TW202302319A - 樹脂複合材料的製造方法及製造裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種樹脂複合材料的製造裝置及製造方法，能夠穩定原料供給量，提高樹脂複合材料的製造效率。 本發明之樹脂複合材料的製造裝置10，包含供給熱塑性樹脂及吸水性填充料的原料供給部11、第一料管12、設於第一料管12的第一排氣部13、用於擠壓成形的模頭14、及驅動第一螺桿的旋轉驅動機構15，藉由第一排氣部13，可將由作為原料的混練物產生的揮發性氣體從第一料管12內去除到外部。

Description

樹脂複合材料的製造方法及製造裝置
本發明係關於一種樹脂複合材料的製造方法及製造裝置，特別是關於一種以擠壓成形法製造吸水性填充料/熱塑性樹脂複合材料的製造方法及製造裝置。
生物質材料作為工業資源備受關注。生物質材料係指來源於植物等生物體的材料。由於生物質材料是有機物質，因此在燃燒時會排放二氧化碳。然而其中所含的碳係來源自該生物質於生長過程中經由光合作用從大氣中吸收的二氧化碳，因此即使使用生物質材料，總體來看，並不會使大氣中的二氧化碳量增加。這種性質稱為碳中性。
在全球暖化問題等全球環境問題的背景下，促進節約資源、將廢棄物作為原料使用的材料回收，及以生物可分解塑膠為代表的環境循環成為當務之急，日本亦已制定修正回收法及綠色採購法等，對於符合這一趨勢的產品的需求也逐步增加。
這種情況下，在從汽車零構件材料至日用品中均廣泛使用的樹脂成形品中，混合生物質材料，係促進碳中和理念的實踐。
在使用這樣的生物質材料作為填充料的情況，可以藉由熱塑性樹脂組成物成形時常用的擠壓機(例如，參照專利文獻1)，將其顆粒化成樹脂複合材料。
[先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1] 日本特開2020-128032號公報
[發明所欲解決之問題] 附帶一提，當試圖以擠壓機製造混有作為填充料的生物質材料的樹脂複合材料時，會有填充料附著在原料供給部的射料器上、或在原料供給部的投入口處結塊，使原料的供給量變得不穩定的情況。如果原料的供給量變得不穩定，則每單位時間的樹脂複合材料的製造量(擠壓量)會隨之減少，從而無法進行高效率的製造。
因此，眾所期望者，係提供一種能夠穩定原料的供給量，並提高樹脂複合材料的製造效率的樹脂複合材料的製造裝置及製造方法。
[解決問題的技術手段] 本申請中揭示之樹脂複合材料的製造方法，係在使用含有吸水性填充料的樹脂複合材料進行擠壓成形時，於將熱塑性樹脂與吸水性填充料混練成混練物之際，將混練物產生的揮發性氣體從第一料管排氣到外部。
本申請中所揭示之樹脂複合材料的製造裝置，係於第一料管中具備有第一排氣部，將混練物產生的揮發性氣體排氣到外部。
[發明之功效] 依據本申請所揭示之樹脂複合材料的製造方法及製造裝置，能夠高效率地製造含有熱塑性樹脂及吸水性填充料的樹脂複合材料。特別是可以穩定原料的供給量，增加擠壓量。
以下，將基於實施例和圖式針對實施形態進行詳細說明。另外，在用於說明實施形態的所有圖式中，針對具有相同功能的構件，以相同或相關的符號標記而省略重複之說明。
(實施形態 1) ＜樹脂複合材料的製造裝置＞ 圖1係本實施形態中樹脂複合材料的製造裝置之結構例的示意圖。圖2係表示圖1所示之揮發性氣體的排氣部(第一排氣部)之能夠進行抽吸排氣的排氣管結構的示意圖。
圖1所示之樹脂複合材料的製造裝置10，係適用於製造含有吸水性填充料及熱塑性樹脂的樹脂複合材料的擠壓裝置，主要係作為製造該樹脂複合材料之成形品的前處理裝置，用於製造原料顆粒。
該樹脂複合材料的製造裝置10包含原料供給部11、具有螺桿的料管12、設於料管12上游側的揮發性氣體排氣部13、模頭14，及驅動料管12之螺桿的旋轉驅動機構15。
原料供給部11係將樹脂複合材料的原料供給至料管12的構件。本實施形態中，熱塑性樹脂與吸水性填充料作為原料，舉例而言，經由進料器從上方投入原料供給部11的射料器11a中，這些原料混合後被供給至料管12。此處所使用的原料將於後詳細說明。
料管12的內部具有螺稈。旋轉該螺桿，能將混練原料所得之混練物輸送至料管12內。若該螺桿使用設有兩根螺桿的雙軸，則可構成雙軸擠壓裝置。雙軸擠壓裝置具有能夠自由改變螺桿轉速及機筒設定溫度等操作條件的靈活性，並具有高混練性、連續生產性等多重優點。
料管12係由，舉例而言，複數之料管組塊連接而成，各料管組塊內部設有可輸送熱塑性樹脂與吸水性填充料之混練物的空間。該空間中設有螺桿，該螺桿與旋轉驅動機構15連接。以該旋轉驅動機構15使螺桿旋轉，可在料管12內輸送混練物。
此外，料管12設有可調節其溫度的加熱器(未圖示)。藉由該加熱器，可熔融作為原料的熱塑性樹脂，能夠容易地獲得熱塑性樹脂與吸水性填充料之混練物。此外，以這樣的方式得到的混練物可以容易地在料管12內輸送。另，此時，為了不使混練物的溫度過度升高，以進行溫度控制為佳。
揮發性氣體排氣部13主要具有將樹脂複合材料產生的揮發性氣體排出到料管12外部的功能，該排氣部，舉例而言，設置於料管12的上游側。該揮發性氣體排氣部13之設置，可在料管12的側面或上面設置開口部(排氣口)，設置這樣的開口部，可將在料管12內產生的揮發性氣體排出到外部。
