JP5383092B2 - スクリュー及び成形品製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、押出成形機又は射出成形機に用いられるスクリュー及び成形品の製造方法に関するものである。

押出成形機又は射出成形機は、熱可塑性樹脂等の材料を溶融及び可塑化し、成形品として成形するものである。前記成形機は、シリンダーバレル内にスクリューが挿入されたものであり、内部はスクリューの軸方向に供給部，圧縮部，計量部に分けられている。熱可塑性樹脂は、供給部，圧縮部，軽量部において、加熱ヒータと射出スクリューの回転による剪断エネルギーにより溶融及び可塑化され、混練される。例えば、射出成形においては、その過程を経た熱可塑性樹脂が、金型内に射出され、熱可塑性樹脂成形体として成形される。
スクリューは、全長に渡って螺旋状に巻かれたフライトを有するものであり、これまで樹脂の混練性を向上させるため、スクリューに関して多くの工夫がされている。

例えば、特許文献１には圧縮部を多重フライト構成にした高混練スクリューが開示されている。特許文献１に開示された発明は、圧縮部に副フライトを設け、圧縮部内を供給側，可塑化側，吐出側に分けることで混練性を上げる構成である。詳しくは、図５に示すように、従来技術のスクリューは、１つの副フライトβ１０１が圧縮部全体に設けられており、他の副フライトβ１０２が圧縮部の中途から設けられている。そして、それぞれの副フライトβ１０１，β１０２の一端部が、圧縮部ＣＺと計量部ＭＺの境界で接続されている。さらに、主フライトα及び副フライトβ１０１，β１０２で構成された溝の深さが、軸方向先端側に向かうにつれて漸減していく構成である。
特許２６６６０９３号公報

特許文献１のようなスクリューは、副フライトにより溝を複数に分離させたため、樹脂の混練性は向上するが、成形品に機械的特性や熱的特性を持たせるために混合する無機粉末を均一に分散させることができなかった。詳しく説明すると、図４に示すように、副フライトβ１０１，β１０２により分離された溝は、上記したように深さが漸減していくため、軸方向先端に向かうほど圧縮され混練が促進される。しかし、前記した副フライトβ１０１，β１０２の一端部は、計量部ＭＺと圧縮部ＣＺの境界で、同位置に接続されているので、一部の無機粉末は矢印Ｘに示すように分離された複数の溝を経ず、凝集体として計量部ＭＺに移動する。つまり、圧縮部ＣＺで充分な混練が行われず、樹脂全体に無機粉末が均一に分散されない問題が生じる。

そこで本発明は、上述した欠点に鑑み、圧縮部において複数の副フライトを用いて、無機粉末を樹脂全体に均一に分散できるスクリュー及び成形品製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、シリンダーバレルに収容されて成形機の一部を構成し、半溶融状乃至溶融状の樹脂を混練する領域を有したスクリューであって、前記領域は、本体軸部に主フライト部及び複数の副フライト部が設けられ、複数の副フライト部の内、軸方向後端側にある前記副フライトの平均幅よりも軸方向先端側にある前記副フライトの平均幅の方が広く、前記領域の前記本体軸部は、軸方向先端に向かって拡がる形状であり、前記主フライト部同士の間には、溝が構成され、複数の前記副フライト部は、それぞれが接続されることなく前記主フライト部と接続し、前記領域内で前記溝を複数に分離し、前記溝が軸方向先端側に向かって漸次的に浅くなる構成であることを特徴とするスクリューである。

本発明におけるスクリューは、半溶融状乃至溶融状の樹脂を混練する領域に設けられた複数の副フライト部によって、主フライト部で構成された溝を複数に分離する。詳しくは、溝の深さは軸方向先端側に向かうにつれて浅くなり、副フライト部同士が接続されず、主フライトに接続されている構成であるため、前記領域内において副フライト部を越えて、溝から溝へ確実に移動する。そのため樹脂等が移動される度に混練性が増す構成である。そのため、前記領域において樹脂と無機粉末等は充分に混練され、無機粉末の凝集体が残存せず、樹脂全体に均一に分散される。

また、請求項１のスクリューは、副フライトの内、軸方向後端側に設けられた副フライトの幅よりも軸方向先端側に設けられた副フライトの幅の方が広いため、軸方向先端側に進むにつれて樹脂及び無機粉末に大きな剪断力を与えることができる。そのため、より混練性が増し、無機粉末の凝集体が残存せず樹脂全体に均一に分散される。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記領域における前記副フライトと前記シリンダーバレルとの間隔は、軸方向先端側に向かって漸次的に狭くなる構成であることを特徴とするスクリューである。

