混練装置
【課題】混練装置において、混練の効率を向上し、短時間で分散サイズが小さくすることができるようにする。
【解決手段】回転可能に設けられたスクリュー部３と、スクリュー部３の先端および側面を囲繞するように設けられたシリンダ２と、スクリュー部３の先端および側面の間を貫通させるようにシリンダ２の内部に設けられた軸方向孔３ｆ、径方向孔３ｅとを有し、スクリュー部３の回転によって、スクリュー部３とシリンダ２との間に形成された流路Ｐ１、Ｐ２と軸方向孔３ｆ、径方向孔３ｅとに被混練物Ｍを循環させて混練を行う混練装置１であって、スクリュー部３の先端近傍の流路Ｐ２で、スクリュー部本体先端面３ｄに凸部１０が設けられた構成とする。
【解決手段】回転可能に設けられたスクリュー部３と、スクリュー部３の先端および側面を囲繞するように設けられたシリンダ２と、スクリュー部３の先端および側面の間を貫通させるようにシリンダ２の内部に設けられた軸方向孔３ｆ、径方向孔３ｅとを有し、スクリュー部３の回転によって、スクリュー部３とシリンダ２との間に形成された流路Ｐ１、Ｐ２と軸方向孔３ｆ、径方向孔３ｅとに被混練物Ｍを循環させて混練を行う混練装置１であって、スクリュー部３の先端近傍の流路Ｐ２で、スクリュー部本体先端面３ｄに凸部１０が設けられた構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被混練物を装置内で循環させて混練を行う混練装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、２種以上の樹脂の溶融混練、もしくは樹脂と粉末との溶融混練において、分散サイズがナノレベルとなるような高分散を達成するために、内部循環型スクリューを有する混練装置が用いられている。
このような混練装置として、例えば、特許文献１には、スクリューによって高分子ブレンド試料を溶融状態で混練する際のスクリュー回転数を５０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの範囲で任意に設定可能であり、スクリューを内部帰還型スクリューの採用により、混練の度合いを任意に制御可能にするとともに、混練の度合いを、押し出し先端部とスクリューとのギャップ、ならびに内部帰還型スクリューの空洞部内径により任意に設定可能にするようにしたことを特徴とする微量型高剪断成形加工機が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３１３６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の混練装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、それぞれ平面からなる押し出し先端部とスクリューの先端とのギャップ、およびスクリューの空洞部内径を調整することで、これらギャップ部およびスクリューの空洞部を流れる被混練物に高せん断がかかるようにすることで、分散サイズが小さい高分散の混練が達成できるとしているが、近年、高分子材料の機能向上の要求が高まっているため、より混練しにくい材料同士をナノレベルの分散サイズで混練することが求められている。
このような混練しにくい材料に対して、特許文献１に記載の技術では、必要なギャップ部の寸法や空洞部の内径を小さくすることで対応するため、流路が狭くなって混練可能な量が低下し混練に長時間を要する。そのため、被混練物に長時間の熱負荷がかかり、被混練物の機械特性の劣化や変色などを来すおそれがあるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、混練の効率を向上し、短時間で分散サイズを小さくすることができる混練装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の混練装置は、回転可能に設けられたスクリュー部と、該スクリュー部の先端および側面を囲繞するように設けられたシリンダと、前記スクリュー部の先端および側面の間を貫通させるように前記スクリュー部の内部に設けられた循環流路とを有し、前記スクリュー部の回転によって、前記スクリュー部と前記シリンダとの間に形成された混練流路と前記循環流路とに被混練物を循環させて混練を行う混練装置であって、前記スクリュー部の先端近傍の前記混練流路、および前記循環流路の少なくともいずれかの流路で、前記被混練物と接触する流路面の複数箇所に凹凸部が設けられた構成とする。
この発明によれば、スクリュー部の先端近傍の混練流路、および循環流路の少なくともいずれかの流路で、被混練物と接触する流路面に複数の凹凸部が設けられるので、凹凸部によって被混練物の流路の断面積が変化する。そのため、被混練物が狭まった流路を通過するたびに相対的な高せん断を受ける。
このように、被混練物は流れに沿って繰り返しの高せん断を受けるので、せん断による被混練物の発熱が被混練物内部に蓄熱されにくくなり、被混練物の温度上昇を抑制することができる。
また、これにより、被混練物の粘性が大きい状態でせん断することができるため、被混練物の粘性低下によるすべりなどが発生しにくくなり、被混練物が効率的にせん断されていく。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の混練方法および装置によれば、凹凸部によって繰り返しせん断をかけることで、被混練物の温度上昇を抑制しつつ高せん断を作用させることができるので、混練の効率を向上し、短時間で分散サイズを小さくすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る混練装置の概略構成を示す模式的な部分断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る混練装置のスクリュー部の模式的な正面図、そのＡ−Ａ断面図およびＢ視側面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の第１および第２変形例の混練装置に用いるスクリュー部の左側面図、そのＤ−Ｄ断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の第３変形例の混練装置に用いるスクリュー部の左側面図、およびそのＥ−Ｅ断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の第４変形例の混練装置に用いるスクリュー部の左側面図、およびそのＣ−Ｃ断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の第５変形例の混練装置の軸方向の部分断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る混練装置の概略構成を示す模式的な部分断面図である。
【図８】発明の第２実施形態に係る混練装置のスクリュー部の模式的な正面図、およびそのＧ−Ｇ断面図である。
【図９】図８におけるＨ部およびＪ部の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００１０】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る混練装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る混練装置の概略構成を示す模式的な部分断面図である。図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る混練装置のスクリュー部の模式的な正面図である。図２（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図およびＢ視側面図である。
【００１１】
本実施形態の混練装置１は、２種以上の熱可塑性樹脂、もしくは１種以上の熱可塑性樹脂に分散させる粉末粒子や添加物などから構成される被混練物Ｍを、後述する分散サイズがナノメートルオーダーの微小サイズになるように混練するための装置であり、その概略構成は、図１に示すように、シリンダ２、スクリュー部３、および回転駆動部４からなる。
【００１２】
被混練物Ｍの熱可塑性樹脂としては熱可塑性樹脂であれば特に種類は限定されない。例えば、ポリエチレン（低密度・高密度・直鎖状低密度・超高分子量）、アイオノマー樹脂（例えばエチレン−メタクリル酸コポリマーアイオノマー樹脂等）、ポリプロピレン（ホモ・ランダム・ブロック・アタクチック・シンジオタクチック）、超高分子量ポリプロピレン、ポリブテン、４−メチルペンテン−１ポリマー、環状ポリオレフィン系樹脂、スチレン系樹脂（ポリスチレン、プタジェン−スチレン樹脂、アクリロニトリル−スチレン樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂など）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、酢酸セルロース、ポリエステル（例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート等）、ポリアミド系樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー、熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性エラストマー、生分解性ポリマー、およびその共重合体などが挙げられる。
【００１３】
また、混練する粉末粒子としては、熱可塑性樹脂と複合化できる材料であれば特に限定されるものではなく、例えば無機物では硫酸バリウム・炭酸カルシウムなどの金属無機塩、アルミナなどの金属酸化物、窒化ホウ素などの窒素化合物、粉末炭素・針状炭素・カーボンナノチューブ・フラーレンなどの単一物もしくは複合物、有機物ではフッ素樹脂粉末・超高分子量粉末・ポリイミド粉末などを用いてもよい。無機粒子と有機粒子の混合粒子であっても構わない。また、上記粉末粒子の添加量についても、熱可塑性樹脂と複合化できる量であれば特に限定されるものではない。なお、使用する粉末粒子は単独であっても、二種以上の混合であってもよい。
また、熱可塑性樹脂に加える添加物としては、例えば、相溶化剤、結晶核剤、着色防止剤、酸化防止剤、離型剤、可塑剤、熱安定剤、滑剤、紫外線防止剤、着色剤、難燃剤などの添加剤を挙げることができる。
【００１４】
シリンダ２は、円筒面状のシリンダ内側面２ｂを有するシリンダ筒部２ａと、シリンダ筒部２ａの一方の端部開口を平面状のシリンダ内底面２ｄで封止するように取り付けられたシリンダ蓋部２ｃとからなる。
シリンダ筒部２ａの側面には、被混練物Ｍを構成する材料を装置外部から投入し、シリンダ筒部２ａ内に導入するホッパ６が設けられている。
