(57)【要約】  可塑化シリンダと、可塑化シリンダ内を回転及び進退自在に配設されたスクリュとを有し、高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとの間に、スクリュの回転状態に応じて高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとを連通及び遮断する下流側シール機構を有する熱可塑性樹脂成形体を製造するための混練装置。上記混練装置を用いることにより、高圧混練ゾーンにおいて高圧状態を維持しながら、長期に安定して熱可塑性樹脂を可塑化した溶融樹脂と高圧二酸化炭素を含む加圧流体とを接触混練することができる。
2012120637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可塑化シリンダと、前記可塑化シリンダ内を回転及び進退自在に配設されたスクリュとを備え、前記可塑化シリンダ内で、熱可塑性樹脂が可塑化された溶融樹脂と高圧二酸化炭素を含む加圧流体とを接触混練する高圧混練ゾーンと、樹脂内圧を減圧することにより、前記加圧流体が接触混練された溶融樹脂からガス化した二酸化炭素を分離する減圧ゾーンとが上流側からこの順に隣接して形成される混練装置であって、
前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとの間に、前記スクリュの回転状態に応じて前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとを連通及び遮断する下流側シール機構を備える混練装置。
【請求項２】
請求項１に記載の混練装置であって、
前記下流側シール機構は、前記スクリュの逆回転により、前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとを遮断する混練装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の混練装置であって、
前記下流側シール機構は、前記スクリュの正回転、前記スクリュの回転の停止、または前記スクリュの逆回転の回転数の低下のいずれかにより、前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとを連通する混練装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の混練装置であって、
前記下流側シール機構は、前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとの間に配置され、シール部を有する前記スクリュの縮径部と、前記スクリュの縮径部に軸方向で移動可能に外嵌し、前記シール部と当接する接触面を有するシールリングとを備えており、
前記スクリュの回転状態に応じて、前記縮径部のシール部と前記シールリングの接触面とが離間すると、前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとが連通し、前記縮径部のシール部と前記シールリングの接触面とが当接すると、前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとが遮断する混練装置。
【請求項５】
請求項４に記載の混練装置であって、
前記スクリュは、係止部を備え、前記シールリングは、前記スクリュの係止部と係合及び係脱する被係止部を備えており、
前記スクリュが所定回転数以上で逆回転している場合に、前記スクリュの係止部と前記シールリングの被係止部とが係合し、前記スクリュと前記シールリングとが共回りすることにより、前記縮径部のシール部と前記シールリングの接触面との当接状態が維持される混練装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の混練装置であって、
前記可塑化シリンダ内で、前記高圧混練ゾーンの上流側に隣接して、前記熱可塑性樹脂を可塑化して溶融樹脂とする可塑化ゾーンが形成され、
前記可塑化ゾーンと前記高圧混練ゾーンとの間に、前記スクリュの回転状態に応じて前記可塑化ゾーンと前記高圧混練ゾーンとを連通及び遮断する上流側シール機構を備える混練装置。
【請求項７】
請求項１に記載の混練装置を用いる熱可塑性樹脂成形体の製造方法であって、
前記下流側シール機構で前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとを遮断し、高圧下、前記溶融樹脂と前記加圧流体とを接触混練する混練工程と、
前記下流側シール機構で前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとを連通させ、前記加圧流体が接触混練された溶融樹脂の樹脂内圧を低下させて、前記加圧流体が接触混練された溶融樹脂からガス化した二酸化炭素を分離する分離工程とを有する、熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の熱可塑性樹脂成形体の製造方法であって、
前記高圧混練ゾーンに前記溶融樹脂を滞留させた状態で、前記混練工程及び前記分離工程を複数回繰り返す熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
【請求項９】
請求項７または８に記載の熱可塑性樹脂成形体の製造方法であって、
前記加圧流体は、機能性材料を含む、熱可塑性樹脂成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧二酸化炭素を含む加圧流体を用いて熱可塑性樹脂成形体を製造するための混練装置、及びその混練装置を用いた熱可塑性樹脂成形体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超臨界二酸化炭素などの高圧二酸化炭素を用いた射出成形法や押出成形法が各種検討されている。このような成形法は、非常に高圧の流体が溶融樹脂に導入されるため、種々の機能を有する成形体を製造することができる。例えば、非相溶系のポリマー同士を相溶させるために、溶融樹脂と高圧二酸化炭素とを可塑化シリンダ内で接触混練するポリマーアロイの射出成形法や押出成形法が提案されている（特開２００３−９４４７７号公報や成形加工学会第１７回秋季大会予稿集，２２７（２００９））。これらの成形法においては、可塑化シリンダ内に内蔵されたスクリュを備える混練装置により、溶融樹脂と高圧二酸化炭素とが接触混練されている。また、熱可塑性樹脂から難揮発成分を除去するために、ベント部を有する押出機の途中で、溶融樹脂に超臨界二酸化炭素を導入する成形法が提案されている（特開平１１−２９２９２１号公報）。さらに、可塑化シリンダから金型内に熱可塑性樹脂の溶融樹脂を射出充填し、次いで、該金型内に、超臨界二酸化炭素及び有機金属錯体などの機能性材料を含む加圧流体を導入することにより、機能性材料を表面に分散させた熱可塑性樹脂成形体を製造する射出成形法が提案されている（特許第３９６４４７号公報）。【０００３】
ところで、高圧二酸化炭素の樹脂に対する溶解度は低く、それゆえ上記のような溶融樹脂と加圧流体とを単発的に接触させる工程を有する成形法では、多量の高圧二酸化炭素と溶融樹脂とを接触混練することが難しい。そのため、高圧二酸化炭素とともに機能性材料を用いた場合も、溶融樹脂に機能性材料が高濃度で導入され難い。かかる観点から、可塑化シリンダの上部側面に加圧流体を導入する導入口を設けるとともに、導入口よりも下流側にベント口を設けた混練装置を用い、可塑化シリンダ内で溶融樹脂と高圧二酸化炭素及び機能性材料を含む加圧流体とを接触混練した後、金型への射出充填前に、溶融樹脂の樹脂内圧を低下させて、ガス化させた二酸化炭素のみを溶融樹脂から分離し、ベント口から二酸化炭素を排気する成形体の製造方法が提案されている（特開２００９−２９８８３８号公報）。この成形法によれば、溶融樹脂における高圧二酸化炭素の濃度を制御しつつ、溶融樹脂に導入される機能性材料の濃度を向上させることができる。【０００４】
