JP5619067B2 - ストランド製造用ダイの設計方法、設計プログラムおよび設計装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性材料をノズルから押し出してストランドを製造するためのダイの設計方法、設計プログラム、設計装置、ストランド製造用ダイおよびストランド製造方法に関する。

溶融された熱可塑性材料を押出成形により紐状に成形するダイが知られている。紐状に成形された熱可塑性材料はストランドと呼ばれ、ストランドを製造するダイはストランド製造用ダイと呼ばれる。

ストランドは、ストランドカッタ装置で所定の長さに切断され、例えば射出成形に用いられるペレットとなる。ストランドを切断してペレットを製造するストランドカット方式は、比較的安価であり幅広く利用されている。

ストランド製造用ダイの構造について図７を用いて説明する。図７は、ストランド製造用ダイの概略平面図である。図７に示すように、ストランド製造用ダイ１は、熱可塑性材料を紐状に成形するダイノズル２と、ダイノズル２に連通するダイ流路３（ダイホルダとも呼ばれる）と、を備える。

ダイ流路３には、熱可塑性材料を導入するための導入口４が形成されている。導入口４は、２本のスクリュ５ａ，５ｂを備える二軸スクリュ押出機６といった押出機に接続される。二軸スクリュ押出機６が熱可塑性材料を導入口４へ向けて押し出すことによって、熱可塑性材料がストランド製造用ダイ１に供給される。ストランド製造用ダイ１に供給された熱可塑性材料は、ダイ流路３を通ってダイノズル２から押し出され、紐状に成形される。

近年、熱可塑性材料の生産効率を向上させたいという要求が増加しており、当該ストランドの製造量を増加することが求められている。このため、溶融状態で特殊な挙動を示す樹脂やその配合割合が増加しており、ダイノズル通過後のストランドが螺旋状に成形されてしまうことがある。図８は、ストランドを製造している最中のストランド製造用ダイ１を、ダイノズル２が設けられた側から見た部分拡大図であり、螺旋状に成形されたストランドの例を示している。

ストランドが螺旋形状を有していると、ストランドをストランドカッタ装置で切断しても所望の寸法および形状を有するペレットを得ることができない。また、ストランドカッタ装置によっては、螺旋形状を有するストランドを切断することができないかもしれない。

ストランドが螺旋状に成形される現象は、熱可塑性材料がストランド製造用ダイ１に供給されている間中、常に起きる場合もあれば、断続的に起きる場合もある。ここでは、熱可塑性材料がストランド製造用ダイ１に供給される時間のうちのある一定割合以上の時間でストランドが螺旋状に成形される現象をストランドカール現象と定義する。

ストランドカール現象は、ストランド製造用ダイ１に供給する熱可塑性材料の流量（以下、供給流量という）を増やすと起きやすい。そのため、ストランド製造用ダイの寸法や形状によっては供給流量を増やすことができず、ストランドの製造量を増加できなかった。

このような問題点を解決する技術が特許文献１に開示されている。

特許文献１では、約０．０５〜２．０重量％の有機酸の亜鉛塩を含む熱可塑性材料を使用してストランドを製造する方法が開示されている。特許文献１の実験結果によれば、所定の供給流量において、有機酸の亜鉛塩を含まない熱可塑性材料ではストランドは螺旋状に成形され、所定量の有機酸の亜鉛塩を含む熱可塑性材料ではストランドは直線状に成形されている。すなわち、有機酸の亜鉛塩を含む熱可塑性材料を用いることによって、ストランドカール現象を起こすことなく供給流量を増加することができる。その結果、ストランドの製造量が増加する。

特表２００２−５４０２４０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている方法によって製造されたストランドは、有機酸の亜鉛塩を含む。そのため、有機酸の亜鉛塩を含まないストランドを製造する場合、特許文献１の方法を用いることができない。有機酸の亜鉛塩を含まない熱可塑性材料であっても、所定の供給流量でストランドカール現象を起こすことなくストランドを製造することが求められている。

経験的に得られた知見では、ストランドカール現象はダイ流路をより大きくすることによって起きにくくなる。この知見から、発明者らは、ダイ流路の形状および大きさを最適化することによってストランドカール現象の発生を抑制することに着目した。

しかしながら、所望の供給流量に対して必要なダイ流路の大きさについての知見は得られていない。また、同じ供給流量でストランドを製造しても、熱可塑性材料の組成やダイノズルの形状および大きさによってストランドカール現象が起きる場合と起きない場合とがあった。