またシリンダ蓋部２ｃには、シリンダ蓋部２ｃをシリンダ筒部２ａと固定した状態で混練が完了した被混練物Ｍを装置外部に排出するため、シリンダ内底面２ｄと装置外部とを連通可能とする排出流路２ｅが設けられている。
排出流路２ｅには、不図示の逆止弁機構が設けられており、混練中はシリンダ内底面２ｄの開口は閉止することができるようになっている。
【００１５】
また、特に図示しないが、シリンダ２のシリンダ筒部２ａには、シリンダ２の温度を予め設定された混練機温度Ｔに温度制御する温度制御機構が設けられている。この温度制御機構は、例えば、水冷管路および加熱ヒータが、シリンダ筒部２ａの内部に埋め込まれた構成を採用することができる。
【００１６】
スクリュー部３は、図２に示すように、略円柱軸状のスクリュー本体３ｃの一方の端部に軸直角方向の平面からなるスクリュー部本体先端面３ｄが設けられ、他方の端部にスクリュー本体３ｃと同軸とされ、スクリュー本体３ｃに回転駆動部４からの回転駆動力を伝達する回転軸３ｉが設けられている。
スクリュー本体３ｃの径方向の側面には、スクリュー部本体先端面３ｄ側から軸方向のやや回転軸３ｉ寄りの中間部に向かって、外径が漸減してわずかに縮径され、回転軸３ｉ側に向かって拡径された鼓状のスクリュー部本体側面３ａと、このスクリュー部本体側面３ａから径方向外方に螺旋状に突出されたスクリュー３ｂとが形成されている。
スクリュー部本体側面３ａが最小径となる位置は、ホッパ６の近傍に設けられている。
また、スクリュー３ｂの外径は、シリンダ筒部２ａのシリンダ内側面２ｂの内径よりわずかに小さく設定されている。
【００１７】
スクリュー本体３ｃの内部には、図２（ｂ）に示すように、スクリュー部本体側面３ａが最小径となる位置の近傍で、径方向に貫通する直径Ｄ１の径方向孔３ｅと、スクリュー部本体先端面３ｄの中心からスクリュー本体３ｃの中心軸に沿って延ばされ、径方向孔３ｅの一方の側面に貫通された直径Ｄ２の軸方向孔３ｆとが設けられている。
これら径方向孔３ｅと軸方向孔３ｆとによって、スクリュー本体３ｃ内でＴ字状の管路が形成されている。そして、スクリュー部本体側面３ａには、径方向孔３ｅの両端部が交差して開口３ｈが形成され、スクリュー部本体先端面３ｄには、軸方向孔３ｆの端部が交差して開口３ｇが形成されている。
【００１８】
またスクリュー部本体先端面３ｄには、開口３ｇを中心とする複数の同心円上で、開口３ｇに対して略放射状となる位置に、高さｈの凸部１０が複数互いに離間された状態に形成されている。
凸部１０の突起形状は、特に限定されないが、本実施形態では、部分球面状の突起を採用している。
このため、本実施形態では、スクリュー部本体先端面３ｄの外周から中心に向かって、凸部１０の配列密度が密になるように凸部１０が配列されている。
【００１９】
凸部１０の寸法は、スクリュー部本体先端面３ｄの面積や、スクリュー部本体先端面３ｄとシリンダ内底面２ｄとの間の距離ｄや、必要な混練性能によっても異なるが、図２（ａ）のＢ視の直径は０．１ｍｍ〜１１ｍｍ、スクリュー部本体先端面３ｄからの高さｈは１０μｍ〜５ｍｍの範囲が好適である。
凸部１０の個数は、２個以上を必要に応じて設けることができる。例えば、２個〜２００００個の間の適宜個数を必要に応じて採用することができる。
【００２０】
スクリュー部３は、図１に示すように、スクリュー本体３ｃをシリンダ筒部２ａと同軸に内挿し、スクリュー部本体先端面３ｄがシリンダ内底面２ｄから距離ｄ（ただし、ｄ＞ｈ）だけ離間して対向した状態にアライメント調整されてから、混練中にこの位置を保持しつつ回転軸３ｉ回りに回転できるように、軸受５を介してシリンダ筒部２ａのシリンダ内側面２ｂに固定されている。
【００２１】
このため、スクリュー部本体側面３ａおよびスクリュー３ｂからなるスクリュー部３の側面と、シリンダ内側面２ｂとの間には、ホッパ６から投入された被混練物Ｍが軸方向の先端に向かって移動可能な流路Ｐ１が形成されている。
スクリュー３ｂの外径は、スクリュー部本体側面３ａの外径より大きく、シリンダ内側面２ｂの内径よりわずかに小さい寸法とされているため、流路Ｐ１において、スクリュー３ｂの外径を乗り越えて軸方向に向かう流れは発生しにくくなっている。
【００２２】
また、スクリュー部本体先端面３ｄおよび各凸部１０からなるスクリュー部３の先端面と、シリンダ内底面２ｄとの間には、スクリュー部本体先端面３ｄの近傍に移動された被混練物Ｍが開口３ｇに向かって移動可能な流路Ｐ２が形成されている。
流路Ｐ２では、各凸部１０の位置で、流路隙間がｄから（ｄ−ｈ）に変化するようになっている。
【００２３】
回転駆動部４は、適宜のモータおよび伝動機構からなり、スクリュー部３の回転軸３ｉに回転駆動力を伝達するものである。
【００２４】
次に、混練装置１の動作について説明する。
まず、シリンダ２を一定の混練機温度Ｔに加熱しておき、ホッパ６に一定量の被混練物Ｍを順次投入していく。
そして、回転駆動部４によって、スクリュー部３を図２（ｃ）の矢印方向に回転させる。これにより、被混練物Ｍは、スクリュー３ｂによってスクリュー部３の先端側に螺旋状に押し出されていき、せん断や摩擦によって発生する熱によって溶融され、流路Ｐ１内で混練されつつ、スクリュー部３の先端側に搬送されていく。
流路Ｐ１は、先端側に向かうにつれて徐々に流路断面積が低下するため、被混練物Ｍにかかるせん断力も徐々に増大していく。
【００２５】
被混練物Ｍがスクリュー部３の先端に到達すると、シリンダ内底面２ｄに沿って径方向内側に流動方向が変化し、シリンダ内底面２ｄとスクリュー部本体先端面３ｄとの間の流路Ｐ２内に押し出される。
このとき、スクリュー部３は回転し続けているので、被混練物Ｍは、回転方向にせん断力を受けつつ開口３ｇに向かうため螺旋渦状に搬送されていく。そして、スクリュー部３が、複数の凸部１０を備えているため、凸部１０を通過する領域では、凸部１０の頂部とシリンダ内底面２ｄとの間の流路断面の隙間寸法がｄから（ｄ−ｈ）に減少し、通過位置にある被混練物Ｍには、回転方向に繰り返し大きなせん断応力が発生する。また、凸部１０が部分球面状の突起からなるため、被混練物Ｍを攪拌し、被混練物Ｍの流れを乱す作用もある。
このため、被混練物Ｍは、流路Ｐ２を流れる間に、凸部１０がない場合に比べて高せん断を受けつつ攪拌され、効率的に混練が行われ、被混練物Ｍを構成する各材料の分散サイズが微細化される。
一方、被混練物Ｍが最も強くせん断されるのは、凸部１０の頂部近傍に位置する場合である。そのため、同様の大きさのせん断を行うために流路Ｐ２の隙間を一様に（ｄ−ｈ）に低減した場合に比べると、せん断による発熱量は格段に小さくなり、流路Ｐ２における被混練物Ｍの温度上昇を抑制することができる。この結果、被混練物Ｍの粘性が低下して混練の効率が落ちたり、被混練物Ｍが加熱されすぎて劣化したりすることを防止することができる。
【００２６】
開口３ｇに到達した被混練物Ｍは、軸方向孔３ｆに流入して軸方向を径方向孔３ｅ側に流れ、径方向孔３ｅに到達すると、径方向孔３ｅの流路に沿って径方向の両外側に分岐され、各開口３ｈから流路Ｐ１に流入し、上記と同様の混練が繰り返される。
【００２７】
このようにして、ホッパ６に投入された被混練物Ｍは、流路Ｐ１、Ｐ２、軸方向孔３ｆ、径方向孔３ｅの間を循環して、混練される。このため、流路Ｐ１、Ｐ２は、スクリュー部３とシリンダ２との間に形成された混練流路を構成し、軸方向孔３ｆ、径方向孔３ｅは、スクリュー部３の内部に設けられた循環流路を構成している。
このとき、本実施形態では、スクリュー部３の先端近傍の混練流路である流路Ｐ２において、スクリュー部本体先端面３ｄに設けられた凸部１０によって、被混練物Ｍに効率的に高せん断をかけることができるので、流路Ｐ１では温度上昇しすぎることなく、また流路Ｐ２における混練中でも被混練物Ｍの温度をあまり増大させることなく短時間に混練を行うことができる。
【００２８】
次に、混練装置１による混練時間の短縮および分散サイズ低減の効果について、具体的な実施例１および比較例に基づいて説明する。
被混練物Ｍは、実施例１、比較例に共通で、ポリカーボネート（ＭＦＲ＝５ｇ／１０ｍｉｎ（３００℃））と高密度ポリエチレン（ＭＦＲ＝０．０５ｇ／１０ｍｉｎ（１９０℃））を質量比５０対５０の割合で混合したものを採用した。ここで、ＭＦＲは、メルトマスフローレイトを意味し、ＪＩＳ Ｋ ７２１０によって測定される量である。
混練装置１において、シリンダ内側面２ｂの内径は２８ｍｍ、スクリュー３ｂの外径は２７．８ｍｍ、スクリュー部本体先端面３ｄの径は２５．５ｍｍ、スクリュー部本体先端面３ｄとシリンダ内底面２ｄとの間の隙間ｄは２ｍｍ、シリンダ２の混練機温度Ｔは２８０℃、スクリュー部３の回転速度は３０００ｒｐｍとした。
また、各凸部１０の形状は、高さｈがｈ＝１ｍｍ、図２（ａ）のＢ視の径が２ｍｍ、曲率半径が１ｍｍとした。
凸部１０の配列は、開口３ｇの中心を中心とする半径３ｍｍの同心円上に４５°ピッチで８個配列し、同じく半径５．５ｍｍの同心円上に２４°ピッチで１５個配列し、同じく半径８ｍｍの同心円上に１８°ピッチで２０個配列し、同じく半径１０．５ｍｍの同心円上に１８°ピッチで２０個配列した。
軸方向孔３ｆの内径Ｄ２は２．５ｍｍ、径方向孔３ｅの内径Ｄ１は５ｍｍとした。
一方、比較例の混練装置は、スクリュー部３の先端に凸部１０が設けられず、スクリュー部本体先端面３ｄのみからなるものを、混練装置１と同様な位置関係に配置した点のみが混練装置１と異なる。
【００２９】
混練時間は、実施例１では、１分間、比較例では、５分間、１０分間とし、それぞれ混練が終了した被混練物Ｍの分散サイズを以下のようにして測定した。
まず、混練が終了した被混練物Ｍから押出機によって１００ｍｍ×１００ｍｍ×１ｍｍのシートを作成した。作成されたシートから１０ｍｍ×１０ｍｍのサンプルを切り出し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて分散状態を確認した。
二成分以上の材料のブレンド系では、マトリックスと呼ばれる基本相とドメインと呼ばれる分散相に分かれており、本評価においては分散相のサイズを計測した。
分散相の粒径の最大の部分を分散相粒径とし、分散相粒径の平均値μ、標準偏差σを画像解析により抽出し、分散相粒径の平均値μを分散サイズとした。
【００３０】
このような測定により、実施例１の分散サイズは２５０ｎｍ、比較例の分散サイズは混練時間が５分間、１０分間のいずれにおいても５００ｎｍであった。
したがって、実施例１は、比較例では達成できない微小な分散サイズをより短時間のうちに達成できていることが分かる。
なお、この測定結果から推測すると、比較例では１０分以上混練しても、混練装置１のような微小な分散サイズを達成できないと予想される。このため、混練装置１の混練性能は、分散サイズの低減効果においても格段に優れていることが分かる。
【００３１】
次に、本実施形態の変形例について説明する。
