JP2021094835A - 単軸スクリュー式押出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小径の押出機において、樹脂原料の破砕などを無くし、設計限界まで軸径を小径化したスクリューであっても折損すること無く、該樹脂原料の供給能力が向上するため、圧力変動の抑制および良好な吐出安定性を得ることが可能な押出装置を提供する。【解決手段】 単軸スクリュー式押出装置において、二等辺三角断面または正三角断面の溝を等間隔に設け、特定の溝幅、溝長さで押出方向に向かってすぼまっていく単軸スクリュー式押出装置である。【選択図】図２

Description

本発明は溶融押出装置に関するものである。さらに詳しくは小型の単軸スクリュー式エクストルーダ型押出機の樹脂原料供給部において、バレル内径よりも大なる径に頂角が配された二等辺三角断面または正三角断面の溝を設け、樹脂原料を溶融押出する際に、押出機口径に着目し、該溝の諸元を決定し、該押出機への噛込み性を円滑にさせ、かつ設計限界まで軸径を小径化したスクリューであっても折損すること無く、安定した樹脂原料の溶融押出を可能とする溶融押出装置に関するものである。

近年の合成繊維の生産では、多量少品種生産から高付加価値を付与すべく、少量多品種生産へと移行している。そのため、大型の多量少品種生産用設備から、小型の少量多品種生産設備まで幅広い設備が据え付けられているのが現状である。

例えば、合成繊維用の樹脂原料を溶融押出する方法として、エクストルーダ型紡糸機を用いることは公知である。一般的なエクストルーダ型紡糸機は、溶融押出の原料となる樹脂原料をエクストルーダ本体の供給部であるバレルに順次供給し、該エクストルーダ内部に有するスクリューの回転に伴って樹脂原料が供給押進され、加熱帯ヒーターからの加熱および樹脂原料同士の摩擦発熱等によりシリンダー内にて圧縮溶融し、以後計量されて溶融ポリマーとして先端で押出しが施されるものである。その中でもバレル内周部の構成要素および形状は、溶融押出において吐出圧力の変動および吐出量の安定性等の現象に影響を及ぼす重要なパラメータである。さらに詳しくは、樹脂原料同士および樹脂原料とバレル内壁との摩擦抵抗が、スクリューと樹脂原料との摩擦抵抗よりも高いことが、樹脂原料の円滑移送（噛込み性能）が支配されているといっても過言ではない。

かかる状況において、少量多品種生産に対応するために、極めて低押出容量のエクストルーダ型紡糸機が用いられる場合があり、小型化されたエクストルーダ型紡糸機では、前述の円滑移送に必要不可欠な樹脂原料同士の摩擦抵抗が得られない場合がある。これは、樹脂原料の寸法に合わせて紡糸機口径を変更することは莫大な費用が掛かるため実現は困難であること、ならびに押出機口径が制限されている場合において、樹脂原料が供給充填される押出機供給部の寸法（スクリュー供給部溝深さ）は、前記エクストルーダのスクリューの軸径によって決定され、このスクリュー軸径は一般的に押出機口径×０．６が設計の強度限界とされており、これを下回るとスクリューが折損する恐れがある。そのため、スクリュー供給部溝深さの寸法が制限されてしまい、樹脂原料の寸法によっては、押出機供給部に樹脂原料が充填されず、樹脂原料同士の摩擦抵抗が得られない場合がある。

前述の通り、小型のエクストルーダ型紡糸機では、押出機口径と樹脂原料の寸法によっては、樹脂同士の摩擦抵抗が得られず、樹脂原料とバレル内壁との摩擦抵抗でのみ噛込み性能が決定され、樹脂原料を円滑に移送することが困難となる。かかる状況で良好な噛込み性能を得るために、以下のような解決手段がとられている。