しかしながら、特開２００９−２９８８３８号公報に記載されているような混練装置では、溶融樹脂と高圧二酸化炭素を含む加圧流体とを接触混練する高圧混練ゾーンと、溶融樹脂の樹脂内圧を低下させて、加圧流体と接触混練した溶融樹脂からガス化した二酸化炭素を分離する減圧ゾーンとは、溶融樹脂自体によってシールされる。そのため、接触混練時においても、高圧混練ゾーンからガス化した二酸化炭素が減圧ゾーンを介して可塑化シリンダ外へ排気されやすくなり、高圧混練ゾーンにおける樹脂内圧の低下を招きやすい。その結果、溶融樹脂と加圧流体とを高圧状態を維持したまま接触混練することが困難となり、また接触混練時に高圧混練ゾーンにおける加圧流体から高圧二酸化炭素が容易に気化してしまうという問題がある。【０００５】
上記観点から、可塑化シリンダと、可塑化シリンダ内を回転及び進退自在に配設されたスクリュとを備える混練装置において、可塑化シリンダ内を、溶融樹脂と加圧流体とを接触混練する第１のエリアと、ガス化した二酸化炭素を排気する第２のエリアとに分離するために、スクリュに第１のエリアと第２のエリアとを貫通する貫通孔を穿設し、該貫通孔にバネによって開閉するポペット弁を配設した混練装置が提案されている（特開２０１０−２５３７０３号公報）。かかる混練装置によれば、第１のエリアの溶融樹脂の圧力がバネの押圧力を超えると、ポペット弁が開いて、第１のエリアの溶融樹脂が第２のエリアに流動するため、可塑化シリンダ内の任意のエリアの溶融樹脂を所望の圧力で維持することができる。【０００６】
しかしながら、上記のようなバネによる圧力制御で開閉するポペット弁をシール機構として有する混練装置では、第１のエリアの樹脂内圧がバネ圧を超えないと溶融樹脂がポペット弁を通過しない。そのため、第１のエリアでは、加圧流体を導入する前でもバネ圧によって溶融樹脂が流動抵抗を受けることとなる。そして、加圧流体の溶融樹脂への分散性を考慮すれば、接触混練時にできるだけ高圧状態を維持することが望まれるため、上記の混練装置を用いる場合、第１のエリア内が加圧流体の導入前の圧力に加圧流体の圧力を加えた圧力となっても所定の接触混練の間はポペット弁が開弁しないよう高いバネ圧を有するポペット弁を使用する必要がある。その結果、上記混練装置では、可塑化時にバネ圧によって可塑化能力が低下するだけでなく、接触混練時でも第１のエリアの溶融樹脂の樹脂内圧が高いバネ圧を超えなければ、第１のエリアと第２のエリアとが連通しないため、可塑化能力が低下しやすい。それゆえ、高い粘性を有する樹脂を使用する場合、可塑化計量が不安定になりやすい。また、上記混練装置では、加熱された溶融樹脂がスクリュ内に設けた貫通孔を通過するため、長期の成形機の使用により貫通孔内に配設されたバネが溶融樹脂の熱で劣化し、バネ定数が変化しやすい。その結果、長期に渡って高圧混練ゾーンの圧力を一定に維持することが困難であり、工業生産において安定して成形を行うことができないという問題がある。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、高圧二酸化炭素を含む加圧流体を可塑化シリンダに導入し、可塑化シリンダ内で熱可塑性樹脂を可塑化した溶融樹脂と加圧流体とを接触混練して熱可塑性樹脂成形体を製造する場合に、高い可塑化能力を有するとともに、長期に渡って安定に熱可塑性樹脂成形体を製造することができる混練装置、及び該混練装置を用いた熱可塑性樹脂成形体の製造方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の一局面は、可塑化シリンダと、前記可塑化シリンダ内を回転及び進退自在に配設されたスクリュとを備え、前記可塑化シリンダ内で、熱可塑性樹脂が可塑化された溶融樹脂と高圧二酸化炭素を含む加圧流体とを接触混練する高圧混練ゾーンと、樹脂内圧を減圧することにより、前記加圧流体が接触混練された溶融樹脂からガス化した二酸化炭素を分離する減圧ゾーンとが上流側からこの順に隣接して形成される混練装置であって、
前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとの間に、前記スクリュの回転状態に応じて前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとを連通及び遮断する下流側シール機構を備える。
【０００９】
また、本発明の他の局面は、上記に記載の混練装置を用いた熱可塑性樹脂成形体の製造方法であって、
前記下流側シール機構で前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとを遮断し、高圧下、前記溶融樹脂と前記加圧流体とを接触混練する混練工程と、
前記下流側シール機構で前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとを連通させ、前記加圧流体が接触混練された溶融樹脂の樹脂内圧を低下させて、前記加圧流体が接触混練された溶融樹脂からガス化した二酸化炭素を分離する分離工程とを有する。
【００１０】
本発明の目的、特徴、局面、及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る混練装置の一例を示す要部概略断面図であり、高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとが連通している状態を示す。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る混練装置の一例を示す要部概略断面図であり、高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとが遮断している状態を示す。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る混練装置のシール機構の一例を示す概略斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る混練装置のシール機構の一例を示す要部概略拡大断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る混練装置のシール機構の他の一例を示す要部概略拡大断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る成形機の一例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る混練装置及び該混練装置を用いた熱可塑性樹脂成形体の製造方法について説明する。
【００１３】
図１及び図２は、本発明の実施の形態に係る混練装置の一例を示す要部概略断面図であり、図１は、高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとが連通している状態を、図２は、高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとが遮断している状態を示す。また、図３は、図１及び図２におけるシール機構を示す概略斜視図である。
【００１４】
混練装置２００は、可塑化シリンダ２１０と、可塑化シリンダ２１０内に回転及び進退自在に配設されたスクリュ２０とを備えている。また、図示しないが、可塑化シリンダ２１０の上流側の後端部には、スクリュ２０を回転させる回転モータなどの回転駆動手段と、スクリュ２０を前後進させるためのボールネジ及びそれを駆動させるモータなどの移動手段とが接続されており、下流側の先端部には、溶融樹脂を射出するノズル部が接続されている。なお、図１及び図２に示すように、本実施の形態の混練装置２００は、従来公知の混練装置の構成と同様に、可塑化シリンダ２１０の後方側から見た場合に、スクリュ２０を反時計回りに回転させると溶融樹脂を前方（ノズル部側）に送る正回転をし、時計回りに回転させると逆回転するように構成されている。
【００１５】
可塑化シリンダ２１０の上部側面には、上流側から順に、熱可塑性樹脂を可塑化シリンダ２１０に供給するための樹脂供給口２０１、高圧二酸化炭素を含む加圧流体を可塑化シリンダ２１０内に導入するための導入口２０２、及び可塑化シリンダ２１０内からガス化した二酸化炭素を排気するためのベント口２０３が形成されている。後述するように、これらの樹脂供給口２０１、及び導入口２０２にはそれぞれ、樹脂供給用ホッパ２１１、及び導入バルブ２１２が配設されており、ベント口２０３には、バッファ容器２１９を介して真空ポンプ２２０が接続されている。また、可塑化シリンダ２１０の外壁面には、バンドヒータ（図示せず）が配設されており、これにより可塑化シリンダ２１０が加熱されて、熱可塑性樹脂が可塑化される。さらに、可塑化シリンダ２１０の下部側面の導入口２０２と対向する位置及びベント口２０３に対向する位置にはそれぞれ、図示しない圧力計及び温度センサが設けられている。
