JP3965495B2 - プラスチック管の二軸延伸加工工法および設備 - Google Patents

Description

本発明は押出成形で得られたプラスチック管の加工方法、特に、プラスチック管を室温より高い分子配向温度にして放射方向に膨脹させ且つ軸方向に延伸することによって二軸延伸して機械特性が改善された二軸延伸管を得る方法に関するものである。
このような方法は英国特許出願第1,432,539号、米国特許第4,340,344号等で公知である。この方法で必要なプラスチック管の追加の加工は完成品の価格を高くするが、製品の機械特性、特に、内圧に対する耐機械特性を大きく向上させる必要のある加圧流体の輸送用途チューブ等の製品ではこの方法が使われている。
従来法では、押出成形で製造されたチューブを室温で保存し、後でストックから取り出して室温から分子配向温度まで加熱して加工する。加工するチューブを室温から分子配向温度に長時間加熱するためエネルギー消費量が大きくなる。そのためこの処理方法は効率があまり良くなく、改良する必要があった。
本発明の第１の目的は、加工時間を短縮し且つ加工に要するエネルギー消費量を減らすことによって従来より高い効率で実施可能なプラスチック、特にPVC（ポリ塩化ビニル）から成る管（チューブ）の上記加工方法を提供することにある。
この方法はチューブを二軸延伸するためにチューブ壁の温度分布を改善できるのが望ましい。
この加工方法はさらに、比較的簡単で、あまりに広い床面積を必要とせず、投資費用が大幅に上がらないことが望ましい。
本発明は、下記(a)〜(c)を特徴とする、プラスチック、特にPVCから成るチューブを室温より高い分子配向温度にし、放射方向に膨脹し且つ軸方向に延伸することによって機械特性の改善された二軸延伸チューブを得る方法を提供する：
(a)チューブを押出した直後に、分子配向温度より高い温度で、チューブを所定長さの素材に切断してブランクとし、
(b)各ブランクを閉じたタンク内に配置して、分子配向温度に近い温度の流体によって冷却し、タンク内での滞留時間を押出によるブランク製造時間より長くすることによって正しい温度にし、
(c)次に、ブランクをタンクから取り出して二軸延伸加工する。
上記滞留時間が長すぎると考えられる場合には、ブランクを閉じたタンクに入れる前に、冷水を噴霧するか、冷水浴でブランクを急激且つ短時間で冷却することもできる。これによって、材料の薄い層を一時的に二軸延伸操作に要する温度より低い温度にすることができる。
好ましくは、押出直後且つ切断前に、チューブを整形装置に通してその表面を冷却し、まだ熱いチューブを切断して、きれいな切口にする。
チューブは、ギロチン式切断装置を用いた剪断操作で切断するのが有利である。
PVC加工の場合には、流体の閉鎖タンクは大気圧下でその沸騰温度に近いか、これに等しい温度の温水タンクから成るのが有利である。
複雑な形状をした製品と（非常に長いチューブの外側および内側）と流体との間には最良（かつ均質な）伝熱を達成するのが望ましい。そのためには、ブランクを閉じたタンク内で運動させるのが好ましい。流体をタンク内で、特にチューブの軸線に平行な方向に循環させれば有利である。
本発明はさらに、上記プラスチック管の加工方法を実施する設備に関する。
本発明は、下記を(a)〜(c)を有することを特徴とする、チューブ製造用の押出機と、チューブを放射方向且つ軸方向に延伸する二軸延伸手段とを有する、機械特性が改善された二軸延伸チューブを得るための、上記プラスチック、特にPVCから成るチューブの加工設備を提供する：
(a)押出機の出口に設けた、チューブの押出直後に分子配向温度より高い温度でチューブを所定長さの素材に切断してブランクにする切断手段と、
(b)このブランクを受け、押出成形でブランクを製造する時間より長い滞留時間の間、分子配向温度に近い温度の流体でブランクを冷却して、正しい温度に設定するための閉じたタンク、
(c)このタンクからブランクを取り出し、二軸延伸手段に送る手段。
