JP5635047B2 - 二軸スクリュ押出機及び混練方法 - Google Patents

Description

本発明は、同一方向に回転する２つのスクリュを有する二軸スクリュ押出機及び混練方法に関する。

同一方向に回転する２つのスクリュを備える二軸スクリュ押出機が知られている（特許文献１参照）。同一方向回転型の二軸スクリュ押出機では、スクリュの軸方向に直交する断面におけるフライト頂部の数が、１〜３つ（３条）のいずれかであることが一般的である。

二軸スクリュ押出機が備えるスクリュは、軸方向に対して複数種類のスクリュ部分に区分されており（セグメント化）、所望の用途に応じて、複数種類のスクリュ部分が組み合わされて構成されることが可能になっている。スクリュ部分の分類としては、樹脂材の搬送を主目的としたフルフライト部と、混練を主目的とした混練部とに大別される。

フルフライト部は、フライトが、軸回りに螺旋状にねじられながら連続して形成されている。一方、混練部は、一般に、フライトが、軸回りに不連続に形成されており、フライトが不連続となる箇所で、樹脂材の成分が分割されることによって、分配混練特性が高められている。

一般に、混練性は、分散混練と、分配混練との２種類の特性によって評価される。分散混練は、回転するスクリュによって生じるせん断力によって促進される。分配混練は、ひずみ作用によって促進される。

複数のニーディングディスクを用いて構成された代表的な混練スクリュ部の場合、ニーディングディスクの軸方向の厚みが大きくなるほど分散混練特性を高める因子が大きくなり、ニーディングディスクの軸方向の厚みが小さくなるほど分配混練特性を高める因子が大きくなる傾向にある。

分配混練特性が求められる場合としては、主原料である樹脂材に、炭酸カルシウムやタルクなどのフィラーを混入する場合や、樹脂材に対して液体相を注入して樹脂材に液体相を均一に溶解させるプロセスなどのように、第１の成分相である主成分相に第２の成分相を均一に混練するプロセスが挙げられる。例えば、二軸押出機において、主成分相を完全に溶融させた後に、主成分相にフィラーを混入させて混練を行うときに、混練スクリュ部として、分散混練特性が高い混練スクリュ部を用いた場合、局所的に大きな混練応力が生じる影響によってフィラーが凝集し、主成分相にフィラーを均一に混練させることが困難になる。このような場合、樹脂材に生じる内部応力を可能な限り小さくすると共に、樹脂材を分断させるひずみ作用が大きい混練スクリュ部を構成することが望ましい。

一般的に、このような分配混練特性が必要な混練スクリュ部を構成する場合、可能な限り厚みが薄いニーディングディスクを用いる場合が多い。しかしながら、このように分配混練特性の因子が比較的大きいと考えられているニーディングディスクであっても、分散混練特性の因子を排除することができないので、せん断応力の作用によって生じる凝集や発熱等を無視できない場合も起こる。

一方、分散混練特性をほとんど有しておらず分配混練特性に優れた代表的な混練スクリュ部としては、ニーディングギアを用いた混練スクリュ部が挙げられる。一方のスクリュのニーディングギアは、バレルの筒状部の内径に近い外径を有する円形状に形成されており、周方向に複数の切り欠き溝が形成されている。一方のスクリュのニーディングギアに対向する、他方のスクリュのニーディングの外径は、一方のスクリュの内径にほぼ等しい程度に小さい円形に形成されている。

このようなニーディングギアを用いた混練スクリュ部は、ニーディングギアの回転によって流体成分の分断、つまりひずみ作用によって分配混練特性が促進される特徴を有している。しかしながら、この混練スクリュ部には、バレルの内壁面近傍の流体成分を完全に掻き取ることができず、一方のスクリュの表面に堆積した樹脂材を他方のスクリュが掻き取るセルフクリーニング特性が乏しいという不都合がある。

特開２００６−５６０９５号公報

M.L.BOOY, "Geometry of Fully Twin-Screw Equipment", POLYMER ENGINEERING AND SCIENCE; SEPTEMBER, 1978, V0l.18, No.12, p.973-p.984

