JPS62246707A - 複合材混合機構 - 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】 （ａｌ産業上の利用分野 この発明は、充填材特に微粒子の無機充填材を高濃度に
プラスチック基質中に分散させた複合プラスチック材料
及び複合プラスチック成形品の製造に利用する充填材の
分散混合機構に関するものである。

山）従来の技術 無機質及び有機質強化材や充填材をプラスチック材料に
配合した強化プラスチック、乃至充填プラスチック材料
は、多くの用途に使用されている。

このような複合材料を製造するには、従来は一般に単純
なプラスチック材料に強化材、充填材等を、時には種々
の安定剤、漬剤、分散剤、着色剤等と溶融混合（メルト
コンパウンディング）することによって行われていた。

そしてこの溶融混合装置としては、単軸押出機、二軸押
出機等の押出機、或いは混合機構を強化した各種配合機
などが使用されている。

然しながら、上述のような従来の製造装置では最近の進
歩した複合樹脂材料の製造には、後述するような種々の
問題点が生じ、これが解決が望まれているところであっ
た。

即ち近時、複合系プラスチック材料は、従来の材料では
得られなかった機械的特性、熱的特性、電気特性等の進
歩により多くの工業的用途に採用されるようになった。

このような材料には、ガラス繊維やカーボン繊維を配合
した各種熱可塑性プラスチック、例えばポリプロピレン
、ＡＢＳ、ＡＳ、ナイロン、ポリブチレンテレフタレー
ト等があげられ、或いは又、タルク、高アスペクト比マ
イカ、ワラストナイトなどの強化充填材や炭酸カルシウ
ムなどの充填材を配合した前記プラスチック材料が挙げ
られるが、このような複合材料を製造する上において留
意すべき点は、 （１）強化材に出来るだけ破断などの損傷を与えること
なく配合すること。

（２）微細な充填材、強化材を均一に分散させ配合する
こと。の２点が挙げられる。

前者の問題は、複合プラスチック材料の機械的強度を高
くする為に特に重要である。それは周知の′ように短繊
維強化型の複合材料の強度は、強化材のアスペクト比（
長さ／直径）に依存するからである。

更に後者の問題は、近年その要求が厳しくなったもので
あるが、これは複合材料の用途が拡大するにつれて、こ
れらの複合材料が、各種機器内蔵の機構部品や構造部材
用のみでなく、外観部品として、或いは外装部品が機構
部品や構造部材と一体に成形された成形品として使用さ
れるようになったからである。

即ち、外観部品或いは外装構造部材として使用される場
合には、特に均質で美麗な外観をもつ成形品が要求され
、その為には充填材の粒子が小さいもの、例えば粒径１
ミクロン以下のものが良い外観を与えるものであり、そ
のため充填材の粒子は益々微細なものが好まれる傾向に
ある。

然しながら、このような微細な粒子は、一般に一次粒子
が凝集して粗大な二次粒子を構成しているため均一な分
散混合作用を繰返さないと成形品中に二次粒子がそのま
一存在した所謂分散不良を生じて商品価値を著しく低減
させる。

これは、特に成形品が塗装、鍍金等の二次加工が施され
る時に強調されるものである。

更に又、粒子の形状についても、繊維状或いは平板状の
粒子の場合は、互いに絡み合い或いは密着し合い易く、
二次粒子の分散は一層困難となる。

従来、上記のような複合材料の製造としては、後述する
ように一般に用いるものとしては単軸押出機があり、更
にこれを改良したものとして、特公昭５６−４７８４’
７号記載の混練装置が提案されているが、これらは後述
するような大きな欠点を有し最近の複合材料の要請に応
じられない状態である。

