(57)【要約】【課題】ＢＭＣなどのガラス繊維などの長い繊維状物質が混合された高粘度試料の粘度測定において、長い繊維を流出口方向に向けて流出させるよう配向し、定常的な試料の流動を安定的に確保する期間を十分に得られるように、ダイの形状を、徐々に剪断速度が速くなるよう導入部の形状を工夫した、細管式レオメータにおける試料流出ダイ構造を提供する。【解決手段】シリンダ内に充填した試料を、ピストンで押圧駆動して、流出させる流出ダイを、シリンダ出口の内径に対応する内径の連設口と、該連設口から流出口に向けて形成した第１段のコーン状導入部と、該コーン状導入部と流出口との間を結ぶ第２段のコーン状導入部とからなり、第２段のコーン状導入部は、前記テーパ角より小さいテーパ角と、前記流出長さより長い流出長さを備える構造とする。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に充填した試料を所要温度に調整し、この状態において、ピストンを押圧駆動して前記試料をシリンダ出口に連設した流出ダイを介して流出させ、その際の押圧力や押出速度を測定して、流動量と流出ダイの流出口径、流出長さとの関係から、所定の計算式に基づいて試料の粘度を求める細管式レオメータにおいて、
前記流出ダイは、前記シリンダ出口の内径に対応する内径の連設口と、該連設口から流出口に向けて形成した第１段のコーン状導入部と、該コーン状導入部と流出口との間を結ぶ第２段のコーン状導入部とからなり、
第１段のコーン状導入部は、前記シリンダから流出ダイにもたらされる試料の流動抵抗を生成するための所定のテーパ角と流出長さを備えており、
第２段のコーン状導入部は、前記ピストンによってもたらされる前記押圧力や押出速度を定常状態に維持するための、前記テーパ角より小さいテーパ角と、前記流出長さより長い流出長さを備えることを特徴とする試料流出ダイ構造。
【請求項２】
前記連設口は、シリンダ出口の内径の少なくとも７５％以上の内径であり、第１段のコーン状導入部は、そのテーパ角を５０ないし１００度、その流出長さを、第１段および第２段コーン状導入部全長の１５〜５０％に設定されており、第２段のコーン状導入部は、そのテーパ角を３０ないし６５度、その流出長さを、前記導入部全長の、第１段のコーン状導入部長さ残余の値に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の試料流出ダイ構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として、ＢＭＣ（Ｂｕｌｋ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）などの高粘度試料の粘度測定に用いられる細管式レオメータにおける試料流出ダイ構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、熱硬化性不飽和ポリエステル樹脂に代表される熱硬化性樹脂（液状物質）に、粉体（炭酸カルシウム、クレー、フェライトなど）、ガラス繊維、有機繊維などを混合した粘凋のコンパウンド（ＢＭＣ）の粘度を測定する場合には、細管式レオメータが採用される。この細管式レオメータは、図１あるいは図２に示すように、シリンダ１１内にピストン１２を押し込んで、シリンダに連設した流出ダイ１３の流出口１４から試料を流出させ、その時の押圧力や押出速度を測定し、流動量と流出ダイの流出口口径、流出長さとの関係から、所定の計算式（後述）に基づいて、当該試料の粘度を求めるのである。
【０００３】
図１に示す細管式レオメータは、油圧プレスなどを利用した定圧力押出型であり、ここでは、記録計により、時間当たりのピストンの位置を測定して押出時の速度を記録・計算し、これを基に、後述する計算式から粘度を算出する。また、図２に示す細管式レオメータは、定速度押出型であり、ここでは、例えば、（株）島津製作所製などの万能試験機を採用して、ロードセルにより、押出時の荷重（圧力）を測定し、この値を記録する。何れの場合も、シリンダ１１を一定温度に調整しておいて、その中に試料（ＢＭＣ）を投入し、この試料が所定温度に到達した時点（例えば、投入後、５分）からピストンに圧力をかけて、測定を行う。
