特集

押出技術―成形と混練の最新動向

高機能樹脂の安定した品質は混練・分散工程から― オープンロール連続式混練機「ニーデックス」
岩 本 玄 徳＊はじめにこの操作で使用される混練機には押出機，ニーダ，コニーダ，バンバリミている．また人手によるためにロットムラを防ぎきれない状況にある．

近年，自動車の低燃費化が急速に進キサなどがある．これらと比較して 2当社のオープンロール連続式混練機

み，軽量化のために多くのプラスチッ

本ロール混練機には次の特徴がある．

「ニーデックス」は，2 本ロール混練クが採用されるようになった．車載用① 強力なせん断作用を有する

機本来の機能を維持し，混練後の材料のプラスチックには機械的高強度，寸② 比較的低温で処理できるをシート状またはペレット状で連続的法安定性，耐熱性，絶縁性などが求め③ 揮発分の除去に取出すことを可能とし，連続化によられ，ガラス繊維や炭素繊維などの強④ 混練状態を目視で確認できる

る省力化と品質の安定化を達成したも化材や無機フィラーを組合せたコンポ⑤ 洗浄が容易で多品種・小ロット生のである．本稿では，その基本的な機ジット材の開発が盛んに行われている．

産に適する構と最新のラインナップについて紹介

特にほかの混練機では分散できない

また，電気・電子機器の分野では小場合や，少量・多品種生産へ対応でき型化，高容量・高出力化が進み，装置ることから 2 本ロール混練機を使用し内部は高密度になっている．その結果，ている例も多い．

する．

1．
「ニーデックス」の構造と特徴 2）発生する熱エネルギーが大きくなって2 本ロール混練機の多くはバッチ式いることから，放熱対策が課題になっで，ロール師と呼ばれる熟練工によるており，コスト，加工性や質量の観点付きっ切りでの作業が必要である．こ

本機は，連続式の 2 本ロール混練機でから，高分子材料に熱伝導性フィラーの作業は 3K の最たるもので，昨今はある．その特徴は，前後のロール表面を配合した高熱伝導性高分子複合材料

ロール師不足という深刻な問題を抱えにスパイラル溝を設けたことにある．

図 1 に装置とロールの外観を示す．の開発も行われている ．
1）

このように多種多様な機能を付加するためには，フィラー材，安定剤，顔料などの配合材を樹脂中に均一に分散させる必要があり，ゴム・プラスチッ
クの製造工程では，樹脂を加熱・溶融させた高粘度状態で混練する操作が必要となる．特に近年は機能を向上させるためにフィラーの高濃度配合が求められるケースが多い．

＊ Motonori Iwamoto
日本コークス工業㈱ 化工機事業部
Tel. 0282-28-1161
Fax. 0282-28-1150

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図１ 「ニーデックス」及びロールの外観

プラスチックスエージ

この溝が材料の搬送作用を生むと同時圧縮・せん断作用を受け，また，バンた，軸方向の入れ替わりもないため，に，原材料の食い込み性とバンク部でク部での効果的な対流によりマクロ的混合作用は皆無に近い．これが通常のの混合作用の向上を図っている．また，な混合が行われて混練が進行していロールで人手による切り返し操作が必滞留時間を確保するために L/D（L はく．図 2 に混練機構の模式図を示した要とされる理由となる．

ロールの長さ，D はロールの直径）をが，実際には各作用が同時に進行する．

更に，溝がある方は折りたたみの作大きくしていることも特徴で，これら

なお，溝内もニップ部を通過する時の用が見て取れる．これは混練に必要なにより処理の連続化が可能となった．

強力なずり作用によりセルフクリーニ基本的な作用で，分散に寄与する．こ前後 2 本のロールは個別のインバーングが行われ，ここに未混練物が残るの作用によって，切り返し操作を行うことはない．

