(57)【要約】【課題】超臨界流体または亜臨界流体の材料への浸透率を向上させることが可能な混練装置を提供する。【解決手段】超臨界流体または亜臨界流体の存在下において、材料を混練しながら下流に搬送する混練機５を有する。混練機５は、混練物が内部を流通するチャンバ１１と、チャンバ１１の内部に設けられた複数の混練翼１２と、を有する。少なくとも１つの混練翼１２は、材料を混練しながら上流に向かって押し出す逆送翼１２ｂであり、残りの混練翼１２は、材料を混練しながら下流に向かって押し出す順送翼１２ａである。逆送翼１２ｂの押出量は、順送翼１２ａの押出量よりも少なくされている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界流体または亜臨界流体の存在下において、材料を混練しながら下流に搬送する混練機を有し、
前記混練機は、
混練物が内部を流通するチャンバと、
前記チャンバの内部に設けられた複数の混練翼と、
を有し、
少なくとも１つの前記混練翼は、前記材料を混練しながら上流に向かって押し出す逆送翼であり、
残りの前記混練翼は、前記材料を混練しながら下流に向かって押し出す順送翼であり、
前記逆送翼の押出量は、前記順送翼の押出量よりも少なくされていることを特徴とする混練装置。
【請求項２】
少なくとも１つの前記順送翼は、静翼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】
前記長手方向に直交する方向の断面視において、前記チャンバは、鉛直方向に沿った中心線に対して線対称な形状にされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の混練装置。
【請求項４】
前記長手方向に直交する方向の断面視において、複数の前記混練翼は、前記中心線に対して線対称に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の混練装置。
【請求項５】
３つ以上の前記混練翼に囲まれた領域であって、前記混練翼に干渉しない領域に、静翼が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の混練装置。
【請求項６】
３つ以上の前記混練翼に囲まれた領域であって、前記混練翼に干渉しない領域に、内部を冷却流体が流通する冷却体が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の混練装置。
【請求項７】
複数の前記混練翼には、回転数が異なる前記混練翼が含まれていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の混練装置。
【請求項８】
前記チャンバ内には、前記混練翼を中心とする流路が複数形成されており、
複数の前記流路の径が互いに同じであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の混練装置。
【請求項９】
前記チャンバ内には、前記混練翼を中心とする流路が複数形成されており、
複数の前記流路には、径が異なる前記流路が含まれていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の混練装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超臨界流体または亜臨界流体の存在下において、材料の混練を行う混練装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、超臨界流体または亜臨界流体（超臨界流体等という。）の存在下において、未架橋ゴムとフィラーとを混練するゴム製品の製造方法が開示されている。フィラー含有未架橋ゴムを調製し、このフィラー含有未架橋ゴムで他材接触部を形成することにより、他材接触部の耐摩性が優れるゴム製品を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２５９２０３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、二軸押出混練装置を用いて混練を行っている。しかしながら、二軸押出混練装置を用いる従来の溶融混練では、せん断をかける観点から、チャンバの壁面と混練翼との間に介在する材料の密度を上げることの方が重要であって、超臨界流体等の材料への浸透は不十分であった。一方、超臨界流体等の存在下における混練では、できるだけ多くの超臨界流体等に材料が接して、より多くの超臨界流体等が材料に浸透することが望ましい。
【０００５】
そこで、本発明は、超臨界流体または亜臨界流体の材料への浸透率を向上させることが可能な混練装置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】
