JPS6378704A - 熱可塑性樹脂コンパウンドの製造方法 - 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】 ［＃東上の利用分野］ 本発明は、無機充填材、有機充填材、顔料などの固形微
粉末を配合した熱可塑性樹脂コンパウンドの製造方法に
関し、さらに適用面からみれば、押出成形、射出成形、
ブロー成形等に使用される熱可塑性樹脂コンパウンドの
製造方法に関する。

［従来の技術］ 無機充填材や有機充填材を配合した熱可塑性樹脂は、そ
の耐熱性や剛性等を改良する目的で合成樹脂産業界で広
く使用されている。従来、これらの固形微粉末を熱可塑
性樹脂に配合する方法としては、押出機、ミキシンダロ
ール、バンバリーミキサ、ニーダ−等による方法が知ら
れており、これらの方法によって溶融混線を行ったのち
、成形機で成形し易い形に造粒してモルダーに供給して
きた。

しかしながら、上記の方法は、混合混練、造粒という工
程が入るためコストが高くつく点が難点て、せっかく安
い固形微粉末を配合しても、供給される混合物は高価な
ものになってしまう場合もあった。

一方、固形微粉末と熱可塑性樹脂の粉粒体を混合機て混
合した場合は、固形微粉末の配合量が多くなると両者の
分級が起り易く、固形微粉末の混合量を多くすることは
困難てあった。

また、それが可能であっても（８可塑性樹脂が粉末の場
合）、得られる混合物は嵩比重が小さく安息角も小さい
ため、単軸押出機による成形においてホッパーでブリッ
ジングを起して供給できなくなったり、単軸押出機での
食込み不良のため押出輩が不安定になるなどの問題点が
あった。

また、ポリプロピレンやポリエチレン等の熱可塑性樹脂
はベレットでモルグーに供給される場合か殆どであるの
て、無機充填材の粉末とベレットを混合する際、無機充
填材の配合量は２０重量％以下に制限される場合か多か
った。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は、上記コスト上及びトライブレンドの場
合の混合量の制限、押出不安定等の問題点を解決し、ペ
レタイズ等の造粒工程を省略して安価な原料を供給する
とともにこれまでのトライブレンドでは達成し得なかっ
た高充＊Ｕて押出安定性に優れた熱可塑性樹脂コンパウ
ンドの製造方法を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 固形微粉末を高充填した熱可塑性樹脂は通常、ミキサー
やタンブラ−でトライブレンドしたのち、押出機で溶融
混練してベレットとして供給される。それは固形微粉末
の樹脂中における分散性を良好にする目的と同時に押出
機や射出成形機における定量供給性を重視しているから
である。

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、固形微粉末と熱可
塑性樹脂粉粒体を高速流動型混合機で混合する際、単に
混合するだけでなく混合用の攪拌羽根の周速を特定の高
速に保ち、且つ外部から熱を補給してやれば、混合系の
温度は熱可塑性樹脂の融点以上に速やかに昇温し、溶融
した熱可塑性樹脂粉粒体の表面に固形微粉末が付着（一
部は樹脂粉粒体の内部に浸透する）した顆粒化物が生成
されること、そしてこれを急速に冷却することによって
、輸送時の分級現象や押出機のホッパーにおけるブリッ
ジング現象のない、且つ定量供給性の優れた固形微粉末
高充填熱可塑性樹脂コンパウンドが得られることを見出
した。

すなわち本発明の熱可塑性樹脂コンパウンドの製造方法
は、固形微粉末を２０重量％以上含有する熱可塑性樹脂
粉粒体混合物を攪拌羽根を有する高速流動型混合機中で
外部より熱を補給しつつ該樹脂の融点以上の温度に周速
１００■／ｓｅｅ以下で攪拌しながら混合、昇温せしめ
、ついて上記混合物を周速３５〜４０　ｓ／ｓｅｃ　”
ｔ’　ｍ拌しつつ顆粒化を行って上記熱可塑性樹脂粉粒
体の表面に上記固形微粉末か付着した顆粒化物を生成せ
しめ、しかるのち該顆粒化物を熱可塑性樹脂の融点以下
の温度に攪拌しつつ急速に冷却することを特徴とする。

