(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに逆方向に回転するとともに、ロール軸が互いに平行であり、かつ表面温度をそれぞれ調節可能な前ロール及び後ロールからなる２本のロールを有し、前記両ロールの一端から連続的に処理物を供給し、前記前ロールに処理物を巻き付かせて処理し、他端から排出する連続式２本ロール型混練機において、
前記前ロールの直径が前記後ロールの直径よりも大きく、前記両ロールの表面にスパイラル状の凹凸部を設け、一方のロールの凸部と他方のロールの凹部とを互いに噛み合わせた状態で近接させ、かつ、少なくとも前記一方のロールの凸部がロール軸に平行な頂部幅を有し、前記他方のロールの凹部がロール軸に平行な底部幅を有することを特徴とする混練機。
【請求項２】
下記の条件式からなることを特徴とする請求項１に記載の混練機。
条件式      Ｌ１＋Ｌ２＞０．１Ｐ／ｎ
Ｌ１：一方のロールの頂部幅
Ｌ２：他方のロールの頂部幅
Ｐ：両ロールの凹凸部のピッチ
ｎ：ピッチ間の凸部の数
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混練機に関し、特に、処理物の連続処理が可能な連続式２本ロール型混練機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の連続式２本ロール型混練機の一例を図６〜図８に示す。すなわち、この混練機は、円筒形の２本のロール３０、３５を適当な間隙を設けて平行に配置したものであって、両ロール３０、３５の回転方向は逆方向となっており、両ロール３０、３５は間隙部において上から下方向に回転するようになっている。また、両ロール３０、３５の間隙幅は自由に設定できるようになっている。
【０００３】
各ロール３０、３５の長さは直径の２倍以上に設定され、両ロール３０、３５の一端から処理物を供給し、他端から排出することにより、連続的な混練処理を行うことができるようになっている。通常、両ロール３０、３５の回転数を変えること等により、両ロール３０、３５が異なる周速度で回転するように設定することにより、両ロール３０、３５の間隙において処理物に剪断力が与えられるようになっている。
【０００４】
各ロール３０、３５の内部には加熱媒体又は冷却媒体用の流路（図示せず）が設けられ、この流路により各ロール３０、３５を加熱又は冷却することができるようになっている。通常、各ロール３０、３５には加熱媒体又は冷却媒体用の流路が供給側から排出側までの間に１個又は複数個設けられ、これらの流路内に異なる温度の加熱媒体又は冷却媒体を流通させることにより、細かい温度制御をすることができるようになっている。
【０００５】
処理物４０は、図８に示すように、一方のロール３０の外表面に巻き付かせて処理される。通常、操作する側のロール３０（前ロール３０）に処理物４０を巻き付かせる。一般には、処理物は周速度の速い側のロールに巻き付き易く、また温度が高い方のロールに巻き付き易い性質があるので、両ロール３０、３５の周速度および温度を制御することにより、これを行うことができる。
【０００６】
そして、供給された処理物４０は、供給側から排出側に搬送しなければならないが、この搬送性を良くするために、両ロール３０、３５の表面には逆方向に走るスパイラル状の溝３１、３６が設けられ、この溝３１、３６により処理物４０はバンク部Ｘからニップ部Ｙへ引き込まれ易くなり、搬送性が向上するようになっている。
【０００７】
上記のような連続式２本ロール型の混練機は次のような特徴を備えている。
（１）強力な剪断力、圧縮力による大きな混練作用が働く。
（２）比較的低温で処理できる。
（３）揮発分の除去が容易である。
（４）混練状態を容易に確認できる。
