(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱冷却可能なシリンダ(1)内に一対のスクリュ(7)を内設し、前記各スクリュ(7)を駆動機にて同方向回転させ、少なくとも輸送部と混練部とを有する前記シリンダ(1)内に供給した主原料(3)と副原料(5)を分散させる領域において、幅広のフライト山頂部(13a)を有し、前記輸送部における輸送用スクリュのように上流から下流にかけてフライトを連続的に順方向に捻り、かつ、フライト山頂部(13a)の一部が削られてなることにより形成されたダムフライトスクリュ(13B)を用いて前記主原料(3)と副原料(5)の混練を行うようにしたことを特徴とする二軸スクリュ式押出機の混練方法。
【請求項２】
前記ダムフライトスクリュ(13B)は、軸直角断面において、前記スクリュ(7)のスクリュ中心点をＯ、前記フライト山頂部(13a)の第１〜第３フライト頂点をＡ，Ｂ，Ｃとした場合、フライトＰの幅は∠ＡＯＣの第１角度ａ＝９９．４°で形成され、前記フライトＰの上流側は原料を輸送するための輸送フライトＱ、その下流側には原料を混練する混練フライトＲで形成され、前記輸送フライトＱの幅は∠ＡＯＢの第２角度ｂ≧１６．８°で形成され、前記混練フライトＲの幅は∠ＢＯＣの第３角度ｃは≦８２．６°で形成され、前記輸送フライトＱと混練フライトＲの段差δは０Ｄ＜δ≦０．０９Ｄ（Ｄはシリンダ内径）であることを特徴とする請求項１記載の二軸スクリュ式押出機の混練方法。
【請求項３】
加熱冷却可能なシリンダ(1)内に一対のスクリュ(7)を内設し、前記各スクリュ(7)を駆動機にて同方向回転させ、少なくとも輸送部と混練部とを有する前記シリンダ(1)内に供給した主原料(3)と副原料(5)を分散させる領域において、幅広のフライト山頂部(13a)を有し、前記輸送部における輸送用スクリュのように上流から下流にかけてフライトを連続的に順方向に捻り、かつ、フライト山頂部(13a)の一部が削られてなることにより形成されたダムフライトスクリュ(13B)を用いて前記主原料(3)と副原料(5)の混練を行うようにしたことを特徴とする二軸スクリュ式押出機の混練装置。
【請求項４】
前記ダムフライトスクリュ(13B)は、軸直角断面において、前記スクリュ(7)のスクリュ中心点をＯ、前記フライト山頂部(13a)の第１〜第３フライト頂点をＡ，Ｂ，Ｃとした場合、フライトＰの幅は∠ＡＯＣの第１角度ａ＝９９．４°で形成され、前記フライトＰの上流側は原料を輸送するための輸送フライトＱ、その下流側には原料を混練する混練フライトＲで形成され、前記輸送フライトＱの幅は∠ＡＯＢの第２角度ｂ≧１６．８°で形成され、前記混練フライトＲの幅は∠ＢＯＣの第３角度ｃは≦８２．６°で形成され、前記輸送フライトＱと混練フライトＲの段差δは０Ｄ＜δ≦０．０９Ｄ（Ｄはシリンダ内径）であることを特徴とする請求項３記載の二軸スクリュ式押出機の混練装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二軸スクリュ式押出機の混練方法及び装置に関し、特に、混練部にダムフライトスクリュを用い、副原料の分散性を向上させるための新規な改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、用いられていたこの種の二軸スクリュ式押出機用混練スクリュ及び装置としては、特許文献１及び特許文献２で提案されている構成を挙げることができる。
図２０において符号１で示されるものは、副原料分散用二軸スクリュ式押出機２のシリンダであり、このシリンダ１の上流側には、主原料３を供給するための主原料供給部４が設けられ、この主原料供給部４の下流側には、副原料５を供給するための副原料供給部６が設けられている。
【０００３】
前記シリンダ１内には、互いに噛み合い同方向回転する一対のスクリュ７が回転自在に内設されている。