再者，為了有效地去除揮發性氣體，該排氣部13可使用能夠減壓抽吸的排氣裝置。藉由設置這樣的排氣裝置，能夠更有效地除去料管12內產生的揮發性氣體。
此處，料管12的上游側，係指原料經混練而在料管12內被輸送，該混練物之流動方向的上游側(靠近原料供給部11的一側)。此外，本實施形態中的上游側，意指在料管12中，從原料供給部11到熱塑性樹脂熔融可塑化的位置為止。設置排氣部13的位置，以從原料供給部11起算，螺桿全長的70%以內為佳，以從原料供給部11起算螺桿全長的40%以內為更佳，以料管12與原料供給部11連接的部分(緊接在原料供給部11之後)為特佳。此外，排氣部13的設置數量並不特別限定在一處。
另外，熱塑性樹脂熔融可塑化的位置，係指在結晶性樹脂的情況下，料管溫度達熔融開始溫度以上的區域，在非晶性樹脂的情況下，料管溫度達玻璃轉移溫度以上的區域；而更佳則為在結晶性樹脂的情況下，料管溫度達熔解溫度(熔點)以上的區域，在非晶性樹脂的情況下，料管溫度達玻璃轉移溫度以上的區域。此處，結晶性樹脂的熔融開始溫度及溶解溫度(熔點)，可使用如差示掃描量熱儀(DSC，PerkinElmer DSC8500)來求出。在DSC曲線中，位在因結晶性樹脂的熔解而生的圖峰以前的基線，與熔解圖峰左側的反曲點之切線的接點，對應此點的溫度為熔融開始點，表示熔解圖峰的溫度為熔點。
模頭14是用於將輸送至料管12內的混練物擠出而成形的構件，具有擠壓成形用的孔。設於模頭14上的孔的形狀決定了成形的形狀。此時，根據要製造的樹脂複合材料的形狀，孔的形狀可為各種形狀，選擇適當之形狀即可。例如，欲成形為條狀時可設置多個圓形孔，欲成形為片狀時則設置狹縫形狀的孔。
旋轉驅動機構15是用於使設置在料管12內之螺桿旋轉的裝置。原料藉由被旋轉驅動機構15所旋轉的螺桿，在料管12內輸送。
另外，雖然於接下來將要說明的圖2之排氣管130中，例示了在料管12中設置兩根螺桿的情況下所使用的排氣管，但本實施形態中使用的擠壓裝置，可為設有兩根螺桿的雙軸擠壓裝置，也可為設有一根螺桿的單軸擠壓裝置。
該複合樹脂材料製造裝置為雙軸擠壓裝置時，兩根螺桿以彼此嚙合的方式配置並旋轉。當螺桿數量為兩根時，可以有較大的空間體積，故在螺桿直徑相同的情況下，比起一根螺桿的單軸，有兩根螺桿的雙軸的擠壓量更大，從而較佳。料管12的延伸方向與料管12內螺桿的延伸方向相同。
＜關於揮發性氣體排氣部＞ 本實施形態中，揮發性氣體排氣部13可如上述，具有能夠將在料管12內產生的揮發性氣體排出到外部的開口部。此外，該排氣部13若由能夠抽吸排氣的排氣管構成，則可有效地去除揮發性氣體，從而較佳。
圖2中示有排氣管之一例的結構例。該排氣管130作為料管12的一部分，設置在料管12與原料供給部11連接的部分。該排氣管130以連通原料供給部11至料管12的內部空間的方式設置，從而使作為原料的熱塑性樹脂與吸水性填充料能夠流通。該連通空間中設置有螺桿。並且，排氣管130設有排氣口，能夠使料管12內產生的揮發性氣體排出到外部。
此處所示之排氣管130，例示了在其排氣口設置濾網131，使所供給的固形物(原料)無法通過，而揮發性氣體則能夠通過的情形。藉由設置該濾網131，可將欲去除的揮發性氣體從料管12去除到外部，而不會使原料洩漏到外部。
再來，在排氣管130中，為能將揮發性氣體從排氣口(濾網131)高效率地排出，以將設置於排氣管130的抽吸口132連接至真空幫浦等抽吸裝置為佳。圖2例示了在四處設置抽吸口132的情形。
另外，雖在上述實施形態中以設置一個排氣部13的情形為例進行了說明，但亦可設置兩個以上的排氣部13。設置兩個以上時，其設置位置也均設於料管12的上游側。
＜樹脂複合材料的原料＞ 接著，針對本實施形態的樹脂複合材料的製造方法中所使用的原料進行說明。此處所使用的原料，包括熱塑性樹脂與吸水性填充料。
熱塑性樹脂，任何樹脂只要是能夠因熱而可塑化、進而成形的樹脂，即可被使用。該熱塑性樹脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚對苯二甲酸乙二酯、聚酰亞胺、聚醚醚酮等。其中，以成形性的觀點來看，尤以混練物的溫度易於維持在較低溫的低密度聚乙烯及聚丙烯為佳。
又，本實施形態中，熱塑性樹脂可使用生物可降解樹脂。具有熱塑性的生物可降解樹脂包括但不限於，例如，聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚乙烯丁二酸酯、聚乙二醇、聚己內酯、聚乙烯醇等。
本實施形態中使用的熱塑性樹脂可以為任意形態，但從操作性的觀點考慮，以粒狀成形樹脂為佳。此外，亦可同時使用兩種以上的熱塑性樹脂。再來，在與吸水性填充料混練時，為了提高均勻性及附著力，也可以添加亦為熱塑性樹脂的相溶化樹脂(相溶化材料)。
相溶化樹脂係使用習知的相溶化樹脂，其例包括但不限於馬來酸變性聚丙烯(Youmex 1010，三洋化成製)、ModicⓇP908(三菱化學製)等。相溶化樹脂具有使吸水性填充料與熱塑性樹脂均勻混合、提高附著力的作用。雖然亦可不使用相溶化樹脂，但若有使用時，在混練所得之樹脂複合材料中，最多使用15質量％左右的量。
