JP5388373B2 - 材料混練装置及び材料混練方法 - Google Patents

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Description

本発明は、スクリュ機構を用い、プラスチック等の被混練材料を連続混連する材料混練装置及び材料混練方法に関するものである。
従来、プラスチック等の被混練材料を連続混連する材料混練装置として、例えば、二軸スクリュ押出機が知られている。
二軸スクリュ押出機は、円筒状のシリンダと、当該シリンダの軸方向と平行するようにシリンダ内に挿通された互いに平行な２つのスクリュを有している。各スクリュは、シリンダにおける上流側及び下流側の両端にて回転可能に支持されており、被混練材料を送る混練翼が螺旋状に形成されている。各スクリュの上流側端部には、モータが減速機を介して連結されている。モータにより各スクリュが回転することで混練翼が回転する。この回転により、シリンダ内に投入された被混練材料が上流側から下流側へ送られるとともに混練され、後段の造粒装置に送り出される。
二軸スクリュ押出機は、上流側から下流側にかけて、輸送部と、溶融混練部と、脱揮部と、排出部とで構成されている。溶融混練部は、被混練材料を下流側へ送る混練翼である送り翼がスクリュに形成された混練エレメントと、当該混練エレメントの下流側に設けられ、被混練材料を上流側へ戻す混練翼である戻し翼がスクリュに形成された混練エレメンとを有する。以下、二軸スクリュ押出機の動作について簡単に説明する。
先ず、二軸スクリュ押出機は、作業者からの入力等に基づいて、モータを駆動させる。モータの駆動により、二軸スクリュ押出機は、各スクリュを互いに異方向に回転させることで各スクリュに設けられた混練翼を夫々異方向に回転させる。この回転により、輸送部では、シリンダに設けられた材料投入口からシリンダ内に投入された被混練材料が溶融混練部へ送り出される。溶融混練部では、輸送部から送り出された被混練材料は、回転する送り翼と戻し翼とにより混練溶融され、脱揮部へ送り出される。脱揮部では、被混練材料が混練溶融された際に生じるガス等がシリンダに設けられたベント口から排出される、所謂ガスの脱揮がなされるとともに、混練溶融された被混練材料（以後、溶融材料と称する）が排出部へ送り出される。次いで、排出部では、シリンダに設けられた材料排出口から溶融材料が排出される。
なお、従来の技術として、下記特許文献等が知られている。
特開１９９３−２２８９２１号公報 特開２００１−００９８３０号公報
従来の二軸スクリュ押出機は、上述したように溶融混練部において被混練材料を可能な限り滞留させることで被混練材料を完全溶融させている。そのため、被混練材料の処理能力（例えば、単位時間あたりの被混練材料の生産量：ｋｇ／ｈ）が減少するほど、溶融混練部から被混練材料へ与えられる混練エネルギーが過剰となり、生産コストの増加や溶融材料の劣化が発生する問題がある。その対策として、溶融混練部のシリンダ軸方向における長さを短縮することで、溶融混練部における被混練材料の充満長を短縮する方法がある。また、上記特許文献２において提案されているような、被混練材料を上流側に戻す戻し翼部のスクリュ回転方向との捩じれ角を、下流側に送る送り翼部のスクリュ回転方向との捩じれ角より大きくする等によって、溶融混練部における充満長および被混練材料の滞留時間を短縮する方法がある。しかしながら、これらの方法を用いて、被混練材料の処理能力を増加させようとした場合（例えば、被混練材料を増量した場合）、充満長や滞留時間が短縮されているため、溶融混練部から与えられる混練エネルギーが不足してしまう問題がある。混練エネルギーが不足すると、被混練材料が完全溶融し難くなり、溶融材料の不良の増加等に繋がるため、結果的に処理能力が減少する。
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、被混練材料の処理能力の減少に伴う混練エネルギーの増加、及び、被混練材料の処理能力の増加に伴う混練エネルギーの減少を緩和することができる材料混練装置及び材料混練方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するため、本発明の一態様は、内部に材料が投入されるシリンダに挿通され、前記シリンダにおける上流側及び下流側の両端部、あるいは前記上流側端部において回転可能に支持されるスクリュと、前記スクリュに螺旋状に形成され前記材料を前記スクリュの回転により前記下流側へ送る第１翼を複数有する第１混練翼と、前記スクリュに螺旋状に形成され前記第１混練翼により前記下流側へ送られた材料を前記回転により前記上流側へ戻す第２翼を前記第１翼の翼数より少ない翼数有する第２混練翼とを備えた。