ところで、上述したように、同一方向回転型の二軸スクリュ押出機は、２つのスクリュの軸方向におけるクリアランスが、２つのスクリュの回転角度にかかわらずに常に一定に保たれているので、セルフクリーニング特性を有している。このセルフクリーニング特性を有するスクリュに関する概念は、非特許文献１に記載されたスクリュの断面形状に関する思想に基づいている。

図１２に、本発明に関連する二軸スクリュ押出機のスクリュを説明するための断面図を示す。

図１２に示すように、二軸スクリュ押出機は、同一方向に回転する２つのスクリュを備えている。スクリュは、直径Ｄ_SがＣ_L−Ｃ_Rで定義される真円状のニーディングディスクを有している。２つのスクリュは、バレルの筒状部の中心に対してスクリュの回転軸線が所定の偏心量Ａだけ同一方向に偏心されて、すなわち同位相で偏心されて配置されている。

図１２に示すように、非特許文献１に記載の技術では、スクリュの軸間距離（中心間距離）をＣ_L、バレルの筒状部の半径をＲ_Bとし、スクリュの内半径Ｒ_Sとして、
Ｃ_L＝Ｒ_B＋Ｒ_S ・・・（１）
を満たしている。

ただし、実際のスクリュを設計する際に、式（１）をそのまま適用した場合、２つのスクリュが常時接することになるので、スクリュの外半径をなすフライト頂部と、バレルとの間にクリアランスＣ_Rを設定する。すなわち、スクリュの外半径Ｒ_Tとバレルの半径Ｒ_Bとの関係は、
Ｒ_T＝Ｒ_B−Ｃ_R ・・・（２）
を満たしている。

式（１）、（２）の関係から、Ｒ_T＝Ｒ_Sである場合、つまりスクリュが円形である場合、スクリュの直径Ｄ_Sは、
Ｄ_S＝Ｃ_L−Ｃ_R ・・・（３）
を満たしている。

式（３）を満たすように直径Ｄ_Sをなす円弧状のフライトが形成された２つのスクリュを、スクリュの軸方向に直交する断面において、同一方向に偏心量Ａだけ偏心させて配置する。スクリュの軸線からスクリュのフライト頂部の外周面までの半径である最小距離が、内半径Ｒ_Sとなるように設定した場合、最大距離が、外半径Ｒ_Tとなる。そして、２つのスクリュが同一方向に回転したときに、セルフクリーニング特性が得られると同時に、バレルの内面近傍の樹脂材も掻き取ることが可能になる。このとき、偏心量Ａと、スクリュの内半径Ｒ_S、外半径Ｒ_Tは、
Ａ＝（Ｒ_T−Ｒ_S）／２ ・・・（４）
を満たしている。

しかしながら、上述のように、軸方向に直交する断面形状が円形状をなすスクリュは、せん断応力を抑制することができる一方で、流体成分を分断するひずみ作用が得られないので、分配混練特性を充分に確保することができないという問題がある。

そこで、本発明は、上記関連する技術の課題を解決することができる二軸スクリュ押出機、及び混練方法を提供することを目的とする。本発明の目的の一例は、樹脂材を均一に混練することが可能になり、特に分配混合能力を高めることができる二軸スクリュ押出機、及び混練方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る二軸スクリュ押出機は、複数のニーディングディスクを軸方向に沿って配列してなる混練部を有する同一形状に形成されて並列配置され、同一方向に非接触で回転する２つのスクリュと、スクリュが内部に配される２つの筒状部を有するバレルと、を備える。スクリュの回転軸線に対してニーディングディスクの外径中心が偏心している。バレルの筒状部の半径をＲ_Ｂ、ニーディングディスクの、フライトが形成された軸部の半径をＲ_Ｓ、２つのスクリュの軸間距離をＣ_Ｌとして、Ｃ_Ｌ＝Ｒ_Ｂ＋Ｒ_Ｓを満たす。スクリュの軸方向に直交する断面において、フライト頂部とバレルとの間に、バレルの筒状部の内部でスクリュを回転可能にするクリアランスＣ_Ｒが設けられ、スクリュの直径をＤ_Ｓとして、Ｄ_Ｓ＝Ｃ_Ｌ−Ｃ_Ｒを満たす。そして、スクリュのフライト頂部には、スクリュの径方向に対して深さＨを有する複数の切り欠き溝が、フライト頂部の周方向に沿って形成されると共に、複数の切り欠き溝の底の位置が、軸部の半径Ｒ _Ｓ の位置とそれぞれ等しくされ、フライト頂部の周方向に対する、隣接する切り欠き溝間の幅をＷとすれば、Ｗ≧１．６２×（２Ｒ_Ｂ／３０）を満たす。