本発明は、超臨界流体または亜臨界流体の存在下において、材料を混練しながら下流に搬送する混練機を有し、前記混練機は、混練物が内部を流通するチャンバと、前記チャンバの内部に設けられた複数の混練翼と、を有し、少なくとも１つの前記混練翼は、前記材料を混練しながら上流に向かって押し出す逆送翼であり、残りの前記混練翼は、前記材料を混練しながら下流に向かって押し出す順送翼であり、前記逆送翼の押出量は、前記順送翼の押出量よりも少なくされていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、チャンバの内部に設けられた複数の混練翼のうち、少なくとも１つの混練翼は、材料を混練しながら上流に向かって押し出す逆送翼であり、残りの混練翼は、材料を混練しながら下流に向かって押し出す順送翼である。逆送翼によって、混練物を上流に逆送することで、混練機での混練物の滞留時間が増加し、チャンバ間での混練物の移動が促進される。その結果、より多くの超臨界流体または亜臨界流体が、混練物に浸透する。これにより、超臨界流体または亜臨界流体の材料への浸透率を向上させることができる。さらに、超臨界流体または亜臨界流体が未浸透の材料が減少するので、混練物の品質を向上させることができる。また、逆送翼の押出量は、順送翼の押出量よりも少ないので、混練物を滞りなく下流に搬送することができる。以上により、混練効率が向上するので、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】混練装置の概略図である。
【図２】第１実施形態における混練機の上面断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】第１変形例における混練機の上面断面図である。
【図５】第２変形例における図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】第３変形例における図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】第２実施形態におけるチャンバの長手方向に直交する方向の断面図である。
【図８】チャンバの長手方向に直交する方向の断面図である。
【図９】第４変形例におけるチャンバの長手方向に直交する方向の断面図である。
【図１０】第３実施形態におけるチャンバの長手方向に直交する方向の断面図である。
【図１１】第５変形例におけるチャンバの長手方向に直交する方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１０】
［第１実施形態］
（混練装置の構成）
本発明の第１実施形態による混練装置は、超臨界流体または亜臨界流体の存在下において、材料の混練を行うものである。本実施形態において、材料はゴムであるが、樹脂や食品等であってもよい。混練装置は、連続式またはバッチ式にて混練を行う。
【００１１】
ここで、超臨界流体とは、超臨界状態の流体をいう。超臨界状態とは、温度が流体の臨界温度以上で且つ圧力が流体の臨界圧力以上である状態をいう。亜臨界流体とは、亜臨界状態の流体をいう。亜臨界状態とは、温度及び圧力の一方のみが臨界状態に達し且つ他方が臨界状態に達していない状態、或いは、温度及び圧力の両方が臨界状態に達していないが、温度及び圧力の少なくとも一方が常温常圧より十分高く臨界状態に近い状態をいう。
【００１２】
超臨界流体または亜臨界流体を生じる物質としては、例えば、二酸化炭素、窒素、水素、キセノン、エタン、アンモニア、メタノール、水等が挙げられる。これらのうち、ゴムの混練には二酸化炭素及び窒素が好適である。
【００１３】
混練装置１の概略図である図１に示すように、混練装置１は、第１熱交換器２と、ポンプ３と、第２熱交換器４と、混練機５と、ＣＯ2分離器６と、を有している。本実施形態では、二酸化炭素の超臨界流体（超臨界ＣＯ2）の存在下で混練を行うが、他の超臨界流体の存在下や、亜臨界流体の存在下で混練を行うものであってもよい。
【００１４】
第１熱交換器２は、ＣＯ2ガスを冷却して、ＣＯ2の液体（液体ＣＯ2）にする。ポンプ３は、液体ＣＯ2を加圧することで、液体ＣＯ2の圧力を臨界圧力以上にする。第２熱交換器４は、液体ＣＯ2を臨界温度以上に加熱して、超臨界ＣＯ2にする。
【００１５】
混練機５には、超臨界ＣＯ2に溶解された材料および添加物が投入される。材料がゴムや樹脂などの高分子材料の場合、添加物は添加剤や混練済ゴム、および、セルロースナノファイバーを含む植物由来材料等である。材料が食品の場合、添加物は食品添加物等である。なお、添加物を用いなくてもよい。混練機５は、超臨界ＣＯ2の存在下において、材料と添加物とを混練しながら下流に搬送する。ＣＯ2分離器６は、混練機５で製造された混練物から超臨界ＣＯ2を分離させて、ＣＯ2ガスとして外部に放出する。
【００１６】
（混練機の構成）
混練機５の上面断面図である図２に示すように、混練機５は、チャンバ１１と、複数の混練翼１２と、を有している。混練物は、チャンバ１１の内部を流通する。混練翼１２は、チャンバ１１の内部に複数設けられている。本実施形態において、混練翼１２の数は２つである。
【００１７】