（ｃ＋発明が解決しようとする問題点 一般にスクリュ一式単軸可塑化混練装置の可塑化、混練
機構は、これを指示すれば第１図の如くである。

即ち、主としてシリンダー（１１内壁から加えられる熱
により可塑化された材料は内壁に薄いフィルム（メルト
フィルム）（３）に形成され、次に回転しているスクリ
ュー（２）のフライト前面（ノズル側）により掻き集め
られ、溶融ポリマーの集合即ちポリマーメルト（４）と
なる。

この際未溶融のポリマー及び充填材は前のフライトの後
部に残りソリッドベッド（５）を形成する。

一般にスクリューの溝を徐々に浅くして、発生する剪断
力によりポリマーメルト（４）を循環させ、このソリッ
ドベッド（５）を熔融して、均一な熔融体を造る方法が
採られるが、完全な均一分散を行わせる為には、長い可
塑化ゾーンが必要となり二叉このゾーンを通過する間に
高い剪断力により強化材は破壊され、目的の複合材料の
強度を著しく低下させる結果となる。

次に上記のような複合材料混練装置を改良した特公昭５
６−４７８４７号記載の混練装置は、スクリューのフラ
イト頂面とシリンダー内壁との間に生ずる剪断作用によ
り樹脂を可塑化し、かつシリンダーにはスクリュー溝に
対応する凹部が軸方向に連続して複数個形成され、両者
間で材料の切り返し作用により材料の混練が行われると
説明されている。

然しながら、この機構は一見有効であるやに見受けられ
るが、複合材中への充填材の均一分散に関しては、極め
て不安定な結果しか得られない。

その理由は、シリンダーの軸方向凹部に入った充填材は
、スクリューの回転の作用を受けて凹部内を軸方向に移
動し、混練の機会が与えられないま一１混線部を通過し
てしまう、所謂「素通り」現象が生じ、その為、成形品
には思わぬ分散不良を発生させることが屡々認められる
為である。

前述のように、近年複合材料成形品の機械的性能と外観
に関する要求が益々厳しくなるにつれ上記のような従来
装置の欠点の解決が要望される処であった。

本発明者等は、これらの要望に応え、高濃度の充填材特
に微細粒子の均一分散を可能にし、とりわけ外観製品に
使用される複合材料の製造において、均質で且つ優れた
強化効果を与える複合材料の均一分散機構を開発するこ
とを目的として、鋭意研究の結果、以下に詳記する新規
な分散機構に係る本発明を完成させるに至ったものであ
る。

ｌｄ１問題点を解決する為の手段及びその利用本発明に
係る充填材の分散混合機構は、熔融樹脂中に、比較的粗
に分散している充填材を、比較的低圧力下で微細に、且
つ均質に分散せしめることを可能としたものである。

即ち、本発明者等は、シリンダー内壁に複数個の溝を千
鳥状に配列する分散機構を開発することにより従来技術
において、屡々認められた充填材が溝内を素通りして微
細分散されないま一排出される欠点を完全に解決するこ
とに成功したものである。

以下本発明に係る、分散混合機構を、その構成並びに作
用について具体的に説明する。

本機構においては、ポリマーの加熱、可塑化の過程は前
述の既在技術のスクリュ一式可塑化装置と同様であるが
、可塑化混練部のシリンダー内壁に複数個の比較的短い
溝を千鳥型に配列していることに特徴を有するものであ
る。

この溝の作用は、第２図Ａに示すように、前述の一般単
軸式可塑化混練装置と同様にポリマーメルト（４）は生
成するが、その一部は比較的短いシリンダー溝（６）内
に侵入する。そしてこのソリッドベッド（５）を中心部
に含むポリマーメルト（４）は、スクリュー（２）の回
転によりフライト（２２）頂面で切断され第２図Ｂに示
すように溝内に残った部分はスクリューフライト（２３
）により後から送られて来たポリマーメルト（４）′と
合体して２個のソリッドベッド（５１ｔ５ｒを含んだポ
リマーメルト＜４’ｒ’をつくる。

このようにソリッドベッドが分断され、且つポリマーメ
ルト中に浮いている状態では、スクリュー回転による剪
断力が作用してソリッドベッドが熔融され易くなること
は容易に理解できる。

