JPH10502308A - 粒状材料を押出成型するための方法および装置 - Google Patents

粒状材料を押出成型するための方法および装置

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JPH10502308A
JPH10502308A JP8504065A JP50406595A JPH10502308A JP H10502308 A JPH10502308 A JP H10502308A JP 8504065 A JP8504065 A JP 8504065A JP 50406595 A JP50406595 A JP 50406595A JP H10502308 A JPH10502308 A JP H10502308A
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クレンシェル,ヘルベルト
フレードスルンド−ハンセン,ヘルゲ
スタング,ヘンリケ
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ベー・テー・ベー・ベートン・アクティーゼルスカブ
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    • B28B3/205Producing shaped articles from the material by using presses; Presses specially adapted therefor wherein the material is extruded using vibrations

Abstract

(57)【要約】 BMC材料の押出成型は、押出成型プロセスの余剰の液体内の関連粒子系の懸濁に基づいて行なわれ、この押出成型プロセスは開口(3)を備えたノズル(1,2)を含み、実質的には形成された部材全体にわたって粒子が直接接触するまでこの開口(3)を通って余剰の液体が圧力チャンバを通って排水される。その後、部材は形状の安定した固い状態で押出機を出る。押出機はペースト入口(1.1)と、ペースト送り部分(1.2)と、排水区域(1.3)と、固まった後に送る部分(1.4)とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 粒状材料を押出成型するための方法および装置 この発明は品質の高いBMC材料(脆性マトリクス複合物)の精密押出成型に 関する。 材料の所望のプロファイルに等しい断面を有するノズルまたはダイを通して、 押出成型によっていわゆるBMC材料を形成して作ることは公知である。 BMC材料は、押出成型の後に乾燥され、かつその後焼かれる必要がある粘土 質材料(タイル、排水管など)であり得るが、これはまた、押出機を通して形成 した後に脱結合(debind)されて固まり、その後セメントと、孔にある水の一部 との化学反応によって硬化するセメントベースの材料(セメント、繊維セメント 、コンクリートまたは繊維コンクリート)でもあり得る。 材料は、水和カルシウムおよびシリコン(Ca(OH)2+SiO2)から成っ ていてもよく、これは、押出成型した後、珪酸カルシウムを形成する間に(T〜 150−220°で)オートクレーブで硬化される。さらに材料は、押出成型し た後、結晶化水の吸収による普通の方法で硬化する石膏であってもよい。 これらの材料すべてに共通することは、基礎材料としてそれらは無機粒子系か らなるという点であり、この無機粒子系は普通は比較的微粒子の粉末の形である が、コンクリートまたは繊維コンクリートなどのいくつかの場合においては粗い 粒子も含む。これらの材料を加工可能で、かつ成 形可能にするためには、普通は水である或る量の液体とそれらを混合して、それ により粒子系のペースト状またはポリッジ状の懸濁を形成し、実際に粒子の間の スペースすべてが混合水によって満たされるようにする。懸濁の粘度は、固体粒 子の量に対する液体の量を調節することにより調整され、それにより所望のプロ ファイルで連続した長さに成形および押出成型するのに適するようになる。すな わち、加える水が少なすぎて不活性度または粘度が高くなり過ぎ、このため押出 成型の間エアポケットが形成されるか、またはプロファイルはすべての角および チャネルまで完全に満たされないことがないようにしなければならず、しかし、 混合物に液体が多くあり過ぎてもいけない。