整形装置を押出機の出口に取り付けてチューブを表面的に冷却し、まだ熱いチューブを切断して、きれいな切口にすることもできる。
切断手段は、整形装置に固定したギロチン式の切断装置で構成するのが有利である。
PVC加工の場合、流体タンクは大気圧下でその沸騰温度近傍の温度の温水タンクにすることができる。
ブランクの軸線方向にタンク内の流体を循環させる手段を設け、ブランクをタンク内で運動させるのが好ましい。
タンクから次に取り出すブランクを回転させる手段を設けることもできる。
チューブを受けるためのローラーコンベヤまたはベルト装置を押出機と同心にその出口に配置するのが有利である。コンベヤの速度を押出機からのチューブの吐口速度にほぼ等しくして、出て来るチューブに対する応力を最小限に抑える。この条件で、コンベヤの速度を変えて、管状ブランクを局部的に厚くしたり、薄くしたりすることもできる。
ブランクの温度を設定するための流体タンクは、コンベヤの片側で、これより低い位置に配置するのが好ましい。ブランクを横断方向に移動させ、流体タンクに入れる押圧手段を設ける。
以下、本発明の上記構成およびそれ以外の構成を添付図面を参照して実施例で説明するが、本発明が下記実施例に制限されるものではない。
図１は本発明の加工方法を実施するためのプラスチック管製造設備の簡略化した平面図。
図２は図１の設備の簡略化した側面図。
図３はコンベヤの横に配置されたブランクを正しい温度に加熱するためのタンクの断面図。
図４は押出後のチューブ切断装置の側面図。
図５は図４のチューブ切断装置を左側から見た図。
図面、特に図１および図２には本発明方法を実施するための設備１が示されている。この設備１は概念的に示した押出機２を備えている。この押出機２にはホッパＨから熱可塑性プラスチックの顆粒、特にPVCの顆粒が供給される。周知のように、プラスチックの顆粒は押出機内の熱と圧力の二重効果によって凝集し、押出機の出口ノズル３では比較的柔らかくて高温の壁を有する管状ブランクすなわちチューブＴが得られ。PVCの場合、押出機出口におけるチューブの壁の温度は約180〜200℃である。
従来の装置（図示せず）では、押出機に続いてチューブＴを段階的に冷却するユニット（図示せず）が設置され、冷却されるにつれてチューブＴが硬化する。冷却ユニットの出口では未延伸チューブを所定長さの素材に切断し、室温で保存する。こうして保存した素材を使用時に分子配向温度まで予熱し、二軸延伸加工する。冷却ユニット出口ではチューブが硬いのでチューブの切断は容易である。
冷却ユニットの長さは多くのパラメータ、特に押出機から出た時のチューブの厚さに依存する。例えば、管状ブランクＴの厚さは数mmから40または50mmである。例えば、約20mmの厚い壁を有するチューブの場合、冷却ユニットの長さは非常に長くなり、費用がかかることになる。
本発明ではこれらの問題点を解決するために、チューブＴを押出直後に分子配向温度より高い温度で所定長さの素材４に切断する。このように切断した各素材がブランク５となる。
この切断は図４または５を参照にして詳細に説明するギロチン式の剪断機６で正確に実施できることがわかっている。
さらに、押出機の出口に設ける整形装置（conformateur）７の長さを短く（0.50ｍ以下）することができ、それによってチューブの表面を冷却し、チューブの外側層を硬化させ、ギロチン式切断できれいな切り口にすることができる。
押出機２および整形装置７を出たチューブは押出機２の軸線上に配置されたローラーコンベヤ８が受ける。コンベヤ８の速度を押出機から出たチューブＴの出口速度にほぼ等しくしてチューブに対する引張応力または圧縮応力を最小限に抑える。材料の所望の箇所が整形装置を通過する時点でコンベヤ８を減速することによってり管状ブランクＴを局部的に厚くすることも可能である。反対に、適切なタイミングでコンベヤ８を加速することによって管状ブランクを局部的に薄くすることもできる。
