JP4760268B2 - 樹脂材料の溶融押出方法 - Google Patents

Description

本発明は、単軸スクリュー式押出機を用いてなる樹脂材料の溶融押出方法に関し、さらに詳しくは前記の単軸スクリュー式押出機のスクリュー供給部の溝深さを特定の諸元に規制することにより、該スクリュー供給部の溝深さと同等程度の最大寸法を有する樹脂材料を、安定して溶融押出をすることができる樹脂材料の溶融押出方法に関するものである。

近年、合成繊維の生産は一昔前の大量少品種生産から、高付加価値を付与すべく少量多品種生産のような、商品展開に力を注ぐ体制に移行している。そのため、合成繊維の製造設備においても、少量多様化を反映すべく大量生産用設備からスケールダウンした設備が据え付けられているのが現状である。例えば、合成繊維用の樹脂材料を溶融押出する方法の構成設備として、エクストルダー型紡糸機を用いることは公知であるが、少量化、すなわち低吐出容量化に対応するためには、小径化されたスクリューを有する押出機を用いればよい。一般的な前記エクストルダー型紡糸機を図２を参照しながら説明すると、溶融押出の原料となる樹脂材料Ｔを、エクストルダー本体１の供給部であるバレル２に供給し、該エクストルダー内部に配置されたスクリュー３の回転に伴って樹脂材料Ｔが供給押進され、樹脂材料Ｔは加熱帯シリンダー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、エクストルダー本体１の先端から押出されるのである。

さらに、スクリューの構成要素について明記すると、スクリューは、図３に示すように、スクリュー軸部３１の外周に一定のピッチで螺旋状のスクリュー溝３２およびスクリューフライト３３を形成せしめたもので、回転駆動されるエクストルダー本体１の供給部であるバレル２の基部側から順に、樹脂材料の供給部（フィード部）Ｆ部、圧縮部（コンプレッション部）Ｃ部、および計量部（メータリング部）Ｍ部で構成される。また、スクリュー溝３２の溝深さＨは、供給部Ｆ部で最も深く、圧縮部Ｃ部で次第に浅くなり、計量部Ｍ部で最も浅くなっている。加えて、スクリューフライト３３のスクリュー長手方向の幅Ｗは、単螺旋状のような一般的なスクリューでは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、溶融押出においてエクストルダー内部の加熱帯シリンダー４の加熱温度にも依存するが、樹脂材料の円滑移送（噛込み性能の向上）や突発的な圧力変動の抑制等の現象に大きな影響を与えるものであり、そのために良好な吐出安定性を得るべく多くの解決手段がとられている。

例えば、スクリューの諸元値（形状）の解決手段で述べると、電子写真用トナーの製造方法における溶融混練工程では、スクリュー径、スクリューピッチおよび溝深さについて規定した形状を有するスクリューを備えた混練押出機を使用することを特徴とした方法が提案されている（特許文献１参照）。

また、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により、押出し時の突発的な圧力変動を抑制可能とすることが提案されている（特許文献２参照）。しかしながら、上記の提案は、スクリュー径が大なる場合で、樹脂材料の大きさとスクリューの材料供給部の溝深さとが適合していることが前提条件となっており、押出機スクリューの小径化による供給部の溝深さ次第では、前記樹脂材料の噛込み不良が生じ、良好な吐出安定性を得ることは出来ない。

さらに上記提案に鑑みて、押出機およびスクリューの構成として、原料供給部分のスクリューの樹脂流路断面積が、軸線方向に沿って変化するスクリューを前後所望の位置にスライドセット可能とすることにより、樹脂材料等の原料の種類形態等に応じて供給具合を調整し、圧力変動ならびに吐出変動の発生を防止する装置が提案されている（特許文献３参照）。しかしながら、一般に材料樹脂等の原料は、重合方法等で制限を受けるために、希望の材料樹脂の粒度、粒径および形状を常に規制、製造することが困難であり、仮にスクリュー位置をセットしたとしても、スクリュー供給部溝深さに不適合な大きさの樹脂が供給されると、連続的な樹脂流れが妨げられ、結果的には噛込み性向上の根本的な解決手段とならない。また、スクリューが小径化するにつれて、スライドセットに微調整を要してしまい手間がかかる。

