JP4635620B2 - 溶融紡糸装置およびそれを用いた溶融紡糸方法 - Google Patents

Description

本発明は、単軸スクリュー式押出機を有する溶融紡糸装置およびそれを用いた溶融紡糸方法に関し、さらに詳しくは、押出機のスクリュー計量部のフライト幅を特定の諸元に規制することにより、低粘度樹脂材料を溶融、計量、押し出しすることができる溶融紡糸装置およびその溶融紡糸方法に関する。

溶融紡糸装置として、単軸スクリュー式押出機型の紡糸機を用いることは公知である。これを図１を参照しながら説明すると、溶融紡糸の原料となる樹脂材料Ｔを押出機本体１の供給部であるバレル２に供給し、該押出機内部に設けられたスクリュー３の回転に伴って樹脂材料Ｔが供給押進され、加熱帯シリンダー４からの加熱および樹脂材料Ｔ同士の摩擦発熱等により圧縮溶融され、以後、計量されて溶融ポリマーＰとして押出機先端から押し出すようにしたものである。さらにスクリューの構成要素について明記すると、図２に示すように、軸部３１の外周に一定のピッチで螺旋状の溝３２およびフライト３３を形成せしめたもので、回転駆動される押出機本体供給部２の基部側から順に、押出材料の供給部（フィード部）Ｆ、圧縮部（コンプレッション部）Ｃ、計量部（メータリング部）Ｍにて構成される。また溝３２の溝深さＨは、供給部Ｆで最も深く（Ｈｆ）、圧縮部Ｃで次第に浅くなり、計量部Ｍで最も浅くなっており（Ｈｍ）、加えてフライト３３のスクリュー長手方向の幅Ｗは、単純螺旋状を呈する一般的なスクリューだと一定の諸元を有する形状となっている。その中で上述したスクリューの構成要素、形状および各諸元値は、押出機内部の加熱帯シリンダー４の加熱温度にも依存するが、例えば突発的な圧力変動の抑制、前記樹脂材料が円滑にスクリューに供給、押進されることを狙いとした吐出安定性の向上、押出機内で発生する気泡成分の脱気、あるいは溶融ポリマーの粘度分布を均一にする混練度合といった品質、工程、操業面等を決定づける重要なパラメータといっても過言ではなく、そのために多くの解決手段が採られている。

例えば脱気対策については、樹脂材料同士間に含有した気体がそのまま押出機内に取り込まれて溶融ポリマー内部に混じること、あるいは樹脂材料が溶融時に分解ガスを発生することが気泡発生の主な現象であるが、該現象をスクリュー構成要素、形状あるいは各諸元値の変更にて解決する手段として、圧縮比（ＶＣＲ：材料供給口部の最初のスクリュースレッドの容積と該スクリュー先端部のスクリュースレッドの容積比）を特定値に定めたり（特許文献１参照）、あるいは、スクリュー螺旋形状の一部を多重螺旋にしたり、一部を逆方向の螺旋にしたり、多数の突起物構造にしたりすることで気泡を細分化し操業性の安定化を図ることが知られている（特許文献２参照）。

また混練度合を向上する手段として、例えばスクリュー計量部表面に凹凸形状を形成し、その凹部内を流れる樹脂を凸部におけるバレルとの間の間隙内に流入させることにより、溶融樹脂を剪断することで混練効果を高めて粘度バラツキを抑制するスクリュー形状が知られている（特許文献３参照）。

さらに突発的な圧力変動の抑制やスクリュー内部への樹脂材料の円滑移送等による吐出安定性の向上手段については、前者の圧力変動の抑制に関しては、例えばスクリューの供給部中盤または後半から圧縮部入口までの区間で溝深さを特定の範囲で漸減させ、かつ計量部の長さをスクリュー有効長（Ｌ／Ｄ）に対し特定の範囲とした押出機スクリューを用いることで、押し出し時の突発的な圧力変動を抑制可能であることが知られている（特許文献４参照）。