図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態の第１および第２変形例の混練装置に用いるスクリュー部の左側面図である。図３（ｂ）は、第１変形例の場合の図３（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図である。図３（ｃ）は、第２変形例の場合の図３（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図である。図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態の第３変形例の混練装置に用いるスクリュー部の左側面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＥ−Ｅ断面図である。図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態の第４変形例の混練装置に用いるスクリュー部の左側面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。図６は、本発明の第１の実施形態の第５変形例の混練装置の軸方向の部分断面図である。
【００３２】
本実施形態の第１変形例は、凹凸部をスクリュー部本体先端面３ｄからの凸部で形成した場合において、凸部の形状を変更した変形例である。
本変形例では、上記第１の実施形態の凸部１０に代えて、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、複数の突条部１２を備える。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
突条部１２は、スクリュー部本体先端面３ｄから高さｈ、周方向の幅ｗの矩形状断面で、開口３ｇの近傍から径方向に放射状に延在された線状の突起部である。本実施形態では、一例として、４５度ピッチで８本が設けられている。
【００３３】
本変形例によれば、スクリュー部３の先端面において、シリンダ内底面２ｄと対向する隙間が、回転する各突条部１２の凸方向の端面の位置で、（ｄ−ｈ）に狭まるため、流路Ｐ２に到達した被混練物Ｍは、シリンダ内底面２ｄと対向する突条部１２の凸方向の端面によって、繰り返し高せん断を受ける。このため、流路Ｐ２において、被混練物Ｍに効率的に高せん断がかけられるので、被混練物Ｍの温度があまり増大することなく短時間に混練を行うことができる。
【００３４】
本実施形態の第２変形例は、上記第１変形例の突条部１２に代えて、図３（ａ）、（ｃ）に示すように、複数の突条部１３を備える。以下、上記第１変形例と異なる点を中心に説明する。
本変形例の突条部１３は、上記第１変形例の突条部１２と延在方向に直交する断面の断面形状のみが異なる。
突条部１３の断面形状は、突条部１２と同様に周方向の幅ｗを有し、スクリュー部本体先端面３ｄからの高さが、回転方向に沿ってｈ１からｈ２（ただし、ｈ２＞ｈ１）に漸増する台形状とされている。このため、突条部１３において、シリンダ内底面２ｄと対向する凸方向の端面は、テーパ面１３ａとなっている。
【００３５】
本変形例によれば、スクリュー部３の先端面において、シリンダ内底面２ｄと対向する隙間が、回転する各突条部１３の凸方向の端面の位置で、（ｄ−ｈ１）から（ｄ−ｈ２）に徐々に狭まるため、流路Ｐ２に到達した被混練物Ｍは、突条部１３のテーパ面１３ａによって、繰り返し高せん断を受ける。このため、流路Ｐ２において、被混練物Ｍに効率的に高せん断がかけられるので、被混練物Ｍの温度があまり増大することなく短時間に混練を行うことができる。
【００３６】
本実施形態の第３変形例は、凹凸部をスクリュー部本体先端面３ｄからの凸部で形成した場合において、凸部の形状を変更した変形例である。
本変形例では、上記第１の実施形態の凸部１０に代えて、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、複数の環状突起部１４を備える。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
本変形例の環状突起部１４は、スクリュー部本体先端面３ｄから高さｈ、径方向の幅Ｗの矩形状断面で、開口３ｇを中心とする同心円状に設けられた環状の凸部である。本実施形態では、一例として、径方向外側から、環状突起部１４ａ、１４ｂ、１４ｃの３本が設けられている。
径方向の配置ピッチや、径方向の幅Ｗはそれぞれ適宜の値に設定することができる。図５に示す例では、一例として、径方向に等ピッチで環状突起部１４ａ、１４ｂ、１４ｃが配置され、それぞれの径方向幅Ｗがこの順に漸減する構成としている。
【００３７】
本変形例によれば、スクリュー部３の先端面において、シリンダ内底面２ｄと対向する隙間が、回転する各環状突起部１４の凸方向の端面の位置で、ｄから（ｄ−ｈ）に狭まるため、流路Ｐ２に到達した被混練物Ｍは、各環状突起部１４が設けられた位置で周方向に高せん断を受け、開口３ｇに向かって径方向内側に移動するに連れて、各環状突起部１４によって、繰り返し高せん断を受ける。このため、流路Ｐ２において、被混練物Ｍに効率的に高せん断がかけられるので、被混練物Ｍの温度があまり増大することなく短時間に混練を行うことができる。
【００３８】
本実施形態の第４変形例は、凹凸部をスクリュー部本体先端面３ｄからの凹部で形成した場合の変形例である。
本変形例では、上記第１の実施形態の凸部１０に代えて、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、それぞれ凹部１１を備える。そして、スクリュー部３の軸方向の位置を調整して、シリンダ内底面２ｄとスクリュー部本体先端面３ｄとの間の隙間が（ｄ−ｈ）となるように変更したものである。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
凹部１１は、開口３ｇを中心とする複数の同心円上で、開口３ｇに対して略放射状となる位置に形成された深さｈの凹穴である。凹部１１の凹形状は、特に限定されないが、本変形例では、部分球面状の凹穴をスクリュー部本体先端面３ｄ上で互いに離間された位置に設けている。
このため、本変形例では、スクリュー部本体先端面３ｄの外周から中心に向かって、凹部１１の配列密度が密になるように凸部１０が配列されている場合の例になっている。
凹部１１の寸法は、スクリュー部本体先端面３ｄの面積や、スクリュー部本体先端面３ｄとシリンダ内底面２ｄとの間の距離（ｄ−ｈ）や、必要な混練性能によっても異なるが、図５（ｂ）のＦ視の直径は０．１ｍｍ〜１１ｍｍ、スクリュー部本体先端面３ｄから深さｈは１０μｍ〜５ｍｍの範囲が好適である。
凹部１１の個数は、２個以上を必要に応じて設けることができる。例えば、２個〜２００００個の間の適宜個数を必要に応じて採用することができる。
【００３９】
本変形例によれば、スクリュー部３の先端面において、シリンダ内底面２ｄと対向する隙間が、スクリュー部本体先端面３ｄの位置で（ｄ−ｈ）、回転する各凹部１１の位置で、ｄとなるため、流路Ｐ２に到達した被混練物Ｍは、スクリュー部本体先端面３ｄによって、繰り返し高せん断を受ける。このため、流路Ｐ２において、被混練物Ｍに効率的に高せん断がかけられるので、被混練物Ｍの温度があまり増大することなく短時間に混練を行うことができる。
【００４０】
本実施形態の第５変形例は、凹凸部をシリンダ内底面２ｄからの凸部で形成した場合の変形例である。
本変形例は、図６に示すように、上記第１の実施形態のスクリュー部３、シリンダ２に代えて、スクリュー部３Ａ、シリンダ２Ａを備える。
スクリュー部３Ａは、上記第１の実施形態のスクリュー部３の凸部１０を削除したものである。
シリンダ２Ａは、上記第１の実施形態のシリンダ蓋部２ｃのシリンダ内底面２ｄに、上記第１の実施形態の凸部１０と同形状の凸部１５を、凸部１０と同様な位置関係に形成したものである。
すなわち、凸部１５は、スクリュー部３の開口３ｇに対向する位置を中心とする複数の同心円上で、開口３ｇに対向する位置に対して略放射状となる位置に、高さｈの凸部１５が複数形成されている。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４１】
本変形例によれば、流路Ｐ２の隙間の関係が、上記第１の実施形態の場合と全く同様になるので、上記第１の実施形態と同様に、流路Ｐ２に到達した被混練物Ｍが、各凸部１５によって、繰り返し高せん断を受ける。このため、流路Ｐ２において、被混練物Ｍに効率的に高せん断がかけられるので、被混練物Ｍの温度があまり増大することなく短時間に混練を行うことができる。
【００４２】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る混練装置について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る混練装置の概略構成を示す模式的な部分断面図である。図８（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る混練装置のスクリュー部の模式的な正面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）におけるＧ−Ｇ断面図である。図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図８（ｂ）におけるＨ部およびＪ部の部分拡大図である。
【００４３】
本実施形態の混練装置１Ａは、上記第１の実施形態のスクリュー部３に代えて、スクリュー部３Ｂを備えるものである。スクリュー部３Ｂは、上記第１の実施形態のスクリュー部３から凸部１０を削除し、径方向孔３ｅ、軸方向孔３ｆに代えて、径方向孔３０、軸方向孔３１をそれぞれ備えるものである。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４４】
径方向孔３０は、図８（ａ）、図９（ａ）に示すように、スクリュー部本体側面３ａの最小径位置の近傍で径方向に貫通する直径Ｄ３（ただし、Ｄ３＜Ｄ１）の孔内周面３０ａと、孔内周面３０ａに形成された溝底が直径Ｄ１、ピッチＱ１の螺旋溝３０ｂとからなる。
ここで、直径Ｄ３は、孔内周面３０ａからの深さ（Ｄ１−Ｄ３）／２が、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。
また、ピッチＱ１は、０．２ｍｍ〜５ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００４５】
軸方向孔３１は、図８（ｂ）、図９（ｂ）に示すように、スクリュー部本体先端面３ｄの中心からスクリュー本体３ｃの中心軸に沿って延ばされ、径方向孔３０の一方の側面に貫通された直径Ｄ４（ただし、Ｄ４＜Ｄ２）の孔内周面３１ａと、孔内周面３１ａに形成された溝底が直径Ｄ２、ピッチＱ２の螺旋溝３１ｂとからなる。