【０００４】
（定圧力押出型での計算）
記録計で記録したチャートから押出速度Ｑ（ｍｌ／ｓｅｃ）を求め、押出に要した圧力ΔＰ（ＭＰａ）、ノズルの半径Ｒ（ｃｍ）、ノズルの長さ（ｃｍ）から、後述の式（１）、（２）、（３）により、試料の粘度を求めるのである。
【０００５】
（定速度押出型での計算）
試料を一定速度（予め設定した押出速度Ｑ）で押し出す際、押出圧力の変化をロードセルで検出し、記録計で記録したチャートから、押出に要した圧力ΔＰ（ＭＰａ）、ノズルの半径Ｒ（ｃｍ）、ノズルの長さＬ（ｃｍ）から、後述の式（１）、（２）、（３）により、試料の粘度を求めるのである。
【０００６】
（粘度の計算）
流出ダイの内部流路を試料が流れるとき、流路内壁面に生じる最大剪断応力τ’と最大剪断速度Ｄ’は式（１）、（２）で与えられる。
τ’＝（Ｒ・ΔＰ）／（２・Ｌ）    ・・・・・（１）
Ｄ’＝（４・Ｑ）／（π・Ｒ３）    ・・・・・（２）
但し、ｒ’  ：剪断応力                                  （ＭＰａ）
Ｄ’  ：剪断速度                                  （ｓｅｃ−１）
ΔＰ  ：流出ダイの内部流路での圧力降下（押出圧力）（ＭＰａ）
Ｒ    ：内部流路の半径                            （ｃｍ）
Ｌ    ：内部流路の長さ                            （ｃｍ）
Ｑ    ：流動量                                    （ｍｌ／ｓｅｃ）
粘度は式（３）で与えられる。
η’＝τ’／Ｄ’                  ・・・・・（３）
但し、η’  ：粘土                                      （ＭＰａ．ｓ）
【０００７】
（粘度の解析）
通常、ＢＭＣのような非ニュートン流体では、その流動曲線が、ほぼ直線に近似でき、この関係は、式（４）（５）に示すように、べき乗則に従う。
τ’＝  η０・Ｄｍ                    ・・・・（４）
ｌｏｇτ’＝ｍｌｏｇＤ’＋ｌｏｇη０  ・・・・（５）
（ここで、η０：粘度パラメータ、ｍ：流動指数）
η０値が大きいほど、手の感触法による粘度が高く、ｍが小さいほど、チクソトロピック性が顕著な材料（例えば、ＢＭＣ）である。
【０００８】
（粘度の測定）
本発明者らは、所定温度に調温したシリンダ１１内に約７０ｇのＢＭＣを投入し、約５分間、材料の温度上昇を待った後、ピストン１２による押出を行い、定速度型の場合は圧力を４点以上、変えて同じ操作を繰り返した。この時点のロードセルの値を記録し、各々の流出量を算出した。（定圧力型の場合、速度を４点以上、変えて同じ操作を繰り返し、この時点のピストン１２の位置を記録計で記録し、各々の流出量Ｑを算出する。）そして、前述の所定の計算式から剪断応力τ’、剪断速度Ｄ’、粘度ηを算出した。剪断応力τ′と剪断速度Ｄ′をグラフ（図３）上にプロットし、最小二乗法により、勾配ｍとｌｏｇη０を求めた。その解析解析結果は、勾配ｍは流動指数として０．４５４、また、切片ｌｏｇη０から転換したη０：粘度パラメータは０．０９で合った。
【０００９】
前述したように、ＢＭＣはチクソトロピック性流動を示し、そのｌｏｇ粘度η’は図４に示すように、ｌｏｇ剪断速度Ｄ’に対し、ｌｏｇ剪断速度Ｄ’が速くなるとｌｏｇ粘度η’が低くなるような近似的直線となる。ＢＭＣに荷重を加えた当初は流れ難く、大きな荷重を要する。その後、材料（ＢＭＣ）は流れ出し、荷重も低めに安定する。材料（ＢＭＣ）の応力損失は、流れ出す速度が速いほど小さくなるため、導入部の形状を工夫して、徐々に剪断速度が速くなるような形状が望ましい。