（５）洗浄が容易で多品種、小ロット生産に適している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなスパイラル状の溝３１、３６の効果だけでは処理量に限度があり、所望の処理量を確保するために供給量を増加すると、搬送量が供給量に追いつけず、相対する２本のロール３０、３５の上部にバンク部Ｘと呼ばれる処理物４０の溜まりが大きく成長し、このバンク部Ｘの中心部では分散や混合作用が生じず、またバンク部Ｘ内の材料がショートパス、つまりロール３０、３５の上部を移動してニップ部Ｙを通過することなく排出される現象が起こるため、均一で安定した性状の混練物を得ることができない。
【０００９】
処理量を増加させるために溝を深くまたは幅広くする方法もあるが、この方法では搬送量は大きくなるものの、溝部分での剪断作用が失われるために混練状態に悪影響を与えることになり、処理物の性状に斑が見られるようになる。また、ロール３０、３５の回転数を増加させる方法もあるが、意図するような処理量の増加には至らない。
【００１０】
本発明は、上記のような従来のもののもつ問題を解決したものであって、処理物の処理量を大幅に増加させることができるとともに、均一で安定した性状の混練物を得ることができる混練機を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、互いに逆方向に回転するとともに、ロール軸が互いに平行であり、かつ表面温度をそれぞれ調節可能な前ロール及び後ロールからなる２本のロールを有し、前記両ロールの一端から連続的に処理物を供給し、前記前ロールに処理物を巻き付かせて処理し、他端から排出する連続式２本ロール型混練機において、前記前ロールの直径が前記後ロールの直径よりも大きく、前記両ロールの表面にスパイラル状の凹凸部を設け、一方のロールの凸部と他方のロールの凹部とを互いに噛み合わせた状態で近接させ、かつ、少なくとも前記一方のロールの凸部がロール軸に平行な頂部幅を有し、前記他方のロールの凹部がロール軸に平行な底部幅を有する手段を採用したものである。また、下記の条件式からなる手段を採用したものである。
条件式 Ｌ１＋Ｌ２＞０．１Ｐ／ｎ
Ｌ１：一方のロールの頂部幅
Ｌ２：他方のロールの頂部幅
Ｐ：両ロールの凹凸部のピッチ
ｎ：ピッチ間の凸部の数
【００１２】
【作用】
本発明は、前記のような手段を採用したことにより、一方のロールの凹部に他方のロールの凸部が噛み込むことになるので、処理物が凹部に滞留することがなくなる。また、両ロール間に平行な間隙が形成されることになるので、大きな剪断力を必要とする混練処理を行うことが可能となる。さらに、一方のロールの頂部幅をＬ１、他方のロールの頂部幅をＬ２とするとき、Ｌ１＋Ｌ２の値は、隣り合う凸部のピッチ間隔の０．１倍以上に設定され、Ｌ１＋Ｌ２の値が隣り合う凸部のピッチ間隔に近いほど、混練効果が大きくなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１〜図３には、本発明による混練機の一実施の形態が示されていて、この混練機１は連続式２本ロール型混練機であって、一方のロールである前ロール３と他方のロールである後ロール１２の２本のロールを有している。
【００１４】
両ロール３、１２は、互いに平行をなすように、かつ回転自在にそれぞれ軸受２１、２１を介して機械本体２に取り付けられるようになっている。ロール３は駆動源２３に連結され、駆動源２３が作動することにより回転し、ロール３とギアー等からなる伝達部材２２を介して連結されているロール１２が回転する。ロール３とロール１２は伝達部材２２の介在により逆向きに回転するようになっている。なお、ロール３とロール１２とをそれぞれ独立した駆動源に連結し、両駆動源の作動によりそれぞれ逆方向に回転させるように構成しても良い。
【００１５】
