(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を投入するホッパが上流側に設けられ混練物が押し出されるダイ部が下流側に設けられるシリンダと、
前記シリンダの内部で軸回転し上流から下流に向かって前記原料を押し出しながら入熱させ前記混練物にするスクリュと、
前記混練物から分離したガス成分を前記シリンダから排出するベント部と、
少なくともフライアッシュ、合成高分子及び液媒を別々に収容し前記フライアッシュ１００重量部に対し、前記合成高分子５〜５００重量部、前記液媒０．１〜１重量部となるように供給する容器と、
供給されたフライアッシュ、合成高分子及び液媒を混合し前記原料として前記ホッパに投入する混合部と、を備えることを特徴とする高分子複合材料の製造装置。
【請求項２】
前記ベント部が設けられた前記シリンダのゾーンは、その前後のゾーンよりも、前記スクリュの溝部分に形成される空隙が大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の高分子複合材料の製造装置。
【請求項３】
前記ベント部が設けられたゾーンにおける前記スクリュの両端には、前記混練物を逆方向に押し出す逆送り形状が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の高分子複合材料の製造装置。
【請求項４】
前記ホッパが設けられた前記シリンダのゾーンは、非加熱ゾーンであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高分子複合材料の製造装置。
【請求項５】
前記スクリュは、深溝比が１．５以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の高分子複合材料の製造装置。
【請求項６】
原料を投入するホッパが上流側に設けられ混練物が押し出されるダイ部が下流側に設けられるシリンダの内部でスクリュを軸回転させるステップと、
少なくともフライアッシュ、合成高分子及び液媒を別々に収容した容器から前記フライアッシュ１００重量部に対し、前記合成高分子５〜５００重量部、前記液媒０．１〜１重量部となるように混合部に供給するステップと、
前記混合部に供給されたフライアッシュ、合成高分子及び液媒を混合し前記原料として前記ホッパに投入するステップと、
前記シリンダの上流から下流に向かって前記原料を押し出しながら入熱させてなる混練物から分離したガス成分をベント部から排出するステップと、
前記ガス成分を排出させた後の前記混練物を前記ダイ部から取り出すステップと、を含むことを特徴とする高分子複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体が充填された高分子複合材料の製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に示すように石炭火力発電所１０では、粉状に砕いた石炭を、ボイラ１１内で燃焼させ、そのエネルギーをタービン１２及び発電機１３により電気に変換している。
この石炭の燃焼に伴い、その約１割に相当する大量の石炭灰が生成する。
そして、この石炭灰は、フライアッシュとクリンカアッシュに分類される。
【０００３】
フライアッシュは、溶融した石炭灰の粒子が高温の燃焼ガス中を浮遊し、低温のボイラ出口で冷却されてガラス状の球形の粒子となり電気集じん器１４で回収されるものである。フライアッシュが回収された燃焼ガスは、煙突１５から大気中に放出される。
このフライアッシュは、粒子径の大きさに従って選り分けて、それぞれサイロ１６に貯蔵される。
【０００４】
一方、クリンカアッシュは、ボイラ１１内の石炭灰の粒子が、相互に付着し合い多孔塊となって、ボイラ１１の内部に残留するものである。
このクリンカアッシュは、ボイラ１１の下部に設けられた水槽（クリンカホッパ１７）に落下して堆積する。そして、粉砕機により砂状に砕かれ、脱水槽１８で脱水した後に、砂状のまま貯蔵槽１９に貯蔵される。
【０００５】
近年、原子力発電所の事故を踏まえて石炭火力発電への依存度が向上している。
そこで、石炭火力発電で発生するフライアッシュの新たな活用用途が検討されている。
これまでフライアッシュは、埋立用途やコンクリート混和剤等に活用されてきた。
しかし、このうち埋立用途に関しては、震災時に発生した液状化現象が、フライアッシュによる埋立地で多く発生したことから、活用が忌避される傾向ある。
一方において、コンクリート混和剤としての用途は、需要が頭打ちであり、今後拡大する見通しもたっていない。
【０００６】
フライアッシュの大量消費が見込まれる用途として、プラスチック複合材の充填材が考えられるが、実用化には至っていない。
一方において、フライアッシュのような微粉体をプラスチック複合材の充填材として活用する試みは、数多く報告されている。
【０００７】
具体的には、プラスチック複合材を押出機で効率的に混練するために、嵩比重の小さな複数種類の原料を、まとめて一か所から投入するのではなく、複数の投入口からそれぞれ別々に投入する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００８】