ここで、直径Ｄ４は、孔内周面３１ａからの深さ（Ｄ２−Ｄ４）／２が、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。
また、ピッチＱ２は、０．２ｍｍ〜５ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００４６】
本実施形態に係る混練装置１Ａによれば、スクリュー部３Ｂの側面とシリンダ内側面２ｂとの間に上記第１の実施形態と同様な流路Ｐ１が形成され、スクリュー部３Ｂの先端面であるスクリュー部本体先端面３ｄとシリンダ内底面２ｄとの間に、隙間が一定の流路Ｐ３が形成され、それぞれ混練流路を構成している。
また、径方向孔３０と軸方向孔３１とは、それぞれ、被混練物Ｍと接触する流路面の複数箇所に凹凸部が設けられた循環流路を構成している。
【００４７】
本実施形態の混練装置１Ａによれば、第１の実施形態の混練装置１と同様に、ホッパ６から投入された被混練物Ｍが、流路Ｐ１内で溶融、混練されてスクリュー部３Ｂの先端側に搬送される。
また、被混練物Ｍが、スクリュー部３の先端に到達すると、流路Ｐ３では、スクリュー部３の回転により、シリンダ内底面２ｄとスクリュー部本体先端面３ｄとの間で、被混練物Ｍは回転方向にせん断力を受けつつ、向かって螺旋渦状に搬送される。
本実施形態では、流路Ｐ１、Ｐ３に流れる被混練物Ｍは、従来技術の混練装置と略同様のせん断を受ける。
【００４８】
そして、被混練物Ｍが、開口３ｇから軸方向孔３１に流入すると、軸方向孔３１の内周側には、孔内周面３１ａと螺旋溝３１ｂとによって、軸方向に沿う凹凸部が形成されているため、軸方向孔３１の延設方向の流路抵抗が増大し、円筒面状の流路面を有する場合に比べて、被混練物Ｍが高せん断を受ける。また、被混練物Ｍが、径方向孔３０に流入すると、孔内周面３０ａと螺旋溝３０ｂとによって、径方向に沿う凹凸部が形成されているため、径方向孔３０の延設方向の流路抵抗が増大し、円筒面状の流路面を有する場合に比べて、被混練物Ｍが高せん断を受ける。
このようにして、被混練物Ｍに循環流路で効率的に高せん断がかかるので、被混練物Ｍの温度があまり増大することなく短時間に混練を行うことができる。
【００４９】
次に、混練装置１Ａによる混練時間の短縮および分散サイズ低減の効果について、具体的な実施例２に基づいて説明する。
被混練物Ｍ、混練装置１Ａのシリンダ２は、上記第１の実施形態の実施例１、比較例に用いたものと同様である。
また、混練装置１Ａのスクリュー部３Ｂの外形は、上記第１の実施形態の比較例に用いたものと同様である。
シリンダ２の混練機温度Ｔは２８０℃、スクリュー部３Ｂの回転速度は３０００ｒｐｍとした。
また、軸方向孔３１は、Ｄ４が２．５ｍｍ、螺旋溝３１ｂの溝幅が１ｍｍ、螺旋溝３１ｂのピッチＱ２が２ｍｍとした。
また、径方向孔３０は、Ｄ１が５．５ｍｍ、Ｄ３が４．５ｍｍ、螺旋溝３０ｂの溝幅が１ｍｍ、螺旋溝３０ｂのピッチＱ１が２ｍｍとした。
【００５０】
混練時間は、２分間とし、混練が終了した被混練物Ｍの分散サイズを上記第１の実施形態と同様にして測定したところ、実施例２の分散サイズは２５０ｎｍであった。
したがって、実施例２では、上記第１の実施形態に説明した実施例１と同様、比較例では達成できない微小な分散サイズを、より短時間に達成できていることが分かる。
【００５１】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る混練装置について説明する。
本実施形態の混練装置１Ｃは、図１に示すように、上記第１の実施形態のスクリュー部３に代えて、スクリュー部３Ｃを備えるものである。スクリュー部３Ｃは、上記第１の実施形態のスクリュー部３において、径方向孔３ｅ、軸方向孔３ｆに代えて、上記第２の実施形態の径方向孔３０、軸方向孔３１を備えるものである。以下、上記第１、第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５２】
本実施形態に係る混練装置１Ｃは、上記第１の実施形態の凸部１０と、上記第２の実施形態の径方向孔３０および軸方向孔３１とを備えるので、凹凸部が混練流路および循環流路の双方に設けられた場合の例になっている。
したがって、流路Ｐ２では、上記第１の実施形態で説明した凸部１０の作用により効率的な混練が行われ、循環流路では、上記第２の実施形態で説明した径方向孔３０、軸方向孔３１の作用により効率的な混練が行われ、これらが相俟って、被混練物Ｍを各実施形態に比べてより短時間で、より微小な分散サイズに混練することができる。
【００５３】
次に、混練装置１Ｃによる混練時間の短縮および分散サイズ低減の効果について、具体的な実施例３に基づいて説明する。
被混練物Ｍ、混練装置１Ｃのシリンダ２は、上記第１の実施形態の実施例１、比較例に用いたものと同様である。
また、混練装置１Ｃのスクリュー部３Ｃの凸部１０は、上記第１の実施形態の実施例１と同形状とした。また、スクリュー部３Ｃの径方向孔３０、軸方向孔３１は、上記第２の実施形態の実施例２と同形状とした。
シリンダ２の混練機温度Ｔは２８０℃、スクリュー部３Ｃの回転速度は３０００ｒｐｍとした。
【００５４】
混練時間は、１分間とし、混練が終了した被混練物Ｍの分散サイズを上記第１の実施形態と同様にして測定したところ、実施例３の分散サイズは２２０ｎｍであった。
したがって、実施例３では、上記第１の実施形態に説明した実施例１と同様の混練時間で、実施例１、２、比較例のいずれに比べても微小な分散サイズを達成できていることが分かる。このため、同様な分散サイズを達成する場合、混練時間は、実施例１、２よりもさらに低減されることが分かる。
【００５５】
なお、上記の説明では、混練流路に凹凸部を設ける場合、流路Ｐ２のみに設ける場合の例で説明したが、スクリュー部の先端の近傍、すなわち、径方向孔３ｅとスクリュー部本体先端面３ｄとの間で、スクリュー部本体先端面３ｄ側に位置する中間部であれば、流路Ｐ１にスクリュー３ｂ以外の凹凸部を設けてもよい。
シリンダ部の基端側である径方向孔３ｅの近傍の流路Ｐ１中に、スクリュー３ｂ以外の凹凸部を設けると、スクリュー部３の回転により被混練物Ｍにより大きなせん断がかかるものの、このせん断により、最も高せん断がかかる流路Ｐ２に被混練物Ｍが到達する前に、温度上昇が顕著となり、流路Ｐ２での発熱、粘性低下が顕著となるので、混練の効率が落ちてしまう。
【００５６】
また、上記の説明では、凹凸部を周方向の角度ピッチや径方向の配置ピッチなどを等ピッチとする場合の例で説明したが、これらのピッチは、適宜不規則に設定したり、等ピッチ以外の周期性を付与したりしてもよい。特に、不規則なピッチを採用する場合には、攪拌作用が向上され、より効率的な混練が可能となる。
【００５７】
また、上記の第１の実施形態の説明では、凸部１０の配置密度が、スクリュー部本体先端面３ｄの中心部で密であり、周縁部で粗となる場合の例で説明したが、配置密度は、混練の効率や、温度分布の制御のために必要に応じて異なる粗密分布を採用してもよい。
例えば、スクリュー部本体先端面３ｄの中心部では、スクリュー部３の回転線速が低下するため、周縁部に比べてより高せん断を実現するには、凸部１０の密度を増すことが好ましい。
また、例えば、流路Ｐ２の中心部に向かうにつれてせん断による蓄熱が増えることにより、被混練物Ｍの温度上昇が顕著になる場合には、被混練物Ｍが温度上昇しすぎないように中心部の凸部１０を減らすことが好ましい。
【００５８】
また、上記の説明では、凹凸部の粗密によって、場所によるせん断の大きさを変える例で説明したが、例えば、凸部１０や凹部１１の高さ、深さ、あるいは大きさを場所によって変更することにより、せん断の大きさを変えるようにしてもよい。
【００５９】
また、上記の第１の実施形態の第１、第２変形例では、突条部１２、１３が直線状の場合の例で説明したが、円弧状、螺旋状、波形状、ジグザグ状等の他の形状であってもよい。
また、突条部１２、１３の幅ｗは、一定に限定されるものではなく、不規則に変化させたり、徐変したりしてもよい。
また、突条部１２、１３は、断面形状をそれぞれ矩形状、台形状とした場合の例で説明したが、半円状、楕円状、山形状などを採用してもよい。
【００６０】
また、上記の各実施形態、各変形例に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施することができる。
例えば、図６に示すように、シリンダ２Ａとスクリュー部３Ｂとを組み合わせることで、第１の実施形態の第５変形例の構成要素と、第２の実施形態の構成要素とを組み合わせてもよい。また、第１の実施形態およびその各変形例の構成要素と、第２の実施形態の構成要素とは、すべて組み合わせて実施することができる。
また、上記第１、第２、第３、第５変形例の凸形状は、第４変形例のように、同様の断面の凹形状に変形して実施してもよい。
また、上記第１〜第４変形例の凹凸形状は、第５変形例のように、同様の断面をスクリュー部本体先端面３ｄに形成してもよい。
また、シリンダ内底面２ｄ、スクリュー部本体先端面３ｄの両方に凹凸部を形成してもよい。
また、上記第１の実施形態の各凹凸形状は、適宜、循環流路の内面に同様の形状を形成するように変形をしてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１、１Ａ、１Ｃ 混練装置
２、２Ａ シリンダ
２ｂ シリンダ内側面２ｄ シリンダ内底面
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ スクリュー部
３ａ スクリュー部本体側面（スクリュー部の側面）
３ｂ スクリュー（スクリュー部の側面）
３ｃ スクリュー本体
３ｄ スクリュー部本体先端面
３ｅ 径方向孔（循環流路）
３ｆ 軸方向孔（循環流路）
３ｇ 開口
４ 回転駆動部
１０ 凸部
１１ 凹部
１２、１３ 突条部
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 環状突起部
１５ 凸部
３０ 径方向孔（被混練物と接触する流路面の複数箇所に凹凸部が設けられた循環流路）
３０ａ 孔内周面
３０ｂ 螺旋溝
３１ 軸方向孔（被混練物と接触する流路面の複数箇所に凹凸部が設けられた循環流路）
３１ａ 孔内周面
３１ｂ 螺旋溝
Ｍ 被混練物
Ｐ１、Ｐ２ 流路（被混練物と接触する流路面の複数箇所に凹凸部が設けられた混練流路）
Ｐ３ 流路（混練流路）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被混練物を装置内で循環させて混練を行う混練装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、２種以上の樹脂の溶融混練、もしくは樹脂と粉末との溶融混練において、分散サイズがナノレベルとなるような高分散を達成するために、内部循環型スクリューを有する混練装置が用いられている。