【００１６】
従って、本実施の形態の混練装置２００では、スクリュ２０が正回転することにより、樹脂供給口２０１から可塑化シリンダ２１０内に熱可塑性樹脂が供給され、熱可塑性樹脂がバンドヒータによって可塑化されて溶融樹脂となり、前方に送られる。そして、導入口２０２近傍まで送られた溶融樹脂は導入された加圧流体と高圧下、接触混練される。次いで、加圧流体と接触混練された溶融樹脂の樹脂内圧を低下させることにより、ガス化した二酸化炭素が溶融樹脂から分離し、ベント口２０３からこのガス化した二酸化炭素が排気される。そして、さらに前方に送られた溶融樹脂はスクリュ２０の先端部に押し出され、溶融樹脂の圧力がスクリュ２０に対する反力となり、該反力でスクリュ２０が後退することにより計量が行われる。これにより、可塑化シリンダ２１０内では、上流側から順に、熱可塑性樹脂を可塑化して溶融樹脂とする可塑化ゾーン２１、溶融樹脂と導入口２０２から導入される加圧流体とを高圧下、接触混練する高圧混練ゾーン２２、及び加圧流体と接触混練した溶融樹脂の樹脂内圧を低下させることにより、溶融樹脂から分離された二酸化炭素をベント口２０３から排気する減圧ゾーン２３が形成される。なお、溶融樹脂と加圧流体との接触混練を効率的に行うため、可塑化シリンダ２１０に導入口２０２及びベント口２０３をそれぞれ複数設け、可塑化シリンダ２１０内に高圧混練ゾーン２２及び減圧ゾーン２３がそれぞれ複数形成されてもよい。
【００１７】
図１及び２に示すように、上記可塑化ゾーン２１、高圧混練ゾーン２２、及び減圧ゾーン２３の間にはそれぞれ、これらのゾーン２１，２２，２３をスクリュ２０の回転状態に応じて連通及び遮断する上流側シール機構Ｓ１及び下流側シール機構Ｓ２が配設されている。これにより、加圧流体を高圧混練ゾーン２２に導入した際に、スクリュ２０の回転状態に応じて機械的に高圧混練ゾーン２２の上流側及び下流側がシールされるから、確実に高圧混練ゾーン２２と隣接するゾーン２１，２３とを遮断できる。また、本実施の形態のシール機構Ｓ１，Ｓ２によれば、圧力制御によらず、スクリュ２０の回転状態に応じて高圧混練ゾーン２２と隣接するゾーン２１，２３とを連通及び遮断できるから、溶融樹脂の流動抵抗が小さい。さらに、スクリュ２０の回転状態に応じて高圧混練ゾーン２２を隣接するゾーン２１，２３からシールできるから、任意のタイミングで高圧混練ゾーン２２の圧力を維持できる。それゆえ、高い粘性を有する樹脂を接触混練しても、高い可塑化能力を維持することができる。そして、このようなスクリュ２０の回転状態に応じてシール性能を発揮する機械的なシール機構Ｓ１，Ｓ２を用いれば、高温の溶融樹脂がシール機構Ｓ１，Ｓ２を通過しても、シール性能の劣化が少ないため、成形機を長期間稼動させた後でも、高圧混練ゾーン２２の圧力の変化が少なく、それゆえ長期に安定して熱可塑性樹脂成形体を製造することができる。また、これらのシール機構Ｓ１，Ｓ２はスクリュ２０の回転状態に応じて高圧混練ゾーン２２と隣接するゾーン２１，２３とを連通及び遮断するから、例えば、スクリュ２０の正回転及び逆回転を任意のタイミングで行えば、高圧混練ゾーン２２に溶融樹脂を滞留させた状態で、加圧流体と接触混練した溶融樹脂の樹脂内圧を低下させて、溶融樹脂からガス化した二酸化炭素を分離することができる。その結果、溶融樹脂を前方に送ることなく、高圧二酸化炭素の濃度の低くなった溶融樹脂と加圧流体とを繰り返し接触混練することができる。また、機能性材料を含む加圧流体を用いる場合、高濃度で機能性材料を分散させた成形体を製造することができる。
【００１８】
本実施の形態の混練装置２００において、上記スクリュ２０の回転状態に応じて高圧混練ゾーン２２と隣接する他のゾーン２１，２３とを連通及び遮断するシール機構は、少なくとも高圧混練ゾーン２２の下流側に設けられていることが好ましく、高圧混練ゾーン２２の上流側及び下流側の両方に設けられていることがより好ましい。すなわち、図１及び図２から理解されるように、高圧混練ゾーン２２への加圧流体の導入により、高圧混練ゾーン２２の上流側においては、高圧の加圧流体が可塑化ゾーン２１と高圧混練ゾーン２２とを遮断するように上流側シール機構Ｓ１に働くのに対し、高圧混練ゾーン２２の下流側においては、加圧流体及び上流側から流動する溶融樹脂が高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを連通させるように下流側シール機構Ｓ２に働く。また、高圧混練ゾーン２２の上流側には通常、溶融樹脂が充填されているため、加圧流体が漏洩し難い。従って、高圧混練ゾーン２２の上流側には低いバネ圧を有する逆流防止弁などの簡便なシール機構を配設し、少なくとも高圧混練ゾーン２２の下流側にスクリュ２０の回転状態に応じて高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを連通及び遮断する下流側シール機構Ｓ２を配設すれば、シール性の低下しやすい高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを確実に遮断でき、接触混練時に高圧混練ゾーン２２の高圧状態を維持することができる。なお、本実施の形態において、上流側シール機構Ｓ１と下流側シール機構Ｓ２とは基本的に同一の構成を有するものが用いられているため、以下では、下流側シール機構Ｓ２について主として説明する。
【００１９】
本実施の形態のスクリュ２０は、図１〜図３に示すように、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３との境界領域において、この境界領域と隣接する領域に比べて縮径された縮径部５０を有している。また、縮径部５０には、縮径部５０の範囲で軸方向（前後方向）に移動可能となるように遊嵌状態で下流側シールリング６０が外嵌している。これら縮径部５０と下流側シールリング６０とで、下流側シール機構Ｓ２が構成されている。なお、上流側及び下流側シールリング４０，６０を縮径部３０，５０に外嵌させるために、スクリュ２０は、上流側から順に、第１スクリュ部２０ａ、第２スクリュ部２０ｂ、及び第３スクリュ部２０ｃに分割されており、これらが縮径部３０，５０で図示しない螺子によって螺止めされている。
【００２０】
高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３との間に配置される縮径部５０は、上流側の第２スクリュ部２０ｂから連接し、前方に向かって傾斜するテーパ面を有する円錐台部（シール部）５１と、円錐台部５１から連接し、軸方向に水平に延びる水平面を有する円筒部５２とで構成されている。また、下流側の第３スクリュ部２０ｃの端面５４には、下流側シールリング６０を回り止めするための係止部として突起部５４ａが周方向に所定間隔で複数箇所形成されている。なお、縮径部５０の構造は、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを連通及び遮断できるものであれば特に限定されない。例えば、縮径部５０は直径の異なる円筒部が連接された構造を有していてもよいし、円錐台部５１が下流側に配設された構造を有していてもよい。
【００２１】
図３に示すように、下流側シールリング６０は、スクリュ２０の縮径部５０を外嵌するように貫通孔６１を有している。また、図１及び図２に示すように、該貫通孔６１は、上流側に、前方に向かって縮径するテーパ面（接触面）を有するテーパ部６２と、テーパ部６２から前方に向かって水平に延在する環状部６３とが連接されて構成されている。このテーパ部６２のテーパ面は円錐台部５１のテーパ面の少なくとも一部と密着状態で当接するように形成されている。なお、貫通孔６１の構造は、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを連通及び遮断できるものであれば特に限定されない。例えば、貫通孔６１は内径の異なる環状部が複数形成された構造を有していてもよいし、テーパ部６２が下流側に配設された構造を有していてもよい。さらに、下流側シールリング６０がスクリュ２０の縮径部５０の範囲で軸方向に移動可能なように、貫通孔６１の環状部６３の内径は上記縮径部５０の円筒部５２の直径よりも大きく形成されている。そして、下流側シールリング６０の下流側リング面６６には、被係止部として、下流側から見たときに、時計方向に深くなるように傾斜する切欠き６７が周方向に複数箇所形成されている。これにより、下流側シールリング６０は、スクリュ２０の回転状態に応じて、スクリュ２０に対し切欠き６７の深さの範囲で軸方向に移動し、突起部５４ａが切欠き６７と係合すると、スクリュ２０に対して下流側シールリング６０はそれ以上の軸方向の移動が規制される。