例えば、特許文献１では、スクリューの少なくともフィード部（樹脂原料供給部）に相当するバレルの内面に、バレルの中心軸線と平行に矩形断面の溝を設け、該溝の幅が３．０〜３０ｍｍ、最大溝深さが０．５〜５．０ｍｍであり、かつ下流に至る程その深さが浅くなる複数本の凹溝を所定の角度間隔をもって並列に形成したものが提案されている。これによれば、バレルに上記した形状の凹溝が形成されていることにより、かかる凹溝が形成されていないものに比して、樹脂原料とバレル内壁との摩擦抵抗が高まり、噛込み能力を向上する提案がなされている。しかしながら、上記の提案は、樹脂原料の寸法と押出機口径に基づいて溝の形態を決定していないため、溝に樹脂原料が引っ掛からないことや、引っ掛かったとしても溝の断面形状が凹型であるが故、樹脂原料が破砕されるまで溝部に残留し、樹脂原料の破砕によって生じる抵抗により、設計限界まで軸径を小径化したスクリューが折損するといった恐れがある。また、樹脂原料が小さい場合においても、凹溝に樹脂原料が充填されてしまい、良好な噛込み性能を得ることはできない。

一方で特許文献２では、スクリューの少なくともフィード部（樹脂原料供給部）に相当するバレル内面に、バレルの中心軸線と平行にバレル内径を頂点とした突起を複数本設け、その突起が押出方向下流に至るほど、その高さ及び横幅が漸減する形状を持ち、かつ所定の角度間隔をもって並列形成したものが提案されている。これによれば、三角断面の突起を設け、突起の高さを樹脂原料の平均サイズの１．５倍以下とすることによって、バレルと樹脂原料の摩擦抵抗を高めるものであり、バレル内径を頂点とした突起を設けているため、凹溝が形成されているものに比して、樹脂原料が大きなものや、不定形状で寸法にばらつきが大きくても、樹脂原料を安定して連続供給できるという方法が提案されている。しかしながら、これは樹脂原料に対し、突起の高さのみを規定するものであり、押出機の口径、および樹脂原料が比較的に大きい場合においては、所望の効果が得られるが、押出機の口径、および樹脂原料が小さい場合においては、突起部に隣接する押出方向の直線状に末広がりとなっている該溝部に樹脂原料が充填されてしまい、摩擦抵抗の向上効果が得られない。また、突起部の形態によっては、比較的大きな樹脂原料であっても、樹脂原料が破砕される可能性があり、破砕された際の抵抗によって、設計限界まで軸径を小径化したスクリューが折損するといった恐れがある。

特許文献３では、樹脂原料の最大寸法がスクリューの供給部の溝深さと同程度の寸法である場合において、スクリューの圧縮比を規定することで樹脂原料の供給容積を好適にし、円滑な噛込み性能を得るといった提案がなされているが、スクリューの圧縮比は樹脂原料の溶融能力に基づいて決定されるため、限定された樹脂原料においてのみ適用可能であり、多様な樹脂原料に適用できるものでは無い。

そこで本発明者らは、小径の押出機において、樹脂原料の種別によらず、樹脂原料と樹脂原料供給部との噛込み性が大径の押出機と変わらず円滑で、かつ設計限界まで軸径を小径化したスクリューであっても折損が無く、良好な吐出安定性を得られるように、前記樹脂原料の最大許容寸法とバレル内壁面の溝形態の関係を明確にした押出機を用いて、合成繊維の紡糸に適した樹脂原料を溶融押出する方法を見出した。

特開昭５７−７５８３２号公報 特開平０６−０９１７２７号公報 特開２００７−９２２２６号公報

本発明は上記従来技術の欠点に鑑みてなされたもので、押出機口径に着目し、押出機の樹脂原料供給部の領域において、溝を設け、スクリュー径に応じて該溝の幅を規定し、溝の頂角を一定に保ちながら押出方向に向かって順次すぼまることで、該溝部での樹脂原料の破砕などを無くし、設計限界まで軸径を小径化したスクリューであっても折損することが無く、安定した樹脂原料の溶融押出を可能とする押出装置を提供する。

