JPH03502186A - 熱可塑性合成材料の処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、特許請求の範囲ｌの前文による装置に関すル、コノ種の装置は、定 期刊行物ｒＫｕｏｓｔｓｔｏｆｔｅＪＮｏ。

３．１９８８年中のＧ、メンゲス（Ｇ、　Ｍｅｎｓｅｓ）氏による論文「一体成 形されたギヤポンプを有する改良型可塑化システム（Ｖｅｒｂｅｓｓｅｒｔｅｓ 　ＰｌａｓｔｉｆｌｚｉｅｒｓｙｓＬｅｍ　ｗｉｔ　ｉｎＬｅｇｒ　−１ｅｒｔ ｅｒ　Ｚａｈ＋＋ｒａｄｐｕｍｐｅ　）　Ｊに記載されている。

スクリュ押出機においては、可塑化された合成樹脂（以下、プラスチック）ｊｌ 材（Ｍａｓｓ）の温度（素材温度）は主としてスクリュに供給される混線エネル ギ（Ｋｎｅｔ−Ｅｎｅｒｇｌｅ）によって決まる。この混線エネルギはスクリュ の回転数に比例するので、素材温度とスクリュの回転数との間には法則のような 関係が存在する。可能な限り高い搬送効率を得るためには、スクリュとスクリュ ・シリンダ間の間隙を可能な限り小さくする必要があり、従って、スクリュの回 転数は素材温度のみならず、素材処理量及び素材圧力をも左右する。素材の圧力 はスクリュ回転数のみによって決まるから、スクリュ押出機は、所要の素材圧力 を与えるように設定された適当なスクリュ回転数で（回転速度）で動作させられ る。はとんどの場合、対応素材温度は、このスクリュ回転数には適していないの で、押出機のハウジングは外部から冷却、時には、加熱される（Ｄｌｌ−Ｂ　３ ６２３６７９参照）。これは非常に時間のかかる制御方法を意味し、長いならし 運転をした後で初めて有効な制御法となり、従って、素材温度の設定が比較的不 正確になってしまう。処理量及び温度が不正確であることにより、押出厚さが変 動してしまう。

装置の設定を変えたり、シートの厚さを変えたり、また、従って、素材処理量を 可変にできるような動作を行わせることができるようにするためには、このよう に長い温度制御時間を要することは、望ましくな（、かつ、不合格製品の点から 高価になる。

上記の欠点は、前述の刊行物ｒ　ＫｕｎｓｔｓｔｏｆｆＪ中のＧ、メンゲス氏の 論文によるプラスチック処理プラントについてもあてはまる。このプラントにお いては、可塑化プラスチック素材の押出量を一定に保ち、かつ、装置入口におけ る素材圧力を一定に保つことができるように、前述した構成のスクリュ押出機の 後にギヤポンプが設けられている。一定した搬送を行うギヤポンプの回転数と比 較的一定した搬送力とを持つスクリュ押出機の回転数は、ポンプの入力における 素材圧を制御のパラメータとする適当な制御装置によって相互に固定的に結合さ れる。スクリュ押出機の搬送が僅かでも変動すると、ポンプにおける入力圧が大 きく変動してしまうので、スクリュ回転数は、ポンプの許容入力を超えないよう にするために、再調整する必要がある。素材温度は、スクリュ押出機の固定的な 搬送（スクリュとシリンダ間の間隙あるいはスリップのない搬送）特性のために 、スクリュの回転数の制御装置の変化の関数として変化する。このようにして生 じる温度の変動はスクリュ・シリンダを加熱あるいは冷却することによって補償 されねばならない。従って、この公知の装置においても、遅くかつ不正確な素材 温度の調整について上述した欠点が存在する。

従って、この発明の目的は上述した形式の装置において、出来るだけ慣性を排除 して一定の押出量と素材圧を押出装置の入力において得るように、素材温度を設 定し安定化することである。

この目的は、この発明に従って、搬送・溶融装置と搬送ポンプとを有する熱可塑 性合成樹脂（プラスチック）処理装置を提供することによって達成される。

この発明による装置の推奨実施例及びその改良は従属する請求項に示されている 。

この発明は、（メンゲスによる装置の場合と同様）圧力の発生のみならず、押出 量をもスクリュの回転数から完全に切離し、押出機のスクリュの回転数を変える ことによりプラスチック素材の溶融温度と均質性の自由度を付加して、高品質製 品を作るために必要な一定した押出量が得られるようにするという考え方に基づ いている。

