JP4924515B2

JP4924515B2 - 混練装置

Info

Publication number: JP4924515B2
Application number: JP2008094383A
Authority: JP
Inventors: 英樹池田; 顕治紀平; 忠洋椿
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009241047A

Description

本発明は、混練装置に係り、特に、原料混合物を高い分散性でかつ高い処理速度で混練することの可能な２本ロール型混練装置に関する。

高濃度の顔料分散体(マスターバッチ)、複数種の熱可塑性樹脂を高精度に分散混合したポリマーアロイ、電子写真用トナー、複合ゴム組成物、シリカフィラーを多量に含むエポキシ樹脂成形材料である半導体封止絶縁材料等の製造においては、高度な分散技術を必要としており、その分散手段として、非常に高い剪断力を付与する混練機である２本ロールミルが使用されている。
しかしながら、このような２本ロールミルは、一方のロールに被混練物を付着させながら被混練物に剪断力を付与する混練機であるため、顔料濃度やフィラーの濃度が非常に高い場合、ワックスなどの離型剤が含まれる場合、分散媒体である熱可塑性樹脂の付着力が低い場合などでは、ロール温度、ロール間の隙間、供給量等について高度な調整が必要である。
そのため、特定の熟練者の技術が必要であったり、或いはロールミルに混練物を繰り返し供給する必要があることにより、生産速度の低下を招いていた。
これに対し、オープンタイプの２本ロールミルにおいて、ロールに形成された溝のピッチや深さを調整することにより、混練処理能力を改善することが提案されているが（例えば、特許文献１及び２参照）、その効果は低く、より高い生産速度による生産性の向上が望まれていた。

特開２００３−２９４５６号公報

特開２００３−２９４５７号公報

本発明は、以上のような事情の下になされ、低い混練温度で高分散が得られ、かつ高い処理速度での混練を可能とする混練装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、原料混合物を混練するための２本のロールを備える混練装置であって、前記２本のロールのうち、第１のロールは、表面に耐摩耗性硬化処理が施されており、第２のロールには、表面処理が施されていないことを特徴とする混練装置を提供する。
このような混練装置では、表面に耐摩耗性硬化処理が施された第１のロールには、原料混合物が付着せず、表面処理が施されていない前記第２のロールには、原料混合物が付着するものとなる。
この場合、耐摩耗性硬化処理として、チタンカーバイトコーティング、タングステンカーバイトコーティング、窒化チタン多層コーティング、トリプルチタンコーティング、複合多層チタンコーティング、炭窒化チタン多層コーティング、窒化チタンアルミナコーティング、窒化クロムコーティング、ガス窒化法、塩浴窒化法、タフトライド法、及びプラズマ窒化法からなる群から選ばれる処理を第１のロールに施すことが出来る。

以上の本発明の一態様に係る混練装置は、バッチ式又は連続式とすることが出来る。

本発明によると、低い混練温度で高分散が得られ、かつ高い処理速度での混練を可能とする混練装置が提供される。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の一実施形態に係る混練装置は、原料混合物を混練するための混練装置であって、２本のロールを備え、２本のロールのうち、第１のロールは、表面に耐摩耗性硬化処理が施されており、第２のロールには、表面処理が施されていないことを特徴とする。

このように、２本のロールのうち一方のロールに耐摩耗性硬化処理を施し、他方のロールには表面処理を施さないことにより、ロール表面への被混練物の付着性に差を設け、即ち、耐摩耗性硬化処理を施したロールの付着性を低下させ、表面処理を施さないロールの付着性を維持することにより、処理速度を大きく改善することが出来る。

例えば、図１に示すように、耐摩耗性硬化処理を施したロール１と、表面処理を行なわないロール２とからなる２本ロール混練装置を駆動すると、表面処理を行なわないロール２の表面には被混練物３が付着するが、耐摩耗性硬化処理を施したロール１の表面には被混練物３は付着しない。このように、２本のロール間で被混練物３の付着性に差を設けることにより、被混練物３に大きなせん断力を付与するとともに、処理速度を増加させることが出来るのである。

