(57)【要約】【課題】混練装置および成形機において、スクリュー部やシリンダー部の長さを抑えつつ、材料に高せん断力を与えることができるようにする。【解決手段】混練装置１Ａは、スクリュー部７と、スクリュー駆動部８と、スクリュー部７を囲繞するように設けられた回転シリンダー部９と、スクリュー部７をその回転軸線回りに回転させるシリンダー駆動部１２と、回転シリンダー部９の内周部に沿って、スクリュー部７の回転軸線に斜めに交差する方向に延ばして設けられた螺旋溝部１０Ａとを備え、シリンダー駆動部１２によって回転シリンダー部９をスクリュー部７に対して相対回転させることで、螺旋溝部１０Ａから混練空間Ｓ内の被混練物に対してスクリュー部７の基端側に押し戻す推進力を加えられるようにした。【選択図】図１
2010280128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリュー部と、該スクリュー部を回転させるスクリュー駆動部と、前記スクリュー部を囲繞するように設けられたシリンダー部とを有し、前記スクリュー部を回転させることで前記スクリュー部の外周部と前記シリンダー部の内周部との間に形成された混練空間で熱可塑性樹脂を含む被混練物を前記スクリュー部の基端側から先端側に移動させつつ混練りする混練装置であって、
前記シリンダー部を前記スクリュー部の回転軸線回りに回転させるシリンダー駆動部と、
前記シリンダー部の内周部に沿って、前記スクリュー部の回転軸線に斜めに交差する方向に延ばして設けられた溝部とを備え、
前記シリンダー駆動部によって前記シリンダー部を前記スクリュー部に対して相対回転させることで、前記溝部から前記混練空間内の前記被混練物に対して前記スクリュー部の基端側に押し戻す推進力を加えられるようにしたことを特徴とする混練装置。
【請求項２】
前記溝部は、前記スクリュー部のスクリューの旋回方向と同方向に旋回する螺旋溝部からなり、
前記シリンダー駆動部は、前記シリンダー部を、前記スクリュー部の回転方向と逆方向に回転させるものであることを特徴とする請求項１に記載の混練装置。
【請求項３】
前記溝部は、前記スクリュー部のスクリューの旋回方向と反対方向に旋回する螺旋溝部からなり、
前記シリンダー駆動部は、前記シリンダー部を前記スクリュー部の回転方向と同方向に回転させるものであることを特徴とする請求項１に記載の混練装置。
【請求項４】
前記シリンダー部および前記スクリュー部の少なくともいずれかを冷却する冷却機構を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の混練装置。
【請求項５】
前記シリンダー駆動部は、前記シリンダー部の外周部に外嵌して取り付けられた環状ローターを回転させる中空モーターからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の混練装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の混練装置を備えることを特徴とする成形機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混練装置および成形機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱可塑性樹脂に、この熱可塑性樹脂と異なる成分からなる非相溶系の高分子材料を、分散性良く混練りするための混練装置が知られている。また、このような混練装置を備える成形機が知られている。
例えば、特許文献１には、複数台の押出機が前段の押出機から後段の押出機に熱可塑性樹脂を供給するように順次連結され、２段目以後の押出機内の熱可塑性樹脂に添加剤が加えられて混練が行われる多段式熱可塑性樹脂押出装置において、添加剤が加えられる押出機のスクリューには、この押出機に対する添加剤注入位置より出口側に位置させて、このスクリューの他の部分より高い剪断力で混練を行う高剪断混練部が設けられている多段式熱可塑性樹脂押出装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−４２５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の混練装置および成形機には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、材料に高せん断力を作用させるには、スクリューの回転速度を上げる必要があるが、回転速度が上がるとともに材料の流動速度も増加していくため、十分な混練りが出来なくなる。
十分な混練りを行うため、例えば、混練装置のスクリュー部やシリンダー部を長くすることも考えられるが、混練部の長さが長くなると、設備が大きくなり非常に高価なものとなってしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、スクリュー部やシリンダー部の長さを抑えつつ、材料に高せん断力を作用させることができる混練装置および成形機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の混練装置は、スクリュー部と、該スクリュー部を回転させるスクリュー駆動部と、前記スクリュー部を囲繞するように設けられたシリンダー部とを有し、前記スクリュー部を回転させることで前記スクリュー部の外周部と前記シリンダー部の内周部との間に形成された混練空間で熱可塑性樹脂を含む被混練物を前記スクリュー部の基端側から先端側に移動させつつ混練りする混練装置であって、前記シリンダー部を前記スクリュー部の回転軸線回りに回転させるシリンダー駆動部と、前記シリンダー部の内周部に沿って、前記スクリュー部の回転軸線に斜めに交差する方向に延ばして設けられた溝部とを備え、前記シリンダー駆動部によって前記シリンダー部を前記スクリュー部に対して相対回転させることで、前記溝部から前記混練空間内の前記被混練物に対して前記スクリュー部の基端側に押し戻す推進力を加えられるようにした構成とする。
