JP4571209B2 - 押出成形用ダイ及びダイ流路決定方法 - Google Patents

Description

この発明は、押出成形用ダイに係り、特に流体をフィルムシート等に押し出すフラットダイ及び丸ダイ等に応用し得る高ユニフォミティ型押出成形用ダイに関する。
また、この発明は、押出成形用ダイのダイ流路決定方法にも関している。

従来の主にフィルムシート製品を製造する際に用いられるフラットダイは、押出機等の溶融可塑化装置から送られてきた流体を、薄く幅広い状態で押し出すための装置であり、通常、単一樹脂を押し出す、あるいはシートの厚み方向に異なる樹脂を積層させた状態で押し出す成形方式が用いられる。

従来のフラットダイの流路形状として、例えば非特許文献１に記載されている公知のコートハンガーダイがある。これは、次の式（１）からマニホールド径を求めた流路設計に基づく形状である。
Ｒ＝［（１＋ａ²）^n'/2・α・ｙ／ａ^n'］^1/(n'+3) ・・・（１）
ここで、ａ＝ｄｔ／ｄＷ、α＝（ｎ’＋３）・Ｈ^(n'+2)／２π（ｎ’＋２）、Ｒはマニホールド径、ｙは端部からの距離、Ｈはデルタ形ギャップ（流路厚み）、ｔは傾斜量、Ｗはリップ長である。また、ｎ’は、ηを剪断粘度、γを剪断速度、ｍをモデルパラメータとして次の式（２）で定義されるPower lawモデルパラメータ（ｎ’≧１）である。
η＝ｍγ^(n'-1)/n' ・・・（２）

このコートハンガーダイは、図５に示されるように、マニホールド１１の径あるいはマニホールド径から算出されるマニホールド断面積が中央部から端部へ向かって徐々に漸減するタイプであり、コートハンガー漸減マニホールド型と称される。コートハンガーダイの形状は、マニホールド１１の角度（傾斜量）やスリット１２のギャップ（流路厚み）に基づいてマニホールド径が決定されるものであり、スリットそのものがダイ出口の厚み均一性（以下、ユニフォミティとする）を向上させるものではない。
また、別の流路形状として、例えば特許文献１には、図６に示されるように、マニホールド２１に続く広ギャップスリット２２の長さが幅方向に漸増し、その下段の狭ギャップスリット２３の長さが幅方向に漸減する形状が記載されており、傾斜ランドストレートマニホールド型と記されている。

「押出成形用ダイの設計」、伊藤公正著、工業調査会発行、ｐ４８−５７ 特開昭５６−１３６３２８号公報

ダイからフィルムシート状に押し出される樹脂の流動特性は、最終製品の品質に影響を及ぼす。特に、ユニフォミティは高いほど良く、高ユニフォミティダイであれば、装置は立ち上げ時の厚み調整時間の短縮や、局所的な調整ボルトの締め付けによる残留応力のムラを抑制することが可能となる。ただし、高ユニフォミティダイを設計する場合には、マニホールド径あるいはマニホールド径から算出されるマニホールド断面積が大きくなりがちであり、ダイ端部の滞留時間が極端に長くなってヤケやフィッシュアイ発生の原因となるおそれがある。

上述したコートハンガー漸減マニホールド型は、フラットダイの中でもユニフォミティが高いことが知られているものの、この流路形状に特有な幅方向の厚薄分布が生じるため、近年の光学系樹脂の押出等の要求対応が困難な場合がある。
一方、傾斜ランドストレートマニホールド型は、ユニフォミティが高く、１台のダイで粘度特性が異なる種々の樹脂への対応性がコートハンガー漸減マニホールド型より優れているが、マニホールドが大径且つストレート形状であるために、端部の滞留時間が長くなる問題がある。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、ユニフォミティの向上と滞留時間の短縮の双方を図ることができる押出成形用ダイを提供することを目的とする。
また、この発明は、このような押出成形用ダイに対するダイ流路決定方法を提供することも目的としている。

