高せん断加工機の回転速度制御装置と回転速度制御方法
【課題】高せん断加工へ移行するに際し、回転数が上昇しても材料の圧力の上昇を抑制して材料に急激なせん断応力がかかって材料の物性が下がることを防止する。
【解決手段】高せん断加工機１の回転速度制御装置１７は、樹脂供給工程で加熱筒５内で内部帰還型スクリュー６を低速回転させて材料を周面クリアランス１１に供給する低速回転手段２６と、内部帰還型スクリュー６を高速回転させて樹脂をクリアランス及び帰還穴１４に循環させて高せん断加工する高速回転手段２７と、樹脂供給後に高せん断加工工程に移行する際、内部帰還型スクリュー６の回転速度を低速回転数から高せん断加工の高速回転数まで複数の分割時間毎に階段状に上昇させる回転速度移行手段２８とを備えた。移行工程において所定時間で階段状に増大させる各回転数は、入力手段２４から制御手段２３に予め入力する。
【解決手段】高せん断加工機１の回転速度制御装置１７は、樹脂供給工程で加熱筒５内で内部帰還型スクリュー６を低速回転させて材料を周面クリアランス１１に供給する低速回転手段２６と、内部帰還型スクリュー６を高速回転させて樹脂をクリアランス及び帰還穴１４に循環させて高せん断加工する高速回転手段２７と、樹脂供給後に高せん断加工工程に移行する際、内部帰還型スクリュー６の回転速度を低速回転数から高せん断加工の高速回転数まで複数の分割時間毎に階段状に上昇させる回転速度移行手段２８とを備えた。移行工程において所定時間で階段状に増大させる各回転数は、入力手段２４から制御手段２３に予め入力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子材料等の各種材料を高せん断加工することによって、高分子材料等の各種材料を微細レベルに分散・混合するための高せん断加工機における回転速度制御装置と回転速度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、静置場では相互に溶け合わない（非相溶性）ブレンド系の材料において、相溶化剤等の余分な添加物を加えることなく、例えば数十ナノメーターサイズの分散相を有する高分子ブレンド押出し物を製造するための高せん断加工機が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
特許文献１や特許文献２に記載された高せん断加工機は、内部帰還型の高せん断スクリューである内部帰還型スクリューを回転可能に収容した加熱筒を有している。内部帰還型スクリューは螺旋状のスクリュー羽根を有する外周面と先端面の中央からその内部を基部側に延びて外周面に開口する帰還穴とが形成され、加熱筒は略有底円筒状に形成されている。
そして、内部帰還型スクリューの外周面と加熱筒の内周面との間の周面クリアランス内に例えば２〜５ｇの溶融状態の高分子微量材料を供給して、内部帰還型スクリューを例えば５００〜３０００ｍｉｎ−１の回転数で高速回転させて高せん断加工を行う。
【０００４】
高せん断加工の一連のサイクルは、概略で、例えば溶融樹脂を注入する樹脂注入工程と、内部帰還型スクリューを高速回転させることでスクリュー羽根によって樹脂を高せん断加工する高せん断加工工程と、高せん断加工終了後に樹脂を排出する樹脂排出工程の順で行われる。それぞれの工程における内部帰還型スクリューの回転数は投入される材料や得るべき特性等に応じて任意に設定可能であるが、高分子樹脂材料では樹脂注入工程と樹脂排出工程は５００ｍｉｎ―１程度の低速回転に、高せん断加工工程では最大３０００ｍｉｎ―１程度の高速回転に設定される。
【０００５】