【０００７】
また、本発明の混練装置では、前記溝部は、前記スクリュー部のスクリューの旋回方向と同方向に旋回する螺旋溝部からなり、前記シリンダー駆動部は、前記シリンダー部を、前記スクリュー部の回転方向と逆方向に回転させるものであることが好ましい。
【０００８】
また、本発明の混練装置では、前記溝部は、前記スクリュー部のスクリューの旋回方向と反対方向に旋回する螺旋溝部からなり、前記シリンダー駆動部は、前記シリンダー部を前記スクリュー部の回転方向と同方向に回転させるものであることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の混練装置では、前記シリンダー部および前記スクリュー部の少なくともいずれかを冷却する冷却機構を備えることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の混練装置では、前記シリンダー駆動部は、前記シリンダー部の外周部に外嵌して取り付けられた環状ローターを回転させる中空モーターからなることが好ましい。
【００１１】
本発明の成形機は、本発明の混練装置を備える構成とする。
この発明によれば、本発明の混練装置を備えるので、本発明の混練装置と同様の作用を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の混練装置および成形機によれば、シリンダー部の溝部から被混練物をスクリュー部の基端側に押し戻す推進力が加えられ、被混練物が混練空間内で基端側に押し戻されつつ徐々に先端側に移動されるため、スクリュー部やシリンダー部の長さを抑えつつ、材料に高せん断力を作用させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る混練装置の概略構成を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る混練装置の混練空間の詳細、および第１変形例の混練空間の詳細を示す模式的な部分断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る混練装置の概略構成を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る混練装置のスクリュー部の模式的な斜視外観図および斜視断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る成形機の概略構成を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。また、すべての図面は模式図であり、見易さのため、寸法や形状は誇張されている。
【００１５】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る混練装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る混練装置の概略構成を示す模式的な断面図である。図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る混練装置の混練空間の詳細を示す模式的な部分断面図である。
【００１６】
本実施形態の混練装置１Ａは、熱可塑性樹脂に、この熱可塑性樹脂と異なる成分からなる非相溶系の高分子材料を分散性良く混練りするための装置であり、混練りが終了した被混練物（以下、混練樹脂材料と称する）を、流体の状態で、例えば射出成形機や押し出し成形機等の成形機に供給するのに好適なものである。また、混練装置１Ａは、これらの成形機に組み込んで用いることが可能である。
混練装置１Ａの概略構成は、図１に示すように、可塑化部３、スクリュー部７、スクリュー駆動部８、回転シリンダー部９（シリンダー部）、シリンダー駆動部１２、および制御部１５を備える。
【００１７】
可塑化部３は、熱可塑性樹脂のペレットと非相溶系の高分子材料のペレットとが予め決められた配合比で混合された被混練物を可塑化するもので、可塑化部本体３ａ、固定シリンダー部５、ホッパー２、およびヒーター４を備える。
【００１８】
可塑化部本体３ａは、固定シリンダー部５、ホッパー２、およびヒーター４を、内部に固定するブロック状部材であり、熱伝導性のよい金属で構成される。
【００１９】
固定シリンダー部５は、スクリュー部７の基端部を囲繞するように収める円筒状部材である。固定シリンダー部５は、その一方の端部側で、可塑化部本体３ａの側部（図１の図示左側）から内部側（図示右側）に形成された円筒穴に埋め込まれ、他方の端部が可塑化部本体３ａから突出された状態で可塑化部本体３ａに固定されている。
固定シリンダー部５の可塑化部本体３ａに埋め込まれた部分の径方向の側面には、被混練物を固定シリンダー部５の内部に導くための側部開口５ａが設けられている。
【００２０】
また、固定シリンダー部５の外周部近傍の可塑化部本体３ａには、固定シリンダー部５の温度計測を行うため、例えば熱電対などからなる温度センサー６が埋め込まれている。