前記各スクリュ７により、前記副原料分散用二軸スクリュ式押出機２は、その上流側から下流側へ向けて、第１輸送部８、第１混練部９、第２輸送部１０、第２混練部１１及び第３輸送部１２が順に形成されている。
【０００４】
次に、動作について説明する。まず、主原料供給部４より二軸スクリュ式押出機２内に供給された主原料３は、第１輸送部８により第１混練部９まで輸送され、この第１混練部９で剪断力を付加されつつ溶融して下流側へ輸送される。
前記副原料供給部６から供給された副原料５は、前記主原料３と共に第２輸送部１０により第２混練部１１へ輸送され、この第２混練部１１で剪断を付加されることで、前記主原料３中に均一分散されつつ下流側へ輸送され、前記第３輸送部により先端のダイス（図示せず）側から外部へ吐出される。
【０００５】
また、前述の特許文献１の構成においては、主原料３と副原料５とが均一に分散される第２混練部１１に、図２１及び図２２に示される逆リードを有したフライトに切欠きを設けた形状のスクリュピース１３を配備することにより、混練効率を向上させている。
【０００６】
一方、前述の特許文献２の構成においては、主原料３と副原料５とが均一に分散される第２混練部１１に、図２３及び図２４に示されるようなニーディングと称される多段ディスク構成の混練用スクリュ１４が配設されており、このニーディングディスク１５のディスク幅ＤＷはシリンダ内径Ｄの半分に設定されている。
前述のように、ディスク幅ＤＷの広い混練用スクリュ１４を用いることにより、原料がディスク山頂部とシリンダ内面の間を通過しやすくなり、副原料の分散性の効率を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１２０２７１号公報
【特許文献２】実用新案登録公報第２５５１２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の二軸スクリュ式押出機の混練方法及び装置は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、前述の従来構成による副原料分散方法では、その原料によっては過剰な剪断力が負荷され、原料の温度が上昇し、原料の分解により品質が低下することになっていた。
また、モータへの負荷も大きくなるため、イニシャルコスト及びランニングコストが増加することになっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による二軸スクリュ式押出機の混練方法は、加熱冷却可能なシリンダ内に一対のスクリュを内設し、前記各スクリュを駆動機にて同方向回転させ、少なくとも輸送部と混練部とを有する前記シリンダ内に供給した主原料と副原料を分散させる領域において、幅広のフライト山頂部を有し、前記輸送部における輸送用スクリュのように上流から下流にかけてフライトを連続的に順方向に捻り、かつ、フライト山頂部の一部が削られてなることにより形成されたダムフライトスクリュを用いて前記主原料と副原料の混練を行う方法であり、また、前記ダムフライトスクリュは、軸直角断面において、前記スクリュのスクリュ中心点をＯ、前記フライト山頂部の第１〜第３フライト頂点をＡ，Ｂ，Ｃとした場合、フライトＰの幅は∠ＡＯＣの第１角度ａ＝９９．４°で形成され、前記フライトＰの上流側は原料を輸送するための輸送フライトＱ、その下流側には原料を混練する混練フライトＲで形成され、前記輸送フライトＱの幅は∠ＡＯＢの第２角度ｂ≧１６．８°で形成され、前記混練フライトＲの幅は∠ＢＯＣの第３角度ｃは≦８２．６°で形成され、前記輸送フライトＱと混練フライトＲの段差δは０Ｄ＜δ≦０．