また、前記第２翼は前記スクリュに複数形成されており、前記第１翼のいずれかである第３翼の前記下流側終端と前記第２翼の前記上流側始端とが契合されており、前記第１翼のいずれかである第４翼の前記下流側終端と前記第２翼の前記上流側始端とが離間されている。
また、前記スクリュは、前記第１混練翼と前記第２混練翼との組を複数有する。
また、前記第１混練翼及び前記第２混練翼は、前記シリンダの軸方向における長さが同一である。
また、本発明の一態様は、内部に材料が投入されるシリンダに挿通され、前記シリンダにおける上流側及び下流側の両端部、あるいは前記上流側端部において回転可能に支持されるスクリュを回転させ、前記スクリュに螺旋状に形成され前記投入された材料を前記スクリュの回転により前記下流側へ送る第１翼を複数有する第１混練翼により、前記投入された材料を前記下流側へ送るとともに、前記スクリュに螺旋状に形成され前記第１混練翼により前記下流側へ送られた材料を前記回転により前記上流側へ戻す第２翼を前記第１翼の翼数より少ない翼数有する第２混練翼により、前記下流側へ送られた材料を前記上流側へ戻し、前記材料を混練する。
本発明によれば、被混練材料の処理能力の減少に伴う混練エネルギーの増加、及び、被混練材料の処理能力の増加に伴う混練エネルギーの減少を緩和することができる。
本実施の形態に係る二軸スクリュ押出機を示す簡略平面図である。 本実施の形態に係る二軸スクリュ押出機を示す簡略側面図である。 本実施の形態に係る二軸スクリュ押出機の構成を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。 本実施の形態に係る二軸スクリュ押出機の構成を示す図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。 本実施の形態に係る混練エレメントを模式的に示す模式図である。 本実施の形態に係る混練エレメントとは異なる混練エレメントを模式的に示す模式図である。 実施例１及び比較例１の測定結果を示す図である。 実施例２及び比較例２の測定結果を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施の形態に係る二軸スクリュ押出機１を示す簡略平面図である。図２は、本実施の形態に係る二軸スクリュ押出機１を示す簡略側面図である。図３は、本実施の形態に係る二軸スクリュ押出機１の構成を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。図４は、本実施の形態に係る二軸スクリュ押出機１の構成を示す図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。図１から図４に示されるように、二軸スクリュ押出機１は、被混練材料の流路となるスクリュ穴２１が内部に設けられた円筒状のシリンダ２を有している。このシリンダ２上面には、上流側から下流側にかけて、被混練材料が投入される材料投入口２２と、被混練材料が溶融された際に生じるガス等をシリンダ２内から排出するベント口２３とがスクリュ穴２１と連通するよう設けられている。また、図２及び図３に示されるように、溶融材料を排出する材料排出口２４が、ベント口２３よりも下流側のシリンダ２側面にスクリュ穴２１と連通するよう設けられている。
更に、二軸スクリュ押出機１は、図３及び４に示されるように、シリンダ２の軸方向と平行するようにスクリュ穴２１に挿通されたスクリュ３Ａ及び３Ｂを有している。以後、スクリュ３Ａ及び３Ｂを区別せずスクリュを説明する際には、スクリュ３と述べる。スクリュ３は、シリンダ２における上流側及び下流側の両端にそれぞれ設けられた軸受部４Ａ及び４Ｂにより回転可能に支持されている。スクリュ３の外周には、被混練材料を下流側へ輸送する輸送翼３１が、後述する混練エレメント５２１を除き、螺旋状に２翼で形成されている。また、スクリュ３の上流側端部には、図示しないモータが減速機を介して連結されている。モータによりスクリュ３が回転することで、シリンダ２内に投入された被混練材料を下流側へ送り出すことができる。なお、本実施の形態においては、スクリュ３Ａ及び３Ｂは互いに異方向に回転されるため、スクリュ３Ａと３Ｂの螺旋の巻回方向が夫々異なるよう形成されている。