樹脂注入工程から高せん断加工工程に移行する際、駆動モータによって駆動される内部帰還型スクリューの回転数が上述した５００ｍｉｎ―１程度の低速回転数から３０００ｍｉｎ―１程度の高速回転数に切り換えられるため、図９に示すように、回転数の上昇に伴い内部帰還型スクリューのトルクと樹脂圧が急激に上昇することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３１３６０８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／０８９９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の高せん断加工機においては、樹脂注入工程から高せん断加工への切り換えによって内部帰還型スクリューの回転数が急激に上昇してトルクと樹脂圧が急激に上昇すると樹脂に大きなせん断応力がかかることになる。そして、せん断応力によって大きなエネルギーが樹脂に加わると樹脂温度が上昇して樹脂の成分が分解し、物性が低下するという不具合が発生する。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みて、高せん断加工へ移行するに際し、内部帰還型スクリューの回転数が上昇しても材料の圧力の上昇を抑制して材料に急激なせん断応力がかかって物性が下がることを防止するようにした高せん断加工機の回転速度制御装置と制御方法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】
【０００９】
本発明に係る高せん断加工機の回転速度制御装置は、せん断応力を付与しつつ混練することで材料を分散及び混合するための高せん断加工機において、内部に材料が導入される加熱筒と、加熱筒内に回転可能に配設されていて内部に帰還穴を連通させた内部帰還型スクリューと、加熱筒及び内部帰還型スクリューの間の周面及び端部に形成されていて材料を流動させるクリアランスと、材料の導入時に内部帰還型スクリューを低速回転させて材料をクリアランスに供給する低速回転手段と、材料の導入終了後に内部帰還型スクリューを高速回転させて材料をクリアランス及び帰還穴に循環させて高せん断加工する高速回転手段と、材料の導入完了後に内部帰還型スクリューの回転速度を低速回転から高速回転まで所定時間かけて上昇させる回転速度移行手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明による高せん断加工機の回転速度制御装置によれば、材料供給工程において低速回転手段によって内部帰還型スクリューを低速回転させて材料を加熱筒と内部帰還型スクリューとの間のクリアランスに導入し、材料の供給完了後に内部帰還型スクリューを高速回転させる高せん断加工工程に移行する際、内部帰還型スクリューの回転数を低速回転数から高せん断のための高速回転数に切り換えることなく、回転速度移行手段によって内部帰還型スクリューの回転速度を低速回転数から高速回転数に到達するまで所定時間かけて上昇させる。これによって、材料にかかるせん断応力の急激な上昇を抑えてトルクと材料温度の上昇を抑制することができて材料の物性低下を防止できる。
【００１０】
また、回転速度移行手段では、複数の分割時間毎に回転速度を段階的に上昇させることが好ましい。
材料供給工程から高せん断加工工程に移行するまで複数の分割時間単位毎に内部帰還型スクリューの回転数を段階的に上昇させて高速回転数に到達させることで、回転数の急激な上昇を抑えることができるから、せん断応力の急激な上昇を抑えて材料温度の上昇を抑制できる。
【００１１】
また、回転速度移行手段では、内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を一定または変化させて所定時間で低速回転から高速回転に到達するよう制御するようにしてもよい。
内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を一定にした場合、回転速度が比例的に上昇して所定時間で材料供給工程の低速回転から高せん断加工工程の高速回転になだらかに移行する。また、内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を変化させた場合、折れ線状や曲線状に回転速度が上昇して所定時間で材料供給工程の低速回転から高せん断加工工程の高速回転に移行できる。
【００１２】
