に押し出され、ストランド製造部５によって固体のストランド部Ｓとして排出される。線状のストランド部Ｓはそのまま製品として出荷できるが、更にペレット化部６でペレット状に分断成形されることで取り扱いが一層容易になる。

予備可塑化部２は、原材料であるペレット化した複数種類の樹脂材料をホッパ８から予備可塑化スクリュー３を設けた予備可塑化加熱筒９内に投入し、予備可塑化加熱筒９内の予備可塑化スクリュー３で樹脂材料を加熱しつつ混練して可塑化する。予備可塑化スクリュー３の後部には予備可塑化用の駆動モータＭ１と、駆動モータＭ１の出力を減速して予備可塑化スクリュー３に伝達する減速機１０とを備えている。
予備可塑化スクリュー３で溶融された樹脂材料は予備可塑化加熱筒９の吐出口９ａから高せん断加工部４Ａ内に供給される。ホッパ８から連続して予備可塑化加熱筒９内に樹脂材料を供給することで、予備可塑化スクリュー３の吐出口９ａから溶融樹脂が連続して高せん断加工装置４に供給されることになる。

次に図２に示す高せん断加工装置４は溶融された樹脂材料を高せん断加工する前段部としての高せん断加工部４Ａと、ナノレベルに分散混合されて粘度が低下した樹脂材料を線状に引き延ばして冷却しつつ排出する後段部としての伸長加工部４Ｂとを備えている。
高せん断加工部４Ａ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１３と、この加熱筒１３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１４と、この内部帰還型スクリュー１４の基端部をなすスピンドル１４ａに連結されたシリンダ受け１５とを有している。シリンダ受け１５の基端側には、シリンダ受け１５を介して内部帰還型スクリュー１４のスピンドル１４ａ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Ｍ２と、内部帰還型スクリュー１４のスピンドル１４ａをベアリングを介して回転可能に支持する軸受１６とが設けられている。

次に高せん断加工装置４の高せん断加工部４Ａについて図２を中心に説明する。
加熱筒１３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１８によって覆われている。ヒーター１８を温度制御することで加熱筒１３は加温可能となっている。
加熱筒１３に設けられる注入口１３ａは内部帰還型スクリュー１４を回転可能に収容する内空部の高せん断領域Ｋに連通しており、注入口１３ａには上述した予備可塑化部２における予備可塑化加熱筒９の吐出口９ａが装着されて連通する構成となっている。吐出口９ａと注入口１３ａは常時連通する溶融樹脂の流路とされている。

加熱筒１３の内部には、内部帰還型スクリュー１４が加熱筒１３と略同軸に配設されて回転可能である。その基端部は駆動モータＭ２の回転軸に連結されたスピンドル１４ａと同軸に連結され、駆動モータＭ２の回転力が伝達されている。内部帰還型スクリュー１４は駆動モータＭ２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１４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る。内部帰還型スクリュー１４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２０ａに保持して前方に移送することができる。

加熱筒１３の内周面と内部帰還型スクリュー１４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２１であり、内部帰還型スクリュー１４の先端面１４ｂと後述する伸長加工部４Ｂの後端面との間に形成された略円板状の空間は先端クリアランス２２である。高せん断領域Ｋは外周クリアランス２１と先端クリアランス２２とで形成されている。予備可塑化スクリュー３から注入された溶融樹脂を注入口１３ａを通して加熱筒１３内の外周クリアランス２１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２０ａが内部帰還型スクリュー１４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２１における加熱筒１３の内周面と内部帰還型スクリュー１４の外周面のスクリュー羽根２０及び溝面２０ａ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となっている。

内部帰還型スクリュー１４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１４ｂの流入口２３ａから後方に向かって帰還穴２３が穿孔されている。帰還穴２３は溶融樹脂の注入口１３ａ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２１に連通している。即ち、帰還穴２３は内部帰還型スクリュー１４の中心軸線Ｏ上を流入口２３ａから後方に延びて吐出口２３ｂの位置で中心軸線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。帰還穴２３の内径は例えばＤ１、長さＬ１に設定されている。