本實施型態中使用的吸水性填充料，只要是具有吸水性的填充料即可使用，並無特別之限制。吸水性填充料包括天然材料和化學材料的填充料。此處，吸水性填充料除了指填充料的材料本身能夠保水的情形，也包含根據填充料的形態而能夠保水的情形(例如，纖維狀的填充料，纖維之間能夠保水的情況等)。
天然材料包括植物材料、動物材料、礦物材料等，以植物材料或動物材料為佳。植物材料包括棉(cotton)、吉貝木棉、牛角瓜等的種毛；亞麻(linen)、苧麻(ramie)、大麻(hemp)、黃麻(Jute)、大麻槿等的韌皮；馬尼拉麻、劍麻、蘆薈等的葉脈；椰子果實、香蕉等的種皮，上述等等的纖維素；動物材料包括安哥拉、喀什米爾、羊毛(綿羊)、山羊、兔子、馬海毛、駱駝、羊駝等的動物毛；家蠶絲、野蠶絲等的絲；羽絨、羽翼(feather)、羽毛等的羽毛；螃蟹、海鞘等的殼等等。此外，礦物材料包括石棉等天然礦物等等。
化學材料包括再生纖維素、半合成或合成材料、高性能材料、無機材料等。其中，化學材料以例如縲縈、銅氨纖維、精製纖維素等再生纖維材料和聚酯系材料、聚酰胺系材料、聚乙烯醇系材料等合成材料為佳。
吸水性填充料一般多為吸水性材料，從碳中和的觀點出發，以天然材料為佳。又，吸水性填充料的形態並無特別限制，舉例而言，包括顆粒狀、纖維狀等。其中，又以植物纖維(纖維素纖維)、動物纖維(蛋白質纖維)為佳。
本實施形態中使用的吸水性填充料，由與上述之熱塑性樹脂混練時容易投入原料中之觀點來看，以塊狀形態為佳。即使是纖維狀的材料，也以將其集合而製成塊狀為佳。此時，其尺寸以50mm以下的原料為佳。此外，對於尺寸大的原料，可以適當透過粉碎將其尺寸調整為50mm以下，而以1mm以上50mm以下的尺寸的吸水性填充料為佳。又，在本實施形態中，吸水性填充料的尺寸可以藉篩分器的篩孔大小來進行篩分選擇。吸水性填充料可以透過使用如鎚磨機等來進行粉碎處理。
本實施形態中使用的吸水性填充料可以是成形品。亦即，將吸水性填充料的粉碎物狀的起始材料成形處理成壓塊或顆粒狀。成形物能使操作變得容易，並因高密度化而可以降低運輸成本。高密度化處理後的成形物的體積密度以500kg/m 3以上為佳，以600kg/m 3以上為更佳。體積密度可以依照JIS K 2151的「6.體積密度測試方法」測量。
本實施形態中，用於將吸水性填充料製成成形品的裝置並無特別限制，舉例而言，壓塊機(briquetter，北川鐵工所製)、環模式製粒機(CPM製)、平模式製粒機(Kahl製、Dalton製)等是最理想的。
本實施形態中，將吸水性填充料製成成形品使用時，吸水性填充材料的含水率以3～50％為佳，以10～30％為更佳。如果含水率低於8%，壓塊機或製粒機內部會發生堵塞，無法製造出穩定的成形品。如果含水率超過50%，成形會變得困難，會以粉體狀或糊狀的形式排出。
本實施形態中，可以在吸水性填充料中添加黏合劑。黏合劑並無特別限制，但可以適宜地使用例如澱粉、木質素等有機高分子、丙烯醯胺等無機高分子、麩皮(製造小麥粉時產生的殘渣)等農業殘渣。從高效率地有效利用吸水性填充料的觀點出發，黏合劑的添加份數理想為較少，相對100質量份的吸水性填充料，以50質量份以下為佳，以20質量份以下為更佳。但是，也並非意謂添加超過50質量份即不可能高密度化。
此外，作為原料，也可以含有熱塑性樹脂和吸水性填充料以外的包含有機物及/或無機物的其他成分。其他成分包括例如氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鎂、氫氧化鈣等鹼；黏土、滑石、碳酸鈣、雲母、二氧化鈦、氧化鋅等無機填充料；炭黑、石墨、碎玻璃等有機填充料；氧化鐵紅、偶氮顏料、酞菁等染料或顏料；分散劑、潤滑劑、可塑化劑、離型劑、阻燃劑、抗氧劑(酚類抗氧化劑、磷抗氧化劑、硫類抗氧化劑)、抗靜電劑、光穩定劑、紫外線吸收劑、金屬鈍化劑、結晶化促進劑(造核劑)、發泡劑、交聯劑、抗菌劑等改質用添加劑。
又，本實施形態中，以在與熱塑性樹脂混練之前將吸水性填充料粉碎為佳。粉碎物的平均粒徑以500μm以下為佳，以300μm以下為更佳，以200μm以下為特佳。如果吸水性填充料的粉碎物的平均粒徑大於500μm，則其與樹脂會變得難以均勻混合，有時在射出粉碎的吸水性填充料與樹脂的混練物的裝置入口，混練物的樹脂體會被切碎。在這種情況下，可能會發生難以將擠壓所得的成形體運送到冷卻處理裝置的問題。此外，本說明書中之「平均粒徑」，係指藉由雷射散射法(雷射繞射法)測定之體積50％平均粒子徑(D50)，其可使用雷射繞射/散射式粒度分佈測定儀(Malvern製，儀器名稱：Master sizer 2000)等來測定。
粉碎吸水性填充料時所使用的粉碎機，舉例而言，可以是任何能夠粉碎有機物的裝置，雖不限於這些，但可例舉如球磨機、棒磨機、珠磨機、錐形磨機、圓盤磨機、磨邊機、錘磨機、杵臼、顆粒磨機、VSI磨機、威利磨機(Wiley mill)、輥磨機、氣流粉碎機、磨碎機(Mascoroider)等粉碎機。此外，粉碎機可使用雙軸混練擠壓(TEX30等TEX系列，日本製鋼所製)等。
本實施形態中的樹脂複合材料，如下前述，係經由將上述吸水性填充料與熱塑性樹脂加熱混練後，將其擠壓成形所得。為了實現高水準的碳中和，作為樹脂複合材料中的吸水性填充料，以使用天然纖維、且其混合比高者為佳，但所得之樹脂複合材料，若考慮成形品的製造或強度，則以10質量％以上90質量％以下為佳，以30質量％以上80質量％以下為更佳。