本発明に係る高せん断加工機の回転速度制御方法は、せん断応力を付与しつつ混練することで材料を分散及び混合するための高せん断加工方法において、内部に材料が導入される加熱筒と、加熱筒内に回転可能に配設されていて内部に帰還穴を連通させた内部帰還型スクリューと、加熱筒及び内部帰還型スクリューの間の周面及び端部に形成されていて材料を流動させるクリアランスとを備え、材料の導入時に内部帰還型スクリューを低速回転数で回転させて材料をクリアランスに供給する材料供給工程と、クリアランスへの材料の導入完了後に内部帰還型スクリューの回転速度を低速回転数から所定時間かけて予め設定した高速回転数まで上昇させる移行工程と、内部帰還型スクリューを高速回転数で高速回転させて材料をクリアランスと帰還穴との間で循環させて高せん断加工する高せん断加工工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、移行工程では、複数の分割時間毎に内部帰還型スクリューの回転数を低速回転数から高速回転数まで段階的に上昇させることが好ましい。
【００１４】
また、移行工程では、内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を一定または変化させて次第に低速回転数から高速回転数に到達するよう制御してもよい。
内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を一定にした場合には、低速回転数から高速回転数まで所定時間かけて比例的に回転数が上昇する。
内部帰還型スクリューの回転数の上昇速度を変化させた場合、複数の分割時間毎に回転数上昇の傾きを折れ線状に違えて低速回転数から高速回転数に到達するようにしてもよいし、回転数の上昇割合が連続して変化する場合には回転数の上昇速度が曲線的または直線と複合して変化して低速回転数から高速回転数に到達することになる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による高せん断加工機の回転速度制御装置及び回転速度制御方法によれば、材料注入工程から高せん断加工工程に移行する際、内部帰還型スクリューの回転数を低速回転から高速回転まで所定時間かけて上昇させることで、材料にかかるせん断応力の上昇を抑えてトルクと材料温度の上昇を抑制することができるから、材料の分解を抑えて物性の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態による高せん断加工機の回転速度制御装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】樹脂注入工程から高せん断加工工程へ移行する移行工程における回転数とトルクの変化を示す図である。
【図３】図１に示す高せん断加工機による高せん断加工工程を示すフローチャートである。
【図４】移行工程における内部帰還型スクリューの回転数の段階立ち上げ処理を示すフローチャートである。
【図５】実施例による高せん断加工機の移行工程における段階立ち上げ処理による樹脂圧の変化を示すグラフである。
【図６】従来の高せん断加工機の樹脂注入工程から高せん断加工工程への回転数切り換えによる樹脂圧の変化を示すグラフである。
【図７】本発明の第一変形例による樹脂注入工程から高せん断加工工程への移行工程における回転数とトルクの変化を示す図である。
【図８】本発明の第二変形例による樹脂注入工程から高せん断加工工程への移行工程における回転数とトルクの変化を示す図である。
【図９】従来の高せん断加工機による樹脂注入工程から高せん断加工工程へ移行する際の回転数とトルクの変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態による高せん断加工機の回転速度制御装置について、図１乃至図６に基づいて説明する。
図１に示す本発明の実施形態による高せん断加工機１は、例えば高分子材料を溶融状態にして高せん断応力を与えつつ混練することで、樹脂の内部構造をナノレベル等の微細レベルまで分散して混合するものである。
【００１８】