請求項２のスクリューは、領域に設けられた副フライト部とシリンダーバレルとの間隔が、軸方向先端側に向かって段々狭くなるため、副フライトを越える度に大きな剪断力が発生し、樹脂及び無機粉末等の凝集体は確実に粉砕される。そのため計量部に移動する無機粉末等には凝集物が残存することはない。また、前記間隔は次第に狭くなる構成であるため、スクリューによる極端な抵抗が発生せず、樹脂等に大きな剪断力を与えることができる。そのため、前記領域において樹脂と無機粉末等は充分に混練され、無機粉末の凝集体が残存せず、樹脂全体に均一に分散される。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のスクリューとホッパーを備えた押出成形機と、フィーダーを用いた成形品製造方法であって、前記フィーダーは、前記スクリューの回転で単位時間毎に押し出される最大量より少ない量の樹脂及び無機粉末を前記ホッパーに供給することを特徴とする成形品製造方法である。

請求項３の成形品製造方法は、フィーダーによって、スクリューの回転で単位時間毎に押し出される最大量より少ない量の樹脂及び無機粉末等の原料を供給できるので、供給部において樹脂や無機粉末等が充満しないようにすることが可能となる。この状態においては、スクリューの回転数を高速にした際でも、回転数に応じた量が押し出されないため、樹脂等が短時間で押し出されることがなく、より混練することが可能となる。そのため、樹脂との隙間や空隙中に存在する無機粉末を、樹脂全体に均一に分散することが可能となる。

本発明のスクリューは、半溶融状及び溶融状の樹脂を混練する領域において、複数の副フライト部同士がそれぞれ接続しないように主フライト部と接続して、主フライト部が構成する溝を複数に分離させる。そして樹脂及び無機粉末等が分離した全ての溝を確実に通過するため、充分に混練され、無機粉末を樹脂全体に均一に分散することができる。

次に本発明の実施形態である高剪断スクリュー１（スクリュー１とも言う）について図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態では、押出成形機１１として説明するが、本発明はこれに限定されるわけではなく、射出成形機であっても構わない。

図１に示すように、押出成形機１１は、高剪断スクリュー１とシリンダーバレル２とホッパー３と加熱ヒータ４より構成されており、ホッパー３からシリンダーバレル２に樹脂や無機粉末等の材料が供給され、モーター又は油圧ポンプ（図示しない）によって設定された回転数に高剪断スクリュー１が回転し、シリンダーバレル２の先端から樹脂が押し出され、成形品を成形できるものである。

シリンダーバレル２は、後述する高剪断スクリュー１が収容される略筒状のものであり、先端側に押出孔２１があり、後端側に投入口２２が設けられている。さらにシリンダーバレル２には、投入口２２に樹脂や無機粉末等の材料を供給するホッパー３が設けられている。
また本実施形態の押出成形機１１には、供給量が調整できるフィーダー５が備えられている。本実施形態の押出成形機１１においては、スクリュー１の回転で単位時間毎に押し出される最大量より少ない量の樹脂等が供給されるように設定されている。
加熱ヒータ４は、シリンダーバレル２の周囲に設けられ、シリンダーバレル２に供給された樹脂等の溶融を促進するものである。

高剪断スクリュー１は、図１に示すように、軸方向先端方向に向かって供給部ＦＺ，圧縮部（半溶融状乃至溶融状の樹脂を混練する領域）ＣＺ，計量部ＭＺが設けられており、スクリュー軸（本体軸部）１２と１条の主フライト部αと副フライト部β１，β２，β３とで構成されている。主フライトα及び副フライトβ１，β２，β３は、切削加工することで形成されている。

また高剪断スクリュー１の供給部ＦＺと圧縮部ＣＺと計量部ＭＺは、それぞれスクリュー軸１２の径が異なる。詳細には、供給部ＦＺと計量部ＭＺの径は一定、且つ供給部ＦＺは計量部ＭＺより径が小さい。そして、その間の圧縮部ＣＺは、供給部ＦＺと計量部ＭＺを繋ぐように先端方向に向かうにつれてテーパー状に径が大きくなる構成である。