一方で、上述したスクリューの構成要素、形状および各諸元から樹脂材料の円滑移送（噛込み性能）を解決する手段だけでなく、樹脂材料の形状および大きさをも検討範囲としてスクリューの溝深さを適合させる方法も提案されている。例えば、スクリューの材料供給部の溝深さと材料樹脂の最大粒径との比率を設定し、その比率が規定値外ならば該樹脂材料を粉砕し、ある割合で該材料樹脂と混ぜ合わせスクリューに供給し、円滑に溶融移送するものである（特許文献４参照）。この提案は、細粒化した粉末を混合することで、樹脂材料同士あるいは樹脂材料とバレルやスクリューとの表面摩擦係数を変更して移送能力を向上させる方法であるが、樹脂材料を粉砕するには粉砕機等の設備を設ける必要があり、また混合機器も据え付ける必要がある。従って、改造費用が多額となるという欠点がある。

そこで本発明者らは、押出機のスクリューが小径化にスケールダウンしても、原料となる樹脂材料とスクリュー供給部の噛込み性が大径スクリューと変わらず円滑で、結果的には良好な吐出安定性を得られるように、前記樹脂材料の最大許容寸法と該小径スクリューの諸元との関係を明確にした押出機を用いて、合成繊維の紡糸に適した樹脂材料を溶融押出する方法を見い出した。
特開平１０−９０９４４号公報 特開２００２−３５５８７７号公報 特開昭６１−２４４５０７号公報 特開昭５０−８９４６８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、その目的とするところは、ある範囲内の最大寸法を有する樹脂材料を溶融押出する際に、押出機スクリューの径、供給部の溝深さおよび圧縮比に特に着目し、安定して前記樹脂材料を該スクリューに連続供給し噛込み性を円滑にさせるとともに、良好な吐出安定性を与える樹脂材料の溶融押出方法を提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するため、以下の構成を採用するものである。すなわち、本発明の樹脂材料の溶融押出方法は、３面以上の側面を有し、かつ各々の側面内で任意の２点を結ぶ最大寸法Ｌ_ｔが５．５〜６．５［ｍｍ］である樹脂材料を加熱して溶融押出するに際し、下記式（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）を同時に満足するスクリューを有する押出機を用いることを特徴とする樹脂材料の溶融押出方法である。
（ａ）２０≦Ｄ≦３０
（ｂ）（１／５）Ｄ≦Ｈ_ｆ≦（６／２５）Ｄ
（ｃ）３．５≦ＶＣＲ≦５．０
ＶＣＲ＝Ｈ_ｆ（Ｄ−Ｈ_ｆ）×Ｐ_ｆ／Ｈ_ｍ（Ｄ−Ｈ_ｍ）×Ｐ_ｍ
（ｄ）０．７Ｄ≦Ｐ _ｆ ≦０．８５Ｄ
（式中、Ｄ：スクリュー径［ｍｍ］、Ｈ _ｆ ：スクリュー供給部溝深さ［ｍｍ］、ＶＣＲ：圧縮比、Ｈ _ｍ ：スクリュー計量部溝深さ［ｍｍ］、Ｐ_ｆ：スクリュー供給部溝幅［ｍｍ］、Ｐ_ｍ：スクリュー計量部溝幅［ｍｍ］）
本発明の樹脂材料の溶融押出方法の好ましい態様によれば、前記の押出機のスクリューが、さらに下記式（ｅ）を満足することである。
（ｅ）０．２≦Ｌ_ｆ／Ｌ≦０．４８
（式中、Ｌ：スクリュー全体有効長［ｍｍ］、Ｌ_ｆ：スクリュー供給部有効長［ｍｍ］）

本発明によれば、原料となる樹脂材料の最大寸法Ｌ_ｔがスクリューの供給部の溝深さと同程度の寸法である場合でも、該樹脂材料を円滑に連続移送させるためにスクリュー諸元値を規制することで、突発的な圧力変動の抑制および円滑な樹脂材料の噛込み移送という良好な工程安定性を得ることが可能となる。