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。高せん断領域Ｋの外周クリアランス２１に注入された溶融樹脂は、図３に示すように、内部帰還型スクリュー１４の回転とともに外周クリアランス２１に沿って先端側に送られ、先端面１４ｂの先端クリアランス２２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２１へ吐出され、再び内部帰還型スクリュー１４の回転とともに先端側へ送られる循環流動がなされる。
注入口１３ａの位置は、内部帰還型スクリュー１４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１４は加熱筒１３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１４の基端部のスピンドル１４ａ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２１の範囲外の位置に設けられていて、加熱筒１３の内面に対して液密に摺動可能となっている。
加熱筒１３には、外周クリアランス２１における吐出口２３ｂ近傍の樹脂圧を測定するための第一樹脂圧センサー２５と、先端クリアランス２２近傍の樹脂圧を測定するための第二樹脂圧センサー２６とが設置されている。

次に高せん断加工部４Ａの後端部に連結した伸長加工部４Ｂについて説明する。
伸長加工部４Ｂにはシリンダ２７が設置され、その後端面２７ａは加熱筒１３の先端面に連結されて封止されており、先端クリアランス２２を液密に閉鎖している。シリンダ２７は略円柱状に形成され、その中心軸線Ｏに沿って赤外線式樹脂温度センサー２８が設置されている。
赤外線式樹脂温度センサー２８の計測端は帰還穴２３の流入口２３ａに対向して露出しており、反計測端はシリンダ２７の先端面２７ｂから外部に突出している。赤外線式樹脂温度センサー２８は、流入口２３ａの高せん断加工中の溶融樹脂の温度を赤外線で連続して測定することができる。

伸長加工部４Ｂの後端面２７ａから先端面２７ｂを貫通して高せん断領域Ｋ内の溶融樹脂を外部に排出させる貫通穴３０が形成されている。貫通穴３０は内径Ｄ２、長さＬ２とされている。貫通穴３０は加熱筒１３の先端クリアランス２２における帰還穴２３から径方向外側に外れた位置に設置されている。なお、内部帰還型スクリュー１４の帰還穴２３の管路抵抗よりも貫通穴３０の管路抵抗の方が大きく設定されている。
図４に示すように、高せん断領域Ｋ内で循環して高せん断され分散混合された溶融樹脂は粘度が低下するため、管路抵抗の大きい貫通穴３０を通して外部に排出されるようになっている。

加熱筒１３の肉厚の周壁面と伸長加工部４Ｂの周壁面の内部には、中心軸線Ｏの周囲に複数の冷却流路３１、３２が形成されている。加熱筒１３に設けた２本の冷却流路３１を符号３１ａ、３１ｂで示す、伸長加工部４Ｂに設けた３本の冷却流路３２を符号３２ａ、３２ｂ、３２ｃで示す。これらの冷却流路３１、３２を中心軸線Ｏに沿って所定間隔で配設することで、加熱筒１３及び帰還穴２３の内壁及び溶融樹脂と貫通穴３０の内壁及び溶融樹脂を適宜温度に調整することができる。
冷却流路３１、３２内には、冷却媒体として水や空気やガス等を流通させることが可能であり、本実施形態では例えば水を流している。

次に図５に示す高せん断加工装置４の冷却装置３５について説明する。
冷却流路３１、３２に冷却水を供給して循環させる冷却回路３６は回路を分岐させており、冷却水供給源３７から図示しない給水ポンプの作動によって、冷却回路３６の冷却流路３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３２ｃにそれぞれ冷却水を供給している。上流側の冷却水供給源３７の近傍には入口冷却水温度計３８が設置されている。冷却回路３６における加熱筒１３の供給側の冷却流路３１ａ、３１ｂに冷却水を供給する流路には電磁弁３９ａ、３９ｂと絞り弁４０ａ、４０ｂがそれぞれ設置されている。入口冷却水温度計３８の下流側の回路で分岐してシリンダ２７の冷却流路３２ａ、３２ｂ、３２ｃにそれぞれ冷却水を供給する各流路には、電磁弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃと絞り弁４２ａ、４２ｂ、４２ｃがそれぞれ設置されている。