２本のロールの双方に耐摩耗性硬化処理を施したのでは、双方ともに付着性が低下し、混練物を付着させたい側のロールに効率よく選択的に混練物を付着させることが出来ないため、どちらのロールにも混練物が付着せず、そのまま混練物が零れ落ちてしまうため混練物にせん断力を付与することが出来ない。一方、２本のロールの双方に表面処理を施さないのでは、双方ともに付着性を維持するため、付着させたくないロール側へも混練物が付着してしまい、搬送力の低下や剪断力の低下を招くこととなる。

耐摩耗性硬化処理としては、チタンカーバイトコーティング、タングステンカーバイトコーティング、窒化チタン多層コーティング、トリプルチタンコーティング、複合多層チタンコーティング、炭窒化チタン多層コーティング、窒化チタンアルミナコーティング、窒化クロムコーティング、ガス窒化法、塩浴窒化法、タフトライド法、及びプラズマ窒化法等、様々な処理が挙げられる。

２本ロール混練装置用ロールの具体例としては、耐摩耗性にすぐれるハイス系など、耐摩耗鋳鉄材や超硬合金材からなる外層と、強靱性にすぐれる鋳造用鉄鋼材からなる内層が鋳造され、溶着一体化されてなる複合ロールなどが挙げられる。
実施例
以下、本発明の実施例及び比較例を示し、本発明についてより詳細に説明する。
バッチ式２本ロールミルとして、株式会社小平製作所製：試験用２本ロールＲ２型（スチーム加熱式）ロール寸法：６３．５φ×１５０Ｌｍｍを用いた。ロールは、ガス窒化法による耐摩耗性表面処理を行ったロールと表面処理を行わないロールを用意した。
連続式２本ロールミルとして、三井鉱山（株）製：オープンロール連続混練造粒機：ＭＯＳ１００−５００ロール寸法：１００φ×５００Ｌｍｍを使用した。ロールは、プラズマ窒化法による耐摩耗性表面処理を行ったロールと表面処理を行わないロールを用意した。
被混練物は、下記の配合組成の顔料マスターバッチ、電子写真用トナー、複合ゴム組成物である。
＜顔料マスターバッチ＞
三菱レイヨン製：ポリエステル樹脂（Ｔｍ:１０８℃）５０質量部
マゼンタ顔料
セイカファーストカーミン１４７６T−７（大日精化製）５０質量部
＜電子写真用トナー＞
花王（株）製：ポリエステル樹脂（Ｔｍ：１３６℃）５０質量部
マゼンタ顔料
セイカファーストカーミン１４７６Ｔ−７（大日精化（株）製）５質量部
カルナバワックス１号（日本ワックス（株）製）５質量部
「ボンドロンＥ−８４」（オリエント化学工業（株）製）１．５質量部
＜複合ゴム組成物＞
エピクロルヒドリンゴム
（ゼクロンＧ３１００、日本ゼオン（株）製）１００質量部
液状ＮＢＲ２７質量部
ケッチェンブラックＥＣ３００Ｊ（ライオン（株）製）２５質量部
炭酸カルシウム２０質量部
酸化亜鉛５質量部
表面処理硫黄１質量部
加硫促進剤０．３質量部
実施例１〜３、比較例１〜３
以上の被混練物について、バッチ式２本ロールミルによる混練処理を行なった。
まず、所定配合処方の原材料１．５ｋｇをヘンシェルミキサー（有効容量：１０リットル）に投入し、羽根回転数２５００回転／分にて１分間混合を行った。次いで、株式会社モリヤマ製：タンジェンシャル（ディファレンシャル）方式の小容量加圧型ニーダーＤ３−１０混合容量：３リットル、主モーター：１０ＨＰ（７．５ｋＷ）を用いて、混合槽温度をバインダーのＴｇ以上、Ｔｍ以下の温度に設定し、材料が十分均一になるまでプレ混練を行った後、得られたプレ混練物をバッチ式２本ロールミルへ投入した。