その場合は、ペーストストリングが 押出成型ノズルを出た後に、押出成型されたプロファイルを維持できなくする恐 れがあるからである。 さらに、最終生産物における材料特性を最適にするのに重要な、固体コンポー ネント(微粒子、充填材、繊維、添加材、凝集(aggregate))が実際上100% 均質化した、できるだけ良い基礎材料の混合物を得るためには、比較的多くの水 を加えて加工することが必要であり、先に述べた押出成型の後の形の安定性に関 して所定のものよりもさらに、比較的多くの水を加えることが必要である。 一方、押出成型された最終的な形の材料は可能な限り少ない液体を含有するこ とが好ましい。なぜなら、これによ り最終生産物の多孔性は可能な限り低くなり、これらのマイクロポーラスの無機 材料すべてで、多孔性が高くなるとそれらの機械的特性が急激に衰えることは公 知の特徴である。 さて、この発明はこの問題を解く鍵に取り組む。すなわちそれは完全に形が安 定したプロファイルの材料を押出成型することによってこのようなBMC材料の 精密成形を可能にし、同時に最終生産物の多孔性を可能な限り低くする。ちなみ に、「形が安定した」という表現は、製品が押出機を出るときに、硬化していな い状態でのそれ自体の重みによっていかなる塑性変形も受けないほど十分に固い ということ、つまり焼かれるか、または硬化され得る前のこの時点でさえ製品は 一貫して硬く、粘柔軟性がないことを意味する。言い換えると、製品は純粋に弾 性であり、これは、製品の製造の始めの間、粒子を互いに切り離し、かつ粒子が 均一に分布するのを可能にする役割を果たすすべての「不必要な」液体、すなわ ち余剰の液体が排水されたことによる。したがって押出成型は基礎混合物の中の 、ランダムに選択された余剰の液体によって行なわれ、この余剰の液体が非常に 多いことによって懸濁の中の粒子すべてが互いから十分に離され、それにより粒 子は混合される間たとえば混合された繊維にいかなる損傷も与えることなく、所 望の高度の均質化を達成するまでかなり自由に移動できる。 適度に低い粘度のこの懸濁はここで、押出機ノズルの方 に前方に押圧またはポンプ注入され、ここで逆圧とぶつかる、というのもここに はノズル材料の固いプラグが形成されるからであり、ここで材料中の粒子が互い に接触し、圧力下(たとえば20〜400バール、典型的には50〜200バー ル、より典型的には50〜100バール)では余剰の液体すべてが押出成型ノズ ルの壁部または壁部の部分にある小さな孔またはスロットを通して粒子系から押 圧され、これらの孔またはスロットは非常に小さい(約0.5mmより小さく、 典型的には約0.1mmより小さく、より典型的には約0.01mmよりも小さ く、たとえば約0.001〜0.01mmである)ため、余剰の液体が通過でき 逃がされるが、一方、高密度の粒子系はここで、いわゆる粉体押圧によって作ら れた材料とかなり似た均質度および固さを有して、ノズルから押出され、硬化に 備える。 最も好ましい状況の下では、これによって成形され、かつ押し固められたプロ ファイルの送り出しは、上記の孔またはスロットを通して液体が押出される前の 、押出成型チャンバの懸濁の圧力を調整することにより所望の速度に調節でき、 このあとこの圧力は非常に大きくなるため、チャンバ内の押し固められたプラグ の端面にかかる力の合計は、プラグの周辺に沿った摩擦力全体に等しいか、また はそれより僅かに大きくなると考えられる。 しかし、押し固められた材料の端面にかかる圧力と、材料の押圧に対抗するノ ズル壁に沿った摩擦力との間のこの 均衡が常に達成できるとは限らない。生じ得る摩擦力は、特に、非常に厚さの薄 いウェブが押出成型の方向に対して直角にあるようなプロファイルについては非 常に大きくなると考えられ、押出成型チャンバの圧力が大きいほどこれらの力が 大きくなるため、システムは自己によってふさがれるようになりかつ材料のプラ グが早くつまる。 この状況において、この発明によると、押出成型プロセスを適当な速度で行な うために採りうるいくつかの過程がある。 1つの方法は押出機ノズルまたはノズルの部品を振動下(たとえば10〜40 0Hz、典型的には20〜200Hz、より典型的には50〜150Hz)に設 定することである。非常に緩やかな振幅においてさえも、このような振動により プラグの表面に沿った摩擦をかなりの程度減らすことができ、それにより押出成 型の速度が調整可能となる。 