JP4330490B2 - 二軸連続式混練装置を用いた圧縮タルクを含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、二軸連続式混練装置に関し、特に、充填剤を高濃度含有するマスターバッチの製造に適した二軸連続式混練装置及びこの装置を使用した、粉末材料を溶融混練する方法に関する。

従来から、プラスチック材料の物性を改善する手段として、充填剤（フィラー）を添加する方法が多用されている。近年、プラスチック材料に対する、さらなる物性の向上とコスト低減の要求が高まっている。
製品コストを低減する方法として、プラスチック材料に充填剤を高濃度に添加したマスターバッチを作製し、これを射出成形や押出成形などにおける成形時に、最終製品に求められる性能に合わせた充填剤の添加量になるように、ニート樹脂と混合して最終成形品を製造する方法がある。

添加した充填剤が、最終製品の物性を効率良く改善するには、充填剤がマスターバッチ内において、微分散していることが重要である。
このようなマスターバッチを連続的に製造する方法として、微細な充填剤と樹脂材料を、二軸押出機や単軸押出機などを用いて混練する方法がある。

本発明と一見類似する二軸押出機として、例えば、特許文献１には、ローターの送り能力を弱め、かつ混練に寄与するローター部のＬ／Ｄを特化することにより、第１混練部の末端部にあるゲートの操作範囲（材料の通過面積の調整範囲）を広げ、良分散性、樹脂劣化の抑制（低温混練）などを有利にする混練技術が提唱されている。
しかしながら、混練部の送り能力を弱めているため、高生産性（高吐出性）が得られず、また、第１混練部のＬ／Ｄが小さく、順送りローター／逆送りローターの組み合わせも１組であるため、空気を多く含むフィラー充填系材料の場合、フィラーのショートパスにより、開放ベントからのフィラーの噴出が起きやすいなどの問題が考えられる。

また、タルク入りポリプロピレン樹脂組成物（以下、ポリプロピレンをＰＰと示すことがある。）の製造方法、ポリプロピレン樹脂組成物及びそれからなる自動車用部品並びにホリプロピレン樹脂組成物の押出量の増大方法が開示されている（例えば、特許文献２，３参照）。
しかしながら、これらは従来の混練技術を用いているため、混練機のサイズが大きいわりに、吐出性能は不充分である。また、例えば、圧縮タルクの嵩比が０．８５以上の場合では、圧縮タルクの濃度が低い領域でも、良分散性が得られなかった。

また、非特許文献１には圧縮タルクの高濃度混練技術が開示されている。
しかしながら、混練機のサイズが大きいわりに吐出性能は著しく少なく、また、ストランドのサージング防止対策として、ダイス前にギアーポンプを必要とし、また、サイドフィーダーを用いて、タルクを分割フィードしているため、装置コストが高価であった。さらに、圧縮タルクの嵩比は、タップ法により測定しているため、圧縮度の低いものを用いている。

また、非特許文献２には非圧縮タルクの高濃度混練技術が開示されている。
しかしながら、タルクの分散性、吐出性能確保のために、サイドフィーダーを用いたタルクの分割フィードを推奨しているが、吐出性能は不充分であった。また、タルクを分割フィードしているため、開放ベントを２箇所必要としており、高Ｌ／Ｄの混練機が必要なことが推定される。従って、高価な装置ではあるが吐出性能が不充分であった。また、樹脂温も高く、樹脂劣化が懸念される。

特許文献４には、高吐出量の生産に効果的な二軸型連続混練押出装置が開示されている。
しかしながら、非噛み合型のため、ショートパスが起きやすく、スタートアップ時に、フィラーが開放ベントから噴出し易いという問題がある。そこで、第１混練部にて投入材料を半ゲル状態とするために、樹脂原料のサイズに適したローター部のチップクリアランスσ（ローターの最外周端とバレル内壁との間隙）に設定する必要があった。このため、混練条件幅に制約をうけ、低温混練に対応できない場合があった。

特開平６−２７０１４０号公報 特許第３２４１７４６号 特許第３４８４６７８号 特開平１０−３３７７６７号公報 FEEDING AND PROCESSING OF COMPACTED FILLERS ON A RECIPROCATING SINGLE SCREW KNEADER COMPOUNDING SYSTEM FOR AUTOMOTIVE AND MASTERBATCH APPLICATIONS（ANTEC ２００１、１７１６〜１７２０頁） 微粒子フィラーコンパウンド技術（日本製鋼所技報、Ｎｏ．４９（１９９３．１０）、５頁）

樹脂材料に充填剤を高分散させたマスターバッチを、生産性よく製造するには、混練装置内のせん断発熱による樹脂温度の上昇を抑制しつつ、混練装置を高速回転で稼動させる必要がある。せん断発熱による樹脂温度の上昇を抑制するためには、混練部を形成する逆送りローターのチップクリアランスを広くすることが考えられる。しかしながら、逆送りローターのチップクリアランスを広くすると、混練部で樹脂と充填剤が充分に混練されないため、分散不良の原因となったり、また、ショートパスを起こす原因となる。そのため、マスターバッチの高生産性と充填剤の高分散性の両者を満たす混練技術は確立されていなかった。
本発明はこの課題に鑑み、樹脂材料に充填剤が十分に分散している組成物を生産性良く製造できる二軸連続式混練装置及びそれを用いた混練方法の提供を目的とする。