このような混練装置として、例えば、特許文献１には、スクリューによって高分子ブレンド試料を溶融状態で混練する際のスクリュー回転数を５０ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの範囲で任意に設定可能であり、スクリューを内部帰還型スクリューの採用により、混練の度合いを任意に制御可能にするとともに、混練の度合いを、押し出し先端部とスクリューとのギャップ、ならびに内部帰還型スクリューの空洞部内径により任意に設定可能にするようにしたことを特徴とする微量型高剪断成形加工機が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３１３６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の混練装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、それぞれ平面からなる押し出し先端部とスクリューの先端とのギャップ、およびスクリューの空洞部内径を調整することで、これらギャップ部およびスクリューの空洞部を流れる被混練物に高せん断がかかるようにすることで、分散サイズが小さい高分散の混練が達成できるとしているが、近年、高分子材料の機能向上の要求が高まっているため、より混練しにくい材料同士をナノレベルの分散サイズで混練することが求められている。
このような混練しにくい材料に対して、特許文献１に記載の技術では、必要なギャップ部の寸法や空洞部の内径を小さくすることで対応するため、流路が狭くなって混練可能な量が低下し混練に長時間を要する。そのため、被混練物に長時間の熱負荷がかかり、被混練物の機械特性の劣化や変色などを来すおそれがあるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、混練の効率を向上し、短時間で分散サイズを小さくすることができる混練装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の混練装置は、回転可能に設けられたスクリュー部と、該スクリュー部の先端および側面を囲繞するように設けられたシリンダと、前記スクリュー部の先端および側面の間を貫通させるように前記スクリュー部の内部に設けられた循環流路とを有し、前記スクリュー部の回転によって、前記スクリュー部と前記シリンダとの間に形成された混練流路と前記循環流路とに被混練物を循環させて混練を行う混練装置であって、前記スクリュー部の先端近傍の前記混練流路、および前記循環流路の少なくともいずれかの流路で、前記被混練物と接触する流路面の複数箇所に凹凸部が設けられた構成とする。
この発明によれば、スクリュー部の先端近傍の混練流路、および循環流路の少なくともいずれかの流路で、被混練物と接触する流路面に複数の凹凸部が設けられるので、凹凸部によって被混練物の流路の断面積が変化する。そのため、被混練物が狭まった流路を通過するたびに相対的な高せん断を受ける。
このように、被混練物は流れに沿って繰り返しの高せん断を受けるので、せん断による被混練物の発熱が被混練物内部に蓄熱されにくくなり、被混練物の温度上昇を抑制することができる。
また、これにより、被混練物の粘性が大きい状態でせん断することができるため、被混練物の粘性低下によるすべりなどが発生しにくくなり、被混練物が効率的にせん断されていく。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の混練方法および装置によれば、凹凸部によって繰り返しせん断をかけることで、被混練物の温度上昇を抑制しつつ高せん断を作用させることができるので、混練の効率を向上し、短時間で分散サイズを小さくすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る混練装置の概略構成を示す模式的な部分断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る混練装置のスクリュー部の模式的な正面図、そのＡ−Ａ断面図およびＢ視側面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の第１および第２変形例の混練装置に用いるスクリュー部の左側面図、そのＤ−Ｄ断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の第３変形例の混練装置に用いるスクリュー部の左側面図、およびそのＥ−Ｅ断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の第４変形例の混練装置に用いるスクリュー部の左側面図、およびそのＣ−Ｃ断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の第５変形例の混練装置の軸方向の部分断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る混練装置の概略構成を示す模式的な部分断面図である。
【図８】発明の第２実施形態に係る混練装置のスクリュー部の模式的な正面図、およびそのＧ−Ｇ断面図である。
【図９】図８におけるＨ部およびＪ部の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００１０】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る混練装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る混練装置の概略構成を示す模式的な部分断面図である。図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る混練装置のスクリュー部の模式的な正面図である。図２（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図およびＢ視側面図である。
【００１１】
本実施形態の混練装置１は、２種以上の熱可塑性樹脂、もしくは１種以上の熱可塑性樹脂に分散させる粉末粒子や添加物などから構成される被混練物Ｍを、後述する分散サイズがナノメートルオーダーの微小サイズになるように混練するための装置であり、その概略構成は、図１に示すように、シリンダ２、スクリュー部３、および回転駆動部４からなる。
【００１２】
被混練物Ｍの熱可塑性樹脂としては熱可塑性樹脂であれば特に種類は限定されない。例えば、ポリエチレン（低密度・高密度・直鎖状低密度・超高分子量）、アイオノマー樹脂（例えばエチレン−メタクリル酸コポリマーアイオノマー樹脂等）、ポリプロピレン（ホモ・ランダム・ブロック・アタクチック・シンジオタクチック）、超高分子量ポリプロピレン、ポリブテン、４−メチルペンテン−１ポリマー、環状ポリオレフィン系樹脂、スチレン系樹脂（ポリスチレン、プタジェン−スチレン樹脂、アクリロニトリル−スチレン樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂など）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、酢酸セルロース、ポリエステル（例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート等）、ポリアミド系樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー、熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性エラストマー、生分解性ポリマー、およびその共重合体などが挙げられる。
【００１３】
また、混練する粉末粒子としては、熱可塑性樹脂と複合化できる材料であれば特に限定されるものではなく、例えば無機物では硫酸バリウム・炭酸カルシウムなどの金属無機塩、アルミナなどの金属酸化物、窒化ホウ素などの窒素化合物、粉末炭素・針状炭素・カーボンナノチューブ・フラーレンなどの単一物もしくは複合物、有機物ではフッ素樹脂粉末・超高分子量粉末・ポリイミド粉末などを用いてもよい。無機粒子と有機粒子の混合粒子であっても構わない。また、上記粉末粒子の添加量についても、熱可塑性樹脂と複合化できる量であれば特に限定されるものではない。なお、使用する粉末粒子は単独であっても、二種以上の混合であってもよい。
また、熱可塑性樹脂に加える添加物としては、例えば、相溶化剤、結晶核剤、着色防止剤、酸化防止剤、離型剤、可塑剤、熱安定剤、滑剤、紫外線防止剤、着色剤、難燃剤などの添加剤を挙げることができる。
【００１４】
シリンダ２は、円筒面状のシリンダ内側面２ｂを有するシリンダ筒部２ａと、シリンダ筒部２ａの一方の端部開口を平面状のシリンダ内底面２ｄで封止するように取り付けられたシリンダ蓋部２ｃとからなる。
シリンダ筒部２ａの側面には、被混練物Ｍを構成する材料を装置外部から投入し、シリンダ筒部２ａ内に導入するホッパ６が設けられている。
またシリンダ蓋部２ｃには、シリンダ蓋部２ｃをシリンダ筒部２ａと固定した状態で混練が完了した被混練物Ｍを装置外部に排出するため、シリンダ内底面２ｄと装置外部とを連通可能とする排出流路２ｅが設けられている。
排出流路２ｅには、不図示の逆止弁機構が設けられており、混練中はシリンダ内底面２ｄの開口は閉止することができるようになっている。
【００１５】
また、特に図示しないが、シリンダ２のシリンダ筒部２ａには、シリンダ２の温度を予め設定された混練機温度Ｔに温度制御する温度制御機構が設けられている。この温度制御機構は、例えば、水冷管路および加熱ヒータが、シリンダ筒部２ａの内部に埋め込まれた構成を採用することができる。
【００１６】
スクリュー部３は、図２に示すように、略円柱軸状のスクリュー本体３ｃの一方の端部に軸直角方向の平面からなるスクリュー部本体先端面３ｄが設けられ、他方の端部にスクリュー本体３ｃと同軸とされ、スクリュー本体３ｃに回転駆動部４からの回転駆動力を伝達する回転軸３ｉが設けられている。
スクリュー本体３ｃの径方向の側面には、スクリュー部本体先端面３ｄ側から軸方向のやや回転軸３ｉ寄りの中間部に向かって、外径が漸減してわずかに縮径され、回転軸３ｉ側に向かって拡径された鼓状のスクリュー部本体側面３ａと、このスクリュー部本体側面３ａから径方向外方に螺旋状に突出されたスクリュー３ｂとが形成されている。
スクリュー部本体側面３ａが最小径となる位置は、ホッパ６の近傍に設けられている。
また、スクリュー３ｂの外径は、シリンダ筒部２ａのシリンダ内側面２ｂの内径よりわずかに小さく設定されている。
【００１７】
