JP2002292719A - 押出装置、及びこれを用いた熱可塑性樹脂の押出加工方法、並びに揮発性成分の除去方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 樹脂の劣化抑制と添加剤の分散の両品質を満
足し、効率的な押出加工を行える押出装置、押出加工方
法を提供する。 【解決手段】 押出装置のスクリュー１が、スクリュウ
ーの回転により材料を後方に搬送する向きの逆リード構
造を有し、スクリューの山部２は連続せずに部分的に切
り欠き部３を複数個設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は押出装置に関し、さ
らに詳しくは熱可塑性樹脂の押出加工方法と揮発性成分
を含有する材料から該揮発性成分を除去する方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】押出装置により熱可塑性樹脂中に添加剤
として、例えば顔料又はフィラー、あるいは顔料及びフ
ィラーなどを練り込む工程では、樹脂劣化抑制度と添加
剤の分散性が品質として重要視される。この際、温度、
充填量、材料搬送速度などの押出条件と押出装置のスク
リュー形状選定が、製品品質に重要な決定要因となる。

【０００３】スクリュー形状選定段階においては、異な
ったスクリューパーツの組み合わせを検討し、分散度、
混合度、材料圧縮度等の押出装置内部での材料の状態変
化を考慮・推測して処理条件の調整が必要となり、押出
材料の組成・構成の変更の度に押出加工条件とともにス
クリュー形状についても数多くの確認実験が実施されて
いるのが現状である。

【０００４】その検討では、添加剤の分散を考慮した場
合は混練と剪断力の強化が望ましく、分散媒体であるベ
ース樹脂の劣化抑制には低剪断力での処理が望ましいと
いう相反する処理条件となる。

【０００５】添加剤の分散処理には、高混練、高剪断が
優先されたスクリュー形状が選択されるのが一般的であ
り、具体的には、剪断・混練力を有するニーディングデ
ィスクやロータースクリューを、また混練に必要な押出
装置内材料の圧力アップに効果があるとされる逆リード
スクリューなどを多用しているが、この場合、熱可塑性
樹脂中での添加剤の分散度では好結果を得られるものの
ベース樹脂の劣化が促進される傾向となり、劣化抑制を
重視すれば分散度が低下することになるのである。

【０００６】そこで樹脂劣化を抑制するために加工温度
を低く設定したり、剪断による発熱を押さえるために、
バレル部やスクリュー軸の冷却による材料の温度制御方
法が実施されている。

【０００７】しかしながら、バレル部の冷却にあたって
は、オレフィン系樹脂をベースとした材料ではその軟化
点と融点の温度範囲は広く材料の溶融状態（押出が可能
な粘度状態）を確保しながら低温化することが比較的容
易であるが、ポリエステル系樹脂又はポリアミド系樹脂
をベースとした材料では軟化点と溶融点の温度範囲は狭
く温度調整の幅が狭くなるために劣化抑制が可能な温度
にまで下げると溶融状態を確保しににくなり、押出加工
の温度調整は極めて困難な状況になる。

【０００８】また、押出装置内部の材料の冷却はバレル
冷却（外部冷却）方式となるために押出装置内部の材料
を均一に冷却することが困難となり、剪断力のかかるス
クリュー先端部分での冷却効果は十分とは言えない状態
にある。

【０００９】また、スクリュー軸内部に水を通してスク
リュー部より冷却する方法もあるが、前述と同様にスク
リュー先端部の冷却効果は完全ではなく、少しは抑制効
果が得られるものの押出品の劣化抑制度は十分ではな
く、かつ、スクリュー構造は軸内部に通水の導管を設け
る必要があり、スクリュー軸の強度保持と構造面などか
らスクリュー軸の加工は難しくなる。

【００１０】こうしたことから、スクリュー形状そのも
の、あるいは押出条件との組合せの研究も種々行われて
いる。

【００１１】例えば、特開平１−１５７８０６号公報で
は、樹脂劣化を抑制するとともに粉体添加剤を熱可塑性
樹脂中に分散させる方法が提案されている。ここでは、
両品質を得るために剪断速度と滞留に着目し、２枚の混
練用ディスクからなる混練用ゾーンを設け、スクリュー
径、スクリュー回転数、混練ゾーンの長さ、供給量、デ
ィスクの厚みの関係を求め、理論式での剪断速度と滞留
時間から、添加剤の分散効果と劣化抑制度を満足させる
ための押出加工条件を求めている。