【００１０】
さて、この細管式レオメータで採用される流出ダイには、従来から２種類のものが知られている。即ち、図５に示す流出ダイ２１は、ダイの全長に亘って流出口の口径に等しい口径の流路を形成したものであり（本発明との比較のため平型流出ダイと称す）、図６に示す流出ダイ３１は、シリンダ口径に近い連設口の内径を持ったコーン状の部分を経て、流出口の口径に等しい口径の流路に連なる形状にしたものである（本発明との比較のため１段コーン付き流出ダイと称す）。
【先行技術文献】
【特許文献】特公昭３６−１０９８号
上記文献に、単に習慣的に一般的に用いられていると記載されている平型ノズル（平型流出ダイ）は、シリンダから流出ダイに試料が導入される際に、試料の流動に死点ができ、押出圧力が増大し（あるいは、押出速度が低下し）、正確な測定のための、定常的な試料の流動を確保する期間が短くなる（図９参照）。そこで、前記死点を除く意図で、コーン付き流出ダイが採用されているが、この場合でも、試料（ＢＭＣ）の粘度が高い程、コーン部分から流路（流出口口径に等しい口径の流路）に導かれた試料の、流路内壁面に対する流動抵抗が増大し、その結果、定常的な試料の流動を確保する期間を十分に得ることができない（図９参照）。また、試料の内部分散の不均一性により、脈動を起こす畏れもある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に基づいてなされたもので、ＢＭＣのようなガラス繊維などの長い繊維状物質が混合された高粘度試料の粘度測定において、長い繊維を流出口方向に向けて流出させるよう配向し、定常的な試料の流動を安定的に確保する期間を十分に得るために、ダイの形状を、徐々に剪断速度が速くなるよう導入部の形状を工夫した、細管式レオメータにおける試料流出ダイ構造を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明では、シリンダ内に充填した試料を所要温度に調整し、この状態において、ピストンを押圧駆動して前記試料をシリンダ出口に連設した流出ダイを介して流出させ、その際の押圧力や押出速度を測定して、流動量と流出ダイの流出口口径、流出長さとの関係から、所定の計算式に基づいて試料の粘度を求める細管式レオメータにおいて、前記流出ダイは、前記シリンダ出口の内径に対応する内径の連設口と、該連設口から流出口に向けて形成した第１段のコーン状導入部と、該コーン状導入部と流出口との間を結ぶ第２段のコーン状導入部とからなり、第１段のコーン状導入部は、前記シリンダから流出ダイにもたらされる試料の流動抵抗を生成するための所定のテーパ角と流出長さを備えており、第２段のコーン状導入部は、前記ピストンによってもたらされる前記押圧力や押出速度を定常状態に維持するための、前記テーパ角より小さいテーパ角と、前記流出長さより長い流出長さを備えることを特徴とする。
【００１３】
そして、本発明の好ましい実施の形態として、前記連設口の内径は、シリンダ出口の内径の少なくとも７５％以上の内径であり、第１段のコーン状導入部は、そのテーパ角を５０ないし１００度、その流出長さを、第１段および第２段コーン状導入部全長の１５〜５０％に設定されており、第２段のコーン状導入部は、そのテーパ角を３０ないし６５度、その流出長さを、該導入部全長の、第１段のコーン状導入部長さ残余の値に設定されていることが有効である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る細管式レオメータにおいて採用する試料流出ダイ構造（２段コーン付き流出ダイ）を、第７図，第８図を参照して、具体的に説明する。第７図に示すここでの試料流出ダイは、先述した平型流出ダイや１段コーン付き流出ダイと相違して、以下のような構成になっている。即ち、本発明に係る流出ダイ１は、シリンダ１１の出口の内径ｄに対応する内径Ｄの連設口２と、連設口２から流出口３に向けて形成した第１段のコーン状導入部４と、コーン状導入部４と流出口３との間を結ぶ第２段のコーン状導入部５とからなり、第１段のコーン状導入部４は、シリンダ１１から流出ダイ１にもたらされる試料の流動抵抗を生成するための所定のテーパ角α１と流出長さＬ１を備えており、第２段のコーン状導入部５は、ピストン１２によってもたらされる押圧力や押出速度を定常状態に維持するための、前記テーパ角α１より小さいテーパ角α２と流出長さＬ２を備えている。