【００２２】
従って、スクリュ２０に対して下流側シールリング６０が下流側に移動すると、円錐台部５１のテーパ面とテーパ部６２のテーパ面とが離間して、溶融樹脂及び高圧二酸化炭素の湯道となる隙間Ｇが下流側シールリング６０の内周面とスクリュ２０の縮径部５０の外周面との間で開口する。一方、スクリュ２０に対して下流側シールリング６０が上流側に移動すると、円錐台部５１のテーパ面とテーパ部６２のテーパ面とが当接して、下流側シールリング６０の内周面とスクリュ２０の縮径部５０の外周面との間の隙間Ｇが閉口する。そして、下流側シールリング６０が上流側に移動して、突起部５４ａと切欠き６７とが係合すると、下流側シールリング６０の移動が規制されるから、下流側シールリング６０がスクリュ２０と共回りする。これにより、接触混練の間、円錐台部５１のテーパ面とテーパ部６２のテーパ面との当接状態が維持され、確実に高圧混練ゾーン２２をシールすることができる。ただし、可塑化ゾーン２１と高圧混練ゾーン２２、及び高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とが連通する場合、円錐台部３１，５１のテーパ面とテーパ部４２，６２のテーパ面とが離間した状態となり、隙間Ｇには上流側から溶融樹脂あるいはさらに加圧流体が進入してくる。従って、上流側及び下流側シールリング４０，６０が下流側に移動した場合、上流側及び下流側シールリング４０，６０がスクリュ２０と共回りしなくても、円錐台部３１，５１のテーパ面とテーパ部４２，６２のテーパ面とが当接し難いため、高圧混練ゾーン２２と、隣接するゾーン２１，２３との連通状態を維持することができる。なお、スクリュ２０、並びに上流側及び下流側シールリング４０，６０にそれぞれ設けられる係止部及び被係止部は、これらが係合したときに、上流側及び下流側シールリング４０，６０が回り止め状態でスクリュ２０と共回りできる構造であれば任意の構造を採用することができる。例えば、係止部あるいは被係止部としてピンが用いられてもよい。また、円錐台部５１やテーパ部６２の構造に合せて、係止部を第２スクリュ部２０ｂの下流側に、非係止部を下流側シールリング６０の上流側に設けてもよい。
【００２３】
下流側シールリング６０の外周面には、下流側シールリング６０の外周面から突出するように金属製の外側シール部材７０が嵌合している。これにより、下流側シールリング６０と可塑化シリンダ２１０との間のシール性が確保される。なお、樹脂製の外側シール部材が用いられてもよい。また、本実施の形態の下流側シールリング６０では、図４に示すように、上流側リング面６４の外径が対向する上流側の第２スクリュ部２０ｂの直径よりも大きく形成されている。そのため、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを遮断すると、下流側シールリング６０は、上流側において、第２スクリュ部２０ｂから径方向で若干突出する態様で配置される。しかしながら、図５に示すように、上流側リング面６４の外径は対向する上流側の第２スクリュ部２０ｂの直径と略同一あるいはそれより小さく形成されていてもよい。すなわち、高圧混練ゾーン２２では導入口２０２から高圧の加圧流体が導入されるため、上流側リング面６４の外径が対向する上流側の第２スクリュ部２０ｂの直径よりも大きければ、スクリュ２０から突出した上流側リング面６４が加圧流体による圧力で前方に押され、それによってスクリュ２０を正回転させることなく、スクリュ２０の回転の停止あるいは逆回転の回転数を低下させることにより、直ちに高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを連通させることができる。一方、上流側リング面６４の外径が対向する上流側の第２スクリュ部２０ｂの直径と略同一あるいはそれより小さければ、加圧流体による圧力が上流側リング面６４に付与されないから、接触混練時に、より確実に高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを遮断することができる。
【００２４】
なお、上流側シール機構Ｓ１の構成は、上記下流側シール機構Ｓ２のそれと同様であり、図１及び図２に示すように、可塑化ゾーン２１と高圧混練ゾーン２２との間に、円錐台部（シール部）３１を有する縮径部３０が配設されており、第２スクリュ部２０ｂの上流側の端面３４には突起部３４ａが設けられている。また、縮径部３０には、上流側シールリング４０が縮径部３０の範囲で軸方向（前後方向）に移動可能なように遊嵌状態で外嵌している。さらに、上流側シールリング４０の貫通孔には、テーパ面（接触面）を有するテーパ部４２と、円筒部３２の直径よりも大径の環状部４３とが形成されている。そして、上流側シールリング４０の下流側リング面４６には、第２スクリュ部２０ｂの端面３４に設けられた突起部３４ａと係合する切欠き４７が周方向に複数箇所形成されている。これにより、下流側シール機構Ｓ２と同様に、スクリュ２０に対して上流側シールリング４０が下流側に移動すると、円錐台部３１のテーパ面とテーパ部４２のテーパ面とが離間して、上流側シールリング４０の内周面と縮径部３０の外周面との間の隙間Ｇが開口する。一方、スクリュ２０に対して上流側シールリング４０が上流側に移動すると、円錐台部３１のテーパ面とテーパ部４２のテーパ面とが当接して、上流側シールリング４０の内周面と縮径部３０の外周面との間の隙間Ｇが閉口する。そして、突起部３４ａが切欠き４７と係合すると、上流側シールリング４０がスクリュ２０と共回りする。
【００２５】
次に、上記シール機構Ｓ１，Ｓ２の動作について混練装置２００で行われる工程に従って説明する。図１に示すように、スクリュ２０を正回転（反時計回り）させると、上流側及び下流側シールリング４０，６０はそれぞれ縮径部３０，５０の範囲を下流側に移動する。これにより、円錐台部３１のテーパ面とテーパ部４２のテーパ面とが離間して、上流側シールリング４０の内周面とスクリュ２０の縮径部３０の外周面との間の隙間Ｇが開口し、可塑化ゾーン２１及び高圧混練ゾーン２２が連通する。そして、突起部３４ａと切欠き４７とが係合すると、上流側シールリング４０がスクリュ２０と共回りする。これにより、可塑化ゾーン２１と高圧混練ゾーン２２との連通状態が維持されるため、可塑化ゾーン２１から高圧混練ゾーン２２に円滑に溶融樹脂を送ることができる。
【００２６】
一定量の溶融樹脂が高圧混練ゾーン２２に送られると、図２に示すように、回転駆動手段によりスクリュ２０を所定回転数以上で逆回転（時計回り）させる。すると、スクリュ２０の逆回転に伴って上流側及び下流側シールリング４０，６０が上流側に移動するため、円錐台部３１，５１のテーパ面とテーパ部４２，６２のテーパ面とが当接し、上流側及び下流側シールリング４０，６０の内周面と縮径部３０，５０の外周面との間に形成されていた隙間Ｇが閉口する。そして、スクリュ２０の突起部３４ａ，５４ａと、上流側及び下流側シールリング４０，６０の切欠き４７，６７とが係合すると、上流側及び下流側シールリング４０，６０がスクリュ２０と共回りする。これにより、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３との遮断状態が維持されるから、高圧の加圧流体を高圧混練ゾーン２２へ導入しても、溶融樹脂及び加圧流体の高圧混練ゾーン２２から隣接するゾーン２１，２３への流動が防止され、高圧下で、溶融樹脂と加圧流体とを接触混練することができる。
【００２７】