これは、搬送に関しては非固定的なスクリュ押出機、あるいは、他の非固定搬送 特性を有する撹拌機型搬送溶融装置を、はぼ直線的な回転数／処理量比を有する 、例えばギヤポンプ等の固定搬送ポンプとの組合せにより、素材温度を慣性なし で設定安定化する形で達成できる。非固定搬送型スクリュ押出機は、押出量とは 独立して、その回転数範囲にわたって許容ポンプ入力圧を超えない、あるいは、 少なくとも、広い回転数範囲にわたってポンプの許容入力圧内にとどまる最高圧 力を生成する。固定搬送型ポンプは、経済的に妥当な処理量で、低い温度レベル でも、必要な素材圧力が装置中で得られるようにすＩ　る。非固定搬送型スクリ ュ押出機の容積輸送効率は前述したようにして、全パワー範囲にわたうて大きく 変化する。これを、スクリュの回転数の変化させることのみによって素材温度を 設定するというこの発明の目的に積極的に利用する。そのために、公知の構成の 押出機スクリュを、連続攪拌機（低い圧力を生じる滑動回転体）の動作特性を呈 するように改変し、かつ、溶融体処理量及び素材処理量を押出機に続く固定搬送 型溶融ポンプによって正確に調整できるようにする。押出機スクリュの変更はス クリュ間隙を大きくすることによって行われる。このようにすると、溶融及び均 質化は材料のスクリュの溝に沿う流れによってではなく、スクリュのねじ山、即 ち混合素子を何度も乗越えて流れることによって行われる。

これにより、搬送効率は大きく低下し、スクリュ圧力の設定は回転速度範囲全体 にわたって、許容入力圧に対応して低いレベルに維持される。非固定搬送型スク リュ押出機の最低回転数は、固定搬送型溶融体搬送ポンプを完全に満たすに必要 な最低圧力によって決まる。この最低圧力で、最低素材温度が得られよう。回転 数を一定の処理量において上限（＋ポンプの最高許容入力圧）まで上昇させると 、素材温度はその最高設定値に達する。

図面を参照するとこの発明がよく理解されよう。

第１図は、この発明による非固定搬送型スクリュ押出機と固定搬送型ギヤポンプ とを含む熱可塑性プラスチックの処理のための装置の一実施例の概略縦断面図で ある。

第２図は、４つの異なる処理量について、第１図のスクリュ押出機の回転数の関 数としての素材温度の変化を示す図である。

第１図に示す装置は、ＬＤＰＥ　（低密度ポリエチレン）あるいはＨＤＰＥ　（ 高密度ポリエチレン）等の熱可塑性プラスチックを処理する。このプラスチック は流動的な形、特に、粒状形式で装置１の装填ファンネル（２Ｉｌｌ斗）１３に 供給され、溶融され（可塑化され）で、所定の処理速度と一定の素材圧力で別の 装置（図示せず）に送られる。

装置ｌは、図示の例においては、スクリュ押出機１０と、それに続くギヤポンプ ２０とを含んでいる。スクリュ押出機１０は、基本的に、内部に押出機スクリュ １２が支持されている押出機ハウジング（シリンダ）１１からなる。図示の例で は、押出機スクリュ１２は２つの螺旋溝を持っている。スクリュのねじ山は押出 機ハウジング１１の内壁との間に大きな間隙を持っている。押出機スクリュは領 域Ａに、後で詳細に説明する短い圧縮領域を持っている。上述した大きな間隙の ために、押出機スクリュ１２は前述したように非固定搬送特性を持っている。

図示の例のスクリュ押出機１０の一端には、固定搬送特性を持つギヤポンプ２０ が接続されている。スクリュ押出機１０とギヤポンプ２０は両者とも、発生した 熱の外部への伝導を出来るだけ小さくするために、絶縁外被１４によって覆われ ている。

押出機ハウジング１１とギヤポンプ２０とを作動させるに先立って加熱するため に、ハウジング１１を所要の動作温度に予熱しておくための温度制御回路（図示 せず）に接続された加熱スリーブ１６と２１がハウジングとポンプ２ｏの外面に 設けられている。さらに、溶融体が押出機スクリュ１２の入口領域に逆流しない ようにするために、押出機ハウジングの入口に冷却リング１５が設けられている 。

ギヤポンプ２０は、噛合い歯を持ち互いに逆方向に回転する２つの搬送ホイール ２２と２３を備えている。ホイール２２と２３は押出機スクリュ１２の回転軸の 延長線上で噛合うようになっている。従って、ポンプ２０の搬送通路２４は押出 機ハウジング１１の内孔を直接延長したものを表すことになる。押出機ハウジン グ１１とギ′ヤポンプ２０との間の遷移部には、ポンプ２０に異物が入ることが ないようにするために、搬送通路２４の前に保護用の漉網が配置されている。

