技 術 報 告

技 術 報 告二軸押出機 TEX® 用特殊混練スクリュ

二軸押出機 TEX ® 用特殊混練スクリュSpecial Kneading Element for Twin Screw Extruder TEX®

森 雅之

佐賀 大吾

Masayuki Mori

Daigo Saga

要旨

従来のニーディングディスク（KD）よりも優れた混練性能を有する特殊混練スクリュ“V ニーディング”（VKD）について、その性能評価を行った。性能検証試験として、PP とフィラーを用いた PP コンパウンドプロセスに適用し、VKD を用いたスクリュ形状の方が KD を用いたスクリュ形状よりも Esp（比エネルギー；単位押出量当たりの消費動力）が約 10 % 向上し、
VKD の V 字型の山頂部の存在が樹脂に対する高せん断作用付与に有効であることが確認された。また、VKD を用いたスクリュでは、可塑化部の入口から可塑化開始点までの距離が KD を用いたスクリュ形状よりも最大で 50 % 短縮されており、VKD は樹脂の効率的な可塑化に対しても有効であることが確認された。

Synopsis   Performance of a special kneading screw, "V-Kneading Disk " （VKD）, which has superior kneading performance tothe conventional kneading disc（KD）, has been evaluated. As a performance verification test, VKD was applied to a PP
compounding process using PP and filler, found out that the screw configuration with VKD had about 10 % higher Esp（Specific energy input）than that with the KD, confirming that the V-shaped screw tip of the VKD is effective in providing
high shear energy to polymer. In addition, the distance from the inlet of the plasticizing section to the initial melting point
was up to 50 % shorter with VKD compared to KD, confirming that VKD is also effective for efficient melting of polymer.

1.

緒

言

い分野において優れた混練性能と吐出性能を示してきた。
昨今、押出機に求められる強い期待に応えるためには、従持続可能な開発目標（SDGs）が浸透した昨今、環境問題に対する関心が世界的に高まりを見せている。廃棄樹脂を来のスクリュよりも様々な面で優れた混練性能を持つ特殊スクリュの開発が不可欠となっている。

適切に処分・再利用することが重要視され始めている中、メカニカルリサイクルは、廃棄樹脂を樹脂のまま原料と地球環境への負荷が小さい廃棄樹脂の再利用の手法としして製品に再生する手法であり、ケミカルリサイクルは化て、噛み合い型同方向二軸押出機を用いたメカニカルリサ

学反応によって廃棄樹脂を低分子量化させて、その分解物イクル（マテリアルリサイクル）やケミカルリサイクルに大を再利用する手法である。これらのリサイクルプロセスできな期待が寄せられている。

は、多くの場合、廃棄樹脂は形・大きさが不均一な粉砕品

二軸押出機は、セグメント化されたスクリュの外形およであり、場合によっては複数種類の樹脂が混合されているびその組み合わせを工夫することによって、これまで幅広こともある。そのため、これらのリサイクルプロセスにお広島製作所 樹脂製造機械部
Plastics Machinery Department, Hiroshima Plant（51）

技 術 報 告二軸押出機 TEX® 用特殊混練スクリュ

いて高い吐出量を得るには、廃棄樹脂を均一かつ効率的に

図 2 に VKD 内および KD 内における樹脂流動を示す。

可塑化することが必要である。また、ケミカルリサイクル

KD の場合、山頂部上を流動するよりも上流および下流のでは、廃棄樹脂への熱エネルギーの付与が高い吐出量を得ディスク間の隙間を流動する方が抵抗が小さいため、山る上で重要である。

頂部上を通過する樹脂量を確保しにくい。一方、VKD二軸押出機では、シリンダ外壁面に取り付けられた電気の場合、スクリュ回転で生じる樹脂の流れが山頂部にヒーターを用いて、樹脂に熱エネルギーを加えることが可よって堰き止められるため、山頂部手前に樹脂溜まりが能である。これは、シリンダ内壁面を介して樹脂に熱伝達形成される。この樹脂溜まり内に存在する樹脂は、上流を行う外部加熱方式であり、樹脂の性状（粒子径、嵩密度、および下流のディスク間の隙間を流動することがないた熱伝導率など）によって熱伝達効率が大きく変化する。