そのため、所望の供給流量に対してダイ流路の大きさが十分でないストランド製造用ダイが設計されてしまうことがあった。所望の供給流量としては、押出機がストランド製造用ダイに供給可能な熱可塑性材料の最大供給流量（以下、押出機最大供給流量）が挙げられる。

押出機最大供給流量に対して必要なダイ流路の大きさが十分でないストランド製造用ダイでは、押出機最大供給流量でストランドを成形するとストランドカール現象が起きてしまう。そのため、押出機最大供給流量よりも少ない供給流量でストランドを製造しなければならない。その結果、押出機には余力があるにもかかわらずストランドの製造量が制限されていた。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、所望の供給流量に適したストランド製造用ダイの設計を可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一の態様は、ダイノズル、および該ダイノズルに連通するダイ流路を備え、ダイ流路に供給された６０ｗｔ％のポリフェニレンサルファイド樹脂および４０ｗｔ％のグラスファイバーからなる樹脂をダイノズルから押し出てストランドを成形するストランド製造用ダイを設計する方法に係る。この態様において、任意に選択された調査用ノズル、および該調査用ノズルに連通する任意に選択された調査用流路を用いて調査された所定の関係を用意する用意ステップと、第１の算出ステップと、第２の算出ステップと、ダイ流路を決定するステップと、を含む。用意ステップで用意される所定の関係は、ストランドカール現象が起きるか否かの境界を示す、調査用ノズルでの前述の樹脂のせん断速度、および前述の樹脂が調査用流路を通過するのに要する時間の関係である。第１の算出ステップでは、所定の流量で前述の樹脂をダイノズルへ供給した場合の該ダイノズルでの前述の樹脂のせん断速度を算出する。第２の算出ステップでは、第１の算出ステップにおいて算出されたせん断速度でストランドカール現象を起こさないための時間を、用意ステップにおいて用意された関係に基づいて算出する。ダイ流路を決定するステップでは、所定の流量で前述の樹脂をダイ流路へ供給した場合に前述の樹脂が第２のステップにおいて算出された時間以上の時間をかけてダイ流路を通過するように、ダイ流路の形状および大きさを決定する。

また、本発明の他の態様は、ダイノズル、および該ダイノズルに連通するダイ流路を備え、ダイ流路に供給された６０ｗｔ％のポリフェニレンサルファイド樹脂および４０ｗｔ％のグラスファイバーからなる樹脂をダイノズルから押し出てストランドを成形するストランド製造用ダイの設計をコンピュータのＣＰＵに実行させるためのプログラムに係る。この態様において、任意に選択された調査用ノズル、および該調査用ノズルに連通する任意に選択された調査用流路を用いて調査された所定の関係を用意する用意処理と、第１の算出処理と、第２の算出処理と、決定処理と、をＣＰＵに実行させる。用意処理で用意される所定の関係は、ストランドカール現象が起きるか否かの境界を示す、調査用ノズルでの前述の樹脂のせん断速度、および前述の樹脂が調査用流路を通過するのに要する時間の関係である。第１の算出処理では、所定の流量で前述の樹脂をダイノズルへ供給した場合の該ダイノズルでの前述の樹脂のせん断速度を算出する。第２の算出処理では、第１の算出処理において算出されたせん断速度でストランドカール現象を起こさないための時間を、用意処理において用意された関係に基づいて算出する。決定処理では、所定の流量で前述の樹脂をダイ流路へ供給した場合に前述の樹脂が第２の算出処理において算出された時間以上の時間をかけてダイ流路を通過するように、ダイ流路の形状および大きさを決定する。

また、本発明の他の態様は、ダイノズル、および該ダイノズルに連通するダイ流路を備え、ダイ流路に供給された６０ｗｔ％のポリフェニレンサルファイド樹脂および４０ｗｔ％のグラスファイバーからなる樹脂をダイノズルから押し出てストランドを成形するストランド製造用ダイを設計する装置に係る。この態様において、任意に選択された調査用ノズル、および該調査用ノズルに連通する任意に選択された調査用流路を用いて調査された所定の関係を用意する用意手段と、第１の算出手段と、第２の算出手段と、決定手段と、を備える。用意手段で用意される所定の関係は、ストランドカール現象が起きるか否かの境界を示す、調査用ノズルでの前述の樹脂のせん断速度、および前述の樹脂が調査用流路を通過するのに要する時間の関係である。第１の算出手段は、所定の流量で前述の樹脂をダイノズルへ供給した場合の該ダイノズルでの前述の樹脂のせん断速度を算出する。第２の算出手段は、第１の算出手段によって算出されたせん断速度でストランドカール現象を起こさないための時間を、用意手段によって用意された関係に基づいて算出する。決定手段は、所定の流量で前述の樹脂をダイ流路へ供給した場合に前述の樹脂が第２の算出手段によって算出された時間以上の時間をかけてダイ流路を通過するように、ダイ流路の形状および大きさを決定する。