また、本発明に係る混練方法は、本発明に係る二軸スクリュ押出機を用いて、樹脂材を混練する。

なお、本発明において、スクリュの内半径は、フライト基部におけるスクリュの半径を指しており、スクリュの外径は、フライト頂部におけるスクリュの直径を指している。

本発明によれば、セルフクリーニング性を確保すると共に、分配混合特性を高めることが可能になり、混練された樹脂材の均一性を向上することができる。

実施形態の二軸スクリュ押出機を説明するための模式図である。 実施形態の二軸スクリュ押出機のスクリュを説明するための断面図である。 実施形態の二軸スクリュ押出機のスクリュを示す斜視図である。 第１の比較例のスクリュを示す斜視図である。 第２の比較例のスクリュを示す斜視図である。 実施形態におけるスクリュを用いたときの、ひずみ回数と頻度の関係を示す図である。 第１の比較例のスクリュを用いたときの、ひずみ回数と頻度の関係を示す図である。 第２の比較例のスクリュを用いたときの、ひずみ回数と頻度の関係を示す図である。 実施形態におけるスクリュを用いた場合について、サンプル品の貯蔵弾性率を説明するための図である。 実施形態におけるスクリュを用いた場合について、サンプル品の損失弾性率を説明するための図である。 実施形態におけるスクリュを用いたときの、添加材の濃度と、サンプル品の貯蔵弾性率との関係を示す図である。 本発明に関連する二軸スクリュ押出機のスクリュを説明するための断面図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に、実施形態の二軸スクリュ押出機の模式図を示す。図２に、実施形態の二軸スクリュ押出機が備えるスクリュを説明するための断面図を示す。

図１及び図２に示すように、実施形態の二軸スクリュ押出機は、同一形状に形成されて並列配置され、同一方向に互いに非接触で回転する２つのスクリュ１１、１２と、スクリュ１１、１２が内部に配される２つの筒状部を有するバレル（シリンダ）１３と、２つのスクリュ１１、１２を回転駆動するためのモータ（不図示）及び減速機（不図示）と、を備えている。

バレル１３は、図１に示すように、主成分が供給される供給口を有するホッパーシリンダ１３ａと、フィラーや、液体、繊維等の添加材が投入される投入口を有するサイドフィードシリンダ１３ｂと、中間シリンダ１３ｃとを有している。

また、バレル１３の筒状部の内部に配置された２つのスクリュ１１、１２を回転可能にするために、スクリュ１１、１２の軸方向に直交する断面において、スクリュ１１、１２の各フライト頂部と、バレルの内面との間には、所定のクリアランスＣ_Rが設けられている。

なお、スクリュの内半径をＲ_Sとして、クリアランスＣ_Rは、０＜Ｃ_R＜Ｒ_Sを満たしている。また、本実施形態において、スクリュの内径（内半径）は、スクリュの、フライトが形成された軸部の径、すなわちフライト基部におけるスクリュの径（半径）を指している。スクリュの外径（外半径）は、フライト頂部におけるスクリュの径（半径）を指している。

スクリュ１１、１２は、軸方向に沿って順に、フルフライト部１４ａ、第１の混練部１４ｂ、第２の混練部１４ｃが形成されている。また、各スクリュ１１、１２の一端部は、減速機（不図示）に連結されている。