以下、本発明の樹脂材料の溶融押出方法について、望ましい実施の形態とともに詳細に説明する。

本発明ではスクリューを有する押出機として、単軸スクリューを備えたエクストルダー型押出機が好適に用いられる。本発明で用いられるエクストルダー型押出機の単軸スクリューの種類としては、例えば、単螺旋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、本発明ではこれらに何ら限定されるものではない。本発明の最大の技術的思想は、低吐出の要求を満たす押出機、すなわち小径の押出スクリューを用いるに際し、原料となる樹脂材料の最大寸法がスクリューの供給部の溝深さと同程度の寸法である場合であっても、該樹脂材料を円滑に連続移送させるために、加熱域を設け該スクリュー諸元値を規制した押出機を用いて樹脂材料の溶融押出をすることである。

そのために原料となる樹脂材料は、図１に例示する形状のように、（楕）円柱もしくは多角柱等の３面以上の側面を有し、かつ該樹脂材料の各々の側面内で任意の２点を結ぶ最大寸法Ｌ_ｔが５．５〜６．５［ｍｍ］の寸法を有する樹脂材料である。

本発明で用いられる樹脂材料としては、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が上げられる。

次に、図面に基づいて、本発明で用いられるエクストルーダ型紡糸機とスクリューについて説明する。図２は、本発明で用いられるエクストルーダ型紡糸機を例示する概略側断面図であり、図３は、本発明で用いられる押出スクリューを例示する概略側断面図である。

図２において、溶融押出の原料となる樹脂材料Ｔを、エクストルダー本体１の供給部であるバレル２に供給し、該エクストルダー内部に配置されたスクリュー３の回転に伴って樹脂材料Ｔが供給押進され、樹脂材料Ｔは加熱帯シリンダー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、エクストルダー本体１の先端から押出される。

図３において、スクリュー３は、スクリュー軸部３１の外周に一定のピッチで螺旋状のスクリュー溝３２およびスクリューフライト３３を形成せしめたもので、回転駆動されるエクストルダー本体１の供給部であるバレル２の基部側から順に、樹脂材料の供給部（フィード部）Ｆ部、圧縮部（コンプレッション部）Ｃ部、および計量部（メータリング部）Ｍ部で構成される。また、スクリュー溝３２の溝深さＨは、供給部Ｆ部で最も深く、圧縮部Ｃ部で次第に浅くなり、計量部Ｍ部で最も浅くなっている。加えて、スクリューフライト３３のスクリュー長手方向の幅Ｗは、単螺旋状のような一般的なスクリューでは一定の諸元を有する形状となっている。

本発明では、樹脂材料を溶融押出する方法において、溶融押出手段として、図３に示す部位の規定は、スクリュー径Ｄが２０≦Ｄ≦３０、かつ供給部溝深さＨ_ｆが（１／５）Ｄ≦Ｈ_ｆ≦（６／２５）Ｄで、かつ圧縮比ＶＣＲが３．５≦ＶＣＲ≦５．０である押出機のスクリューを用いることである。さらに好ましくは、スクリュー径Ｄが２５≦Ｄ≦３０で、かつ供給部溝深さＨ_ｆが（１１／５０）Ｄ≦Ｈ_ｆ≦（６／２５）Ｄであり、３．５≦ＶＣＲ≦４．８の該押出機のスクリューを用いるものである。加えて樹脂材料を加熱する押出機のシリンダー温度は、ポリエステル材料なら約２６０℃、ポリアミド系材料の一例としてナイロン６なら約２２０℃といった樹脂材料の融点以上の温度に設定すれば良く、さらには該樹脂材料の融点をＴ_ｍとするとＴ_ｍ＋１０［℃］以上でシリンダー温度を加熱し、樹脂材料を溶融することが好ましい。また本発明では、押出機内の樹脂材料供給口（スクリュー供給部上のハウジング部Ｈ_Ｓ）の形状は、スクリューの回転による該ハウジング部と樹脂材料とのかじりを発生させず、また該樹脂材料の押進力および連続供給を妨げない程度の値とすることが好ましい。

ここでスクリュー径Ｄが２０未満の場合は、強度的に供給部溝を深くすることが出来ないために、樹脂材料を噛込ませることが困難となり、また逆にスクリュー径Ｄが３０より大きいスクリュー径の場合は、供給部溝深さの割合や圧縮比を規制するまでもなく大幅に噛混み性が向上し、とりわけ新規的な発明効果は薄い。

