JP4658981B2 - スクリュ式混練押出機 - Google Patents

Description

本発明は、合成樹脂原料を溶融混練するスクリュ式混練押出機に関し、特に、シリンダの内孔内に複数の注入孔を介して脱揮助剤を注入することにより、脱揮効率を向上させるための新規な改良に関する。

一般に、合成装置により生産された合成樹脂原料は、生産されたそのままの状態で合成樹脂製品加工用の原材料とされることはなく、通常、合成樹脂としての物性あるいは特性の均質化および改質を行い、あるいは添加材料等を加えて新たな機能特性を付与するために、スクリュ式混練押出機による加工処理が行われている。このような加工処理の重要な要件として、合成樹脂原料に残留して含まれている揮発分を除去する必要がある。スクリュ式混練押出機において、シリンダ内で溶融混練されている合成樹脂原料に脱揮助剤が添加され、脱揮助剤とともに揮発分がシリンダ外へ排出されている。この脱揮助剤としては、多くの場合水が使用されているが、窒素ガス、二酸化炭素ガスなども使用されている。

前記スクリュ式混練押出機における従来の揮発分の除去は、以下のように行われている。すなわち、特許文献１において、スクリュ式混練押出機の注入分散ゾーンと脱揮ゾーンとの間に減圧膨張ゾーンを設ける方法が示されている。すなわち、合成樹脂原料がこれらのゾーンを輸送されて移動する間に、まず、注入分散ゾーンにおいて、１ケ所のみの注入孔から脱揮助剤の水が機内へ供給され、水が合成樹脂原料に添加されるとともに分散される。次に、減圧膨張ゾーンにおいて、分散された水が水蒸気の気泡となって成長し、合成樹脂原料に含まれている揮発分が気泡へ拡散して排出し、その下流端において気泡が崩壊させられる。次に、脱揮ゾーンにおいて、水蒸気とともに水蒸気に拡散した揮発分が機外へ排出される。

このような方法を実施するためのスクリュ式混練押出機には、シリンダの上面部に、水を加圧注入する注入孔とその下流において水蒸気とともに揮発分を真空吸引するベント孔とが設けられている。その間のスクリュの形式としては、上流側から順次、注入分散ゾーンに混練分散スクリュ、減圧膨張ゾーンに減圧リング、脱揮ゾーンにフルフライトスクリュがそれぞれ採用されて配置されている。このように構成される注入分散ゾーン〜脱揮ゾーンは、脱揮の難度により、複数組配置して構成される場合がある。

このように構成されたスクリュ式混練押出機において、合成樹脂原料に残留している揮発分が以下のように除去されている。すなわち、注入分散ゾーンにおいて、樹脂融体を充満させているシリンダの内孔へ注入孔から水が注入され、混練分散スクリュにより混練される。注入された水は、高温高圧の樹脂融体中に小粒子となって混練分散される。この減圧膨張ゾーンにおいて、水の小粒子が混練分散された樹脂融体は、減圧リングにより混練されることなく高圧状態から徐々に圧力を低下させ、水が気化して水蒸気となり気泡を生成する。樹脂融体が減圧膨張ゾーンを通過する間に、気泡が徐々に大きく成長し、拡大する気泡の界面において、樹脂融体に含まれている揮発分が気泡中へ拡散する。この減圧膨張ゾーンの下流端において、大きく成長して揮発分を含む気泡が崩壊させられる。また、脱揮ゾーンにおいて、気泡が崩壊させられた樹脂融体は、フルフライトスクリュにより混練され、崩壊した気泡の水蒸気が揮発分とともに樹脂融体の外部の真空中に拡散し、ベント孔からシリンダの外部へ吸引されて排出される。

また、特許文献２においては、前記特許文献１に示される揮発分除去の方法および装置における除去効率を改善する方法および装置が示されている。

特許第２７７１４３８号公報 特開平１０−２４９９１３号公報

従来のスクリュ式混練押出機は以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。すなわち、スクリュ式混練押出機における合成樹脂原料の加工処理において、１個のみの注入孔から供給された脱揮助剤は樹脂融体中に均一に混練分散されることが難しく、揮発分が充分に除去されない場合がある。そのような場合、揮発分を充分に除去するために、注入〜脱揮の操作を複数回行って揮発分を繰返し除去することが必要となる。しかし、注入〜脱揮の操作を複数回繰返すためには、スクリュ式混練押出機に注入分散ゾーンから脱揮ゾーンまでの構成部分を複数個所設ける必要がある。その結果、スクリュ式混練押出機の全長が長くなり、装置が大型化し、運転エネルギが増加する。また、スクリュの回転数を高くすると、運転エネルギが増加するとともに、溶融混練される合成樹脂原料の温度が高くなり、物性あるいは特性を低下させる場合がある。

