JPS642413B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はスクリユー式押出機または混練機に係
る。ここでいう押出機は、いわゆる押出成形機の
ほか射出成形機など、バレル内を回転するスクリ
ユーによつて加工材料を移動させるすべての機械
を指称する。また、押出機および混練機とも、加
工材料に特別の限定はなく、プチスチツク，セラ
ミツク，金属粒，あるいは複合材料等のいずれで
もよいが、特には、硬質材料あるいは少なくとも
硬質材料を含む材料に適している。

〔従来の技術〕

合成繊維の溶融紡糸および合成樹脂の成形の工
程において種々のタイプの押出機あるいは射出成
形機が使用されている。また、紡糸に先立つ顔
料、安定剤あるいは酸化チタン等の混合、樹脂複
合材料のプレミツクスおよび成形時においてガラ
ス繊維、金属繊維、無機繊維、炭素繊維等々の硬
質繊維状物および各種のフイラーを高分子物に混
合成形する新素材、複合材料が開発、実用化され
ている。

従来、このような混合、押出、加圧、成形等の
ための加工機はいずれも鋼製であり、また、その
耐摩耗性、耐塩性の向上のために、材質（合金）、
メツキ，異材質の融着のような種々の手段で表面
硬度を高めることが提案され、実用化されてきて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前記の複合材料の機能の向上に
伴なつて、高分子材料の耐熱性も向上するととも
に、混合すべき強度成分材料が増々高硬度にな
り、その結果、加工機の耐摩耗性が金属材料では
限界になり、不充分になつている。そのため、機
械部品を短期間で頻繁に交換する必要が生じ、設
備交換によるコストアツプ、生産性低下、成形条
件の不安定化（例えば、著しい摩耗の為に機械の
新旧によつて押出機が大きく変動する）などの問
題がある。

また、摩耗による鉄その他の金属が加工材料中
に混入することは、近年の超高純度材料の加工で
は問題である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記の如き問題点を解決するため
に、容器内を軸回転するスクリユーによつて被加
工材料を押出または混練する押出機または混練機
において、スクリユーと容器のうち被加工材料と
接し、耐摩耗性が必要な部分をセラミツク化する
ものである。

前述の如き問題点を解決するためには、溶融押
出機、射出成形機、混練機等の加工材料と接する
部分を耐摩耗性および耐熱性の優れた材料に変更
すればよいが、無機物質（例えば金属酸化物等の
セラミツク材料）あるいはガラス繊維、金属繊維
などは高硬度であり、これらと同等以上の高硬
度、耐摩耗性を有し、かつ工業的に低価格で使用
できるものはセラミツク材料のみである。

一方、セラミツク材料は高硬度ではあるが、機
械的衝撃強度、強靭性、熱膨張率、熱伝導等が低
いので、駆動部、熱変化頻度の大きい部分、固形
物が当たる部分等は従来の金属製であることが必
要である。そこで、特に耐摩耗性、高硬度を要す
る部分だけをセラミツク化し、その他は金属製と
する。

また、セラミツクは靭性が不足しているので、
特に、機械の補修、洗浄等のために機械を分解す
るときなどに、セラミツク部にカケ，ヒビ割れ等
が起き易いと考えられ、そうした場合に、セラミ
ツク部品の特にその損傷した部分を個別に変換し
易くしておくことが好ましい。

以下、図面を参照して本発明によるスクリユー
の構成を具体的に説明する。最初に、代表例とし
て溶融押出機の押出用スクリユーについて説明す
るが、混練機等においても基本的に同様である。

第１図は溶融押出機の１例である。同図中、１
はスクリユー、２はバレル、３はホツパーであ
る。原料はホツパー３から供給され、バレル２中
を回転するスクリユー１によつて推進帯→圧縮
帯→溶融帯→計量帯→混合帯へと移動
し、その移動の間に各帯域において推進、圧縮、
溶融、計量、混合の各作用を受け、絞りゲート４
から押し出されて成形される。なお、本図では、
ダイス、加熱帯、冷却帯、ベント、ベアリング、
駆動部、計量ホツパー、各種の計測器類等は、従
来の溶融押出機と同じなので、図から省略した。