ことなく混練・分散が進行し，処理をタモータで駆動され，回転速度及び回転比は広い範囲で任意に設定でき，ロ

図 3 は溝の有無によるバンク（ローール間隙は 0.3 〜 5mm で調整できる．

ル溜り）部分の流動状態の比較である．

ロールの温度調節は熱媒体または冷溝のない通常の 2 本ロールでは，バン却水による．媒体の通路はスパイラル

ク部の対流は層流に近く，単にバンクとし温度分布の均一化を図っている．

中心部が回転するだけになって，回転ストリップカッタとペレタイザの 2通路は各ロールに左右独立したゾーン中心部が混合できないことがある．ま種類があり，交換が可能である．それ終えた材料はロール末端部に設けた後述の装置により取り出される．

1.2

取出装置があり，材料や処理の目的に合わせ，4 つのゾーンそれぞれで温度調節が可能である．なお，熱媒体の温度は標準供 給仕様で 250℃，オプションで最高 350℃まで使用可能となっている．

副材料供給

このように，多様な運転条件が設定できるため，1 台でいろいろな材料の混練が可能である．
ロールの加圧は油圧シリンダによって行う．また，この油圧シリンダを利圧 縮用してロール間隙を 50mm まで開放することができる．この開放はいつでも実際は同時に作用可能で，特に洗浄時に有利である．

溶 融均質化

ロールの材質は窒化鋼を標準とする

分 散が，特に摩耗性の強い材料の場合は超実際は同時に作用

図２

硬溶射も可能である．

1.1

排 出

混練機構

混練機構

原材料はロールの左側に定量供給さ処理物：S-PVC＋青色顔料
回転速度：20min－1
混練時間：15sec

れる．ここで溝の効果により，強力な圧縮・せん断作用を受けながらニップ未混合部

バンク部（ロール間隙部）に食い込まれる．
また，ニップ部での発熱とロールからの伝熱とにより樹脂が軟化・溶融しロールに巻き付くことになる．どちらのロールに巻き付くかは温度や回転比で前ロール

後ロール決定される．混練作用と安定運転のためには前ロールのみに巻き付かせることが必要である．
巻き付いた材料は，溝の作用により吐出側に送られる．この過程で，更にJune 2019

溝付きロール
溝なしロール（「ニーデックス」） （一般的な2本ロール）

ニップ部

バンク部

図３

バンクの流動57

ンク高さである．また g（ θ）はロール間隙とバンク幅に関わる複雑な関数
前ロール

ロールスクレーパである．
バッチ式混練機の場合の処理時間に相当する因子としては，滞留時間よりドラムむしろロール間隙（ニップ部）を何回通過したかで考えた方がよい．ニーデックスでの平均的な通過回数 n は次式で与えられる．
ロータリカッタ

ストリップカッタ

図４

ドラムスクレーパn＝

ストリップカッタ

πh（D＋h）LNQ（２）

ここで，L はロールの有効長さ，Nは回転速度，Q は吐出量である．

2.1

ロール温度

ロール温度を適切に設定，把握する

前ロールことは最も重要な因子である．
処理にあたっては，まず材料をロールに巻き付かせることが不可欠である．したがって，供給部分では速やかペレタイザに樹脂を軟化・溶融させることが必要
ペレット

ペレタイザ

図５となる．次に，（1）式で最も大きく影響する材料の粘度をコントロールする

スクレーパ

ペレタイザ必要がある．強力なせん断作用を得る
ためには温度を下げることが有効となるが，温度を下げ過ぎると巻き付いたぞれの機構を図 4，図 5 に示す．

必要がある．熱硬化性樹脂で反応を伴シートが剥離する，過度のトルクがかかるなどの不具合を生じる．

ストリップカッタは，前ロールに巻う場合は温度と滞留時間が重要なファき付いた材料層に回転刃を押し付けてクターとなるし，配合剤の凝集物をつこれらから，ロール設定温度は，供これをカットし，スクレーパによりシぶすのか，逆にガラス繊維のように繊給側を軟化点＋ 20℃，吐出側を軟化ート状で取り出すものである．

維を切らずに混練するのかによってそ点程度とすることが多い．

ペレタイザは，多数の穴を設けたペの操作条件が変わってくる．

2.2

回転速度

レタイザリングを材料層に押し付けしたがって，せん断力の大きさと，て，穴を通って内側に突き出た材料をそのせん断力をどの程度受けるかを考（1）式と（2）式から，回転速度が固定刃でカットすることにより，ペレえる必要がある．