スクリュー本体３ｃの内部には、図２（ｂ）に示すように、スクリュー部本体側面３ａが最小径となる位置の近傍で、径方向に貫通する直径Ｄ１の径方向孔３ｅと、スクリュー部本体先端面３ｄの中心からスクリュー本体３ｃの中心軸に沿って延ばされ、径方向孔３ｅの一方の側面に貫通された直径Ｄ２の軸方向孔３ｆとが設けられている。
これら径方向孔３ｅと軸方向孔３ｆとによって、スクリュー本体３ｃ内でＴ字状の管路が形成されている。そして、スクリュー部本体側面３ａには、径方向孔３ｅの両端部が交差して開口３ｈが形成され、スクリュー部本体先端面３ｄには、軸方向孔３ｆの端部が交差して開口３ｇが形成されている。
【００１８】
またスクリュー部本体先端面３ｄには、開口３ｇを中心とする複数の同心円上で、開口３ｇに対して略放射状となる位置に、高さｈの凸部１０が複数互いに離間された状態に形成されている。
凸部１０の突起形状は、特に限定されないが、本実施形態では、部分球面状の突起を採用している。
このため、本実施形態では、スクリュー部本体先端面３ｄの外周から中心に向かって、凸部１０の配列密度が密になるように凸部１０が配列されている。
【００１９】
凸部１０の寸法は、スクリュー部本体先端面３ｄの面積や、スクリュー部本体先端面３ｄとシリンダ内底面２ｄとの間の距離ｄや、必要な混練性能によっても異なるが、図２（ａ）のＢ視の直径は０．１ｍｍ〜１１ｍｍ、スクリュー部本体先端面３ｄからの高さｈは１０μｍ〜５ｍｍの範囲が好適である。
凸部１０の個数は、２個以上を必要に応じて設けることができる。例えば、２個〜２００００個の間の適宜個数を必要に応じて採用することができる。
【００２０】
スクリュー部３は、図１に示すように、スクリュー本体３ｃをシリンダ筒部２ａと同軸に内挿し、スクリュー部本体先端面３ｄがシリンダ内底面２ｄから距離ｄ（ただし、ｄ＞ｈ）だけ離間して対向した状態にアライメント調整されてから、混練中にこの位置を保持しつつ回転軸３ｉ回りに回転できるように、軸受５を介してシリンダ筒部２ａのシリンダ内側面２ｂに固定されている。
【００２１】
このため、スクリュー部本体側面３ａおよびスクリュー３ｂからなるスクリュー部３の側面と、シリンダ内側面２ｂとの間には、ホッパ６から投入された被混練物Ｍが軸方向の先端に向かって移動可能な流路Ｐ１が形成されている。
スクリュー３ｂの外径は、スクリュー部本体側面３ａの外径より大きく、シリンダ内側面２ｂの内径よりわずかに小さい寸法とされているため、流路Ｐ１において、スクリュー３ｂの外径を乗り越えて軸方向に向かう流れは発生しにくくなっている。
【００２２】
また、スクリュー部本体先端面３ｄおよび各凸部１０からなるスクリュー部３の先端面と、シリンダ内底面２ｄとの間には、スクリュー部本体先端面３ｄの近傍に移動された被混練物Ｍが開口３ｇに向かって移動可能な流路Ｐ２が形成されている。
流路Ｐ２では、各凸部１０の位置で、流路隙間がｄから（ｄ−ｈ）に変化するようになっている。
【００２３】
回転駆動部４は、適宜のモータおよび伝動機構からなり、スクリュー部３の回転軸３ｉに回転駆動力を伝達するものである。
【００２４】
次に、混練装置１の動作について説明する。
まず、シリンダ２を一定の混練機温度Ｔに加熱しておき、ホッパ６に一定量の被混練物Ｍを順次投入していく。
そして、回転駆動部４によって、スクリュー部３を図２（ｃ）の矢印方向に回転させる。これにより、被混練物Ｍは、スクリュー３ｂによってスクリュー部３の先端側に螺旋状に押し出されていき、せん断や摩擦によって発生する熱によって溶融され、流路Ｐ１内で混練されつつ、スクリュー部３の先端側に搬送されていく。
流路Ｐ１は、先端側に向かうにつれて徐々に流路断面積が低下するため、被混練物Ｍにかかるせん断力も徐々に増大していく。
【００２５】
被混練物Ｍがスクリュー部３の先端に到達すると、シリンダ内底面２ｄに沿って径方向内側に流動方向が変化し、シリンダ内底面２ｄとスクリュー部本体先端面３ｄとの間の流路Ｐ２内に押し出される。
このとき、スクリュー部３は回転し続けているので、被混練物Ｍは、回転方向にせん断力を受けつつ開口３ｇに向かうため螺旋渦状に搬送されていく。そして、スクリュー部３が、複数の凸部１０を備えているため、凸部１０を通過する領域では、凸部１０の頂部とシリンダ内底面２ｄとの間の流路断面の隙間寸法がｄから（ｄ−ｈ）に減少し、通過位置にある被混練物Ｍには、回転方向に繰り返し大きなせん断応力が発生する。また、凸部１０が部分球面状の突起からなるため、被混練物Ｍを攪拌し、被混練物Ｍの流れを乱す作用もある。
このため、被混練物Ｍは、流路Ｐ２を流れる間に、凸部１０がない場合に比べて高せん断を受けつつ攪拌され、効率的に混練が行われ、被混練物Ｍを構成する各材料の分散サイズが微細化される。
一方、被混練物Ｍが最も強くせん断されるのは、凸部１０の頂部近傍に位置する場合である。そのため、同様の大きさのせん断を行うために流路Ｐ２の隙間を一様に（ｄ−ｈ）に低減した場合に比べると、せん断による発熱量は格段に小さくなり、流路Ｐ２における被混練物Ｍの温度上昇を抑制することができる。この結果、被混練物Ｍの粘性が低下して混練の効率が落ちたり、被混練物Ｍが加熱されすぎて劣化したりすることを防止することができる。
【００２６】
開口３ｇに到達した被混練物Ｍは、軸方向孔３ｆに流入して軸方向を径方向孔３ｅ側に流れ、径方向孔３ｅに到達すると、径方向孔３ｅの流路に沿って径方向の両外側に分岐され、各開口３ｈから流路Ｐ１に流入し、上記と同様の混練が繰り返される。
【００２７】
このようにして、ホッパ６に投入された被混練物Ｍは、流路Ｐ１、Ｐ２、軸方向孔３ｆ、径方向孔３ｅの間を循環して、混練される。このため、流路Ｐ１、Ｐ２は、スクリュー部３とシリンダ２との間に形成された混練流路を構成し、軸方向孔３ｆ、径方向孔３ｅは、スクリュー部３の内部に設けられた循環流路を構成している。
このとき、本実施形態では、スクリュー部３の先端近傍の混練流路である流路Ｐ２において、スクリュー部本体先端面３ｄに設けられた凸部１０によって、被混練物Ｍに効率的に高せん断をかけることができるので、流路Ｐ１では温度上昇しすぎることなく、また流路Ｐ２における混練中でも被混練物Ｍの温度をあまり増大させることなく短時間に混練を行うことができる。
【００２８】
次に、混練装置１による混練時間の短縮および分散サイズ低減の効果について、具体的な実施例１および比較例に基づいて説明する。
被混練物Ｍは、実施例１、比較例に共通で、ポリカーボネート（ＭＦＲ＝５ｇ／１０ｍｉｎ（３００℃））と高密度ポリエチレン（ＭＦＲ＝０．０５ｇ／１０ｍｉｎ（１９０℃））を質量比５０対５０の割合で混合したものを採用した。ここで、ＭＦＲは、メルトマスフローレイトを意味し、ＪＩＳ Ｋ ７２１０によって測定される量である。
混練装置１において、シリンダ内側面２ｂの内径は２８ｍｍ、スクリュー３ｂの外径は２７．８ｍｍ、スクリュー部本体先端面３ｄの径は２５．５ｍｍ、スクリュー部本体先端面３ｄとシリンダ内底面２ｄとの間の隙間ｄは２ｍｍ、シリンダ２の混練機温度Ｔは２８０℃、スクリュー部３の回転速度は３０００ｒｐｍとした。
また、各凸部１０の形状は、高さｈがｈ＝１ｍｍ、図２（ａ）のＢ視の径が２ｍｍ、曲率半径が１ｍｍとした。
凸部１０の配列は、開口３ｇの中心を中心とする半径３ｍｍの同心円上に４５°ピッチで８個配列し、同じく半径５．５ｍｍの同心円上に２４°ピッチで１５個配列し、同じく半径８ｍｍの同心円上に１８°ピッチで２０個配列し、同じく半径１０．５ｍｍの同心円上に１８°ピッチで２０個配列した。
軸方向孔３ｆの内径Ｄ２は２．５ｍｍ、径方向孔３ｅの内径Ｄ１は５ｍｍとした。
一方、比較例の混練装置は、スクリュー部３の先端に凸部１０が設けられず、スクリュー部本体先端面３ｄのみからなるものを、混練装置１と同様な位置関係に配置した点のみが混練装置１と異なる。
【００２９】
混練時間は、実施例１では、１分間、比較例では、５分間、１０分間とし、それぞれ混練が終了した被混練物Ｍの分散サイズを以下のようにして測定した。
まず、混練が終了した被混練物Ｍから押出機によって１００ｍｍ×１００ｍｍ×１ｍｍのシートを作成した。作成されたシートから１０ｍｍ×１０ｍｍのサンプルを切り出し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて分散状態を確認した。
二成分以上の材料のブレンド系では、マトリックスと呼ばれる基本相とドメインと呼ばれる分散相に分かれており、本評価においては分散相のサイズを計測した。
分散相の粒径の最大の部分を分散相粒径とし、分散相粒径の平均値μ、標準偏差σを画像解析により抽出し、分散相粒径の平均値μを分散サイズとした。
【００３０】
このような測定により、実施例１の分散サイズは２５０ｎｍ、比較例の分散サイズは混練時間が５分間、１０分間のいずれにおいても５００ｎｍであった。
したがって、実施例１は、比較例では達成できない微小な分散サイズをより短時間のうちに達成できていることが分かる。
なお、この測定結果から推測すると、比較例では１０分以上混練しても、混練装置１のような微小な分散サイズを達成できないと予想される。このため、混練装置１の混練性能は、分散サイズの低減効果においても格段に優れていることが分かる。
【００３１】
次に、本実施形態の変形例について説明する。
図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態の第１および第２変形例の混練装置に用いるスクリュー部の左側面図である。図３（ｂ）は、第１変形例の場合の図３（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図である。図３（ｃ）は、第２変形例の場合の図３（ａ）におけるＤ−Ｄ断面図である。図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態の第３変形例の混練装置に用いるスクリュー部の左側面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＥ−Ｅ断面図である。図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態の第４変形例の混練装置に用いるスクリュー部の左側面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。図６は、本発明の第１の実施形態の第５変形例の混練装置の軸方向の部分断面図である。
【００３２】
本実施形態の第１変形例は、凹凸部をスクリュー部本体先端面３ｄからの凸部で形成した場合において、凸部の形状を変更した変形例である。
本変形例では、上記第１の実施形態の凸部１０に代えて、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、複数の突条部１２を備える。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