この発明に係る押出成形用ダイは、ダイ幅方向に延びると共に流体のダイへの流入口からダイ端部方向へ向かって断面積が漸減するマニホールドと、マニホールドの下流側に連通するスリット部とを備え、スリット部は、マニホールドの径より狭い流路厚みを有すると共に流体のダイへの流入口からダイ端部方向へ向かって流路長が漸増する第１のスリットと、第１のスリットに連通し且つ第１のスリットより狭い流路厚みを有すると共に流体のダイへの流入口からダイ端部方向へ向かって流路長が漸減する第２のスリットとを含むものである。

スリット部の下流側に連通し且つ第２のスリットより狭い流路厚みを有すると共にダイ幅方向にわたって均一な流路長を有する第３のスリットをさらに備えることが好ましい。
また、ダイ幅方向に対する第１のスリットの流路長の漸増量と第２のスリットの流路長の漸減量が互いに反比例の関係にあり、マニホールドの断面積が第１のスリットの流路長の漸増量に応じてダイ幅方向座標の関数で表されるように構成することができる。

この発明に係るダイ流路決定方法は、上述したように、ダイ幅方向に対する第１のスリットの流路長の漸増量と第２のスリットの流路長の漸減量が互いに反比例の関係にあり、マニホールドの断面積が第１のスリットにおける流路長の漸増量に応じてダイ幅方向座標の関数で表される押出成形用ダイに対して、次式によりマニホールドの径Ｒを決定する方法である。
Ｒ＝｛α・（Ａ−１）^-n'（ｄＴ／ｄＺ）^-n'・Ｚ｝^1/(n'+3)
ただし、α＝（ｎ’＋３）・ｈ２^(n'+2)／２π（ｎ’＋２）、Ａ＝（ｈ２／ｈ１）^(n'+2)/n'、 ｄＴ／ｄＺは第１のスリットの流路長の漸増量、Ｚはダイ幅方向座標、ｈ１は第１のスリットの流路厚み、ｈ２は第２のスリットの流路厚みであり、ｎ’は、ηを剪断粘度、γを剪断速度、ｍをモデルパラメータとして式η＝ｍγ^(n'-1)/n'で定義されるPower lawモデルパラメータ（ｎ’≧１）である。

この発明によれば、流体のダイへの流入口からダイ端部方向へ向かって断面積が漸減するマニホールドの下流側に、流体のダイへの流入口からダイ端部方向へ向かって流路長が漸増する第１のスリットとこの第１のスリットに連通し且つ流路長が漸減する第２のスリットとを含むスリット部が連通するので、ユニフォミティの向上と滞留時間の短縮の双方を図ることができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に実施の形態に係る押出成形用ダイの正面断面図を示し、図２に流体の流入口を省略した対称面であるダイの幅方向中央部から一方の端部までの流路を概略的に示す。この押出成形用ダイは、ダイ中央部上方の流入口１から流体がマニホールド２へ流入する左右対称の形状を有し、流路は、流体の上流側から、マニホールド２、第１のスリット３と第２のスリット４を有するスリット部、及び第３のスリット５に領域分割される。

マニホールド２は、ダイ幅方向に延びると共にダイの幅方向中央部において流入口１に連通し、ダイの幅方向中央部から端部に向かって断面積が漸減する形状を有している。このマニホールド２の下流側に連通するスリット部の第１のスリット３は、マニホールド２の径より狭いギャップ（流路厚み）ｈ１を有すると共にその流路長はダイの幅方向中央部から端部に向かって直線的に漸増している。第１のスリット３の下流側に連通する第２のスリット４は、第１のスリット３のギャップｈ１より狭いギャップｈ２を有すると共にその流路長はダイの幅方向中央部から端部に向かって直線的に漸減する。これら第１のスリット３における流路長の漸増量と第２のスリット４における流路長の漸減量は、互いに反比例の関係にあり、流路長はＴで表される。第２のスリット４の下流側に連通する第３のスリット５は、第２のスリット４のギャップｈ２より狭いギャップを有し、ダイから押し出す際に最終的な流れ安定性を保つ領域であるため、その流路長は幅方向にわたって均一である。