＜樹脂複合材料的製造方法＞ 接著，針對本實施形態的樹脂複合材料的製造方法，以使用上文所說明的圖1之樹脂複合材料的製造裝置10的情況為例，對各步驟進行說明。
首先，將如上述所製備的樹脂複合材料的原料從原料供給部11供給至料管12[(1a)原料供給步驟]。作為原料的熱塑性樹脂與吸水性填充料，各別經由如進料器等從上方投入原料供給部11的射料器中，投入的原料經混合並供給至料管12。
供給至料管12的原料，被設置在料管12外部的加熱器、或原料被剪切時所產生的熱量等等加熱，熱塑性樹脂變得熔融可塑化[(1b)混練步驟]。熔融可塑化之熱塑性樹脂及吸水性填充料經過設置於料管12中的螺桿混練，得到熱塑性樹脂及吸水性填充料的混練物。
本實施形態中，混練(加熱、熔融、混練等處理)時的溫度通常為100～300℃左右，以100～250℃左右為佳，以100～200℃左右為特佳。
本實施形態中的樹脂複合材料的製造方法中，對吸水性填充料及熱塑性樹脂進行加熱混練時，舉例而言，係使用一般的擠壓機。擠壓機以雙軸混練擠壓機為佳，雙軸混練擠壓機在粉碎吸水性填充料的步驟、或將粉碎後的吸水性填充料與熱塑性樹脂進行加熱混練的步驟中均可使用。因此，也可藉由連接雙軸混練擠壓機、或使用一個裝置連續進行這兩個步驟，來連續製造樹脂複合材料。
接著，得到的混練物經由螺桿，通過料管12內並輸送至其下游側(模頭14側)[(1c)輸送步驟]。在該輸送過程中，熱塑性樹脂及吸水性填充料被充分混練，成為均勻的混練物。此處，若未被充分混練，則在接下來的擠壓步驟中，混練物可能無法成形為期望的形狀，或是無法獲得所追求的特性。
在該(1c)輸送步驟中，為使混練物能順暢地流動而維持住料管12內的溫度。亦即，可以維持在經由上述(1b)混練步驟所加熱的溫度，也可以維持在混練物能夠流動的溫度。在輸送步驟中，移動到料管12的下游側的混練物，最終從模頭14以期望的形狀被擠出[(1d)擠壓步驟]，並進一步冷卻固化成為樹脂複合材料。
此處得到的樹脂複合材料的形狀雖無特別限制，但包括條狀或片狀等。成形為條狀或片狀的樹脂複合材料，在切割成期望的尺寸後，作為製品成形的材料使用。
(關於揮發性氣體的排氣) 上述(1b)混練步驟中，將混練熱塑性樹脂及吸水性填充料所得之混練物所產生的揮發性氣體，從設置在料管12的上游側的排氣部13排氣到外部。此處，排氣部13如上文說明般地設置在料管12的上游側。亦即，設置揮發性氣體的排氣部13的位置，在與原料供給部11連接的部分到熱塑性樹脂熔融可塑化的位置之間，以從原料供給部11起算，螺桿全長的70%以內為佳，以從原料供給部11起算螺桿全長的40%以內為更佳，以料管12與原料供給部11連接的部分(緊接在原料供給部11之後)為更佳。
此外，排氣部13以由能夠抽吸排氣的排氣管構成，而能有效地去除揮發性氣體為佳。
如此設置排氣部13，能夠有效地將混練物中產生的揮發性氣體排氣。藉由該排氣，能夠抑制在混練物中混入揮發性氣體的情況下，對其進行的輸送或擠壓成形。此外，即使在投入原料時原料投入量較多，也能夠穩定地供給原料。
(研究脈絡) 本發明人等就能夠實現熱塑性樹脂和碳中和的材料，對使用木質系生物質等以擠壓成形所為之樹脂複合材料的製造進行研究。
附帶一提，當試圖使用這種能夠實現碳中和的材料作為填充料，以擠壓機製造樹脂複合材料時，根據填充料的材料不同，該填充料可能會附著在原料供給部的射料器上，或在原料供給部的投入口結塊，使原料供給量不穩定。如果原料供給量變得不穩定，則每單位時間的樹脂複合材料的製造量(擠壓量)會減少，無法進行有效的製造。
為了確認原料供給量不穩定的原因，本發明人等以熱重量分析調查所使用的填充料產生的氣體量與加熱溫度之關係的變化情形。具體而言，係使用熱重量分析儀(TG-DTA)，調查作為填充料使用的纖維素粉末(日本製紙製，KC Flock W50GK；平均粒徑45μm)在20°C/min的升溫速度下加熱時的質量變化(質量減少率)。
其結果，發現上述填充料在加熱後，於100°C前後會發生約5%左右的質量減少。該質量減少，主要認為是起因於填充料中所含的水分汽化成水蒸氣後被放出所致。關於這點，在上述(1b)步驟中，因為將熱塑性樹脂加熱至熔融可塑化的溫度，故與熱塑性樹脂混練的填充料也被加熱，此時填充料中若含有水分，則會產生揮發性氣體(水蒸氣)。該產生的水蒸氣流入原料供給部11，成為填充料附著在射料器上、或在原料供給部11的投入口結塊的原因，原料供給量的不穩定被認為是這種現象的發生所引起的。
因此，本發明人等發現，在這種水蒸氣產生後立即將其從料管12釋放到外部，能夠解決上述不良情形，並能穩定原料的供給量。其後發現，藉由穩定該原料的供給量，能夠增加混練物的擠壓量，提高樹脂複合材料的製造效率。此外，在上述脈絡中所考量者雖為碳中和，但若在本實施形態中排除這一點，而著眼於原料供給量的穩定化及樹脂複合材料製造效率的提高等面向，亦能明白只要是可含有水分的吸水性填充料，均可被廣泛地應用。
又，如果進一步加熱至高溫，則可能會有因吸水性填充料本身的分解而導致氣體(來自混練物的氣體成分)產生的風險，這種情況下，可預想質量會發生劇減。以下將另行說明針對這一點的對策。