０９Ｄ（Ｄはシリンダ内径）である方法であり、また、本発明による二軸スクリュ式押出機の混練装置は、加熱冷却可能なシリンダ内に一対のスクリュを内設し、前記各スクリュを駆動機にて同方向回転させ、少なくとも輸送部と混練部とを有する前記シリンダ内に供給した主原料と副原料を分散させる領域において、幅広のフライト山頂部を有し、前記輸送部における輸送用スクリュのように上流から下流にかけてフライトを連続的に順方向に捻り、かつ、フライト山頂部の一部が削られてなることにより形成されたダムフライトスクリュを用いて前記主原料と副原料の混練を行う構成であり、また、前記ダムフライトスクリュは、軸直角断面において、前記スクリュのスクリュ中心点をＯ、前記フライト山頂部の第１〜第３フライト頂点をＡ，Ｂ，Ｃとした場合、フライトＰの幅は∠ＡＯＣの第１角度ａ＝９９．４°で形成され、前記フライトＰの上流側は原料を輸送するための輸送フライトＱ、その下流側には原料を混練する混練フライトＲで形成され、前記輸送フライトＱの幅は∠ＡＯＢの第２角度ｂ≧１６．８°で形成され、前記混練フライトＲの幅は∠ＢＯＣの第３角度ｃは≦８２．６°で形成され、前記輸送フライトＱと混練フライトＲの段差δは０Ｄ＜δ≦０．０９Ｄ（Ｄはシリンダ内径）である構成である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による二軸スクリュ式押出機の混練方法及び装置は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、加熱冷却可能なシリンダ内に一対のスクリュを内設し、前記各スクリュを駆動機にて同方向回転させ、少なくとも輸送部と混練部とを有する前記シリンダ内に供給した主原料と副原料を分散させる領域において、幅広のフライト山頂部を有し、前記輸送部における輸送用スクリュのように上流から下流にかけてフライトを連続的に順方向に捻り、かつ、フライト山頂部の一部が削られてなることにより形成されたダムフライトスクリュを用いて前記主原料と副原料の混練を行うことにより、副原料の分散領域に幅の広いフライト山頂部を有した輸送スクリュを配備しているため、副原料を円滑に分散させて混練することが可能であり、フライト山頂部を削り段差を設けていることにより、低温で副原料を混練させることができ、モータへの負荷を低減できる。
また、前記ダムフライトスクリュはフライト山頂部の一部が前述のように削られてなることにより、低温での副原料の分散が可能である。
また、前記ダムフライトスクリュは、軸直角断面において、前記スクリュのスクリュ中心点をＯ、前記フライト山頂部の第１〜第３フライト頂点をＡ，Ｂ，Ｃとした場合、フライトＰの幅は∠ＡＯＣの第１角度ａ＝９９．４°で形成され、前記フライトＰの上流側は原料を輸送するための輸送フライトＱ、その下流側には原料を混練する混練フライトＲで形成され、前記輸送フライトＱの幅は∠ＡＯＢの第２角度ｂ≧１６．８°で形成され、前記混練フライトＲの幅は∠ＢＯＣの第３角度ｃは≦８２．６°で形成され、前記輸送フライトＱと混練フライトＲの段差δは０Ｄ＜δ≦０．０９Ｄ（Ｄはシリンダ内径）であることにより、混練時における溶融樹脂の温度を下げ、分散性も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による二軸スクリュ式押出機の混練方法及び装置を示す断面構成図である。
【図２】図１の第２混練部を示す拡大正面図である。
【図３】図２の断面図である。
【図４】図２の他の形態（ダムフライトスクリュ）を示す正面図である。
【図５】図４の断面図である。
【図６】本発明による二軸スクリュ式押出機の混練方法の副原料の分散実験に用いるフルフライトスクリュを示す正面図である。
【図７】図６の側面のデータを示す側面図である。
【図８】図６の実験に用いる１条幅広スクリュを示す正面図である。
【図９】図８の側面のデータを示す側面図である。
【図１０】図６の実験に用いるダムフライトスクリュを示す正面図である。
【図１１】図１０の側面のデータを示す側面図である。
【図１２】図６の実験に用いるダムフライトスクリュを示す正面図である。
【図１３】図１２の側面のデータを示す側面図である。
【図１４】図６の実験でフルフライトスクリュを用いた分散性の実験結果である。