高せん断加工機１で使用される高分子材料として、例えば非相溶性ポリマーブレンド系、ポリマー／フィラー系、ポリマーブレンド／フィラー系の樹脂材料等のブレンド材料が挙げられる。非相溶性ポリマーブレンド系として、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とポリアミド１１（ＰＡ１１）の組み合わせや、ポリカーボネート（ＰＣ）とポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）の組み合わせがある。ポリマー／フィラー系としては、例えばポリ乳酸とカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の組み合わせがあり、ポリマーブレンド／フィラー系として、例えばＰＶＤＦとポリアミド６とＣＮＴとの組み合わせなどがある。
なお、本発明では高分子系材料として高分子ブレンド材料に限定されることなく、他のブレンド材料や、ブレンドしない単一の分子材料等を高せん断加工してナノ分散化することもできる。或いは高分子材料以外の適宜材料を用いてもよく、材料は溶融樹脂等の流体に限らず、粉体や粒体等、適宜の形状のものを採用できる。
【００１９】
本実施形態による高せん断加工機１は、例えばペレット形状をなす固体状の高分子ブレンド系の樹脂（以下、「固体状樹脂」という）を投入して可塑化する可塑化ユニット２を付加している。可塑化ユニット２で可塑化された溶融樹脂は、可塑化ユニット２の射出ノズル３によって高せん断加工機１における注入口に設けた注入バルブ４から加熱筒５内に注入されてナノ分散化させることになる。
図１に示す高せん断加工機１は、本実施形態による高せん断加工機の基本構成を示しており、加熱筒５内に高せん断スクリューである内部帰還型スクリュー６が回転可能に挿入されて概略構成されている。
【００２０】
本実施形態による高せん断加工機１は、以下の説明では、内部帰還型スクリュー６の中心軸線Ｏ方向でこのスクリュー６による送り方向前方を「前方」、「先端」、「前端」とし、その反対側を「後方」、「後端」、「基端」として統一して用いる。
高せん断加工機１は、略水平方向に配設された有底の略中空円筒形状の加熱筒５と、この加熱筒５内に挿通された状態で中心軸線Ｏ回りに回転可能な略円柱形状の内部帰還型スクリュー６と、この内部帰還型スクリュー６の基端部側に連結された例えばサーボモータからなる駆動モータ８とを略同軸に形成している。
【００２１】
高せん断加工機１の加熱筒５は、例えば長手方向を略水平方向に向けた状態で保持され、外周面が図示しないヒーターによって覆われている。加熱筒５の肉厚の先端部には高せん断された溶融樹脂を排出するための排出口に排出バルブ７が設けられている。
注入バルブ４は予め設定された時間等に応じて射出ノズル３から注入される溶融樹脂の注入量を制御することが可能な自動開閉式とされ、本実施形態では排出バルブ７の開閉動作に連動しているものとする。なお、樹脂注入量の計測は射出バルブ３内に設けた射出スクリューの進出位置によって規定される。
【００２２】
次に、内部帰還型スクリュー６について説明する。
内部帰還型スクリュー６は駆動モータ８により、例えば１００〜３３００ｍｉｎ−１の回転数で高速回転させられて溶融樹脂を混練しつつ高せん断加工することができる。内部帰還型スクリュー６は略円柱状に形成され、その外周面には螺旋状にスクリュー羽根９が突出して形成されている。
【００２３】
加熱筒５の内周面と内部帰還型スクリュー６の外周面との間の略円筒状をなす空間は周面クリアランス１１であり、スクリュー羽根９と加熱筒５の内周面との間に略一定幅の間隙Ｓ１を有している。射出ノズル３から射出された溶融樹脂を注入バルブ４を通して加熱筒５内の周面クリアランス１１に流入させることができる。内部帰還型スクリュー６の先端面と加熱筒５の内奧部の底面との空間は先端クリアランス１２とされ、略一定幅の間隙Ｓ２を有している。
そのため、外周クリアランス１１と先端クリアランス１２、即ち間隙Ｓ１と間隙Ｓ２とで高せん断領域Ｋのクリアランスが形成されている。そして、内部帰還型スクリュー６が高速回転することで高せん断領域Ｋの溶融樹脂をスクリュー羽根９で高速せん断しつつスクリュー羽根９間の溝面９ａに保持して前方に移送するようになっている。
【００２４】