供給部溝深さＨ_ｆに関しては、Ｈ_ｆが（１／５）Ｄ未満の場合は、樹脂材料がスクリュー供給部上のハウジング部Ｈ_Ｓにてスクリューの回転速度を問わず、該樹脂材料が揺動現象を起こし、スクリューに噛込まなくなる。またＨ_ｆが（６／２５）Ｄより大なる場合には、深溝化の傾向となるので噛込み性能が向上すると考えられるが、反対にスクリュー供給部内に樹脂材料が噛込んでも、スクリューとともに供回り現象を起こすだけで吐出不可であった。この供回り現象はスクリューの圧縮比ＶＣＲに起因するもので、スクリュー計量部の溝深さを一定としたときに該スクリュー供給部の溝深さが大きい方が圧縮力が高くなり、樹脂材料の押進力が強くなるものであるが、高くなりすぎることによってスクリュー圧縮部位にて閉塞現象が生じるためである。従って、圧縮比ＶＣＲは５．０よりも大なる場合は、噛込み性向上に対して好ましくない。一方で、圧縮比ＶＣＲが３．５未満の場合には、シリンダー壁面に対する樹脂材料の圧着応力が小さくなるために、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なる。

さらに加えて、スクリュー供給部溝幅Ｐ_ｆは、０．７Ｄ≦Ｐ_ｆ≦０．８５Ｄを満足するときにその効果がより一層発揮される。スクリュー供給部溝幅Ｐ_ｆを０．７Ｄ以上として、スクリューピッチ間スレッド部の樹脂材料の供給容積を好適にする。
以上

また、スクリュー全体有効長Ｌと供給部有効長Ｌ_ｆとの供給部有効長割合（Ｌ_ｆ／Ｌ）については、０．２≦Ｌ_ｆ／Ｌ≦０．４８を満足することが望ましく、さらに好ましくは０．２４≦Ｌ_ｆ／Ｌ≦０．４０である。供給部有効長割合（Ｌ_ｆ／Ｌ）を０．２以上として、供給部のフライト数を確保して、樹脂材料を圧縮部に十分に押しつける力を十分に発生させ、樹脂材料の供給量を安定にするとともに、加熱帯シリンダーから受ける熱量が十分となり上記樹脂材料の溶融バランスが優れ、圧縮部での未溶融チップによる閉塞現象を抑制できる。また供給部有効長割合（Ｌ_ｆ／Ｌ）を０．４８以下として、スクリューの圧縮部および計量部のフライト数を確保して、溶融ポリマーの計量性を良好にして吐出圧力ならびに吐出安定性を発揮する。

本発明の樹脂材料の溶融押出方法は、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合成繊維の製造方法に好適である。

以下、実施例を挙げて、本発明の樹脂材料の溶融押出方法についてさらに具体的に説明する。図２に示した単軸スクリュー式エクストルーダ型紡糸機を用いて、楕円柱形状でかつ側面内で任意の２点を結ぶ最大寸法Ｌ_ｔが５．５〜６．５［ｍｍ］のポリエステル樹脂材料をホッパーを介して供給した後、３ゾーンから成立する加熱シリンダー４にて溶融（供給部：２８５℃、圧縮部：２８０℃、計量部：２８５℃）し、スクリューにて計量、押出しを実施した。

また、吐出圧力を設けるために、図４に示すように前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（６０［ｋｇｆ／ｃｍ^２］）を発生させ、溶融ポリマーＰの押出しテストを実施した。該押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。
［チップ寸法測定］
今回評価に使用したチップサンプル（約３０ｋｇ）のうち、約２０個を無造作に抽出し、最大寸法を採取して、その平均値をチップ寸法とした。
［圧力変動］
各目標圧力設定値に対し１時間程度押出しを施し、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Ｒ_Ｐ[％]を以下に示す３段階で評価した。
○：「優れている」（Ｒ_Ｐ＝〜１０％未満）
△：「普通」 （Ｒ_Ｐ＝１０〜２０％未満）
×：「劣っている」（Ｒ_Ｐ＝２０％〜）
［吐出安定性］
上述のとおり、１時間程度押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％〜）
［噛込み性］
上述同様に押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」
［総合評価］
圧力変動および吐出安定性、噛込み性、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。尚、評価判定は、○〜△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１〜１６、比較例１〜４
スクリュー供給部溝幅Ｐ_ｆが０．７Ｄであり、かつスクリュー全体有効長Ｌと供給部有効長Ｌ_ｆとの供給部有効長割合（Ｌ_ｆ／Ｌ）が０．３２であるスクリューのスクリュー径Ｄ、供給部溝深さＨ_ｆ、圧縮比ＶＣＲを評価した結果を、表１に示す。