【図１５】図１４で１条幅広スクリュを用いた場合の実験結果である。
【図１６】図１４でダムフライトスクリュを用いた場合の実験結果である。
【図１７】図１４でダムフライトスクリュを用いた場合の実験結果である。
【図１８】本発明による分散性の実験における樹脂温度とスクリュ回転速度の関係を示す特性図である。
【図１９】本発明による分散性の実験におけるスクリュ形状における比エネルギー（Ｅｓｐ）とスクリュ回転速度の関係を示す特性図である。
【図２０】従来の副原料分散用二軸スクリュ式押出機を示す断面図である。
【図２１】従来の副原料分散用スクリュを示す正面図である。
【図２２】図２１のスクリュの側面図である。
【図２３】図２０の副原料分散用二軸スクリュ式押出機の混練用スクリュを示す正面図である。
【図２４】図２３の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、混練部にダムフライトスクリュを用い、副原料の分散性を向上させるようにした二軸スクリュ式押出機の混練方法及び装置を提供することを目的とする。
【実施例】
【００１３】
以下、図面と共に本発明による二軸スクリュ式押出機の混練方法及び装置の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には、同一符号を用いて説明する。
図１において、符号１で示されるものは、副原料分散用二軸スクリュ式押出機２のシリンダであり、このシリンダ１の上流側には、主原料３を供給するための主原料供給部４が設けられ、この主原料供給部４の下流側には、副原料５を供給するための副原料供給部６が設けられている。
【００１４】
前記シリンダ１内には、互いに噛み合い同方向回転する一対のスクリュ７が回転自在に内設されている。
前記各スクリュ７により、前記シリンダ１は、その上流側から下流側へ向けて、第１輸送部８、第１混練部９、第２輸送部１０、第２混練部１１及び第３輸送部１２が順に形成されている。
【００１５】
前記主原料３と副原料５を分散させる領域である前記第２混練部１１のスクリュピース１３を図２及び図３で示されるように、幅広のフライト山頂部１３ａを有すると共に前記各輸送部８，１０，１２の輸送用スクリュのように上流側から下流にかけてフライトを連続的に順方向に捻ることにより形成された１条幅広スクリュ１３Ａを用いて主原料と副原料の混練を行うように構成されている。
【００１６】
また、前記１条幅広スクリュ１３Ａからなるスクリュピース１３の前記フライト山頂部１３ａの一部を削り取ると、図４及び図５で示されるダムフライトスクリュ１３Ｂが形成され、このダムフライトスクリュ１３Ｂを前記１条幅広スクリュ１３Ａの代りに用いることができる。
【００１７】
前記１条幅広スクリュ１３Ａは、図３で示されるように、前記１条幅広スクリュ１３Ａの軸直角断面において、スクリュ中心点をＯ、前記フライト山頂部１３ａの一対のフライト頂点をＡ，Ｃとした場合、このフライト山頂部１３ａの角度ａは９９．４°である。
【００１８】
また、前記ダムフライトスクリュ１３Ｂは、図４及び図５で示されるように、フライトＰは、輸送フライトＱ及び混練フライトＲとから構成され、側断面から示すと、図５の通り、前記フライト山頂部１３ａの第１〜第３フライト頂点をＡ，Ｂ，Ｃとした場合、フライトＰの幅は、∠ＡＯＣの第１角度ａ＝９９．４°で形成され、前記フライトＰの上流側には原料を輸送するための前記輸送フライトＱ、その下流側には原料を混練する前記混練フライトＲで形成され、前記輸送フライトＱの幅は∠ＡＯＢの第２角度ｂ≧１６．８°で形成され、前記混練フライトＲの幅は∠ＢＯＣの第３角度ｃ≦８２．６°で形成され、前記輸送フライトＱと混練フライトＲをなす輸送フライトＱと混練フライトＲの段差δは０Ｄ＜δ≦０．０９Ｄ（Ｄはシリンダ内径）である。
【００１９】