(實施形態 2) ＜樹脂複合材料的製造裝置＞ 該實施形態2，係將作為原料的熱塑性樹脂及吸水性填充料的供給，各自分別在不同位置實施的形態，其他結構可與實施形態1相同。
例如，如圖3A及圖3B所示，該實施形態2的樹脂複合材料的製造裝置20包含樹脂供給部21、料管12、吸水性填充料供給部22、揮發性氣體排氣部23、模頭14及旋轉驅動機構15。以下，主要說明與實施形態1不同的部分。
該樹脂複合材料的製造裝置20中，樹脂供給部21及吸水性填充料供給部22各自設置在不同的位置，首先從樹脂供給部21供給熱塑性樹脂，加熱熱塑性樹脂使之熔融可塑化後，將吸水性填充料提供給熔融可塑化之熱塑性樹脂。
在此，樹脂供給部21設置在與實施形態1之原料供給部11相同的位置，其結構也與原料供給部11相同。該樹脂供給部21供給熱塑性樹脂作為原料、但不供給吸水性填充料，這一點係與原料供給部11的不同之處。
吸水性填充料供給部22設於料管12中較樹脂供給部21的下游側，將先前供給的熱塑性樹脂加熱、使之熔融可塑化後，將吸水性填充料供給至熔融可塑化之熱塑性樹脂中並與之混合。
該吸水性填充料供給部22，只要能夠將吸水性填充料供給至料管12內即可，例如可使用與設於料管12的側面的開口部連接的螺旋式供給裝置(側進料器)。
如圖3A及圖3B所示，吸水性填充料供給部22連接在料管12的中段(圖3A中，係設於料管12的背面側(在與料管12相同的水平面上，與料管12的延伸方向直交的方向))。又，料管12與實施形態1基本上相同，但在未設置排氣部13這點上有所差異。
該吸水性填充料供給部22可以是螺旋式的進料器(例如，側進料器)。此時，吸水性填充料供給部22只要設置為將具有螺桿的料管22a連接料管12的側面，並能在中途將吸水性填充料添加至在料管12內輸送的熔融可塑化之樹脂中即可。該料管22a具有用於投入吸水性填充料的射料器22b，吸水性填充料從該射料器22b投入，經由與旋轉驅動機構22c連接的螺桿，在料管22a內輸送。吸水性填充料朝向料管12輸送，並在料管12與料管22a的連接部分處添加進入料管12內的熔融可塑化之熱塑性樹脂中，並與之混合。
接著，本實施形態中，揮發性氣體排氣部23設於料管12與吸水性填充料供給部22之間，其主要作用為將吸水性填充料添加進熔融可塑化之熱塑性樹脂中時產生的揮發性氣體，從料管12去除到外部。
再者，為能有效去除揮發性氣體，該排氣部23可使用能夠進行減壓抽吸的排氣裝置。設置這樣的排氣裝置，能夠更有效地除去料管12內產生的揮發性氣體。該能夠進行減壓抽吸的排氣裝置，可以使用與實施形態1中所說明的排氣裝置相同的裝置。 ＜樹脂複合材料的製造方法＞ 接著，針對本實施形態的樹脂複合材料的製造方法，以使用上文所說明的圖3A及圖3B之樹脂複合材料的製造裝置20的情況為例，對各步驟進行說明。
首先，將如上述所製備的樹脂複合材料的原料從原料供給部21供給至料管12[(2a)樹脂供給步驟]。作為原料的熱塑性樹脂，舉例而言，經由如進料器等從上方投入樹脂供給部21的射料器21a中，投入的原料被供給至料管12。
供給至料管12的熱塑性樹脂，被設置在料管12外部的加熱器、或原料被剪切時所產生的熱量等等加熱，被熔融可塑化[(2b)熔融可塑化步驟]。
接著，將吸水性填充料從吸水性填充料供給部22供給至料管12內，將吸水性填充料添加進熔融可塑化之樹脂中，以設置於料管12內的螺桿進行混練，可以得到熱塑性樹脂與吸水性填充料的混練物[(2c)混練步驟]。
以螺桿將所得之混練物經過料管12輸送至其下游側(模頭14側)[(2d)輸送步驟]。在該輸送過程中，熱塑性樹脂與吸水性填充料被充分混練，成為均勻的混合狀態。在此，若未被充分混練，則在接下來的擠壓步驟中即無法獲得具有所需特性的成形體。
在輸送步驟中移動至料管12的下游側的混練物，最終從模頭14被擠出成為期望的形狀[(2e)擠壓步驟]，並進一步冷卻固化成樹脂複合材料。
該實施形態2除了熱塑性樹脂與吸水性填充料的供給位置不同之外，具有與實施形態1相同的結構。亦即，在實施形態2中，首先將熱塑性樹脂供給至料管12，經加熱並熔融可塑化，然後吸水性填充料被添加並與熱塑性樹脂混練。
然後，像這樣將原料的供給位置分開，實施形態2中的排氣部23的設置位置變更為吸水性填充料供給部22與料管12連接的部分。
該實施形態2中，熔融可塑化之熱塑性樹脂與吸水性填充料混合時，在混合後立即會從吸水性填充料產生揮發性氣體。此時，由於排氣部23設置於該混合位置的上游，所以能夠將產生的揮發性氣體直接從料管12排出到外部。藉此，能夠解決因產生水蒸氣而引起的不良情形。
亦即，與實施形態1相同，能夠實現原料供給量的穩定化。並且，由此，能夠增加混練物的擠壓量，並提高樹脂複合材料的製造效率。
(實施形態 3) ＜樹脂複合材料的製造裝置＞ 該實施形態3，係具有與能夠將在料管12中輸送混練物時產生的來自混練物的氣體成分從料管12排出到外部的排氣部13不同的排氣部之實施形態，其他結構則與實施形態1相同。
舉例而言，如圖4所示，該實施形態3中之樹脂複合材料的製造裝置30包含原料供給部11、料管12、排氣部13、模頭14、旋轉驅動機構15及排氣部31。以下，主要說明與實施形態1不同的部分。