本発明の第一の態様である二軸連続式混練装置は、原料供給部と、単軸部と二軸部が連通した混練押出部からなり、前記原料供給部が、前記混練押出部の二軸部側の端部付近に接続され、前記二軸部が、前記原料供給部の接続部側から、第１スクリューフィード部、第１混練部、第２スクリューフィード部をこの順に有し、前記第１混練部が、逆送りローターと順送りローターを含み、この逆送りローターと順送りローターを組み合わせた構成を２つ以上有し、前記第１混練部の（逆送りのローターの延べＬ／Ｄ）／（順送りのローターの延べＬ／Ｄ）が０．８３〜２．２３であり、この第１混練部のローターのＬ_１／Ｄが５〜１５であり、前記逆送りローターの最外周端部のチップクリアランスσとスクリューの外径Ｄとの比（σ／Ｄ）が、０．０１３〜０．０７０であることを特徴とする。

この混練装置は、第１混練部が、逆送りローターと順送りローターを含み、この逆送りローターと順送りローターを組み合わせた構成を２つ以上有することを特徴としている。樹脂材料及び充填剤などの混合材料は、第１混練部において、順送りローターにより、混練されながら混練装置前方に送りだされる。一方、逆送りローターによって、これらは混練装置後方側に向けて推進力を与えられる。したがって、逆送りローターと順送りローターを組み合わせた構成では、混合材料は装置前方に、一方的に送り出されることなく、第１混練部内を行き来することになる。これにより、第１混練部において、樹脂材料と充填剤を高度に分散できる。

また、逆送りローターの最外周端部のチップクリアランスσとスクリューの外径Ｄとの比（σ／Ｄ）は、０．０１３〜０．０７０としてある。σ／Ｄをこの範囲に設定することによって、混練装置を高速稼動しても、樹脂材料や充填剤の発熱を抑制する効果があがる。
なお、さらに、順送りローターの最外周端部のチップクリアランスσとスクリューの外径Ｄとの比は、０．００７〜０．０７０とすることが好ましい。

従来、逆送りローターの最外周端部のチップクリアランスσを広くすると、混練部にて粉体材料が充分混練されないため、分散不良を起こしたり、粉体材料がショートパスを起こし、開放ベント口から噴出するなどの不具合が生じた。
本発明では、逆送りローターと順送りローターの組み合わせ構成を２つ以上形成することによって、チップクリアランスσを比較的大きくしても、粉体材料の高混練を実現できることを見出したものである。
これにより、混練部における逆送りローターのチップクリアランスを従来より広めにしても、材料が、第１混練部で行ったり来たりしながら押し出されるので、滞留時間が長くなり、混練性・分散性が向上する。一方、チップクリアランスが広いのでせん断力が小さく発熱も小さい。したがって、熱による材料の変色を防ぐことができる。

本発明の二軸連続式混練装置では、前記原料供給部と第１スクリューフィード部の接続部に強制フィーダーを有することが好ましい。
本装置は後述の通り、非噛み合い型の異方向回転方式であることが好ましいため、強制フィーダーを使用することによって、原料供給部から混練押出部へ、粉体材料を安定かつ大量に供給できる。従って、サージングなどの発生が抑制され、マスターバッチの生産性を著しく向上できる。

前記二軸部の２本のスクリューは、非噛み合い型の異方向回転方式であり、この２本のスクリューの中心側方向に回転することが好ましい。
これにより、樹脂組成物の生産性（吐出性能）を向上でき、また、混練性能も向上できる。
また、前記二軸部の第２スクリューフィード部側の端部に、堰止め構造及び／又は絞り調整バルブを有し、前記第２スクリューフィード部と堰止め構造及び／又は絞り調整バルブの間に、第２混練部を有することが好ましい。さらに、スクリューフィード部又はローターのネジ構造が２条タイプであり、前記ローターの捩れ角が６０°であることが好ましい。
これにより、充填剤の分散をさらに向上することができる。

前記混練押出機は、前記二軸部である二軸押出機と前記単軸部である単軸押出機からなるタンデムタイプであってもよい。
タンデム型では、二軸押出機と単軸押出機が独立して駆動するため、スクリュー駆動用のモーターが２つ必要となり高価となる。しかし、押出機が独立しているため、サージングの問題が無くなり、混練条件幅が広くなるという点で好ましい。

前記第２スクリューフィード部に開放ベントを有することが好ましく、また、前記二軸部の２本のスクリューの回転速度がそれぞれ異ならせてもよい。
これにより、充填剤の分散性をさらに向上でき、また、強制フィーダーを使用する場合には、強制フィーダーの機能を効率よく発揮させることができるので、生産性を向上できる。

本発明の第二の態様である混練方法は、上記の二軸連続式混練装置を使用した混練方法であって、混練押出部のケーシング内に、あらかじめパージ材を充填し、その後、原料供給部から原料を前記混練押出部に供給し、この原料を溶融混練することを特徴とする。
この方法では、粉体材料を混練押出部に供給する前に、予め混練押出部のケーシング内にパージ材を充填しておく。これにより、ケーシング内が溶融樹脂によってシールされているため、混練部のローターのチップクリアランスを広くしても、粉体材料が第１混練部などをショートパスし、混練されないまま開放ベントから噴出することを防止できる。

前記溶融混練時の混練押出部のスクリュー回転数を２５０〜８００ｒｐｍとすることが好ましい。
スクリュー回転数をこの範囲とすることで、マスターバッチの生産性を高めつつ、変色を防止でき、さらに、スクリュー及びケーシング内壁の劣化を防止できる。