すなわち、本発明は以下を特徴とする。
原料供給口６を有するバレル２と、バレル内に供給された原料を移送するスクリュー３とを備えた単軸スクリュー式押出装置において、
前記バレル２内周面に、バレル内径ｄよりも大なる径に頂角が配された二等辺三角断面の溝５または正三角断面の溝５を、原料供給口６に重ならない位置で、複数の溝を等間隔に設け、該溝の幅が、溝の頂角θを一定に保ちながら、スクリュー供給部Ｌｆの開始点を起点として、押出方向に向かってすぼまっていくと共に、
下記（ａ）〜（ｄ）を全て満たすことを特徴とする単軸スクリュー式押出装置。
（ａ）スクリュー径Ｄ（ｍｍ） Ｄ≦３０
（ｂ）スクリュー最小軸径Ｄｓ（ｍｍ） Ｄｓ≦０．６Ｄ
（ｃ）溝起点位置の溝幅Ｗ（ｍｍ） ０．０８Ｄ≦Ｗ≦０．１４Ｄ
（ｄ）溝長さＬｂ（ｍｍ） ２Ｄ≦Ｌｂ≦Ｌｃ０
（Ｌｃ０は、スクリュー供給部Ｌｆの開始点〜スクリュー圧縮溶融部Ｌｃの開始点までの長さ）

本発明によれば、小径の押出機において、樹脂原料に対して適切な摩擦抵抗を与えることができ、結果、該樹脂原料の供給能力が向上するため、圧力変動の抑制および良好な吐出安定性を得られるとともに設計限界まで軸径を小径化したスクリューであっても折損すること無く、安定押出可能となる。

本発明で好適に用いられる樹脂原料の形状を例示。（ａ）楕円柱形状、（ｂ）異形楕円柱形状、（ｃ）３角（多角）形状、（ｄ）異形６角（多角）形状。 本発明における単軸スクリュー型押出装置を例示する概略側断面図 本発明におけるバレルおよび溝の一例を示す概略断面図 本発明におけるバレルおよび溝の一例を示す拡大概略断面図 図３のバレルおよび溝の一例を示す概略斜視断面図 本発明における溝の配置を示した概略断面図 一般的な単軸スクリューの一例を示す概略断面図 本発明における押出しテスト装置を例示する概略側断面図

本発明の実施形態の一例を、図を用いて詳細に説明する。
本発明では、単軸スクリューを備えたエクストルーダ型押出機が好適に用いられる。本発明で用いられるエクストルーダ型押出機の単軸スクリューの種類としては、例えば、単螺旋状を有するスクリューやスクリュー圧縮部等に多条螺旋を設けたスクリュー等が挙げられるが、本発明ではこれらに何ら限定されるものではない。

本発明に適用される樹脂原料は、溶融紡糸可能な熱可塑性樹脂であれば特に限定されない。例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリ乳酸、ポリエチレンナフタレート、などに代表されるポリエステル、ナイロン６、ナイロン６６などに代表されるポリアミドなどを例示することができる。また、原料となる樹脂原料は、図１に例示する形状のように、（楕）円柱もしくは多角柱等の３面以上の側面を有し、かつ該樹脂原料の各々の側面内で任意の２点を結ぶ最大寸法Ｌｔが０．１５Ｄ≦Ｌｔ≦０．２５Ｄ［ｍｍ］を満たすことが好ましく、スクリュー外径ＤはＤ≦３０ｍｍである。ここで樹脂原料の最大寸法Ｌｔを０．１５Ｄ以上、０．２５Ｄ以下に規定することが好ましく、この範囲とすることでスクリュー供給部への噛込み性は安定する。また、Ｄ≦３０ｍｍの小型の押出機では、該樹脂原料をスクリュー供給部に充填するためには、スクリュー最小軸径Ｄｓを設計限界である０．６Ｄ以下に設定する必要がある。