押出機ハウジング１１の内孔の出口に、スクリュ押出機ｌＯから出た可塑化され 均質化されたプラスチック素材のその時の温度を電気信号の形で検出して表示器 ３ｏ上に指示するために、温度測定センサ３１が設けられている。押出機スクリ ュ１２のその時の回転数Ｕ１□もタコジェネレータ３２によって表示器に送られ る。アクチュエータ５０により押出機スクリュ１２の駆動モータ４０の回転数が 、所要の素材温度が表示器３０に表示されるまで調整される。

ギヤポンプ２０の搬送通路２４の出口には圧カドランスデューサ６１が設けられ ていて、ポンプ２０に入った素材の圧力を処理量を示すものとして検出する。そ の時の素材の圧力に関する測定信号Ｐ　１ｍｌは表示器６０に供給される。

ギヤポンプ２０の駆動モータ７０の回転数は、所要の素材圧力即ち処理量が表示 器６０に表示されるまで、アクチュエータ８０によって調整される。

第２図は、素材温度の安定化が、機械的駆動出力と溶融体のエンタルピ増分との 間の平衡状態においてオートスタティクに圧力差を生じさせることなしに行われ ることを示すものである。第２図は、スクリュ直径が４０ｍｍの第１図に示す装 置で、メルトインデックスＭｆｉ　　（メルトフローインデックス）が０．７の 低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）に関し、４つの異なる処理量、即ち、３０Ｋｇ ／　ｈ。

４０Ｋｇ／　ｈ　、　５０Ｋｇ／　ｈ及び６０Ｋｇ／　ｈについて得たものであ る。例えば、５０Ｋｇ／　７１の処理量の場合、３８０〜５３０ｒ、１１．＋＊ のスクリュ回転数では、素材温度範囲は１６７〜１８９℃であった。これに対応 するポンプ入力圧力（ギヤポンプ２０の入口における素材圧力）は２０〜１００ バールであった。

スクリュ押出機１０は半断熱的な態様で動作するから、回転数／温度反応は実質 的に慣性を伴わない。実際の動作において、押出機ｌＯとギヤポンプ２０との間 の圧力変動は、僅かに数バールである。スクリュとポンプの回転数は切離されて いるので、エネルギ変換（温度）と処理量とは互いに独立して設定できる。エネ ルギの変換プロセスは押出機において内側から外側に向かうので、加熱制御によ る押出様ハウジングの温度制御を行うと、かえって邪魔になる。半断熱システム に加えて押出機ｌＯとギヤポンプ２０との間に可能な限り良好な熱絶縁を行うこ とにより、エネルギの損失が小さくなるという別の利点が得られる。

温度は初めにポンプの回転数を設定すること（第１図のアクチュエータ８０）に よって所要の処理量を調整することにより設定される（第２図の６０Ｋｇ／　ｈ の図表に付した矢印Ａ）。素材温度は、アクチュエータ５０上に温度設定に従っ て押出機の回転数を設定して設定される。（第２図の点Ｃより上の矢印Ｂ１この 点に、ギヤポンプ２０を満たす最低圧力と、最低温度１６８℃がある。）スクリ ュの回転数をさらに点りまで上昇させると、所要の温度１８２℃が得られる。温 度はスクリュの一端部（素材センサ３１）で直接測定されるので、回転数／温度 応答（機械的エネルギ変換とエンタルピ増加の関係に対応）は実質的に慣性を伴 わない。

設定された温度の安定化は、その時の動作状態に対応する粘度と対応する素材温 度からのずれが生じると、押出機の入力に、従って、素材中で発生する熱に対応 した変化が生じて、初めのずれが打消されるような形で、プラスチック素材の粘 度を通して間接的に行われる。ここでは、押出機のスクリュ１２は一種の「粘度 センサ」として働く。定常動作状態では、粘度／スクリュ周辺粘度／素材温度関 係は一定となる。現在の製造標準に従って比較的狭い範囲内で均一な熱可塑性プ ラスチック材料が供給される限り、同じ剪断速度で同じ粘度の場合は温度も同じ となる。経験によれば、通常の標準的な原材料の場合は、温度の偏位は１”Ｃ程 度である。例えば、ＬＤＰＥ材料のＭｆｉを０．３から１．５に変えることによ り粘度を意図的に変えると、温度が数秒以内に変更された条件に対応する値に低 下する。従って、自動的に調整される温度を変化させるには、同じようにして、 スクリュの回転数を調整すればよい。

経験によれば、上述した温度安定化方法は、混合物、例えば、ＬＤＰＥとＨＤＰ Ｅの混合物、及びその他同様の異なるＭｆｉ値を持った熱可塑性プラスチックに も有効であることがわかった。この事実は、押出機スクリュ１２に混合粘度、Ｌ ＤＰＥ成分に関する入力温度と出力温度間の温度差、及びＨＤＰＥ成分に関する 入力温度と出力温度の間の差によって生じるトルクがかかるということから説明 できる。