速いとせん断応力が大きくなり，通過ットを作製するものである．これは一ロール機の場合のせん断応力σは次回数も増加する．また，回転速度は溝種のホットカット形式で，ペレタイザ式で与えられている．このσを大きくによる材料の搬送作用にも影響し，高も温度調節ができるようにジャケットする条件にすれば分散性が向上するこ

速回転の方が搬送力も大きくなる．しを設けている．とになる．

たがって，強い混練を目的とし，また

2．混練に影響を及ぼす諸因子 2）

2ηu Dhσ＝g（θ）
hx

大きな吐出量を得ようとする場合は高（１）速回転の方が有利となる．
図 6 はロール温度を含めて他の条件「ニーデックス」の操作条件を検討

ここで，ηは粘度，D はロール径，を一定とした場合の各材料における回する場合，まず，どのような材料をど

u は前後ロールの平均速度で u ＝π D

転速度と動力との関係を示したものでのような目的で混練するのかを考える（NF ＋ NB）/2，h はロール間隙，x はバある．

58

プラスチックスエージ

溶融時の粘度変化が急な材料ほど傾10きが小さくなる傾向があり，動力の増加に伴う発熱で粘度低下が顕著になることを示している．ロール温度を下げPPS＋シリカ

ることでせん断応力の低下を解消する

トナー

せん断応力の低下を招くので注意が必
要である．

2.3

Wax＋Pig.

総動力（kW）

ことができるが，それでも過度の力はABS＋Pig.

1エポキシ樹脂シリコンゴムLDPE＋TiO

回転比（フリクション比）

活性炭
S. PVC

回転比を大きくするほど，局所的にR. PVC
CPE＋Nd

大きなせん断応力が発生し，分散効果0.1が得られる．
ただし，回転比を過度にとると，ニップ部への食い込みが悪くなってバン

10100
前ロール回転数（min－1）

図６

前ロール回転速度と総動力クがショートパスしたり，巻き付いたシートが切れたりするので注意を要す
る．

2本ロール

2.4

二軸押出機

ロール間隙（1）式から間隙は小さいほどせん断応力が大きくなる．また，圧縮力も大きくなり材料の巻き付きにも有効となる．しかし，（2）式から通過回数は減少することがわかる．
凝集物を破壊するために大きなせん断応力が必要なら間隙を小さく，凝集L/D大作用域小トルク大作用域大せん断面積小

せん断面積大強度の弱い材料の場合は大きめにする

σ×A∝F（力）図７など，処理の目的に応じた設定が必要

2本ロールと押出機の比較である．

3．押出機ほかとの比較能性が高い．ほかの混練機も同様で，

表１2本ロールと押出機の比較

2 本ロール機がいかに強力なせん断作
2 本ロール機と押出機及びほか混練用を持つかが分かる（表 1）．

機の大きな違いは，せん断作用域の大また，これが高粘度物を混練でき，きさにある．
図7に示すように，2本ロー圧縮作用も含めて高フィラー配合がでル機の場合は間隙の小さな範囲でしかきる理由である．実際に，押出機ではないが，例えば二軸押出機では特に大希釈・分散ができなくなるような高フ

きな L/D とともに，混練ブロック相互とィラー配合のマスターバッチでもペレバレル間で大きな作用域を持っている．

ット化までの処理が可能であった．最作用域
せん断応力
生産性
高フィラー配合
粘度差ある配合
洗浄性

2本ロール

二軸押出機

小大小可可容易大小大難難難（1）式のせん断応力に作用域の面積近では，フィラー高充てんによる粘度を乗ずれば力となり，更に半径を乗ず上昇が原因で，押出機では作製が困難練できないものもある．例えば熱硬化ればトルクとなる．仮に 2 本ロール機であった高熱伝導性高分子材料の作製性樹脂である．もし，密閉型の装置内と同じせん断応力を二軸押出機に与えに成功している ．