このような流路形状において、マニホールド２の径Ｒは、ダイ幅方向に対する第１のスリット３の流路長の漸増量、すなわちダイ幅方向に対する第２のスリット４の流路長の漸減量に応じて、ダイの幅方向端部を原点としたダイ幅方向座標Ｚの関数として、次の式（３）により決定することができる。
Ｒ＝｛α・（Ａ−１）^-n'（ｄＴ／ｄＺ）^-n'・Ｚ｝^1/(n'+3) ・・・（３）
ここで、α＝（ｎ’＋３）・ｈ２^(n'+2)／２π（ｎ’＋２）、Ａ＝（ｈ２／ｈ１）^(n'+2)/n'であり、ｎ’は、ηを剪断粘度、γを剪断速度、ｍをモデルパラメータとして次式で定義されるPower lawモデルパラメータ（ｎ’≧１）である。
η＝ｍγ^(n'-1)/n'

図１及び図２に示されるように、ダイ幅方向に対する第１のスリット３の流路長Ｔの漸増量（ｄＴ／ｄＺ）、すなわちダイ幅方向に対する第２のスリット４の流路長Ｔの漸減量（ｄＴ／ｄＺ）が一定値であるため、式（３）中において定数とすることができる。一方、第１のスリット３及び第２のスリット４の流路長の漸増減量が非直線的な場合であっても、微小幅ｄＺにおける変化量ｄＴを幅方向座標Ｚの関数として定義すれば、式（３）中で座標Ｚ及び漸増減量（ｄＴ／ｄＺ）を都度設定することで、マニホールド径Ｒの決定が可能となる。式（３）で求められるマニホールド径Ｒは、マニホールド断面が円形の場合であり、円形以外の形状とする場合には、マニホールド径Ｒから算出される断面積と同一の流路断面積にすることが好ましい。

流体、ダイ幅、ダイ全体の流路長、押出量、及び押出流体温度をいずれも同一として流路設計を行った、従来のコートハンガー漸減マニホールド型及び傾斜ランドストレートマニホールド型と、この実施の形態に係るダイに対して、ユニフォミティと滞留時間のシミュレーションを行った。ユニフォミティのシミュレーション結果を図３に、滞留時間のシミュレーション結果を図４にそれぞれ示す。なお、この実施の形態に係るダイとして、ユニフォミティ重視で流路決定をしたダイ（実施例１）と、滞留時間の短縮を考慮して流路決定をしたダイ（実施例２）の２種類が示されている。

図３に示されるように、滞留時間重視で流路決定をした実施例２のダイのユニフォミティは、従来の傾斜ランドストレートマニホールド型とほぼ同等の精度を示しているが、ユニフォミティ重視で流路決定をした実施例１のダイは、±０．２％以下と極めて高精度のユニフォミティ特性を示していることがわかる。

図４に示される滞留時間については、ユニフォミティ重視で流路決定をした実施例１のダイは、従来の傾斜ランドストレートマニホールド型と同様か、わずかに長い滞留時間となっているが、滞留時間重視で流路決定をした実施例２のダイは、従来のコートハンガー漸減マニホールド型とほぼ同等の滞留時間分布を示している。

以上のように、流体の流入口から端部へ向かって流路長が漸増する第１のスリット３と流路長が漸減する第２のスリット４を、流入口からダイ端部方向へ向かって断面積が漸減するマニホールド２に順次連通させたので、高ユニフォミティの押出物を得ることができる。
このような押出成形用ダイにおいて、滞留時間の長さにより劣化等が問題視される流体の場合に、滞留時間の短縮を前提に流路形状を決定した場合でもユニフォミティは従来のダイとほぼ同等あるいはより高精度化させることができる。
この発明に係る押出成形用ダイの流路形状は、従来のダイ流路の製作方法と同一の方法で製作することができるので、製作コストの増大を抑制することが可能である。

この発明の実施の形態に係る押出成形用ダイの正面断面図である。 実施の形態に係る押出成形用ダイの流路を概略的に示す部分斜視図である。 実施の形態に係るダイと従来のダイに対するユニフォミティのシミュレーション結果を示すグラフである。 実施の形態に係るダイと従来のダイに対する滞留時間のシミュレーション結果を示すグラフである。 従来のコートハンガー漸減マニホールド型ダイの正面断面図である。 従来の傾斜ランドストレートマニホールド型ダイの正面断面図である。