温度センサー６の出力は、配線６ａを介して制御部１５に送出されるようになっている。
【００２１】
また、固定シリンダー部５の軸方向の底部には、スクリュー部７を挿通させて回転可能に保持する軸受部１６が設けられている。
【００２２】
ホッパー２は、可塑化部本体３ａの外部から側部開口５ａに被混練物を供給するためのもので、一方の端部が固定シリンダー部５の側部開口５ａに連結されて、他方の端部が可塑化部本体３ａの外部側に延出された管路部２ｂと、管路部２ｂの他方の端部から拡径して、被混練物を投入するすり鉢状の開口を形成する材料投入部２ａとからなる。
【００２３】
ヒーター４は、固定シリンダー部５を外周側から加熱するもので、可塑化部本体３ａに埋め込まれた固定シリンダー部５の外周を取り囲む状態で、可塑化部本体３ａの内部に埋め込まれている。
ヒーター４は、配線４ａを介して制御部１５に電気的に接続され、制御部１５によって固定シリンダー部５を一定の温度に保つように温度制御される。
【００２４】
スクリュー部７は、スクリュー軸７ａの外周面に螺旋状のスクリュー７ｂが形成されたものである。
スクリュー軸７ａは、基端側から先端側に向って、スクリュー駆動部８に連結された軸状の連結軸部７Ａ、軸外周面上にスクリュー７ｂが形成された搬送部７Ｂ、および先細テーパ状の先端部７Ｃが、この順に設けられている。
スクリュー軸７ａの連結軸部７Ａは、先端部５ｂに対向する固定シリンダー部５の底部に形成された貫通孔に、先端部５ｂ側から挿入され、可塑化部本体３ａに設けられた軸受部１６により回転可能に支持された状態で、可塑化部本体３ａの外部に突出されている。そして、連結軸部７Ａに隣接する搬送部７Ｂは、連結軸部７Ａ側の端部が、少なくとも側部開口５ａに重なる範囲まで固定シリンダー部５の内部に挿入されている。
【００２５】
本実施形態のスクリュー７ｂは、スクリュー軸７ａの基端側から先端側に向かって、スクリュー軸７ａの中心に対して時計回りに旋回して進む螺旋状に設けられている。
本実施形態のスクリュー部７の形状は、図２（ａ）に示すように、搬送部７Ｂにおけるスクリュー軸７ａの外径がＤ１、スクリュー軸７ａの外周面からのスクリュー７ｂの山高さがＨ１、スクリュー７ｂのピッチがｐ１であるとする。また、スクリュー部７のスクリュー有効長さはＬ、スクリュー直径はＤ（＝Ｄ１＋２・Ｈ１）とする。
ここで、スクリュー７ｂのピッチｐ１は、回転シリンダー部９に重なる範囲におけるスクリュー７ｂのピッチを表すものとする。スクリュー７ｂの固定シリンダー部５と重なる範囲におけるピッチは、ピッチｐ１と異なる大きさとしてもよい。
スクリュー部７の形状の一例としては、Ｄ１＝３０（ｍｍ）、Ｈ１＝２．５（ｍｍ）、ｐ１＝１５（ｍｍ）、Ｄ＝３５（ｍｍ）、Ｌ／Ｄ＝１０、といった寸法を挙げることができる。
【００２６】
なお、スクリュー軸７ａの連結軸部７Ａにおける外径は、図１では、搬送部７Ｂと同径のように描かれているが、外径Ｄ１と異なる大きさであってもよい。
【００２７】
スクリュー駆動部８は、スクリュー部７を回転させるもので、連結軸部７Ａの端部に連結された適宜の駆動モーターからなる。スクリュー駆動部８は、ケーブル８ａを介して制御部１５に電気的に接続され、制御部１５からの制御信号に応じて、回転速度、回転方向が制御されるようになっている。
本実施形態の混練り時には、スクリュー駆動部８は、スクリュー部７を基端側から先端側に向かって見るとき、時計回りに回転させる。
以下では、このような回転方向を正方向と称し、反対に、スクリュー部７を基端側から先端側に向かって見るとき、反時計回りに回転させる回転方向を負方向と称する場合がある。
本実施形態のスクリュー部７は、スクリュー駆動部８によって正方向に回転されるとき、スクリュー部７上の被混練物に対して、スクリュー部７の基端側から先端側に推進する推進力を与えることができるになっている。
【００２８】
回転シリンダー部９は、スクリュー部７の外形よりわずかに大きな内径を有し、一方に開口するとともに他方に底部９ｃを有する有底円筒状の部材であり、固定シリンダー部５から突出されたスクリュー部７を囲繞するように設けられている。
また、回転シリンダー部９は、中心軸線がスクリュー部７の回転軸線と同軸となるように配置され、円筒開口側では、固定シリンダー部５に対して径方向にわずかに隙間をあけた状態で外挿されている。そして、回転シリンダー部９の円筒開口の端部は、例えばスラスト軸受等からなる軸受１１を介して、可塑化部本体３ａに対して回転可能に固定されている。
また、回転シリンダー部９の底部９ｃ寄りの中間部の外周側には、回転シリンダー部９を中心軸線回りに回転させるシリンダー駆動部１２が設けられている。
このため、回転シリンダー部９は、軸受１１とシリンダー駆動部１２とによって、スクリュー部７の回転軸線と同軸に回転可能に支持されている。
【００２９】
回転シリンダー部９の底部９ｃの中心部には、スクリュー部７の先端部７Ｃに対向する位置に被混練物を装置外部に吐出する吐出口９ａが設けられている。吐出口９ａには、スクリュー部７の先端部７Ｃの一部が吐出口９ａの内周面と径方向に隙間を設けた状態で挿入されている。
以下では、スクリュー部７の基端側、先端側の向きに合わせて、回転シリンダー部９の軸方向において軸受１１で支持された側を回転シリンダー部９の基端側、吐出口９ａが設けられた側を回転シリンダー部９の先端側と称する。
【００３０】