め、山頂部上を通過せざるを得ない。その結果、VKD

そのため、性状が多様な廃棄樹脂を対象としたリサイクル

は、KD よりも高せん断作用を受けた樹脂の割合を高くプロセスでは、熱伝達によって十分な熱エネルギーを廃することができると期待される。

棄樹脂に加えることができないため、高い吐出量を得ることができない。また、二軸押出機のシリンダに装着可能な電気ヒーターの容量にはシリンダ外壁面の面積などの影響で限界があるため、ケミカルリサイクルでは吐出量の向上を図る上でボトルネックとなることがある。
一方、二軸押出機は、スクリュ回転によって樹脂に圧縮とせん断を加え、樹脂に熱エネルギーを加えることも可能である。これは樹脂に自己発熱を生じさせる内部加熱方式である。スクリュ回転は減速機を介してモーターよりもたらされるが、近年では二軸押出機の減速機・スクリュ軸

図２ （a）VKD 内および（b）KD 内における樹脂流動のイメージの高剛性化が進んでいるため、高トルクおよび高動力モーターを採用することが可能となっている。これによって、

KD は、ディスクの枚数、ディスクの厚み、ディスク二軸押出機の混練性能が向上するため、優れたエネルギのずらし角度、ディスク外径（シリンダ内壁と山頂部のー伝達を実現することができ、高い吐出性能が得られるクリアランス）の調整によって混練作用を制御している。と期待される。

一方、VKD 内での混練作用は、これらの形状因子に加本報では、従来のニーディングディスク（KD）よりも優え、山頂部の V 字型を形成する 2 種類の捩じり量（リーれた混練性能を有する特殊混練スクリュ“V ニーディング”ド）および L/D（L: スクリュ長、D: シリンダ内径）にも（VKD）について、その性能評価を行ったので報告する。

依存する。VKD における山頂部リードは、山頂部のＶ字型の開度に関わる形状因子であり、捩じりリード

2.

VKD の特徴（ピッチ）をシリンダ径で除して無次元化した値を用いる。
山頂部リードが大きくなるほど山頂部の V 字型の開度

図 1 に VKD と KD の三次元モデルを示す。KD は一般が大きくなることを意味する。（図 3）

的に各ディスクの山頂部はスクリュ軸方向に平行に設計されるが、VKD の山頂部は順送り方向・逆送り方向にそれぞれ捩じった 2 種類の形状を組み合わせた V 字型となっている。

図３ 山頂部リードが異なる VKD の三次元モデル（a）山頂部リード：3D,（b）山頂部リード：8D
図 1 （a）
VKD と（b）
KD の三次元モデル（52）

日本製鋼所技報 No.74（2023.11）

技 術 報 告二軸押出機 TEX® 用特殊混練スクリュ

3.

VKD の性能検証試験

たりにモーターから樹脂に付与されるエネルギーを示す比エネルギー（Esp）、および二軸押出機内での可塑3.1

試験材料

化開始点の観察から前記の 3 種のスクリュ形状の混練

本開発では、VKD の性能検証試験として、PP とフィ性能を評価した。なお、可塑化開始点の観察では、安ラーを用いた PP コンパウンドプロセスを採用すること定運転状態の二軸押出機内に少量の着色ペレット（越谷とした。マトリックス樹脂には PP（プライムポリマー

化成社製 9031P 汎用 MB）を投入し、その後、二軸押出社製 J709QG, MFR = 55 g/10 min）を用い、フィラーに機を停止して即座に可塑化部分のベントプラグを取りはタルク（浅田製粉社製 JM209, 嵩密度 0.274 g/cc）を用外すことで実施した。