別の方法は、排水され、かつ押し固められた材料のプラグの背後のチャンバ内 のペースト懸濁にさまざまな圧力をかけることである。比較的小さなペースト圧 力をいくらかの期間(たとえば50〜75バールで10秒間)かけ、押出機ノズ ルの孔またはスロットと反対の部分の材料には全粒子が接触するまですべての余 剰の液体が排水される時間が与えられるが、材料が押し固められる適度なペース ト圧力に対応して比較的小さな摩擦力しか生じないように加工を行なえば、その 後にプラグの背後のペースト圧力をごく 短い時間だけ2〜4のファクタで高めること(たとえば200〜400バーで2 分の1秒間)により、形成されたプラグを或る距離だけ前方に押出すことができ る。この後圧力は、このとき孔の反対側にあるペーストプラグから余剰の液体す べてが押圧されるのにちょうど十分な大きさである低いレベルまで再度下げられ 、その後適当な短い時間の間圧力が高められると、次の押圧が起こるといった具 合に続く。 別の方法は、ノズルに先に述べたような孔またはスロットが設けられる部分で 押出機ノズルのまわりに、特殊な圧縮空気チャンバを設けることである。このチ ャンバを真空下に置くことにより、押出機内の材料の排水および押し固めは低い ペースト圧力で行なうことができ、それにより蓄積される摩擦力が小さくなり、 この摩擦力はその後再び、強く高められたペースト圧力の短いパルスにより克服 され得る。 しかしここでまた1つ可能なのは、ノズルの孔付き部分内の材料の排水を十分 に行なうために、比較的高い一定のペースト圧力を維持することであり、この場 合外部チャンバの過圧を利用して、押し固められたプラグが所望のスピードで移 動を始めるようになるだけ摩擦を減らすことである(ここでまた当然考えられる のは、材料が十分に押し固められる、うまく規定された期間と、材料のストリン グが或る距離だけ前方に押出される他の期間を達成するために は、プラグの表面にかかる気圧をパルス状にして動作することである。)。 最後に、恐らく最も単純で、かつ明らかである原理に触れる必要がある。それ は2部のプロセス、すなわち排水および押し固めのプロセスと材料を送り込むプ ロセスとを完全に分けることである。 これは、押出成型の方向と平行に配置される2つの分割線で閉じたプロファイ ルについて押出機ノズルをほぼ等しい大きさの2つの表面に分けることからなり 、さらにこれらの表面のうち1つが構造のうち静止部分であり、第2の部分が押 出成型の方向に平行に前向きおよび後向きに移動できるように押出機を構成する ことからなる(閉じたプロファイルについては押出機ノズルは移動方向と平行な 2つの分割線で分けられ、管状のプロファイルについては押出機ノズルが外面と 内面とからなり、材料がこれらの面の間のスペースに形成される場合は、外面を 固定させ、かつ内面を軸方向に前方および後方に移動させることが自然であろう )。 ここでは、かけられるペースト圧力の大きさに関わらず、十分に排水され、か つ押し固められた材料は、ノズルの可動面の往復運動に一致してノズルから移動 し、ノズルの可動面と材料のストリングとの間の摩擦はノズルが外向きに移動す るときには反対向きに方向づけられ、かつ材料のストリングに対する固定ノズル 面からの摩擦とほぼ同じ大き さである。したがって、材料の押し固められたプラグに結果としてかかる力はプ ラグの背後のペースト圧力から少なからず排他的に生じ、したがってそれは、可 動ノズル面が外向きに移動する限りそれの後に続く。次にノズルの可動面が再び 1ストロークの長さ分もどって移動するときには、材料ストリングは押出機に対 して静止しており、外向きに方向づけられたペースト圧力および内向きに方向づ けられた外面摩擦などによって固定される。 この発明は図面を参照してより詳細に示される。 図1は、この発明による押出機の一例を示す図である。 図2は、排水部分の押出機壁の孔の一例を示す図である。 図3は、単一のリングであって、多くのこのようなリングが孔付きの押出機壁 を形成するのに用いられるものを示す図である。 図4は、図3に示される型の多くのリングを備えた押出機壁の一部分を示す図 である。 図1は、特定的には管状部材の製造用の、この発明による押出機を示し、同じ 原理で製造された押出機は、他の断面、たとえば平らなまたは波形状のプレート または端縁付きのプロファイルを備えた部材の押出成型に使用できることは自明 であろう。