JP4382217B2 - 混練方法 - Google Patents

Description

【０００1】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被分散物が内在する粘性材料を混練するための混練方法に係わり、特に、伸長流動分散を応用した混練方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の伸長流動分散を応用した混練方法として、Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｎｅｔ Ｎｕｍｂｅｒ：５，４５１，１０６に記載されたものが知られている。その混練装置５０は、図４に示されているような混練室体５１を有する。前記混練室体５１は円盤状であり、上面に材料供給口５１ａを下面に材料排出口５１ｂを有する。前記混練室体５１内には複数の環状の空間５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄが同心円上で径方向に連なって形成された円板状の混練室５２が形成されている。材料の流れ方向に垂直な面で切った断面に関して、最大の断面積を有する第１，第２大環状空間５２ａ，５２ｃと最小の断面積を有する第１，第２の環状のスリット空間５２ｂ，５２ｄが交互に連なっている。前記第１大環状空間５２ａは、前記材料供給口５１ａと連絡されており、前記第２の環状スリット空間５２ｄは前記材料排出口５１ｂと連絡されている。このような形状の混練室５２を有する混練装置は、材料供給口５１ａから混練材料が投入されると、材料が前記混練室５２を通過する間に伸長流動分散により混練されて前記材料排出口５１ｂから排出される。
【０００３】
伸長流動分散とは、被分散物を内在する粘性材料を、材料の流れ方向に垂直な面で切断した断面に関して大きな断面を有する大通路から前記大通路よりも小さな断面を有するスリット状通路へ流入させ、そして、前記スリット状通路の所定の長さを通過させることにより、前記被分散物を小さく破砕して分散させることを言う。
具体的には、図４に示すような前記従来の混練装置５０において、材料が第１大環状空間５２ａから第１環状スリット空間５２ｂへと移動して第１環状スリット空間５２ｂを通過する際と、第２大環状空間５２ｃから第２環状スリット空間５２ｄへと移動して第２環状スリット空間５２ｄを通過する際と２段階で伸長流動分散が行われることになる。
【０００４】
前記分散の原理は、前記大小の通路５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄを通過する際の流速の変化に伴って、被分散物が引き延ばされ応力限界で千切れ、分散するというものである。Ｐｒｏｆ．Ｕｔｒａｃｋｉは材料が前記大小の通路５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄを通過して出てくるまでの流動材料の全体圧力損失に比例して分散効果があると結論している。従って、前記従来の混練装置５０においては、混練室５２の材料の供給側の圧力と排出側の圧力の差、即ち、全体圧力損失を適正に制御することにより効率良い材料の混練を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者らは、更に、深く前記伸長流動分散について考察を試みた。Ｐｒｏｆ．Ｕｔｒａｃｋｉは上述したように材料が前記大小の通路５２ａ，５２ｂ，５２ｃを通過して出てくるまでの全体圧力損失に比例して分散効果があると結論している。
本発明者らは、実験によって流動材料の圧力損失は次の２か所Ａ、Ｂで起こることを見いだした。
Ａ：大きな断面を有する大通路５２ａ，５２ｃから，小断面を有するスリット状通路５２ｂ，５２ｄへ流入する際の流入圧力損失
Ｂ：所定の長さを有する前記スリット状通路５２ｂ，５２ｄを流動する際のスリット状通路流動圧力損失
そして、Ｂの流動圧力損失に対する分散効果はほとんどなく、Ａの流入圧力損失に対して分散が促進されることが明らかになった。効率良く分散させるには、大きな断面を有する大通路５２ａ，５２ｃから，小断面を有するスリット状通路５２ｂ，５２ｄへ流入する際の流入圧力損失を適正に制御する必要があることを見いだした。
【０００６】
ところが、前記従来の混練装置５０の混練室５２は、複数の環状の空間５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄが同心円上で径方向に連なって形成されており、環状の空間の径が中心に向かう程小さくなるので、第１大環状空間５２ａから第１環状スリット空間５２ｂへと材料が流入する際の流入圧力損失と、第２大環状空間５２ｃから第２環状スリット空間５２ｄへと材料が流入する際の圧力損失を同一に設定することは難しいという問題を有している。そのため、１回目か２回目かのいずれか一方の伸長流動分散においては、材料に適した流入圧力損失を実現することができるが、他方においては材料に適した流入圧力損失を実現することがでないという問題を有している。