チューブ表面の冷却は整形装置７中で開始するが、この冷却をブランク５の上方に設けたスプリンクラー群（図示せず）によってコンベヤ８上で継続することもできる。PVCの場合には、表面温度は70℃前後にすることができる。
各ブランク５は、コンベヤ８の片側に配置された閉鎖タンクＥに入り、ここでブランクのプラスチックの分子配向温度とほぼ同じ温度の流体Ｆによって冷却される。PVCのチューブの分子配向温度は約90〜110℃の範囲にある。この場合、大気圧下でその沸騰温度すなわち100℃に近い温度の温水を冷却流体として用いるのが有利である。本発明の一態様ではタンクの水温は95〜98℃である。
PVCの場合、押出機から出て来るブランクの温度は約180℃であり、しかも表面領域のみを冷却するので、タンクからの水は沸騰温度近くであっても冷却流体として作用する。水の蒸発によって熱の自己調節がタンク９内で起こる。
タンク９内のブランクの滞留時間は正しい温度に設定する（すなわちブランクの縦方向および外周方向での温度が均質化する）のに十分な時間である。チューブの厚さ方向すなわち放射方向の温度については後に述べる。滞留時間は押出によってブランクを製造するのに必要な時間より長く、押出機出口での厚さが約20mmであるPVCチューブの場合、約20〜30分である。一方、押出機でブランクを製造する時間は数分間、例えば３〜５分である。そのため、タンク９は十分な数のブランクを貯めることができるように設計されており、押出加工時間とその後の二軸延伸加工に要する時間に合わせて調整されている。
すなわち、本発明ではこの温度調節が長さ短いタンク９で行われる。
温水をポンプ10、11とそれにタンクの縦方向端部の取水口および送出口に連結された管路12とによってタンク内で循環させるのが有利である。タンク９内での水の循環がタンクの長手方向およびタンクに浸漬されたブランク５の軸線にほぼ平行な方向で起こるような設計にする。図面でタンク９の右側に位置したポンプ11の送出口にインジェクタ13を取り付けて、タンク９内に最も長い時間止まっていたブランク５ａ（タンクから次に取り出されるブランク）に循環水を噴射する。このブランク５ａは図３では並列したブランク５の最も左側に位置するブランクである。また、ブランク５ａの温度を均質化させるために、ブランク５ａを回転させる駆動手段14が設けられている。この手段14はブランクの軸線に平行な二本のローラーから成り、その一方が駆動ローラーである。
回転駆動手段14は白鳥の首を逆さにした形のアーム15に支持されている。このアーム15はブランク５ａの縦方向に十分な数が配分され、支持体16に固定されている。この支持体16は一つまたは複数のジャッキ17によってタンク９のフレームに対して持ち上げることができ、それによってタンク９からブランク５ａを取り出せるようになっている。
ブランク５ａの温度の均質化は主として縦方向および外周方向でされる点に留意しなければならない。ブランクの放射（厚さ）方向で温度が均質である必要はない。浸漬時間が比較的短い（20から30分）ので、PVCの芯（ブランクの厚さの中心）の温度は押出温度（約200℃）と水の温度（約100℃）との中間値である。このことは続いて行われる二軸延伸加工の加工性を改善する。
図１および２に示した手段Ｐは、タンクから持ち上げたブランク５ａを縦方向に移動してユニット18に導入するために設けられている。ユニット18ではブランク５ａを放射方向に延伸し且つ軸方向に延伸して二軸延伸し、それによって材料の機械特性を向上させる。温水タンク９とユニット18の間に設けられたホイスト19はアーム15からユニット18までブランクが移動する間の高い位置で、ブランクを支持する案内20を備えている。
タンク９に入っているブランク５は、次に取り出されるブランク５ａを除いて、ブランクの縦軸方向に平行の軸線22を中心に回動可能な横断アーム21によって支持されるのが好ましい。この横断アーム21は駆動装置23によって軸線22を中心に交互に揺動される。駆動装置23は偏心器25を駆動するモータ24を備え、偏心器25は接続ロッド26を介して横断アーム21の一端に接続されている。