内部帰還型スクリュー６の内部には、その回転中心である中心軸線Ｏに沿って先端面の流入口１４ａから後方に向かって帰還穴１４が穿孔されており、そして帰還穴１４は溶融樹脂の注入バルブ４よりも後側また略同一位置において中心軸線Ｏ上から径方向外側に延びて外周面の吐出口１４ｂで周面クリアランス１１に連通している。即ち、帰還穴１４は内部帰還型スクリュー６の中心軸線Ｏ上を流入口１４ａから後方に延びて吐出口１４ｂ近傍の位置で滑らかに湾曲して中心軸線Ｏから外れて外周面に向けて略径方向外側に延びて吐出口１４ｂに連通する流路を形成している。
これにより、帰還穴１４は流入口１４ａと吐出口１４ｂとで高せん断領域Ｋに連通している。
【００２５】
加熱筒５の注入バルブ４から高せん断領域Ｋの周面クリアランス１１に注入された溶融樹脂は、内部帰還型スクリュー６の回転とともに溝面９ａに沿って先端側に送られ、先端クリアランス１２において流入口１４ａより帰還穴１４に流入して後方へ流れて吐出口１４ｂより周面クリアランス１１へ吐出され、再び内部帰還型スクリュー６の回転とともに先端側へ送られる循環がなされる。
そのため、内部帰還型スクリュー６は加熱筒５との間で、混練に必要な溶融樹脂の循環がスムーズとなり、高せん断効率を高めることができる。
【００２６】
また、内部帰還型スクリュー６の基端部１５は、スクリュー羽根９が形成されていない外周クリアランス１１の範囲外の位置に設けられていて、スクリュー羽根９より大径に形成された円柱状領域を有する。この基端部１５は加熱筒５の内周面に対して液密に摺動可能となっている。
【００２７】
次に、高せん断加工機１に設けられた回転速度制御装置１７について説明する。
回転速度制御装置１７において、駆動モータ８には、速度変更指令手段１６と内部帰還型スクリュー６の回転数を計測する回転数センサー１８とトルクを計測するトルクセンサー１９とを備えたアンプ２１が設けられている。また、加熱筒５には高せん断領域Ｋ、例えば周面クリアランス１１内の樹脂圧を測定する樹脂圧センサー２０が設けられている。
これら回転数センサー１８とトルクセンサー１９と樹脂圧センサー２０とで測定された各測定データは、高せん断加工を制御する制御部２２に設けられた制御手段２３に入力される。制御手段２３は、入力手段２４で予め設定された入力情報に基づいて内部帰還型スクリュー６の回転数を制御する。
【００２８】
高せん断加工機１による溶融樹脂の高せん断加工に際して、可塑化ユニット２の射出ノズル３から供給バルブ４を介して周面クリアランス１１へ溶融樹脂を供給する樹脂供給工程と、樹脂供給完了後に溶融樹脂を高せん断加工する高せん断加工工程と、高せん断加工終了後に高せん断された溶融樹脂を排出バルブ７から排出する樹脂排出工程とを備えている。更に本実施形態では、樹脂供給工程終了後に内部帰還型スクリュー６を低速回転数から高速回転数へ段階的に上昇させる移行工程を備えている。
【００２９】
そして、回転速度制御手段１７において、入力手段２４では、上述した各工程での内部帰還型スクリュー６の回転数と処理時間を予め設定して制御手段２３に入力しておく。
制御部２２では、制御手段２３からの出力により、樹脂供給工程と樹脂排出工程において内部帰還型スクリュー６を低速回転させるべくそれぞれ設定された低速回転数の信号を出力する低速回転手段２６と、高せん断加工時に内部帰還型スクリュー６を高速回転させるべく高速回転数の信号を出力する高速回転手段２７と、樹脂供給工程から高せん断加工工程へ移行するために内部帰還型スクリュー６の回転数を所定時間かけて階段状に増大させて例えば６段目で高せん断のための高速回転数に到達するよう制御する回転速度移行手段２８とを備えている。
【００３０】
ここで、回転速度移行手段２８において、複数の階段状に増大する各回転数の変化と処理時間は等しく設定することが、樹脂圧の急激な上昇を抑えてせん断加工制御の安定性を確保する上で好ましい。例えば、図２に示す内部帰還型スクリュー６の回転数の移行工程では、移行工程を例えば５段に等分割して各分割時間の２秒毎に４００または５００ｍｉｎ−１ずつ回転数を増大させるものとする。すると、低速回転時の内部帰還型スクリュー６の回転数を５００ｍｉｎ−１として、各２秒毎に４００または５００ｍｉｎ−１ずつ変化させて６段目に高せん断時の高速回転数３０００ｍｉｎ−１に到達するように制御される（下記表１参照）。