【０００７】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、混練材料に適した流入圧力損失を設定することが可能な混練方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の本発明の混練方法は、複数の環状の空間が同軸上で軸方向に連なって形成された環状、且つ、筒状の混練室であり、且つ、材料の流れ方向に垂直な面で切った断面に関して最大の断面積を有する大環状空間と最小の断面積を有する環状のスリット空間が交互に連なっている混練室に、材料を流し入れ、通過させて伸長流動分散によって混練する方法である。更に、前記大環状空間から環状のスリット空間へと材料が流入するときの流入圧力損失によって伸長流動分散度を制御して混練することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は第１の実施形態である本発明の混練装置を示す図である。
図１において、本発明の混練装置１は、混練室体２と、材料供給手段３と、断面積比調整手段４と、材料温度調節手段５とを備えている。
【００１８】
前記混練室体２内には、一端に材料供給口を他端に材料排出口を有する混練室６が形成されている。
前記混練室６は、複数の環状の空間６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆが同軸Ｏ上で軸方向に連なって形成された環状、且つ、筒状の混練室である。第１の実施形態においては６個の環状空間が設けられている。前記複数の環状の空間の内、符号６ａ，６ｃ，６ｅで示される空間は、材料の流れ方向に垂直な面で切った断面に関して最大の断面積Ｓ１を有する第１，第２，第３の大環状空間６ａ，６ｃ，６ｅであり、これらの空間は同じ大きさで同じ形状をしている。符号６ｂ，６ｄ，６ｆで示される空間は、材料の流れ方向に垂直な面で切った断面に関して最小の断面積Ｓ２を有する第１，第２，第３の環状のスリット空間６ｂ，６ｄ，６ｆであり、これらの空間は同じ大きさで同じ形状をしている。前記大環状空間６ａ，６ｃ，６ｅと前記環状のスリット空間６ｂ，６ｄ，６ｆは大小交互に連なっている。
【００１９】
前記混練室６内では、第１の大環状空間６ａから第１の環状のスリット空間６ｂへ流入する点と、第２の大環状空間６ｃから第２の環状のスリット空間６ｄへ流入する点と、第三の大環状空間６ｅから第三の環状のスリット空間６ｆへ流入する点の複数箇所で伸長流動分散が起きる。
前記３つの大環状空間６ａ，６ｃ，６ｅが同じ大きさで同形状であり、前記３つの環状のスリット空間６ｂ，６ｄ，６ｆが同じ大きさで同形状であると、第１の大環状空間６ａから第１の環状のスリット空間６ｂへ流入する際の流入圧力損失と、第２の大環状空間６ｃから第２の環状のスリット空間６ｄへ流入する際の流入圧力損失と、第三の大環状空間６ｅから第三の環状のスリット空間６ｆへ流入する際の流入圧力損失とが略同じになる。
従って、前記混練室体２の材料供給口２ａにおける材料圧力を伸長流動分散（混練）に適した材料圧力に設定するだけで、前記複数箇所での流入圧力損失を全て伸長流動分散（混練）に適したものにすることができる。
【００２０】
前記混練室体２は、円筒７と、前記円筒７内に同心円上に収納される円柱８と、前記円筒７を包囲して保持するために前記円筒７に同心円上に設けられる円筒状のホルダー２ｃと、前記ホルダー２ｃの材料排出側開口を閉塞する蓋２ｄとを有する。
前記ホルダー２ｃは、円筒状であり、一方に混練室体２の材料供給口２ａとなる開口が、他方に材料排出側開口部を有する。材料排出側開口部から前記円筒７が円柱８と共に収納される。前記蓋２ｄには、混練室体２の材料排出口２ｂとなる通路が設けられている。
前記複数の環状空間は、円筒７と前記円筒７内に同心円上に収納される円柱８とによって形成されている。
【００２１】
前記円筒７の内側表面に、径方向に沿って延びる複数の溝９が設けられている。図１においては３つの溝９が設けられており、これらの溝９はそれぞれ前記第１，第２，第３の大環状空間６ａ，６ｃ，６ｅの一部を構成している。前記複数の溝９はすべて同じ形状をしており、所定の深さｈ１となるように、それぞれの溝の両側面を構成する傾斜部９ａ，９ｃと底部９ｂとからなる。
隣合う溝９はそれぞれ距離Ｌ１だけ隔てられており、この溝と溝とに挟まれた部分が前記第１，第２，第３の環状のスリット空間６ｂ，６ｄ，６ｆを構成する凸条部となる。前記凸条部の上面は混練室６の軸Ｏと平行な円筒面である。
【００２２】
前記円柱８の外側表面に、径方向に沿って延びる複数の溝１０が設けられている。図１においては３つの溝１０が設けられており、これらの溝１０はそれぞれ前記第１，第２，第３の大環状空間６ａ，６ｃ，６ｅの一部を構成している。前記複数の溝１０はすべて同じ形状をしており、所定の深さｈ１となるように、それぞれの溝１０の両側面を構成する傾斜部１０ａ，１０ｃと底部１０ｂとからなる。