図３からわかるように、押出機２の出口でチューブを受けるコンベヤ８は、タンク９の長手側に平行に配置され、タンクの上部領域に位置している。横断方向押圧装置27はブランク５をタンク９まで移動させるために設けられている。ブランク５は押圧装置27で押され、重力でタンク９中に落下する。
回動フラップＶ（図３）を設け、ブランク５がそれを通過するようにして、タンク９とコンベヤ８の隙間にブランク５が落下するのを防止する。
図４、図５はギロチン式剪断機６の詳細図で、この剪断機は傾斜した刃28を備え、ジャッキ29によって鉛直方向に移動される。図１および２の該略図とは対照的に、この剪断機６は整形装置７の出口に位置している。この整形装置７のギロチン６から離れている方の末端には押出機の出口に固定するためのフランジ30が設けられている。整形装置７は環状チャンバ31を構成する円筒状二重ケーシングで構成され、この二重ケーシングの間には冷却水が循環され、プラスチック管は整形装置７の内側円筒面32上を通過する。
本装置は次のように動作する。
ホッパＨから顆粒または粉末の原料が供給される押出機２の出口から出た表面が柔いチューブＴは整形装置７を通過することによってその表面が冷却する。このチューブＴはコンベヤ８で受けられる。チューブの長さが所定値（例えば６ｍ）に達すると、ギロチン式切断装置６がそれを素材４に切断する。この素材４はタンク９中に落下する位置に来るまでコンベヤ８上を移動する。
次に、押圧装置27が作動してタンク９に向けてコンベヤ８を横断方向に素材４すなわちブランク５を押す。
タンク９に最後に入ったブランク５は図３では右側に位置している。このブランク５はローラー14に向かって横断方向に徐々に移動し、素材の押出に必要な時間の数倍の時間この中に滞留する。ブランクがローラー14上の５ａの位置に到達するとブランクはその軸線を中心に回転駆動され、インジェクタ13からの水流はその軸線に沿って通過する。
続いて、ブランク５ａはアーム15によって持ち上げられ、装置Ｐによって縦方向に押され、案内20の上または中を通過して加工ユニット18に入る。この加工ユニット18はアーム15によって持ち上げられたブランク５ａと同心状に配置されている。
本発明の方法および設備ではチューブをインラインで加工できる。すなわち、二軸延伸加工を押出機に続いて実施することができる。中間のタンク９は複数のブランクを貯蔵することによって温度を正しく設定することができ、全体の寸法を縮小することができる。
分子配向温度より高い温度のブランクが室温まで冷却することなく、直接分子配向温度になるため、かなりのエネルギーが節約できる。従来は室温まで冷却する場合には再加熱を必要としていた。
本格的な冷却ユニットもチューブを引抜く装置もないため、押出機が単純化される。
以上、本発明をPVCの例を参照して説明してきたが、もちろん、同様に加工可能な他のプラスチック、例えばポリエチレンまたはポリプロピレンにも適用できる。プラスチックに応じてタンクＥ内の流体の温度を調節すればよい。
タンクＥで用いた流体は水以外のものでもよい。例えば水の作用を空気または油によって補ったり、代替することが可能である。

Claims (17)

1. プラスチックのチューブを室温より高い分子配向温度にし、放射方向に膨脹し且つ軸方向に延伸することによって機械特性の改善された二軸延伸チューブを得る方法において、
   下記(ａ)〜(ｃ)の段階を特徴とする方法：
   (ａ)チューブ（Ｔ）を押出した直後に、分子配向温度より高い温度で、チューブを所定長さの素材（４）に切断してブランク（５）とし、
   (ｂ)切断した各ブランク（５）を閉じたタンク（Ｅ）内に配置し、分子配向温度に近い温度の流体（Ｆ）によって冷却し、タンク（Ｅ）内での滞留時間をブランクを押出成形で製造する時間より長くすることでブランクを所定の設定温度にし、
   (ｃ)次に、ブランク（５）をタンク（Ｅ）から取り出し、二軸延伸加工する。