【００１２】あるいは、特開平１０−１０９３０９号公
報には、酸化チタンのごとき無機質フィラーを熱可塑性
樹脂中に分散させるための二軸混練押出装置の最適条件
が、また、特開平１０−２７２６２４号公報にはスクリ
ューの回転数、押出部の寸法形状等の諸条件を規定した
熱可塑性樹脂組成物の製造方法が提案されている。

【００１３】しかしながら、上記種々の方法においても
ベース樹脂の劣化抑制と添加剤の分散の両立を実現する
ことが十分でなかった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、ベー
スとなる熱可塑性樹脂又は分散媒体の劣化抑制と添加剤
の分散の両品質を満足し、しかもそれらの押出材料の組
成・構成の変更においても好適な押出処理が可能なスク
リュー形状を得て、効率的な押出加工方法を提供するも
のである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
を解決するために鋭意検討した結果、スクリュー形状の
山部を特定の形状として配列することにより、樹脂の劣
化を抑制しつつ、添加剤の分散状態を良好とすることが
できることを見出し、本発明を完成するに至った。

【００１６】すなわち本発明は、押出装置のスクリュー
が、スクリュー回転により材料を後方に搬送する向きの
逆リード構造を有し、該スクリューの山部は連続せずに
部分的に山部を欠いた形状となっている部分を複数個設
けたことを特徴とする押出装置を提供するものである。

【００１７】スクリュー回転により材料を前方に送り出
す正方向リード構造に対し、本発明による押出装置に使
用するスクリュー１は、図１に示すように逆リード構造
で材料を送り戻す機能を備えるものである。

【００１８】さらに、通常の逆リード構造のスクリュー
はリードの山部がとぎれることなく連続しているが、材
料の送り戻し量を抑制するために山部２を数カ所に分け
て切り欠き３を有する構造とすることにより、その切り
欠き部分において材料の混合を効率的に行うことが可能
となるのである。

【００１９】図２に示すように、スクリューの山部２と
山部２が形成する空間部分４の側面から見た形状は、ス
クリュー回転による発熱を低減しつつ、混練、分散等を
より効率的に行うために略長方形とすることが好まし
く、その略長方形の断面形状の高さと長辺の比が、１：
３〜１：５とすることが特に好ましい。

【００２０】なお、山部２の付け根部分は、材料の混
練、分散時にかかる負荷に対して強度を確保することが
必要であるため、図３に示すように略長方形の断面の角
部に曲率を設けるように加工されていることが好まし
い。

【００２１】また、スクリューのリード長は１／３〜
２．０ピッチとし、山部の設置数はスクリューの１リー
ドにつき３〜８個とし、スクリュー１個の全長が押出装
置のバレル直径の２倍長以上とすることが好ましい。

【００２２】上述したスクリューを押出装置内に設置す
る場合には、添加剤の種類、添加率等に関係なく、押出
装置内に搬送したベース樹脂を溶融させようとするゾー
ン（樹脂が軟化し始める場所）に設置するのが目的とす
る効果が得られ易い。

【００２３】２軸混練押出装置を使用する場合には、図
４に示すように上述のスクリュー１を２個一組として、
複数組設置することが好ましい。この一組のスクリュー
を回転させることによりスクリューの混合機能による
（機械的剪断力を付与することなく）ベース樹脂の粘性
を応用した混練、分散の効果を向上させることができる
のである。

【００２４】なお、図４は３組を設置した場合を表して
いるが、スクリューの設置個数は押出材料、押出条件等
により適宜選択すればよく、中でも４個（２組）〜１２
個（６組）が押出機の性能向上に効果的である。

【００２５】本発明に使用するスクリューは、樹脂に対
する添加剤の分散性能の向上に加えて樹脂中の水蒸気等
の揮発性成分を除去する性能（脱揮性能）も向上できる
ことから、押出材料の特性（高濃度に揮発性成分を含有
するなど）に応じて、第１ベント穴６の手前、第２ベン
ト穴７の手前等に適宜設置するのがよい。

【００２６】なお、樹脂の劣化度が許容範囲内にある時
は、分散性を考慮してディスクスクリューやニーディン
グスクリュー８のような剪断、混練力を持つと言われる
各種スクリューと本発明によるスクリューを併用して使
用することも可能である。