図２のＡ−Ａ断面図である図３に示すように、チャンバ１１内には、混練翼１２を中心とする流路１１ａが複数形成されている。本実施形態において、２つの流路１１ａは、互いに径が同じである。また、チャンバ１１の長手方向に直交する方向の断面視において、チャンバ１１は、鉛直方向に沿った中心線Ｏに対して線対称な形状にされている。また、２つの混練翼１２は、中心線Ｏに対して線対称に配置されている。２つの流路１１ａの径が同じであり、チャンバ１１の形状が中心線Ｏに対して線対称であり、２つの混練翼１２が中心線Ｏに対して線対称に配置されていることで、混練物を偏流させることなく混練することができる。
【００１８】
２つの混練翼１２のうち、一方の混練翼１２は、材料と添加物とを混練しながら下流に向かって押し出す順送翼１２ａである。これに対して、他方の混練翼１２は、材料と添加物とを混練しながら上流に向かって押し出す逆送翼１２ｂである。
【００１９】
従来の溶融混練では、せん断をかけて材料を溶融させる必要があり、チャンバ１１の壁面と混練翼１２との間に介在する材料の密度を上げることが、せん断をかける上で重要であった。そのため、２軸（混練翼１２が２つ）以上の多軸にすることは、必ずしも生産性向上に結び付かなかった。一方、超臨界流体または亜臨界流体（超臨界流体等という。）の存在下における混練では、できるだけ多くの超臨界流体等に材料が接して、より多くの超臨界流体等が材料に浸透することが望ましい。
【００２０】
逆送翼１２ｂによって、混練物を上流に逆送することで、混練機５での混練物の滞留時間が増加し、チャンバ１１間での混練物の移動が促進される。その結果、より多くの超臨界ＣＯ2が混練物に浸透する。具体的には、超臨界ＣＯ2が十分に浸透せずに粘度が高い混練物が上流に押し戻され、超臨界ＣＯ2が十分に浸透して粘度が低下した混練物が下流側に移動する。これにより、超臨界ＣＯ2の混練物への浸透率を向上させることができる。その結果、超臨界ＣＯ2が未浸透の材料が減少するので、混練物の品質を向上させることができる。
【００２１】
ここで、逆送翼１２ｂの搬送能力が順送翼１２ａの搬送能力よりも大きいと、混練物の下流への搬送が滞る。そこで、逆送翼１２ｂの押出量は、順送翼１２ａの押出量よりも少なくされている。これにより、混練物を滞りなく下流に搬送することができる。
【００２２】
（第１変形例）
なお、第１変形例における混練機５の上面断面図である図４に示すように、混練機５が混練翼１２を３つ以上有していてもよい。本変形例において、混練翼１２の数は３つである。混練翼１２の数を３つにすることで、混練翼１２の数が２つの場合によりも、混練物が混練翼１２に接触する表面積が増加する。また、混練翼１２の数が増えることで、混練機５の押出能力も増大するため、生産性を増加させることができる。また、流路１１ａの数を増やすことで、チャンバ１１間での混練物の移動をより促進することができる。
【００２３】
３つの混練翼１２のうち、少なくとも１つの混練翼１２は、逆送翼１２ｂであり、残りの混練翼１２は、順送翼１２ａである。本変形例では、真ん中の混練翼１２が逆送翼１２ｂであり、その両側の混練翼１２が順送翼１２ａであるが、３つの混練翼１２のいずれが逆送翼１２ｂであってもよい。
【００２４】
また、本変形例において、２つの順送翼１２ａの少なくとも１つは、静翼であってよい。回転しない静翼には、回転させる動力が不要であるため、混練翼１２の動力を削減することができる。また、混練翼１２が動翼の場合、動翼を回転させる回転体とチャンバ１１との隙間をシールする必要があるが、静翼であれば回転体が不要であるため、チャンバ１１のシール性を向上させることができる。
【００２５】
（第２変形例）
また、第２変形例における図４のＢ−Ｂ断面図である図５に示すように、３つの混練翼１２は、三角形に内接するように配置されていてもよい。ここで、チャンバ１１の長手方向に直交する方向の断面視において、チャンバ１１は、鉛直方向に沿った中心線Ｏに対して線対称な形状にされている。また、３つの混練翼１２は、中心線Ｏに対して線対称に配置されている。これにより、混練物を偏流させることなく混練することができる。
【００２６】
（第３変形例）
また、第３変形例における図４のＢ−Ｂ断面図である図６に示すように、３つの流路１１ａには、径が異なる流路１１ａが含まれていてもよい。本変形例では、真ん中の流路１１ａの径が、他の流路１１ａの径よりも大きい。流路１１ａの径を異ならせることで、限られた設置スペースにおいて混練物の生産量を維持したり、増加させたりすることができる。
【００２７】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る混練装置１によると、チャンバ１１の内部に設けられた複数の混練翼１２のうち、少なくとも１つの混練翼１２は、材料を混練しながら上流に向かって押し出す逆送翼１２ｂであり、残りの混練翼１２は、材料を混練しながら下流に向かって押し出す順送翼１２ａである。逆送翼１２ｂによって、混練物を上流に逆送することで、混練機５での混練物の滞留時間が増加し、チャンバ１１間での混練物の移動が促進される。その結果、より多くの超臨界流体または亜臨界流体が、混練物に浸透する。これにより、超臨界流体または亜臨界流体の材料への浸透率を向上させることができる。さらに、超臨界流体または亜臨界流体が未浸透の材料が減少するので、混練物の品質を向上させることができる。また、逆送翼１２ｂの押出量は、順送翼１２ａの押出量よりも少ないので、混練物を滞りなく下流に搬送することができる。以上により、混練効率が向上するので、生産性を向上させることができる。