突条部１２は、スクリュー部本体先端面３ｄから高さｈ、周方向の幅ｗの矩形状断面で、開口３ｇの近傍から径方向に放射状に延在された線状の突起部である。本実施形態では、一例として、４５度ピッチで８本が設けられている。
【００３３】
本変形例によれば、スクリュー部３の先端面において、シリンダ内底面２ｄと対向する隙間が、回転する各突条部１２の凸方向の端面の位置で、（ｄ−ｈ）に狭まるため、流路Ｐ２に到達した被混練物Ｍは、シリンダ内底面２ｄと対向する突条部１２の凸方向の端面によって、繰り返し高せん断を受ける。このため、流路Ｐ２において、被混練物Ｍに効率的に高せん断がかけられるので、被混練物Ｍの温度があまり増大することなく短時間に混練を行うことができる。
【００３４】
本実施形態の第２変形例は、上記第１変形例の突条部１２に代えて、図３（ａ）、（ｃ）に示すように、複数の突条部１３を備える。以下、上記第１変形例と異なる点を中心に説明する。
本変形例の突条部１３は、上記第１変形例の突条部１２と延在方向に直交する断面の断面形状のみが異なる。
突条部１３の断面形状は、突条部１２と同様に周方向の幅ｗを有し、スクリュー部本体先端面３ｄからの高さが、回転方向に沿ってｈ１からｈ２（ただし、ｈ２＞ｈ１）に漸増する台形状とされている。このため、突条部１３において、シリンダ内底面２ｄと対向する凸方向の端面は、テーパ面１３ａとなっている。
【００３５】
本変形例によれば、スクリュー部３の先端面において、シリンダ内底面２ｄと対向する隙間が、回転する各突条部１３の凸方向の端面の位置で、（ｄ−ｈ１）から（ｄ−ｈ２）に徐々に狭まるため、流路Ｐ２に到達した被混練物Ｍは、突条部１３のテーパ面１３ａによって、繰り返し高せん断を受ける。このため、流路Ｐ２において、被混練物Ｍに効率的に高せん断がかけられるので、被混練物Ｍの温度があまり増大することなく短時間に混練を行うことができる。
【００３６】
本実施形態の第３変形例は、凹凸部をスクリュー部本体先端面３ｄからの凸部で形成した場合において、凸部の形状を変更した変形例である。
本変形例では、上記第１の実施形態の凸部１０に代えて、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、複数の環状突起部１４を備える。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
本変形例の環状突起部１４は、スクリュー部本体先端面３ｄから高さｈ、径方向の幅Ｗの矩形状断面で、開口３ｇを中心とする同心円状に設けられた環状の凸部である。本実施形態では、一例として、径方向外側から、環状突起部１４ａ、１４ｂ、１４ｃの３本が設けられている。
径方向の配置ピッチや、径方向の幅Ｗはそれぞれ適宜の値に設定することができる。図５に示す例では、一例として、径方向に等ピッチで環状突起部１４ａ、１４ｂ、１４ｃが配置され、それぞれの径方向幅Ｗがこの順に漸減する構成としている。
【００３７】
本変形例によれば、スクリュー部３の先端面において、シリンダ内底面２ｄと対向する隙間が、回転する各環状突起部１４の凸方向の端面の位置で、ｄから（ｄ−ｈ）に狭まるため、流路Ｐ２に到達した被混練物Ｍは、各環状突起部１４が設けられた位置で周方向に高せん断を受け、開口３ｇに向かって径方向内側に移動するに連れて、各環状突起部１４によって、繰り返し高せん断を受ける。このため、流路Ｐ２において、被混練物Ｍに効率的に高せん断がかけられるので、被混練物Ｍの温度があまり増大することなく短時間に混練を行うことができる。
【００３８】
本実施形態の第４変形例は、凹凸部をスクリュー部本体先端面３ｄからの凹部で形成した場合の変形例である。
本変形例では、上記第１の実施形態の凸部１０に代えて、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、それぞれ凹部１１を備える。そして、スクリュー部３の軸方向の位置を調整して、シリンダ内底面２ｄとスクリュー部本体先端面３ｄとの間の隙間が（ｄ−ｈ）となるように変更したものである。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
凹部１１は、開口３ｇを中心とする複数の同心円上で、開口３ｇに対して略放射状となる位置に形成された深さｈの凹穴である。凹部１１の凹形状は、特に限定されないが、本変形例では、部分球面状の凹穴をスクリュー部本体先端面３ｄ上で互いに離間された位置に設けている。
このため、本変形例では、スクリュー部本体先端面３ｄの外周から中心に向かって、凹部１１の配列密度が密になるように凸部１０が配列されている場合の例になっている。
凹部１１の寸法は、スクリュー部本体先端面３ｄの面積や、スクリュー部本体先端面３ｄとシリンダ内底面２ｄとの間の距離（ｄ−ｈ）や、必要な混練性能によっても異なるが、図５（ｂ）のＦ視の直径は０．１ｍｍ〜１１ｍｍ、スクリュー部本体先端面３ｄから深さｈは１０μｍ〜５ｍｍの範囲が好適である。
凹部１１の個数は、２個以上を必要に応じて設けることができる。例えば、２個〜２００００個の間の適宜個数を必要に応じて採用することができる。
【００３９】
本変形例によれば、スクリュー部３の先端面において、シリンダ内底面２ｄと対向する隙間が、スクリュー部本体先端面３ｄの位置で（ｄ−ｈ）、回転する各凹部１１の位置で、ｄとなるため、流路Ｐ２に到達した被混練物Ｍは、スクリュー部本体先端面３ｄによって、繰り返し高せん断を受ける。このため、流路Ｐ２において、被混練物Ｍに効率的に高せん断がかけられるので、被混練物Ｍの温度があまり増大することなく短時間に混練を行うことができる。
【００４０】
本実施形態の第５変形例は、凹凸部をシリンダ内底面２ｄからの凸部で形成した場合の変形例である。
本変形例は、図６に示すように、上記第１の実施形態のスクリュー部３、シリンダ２に代えて、スクリュー部３Ａ、シリンダ２Ａを備える。
スクリュー部３Ａは、上記第１の実施形態のスクリュー部３の凸部１０を削除したものである。
シリンダ２Ａは、上記第１の実施形態のシリンダ蓋部２ｃのシリンダ内底面２ｄに、上記第１の実施形態の凸部１０と同形状の凸部１５を、凸部１０と同様な位置関係に形成したものである。
すなわち、凸部１５は、スクリュー部３の開口３ｇに対向する位置を中心とする複数の同心円上で、開口３ｇに対向する位置に対して略放射状となる位置に、高さｈの凸部１５が複数形成されている。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４１】
本変形例によれば、流路Ｐ２の隙間の関係が、上記第１の実施形態の場合と全く同様になるので、上記第１の実施形態と同様に、流路Ｐ２に到達した被混練物Ｍが、各凸部１５によって、繰り返し高せん断を受ける。このため、流路Ｐ２において、被混練物Ｍに効率的に高せん断がかけられるので、被混練物Ｍの温度があまり増大することなく短時間に混練を行うことができる。
【００４２】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る混練装置について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る混練装置の概略構成を示す模式的な部分断面図である。図８（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る混練装置のスクリュー部の模式的な正面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）におけるＧ−Ｇ断面図である。図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図８（ｂ）におけるＨ部およびＪ部の部分拡大図である。
【００４３】
本実施形態の混練装置１Ａは、上記第１の実施形態のスクリュー部３に代えて、スクリュー部３Ｂを備えるものである。スクリュー部３Ｂは、上記第１の実施形態のスクリュー部３から凸部１０を削除し、径方向孔３ｅ、軸方向孔３ｆに代えて、径方向孔３０、軸方向孔３１をそれぞれ備えるものである。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４４】
径方向孔３０は、図８（ａ）、図９（ａ）に示すように、スクリュー部本体側面３ａの最小径位置の近傍で径方向に貫通する直径Ｄ３（ただし、Ｄ３＜Ｄ１）の孔内周面３０ａと、孔内周面３０ａに形成された溝底が直径Ｄ１、ピッチＱ１の螺旋溝３０ｂとからなる。
ここで、直径Ｄ３は、孔内周面３０ａからの深さ（Ｄ１−Ｄ３）／２が、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。
また、ピッチＱ１は、０．２ｍｍ〜５ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００４５】
軸方向孔３１は、図８（ｂ）、図９（ｂ）に示すように、スクリュー部本体先端面３ｄの中心からスクリュー本体３ｃの中心軸に沿って延ばされ、径方向孔３０の一方の側面に貫通された直径Ｄ４（ただし、Ｄ４＜Ｄ２）の孔内周面３１ａと、孔内周面３１ａに形成された溝底が直径Ｄ２、ピッチＱ２の螺旋溝３１ｂとからなる。
ここで、直径Ｄ４は、孔内周面３１ａからの深さ（Ｄ２−Ｄ４）／２が、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。
また、ピッチＱ２は、０．２ｍｍ〜５ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００４６】
本実施形態に係る混練装置１Ａによれば、スクリュー部３Ｂの側面とシリンダ内側面２ｂとの間に上記第１の実施形態と同様な流路Ｐ１が形成され、スクリュー部３Ｂの先端面であるスクリュー部本体先端面３ｄとシリンダ内底面２ｄとの間に、隙間が一定の流路Ｐ３が形成され、それぞれ混練流路を構成している。
また、径方向孔３０と軸方向孔３１とは、それぞれ、被混練物Ｍと接触する流路面の複数箇所に凹凸部が設けられた循環流路を構成している。
【００４７】
本実施形態の混練装置１Ａによれば、第１の実施形態の混練装置１と同様に、ホッパ６から投入された被混練物Ｍが、流路Ｐ１内で溶融、混練されてスクリュー部３Ｂの先端側に搬送される。
また、被混練物Ｍが、スクリュー部３の先端に到達すると、流路Ｐ３では、スクリュー部３の回転により、シリンダ内底面２ｄとスクリュー部本体先端面３ｄとの間で、被混練物Ｍは回転方向にせん断力を受けつつ、向かって螺旋渦状に搬送される。
本実施形態では、流路Ｐ１、Ｐ３に流れる被混練物Ｍは、従来技術の混練装置と略同様のせん断を受ける。
【００４８】