２本ロールミルによる混練条件は、プレ混練物に可能な限り高剪断力を付与するように低温に設定した。安定して生産できる温度条件を調整した際の条件を下記表１に示す。
実施例４〜６、比較例４〜６
以上の被混練物について、連続式２本ロールミルによる混練処理を行なった。

まず、所定配合処方の原材料１．５ｋｇをヘンシェルミキサー（有効容量：１０リットル）に投入し、羽根回転数２５００回転／分にて１分間混合を行った。次いで、予備混練用の２軸押出し機（Ｌ/Ｄ＝１３）と連続式２本ロールミルを図２に示すように配置し、混練物を溶融させた状態で連続供給を行った。なお、図２（ａ）は側面図、図２（ｂ）は正面図を示す。

図２（ａ）に示すように、２軸押出混練機は、原料混合物が供給されるホッパー１１、複数のゾーンＣ１〜Ｃ８に区分されたシリンダー１２、及び溶融混合物が排出されるダイノズル１３を具備している。シリンダー２の各ゾーンＣ１〜Ｃ８は、ヒーター（図示せず）により所定の温度に加熱されており、またシリンダー１２内には、その軸が平行又は所定の角度となるように配置された二本の円筒状のスクリュー（図示せず）が配置されている。スクリューは、同方向に又は反対方向に回転する。

ホッパー１１から供給された原料混合物は、シリンダー１２内に導入され、スクリュー間の間隙において、加熱されているシリンダー１２からの熱により溶融されるとともに、スクリューの回転による圧縮力及びせん断力により混合され、スクリューのらせん状の羽根に沿ってダイノズル１３の側に移動し、ダイノズル１３から排出される。

ダイノズル１３から排出された溶融混合物は、次いで、連続式２本ロールミルに供給され、そこで混練される。図２（ａ），（ｂ）に示すように、連続式２本ロールミルは、平行に配置された二本のロール２２，２３と、混練物が排出される排出部２４とを具備している。

ロール２２，２３の間に供給された溶融混合物は、ロール２２，２３の一方の表面に巻き付いた状態で、ロール２２，２３の回転により繰り返し圧縮され、混練され、ロール２２，２３の表面の溝によって排出部２４側に移動し、そこから混練物が排出される。
ロール２２，２３のうち一方は、ガス窒化法による耐摩耗性表面処理が施されており、他のロールは、表面処理が施されていない。
２本ロールミルによる混練条件は、予備混練物に可能な限り高勇断力を付与するように低温に設定した。安定して生産できる温度条件を調整した際の条件を下記表２及び表３に示す。

上記表１〜表３に示すように、顔料マスターバッチの混練について、実施例１と比較例１の比較、及び実施例４と比較例４の比較から、以下のことがわかる。即ち、実施例１では比較例１に比べ、ロール設定温度を２０度低く設定することができた。また、実施例４では比較例４に比べ、供給側Ｂロール設定温度を低く設定することができ、処理速度が大きく改善された。
通常、高顔料濃度のマスターバッチの製造のためには、しばしば有機溶剤や水などを添加し、濡れ性を改善するなど独自の手法を行い、高分散性と高生産性を得ようとするが、そうすることにより添加物が残留した場合などの品質トラブルを招く可能性がある。
これに対し、実施例１及び４では、ロールヘの付着性が改善され、上記のような手法をとることなく十分な分散性を得ることができた。顔料の分散性も、下記表４に示すように良好であった。

なお、分散性の評価方法としては、ＪＩＳＫ−５６００（粒度分布法）を用い、アノン：ＴＨＦ＝１：１溶液にマスターパッチを２０質量部溶解させたものを試験した。
また、電子写真用トナーの混練について、実施例２と比較例２の比較、及び実施例５と比較例５の比較から、実施例２及び実施例５では、同様にロール設定温度を低く設定することが可能であった。