図３に、実施形態の二軸スクリュ押出機が備えるスクリュの斜視図を示す。図３に示すように、実施形態におけるスクリュ１１、１２は、軸方向に配列された複数のニーディングディスク１５を有しており、真円状のニーディングディスク１５によって、円弧状をなすフライトが構成されている。１枚のニーディングディスク１５は、バレル１３の直径をＤ（Ｄ＝２Ｒ_B）としたときに、軸方向のディスク厚みが、１枚の軸方向の厚みが０．２５Ｄに形成されている。図３には、４枚のニーディングディスク１５から構成されたエレメントを示す。

また、スクリュ１１、１２は、上述した式（１）〜式（４）をそれぞれ満たすように構成されている。つまり、スクリュ１１、１２の直径Ｄ_Ｓ（ニーディングディスク１５の直径Ｄ_Ｓ）は、上述の式（３）に示したＤ_Ｓ＝（Ｃ_Ｌ−Ｃ_Ｒ）を満たしている。また、バレル１３の筒状部の中心に対する、スクリュ１１、１２間で隣り合う各ニーディングディスク１５の外径中心の偏心量Ａが、式（２）及び式（４）から求められるＡ＝｛（Ｒ_Ｂ−Ｃ_Ｒ−Ｒ_Ｓ）／２｝を満たすように同位相で偏心させて配置されている。

加えて、本実施形態におけるスクリュ１１、１２は、分配混練特性を高めるために、図２及び図３に示すように、軸方向に直交する断面において、スクリュ１１、１２のフライト頂部の周面に、スクリュ１１、１２の径方向に対して深さＨを有する複数の切り欠き溝１６が、フライト頂部の周方向に沿って形成されている。また、切り欠き溝１６の深さＨは、Ｃ_R＜Ｈ≦（Ｒ_B−Ｒ_S）を満たすように形成されている。

また、スクリュ１１、１２の軸方向に直交する断面において、図２に示すように、切り欠き溝１６の深さＨは、外周部における対向する一方側から他方側に向かって徐々に小さく形成され、外周部の他方側が、スクリュ１１、１２の内径に近い円弧状に形成されている。

本実施形態では、スクリュ１１、１２の切り欠き溝１６の底面の位置が、スクリュ１１、１２の内半径Ｒ_Sの位置と等しくなるように形成されており、切り欠き溝１６の条数が１０で形成されている。

スクリュ１１、１２の径方向に対する切り欠き溝１６の深さＨは、スクリュ１１、１２の内半径Ｒ_Sに底面が到達するまで深く形成された場合に効果が最も大きくなる。しかし、切り欠き溝１６の深さＨは、底面が、半径Ｒ_Bから内半径Ｒ_Sの範囲内に位置するような深さに形成されていれば、混練時にひずみ作用が発現するので、分配混練特性を高める効果が得られる。また、フライト頂部の周方向に対する、隣接する切り欠き溝１６間の幅Ｗ（以下、フライト頂部の幅Ｗと称する）が狭く、切り欠き溝１６の個数（以下、切り欠き乗数と称する）が多いほど、得られるひずみ作用を高められるが、主成分相として粘度が高い材料を用いて混練する場合は、スクリュ１１、１２の表面へ作用する圧力、つまりトルクが高くなるので、スクリュ１１、１２の機械的強度が十分に保たれない可能性がある、このため、切り欠き乗数は、一概に多い方が好ましいとはいえず、下記に示すように最適値に設定される。

スクリュ１１、１２に設ける切り欠き溝１６の個数を増やすのに従って、フライト頂部の幅Ｗは、必然的に狭くなる。フライト頂部の幅Ｗが小さ過ぎる場合には、スクリュ１１、１２の回転によって高粘度樹脂材を混練するときに、そのせん断応力の作用によってフライトが破損する可能性がある。そのため、二軸スクリュ押出機のバレル１３の直径Ｄに対応する最小の幅Ｗが規定される。