本発明の二軸連続式混練装置によれば、分散が困難である充填剤、例えば、超高圧縮タルクなどを樹脂に良分散できる。また、充填剤を高濃度に充填しても、良分散化を達成できる。その結果、生産性を著しく向上でき、また、特に、高濃度で混練する場合には、優れた品質安定性（混練時間に対するＭＢ内のタルク濃度の安定性）が得られる。
また、重量フィーダー設備を用いない、原料供給部からの原料一括投入方式に有効な混練技術であり、混練機サイズが小さくても、生産性に著しく優れている。装置コストも有利である。
充填剤の分散性に優れるため、従来の混練技術に比べ、機械的物性に優れた複合材料が得られる。また、低温混練性に優れるため、材料種を選ばない混練が可能となる。
また、本発明の混練方法によって、ローターとシリンダー間のチップクリアランスσを従来より広くできるので、ローター及びシリンダー内壁の耐久性を向上できる。

［二軸連続式混練装置］
はじめに、本発明の二軸連続式混練装置について説明する。
図１〜図４は、本発明の一実施形態である二軸連続式混練装置を説明するための図であり、図１は二軸連続式混練装置の混練押出部の横断面図、図２は原料供給部及び混練押出部の部分縦断面図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図であり、図４は図１のＢ−Ｂ線断面図である。なお、本発明の混練装置はこれに限定されない。

この二軸連続式混練装置は、原料供給部１０、及び二軸部２０及び単軸部３０を有する混練押出部４０からなる。
混練押出部４０は、金属製のケーシング５０に内装された第１スクリュー４１と、これよりも短い第２スクリュー４２とを備えている。ケーシング５０は、全体筒状に形成されており、略中央で左右に２分割されている。分割部分は蝶番５０ａにより回転可能に支持され、矢示Ｆ方向に折れ曲がるようになっている。なお、このケーシング５０の分割部分には別部材とした接続部材５０ｂが介挿されている。

ケーシング５０内には、円筒状シリンダ５１、２つの円筒状シリンダを連結したまゆ型シリンダ５２（図３参照）、及び接続部材５０ｂ内に形成された２つの軸受けシリンダ５４，５５が形成されている（図４参照）。まゆ型シリンダ５２内には、第１スクリュー４１及び第２スクリュー４２が並列に配置されている。これら第１スクリュー４１及び第２スクリュー４２は、それぞれ、スクリュー基部４１ａ及び４２ａを介してケーシング５０に嵌挿されている。第１スクリュー４１及び第２スクリュー４２の基端部は、ケーシング５０の外部に設置したギアボックス（図示せず）に挿入され、ベアリングで回転自在に支持されている。

第１スクリュー４１及び第２スクリュー４２は、互いに接触しないように対峙し（非噛み合い形式）、二軸部２０を形成し、スクリュー基部側から第１スクリューフィード部２１、第１混練部２２、第２スクリューフィード部２３及び第２混練部２４をこの順に形成している。

第１スクリュー４１では、第２混練部２４に続けて、堰止め構造２５ａが形成され、さらに、その先に延長軸部３１が形成されている。
堰止め構造２５ａでは、スクリュー溝を浅く形成してケーシング５０との間隙をわずかにし、かつ細かいピッチとした流量規制スクリューが形成されている（図４参照）。この堰止め構造２５ａでは、通過する配合成分の流量が最小限に規制されると共に、配合成分の混練が充分に行われるようになっている。

延長軸部３１は、円筒状シリンダ５１内に回転自在に内装されており単軸３０を形成している。延長軸部３１は、全長にわたってスクリューが形成されている。この延長軸部３１の基端側は、接続部材５０ｂ内に保持されている。
第１スクリュー４１の略中間部である堰止め構造２５ａは、この部分とシリンダ５５との間に溶融樹脂が介在することにより一定位置に保持されるので、第１スクリュー４１全体が回転自在に支持される。

第２スクリュー４２の先端部には、送出スクリュー部２５ｂが形成されている。送出スクリュー部２５ｂは、この部分とシリンダ５４との間に溶融樹脂が介在することにより所定位置に保持されるので、第２スクリュー４２全体が回転自在に支持される。

本発明の混練装置では、接続部材５０ｂ内の流量規制スクリュー部２５ａ及び送出スクリュー部２５ｂは各々、独立に支持されており、これらとシリンダ５４及び５５との間に樹脂が充満することにより軸受作用が生じるため、高回転域で各スクリューがカジリを起こすことを防止できる。

第２スクリューフィード部２３の上方には、開放ベント（図示せず）が設けられている。

ケーシング５０における延長軸部３１の先端部５６側には、組成物の吐出口５７が設けられている。さらにケーシング５０において延長軸部３１の基端部側に脱気口５８が形成されている。延長軸部３１の基端部側におけるケーシング５０には、バルブ部５９が設けられている。バルブ部５９は、二軸部２０と単軸部３０とを連通するものであり、単軸部３０へ至る溶融樹脂をバイパスさせて流量を調整するもので、次のように構成されている。

バルブ部５９では、送出スクリュー２５ｂの先端側に空室６０を形成し、この空室６０の一部に小径な通路６０ａを設けて、この空室６０とシリンダ５１とを連通させている。空室６０内には、外部から筒状の弁体６０ｂを挿通させ、この弁体６０ｂは矢印Ｈ方向において前進後退動可能となっている。そして、弁体６０ｂが通路６０ａに接近するほど空室６０の容積が小さくなるので、配合成分の流路が狭くなるようになっている。

第２スクリュー４２の送出スクリュー部２５ｂは、第１スクリュー４１の流量規制スクリュー部２５ａによりせき止められた溶融樹脂を、バルブ部５９を介して、単軸部３０内に樹脂を圧送するようになっている。
樹脂流量を調節することにより、二軸部２０での配合成分の混練滞留時間及び配合成分の充填度を調整できるので、バルブ部５９を作動させることによって混練度合いを自由に設定できる。このため、樹脂の状態に応じてバルブ部５９の開閉度をコントロールして、配合成分に常に均一な混練を与えることができる。