一方、後者の樹脂材料の円滑移送（噛み込み性）に関しては、スクリュー回転数を上昇させてチップの押進力を増加させる方法、あるいは加熱帯シリンダーの温度を高めて溶融開始を早めたり、スクリュー供給部の溝深さまたはスレッド容積に適する様、材料樹脂の最適形状を検討する方法が一般的な解決策と考えられているが、その他の公知の方法としてスクリュー供給部に位置する押出機のケーシング部となるバレルに対し、該バレルの中空部内周面にスクリュー軸方向に延びる凹溝を設けることでチップを安定してスクリューに連続供給したり（特許文献５参照）、スクリュー径（Ｄ）にて、スクリューピッチ（Ｐ）および溝深さ（Ｈ）がそれぞれ特定の範囲内の諸元を有する形状とすることで、高流動性を有する混合物を溶融混練する場合、スクリュー回転数を上げることなく噛み込み性を向上させることができることが知られている（特許文献６参照）。

しかしながら、上記のような方法では、溶融粘度が低い樹脂材料では図３に示す如く、押出機の加熱帯シリンダーとスクリュー外径部、詳しくはフライト部との隙間にて生ずる溶融ポリマーのバックフロー（Ｂ：矢印方向の流れ）が起こりやすく、該バックフローにより次第に樹脂材料が押進されなくなり、その結果、供給部にてオーバーフロー現象が発生し、スクリュー回転数を上げようが、バレル内面にスクリュー方向に偏芯溝を設けようが、スクリューピッチおよび溝深さを特定の範囲に規制しようが、噛み込み不良が発生し、良好な工程安定性を得ることができない。

また、バックフローを抑制する方法として、隣接する主フライト間に該主フライトの高さよりも低い副フライトを設けて溝部の流路面積を増やし、可塑物が受ける抵抗を大きくすることによりバックフローを抑制することが知られている。しかしこの方法は、主フライト間部のスクリュー軸表層部では前記バックフローを抑制することが可能であるが、所詮は主フライトピッチ間内での抑制にすぎないため、スクリューの回転押進につれて、前述した主フライト部とシリンダー間隙間に発生する可塑物のバックフローは、スクリュー全体からみると抑制に限界があるといった問題が生じてくる（特許文献７参照）。
特開昭６１−１２４６２３号公報 特開昭６１−１１３８１８号公報 特開昭５６−５７４８号公報 特開２００２−３５５８７７号公報 特開昭５３−２２５６２号公報 特開平１０−９０９４４号公報 特開平９−７６３２９号公報

本発明は、上記従来技術の欠点に鑑みてなされたもので、特に押出機のスクリュー計量部のフライト幅および計量部の有効長に着目し、低粘度樹脂材料では特に顕著であるバックフローを抑制することで、安定して前記樹脂材料を押出機スクリューに連続供給し噛み込み性を安定させるとともに、溶融紡糸において良好な吐出安定性を与える溶融紡糸装置およびその溶融紡糸方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る溶融紡糸装置は、単軸スクリュー式押出機を有する溶融紡糸装置において、前記押出機にて押し出される溶融ポリマーの粘度ηが８００ポイズ以下であり、該押出機のスクリューが下記（Ａ）、（Ｂ）を同時に満足することを特徴とするものからなる。
（Ａ）計量部スクリューフライト幅（Ｗm）とスクリュー外径（Ｄ）との関係
２／１５Ｄ≦Ｗm≦３／５Ｄ
（Ｂ）スクリュー全体有効長（Ｌ）と計量部有効長（Ｌm）との割合（ＬRm）
（あるいは、全フライト数に対する、計量部フライト数の割合）
０．１２≦ＬRm≦０．６８

この溶融紡糸装置においては、前記押出機のスクリューがさらに下記（Ｃ）を満足することが好ましい。
（Ｃ）圧縮比（ＶＣＲ）
３．０≦ＶＣＲ≦５．０
ＶＣＲ＝Ｈｆ（Ｄ−Ｈｆ）・Ｐｆ／Ｈｍ（Ｄ−Ｈｍ）・Ｐｍ
Ｈｆ：スクリュー供給部溝深さ、
Ｈｍ：スクリュー計量部溝深さ、
Ｐｆ：スクリュー供給部溝幅、
Ｐｍ：スクリュー計量部溝幅。