本発明によるスクリュ式混練押出機は、一対のスクリュを有するシリンダの内孔内の注水分散ゾーンで混練されている樹脂融体に対し、前記シリンダに形成された注入孔から脱揮助剤を前記内孔内に注入する構成のスクリュ式混練押出機において、前記注入孔は、前記内孔の周方向の９０度毎に１個設けられている構成である。

本発明によるスクリュ式混練押出機は以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。すなわち、スクリュ式混練押出機が、注入分散ゾーンにおいて、シリンダの内孔の周方向の９０度毎に１個の注入孔が形成されていることにより、シリンダの内孔に充満している樹脂融体へ、その周囲の複数の注入孔から脱揮助剤が注入される。従って、従来のシリンダ上面の１個所の注入孔のみから注入される場合と比較して、より多量の脱揮助剤が注入されるとともに、充満している樹脂融体周囲の異なる複数の個所に脱揮助剤が注入される。その結果、より多量の脱揮助剤がより均一に、小粒子となって容易に混練分散される。すなわち、装置を大型化することなく、スクリュの回転数を高くすることなく、脱揮助剤が樹脂融体中により均一に混練分散される。その結果として脱揮性能が向上する。

本発明は、シリンダの内孔内に複数の注入孔を介して脱揮助剤を注入することにより、脱気効率を向上させるようにしたスクリュ式混練押出機を提供することを目的とする。

以下、図面と共に本発明によるスクリュ式混練押出機の好適な実施の形態について詳細に説明する。図１において、符号１で示されるものは二軸噛合式のスクリュ式混練押出機である。スクリュ式混練押出機１は、シリンダ２および２本のスクリュ３により構成されている。このシリンダ２は、その軸直角断面が横に長いほぼ矩形状であり、その内部に、２個の円形を横に並べて配置されるとともに隣接部が相互に重なり合って連通する形状の内孔２ａが、軸方向（紙面に鉛直な方向）へ貫通して形成されている。シリンダ２の内孔２ａには、２個の円形部のそれぞれにスクリュ３が挿入されている。内孔２ａが２個の円形の隣接部を重なり合わせた形状に構成されていることにより、２本のスクリュ３は、回転方向の位相を相互に９０度ずらして、一方（図１では右側）のスクリュ３のフライト頂部が他方（図１では左側）のスクリュ３のフライト底部に位置するように、相互に噛合う状態に配置されている。また、シリンダ２の注入分散ゾーン２Ａに位置する区間は、周知の混練分散スクリュにより構成されている。

前記シリンダ２には、内孔２ａにおける２個の円形の隣接部すなわち上下部の中央部および左右の外側部のそれぞれの個所へ、シリンダ２の外面から連通して開口する合計４個所の脱揮助剤１０の注入孔４が形成されている。それぞれの注入孔４には、シリンダ２の外面の開口部において、図示しない脱揮助剤の加圧供給装置が連結されている。

以上のように注入分散ゾーンが構成されるスクリュ式混練押出機１において、脱揮助剤の供給および合成樹脂原料に含まれる揮発分の除去が以下のように行われる。すなわち、運転条件が設定されたスクリュ式混練押出機１の連続運転状態において、２本のスクリュ３が回転駆動され、シリンダ２の上流部において合成樹脂原料が連続的に内孔２ａへ供給される。供給された合成樹脂原料は、シリンダ２の内孔２ａ内において、スクリュ３により混練溶融されながら順次下流方向へ輸送される。

スクリュ式混練押出機１の軸方向の中間部に位置する前記注入分散ゾーン２Ａにおいて、合成樹脂原料は、すでに溶融状態で高温度の樹脂融体Ｐとなり、このゾーン２Ａの図示しない下流端が樹脂融体Ｐの流動をせき止めるように構成されていることから、スクリュ３の輸送作用により、内孔２ａ内が高圧力状態で充満されている。この注入分散ゾーン２Ａにおいて、高温高圧状態で充満している樹脂融体Ｐに対し、脱揮助剤が、この樹脂融体Ｐの充満圧力より高い圧力で、内孔２ａの周方向の９０度毎に設けられた４個所の注入孔４から連続的あるいは間欠的に加圧注入される。この脱揮助剤は回転する混練分散スクリュにより多数の小粒子状態となりながら分散され、脱揮助剤が水である場合、注入分散ゾーンでは樹脂融体Ｐの充満圧力が水の蒸気圧よりも高い状態にあり、水は液体状の小粒子となって分散される。従って、４個所の開口付近から四分割された部分に混練分散される場合は、樹脂融体Ｐの全体に対して、より均一に、またより多量の脱揮助剤が容易に混練分散される。