両ロール３、１２の内部には、それぞれ加熱媒体又は冷却媒体の流路１０、１９が設けられ、この流路１０、１９に加熱媒体又は冷却媒体を流通させることで、両ロール３、１２を加熱又は冷却することができるようになっている。流路１０、１９は、両ロール３、１２の供給側から排出側までの間にそれぞれ１個又は複数個設けられ、この流路１０、１９に異なる温度の加熱媒体又は冷却媒体を流通させることで、細かい温度制御ができるようになっている。なお、図中１１、２０は、加熱媒体又は冷却媒体の供給排出部である。
【００１６】
本発明による前ロール３及び後ロール１２は、以下の（１）、（２）の構成を有することを特徴とする。
（１）前ロール３及び後ロール１２の表面に互いに逆向きのスパイラル状の凹凸部５、１４がそれぞれ設けられ、前ロール３の凸部８と後ロール１２の凹部１５、及び前ロール３の凹部６と後ロール１２の凸部１７とがそれぞれ互いに噛み合っている。
（２）少なくとも一方のロール３、１２の凸部８、１７の頂部がロール軸４、１３に平行な頂部幅９、１８を有するとともに、他方のロール１２、３の凹部１５、６の底部がロール軸１３、４に平行な底部幅１６、７を有する。
【００１７】
（１）の構成により、必然的に両ロール３、１２の凸部８、１７のピッチ間隔は等しくなり、また両ロール３、１２の回転数も等しくなる。ただし、両ロール３、１２の直径は任意に決めることができる。通常は、前ロール３の直径を後ロール１２の直径よりも大きくする。なお、スパイラル状の凹凸部５、１４は１条ネジであっても良いし、２条以上の多条ネジであっても良い。
【００１８】
更に、本発明による前ロール３及び後ロール１２は、以下の条件式を満たすことを特徴としている。
条件式      Ｌ１＋Ｌ２＞０．１Ｐ／ｎ
Ｌ１：前ロールの頂部幅
Ｌ２：後ロールの頂部幅
ｐ：両ロールの凹凸部のピッチ
ｎ：ピッチ間の凸部の数（１条ねじではｎ＝１、２条ねじではｎ＝２）
【００１９】
本発明は、（１）の構成を採用したことにより、処理物の搬送性能を大幅に増大させることができる。従って、処理物の供給量が多くてもバンクは成長せず、ショートパスを起こすようなことはない。また、一方のロール３、１２の凹部６、１５に他方のロール１２、３の凸部１７、８が噛み込むことになるので、従来のロールのように、処理物が凹部６、１５に滞留することはない。更に、混練機能として働くニップ部が複雑な形状に形成され、しかもその全長が長くなるので、混練性能を高めることもできる。
【００２０】
本発明は、（２）の構成を採用したことにより、両ロール３、１２間にロール軸４、１３に平行な間隙が形成される。具体的には、両ロール３、１２の軸線に平行な断面において、両ロール３、１２の凹凸部５、１４の形状を台形又は矩形に形成する。三角形や円弧形等を除いた形状である。
【００２１】
混練操作の中で、例えば樹脂中に顔料を分散させるような場合には、処理物に大きな剪断力を与えなければならない。剪断力は、ニップ部の間隙で与えられ、両ロール３、１２の表面における速度差が大きいほど、また間隙が狭いほど大きな剪断力が得られる。このため、両ロール間３、１２の間隙は、０．０５ｍｍ単位で調節できることが好ましい。
【００２２】
このように両ロール３、１２間の間隙を細かく調整することは凹凸部５、１４の形状を三角形とした場合でも、一応は可能である。例えば、一方のロール３、１２の凸部８、１７と他方のロール１２、３の凹部１５、６とを同一形状の二等辺三角形とすれば、両ロール３、１２の軸間距離を調節することにより、三角形の相対する辺と辺との間隔を調整することができるからである。しかし、前述のように、両ロール３、１２はそれぞれ別個に温度調整を行い、異なる温度とすることが多い。そして、両ロール３、１２の温度差を大きくした場合には、両ロール３、１２の軸方向に対する熱膨張差が大きくなるので、両ロール３、１２の入口側から出口側に至るまで一様な間隙とすることはできない。従って、両ロール３、１２間の間隙を細かく調整することが不可能となる。