【００２７】

【実施例】以下、実施例、比較例に基づき本発明をさら
に詳細に説明する。実験に使用した各種スクリューは押
出機メーカー毎に呼称が異なるために、ここでは、
（１）本発明の一実施形態のスクリューをＮ−ＳＣ（山
部と山部が形成する空間部分の側面から見た形状が略長
方形で、高さと長辺との比が１：３）、（２）池貝社製
ＰＣＭ用の通称パイナップルスクリューと同型品をＰ−
ＳＣ（山部と山部が形成する空間部分の側面から見た形
状が略長方形で、高さと長辺との比が１：１．５）、
（３）日本製鋼社製ＴＥＸ用のスクリューと同型品をＧ
−ＳＣ（山部と山部が形成する空間部分の側面から見た
形状が略半円形）、（４）神戸製鋼社製ＫＴＸ用ロータ
ースクリューと同型品をＲ−ＳＣ（山部と山部に切り欠
きはなく連続した構造）、と仮称して説明する。

【００２８】また、分散度の評価は、押出品をそのまま
小型シングルスクリュータイプ押出装置（２０ミリ押出
装置、Ｌ／Ｄ＝２５、濾過面積直径２０ミリ、スクリュ
ー圧縮比１：３のフルフライトスクリュー）にフィルタ
ーを装填した濾過試験機にて溶融押出を行い、その時の
昇圧量により評価することとした。なお、昇圧量の数値
は小なるほど濾過材の目詰まりが少なく濾過性に優れる
ことを意味する。

【００２９】また、樹脂劣化抑制度は、ポリプロピレン
樹脂及びポリアミド樹脂においては、メルトフロー（Ｍ
ＦＲ）を測定した。このＭＦＲは流動性の指標であり、
ＭＦＲの数字の変化が少ないものが、樹脂劣化が抑制さ
れており品質が良いことを意味する。

【００３０】また、原料にポリエステル樹脂を使用した
場合は、極限粘度（ＩＶ）を測定しナチュラル樹脂のＩ
Ｖ値で除した数値をＩＶ保持率として示すこととし、そ
の数値が高いほど樹脂劣化が少なく品質が良いことを意
味する。

【００３１】（実験例１）池貝社製押出装置（ＰＣＭ−
３０／２−２Ｖ−３７）に装填可能なサイズで各種スク
リュー形状のＮ−ＳＣ、Ｐ−ＳＣ、Ｇ−ＳＣ、及びＲ−
ＳＣを用意した。

【００３２】材料投入口と第一ベント口の間に、第一ベ
ント口より投入口に向かって同じ位置に設定して、各種
スクリューを装填した。

【００３３】押出材料として、ポリアミド樹脂（宇部興
産社製１０１８）８０重量部とカーボンブラック（東海
カーボン社製シースト５Ｈ）２０重量部をタンブラー
（転動式混合装置）で２０分間処理して混合品を得た。
この混合品を上述の各種スクリューを装填した押出装置
で設定温度２８０°Ｃ、吐出量１０〜１１ｋｇ／ｈ、ス
クリーン１５０メッシュ、スクリュー回転数２００ｒｐ
ｍで押出を行い、試料０１〜０４を得た。

【００３４】各試料のメルトフローを、メルトインデク
サーを用いて設定温度２８０°Ｃで測定した。また、各
試料の約１ｋｇを１０５°Ｃの熱風乾燥機で５時間乾燥
処理を行った後、前述の濾過試験機に２０ミクロン焼結
フィルターを装填し、設定温度２８０°Ｃにて溶融押出
を行い昇圧量を測定した。

【００３５】これらの結果を表１に示す。

【００３６】

【表１】表１

【００３７】（実験例２）押出材料として、ポリエステ
ル樹脂（東洋紡社製ＲＤ−５００、ＩＶ値＝０．６４）
７０重量部とカーボンブラック（東海カーボン社製シー
スト５Ｈ）３０重量部をタンブラーで２０分間処理して
混合品を得た。この混合品を押出装置に投入し、各スク
リュー毎に温度設定２９０°Ｃ、吐出量１０〜１１ｋｇ
／ｈ、スクリーン２００メッシュ、スクリュー回転数２
００ｒｐｍで押出を行い、試料０５〜０８を得た。

【００３８】各試料の約１．５ｋｇを２００°Ｃの熱風
乾燥機で５時間乾燥処理を行った後、前述の濾過試験機
に２０ミクロン焼結フィルターを装填し、設定温度２９
０°Ｃにて昇圧量を測定した。

【００３９】更に、乾燥した各試料をフェノール５０重
量部と四塩化エタン５０重量部の混合溶媒に８０°Ｃ、
２時間かけて加熱溶解させた樹脂溶融液を、３０°Ｃの
恒温水槽にてキャピラリー法により溶融液の流速を測定
して、公知の計算式により極限粘度（ＩＶ）を求めた。
そのＩＶ値をポリエステル樹脂のＩＶ値（０．６４）で
除した値をＩＶ保持率とした。