本発明によれば、所望の供給流量に適したストランド製造用ダイを設計することができる。

ストランドカール現象の発生の有無と、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間と、の関係の一例を示すグラフである。 ストランドカール現象の発生の有無と、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間と、の関係の他の例を示すグラフである。 想定される流量を３００ｋｇ／ｈとして、本発明の実施形態を用いて設計されたストランド製造用ダイの平面図および側面図である。 図３に示されるストランド製造用ダイを用いてストランドを製造したときのストランドカール現象の発生の有無をまとめたグラフである。 想定される流量を５００ｋｇ／ｈとして、本発明の実施形態を用いて設計されたストランド製造用ダイの平面図および側面図である。 図３に示されるストランド製造用ダイを用いてストランドを製造したときのストランドカール現象の発生の有無をまとめたグラフである。 ストランド製造用ダイの概略平面図である。 ストランドを製造している最中のストランド製造用ダイを、ダイノズルが設けられた側から見た部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態に係る、ストランド製造用ダイの設計方法ついて、図を用いて説明する。なお、本発明を用いて設計されるストランド製造用ダイは、図７に示されるストランド製造用ダイとほぼ同じであるため、ストランド製造用ダイの構造の詳細については省略する。

本実施形態では、まず、任意に選択された調査用ノズルと、当該調査用ノズルに連通する任意に選択された調査用流路とを用いて調査された所定の関係を用意する。当該所定の関係は、ストランドカール現象が発生するか否かの境界を示す、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間の関係である。

ここで、ノズル部せん断速度は調査用ノズルでの熱可塑性材料のせん断速度を示し、流路通過所要時間は熱可塑性材料が調査用流路を通過するのに要する時間を示す。また、任意に選択された調査用ノズルとは、任意の形状および大きさを有するノズルであり、任意に選択された調査用流路とは、任意の形状および大きさを有する流路である。

前述の関係の例について、図１を用いて説明する。図１は、ストランドカール現象の発生の有無と、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間と、の関係を示すグラフである。

図１に示されるグラフにおいて、横軸はノズル部せん断速度を示し、縦軸は流路通過所要時間を示している。ノズル部せん断速度や流路通過所要時間は、調査用ノズルや調査用流路を通過する熱可塑性材料の体積流量に基づいて定まる。

例えば、円形形状の開口を有するノズルでは、体積流量とせん断速度は次の関係を有することが知られている。

また、熱可塑性材料の供給位置からノズルまでの経路が１つである流路では、流路の容積を体積流量で除した値を流路通過所要時間とすることができる。

熱可塑性材料の供給位置からノズルまでの経路が複数ある流路では、各経路によって熱可塑性材料の速度や各経路の長さが異なっている場合がある。このような場合には、熱可塑性材料が各経路を通過するのに要する時間のうちの最も短い時間を流路通過所要時間とすればよい。

なお、ストランドを成形する際に用いられる熱可塑性材料は非圧縮性流体として扱うことができるため、本明細書において、体積流量や質量流量を単に流量と表現することがある。

図１に示されるグラフにおいて、黒塗り円形マーク（●）は、熱可塑性材料が調査用ノズルに供給されている間（以下、材料供給時間という）中、常に直線形状を有するストランドが成形された結果を示している。バツ印プロット（×）は、材料供給時間中、常に螺旋形状を有するストランドが成形された結果を示している。

白抜き円形プロット（○）、四角形プロット（□）および三角形プロット（△）は、材料供給時間に、直線形状を有するストランドおよび螺旋形状を有するストランドの両方が成形された結果を示している。

具体的には、白抜き円形プロット（○）は、材料供給時間のうちの７割以上の時間で直線形状を有するストランドが成形された結果を示している。四角形プロット（□）は、材料供給時間のうちの３割以上７割未満の時間で直線形状を有するストランドが成形された結果を示している。三角形プロット（△）は、材料供給時間のうちの３割未満の時間で直線形状を有するストランドが成形された結果を示している。