フライト頂部の幅Ｗが取り得る寸法に対し、バレル１３の直径Ｄ＝３０ｍｍの二軸スクリュ押出機を一例として考える。例えば、ｄ＝２Ｒ_Sとして、（スクリュの内半径Ｒ_S）、（Ｄ／ｄ）＝１．８０である二軸スクリュ押出機の場合には、切り欠き溝１６の深さＨ＝６．６７ｍｍであるものが一般的にある。この二軸スクリュ押出機において、スクリュ１１、１２の回転数を非常に高回転条件である１０００ｒｐｍとして混練を行う場合を考慮すると、スクリュの切り欠き溝の最深部（底部）のせん断速度は、２３５．５[１／ｓ]となる。このせん断速度において、樹脂材の粘度が１００００[Ｐａ・ｓ]である非常に高粘度の樹脂材を用いる場合を考慮すると、せん断応力Ｑは、Ｑ＝２．３６×１０⁶[Ｐａ]となる。図３に示すように、スクリュ１１、１２の１つのフライト当たりの軸方向の長さが０．２５Ｄである場合、回転するスクリュ１１、１２のフライトの表面に作用する荷重Ｐは、せん断応力Ｑに基づいて、１２．０[ｋｇ]程度と算出される。この荷重Ｐが負荷された状態におけるフライトの単位長さ当たりのたわみ量Ｔは、ヤング率をＥ、断面二次モーメントをＩとすれば、
Ｔ＝ＰＨ²／３ＥＩ ・・・・（５）
によって求められる。

ヤング率Ｅは、一般的な金属材料の代表的な値を考慮して２００ＧＰａとして、断面二次モーメントＩは、フライト頂部の幅Ｗの３乗に比例して求められることから、（５）式は、Ｔ＝０．０４２７／Ｗ³となる。そして、たわみ量Ｔが１０[μｍ]以上の値になった場合、フライトに破損が生じるおそれが高くなるので、
Ｔ＝（０．０４２７／Ｗ³）≦１０μｍ
を満たすことを考えると、Ｗ≧１．６２［ｍｍ］が求められる。

つまり、上述の演算結果は、バレル１３の直径Ｄ＝３０ｍｍである二軸スクリュ押出機の場合、実施形態におけるスクリュ１１、１２の軸方向に直交する断面において、全てのフライト頂部の幅Ｗが１．６２[ｍｍ]以上を満たすように形成される必要があることを意味する。また、バレル１３の直径Ｄ＝３０ｍｍ以外の他の二軸スクリュ押出機においては、スクリュ１１、１２への負荷が最も高い「せん断速度が一定条件下でのスケールアップ理論」を適用することを前提とした場合、せん断応力Ｑとヤング率Ｅは、バレル１３の直径Ｄにかかわらずに一定となる。このため、荷重Ｐは、バレル１３の直径Ｄの２乗に比例し、切り欠き溝の深さＨは、バレル１３の直径Ｄの１乗に比例、断面二次モーメントＩは、バレル１３の直径Ｄの１乗と、フライト頂部の幅Ｗの３乗との積によって演算できることから、（６）式に示す関係が導ける。
Ｔ∝（Ｄ³／Ｗ³） ・・・・（６）

バレル１３の直径Ｄ＝３０ｍｍのときのフライト頂部の幅Ｗの値と、（６）式とから、二軸スクリュ押出機のバレル１３の直径Ｄ₁におけるフライト頂部の最小幅Ｗ₁は、（７）によって定義される。
Ｗ₁≧１．６２×（Ｄ₁／３０） ・・・（７）

つまり、バレル１３の直径Ｄ＝５０ｍｍの場合にはフライト頂部の幅Ｗが、Ｗ≧２．７［ｍｍ］を満たし、バレル１３の直径Ｄ＝１００ｍｍの場合にはフライト頂部の幅Ｗが、Ｗ≧５．４[ｍｍ]を満たすように、スクリュ１１、１２の寸法を設定することが必要となる。

したがって、フライトの切り欠き溝１６は、フライトの機械的強度を充分に確保するために、フライト頂部の幅Ｗが、Ｗ≧１．６２×（２Ｒ_B／３０）を満たすように形成される必要がある。

