JP4299691B2 - 熱可塑性樹脂ペレットの製造方法 - Google Patents
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Description
上記熱可塑性樹脂組成物は、その目的を達成するために、フィラーを熱可塑性樹脂中に非常に高濃度に練りこむので、組成物自体のチクソトロピー性が高くなり、流動性が非常に悪化する傾向がある。流動性低下が顕著な場合、滞留部を持つ押出機のダイス内部にて材料が詰まってしまい、安定的に造粒生産ができないという問題がある。このような滞留部としては、ブレーカープレートを含むダイスヘッド部が挙げられる。該ブレーカープレートは、押出機内での溶融材料の整流を目的とする。該滞留部には、通常、混入した不純物などを除去するスクリーンメッシュも設置される。
また、仮にダイスから材料を押出せたとしても、内圧が高く昇温が激しくなるため、熱可塑性樹脂自体やその他添加剤の劣化を招く等の問題が発生する。
このような問題を解決するため、ダイス部にブレーカープレートを取り付けずに押出す方法や、ダイス自体を取り付けない状態で押出する方法、すなわちダイス部を開放して押出する方法も提案された(例えば、特許文献1参照)。
しかし、この方法によっても、粒子の大きさや形状のバラツキが大きく、上記のような成形の均一性の不良に起因する問題は、解決されていなかった。
また、本発明の目的は、流動性が非常に悪い材料においても、材料の充分な混合を達成するとともに、押出混練機内、特にダイス部での材料の詰まりがなく、押出混練機内、特にダイス部での昇温が小さく、かつ粒子の形状、大きさが均一なペレットが得られる押出混練機、特に熱可塑性樹脂組成物用の押出混練機を提供することにある。
また、本発明者らは、特定の構造の押出混練機を用い、混練条件を特定のものとすることによって、上記の目的をよりよく達成できることを見出し、本発明に至った。
さらに、本発明は、〔2〕BET比表面積が0.1〜300m2/gであるフィラーを40体積%以上配合した熱可塑性樹脂組成物を混練・押出する工程を有する〔1〕記載の熱可塑性樹脂ペレットの製造方法に係るものである。
さらに、本発明は、〔3〕BET比表面積が300m2/gを超えるフィラーを10体積%以上配合した熱可塑性樹脂組成物を混練・押出する工程を有する〔1〕記載の熱可塑性樹脂ペレットの製造方法に係るものである。
また、本発明は、〔4〕ダイスとスクリュー軸とを有する押出混練機において、スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)がスクリューの直径より小さい押出混練機に係るものである。
該熱可塑性樹脂として、例えば、フッ素樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリオキシベンゾイルエステル樹脂、ポリエステル樹脂(非晶性ポリエステル樹脂及び液晶性ポリエステル樹脂を含む。)ポリアセタール、ポリアミド、ポリアリレート、ポリアリルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルニトリル、ポリチオエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミノビスマレイミド、ポリケトン、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリスチレン、ABS樹脂等が挙げられる。
該フィラーとして、例えば、アルミニウム、シリコン、カルシウム、マグネシウム、チタン、ニッケル、亜鉛、錫、銅、鉄、ステンレス等の金属及びその合金;アルミナ、マグネシア、シリカ、酸化鉄、酸化チタン等の金属酸化物;炭化珪素、炭化ホウ素等の炭化物;ホウ化アルミニウム、ホウ化モリブデン等のホウ化物;窒化ホウ素、窒化珪素、窒化アルミニウム等の窒化物;硫化モリブデン等の硫化物が挙げられる。また、硫酸バリウム、硫酸カルシウム等の硫酸塩;炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩;グラファイト、カーボンブラック、ピッチ等の炭素などが挙げられる。これらは、1種でも、2種以上混合しても良い。