該實施形態3的樹脂複合材料的製造裝置30具備實施形態1的樹脂複合材料的製造裝置10的全部結構，還進一步具有與料管12連接的排氣部31。
該排氣部31主要具有能夠將來自混練物的氣體成分從料管12排出到外部的開口部即可，圖4中例示了具備強制抽吸排氣裝置作為排氣部31的結構。該抽吸排氣裝置與實施形態2的吸水性填充料供給部22相同，連接在料管12的中段(圖4中，係設於料管12的背面側(在與料管12相同的水平面上，與料管12的延伸方向直交的方向))。
又，圖5中所示者，為抽吸排氣裝置的結構之一例。該圖5是從模頭14側觀察料管12與抽吸排氣裝置連接的構造的示意圖。該抽吸排氣裝置包含料管310、設於其內部的兩根螺桿S2a, S2b、與料管310內的空間連通而能夠設定為減壓狀態的通氣部320，及與螺桿S2a, S2b連接的旋轉驅動機構330。通氣部320，舉例而言，可以藉由連接真空幫浦而處於減壓狀態，在螺桿S2a, S2b與旋轉驅動機構330之間設有軸密封部340。此外，抽吸排氣裝置的料管310一帶的結構，與料管12的結構類似，但螺桿直徑和料管直徑可以設計得遠比料管12大。此外，抽吸排氣裝置的螺桿並不特別限於兩根。
排氣部31在設置這樣的抽吸排氣裝置後，利用旋轉驅動機構330旋轉螺桿S2a, S2b，以防止料管12內輸送的混練物逆流到抽吸排氣裝置內(將混練物朝料管12的方向推擠)，同時能夠將來自混練物的氣體成分從料管12排出到外部。所排出之來自混練物的氣體成分，係從料管310經過通氣部320去除到外部(圖5之虛線箭頭)。
此處，排氣部31亦可設置通氣裝置來代替抽吸排氣裝置。通氣裝置以真空通氣裝置為佳，真空通氣裝置為具有利用真空幫浦直接將來自混練物的氣體成分從設於料管12的通氣孔去除之結構的裝置。
圖4的樹脂複合材料的製造裝置30中，例示了將排氣部31設於料管12的中游部及下游部兩處的情況，但關於在料管12內輸送的混練物，若能有效除去來自該混練物之氣體成分，則設置的數量可為一個，也可為三個以上。此外，設置的位置亦可根據所用的製造裝置、製造條件等進行適當的變更。
本實施形態中所假設之「來自混練物的氣體成分」，主要是在對混練物進行較長時間的加熱、或加熱溫度升高時所產生的氣體。例如，在含有作為原料的吸水性填充料的本實施形態中，為加熱至焙燒溫度以上的溫度時，吸水性填充料分解而產生的氣體，而並不包含吸水性填充料中原有的成分被加熱汽化所產生的揮發性氣體。 ＜樹脂複合材料的製造方法＞ 接著，針對本實施形態中之樹脂複合材料的製造方法，以使用上文所說明的圖4之樹脂複合材料的製造裝置30的情況為例，對各步驟進行說明。
使用該樹脂複合材料的製造裝置30的樹脂複合材料的製造方法，係以與實施形態1中所說明的操作相同的步驟((1a)步驟～(1d)步驟)來進行。然後，本實施形態中，在(1c)步驟(輸送步驟)中，能夠將混練物產生的來自混練物的氣體通過排氣部31從料管12排出到外部。藉此，即使在料管12內產生來自混練物的氣體，也能夠抑制該氣體混入混練物中，而能夠穩定地輸送混練物。因此，從模頭14擠出得到的樹脂複合材料得以維持所追求的品質，並提高製造效率。
雖然上述針對實施形態3的說明，係針對實施形態1增設排氣部31的情況所進行的說明，但在實施形態2中也同樣適用。
(變形例) 於上述實施形態中所說明的模頭14，如同上文所既已說明般，只要是作為擠壓機使用的習知的模頭，即可沒有特別限制地使用。
本說明書中記載的樹脂複合材料，由於係將含有吸水性填充料的混練物擠出，以盡可能在溫度不致上升到使吸水性填充料分解的情況下輸送、擠出為佳。由於即使在模頭內部(滯留部)，混練物的溫度也可能因為施加於其上的剪力而上升，故以混練物能盡可能容易地從模孔擠出為佳。此外，此時亦以將滯留部縮小為佳。
舉例而言，圖6係將作為模頭14之一例的模孔14a(擠出孔)及與其連接的滯留部14b放大顯示之圖。此時，假設模孔14a的長度為L、直徑為D，則為了能容易地擠出混練物、並抑制混練物溫度的上升，長度L相對於上述之模孔14a的參數的直徑D之比(L/D)，以5以下為佳，以4以下為較佳，以3以下為更佳。該關係較佳的理由，係因為數值越小，越不可能引起滯留部內部的壓力過度上升，而從滯留部的擠出也越容易。
此外，在模頭14的滯留部內，以一邊確認其壓力與混練物的溫度，一邊控制壓力及溫度，使壓力和溫度不會變得過高為佳。此時，可在模頭14設置壓力計、溫度計等，並設定特定的壓力或溫度，監控是否超過該設定值。然後，在超過設定值之情況，以設置能夠將其控制在設定值內的控制裝置為佳。舉例而言，該等壓力及溫度超過特定值時，能夠藉由進行將料管12的加熱溫度降低、將料管12的螺桿旋轉速度減慢、或將滯留部內的氣體排出到外部等回饋控制，來調整壓力和溫度。
又，實施形態1中所說明的吸水性填充料若發生分解，則可能有模頭14的滯流部中壓力上升、樹脂複合材料的製造效率降低或品質降低之虞。因此，以抑制如此之分解為佳，以將混練物(吸水性填充料)的溫度維持在不超過該分解溫度而製造樹脂複合材料為佳。此時，混練物的溫度容易上升者，係利用模頭14進行擠壓成形的部分，為了控制混練物的溫度，使之不超過該分解溫度，可於模頭14安裝溫度計。