また、回転シリンダー部９の底部９ｃの近傍の円筒壁部には、吐出口９ａ近傍の温度を検出するため、例えば熱電対などからなる温度センサー１３が埋設されている。
温度センサー１３の出力は、回転シリンダー部９の先端側の外周面に設けられた回転接点部１４および回転接点部１４の固定側に接続された配線１４ａを通して、制御部１５に送出されるようになっている。
【００３１】
回転シリンダー部９のシリンダー内周面９ｂには、図２（ａ）に示すように（図１では図示略）、回転シリンダー部９の基端側から先端側に向かって、シリンダー内周面９ｂの中心に対して時計回りに旋回して進む螺旋状の螺旋溝部１０Ａが形成されている。すなわち、螺旋溝部１０Ａの螺旋の旋回方向は、スクリュー７ｂの螺旋の旋回方向と反対方向になっている。
ここで、シリンダー内周面９ｂは、螺旋溝部１０Ａの底面から中心方向に突出された螺旋状スクリューの径方向の先端部を形成している。
【００３２】
本実施形態の螺旋溝部１０Ａの形状は、シリンダー内周面９ｂの内径がｄ（ただし、ｄ＞Ｄ）、シリンダー内周面９ｂからの溝深さがｈ１、螺旋溝部１０Ａのピッチがｐ２であるとする。したがって、螺旋溝部１０Ａの溝底の内径ｄ１は、ｄ１＝ｄ−２・ｈ１である。
なお、図２（ａ）では、螺旋溝部１０Ａのピッチｐ２は、一例として、ｐ２＝２・ｐ１の場合を図示しているが、螺旋溝部１０Ａのピッチｐ２とスクリュー７ｂのピッチｐ１との比や大小関係は、これに限定されることなく、適宜の比や大小関係を選択することができる。
回転シリンダー部９の螺旋溝部１０Ａの形状の一例としては、ｄ１＝４０（ｍｍ）、ｈ１＝１．５（ｍｍ）、ｐ２＝３０（ｍｍ）、ｄ＝３７（ｍｍ）、といった寸法を挙げることができる。
【００３３】
シリンダー駆動部１２は、図１に示すように、回転シリンダー部９をスクリュー部７の回転軸線回りに回転させるもので、本実施形態では、外周側のステーターと内周側の環状ローターとを有し、環状ローターの内側に中空部が設けられたＤＤ（ダイレクトドライブ）モーターである中空モーターからなる。
シリンダー駆動部１２は、ケーブル１２ａを介して制御部１５に電気的に接続され、制御部１５からの制御信号に応じて、回転速度、回転方向が制御されるようになっている。
シリンダー駆動部１２の環状ローターは、回転シリンダー部９の先端側の中間部に外嵌して取り付けられている。
シリンダー駆動部１２は、ステーター側に設けられたケーブル１２ａによって、制御部１５と電気的に接続されている。
【００３４】
このような構成により、スクリュー部７の外周部と回転シリンダー部９の内周部との間には、被混練物を混練りしつつ軸方向に搬送する混練空間Ｓが形成される。
この混練空間Ｓの径方向の最小隙間ｔｍｉｎは、スクリュー７ｂの径方向の先端部とシリンダー内周面９ｂとの間の隙間であり、ｔｍｉｎ＝（ｄ−Ｄ）／２である。
また、混練空間Ｓの径方向の最大隙間ｔｍａｘは、スクリュー７ｂの径方向の先端部とシリンダー内周面９ｂとの間の隙間であり、ｔｍａｘ＝（ｄ１−Ｄ１）／２である。
上記の数値例では、ｔｍｉｎ＝１．０（ｍｍ）、ｔｍａｘ＝５（ｍｍ）である。
このため、スクリュー駆動部８およびシリンダー駆動部１２によるスクリュー部７および回転シリンダー部９の回転数を、それぞれＲｓ（ｒｐｍ）、Ｒｃ（ｒｐｍ）とすると、それぞれの回転により混練空間Ｓ内の被混練物に与えられるせん断速度（シェアレート）Ｖｓ（ｓｅｃ−１）、Ｖｃ（ｓｅｃ−１）は、それぞれ次式（１）、（２）のように求められる。
【００３５】
Ｖｓ＝Ｒｓ・（Ｄ／２）・π／（６０・ｔｍｉｎ）                  ・・・（１）
Ｖｃ＝Ｒｃ・（ｄ／２）・π／（６０・ｔｍｉｎ）                  ・・・（２）
【００３６】
制御部１５は、混練装置１Ａの動作を制御するためのもので、ヒーター４、スクリュー駆動部８、シリンダー駆動部１２、および温度センサー６、１３と電気的に接続されている。
制御部１５は、温度センサー６からの出力に基づいて固定シリンダー部５の温度を検知し、固定シリンダー部５の温度が、ホッパー２から投入された被混練物を可塑化できる温度になるようにヒーター４の温度を制御する。
また、制御部１５は、予め設定された情報に基づいてスクリュー駆動部８およびシリンダー駆動部１２の回転方向、および回転速度を制御し、被混練物の混練り制御を行う。その際、温度センサー１３の出力を監視し、吐出口９ａ近傍の被混練物の温度が許容範囲外にならないように、必要に応じて回転数の制御を行う。
【００３７】
次に、混練装置１Ａの動作について説明する。
以下では、被混練物の一例として、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂であるパンライト（登録商標）Ｌ−１２５０Ｙ（商品名；帝人化成（株）製）と、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）樹脂であるパラペット（登録商標）ＨＲ−Ｓ（商品名；（株）クラレ製）との材料ペレットを、７：３の配合比で混合した場合の例で説明する。
まず、制御部１５によってヒーター４を昇温させ、固定シリンダー部５に伝熱して、固定シリンダー部５の内部が被混練物を可塑化できる温度になるまで加熱を行い、その温度が維持されるように温度制御を行う。上記の被混練物の場合、可塑化するのに好適な温度は２６０℃である。
【００３８】
そして、制御部１５は、スクリュー駆動部８およびシリンダー駆動部１２を駆動して、スクリュー部７および回転シリンダー部９を回転させる。本実施形態では、スクリュー部７は正方向に回転させ、回転シリンダー部９は負方向に回転させる。