例えば、加工性を改善するために、流動パラフィン、天然パラフィン、ポリエチレンワックス等の炭化水素系滑剤;高級脂肪酸、オキシ脂肪酸等の脂肪酸系滑剤;脂肪酸アミド、アルキレンビス脂肪酸アミド等の脂肪酸アミド系滑剤;脂肪酸低級アルコールエステル、脂肪酸多価アルコールエステル、脂肪酸ポリグリコールエステル等のエステル系滑剤;脂肪アルコール、多価アルコール、ポリグリコール、ポリグリセロール等のアルコール系滑剤;金属石けん等の滑剤を添加することが好ましい。
図1は、本発明に用いられる押出混練機の1例を表す模式図である。
(1)は、材料、例えば熱可塑性樹脂、フィラー等の供給部であり、ここから、熱可塑性樹脂、フィラー等が供給される。(2)はベント部である。(3)は押出混練部であり、この部分にスクリュー(3−1)及び混練部(4)があり、熱可塑性樹脂の押出混練が行われる。
(1)は材料、例えば熱可塑性樹脂、フィラー等の供給部であり、ここから熱可塑性樹脂、フィラー等が供給される。(2)はベント部である。(10)はフィラーをサイドフィード供給する場合の供給部である。(3)は押出混練部であり、この部分にスクリュー(3−1)、及び混練部(4)があり、熱可塑性樹脂の押出混練が行われる。フィラーをサイドフィード供給する場合は、(4−1)に示す混練部を設ける。該混練部において、熱可塑性樹脂をゲル化(可塑化)することができる。
該押出混練機を用いれば、押出混練機中に熱可塑性樹脂を供給し、まず熱可塑性樹脂をゲル化(可塑化)させた後、シリンダー途中からサイドフィーダーを用いて強制的にフィラーを供給し、脱揮・混練を行うことができる。
該フィラーの供給部は、フィラー以外にも本発明の目的を損なわない限り、樹脂やその他の配合剤を供給するのに用いてもよい。
ダイス部(5)は、(3)の押出混練部から供給された材料、例えば熱可塑性樹脂が滞留する樹脂滞留部(7)と、ダイス部(5)の先端にあるダイス(6)からなる。
ダイス(6)には、吐出口(8)があり、押出混練部(3)から供給された熱可塑性樹脂は、樹脂滞留部(7)を通り、ダイス(6)にある吐出口(8)から押出される。吐出口(8)のすぐ外側に、切断手段を設けることにより、押出された熱可塑性樹脂をその固化前に切断しペレットとすることができる。冷却、固化後に切断してもよい。
本発明は、この押出混練機として、樹脂滞留部(7)の部分を小さくする趣旨に基づくものであり、本発明の熱可塑性樹脂ペレットの製造方法は、ダイスとスクリュー軸とを有する押出混練機において、スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)がスクリューの直径より小さい押出混練機を用いて、フィラーを高密度に配合した熱可塑性樹脂組成物を混練・押出する工程を有することを特徴とする。
ここで、スクリューの直径とは、スクリューのネジ山の先端が描く軌跡の円の直径をいう。
また、通常ブレーカープレートは設けない。
スクリュー軸先端とは、材料を押出す方向のスクリュー軸の先端であって、ダイス内壁と相対する部位である。
ダイス内壁とは、押出混練機に取り付けられたダイスにおいて、押出混練機の内部側のダイス壁面をいう。
スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)とは、スクリュー軸方向の距離であって、スクリュー軸先端とダイス内壁との間の距離のことをいう。
スクリュー軸の先が、例えば円柱状になっていて、先端が面とみなされるときは、スクリュー軸先端とは、この面上の任意の点をいう。
ダイス内壁とは、押出混練機に取り付けられたダイスの押出混練機の内部側のスクリュー軸先端に相対する壁をいう。
スクリュー軸先端が点であり、ダイス内壁が平面であるときには、スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)とは、当該点と当該平面との間の距離である(すなわち、当該点から当該平面に垂線を下ろしたとき、当該点と、当該垂線と当該平面との交点と、の間の距離)。