【００２３】
一方、本発明の（２）の構成により、両ロール３、１２のロール軸４、１３に平行な間隙を形成した場合には、両ロール３、１２の温度差を大きくした場合でも、この部分の間隙（図３のニップ部Ａ）を一定にすることができる。ロール軸４、１３に平行な間隙は、両ロール３、１２の軸間距離を調整することにより、熱膨張の違いに関係なく、両ロール３、１２の入口側から出口側に至るまで一様な間隙とすることができるからである。従って、（２）の構成を採用することにより、大きな剪断力を必要とする処理を行うことが可能となり、大きな混練効果を発揮することが可能となる。具体的には、前ロール３の頂部幅９をＬ１、後ロール１２の頂部幅１８をＬ２とするとき、Ｌ１＋Ｌ２の値を、隣り合う凸部８−８、１７−１７のピッチ間隔の０．１倍以上とする。Ｌ１＋Ｌ２の値が、隣り合う凸部８−８、１７−１７のピッチ間隔に近いほど、混練効果が大きくなる。Ｌ１＋Ｌ２が０．１Ｐ／ｎに近い場合の両ロール３、１２の凹凸部５、１４の形状を図４に示し、Ｌ１＋Ｌ２がＰ／ｎに近い場合の両ロール３、１２の凹凸部５、１４の形状を図５に示す。
【００２４】
（２）の構成において、両ロール３、１２のロール軸４、１３に平行でない間隙（図３のニップ部Ｂ）は、間隙を細かく調節することができない。従って、大きな剪断力を期待することはできないが、単純な混合を目的とする混練には有効である。
【００２５】
凹凸部５、１４の深さは、このように単純な混練性能と処理物の搬送性を考慮して、１．０ｍｍ以上とすることが好ましい。また、得られる効果、処理動力さらにロール強度を考慮して各ロール３、１２の最大直径（凸部８、１７の直径）の１／４以下とすることが好ましい。
【００２６】
処理物を前ロール３に巻き付かせるために、前ロール３の直径は後ロール１２の直径より大きくすることが好ましい。一般には下記の条件を満たすことが好ましい。
０．５×ｄ１≦Ｄ２≦ｄ１
Ｄ２：後ロール最大直径（凸部頂部直径）
ｄ１：前ロール最小直径（凹部底部直径）
具体的には、必要とする剪断力を考慮して決定する。
【００２７】
混練機への材料の供給方法は、通常１箇所であるが、複数の材料を２箇所以上から供給し、混合を兼ねて混練を行っても良い。例えば、主材料を両ロール３、１２の端から供給し、熱を嫌う材料や破壊されては困る副材料を両ロール３、１２の後半部で添加して混合混練を行う。
【００２８】
両ロール３、１２の処理物の吐出口２５には取出し装置２６を取り付け、両ロール３、１２の表面は凹凸部５、１４をなくし、円筒状にしている。取出し装置２６としては、前ロール３の表面に巻き付いている材料に回転刃を押し付け、材料をカットしてスクレーパにより帯状で取り出すストリップカッター、固定刃を押し付けて材料をカットするナイフカッター、多数の孔を設けたシリンダードラムを前ロール３に押し付け、材料を孔を介して内側に押し出し、これを固定刃でカットすることでペレットを得るペレタイザー等、用途に応じて使い分けることが可能である。
【００２９】
本発明の混練機１は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、セラミックス、各種材料マスターバッチ（カラートナー用、樹脂と安定剤等の添加剤、ゴム用添加剤）、粉末冶金、磁性材料（プラスチック磁石等の永久磁石を含む）、黒及びカラートナー、インキ、コンパウンド、粉体塗料、天然あるいは合成ゴム、接着剤、鉛筆芯（黒芯、ポリマー芯）、電池材料等の混練に用いることができる。
【００３０】
以下、本発明による混練機１の実施例について説明する。
（実施例１）