実施例１７〜２０
スクリュー径Ｄが２５［ｍｍ］、供給部溝深さＨ_ｆｒが６［ｍｍ］（６／２５Ｄ）、圧縮比が３．６、供給部有効長割合（Ｌ_ｆ／Ｌ）が０．３２にて、供給部溝幅Ｐ_ｆを評価した結果を表２に示す。

実施例２１〜２５、
スクリュー径Ｄが２５［ｍｍ］、供給部溝深さ割合Ｈ_ｆｒが５．５［ｍｍ］（１１／５０Ｄ）、圧縮比が４．８、供給部溝幅Ｐ_ｆが１７．５［ｍｍ］（０．７Ｄ）にて、供給部有効長割合（Ｌ_ｆ／Ｌ）を評価した結果を表３に示す。

本発明の樹脂材料の溶融押出方法は、ポリエステルやポリアミド等に樹脂材料の溶融押出に好適であり、合成繊維の製造方法に用いられる。

本発明で用いられる樹脂材料の形状を例示。（ａ）楕円柱形状、（ｂ）異形楕円柱形状、（ｃ）３角（多角）形状、（ｄ）異形６角（多角）形状。 本発明で用いられるエクストルーダ型紡糸機を例示する概略側断面図 本発明で用いられる押出スクリューを例示する概略側断面図 本発明で用いられる押出しテスト装置を例示する概略側断面図

符号の説明

１：エクストルダー本体
２：バレル
３：スクリュー
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
４：加熱帯シリンダー
５：ダイブロック
５１：絞り弁
Ｔ：樹脂材料
Ｐ：溶融ポリマー
Ｈ_Ｓ：スクリュー供給部上のハウジング部
Ｌ_ｔ：樹脂材料の側面内で任意の２点を結ぶ最大寸法

Claims (2)

1. ３面以上の側面を有し、かつ各々の側面内で任意の２点を結ぶ最大寸法Ｌ_ｔが５．５〜６．５［ｍｍ］である樹脂材料を加熱して溶融押出するに際し、下記式（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）を同時に満足するスクリューを有する押出機を用いることを特徴とする樹脂材料の溶融押出方法。
   （ａ）２０≦Ｄ≦３０
   （ｂ）（１／５）Ｄ≦Ｈ_ｆ≦（６／２５）Ｄ
   （ｃ）３．５≦ＶＣＲ≦５．０
   ＶＣＲ＝Ｈ_ｆ（Ｄ−Ｈ_ｆ）×Ｐ_ｆ／Ｈ_ｍ（Ｄ−Ｈ_ｍ）×Ｐ_ｍ
   （ｄ）０．７Ｄ≦Ｐ _ｆ ≦０．８５Ｄ
   （式中、Ｄ：スクリュー径［ｍｍ］、Ｈ_ｆ：スクリュー供給部溝深さ［ｍｍ］、ＶＣＲ：圧縮比、Ｈ_ｍ：スクリュー計量部溝深さ［ｍｍ］、Ｐ_ｆ：スクリュー供給部溝幅［ｍｍ］、Ｐ_ｍ：スクリュー計量部溝幅［ｍｍ］）
2. 押出機のスクリューが、さらに下記式（ｅ）を満足することを特徴とする請求項１記載の樹脂材料の溶融押出方法。
   （ｅ）０．２≦Ｌ_ｆ／Ｌ≦０．４８
   （式中、Ｌ：スクリュー全体有効長［ｍｍ］、Ｌ_ｆ：スクリュー供給部有効長［ｍｍ］）

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