スクリュー軸先端が平面であり、ダイス内壁が平面であり、それらの平面が平行のときには、スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)とは、スクリュー軸先端である平面とダイス内壁である平面との間の最短距離である(すなわち、スクリュー軸先端である平面上の任意の点からダイス内壁である平面に垂線を下ろしたとき、当該任意の点と、当該垂線とダイス内壁である平面との交点と、の間の距離)。
スクリュー軸先端及びダイス内壁が、それぞれ点や平面の場合ではなく、いずれか又は両方が複雑な形状の場合には、スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)とは、スクリュー軸方向の距離であって、スクリュー先端とダイス内壁との距離のうち、最小の値を有する距離をいうものとする。
円の外周と重なるということは、当該円の円周が吐出口(8)上の少なくとも一部を通るとの意味である。吐出口(8)の中心部を当該円周が通ることが好ましいが、吐出口(8)の端部付近を当該円周が通る場合、さらに吐出口(8)の端部が当該円周に接する場合であってもよい。
この位置に吐出口(8)を設けることにより、材料の詰まりがなく、ダイス部での昇温をより小さくできるとともに、成形用の熱可塑性樹脂混合物をより均一な量、速度で押出すことができる。
なお、吐出口(8)の大きさ、数については、特に限定されず、通常の押出混練機に用いられるダイスと同様な条件が採用できる。
また、押出混練機として、押出混練機のシリンダー軸方向に少なくとも2箇所の混練部を有し、ダイス側の混練部と原料投入部側の混練部との間にフィラーの供給部を有し、ダイス側の混練部の設定温度が、原料投入部側の混練部の混練温度より低いものを用いることが好ましい。3箇所以上の混練部を有する場合には、原料、例えば熱可塑性樹脂投入部側の混練部からダイス部側の混練部にいくにつれて混練温度が低くなることが好ましい。
ここで、混練部とは、樹脂材料の可塑化・混練を目的とした部分のことをいい、例えばニーディングディスクやニーディングローターなどのミキシングエレメントの組み合わせを含む部分が挙げられる。混練温度とは、押出混練機のシリンダーの設定温度である。
また、溶融開始温度とは、樹脂が固相から液相に変化する、もしくは固相/液相の平衡状態に達する温度を言い、結晶性樹脂の場合は融点を言う。
押出混練機として、少なくとも2箇所の混練部を有し、ダイス部側の混練部の混練温度が、熱可塑性樹脂投入部側の混練部の混練温度より低いものを用いることにより、熱可塑性樹脂にフィラーを高密度に配合した材料等流動性が非常に悪い材料において、熱可塑性樹脂とフィラー等との混練が充分行われる条件を採用しても、材料の詰まりや昇温が小さい。
なお、熱可塑性樹脂等の供給速度は、通常の押出混練と同様な条件が採用できる。
但し、フィラーをサイドフィード供給して混練する場合は、(4−1)の混練部にて熱可塑性樹脂を完全にゲル化(溶融)させることが好ましいため、右捩れ及び中立、更に左捩れ等の混練ディスクを用いて材料の充満度・圧力を高めるようにすることがより好ましい。
2つの混練部間の距離は、充分な冷却効果が得られるならば特に制限はない。
また、押出混練した後ダイスから押出された熱可塑性樹脂混合物は、切断してペレット化することが好ましい。押出された熱可塑性樹脂混合物の切断の方法としては、熱可塑性樹脂を紐状に押出し、それを冷却後切断するストランドカット法、ダイスの吐出口から吐出された熱可塑性樹脂混合物を、固化する前に、吐出口において切断する(ホットカット)方法等が挙げられる。
実施例1
ポリフェニレンサルファイド(融点285℃、比重1.35、溶融粘度<310℃、1000sec−1>500Pa・s)35体積%と、アルミナ(平均粒径4μm、比重3.94、BET比表面積1.2m2/g)65体積%とを、原料の供給部1から、スクリューの直径が37mmの二軸押出機TEM−37BS(東芝機械(株)製:シリンダーバレル数 6)に供給し、樹脂投入部側混練部温度(シリンダーバレル2〜シリンダーバレル3)320℃、ダイス部側混練部温度(シリンダーバレル4〜シリンダーバレル6)290℃で、スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)(図1(7))を3mmとして、また穴径・穴数(図1(8))は、φ4.5mm・4穴の条件にて混練・押出を行った。