また、スクリュー部７、回転シリンダー部９の回転数Ｒｓ、Ｒｃは、スクリュー部７、回転シリンダー部９から被混練物に与えられるせん断速度Ｖｓ、Ｖｃが一定値となるように設定する。
上記の被混練物の場合、Ｖｓ＝６００（ｓｅｃ−１）、Ｖｃ＝４００（ｓｅｃ−１）が好適である。
【００３９】
次に、作業者は、ホッパー２の材料投入部２ａから被混練物を投入する。
材料投入部２ａに投入された被混練物は、管路部２ｂ、側部開口５ａを介して、固定シリンダー部５の内部に到達し、固定シリンダー部５の内部の温度によって可塑化される。そして、回転中のスクリュー７ｂによって、スクリュー部７の外周部と固定シリンダー部５の内周部の間の空間を通って、スクリュー部７の先端側に向けて押し出されていく。
その際、被混練物は、固定シリンダー部５の内周面を通して加熱され、粘性流体化し、スクリュー７ｂの回転によって与えられるせん断力によって、徐々に混練りされつつ先端側に搬送されていく。
【００４０】
被混練物が、固定シリンダー部５の側部開口５ａから回転シリンダー部９内に搬送されると、回転シリンダー部９がスクリュー部７と反対の負方向に回転されているため、混練空間Ｓ内の粘性流体である被混練物には、相対回転速度に応じて周方向にせん断力が作用する。
また、被混練物には、スクリュー部７の回転によってスクリュー７ｂから軸方向の先端側への推進力が与えられる。ところが、回転シリンダー部９には旋回方向がスクリュー７ｂと逆方向の螺旋溝部１０Ａが設けられ、この螺旋溝部１０Ａが回転シリンダー部９とともにスクリュー部７と反対の負方向に回転されているため、被混練物には、螺旋溝部１０Ａから軸方向の基端側への推進力が与えられる。
これにより、被混練物には軸方向にもせん断力が作用する。そして被混練物は一定の割合で基端側に押し戻される。これにより、混練空間Ｓ内での被混練物の滞留時間は、回転シリンダー部９が回転しない場合に比べて長くなる。
この結果、回転シリンダー部９を固定してスクリュー部７のみを回転させた場合に比べて、被混練物へのせん断作用が増大しスクリュー部７の有効長さＬを長くした場合と同様の効果が生じる。
【００４１】
また、混練空間Ｓ内では、スクリュー７ｂの径方向の先端とシリンダー内周面９ｂとの間の隙間が最小隙間となり、被混練物はこの隙間を径方向に通過するとき、最も大きなせん断力が作用する。そして、スクリュー７ｂおよびシリンダー内周面９ｂの螺旋の旋回方向および回転方向が互いに反対になっているため、スクリュー７ｂの先端とシリンダー内周面９ｂとの間の軸方向の相対速度が増大する。
この結果、スクリュー７ｂの径方向の先端とシリンダー内周面９ｂとの間の隙間を通過することによるせん断作用が増大し、回転シリンダー部９が固定されている場合に比べて螺旋溝部１０Ａのピッチが縮小されたのと同様の効果が生じる。
【００４２】
このように、混練空間Ｓ内の被混練物は、基端側から先端側に移動するにつれて、スクリュー部７の有効長さＬに比べて、顕著なせん断作用を受ける。これにより、被混練物中のＰＣとＰＭＭＡとがそれぞれナノオーダーに細かくせん断され、かつ互いに分散し、良好に混練りされて吐出口９ａに到達する。
【００４３】
このように、混練装置１Ａによれば、回転シリンダー部９を回転させることで、被混練物に対して、スクリュー部７の回転により発生する推進力とは逆向きの推進力を発生させることができ、そのような逆向きの推進力が発生しない場合に比べて、混練空間Ｓで、被混練物に作用する単位長さ当たりのせん断力を増大させて、被混練物を連続的に混練りすることができる。
このように単位長さ当たりのせん断力を増大させることで、スクリュー部やシリンダー部の長さを抑えつつ、材料に高せん断力を作用させることができる。
したがって、混練装置１Ａは小型であっても、複数の高分子材料が良好に分散され、品質の安定した混練樹脂材料を得ることができる。また、混練空間Ｓが短くても良好な混練りを行うことができるため、混練樹脂材料の生産性を向上することができる。
【００４４】
また、混練装置１Ａでは、回転シリンダー部９を回転させるシリンダー駆動部１２が中空モーターであるため、適宜のモーターの駆動力を、例えばベルトなどの伝動機構を介して回転シリンダー部９に伝達する場合に比べて、コンパクトな装置を構成することができる。
【００４５】
次に、本実施形態の第１変形例について説明する。
図２（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る混練装置の混練空間の詳細を示す模式的な部分断面図である。
【００４６】
本実施形態の混練装置１Ｂは、図１、図２（ｂ）に示すように、上記第１の実施形態の混練装置１Ａの螺旋溝部１０Ａに代えて、螺旋溝部１０Ａと螺旋の旋回方向のみが異なる螺旋溝部１０Ｂを備えるものである。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４７】
混練装置１Ｂによれば、シリンダー駆動部１２によって、回転シリンダー部９を上記第１の実施形態と逆に正方向に回転させることで、上記第１の実施形態と同様の混練りを行うことができる。
すなわち、被混練物をホッパー２から投入して混練りを開始すると、上記第１の実施形態と同様、被混練物には、スクリュー部７の回転によってスクリュー７ｂから先端側への推進力が与えられる。ところが、回転シリンダー部９は旋回方向がスクリュー７ｂと逆方向の螺旋溝部１０Ｂがスクリュー部７と同方向の正方向に回転されているため、被混練物は、螺旋溝部１０Ｂから基端側への推進力が与えられる。