なお、流量調節機構は他の構成としてもよく、例えば、第１スクリュー４１を軸方向に移動可能として、第１スクリュー３とこの周囲にあるケーシング内面に形成した凹凸部により弁体を形成し、流路の開閉度を調整する構造にすることも可能である。

また、図１に示す混練押出部２０は、単軸部３０と二軸部２０が同じスクリューを通して結合している一体型の混練押出部としてあるが、これに限らず、単軸部と二軸部が分離独立したタンデムタイプとしてもよい。すなわち、上記二軸部の構成を有する二軸押出部と単軸押出部を、せき止め構造及び／又は絞り調整バルブを有する樹脂流路で結合したタンデム型の混練機としてもよい。
タンデム型は、スクリュー駆動モーターが２つ必要となり、高価となるが、押出機が独立しているため、サージングの問題が無くなり、混練条件幅が広くなるという点で望ましい。

原料供給部１０は、ホッパー１２、コイルフィーダー１３、シューター１４、強制フィーダー１５から構成され、図２に示すように、シューター１４が、二軸部２０のスクリュー基部付近に連通する材料供給口１１で接続されている。
ホッパー１２の下部のコイルフィーダー１３は、ホッパー１２に投入された原料成分を、シューター１４に供給するものである。また、シューター１４には、配合原料成分を強制フィードするために、強制フィーダー１５が挿入されている。強制フィーダー１５は、押し込み能力とフィード能力を有する。

なお、この実施形態において、ホッパー１２は１つ設けたが、配合成分によってはそれぞれ２つ以上設けてもよい。例えば、タルクの嵩比重が低く、ブリッジ、ラットホールなどが問題となるときは、タルク専用のフィーダー付きホッパーと、熱可塑性樹脂及び／又はゴム用フィーダー付きホッパーの２つを設けることができる。その場合、シューター内で各成分が混合され、スクリューフィーダーで強制フィードできる。
また、シューター１４を介さず、材料供給口１１にホッパー１２を直接接続することもできる。

次に、上記の二軸連続式混練装置の動作について説明する。
ホッパー１２から送出された配合成分が、コイルフィーダー１３、シューター１４を経て送られる。このとき、強制フィーダー１５が配合原料成分を材料供給口１１へ強制フィードする。

材料供給口１１より投入された配合成分は、第１スクリューフィード部２１により矢示Ｇ方向に送られ、本発明のローター構成では第１混練部２２で混練が終了するため、樹脂温の上昇抑制に有利となる。
なお、第２スクリュー４２の回転速度は第１スクリュー４１と異なっていることが好ましい。例えば、スクリューの回転速度比（第２スクリュー４２の回転速度／第１スクリュー４１の回転速度）は、１．１とするのが好ましい。混練温度は、通常、１３０℃〜２８０℃である。

第２スクリューフィード部２３で送られた樹脂材料は、送出スクリュー部２５ｂによって空室６０内へ送られ、弁体６０ｂによって流量を調節されながら通路６０ａを通過して単軸部３０内に送られる。なお、図１に示すように第２スクリューフィード部２３と送出スクリュー部２５ｂの間に第２混練部２４が介在してもよい。
単軸部３０へ送られた組成物は、脱気口５８から必要な脱気がされた後、延長軸部３１にて順次送られて吐出口１０から押出される。

本発明の二軸連続式混練装置では、二軸部のＬ／Ｄは１２以上、好ましくは１６以上、特に好ましくは２０以上である。

第１混練部は、逆送りのローターと順送りのローターを有し、この逆送りローターと順送りローターを組み合わせた構成を２つ以上有する。順送りローター／逆送りローターの構成数が１つでは、充填剤の高分散性、及び吐出性能が得られない。

ここで、「逆送りローターと順送りローターを組み合わせた構成」について説明する。図５は、第１混練部の概略図である。
第１混練部２２は、順送りローター２２ａと逆送りローター２２ｂが組み合わされて構成されている。この例では、原料の吐出方向Ｇへ、順／順／逆／順／逆／逆／順／逆／逆と配列している。なお、「順」は順送りのローターを、「逆」は逆送りのローターを示し、文字（順、逆）１字は、Ｌ／Ｄ＝１の単位を示している。本例ではＬ_１／Ｄは９である。

「逆送りローターと順送りローターを組み合わせた構成」とは、原料の吐出方向（図中、矢印Ｇ）へ見たときに、順送りローターを先頭とし逆送りローターを末端に有する構成を意味する。この例では、原料の吐出方向Ｇへ見ていくと、「順／順／逆」、「順／逆／逆」及び「順／逆／逆」の３つ含まれている。他の例については、後述する実施例に記載する。
逆送りローターと順送りローターを組み合わせた構成の数は、好ましくは、２〜４である。
なお、ロータータイプではなく、ディスクタイプを使用した場合、樹脂温が上昇し易く、また、スクリュー清掃に時間がかかるため好ましくない。

第１混練部の（順送りのローターの延べＬ／Ｄ）／（逆送りのローターの延べＬ／Ｄ）（以下、Ｒ値という。）は、０．８３〜２．２３である。好ましくは１．０１〜２．２３である。Ｒ値が０．８３より小さい場合、生産性（吐出性能）が低下し、樹脂の発熱が起き易くなる。一方、Ｒ値が２．２３より大きいと、例えば、高濃度フィラーを使用した場合に、フィラーの分散性能が低下する。
Ｒ値の調整は、エレメントタイプのローター（Ｌ／Ｄ＝１）を用いて、逆送りローターと順送りローターを組み合わせることにより実施できる。