その結果、熱可塑性樹脂組成物の温度は、310℃となり、異常な昇温は見られず、また吐出ムラもなく安定してペレット化できた。
また、得られたペレットを用いて射出成形を行ったところ、材料計量時のペレット喰い込み性も安定しており、不良の少ない成形品を得ることができた。
6ナイロン(融点225℃、比重1.13、溶融粘度<250℃、1000sec−1>250Pa・s)40体積%と、鱗片状黒鉛(粒径13μm、比重2.25、BET比表面積12m2/g)60体積%とを、原料の供給部(1)から、スクリューの直径が37mmの二軸押出機TEM−37BS(東芝機械(株)製:シリンダーバレル数 6)に供給し、樹脂投入部側混練部温度(シリンダーバレル2〜シリンダーバレル3)250℃、ダイス部側混練部温度(シリンダーバレル4〜シリンダーバレル6)210℃で、スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)(図1(7))を6mmとして、また穴径・穴数(図1(8))はφ3mm・6穴の条件にて混練・押出を行った。
その結果、熱可塑性樹脂組成物の温度は、265℃と異常な昇温は見られず、また吐出ムラもなく安定してペレット化できた。
また、得られたペレットを用いて射出成形を行ったところ、材料計量時のペレット喰い込み性も安定しており、不良の少ない成形品を得ることができた。
液晶ポリエステル樹脂(II型)(融点310℃、比重1.375、溶融粘度<320℃、1000sec−1>150Pa・s)24体積%と、鱗片状黒鉛(粒径50μm、比重2.29、BET比表面積7.5m2/g)76体積%とを、原料の供給部(1)から、スクリューの直径が37mmの二軸押出機TEM−37BS(東芝機械(株)製:シリンダーバレル数 6)に供給し、樹脂投入部側混練部温度(シリンダーバレル2〜シリンダーバレル3)330℃、ダイス部側混練部温度(シリンダーバレル4〜シリンダーバレル6)280℃で、スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)(図1(7))を4mmとして、また穴径・穴数(図1(8))はφ3mm・6穴の条件にて混練・押出を行った。
その結果、熱可塑性樹脂組成物の温度は、339℃と異常な昇温は見られず、また吐出ムラもなく安定してペレット化できた。
また、得られたペレットを用いて射出成形を行ったところ、材料計量時のペレット喰い込み性も安定しており、不良の少ない成形品を得ることができた。
ポリフェニレンサルファイド(融点285℃、比重1.35、溶融粘度<310℃、1000sec−1>500Pa・s)36体積%を原料の供給部(1)から投入し、また鱗片状黒鉛(粒径100μm、比重2.25、BET比表面積10m2/g)64体積%をサイドフィード供給部(10)から添加し、これをスクリューの直径が37mmの二軸押出機TEM−37BS(東芝機械(株)製:シリンダーバレル数6)を用いて、樹脂投入部側混練温度(シリンダーバレル2〜シリンダーバレル3)340℃、ダイス部側混練部温度(シリンダーバレル4〜シリンダーバレル6)290℃で、スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)(図1(7))を3mmとして、また穴径・穴数(図1(8))はφ3mm・6穴の条件にて混練・押出を行った。
その結果、熱可塑性樹脂組成物の温度は、301℃となり、異常な昇温は見られず、また吐出ムラもなく安定してペレット化できた。
また、得られたペレットを用いて射出成形行ったところ、材料計量時のペレット喰い込み性も安定しており、不良の少ない成形品を得ることができた。