以上のように構成された実施形態の二軸スクリュ押出機の効果について、実施形態におけるスクリュ１１、１２と、比較例のスクリュとを比較した結果を説明する。

図４に示すように、本実施形態におけるスクリュ１１、１２と比較するために用いられた第１の比較例のスクリュ２１のエレメントは、５枚のニーディングディスク２５によって構成されており、１枚のニーディングディスク２５のディスク厚みが０．１Ｄに形成されている。

また、図５に示すように、本実施形態におけるスクリュ１１、１２と比較するために用いられた第１の比較例のスクリュ３１のエレメントは、５枚のニーディングディスク３５によって構成されており、１枚のニーディングディスク３５のディスク厚みが０．２Ｄに形成されている。

第１及び第２の比較例のスクリュ２１、３１のエレメントの軸方向の長さは、実施形態におけるスクリュ１１、１２のエレメントと等しく構成されている。また、第１及び第２の比較例のスクリュ２１、３１は、本実施形態におけるスクリュ１１、１２のように切り欠き溝１６を有していない。

実施形態及び比較例の各スクリュを用いて比較評価試験を行い、数値解析によって得られた結果を図６〜図８にそれぞれ示す。
図６に、実施形態におけるスクリュ１１、１２を用いたときの、ひずみ回数と頻度の関係を説明するための図を示す。
図７に、第１の比較例のスクリュ２１を用いたときの、ひずみ回数と頻度の関係を説明するための図を示す。同様に、図８に、第２の比較例のスクリュ３１を用いたときの、ひずみ回数と頻度の関係を説明するための図を示す。

表１に、図６から図８に示した結果をまとめた結果を示す。表１に示すように、本実施形態におけるスクリュ１１、１２の平均ひずみ回数は、第１の比較例よりも８％高く、第２の比較例よりも２５％高い結果となり、高い分配混練特性が得られた。また、ひずみ回数の標準偏差についても、実施形態におけるスクリュ１１、１２が、第１及び第２の比較例のスクリュ２１、３１と比べて最も低くなり、スクリュ１１、１２の高いひずみ作用が流体要素である樹脂材へ、より一様に作用する特性を有していた。

次に、実施形態におけるスクリュ１１、１２によって得られる効果を検証するために、図１に示した二軸スクリュ押出機において、実施形態及び比較例の各スクリュを用いて比較評価試験を行った。比較評価試験では、基本的に中間シリンダ１３ｃで構成されたバレル１３の直径Ｄが３２ｍｍである二軸スクリュ押出機において、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ＭＦＲ（メルトフローレート）＝２[ｇ／１０ｍｉｎ]）を、３０ｋｇ／ｈで最上流側のホッパーシリンダの供給口から投入し、スクリュの回転数１００ｒｐｍにて第１混練部１４ｂで溶融可塑化を行った。第１混練部１４ｂで十分に溶融可塑化を行った後に、二軸スクリュ押出機の途中のサイドフィーダシリンダ１３ｂの投入口から、添加材としての炭酸カルシウムを２０ｗｔ％の配合になるように投入し、実施形態、第１及び第２の比較例の各スクリュの軸方向の長さが各６．０Ｄとなるように連続して構成された第２混練部１４ｃにて炭酸カルシウムの分配混練を行った。

そして、実施形態及び比較例の各スクリュを用いて混練された樹脂材によってサンプル品を形成し、サンプル品の比較評価試験を行った。測定結果を図９〜図１１に示す。

なお、各スクリュの第１混練部１４ｂは、全ての条件で同一のスクリュ形状に構成した。混練を終えて押し出された、ＬＤＰＥと炭酸カルシウムの複合材は、それぞれストランド状に形成された後にペレットとして製造された。得られたペレットを、加熱装置（ホットプレート）を用いて１ｍｍ厚の薄板状のサンプル品を形成し、粘弾性測定装置（エスアイアイ・ナノテクノロジー(株)社製 ＥＸＳＴＡＲ ＤＭＳ６１００）を用いてその弾性率を測定した。測定条件は１０Ｈｚの周波数下にて３５℃から１２０℃まで温度を上昇させて行った。