次に、本発明における脱揮テストについて説明する。まず、脱揮助剤１０の注入孔４を、図１に示すように、シリンダ２の内孔２ａの周方向の９０度毎の４個所に形成された注入分散ゾーン２Ａにより構成されるスクリュ式混練押出機１において、脱揮助剤１０として水を使用し、合成樹脂原料に含まれる揮発分を除去した場合の加工処理の結果を、同一のスクリュ式混練押出機において、注入孔を１個所に形成された従来の注入分散ゾーンにより構成されるスクリュ式混練押出機により除去した場合と比較して、以下に示す。図２において、脱揮率すなわち合成樹脂原料に含まれる揮発分が除去される割合（％）の比較が示されている。合成樹脂原料の加工処理量が１５０ｋｇ／ｈおよび２５０ｋｇ／ｈの何れの場合においても、スクリュの回転数の広い範囲において、４個所から注入する場合の脱揮率が、従来の１個所から注入する場合のそれよりも向上している。その向上率は約２％であった。すなわち、本発明の第一目的である脱揮性能を向上させることが証明されている。

図３において、比エネルギすなわち合成樹脂原料１ｋｇを加工処理するために１時間あたりに消費されるエネルギ量（ｋＷｈ／ｋｇ）の比較が示されている。合成樹脂原料の加工処理量が１５０ｋｇ／ｈおよび２５０ｋｇ／ｈの何れの場合においても、スクリュの回転数の広い範囲において、４個所から注入する場合の比エネルギが、従来の１個所から注入する場合のそれよりも減少している。その減少率は約８％であった。すなわち、本発明を適用した場合、加工処理に必要なエネルギの量が減少し、運転効率を向上させることが示されている。

図４において、樹脂温度すなわちスクリュ式混練押出機の先端の押出位置における合成樹脂原料の融体Ｐの温度の変異量（ΔＴｐ）の比較が示されている。合成樹脂原料の加工処理量が１５０ｋｇ／ｈおよび２５０ｋｇ／ｈの何れの場合においても、スクリュの回転数の広い範囲において、４個所から注入する場合の合成樹脂温度が、従来の１個所から注入する場合のそれよりも減少している。その減少率は約９％であった。すなわち、本発明を適用した場合、加工処理がより安定して行われる結果として、合成樹脂温度すなわち加工処理されて押出される融体Ｐの温度の変異量すなわち振れが減少し、合成樹脂原料の物性あるいは特性をより均質化させることが示されている。

すなわち、本発明が適用されたスクリュ式混練押出機により、合成樹脂原料を加工処理する場合、前述の効果に加えて、加工処理に必要なエネルギの量を減少させ、加工処理された合成樹脂材料の物性あるいは特性をより均質化させることが可能になる。

スクリュ軸を水平にして配置される二軸噛合式のスクリュ式混練押出機の注入分散ゾーンに形成される脱揮助剤の注入孔の位置におけるシリンダ部分の軸直角断面図である。 本発明が適用されたスクリュ式混練押出機と従来のスクリュ式混練押出機における脱揮率を比較した特性図である。 本発明が適用されたスクリュ式混練押出機と従来のスクリュ式混練押出機における比エネルギを比較した特性図である。 本発明が適用されたスクリュ式混練押出機と従来のスクリュ式混練押出機における樹脂温度を比較した特性図である。

１ スクリュ式混練押出機
２ シリンダ
２ａ 内孔
２Ａ 注入分散ゾーン
３ スクリュ
４ 注入孔
Ｐ 樹脂融体
１０ 脱揮助剤

Claims (1)

1. 一対のスクリュ(3)を有するシリンダ(2)の内孔(2a)内の注水分散ゾーン(2A)で混練されている樹脂融体(P)に対し、前記シリンダ(2)に形成された注入孔(4)から脱揮助剤(10)を前記内孔(2a)内に注入する構成のスクリュ式混練押出機において、
   前記注入孔(4)は、前記内孔(2a)の周方向の９０度毎に１個設けられていることを特徴とするスクリュ式混練押出機。

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