高速流動型混合機の具体例としてはヘンシェルミキサー
［三井三池工業（株）］やスーパーミキサー［（株）カ
ワタコなとがあり、これらを用いて攪拌羽根の周速を高
速に保って原料を混合すれば粉末の摩擦熱により次第に
混合物の温度か上昇して来、ついには融点を越えて熱可
塑性樹脂の粉粒体表面に固形微粉末か付着した状態に至
る。

か、固形微粉末の配合割合が多くなると、混合物が適度
の顆粒状態になるのに時間かかかるようになり、上記混
合量が５０重量％以上になると１バツチの混合か完了す
るのに２０分から場合によっては１時間以上もかかるこ
ともあり、非常に効率が悪くなる。

このため、たとえば１時間当りの押出省が６００ｋｇ／
ｈｒの押出機を用いて成形を行う場合、ミキサーの容量
は１０００文以上にもなり、設備費か多大となるばかり
てなく、上記顆粒化物をつくるのが技術的にも困難にな
る。

従来の高速流動Ｎ１混合機は、その主たる［１的が多数
の成分より成る粉粒体混合物を均一に攪拌分散すること
にあり、本発明の目的である「熱可塑性樹脂粉粒体の表
面に固形微粉末を被覆固定した状態で、適当な粒径を有
する状態」に仕上げることを主目的にしているわけでは
ないため１本発明の目的に使用することは不向きである
。従来の高速流動型混合機は、槽内で攪拌用羽根（パド
ル）を高速で回転させて内容物を混合する機構になって
いるが、１種類の攪拌用羽根だけであるため本発明の目
的を達する事は極めて困難であり、基本的に■混合昇温
機構、■造粒コンパウンド形成機構、■冷却仕上機構に
分離し、各々に最適な攪拌用羽根の形状、槽構造、加熱
、冷却機構１周速等の条件を整える必要がある。このよ
うに各々別々の機能を有する３種の混合機を組合せたと
ころに本発明の特徴がある。

高速流ｇｌＪ型混合機を用いて固形微粉末と熱可塑性樹
脂粉粒体を高速混合し、固形微粉末で被覆された樹脂粉
粒体が部分的に融着して集合塊を形成した樹脂コンパウ
ンドの製法については、特開昭５９−２２０３１９号に
も記述があるが、この方法では混合に非常に時間がかか
り、さらに溶融塊を粉砕機で粉砕して所望の粒径に整え
るという操作を行っており、処理時間が長く（実施例で
はｌバッチに２０分以上かかっている）、粉砕工程まで
含めると押出機によるペレタイズ法と比較してエネルギ
ー的にも余り有利とは言えない。

この方法において、熱可塑性樹脂粉粒体と固形微粉末を
高速流動型混合機中で攪拌すると、Ｗｉ拌用羽根と粉粒
体混合物の間の［１熱により、次第に温度が上昇し、つ
いには樹脂の融点に達する。

すると混合物の攪拌抵抗が急激に増大し、それに伴なっ
て混合物の温度も急上昇し、粉粒体は押出機で成形する
に適当な直径数ミリメートルの大きさを瞬間的に通り越
して粉粒体同志が互着して直径数センチメートル以上の
大きな溶融塊となってしまう。

これを防止し、粉粒体を適度な大きさにコントロールす
るには、熱可塑性樹脂粉粒体が融点に達し、その表面に
固形微粉末がたたき込まれ、熱可塑性樹脂粉粒体が固形
微粉末により被覆された状態で直径数ミリメートルの大
きさの粒径に成長した段階で、直ちに冷却用混合機に排
出して粒塊の成長を停止させ、適当な粒径にｊｌ整して
やらなければならない、熱可塑性樹脂粉粒体と固形微粉
末の混合物を両者が一体になった顆粒状に仕上げるには
混合物の温度を熱可塑性樹脂の融点以上に昇温させねば
ならないが、比較的短時間で効率良く昇温させる機能と
適度な顆粒に仕上げる機能を１つの混合機で行なうこと
は困難である。それは〒〈昇温させるには攪拌抵抗の大
きい攪拌用羽根を使用しなくてはならず、この攪拌用羽
根ては適度な顆粒状の仕上が困難だからである。その理
由は熱可塑性樹脂粉粒体が融点に達してから適度な顆粒
状に成長する時間は１分以内の極めて短時間になりコン
トロールが困難だからである。