いた。また、この検証試験ではタルクの添加量は押出量に対して 40 wt% とした。
3.33.2

試験方法

試験結果

図 6 に 3 種のスクリュ形状をそれぞれ用いた場合の図 4 にこの性能検証試験で利用した試験装置の模式Esp を示す。リードに依らず、VKD を用いたスクリュ図を示す。この検証試験では、二軸押出機（TEX44αⅢ、形状（スクリュ 1、スクリュ 2）の方が KD を用いたスクL/D = 52.5）を用い、PP およびタルクは 2 種類の重量

リュ 3 よりも Esp が約 10 % 向上しており、VKD の V式フィーダー（J-NX-T45）を用いてそれぞれ最上流の字型の山頂部の存在が樹脂に対する高せん断作用付与シリンダの投入口から供給した。また、図 5 にこの性に有効であることが確認された。また、VKD の山頂部

能検証試験で使用したスクリュ形状を示す。山頂部リードが 3D および 8D である 2 種類の VKD、および VKDの比較対象である KD をそれぞれ可塑化部である比較混練部に導入し、その L/D は 12 とした。比較混練部以外のスクリュ形状は同一とした。山頂部リードが 8Dの VKD を使用したスクリュをスクリュ１、山頂部リードが 3D の VKD の場合をスクリュ 2、そして KD を使用した場合をスクリュ３と称することとした。
吐出量 100 kg/h、スクリュ回転数 200 rpm、シリンダ設定温度 230 ℃の操作条件において、単位押出量当
図 6 3 種のスクリュを用いた場合の Esp の比較

図４ 性能検証試験で利用した試験装置の模式図

図 5 性能検証試験で利用したスクリュ形状（53）

技 術 報 告二軸押出機 TEX® 用特殊混練スクリュ

リードは小さい方が、Esp が高くなる傾向が見られた。

4.

結言

VKD の V 字型が鋭利となる山頂部の方がディスク間の隙間の樹脂流動を抑制する効果が高いため、山頂部

本開発では、二軸押出機の新規混練スクリュとして開上を通過する樹脂量の増加が得られることを示唆する発した VKD を対象に、その混練性能の評価を検証した。

ものと考える。

VKD は、通常の KD に比べてより短い L/D で樹脂を可

図 7 に 3 種のスクリュ形状をそれぞれ用いた場合の塑化することができており、スクリュ回転による圧縮と二軸押出機シリンダ内の樹脂およびタルクの可塑化・せん断をより効率的に樹脂へ伝達できることが示され複合化状況を示す。山頂部リードが 8D の VKD を用いた。このような混練性能を有する VKD をケミカルリサたスクリュ 1 はスクリュ 3 を用いた場合と可塑化開始イクルプロセスに利用することで従来の KD を使用する点に大差は見られなかった。一方、山頂部リードが 3D場合よりも高いエネルギーを樹脂へ伝達することが可能である VKD を用いたスクリュ 2 は、可塑化部の入口になり、吐出量の向上が期待される。

から可塑化開始点までの距離がスクリュ 3 と比較してまた、VKD は既に多くのコンパウンドプロセスに適50 % 短縮された。スクリュ 1 では VKD の山頂部リー用されており、様々なプロセスにおいて高い分散混合性ドが大きくなると、山頂部の V 字型が KD の山頂部に能を発揮し良好な成果を上げているが、今後も引き続き類似した形状になる。これによって、KD のように山VKD の特徴・効果について定量評価を実施して、VKD頂部の上流および下流のディスク間の隙間を優先的にの形状の最適化を行い、ケミカルリサイクルを含めた用樹脂が流動するようになるため、山頂部上を通過する途拡大に注力していく所存である。

樹脂量を増加させる効果が高まらないことに起因すると考える。以上のように、VKD は樹脂の効率的な可塑TEX は株式会社日本製鋼所の登録商標です。

化に対しても有効であることが判明した。

図 7 3 種のスクリュ形状を用いた場合の二軸押出機シリンダ内のタルク入り樹脂の可塑化・複合化状況（54）

日本製鋼所技報 No.74（2023.11）