第１混練部のローターの延べＬ_１／Ｄは、５〜１５、好ましくは７〜１２である。５より小さいと、原料のショートパスが起き易くなり、特に高濃度フィラー系の混練で、開放ベント口を設けた場合に、フィラーが噴出しやすくなる。また、高濃度フィラー系の場合、分散性能が低下する。一方、１５より大きいと、樹脂温が上昇し、樹脂が劣化するため、生産性（吐出性能）が得られない。
なお、ローターの間にはスクリューがあっても良く、その場合は延べのローター長さで計算する。

混練部を形成する逆送りローターの最外周端部のチップクリアランスσとスクリューの外径Ｄとの比（σ／Ｄ）は、０．０１３〜０．０７０である。逆送りローターのσ／Ｄが０．０１３より小さいと、樹脂温が上昇し、材料劣化が起き易くなり、また、スクリュ−駆動力を多く必要するため、吐出性能が低下する。一方、０．０７０より大きいと、充填剤の良分散性が得られず、また、ショートパスが起き易くなる。好ましくは、逆送りローターのσ／Ｄは、０．０３０〜０．０７０である。

尚、上記と同じ理由より、混練部を形成する順送りローターの最外周端部のチップクリアランスσとスクリューの外径Ｄとの比（σ／Ｄ）は、０．００７〜０．０７０とすることが好ましく、特に、０．０１３〜０．０７０が好ましい。

図２に示すように、本発明では、原料供給部に強制フィーダーを有することが好ましい。強制フィーダーを挿入することにより、生産安定性、吐出性能が向上する。充填剤、特に圧縮タルクを用いた場合に効果は大きいが、圧縮度を増すほど、生産安定性、吐出性能はさらに向上するが、分散性が得られないという問題があった。そのような場合であっても、本発明の二軸連続式混練装置において強制フィーダーを用いることにより生産安定性及び良分散性が得られる。また、強制フィーダーを用いることにより、吐出量が増え、この増加に伴い、熱可塑性樹脂とゴムの相溶性、衝撃性能をさらに向上させることができる。

二軸部のスクリューは、非噛み合い型の異方向回転方式であり、この２本のスクリューの中心側方向に回転することが好ましい。また、そのネジ構造が２条ネジであることが好ましい。噛み合いタイプの場合では、特に、高濃度フィラー充填系の場合、フィラーに含まれるエアー及び蒸発成分の、川下方向の排出性が得られず、生産性（吐出性能）が得られない。また、強制フィーダーによる生産性（吐出性能）向上効果も得られない。
非噛み合いで同方向回転の場合では、上記エアー及び蒸発成分が非噛み合い部のセンター間隙部に集まらないため、生産性（吐出性能）が低下し、また、混練性能も低下する。

本発明の混練装置においては、図１に示すように第２混練部を設けてもよいが、この場合、ローターのＬ_２／Ｄは好ましくは１０以下、特に好ましくは３以下である。１０より大きいと、スクリューを駆動するモーターの負荷が大きくなるため限界吐出量が低下したり、練りが効き過ぎ、樹脂が劣化するおそれがある。また、装置のコストアップになる。
なお、ローターの間にはスクリューがあっても良く、その場合は延べのローター長さで計算する。

強制フィーダーの効果を高めるために、第２スクリューフィード部に開放ベントを設けることが好ましい。

本発明の混練装置では、第１混練部に逆送りローターと順送りローターを組み合わせた構成を２つ以上形成すること、及び混練部を形成するローターの最外周端部のチップクリアランスσとスクリューの外径Ｄとの比（σ／Ｄ）を上記の範囲に調整することによって、装置を高速回転で使用しても、材料のせん断発熱を抑制することができ、しかも、樹脂と充填剤を充分に混練することができる。さらに、強制フィーダーを使用することによって、マスターバッチの生産速度（吐出量）を大幅に向上することができる。
混練部において、逆送りローターが順送りローターに対し多くなると、混合分散作用は高まるが、原料が送り出され難くなり、吐出量が減る。しかし、強制フィーダーを用いることにより、混練押出部への原料充填率の向上に伴う強せん断効果が得られ、混合分散効果を保ちながら、吐出量を多くすることができる。

その結果、従来、生産安定性が不十分であった、例えば、嵩密度の低い微細な圧縮タルク（嵩比：０．５）を、高濃度で分散することが可能となる。また、分散が困難であった高圧縮タルク（嵩比：０．８以上）を、高濃度で分散することが可能となる。例えば、平均粒径が７μｍ以下（３又は５μｍ等）のタルクを圧縮した圧縮タルクを６０重量％以上でも分散できるようになる。

本発明の混練装置は、熱可塑性樹脂、ゴム及び充填剤などを含むマスターバッチの製造機として特に適している。
熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン，ポリエチレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド等が挙げられる。好ましくは、ポリオレフィン系樹脂である。ポリプロピレンとしては、ホモポリプロピレン、ランダムポリプロピレン、ブロックポリプロピレンが挙げられ、ポリエチレンとしては、ホモポリエチレン、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）、ＬＬＤＰＥ（直鎖状低密度ポリエチレン）が挙げられる。

ゴムとしては、天然ゴム、合成ゴムが挙げられ、合成ゴムとしては、エチレン−プロピレンゴム，エチレン−オクテン−１ゴム等のオレフィン系ゴム、スチレン−ブタジエンゴム，ニトリル−ブタジエンゴム，アクリロニトリル−ブタジエンゴム，クロロプレンゴム等が挙げられる。