また、冷却回路３６において、加熱筒１３に設けた排出側の冷却流路３１ａ、３１ｂの各流路には、出口冷却水温度計４４ａ、４４ｂがそれぞれ設置されている。伸長加工部４Ｂにおけるシリンダ２７の排出側の冷却流路３２ａ、３２ｂ、３２ｃの各流路には、出口冷却水温度計４５ａ、４５ｂ、４５ｃがそれぞれ設置されている。冷却回路３６の出口冷却水温度計４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂ、４５ｃの下流側の流路には貯留タンク４６が設置され、使用済みの冷却水を貯留する。貯留タンク４６内の排水は再度冷却して冷却水供給源３７に循環させてもよい。

冷却装置３５には、加熱筒１３内とシリンダ２７内の樹脂温度を調整する制御手段４８が設置されている。この制御手段４８には、赤外線式樹脂温度センサー２８、入口冷却水温度計３８、出口冷却水温度計４４ａ、４４ｂ、出口冷却水温度計４５ａ、４５ｂ、４５ｃの各測定値が常時入力される。制御手段４８は、これらの測定温度に基づいて、電磁弁３９ａ、３９ｂ、電磁弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃの開閉弁を制御して、加熱筒１３の高せん断領域Ｋ、シリンダ２７の貫通穴３０内の溶融樹脂の冷却温度を制御する。
制御手段４８によって、高せん断加工部４Ａの加熱筒１３内より伸長加工部４Ｂのシリンダ２７内がより低温になるように制御される。これにより、内部帰還型スクリュー１４の帰還穴２３の管路抵抗よりも貫通穴３０の方が管路抵抗が大きくなるように制御される。しかも、冷却装置３５によって加熱筒１３内の温度を低減することで、循環する溶融樹脂の温度を低下させて内部帰還型スクリュー１４による高せん断加工を効率よく行うことができる。

ここで、溶融樹脂の帰還穴２３の管路抵抗ΔＰａ及び貫通穴３０の管路抵抗ΔＰｂと溶融樹脂の粘度との関係について説明する。管路抵抗ΔＰは次式で表せる。
管路抵抗(損失)ΔＰ＝λ・Ｌ／Ｄ・ρｖ^２／２ ……（１）
（１）式において、管路が円管の場合、Ｌ：管長さ、Ｄ：管内径、ρ：流体の密度、ｖ：流体の速度である。λは管摩擦係数であり、Ｒｅはレイノズル数である。層流の場合、λ＝６４／Ｒｅ、乱流の場合、λ＝０．３１６４・Ｒｅ^{-０．２５}と表せる。
また、Ｒｅ＝ρｖＬ／μ
ここで、ρ：流体の密度、ｖ：流体の速度、Ｌ：流体の流れた距離、μ：流体の粘度。

溶融樹脂の流れを層流として計算すると、
管路抵抗ΔＰ＝６４μ／ρｖＬ・Ｌ／Ｄ・ρｖ^２／２ ……（２）
となるから、粘度μは管路抵抗ΔＰに比例することがわかる。即ち、粘度μが低くなれば管路抵抗ΔＰは下がる。通過する管路の温度によっても流れ具合は変わるが、流れる材料の温度が変われば粘度が変わると理解すれば、管路抵抗として扱えることがわかる。
上記（２）式を本実施形態に当てはめると、図２から、帰還穴２３と貫通穴３０が円管である場合、帰還穴２３及び貫通穴３０の長さはＬ１、Ｌ２、内径はＤ１，Ｄ２、溶融樹脂の密度はρ１、ρ２、速度はｖ１、ｖ２となる。

そのため、本実施形態の高せん断加工装置４において、加熱筒１３内に供給された溶融樹脂は内部帰還型スクリュー１４の高速回転により、スクリュー羽根２０で高せん断加工されながら外周クリアランス２１内を前方に押し出され、先端クリアランス２２に移送される。先端クリアランス２２において、溶融樹脂は帰還穴２３と伸長加工部４Ｂの貫通穴３０へ流入可能である。混練が進んでいない溶融樹脂は粘度が高く流れにくいため、管路抵抗の大きい貫通穴３０ではなく管路抵抗の小さい帰還穴２３内に進むことになる。