【００１５】
特に、この実施の形態では、連設口２の内径Ｄがシリンダ出口の内径ｄの少なくとも７５％以上の径であり、第１段のコーン状導入部４が、そのテーパ角α１を５０ないし１００度、その流出長さＬ１を流出ダイ１の全高の１５〜５０％に設定されており、第２段のコーン状導入部５が、そのテーパ角α２を３０ないし６５度、その流出長さＬ２を、導入部全長（Ｌ１＋Ｌ２）の第１段コーン状導入部長さＬ１残余の値に設定されている。
【００１６】
図８は上記ダイを使用したレオメータの構成を示す図で、符号６はシリンダ１１に設けた温度調整用のバンドヒータ、７は温度センサ、８は温度センサ７からの検出信号で、バンドヒータ６の制御を行う温度制御装置、９はバンドヒータ６を囲む断熱部材、また、１０はダイ押さえ部材である。シリンダ２内に試料Ｂを投入し、ヒータバンド６で加熱する。温度センサで検知し、温度制御装置で制御する。所定の温度上昇を待ってピストン１２押圧し、流出ダイ１の第１段コーン状導入部４、第２段コーン状導入部５、流出口３を介して試料が流出する。この時の押圧力（または流出速度）を記録し、所定の計算式から粘度を測定する。
【００１７】
上述の２段コーン付き流出ダイ１についての性能を、従来の平型流出ダイ３１と、１段コーン付きダイ３１との性能を実験して比較した。この実験例では、連設口２の内径：Ｄ＝３０ｍｍ（シリンダ１１の内径ｄに近似）、第１段のコーン状導入部４のテーパ角α１：６６度、その流出長さＬ１：１０ｍｍ、第２段のコーン状導入部５のテーパ角α２：３０度、その流出長さＬ２：２５ｍｍ（これは、導入部４および５の全高：Ｌ１＋Ｌ２の７１％相当）、流出口３にある、ストレートなノズル径ａ：６ｍｍ、ノズル長さ１：１０ｍｍに設定されている。
【００１８】
比較のための平型流出ダイ２１は、その流路を流出口径ｂ：６ｍｍ、流出口長さｍ：１０ｍｍに設定しており、また、１段コーン付き流出ダイ３１は、そのコーン部分の導入部２４の連設口の口径Ｅを、シリンダ径と同じ３０ｍｍとし、テーパ角β：６６度、コーン長さＭ：３５ｍｍ、また、流出口の口径ｃ：６ｍｍ、その長さｎ：１０ｍｍとした。
【００１９】
図１０に平型流出ダイ、１段コーン付き流出ダイ、および本発明の２段コーン付き流出ダイにおける押出チャートを示したが、この図でも明らかなように、本発明の流出ダイ１は、従来の流出ダイに比較して、定圧状態（あるいは定速状態）が長く確保されており、これにより、細管式レオメータによる、正確で安定した粘度測定が可能となる。
【００２０】
図１０に１段コーン付き流出ダイと、本発明の２段コーン付き流出ダイの各導入部長さにおける剪断速度を示したが、２段コーン付き流出ダイでは、導入部入口から剪断速度が速くなっているのに対し、１段コーン付き流出ダイでは、剪断速度が遅くなっている。剪断速度は粘度の関数と見ることが出来るので、剪断速度が速くなっている場合は、材料（ＢＭＣ）の粘度による圧力損失が少ないため、低く継続した荷重で押出すことが出来る。剪断速度が遅い場合は、材料（ＢＭＣ）の粘度による圧力損失が大きいため、荷重が高く、継続期間も短くなる。平型ダイでは、シリンダでの圧力損失が大きいため、荷重が更に高く、継続時間も短くなる。
【００２１】
また、このように２段コーン付き流出ダイは、ＢＭＣのように、ガラス繊維や有機繊維を混合した粘凋のコンパウンドにおいては、繊維を流出方向に配向させる効果があり、摩擦抵抗を少なくし、安定したデータを得ることが可能になる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は、以上詳述したようになり、下記のような効果を得ることができる。