この結果、混練空間Ｓ内の粘性流体である被混練物には、軸方向にせん断力が作用し、被混練物は一定の割合で基端側に押し戻される。これにより、上記第１の実施形態と同様、混練空間Ｓ内の被混練物の滞留時間は、回転シリンダー部９が回転しない場合に比べて長くなり、上記第１の実施形態と同様、回転シリンダー部９を固定してスクリュー部７のみを回転させた場合に比べて、被混練物へのせん断作用が増大しスクリュー部７の有効長さＬを長くした場合と同様の効果が生じる。
【００４８】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る混練装置について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る混練装置の概略構成を示す模式的な断面図である。図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第２の実施形態に係る混練装置のスクリュー部の模式的な斜視外観図および斜視断面図である。
【００４９】
本実施形態の混練装置２０は、上記第１の実施形態の混練装置１Ａのスクリュー部７、スクリュー駆動部８に代えて、それぞれスクリュー部２１、スクリュー駆動部２２を備え、ロータリージョイント部２３および冷却ポンプ２５を追加したものである。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５０】
スクリュー部２１は、スクリュー軸２１ａの外周面に上記第１の実施形態と同様のスクリュー７ｂが形成され、内部に冷却管路２１ｃを備えたものである。
スクリュー軸２１ａの外周部は、スクリュー軸７ａと同様、基端側から先端側に向けて、連結軸部７Ａ、搬送部７Ｂ、先端部７Ｃが、この順に設けられ、固定シリンダー部５および回転シリンダー部９に対して、同様の位置関係に配置されている。
ただし、連結軸部７Ａは、スクリュー駆動部８に代えてスクリュー駆動部２２に連結されている。
【００５１】
冷却管路２１ｃは、図４（ａ）に示すように、連結軸部７Ａの端面の中心部に、例えば水などの冷却媒体を供給する供給口２１ｄと、連結軸部７Ａの端面に円周溝状に形成された排出口２１ｅとの間に連通する管路である。
図４（ｂ）に示すように、供給口２１ｄから内部に延ばされた冷却管路２１ｃは、径方向外側に屈曲されてから、スクリュー軸２１ａの内部の外周側を軸方向に沿って先端側に延ばされている。そして、冷却管路２１ｃは、先端部７Ｃの近傍で径方向の反対側に向きを変えて、スクリュー軸２１ａの中心軸を挟んで反対側の内部の外周側を軸方向に沿って基端側に延ばされ、排出口２１ｅの底部に連通されている。このように、冷却管路２１ｃは、スクリュー部２１において、全体としてＵ字状の内部管路を構成している。
【００５２】
連結軸部７Ａの端部には、スクリュー部２１が回転したときに、供給口２１ｄおよび排出口２１ｅをそれぞれ外部に設けられた冷却媒体供給管路２４ａおよび冷却媒体排出管路２４ｂに接続するロータリージョイント部２３が連結されている。
冷却媒体供給管路２４ａおよび冷却媒体排出管路２４ｂには、冷却ポンプ２５が連結され、冷却媒体供給管路２４ａ、供給口２１ｄ、冷却管路２１ｃ、排出口２１ｅ、および冷却媒体排出管路２４ｂで構成された流路内に冷却媒体を循環させることができるようになっている。
これにより、スクリュー部２１の回転時に、スクリュー軸２１ａおよびスクリュー７ｂを冷却できるようになっている。
このため、冷却管路２１ｃ、ロータリージョイント部２３、および冷却ポンプ２５は、スクリュー部２１を冷却する冷却機構を構成している。
【００５３】
スクリュー駆動部２２は、スクリュー部２１を回転させるもので、本実施形態では、外周側のステーターと内周側の環状ローターとを有し、環状ローターの内側に中空部が設けられたＤＤモーターである中空モーターからなる。
スクリュー駆動部２２は、ケーブル２２ａを介して制御部１５に電気的に接続され、制御部１５からの制御信号に応じて、回転速度、回転方向が制御されるようになっている。
スクリュー駆動部２２の環状ローターは、スクリュー軸２１ａの連結軸部７Ａに外嵌して取り付けられている。
本実施形態の混練り時には、スクリュー駆動部２２は、スクリュー部２１を基端側から先端側に向かって見るとき、時計回りに回転させる（正方向）。
本実施形態のスクリュー部２１は、スクリュー駆動部２２によって正方向に回転されるとき、スクリュー部２１上の被混練物に対して、スクリュー部２１の基端側から先端側に推進する推進力を与えることができるようになっている。
【００５４】
このような構成の混練装置２０によれば、上記第１の実施形態の混練装置１Ａと同様に、混練空間Ｓで、被混練物に作用する単位長さ当たりのせん断力を増大させて、被混練物を連続的に混練りすることができる。
さらに、混練装置２０は、スクリュー部２１を冷却する冷却機構を備えているため、混練り時に、被混練物をスクリュー部２１との接触部から冷却することができる。この結果、混練り時の発熱による粘性の低下を抑制することができるので、より高せん断力を被混練物に作用させて効率的に混練りを行うことができる。また、混練り時のせん断発熱による材料劣化を防止することができるため、安定した品質の材料を生産することができる。