図１に示されるグラフを作成するに当たり、熱可塑性材料として、６０ｗｔ％のポリフェニレンサルファイド（Ｐｏｌｙ Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ Ｓｕｌｆｉｄｅ：ＰＰＳ）樹脂および４０ｗｔ％のグラスファイバー（Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ：ＧＦ）からなる樹脂を用いた。

また、調査用ノズルとして、直径３ｍｍの円形開口を有するノズルと、直径４ｍｍの円形開口を有するノズルと、を用いた。調査用流路として、熱可塑性材料の供給位置からノズルまでの経路が１つであり、４２ｃｍ³の容積を有する流路を用いた。

調査用流路に熱可塑性材料を供給する手段として二軸スクリュ押出機（株式会社日本製鋼所製、ＴＥＸ３０（商品名））を用いた。二軸スクリュ押出機から調査用流路に供給される熱可塑性材料の温度を３５０℃〜４００℃とした。調査用流路の外周にはヒータを設け、該ヒータの温度を３４０℃とした。

図１に示されるグラフから、流路通過所要時間の、ノズル部せん断速度に対する比の値（すなわち図１のグラフの傾き）が０．０１ｓ²よりも小さい場合に、材料供給時間中のほとんどの時間において螺旋形状を有するストランドが形成されたことがわかる。ストランドカール現象を、材料供給時間中のほとんどの時間において螺旋形状を有するストランドが形成される状態として定義すると、ストランドカール現象の発生の有無と、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間と、の関係として次のことが言える。

すなわち、流路通過所要時間の、ノズル部せん断速度に対する比の値が０．０１ｓ²よりも小さい場合にストランドカール現象は発生する。一方、当該比の値が０．０１ｓ²以上の場合にはストランドカール現象は発生しない場合がある。このように、ストランドカール現象が起きるか否かの境界を示す、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間の関係は、比例係数が０．０１ｓ²である一次関数として表される。

また、流路通過所要時間の、ノズル部せん断速度に対する比の値が０．０５２ｓ²以上の場合に、材料供給時間中のほとんどの時間において直線形状を有するストランドが形成されたことがわかる。ストランドカール現象を、材料供給時間中のほとんどの時間において直線形状を有するストランドが形成されない状態として定義すると、ストランドカール現象の発生の有無と、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間と、の関係として次のことが言える。

すなわち、流路通過所要時間の、ノズル部せん断速度に対する比の値が０．０５２ｓ²よりも小さい場合にストランドカール現象は発生する場合がある。一方、当該比の値が０．０５２ｓ²以上の場合にはストランドカール現象は発生しない。このように、ストランドカール現象が起きるか否かの境界を示す、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間の関係は、比例係数が０．０５２ｓ²である一次関数として表される。

なお、当該比の値が０．０１ｓ²〜０．０５２ｓ²の範囲は、流路形状や運転状況によって、ストランドカール現象が発生するか否かの遷移領域である。図１に示されるグラフにおいて、破線で示された直線が比例係数０．０１ｓ²の一次関数直線を示しており、一点差線で示された直線が比例係数０．０５２ｓ²の一次関数直線を示している。

図２は、図１に示されるグラフを作成する際に使用した調査用流路とは異なる２つの調査用流路を使用して、ストランドカール現象の発生の有無と、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間と、の関係をまとめたグラフである。

２つの調査用流路のうちの一方の調査用流路は、熱可塑性材料の供給位置からノズルまでの経路が１つであり、６３ｃｍ³の容積を有する。当該調査用流路では、直径３ｍｍの円形開口を有するノズルに連通させたケースと、直径４ｍｍの円形開口を有するノズルに連通させたケースと、の２つのケースにおいてストランドカール現象の発生の有無を調査した。

２つの調査用流路のうちの他方の調査用流路は、熱可塑性材料の供給位置からノズルまでの経路が１つであり、２２３ｃｍ³の容積を有する。当該調査用流路では、直径３ｍｍの円形開口を有するノズルに連通させたケースにおいてストランドカール現象の発生の有無を調査した。

図２に示されるグラフから分かるように、６３ｃｍ³または２２３ｃｍ³の容積を有する調査用流路を用いた場合であっても、流路通過所要時間の、ノズル部せん断速度に対する比の値が０．０１ｓ²よりも小さい場合には、材料供給時間中のほとんどの時間において螺旋形状を有するストランドが形成された。また、流路通過所要時間の、ノズル部せん断速度に対する比の値が０．０５２ｓ²以上の場合には、材料供給時間中のほとんどの時間において直線形状を有するストランドが形成された。

