JP4521393B2 - 二軸延伸プラスチックチューブの連続製造方法と、この方法を実施する製造ライン - Google Patents

Description

本発明は素材を押出し成形し、分子配向温度まで加熱し、軸線方向に互いに離れた２つの密閉リングの間で流体の内圧を加えて放射方向に膨張させ、出口側でチューブに軸方向に引張力を加えながら寸法決定(calibration、較正、サイジング)と冷却を行なって二軸延伸プラスチックチューブを連続的に製造する方法に関するものである。

上記方法で作ったチューブ材料の最終特性は放射方向への膨張方法に依存するということは知られている。すなわち、外径および素材の厚さが同じ場合、完成チューブ材料の機械特性は放射方向への膨張度が大きければ大きいほど良くなるが、放射方向膨張を大きくすると、同じ円周の所の完成チューブ材料の厚さにバラツキが生じ、チューブ材料に偏心が生じる。さらに、縦方向の伸びのバラツキが生じると製品の仕様に合わなくなる。

上記プラスチックチューブの連続製造方法は本出願人の下記特許文献に記載されている。
フランス国特許第２，８０６，９５６号公報

また、素材をマンドレルの外側を通過させて放射方向に膨張させ、それによって二軸延伸を行ってプラスチックチューブを連続的に製造する方法は下記文献に記載されている。
米国特許第５，９４８，３３２号明細書（ＷＯ９５／２５６２７号に対応） この文献ではチューブ断面全体にわたってチューブの厚さを均一にするためにチューブがマンドレルの外側を通過する際に受ける抵抗力を調整する手段を用いている。この手段は素材の周りにセクタ状に配置された加熱板と完成チューブの厚さ測定値に応答する自動制御システムとを備えており、各加熱板の温度はセクタ毎に制御される。しかし、この設備は複雑で、しかも、外側から加熱板を用いて熱を作用させるため壁の厚さ全体にわたって材料の特性を均一にすることができない。また、熱交換操作に時間がかかるため、変更の指令が出たときの応答時間が遅くなる。

本発明の目的は、放射方向膨張度をかなり大きくした時でも完成チューブの偏心と縦方向伸びのバラツキを無くすことができるか、少なくとも大幅に減らすことができるプラスチックチューブの連続製造方法を提供することにある。

本発明では、上記定義の二軸延伸プラスチックチューブの連続製造方法において、放射方向に膨張した少なくとも１つの帯域で素材の壁へ外側から内部の圧力に対抗する圧力を加え、上記の内部の圧力に対抗する圧力は制御下に膨張が続くのを妨げないように内圧よりも低く且つ確実に膨張できるだけの高い圧力であり、材料の厚さが同一円周上で実質的に一定となる圧力であることを特徴とする。

上記の内部の圧力に対抗する圧力は、この圧力が存在しない場合に制御下に膨張を続けることができない帯域のみに局部的に加えることができる。
上記の内部の圧力に対抗する圧力は機械的に加えることができる。
上記の内部の圧力に対抗する圧力はサイジング装置の入口に加えるのが有利である。

本発明はさらに、素材を成形するための押出機と、素材を分子配向温度に加熱するための少なくとも１つの加熱槽と、素材を放射方向に膨張させる装置と、寸法調整装置と、チューブの冷却装置と、チューブ出口に設けた少なくとも１つの下流の引張り機とを有する上記方法を実施するための製造ラインにおいて、放射方向に膨張する帯域に、素材の内部の圧力に対抗する圧力を素材の外壁に加える手段を有することを特徴とする製造ラインを提供する。

上記の素材の内部の圧力に対抗する圧力を素材の外壁に加える手段は機械的手段であるのが有利である。
この機械的手段はローラまたはコロで構成できる。ローラの軸はチューブの縦方向に対して直角な軸に回転に取り付けられたブラケットで支持できる。ローラは弾性手段や位置決めネジを素材の壁に押し付けることができる。

平均径のチューブの場合には４つのローラを円周上に配置することができる。それより大きな径の場合には、円周に沿って６つまたはそれ以上のローラを配置することができる。
上記の内部の圧力に対抗する圧力を下流で測定されたチューブの厚さに応じて調節する自動制御装置を設けるのが有利である。
本発明の上記手段およびそれ以外の手段は添付図面を参照した以下の実施例の説明から明らかになるであろう。しかし、本発明が下記実施例に制限されるものではない。