で硬化反応が進んでしまったら清掃に3）ようとすれば，非常に大きなトルクがほかに，材料によっては「ニーデッ

大きな労力が必要になるが，オープン必要になり，軸強度に問題が生じる可クス」のようなオープン型でないと混型は材料の除去，洗浄が容易に行える．

June 201959

4．スケールアップ

5．高温タイプの開発

洩するリスクがなくなった．
更に，ロール表面温度を最高 400℃

スケールアップ時の吐出量や装置条鉄鋼やセラミックスの代替として注まで使用できるようになり，従来より件を考える場合も，処理の目的・内容目されるスーパーエンジニアリングプも高融点の樹脂混練が可能となった．

は何かが重要である．また，テスト結

ラチックは融点が 300℃を超える高融また，従来はロール温度調節のため果からどの条件が律速になっているか点樹脂が多い．「ニーデックス」は熱のユーティリティとして温度調節器がの見極めが必要である．

媒体でのロール温度調節で 350℃まで必須であった．熱媒体を使用する場合，（1）式から，スケールアップにおい使用できるため，このような樹脂の混温度調節器本体や配管からの媒体漏れて次の設定条件でおこなえば，せん断練も行える．

や，給油作業などにより，製造現場を応力σが等しくなる．またニップ部でしかし，熱媒式の場合，ロールを支清潔に保つことは困難であった．誘導発生する圧力も等しくなり，これらがえる軸受け部も高温になってしまうた

発熱方式を採用した場合，温度調節器基本条件となる．

め，機械的に厳しい使用環境となる．

が不要となるため，設置の省スペース

回転速度：NF ＝ Const. NB ＝ Const.

潤滑油が漏洩した場合，軸受けが破損化はもちろんのこと，熱媒体による製ロール間隙：h ＝ h0･D/D0する．
また，機械的な破損に伴って，高温造現場の汚染防止も可能となった．

材料温度：t ＝ Const.（η＝ Const.）の熱媒体が漏洩した場合には，オペレ同じ分散にするためには，同じ大きータが火傷するなどの人身事故が発生さのせん断応力を同じ時間と回数だけする可能性もあるため，安全と機械保与えればよい．これは上の基本条件と護の両面に配慮した設計が必要である．

5.1 処理例
表 3 に当社で行った基礎試験の結果を示す．

そこで，当社では誘導発熱方式を採配合及びロール温度，回転速度，回用した「ニーデックス」を開発した．

転比などの運転条件を一定として，原

誘導発熱によりロールの処理有効範囲

材料の供給位置を変更し，PPS（「トのみを温度調節することで，軸受け部レリナ」A900，東レ）とガラス繊維Q0，D0，L0 はテスト機の条件である．の発熱を最小限にできる．これにより，（ECS03-631K，セントラルグラスファ

L/D ＝ Const. なら吐出量はロール径の軸受けの使用環境が標準仕様と同等とイバー）の混練処理を行った．

3 乗に比例する（表 2）．

なり，前述の軸受け破損や熱媒体が漏（1）（2）式とから次式を得る．

（ ）（ ）

Q
D 2＝Q0
D0L
L0（３）

表２型式

ロール寸法
ロール有効長さ
ロール回転速度
動 力
隙間調整
幅
奥行き
高 さ
重 量

標準仕様

単位

MOS100-400

MOS160-560

MOS240-840

MOS300-1050

MOS380-1330

mmmmmin − 1kWmmmmmmmm
kg

φ 100 × 500
400
7.5 〜 75
5.50.3 〜 5
1,350
750
1,000
700

φ 160 × 800
560
7.5 〜 75
7.5 × 20.3 〜 52,800820
1,450
1,500

φ 240 × 1,040
840
7.5 〜 75
22 × 2
0.3 〜 5
3,300
1,360
1,800
4,500

φ 300 × 1,360
1,050
7.5 〜 75
45 × 20.3 〜 54,600
1,800
1,900
9,000

φ 380 × 1,720
1,330
7.5 〜 75
90 × 20.3 〜 55,140
1,900
2,000
13,000

表３60

ここで用いた PPS 原料はペレット状

高温タイプの基礎試験結果

材料名単位

PURE PPS

ロール有効長シャルピー衝撃強度
引張り強度
破壊応力破壊ひずみ
破壊呼びひずみ
引張り弾性率GF 平均長mm
kJ/m2
MPa
MPa％％
MPaμm―
2.582.3
77.9
8.2
6.8
3,690―PPS＋GF
210
6.2
1351352.4
2.99,590
242.7