図１および２に示されるグラフを作成するに当たり、６０ｗｔ％のＰＰＳ樹脂および４０ｗｔ％のグラスファイバーからなる熱可塑性材料を用いたが、他の熱可塑性材料を用いても同様の傾向が得られると考えられる。また、調査用ノズルの開口が円形形状とは異なる形状（例えば、四角形形状や楕円形状）を有していても同様の傾向が得られると考えられる。

熱可塑性材料の前述の関係が得られたところで、本実施形態を用いて設計されるストランド製造用ダイに供給される熱可塑性材料の流量を想定する。想定される流量は、例えば、押出機最大供給流量である。

次に、熱可塑性材料を想定される流量でストランド製造用ダイのダイノズルに供給した場合に熱可塑性材料に生じるせん断速度を算出する（第１の算出ステップ）。

ダイノズルが円形形状の開口を有する場合には、当該せん断速度は式１を用いて算出される。ストランド製造用ダイが複数のダイノズルを有する場合には、ストランド製造用ダイに供給される熱可塑性材料の流量をダイノズルの数で除すことで、ダイノズルに供給される熱可塑性材料の流量が算出される。

続いて、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間の関係に基づいて、第１の算出ステップにおいて算出されたせん断速度でストランドカール現象が起きない流路通過所要時間を算出する（第２の算出ステップ）。

本実施形態では、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間の関係は、一次関数として得られている。したがって、第１の算出ステップにおいて算出されたせん断速度に前記一次関数の比例係数を乗じることによって流路通過所要時間が算出される。

流路通過所要時間が算出されたところで、ストランド製造用ダイのダイ流路の形状および大きさを決定する。ダイ流路の形状および大きさは、想定される流量で熱可塑性材料をダイ流路へ供給した場合に、熱可塑性材料が第２の算出ステップで算出した時間以上の時間をかけてダイ流路を通過するように決定される。

ダイ流路の大きさが大きければ大きいほど、熱可塑性材料がダイ流路を通過するのに要する時間は大きくなる。しかしながら、ダイ流路を大きくするとストランド製造用ダイも大きくなり、ストランド製造用ダイを製作するコストや、ストランド製造用ダイを設置するためのスペースがより大きくなる。

したがって、ダイ流路の大きさは、想定される流量で熱可塑性材料をダイ流路へ供給した場合に、熱可塑性材料が第２の算出ステップで算出した時間と略同じ時間をかけてダイ流路を通過するように決定することが望ましい。

熱可塑性材料の供給位置（例えば図７に示される導入口４）からダイノズルまでの経路が１つであるダイ流路では、第２の算出ステップで算出した時間に想定される体積流量を乗じることによってダイ流路の容積を算出することができる。ダイ流路の容積が算出されることで、ダイ流路の大きさが決定される。

ダイ流路の形状によっては、熱可塑性材料の供給位置（例えば図７に示される導入口４）からノズルまでの経路が複数存在し、各経路によって熱可塑性材料の速度や各経路の長さが異なる場合がある。このような場合には、熱可塑性材料が各経路を通過するのに要する時間のうちの最も短い時間が第２の算出ステップで算出した時間以上となるようにダイ流路の大きさを決定すればよい。

以上の設計方法を用いることにより、所望の供給流量に適したストランド製造用ダイが設計される。

また、本発明は、ストランド製造用ダイの設計を、コンピュータのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央演算処理装置）に実行させるためのプログラム（以下、単に設計用プログラムと称す）に係る。本発明に係る設計用プログラムについて説明する。

設計用プログラムは、まず、任意に選択された調査用ノズルと、当該調査用ノズルに連通する任意に選択された調査用流路とを用いて調査された所定の関係を用意する用意処理を、ＣＰＵに実行させる。当該所定の関係は、ストランドカール現象が発生するか否かの境界を示す、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間の関係である。

用意処理では、コンピュータの記憶手段に予め記憶された所定の関係を読み込むことによってＣＰＵが所定の関係を用意してもよいし、コンピュータの操作者によって入力された所定の関係を読み込むことによってＣＰＵが所定の関係を用意してもよい。

次に、設計用プログラムは、所定の流量で熱可塑性材料をダイノズルへ供給した場合のダイノズルでの熱可塑性材料のせん断速度を算出する第１の算出処理を、ＣＰＵに実行させる。所定の流量は、例えば、押出機最大供給流量である。所定の流量は、記憶手段に予め記憶された値であってもよいし、操作者によって入力される値であってもよい。

続いて、設計用プログラムは、用意処理において用意された所定の関係に基づいて、第１の算出ステップにおいて算出されたせん断速度でストランドカール現象が起きない流路通過所要時間を算出する第２の算出処理を、ＣＰＵに実行させる。