2. 押出し直後かつ切断前のチューブ（Ｔ）を長さ０．５０ｍより短い整形装置（７）を通過させてチューブ（Ｔ）の表面を冷却する請求項１記載の方法。
3. 刃（28）を備えたギロチン式装置（６）を用いた剪断操作によってチューブ（Ｔ）を切断する請求項１または２に記載の方法。
4. 上記タンク（Ｅ）が温水タンク（９）である請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. プラスチックがポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）で、温水の温度が略100℃である請求項４に記載の方法。
6. ブランク（５）をタンク（Ｅ）内で運動させる請求項４または５に記載の方法。
7. 流体（Ｆ）をタンク（Ｅ）内でチューブ（Ｔ）の軸線に平行な方向に循環させる請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. チューブ（Ｔ）製造用の押出機（２）と、押出されたチューブ（Ｔ）を放射方向且つ軸方向に延伸する二軸延伸手段（18）とを有するプラスチックの二軸延伸チューブを得るための加工設備において、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法を実施するための、下記(ｄ)〜(ｆ)を有すること特徴とする、機械特性が改善されたプラスチックチューブを得るための加工設備：
   （ｄ）押出機（２）の出口に設けた、チューブの押出直後に分子配向温度より高い温度でチューブを所定長さの素材（４）に切断してブランク（５）にする切断手段（６）、
   （ｅ）このブランク（５）を受け、押出成形でブランクを製造する時間より長い滞留時間の間、分子配向温度に近い温度の流体（Ｆ）でブランク（５）を冷却して、ブランクを所定設定温度にするための閉じたタンク（Ｅ）、
   （ｆ）このタンクからブランク（５）を取り出し、二軸延伸手段（18）に送る手段（15、17）。
9. 熱い状態にあるチューブ（Ｔ）の表面冷却して、チューブ（Ｔ）をきれいな切り口で切断するための整形装置（７）を押出機（２）の出口に設けた請求項８に記載の設備。
10. 上記整形装置（７）がギロチン式切断装置（28）を有する請求項９に記載の設備。
11. プラスチックがＰＶＣからなり、タンク（Ｅ）が温水タンク（９）で、この温水タンク（９）中の流体の温度が大気圧下で流体の沸騰温度近傍である請求項８〜10のいずれか一項に記載の設備。
12. タンク（Ｅ）内で流体をブランク（５）の軸線方向に循環させる手段（10、11、12、13）をさらに有する請求項１１に記載の設備。
13. タンク（Ｅ）内で流体を循環させる手段（11、12、13）が、タンク（Ｅ）から次に取り出されるブランク（５ａ）の軸線に沿って流体流を噴射する請求項12に記載の設備。
14. タンクから次に取り出されるブランク（５ａ）を軸線を中心に回転駆動させる手段（14）をタンク（Ｅ）中に有する請求項11に記載の設備。
15. タンク（Ｅ）内で、ブランク（５）の縦軸に平行な軸線（22）を有する横断アーム（21）にブランク（５）が回転自在に支持され、この横断アーム（21）は軸線（22）を中心として交互揺動運動をする請求項11に記載の設備。
16. 押出機の出口に、チューブ（Ｔ）を受けるためのローラーコンベヤ（８）が押出機と同心に配置され、ブランク（５）の温度を設定するための流体の上記タンク（Ｅ）がこのローラーコンベヤ（８）の片側に配置されている請求項８に記載の設備。
17. ローラーコンベヤ（８）の速度を押出機からのチューブ（Ｔ）の吐出速度とほぼ同じ速度にし、この速度を変えることによってブランク（Ｔ）の厚さを局部的に厚くまたは薄くすることができるようになっている請求項16に記載の設備。

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