この第１図に示す溶融押出機では、セラミツク
化されているのは、スクリユー１およびバレル２
の圧縮帯から溶融帯、計量帯までの被加工
材料と接する外表面部である。すなわち、スクリ
ユーの複数の部材５，６，７，８，９，１０とバ
レルの複数の部材１１，１２，１３，１４，１
５，１６である。スクリユー１の部材１７，１
８，１９，２０ならびにバレル２の本体およびホ
ツパー３は金属製、一般的には鋼製である。ま
た、部材５〜１０は円筒形であり、中心部は１本
の金属製軸体からなつている。

第１図におけるスクリユーのうち部材１７，１
８，１９，２０および軸体をセラミツク化しなか
つたのは、軸体および部材２０は駆動力でねじれ
応力がかかるからであり、部材１７，１９は生産
物切換あるいは洗浄のためにスクリユーを取出す
作業時に両端部が損傷を受け易いからであり、ま
た部材１８はホツパー３から供給される固形物が
当たるからである。ただし、部材１７，１８は目
的材料によつてはセラミツク化することもある。
また、バレル２の本体は構造部材として外部から
の衝撃に耐久性を与える必要がある等の理由から
金属製にしている。しかし、スクリユーおよびバ
レルが加工材料と接触する部分のうちセラミツク
化すべき部分の長さは、セラミツクの材質、スク
リユーの寿命、成形製品品種等によつて決まり、
この第１図に示す例の場合に限定されるわけでは
ない。

第２図はスクリユーのセラミツク化した部分の
例を断面図で示す。外周に螺旋溝を有するセラミ
ツク製円筒体５〜１０は金属製軸体２１に嵌め合
わされている。部材１７，１８はやはり外周に螺
旋溝を有するが、軸体２１と一体でも独立してい
てもよい。また、これは鋼製でもセラミツク製で
もよく、軸体との固定法として例えば第５図の如
き固定法をとりうる。しかしながら、セラミツク
製円筒体５〜１０を軸体２１に結合するために、
軸体の両端部のうち一方は、少なくとも当初にお
いて、分割されていなければならない。

セラミツク製円筒体５〜１０を軸体２１に固定
するに当つてはエポキシ、メラミン、フエノール
等の接着剤で接着してもよいし、あるいはセラミ
ツク製円筒体５〜１０を取り外し（交換）可能に
軸体２１に取付けてもよい。後者の場合、例え
ば、部材１７あるいは部材１８または１９を軸体
に対してスクリユーの回転に関して逆向きのネジ
結合にしてセラミツク製円筒体５〜１０を固定す
ることができる。

また、押出機において、セラミツクと金属は熱
膨脹係数が異なるので運転時の熱変化を吸収する
ために、また駆動スタート時の衝撃緩和の為に、
必要に応じて、セラミツク部材と金属部材の間あ
るいはセラミツク部材の間に緩衝帯を設けること
が好ましい。緩衝帯としては、セラミツク部材と
金属部材を接着剤で接着して固定する場合には、
接着剤が緩衝帯として働くので特別には必要ない
が、セラミツク部材を取外し可能に取付ける場合
には、ポリイミド、ポリスルホン、ポリアミド等
の樹脂、合成ゴム等の耐熱性合成高分子のフイル
ム、または銅、アルミニウム等の箔を用いてもよ
いし、あるいはエポキシ、メラミン、フエノール
等の樹脂を金属部材もしくはセラミツク部材上に
適用して形成してもよい。プラスチツク等からな
る緩衝帯が特に好ましい。

第３図に螺旋溝付セラミツク製円筒体５〜１０
の形状を示す。円筒体５〜１０の外周に形成する
螺旋溝２２の形状は加工材料、押出条件により決
定されるが、複数個の円筒体を連ねた場合に螺旋
溝２２が連続するようにする。第１図の例では、
スクリユー１に沿つて→の方向に溝２２が次
第に深くなつているが、これに限定されるもので
はない。

セラミツク製円筒体５〜１０は金属製軸体２１
と結合するために中心軸線に沿つて長穴を有す
る。円筒体５〜１０を軸体２１に接着する場合は
完全な円形の穴でもよいが、円筒体５〜１０を取
外し可能に取付ける場合には必ず、第３図のａ，
ｂ，ｃに示すように、キー溝を設けるか、穴の形
状を異形化して、円筒体５〜１０と軸体２１の間
の回転を止める必要がある。