図２は、本発明で用いられるエクストルーダ型押出機を例示する概略側断面図であり、溶融押出の原料となる樹脂原料Ｔを、エクストルーダ本体１の供給部であるバレル２に供給し、該エクストルーダ内部に配置されたスクリュー３の回転に伴って樹脂原料Ｔが供給押進され、樹脂原料は加熱帯シリンダー４からの加熱、およびシリンダーと樹脂原料Ｔ、また樹脂原料Ｔ同士の摩擦発熱等により圧縮溶融され、以後計量されて溶融ポリマーとして、エクストルーダ本体１の先端から押出される。

本発明では、樹脂原料を加熱する押出機のシリンダー温度は、ポリエステル原料なら約２６０℃、ポリアミド系原料の一例としてナイロン６なら約２２０℃といった樹脂原料の融点以上の温度に設定すれば良く、さらには該樹脂原料の融点をＴｍとすると（Ｔｍ＋１０）［℃］以上でシリンダーを加熱し、樹脂原料を溶融することが好ましい。また本発明では、押出機内の樹脂原料供給口６の形状は、スクリューの回転によりバレル２の内周面と樹脂原料とのかじりを発生させず、また該樹脂原料の押進力および連続供給を妨げないようにすることが好ましい。

図３は、本発明におけるバレルおよび溝形態の一例を示した概略断面図であり、溝５はバレル内径ｄより大なる径に頂角が配された二等辺三角断面または正三角断面形状であることが特に肝要である。これは、溝５が矩形断面や不等辺三角断面、台形断面などでは、樹脂原料Ｔが溝５に充填されてしまい摩擦抵抗が得られない場合や、樹脂原料が溝部で捕捉されるため、樹脂原料が破砕されるまで残留し、破砕時の抵抗によって、設計限界まで小径化したスクリューが折損する恐れがある。

図４は、本発明における溝５の拡大概略断面図であり、溝起点位置の溝幅Ｗは、スクリュー径Ｄに対して０．０８Ｄ≦Ｗ≦０．１４Ｄである。溝幅Ｗを当該範囲に設定することで、樹脂原料に対して適切な摩擦抵抗を与えることが可能となるとともに、該溝５に樹脂原料が完全に捕捉されないので、樹脂原料の溝５への残留が無く、安定押出が可能となる。ここで、スクリュー径Ｄに対して、溝幅Ｗが０．１４Ｄよりも大きい場合では、樹脂原料に対する溝５の接触面が大きくなり、摩擦抵抗が過大となること、および溝５に樹脂原料が破砕されるまで残留してしまい、破砕時の抵抗によって、設計限界まで小径化したスクリューが折損する恐れがある。また、溝幅Ｗが０．０８Ｄよりも小さい場合では、樹脂原料に対する溝５の接触面が少なく、樹脂原料の円滑移送に必要な摩擦抵抗が得られない。すなわち、本発明の技術思想として、スクリュー径Ｄに応じて、溝幅Ｗを適切に設定することで、樹脂原料へ適切な摩擦抵抗を付与し、かつ樹脂原料の破砕を解消することで設計限界まで小径化したスクリュー軸径であっても、スクリューの折損が無く、樹脂原料の円滑移送を可能とすることにある。