即ち、スクリュー回転により発生する剪断力により、ポ
リマーメルトｔ４１’は第２図矢印（７）方向に循環運
動して、ソリッドベッド（５）はポリマーメルト（４１
′中に混合されると同時に、剪断力により充填材の二次
粒子が破壊し、微細な一次粒子へと分散して行く。

又、スクリューフライト（２２）により前方へ移送され
たスクリュー溝内のポリマーメルト（４２は、シリンダ
ーよりの熱を受け、ソリッドベッド（５）は溶融して新
しいメルトフィルム（３）′をつくる。

このように、ソリッドベッド（５）が切断されて直接シ
リンダー内壁から熱を受けるため、一般に単軸スクリュ
ー（第１図）に比べて可塑化は迅速に行われる。

この作用を繰返すことにより、粗粒状の混合物は短時間
に微細な混合物へと変化してゆく為一般の単軸可塑化装
置に比べ短時間で均一混合され而も前述のように高い剪
断力を発生させる必要がない為強化材の破断は当然少な
（なる。

次にシリンダー（２）内壁の比較的短い複数個の溝（６
）は第３図に示すように千鳥型に配列される。

即ち前述のように溝入に入った粗混合物は、新しく溝Ａ
に流入する材料に押し出されて■の方向に流出し、この
際にフライト頂面で切断作用を受ける。

一方、溝Ａ内をノズル方向へ移動していった粗混合材料
は溝Ａのノズル側端面（６１）に達すれば溝Ａから流出
し、この際必ず切断、再混合作用を受ける。

而してこの材料はスクリューの回転に押されて、■Ｃの
方向に移動し■に示すように溝Ｙ又は溝Ｂに入りＹとＢ
内でポリマーメルトの再混合作用が行われ、■ｄ方向へ
流出する際に切断作用を受ける。

即ちこの混合機構によれば、前述の従来技術のように充
填材粒子が均一分散をしないま一溝内を素通りして可塑
化混和装置から排出されるようなことは全くなくなるの
である。

このように、従来技術に比べて、極めて効率良く作用す
る為混合部の軸方向の長さが大幅に短縮できる利点もあ
る。

千鳥型に配設される溝の長さは、対応するスクリューの
ピッチに対し０．３乃至３．０好ましくは０．５乃至１
．５の範囲が良好な結果を与える。

又軸方向に対しては、２列乃至６列配設すれば良い。一
般に分散し易い充填材例えばガラス繊維チョツプドスト
ランドの場合は２列で十分であり、分散し難い微細繊維
状充填材例えばワラストナイト、チタン酸カリウムウィ
スカー、ステンレス繊維等では４乃至６列が必要になる
。

更に、溝の断面形状は、半円形、カマボッ形、コーナを
丸めた台形、頂上を丸めた三角形等が採用されるが、そ
の形状により本発明が制約を受けることはない。

又溝の幅は、円周上に一列に配列された溝の幅の合計が
、全円周に対して１０乃至５０％の範囲が好ましい結果
を与える。

本発明に係るシリンダーの構造に対するスクリューの形
状としては、従来採用されている形状のものが広範囲に
使用可能であって、その例として通常のシングルヘリカ
ルスクリュー、複条ヘリカルスクリューがあり、更に所
謂ダルメージ形スクリューは、多数のフライトによる切
断、再混合作用に優れている為一層の良効果を発揮する
ことができる。

更にピン式、或いはギヤ一式などの構造もそれ自体は推
進力は全くないか又は極めて弱いが、ヘリカルスクリュ
ーと組合せることにより優れた切断再混合機能を発揮す
ることができる。

次に、シリンダーに設ける溝（６）は千鳥状に配置され
るが、シリンダー円周方向に対しては、略等間隔に平行
して配置され、シリンダー軸方向に対しては、樹脂の進
行方向に対し、先の溝の末端面（６１）と後の溝の初端
面（６２）が略同−線上になるよう配置するか、或いは
両端面位置が若干交錯するように配置すれば完全にその
効果を発揮する。