帰還穴２３内を先端側から後端側に送られた溶融樹脂は吐出口２３ｂにより外周クリアランス２１に戻され、新たに予備可塑化部２から投入された予備混練された(粘度の高い)溶融樹脂と一緒になって再度先端側に送られ、循環運動を行う。こうして高せん断と移送を繰り返すことで混練が進むと、溶融樹脂の粘度が低下してくる。混練が進んで粘度が低下した溶融樹脂は、先端クリアランス２２から帰還穴２３ではなく管路抵抗がより大きい貫通穴３０へ連続して流れて引き延ばされ、線状に加工される。この線状の溶融樹脂は伸長加工部４Ｂからストランド製造部５へ移送される。

シリンダ２７の貫通穴３０を移送される粘度が低下した溶融樹脂は、図１に示すように、連結管５０を介してストランド製造部５の受け入れ部５１に供給される。ストランド製造部５は、受け入れ部５１と、受け入れ部５１の前方に連結された筒体５３の内面に装着されていて溶融樹脂を押出す押出スクリュー部５４と、押出スクリュー部５４を回転駆動させる駆動モータＭ３及び減速機５５とを備えている。

押出スクリュー部５４の先端部には、線状の溶融樹脂を固体の紐状部材であるストランド部Ｓとして押し出す吐出口５３ａが形成されている。押出スクリュー部５４には真空引き装置５７が連結されている。真空引き装置５７は、押出スクリュー部５４に接続された真空引きベント５８と、チューブ５９を介して真空引きベント５８に接続された真空引き部６０と駆動モータＭ４とが設けられている。
高せん断加工装置４で溶融樹脂を混練すると溶融樹脂に残留モノマーや溶剤等のガス成分が顕在化し、溶融樹脂と共にストランド製造部５へ搬送される。このガス成分は安定したストランド部ＳやペレットＰの製造の邪魔になるため、真空引き装置５７によってこれらのガス成分を吸引し回収する。

線状のストランド部Ｓはそのまま製品として出荷できる。例えば線状のストランド部Ｓをロール状に複数回巻回させて巻き線束として出荷することができる。しかし、取扱いを便利にするために、ストランド部Ｓをペレット化部６によって分断してペレットＰを製造してもよい。ペレット化部６は、例えば上下のローラ６２，６２でストランド部Ｓを挟み込んで、引き出されたストランド部Ｓをカッタ６３によって所定長さ毎に切断してペレットＰを製造できる。ストランド部ＳをペレットＰに分断して出荷することで、取り扱いが一層容易になる。

なお、本実施形態による微分散混練装置１は、高せん断加工部４Ａにおける内部帰還型スクリュー１４を帰還穴２３の内径の異なるものに交換可能であり、同様に伸長加工部４Ｂを貫通穴３０の内径の異なるものに交換可能である。これにより、連続的に製造される溶融樹脂の混練状態を任意に変化させることができる。
更に内部帰還型スクリュー１４の回転数を調整し、赤外線式樹脂温度センサー２８による樹脂温度の測定値をモニターしながら冷却装置３５で高せん断加工装置４の温度制御をすることで、溶融樹脂の混練状態を任意に変化させることができる。

本実施形態による微分散混練装置１は上述の構成を備えており、次にその作用を微分散混練方法として説明する。
高せん断加工に用いる材料として、高分子材料等の適宜の１または複数の材料を採用可能である。ここでは、例えば二種類以上の高分子からなる有機材料を用いる。一例として、高分子ブレンド系の樹脂、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。