充填剤としては、有機充填剤及び無機充填剤のいずれも用いることができる。有機充填剤としては、木粉や木綿粉等の木質粒子，モミ殻粉末，架橋ゴム粉末，プラスチック粉末，コラーゲン粉末等が挙げられる。無機充填剤としては、タルク，炭酸カルシウム，沈降性硫酸バリウム，水酸化マグネシウム，カオリン（ケイ酸アルミニウム），シリカ、パーライト，セリサイト，ケイソウ土，亜硫酸カルシウム，マイカ，チタン酸カリウム等が挙げられる。無機充填剤の中ではタルクが好ましい。また、嵩比重が小さいために生産性が問題となっている場合は圧縮したものを用いる。

［混練方法］
続いて、本発明の混練方法について説明する。
本発明の混練方法は、上述した混練装置を使用した混練方法であって、混練押出部のケーシング内にパージ材を充填する工程と、この工程後に、原料供給部から原料を混練押出部に供給し、この原料を溶融混練する工程とを有する。

本発明の混練装置では、混練部のチップクリアランスが大きく、また、スクリューが非噛み合い方式であることが好ましいため、ケーシング内を空洞とした状態で原料（タルク等）を送り込むと、原料がケーシング内で混練されることなく急速に進み、ベント口から吹き出してしまう。したがって、従来のように、溶融樹脂をケーシング内に充填させないで、原材料である粉末樹脂や充填剤を供給してスタートアップすると、以下のような不具合が生じる。

（１）パウダー状の樹脂を使う場合には、混練部を形成するローターの最外周端部のチップクリアランスσとスクリューの外径Ｄとの比（σ／Ｄ）を小さくしないと、樹脂や充填剤が第１混練部をショートパスし混練不能となる。従って、チップクリアランスσを小さくする必要があり、特に、粘度の高い樹脂を用いる場合には、樹脂発熱の抑制が困難となる。
（２）高濃度のフィラーを混練する場合には、フィラーのショートパスによる開放ベントからの噴出が起きやすくなるため、混練部のσ／Ｄ、Ｒ、Ｌ／Ｄなどに制約が生じ、材料種に応じた混練条件幅が狭くなる。

（３）フィラーとして、圧縮タルクを混練する場合、圧縮タルクは、数１０μｍ〜数１００μｍの粒度（ふるい法）になっており、スクリュー回転数を一気に上げてスタートしないと、分散不良の圧縮タルクが、ブレーカープレートに設置したメッシュに詰まるため混練不能となる。しかし、一気にスクリュー回転数を上げると、混練部でのショートパスにより、開放ベントからのタルクの噴出が起きるため、上記、σ／Ｄ、Ｒ、Ｌ／Ｄなどが大きな制約を受ける。
以上より、材料種に応じた、混練条件の最適化ができない。

一方、本発明の混練方法のように、混練押出部のケーシング内にパージ材を充填した後に、原料供給部から粉体原料を混練押出部に供給すると、ケーシング内がパージ材で充填（シール）されているため、パウダー状の原料が混練部のクリアランスを通過することがない。したがって、原料が急速に前方へ送られることなく、混練部でのショートパスを防止できる。
これにより、材料種に応じて、σ／Ｄ、Ｒ、Ｌ／Ｄなどを最適な値に設定できる。

ケーシング内を充填するパージ材としては、特に制限はなく、一般に使用されている熱可塑性樹脂が使用できる。なお、パージ材として市販されているものでもよい。好ましくは、組成物の原料に使用するベースの樹脂又はこれと同種の樹脂を使用する。
ケーシング内をパージ材にて充填した後は、通常の工程により原料を混練押出部に投入し、溶融混練すればよい。このときのスクリュー回転数は、２５０ｒｐｍ〜８００ｒｐｍが好ましい。２５０ｒｐｍ未満では、生産性（吐出性）が低下したり、サージングが発生しやすくなるおそれがある。一方、８００ｒｐｍを越えると、樹脂温度が上がり、低温混練が困難となる。また、スクリュー又はシリンダーの内壁の耐久性が低下する。スクリュー回転数は３００ｒｐｍ〜７００ｒｐｍ、特に３５０ｒｐｍ〜６００ｒｐｍが好ましい。また、上述したように。第２スクリューの回転速度は第１スクリューと異なっている方が好ましい。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１〜４、比較例１〜５
材料として、エチレン／プロピレンブロック共重合体（ＭＩ＝３０、出光石油化学社，出光ＰＰ Ｊ−９５０ＨＰ）２２重量％、エチレン−オクテン・１共重合ゴム（デュポン・ダウ社製、メタロセンＬＬ ＥＧ−８１００）１８重量％及び圧縮タルク（嵩比重０．１４のタルク（林化成社製、Ｕｐｎ ＨＳ−Ｔ、レーザー法による平均粒径が５μｍ）を圧縮して、嵩比重を０．８０としたもの：平均粒径０．５μｍ（レーザー法による）、粒度が７５μｍ以上の占める率が９１．７ｗｔ％（ふるい法による）） ６０重量％を使用した。

また、これらの合計量１００重量部に対して、分散剤としてステアリン酸マグネシウム０．５重量部、酸化防止剤としてフェノール系酸化防止剤（チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製，イルガノックス１０１０）０．２重量部、耐侯剤としてチヌビン−１２０（同社製）０．１３重量部及び耐侯剤としてチヌビン７７０（同社製）０．１３重量部使用した。
これらの材料を、ＨＴＭ型２軸連続混練押出機φ６５（シーティーイー社製、以下ＨＴＭと記す）を図１に示す装置構成となるようにした混練押出機により混練し、マスターバッチを製造した。なお、ＨＴＭ全体のＬ／Ｄは４２であり、二軸部のＬ／Ｄは２８である。