図９に、実施形態におけるスクリュ１１、１２を用いた場合について、サンプル品の貯蔵弾性率Ｅ’を説明するための図を示す。図９において、縦軸に貯蔵弾性率Ｅ’を示し、横軸にサンプル品の温度を示す。また、図９において、実施形態を実線で示し、第１の比較例を点線で示し、第２の比較例を一点鎖線で示す。

図９に示すように、貯蔵弾性率Ｅ’は温度の上昇に伴って同様に減少する傾向を示しており、実施形態におけるスクリュ１１、１２は、第１及び第２の比較例に比べて、温度範囲の全体で、貯蔵弾性率Ｅ’が大きかった。サンプル品の貯蔵弾性率Ｅ’の大小関係は、実施形態＞第１の比較例＞第２の比較例の順となった。

図１０に、実施形態におけるスクリュ１１、１２を用いた場合について、サンプル品の損失弾性率を説明するための図を示す。図１０において、縦軸に損失弾性率Ｅ’’を示し、横軸にサンプル品の温度を示す。また、図１０において、実施形態を実線で示し、第１の比較例を点線で示し、第２の比較例を一点鎖線で示す。

図１０に示すように、損失弾性率Ｅ’’は温度の上昇に伴って減少する傾向を示している。実施形態及び比較例の各スクリュにおいて、損失弾性率Ｅ’’の変化が異なっているが、実施形態におけるスクリュ１１、１２は、第１及び第２の比較例に比べて、温度範囲の全体で、損失弾性率Ｅ’’が大きかった。サンプル品の損失弾性率Ｅ’’の大小関係は、実施形態＞第１の比較例＞第２の比較例の順となった。

したがって、図９及び図１０に示した結果から、実施形態におけるスクリュ１１、１２は、第１及び第２の比較例よりも、温度範囲の全体で、貯蔵弾性率Ｅ’及び損失弾性率Ｅ’’を向上することができた。

貯蔵弾性率Ｅ’と損失弾性率Ｅ’’は共に、その値が高いほど、樹脂材に混練された添加材のミクロ均一性が高いことを示している。したがって、本実施形態の二軸スクリュ押出機によれば、ＬＤＰＥに混練された炭酸カルシウムのミクロ化を最も達成することができた。すなわち、図９に示したひずみ回数の高さが、実際の分配特性の高さを裏付けたことになり、本実施形態におけるスクリュ１１、１２が、高いひずみ作用による高分配特性を有することが明らかである。

続いて、樹脂材に混練する添加材（第２の成分）である炭酸カルシウムの配合濃度を徐々に変化させて、各スクリュを用いて混練して、樹脂材によってサンプル品を形成した。図１１に、実施形態におけるスクリュ１１、１２を用いたときの、添加材の濃度と、サンプル品の貯蔵弾性率Ｅ’との関係を説明するための図を示す。図１１において、縦軸に貯蔵弾性率Ｅ’を示し、横軸に添加材である炭酸カルシウムの配合濃度を示す。また、図１１において、実施形態を実線で示し、第１の比較例を点線で示し、第２の比較例を一点鎖線で示す。図１１は、サンプル品の温度が６０℃であるときの貯蔵弾性率Ｅ’の測定結果である。

図１１に示すように、貯蔵弾性率Ｅ’は、添加材の濃度の上昇に伴って増加する傾向を示している。実施形態及び比較例の各スクリュにおいて、貯蔵弾性率Ｅ’の変化が異なっているが、炭酸カルシウムの濃度が５ｗｔ％である場合には、各スクリュにおいて貯蔵弾性率Ｅ’がほぼ同じ値を示したが、濃度が１０ｗｔ％以上である場合には、実施形態におけるスクリュを用いて混練された樹脂材で形成されたサンプル品が、第１及び第２の比較例のスクリュを用いて作製されたサンプル品よりも大きな値を示した。このことは、添加材の濃度が高いほど、実施形態におけるスクリュ１１、１２によって得られる効果が高くなることを示しており、特に添加材の濃度が１０ｗｔ％以上である場合において、著しい効果が得られた。