なお、図６に示す高せん断加工工程のフローチャートに基づいて、予備可塑化２から高せん断加工装置４の高せん断加工部４Ａへの溶融樹脂の投入と高せん断加工、伸長加工部４Ｂを通した樹脂の伸長及び加工の動作を次に説明する。
図１及び図２において、上述したペレット状の複数種類の樹脂材料を、微分散混練装置１における予備可塑化部２のホッパ８に連続して投入し(ステップ１)、予備可塑化加熱筒９内の予備可塑化スクリュー３で加熱混練して溶融樹脂を製造する(ステップ２)。溶融樹脂は予備可塑化加熱筒９の吐出口９ａから高せん断加工装置４における高せん断加工部４Ａの注入口１３ａを通して加熱筒１３の高せん断領域Ｋ内に連続して供給する(ステップ３)。

そして、図３に示す高せん断加工部４Ａにおいて、内部帰還型スクリュー１４を例えば１００〜５０００^{ｍｉｎ−１}の範囲で高速回転させ、溶融樹脂を高せん断加工する（ステップ４）。溶融樹脂の分散混練度を上げてより高いせん断流動と伸長流動を付与するために、回転数を上げるかより長い時間連続して混練させる。加熱筒１３内の溶融樹脂は外周クリアランス２１で、内部帰還型スクリュー１４のスクリュー羽根２０によってせん断されつつ前方に送られる。先端クリアランス２２では、貫通穴３０の管路抵抗が帰還穴２３の管路抵抗より大きいため、混練が進んでいない粘度の高い溶融樹脂は、流入口２３ａから帰還穴２３の後端側に送られ、吐出口２３ｂから外周クリアランス２１に戻される。このような循環運動が加熱筒１３の高せん断領域Ｋ内で繰り返して行われ、溶融樹脂の高せん断が進む。

しかも、冷却装置３５の冷却回路３６において、赤外線式樹脂温度センサー２８による帰還穴２３の流入口２３ａの温度、図５に示す入口冷却水温度計３８、出口冷却水温度計４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂ、４５ｃで測定した冷却流路３１、３２の内壁温度に基づいて、制御手段４８で各冷却流路３１、３２を流れる冷却媒体の流量を制御して温度調整する。これによって、帰還穴２３の管路抵抗よりも貫通穴３０の管路抵抗の方が大きい状態にコントロールする(ステップ５)。
なお、帰還穴２３及び貫通穴３０の管路抵抗の比が適切でない場合には、内部帰還型スクリュー１４及び／またはシリンダ２７を別の内径のものに交換して、下記の式を維持できるように、帰還穴２３及び貫通穴３０の管路抵抗の比を調整してもよい。
帰還穴２３の管路抵抗Ｌ１／Ｄ１＜貫通穴３０の管路抵抗Ｌ２／Ｄ２ ……（３）

高せん断加工部４Ａの高せん断領域Ｋ内で、高せん断加工によって溶融樹脂の粘度を低下させ(ステップＳ６)、制御手段４８によって赤外線式樹脂温度センサー２８で検出した樹脂温度を指標として溶融樹脂の温度を各冷却流路３１、３２の水流の流量制御によって低下させる(ステップ７)。そして、粘度と温度の低下した溶融樹脂を伸長加工部４Ｂ内の貫通穴３０で線状に加工しながら伸長させて連結管５０に排出させる(ステップ８)。
しかも、予備可塑化部２から高せん断加工装置４の高せん断加工部４Ａへの溶融樹脂の投入と高せん断加工、伸長加工部４Ｂを通した溶融樹脂の線状への伸長と排出の動作は連続して行われる。

連結管５０からストランド製造部５に排出された線状の溶融樹脂は、筒体５３内で押出スクリュー部５４で混練されながら押し出される。その際、混練によって溶融樹脂から残留モノマーや溶剤等のガス成分が発生するが、ガス成分は真空引き装置５７によって真空引きベント５８を介して真空引き部６０に吸引され、回収される。
溶融樹脂は筒体５３内でも冷却され、先端の吐出口５３ａから固化されたストランド部Ｓとして外部に押し出される。取り出されたストランド部Ｓはリング状に丸めた線状の束として出荷できる。これにより、複数種類の樹脂材料を用いて耐熱性、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としての樹脂製品を製造することができた。