高圧混練ゾーン２２と隣接するゾーン２１，２３とを上流側及び下流側シール機構Ｓ１，Ｓ２でシールして、溶融樹脂を加圧流体と接触混練させると、次いで、溶融樹脂の樹脂内圧を低下させるために、再度、回転駆動手段によりスクリュ２０を正回転させる。すると、突起部３４ａ，５４ａと、切欠き４７，６７とが係脱し、スクリュ２０の正回転に伴って上流側及び下流側シールリング４０，６０が下流側に移動するため、円錐台部３１，５１のテーパ面とテーパ部４２，６２のテーパ面とが離間し、上流側及び下流側シールリング４０，６０の内周面と縮径部３０，５０の外周面との間の隙間Ｇが開口する。これにより、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とが連通し、溶融樹脂の樹脂内圧が低下するため、溶融樹脂からガス化した二酸化炭素が分離して、減圧ゾーン２３に設けられたベント口２０３からガス化した二酸化炭素を排気することができる。なお、既述したように、高圧混練ゾーン２２で溶融樹脂と加圧流体とを接触混練した後では、下流側シールリング６０は溶融樹脂及び加圧流体の圧力を受けているため、スクリュ２０の回転の停止あるいはスクリュ２０の逆回転の回転数の低下によっても、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを連通させることができる。
【００２８】
次に、本実施の形態の混練装置２００を用いた熱可塑性樹脂成形体の製造方法について具体的に説明する。
【００２９】
本実施の形態の熱可塑性樹脂成形体の製造方法においては、熱可塑性樹脂を可塑化シリンダ２１０に供給し、スクリュ２０を回転させることにより、可塑化ゾーン２１で熱可塑性樹脂を可塑化して溶融樹脂とする可塑化工程がまず行われる。
【００３０】
熱可塑性樹脂としては、目的とする樹脂成形体の種類に応じて種々の樹脂を使用することができる。具体的には、例えば、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、ポリカーボネート、アモルファスポリオレフィン、ポリエーテルイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ＡＢＳ系樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミドイミド、ポリ乳酸、ポリカプロラクトンなどの熱可塑性樹脂、及びこれらの複合材料を用いることができる。また、これらの熱可塑性樹脂にガラス繊維、タルク、カーボン繊維などの各種無機フィラーを混練したものを用いることもできる。
【００３１】
次に、高圧混練ゾーン２２で、溶融樹脂と、高圧二酸化炭素を含む加圧流体とを接触混練する混練工程が行われる。本実施の形態の混練装置２００では、高圧混練ゾーン２２と隣接するゾーン２１，２３とが上流側及び下流側シール機構Ｓ１，Ｓ２により遮断された状態で、溶融樹脂と加圧流体とを接触混練することができるため、高圧混練ゾーン２２からの加圧流体の漏洩が抑えられ、高圧状態を維持したまま加圧流体を溶融樹脂に導入することができる。なお、接触混練時の高圧混練ゾーン２２の圧力及び温度は、使用する熱可塑樹脂や加圧流体の種類に応じ、加圧流体が溶融樹脂に良好に分散される範囲で適宜選択することができる。
【００３２】
高圧二酸化炭素としては、液体状態、ガス状態、または超臨界状態の高圧二酸化炭素を用いることができる。これらの高圧二酸化炭素は、人体に無害であり、また溶融樹脂への拡散性に優れ、しかも溶融樹脂から容易に除去可能な、可塑剤、溶媒あるいは相溶化剤として機能する。高圧二酸化炭素の圧力、及び温度は、その目的に応じて適宜選択することができる。例えば、高圧二酸化炭素を可塑剤や相溶化剤として用いる場合、高圧二酸化炭素が低密度となる３〜５ＭＰａの圧力のものを使用することができる。また、機能性材料を利用する場合には、加圧流体中の機能性材料の濃度を高めるために高密度を有する高圧二酸化炭素が好ましく使用される。例えば、機能性材料を用いる場合、圧力を４ＭＰａ以上、好ましくは５〜２５ＭＰａとし、温度を０℃以上、好ましくは５〜１００℃として、０．６ｇ／ｃｍ３以上の密度を有する高圧二酸化炭素が好ましく用いられる。
【００３３】
加圧流体は、機能性材料を含有してもよい。機能性材料としては、高圧二酸化炭素に分散でき、得られる成形体に所期の機能を付与できるものであれば特に制限されることなく使用することができる。このような機能性材料としては、具体的には、例えば、各種樹脂のアロイ化を促進させるための相溶化剤、界面活性剤、有機金属錯体、金属アルコキシド、染料、ナノカーボンなどが挙げられる。また、高圧二酸化炭素はそれ自身、低圧でも溶融樹脂に対する可塑剤として機能するが、可塑化効果を促進させるためにアルコールなどの各種溶媒や可塑剤を使用してもよい。機能性材料を用いる場合、加圧流体中の機能性材料の濃度は、使用する機能性材料の種類、目的とする成形体の機能を考慮して適宜選択することができ、特に制限されないが、溶融樹脂への浸透性や加圧流体中の機能性材料の凝集を考慮すれば、好ましくは飽和濃度以下である。
【００３４】
加圧流体は、さらに溶媒を含有してもよい。例えば、水を、高圧二酸化炭素及び水溶性の界面活性剤とともに使用することにより、乳濁液（エマルジョン）として得られる加圧流体を用いることができる。高圧二酸化炭素に溶解する材料は限られているので、このような溶媒を用いることにより、水溶性の材料を、二酸化炭素が持つ樹脂に対する拡散性や相溶性を利用して溶融樹脂に導入することができる。また、水のみを溶融樹脂と接触混練すると、成形体に水分が残留して加水分解などの悪影響が懸念されるが、高圧二酸化炭素とのエマルジョンとして水を溶融樹脂に導入した場合、速やかに二酸化炭素とともに水を溶融樹脂から分離でき、上記のような悪影響を防止できる。さらに、機能性材料を用いる場合、加圧流体は機能性材料を溶解する溶媒を含有してもよい。例えば、有機金属錯体を使用する場合、加圧流体中の有機金属錯体の濃度を高めるため、パーフルオロペンチルアミンなどのフッ素系有機溶媒を用いてもよい。
【００３５】
高圧二酸化炭素を含む加圧流体を調製する方法としては、特に限定されず、従来公知の方法を使用することができる。例えば、シリンジポンプなどの加圧手段により液体二酸化炭素を加圧することにより加圧流体を調製できる。また、高圧二酸化炭素及び機能性材料を含む加圧流体を調製する場合、高圧二酸化炭素と機能性材料とを混合撹拌することによって加圧流体を調製できる。さらに、機能性材料を溶媒に溶解させた溶液を用いる場合、高圧二酸化炭素と、加圧手段により所定圧力まで加圧した溶液とを混合することによって加圧流体を調製できる。
【００３６】
加圧流体を高圧混練ゾーン２２に導入する方法は任意の方法を使用することができる。例えば、加圧流体は、高圧混練ゾーン２２に間欠的に導入されてもよいし、連続的に導入されてもよい。また、加圧流体の導入は、安定な送液が行えるシリンジポンプを利用し、導入量を制御することが好ましい。シリンジポンプを用いて加圧流体を導入する場合、高密度でも安定な液体状態の高圧二酸化炭素が好ましく使用される。
【００３７】
次に、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを連通させ、加圧流体と接触混練させた溶融樹脂の樹脂内圧を低下させることにより、溶融樹脂からガス化した二酸化炭素を分離する分離工程が行われる。本実施の形態では、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とをスクリュ２０の回転状態に応じて連通させるシール機構Ｓ２が用いられているから、高圧混練ゾーン２２の圧力に依存せず、速やかに溶融樹脂に導入した加圧流体中の高圧二酸化炭素をガス化でき、ガス化した二酸化炭素を可塑化シリンダ２１０外に排気することができる。減圧ゾーン２３の圧力は、高圧混練ゾーン２２の圧力よりも低ければ、樹脂内圧が低減されるため、特に制限されない。なお、ガス化した二酸化炭素を効率的に排気するために、真空ポンプを用いてもよい。
【００３８】