スクリュー軸１２には、全長に渡って主フライト部αが一定間隔で螺旋状に設けられている。さらに、圧縮部ＣＺにおいては、主フライト部αに接続された副フライト部β１，β２，β３が螺旋状に設けられている。本実施形態のスクリュー１は、圧縮部ＣＺにおいて、この主フライト部α及び副フライト部βによって溝１３，１４，１５，１６が形成されている。
また副フライト部β１，β２，β３のそれぞれの幅（平均幅）は、軸方向後端側に設けられた副フライトβより軸方向先端側に設けられた副フライトβの方が広くなる。副フライト部β１，β２，β３とシリンダーバレル２との間隔は、軸方向先端側に向かうにつれて次第に狭くなる構成を有している。

詳細に副フライト部β１，β２，β３の構成について説明すると、図１に示すように、副フライト部β１の後端部は、供給部ＦＺと圧縮部ＣＺとの境界にあたる主フライト部αに接続されており、先端部が前記境界から圧縮部ＣＺの長さの３分の１程度軸方向前方の主フライト部αに接続されている。
また図３の（ａ），（ｂ）に示すように、副フライト部β１の幅Ｗ１は、５．０〜１１．０ｍｍであるが、好ましくは５．０〜７．０ｍｍである。さらに副フライト部β１とシリンダーバレル２との間隔Ｚ１は、０．３〜０．６ｍｍであるが、好ましくは０．５〜０．６ｍｍである。

副フライト部β２は、後端部が供給部ＦＺと圧縮部ＣＺとの境界から３分の１程度前方に離れた位置、つまり副フライト部β１の先端部が接続された主フライト部αと接続されている。ただし、副フライトβ１が接続された主フライトαの面を裏面とすると、副フライトβ２が接続された主フライトαの面は表面となり、同一面上に接続されているわけではない。さらに副フライト部β２の後端部は、副フライト部β１の先端部と略同位置に接続されている。そして、副フライト部β２の先端部は、供給部ＦＺと圧縮部ＣＺとの境界から３分の２程度軸方向前方、言い換えれば、計量部ＭＺと圧縮部ＣＺとの境界から３分の１程度軸方向後方の主フライト部αに接続されている。
また図３の（ｃ），（ｄ）に示すように、副フライト部β２の幅Ｗ２は５．０〜１１．０ｍｍであるが、好ましくは５．０〜７．０ｍｍである。さらに副フライト部β２とシリンダーバレル２との間隔Ｚ２は、０．３〜０．６ｍｍであるが、好ましくは０．３〜０．４ｍｍである。

副フライト部β３は、先端部が計量部ＭＺと圧縮部ＣＺとの境界にあたる主フライト部αに接続されており、後端部が前記境界から圧縮部ＣＺの長さの３分の１程度軸方向後方の主フライト部αに接続されている。この副フライト部β３の後端部は、副フライト部β２の先端部と略同位置に接続されている。ただし、副フライトβ２が接続された主フライトαの面を裏面とすると、副フライトβ３が接続された主フライトαの面は表面となり、同一面上に接続されているわけではない。
また図４の（ｅ），（ｆ）に示すように、副フライト部β３の幅Ｗ３は、５．０〜１１．０ｍｍであるが、好ましくは９．０〜１１．０ｍｍである。さらに副フライト部β３とシリンダーバレル２との間隔Ｚ３は、０．３〜０．６ｍｍであるが、好ましくは０．３〜０．４ｍｍである。
また本実施形態の高剪断スクリュー１は、それぞれの副フライト部の幅の関係を、Ｗ１＝Ｗ２＜Ｗ３とし、シリンダーバレル２とそれぞれの副フライト部との間隔の関係を、Ｚ１＞Ｚ２＝Ｚ３としている。

次に樹脂及び無機粉末が流通する圧縮部ＣＺに配設された主フライト部α及び副フライト部β１，β２，β３によって構成された溝について、図面を用いて詳細に説明する。

図２に示す溝１３は、スクリュー軸１２が軸方向先端側に向かって拡がりを有するため、押出方向に向かって漸次的に浅くなる。つまり図３の（ａ），（ｂ）に示すように、溝深さの関係は、Ｈ１＞Ｈ２である。

溝１４においては、副フライト部β１と副フライト部β２との間の略中間が最も深く、副フライト部β１及び副フライト部β２側の深さは、前記中間よりも浅い構成である。つまり、図３の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、溝深さの関係は、Ｈ３＜Ｈ４＝Ｈ５＞Ｈ６である。