また、合成樹脂のマトリックス相に、貝殻を粉砕した充填材の分散相を均一に形成するために、合成樹脂と充填材とを液媒（水）と共に混練する技術が開示されている（例えば、特許文献２）。
【０００９】
さらに、合成樹脂と充填材と液媒（水）とを共に混練する場合において、充填材の分散相をさらに微細化・均一化するために、開閉弁を設けて押出機の内部圧力を調整する技術が開示されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３６５０９１５号公報
【特許文献２】特許第５０９７１９１号公報
【特許文献３】特許第４６６０５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１の開示技術では押出機の構成が複雑化する課題があった。
また、特許文献２，３の開示技術では、ミクロレベルでの分散相の微細化（均一化）を達成することができるが、個別に連続供給される各原料の配合ムラが生じる場合は、マクロレベルで不均一になる課題があった。さらに、スクリュの回転抵抗が変動するために、押出機の動作の安定性に欠ける課題があった。
また、特許文献２，３の開示技術において、充填材の配合比率を高める場合は、分散相の微細化（均一化）を確保するために過剰の液媒（水）を投入する必要に迫られるが、この液媒の排出時に大量の気化熱が混練物から奪われる課題があった。
【００１２】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、投入する液媒の量を抑制しつつ高配合率の充填材が均一に分散した高分子複合材料を安定的に製造する技術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】
【００１３】
本発明に係る高分子複合材料の製造装置において、原料を投入するホッパが上流側に設けられ混練物が押し出されるダイ部が下流側に設けられるシリンダと、前記シリンダの内部で軸回転し上流から下流に向かって前記原料を押し出しながら入熱させ前記混練物にするスクリュと、前記混練物から分離したガス成分を前記シリンダから排出するベント部と、少なくともフライアッシュ、合成高分子及び液媒を別々に収容し前記フライアッシュ１００重量部に対し、前記合成高分子５〜５００重量部、前記液媒０．１〜１重量部となるように供給する容器と、供給されたフライアッシュ、合成高分子及び液媒を混合し前記原料として前記ホッパに投入する混合部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、投入する液媒の量を抑制しつつ高配合率の充填材が均一に分散した高分子複合材料を安定的に製造する技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】石炭火力発電所の概略図。
【図２】（Ａ）本発明に係る高分子複合材料の製造装置の第１実施形態を示す縦断面図、（Ｂ）水平断面図。
【図３】本発明に係る高分子複合材料の製造装置の第２実施形態を示す縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図２に示すように、第１実施形態に係る高分子複合材料の製造装置２０は、原料を投入するホッパ２１が上流側に設けられ混練物が押し出されるダイ部２２が下流側に設けられるシリンダ２３と、このシリンダ２３の内部で軸回転し上流から下流に向かって原料を押し出しながら入熱させ混練物にするスクリュ２４と、混練物から分離したガス成分をシリンダ２３から排出するベント部２５と、少なくとも粉体、合成高分子及び液媒を別々に収容しそれぞれ所定の分量を供給する容器２６（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）と、供給された粉体、合成高分子及び液媒を混合し原料としてホッパ２１に投入する混合部２７と、を備えている。
【００１７】
容器２６（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）には、それぞれ粉体、合成高分子及び液媒が収容されている。
本実施形態において粉体として採用されるフライアッシュは、球形・不定形が混在する平均粒径が１０〜３０μｍの形態を示す。
このフライアッシュは、図１に示す生成プロセスからも判るように、含水量が、ほぼ０の絶乾状態で供給される。
そして、フライアッシュの主成分は、シリカ（ＳｉＯ2）及びアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）で７０〜８０％を占め、他の成分は、酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ナトリウム（Ｎａ2Ｏ）、酸化カリウム（Ｋ2Ｏ）等である。
【００１８】
合成高分子は、高分子複合材料のマトリックス相を形成するものであって、加熱により溶融する熱可塑性樹脂や、加熱により硬化する熱硬化性樹脂のいずれでも採用することができ、常温から所定温度に昇温することにより流動化するものが適用される。