なお、ストランド部Ｓの取り扱いをより容易にするために、ペレット化部６に移送されて上下のローラ６２，６２で挟み込み、引き出されたストランド部Ｓをカッタ６３によって所定間隔で切断してペレットＰに製造した。ストランド部ＳをペレットＰに分断して出荷することで、製品の取り扱いが一層容易になる。

次に、本発明の実施形態の実施例として、実施例１、実施例２に示す微分散混練装置１で樹脂製品を製造した。特許文献１のバッチ式による高せん断加工装置で可能となった「非相溶性のポリカーボネート（ＰＣ）／ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）の溶融混練で、光学的に透明な材料に分散させた内容を、以下に連続的に高せん断混練させて光学的透明にすることができた事例を示す。樹脂材料としてポリカーボネート（ＰＣ）とポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）の組み合わせを用いた。ポリカーボネート(ＰＣ)は三菱エンジニアリングプラスチック（株）製Ｓ３０００、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）は三菱ケミカル(株)製ＶＨ００１を使用した。製造された樹脂製品はＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製の示差操作熱量計（ＤＳＣ）でガラス転移点Ｔｇを計測した。また、樹脂製品は、目視観察により透明性の高さと着色度合いを目視評価として評価した。
下記の表１、表２において、項目Ａは帰還穴２３の内径（穴径）Ｄ１、項目Ｂは帰還穴２３の長さＬ１と内径Ｄ１の比Ｌ１／Ｄ１、項目Ｃは貫通穴３０の内径（穴径）Ｄ２、項目Ｄは貫通穴３０の長さＬ２と内径Ｄ２の比Ｌ２／Ｄ２、Ｅは各実施例１，２の各テストで製造した樹脂製品の生産量（重量）の計測値、項目Ｆは内部帰還型スクリュー１４の回転数（ｍｉｎ^−１）、項目ＧはＰＣとＰＭＭＡの重量比、項目Ｈは製造した樹脂製品のガラス転移点Ｔｇを示している。

表１は実施例１を示す。実施例１では、樹脂材料としてポリカーボネート（ＰＣ）とアクリル（ＰＭＭＡ）を９：１の比率で用いた。
実施例１では、テストサンプルとしてテストＮｏ．１〜６を用いた。各微分散混練装置１において、内部帰還型スクリュー１４の帰還穴２３の内径（穴径）Ｄ１と長さＬ１、シリンダ２７の貫通穴３０の内径（穴径）Ｄ２と長さＬ２を表１に示すとおりに設定し、内部帰還型スクリュー１４の回転数（ｍｉｎ^−１）を違えて樹脂製品の製造能力をテストした。例えばＬ１は５０ｍｍに設定し、Ｌ２は７３ｍｍに設定した。

表２は実施例２を示す。実施例２では、樹脂材料としてポリカーボネート（ＰＣ）とアクリル（ＰＭＭＡ）を８：２の比率で用いた。
実施例２では、テストサンプルとしてテストサンプルＮｏ．１１〜１３を用いた。各微分散混練装置１において、内部帰還型スクリュー１４の帰還穴２３の内径（穴径）Ｄ２と長さＬ１、シリンダ２７の貫通穴３０の内径（穴径）Ｄ２と長さＬ２を表２に示すとおりに設定し、内部帰還型スクリュー１４の回転数（ｍｉｎ^−１）を違えて樹脂製品の生産能力をテストした。
なお、高せん断加工装置４の高せん断加工部４Ａ、伸長加工部４Ｂの各冷却流路３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３２ｃに流す冷却水流をそれぞれ調整して溶融樹脂の粘度を低下させるために樹脂温度を下げて、帰還穴２３及び貫通穴３０の各管路抵抗を調整した。これにより、ＰＣ／ＰＭＭＡ＝８：２の樹脂製品サンプルの連続製造を可能にした。

製造試験の結果、実施例１，２の各微分散混練装置１で得られた樹脂製品サンプルは、着色目視評価で問題なく光透過性の高い透明な樹脂が得られた。しかも、従来例である上述した特許文献１に記載の高せん断加工装置では、バッチ式連続運転では４００ｇ／時で製造することが生産能力の限界であった。これに対し、本実施例１、２による微分散混練装置１では、連続式運転であるため、１．２ｋｇ／時〜２．４ｋｇ／時の樹脂製品を連続して製造できた。