各例におけるＲ［（逆送りのローターの延べＬ／Ｄ）／（順送りのローターの延べＬ／Ｄ）］、第１混練部のローターのＬ_１／Ｄなどの混練装置の構成条件を表１に示す。

混練条件は、二軸部の設定温度を１８０℃、単軸部の設定温度を１８０℃とした。スクリュー回転数は、第１スクリューを５５０ｒｐｍとし、第２スクリューをその１．１倍とした。
第一混練部のローター構成及びは第二混練部のローター構成は、表２に示す構成とした。

表２において、文字（順、逆）１字がＬ／Ｄ＝１の単位を示し、ローターは２条タイプの捩れ角が６０°のものを使用した。
強制フィーダーは、フルフライトスクリューφ９２ｍｍを使用し、クリアランスは４ｍｍとした（シューターの内径：１００ｍｍ）。強制フィーダーの回転数は１２０ｒｐｍとした。
なお、ＨＴＭは、スクリューが非噛合い異方向型のものであり、スクリューフィード部のネジ構造は２条ネジである。二軸混練部の端部には、図１に示すのような堰止め構造と、樹脂流量を調節するオリフィス調整機能を有している。この堰止め構造と絞り調整機能により、樹脂組成物の吐出量を調節した。絞り調整バルブの開度は３ｍｍ／２６ｍｍ（全開状態）とした。

上記の実施例及び比較例で作製したマスターバッチについて、以下の方法により評価した。
（１）限界吐出量
原料のフィード量を増やしていった場合の、フィードネックの発生、開放ベントからのタルク粉体の噴出、又はスクリュー駆動電力の限界などにより、フィードができなくなる直前の、製造が可能なフィード量（＝吐出量）を限界吐出量とした。
（２）マスターバッチ（ＭＢ）の分散性の評価
ＭＢのペレットをプレス成形機（設定温度：２００℃）にてフィルム状（厚さ約３０μｍ、約２００ｍｍφ）にプレスし、圧縮タルクの分散状態を、スケール付きのルーペ（倍率：１０倍）で観察した。１００μｍ以上のタルクの凝集物が確認される場合は×、５０μｍ以下のタルクの凝集物が１個から６個確認される場合は△、凝集物は確認されない場合は○とした。なお、ペレット化できない場合は、ストランド片を採取しプレス成形した。
（３）樹脂温度
生産時に、混練装置出口に装着したダイスの穴に温度センサーを挿入して樹脂温度を測定した。
（４）ペレットの色相
目視にて観察し、黄変が全くないものを○、黄変が若干生じているものを△、完全に黄変しているものを×とした。
評価結果を表１に示す。

以上の結果から、本発明の混練装置では、樹脂温度の上昇が抑制でき、また、製造したマスターバッチのタルクの分散性も優れていることが確認できた。また、強制フィーダーを使用することにより、限界吐出量が大幅に増加することが確認できた。

実施例５〜１２、比較例６〜１０
表３、及び表４に示す配合の原料を、同表に示す条件で溶融混練した他は、実施例１と同様にしてマスターバッチを作製した。
なお、混練装置のスタートアップは、パージ材としてブロックＰＰ（ＭＩ：３，出光石油化学社製、Ｊ−４６６ＨＰ）を使用し、あらかじめ混練押出部のケーシング内部を充填して行なった。
また、全ての例において、表に記載の原料の合計量１００重量部に対して、ステアリン酸マグネシウム０．５重量部、フェノール系酸化防止剤（イルガノックス１０１０）０．２重量部、耐侯剤（チヌビン−１２０）０．１３重量部及び耐侯剤（チヌビン７７０）０．１３重量部を配合した。

パウダーブロックＰＰ：ＭＩ＝３５、出光石油科学社製、Ｂ３０５０、粒径２５０μｍ
ペレット状ブロックＰＰ：上記パウダーブロックＰＰのペレット品である（出光石油科学社製、Ｊ−３０５０Ｈ）。
パウダーホモＰＰ：ＭＩ＝５００、出光石油科学社製、Ｈ−５００００、粒径２５０μｍ
エンゲージゴム：エチレン−オクテン・１共重合ゴム（デュポン・ダウ社製、メタロセンＬＬ ＥＧ−８１００）

第一混練部のローター構成及びは第二混練部のローター構成は、表５に示す構成とした。

表５において、文字（順、逆）１字がＬ／Ｄ＝１の単位を示し、ローターは２条タイプの捩れ角が６０°のものを使用した。
上記の実施例及び比較例で作製したマスターバッチについて、実施例１と同じ評価項目に加えて、以下の項目について評価した。

（５）サージング
マスターバッチ製造時に、サージングが発生せず、均一サイズのペレット採取が可能であった場合を○、サージングは発生するが、ペレット採取は可能であった場合を△、サージングが激しいため、ストランドの破断が頻発し、ペレット採取が不可能であった場合を×として評価した。
（６）開放ベントからのフィラー噴出
スタートアップ時に、開放ベントから粉末材料の噴出が生じなかった場合を○、粉末材料の噴出が生じた場合を×として評価した。
（７）マスターバッチの品質安定性
各実験で、１ｔｏｎ生産した場合、スタ−トアップ後から、１０分毎にペレタイザ−からペレットを採取し、その灰分を評価した。灰分の理論値（５９．４ｗｔ％）に対する全評価値の標準偏差を品質安定性の目安とした。
評価結果を表３，４に示す。
なお、タルクの嵩比重は、粉体試験装置（林化成（株）、ＨＫ−ＳＴＭ１０、ゆるみ見掛比重測定法）にて測定した。