【００２８】
また、少なくとも１つの順送翼１２ａが静翼である場合、回転しない静翼には、回転のための動力が不要であるため、混練翼１２の動力を削減することができる。また、混練翼１２が動翼の場合、動翼を回転させる回転体とチャンバ１１との隙間をシールする必要があるが、静翼であれば回転体が不要であるため、チャンバ１１のシール性を向上させることができる。
【００２９】
また、長手方向に直交する方向の断面視において、チャンバ１１は、鉛直方向に沿った中心線Ｏに対して線対称な形状にされている。これにより、混練物を偏流させることなく混練することができる。
【００３０】
また、長手方向に直交する方向の断面視において、複数の混練翼１２を、中心線Ｏに対して線対称に配置する。これにより、混練物を偏流させることなく混練することができる。
【００３１】
また、複数の流路１１ａの径を互いに同じにすることで、混練物を偏流させることなく混練することができる。
【００３２】
また、複数の流路１１ａに、径が異なる流路１１ａが含まれている場合には、次の効果を奏する。即ち、流路１１ａの径を異ならせることで、限られた設置スペースにおいて混練物の生産量を維持したり、増加させたりすることができる。
【００３３】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態の混練装置について、図面を参照しつつ説明する。なお、第１実施形態と共通する構成およびそれにより奏される効果については説明を省略し、主に、第１実施形態と異なる点について説明する。なお、第１実施形態と同じ部材については、第１実施形態と同じ符号を付している。
【００３４】
（混練機の構成）
本実施形態の混練装置１０１における混練機１０５は、チャンバ１１の長手方向に直交する方向の断面図である図７に示すように、４つの混練翼１２を有している。チャンバ１１の長手方向に直交する方向の断面視において、チャンバ１１は、鉛直方向に沿った中心線Ｏに対して線対称な形状にされている。また、４つの混練翼１２は、中心線Ｏに対して線対称に配置されている。
【００３５】
本実施形態において、４つの混練翼１２のうち、右上の混練翼１２が逆送翼１２ｂであり、他の３つの混練翼１２は順送翼１２ａであるが、いずれの混練翼１２が逆送翼１２ｂであってもよい。
【００３６】
本実施形態において、４つの混練翼１２に囲まれた領域であって、混練翼１２に干渉しない領域には、静翼１３が配置されている。４つの混練翼１２に囲まれた領域は、従来、混練性能が低下する領域である。この領域に静翼１３を配置することにより、従来は混練性能が低下する領域においても混練を行うことができる。静翼１３は、中心線Ｏに対して線対称に配置されている。
【００３７】
なお、４つの混練翼１２が、すべて静翼であってもよい。また、静翼１３が配置される領域は、３つ以上の混練翼１２に囲まれた領域であって、混練翼１２に干渉しない領域であってよい。
【００３８】
ここで、本実施形態では、４つの混練翼１２には、回転数が異なる混練翼１２が含まれている。例えば、右上の逆送翼１２ｂの回転数が３０ｒｐｍ、右下の順送翼１２ａの回転数が１０ｒｐｍ、左上の順送翼１２ａの回転数が１０ｒｐｍ、左下の順送翼１２ａの回転数が３０ｒｐｍにされている。複数の混練翼１２の回転数を異ならせることで、押出によるせん断流れに加えて、混練物を引き伸ばす伸長流れを誘起させることができる。よって、添加物の分散等を促進させることができる。
【００３９】
ここで、チャンバ１１の長手方向に直交する方向の断面図である図８に示すように、混練機１０５が５つの混練翼１２を有し、５つの混練翼１２が中心線Ｏに対して線対称に配置されていない場合を考える。例えば、１つの混練翼１２が右側に突出するように配置されている場合、混練物は、非対称である右側の流路１１ａ内に偏流する。これにより、中心線Ｏよりも右側を流通する混練物と、中心線Ｏよりも左側を流通する混練物とで、混練性能が大きく変わってしまう。したがって、複数の混練翼１２を中心線Ｏに対して線対称に配置する必要がある。
【００４０】
（第４変形例）
なお、第４変形例におけるチャンバ１１の長手方向に直交する方向の断面図である図９に示すように、４つの流路１１ａには、径が異なる流路１１ａが含まれていてもよい。本変形例では、下側の２つの流路１１ａの径が、上側の２つの流路１１ａの径よりも大きくされている。流路１１ａの径を異ならせることで、限られた設置スペースにおいて混練物の生産量を維持したり、増加させたりすることができる。なお、チャンバ１１は、鉛直方向に沿った中心線Ｏに対して線対称な形状にされている。また、４つの混練翼１２は、中心線Ｏに対して線対称に配置されている。