例えば、実施例１のテストＮｏ．６に示す例では、２．１９ｋｇ／時（３５．９ｇ／分）で製造することができた。そのため、従来技術の約５倍超えの製造能力が得られた。しかも、樹脂製品のＴｇ(ガラス転移点)は１４１．５℃であった。ＰＣのＴｇは１５０．９℃、ＰＭＭＡのＴｇは１１５．９℃であったため、樹脂製品のＴｇがＰＣとＰＭＭＡの中間の温度を示しており、樹脂製品サンプルを連続的に製造できた証である。
また、テストサンプルＮｏ．１〜６、１１〜１３の評価結果において、いずれも透明性の高い樹脂製品が得られた。評価結果△ではわずかに着色(焼け)が見られたが、○、◎は着色(焼け)もなく高品質の樹脂製品が得られた。
また、管路抵抗(損失)ΔＰは上記（１）式により表せると説明したが、Ｌ／Ｄだけでなく他の要素もテスト結果から理解できる。

上述のように本実施形態による微分散混練装置１及び微分散混練方法によれば、ペレット状の複数種類の樹脂材料を予備可塑化部２に投入し溶融樹脂として高せん断加工装置４の高せん断加工部４Ａ及び伸長加工部４Ｂによってナノレベルに分散混練して線状に加工する工程を、連続して処理できる。そのため、従来のバッチ処理と比較して大量の樹脂製品を連続してストランド部ＳまたはペレットＰとして製造することができ、格段に高い生産性が得られた。
しかも、内部帰還型スクリュー１４の回転数、帰還穴２３の内径Ｄ１、貫通穴３０の内径Ｄ２の変更を内部帰還型スクリュー１４の交換やシリンダ２７の交換で簡単に行えるので、最適な高せん断流動条件及び高せん断された溶融樹脂の伸長流動条件の選択が可能であり、加工条件の幅が容易に変更可能である。しかも溶融樹脂の混練及び伸長条件を幅広く変更可能で連続して樹脂製品を製造できる。

以上、本発明の実施形態による微分散混練装置１及び微分散混練方法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、本実施形態による微分散混練装置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樹脂材料であってもかまわない。

上述した実施形態による微分散混練装置１では、高せん断加工装置４の伸長加工部４Ｂの貫通穴３０から排出させた溶融樹脂を更に、ストランド製造部５及びペレット化部６を通してペレットＰ状に形成したが、本発明ではペレット化部６を設けなくてもよく、ストランド製造部５の吐出口５３ａから排出させた線状のストランド部Ｓを製品としてもよい。

また、ストランド製造部５を設けずに、伸長加工部４Ｂの貫通穴３０から排出された線状の樹脂部材をペレット化部６でペレットＰとして切断加工し、これを製品としてもよい。その際、シリンダ２７に冷却流路３２をより多く配設するか、より低温またはより大量の冷却媒体を各冷却流路３２ａ、３２ｂ、３２ｃに供給して貫通穴３０から排出される樹脂材料を固体状にすることが好ましい。
或いは、ストランド製造部５やペレット化部６を設けずに、伸長加工部４Ｂの貫通穴３０から排出された固体状の線状の樹脂部材を製造品としてもよい。

なお、ペレット化部６において、線状部材をなすストランド部Ｓを略円柱状や角柱状のペレットに分断加工して製品化することについて説明したが、小球状等でもよく、製品は適宜形の分割体からなるペレットＰに製造できる。ペレット化部６は分断加工部に含まれる。

なお、本発明による微分散混練装置１及び微分散混練方法は、樹脂材料に限定されることなく各種の溶融可能な材料を幅広く加工可能である。
また、上述した実施形態では、予備可塑化部２、高せん断加工装置４、ストランド製造部５において一軸スクリューを用いたが、一軸スクリューに代えて二軸スクリューやプランジャ等を採用可能である。また、予備可塑化部２や高せん断加工装置４のスクリューの外周側にヒーターや熱電対等の加熱部を設けたが、ストランド製造部５やペレット化部６や真空引き装置５７にも外周側に加熱部を設置して溶融樹脂や樹脂製品の温度制御が可能である。