［図１］は本発明方法を実施する製造ライン１を示している。この製造ライン１では上流端（図１の左側）から下流端（図１の右側）へ向かって連続的に製造が行われる。この製造ラインは、例えば特許文献１（フランス国特許第２，８０６，９５６号公報）で公知のように、供給ホッパから熱可塑性材料が供給される押出機を含む組立体２（概念的に示す）を有している。素材Ｅは約１５０℃以上の高温で押出機２から出て、一般に水を入れた一つまたは複数の冷却槽３を通り、その間に素材Ｅの温度は大幅に下がる。

押出機には素材Ｅと同軸な金属管４が固定され、［図１］の右側１へ向かって延びている。この金属管４は押出機から最も遠いその軸方向密封端に少なくとも１つの開口５を放射方向に有している。
温度調節された最後の冷却槽３、すなわち［図１］で最も右側にある冷却槽は素材Ｅを分子配向温度範囲内の温度に加熱するように設計されている。ＰＶＣの場合、この温度は９０〜１１０℃の範囲にある。
冷却槽３の出口には内部プラグ７上に素材Ｅを押し付けるリング６が固定されている。内部プラグ７は上記の開口部の上流側でチューブ６の内周と係合している。

素材Ｅは軸線方向でリング６と寸法調整装置（サイジング装置、calibreur）８（概念的に示してある）の入口との間の帯域Ａで外気中に出る。このサイジング装置８は冷却槽９（例えば水を真空吸引する冷却槽）の中に配置されている。冷却槽９を出た完成チューブＴは引き取り装置１０へ送られる。この引き取り装置１０は必要な引張り力をライン全体に加えてチューブおよび素材を引張る。

連続運転期にはチューブ４の密封端は下流プラグ１１で密封される。この下流プラグ１１は例えばケーブル１２で押出機に固定されている。内部プラグ７および下流プラグ１１は密封チャンバＣを規定する軸線方向に離れた２つの密閉具を構成している。この密封チャンバＣには加圧流体、好ましくは加圧空気がパイプ４および開口５を介して導入される。
定常運転状態が確立したときには［図１］に概念的に示すように、素材Ｅはリング６の出口で流体の内圧によってサイジング装置８の内径に達するまで放射方向に膨張する。

スタートアップ段階での過渡的な手順は上記特許文献１（フランス国特許第２，８０６，９５６号公報）に記載されているものと同じである。
チューブ材料Ｔの最終特性はリング６とサイジング装置８との間での素材Ｅの放射方向膨張度に依存する。この放射方向膨張度が大きければ大きいほどチューブ材料Ｔの機械特性は良くなる。

しかし、ある放射方向膨張比を超えると、帯域Ａ内にできる「泡、bulle」が変形し、その幾何学軸線に対する回転対称性が失われる。その結果、最終チューブが偏心し、同じ円周上で厚さが異なり、縦方向伸びが異なり、製品の仕様に適合しなくなる。

こうした実験の観察結果は内圧（ｂａｒ）に対する素材Ｅの外径の変化を示す［図５］で説明できる。この例では素材はゲージ圧がゼロのときに外径が約５８ｍｍである。この説明は他の直径でも同じである。

［図５］の曲線は最大値Ｍを通り、その横座標に平行な接線は外径が約９２ｍｍ、内圧が１０ｂａｒのときである。この最大値Ｍ点に対応する外径よりも小さい外径では圧力／変形の関係は増加関数であり、最大値Ｍ点を超えると圧力／変形の関係は減少関数になる。この現象は主として降伏点を超えた時の材料の延伸度（etirement）に関連する。その結果、制御できない一種の不安定相となる。降伏点に対応する最大値Ｍまで素材を膨張させるの必要な内圧は素材を放射方向に連続して伸ばすことができる圧力よりも高くなる。

最大値Ｍ点に対応する外径を超えた外径では泡（バブル）の増加度を制御することができない。そのため断面が非対称に変形する。
この欠点を無くすため、特に、最大値Ｍ点に対応する放射方向膨張比を超える放射方向膨張比で、円形断面に厚さに差を生じさせずに、放射方向へさらに膨張させるために、本発明では対抗圧力（pression antagoniste）すなわち内圧から減算される逆の圧力を外側から加えて素材の壁のストレスを減する。