本発明に係る溶融紡糸方法は、上記のような溶融紡糸装置を用いることを特徴とする方法からなる。

この溶融紡糸方法においては、前記押出機にて押し出される溶融ポリマーの吐出量Ｑが２０ｋｇ／ｈ以下の低吐出量である場合にも、目標とする溶融紡糸が可能である。

本発明によれば、上記のような特定の諸元に規定することにより、低粘度樹脂材料特有のバックフローを抑制することができ、該材料を押出機スクリューに連続供給し円滑な噛み込み性を得ることができるとともに、突発的な圧力変動の抑制および吐出安定性といった良好な工程安定性を図ることが可能となる。

以下に、本発明について、望ましい実施の形態とともに、詳細に説明する。
本発明における押出機の単軸スクリューの種類としては、例えば単純螺旋形状を有するスクリューやスクリュー圧縮部等に多条螺旋を設けたスクリュー等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。本発明の最大の技術思想は、低粘度樹脂材料を溶融押出するにあたって、溶融ポリマーのバックフローを抑制し圧力変動の少ない吐出安定を図ることであり、本方法は下記式より察することができる。
ΔＰ∝η・Ｗ／ｔ
ΔＰ：シリンダーとフライト間の圧力損失
η：溶融粘度
Ｗ：シリンダーとフライト間の長手方向の隙間距離
ｔ：シリンダーとフライト間の軸径方向の隙間距離

上式より、シリンダーとフライト間の圧力損失ΔＰを大きくすることで、バックフローを抑制することが可能であり、そのためにはシリンダーとフライト間の軸方向の隙間距離Ｗを大きくし、シリンダーとフライト間の軸径方向の隙間距離ｔを小さくすることが必要である。つまり、スクリュー計量部でのフライト幅Ｗｍを大きくすることが必要となってくる。特に本発明の対象となる低粘度の樹脂材料の場合に極めて重要である。ただし本発明では、シリンダーとフライト間の軸径方向の隙間距離ｔに関しては、スクリューの回転によりシリンダー内壁とのかじりを発生させず、また樹脂の押進力を妨げない程度の値とする。

そのために計量部スクリューフライト幅Ｗｍは、スクリュー径をＤとして２／１５Ｄ≦Ｗｍ≦３／５Ｄ、かつ、スクリュー全体有効長さと計量部有効長さの割合Ｌ_Rmが、０．１２≦Ｌ_Rm≦０．６８である溶融紡糸装置を用いることが必要不可欠となる。さらに好ましくは、フライト幅Ｗｍが１／５Ｄ≦Ｗｍ≦２／５Ｄで、かつ計量部長さの割合Ｌ_Rmが、０．１６≦Ｌ_Rm≦０．４８である溶融紡糸装置である。ここでフライト幅Ｗｍが２／１５Ｄ未満の場合は、シリンダーとの隙間距離に関わらず圧力損失が小さくなるため、バックフローが起こりやすくなるのに対し、前記幅Ｗｍを３／５Ｄより大きくすると反対にスクリューピッチ間スレッド部の溶融ポリマーの計量容積が過小となり目標吐出量にそぐわないスクリューとなり、該目標吐出量を得るためにスケールアップ（スクリュー口径アップ）のスクリュー選定をする必要があり、コストアップにつながる。あるいは目標吐出量に見合うようスクリューの回転数を上昇させてもよいが、回転数上昇により溶融ポリマーの剪断発熱による熱劣化性およびスクリュー自身の強度の面でやや懸念が残る。一方、有効長に対する割合Ｌ_Rmについては、０．１２未満の場合は計量部フライト数が少ないために、溶融ポリマーの計量性が悪くなり、ポリマー自身の温度が不均一となり品質面で悪影響を及ぼすだけでなく吐出圧力ならびに吐出安定性に欠け、０．６８よりも大きい時には逆に供給部および圧縮部のフライト数が少なくなるため、樹脂材料を圧縮部に十分に押しつける力が発生せずに樹脂材料の供給量が不安定になるだけでなく、加熱帯シリンダーから受ける熱量が不足し上記樹脂材料の溶融バランスが崩れ、圧縮部での未溶融チップによる閉塞現象を起こしかねない。