【００１９】
熱可塑性樹脂としては、ペレット状に成形された、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、エチレン−アクリル酸エチル共重合体（ＥＥＡ）等のポリオレフィン系の樹脂が好適である。
【００２０】
またこれらに限定されることなく、その他、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、アクリル・ブチレン・スチレン（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリアミド（ＰＡ）等、加熱により熱流動する性質を有し一般に押出成形が可能なものであれば、特に制限無く用いることができる。
さらに、これら熱可塑性樹脂は、二種以上混合して使用してもよい。
また、これら熱可塑性樹脂の再生品を使用することもできる。
【００２１】
液媒は、水が好適に採用されるが、シリンダ２３内の設定温度及び大気圧レベルで気化するものであれば、適宜用いることができる。
この液媒は、粉体と合成樹脂と共に密閉状態で加熱混練すると、合成樹脂の流動体マトリックス相に、粉体の微細な分散相を形成する作用をもたらす。
つまり液媒は、加熱混練時に合成樹脂の流動体中で粉体が凝集するのを防いで複合体をミクロレベルで均一化する働きを有する。
【００２２】
容器２６（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）のそれぞれに収容される原料が、混合部２７に向けて、粉体（フライアッシュ）１００重量部に対し、合成高分子５〜５００重量部、液媒０．１〜１重量部の割合で供給される。
ここで合成高分子の割合が５重量部よりも低い場合は、高分子複合材料を構成する合成高分子のマトリックス相の形成が不十分となる。
そして、合成高分子の割合が５００重量部よりも高い場合は、粉体の配合が相対的に小さくなり高分子複合材料としての種々の特性が低下する。
【００２３】
また液媒の割合が０．１重量部よりも低い場合は、フライアッシュ粒子の表面を濡らすことができず、加熱混練過程における粉体凝集の抑制効果が低下する。また、混合部２７で原料を混合する際やホッパ２１に投下する際に、フライアッシュの粉体が舞い上がり、作業環境を悪化させてしまう。
また液媒の割合が１重量部よりも高い場合は、混練体から液媒を十分に除去するのに必要なベント部２５の要求スペックが上がり、設備コストが上昇する。
【００２４】
混合部２７は、所定の配合率で粉体、合成高分子及び液媒を均一に混合してから原料をホッパ２１に投入する。
これにより、ホッパ２１に投入される原料の配合ムラが解消され、連続的に製造される高分子複合材料のマクロレベルにおける均一性が確保される。
また、ホッパ２１に投入される原料の配合ムラが解消されることにより、粉体の配合比率を向上させることができ、さらに液媒を過剰に投入する必要がなくなりベント部２５の負荷を軽減することができる。
さらに、ホッパ２１に投入される原料の配合ムラが解消されることにより、スクリュ２４を一定速度で回転させるのに必要な駆動部２９のトルク変動を抑制することができ、高分子複合材料の製造の安定性を確保することができる。
【００２５】
シリンダ２３は、原料（粉体、合成高分子及び液媒）を投入するホッパ２１が設けられたフィードゾーンＡと、投入した原料の加熱混練ゾーンＢと、混練物に含まれる液媒を気化してベント部２５から排出する液媒排出ゾーンＣと、溶融状態の混練物が一定圧でかつ一定量でダイ部２２から押し出されるように調整するメタリングゾーンＤとに分類される。
このシリンダ２３には、フィードゾーンＡを除く部分の外周に、ヒータ２８が設けられている。このヒータ２８によりシリンダ２３の各ゾーンは、適切な温度に制御される。
そして、溶融状態の混練物は、最下流に設けられたダイ部２２から吐出され、冷却バス（図示略）を通過して凝固した後に、ペレタイザー（図示略）により米粒状のペレットにカットされる。
【００２６】
スクリュ２４は、その軸周りに螺旋状のフライトが形成されているものであって、その末端に設けられた駆動部２９によって軸回転する。これにより、フライトから圧力を受けて原料及び混練物が、シリンダ２３の上流から下流に向かって押し出される。
このスクリュ２４は、その外径と谷径との比で表される深溝比が１．５以上であることが望ましい。
このように、スクリュ２４の深溝比が設定されることにより、シリンダ２３内に大きなフリーボリュームが形成され、嵩密度の小さな原料であっても処理量を安定化させることができる。
【００２７】
なお、実施形態における高分子複合材料の製造装置２０は、フライトの螺旋方向が同じで同方向回転の二軸型を例示しているが、フライトの螺旋方向が逆の異方向回転であってもよく、一軸型又は多軸型であってもよい。また、スクリュ外径が先端にいくに従って細くなるコニカル型の押出機にも適用することができる。
【００２８】
シリンダ２３においてフィードゾーンＡは、ヒータ２８が設けられていない非加熱ゾーンであるために、投入された原料（粉体、合成高分子及び液媒）のうち液媒が気化してホッパ２１から散逸することが防止される。