420
7.5
148
148
2.2
2.8
10,600
351.5

840
7.0
147
147
2.2
2.8
11,200275.6

PURE PEEKPEEK＋GF

―
6.8
96.6
80.6
26203,910―

840
7.4
145
145
2.4
3.2
10,300201.0

プラスチックスエージ

表４でロールに巻き付きづらい形状だったため，前処理として当社のセントリカ
ッター 4）を用いて平均粒径 350 〜 400μ m 程度まで粉砕した．
ガラス繊維を分散させた PPS は原料と比較すると，すべての条件で機械的特性が向上した．また，供給位置を変型

小型試験機の仕様

式

ロール径
ロール有効長さ
ロール回転速度
動 力
隙間調整

単位

MOS060-200mmmm
min − 1kWmm

φ 60200Max.580.75
0.1 〜 1.5

えることで滞留時間が変化するが，ロールの処理有効長 420mm の位置で供給した場合に，ガラス繊維の平均繊維長が最も長くなり，機械的特性も最も向上した．
また，
PEEK（Victrex PEEK 450G，Victrexplc.）についても類似の試験を実施したところ，機械的特性が向上した．
今回示した処理例のガラス繊維濃度は 30wt％だが，60wt％以上の高配合も可能である．

6．バッチ式小型試験機の開発
前項までで述べたように「ニーデックス」は多様な混練処理に対応できる．
しかし，連続式であるため，条件出し

図８ 「ニーデックス」小型試験機の外観試験を行うためには数 kg から数十 kgの原料が必要になる場合もある．したがって，スーパーエンプラや稀少なフ

当たり 5min 程度で処理ができる．洗ィラー剤を用いる場合，原料を準備す

浄性も良く，材料変更が容易なため，はじめに述べたとおり，近年，プラスることが困難などの理由から，試験が1 回の試験で運転条件，配合，材料なチックには多くの機能が求められてお行えないケースが散見された．

ど多くの検討が行える．

り，高機能プラスチックの発展は我々ムーズに行えるようになった．

そこで，約 50〜100mLと少量で試験

これにより，混練処理の可否確認やの生活を豊かにし，産業を牽引していできるバッチ式の小型試験機を開発し配合などの各種検討が少ない材料で，くものと考えており，優れたコンポジた．基本仕様を表 4 に，外観を図 8 に非常に簡単に行えるようになった．

ット材の創造に利用いただければ幸い示す．
はじめに述べたとおり，バッチ式のである．

おわりに2 本ロール混練機は人手による切り返しが必要である．しかし，当社が開発「ニーデックス」は，ここで述べたした小型試験機は，ロールにスパイラように他の混練機では処理できない高ル溝を設けた連続式「ニーデックス」

フィラー配合だけでなく，粘度差のあの特徴をそのまま有しているため，直る配合材の混練も得意とする．また，接材料やロールに触れる必要がなく，合成木材，封止材，ボンド磁石，ワッ

簡単かつ少ない操作で人手の切り返しクス入りで混練困難なカラートナーなと同じ効果が得られるため，短時間でどでも多く利用されている．

処理が行える．

更に，当社では小型試験機の開発に

実際には材料や目的によって処理時より，初期の配合，条件検討から生産間は異なるが，早いものだと 1 バッチ機へのスケールアップまでが，よりス

June 2019

参考文献１）Y. Agari, Polymers, 3 78（2006）．
２）中野要介， オープンロール連続押出機「ニーデックス」， 第 90 回日本資源学会，40，No.3（1993）．
３）奥山杏子， 高充てんアルミナ / エポキ
シ樹脂複合材料の新規加工法と熱伝導率評価， 第 39 回日本熱物性シンポジ
ウム（2018）．
４）関根靖由， ダブル冷却構造を搭載した低融点樹脂用粉砕機の開発， プラ
スチックスエージ，64（1），68（2018）．

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