また、圧縮比（ＶＣＲ）に関しては３．０≦ＶＣＲ≦５．０が望ましいが、さらに好ましくは３．５≦ＶＣＲ≦４．７である。圧縮比が３．０未満では、シリンダー壁面に対する樹脂材料の圧着応力が小さく押出量が不安定になるとともに、圧力変動や脱気不良による製品の物性低下を生じやすくし、５．０よりも大きい時にはスクリューの回転負荷が大きくなり、その防止策として加熱帯シリンダーの温度を高くする必要が生じ、溶融ポリマーの温度均一性にとって良くない結果となる。

さらに加えて上記溶融紡糸装置にて押出される物質の溶融粘度ηについては、低粘度領域であるη≦８００ポイズであるが、さらに好ましくは３００≦η≦６００ポイズの溶融粘度域でその効果がより一層発揮される。逆に８００ポイズよりも大きい場合には、シリンダーとフライト間の圧力損失ΔＰが溶融粘度ηに比例することでバックフローが起こりにくく、本発明の目的である低粘度樹脂材料の噛み込み性能を向上させることは可能だが、計量部容積を稼ぐ意味でもフライト幅はできるだけ小さい（狭い）方がよく、そうしないと、優れた吐出安定性の効果が発揮できない。

また、本発明におけるスクリューにより、吐出量Ｑとしては、Ｑ≦２０ｋｇ／ｈの低吐出領域で主にその効果を発揮するが、さらに好ましくはＱ≦１０ｋｇ／ｈの場合においてよりその効果が顕著となる。吐出量Ｑが２０ｋｇ／ｈよりも大きい時は、スクリューの回転数を上昇させる必要があり、回転数上昇により溶融ポリマーの剪断発熱による熱劣化の懸念が生じる。

上記溶融紡糸装置にて溶融紡糸するにあたって得られる物質は、例えばポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル系とかナイロン６および６６などのポリアミド系およびそれらの共重合体などの溶融紡糸可能な物質であれば何でもよい。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。図４に示す単軸スクリュー式押出機を用いて、樹脂材料をホッパーを介して供給したのち、溶融、計量、押出を実施した。また、吐出圧力を設けるために、図５に示すように上記装置のスクリュー先端部に一定の孔径を有するダイブロック５と該ダイブロック５の孔径方向に対して流出するポリマーを妨げる絞り弁５１を設け、該絞り弁５１を調整することで吐出圧力を発生させ、押し出しテストを実施した。

上記押し出しテストにおける実施例および比較例中の各特性値は次の方法で判断した。なお、本実施で用いたスクリュー口径はφＤ＝２５ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝２５であり、溶融粘度の測定に関しては東洋精機社製のキャピログラフを使用し、２９０℃温度下のもと剪断速度が１０００ｓｅｃ^-1での見掛け粘度を溶融粘度として評価した。

［圧力変動］
各目標圧力設定値に対し１時間程度押し出しを施し、チャートに圧力（変動）値を採取して該目標圧力設定値に対する変動量の割合Ｒｐ％を以下に示す３段階で評価した。
○：「優れている」（Ｒｐ＝〜１０％未満）
△：「普通」 （Ｒｐ＝１０〜２０％未満）
×：「劣っている」（Ｒｐ＝２０％〜）

［吐出安定性］
上述の通り１時間程度押し出しを施している最中に数回溶融ポリマーの吐出量を計測し、目標吐出量に対する吐出変動量の割合Ｒｑ％を以下に示す３段階で評価した。
○：「優れている」（Ｒｑ＝〜５％未満）
△：「普通」 （Ｒｑ＝５〜１０％未満）
×：「劣っている」（Ｒｑ＝１０％〜）

［噛み込み性］
上述同様に押し出しテストを施している最中に、チップ供給口のホッパー下部でのチップの減り具合を目視で確認した結果を３段階評価した。
○：「極めて円滑に減る」
△：「普通」
×：「ほとんど減らない」