儘管已如上述針對數個實施形態進行了說明，但在本實施形態中所得之樹脂複合材料可以配合各種目的加以成形，例如可廣泛適用於塑膠製品的替代品，亦即托盤等、汽車零件、汽車儀表板等內裝、飛機行李架、運輸用機器的結構構件、家電製品的外殼(housing)、卡片、碳粉容器等各種容器、建築材料、育苗盆、農業用片材、筆記工具、木製品的替代品、家用器具、吸管、杯子、玩具、體育用品、港灣用構件、建築構件、發電機用構件、工具、漁具、包裝材料、3D列印建模、棧板等的製造。當這些製品不再被需要時，雖會遭廢棄處分，但若混合之吸水性填充料係由天然材料製成，即使經過如焚化處理而排放出二氧化碳，其廢棄的部分也可以視為不會增加大氣中二氧化碳含量的對象來處理。
(實施例) 以下，將利用實施例及比較例，針對本實施形態之樹脂複合材料的製造裝置及製造方法進行詳細的說明。
＜吸水性填充料＞ 首先，針對作為原料的吸水性填充料，準備纖維素粉末(日本製紙製，KC Flock W50GK；平均粒徑45μm)。
(實施例 1) 使用圖4所示之樹脂複合材料的製造裝置30，以上述吸水性填充料與作為樹脂之聚丙烯(日本聚丙烯公司製，商品名：BC10HRF，熔融指數(MI)：100g/10min )為原料，一邊混合該等原料，一邊連續加熱混練，製造出樹脂複合材料。
此時，樹脂複合材料在如表1所示之複數條件下進行，對當時擠壓成形為條狀的樹脂複合材料的製造狀況(成條情形)以如下之基準進行評價後，其結果一併示於表1(實施例1-1~1-3)。 [評價基準] 〇：樹脂複合材料可製成條狀，可用條狀切割機製作顆粒； △：樹脂複合材料可製成條狀，但無法用條狀切割機製作顆粒； ×：樹脂複合材料無法製成條狀。
[表1]
  製造條件 結果
  吸水性填充料濃度 [質量%] 擠壓量 [kg/h] 螺桿 旋轉數 [rpm] 機筒 設定溫度 [°C] 混練物 溫度 [°C]   成條情形
實施例1-1 50 10.0 200 150 216 〇
實施例1-2 50 15.0 300 150 217 〇
實施例1-3 50 20.0 400 150 219 〇
又，表中的「混練物溫度」，係指以設於模頭14上的溫度計測定即將擠出前的混練物溫度所得之值。此外，樹脂複合材料的製造裝置30，係在雙軸混練擠壓機(日本製鋼所製，商品名：TEX30)中使用如圖2所示之排氣管130作為排氣部13，及模孔14a的L/D為2.0之模頭作為模頭14，並使用結合了如圖5所示之抽吸排氣裝置的裝置作為排氣部31。
(比較例1) 使用圖7所示之樹脂複合材料的製造裝置50，以上述吸水性填充料與作為樹脂之聚丙烯(普瑞曼聚合物公司製，商品名：J106G，熔融指數(MI)：15g/10min )為原料，一邊混合該等原料，一邊連續加熱混練，製造出樹脂複合材料。
此時，樹脂複合材料在如表2所示之複數條件下進行，對當時所擠壓成形為條狀的樹脂複合材料的製造狀況(成條情形)進行評價後，其結果一併示於表2(比較例1-1~1-3)。
又，此處所使用的樹脂複合材料的製造裝置50，包含樹脂供給部21、吸水性填充料供給部22(圖3A及圖3B所示之側進料供給裝置)、料管12、模頭14、旋轉驅動機構15及排氣口51。其雖與實施形態2所說明之樹脂複合材料的製造裝置具有相同的結構，但不具有排氣部(相當於圖3A及圖3B中之排氣部23的排氣部)、使用模孔14a的L/D為4.5之模頭作為模頭14、並在料管12的下游部具有排氣口51，除了這幾點的結構相異外，為其他部分都具有相同結構的製造裝置。又，排氣口51與真空幫浦連接。
[表2]
  製造條件 結果
  吸水性填充料濃度 [質量%] 擠壓量 [kg/h] 螺桿 旋轉數 [rpm] 機筒 設定溫度 [°C] 混練物 溫度 [°C]   成條情形
比較例1-1 10 5.0 150 180 203 ×
比較例1-2 30 5.0 150 180 210 ×
比較例1-3 50 5.0 150 180 － －
樹脂複合材料的製造狀況(成條情形)的評價基準與上文相同。又，在比較例1-3中，由於發生了進料瓶頸現象而無法供給原料，因此將混練物溫度及成條情形的評價標為「－」。
由以上結果來看，在實施例1中，並未有吸水性填充料附著在原料供給部的射料器上，或在擠壓裝置的投入口處形成栓塞之情形，原料供給量穩定。此外，由於上述不良情形消失，因此即使增加原料供給量，也可以進行穩定的擠壓成形，高效率地製造樹脂複合材料亦成為可能。而所得之成條情形亦為良好。
另一方面，在比較例1中，吸水性填充料附著在原料供給部的射料器上，或在原料供給部的投入口結塊，故原料供給量不穩定，無法進行穩定的擠壓成形。因此甚至無法考慮增加原料供給量。此外，由於原料供給量不穩定，成條情形亦不佳。
10,20,30,50:樹脂複合材料的製造裝置 11:原料供給部 11a,21a,22b:射料器 12,22a,310:料管 13,23,31:排氣部 130:排氣管 131:濾網 132:抽吸口 14:模頭 14a:模孔 14b:滯留部 15,22c,330:旋轉驅動機構 21:樹脂供給部 22:吸水填充料供給部 320:通氣部 340:軸密封部 51:排氣口 S2a,S2b:螺桿 D:直徑(模孔) L1:長度(模孔)