【００４１】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る混練装置１０１によると、３つ以上の混練翼１２に囲まれた領域であって、混練翼１２に干渉しない領域に、静翼１３が配置されている。３つ以上の混練翼１２に囲まれた領域は、従来、混練性能が低下する領域である。この領域に静翼１３を配置することにより、従来は混練性能が低下する領域においても混練を行うことができる。
【００４２】
また、複数の混練翼１２には、回転数が異なる混練翼１２が含まれている。複数の混練翼１２の回転数を異ならせることで、押出によるせん断流れに加えて、混練物を引き伸ばす伸長流れを誘起させることができる。よって、添加物の分散等を促進させることができる。
【００４３】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態の混練装置について、図面を参照しつつ説明する。なお、第１実施形態と共通する構成およびそれにより奏される効果については説明を省略し、主に、第１実施形態と異なる点について説明する。なお、第１実施形態と同じ部材については、第１実施形態と同じ符号を付している。
【００４４】
（混練機の構成）
本実施形態の混練装置２０１における混練機２０５は、チャンバ１１の長手方向に直交する方向の断面図である図１０に示すように、６つの混練翼１２を有している。即ち、図中上側および下側の各々において、混練翼１２が３つずつ左右方向に並んで配置されている。チャンバ１１は、鉛直方向に沿った中心線Ｏに対して線対称な形状にされている。また、６つの混練翼１２は、中心線Ｏに対して線対称に配置されている。
【００４５】
本実施形態において、上側中央の混練翼１２と、下側中央の混練翼１２とが逆送翼１２ｂであり、他の４つの混練翼１２が順送翼１２ａであるが、６つの混練翼１２のいずれが逆送翼１２ｂであってもよい。
【００４６】
本実施形態では、４つの混練翼１２に囲まれた領域であって、混練翼１２に干渉しない領域に、冷却流体が流通する冷却路（冷却体）１４が設けられている。混練翼１２の数が多くなると、冷却面であるチャンバ１１に混練物が接する表面積が減少する。そのため、４つの混練翼１２に囲まれた領域において、混練物の冷却が不十分になり、混練物の品質が悪化する。そこで、この領域に冷却路１４を設けて、この領域を流通する混練物を冷却する。これにより、混練物を十分に冷却することができる。
【００４７】
（第５変形例）
なお、第５変形例におけるチャンバ１１の長手方向に直交する方向の断面図である図１１に示すように、４つの混練翼１２に囲まれた領域であって、混練翼１２に干渉しない領域に、冷却路１４の代わりに、内部を冷却流体が流通する冷却翼（冷却体）１５が設けられていてもよい。冷却翼１５は静翼である。このような構成であれば、この領域を流通する混練物に対して、冷却と混練とを行うことができる。
【００４８】
なお、冷却路１４や冷却翼１５が設けられる領域は、３つ以上の混練翼１２に囲まれた領域であって、混練翼１２に干渉しない領域であってよい。
【００４９】
（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係る混練装置２０１によると、３つ以上の混練翼１２に囲まれた領域であって、混練翼１２に干渉しない領域に、内部を冷却流体が流通する冷却路１４や冷却翼１５を設ける。混練翼１２の数が多くなると、冷却面であるチャンバ１１の壁面に混練物が接する面積が減少する。そのため、３つ以上の混練翼１２に囲まれた領域において、混練物の冷却が不十分になり、混練物の品質が悪化する。そこで、この領域に冷却路１４や冷却翼１５を設けて、この領域を流通する混練物を冷却する。これにより、混練物を十分に冷却することができる。
【００５０】
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５１】
１，１０１，２０１  混練装置
２  第１熱交換器
３  ポンプ
４  第２熱交換器
５，１０５，２０５  混練機
６  ＣＯ2分離器
１１  チャンバ
１１ａ  流路
１２  混練翼
１２ａ  順送翼
１２ｂ  逆送翼
１３  静翼
１４  冷却路（冷却体）
１５  冷却翼（冷却体）
【図１】
2019051632.tif 000003
【図２】
2019051632.tif 000004
【図３】
2019051632.tif 000005
【図４】
2019051632.tif 000006
【図５】
2019051632.tif 000007
【図６】
2019051632.tif 000008
【図７】
2019051632.tif 000009
【図８】
2019051632.tif 000010
【図９】
2019051632.tif 000011
【図１０】
2019051632.tif 000012
【図１１】
2019051632.tif 000013