得られた電子写真用トナー中のワックス粒子を透過型電子顕微鏡（２５００倍）にて２００個程度観察して、ワックスの平均粒径を算出し、分散性（μｍ）とした。その結果を下記表４に示す。なお、観察されたワックスの形状が楕円状になっているため、以下の式（１）に基づいて下記表５に示す平均粒径を算出した。

ａ：ワックス粒子の長径［μｍ］
ｂ：ワックス粒子の短径［μｍ］
ｎ：ワックス粒子の測定個数

上記表５から、実施例２及び５では、カルナバワックスの分散性が改善され、耐久性の高いトナーを得ることが可能である。
また、複合ゴム組成物の混練について、以下のように評価した。
得られた複合ゴム組成物を鋼板（材質：ＳＵＳ３０１）上に厚さ２ｍｍで均一に整形し、次いで１５０℃で０．５時間加熱し、加硫させた。その後、研削して鋼板（材質：ＳＵＳ３０１）上に厚さ１ｍｍの導電弾性層を形成した。この導電弾性層について、電気抵抗値を測定した。

電気抵抗値の測定は、重さ５００ｇ（φ５０ｍｍ）の電極を圧接し、鋼板（材質：ＳＵＳ３０１）との電気抵抗値を測定した。測定は、３環境常態（１０℃／２０％、２３℃／５０％、３８℃／８０％）で、長さ方向中央と中央から任意の３点で行い、平均値を測定値とした。その結果を下記表６に示す。

上記表６に示すように、実施例３と比較例３の比較、及び実施例６と比較例６の比較から、実施例３及び６では、導電性カーボンの分散性が向上し、電気抵抗値が低下していることがわかる。
以上、顔料マスターバッチ、電子写真用トナー、及び複合ゴム組成物の混練についての実施例について示したが、本発明は、これらに限らず、（１）フィルムの製造、（２）粉体塗料の製造、（３）プラスチック容器の製造、（４）タイヤの製造、（５）絶縁体の製造、及び（６）廃プラスチックのリサイクルについての混練にも同様に適用することが可能である。

また、以上の実施例では、耐摩耗性金属表面処理として、ガス窒化法及びプラズマ窒化法を用いた場合を示したが、本発明は、これに限らず、チタンカーバイトコーティング、タングステンカーバイトコーティング、窒化チタン多層コーティング、トリプルチタンコーティング、複合多層チタンコーティング、炭窒化チタン多層コーティング窒化チタンアルミナコーティング、窒化クロムコーティング、塩浴窒化法、タフトライド法等による耐摩耗性金属表面処理を行なうことも可能である。

本発明の一実施形態に係る２本ロール混練装置の動作を説明する図である。２軸押出し機と連続式２本ロールミルの組合せを示す図である。

符号の説明

１…耐摩耗性硬化処理を施したロール、２…表面処理を行なわないロール、３…被混練物、１１…ホッパー、１２…シリンダー、１３…ダイノズル、２２，２３…ロール、２４…排出部。

Claims

原料混合物を混練するための２本のロールを備える混練装置であって、前記２本のロールのうち、第１のロールは、表面に耐摩耗性硬化処理が施されており、第２のロールには、表面処理が施されていないことを特徴とする混練装置。
表面に耐摩耗性硬化処理が施された第１のロールには、原料混合物が付着せず、表面処理が施されていない前記第２のロールには、原料混合物が付着することを特徴とする請求項１に記載の混練装置。
前記耐摩耗性硬化処理は、チタンカーバイトコーティング、タングステンカーバイトコーティング、窒化チタン多層コーティング、トリプルチタンコーティング、複合多層チタンコーティング、炭窒化チタン多層コーティング、窒化チタンアルミナコーティング、窒化クロムコーティング、ガス窒化法、塩浴窒化法、タフトライド法、及びプラズマ窒化法からなる群から選ばれる処理であることを特徴とする請求項１または２に記載の混練装置。
バッチ式であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の混練装置。
連続式であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の混練装置。