また、二軸スクリュ押出機１は、図４に示されるように上流側から下流側にかけて、輸送部５１と、溶融混練部５２と、脱揮部５３と、混練部５４と、排出部５５とを有する。輸送部５１では、投入された被混練材料がスクリュ３の回転により溶融混練部５２へ送り出される。溶融混練部５２では、被混練材料が混練されるとともに溶融され脱揮部５３へ送り出される。この溶融混練部５２は、混練エレメント５２１及び５２２を有している。混練エレメント５２１及び５２２により被混練材料の混練を可能としている。混練エレメント５２１及び５２２の詳細については後述する。脱揮部５３では、溶融混練部５２において被混練材料が溶融された際に生じるガス等が脱揮され、ベント口２３から排出されるとともにガスが脱揮された溶融材料が混練部５４に送られ、混練部５４で再度混練される。その後、排出部５５へ送られ、排出部５５では、材料排出口２４から溶融材料が排出される。
また、シリンダ２の長手方向（シリンダ２の軸方向）における中間位置、即ち溶融混練部５２と脱揮部５３との間の部分には、その内壁面の上下位置に対向するよう混練調整機構６が設けられている。混練調整機構６は、開度を調節することにより、被混練材料が通過する流路面積（スクリュ穴２１の断面積）を変更する。二軸スクリュ押出機１は、この混練調整機構６を用いて開度を調節することにより、溶融混練部５２における被混練材料の充満率と滞留時間を調節できる。混練調整機構６は、例えばシリンダ内に挿入された部分が、その位置に存在するスクリュの外径より少し大きな径で加工されたゲートバーを回転させることにより、スクリュ外径との隙間を小さくする全閉からシリンダ内径と同等径の全開まで開度を調節するロータリースロットバーである。
なお、排出部５５により材料排出口２４から排出された溶融材料は、図示しないギアポンプによって造粒装置に送られる。ギアポンプと造粒装置の間には、異物除去装置（スクリーンチェンジャ）が配置されている。また、造粒装置の下流側には、その他の加工装置が配置されている。次に、上述した混練エレメント５２１及び５２２について、図３から図５を用いて、その詳細を説明する。
図３及び図４に示されるように、混練エレメント５２１は、被混練材料を下流側へ送る送り翼３２Ａ及び３２Ｂが螺旋状に形成されている。一方、混練エレメント５２２は、混練エレメント５２１の下流側に位置し、被混練材料を上流側へと戻す戻し翼３３が螺旋状に形成されている。
図５は、本実施の形態に係る混練エレメント５２１及び５２２を模式的に示す模式図である。図５に示されるように、スクリュ３の混練エレメント５２１は、送り翼３２Ａ及び３２Ｂを夫々２翼ずつ計４翼有しており、混練エレメント５２２は、戻し翼３３を２翼有している。つまり、混練エレメント５２１が有する送り翼３２Ａ及び３２Ｂの翼数（条数）の合計は、混練エレメント５２２が有する戻し翼３３の翼数より多い。換言すると、混練エレメント５２２は、戻し翼３３を、送り翼３２Ａ及び３２Ｂの合計翼数より少ない翼数有する。これら混練エレメント５２１及び５２２のシリンダ２軸方向における長さは、ともに１．０Ｄである。Ｄはシリンダ２の内径を示す。
送り翼３２Ａは、翼の終端（送り翼３２Ａの下流側端部）が戻し翼３３の始端（戻し翼３３の上流側端部）と重なる、所謂端面合わせとなるようスクリュ３に形成されている。換言すると、送り翼３２Ａの終端と戻し翼３３の始端とが契合されている。図５における７は、この契合部分を示す。スクリュ３には、契合部分７を境に螺旋の巻回方向が異なるよう送り翼３２Ａと送り翼３２Ｂとが連続して形成されている。一方、送り翼３２Ｂは、翼の終端が戻し翼３３の始端と端面合わせとならないようスクリュ３に形成されている。換言すると、送り翼３２Ｂの終端と戻し翼３３の始端とが離間されている。このように形成されることにより、被混練材料の処理能力を減少させた運転の場合、混練エレメント５２１に被混練材料が充満し難くなる。一方、被混練材料の処理能力を増加させた運転の場合、混練エレメント５２１に被混練材料が充満するため、送り翼３２Ａ及び３２Ｂは、溶融混練部５２における被混練材料の混練に寄与する。