したがって、本実施形態の二軸スクリュ押出機を用いて、主成分である樹脂材に、樹脂材の１０重量％以上である添加材を添加して混練する場合に、分配混練特性を向上する上で、格段の効果が得られる。なお、添加材としては、上述した炭酸カルシウム等のフィラーに限定されるものではなく、各種の液体や繊維など含めた他の添加材が用いられても同様の効果が得られる。

上述したように、実施形態の二軸スクリュ押出機は、軸線に対する半径が変化する円弧状のフライトを有する２つのスクリュ１１、１２を同位相で偏心させて配置し、フライト頂部が所定の幅Ｗをなすように複数の切り欠き溝１６が形成されている。これによって、実施形態は、セルフクリーニング性を確保すると共に、分配混合特性を高めることが可能になり、混練された樹脂材の均一性を向上することができる。

１１、１２ スクリュ
１３ バレル
１６ 切り欠き溝
Ｒ_B バレルの半径
Ｒ_S スクリュの内半径
Ｃ_L 軸間距離
Ｃ_R クリアランス
Ｄ_S 直径
Ｈ 深さ
Ｗ 幅

Claims (5)

1. 複数のニーディングディスクを軸方向に沿って配列してなる混練部を有する同一形状に形成されて並列配置され、同一方向に非接触で回転する２つのスクリュと、前記スクリュが内部に配される２つの筒状部を有するバレルと、を備え、前記スクリュの回転軸線に対して前記ニーディングディスクの外径中心が偏心している二軸スクリュ押出機において、
   前記バレルの前記筒状部の半径をＲ_Ｂ、前記ニーディングディスクの、フライトが形成された軸部の半径をＲ_Ｓ、前記２つのスクリュの軸間距離をＣ_Ｌとして、
   Ｃ_Ｌ＝Ｒ_Ｂ＋Ｒ_Ｓ
   を満たし、
   前記スクリュの軸方向に直交する断面において、前記フライト頂部と前記バレルとの間に、前記バレルの前記筒状部の内部で前記スクリュを回転可能にするクリアランスＣ_Rが設けられ、
   前記スクリュの直径をＤ_Ｓとして、
   Ｄ_Ｓ＝Ｃ_Ｌ−Ｃ_Ｒ
   を満たし、
   前記フライト頂部には、前記スクリュの径方向に対して深さＨを有する複数の切り欠き溝が、前記フライト頂部の周方向に沿って形成されると共に、前記複数の切り欠き溝の底の位置が、前記軸部の半径Ｒ _Ｓ の位置とそれぞれ等しくされ、
   前記フライト頂部の周方向に対する、隣接する前記切り欠き溝間の幅をＷとすれば、
   Ｗ≧１．６２×（２Ｒ_Ｂ／３０）
   を満たしていることを特徴とする二軸スクリュ押出機。
2. 前記切り欠き溝の前記深さＨは、
   Ｃ_Ｒ＜Ｈ≦（Ｒ_Ｂ−Ｒ_Ｓ）
   を満たしている、請求項１に記載の二軸スクリュ押出機。
3. 前記スクリュの軸方向に直交する断面において、前記バレルの前記筒状部の中心に対して、前記２つのスクリュ間で隣り合う各前記ニーディングディスクの外径中心が同一方向に偏心して配置され、
   前記バレルの前記筒状部の中心に対する前記ニーディングディスクの外径中心の偏心量をＡとすれば、
   Ａ＝｛（Ｒ_Ｂ−Ｃ_Ｒ−Ｒ_Ｓ）／２｝
   を満たしている、請求項１または２に記載の二軸スクリュ押出機。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の二軸スクリュ押出機を用いて、樹脂材を混練する、混練方法。
5. 前記樹脂材に、前記樹脂材の１０重量％以上の添加材を添加して混練する、請求項４に記載の混練方法。

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