１）  シリンダからの導入部分（連設口）の開口径を前記シリンダ口径に近づけているので、平型流出ダイと異なり、試料の流動に死点がなく、ピストンの押出に際して、圧力（流動抵抗）が増大することなく、良好な流動性を確保できる。
２）  第１段のコーン状導入部が、前記シリンダから流出ダイにもたらされる試料の流動抵抗を生成するための所定のテーパ角と流出長さを備えているので、必要な圧力のレベルまで、試料を昇圧して、その流動性を損なうことなく、流出ダイ内にもたらすことができ、適正な試料の粘度測定が行える。
３）  また、第２段のコーン状導入部が、前記ピストンによってもたらされる前記押圧力や押出速度を定常状態に維持するための、前記テーパ角より小さいテーパ角と流出長さを備えるので、徐々に剪断速度が速くなり、材料の粘度による圧力損失が少ないため、低く継続した荷重で押出すことができ、測定に有利な定常圧力の状態を長く継続できるというメリットが得られる。
４）  繊維が流出方向に配向されることにより、長繊維が混合している試料でも、スムーズに流れ、データの安定した測定が可能となり、バラツキがなく、測定の再現性が良くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る定圧力型の細管式レオメータを概略的に示す模式図である。
【図２】同じく、定速度型の細管式レオメータを概略的に示す模式図である。
【図３】ＢＭＣのｌｏｇ粘度とｌｏｇ剪断速度を示すグラフである。
【図４】ＢＭＣの剪断粘度、剪断速度を示すグラフである。
【図５】従来の平型流出ダイを模式的に示す縦断側面図である。
【図６】従来の１段コーン付き流出ダイを模式的に示す縦断側面図である。
【図７】本発明の２段コーン付き流出ダイを示した図である。
【図８】本発明の流出ダイを使用したレオメータの構成である。
【図９】本発明に係る細管式レオメータで、試料の粘度を測定する際、そのピストンの位置と、その時の荷重との関係を示すグラフであって、平型流出ダイを採用した場合、１段コーン付き流出ダイを採用した場合、本発明に係る２段コーン付き流出ダイを採用した場合の押出しチャートを比較して示した図である。
【図１０】１段コーン付き流出ダイと２段コーン付き流出ダイの各導入部長さにおける剪断速度を示したグラフである。
【符号の説明】
１      ダイ
２      連設口
３      流出口
４      第１段コーン状導入部
５      第２段コーン状導入部
α１    第１段導入部テーパ角
Ｌ１    第１段コーン上導入部流出長さ
α２    第２段導入部テーパ角
Ｌ２    第２段コーン状導入部流出長さ
６      バンドヒータ
７      温度センサ
８      温度制御装置
９      断熱部材
１０    ダイ押さえ部材
ｄ      シリンダ径
Ｄ      連設口内径
ａ      流出口口径
１      流出口長さ
１１    シリンダ
１２    ピストン
１３    ダイ
１４    流出口
１５    記録計
２１    ダイ
ｂ      流出口口径
ｍ      流出口長さ
３１    ダイ
２４    コーン状導入部
Ｅ      連設口内径
β      コーン状導入部テーパ角
Ｍ      コーン長さ
ｃ      流出口口径
ｎ      流出口長さ
【図１】
2004317471.tif 000003
【図２】
2004317471.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004317471.tif 000008
【図７】
2004317471.tif 000009
【図８】
2004317471.tif 000010
【図９】
2004317471.tif 000011
【図１０】
2004317471.tif 000012