【００４０】これらの結果を表２に示す。

【００４１】

【表２】表２

【００４２】（実験例３）押出材料として、ポリプロピ
レン樹脂（宇部興産社製ＺＳ−１３３７）６０重量部と
カーボンブラック（三菱化学社製＃４０）４０重量部を
タンブラーで２０分間処理して混合品を得た。この混合
品を、各種スクリューを装填した押出装置で設定温度２
３０°Ｃ、吐出量１２〜１３ｋｇ／ｈ、スクリーン１５
０メッシュ、スクリュー回転数１５０ｒｐｍで押出を行
い、試料０９〜１２を得た。

【００４３】各試料をそのまま濾過試験機（設定温度２
６０°Ｃ、３０ミクロン焼結フィルター）にて溶融押出
しを実施し、昇圧量を測定した。また、試料９〜１２の
試料のＭＦＲを実験例１で使用したメルトインデクサー
を用いて、温度２３０°ＣでのＭＦＲを測定した。

【００４４】これらの結果を表３に示す。

【００４５】

【表３】表３

【００４６】（実験例４）実験例１の混合品（押出前の
混合品）９０重量部に水２０重量部を加えて、更にタン
ブラーにて混合処理を２０分間行い、半ウエット化した
混合物を得た。この混合物を実験例１と同様の条件によ
り各スクリューで押出を行い、それぞれ試料０５−１〜
０８−１を得て、各試料について揮発性成分の除去状態
（脱揮状態）、ストランドの引取状態、ペレットの表面
状態を目視確認した。なお、脱揮状態はベント穴におい
て樹脂中からの水蒸気の蒸発状態を観察したもので、金
属板をベント穴に当てて表面の曇り状態で判断してい
る。

【００４７】これらの結果を表４に示す。

【００４８】

【表４】表４

【００４９】

【発明の効果】本発明のスクリュー形状を押出装置に使
用することにより、例えば、熱可塑性樹脂に顔料やフィ
ラー、または顔料とフィラーを練り込んだ熱可塑性樹脂
用着色剤を製造する場合、また、各種の安定剤や機能性
付与のために添加剤を練り込む場合にも、ベース樹脂や
分散媒体の劣化を抑制しつつ、分散性の良好な製品を得
ることができる。

【００５０】さらに、本発明のスクリューを設置した押
出装置によれば、揮発性成分を含有する材料から該揮発
性成分を効率的に除去することも可能となることから、
乾燥処理装置としても使用でき、例えば、石鹸の原料油
の除湿処理、粉状又は粒状の穀類に魚粉類や肉類及び栄
養素などを練り込み乾燥後ペレット化する加工飼料の生
産工程にも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の押出装置に使用されるスクリューの一
実施形態を示す模式図。

【図２】図１において、Ａ−Ａ線から見た断面の模式
図。

【図３】Ａ−Ａ線から見た断面の他の実施形態を示す模
式図。

【図４】本発明による押出装置の模式図。

【符号の説明】

１ スクリュー ２ 山部 ３ 切り欠き部 ４ 山部と山部が形成する空間部分 ５ 材料供給口 ６ 第１ベント穴 ７ 第２ベント穴 ８ その他スクリュー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 月岡 正 大阪府高槻市古曽部町１−18−16−203 Ｆターム(参考） 4F207 AA11 AA24 AA29 KA01 KA17 KK18 KL05 KL07 KL42

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 押出装置のスクリューが、スクリュー回
   転により材料を後方に搬送する向きの逆リード構造を有
   し、該スクリューの山部は連続せずに部分的に山部を欠
   いた形状となっている部分を複数個設けたことを特徴と
   する押出装置。
2. 【請求項２】 該スクリューの山部と山部が形成する空
   間部分の側面から見た形状が、略長方形であることを特
   徴とする請求項１に記載の押出装置。
3. 【請求項３】 該スクリューの山部と山部が形成する空
   間部分の側面から見た略長方形の形状の高さと長辺の比
   が、１：３〜１：５であることを特徴とする請求項１又
   は２に記載の押出装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかの押出装置を用
   いて熱可塑性樹脂を押出加工することを特徴とする熱可
   塑性樹脂の押出加工方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれかの押出装置を用
   いて揮発性成分を含有する材料の揮発性成分の除去を行
   うことを特徴とする揮発性成分の除去方法。