なお、溝５の底角に対応する角部の面取りＲは、Ｒ≧０．１ｍｍであることが樹脂原料に対して、適切な摩擦抵抗を与えることができるため好ましい。

更に、本発明において、溝５の頂角θを６０°≦θ≦９０°の範囲であると樹脂原料へ適切な摩擦を与えることができるため、好適である。

図５は、図３の概略斜視断面図、図７は一般的な単軸スクリューの概略断面図であり、ここで溝長さＬｂは、スクリュー径をＤ、スクリュー供給部Ｌｆの開始点〜スクリュー圧縮溶融部Ｌｃの開始点までの長さをＬｃ０とした時、２Ｄ≦Ｌｂ≦Ｌｃ０の関係を満たす。これは、Ｌｂが２Ｄより短いと、安定輸送に必要なバレル内周面と樹脂原料との摩擦抵抗が得られず、噛込み性向上は期待できない。また、ＬｂがＬｃ０より大きくなると、図７のスクリュー溶融圧縮部Ｌｃに溝が設けられてしまい、その溝に溶融されたポリマーが堆積してしまい、摩擦抵抗の向上効果が得られない。更には溶融ポリマーが溝を逆流し、溝を閉塞させる恐れがある。なお、溝の起点はスクリュー供給部Ｌｆの開始点より配され、溝の幅は、溝の頂角θを一定に保ちながら、押出方向に向かってすぼまることが肝要である。これは、一般的な樹脂原料Ｔは押出方向に進むに従って徐々に軟化し、樹脂原料Ｔ同士およびバレル内周面と樹脂原料Ｔとの摩擦抵抗が上昇する。そのため、樹脂原料Ｔの軟化に合わせ、溝の幅を頂角θ一定に保ちながら、押出方向にすぼめることで、溝での摩擦抵抗を低下せしめ、適切な摩擦を得ることが可能となる。

図６は、本発明における溝の配置を示した概略断面図であり、溝の数ｎは、バレル内径ｄに対して、ｄ／５〜ｄ／１５かつ四捨五入した整数（但し、ｎ＜２の場合はｎ＝２とする。）であること、および原料供給口６に重ならない位置にて等間隔に配されていると溝で発生する摩擦抵抗の偏りを抑制できるため好ましい。

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。本実施例において、樹脂原料はポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル系、およびナイロン６などのポリアミド系を用いた。

また吐出圧力を設けるために、図８に例示するようにスクリュー先端部に一定の孔径を有するダイブロック７と該ダイブロック７の孔径方向に対して流出する溶融ポリマーＰを妨げる絞り弁８を設け、該絞り弁８を調整することで吐出圧力（８０［ｋｇｆ／ｃｍ^２］）を発生させ、押出しテストを実施した。該押出しテストにおける実施例および比較例中の各特性値は次の方法で判断した
（１）樹脂原料寸法測定
今回評価に使用した樹脂原料Ｔのサンプル（約３０ｋｇ）のうち、約２０個を無造作に抽出し、該樹脂原料の各々の側面内で任意の２点を結ぶ最大寸法を計測し、その最大寸法の平均値を樹脂原料の最大寸法Ｌｔとした。
（２）圧力変動
各目標圧力設定値に対し１時間程度押出しを施し、チャートに圧力（変動）値を採取して該目標圧力設定値に対する変動量の割合ＲＰ［％］を以下に示す３段階で評価した。
○：「優れている」（ＲＰ＝〜１０％未満）
△：「普通」 （ＲＰ＝１０〜２０％未満）
×：「劣っている」（ＲＰ＝２０％〜）
（３）吐出安定性
（２）項に記載のとおり、１時間程度押出しを施している最中に数回溶融ポリマーの吐出量を計測し、目標吐出量に対する吐出変動量の割合Ｒｑ［％］を以下に示す３段階で評価した。
○：「優れている」（Ｒｑ＝〜５％未満）
△：「普通」 （Ｒｑ＝５〜１０％未満）
×：「劣っている」（Ｒｑ＝１０％〜）
（４）噛込み性
（２）項に記載の押出しテストを施している最中に、原料供給口６のホッパー下部でのチップの減り具合を目視で確認した結果を段階評価した。
○：「極めて円滑に減る」
△：「普通」
×：「ほとんど減らない」
（５）トルク
（２）項に記載の押出しテストを施している最中に、該スクリューを駆動させるモータの許容トルクＦｍａｘに対して、実際にモータに加わるトルクＦの割合（ＲＦ）を確認した結果を４段階評価した。
××：「非常に低い」（ＲＦ＝〜２０％未満）
△△：「低い」 （ＲＦ＝２０％〜４０％未満）
○：「優れている」 （ＲＦ＝４０％〜６０％未満）
△：「高い」 （ＲＦ＝６０％〜８０％未満）
×：「非常に高い」 （ＲＦ＝８０％〜）
（６）総合評価
圧力変動および吐出安定性、噛込み性、トルク、気泡を加味した上で、以下に示す３段階で総合評価を実施した。尚、評価判定は、○、△を合格（採用可能）としている。
○：「優れている」（採用可能）
△：「普通」 （採用可能）
×：「劣っている」（採用不可能）
実施例１〜１０、比較例１〜８
ポリエステル系樹脂原料を用いて、スクリュー径Ｄφを２５ｍｍ、スクリュー最小軸径Ｄｓφは０．６Ｄｍｍ（１５ｍｍ）とし、樹脂原料最大寸法Ｌｔが４．０ｍｍ、溝幅Ｗ、頂角θ、溝長さＬｂ、溝数ｎ、溝形態を評価した結果を表１に示す。