この部分をコントロールしやすくするために攪拌用羽根
の形状を攪拌抵抗の少ないものにすると、昇温過程が非
常に長くなり実用的でない、そこで本発明では、熱可塑
性樹脂粉粒体が融点に達し、その表面に固形微粉末が付
着し、さらに互着して適度な粒径の顆粒状に成長する過
程を特別に取出し、融点迄昇温させるための混合機と別
の混合機を設けて造粒化に成功した。

本発明者らはコンパクトで高効率の混合造粒メカニズム
誉研究した結果、固形微粉末を高充填した熱可塑性樹脂
粉粒体混合物をヘンシェルミキサーで混合する過程にお
いて、混合に要する時間は８０Ｔ塑性樹脂粉粒体をその
融点まで昇温するのに大部分の時間を消費してしまい、
融点に達してからは比較的短時間で顆粒状態に至ること
を見出した。この現象は固形微粉末の配合割合が増すほ
ど１１ｍになる。それは樹脂の配合割合が少なくなるほ
ど混合系の１ｔｌ擦抵抗が減少し、攪拌羽根の回転に伴
う運動エネルギーの熱エネルギーへの転換効率が低下す
るためであると考えられる。

そこで、混合の初期においては混合機の外部より熱を補
給し機械的エネルギーによる発熱を補助してやると、き
わめて短時間に混合系の温度が上昇する事実を発見する
ことができた。混合物は最終的に成形に適した顆粒状に
仕上げる必要があリ、このためには攪拌用羽根の周速を
３５〜４０ｍ／ｓｅｃの範囲に保つのがよい、この場合
、混合物の温度は既に熱可塑性樹脂の融点を越えている
ため、混合物の摩擦抵抗は急激に増大し、それに伴ない
温度も急激にと昇するのて、混合機は外部から加熱しな
くてもよい。

本発明における高速流動型混合機は三種類の異なった＠
能を有する混合機を１組として構成される。すなわち、
第１段目の混合機は混合物を出来るだけ早く昇温させる
と同時に固形微粉末と熱可塑性樹脂粉粒体の物理的分散
を良好にする機能を有し、外壁の温度をヒーター又はオ
イルによりたとえば３００°Ｃ前後まで昇温可能な構造
であり、攪拌用の羽根は運転開始時に周速１０■／ｓｅ
ｃ以下の低速で始動し、その後次第に回−転速塵を上げ
最高周速ｉｏｏ■／ｓｅｅで回転する。

単に羽根の回転だけによっても混合物の温度を」二げる
ことは可能であるが、機械的エネルギーのみて昇温させ
ることは効率的に無駄であるばかりか混合物を適当な顆
粒状態に仕上げることが困難である。混合物中の熱可塑
性樹脂粉粒体が融点以上の温度となるよう外部から熱を
加え、同時に内部からも高速運転する羽根によって発熱
させることが、混合物の昇温にとってきわめて有効であ
る０羽根の回転速度は始動時は低速にしないとモーター
の始動トルクがきわめて大きくなり、機械的な無理がか
かると同時に混合物が混合機内で異常な運動を起し、混
合機より外部へ吹き出してしまう。