溝１５においては、上記した溝１４と同様で、副フライト部β２と副フライト部３との間の略中間が最も深く、副フライト部β２及び副フライト部β３側の深さは、前記中間よりも浅い構成である。つまり、図３の（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）に示すように、溝深さの関係は、Ｈ７＜Ｈ８＝Ｈ９＞Ｈ１０である。

溝１６においては、押出方向に向かって漸次的に深くなる。つまり、図４の（ｅ），（ｆ）に示すように、溝深さの関係は、Ｈ１１＜Ｈ１２である。

また、それぞれの溝深さの関係は、Ｈ１＞Ｈ４＞Ｈ８＞Ｈ１２である。さらに、溝１３の深さＨ２と、溝１４の深さＨ４あるいは深さＨ５とはＨ２＜Ｈ４（あるいはＨ５）で、溝１４の深さＨ６と、溝１５の深さＨ８あるいは深さＨ９とはＨ６＜Ｈ８あるいはＨ９で、溝１５の深さＨ１０と、溝１６の深さＨ１２はＨ１０＜Ｈ１２である。

次に、上記のように構成された高剪断スクリュー１を用いて、独立フィード方式で成形品を製造する場合の、樹脂等の混練挙動について説明する。
本実施形態では、独立フィード方式により、フィーダー５から樹脂及び無機粉末等の原料が調整されてホッパー３に供給されるが、このときフィーダー５からは、スクリュー１の回転で単位時間毎に押し出される最大量よりも少ない量の原料が供給される。このことにより、ホッパー３から供給された原料は、供給部ＦＺで未充満の状態となる。この状態では、スクリュー１の回転に応じた量の樹脂等が押し出されず、樹脂等の充満状態よりも混練される。つまり、スクリュー１の回転数を高速にしたところで、押出量は極端に増えないため、樹脂等をより混練することが可能となる。さらにこのとき、無機粉末は、樹脂等の隙間や空隙中に存在するためスクリュー１の回転で容易に均一分散可能となる。ただし、無機粉末は凝集体となりやすいため、溶融樹脂に分散させるためには充分な混練が必要となる。
また、供給部ＦＺにおいては、樹脂は加熱ヒータ４とスクリュー１の回転による剪断力により溶融されながら圧縮部ＣＺに押し出される。

そして供給部ＦＺを通過した固体樹脂等は、圧縮部ＣＺに配設された副フライト部β１で最初に堰き止められ、高回転のスクリュー１によって大きな剪断力を受ける。このとき、固体樹脂とシリンダーバレル２との間に溶融フィルムが形成される。そして、この溶融フィルムに剪断エネルギーが伝わることにより、溶融フィルムに覆われた固体樹脂の溶融が急激に促進される。このとき、無機粉末の凝集体が残存する場合がある。

そして、さらに押し出されて、これらの樹脂等は副フライト部β１を乗り越え、次に副フライト部β２に堰き止められる。ここでは、上記したように、シリンダーバレル２と副フライト部β２との間隔Ｚ２が、副フライト部β１を乗り越えた際よりも狭くなっている（Ｚ１＞Ｚ２）。そのため、副フライト部β１を乗り越えた際より、高い剪断力を受け、樹脂は完全に溶融される。このとき、さらに無機粉末の凝集体も粉砕される。しかしながら、一部の凝集体は残る場合がある。その残存した凝集体の径は、５０〜１００μｍである。

そして、さらに副フライト部β２を乗り越えた樹脂等は、副フライト部β３を乗り越える際に、より高い剪断力を受けることとなる。つまりここでは、副フライト部β３の幅Ｗ３が、副フライト部β１，β２よりも広いため、副フライト部β３を乗り越える樹脂等は、より高い剪断力を受けることになる。そのため、副フライト部β２を乗り越えた無機粉末の凝集体は、完全に粉砕され、樹脂等に均一に分散されることとなる。

それらの過程を経た樹脂及び無機粉末が、計量部ＭＺに押し出され、最終段階として押出孔２１より押し出され成形品として成形される。

このように、無機粉末の凝集体を粉砕し、樹脂等に均一に分散するためには、スクリュー１による高い剪断力が必要である。そのために、主フライト部αを有するスクリュー１の圧縮部ＣＺに副フライト部βを配設する構成とした。圧縮部においては、３つの副フライト部β１，β２，β３を用いて、それぞれは、軸方向に重ならないように設ける構成とした。その際、軸方向先端側に向かうにつれて、副フライト部βの幅Ｗを次第に広くなる構成とした。さらに、シリンダーバレル２と副フライト部βとの間隔Ｚも段々と狭くなる構成とした。このような構成とすることで、樹脂及び無機粉末等に高い剪断力を与えることができ、無機粉末を樹脂全体に均一に分散できる。