押出機は外部部分1と、内部部分2と、液体を排水するための多くの 孔またはスロット3と、圧力チャンバ5とを含む。示されるように押出機は4つ の部分に分けられ、1.1はペーストを導入するための部分であ り、1.2はペーストを送るための部分であり、1.3はペーストを排水し、か つ固い材料に押し固めるための部分であり、さらに1.4は押し固めた後にペー ストを送り、かつ逆圧を形成するための部分である。図面はさらに、最終生産物 が押出機を出るさらなる部分1.5を示す。部分1.3により与えられる機能性 、すなわち排水を可能にする孔が、所望であれば押出機の入口まであり、それに より摩擦部分を形成し得る、孔がより大きくまたは小さく集中して提供される。 部分1.1において、所望量の粉体と、(普通は水である)液体と、可能な他 の成分とを含むペースト混合物は押出機の部分(1.2)の中に流れ込み、この 1.2で送り込みが行なわれる。押出機の中に導入されたペースト混合物には余 剰の水または他の液体があるため、それが押出機の中に流れ込む前にはペースト のこれらの成分は均一に、かつよく混合されている。押出機の形成部分に送られ る前にペーストを公知の態様、たとえば効率の高い混合凝集の手段によって混合 して、所望の粘度のペースト状の粒子懸濁を達成することができる。ペーストは 部分1.2で前方に送られ、この部分とその後の部分1.3とにある押出機の外 部部分1と、内部部分2とが製品の断面を規定する。部分1.3において、液体 は排水され、ペーストが押し固められて固い材料を形成し、製品全体にわたって 個々の粒子が直接接触し、実質的にはすべての余剰の液体、すなわ ち互いに直接接触するしっかりとパックされた粒子の間のスペースを満たすのに 必要でない液体すべてが取除かれる。これは、開口、たとえば部分1.3におい て外部部分1に設けられた間隙またはスロット3を通して液体を押出すことによ り行なわれる。液体を押出機の部分1.3から出す圧力勾配は、外部部分1の内 面および内部部分2の外面に対する摩擦によって、部分1.4および部分1.3 の最後の部分の製品4の押し固められた部分が及ぼす抵抗力によって生じる。し かし圧力調整チャンバを真空にすることにより圧力勾配を高めることができる。 製品4は押出機(部分1.5)を出るときには、多孔性は非常に低く、かつしっ かりとパックされた粒子の間のスペースにある液体を除いては実質的には液体の ない状態である。したがってそれは、さらなるプロセスの間(たとえば粘土質製 品の場合には焼くプロセスであり、またはセメントベースの材料の場合には硬化 するプロセス)それ自身の重みによって変形することなく取扱うことができるほ ど十分に形が安定している。 プロセスの始めに、部分1.4および部分1.3の最後の部分で製品4の、押 し固められた硬い部分を形成する前に、ノズルにマンドレルを挿入することによ り、このような押し固められたプラグの形成が促進され、このマンドレルは押出 機壁に対して封止するよう、製品と同じ断面を有する。 押し固められた硬いプラグが形成されると、それは普通は十分な逆圧を及ぼす こととなるが、この一方でそれは、押出機壁に対する摩擦に負けず、前方に移動 することができるようかなりの力による影響を要することとなる。適度な逆圧を 維持しつつ、前向きに適切に確実に送られるようにするという問題は、先に述べ た1つまたはそれ以上の方法によってこの発明に従って解決される。この目的に 用いられる手段、たとえば内部部分を軸方向に移動させ、それぞれ製品4を送る ためには前方に進め、かつ次の部分を引き出すためには後方に戻して移動する手 段は図面には示されていないが、たとえば接続ロッド配置によって駆動する摺動 スリーブであってもよい。 図2は、押出機壁の、必要な孔を排水部分にいかにもたらすことができるかの 一例を示す。図は縦の断面を示し、これには孔があけられており、外面1と、外 部から壁の中にあけられた多数の穴2とを備える。示されるように、穴2は、内 部壁5から適当な距離(約1mm)までだけ穴があけられている。内部壁5には 、あけられたそれぞれの穴2を通って延びる多数の(典型的には約0.001〜 0.01mmである)非常に小さな孔3がある。孔3はたとえばスパーク機械加 工またはレーザビームによって作られる。この図は、押出機の中心軸4をさらに 示す。 