その一つの簡単な解決策はサイジング装置８の入口にローラ１３を配置して上記の対抗圧力を機械的に加えることである。ローラ１３のトレッド帯はプラスチックで作るのが好ましい。ローラ１３の回転軸１４は素材Ｅの幾何学軸線Ｘ−Ｘに対して直角である。この回転軸１４（［図２］）の両端は、素材とは反対側でローラ１３を被ったカバー１６の側面部１５に設けられた軸受に支持されている。カバー１６は素材Ｅの幾何学軸線Ｘ−Ｘに対してほぼ平行な取付板１７に固定されている。この取付板１７のローラ１３から最も遠い端部（サイジング装置８に近い端部）は素材の幾何学軸線Ｘ−Ｘに対して直角な横方向軸１８に関節接合されている。この横方向軸１８は軸線Ｘ−Ｘに対して直角な板１９に支持され、この板１９はサイジング装置８または槽９の入口面に、例えばネジによって押されたリング部材２０（［図２］）によって締め付けられている。リング部材２０を緩めることによって、幾何学軸線Ｘ−Ｘを中心とする板１９の角度位置を調節できる。

ローラ１３および取付板１７には圧縮バネ２１の押圧力を幾何学軸線Ｘ−Ｘの方向に加えるのが有利である。このバネ２１の一端は取付板１７のローラ１３とは反対面に当接され、その他端は板１９に固定されたブレード２２に当接されている。
［図３］に示す変形例では上記バネ２１の代わりに、ブレード２２に螺合し且つ取付板１７に当接した位置決めネジ２３を用いている。ローラ１３によって加わる圧力はネジ２３を締め付けたり、緩めることで調節する。

［図４］に示す変形例ではバネ２１の代わりに、チューブＴの厚さに合うように流体圧力が自動制御される空気圧式または液圧式のラムを用いる。厚さは例えば冷却槽９の出口に配置されたセンサ２５、特に超音波センサで検出する。ラム２４は上記バネ２１と同様にブレード２２と取付板１７との間に配置される。ラム２４は出口厚さに応じた圧力でローラ１３を泡（バブル）の壁に押し付けて厚さを所望値に維持する。この変形例を用いると、チューブの連続製造を最小限の偏心で自動的に調整できる。

別の変形例（図示せず）では、ローラ１３の代わりに、摩擦係数が低い材料で作られた、端部が丸い単純なフィンガを素材Ｅの外壁に押圧して用いることができる。さらに別の可能性としては、素材Ｅの外壁領域に作用する流体を用いて上記の対抗圧力を加えることができる。

この対抗圧力すなわち内部の圧力に対抗する圧力は制御できない泡（バブル）の成長領域に局限することができる。材料がコンシステンシーおよび剛性を有するので、上記圧力を介入させる領域の数は、チューブの径に応じて、少なくすることができる。
［図２］に示す実施例では、ローラ１３が互いにほぼ直角な４つの領域に設けられている。このような解決策は泡（バブル）の径（サイジング装置８の入口での径）が約１００ｍｍの素材に適用できる。［図２］では４つのローラ１３が素材の母線の上下左右にそれぞれ設置されている。これらのローラ１３は泡（バブル）が膨張したときに材料と接触して位置決めされる。ローラ１３に対応する４つの母線における二軸延伸チューブの厚さを下流で測定し、仕様書の目標値と比較する。例えば手動で圧力を調整し、ローラと接触する一つまたは複数の母線上でこのシステムを用いて泡（バブル）の壁に加える。

直径が約２００ｍｍの場合にはローラを用いて対抗圧力を６つの領域に加えるのが好ましい。
外側からの上記対抗圧力はチューブの壁の表面層の摩擦および局部冷却が事実上生じないように加える必要がある。
各ローラを軸線Ｘ−Ｘを中心に回転自在に取付けられた一つのリング部材で支持し、軸線Ｘ−Ｘを中心とした各ローラの角度位置をチューブＴの周りに配置したセンサ２５で検出した厚さのバチツキの角度位置を関数にして自動制御することができる。