【００５５】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る成形機について説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態に係る成形機の概略構成を示す模式的な断面図である。
【００５６】
本実施形態の射出成形機３０は、図５に示すように、射出成形用の金型４０を用いて樹脂射出成形を行うもので、射出シリンダー３１、スクリュー３２、スクリュー駆動部３３、および上記第１の実施形態の混練装置１Ａを備える。
【００５７】
射出シリンダー３１は、上側の側部に設けられた材料投入口３１ａから投入された混練樹脂材料を射出ノズル３１ｂから射出するものである。
射出シリンダー３１の内部には、材料投入口３１ａを介して投入された混練樹脂材料を射出ノズル３１ｂ側に射出するスクリュー３２が設けられている。
射出シリンダー３１のシリンダー側壁の内部には軸方向に間隔をあけて複数のヒーター３４が内蔵されており、これによりシリンダー内部で溶融された混練樹脂材料の温度を一定の温度に保つことができるようになっている。
スクリュー３２の射出ノズル３１ｂと反対側の端部は、射出シリンダー３１の外部に延出され、モーターなどからなり、スクリュー３２を回転駆動するスクリュー駆動部３３に連結されている。
【００５８】
混練装置１Ａは、吐出口９ａが材料投入口３１ａに対向する状態で、射出シリンダー３１の上側に起立して設けられている。
【００５９】
このような構成の射出成形機３０によれば、混練装置１Ａのホッパー２に投入された被混練物は、回転シリンダー部９の回転によって、上側に推進力を受けつつ、スクリュー部７の回転によって下方に搬送され、その過程でせん断力を受けて混練りされ、分散性が良好な混練樹脂材料が得られる。
この混練樹脂材料は、流体状態のまま、吐出口９ａから材料投入口３１ａに向かって吐出される。そして、射出シリンダー３１の内部でさらに加熱され、スクリュー３２の回転によって溶融状態とされて射出ノズル３１ｂから金型４０のキャビティ内に射出される。
このように、射出成形機３０によれば、熱可塑性樹脂と高分子材料との混練り工程と、これにより得られた混練樹脂材料による射出成形工程とを連続的に行うことができ、混練樹脂材料を固化させてから再加熱する工程を省略することができる。このため、高機能を有する樹脂の成形を効率的に行うことができ、混練樹脂材料の作成から成形までのリードタイムを短縮することができる。
その際、混練装置１Ａをコンパクトに構成することができるので、射出成形機３０の大きさを小型化することができる。
【００６０】
なお、上記の第１〜第３の実施形態の説明では、回転シリンダー部９の内周部に螺旋溝部１０Ａ、１０Ｂが設けられた場合の例で説明したが、シリンダー部の内周部に設けられた溝部は、混練空間内の被混練物をスクリュー部の基端側に押し戻す推進力を加えられる溝部であれば、螺旋溝部には限定されない。溝部は、シリンダー部の内周部に沿って、スクリュー部の回転軸線に斜めに交差する方向に延ばして設けられた溝部であれば良く、例えば、スクリュー部の回転軸線に斜めに交差する方向に延ばして設けられた複数の溝部によって回転翼列を形成してもよい。
また、このような溝部は、軸方向に不連続に設けられていてもよい。
【００６１】
また、上記の第１〜第３の実施形態の説明では、シリンダー駆動部１２として、中空モーターを用いた場合の例で説明したが、例えば、回転シリンダー部９の側方にモーターを配置し、例えば、ベルト伝動機構や歯車伝動機構などの伝動機構を介して、モーターの回転を回転シリンダー部９に伝動する構成としてもよい。
【００６２】
また、上記第２の実施形態の説明では、冷却機構がスクリュー部に設けられた場合の例で説明したが、冷却機構は、シリンダー部、あるいはスクリュー部とシリンダー部の両方にそれぞれ設けられていてもよい。
シリンダー部の冷却機構としては、例えば、シリンダー部の外周部に、例えば空気などの冷却媒体を流して冷却する冷却機構を挙げることができる。
【００６３】
また、上記第３の実施形態の説明では、本発明の係る成形機の一例として、射出成形機３０の場合の例で説明したが、本発明に係る混練装置によって混練りされる混練樹脂材料を用いて成形することができる成形機であれば、射出成形機には限定されない。例えば、樹脂押し出し成形機などであってもよい。
【００６４】
また、上記の説明および下記実施例では、被混練物が、２種類の熱可塑性樹脂からなる場合の例で説明したが、被混練物は、熱可塑性樹脂と、非相溶系の高分子材料とからなっていれば、それぞれの種類、種類の数、配合比は、適宜に設定することができる。
【００６５】
また、上記の各実施形態、変形例に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施することができる。
例えば、上記第２の実施形態の混練装置２０の回転シリンダー部９に上記第１の実施形態の第１変形例の螺旋溝部１０Ｂを設けて、回転シリンダー部９を反対方向に回転させる構成としてもよい。
また、上記第３の実施形態の射出成形機３０において、混練装置１Ａを、混練装置１Ｂや、混練装置２０に置き換えた構成としてもよい。
【実施例】
【００６６】
次に、上記実施形態の混練装置の実施例について、比較例とともに説明する。
各実施例、各比較例の装置の設定条件、得られた混練樹脂材料の分散性を成形品の透過率によって測定した結果を下記表１に示す。
【００６７】
【表１】
2010280128.tif 000003
【００６８】
［実施例1］