実施例１は、合成木材の製造過程に本発明の混練機１を利用したものである。具体的には、ポリプロピレン樹脂（ペレット）４４重量％、木粉５５重量％、相溶化剤１重量％の割合で配合した２５ｋｇの材料を混合機（三井鉱山製ヘンシェルミキサ）に投入して羽根速度４０ｍ／ｓで攪拌加熱処理、その後２０ｍ／ｓで攪拌加熱処理を行い、さらにクーラーミキサー（三井鉱山製ヘンシェルミキサ）で冷却、造粒して最大粒径５ｍｍ嵩比重０．４の木粉を含んだ造粒物を得た。これを本発明の混練機１に供給、混練し、孔内径４ｍｍのペレタイザを通した。この結果、嵩比重０．５６の良好なペレットを得ることができた。このときの処理速度は３０ｋｇ／ｈであった。
0003860440.tif 000002
【００３１】
（比較例１）
実施例１の本発明の混練機１を従来型の連続処理可能な開放式２本ロール型混練機（三井鉱山製ニーデックス）に替えて混練した。処理速度が１０ｋｇ／ｈで混練機の供給部分でオーバーフローし、混練処理が間に合わなくなった。
0003860440.tif 000003
【００３２】
実施例１と比較例１を比較すると、実施例１で使用している本発明の混練機１の方が処理速度が大きいことが明らかであった。
【００３３】
（実施例２）
実施例２は、カラートナーの製造過程に本発明の混練機１を利用したものである。
第１混練工程において、不飽和ポリエステル樹脂７０重量％、銅フタロシアニン顔料３０重量％の割合で配合した５ｋｇの材料を混合機（三井鉱山製ヘンシェルミキサ）に投入して、羽根回転速度２０ｍ／ｓで攪拌加熱処理を行い、その混合物をさらに従来型の連続処理可能な開放式２本ロール型混練機（三井鉱山製ニーデックス）を用いて処理量２ｋｇ／ｈで混練してマスターバッチを製造した。そのマスターバッチを粉砕機で粉砕して２ｍｍのスクリーンを通過する程の大きさにした。さらに、第２混練工程において、そのマスターバッチ１４重量％、不飽和ポリエステル樹脂８２．７重量％、荷電制御剤３．３重量％の割合で配合した５ｋｇの材料を混合機（三井鉱山製ヘンシェルミキサ）を用いて羽根回転速度２０ｍ／ｓで攪拌加熱冷却処理を行い、これを本発明の混練機１に供給し、処理速度１０ｋｇ／ｈで混練を行った。
第２混練工程後得られた混練物を１２０℃に加熱したスライドグラスに載せて溶解させ、カバーグラスで薄く伸ばしてから光学顕微鏡で観察した。顔料と荷電制御剤の塊は全く確認されなかった。
0003860440.tif 000004
【００３４】
（比較例２）
実施例２の第２混練工程も従来型の連続処理可能な開放式２本ロール型混練機（三井鉱山製ニーデックス）を用いて、処理速度１０ｋｇ／ｈで行った。この混練物を実施例２と同様に光学顕微鏡で観察した結果、顔料粒と荷電制御剤の塊が確認された。
0003860440.tif 000005
希釈の第２混練工程において、実施例２は、本発明の混練機を使用し、比較例２では従来型の混練機を使用した。その結果を比較すると、実施例２で使用している本発明の混練機の方が分散性に優れていることが分かった。
【００３５】
（実施例３）
実施例２の第１混練工程（マスターバッチの製造）において、従来型の混練機を本発明の混練機１に替えて操作を行った。処理量は３ｋｇ／ｈである。この第１工程で得られた混練物を実施例２と同様の光学顕微鏡で観察した。この結果を実施例２の第１混練工程で得られた混練物と比較すると、実施例３の混練物の方が最大粒径が小さいことが確認された。このように本発明の混練機１は、マスターバッチの第１混練工程においても混練性能は従来型の混練機に優ることがわかった。さらに、実施例２と同様に第２混練工程を行い、第２混練工程後に得られた混練物を実施例２と同様に光学顕微鏡で観察した結果、顔料および荷電制御剤の塊は全く確認されなかった。
0003860440.tif 000006
【００３６】
（実施例４）
カラートナー製造において、比較例２に示すように、従来の混練機では処理量及び分散混練性能の点からマスターバッチの第１混練工程と希釈の第２混練工程を２工程に分けて行わなければ対応ができなかった。しかし、本発明の混練機１は、従来の混練機と比較して処理量が増加し、さらに分散混練性能も向上したので、マスターバッチの製造から希釈までを１工程で行うことができるようになった。