[圖1] 係實施形態1中樹脂複合材料的製造裝置之概略結構的側視圖。 [圖2] 係作為圖1中排氣部一構成例之能夠進行抽吸排氣的排氣管，其結構的示意圖。 [圖3A] 係實施形態2中樹脂複合材料的製造裝置結構的側視圖。 [圖3B] 係圖3A中樹脂複合材料的製造裝置結構的俯視圖。 [圖4] 係實施形態3中樹脂複合材料的製造裝置概略結構的側視圖。 [圖5] 係作為圖4中排氣部一構成例之抽吸排氣裝置的概略結構圖。 [圖6] 係模頭的局部放大圖。 [圖7] 係比較例中所使用的樹脂複合材料的製造裝置結構的側視圖。
無。
10:樹脂複合材料的製造裝置
11:原料供給部
11a:射料器
12:料管
13:排氣部
14:模頭
15:旋轉驅動機構

Claims (18)

  1. 一種樹脂複合材料的製造方法，包含以下步驟： (1a)將熱塑性樹脂與吸水性填充料從原料供給部供給至第一料管的步驟； (1b)在第一料管內將前述熱塑性樹脂熔融可塑化，並將熔融可塑化之前述熱塑性樹脂與前述吸水性填充料混練的步驟； (1c)將前述經混練所得之混練物通過前述第一料管內輸送的步驟；及 (1d)將前述經輸送之混練物，從設於前述第一料管的模頭中擠出，製造吸水性填充料/熱塑性樹脂複合材料的步驟， 其中，在前述(1b)步驟中，將由前述混練物產生的揮發性氣體從第一排氣部排氣到外部。
  2. 如請求項1所述之樹脂複合材料的製造方法，其中，前述第一排氣部設於前述第一料管中與前述原料供給部連接的部分。
  3. 一種樹脂複合材料的製造方法，包含以下步驟： (2a)將熱塑性樹脂從樹脂供給部供給至第一料管的步驟； (2b)將前述熱塑性樹脂熔融可塑化的步驟； (2c)將吸水性填充料從吸水性填充料供給部供給至前述第一料管內，並與熔融可塑化之前述熱塑性樹脂混練的步驟； (2d)將前述經混練所得之混練物通過前述第一料管內輸送的步驟；及 (2e)將前述經輸送之混練物，從設於前述第一料管的模頭中擠出，製造吸水性填充料/熱塑性樹脂複合材料的步驟， 其中，在前述(2c)步驟中，將由前述混練物產生的揮發性氣體從第一排氣部排氣到外部，該第一排氣部設於前述吸水性填充料供給部中與前述第一料管連接的部分。
  4. 如請求項1或3所述之樹脂複合材料的製造方法，其中，在前述(1b)步驟或(2c)步驟中，係以抽吸進行前述揮發性氣體的排氣。
  5. 如請求項1或3所述之樹脂複合材料的製造方法，其中，在前述(1c)步驟或(2d)步驟中，前述來自混練物的氣體成分與前述揮發性氣體之排氣係分別地排氣到外部。
  6. 如請求項5所述之樹脂複合材料的製造方法，其中，利用具有與前述第一料管的側面連接的第二料管的通氣裝置，一邊將前述混練物朝向前述第一料管的方向推擠，一邊將前述來自混練物的前述氣體成分排氣。
  7. 如請求項6所述之樹脂複合材料的製造方法，其中，以前述通氣裝置一邊抽吸前述來自混練物的氣體成分，一邊排氣。
  8. 如請求項1或3所述之樹脂複合材料的製造方法，其中，控制前述混練物的溫度，使之不超過前述吸水性填充料的分解溫度。
  9. 如請求項1或3所述之樹脂複合材料的製造方法，其中，前述模頭中，擠出前述混練物的模孔的長度L相對於直徑D之比(L/D)為5以下。
  10. 一種樹脂複合材料的製造裝置，包含： 第一料管； 原料供給部，將熱塑性樹脂及吸水性填充料供給至前述第一料管；及 模頭，用於將前述熱塑性樹脂及前述吸水性填充料的混練物擠壓成形， 其中，前述第一料管具有將由前述混練物產生的揮發性氣體排氣到外部的第一排氣部。
  11. 如請求項10所述之樹脂複合材料的製造裝置，其中，前述第一排氣部設於前述第一料管中與前述原料供給部連接的部分。
  12. 一種樹脂複合材料的製造裝置，包含： 第一料管； 樹脂供給部，將熱塑性樹脂供給至前述第一料管； 吸水性填充料供給部，將吸水性填充料供給至前述第一料管；及 模頭，用於將前述熱塑性樹脂及前述吸水性填充料的混練物擠壓成形， 其中，前述吸水性填充料供給部在與前述第一料管的連接部分，具有將由前述混練物產生的揮發性氣體排氣到外部的第一排氣部。
  13. 如請求項10或12所述之樹脂複合材料的製造裝置，其中，前述第一排氣部能夠抽吸前述揮發性氣體並進行排氣。
  14. 如請求項10或12所述之樹脂複合材料的製造裝置，其中，具有與前述揮發性氣體之排氣係分別排氣的第二排氣部，將前述來自混練物的氣體成分排氣到前述第一料管外部。
  15. 如請求項14所述之樹脂複合材料的製造裝置，其中，前述第二排氣部與通氣裝置連接，該通氣裝置具有能夠一邊將前述混練物朝向前述第一料管的方向推擠並一邊排氣的第二料管。
  16. 如請求項15前述之樹脂複合材料的製造裝置中，前述通氣裝置能夠抽吸前述來自混練物的氣體成分並進行排氣。
  17. 如請求項10或12所述之樹脂複合材料的製造裝置，其中，具有控制裝置，能夠控制前述混練物的溫度，使之不超過前述吸水性填充料的焙燒溫度。
  18. 如請求項10或12所述之樹脂複合材料的製造裝置，其中，前述模頭中，擠出前述混練物的模孔的長度L相對於直徑D之比(L/D)為5以下。
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