すなわち、この発明の構成においては、原料の温度を上昇させずに、かつモータへの負荷を抑え、副原料を混練させるために、主原料３と副原料５を分散させる領域に、幅の広いフライト山頂部１３ａを有し、かつ輸送用スクリュのように上流から下流にかけてフライトを連続的に順方向に捻り、かつ、フライト山頂部１３ａの一部が削られてなる形状を有したダムフライトスクリュ１３Ｂを配備したものである。このフライト山頂部１３ａの幅を広くすることで、フライト山頂部１３ａとシリンダ１内面を通過する原料の量が増加し、効果的に主原料３と副原料５の混練分散が可能となり、また、上流から下流にかけてフライトを連続的に順方向に捻ることで原料輸送能力が向上し、過剰な剪断力が付加されることなく原料温度上昇を抑制することができる。
【００２０】
次に、動作について述べる。まず、二軸スクリュ式押出機２内に供給された主原料３は、第１輸送部８により第１混練部９まで輸送され、第１混練部９で剪断力を付加されながら溶融し、下流側へ輸送される。第１混練部９の下流側から押出機２内へ供給された副原料５は、溶融した主原料３と共に第２輸送部１０により第２混練部１１まで輸送され、第２混練部１１で剪断を付加されることで主原料３中に均一分散されながら下流側へ輸送される。この第２混練部１１の下流側に配備された第３輸送部１２により押出機２外へと吐出される。この主原料３と副原料５を分散させる第２混練部においては、幅の広いフライト山頂部１３ａを有し、かつ上流から下流にかけてフライトを連続的に順方向に捻った形状を有した図２と図３に示すような、混練性能と輸送性能を兼ね備えたスクリュである１条幅広スクリュ１３Ａを配備する。また、図４と図５に示すような、フライト山頂部１３ａの一部をカットした形状からなるダムフライトスクリュ１３Ｂである方が、より望ましい。
【００２１】
前述のダムフライトスクリュ１３Ｂは、図４と図５に示すように、ダムフライトスクリュと称され、１条の順リードのフライトで形成されており、軸直角断面において、スクリュ中心点をＯとし、各フライト頂点をＡ，Ｂ，Ｃとした場合、フライトＰの幅は∠ＡＯＣの第１角度ａ＝９９．４°で形成され、フライトＰは、上流側は原料を輸送するための輸送フライトＱ、その下流側には原料を混練する混練フライトＲの２段で構成されている。ダムフライトの輸送フライトＱは機械的強度を考慮し、∠ＡＯＢの第２角度ｂがｂ≧１６．８°で形成され、混練フライトＲは、∠ＢＯＣの第３角度ｃがｃ≦８２．６°で形成される。また、図５の輸送フライトＱと混練フライトＲの段差δは、０Ｄ＜δ≦０．０９Ｄである。Ｄはシリンダ内径である。主原料３及び副原料５は輸送フライトＱの下流面で原料を輸送するため、原料は混練フライトＲ部分に占有されやすくなり、混練フライトＲの山頂部とシリンダ内面で発生する剪断力により主原料３と副原料５は効果的に混練分散することが可能となる。また、混練フライトＲでは段差δを調整することで、原料に過剰な剪断力を付加することなく、樹脂温度上昇を抑制することができる。
【００２２】
次に、本発明による二軸スクリュ式押出機の混練方法及び装置における実際に実験をした実施例について述べる。
実験に使用した副原料分散用二軸スクリュ式押出機２については、図１に示される構成を使用し、一対のスクリュ７が互いに噛み合って同方向回転している構成であり、図１の第２混練部１１にて前記主原料３と副原料５を分散混練させ、図６、図８、図１０、図１２の各スクリュを用いた場合について実験を行った。
【００２３】
まず、
主原料；ＬＤＰＥ（ＭＩ＝２）
副原料；カーボンマスターバッチ
シリンダ内径；６９φｍｍ
処理能力；２００〜３００ｋｇ／ｈ（カーボンは１phr供給）
スクリュ回転速度;１５０〜４５０rpm
実験で使用したスクリュのうち、第１実験例として、図６、図７に示す一般的な輸送用スクリュであるフルフライトスクリュ３０を第２混練部１１に６．０Ｄ組み込み、その最下流に抵抗となる混練翼を０．５Ｄシールリングを組込んだ構成である。
【００２４】