［成形品の作製及び評価］
実施例１３
実施例５で作製したマスターバッチ３８重量％とエチレン／プロピレンブロック共重合体（出光ＰＰ Ｊ−９５０ＨＰ）６２重量％を混合したものを、射出成形機（日精樹脂工業（株）製、ＦＥ−１２０、ミキシングノズルを装着）及び金型（ＡＳＴＭ型）を使用して、以下の条件により成形し、成形品を作製した。
成形温度：２２０℃、射出時間：１２秒、背圧：１０％、射出速度：５０％、射出圧：最小充填圧＋１０％、型温度：５０℃、冷却時間：２０秒

比較例１１
実施例１３で作製した成形品と同じ配合になるように調整した材料を、タンデムタイプの２軸混練機（神戸製鋼所製、ＮＣＭ５０）により溶融混練し、ペレット（フルコンパウンド）を製造した。このときの条件は、混練温度を２００℃、スクリュー回転数を７００ｒｐｍ、二軸部出口部の面積の開口度（絞り）を５０％とした。
このマスターバッチを実施例１３と同様に射出成形して成形品を得た。

実施例１３及び比較例１１で作製した成形品について以下の方法により評価した。
（１）曲げ弾性率
ＪＩＳ Ｋ ７１７１に準拠した。曲げ速度を５０ｍｍ／ｍｉｎ、スパン間距離を６０ｍｍとし、試験片サイズは５インチ×１／２インチ×１／８インチとした。
（２）ＩＺＯＤ衝撃強度
ＪＩＳ Ｋ ７１７１により行った（ノッチ加工、２３℃）。
（３）鏡面光沢度
ＪＩＳ Ｋ ７１０５により行った（６０度鏡面光沢）。
以上の評価について、結果を表６に示す。

この結果から、異なる装置で同じ配合のマスターバッチを製造した場合、本発明の混練装置で製造したマスターバッチを使用した成形品のほうが、機械特性（曲げ弾性率、衝撃強度）、外観（光沢度）ともに優れていることが確認できた。

本発明の二軸連続式混練装置を用いれば、充填剤が高濃度に充填され、かつ高度に分散されたマスターバッチを、生産性高く得ることができる。したがって、充填剤が高濃度に充填された組成物を必要とするインパネやバンパーなどの自動車内外装部材や家電品の材料として有用である。

本発明の二軸連続式混練装置の混練押出部の横断面図である。 原料供給部と第１スクリューフィード部の接続部の部分縦断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 第１混練部の構成例を示す図である。

符号の説明

１０ 原料供給部
１１ 材料供給口
１２ ホッパー
１３ コイルフィーダー
１４ シューター
１５ 強制フィーダー
２０ 二軸部
２１ 第１スクリューフィード部
２２ 第１混練部
２３ 第２スクリューフィード部
２４ 第２混練部
２５ａ 堰止め構造
２５ｂ 送出スクリュー部
３０ 単軸部
３１ 延長軸部
４０ 混練押出部
４１ 第１スクリュー
４２ 第２スクリュー
５０ ケーシング
５９ バルブ部（絞り調整バルブ）

Claims (11)

1. 原料供給部と、
   単軸部と二軸部が連通した混練押出部からなり、
   前記原料供給部が、前記混練押出部の二軸部側の端部付近に接続され、
   前記二軸部が、前記原料供給部の接続部側から、第１スクリューフィード部、第１混練部、第２スクリューフィード部をこの順に有し、
   前記第１混練部が、逆送りローターと順送りローターを含み、この逆送りローターと順送りローターを組み合わせた構成を２つ以上有し、
   前記第１混練部の（逆送りローターの延べＬ／Ｄ）／（順送りローターの延べＬ／Ｄ）が０．８３〜２．２３であり、この第１混練部のローターのＬ_１／Ｄが５〜１５であり、
   前記逆送りローターの最外周端部のチップクリアランスσとスクリューの外径Ｄとの比（σ／Ｄ）が、０．０１３〜０．０７０である二軸連続式混練装置を用い、
   圧縮タルクと熱可塑性樹脂を混練することを特徴とする、圧縮タルクを含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
2. 前記二軸連続式混練装置が、前記原料供給部と第１スクリューフィード部の接続部に強制フィーダーを有する請求項１に記載の圧縮タルクを含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
3. 前記二軸部の２本のスクリューが、非噛み合い型の異方向回転方式であり、この２本のスクリューの中心側方向に回転する請求項１又は２に記載の圧縮タルクを含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
4. 前記二軸連続式混練装置が、前記二軸部の第２スクリューフィード部側の端部に、堰止め構造及び／又は絞り調整バルブを有し、前記第２スクリューフィード部と堰止め構造及び／又は絞り調整バルブの間に、第２混練部を有する請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮タルクを含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
5. 前記混練押出部が、前記二軸部である二軸押出機と前記単軸部である単軸押出機からなるタンデムタイプである請求項１〜４のいずれかに記載の圧縮タルクを含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
6. 前記スクリューフィード部又はローターのネジ構造が２条タイプである請求項１〜５のいずれかに記載の圧縮タルクを含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
7. 前記第２スクリューフィード部に開放ベントを有する請求項１〜６のいずれかに記載の圧縮タルクを含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
8. 前記二軸部の２本のスクリューの回転速度がそれぞれ異なっている請求項１〜７のいずれかに記載の圧縮タルクを含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
9. 前記ローターの捩れ角が６０°である請求項１〜８のいずれかに記載の圧縮タルクを含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
10. 前記混練押出部のケーシング内に、あらかじめパージ材を充填し、その後、原料供給部から原料を前記混練押出部に供給し、この原料を溶融混練する、請求項１〜９のいずれかに記載の圧縮タルクを含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
11. 前記溶融混練時の混練押出部のスクリュー回転数を２５０〜８００ｒｐｍとする請求項１０に記載の圧縮タルクを含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法。

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