本実施形態の高剪断スクリュー１では、圧縮部ＣＺに３つの副フライト部β１，β２，β３を用いて、３つのダブルフライトスクリューを有する構成を示したが、本発明はこの構成に限定されるわけではない。
例えば、４つの副フライト部βを用いて、４つのダブルフライトスクリューを有する構成としてもよい。しかし、逆に３つ未満に減らすと無機粉末が充分に粉砕されず、凝集体が残存することがあるので、本実施形態のように少なくとも３つのダブルフライトスクリューを有する構成にする必要がある。

本実施形態の高剪断スクリュー１は、副フライト部β１，β２、β３の軸方向長さをそれぞれ圧縮部ＣＺの長さの略３分の１ずつとした構成を示したが、本発明はこれに限定されるわけではない。
例えば、圧縮部ＣＺの長さの４分の１等任意の位置に配設してもよい。その場合においても、本実施形態の高剪断スクリュー１のように、主フライト部αと複数の副フライト部βによって構成された複数の溝を樹脂等が確実に通過する構成とすることが好ましい。

本実施形態の高剪断スクリュー１は、供給部ＦＺ及び計量部ＭＺには、副フライト部βを配設しない構成を示したが、本発明はこの構成に限定されるわけではない。
例えば、供給部ＦＺ及び／又は計量部ＭＺに副フライト部βを配設する構成、もしくは計量部ＭＺにバリヤ型等のエレメントを設けた構成であっても構わない。

本実施形態の高剪断スクリュー１は、圧縮部ＣＺに設けられた複数の副フライトβは、軸方向後端側に設けられた幅より軸方向先端側に設けられた幅を広くした構成を示したが、本発明はこれに限定されるわけではない。
例えば、図６に示すように、それぞれの副フライトβの幅を漸次的に広くする構成であっても構わない。

高剪断スクリューの一部を切断した縦断面図である。 図１に示す高剪断スクリューの圧縮部における展開図である。 図２のＡ〜Ｄにおける樹脂の流れを示す断面図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）である。 図２のＥ〜Ｆにおける樹脂の流れを示す断面図（ｅ），（ｆ）である。 従来例のスクリューの圧縮部における展開図である。 図２に示す副フライトの変形例を示す展開図である。

１ 高剪断スクリュー（スクリュー）
２ シリンダーバレル
３ ホッパー
５ フィーダー
１１ 押出成形機
１２ スクリュー軸（本体軸部）
１３ 溝
１４ 溝
１５ 溝
１６ 溝
ＣＺ 圧縮部（領域）
α 主フライト部
β１ 副フライト部
β２ 副フライト部
β３ 副フライト部
Ｚ１ 間隔
Ｚ２ 間隔
Ｚ３ 間隔
Ｗ１ 幅
Ｗ２ 幅
Ｗ３ 幅

Claims (3)

1. シリンダーバレルに収容されて成形機の一部を構成し、半溶融状乃至溶融状の樹脂を混練する領域を有したスクリューであって、
   前記領域は、本体軸部に主フライト部及び複数の副フライト部が設けられ、
   複数の副フライト部の内、軸方向後端側にある前記副フライトの平均幅よりも軸方向先端側にある前記副フライトの平均幅の方が広く、
   前記領域の前記本体軸部は、軸方向先端に向かって拡がる形状であり、
   前記主フライト部同士の間には、溝が構成され、
   複数の前記副フライト部は、それぞれが接続されることなく前記主フライト部と接続し、前記領域内で前記溝を複数に分離し、
   前記溝が軸方向先端側に向かって漸次的に浅くなる構成であることを特徴とするスクリュー。
2. 前記副フライトと前記シリンダーバレルとの間隔は、軸方向先端側に向かって漸次的に狭くなる構成であることを特徴とする請求項１に記載のスクリュー。
3. 請求項１又は２に記載のスクリューとホッパーを備えた押出成形機と、フィーダーを用いた成形品製造方法であって、
   前記フィーダーは、前記スクリューの回転で単位時間毎に押し出される最大量より少ない量の樹脂及び無機粉末を前記ホッパーに供給することを特徴とする成形品製造方法。

Images