流路通過所要時間が算出されたところで、設計用プログラムは、ストランド製造用ダイのダイ流路の形状および大きさを決定する決定処理を、ＣＰＵに実行させる。ダイ流路の形状および大きさは、所定の流量で熱可塑性材料をダイ流路へ供給した場合に、熱可塑性材料が第２の算出処理で算出した時間以上の時間をかけてダイ流路を通過するように決定される。

以上の設計用プログラムを用いて各処理をＣＰＵに実行させることにより、所望の供給流量に適したストランド製造用ダイが設計される。なお、本実施形態では、設計用プログラムは第１の算出処理の前に用意処理をＣＰＵに実行させているが、第１の算出処理の後に用意処理をＣＰＵに実行させてもよい。

また、本発明は、ストランド製造用ダイを設計する装置（以下、単に設計装置と称す）に係る。本発明に係る設計装置について説明する。

設計装置は、用意手段と、第１および第２の算出手段と、決定手段と、を備える。

用意手段は、任意に選択された調査用ノズルと、当該調査用ノズルに連通する任意に選択された調査用流路とを用いて調査された所定の関係を用意する。当該所定の関係は、ストランドカール現象が発生するか否かの境界を示す、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間の関係である。

用意される所定の関係は、設計装置の記憶手段に予め記憶された関係であってもよいし、設計装置の操作者によって入力される関係であってもよい。

第１の算出手段は、所定の流量で熱可塑性材料をダイノズルへ供給した場合のダイノズルでの熱可塑性材料のせん断速度を算出する。所定の流量は、例えば、押出機最大供給流量である。所定の流量は、記憶手段に予め記憶された値であってもよいし、操作者によって入力される値であってもよい。

第２の算出手段は、用意手段によって用意された所定の関係に基づいて、第１の算出手段によって算出されたせん断速度でストランドカール現象が起きない流路通過所要時間を算出する。

決定手段は、ストランド製造用ダイのダイ流路の形状および大きさを決定する。ダイ流路の形状および大きさは、所定の流量で熱可塑性材料をダイ流路へ供給した場合に、熱可塑性材料が第２の算出処理で算出した時間以上の時間をかけてダイ流路を通過するように決定される。

以上の設計装置を用いることにより、所望の供給流量に適したストランド製造用ダイが設計される。

以下、本実施形態により設計されたストランド製造用ダイを製作し、ストランドカール現象の発生の有無を調査した実施例について説明する。

（実施例１）
まず、想定される流量を３００ｋｇ／ｈとして設計したストランド製造用ダイについて説明する。本実施例においては、ストランドカール現象を、材料供給時間中のほとんどの時間において螺旋形状を有するストランドが形成される状態と定義する。すなわち、ストランドカール現象が起きるか否かの境界を示す、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間の関係は、比例係数が０．０１ｓ²の一次関数である。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ）および（ｄ）は、想定される流量を３００ｋｇ／ｈとして、本実施形態を用いて設計されたストランド製造用ダイの平面図，側面図，背面図および正面図である。

図３に示されるように、導入口４は、長辺が１２６ｍｍ、短辺が６９ｍｍの角丸長方形形状を有する。ダイ流路３の、流入口４とは反対側に位置する部分は、長辺が１９１ｍｍ、短辺が２２ｍｍの角丸長方形形状を有する。また、当該部分は、流入口４から７０ｍｍ離されている。

なお、角丸長方形形状とは、２つの等しい長さの平行線と、２つの半円形からなる形状である。

図３に示されるストランド製造用ダイ７を製作し、ストランドカール現象の発生の有無を調査した。ストランド製造用ダイ７に熱可塑性材料を供給する押出機として、株式会社日本製鋼所製、ＴＥＸ６５（商品名）を用い、３００ｋｇ／ｈ，３５０ｋｇ／ｈ，４００ｋｇ／ｈの流量でストランド製造用ダイ７に熱可塑性材料を供給した。

図４は、図３に示されるストランド製造用ダイ７を用いてストランドを製造したときのストランドカール現象の発生の有無をまとめたグラフである。

図４に示されるように、流量が３５０ｋｇ／ｈおよび４００ｋｇ／ｈの場合には、材料供給時間中のほとんどの時間において、螺旋形状を有するストランドが成形され、ストランドカール現象が起きた。流量が３００ｋｇ／ｈの場合には、直線形状を有するストランドが成形された。すなわち、本実施形態により設計されたストランド製造用ダイ７では、想定した流量でストランドカール現象が起きることなくストランドを製造することができた。