不飽和ポリエステル９２．５重量％、銅フタロシアニン４．２重量％、荷電制御剤３．３重量％の実施例２の第２混練工程でできあがった混練物と同じ配合量の材料５ｋｇを混合機（三井鉱山製ヘンシェルミキサ）を用いて羽根回転速度２０ｍ／ｓで攪拌混合し、その後、本発明の混練機１を用いて処理量５ｋｇ／ｈで混練した。この混練物を実施例２と同様に光学顕微鏡で観察した結果、顔料および荷電制御剤の塊は全く確認されなかった。
0003860440.tif 000007
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、前記のように構成して、両ロールの表面にスパイラル状の凹凸を設け、一方のロールの凸部と他方のロールの凹部とを互いに噛み合わせた状態で近接させたことにより、処理物の供給量が多くてもバンクは成長せず、ショートパスが起こることもない。また、一方のロールの凹部には他方のロールの凸部が噛み込むことになるので、処理物が凹部に滞留することはない。さらに、混練機能として働くニップ部が複雑な形状に形成され、しかもその全長が長くなる。従って、処理物の搬送性能及び混練性能を大幅に高めることができ、均一で安定した性状の混練物を得ることができることになる。
また、少なくとも一方のロールの凸部がロール軸に平行な頂部幅を有し、他方のロールの凹部がロール軸に平行な底部幅を有する構成としたことにより、両ロール間に、両ロール軸に平行な間隙を形成することができ、両ロールの温度差を大きくした場合でも、この間隙を一定に保つことができることになる。従って、大きな剪断力を必要とする処理を行うことが可能となるので、そのような処理であっても優れた混練性能を発揮することができることになる。
さらに、一方のロールの頂部幅をＬ１、他方のロールの頂部幅をＬ２とするとき、Ｌ１＋Ｌ２の値を、隣り合う凹部のピッチ間隔の０．１倍とすることにより、優れた混練性能を発揮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による混練機の一実施の形態の全体を示した正面図である。
【図２】図１に示す前ロール及び後ロールの平面図である。
【図３】図２に示すものの部分拡大説明図である。
【図４】本発明による混練機の前ロール及び後ロールの凹凸部の形状の一例を示した説明図である。
【図５】本発明による混練機の前ロール及び後ロールの凹凸部の形状の他の例を示した説明図である。
【図６】従来の混練機の一例を示したものであって、前ロール及び後ロールの平面図である。
【図７】図６に示すものの部分拡大説明図である。
【図８】従来の前ロール及び後ロールと処理物との関係を示した説明図である。
【符号の説明】
１……混練機
２……機械本体
３、３０……前ロール
４、１３……ロール軸
５、１４……凹凸部
６、１５……凹部
７、１６……底部幅
８、１７……凸部
９、１８……頂部幅
１０、１９……流路
１１、２０……供給排出部
１２、３５……後ロール
２１……軸受
２２……伝達部材
２３……駆動源
２４……材料供給部
２５……吐出口
２６……取出し装置
３１、３６……溝
４０……処理物
Ａ、Ｂ、Ｙ……ニップ部
Ｘ……バンク部
【図１】
0003860440.tif 000008
【図２】
0003860440.tif 000009
【図３】
0003860440.tif 000010
【図４】
0003860440.tif 000011
【図５】
0003860440.tif 000012
【図６】
0003860440.tif 000013
【図７】
0003860440.tif 000014
【図８】
0003860440.tif 000015