本実施例は、上記第１の実施形態の混練装置１Ａを用いて、パンライト（登録商標）Ｌ−１２５０Ｙ（商品名；帝人化成（株）製）と、パラペット（登録商標）ＨＲ−Ｓ（商品名；（株）クラレ製）との材料ペレットを、７：３の配合比で混合した被混練物をホッパー２に投入して混練りした。
このとき、表１に示すように、スクリュー部７により与えられるせん断速度Vｓは、６００ｓｅｃ−１、回転シリンダー部９により与えられるせん断速度Vｃは、４００ｓｅｃ−１とした。また、スクリュー部７、回転シリンダー部９の回転方向は、それぞれ正方向、負方向である。また、温度センサー６で検出される固定シリンダー部５の温度（供給側温度）は２６０℃とした。
スクリュー部７の形状は、上記第１の実施形態に説明した数値例の形状を採用している。
なお、被混練物の構成、供給側温度条件、およびスクリュー部の形状は、以下の実施例２、３、比較例１、２にも共通である。
このような条件下で、混練り時に温度センサー１３で検出される吐出口９ａ近傍の温度（吐出側温度）は、２８１℃であった。
【００６９】
このようにして混練りされた混練樹脂材料の分散性の評価は、次のようにして行った（以下の実施例２、３、比較例１、２も同様）。
まず、混練樹脂材料を熱プレスにより圧縮成形を行って、２０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍのシートを作成した。
次に、作製したシートの透過率を波長４００ｎｍから９００ｎｍの範囲で測定し、その平均を測定サンプルの透過率とした。この透過率の測定は分光光度計Ｕ−４０００（商品名；（株）日立製作所製)を用いて測定した。
実施例１の混練樹脂材料による成形品の透過率は８３％であった。透過率の平均が７０%以上であれば高分散であると判断できるから、高分散の混練りを行うことができたことが分かる。
【００７０】
［実施例２］
本実施例は、上記第１の実施形態の変形例の混練装置１Ｂを用いて、実施例１と同様の被混練物をホッパー２に投入して混練りした。
このとき、表１に示すように、スクリュー部７により与えられるせん断速度Vｓは、６００ｓｅｃ−１、回転シリンダー部９によりより与えられるせん断速度Vｃは、４００ｓｅｃ−１とした。また、スクリュー部７、回転シリンダー部９の回転方向は、それぞれ正方向、正方向である。
このような条件下で、吐出側温度は、２８３℃であった。
【００７１】
このようにして混練りされた混練樹脂材料の分散性の評価を行ったところ、実施例２の混練樹脂材料による成形品の透過率は８３％であった。したがって、実施例１とまったく同様に、高分散の混練りを行うことができたことが分かる。
【００７２】
［実施例３］
本実施例は、上記第２の実施形態の混練装置２０を用いて、実施例１と同様の被混練物をホッパー２に投入して混練りした。
このとき、表１に示すように、スクリュー部２１により与えられるせん断速度Vｓは、８００ｓｅｃ−１、回転シリンダー部９により与えられるせん断速度Vｃは、６５０ｓｅｃ−１とした。また、スクリュー部２１、回転シリンダー部９の回転方向は、それぞれ正方向、負方向である。
また、冷却管路２１ｃの冷却媒体の流速は、吐出側温度が、２６４℃になるように設定した。このように本実施例では、冷却機構を備えることにより、スクリュー部２１、回転シリンダー部９によるせん断速度を増大させても、実施例１、２、あるいは後述の比較例１、２に比べて、より吐出側温度を低減することができる。
【００７３】
このようにして混練りされた混練樹脂材料の分散性の評価を行ったところ、実施例３の混練樹脂材料による成形品の透過率は８２％であった。したがって、実施例１とほとんど同様に、高分散の混練りを行うことができたことが分かる。
【００７４】
［比較例１、２］
比較例１、２は、上記第１の実施形態の混練装置１Ａにおいて、螺旋溝部１０Ａを削除して、回転シリンダー部９を内周面とするとともに、回転シリンダー部９の回転を停止させた状態の混練装置を用いた例である。被混練物は、実施例１と同様のものを用いた。
このとき、表１に示すように、比較例１では、スクリュー部７により与えられるせん断速度Vｓを６００ｓｅｃ−１とし、比較例２では、スクリュー部７により与えられるせん断速度Vｓを１０００ｓｅｃ−１とした。
このような条件下で、吐出側温度は、比較例１が２７４℃、比較例２が２８０℃であった。
【００７５】
このようにして混練りされた各混練樹脂材料の分散性の評価を行ったところ、比較例１、２の混練樹脂材料による成形品の透過率は、それぞれ１５％、１３％であった。
したがって、これらの混練樹脂材料による分散性は、実施例１〜３と比べて格段に劣ることが分かる。
【符号の説明】
【００７６】
１Ａ、１Ｂ、２０  混練装置
３  可塑化部
７、２１  スクリュー部
７ａ、２１ａ  スクリュー軸
７ｂ  スクリュー
８、２２  スクリュー駆動部
９  回転シリンダー部（シリンダー部）
９ａ  吐出口
９ｂ  シリンダー内周面
１０Ａ、１０Ｂ  螺旋溝部（溝部）
１２  シリンダー駆動部（中空モーター）
１５  制御部
２０  混練装置
２１ｃ  冷却管路（冷却機構）
２５  冷却ポンプ（冷却機構）
３０  射出成形機（成形機）
４０  金型
Ｓ  混練空間
【図１】
2010280128.tif 000004
【図２】
2010280128.tif 000005
【図３】
2010280128.tif 000006
【図４】
2010280128.tif 000007
【図５】
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