製造ラインの運転、特にローラ１３から成る対抗圧力手段は上記説明から明らかである。
本発明では最大値Ｍ（［図５］）を超えて放射方向に膨張をした場合でもチューブの全円形断面において事実上均一な厚さが保証できる。従って、所定外径の素材から得られる最終外径の範囲を広げることができる。特に、優れた機械特性を有するハイクラスのチューブを得ることができる（クラスのレベルは素材外径の相対増加度に依存する）。
径が約１００ｍｍのチューブの場合、従来方法で得られる円形断面のチューブの厚さは０．３〜０．５ｍｍであるが、本発明では０．１ｍｍ以下（これに限定されるものではない）にすることができる。

本発明方法を用いた製造ラインの一部の断面図。 内部の圧力に対抗する圧力を加えるためのローラを備えたサイジング装置の入口の概念図。 内部の圧力に対抗する押圧力を加える手段の変形例の図。 内部の圧力に対抗する押圧を加える手段の別の変形例の図。 チューブ直径（横座標）（ｍｍ表記）の増加度を内圧（縦座標）（ｂａｒ表記）の関数で表した曲線。

Claims (11)

1. 押出し成形で素材（Ｅ）を作り、この素材（Ｅ）を分子配向温度まで加熱し、軸線方向に互いに離れた２つの密閉装置（７、１１）の間で素材（Ｅ）の内部に流体圧力を加えて素材（Ｅ）を放射方向に膨張させ、素材（Ｅ）に軸線方向引張り力を加えて寸法調整（８）と冷却（９）とを行なう、二軸延伸によってプラスチックチューブを連続的に製造する方法において、
   放射方向に膨張した少なくとも１つの帯域で素材の壁へ外側から内部の圧力に対抗する圧力を加え（１３）、上記の内部の圧力に対抗する圧力は制御下に膨張が続くのを妨げず、内圧よりも低く、確実に膨張できるだけの高さで、材料の厚さを同一円周上で一定にする圧力であり、上記の内部の圧力に対抗する圧力はこの圧力が存在しないと無制御下に膨張を続ける帯域のみに局部的に加えることを特徴とする方法。
   １に記載の方法。
2. 上記の内部の圧力に対抗する圧力を、上記２つの密閉装置（７、１１）の最初の密閉装置である内部プラグ（７）と寸法調整と冷却とを行なう装置（８、９）との間の帯域のみに局部的に加える請求項１に記載の方法。
3. 上記の内部の圧力に対抗する圧力を寸法調整装置（８）の入口で加える請求項１または２に記載の方法。
4. 上記の内部の圧力に対抗する圧力を機械的に加える請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 素材を成形するための押出機（２）と、素材を分子配向温度に加熱するための少なくとも１つの加熱槽（３）と、素材を放射方向に膨張させる装置（４、５、７、１１）と、寸法調整装置（８）と、チューブの冷却装置（９）と、チューブ出口に設けた少なくとも１つの下流の引張り機（１０）とを有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法を実施するための製造ラインにおいて、
   放射方向に膨張する帯域（Ａ）に、素材（Ｅ）の内部の圧力に対抗する圧力を素材（Ｅ）の外壁に加える手段（１３、２１；１３、２３；１３、２４）を有することを特徴とする製造ライン。
6. 上記の内部の圧力に対抗する圧力を素材の外壁に加える手段が機械的手段（１３）である請求項５に記載の製造ライン。
7. 上記の機械的手段がローラ（１３）から成る請求項６に記載の製造ライン。
8. ローラの軸（１４）がブラケット（１６）に支持され、このブラケット（１６）がチューブの縦方向（Ｘ−Ｘ）に対して直角な軸（１８）に回動自在に取り付けられている請求項７に記載の製造ライン。
9. ローラ（１３）が弾性手段（２１）によって素材の壁上に押圧されている請求項８に記載の製造ライン。
10. ローラ（１３）が流体ラム（２４）によって押圧され、さらに、上記の内部の圧力に対抗する圧力を下流で測定された（２５）チューブの厚さに応じて調節する自動制御装置を有する請求項８に記載の製造ライン。
11. 直径が１００ｍｍのチューブの場合に４つのローラ（１３）を円周上に配置する請求項７に記載の製造ライン。

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