ホモポリプロピレン樹脂(融点170℃、比重0.91、MFR=24)57体積%を原料の供給部(1)から、カーボンブラック(粒径0.035μm、比重1.8、BET比表面積69m2/g)43体積%をサイドフィード供給部(10)から、スクリューの直径が37mmの二軸押出機TEM−37BS(東芝機械(株)製:シリンダーバレル数6)に供給し、樹脂投入部側混練温度(シリンダーバレル2〜シリンダーバレル3)230℃、ダイス部側混練部温度(シリンダーバレル4〜シリンダーバレル6)200℃で、スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)(図1(7))を3mmとして、また穴径・穴数(図1(8))はφ3mm・6穴の条件にて混練・押出を行った。
その結果、熱可塑性樹脂組成物の温度は、285℃と昇温は見られたものの、吐出ムラもなく安定してペレット化できた。
得られたペレットを用いてプレス加工にてシートを成形した結果、外観の良好なシートが得られた。
ホモポリプロピレン樹脂(融点170℃、比重0.91、MFR=24)86体積%とカーボンブラック(粒径0.03μm、比重1.82、BET比表面積800m2/g)14体積%とを、原料の供給部(1)から、スクリューの直径が37mmの二軸押出機TEM−37BS(東芝機械(株)製:シリンダーバレル数6)に供給し、樹脂投入部側混練温度(シリンダーバレル2〜シリンダーバレル3)240℃、ダイス部側混練部温度(シリンダーバレル4〜シリンダーバレル6)220℃で、スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)(図1(7))を4mmとして、また穴径・穴数(図1(8))はφ3mm・6穴の条件にて混練・押出を行った。
その結果、熱可塑性樹脂組成物の温度は、293℃と昇温は見られたものの、吐出ムラもなく安定してペレット化できた。
得られたペレットを用いてプレス加工にてシートを成形した結果、外観の良好なシートが得られた。
ダイスをセットせず、ヘッド部を開放した状態で行ったほかは、実施例1と同じ組成物を用いて、同じ条件で混練・押出を行った。
その結果、樹脂温度は、305℃と異常な昇温は見られなかったものの、混練した材料は、ややサージング(脈動)しながら押出された。
なお、得られた混練物は、不定形のため、一旦クラッシャーにて粉砕した後、射出成形を行ったところ、材料計量時の喰い込みは一定にならず、成形サイクルが安定しないなどの問題が見られた。
スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)が73mm(図4)であり、φ4.5mm、4穴(横並び型)のホットカットダイスを取り付け、かつブレーカープレートを取り付けたほかは、実施例1と同じ組成物を用いて、同じ条件で混練・押出を行った。
その結果、樹脂温度は、390℃と極端な昇温が見られ、またダイス内部で材料が詰まり、もしくは急激に噴出するなどして安定してペレットが得られなかった。ガスの発生も非常に激しく、得られたペレットも空隙が多く、熱可塑性樹脂の劣化が顕著な状態となった。
スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)が50mm(図5)であり、φ4.5mm、4穴(横並び型)のホットカットダイスを取り付けたほかは、実施例1と同じ組成物を用いて、実施例1と同じ条件で混練・押出を行った。
その結果、樹脂温度は、390℃と極端な昇温が見られ、またダイス内部で材料が詰まり、もしくは急激に噴出するなどして安定してペレットが得られなかった。ガスの発生も非常に激しく、得られたペレットも空隙が多く、熱可塑性樹脂の劣化が顕著な状態となった。
スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)を50mmとしたほかは、実施例1と同じ組成物を用いて、同じ条件で混練・押出を行った。
その結果、押出当初はペレットが得られたものの樹脂温度は370℃と高く、しばらくするとダイス内部で材料が詰まってしまい、安定してペレットが得られなかった。
2. ベント部
3. 押出混練部
3−1. スクリュー
4. 混練部(ニーディングブロック)