［気泡］
上述同様、ダイブロックの孔から押し出される溶融ポリマーを目視にて気泡の有無を確認した結果を２段階評価した。
○：「気泡有り」
×：「気泡無し」

［総合評価］
圧力変動および吐出安定性、噛み込み性、気泡を加味した上で、以下に示す３段階で総合評価を実施した。なお、評価判定では、○〜△を合格（採用可能）としている。
○：「優れている」（採用可能）
△：「普通」 （採用可能）
×：「劣っている」（採用不可能）

実施例１〜７、比較例１、２
圧縮比が３．９であり、かつ溶融粘度が８００ポイズのポリエステル樹脂材料を用いてスクリューの計量部フライト幅Ｗｍおよび計量部有効長割合Ｌ_Rmを評価した結果を表１に示す。

実施例８〜１２、比較例３、４
計量部フライト幅Ｗｍが７／２５Ｄ（７mm）であり、かつ計量部有効長割合ＬRmが０．２のスクリューにて、溶融粘度が４００ポイズのナイロン樹脂材料を用いて、スクリュー圧縮部を評価した結果を表２に示す。

実施例１３〜１５、比較例５
計量部フライト幅Ｗｍが７／２５Ｄ（７mm）であり、かつ計量部有効長割合ＬRmが０．２、圧縮比が３．９でのスクリューにて、樹脂材料の溶融粘度を評価した結果を表３に示す。

実施例１６〜１８、比較例６
計量部フライト幅Ｗｍが１／５Ｄ（５mm）であり、かつ計量部有効長割合Ｌ_Rmが０．４８、圧縮比が４．９でのスクリューにて、溶融粘度が８００ポイズのポリエステル樹脂材料を用いて、吐出量を評価した結果を表４に示す。

本発明は、単軸スクリュー式押出機を有するあらゆる溶融紡糸装置に適用可能であり、とくに、低粘度、低吐出量である場合に好適なものである。

本発明の対象となる単軸スクリュー式押出機を有する溶融紡糸装置における押出機部の一般的な構成を例示した概略構成図である。 図１の押出機の単軸スクリューを例示した概略構成図である。 図１の押出機の加熱帯シリンダーとスクリューフライト間隙間に生じる溶融ポリマーのバックフローをモデル的に表す概略構成図である。 本発明に係る単軸スクリュー式押出機のスクリューの一実施形態を例示した概略構成図である 本発明における押し出しテスト装置を例示した概略構成図である。

符号の説明

１ 押出機本体
２ バレル
３ スクリュー
４ 加熱帯シリンダー
５ ダイブロック
３１ スクリュー軸部
３２ スクリュー溝
３３ スクリューフライト
５１ 絞り弁
Ｔ 樹脂材料
Ｐ 溶融ポリマー
Ｂ バックフローの溶融ポリマー

Claims (4)

1. 単軸スクリュー式押出機を有する溶融紡糸装置において、前記押出機にて押し出される溶融ポリマーの粘度ηが８００ポイズ以下であり、該押出機のスクリューが下記（Ａ）、（Ｂ）を同時に満足することを特徴とする溶融紡糸装置。
   （Ａ）計量部スクリューフライト幅（Ｗm）とスクリュー外径（Ｄ）との関係
   ２／１５Ｄ≦Ｗm≦３／５Ｄ
   （Ｂ）スクリュー全体有効長（Ｌ）と計量部有効長（Ｌm）との割合（ＬRm）
   ０．１２≦ＬRm≦０．６８
2. 前記押出機のスクリューがさらに下記（Ｃ）を満足することを特徴とする、請求項１に記載の溶融紡糸装置。
   （Ｃ）圧縮比（ＶＣＲ）
   ３．０≦ＶＣＲ≦５．０
   ＶＣＲ＝Ｈｆ（Ｄ−Ｈｆ）・Ｐｆ／Ｈｍ（Ｄ−Ｈｍ）・Ｐｍ
   Ｈｆ：スクリュー供給部溝深さ、
   Ｈｍ：スクリュー計量部溝深さ、
   Ｐｆ：スクリュー供給部溝幅、
   Ｐｍ：スクリュー計量部溝幅。
3. 請求項１または２に記載の溶融紡糸装置を用いることを特徴とする溶融紡糸方法。
4. 前記押出機にて押し出される溶融ポリマーの吐出量Ｑが２０ｋｇ／ｈ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の溶融紡糸方法。

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