以上のように、本実施形態に係るストランド製造用ダイの設計方法により、所望の供給流量に適したストランド製造用ダイが設計された。

（実施例２）
次に、想定される流量を５００ｋｇ／ｈとして設計したストランド製造用ダイについて説明する。本実施例においては、ストランドカール現象を、材料供給時間中のほとんどの時間において直線形状を有するストランドが形成されない状態と定義する。すなわち、ストランドカール現象が起きるか否かの境界を示す、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間の関係は、比例係数が０．０５２ｓ²の一次関数である。

図５（ａ），（ｂ），（ｃ）および（ｄ）は、想定される流量を５００ｋｇ／ｈとして、本実施形態を用いて設計されたストランド製造用ダイの平面図，側面図，背面図および正面図である。

図５に示されるように、導入口４は、長辺が１２６ｍｍ、短辺が６９ｍｍの角丸長方形形状を有する。ダイ流路３の、流入口４とは反対側に位置する部分は、長辺が５１０ｍｍ、短辺が１５ｍｍの角丸長方形形状を有する。また、当該部分は、流入口４から７０ｍｍ離されている。

図５に示されるストランド製造用ダイ８では、ダイ流路３の容積は、図３に示されるストランド製造用ダイ７よりも約１０倍大きい。

また、ストランド製造用ダイ８では、ダイ流路３の、流入口４とは反対側に位置する部分がストランド製造用ダイ７よりも大きい。したがって、ストランド製造用ダイ８では、ダイノズル２の数は、ストランド製造用ダイ７よりも約１．８倍増えている。

さらに、本実施例では、ダイ流路３の端部へ熱可塑性材料が十分に行きわたるように、ダイ流路３はマニホールド９を含んでいる。マニホールド９によって、ダイ流路３内での熱可塑性材料の流動性が均一化され、ダイ流路３内での熱可塑性材料の速度分布のばらつきが抑制される。その結果、全てのダイノズル２へ熱可塑性材料が略均等に行きわたり、各ダイノズル２で成形されるストランドの太さが均一化されるとともに、ストランドが途中で途切れにくくなる。

図５に示されるストランド製造用ダイを製作し、ストランドカール現象の発生の有無を調査した。ストランド製造用ダイに熱可塑性材料を供給する押出機として、株式会社日本製鋼所製、ＴＥＸ６５（商品名）を用い、５００ｋｇ／ｈ，６００ｋｇ／ｈ，８００ｋｇ／ｈの流量でストランド製造用ダイに熱可塑性材料を供給した。

図６は、図５に示されるストランド製造用ダイを用いてストランドを製造したときのストランドカール現象の発生の有無をまとめたグラフである。

図６に示されるように、流量が６００ｋｇ／ｈおよび８００ｋｇ／ｈの場合には、螺旋形状を有するストランドが成形され、ストランドカール現象が起きた。流量が５００ｋｇ／ｈの場合には、材料供給時間中のほとんどの時間において直線形状を有するストランドが形成された。すなわち、本実施形態により設計されたストランド製造用ダイでは、想定した流量でストランドカール現象が起きることなくストランドを製造することができた。

以上のように、本実施形態に係るストランド製造用ダイの設計方法により、所望の流量に適したストランド製造用ダイが設計された。

なお、一次関数の比例係数は、実施例１，２において用いた０．０１ｓ²または０．０５２ｓ²に限られないが、０．０１ｓ²以上かつ０．０５２ｓ²以下の値とすることが好ましく、０．０５２ｓ²とすることがより望ましい。

また、調査用流路は、比較的小さい容積を有するものが好ましい。これは、次の理由による。

すなわち、調査用流路の容積が比較的大きいと、調査用流路を製作するコストも増加してしまう。調査用流路の容積が大きいほどストランドカール現象が起きるか否かの境界となる供給流量は増加するため、当該境界を示す、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間の関係を求める際に、比較的多くの熱可塑性材料を必要とする。その結果、熱可塑性材料のコストが増加してしまう。

比較的小さい容積を有する調査用流路を用いることによって、ストランドカール現象が起きるか否かの境界を示す、ノズル部せん断速度および流路通過所要時間の関係を求める際のコストを抑制することができる。

２ ダイノズル
３ ダイ流路３
４ 導入口
７，８ ストランド製造用ダイ
９ マニホールド

Claims (5)