実施例１１〜１２、比較例９〜１０
ポリエステル系樹脂原料を用いて、スクリュー径Ｄφを１５ｍｍ、スクリュー最小軸径Ｄｓφは０．６Ｄｍｍ（９ｍｍ）とし、樹脂原料最大寸法Ｌｔが３．０ｍｍ、溝幅Ｗを評価した結果を表２に示す。

実施例１３〜１４、比較例１１〜１２
ポリエステル系樹脂原料を用いて、スクリュー径Ｄφを３０ｍｍ、スクリュー最小軸径Ｄｓφは０．６Ｄｍｍ（１８ｍｍ）とし、樹脂原料最大寸法Ｌｔが６．０ｍｍ、溝幅Ｗを評価した結果を表３に示す。

１：エクストルーダ本体
２：バレル
３：スクリュー
４：加熱帯シリンダー
５：溝
６：原料供給口
７：ダイブロック
８：絞り弁
Ｔ：樹脂原料
Ｐ：溶融ポリマー
Ｌｔ：樹脂原料の最大寸法
Ｗ：溝幅
θ：頂角
Ｒ：角部の面取り
Ｄ：スクリュー径
Ｄｓ：スクリュー最小軸径
ｄ：バレル内径
Ｌｂ：溝長さ
Ｌｆ：スクリュー供給部
Ｌｃ：スクリュー圧縮溶融部
Ｌｍ：スクリュー計量部
Ｌｃ０：スクリュー供給部Ｌｆの開始点〜スクリュー圧縮溶融部Ｌｃの開始点までの長さ

Claims (3)

1. 原料供給口６を有するバレル２と、
   バレル内に供給された原料を移送するスクリュー３とを備えた単軸スクリュー式押出装置において、
   前記バレル２内周面に、バレル内径ｄよりも大なる径に頂角が配された二等辺三角断面の溝５または正三角断面の溝５を、
   原料供給口６に重ならない位置で、複数の溝を等間隔に設け、
   該溝の幅が、溝の頂角θを一定に保ちながら、スクリュー供給部Ｌｆの開始点を起点として、押出方向に向かってすぼまっていくと共に、
   下記（ａ）〜（ｄ）を全て満たすことを特徴とする単軸スクリュー式押出装置。
   （ａ）スクリュー径Ｄ（ｍｍ） Ｄ≦３０
   （ｂ）スクリュー最小軸径Ｄｓ（ｍｍ） Ｄｓ≦０．６Ｄ
   （ｃ）溝起点位置の溝幅Ｗ（ｍｍ） ０．０８Ｄ≦Ｗ≦０．１４Ｄ
   （ｄ）溝長さＬｂ（ｍｍ） ２Ｄ≦Ｌｂ≦Ｌｃ０
   （Ｌｃ０は、スクリュー供給部Ｌｆの開始点〜スクリュー圧縮溶融部Ｌｃの開始点までの長さ）
2. 溝の頂角θが、６０°≦θ≦９０°であることを特徴とする請求項１記載の単軸スクリュー式押出装置。
3. 溝の数ｎは、バレル内径ｄに対して、ｄ／５〜ｄ／１５かつ四捨五入した整数（但し、ｎ＜２の場合はｎ＝２とする。）であることを特徴とする請求項１または２に記載の単軸スクリュー式押出装置。

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