そして、被混練物Ｍが、開口３ｇから軸方向孔３１に流入すると、軸方向孔３１の内周側には、孔内周面３１ａと螺旋溝３１ｂとによって、軸方向に沿う凹凸部が形成されているため、軸方向孔３１の延設方向の流路抵抗が増大し、円筒面状の流路面を有する場合に比べて、被混練物Ｍが高せん断を受ける。また、被混練物Ｍが、径方向孔３０に流入すると、孔内周面３０ａと螺旋溝３０ｂとによって、径方向に沿う凹凸部が形成されているため、径方向孔３０の延設方向の流路抵抗が増大し、円筒面状の流路面を有する場合に比べて、被混練物Ｍが高せん断を受ける。
このようにして、被混練物Ｍに循環流路で効率的に高せん断がかかるので、被混練物Ｍの温度があまり増大することなく短時間に混練を行うことができる。
【００４９】
次に、混練装置１Ａによる混練時間の短縮および分散サイズ低減の効果について、具体的な実施例２に基づいて説明する。
被混練物Ｍ、混練装置１Ａのシリンダ２は、上記第１の実施形態の実施例１、比較例に用いたものと同様である。
また、混練装置１Ａのスクリュー部３Ｂの外形は、上記第１の実施形態の比較例に用いたものと同様である。
シリンダ２の混練機温度Ｔは２８０℃、スクリュー部３Ｂの回転速度は３０００ｒｐｍとした。
また、軸方向孔３１は、Ｄ４が２．５ｍｍ、螺旋溝３１ｂの溝幅が１ｍｍ、螺旋溝３１ｂのピッチＱ２が２ｍｍとした。
また、径方向孔３０は、Ｄ１が５．５ｍｍ、Ｄ３が４．５ｍｍ、螺旋溝３０ｂの溝幅が１ｍｍ、螺旋溝３０ｂのピッチＱ１が２ｍｍとした。
【００５０】
混練時間は、２分間とし、混練が終了した被混練物Ｍの分散サイズを上記第１の実施形態と同様にして測定したところ、実施例２の分散サイズは２５０ｎｍであった。
したがって、実施例２では、上記第１の実施形態に説明した実施例１と同様、比較例では達成できない微小な分散サイズを、より短時間に達成できていることが分かる。
【００５１】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る混練装置について説明する。
本実施形態の混練装置１Ｃは、図１に示すように、上記第１の実施形態のスクリュー部３に代えて、スクリュー部３Ｃを備えるものである。スクリュー部３Ｃは、上記第１の実施形態のスクリュー部３において、径方向孔３ｅ、軸方向孔３ｆに代えて、上記第２の実施形態の径方向孔３０、軸方向孔３１を備えるものである。以下、上記第１、第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５２】
本実施形態に係る混練装置１Ｃは、上記第１の実施形態の凸部１０と、上記第２の実施形態の径方向孔３０および軸方向孔３１とを備えるので、凹凸部が混練流路および循環流路の双方に設けられた場合の例になっている。
したがって、流路Ｐ２では、上記第１の実施形態で説明した凸部１０の作用により効率的な混練が行われ、循環流路では、上記第２の実施形態で説明した径方向孔３０、軸方向孔３１の作用により効率的な混練が行われ、これらが相俟って、被混練物Ｍを各実施形態に比べてより短時間で、より微小な分散サイズに混練することができる。
【００５３】
次に、混練装置１Ｃによる混練時間の短縮および分散サイズ低減の効果について、具体的な実施例３に基づいて説明する。
被混練物Ｍ、混練装置１Ｃのシリンダ２は、上記第１の実施形態の実施例１、比較例に用いたものと同様である。
また、混練装置１Ｃのスクリュー部３Ｃの凸部１０は、上記第１の実施形態の実施例１と同形状とした。また、スクリュー部３Ｃの径方向孔３０、軸方向孔３１は、上記第２の実施形態の実施例２と同形状とした。
シリンダ２の混練機温度Ｔは２８０℃、スクリュー部３Ｃの回転速度は３０００ｒｐｍとした。
【００５４】
混練時間は、１分間とし、混練が終了した被混練物Ｍの分散サイズを上記第１の実施形態と同様にして測定したところ、実施例３の分散サイズは２２０ｎｍであった。
したがって、実施例３では、上記第１の実施形態に説明した実施例１と同様の混練時間で、実施例１、２、比較例のいずれに比べても微小な分散サイズを達成できていることが分かる。このため、同様な分散サイズを達成する場合、混練時間は、実施例１、２よりもさらに低減されることが分かる。
【００５５】
なお、上記の説明では、混練流路に凹凸部を設ける場合、流路Ｐ２のみに設ける場合の例で説明したが、スクリュー部の先端の近傍、すなわち、径方向孔３ｅとスクリュー部本体先端面３ｄとの間で、スクリュー部本体先端面３ｄ側に位置する中間部であれば、流路Ｐ１にスクリュー３ｂ以外の凹凸部を設けてもよい。
シリンダ部の基端側である径方向孔３ｅの近傍の流路Ｐ１中に、スクリュー３ｂ以外の凹凸部を設けると、スクリュー部３の回転により被混練物Ｍにより大きなせん断がかかるものの、このせん断により、最も高せん断がかかる流路Ｐ２に被混練物Ｍが到達する前に、温度上昇が顕著となり、流路Ｐ２での発熱、粘性低下が顕著となるので、混練の効率が落ちてしまう。
【００５６】
また、上記の説明では、凹凸部を周方向の角度ピッチや径方向の配置ピッチなどを等ピッチとする場合の例で説明したが、これらのピッチは、適宜不規則に設定したり、等ピッチ以外の周期性を付与したりしてもよい。特に、不規則なピッチを採用する場合には、攪拌作用が向上され、より効率的な混練が可能となる。
【００５７】
また、上記の第１の実施形態の説明では、凸部１０の配置密度が、スクリュー部本体先端面３ｄの中心部で密であり、周縁部で粗となる場合の例で説明したが、配置密度は、混練の効率や、温度分布の制御のために必要に応じて異なる粗密分布を採用してもよい。
例えば、スクリュー部本体先端面３ｄの中心部では、スクリュー部３の回転線速が低下するため、周縁部に比べてより高せん断を実現するには、凸部１０の密度を増すことが好ましい。
また、例えば、流路Ｐ２の中心部に向かうにつれてせん断による蓄熱が増えることにより、被混練物Ｍの温度上昇が顕著になる場合には、被混練物Ｍが温度上昇しすぎないように中心部の凸部１０を減らすことが好ましい。
【００５８】
また、上記の説明では、凹凸部の粗密によって、場所によるせん断の大きさを変える例で説明したが、例えば、凸部１０や凹部１１の高さ、深さ、あるいは大きさを場所によって変更することにより、せん断の大きさを変えるようにしてもよい。
【００５９】
また、上記の第１の実施形態の第１、第２変形例では、突条部１２、１３が直線状の場合の例で説明したが、円弧状、螺旋状、波形状、ジグザグ状等の他の形状であってもよい。
また、突条部１２、１３の幅ｗは、一定に限定されるものではなく、不規則に変化させたり、徐変したりしてもよい。
また、突条部１２、１３は、断面形状をそれぞれ矩形状、台形状とした場合の例で説明したが、半円状、楕円状、山形状などを採用してもよい。
【００６０】
また、上記の各実施形態、各変形例に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施することができる。
例えば、図６に示すように、シリンダ２Ａとスクリュー部３Ｂとを組み合わせることで、第１の実施形態の第５変形例の構成要素と、第２の実施形態の構成要素とを組み合わせてもよい。また、第１の実施形態およびその各変形例の構成要素と、第２の実施形態の構成要素とは、すべて組み合わせて実施することができる。
また、上記第１、第２、第３、第５変形例の凸形状は、第４変形例のように、同様の断面の凹形状に変形して実施してもよい。
また、上記第１〜第４変形例の凹凸形状は、第５変形例のように、同様の断面をスクリュー部本体先端面３ｄに形成してもよい。
また、シリンダ内底面２ｄ、スクリュー部本体先端面３ｄの両方に凹凸部を形成してもよい。
また、上記第１の実施形態の各凹凸形状は、適宜、循環流路の内面に同様の形状を形成するように変形をしてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１、１Ａ、１Ｃ 混練装置
２、２Ａ シリンダ
２ｂ シリンダ内側面２ｄ シリンダ内底面
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ スクリュー部
３ａ スクリュー部本体側面（スクリュー部の側面）
３ｂ スクリュー（スクリュー部の側面）
３ｃ スクリュー本体
３ｄ スクリュー部本体先端面
３ｅ 径方向孔（循環流路）
３ｆ 軸方向孔（循環流路）
３ｇ 開口
４ 回転駆動部
１０ 凸部
１１ 凹部
１２、１３ 突条部
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 環状突起部
１５ 凸部
３０ 径方向孔（被混練物と接触する流路面の複数箇所に凹凸部が設けられた循環流路）
３０ａ 孔内周面
３０ｂ 螺旋溝
３１ 軸方向孔（被混練物と接触する流路面の複数箇所に凹凸部が設けられた循環流路）
３１ａ 孔内周面
３１ｂ 螺旋溝
Ｍ 被混練物
Ｐ１、Ｐ２ 流路（被混練物と接触する流路面の複数箇所に凹凸部が設けられた混練流路）
Ｐ３ 流路（混練流路）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に設けられたスクリュー部と、該スクリュー部の先端および側面を囲繞するように設けられたシリンダと、前記スクリュー部の先端および側面の間を貫通させるように前記スクリュー部の内部に設けられた循環流路とを有し、前記スクリュー部の回転によって、前記スクリュー部と前記シリンダとの間に形成された混練流路と前記循環流路とに被混練物を循環させて混練を行う混練装置であって、
前記スクリュー部の先端近傍の前記混練流路、および前記循環流路の少なくともいずれかの流路で、前記被混練物と接触する流路面の複数箇所に凹凸部が設けられたことを特徴とする混練装置。
【請求項１】
回転可能に設けられたスクリュー部と、該スクリュー部の先端および側面を囲繞するように設けられたシリンダと、前記スクリュー部の先端および側面の間を貫通させるように前記スクリュー部の内部に設けられた循環流路とを有し、前記スクリュー部の回転によって、前記スクリュー部と前記シリンダとの間に形成された混練流路と前記循環流路とに被混練物を循環させて混練を行う混練装置であって、
前記スクリュー部の先端近傍の前記混練流路、および前記循環流路の少なくともいずれかの流路で、前記被混練物と接触する流路面の複数箇所に凹凸部が設けられたことを特徴とする混練装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２８４９４０（Ｐ２０１０−２８４９４０Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４２１１４（Ｐ２００９−１４２１１４）
【出願日】平成２１年６月１５日（２００９．６．１５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１５日（２００９．６．１５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]