図3は特殊に形成されたターンリングを示す。この場合において、多数のこの ようなリングが押出機の外部壁の中 に形成され、かつ(図4に示されるように)軸方向に互いに対して固定される。 リングの内径は押出成型される製品の外径と同じである。 示されるように、リングは内面1と外面2とを備えて形成される。内面b1の 全幅は外面b2の全幅よりも僅かに(典型的には約0.001〜0.01)小さ い。それを通って余剰の液体を導くことができるスロット(スロットの幅は典型 的には約0.001〜0.01mmである)は、リングが押出機の排水部分に互 いに軸方向に固定されるときにリングの間に形成される。 図4は図3に示される型の多数のリングを示し、各々はリングの内面が押出機 の内面5と同じ高さになるよう押出機の外部部分に軸方向に取付けられる。この 図は押出機の外面1と、多数の個々のリング2(ここではこのようなリングが合 計6個あるが)と、個々のリング2の間にある排水スロット3とを示す。押出機 の中心軸も示される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M C,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF,CG ,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,SN, TD,TG),AP(KE,MW,SD,SZ,UG), AM,AT,AT,AU,BB,BG,BR,BY,C A,CH,CN,CZ,CZ,DE,DE,DK,DK ,EE,EE,ES,FI,FI,GB,GE,HU, IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LK,L R,LT,LU,LV,MD,MG,MN,MW,MX ,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE, SG,SI,SK,SK,TJ,TM,TT,UA,U G,US,UZ,VN (72)発明者 スタング,ヘンリケ デンマーク、デー・コー−2850 ナルム、 ランゲブイェルグ、80

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.粒子ベースの材料を、余剰の液体中の、関連した粒子系のペースト状の均質 化した懸濁に基づいて製造するための方法であって、前記材料が形成されかつそ の最終的な形をとる押出成型プロセスが、孔またはスロットといった開口を備え た部分を有するノズルにおいて行なわれ、前記開口を通って混合物の余剰の液体 が排水でき、それにより前記粒子懸濁は、前記懸濁が圧力下で押出機のこの部分 を通る際に、実質的には形成された生産物全体にわたって粒子が直接接触するま で排水され、かつ押し固められ、それにより押出成型された材料は押出機を出る ときには固く、かつ形状が安定しているため、その後それ自体の重さによってい かなる種類の塑性変形も実際上経験しない、方法。 2.均質化した懸濁の形にある粒子および液体混合物であって、ペースト状の粘 稠度を有し、かつ粒子が互いに直接接触するときに粒子間のスペースを満たすの に必要な液体の量に対して余剰の液体を有するものが、多数の部品部分からなる 細長い形成部分を含む押出機の中に導かれ、前記部品部分の各々には押し固めら れた材料を形成してつくるための機能があり、前記形成部分は、前記押出成型さ れる製品の第1の面を規定するための第1の部分と、前記押出成型される製品の 第2の面を規定するための第2の部分とを含み、前記ペーストは入口部分の中に 導入され、その後の整形部分で形成され、かつその後の吐出し部分で押し固 められる間、前記粒子系の液体が同時に排水され、その後製品は、押し固めるの に必要な逆圧が生ずる摩擦部分を通過し、排水および逆圧が調節されて、製品が 押出機を出るときに粒子が実質的に互いに接触し、かつ前記製品が実質的に形が 安定するようになる、請求項1に記載の方法。 3.前記材料が、粘土質材料、セメントベースの材料、珪酸カルシウム材料およ び石膏を含む材料の中から選択されたBMC材料(「脆性マトリクス複合物」) である、請求項1または2に記載の方法。 4.前記余剰の液体を排水し、かつ前記粒子を押し固めるための圧力が20〜4 00バールの範囲にあり、典型的には50〜200バールの範囲にあり、より典 型的には50〜100バールの範囲にある、請求項1から3のいずれかに記載の 方法。 