又、溝の方向はシリンダー軸方向に平行乃至角度をもっ
て配設することができる。

一般にヘリカルスクリューは最大吐出能力が得られるよ
うに、ヘリカル角が２０°前後となるよう製作されるが
、この際にはシリンダー溝もこれに平行に配置すると当
然に最も大きな切断効果が得られるものである。

又シリンダー内壁の短い溝のヘリカル角をスクリューの
ヘリカル角より小さくすればスクリュー回転により材料
はシリンダー内壁の溝を逆方向に進み、シリンダー内の
滞留時間を長くすることができる。これは特に分散し難
い微細繊維状充填材の完全分散に有効である。

上述の混合機構を有するシリンダーは、１列乃至２列の
溝を含む短いシリンダー部材毎に製作し、これを軸方向
に積み重ねて締結することにより、一体化した混合機構
を構成することができる。

これは上述のように、シリンダー内壁の溝ヘリカル角に
より分散作用が変わる為、配合する充填材の種類に応じ
て最適の効果を発揮するシリンダーを、シリンダーの一
部を交換することにより構成せしめることができる利点
がある。

但し本発明の混合機構は、この構造により制約を受ける
ものではない。

本発明に係る混合機構は、充填材高濃度充填の複合材料
混合に最も適合した機構であるが、この機構をこれら複
合材料を使用する押出成形機又は射出成形機の可塑化部
又は及び混合部に採用することによって、充填材均一分
散の優れた成形品を得ることができた。

（１１）発明の効果 先に詳述したように本発明は充填材、特に微粒子の無機
充填材等を高濃度にプラスチック基質中に均−分散させ
、高品位のプラスチック成形品特に外観製品に使用可能
な複合材料、並びにこれら複合材料による押出又は射出
成形品を製造可能にした優れた工業的効果を有する新規
な発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のスクリュ一式混合機構の部分断面図であ
る。 第２図は本発明に係る混合機構実施例の部分断面図であ
る。 第３図は同じ〈実施例のシリンダー溝の配置図の部分展
開図である。 図中 １−−−−−−−−−−−−−−−シリンダー２−・−
一−−−−−−−−−・−スクリュー２１．２２．２３
・−スクリューフライト３．３１・・−・・−−−−−
メルトフィルム（３’−・・・新しく生じたメルトフィ
ルム） ４、４：　４’、’−−−−−−−ポリマーメルト５、
　ｓ：−−−−−−−−−−−ソリッドベッド６−−−
−−−・・・−・−シリンダー溝６１−・・・・・・・
−・末端面 ６２・−・・・・−・−・−・初端面 ７−・−・−・−−−−−−−−−スクリュー回転によ
り生じるポリマーメルトの循環方向 ａ−・−−−一−−−−−−−−−材料移動方向す−・
−−−−−−−一−−−−スクリュー回転方向Ａ、Ｂ、
Ｘ、Ｙ、Ｚ、千鳥配置された溝特許出願人　　　　岸本
産業株式会社 第３図 Ａ　　　　　　Ｂ ｂ−一や

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダーと回転スクリューよりなる溶融混合機
   構において、シリンダー内壁に複数の平行した溝を千鳥
   状に配設したことを特徴とする複合系樹脂中へ充填材を
   完全分散させる混合機構。
2. （２）押出成形機の複合系樹脂混合機構とする特許請求
   の範囲第１項記載の混合機構。
3. （３）射出成形機の複合系樹脂混合機構とする特許請求
   の範囲第１項記載の混合機構。
4. （４）内壁に複数の溝を配設した短いシリンダー部材を
   軸方向に多段に連続して締結し、一体化したシリンダー
   を構成する特許請求の範囲第１項乃至第３項記載の混合
   機構。