隣合う溝１０はそれぞれ距離Ｌ１だけ隔てられており、この溝と溝とに挟まれた部分が前記第１，第２，第３の環状のスリット空間６ｂ，６ｄ，６ｆを構成する凸条部となる。前記凸条部の上面は混練室６の軸Ｏと平行な円柱面である。
前記円柱８は、前記円筒７に設けられた溝９に前記円柱８の溝１０が対向するように、前記円筒７内に同心円上に収納される。前記円柱８の外側表面と前記円筒７の内側表面との隙間が混練室６となる。
【００２３】
前記円柱８は前記円筒７と共に前記ホルダー２ｃの排出側開口部から前記ホルダー２ｃ内に挿入される。そして、前記ホルダー２ｃの排出側開口部が前記蓋２ｄによって閉塞され、前記円柱８は前記円筒７と共に前記ホルダー２ｃ内に保持される。
尚、前記円柱８の外側表面と前記円筒７の内側表面との隙間、即ち、前記大環状空間と前記環状スリット空間の断面積の比を変更する場合は、前記混練室体２の蓋２ｄを取り外して、前記円筒７若しくは前記円柱８、又は両方を取り換えることによって行われる。
【００２４】
前記材料供給手段３は、材料を供給するために該混練室体２の材料供給口２ａに接続されている。この材料供給手段３は、スクリュー３ａと前記スクリュー３ａを収納して混練室体２の供給口２ａに一端が接続されるバレル３ｂと、前記スクリュ─３ａを回転させるために前記バレル３ｂの図示されていない他端に設けらる駆動機とを有する。前記スクリュ─３ａの回転速度及び送り量を調整して混練室体２の材料供給口２ａでの伸長流動分散（混練）に適した材料圧力を実現する。
尚、前記材料供給手段３は、前記スクリュー型に限らない。プランジャー型等の従来から使用されている種々の材料送り手段を材料供給手段３として用いてもよい。また、従来の押出機や混練機を材料供給手段３として混練室体２の供給口２ａに接続しても良い。
【００２５】
ヒータ等の前記材料温度調節手段５は、前記混練室６内の材料温度を調節するために少なくとも前記混練室体２の周囲に設けられている。前記材料温度調節手段５によって材料は伸長流動分散（混練）に適した材料温度に設定される。第１実施形態においては、第１，第２ヒータ５ａ，５ｂが前記材料供給手段３のバレル３ｂの周囲と前記混練室体２の周囲とに設けられている。前記第１ヒータ５ａによって伸長流動分散（混練）に適した温度にされ、第２ヒータ５ｂによってその温度が維持される。
【００２６】
次に、前記第１の実施形態による本発明の混練装置１による作動を説明する。前記材料供給手段３の周囲設けられたヒータ５ａによって伸長流動分散（混練）に適した材料温度となった高分子材料等の粘性材料が材料供給手段３によって材料供給口２ａから混練室体２内へ供給される。混練室体２内に供給された材料は、混練室体２の軸Ｏ方向に流れて混練室６を通過し、材料排出靴口２ｂから排出される。
前記混練室６を通過する際に、前記混練室６が軸方向で大小交互に接続されている環状空間６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆにより形成されているので、伸長流動分散が起こり材料が混練される。
【００２７】
次に、第２の実施形態を図２により説明する。図１に示された第１の実施形態中の部材と同じ働きをするものは、図１と同じ符号を付してその説明を省略する。
図２において、図１と異なるところは、前記混練室体２内の材料供給口２ａ内にギヤポンプ１１が設けられている点である。このギヤポンプ１１によって材料供給口２ａ側で百ｋｇｆ／ｃｍ² 〔９８０×１００² Ｐａ〕以上の材料圧力を発生させることができる。第１の実施形態において説明した材料供給手段３によってのみで発生させることのできる材料圧力は百ｋｇｆ／ｃｍ² 〔９８０×１００² Ｐａ〕程度で、高圧の材料圧力を発生させることが難しい。この第２実施形態の本発明の混練装置は、材料供給口２ａ側で百ｋｇｆ／ｃｍ² 〔９８０×１００² Ｐａ〕以上の高圧の材料圧力を発生させる混練装置として最適である。
尚、前記ギヤポンプ１１は、前記混練室体２内の材料供給口２ａ内ではなく、材料供給口２ａ側であれば、材料供給手段３の材料流出口内に設けても良い。
【００２８】
図２において、符号１２は、ギヤポンプ１１への流入口１１ａに設けられている第１圧力計１２である。この第１圧力計１２により測定された圧力値は前記材料供給手段の駆動部フィードバックされ、ギヤポンプ１１へ流入する際の材料の圧力が制御される。ギヤポンプ１１へ流入する際の材料の圧力は、０から５０ｋｇｆ／ｃｍ² 〔４９０×１００² Ｐａ〕の範囲内の一定値に設定される。
符号１３は、ギヤポンプ１１からの流出口であり混練室６への流入口１１ｂに設けられている第２圧力計１３である。この第２圧力計１３により測定された圧力値に基づいて、ギヤポンプ１１の回転を制御する。材料が混練室６へ流入する際の材料圧力が伸長流動分散（混練）に適した圧力となるようにギヤポンプ１１の回転を制御する。