部材１８を軸体２１と独立に作成する場合に
も、その形状は第３図に従うことができる。

螺旋溝付セラミツク製円筒体５〜１０の材料と
しては、耐摩耗性、耐熱性の高いアルミナ系，ジ
ルコニア系，窒化珪素系などの焼結体を用いる。
特に、アルミナの含有量が80重量％以上、特に85
〜95重量％の焼結体が耐摩耗性、耐衝撃性、耐熱
性、成形性のすべてに優れているので好ましい。
さらに運転時にかかる特に大きい負荷および衝撃
のためには部分強化ジルコニアが好適の場合があ
る。

セラミツク製円筒体５〜１０の製造は、常法に
従つて、形成および焼成すればよい。原料粉末
は、焼成後の表面精度を良くするため粒径5μｍ
以下、特に１〜3μｍ程度のものが好ましい。成
形は焼成後の収縮を考慮した寸法、形状にしてお
くが、必要に応じて、焼成後、研削して寸法精度
を向上する。

第４図は金属製軸受２１および先端押え部材１
７を示す。軸体２１は加工時にスクリユーにかか
る最大ねじれ応力に耐えるために必要充分な太さ
を有すべきである。先端押え部材１７は機械加工
して作成するが、軸体２１との間をネジ結合にす
る場合にスクリユーの回転と逆向きにするなどの
方法をとる。

第５図はスクリユーの先端までセラミツク部品
で構成すべき場合のセラミツク部品を固定する態
様を説明するもので、先端の螺旋溝付セラミツク
製円筒体２３の内部で、先端押え部材２４を用い
てセラミツク製円筒体２３，２５を軸体２６に固
定している。

第６図は以上と別のスクリユーを示すが、この
スクリユーでは先端近くにミキシング効果を高め
るための特別の形状の溝を有するセラミツク製円
筒体２７が用いられている。このように、本発明
によるスクリユーは分割され交換可能なセラミツ
ク部品を用いているので、いろいろな形状の螺旋
溝を有するセラミツク部品を適当に組合せること
によつて、所望の歯形を有するスクリユーを構成
することが可能である。

第７図にセラミツク製バレル内張り部材１１，
１２，１３，１４，１５，１６の例を示す。これ
らの内張り部材１１〜１６は略管状であるが、バ
レル本体に回転不動に固定するために、例えば、
第７図イのように、両端部に鍔部２８を形成し、
その鍔部２８に溝２９を形成するとか、第７図ロ
のように、内張り部材１１〜１６の断面形状を異
形化する。また、ベントが必要な場合には、第７
図ハに示す如く、セラミツク製内張り部材１１〜
１６にもベント用穴３０を設ける。

これらのセラミツク製内張り部材１１〜１６の
材料組成および製法はセラミツク製円筒体５〜１
０と同様である。また、これらのセラミツク製内
張り部材１１〜１６と金属製バレル２の本体との
間、あるいはセラミツク製内張り部材１１〜１６
の間にも、前に述べたような緩衝帯を設けること
が好ましい。

第８図は混練機用スクリユーの構造例を示す。
このスクリユーは外周に螺旋溝を有するセラミツ
ク製円筒体３１，３２に金属製軸体３３を通し、
両端で押え部材３４，３５で固定されている。混
練機用スクリユーの螺旋溝は一般的に押出機の溝
より深いが、セラミツク製円筒体３１，３２の製
造および組付は押出機の場合と同様である。第９
図はこのようなスクリユー２本３６，３７で構成
した２軸混練機を示す断面図である。この２軸混
練機の容器３８は内面にセラミツク製内張り３９
を有している。なお、混練機の構成は、常法に従
い、１軸、２軸あるいは３軸以上で構成すること
ができる。

〔実施例〕

例 １ 通常形式の混合、計量、溶融、圧縮、推進の各
帯域を有する溶融押出機を基本とし、第１図に示
す如く、スクリユーおよびバレルの一部をセラミ
ツク化した溶融押出機を作成した。