符号の説明

１ 流入口、２ マニホールド、３ 第１のスリット、４ 第２のスリット、５ 第３のスリット、Ｔ 流路長、ｈ１，ｈ２ ギャップ。

Claims (3)

1. ダイ幅方向に延びると共に流体のダイへの流入口からダイ端部方向へ向かって断面積が漸減するマニホールドと、
   前記マニホールドの下流側に連通するスリット部と
   を備え、
   前記スリット部は、
   前記マニホールドの径より狭い流路厚みを有すると共に流体のダイへの流入口からダイ端部方向へ向かって流路長が漸増する第１のスリットと、
   前記第１のスリットに連通し且つ前記第１のスリットより狭い流路厚みを有すると共に流体のダイへの流入口からダイ端部方向へ向かって流路長が漸減する第２のスリットと
   を含み、
   ダイ幅方向に対する前記第１のスリットの流路長の漸増量と前記第２のスリットの流路長の漸減量は互いに反比例の関係にあり、
   前記マニホールドの断面積が前記第１のスリットの流路長の漸増量に応じてダイ幅方向座標の関数で表され、
   前記マニホールドの断面積Ｒは、次式を満たすことを特徴とする押出成形用ダイ。
   Ｒ＝｛α・（Ａ−１） ^-n' （ｄＴ／ｄＺ） ^-n' ・Ｚ｝ ^1/(n'+3)
   ［ただし、α＝（ｎ'＋３）・ｈ２ ^(n'+2) ／２π（ｎ'＋２）、Ａ＝（ｈ２／ｈ１） ^(n'+2)/n' 、 ｄＴ／ｄＺは第１のスリットの流路長の漸増量、Ｚはダイ幅方向座標、ｈ１は第１のスリットの流路厚み、ｈ２は第２のスリットの流路厚みであり、ｎ'は、ηを剪断粘度、γを剪断速度、ｍをモデルパラメータとして式η＝ｍγ ^(n'-1)/n' で定義されるPower lawモデルパラメータ（ｎ'≧１）である］
2. 前記スリット部の下流側に連通し且つ前記第２のスリットより狭い流路厚みを有すると共にダイ幅方向にわたって均一な流路長を有する第３のスリットをさらに備えた請求項１に記載の押出成形用ダイ。
3. ダイ幅方向に延びると共に流体のダイへの流入口からダイ端部方向へ向かって断面積が漸減するマニホールドと、
   前記マニホールドの下流側に連通するスリット部と
   を備え、
   前記スリット部は、
   前記マニホールドの径より狭い流路厚みを有すると共に流体のダイへの流入口からダイ端部方向へ向かって流路長が漸増する第１のスリットと、
   前記第１のスリットに連通し且つ前記第１のスリットより狭い流路厚みを有すると共に流体のダイへの流入口からダイ端部方向へ向かって流路長が漸減する第２のスリットと
   を含み、
   ダイ幅方向に対する前記第１のスリットの流路長の漸増量と前記第２のスリットの流路長の漸減量は互いに反比例の関係にあり、
   前記マニホールドの断面積が前記第１のスリットの流路長の漸増量に応じてダイ幅方向座標の関数で表されることを特徴とする押出成形用ダイに対して、次式により前記マニホールドの断面積Ｒを決定することを特徴とするダイ流路決定方法。
   Ｒ＝｛α・（Ａ−１） ^-n' （ｄＴ／ｄＺ） ^-n' ・Ｚ｝ ^1/(n'+3)
   ［ただし、α＝（ｎ’＋３）・ｈ２ ^(n'+2) ／２π（ｎ’＋２）、Ａ＝（ｈ２／ｈ１） ^(n'+2)/n' 、 ｄＴ／ｄＺは第１のスリットの流路長の漸増量、Ｚはダイ幅方向座標、ｈ１は第１のスリットの流路厚み、ｈ２は第２のスリットの流路厚みであり、ｎ’は、ηを剪断粘度、γを剪断速度、ｍをモデルパラメータとして式η＝ｍγ ^(n'-1)/n' で定義されるPower lawモデルパラメータ（ｎ’≧１）である］

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