【００２９】
また、前記第１，第２の実施形態においては、環状のスリット空間を形成するために混練室体２内の円柱８に設けられた凸条の上面は、混練室体２の軸Ｏと平行な面で形成されているが、図３に示すように、軸Ｏに対して所定角度θ傾いたテーパ面１４としても良い。図３において、円筒７に設けれた溝１５を形成している両側面の傾斜面の一方１５ａを、前記テーパ面１４と同様に、軸Ｏに対して所定角度θ傾いた傾斜面とし、前記隣合う溝１５同士の距離を零としている。そして、前記円柱８のテーパ面１４と前記円筒の一方の傾斜面１５ａが対向する位置を基本位置として前記円筒７内に前記円柱８を収納している。この場合も前記円柱８の外側表面と前記円筒７の内側表面との隙間が混練室１６となる。前記円柱８のテーパ面１４と前記円筒の一方の傾斜面１５ａが基本位置にあるときの隙間を基本隙間とする。
【００３０】
前記隙間は、断面積比調整手段４によって変化せることが可能である。
断面積比調整手段４は前記混練室体２の大環状空間と前記環状のスリット空間の最大最小の断面積の比Ｓ１／Ｓ２を調整するために設けられている。前記断面積比調整手段４は、前記混練室体２を構成する円筒７の材料排出側２ａの端面に９０°間隔で設けられた引きボルト若しくは押ボルト４である。図１において説明した前記円筒７を前記ホルダー２ｃ内に軸方向の移動が可能なように保持し、前記ボルト４によって円筒７を僅かに軸方向に移動させることによって、前記基本位置から僅かにずらして大環状空間と環状のスリット空間の最大最小の断面積の比Ｓ１／Ｓ２を調整する。
具体的には、混練室１６である前記円柱８の外側表面と前記円筒７の内側表面との隙間が、前記円筒７の軸方向の移動によって、基本隙間に対して、特に、環状スリット空間のスリット幅が０から２ｍｍの範囲で変化するように、前記円柱８の外側表面と前記円筒７の内側表面に設けられた溝の形状及び隣合う溝との間隔及び、隣合う溝に挟まれた凸条のテーパ面の角度は決定されている。
例えば、前記テーパ面１４の所定角度θを１５°とすれば、前記円筒７が５ｍｍ軸方向に移動すると、前記スリット幅は１ｍｍ変化する。
このような断面積比調整手段４によって前記円柱８と前記円筒７との隙間が伸長流動分散（混練）に適した隙間の値に設定される。
尚、前記円筒７を円柱８に対して相対移動可能として設けているが、前記円柱８を円筒７に対して相対移動可能に設けて断面積比を調整しても良い。
【００３１】
更にまた、上述のいずれの本発明の混練装置においても混練室体２の材料排出口２ｂに、ペレットやシート、フィルム状等に成形するためのダイを接続してもよい。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１に記載の本発明の混練方法は、複数の環状の空間が同軸上で軸方向に連なって形成された環状、且つ、筒状の混練室を有し、大環状空間と環状のスリット空間が交互に連なっているので、大環状空間から環状のスリット空間へ材料が流入して起きる伸長流動分散が複数箇所で起きる。前記複数箇所で起きる大環状空間から環状のスリット空間へ材料が流入する際の流入圧力損失は、環状空間の径に制限されず一定に調整されることができる。そのため、前記複数箇所で起きる流入圧力損失を同一の所望値に設定できる。その結果、効率よく混練が行えるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の混練装置の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の混練装置の断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態の混練装置の断面図である。
【図４】従来の混練装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 混練装置
２ 混練室体
３ 材料供給手段
２ａ 材料供給口
２ｂ 材料排出口
４ 断面積比調整手段
５ 材料温度調節手段
６ 混練室
Ｏ 軸
Ｓ１ 最大の断面積
Ｓ２ 最小の断面積
６ａ，６ｃ，６ｅ 大環状空間
６ｂ，６ｄ，６ｆ 環状のスリット空間

Claims (1)

1. 複数の環状の空間が同軸上で軸方向に連なって形成された環状、且つ、筒状の混練室であり、且つ、材料の流れ方向に垂直な面で切った断面に関して最大の断面積を有する大環状空間と最小の断面積を有する環状のスリット空間が交互に連なっている混練室に、材料を流し入れ、通過させて伸長流動分散によって混練する方法であって、前記大環状空間から前記環状スリット空間へと材料が流入するときの流入圧力損失によって伸長流動分散度を制御して混練する混練方法。

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