まず、スクリユーは、第２図に示す如く、全長
2000mmの螺旋溝部のうち中央の1680mm長、すなわ
ち、計量帯から溶融帯、圧縮帯までをセラミツク
化すべく、第３図に示す如き長さ280mmの螺旋溝
付アルミナ製円筒体を６個作成した。

アルミナ製円筒体の作成では、粒径3μｍ以下
のアルミナ粉末（純度92重量％）100重量部、水
65〜70重量部、およびポリビニルアルコール２〜
６重量部を充分に混合し、スプレードライヤーで
顆粒にした後、外径77mm、内径45mm、長さ333mm
のキー溝を有する中空円筒体とし、次いで、第３
図ａに示す形状に切削加工およびローレツト加工
した。各円筒体の螺旋溝はピツチ長（74.7mm）お
よび山部の形状を同じとし、谷部の深さを順次大
きくし（8.1mmから20.7mm）、この成形体を1650℃
１時間焼成した。

また、セラミツク製バレル内張りは第７図イに
示す如き形状のアルミナ製管体を６個作成した。
このアルミナ製管体の材料組成および製法はアル
ミナ製円筒体と同様である。アルミナ製管体は内
径65mm、外径85mm、長さ280mmで、両端部に外径
105mm、厚さ12mm程度の鍔部を設け、この鍔部に
４個の溝を形成した。

鋼材を機械加工して、第４図に示す如き軸体お
よび先端押え部材、ならびに第１図に示した如き
螺旋溝付円筒体（推進部）を作成した。軸体は円
筒体挿入部の外径38mm、長さ2000mmであり、先端
部にネジを切ると共に、円筒体挿入部にキー溝加
工した。軸体の後方には、バレルの内径とほぼ同
じ外径を有して加工材料の後方への動きを止める
ストツパー１９や、駆動装置（図示せず）との結
合部２０を形成した。こうして加工を終えた軸
体、先端押え部材、および円筒体は表面をハード
クロムメツキした。

バレル本体は通常形式と基本的に同じである
が、計量帯から溶融帯、圧縮帯までの内面にアル
ミナ製内張りを収容するための加工を行つてい
る。

スクリユーおよびバレルの組立に当たつては、
セラミツク部品と鋼部品の間およびセラミツク部
品相互間に厚さ0.2mmのポリイミドフイルムを挿
入して緩衝帯とした。

こうして、最終的に溶融押出機を完成した。

この溶融押出機を用いて、短繊維状のガラス繊
維および酸化チタンを夫々30重量％および20重量
％含有するポリエステル系ポリマーを一体に溶融
押出する複合材料の成形加工を行つたところ、ス
クリユー部およびバレル内部の摩耗は殆ど見られ
ず１年以上の使用に耐えている。

これに対して、従来の表面をハードクロムメツ
キした鋼製のスクリユーおよびバレル内面を用い
た押出機では、上記と同じ条件で複合材料を溶融
押出する場合、24時間の連続運転でスクリユー部
およびバレル内面の摩耗により製品の混合状態が
悪くなり、押出量が80％以下に低下して３週間で
使用不可能になる。

なお、バレル本体およびスクリユーを分解して
セラミツク製内張りおよび円筒体を交換すること
は容易である。

例 ２ 例１の溶融押出機と類似の溶融押出機を作製し
た。但し、この溶融押出機では、スクリユーの螺
旋溝部は全長2190mm、外径（最大径）65mmであ
る。螺旋溝付セラミツク製円筒体として長さ250
mmのブロツクをアルミナ製のもの６個、ジルコニ
ア製のもの２個を作成した。これらの円筒体をジ
ルコニア製をスクリユー先端部に配置してハード
ニツケルメツキした鋼製軸体に固定した。この軸
体においても推進部および先端部には外周に螺旋
溝を有するハードニツケルメツキした鋼製部材を
用いた。

バレルの内張りとして長さ250mm、内径65mmで
両端に鍔部を有する管体をアルミナ製のもの３
個、窒化硅素製のもの２個を作成した。バレルの
組立に際しては、計量部から溶融部、圧縮部まで
を、アルミナ製バレル内張り３個（750mm）、窒化
珪素製バレル内張り２個（500mm）、セラミツク製
内張りのない部分750mmで構成した。また、バレ
ル先端付近には３個のベントを形成した。