１ 微分散混練装置
２ 予備可塑化部
３ 予備可塑化スクリュー
４ 高せん断加工装置
４Ａ 高せん断加工部
４Ｂ 伸長加工部
５ ストランド製造部
６ ペレット化部
１３ 加熱筒
１４ 内部帰還型スクリュー
１４ａ スピンドル
２１ 外周クリアランス
２２ 先端クリアランス
２３ 帰還穴
２５ 第一樹脂圧センサー
２６ 第二樹脂圧センサー
２７ シリンダ
２８ 赤外線式樹脂温度センサー
３０ 貫通穴
３１、３１ａ、３１ｂ、３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ 冷却流路
３５ 冷却装置
３６ 冷却回路
３８ 入口冷却水温度計
４４ａ、４４ｂ 出口冷却水温度計
４８ 制御手段
Ｋ 高せん断領域

Claims (9)

1. 可塑化された材料を連続して高せん断加工し分散混合する微分散混練装置であって、
   可塑化された材料を加熱筒内に設けられた回転する内部帰還型スクリューによってナノレベルに分散混合する高せん断加工部と、
   前記高せん断加工部の前記加熱筒に連通されていて分散混合により混練された材料を連続して送り出し可能な貫通穴を有する伸長加工部と、
   を備えたことを特徴とする微分散混練装置。
2. 前記内部帰還型スクリューには、前記加熱筒内の先端側に送り出した材料をその中心軸線に沿って後方に循環させる帰還穴が形成されており、
   前記貫通穴の管路抵抗は前記帰還穴の管路抵抗より大きく設定されている請求項１に記載された微分散混練装置。
3. 前記帰還穴の温度と前記貫通穴の温度の制御によって前記帰還穴及び前記貫通穴の管路抵抗を制御し、
   前記加熱筒内の粘度が低下した材料が前記貫通穴から連続して送り出されている請求項２に記載された微分散混練装置。
4. 前記高せん断加工部の帰還穴と前記伸長加工部の貫通穴を冷却する冷却流路と、前記高せん断加工部に設けられた温度センサとが設けられ、
   前記温度センサの測定値に基づいて前記冷却流路の冷却媒体で前記帰還穴及び前記貫通穴の温度を制御するようにした請求項３に記載された微分散混練装置。
5. 前記伸長加工部の貫通穴に接続されたストランド製造部が設けられ、前記ストランド製造部から粘度が低下した前記材料を線状に送り出すようにした請求項１から４のいずれか１項に記載された微分散混練装置。
6. 前記伸長加工部の貫通穴から送り出された前記材料を所定長さ毎に分断する分断加工部が設けられている請求項１から５のいずれか１項に記載された微分散混練装置。
7. 前記高せん断加工部は、可塑化された材料を循環させる前記帰還穴の内径寸法の異なる前記内部帰還型スクリューに交換可能であり、
   前記伸長加工部は、前記貫通穴の内径寸法の異なるものに交換可能である請求項２から４のいずれか１項に記載された微分散混練装置。
8. 可塑化された材料を連続して高せん断加工し分散混合する微分散混練方法であって、
   可塑化された材料を、高せん断加工部の加熱筒内で高速回転する内部帰還型スクリューによって前方に移送させると共に前記内部帰還型スクリューに形成された帰還穴を通して後方に戻すことで循環させてナノレベルに分散混合させる工程と、
   前記高せん断加工部で混練された材料を、伸長加工部に形成された貫通穴を通して連続して送り出す工程と、
   を備えたことを特徴とする微分散混練方法。
9. 前記伸長加工部の貫通穴の管路抵抗は前記高せん断加工部の帰還穴の管路抵抗より高く設定され、前記帰還穴と貫通穴の管路抵抗の差によって粘度が低下した前記材料が貫通穴から連続して送り出されている請求項８に記載された微分散混練方法。

Images