以上のように、本実施の形態に係る二軸スクリュ押出機１は構成される。次に、二軸スクリュ押出機１における被混練材料の混練方法について説明する。
先ず、二軸スクリュ押出機１は、作業者からの入力等に基づいて、モータを駆動させる。モータの駆動により、二軸スクリュ押出機１は、各スクリュ３Ａ及び３Ｂを互いに異方向に回転させることで輸送翼３１を夫々異方向に回転させる。スクリュ３回転後、材料投入口２２からシリンダ２内へ被混練材料が投入される。投入後、輸送部５１では、シリンダ２内へ投入された被混練材料が前述の回転により溶融混練部５２へ送り出される。輸送部５１から送り出された後、溶融混練部５２では、被混練材料が回転する送り翼３２Ａ及び３２Ｂと戻し翼３３とにより混練溶融され、脱揮部５３へ送り出される。この混練溶融は、シリンダ２内壁面と、送り翼３２Ａ、３２Ｂ、戻し翼３３とにより被混練材料に対し高い剪断力が加わることでなされる。
混練溶融された溶融材料が送り出された後、脱揮部５３では、溶融材料からガスが脱揮されるとともに、溶融材料を下流へ輸送する輸送翼３１により該溶融材料が混練部５４へ送られ、再混練後、排出部５５へ送り出され、材料排出口２４から排出される。
本実施の形態によれば、溶融混練部５２における被混練材料の充満率が低くなるよう、被混練材料の処理能力を減少させた運転の場合、翼の終端が戻し翼３３の始端と離間されている送り翼３２Ｂにより、溶融混練部５２における被混練材料の充満長と滞留時間とを減少させることができる。そのため、被混練材料の処理能力を減少させた運転では溶融混練部５２から被混練材料へ与えられる混練エネルギーを低下させることができる。また、充満率が高くなるよう、被混練材料の処理能力を増加させた運転の場合、溶融混練部５２においても被混練材料が充満する。被混練材料が充満することにより、溶融混練部５２から被混練材料へ与えられる混練エネルギーが増加するため、処理能力を増加させた運転であっても被混練材料を完全溶融させることができる。
同様にして、混練調整機構６により流路面積を拡張し、充満率と滞留時間を減少させた場合、送り翼３２Ｂの搬送能力が働くことにより、溶融混練部５２から与えられる混練エネルギーを減少させることができる。一方、流路面積を縮小し、充満率と滞留時間を増加させた場合、送り翼３２Ｂの混練能力が働くことにより、溶融混練部５２から与えられる混練エネルギーを増やすことができる。したがって、混練調整機構６による混練エネルギー制御範囲（開度の調整により被混練材料に与える混練エネルギー）を拡大することができる。
なお、本実施の形態においては、二軸スクリュ押出機１は、混練エレメント５２１及び５２２が、上流側から混練エレメント５２１、混練エレメント５２２の順に一組設けられている。しかしながら、混練エレメント５２１、混練エレメント５２２はスクリュ３に複数設けられていてもよい。
また、本実施の形態においては、図３及び図４に示されるように非噛合い異方向タイプのスクリュ３を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、噛合いタイプや同方向回転タイプのスクリュ押出機でもよい。また、スクリュ３は、上流側及び下流側の両端部で支持されてもよいし、上流側端部のみで支持されてもよい。
また、スクリュ３には、輸送翼３１、送り翼３２Ａ、送り翼３２Ｂ、戻し翼３３が夫々２翼形成されていると説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも送り翼３２Ａ及び３２Ｂが夫々１翼形成され、送り翼３２Ａ及び３２Ｂの合計翼数が戻し翼３３の翼数より多ければよい。
本実施の形態においては、脱揮部５３におけるシリンダ２の壁面に、ベント口２３が設けられているが、本発明はこれに限定されるものではない。ベント口２３が設けられずとも、混練部５４がスクリュ３に形成されずともよい。
溶融混練部５２において被混練材料へ与えられる比エネルギー（消費動力／処理能力）と、図６に示されるような、混練エレメント５２１の代わりに送り翼３２Ｂが形成されていない混練エレメント５２３を有する溶融混練部（以後、混練溶融部Ｘと称する）において与えられる比エネルギーとを調査した。調査には、以下の機器、材料を用いた。
二軸スクリュ押出機：株式会社日本製鋼所製ＣＩＭ９０
被混練材料：ＨＤＰＥ（High Density Polyethylene）（ＭＩ＝０．２／５ｋｇ荷重）
（実施例１）