1. ダイノズル、および該ダイノズルに連通するダイ流路を備え、前記ダイ流路に供給された６０ｗｔ％のポリフェニレンサルファイド樹脂および４０ｗｔ％のグラスファイバーからなる樹脂を前記ダイノズルから押し出てストランドを成形するストランド製造用ダイを設計する方法であって、
   任意に選択された調査用ノズル、および該調査用ノズルに連通する任意に選択された調査用流路を用いて調査された関係であって、ストランドカール現象が起きるか否かの境界を示す、前記調査用ノズルでの前記樹脂のせん断速度、および前記樹脂が前記調査用流路を通過するのに要する時間の関係を用意する用意ステップと、
   所定の流量で前記樹脂を前記ダイノズルへ供給した場合の該ダイノズルでの前記樹脂のせん断速度を算出する第１の算出ステップと、
   前記第１の算出ステップにおいて算出された前記せん断速度でストランドカール現象を起こさないための前記時間を、前記用意ステップにおいて用意された前記関係に基づいて算出する第２の算出ステップと、
   前記所定の流量で前記樹脂を前記ダイ流路へ供給した場合に前記樹脂が前記第２のステップにおいて算出された前記時間以上の時間をかけて前記ダイ流路を通過するように、前記ダイ流路の形状および大きさを決定するステップと、を含む、ストランド製造用ダイの設計方法。
2. 前記用意ステップにおいて用意される前記関係が、前記調査用ノズルでの前記樹脂のせん断速度と、前記樹脂が前記調査用流路を通過するのに要する時間との間の一次関数で示されている、請求項１に記載のストランド製造用ダイの設計方法。
3. 前記用意ステップにおいて用意される前記一次関数の比例係数が、０．０１以上０．０５２以下である、請求項２に記載のストランド製造用ダイの設計方法。
4. ダイノズル、および該ダイノズルに連通するダイ流路を備え、前記ダイ流路に供給された６０ｗｔ％のポリフェニレンサルファイド樹脂および４０ｗｔ％のグラスファイバーからなる樹脂を前記ダイノズルから押し出てストランドを成形するストランド製造用ダイの設計をコンピュータのＣＰＵに実行させるためのプログラムであって、
   任意に選択された調査用ノズル、および該調査用ノズルに連通する任意に選択された調査用流路を用いて調査された関係であって、ストランドカール現象が起きるか否かの境界を示す、前記調査用ノズルでの前記樹脂のせん断速度、および前記樹脂が前記調査用流路を通過するのに要する時間の関係を用意する用意処理と、
   所定の流量で前記樹脂を前記ダイノズルへ供給した場合の該ダイノズルでの前記樹脂のせん断速度を算出する第１の算出処理と、
   前記第１の算出処理において算出された前記せん断速度でストランドカール現象を起こさないための前記時間を、前記用意処理において用意された前記関係に基づいて算出する第２の算出処理と、
   前記所定の流量で前記樹脂を前記ダイ流路へ供給した場合に前記樹脂が前記第２の算出処理において算出された前記時間以上の時間をかけて前記ダイ流路を通過するように、前記ダイ流路の形状および大きさを決定する処理と、を前記ＣＰＵに実行させる、ストランド製造用ダイの設計用プログラム。
5. ダイノズル、および該ダイノズルに連通するダイ流路を備え、前記ダイ流路に供給された６０ｗｔ％のポリフェニレンサルファイド樹脂および４０ｗｔ％のグラスファイバーからなる樹脂を前記ダイノズルから押し出てストランドを成形するストランド製造用ダイを設計する装置であって、
   任意に選択された調査用ノズル、および該調査用ノズルに連通する任意に選択された調査用流路を用いて調査された関係であって、ストランドカール現象が起きるか否かの境界を示す、前記調査用ノズルでの前記樹脂のせん断速度、および前記樹脂が前記調査用流路を通過するのに要する時間の関係を用意する用意手段と、
   所定の流量で前記樹脂を前記ダイノズルへ供給した場合の該ダイノズルでの前記樹脂のせん断速度を算出する第１の算出手段と、
   前記第１の算出手段によって算出された前記せん断速度でストランドカール現象を起こさないための前記時間を、前記用意手段によって用意された前記関係に基づいて算出する第２の算出手段と、
   前記所定の流量で前記樹脂を前記ダイ流路へ供給した場合に前記樹脂が前記第２の算出手段によって算出された前記時間以上の時間をかけて前記ダイ流路を通過するように、前記ダイ流路の形状および大きさを決定する決定手段と、を備えた、ストランド製造用ダイの設計装置。