昇温速度を上げるためには羽根は出来るたけ高速に回転
させる方がよいが、周速１００　ｒａ／ｓｅｃを越える
と制御が難しくなる。

第１段目の混合機によって混合物の温度が融点付近に達
し、混合系の攪拌抵抗が増大し始めたら直ちに第２段目
の混合機に排出する。

第２段目の混合機は混合物を適度な顆粒状態に仕上げる
機能を有する。固形微粉末と熱可塑性樹脂粉粒体の混合
物は温度が熱可塑性樹脂の融点以上に達すると、いまま
で固体であった樹脂か溶融体となるため混合物全体の攪
拌抵抗が急激に増大し、それに伴ない混合物の顆粒化か
急速に進むため、この領域においては羽根の形状、攪拌
速度を特別にコントロールしてやらねばならない、攪拌
羽根の周速は３５〜４０　ｍ１ｓｅｃの範囲がよく、周
速か　３５　ｒａ／ｓｅｃ未満ては攪拌用羽根の攪拌抵
抗が少なすぎて温度上昇が極めて緩やかになり、顆粒化
に極めて時間がかかるか、場合によっては顆粒化か困難
になる。また、周速が４０■／ｓｅｅを越えると逆に昇
温速度が早すぎて顆粒の粒径コントロールが困難となる
。混合物の顆粒状態の形状制御は、温度よりも混合機の
駆動用モーターの電力又は電流で制御するのが好ましい
。所定の顆粒状態に達したら、混合物は直ちに第３段目
の混合機に排出される。

８０ｒ塑性樹脂粉粒体の表面に固形微粉末か付着した適
当な顆粒状態は、固形微粉末と樹脂の比率にもよるが一
般に樹脂の融点より１０℃から８０°Ｃ程高い温度にお
いて達成されるので、直ちに冷却してやらないと、混合
物全体か互着して成形に適した粒子サイズの大きさを大
巾に越えてしまったり、１つの固まりになってしまう。

押出成形機や射出成形機にとって必要なコンパウンドの
性状は先ず成形機のスクリューに食い込める程の小さな
粒径であることが必要て、一般的に径か５■以下のサイ
ズでなければならない。

そこで本発明においては、ホッパーにおいてフリッジン
グの発生を抑えたりスクリューての供給性か良好な適当
な粒径な持つコンパウンドを製造するために、第２段で
固形微粉末によって被覆された熱可塑性樹脂の粒子か適
度の大きさに成長して造粒化される過程を混合物の温度
とモーター負荷により検出し、所定の水準に達したら直
ちに第３段目の混合機に排出し、急速な冷却によつて粒
子の成長を停止させる。このため第３段目の混合機は攪
拌羽根の他に適当な冷却装置、たとえば強制冷却ジャケ
ットを有し、冷却表面積の大きな構造を有する。ここで
の攪拌は冷熱を均一に内容物に供給するのが主目的であ
るから、周速５〜２０■／ｓｅｅの範囲でよい。

以Ｅで明らかなように本発明は第１段に急速加熱機構、
第２段に造粒機構、第３段に強制冷却機構をそれぞれ保
有する３種の混合機を組合せ、混合物の温度制御システ
ムによって従来の高速混合機では得られなかった高効率
で粒子径のそろったコンパウンドを製造可能としたもの
である。

本発明で用いる固形微粉末とは、タルク、マイカ、炭酸
カルシウム、グラファイト、二酸化チタン、チタン酸カ
リウム、クレー、シリカ、アルミナ、ガラス粉等の無機
充填材、パルプ、古紙、モミガラ、綿、絹、麻、合成繊
維等の有機充填材、それに顔料等を指す、これらの固形
微粉末は、２種以上を併用してもよい、固形微粉末は、
熱可塑性樹脂微粉体に対し２０ｉ量％以と混合される。

２０重量％未満では固形微粉末を混合する意味がなくな
る。混合量の一ヒ限は無機充填材の場合で８５重量％で
ある。最終的に利用するコンパウンドの物性上の制約か
ら、実用的には無機充填材の配合量は２０重量％か６６
０重量％の範囲に大部分のものが入る。また、有機充填
剤の混合量は、最大６０重量％であることが好ましい。

また本発明て用いる熱可塑性樹脂粉粒体とは粉体、粒体
いづれてもよく、熱可塑性樹脂としてはポリエチレン、
ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、エチレン−プロピレ
ン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリブテ
ン、ナイロン−６、ナイロン−６６、ナイロン−１２等
、一般に成形分解で使用されるものなら殆ど適用町悌で
ある。

［実施例］ 次に実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に
説明する。

実施例１ ポリプロピレン（Ｍ　Ｆ　Ｒ＝　０．５ｇ／１０ａｉｎ
、商品名ショウアロマ−３Ａ５１０、昭和電工株式会社
製）５０重量％、マイカ（平均粒径１０μ）５０ｇｉ量
％からなる混合物２５ｋｇを外部加熱温度２２０℃に設
定した槽内容量１００１の高速流動型混合機に投入し、
周速ｌＯ■／ｓｅｃ　ｉ？攪拌羽根を回転させながら混
合を開始し、その後１分間で６０ｍ／ｓｅｅまで回転速
度を上昇させて攪拌混合した。平均昇温速度は５０℃／
ｓｉｎであり、約３分後に混合物の温度が１６０℃に達
したので直ちに第２段目の槽内容量１００Ｍの高速流動
型混合機に排出し。