また、溶融樹脂からガス化した二酸化炭素を分離するにあたっては、溶融樹脂を減圧ゾーン２３に送りながら二酸化炭素を分離してもよいし、溶融樹脂を高圧混練ゾーン２２に滞留させた状態で、二酸化炭素を分離してもよい。すなわち、本実施の形態の混練装置２００では、スクリュ２０の回転状態に応じて高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを連通及び遮断する下流側シール機構Ｓ２が設けられているから、溶融樹脂が減圧ゾーン２３に送られなくても、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを連通させれば、高圧混練ゾーン２２に溶融樹脂を滞留させた状態で、該溶融樹脂の樹脂内圧を低下でき、それによって高圧混練ゾーン２２の高圧二酸化炭素の一部がガス化し、ガス化した二酸化炭素を減圧ゾーン２３から排気することができる。例えば、スクリュ２０を逆回転させて溶融樹脂が前方に送られない状態でスクリュ２０の回転数を制御し、円錐台部５１のテーパ面とテーパ部６２のテーパ面とを離間させることにより、隙間Ｇを僅かに開口させればよい。これにより、高圧二酸化炭素の濃度の低くなった高圧混練ゾーン２２の溶融樹脂に再度、加圧流体を接触させて、加圧流体を溶融樹脂にさらに導入することができる。しかも、高圧混練ゾーン２２の圧力が可塑化ゾーン２１における樹脂内圧よりも高い場合、上流側シール機構Ｓ１が可塑化ゾーン２１と高圧混練ゾーン２２とを遮断する方向に移動しやすくなるため、可塑化ゾーン２１から高圧混練ゾーン２２への新たな溶融樹脂の流動が抑えられるとともに、加圧流体の可塑化ゾーン２１への漏洩も防止することができる。従って、本実施の形態の混練装置２００を用いた製造方法によれば、高圧混練ゾーン２２に溶融樹脂を滞留させた状態で混練工程及び分離工程を繰り返し行うことができる。これにより、例えば、機能性材料を含む加圧流体を用いる場合、高圧二酸化炭素への溶解度が低い機能性材料であっても、高濃度で機能性材料が分散された熱可塑性樹脂成形体を得ることができる。このとき、既述したように、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３との連通及び遮断を繰り返すために、スクリュ２０の正回転と逆回転とを小刻みに繰り返してもよいし、スクリュ２０の所定回転数以上の逆回転と、スクリュ２０の回転の停止あるいはスクリュ２０の逆回転の回転数の低下とを小刻みに繰り返してもよい。
【００３９】
ガス化した二酸化炭素が溶融樹脂から分離されると、溶融樹脂はスクリュ２０の先端部に送られる。そして、可塑化シリンダ２１０の先端部から射出される溶融樹脂を所望の形状に成形する成形工程が行われる。本実施の形態で使用される成形工程としては、目的とする成形体の種類に応じて、従来公知の射出成形法や押出成形法を使用できる。射出成形法を利用する場合、可塑化計量が終了した後、可塑化シリンダ２１０の後端部に接続された移動手段によりスクリュ２０を前進させ、所定の内部形状を有する金型内に溶融樹脂を射出充填することにより熱可塑性樹脂成形体を製造することができる。また、押出成形法を利用する場合、可塑化シリンダ２１０から所定の内部形状を有する押出ダイに溶融樹脂を射出することにより、例えば、ペレット状、チューブ状、シート状など形状を有する成形体を製造することができる。
【００４０】
以下、実施例に基づきさらに具体的に本発明を説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００４１】
（実施例１）
本実施例では、上流側及び下流側シール機構Ｓ１，Ｓ２として図４の形態を有するシール機構を備えた混練装置２００を用いて、機能性材料を分散させた熱可塑性樹脂成形体を射出成形により製造した。熱可塑性樹脂としてはガラス繊維が３０質量％添加されたナイロン６（東レ製，アミランＣＭ１０１１Ｇ３０）を、機能性材料としては有機金属錯体であるヘキサフルオロアセチルアセトナパラジウム（ＩＩ）を、溶媒としてはパーフルオロペンチルアミンを用いた。なお、１ショットごとの溶融樹脂の質量に対し、二酸化炭素の濃度が約２質量％、有機金属錯体の濃度が約１００ｐｐｍとなるように導入量を調整した。【００４２】
図６は、本実施例で使用した成形機を示す概略断面図である。図６に示すように、この成形機１０００は、高圧二酸化炭素と有機金属錯体をフッ素系有機溶媒に溶解させた溶液Ｃとを混合して加圧流体を調製し、該調製された加圧流体を可塑化シリンダ２１０に供給する加圧流体供給装置１００と、既述した混練装置２００と、金型を有する射出成形装置２５０とを備えている。これら加圧流体供給装置１００、混練装置２００、及び射出成形装置２５０は図示しない制御装置で動作制御される。【００４３】
加圧流体供給装置１００は、液体二酸化炭素ボンベ１０１と、液体二酸化炭素を所定の圧力に加圧して高圧二酸化炭素を供給するための二酸化炭素用シリンジポンプ１０２と、有機金属錯体を溶媒に溶解した溶液Ｃを調製するための溶液槽１１１と、溶液Ｃを所定の圧力に加圧し、送液するための溶液用シリンジポンプ１１２とを備えている。液体二酸化炭素ボンベ１０１と二酸化炭素用シリンジポンプ１０２とを接続する配管及び二酸化炭素用シリンジポンプ１０２と可塑化シリンダ２１０とを接続する配管にはそれぞれ、吸引用エアオペレートバルブ１０４及び供給用エアオペレートバルブ１０５が配設されている。また、溶液槽１１１と溶液用シリンジポンプ１１２とを接続する配管及び溶液用シリンジポンプ１１２と可塑化シリンダ２１０とを接続する配管にはそれぞれ、吸引用エアオペレートバルブ１１４及び供給用エアオペレートバルブ１１５が配設されている。【００４４】
加圧流体を調製する場合、まず、吸引用エアオペレートバルブ１０４を開放して、液体二酸化炭素ボンベ１０１から液体二酸化炭素を吸引する。次に、二酸化炭素用シリンジポンプ１０２の圧力制御により所定圧力まで液体二酸化炭素を加圧する。本実施例では、圧力が１０ＭＰａ、温度が１０℃の高圧二酸化炭素を供給した。【００４５】
一方、溶液用シリンジポンプ１１２側の吸引用エアオペレートバルブ１１４を開放して、溶液槽１１１から溶媒に有機金属錯体を溶解させた溶液Ｃをフィルタ１１３を介して常温で吸引し、溶液用シリンジポンプ１１２の圧力制御により所定圧力まで溶液Ｃを加圧する。本実施例では、溶液Ｃを１０ＭＰａに加圧した。【００４６】
次に、供給用エアオペレートバルブ１０５，１１５を開放した後、二酸化炭素用シリンジポンプ１０２及び溶液用シリンジポンプ１１２を圧力制御から流量制御に切替え、高圧二酸化炭素と加圧した溶液Ｃとを所定の流量比となるように流動させる。これにより、配管内で高圧二酸化炭素と溶液Ｃとが混合される。本実施例では、高圧二酸化炭素と溶液Ｃとの供給容積比を５：１に設定した。なお、高圧二酸化炭素と溶液Ｃとの容積比が一定範囲（１：１〜１０：１）の加圧流体を用いれば、混練工程において高圧二酸化炭素により有機金属錯体の熱分解を防止でき、また高圧二酸化炭素を溶融樹脂への有機金属錯体の分散を補助する相溶化剤として機能させることができる。【００４７】
一方、混練装置２００において、樹脂供給用ホッパ２１１から供給された熱可塑性樹脂は、可塑化シリンダ２１０の外壁面に設けられたバンドヒータ（図示せず）で可塑化シリンダ２１０を加熱し、スクリュ２０を正回転することにより混練され、溶融される。本実施例では、樹脂温度が２１０〜２４０℃となるように可塑化シリンダ２１０を加熱した。【００４８】
溶融樹脂が高圧混練ゾーン２２に送られると、高圧混練ゾーン２２と、減圧ゾーン２３及び可塑化ゾーン２１とを遮断するため、可塑化計量完了位置よりも２０ｍｍ手前（金型側位置）でスクリュ２０の回転を一旦停止した後、スクリュ２０を逆回転させた（回転数：５０ｒｐｍ）。これにより、上流側及び下流側シールリング４０，６０を上流側に移動させて、円錐台部３１，５１のテーパ面とテーパ部４２，６２のテーパ面とを当接させ、さらに上流側及び下流側シールリング４０，６０をスクリュ２０と共回りさせることにより、上流側及び下流側シールリング４０，６０の内周面とスクリュ２０の外周面との間の隙間Ｇを閉口し、高圧混練ゾーン２２と、減圧ゾーン２３及び可塑化ゾーン２１とを遮断した。【００４９】
図６に示すように、可塑化シリンダ２１０の導入口２０２には、加圧流体を導入するための導入バルブ２１２が設けられている。この導入バルブ２１２は、可塑化シリンダ２１０の導入口２０２と連結された基端部に流体供給口２１８を有するとともに、内部に導入ピストン２１７を有している。従って、導入ピストン２１７で流体供給口２１８を開放することによって、加圧流体供給装置１００から可塑化シリンダ２１０に加圧流体が導入される。本実施例では、上流側及び下流側シール機構Ｓ１，Ｓ２によって高圧混練ゾーン２２をシールした後、加圧流体が高圧混練ゾーン２２に１秒間滞留するように、流量制御にてショットごと間欠的に加圧流体を導入し、溶融樹脂と加圧流体とを接触混練した。加圧流体の導入前の樹脂内圧は０．１ＭＰａであり、加圧流体の導入後の接触混練時の樹脂内圧は１〜８ＭＰａであった。なお、バネ圧によって開閉するポペット弁をスクリュ内に設けた従来の混練装置を用い、同一の可塑化計量条件で成形を行った場合、加圧流体の導入前の樹脂内圧は８ＭＰa、接触混練時の樹脂内圧は１３〜１４ＭＰａであった。従って、本実施例の混練装置は従来のシール機構を有する混練装置に比べて低圧で溶融樹脂を可塑化計量することができ、高い可塑化能力を有していることが確認された。【００５０】