【００２９】
加熱混練ゾーンＢでは、原料が、軸回転するスクリュ２４及びヒータ２８の働きにより加熱混練され、この原料に含まれる合成樹脂が溶融する。
原料に含まれる粉体は、密閉系における高温高圧状態の液媒の作用により再凝集が抑制され、溶融体のマトリックス中で微細に均一分散していくことになる。
【００３０】
次に液媒排出ゾーンＣを、混練物を通過すると、密閉系から開放系に切り替わり、内部圧力が大気圧レベルに低下するために、含まれる液媒が気化する。
そして、ベント部２５において混練物から分離したガス成分を排出する。
このベント部２５は、シリンダ２３に形成した開口をメッシュ板（図示略）で覆い、混練体がこのベント部２５から外側に飛び出さないように構成されている。
一方、液媒の気化ガスは、このメッシュ板を通過して選択的に外部に排出される。
【００３１】
なお、絞り弁（図示略）を設けたベント部２５を、シリンダ２３の長手方向に複数配置し、それらの内部圧を上流から下流に向かって大気圧に漸近するように設定することで、液媒の急激な気化を防止してもよい。
また、ベント部２５に減圧ポンプ（図示略）を設け、シリンダ２３の内部圧力を大気圧よりも低圧に設定することで、液媒の排出を促進させてもよい。
【００３２】
最終的にダイ部２２から出力され、ペレット状に成形された高分子複合材料は、市場を流通した後に、再溶融されて種々の最終製品に成形される。
実施形態で示したフライアッシュ充填高分子複合材料で成形されるのに好適な最終製品としては、コンクリート型枠用合板（コンパネ）等の土木用の樹脂板、合成高分子をポリプロピレンとしフライアッシュを３０〜７０重量部に配合したプラスチック段ボール、合成高分子を低密度ポリエチレン又は／及び直鎖状低密度ポリエチレンとしフライアッシュを２０〜６０重量部に配合したシート、フィルム又は袋等が挙げられる。
【００３３】
（第２実施形態）
次に図３に基づいて本発明における第２実施形態について説明する。
なお、図３において図２と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第２実施形態に係る高分子複合材料の製造装置２０は、ベント部２５が設けられたシリンダのゾーンＣは、その前後のゾーンＢ，Ｄよりも、スクリュ２４の溝部分に形成される空隙３３が大きく設定されている。
これにより液媒排出ゾーンＣにおいて、混練体がシリンダ２３及びスクリュ２４から受ける圧力が低下し、液媒の気化が促進されるとともに、混練体がベント部２５から盛り上がる現象も抑制できる。
【００３４】
さらに、第２実施形態に係る高分子複合材料の製造装置２０は、ベント部２５が設けられたゾーンＣにおけるスクリュ２４の両端には、混練物を逆方向に押し出す逆送り形状３１，３２が形成されている。
上流側の逆送り形状３１により、加熱混練ゾーンＢにおいて背圧が付与された混練体は、液媒排出ゾーンＣに到達したところで急激に圧力が低下し、液媒の気化が促進される。
そして、下流側の逆送り形状３２により、液媒排出ゾーンＣにおける混練体の滞留時間が延長されて液媒の排出が促進される。
【００３５】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の高分子複合材料の製造装置によれば、粉体、合成高分子及び液媒を混合してから押出機のホッパに供給することにより、投入する液媒の量を抑制しつつ高配合率の充填材が均一に分散した高分子複合材料を安定的に製造することが可能となる。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３７】
１０…石炭火力発電所、２０…高分子複合材料の製造装置、２１…ホッパ、２２…ダイ部、２３…シリンダ、２４…スクリュ、２５…ベント部、２６（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）…容器、２７…混合部、２８…ヒータ、２９…駆動部、３１，３２…逆送り形状、３３…空隙、Ａ…フィードゾーン、Ｂ…加熱混練ゾーン、Ｃ…液媒排出ゾーン、Ｄ…メタリングゾーン。
【要約】
【課題】投入する液媒の量を抑制しつつ高配合率の充填材が均一に分散した高分子複合材料を安定的に製造する技術を提供する。
【解決手段】高分子複合材料の製造装置２０は、原料を投入するホッパ２１が上流側に設けられ混練物が押し出されるダイ部２２が下流側に設けられるシリンダ２３と、このシリンダ２３の内部で軸回転し上流から下流に向かって原料を押し出しながら入熱させ混練物にするスクリュ２４と、混練物から分離したガス成分をシリンダ２３から排出するベント部２５と、少なくとも粉体、合成高分子及び液媒を別々に収容しそれぞれ所定の分量を供給する容器２６（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）と、供給された粉体、合成高分子及び液媒を混合し原料としてホッパ２１に投入する混合部２７と、を備えている。
【選択図】  図２【図１】
0005584807.tif 000002
【図２】
0005584807.tif 000003
【図３】
0005584807.tif 000004