第２実験例は、第２混練部１１に混練性能と輸送性能を有した図８、図９の１条幅広スクリュを６．０Ｄ組込み、その直後に０．５Ｄのシールリングを組込んだ構成である。
第３、第４実験例は、図１０と図１１及び図１２と図１３に示すように、第２混練部１１に混練性能と輸送性能を有したダムフライトスクリュ１３Ｂを６．０Ｄ組込み、その直後に０．５Ｄのシールリングを組込んだ構成である。
【００２５】
前述の図６、図７のフルフライトスクリュ３０は、フライトリードＥは1．５Ｄ、フライトＰの幅は∠ＡＯＢの角度ａ＝１６．８°で形成される幅とした。図８、図９の１条幅広スクリュ１３Ａは、フライトリードＥは１．５Ｄとし、フライトＰの幅は∠ＡＯＣの角度ａ＝９９．４°で形成される幅とした。図１０、図１１のダムフライトスクリュ１３Ｂは、フライトリードＥは１．５Ｄとし、フライトＰは∠ＡＯＣの角度ａ＝９９．４°で形成し、輸送フライトＱは∠ＡＯＢの角度ｂ＝２６．３°、混練フライトＲは∠ＢＯＣの角度ｃ＝７３．１°で形成される幅とし、段差δ０．０４Ｄとし、図１２、図１３の構成では、０．０９Ｄとした。
その他の領域のシリンダ１内のスクリュについては、全て同じ形状構成とし、第２混練部１１の違いによる性能比較を実施した。
【００２６】
前述の各実験結果は次の通りである。すなわち、図１４〜図１７、図１８、図１９に実験データを示す。
図１４〜図１７は各スクリュ形状における副原料であるカーボンマスターバッチの分散性を示しており、二軸スクリュ式押出機２の出口で採取したサンプルを厚さ０．３ｍｍにカットし、顕微鏡にて１００倍の倍率で撮影した結果である。濃い黒い領域がカーボンの凝集物を示している。１条幅広スクリュ１３Ａとダムフライトスクリュ１３Ｂはカーボンの凝集体が少ないため、良く分散できていることが分かる。一方、フルフライトスクリュ３０はカーボンの凝集体が多いことから、分散性は悪いことが分かる。
【００２７】
図１８に前述の各スクリュにおける押出機出口での樹脂温度を示す。１条幅広スクリュ１３Ａはカーボンの分散性は良かったが、樹脂温度が高いことが分かる。一方、ダムフライトスクリュ１３Ｂは、１条幅広スクリュ１３Ａより樹脂温度が約１．７％（４℃）低下した。また、フルフライトスクリュ３０は分散性は低いが樹脂温度は最も低い。
図１９に各スクリュ形状における比エネルギー（Esp.)を示す。１条幅広スクリュ１３Ａは最もＥｓｐ．が高い。一方、ダムフライトスクリュ１３Ｂは、１条幅広スクリュ１３ＡよりＥｓｐ．が約８．５％（０．０１７ｋＷｈ／ｋｇ）低下しており、フルフライトスクリュ３０とほぼ同程度であった。
以上のように、この発明によれば、副原料分散領域に幅の広いフライト山頂部を有した輸送スクリュを配備することで、副原料を混練することが可能であり、フライト山頂部を削り段差を設けることで、低温で副原料を混練させることができ、かつモータへの負荷を低減できることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明による二軸スクリュ式押出機の混練方法及び装置は、主原料及び副原料を樹脂等に限らず、食品材料等に適用できる。
【符号の説明】
【００２９】
１    シリンダ
２    副原料分散用二軸スクリュ式押出機
３    主原料
４    主原料供給部
５    副原料
６    副原料供給部
７    スクリュ
８    第１輸送部
９    第１混練部
１０    第２輸送部
１１    第２混練部
１２    第３輸送部
１３    スクリュピース
１３Ａ    １条幅広スクリュ
１３Ｂ    ダムフライトスクリュ
１３ａ    幅広のフライト山頂部
Ｐ    フライト幅
Ｑ    輸送フライト
Ｒ    混練フライト
３０    フルフライトスクリュ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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