可塑化シリンダ２１０のベント口２０３は、バッファ容器２１９を介して真空ポンプ２２０と排気管で接続されている。従って、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを連通させ、真空ポンプ２２０を作動させることにより、可塑化シリンダ２１０の内部が減圧される。本実施例では、加圧流体を高圧混練ゾーン２２に滞留させた後、スクリュ２０の逆回転の回転数を低下させて（回転数：３０ｒｐｍ）、上流側及び下流側シールリング４０，６０を元の下流側の位置に戻し、円錐台部３１，５１のテーパ面とテーパ部４２，６２のテーパ面とを離間させ、上流側及び下流側シールリング４０，６０の内周面とスクリュ２０の外周面との間の隙間Ｇを開口させて、ガス化した二酸化炭素をベント口２０３から排気した。このとき、ベント口２０３から樹脂のベントアップは生じなかった。【００５１】
次いで、スクリュ２０を正回転に戻し、溶融樹脂をスクリュ２０の先端部に送り、可塑化計量を完了させてキャビティ２５３内に溶融樹脂を射出充填した。得られた成形体は茶色に着色されていたことから、有機金属錯体が溶融樹脂に導入されたことが確認された。また、成形体に有機金属錯体が良好に分散されていることを確認するため、得られた成形体にめっき処理を行った。めっき処理は、まず、成形体の表面を膨潤させるため、１，３−ブタンジオールを５０体積％含む８０℃の水溶液に５分間、成形体を浸漬させた。次いで、この成形体に汎用のＮｉＰ無電解めっき処理を施して全面に金属膜を形成した。さらに、金属膜上に、連続して順に、２０μｍの電解銅めっき膜、１０μｍの電解ニッケルめっき膜、及び０．５μｍの電解クロムめっき膜を形成した。得られためっき品を、１２０℃で１時間保持した後、−４０℃で１時間保持するサイクルを１００サイクル繰り返す熱衝撃試験に供した。試験後、目視により外観検査を行った。その結果、めっき膜に膨れや割れは発生せず、密着性に優れるめっき膜が形成されていることが確認された。【００５２】
また、上記の成形を繰り返し、１０００ショット目の接触混練時の高圧混練ゾーン２２の樹脂内圧を測定したところ、１〜８ＭＰａであり、１ショット目の圧力と同一の圧力であった。従って、本実施例によれば、長期に安定して熱可塑性樹脂成形体を製造できることが確認された。【００５３】
（実施例２）
本実施例では、実施例１と同様の混練装置２００及び成形機１０００を用いて、機能性材料を分散させた熱可塑性樹脂成形体を射出成形により製造した。熱可塑性樹脂としては非晶性ナイロン（ジャパンンエムスケミー製，グリボリＴＲ５５）を、機能性材料としては抗菌剤であるヘプタフルオロ酪酸銀塩（Ｉ）を、溶媒としてはエタノールを用いた。なお、１ショットごとの溶融樹脂の質量に対し、二酸化炭素の濃度が約６質量％、抗菌剤の濃度が４００ｐｐｍとなるように導入量を調整した。【００５４】
まず、実施例１と同様にして加圧流体供給装置１００で加圧流体を調製するとともに、混練装置２００で熱可塑性樹脂を溶融した。溶融樹脂が高圧混練ゾーン２２に送られると、実施例１と同様にして、スクリュ２０を一旦停止した後、スクリュ２０を逆回転（回転数：５０ｒｐｍ）させて、上流側及び下流側シールリング４０，６０を上流側に移動させ、円錐台部３１，５１のテーパ面とテーパ部４２，６２のテーパ面とを当接させて、高圧混練ゾーン２２と、減圧ゾーン２３及び可塑化ゾーン２１とを遮断した。【００５５】
次いで、本実施例では、流量制御にて加圧流体を連続的に導入しながら、スクリュ２０の逆回転の回転数を低下させて（回転数：２０ｒｐｍ）、上流側及び下流側シールリング４０，６０を僅かに下流側に移動させることにより、円錐台部３１，５１のテーパ面とテーパ部４２，６２のテーパ面とを離間させた。これにより上流側及び下流側シールリング４０，６０の内周面とスクリュ２０の外周面との間の隙間Ｇを僅かに開口させ、ガス化した二酸化炭素を排気した。さらに、スクリュ２０の逆回転の回転数を小刻みに変化させることにより（回転数：２０〜５０ｒｐｍ）、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３との連通及び遮断を繰り返した。このとき、高圧混練ゾーン２２の樹脂内圧は、５〜１０ＭＰａの範囲で変動した。また、ベント口２０３から樹脂のベントアップは生じなかった。【００５６】
次いで、実施例１と同様にして、スクリュ２０を正回転に戻し、溶融樹脂をスクリュ２０の先端部に送り、可塑化計量を完了させてキャビティ２５３内に溶融樹脂を射出充填した。得られた成形体について、黄色ブドウ球菌及び大腸菌を用い、統一試験法（ＪＩＳ  Ｚ  ２９１１）で抗菌評価を行った。その結果、成形体は高い抗菌作用を有しており、成形体に抗菌剤が良好に分散されていることが確認された。従って、本実施例によれば、高圧混練ゾーン２２の樹脂内圧が過剰に高くなることを抑制しつつ、溶融樹脂と加圧流体とを繰り返し接触混練することができる。また、上流から高圧混練ゾーン２２への溶融樹脂の供給が抑制された状態においても、高圧混練ゾーン２２と減圧ゾーン２３とを連通させることにより、高圧混練ゾーン２２の高圧二酸化炭素の一部がガス化し、ガス化した二酸化炭素を減圧ゾーン２３から排気することができる。これにより、高圧二酸化炭素及び機能性材料を含む加圧流体を用いる場合、減圧ゾーン２３近傍の高圧混練ゾーン２２では、減圧により高圧二酸化炭素に不溶となった機能性材料を溶融樹脂の内部に残存させていくことができる。従って、溶融樹脂と加圧流体との繰り返しの接触混練により機能性材料を高濃度で溶融樹脂に導入することができる。【００５７】
また、上記の成形を繰り返し、１０００ショット目の接触混練時の高圧混練ゾーン２２の樹脂内圧を測定したところ、５〜１０ＭＰａであり、１ショット目の圧力と同一の圧力であった。従って、本実施例によれば、長期に安定して熱可塑性樹脂成形体を製造できることが確認された。【００５８】
（実施例３）
本実施例では、上流側及び下流側シール機構Ｓ１，Ｓ２として図５の形態を有するシール機構を備えた混練装置２００及び図６に示す成形機１０００を用い、機能性材料を分散させた熱可塑性樹脂成形体を射出成形により製造した。また、熱可塑性樹脂、機能性材料、及び溶媒は実施例１と同様のものを用い、二酸化炭素及び機能性材料の導入量も実施例１と同様に調整した。【００５９】
まず、実施例１と同様にして加圧流体供給装置１００で加圧流体を調製するとともに、混練装置２００で熱可塑性樹脂を溶融した。溶融樹脂が高圧混練ゾーン２２に送られると、スクリュ２０の回転を一旦停止した後、スクリュ２０を逆回転させて、上流側及び下流側シールリング４０，６０を上流側に移動させた。これにより、円錐台部３１，５１のテーパ面とテーパ部４２，６２のテーパ面とを当接させ、高圧混練ゾーン２２と、減圧ゾーン２３及び可塑化ゾーン２１とを遮断した。【００６０】
次いで、本実施例では、加圧流体が高圧混練ゾーン２２に１秒間滞留するように、流量制御にて間欠的に加圧流体を導入し、溶融樹脂と加圧流体とを接触混練した後、スクリュ２０を正回転に戻し、上流側及び下流側シールリング４０，６０を下流側に移動させることにより、円錐台部３１，５１のテーパ面とテーパ部４２，６２のテーパ面とを離間させ、上流側及び下流側シールリング４０，６０の内周面とスクリュ２０の外周面との間の隙間Ｇを開口した。接触混練時の樹脂内圧は１〜８ＭＰａであった。そして、溶融樹脂を減圧ゾーン２３に送りながらガス化した二酸化炭素を排気した後、実施例１と同様にして、可塑化計量を完了させてキャビティ２５３内に溶融樹脂を射出充填した。得られた成形体を用いて、実施例１と同様にして、めっき品を作製したところ、密着性に優れるめっき膜が形成されていることが確認された。【００６１】
また、上記の成形を繰り返し、１０００ショット目の接触混練時の高圧混練ゾーン２２の樹脂内圧を測定したところ、１〜８ＭＰａであり、１ショット目の圧力と同一の圧力であった。従って、本実施例によれば、長期に安定して熱可塑性樹脂成形体を製造できることが確認された。【００６２】
以上詳細に本発明を説明したが、上記の実施の形態から本発明について要約すると、以下のようになる。【００６３】