5.前記液体が、孔またはスロットであって、約0.5mmより小さく、典型的 には約0.1mmより小さく、より典型的には約0.01mmより小さく、たと えば約0.001〜0.01mmである直径/全幅を有するものを通して排水さ れる、請求項1から4のいずれかに記載の方法。 6.前記押出機ノズルまたはその一部分が、前記摩擦部分の前記押し固められた 材料の摩擦を減らすために、たとえば10〜400Hzで、典型的には20〜2 00Hzで、より典型的には50〜150Hzで振動させられる、請求項1から 5のいずれかに記載の方法。 7.前記排水されかつ押し固められた材料の背後にあるペースト状の懸濁がさま ざまな圧力にさらされ、それにより第1の低圧力の周期が、第2の高圧力の短い 周期と交互になり、第2の圧力は前記第1の圧力よりも約1.5〜8のファクタ で、典型的には2〜4倍大きい、請求項1から6のいずれかに記載の方法。 8.前記製品の表面が、排水部分のまわりにある圧力調整チャンバからのさまざ まな圧力にさらされ、前記表面はたとえば周期的に低い圧力にさらされて排水を 容易にし、かつ他の周期の間には過圧にさらされて、前記製品と前記押出機の壁 との間の摩擦を減らす、請求項1から7のいずれかに記載の方法。 9.前記押出機の形成部分の前記第1の部分および第2の部分が、互いに対して 軸方向に前方および後方に移動されて、押し固められた材料が容易に送られるよ うにする、請求項1から8のいずれかに記載の方法。 10.前記2つの部品のうち1つが前記押出機に対して固定された態様で取付け られ、前記2つの部品のうち第2のものが前記押出機と、前記固定された態様で 取付けられた部品とに対して軸方向に前方および後方にずれて配置される、請求 項9に記載の方法。 11.前記懸濁が繊維を含み、前記繊維は始めはペースト状の粘稠度の、均質化 した懸濁であるため、前記懸濁に均一に分布し、この均一な分布が、固く押し固 められた製品 において維持される、請求項1から10のいずれかに記載の方法。 12.押し固めたことにより、実質的には押し固めることなく成形された対応す る製品よりも強化の程度が強くなる、請求項11に記載の方法。 13.前記懸濁を導入し、かつ押し固めるための条件を調整することにより、前 記繊維は、前記押し固められた断面の少なくとも一部分にわたって所望の配向が 与えられ、送り部分にあるさらに小さな断面を通して導入することが結果として 、軸方向の繊維配向を生じる傾向をもたらし、かつ高度に押し固める結果、顕著 に接線方向の繊維配向を生じることとなる、請求項11または12に記載の方法 。 14.前記繊維が、カーボン繊維と、セルロース繊維と、スチール繊維と、ガラ ス繊維と、KRENIT繊維(KRENITは登録商標である)米国特許第4, 261,754号参照、およびCRACKSTOP繊維(CRACKSTOPは 登録商標である)、WO 90/06902号を参照、といったポリプロピレン 繊維を含むポリオレフィン繊維と、ホイスカーといった超微細繊維等の強度の高 い繊維の中から選ばれ、各個々の場合における繊維または繊維混合物が関連する 粒子系に好ましく合うよう調整され、前記押し固められた製品中の強化材の度合 いは典型的には1〜15容量パーセントであり、特に3〜10容量パーセントで ありたとえば5〜10容量パーセントである、請求項 11〜13のいずれかに記載の方法。 15.粒子ベースの材料を押出成型するための押出機であって、前記押出機は細 長い形成部品を含み、前記形成部品は多数の部品部分からなり、前記部品部分の 各々には、押し固められた材料を形成し、かつ構成するための、それ自体の機能 があり、前記形成部品は、押出成型された部品の第1の面を規定するための第1 の部分と、押出成型された部品の第2の面を規定するための第2の部分とを含み 、前記部品部分は前記ペーストを導入するための入口部分と、前記導入されたペ ーストを送り込み、かつ整形するための送りこみおよび整形部分と、液体を排水 し、かつ同時に粒子を押し固めるための排水および押し固め部分と、押し固める ための逆圧を形成するための摩擦部分とを含み、前記押出機は排水および逆圧を 調整するための要素を含む、押出機。
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