押出先端の絞りゲート部の内側をジルコニアで
作成し、外側を鋼製部材で保護して先端ゲート部
を作成した。

この溶融押出機で、酸化チタン、珪酸マグネシ
ウム、酸化アルミニウム等の無機微粒子と窒化珪
素ウイスカーの混合物を60重量％含有する架橋性
ポリエステルを一体にて溶融押出成形した。６ケ
月間連続運転しても、見掛上も、また押出圧力そ
の他の計測上も、変化なく良好に運転が可能であ
る。

これに対し、同じ形状のハードニツケルメツキ
鋼製の溶融押出機で同じ条件で上記の複合材料を
溶融押出成形を行う場合、約１週間で摩耗が著し
く、スクリユーの肉もりを１週間１回、バレル部
の肉もりを１ケ月に１回行う必要があつた。

例 ３ 例１のスクリユーと同様の手順で混練機用スク
リユーを作成した。このスクリユーの形状は第８
図に示す如くであり、螺旋溝の有効長が600mmで
あり、溝の深さは押出機用スクリユーの場合より
深く（22mm程度）またスクリユーの軸線に沿つて
溝の深さは変化しない。長さ250mmの螺旋溝付ア
ルミナ製円筒体を２個用いて１本のスクリユーと
した。

このアルミナ製スクリユーを用いて、第９図に
示す如く、２軸混練機を構成した。この混練機の
容器の内面にはアルミナ製内張りを配設した。

この混練機で、珪酸マグネシウム、酸化亜鉛、
ガラス繊維および安定剤を50重量％含有する
ABS樹脂を加熱混練し、プレミツクス中間製品
の製造に用いた。その結果、従来のハードニツケ
ルメツキした鋼製のスクリユーを用いた場合と較
べて、混合スクリユーの交換寿命が12〜15倍に延
長された。

なお、混練機の場合には、表面仕上精度は必ず
しも高くなくてもよく、焼成前の寸法精度を高め
るだけで充分であつた。

〔発明の効果〕

本発明により、押出機および混練機の耐摩耗
性、耐熱性が向上し、硬質素材あるいは硬質素材
を含む材料の加工に適した押出機および混練機が
提供される。

なお、本発明を説明するに当つては、主とし
て、樹脂中に硬質素材を配合した複合材料の加工
を参照したが、セラミツク部材の使用によつて耐
摩耗性および耐熱性が向上するという特性は、セ
ラミツク等の加工においても有効であることは明
らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による押出機の摸式図、第２図
は押出機のスクリユーの一部断面の正面図、第３
図は螺旋溝付セラミツク製円筒体の正面図および
側面図、第４図はスクリユーの軸体等の正面図、
第５図はスクリユーの別の態様および先端部の組
立方法を示す断面図、第６図はスクリユーのさら
に別の態様を示す断面図、第７図イ〜ハはセラミ
ツク製バレル内張りの断面図と側面図、第８図は
本発明による混練機のスクリユーの正面図、第９
図は本発明による２軸混練機の摸式断面図であ
る。 １……スクリユー、２……バレル、３……ホツ
パ、４……絞りゲート部、５〜１０……螺旋溝付
セラミツク製円筒体、１１〜１６……セラミツク
製バレル内張り、１７……螺旋溝付金属製先端押
え部材、１８……螺旋溝付金属製円筒体、１９…
…ストツパー、２１……金属製軸体、２２……螺
旋溝、２３，２５……先端部の螺旋溝付セラミツ
ク製円筒体、２７……螺旋溝付セラミツク製円筒
体、２８……鍔部、２９……キー溝、３０……ベ
ント用穴、３１，３２……螺旋溝付セラミツク製
円筒体、３３……金属製軸体、３４，３５……押
え部材、３８……容器、３９……セラミツク製内
張り。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 容器内を軸回転するスクリユーによつて被加
   工材料を押出または混練する押出機または混練機
   において、前記スクリユーの被加工材料と接する
   外表面の一部分または全部、および前記容器の被
   加工材料と接する内表面の一部分または全部を、
   セラミツク部品で構成したことを特徴とするスク
   リユー押出機または混練機。