攪拌羽根の周速を４０　諺／ｓｅｃに保って１分間混合
し、モーター電流が始動直後の１．５倍の７０Ａに到達
し、混合物の温度が１８０℃になった時点で混合物を第
３段目の高速流動型混合機（冷却ミキサー）に排出し、
攪拌羽根の周速８■／ｓｅｃ　、冷却速度４０℃／■ｉ
ｎで急冷し、溶融粒子の互着を防止し顆粒状に仕上げた
。混合に要した時間は全部で５分てあった。得られたコ
ンパウンドの嵩比重は０．６６であり、平均粒径は７０
０終であった。またこのコンパウンドの安息角は４６°
であった。

次に、このコンパウンドを６５醜謹単軸押出機に投入し
たところ、コンパウンドは適度の顆粒状であるため、マ
イカの分級も起らず、ホッパーでのブリッジングもなく
、押出機への食い込みも良好であった。

つづいて設定時間２２０℃、スクリュー回転数８０ｒｐ
ｍ、押出量７０　ｋｇ／ｈｒの条件下て巾６５０■ｌ、
肉厚０．５　ａｍのシートを成形した。押出量のバラツ
キを測定したところ、±１．５％であり、きわめて安定
した成形が可能てあった。又このシートのフィラー分散
も調べたが、きわめて良好であった。

比較例１ 実施例１と同一組成の混合物をジャケット温度１２０°
Ｃに加熱した容量１００文の高速流動型混合ｆｉ［（株
）カワタ製スーパミキサー］に投入し、Ｗｌ拌羽根の回
転速度１３５［１ｒｐ−に保って混合を開始した。２０
分経過後モーター電流が上昇し始め、２分後に負荷電流
が定常状態の１．５倍に達したので、内容物を排出した
。混合に要した時間は全部で２２分であった。

排出したコンパウンドを調べたところ、粒径はきわめて
不ぞろいであり、直径が５−鳳以上の凝集塊も含まれて
おり、成形機に使用するには粉砕機によるコンパウンド
の再粉砕が必要であった。

［発明の効果］ 本発明によれば、ペレタイズ等の造粒工程が省略されて
いるため、安価な原料な押出成形機や射出成形Ｊａ等へ
供給することがてきるとともに、これまてのトライブレ
ンドでは達成し得なかった高充填４１．高効率の下て押
出安定性にすぐれ且つ粒子径のそろった熱可塑性樹脂コ
ンパウンドを提供することができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）固形微粉末を２０重量％以上含有する熱可塑性樹
   脂粉粒体混合物を攪拌羽根を有する高速流動型混合機中
   で外部より熱を補給しつつ該樹脂の融点以上の温度に攪
   拌しながら混合、昇温せしめ、ついで上記混合物を攪拌
   しつつ顆粒化を行って上記熱可塑性樹脂粉粒体の表面に
   上記固形微粉末が付着した顆粒化物を生成せしめ、しか
   るのち該顆粒化物を熱可塑性樹脂の融点以下の温度に攪
   拌しつつ急速に冷却することを特徴とする熱可塑性樹脂
   コンパウンドの製造方法。
2. （２）前記高速流動型混合機は、第１段が外部加熱機構
   を有し攪拌羽根を周速１００ｍ／ｓｅｃ以下に保ちなが
   ら各成分の混合、昇温を急速に行なうことのできる混合
   機、第２段が攪拌羽根の周速を３５〜４０ｍ／ｓｅｃ保
   ちながら混合物の顆粒化を行なう混合機、第３段が融点
   以上に昇温した顆粒化物の過大な互着、ブロック化を防
   止するため攪拌しながら急速に融点以下に冷却する機能
   を有する混合機の、３段からなる特許請求の範囲第１項
   記載の熱可塑性樹脂コンパウンドの製造方法。