5. ダイス部(ヘッド部)
6. ダイス
7. 樹脂滞留部
8. 吐出口
9. ブレーカープレート
10. サイドフィード供給部
Claims (13)
- ダイスとスクリュー軸とを有する押出混練機において、押出混練機のダイスの吐出口が、スクリューをその軸方向にダイス部上に投影してなる円の外周と重なる位置のみにあり、スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)がスクリューの直径より小さい押出混練機を用いて、フィラーを配合した熱可塑性樹脂組成物を混練・押出する工程を有することを特徴とする熱可塑性樹脂ペレットの製造方法。
- BET比表面積が0.1〜300m2/gであるフィラーを40体積%以上配合した熱可塑性樹脂組成物を混練・押出する工程を有する請求項1記載の熱可塑性樹脂ペレットの製造方法。
- BET比表面積が300m2/gを超えるフィラーを10体積%以上配合した熱可塑性樹脂組成物を混練・押出する工程を有する請求項1記載の熱可塑性樹脂ペレットの製造方法。
- スクリュー軸先端が平面であり、ダイス内壁が平面であり、それらの平面が平行である押出混練機であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の熱可塑性樹脂ペレットの製造方法。
- 押出混練機のシリンダー軸方向に少なくとも2箇所の混練部を有し、ダイス側の混練部の設定温度が、樹脂投入部側の混練部の混練温度より低い押出混練機を用いることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の熱可塑性樹脂ペレットの製造方法。
- 押出混練機のシリンダー軸方向に少なくとも2箇所の混練部を有し、ダイス側の混練部と樹脂投入部側の混練部との間にフィラーの供給部を有し、ダイス側の混練部の設定温度が、樹脂投入部側の混練部の混練温度より低い押出混練機を用いることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の熱可塑性樹脂ペレットの製造方法。
- ダイス側の混練部の混練温度が、高化式フローテスター法で測定した熱可塑性樹脂の溶融開始温度より0〜70℃低い温度であり、樹脂投入部側の混練部の混練温度が、当該熱可塑性樹脂の溶融開始温度より5〜60℃高いことを特徴とする請求項5又は6記載の熱可塑性樹脂ペレットの製造方法。
- 押出混練機がスクリュー軸先端とダイスとの間に樹脂滞留部を有し、該樹脂滞留部とダイス吐出口とが直結している押出混練機であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか記載の熱可塑性樹脂ペレットの製造方法。
- ダイスとスクリュー軸とを有する押出混練機において、押出混練機のダイスの吐出口が、スクリューをその軸方向にダイス部上に投影してなる円の外周と重なる位置のみにあり、スクリュー軸先端とダイス内壁との距離(スクリュー軸方向)がスクリューの直径より小さいことを特徴とする押出混練機。
- 押出混練機のシリンダー軸方向に少なくとも2箇所の混練部を有し、ダイス側の混練部の混練温度が、原料投入部側の混練部の混練温度より低く設定してなることを特徴とする請求項9記載の押出混練機。
- 押出混練機のシリンダー軸方向に少なくとも2箇所の混練部を有し、ダイス側の混練部と原料投入部側の混練部との間にフィラーの供給部を有し、ダイス側の混練部の設定温度が、原料投入部側の混練部の混練温度より低い請求項9記載の押出混練機。
- スクリュー軸先端が平面であり、ダイス内壁が平面であり、それらの平面が平行であることを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の押出混練機。
- 押出混練機がスクリュー軸先端とダイスとの間に樹脂滞留部を有し、該樹脂滞留部とダイス吐出口とが直結している押出混練機であることを特徴とする請求項9〜12のいずれか記載の押出混練機。
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