スクリュ回転速度を２８０ｒｐｍ、混練調整機構６の開度を一定に設定し、処理能力２１０ｋｇ／ｈ時の溶融混練部５２において与えられる比エネルギーと、輸送部５１の能力限界（処理能力の限界）時の溶融混練部５２において与えられる比エネルギーを測定した。測定結果を図７に示す。
（比較例１）
上記実施例１と同条件における、混練溶融部Ｘにおいて与えられる比エネルギーを測定した。測定結果を図７に示す。
図７に示されるように、混練溶融部５２は、混練溶融部Ｘと比較して低処理能力での比エネルギーを低減し、高処理能力での比エネルギーを増加させることができた。このことから、本実施例によれば、被混練材料の処理能力の減少に伴う混練エネルギーの増加、及び、被混練材料の処理能力の増加に伴う混練エネルギーの減少を緩和できることが確認できた。
（実施例２）
スクリュ回転速度を４００ｒｐｍ、処理能力を３００ｋｇ／ｈと設定し、混練調整機構６により流路面積を調整した場合における、溶融混練部５２において与えられる比エネルギーを測定した。測定結果を図８に示す。
（比較例２）
上記実施例２と同条件における、混練溶融部Ｘにおいて与えられる比エネルギーを測定した。測定結果を図８に示す。
図８に示されるように、混練溶融部５２は、混練溶融部Ｘと比較して、混練調整機構６を用いた運転範囲をおよそ２２％拡大できた。
なお、特許請求の範囲に記載の材料混練装置は、例えば、前述の実施の形態における二軸スクリュ押出機１である。シリンダは、例えば、シリンダ２であり、スクリュは、例えば、スクリュ３である。第１混練翼は、例えば、混練エレメント５２１であり、第２混練翼は、例えば、混練エレメント５２２である。第１翼は、例えば、送り翼３２Ａ及び３２Ｂであり、第２翼は、例えば、戻し翼３３である。第３翼は、例えば、送り翼３２Ａであり、第４翼は、例えば、送り翼３２Ｂである。
１ 二軸スクリュ押出機、２ シリンダ、３，３Ａ，３Ｂ スクリュ、４Ａ，４Ｂ 軸受部、６ 混練調整機構、７ 契合部分、２１ スクリュ穴、２２ 材料投入口、２３ ベント口、２４ 材料排出口、３１ 輸送翼、３２Ａ，３２Ｂ 送り翼、３３ 戻し翼、５１ 輸送部、５２ 溶融混練部、５３ 脱揮部、５４ 混練部、５５ 排出部、５２１，５２２ 混練エレメント。

Claims (5)

  1. 内部に材料が投入されるシリンダに挿通され、前記シリンダにおける上流側及び下流側の両端部、あるいは前記上流側端部において回転可能に支持されるスクリュと、
    前記スクリュに螺旋状に形成され前記材料を前記スクリュの回転により前記下流側へ送る第１翼を複数有する第１混練翼と、
    前記スクリュに螺旋状に形成され前記第１混練翼により前記下流側へ送られた材料を前記回転により前記上流側へ戻す第２翼を前記第１翼の翼数より少ない翼数有する第２混練翼と
    を備える材料混練装置。
  2. 前記第２翼は前記スクリュに複数形成されており、
    前記第１翼のいずれかである第３翼の前記下流側終端と前記第２翼の前記上流側始端とが契合されており、
    前記第１翼のいずれかである第４翼の前記下流側終端と前記第２翼の前記上流側始端とが離間されている請求項１記載の材料混練装置。
  3. 前記スクリュは、前記第１混練翼と前記第２混練翼との組を複数有する請求項１または請求項２記載の材料混練装置。
  4. 前記第１混練翼及び前記第２混練翼は、前記シリンダの軸方向における長さが同一である請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の材料混練装置。
  5. 内部に材料が投入されるシリンダに挿通され、前記シリンダにおける上流側及び下流側の両端部、あるいは前記上流側端部において回転可能に支持されるスクリュを回転させ、
    前記スクリュに螺旋状に形成され前記投入された材料を前記スクリュの回転により前記下流側へ送る第１翼を複数有する第１混練翼により、前記投入された材料を前記下流側へ送るとともに、前記スクリュに螺旋状に形成され前記第１混練翼により前記下流側へ送られた材料を前記回転により前記上流側へ戻す第２翼を前記第１翼の翼数より少ない翼数有する第２混練翼により、前記下流側へ送られた材料を前記上流側へ戻し、
    前記材料を混練することを特徴とする材料混練方法。
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