本発明の一局面は、可塑化シリンダと、前記可塑化シリンダ内を回転及び進退自在に配設されたスクリュとを備え、前記可塑化シリンダ内で、熱可塑性樹脂が可塑化された溶融樹脂と高圧二酸化炭素を含む加圧流体とを接触混練する高圧混練ゾーンと、樹脂内圧を減圧することにより、前記加圧流体が接触混練された溶融樹脂からガス化した二酸化炭素を分離する減圧ゾーンとが上流側からこの順に隣接して形成される混練装置であって、
前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとの間に、前記スクリュの回転状態に応じて前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとを連通及び遮断する下流側シール機構を備える。【００６４】
上記混練装置によれば、高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとの間に、スクリュの回転状態に応じて高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとを連通及び遮断する下流側シール機構が設けられており、高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとの間でバネによる反力が生じないから、高い可塑化能力を得ることができる。また、下流側シール機構がスクリュの回転状態に応じて高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとを連通及び遮断するから、長期使用によってもシール性能が劣化することもない。【００６５】
上記下流側シール機構は、前記スクリュの逆回転により、前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとを遮断してもよい。また、上記下流側シール機構は、前記スクリュの正回転、前記スクリュの回転の停止、または前記スクリュの逆回転の回転数の低下のいずれかによって、前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとを連通してもよい。【００６６】
上記混練装置によれば、スクリュの回転状態に応じて、所望のタイミングで高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとを連通及び遮断することができる。【００６７】
好ましくは、上記混練装置において、
前記下流側シール機構は、前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとの間に配置され、シール部を有する前記スクリュの縮径部と、前記スクリュの縮径部に軸方向で移動可能に外嵌し、前記シール部と当接する接触面を有するシールリングとを備えており、
前記スクリュの回転状態に応じて、前記縮径部のシール部と前記シールリングの接触面とが離間すると、前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとが連通し、前記縮径部のシール部と前記シールリングの接触面とが当接すると、前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとが遮断する。【００６８】
上記混練装置によれば、スクリュの縮径部のシール部とシールリングの接触面とがスクリュの回転状態に応じて離間及び当接することにより、高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとを連通及び遮断することができる。【００６９】
好ましくは、上記混練装置において、
前記スクリュは、係止部を備え、前記シールリングは、前記スクリュの係止部と係合及び係脱する被係止部を備えており、
前記スクリュが所定回転数以上で逆回転している場合に、前記スクリュの係止部と前記シールリングの被係止部とが係合し、前記スクリュと前記シールリングとが共回りすることにより、前記縮径部のシール部と前記シールリングの接触面との当接状態が維持される。【００７０】
上記混練装置によれば、スクリュが所定回転数以上で逆回転している間、シールリングとスクリュとが係合状態で共回りするから、高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとを確実に遮断することができる。また、スクリュの回転数に応じて、高圧混練ゾーンと減圧ゾーンとを連通及び遮断することができる。【００７１】
上記可塑化シリンダ内で、前記高圧混練ゾーンの上流側に隣接して、前記熱可塑性樹脂を可塑化して溶融樹脂とする可塑化ゾーンが形成される場合、
好ましくは、上記混練装置は、前記可塑化ゾーンと前記高圧混練ゾーンとの間に、前記スクリュの回転状態に応じて前記可塑化ゾーンと前記高圧混練ゾーンとを連通及び遮断する上流側シール機構を備える。【００７２】
上記混練装置によれば、高圧混練ゾーンの上流側にも可塑化ゾーンと高圧混練ゾーンとを連通及び遮断する上流側シール機構が設けられているから、さらに高圧混練ゾーンのシール性を高めることができる。【００７３】
また、本発明の他の局面は、上記に記載の混練装置を用いる熱可塑性樹脂成形体の製造方法であって、
前記下流側シール機構で前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとを遮断し、高圧下、前記溶融樹脂と前記加圧流体とを接触混練する混練工程と、
前記下流側シール機構で前記高圧混練ゾーンと前記減圧ゾーンとを連通させ、前記加圧流体が接触混練された溶融樹脂の樹脂内圧を低下させて、前記加圧流体が接触混練された溶融樹脂からガス化した二酸化炭素を分離する分離工程とを有する。【００７４】
上記製造方法によれば、混練工程では、高圧混練ゾーンの高いシール性を確保した状態で溶融樹脂と加圧流体とを接触混練することができる。また、分離工程では、速やかに樹脂内圧を低下でき、円滑にガス化した二酸化炭素を溶融樹脂から分離し、排気することができる。【００７５】
好ましくは、上記熱可塑性樹脂成形体の製造方法において、
前記高圧混練ゾーンに前記溶融樹脂を滞留させた状態で、前記混練工程及び前記分離工程が複数回繰り返されてもよい。【００７６】
上記製造方法によれば、分離工程により高圧二酸化炭素の濃度の低くなった溶融樹脂と加圧流体とを繰り返し接触混練することができる。そのため、溶融樹脂に対する高圧二酸化炭素の溶解度が低くても、多量の高圧二酸化炭素を溶融樹脂に導入することができる。また、機能性材料を含む加圧流体を用いる場合、多量の機能性材料を溶融樹脂に導入することができる。【００７７】
上記製造方法において、前記加圧流体は、機能性材料を含んでもよい。上記製造方法によれば、機能性材料が良好に分散された熱可塑性樹脂成形体を製造することができる。【００７８】
以上のように、本発明によれば、高圧二酸化炭素を含む加圧流体を可塑化シリンダに導入し、可塑化シリンダ内で加圧流体と熱可塑性樹脂を可塑化した溶融樹脂とを接触混練して熱可塑性樹脂を製造する場合に、高い可塑化能力が得られるとともに、長期に渡って安定に熱可塑性樹脂成形体を製造することができる混練装置、及び熱可塑性樹脂成形体の製造方法を提供することができる。【００７９】
以上、実施の形態、及び実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態、及び実施例に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の範囲内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明によれば、高圧二酸化炭素を含む加圧流体を用いて熱可塑性樹脂成形体を製造する場合に、溶融樹脂と加圧流体とを接触混練する高圧混練ゾーンの高圧状態を長期に渡って安定に維持することができる。従って、本発明によれば、高圧二酸化炭素を用いて改質された成形体、残留溶剤を低下させた成形体、アロイ化された成形体、及び機能性材料を分散させた成形体などの各種熱可塑性樹脂成形体を工業的に安定して製造することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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