例えば、ＬＤＰＨの場合について、入口温度（１６０℃）と出口温度（１８０℃ ）に２０℃の温度差がある場合の駆動動力とスクリュの回転数とを再計算すると 、スクリュ出口における溶融体粘度の約１０倍という混合粘度の値が出た。一方 、非均−な再生物あるいは異なるＭｆｉを持った再生物とのプラスチックの混合 物が処理される場合には、素材温度の変動があることにより、Ｍｆｉ値に差があ ることがわかる。しかし、吹込フィルムの場合は、バブルの安定性、従って、製 品の品質は、Ｍｆｉ値に変動があっても、上述の一定した粘度の場合の安定化の メカニズムにより、大きな粘度の変動があっても素材温度は安定しているかの如 く、狭い限界内で保たれよう。

溶融体ポンプを用いると、素材温度に伴う密度、従って、処理量の変化を考慮す る必要があることは明らかである。しかし、この一定ポンプ回転数における処理 量の偏移は、ポンプの入口と出口の間の圧力差が自動的に変化することによるス リップ変化によって補償される。例えば、スクリュの回転数が４２５　ｒｐｍか ら５２Ｏｒｐｍに変化して素材温度が１６８℃から１８２℃に上昇したとすると （矢印Ｂ）、密度、従って処理量は１．４％（測定値）減少する。同時に、ポン プ入力圧力（充満圧力）は２０バールから７０バールに上昇し、粘度の低下が少 な（なるから、ポンプの圧力差、従って、スリップ値が共に小さくなる。

スリップ測定値を適切に選ぶことにより、はぼ完全な補償が可能である。

第１図に関連して述べたスクリュの開始部に短い圧縮領域を設ける目的は、複数 旋回スクリュの周辺部へ相分離を移動させることにより、固相及び液相における 滞留時間スペクトルを狭くすることである。スクリュのみぞに沿って分離線があ る場合の相分離に比較すると、スクリュの周辺部における相分離の場合の滞留時 間スペクトルはかなり狭い。この保持スペクトルが狭くなることは、供給された プラスチック材料の固相から液相への非常に均一な変化と共に生じる。

桜〉喉璽； 省

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．粒状プラスチックの搬送及び溶融装置（１０）と、この搬送及び溶融装置（ １０）から可塑化されたプラスチックが供給される、処理量と回転数が実質的に 比例関係にある、固定搬送型ポンプ（２０）とを備え、特徴として、ポンプ（２ ０）の回転数が搬送及び溶融装置（１０）の回転数から分離されており、かつ、 プラスチック処理装置（１）の所要処理量の関数として変えることが可能とされ ており、搬送及び溶融装置（１０）はその容量搬送効率がその回転数の範囲内で 変化する非固定搬送型であり、粒状プラスチック材料は非固定搬送型搬送及び溶 融装置（１０）がその全回転数範囲で粒状プラスチック材料で満たされると共に ポンプ（２０）の最低充満圧力が得られるに充分なプラスチック材料を搬送する ように供給され、非固定搬送型搬送及び溶融装置（１０）の最大圧力は少なくと も固定搬送型ポンプ（２０）の所要入口圧力の下の広い回転数範囲にわたって維 持され、可塑化プラスチック素材の温度は搬送及び溶融装置（１０）の回転数を 適切に選択することによって調整することができるようにされており、搬送及び 溶融装置の動作点は供給された機械的駆動力と、プラスチック素材のエンタルピ 増分と動力損矢の和との間の平衡状態に対応し、かつ、自動的に安定化されるよ うになっている、熱可塑性プラスチックを処理するための装置。
2. ２．搬送及び溶融装置（１０）が外界から熱的に絶縁されていることを特徴とす る、請求項１に記載の装置。
3. ３．搬送及び溶融装置（１０）としてスクリュ押出機を用いた場合、スクリュ（ １２）の外径と押出機ハウジング（１２）の内径との間に大きな間隙が設定され て、溶融及び均質化が実質的にスクリュの山を複数回乗越えることによって行わ れ、スクリュの溝に沿う横断方向の流れによっては僅かにしか行われず、また、 搬送効率がスクリュ圧力の発生が回転数範囲の全体にわたって低いレベルに維持 されるようにされていることを特徴とする、先行する請求項の１つに記載の装置 。
4. ４．複数スクリュのスクリュ押出機を搬送及び溶融装置（１０）として用いる場 合、スクリュ始端に短い圧縮領域が設けられていることを特徴とする、先行する 請求項の１つに記載の装置。