なお、分割時間とその時間毎の設定回転数は不均一であってもよい。
【００３１】
また、制御部２２では、予め設定された各工程の回転数の信号を、低速回転手段２６，高速回転手段２７，回転速度移行手段２８を介して速度変更指令手段１６によって駆動モータ８へ出力すると共に、各工程における樹脂圧を樹脂圧センサー２０で測定して表示装置３０で画像表示するように信号出力する。更に、制御手段２３では、各工程における駆動モータ８の回転数に関して、回転数センサー１８とトルクセンサー１９と樹脂圧センサー２０の測定データをフィードバック制御している。
【００３２】
本実施形態による高せん断加工機１の回転速度制御装置１７は上述の構成を備えており、次に例えば高分子材料の樹脂について段階立ち上げ処理による回転速度制御方法と高せん断加工方法を図３及び図４に示すフローチャートに沿って説明する。
なお、高分子材料の樹脂として、例えば非相溶性ポリマーブレンド系、ポリマー／フィラー系、ポリマーブレンド／フィラー系の固体状樹脂材料からなる高分子ブレンド系樹脂を用いるものとするが、他の材料を用いてもよい。
【００３３】
次に、図１に示す高せん断加工機１において、前段階として高分子材料の樹脂ペレットを可塑化ユニット２で可塑化させる。樹脂の可塑化が完了した段階で、高せん断加工機１の注入バルブ４を開放させ、排出バルブ７を閉鎖させ（ステップ１０１）、制御部２２の低速回転手段２６によって駆動モータ８による内部帰還型スクリュー６の回転数を例えば５００ｍｉｎ−１の低速回転数に設定する(ステップ１０２)。
そして、溶融樹脂を射出ノズル３から注入バルブ４を通して加熱筒５内に注入する(ステップ１０３)。例えば、射出ノズル３内の射出ストロークが規定値に達した時点で樹脂注入が完了したとして注入バルブ４を閉弁させる（ステップ１０５）。
【００３４】
この状態で、内部帰還型スクリュー６を樹脂注入工程から高せん断加工工程に移行させる。従来の高せん断加工機では回転数を一気に高せん断加工の回転数に切り換えるが、本実施形態による高せん断加工機１では、移行工程として図２に示すように回転数を段階的に増大させる（ステップ１０６）。その段階立ち上げのための各分割時間と回転数の一例を下記の表１に示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】
表１に示す段階立ち上げ処理は、図４に示すサブルーチンに沿って行われる。
即ち、内部帰還型スクリュー６の回転数Ａｎは樹脂注入工程で例えば５００ｍｉｎ−１の低速回転の状態にあり、これを初期値として、表１に示すｎ＝１段目に制御手段２３で設定して出力し、回転数Ａｎ（＝Ａ１）＝９００ｍｉｎ−１で時間Ｂｎ＝２秒間、回転速度移行手段２８によって駆動モータ８を駆動制御する(ステップ２０１)。
設定した段数ｎにおける回転数Ａｎで時間Ｂｎ経過すると（ステップ２０２）、終了した段数ｎが予め設定した目標段数ｎ（この場合には、ｎ＝５）に到達したか否かを判別する（ステップ２０３）。段数ｎが目標段数ｎに到達していない場合には、ポインターでｎ＝ｎ＋１にインクリメントして(ステップ２０４)、ステップ２０１に戻り、次の段数ｎの回転数Ａｎを時間Ｂｎの間、駆動させる処理を繰り返す。
そして、目標となるｎ段目（ｎ＝５）の回転数２６００ｍｉｎ−１を終了させた場合には（ステップ２０３）移行工程を終了させ、ステップ１０７へ戻る。
【００３７】
ここで、ｎ＝１段目の回転駆動が終了するとステップ２０１に戻り、ｎ＝２段目に制御手段２３で設定し、内部帰還型スクリュー６を回転数Ａｎ＝１３００ｍｉｎ−１で時間Ｂｎ＝２秒間回転駆動させる。こうして、表１に示すように、ｎ＝３段目において、Ａｎ＝１７００ｍｉｎ−１で時間Ｂｎ＝２秒間、ｎ＝４段目において、Ａｎ＝２１００ｍｉｎ−１で時間Ｂｎ＝２秒間、ｎ＝５段目において、Ａｎ＝２６００ｍｉｎ−１で時間Ｂｎ＝２秒間、内部帰還型スクリュー６をそれぞれ回転駆動させる。こうして、駆動モータ８の回転数を階段状に増大させてｎ＝５段目の終了後に、加熱筒５に対して内部帰還型スクリュー６を回転させながら、高せん断加工を行う回転数３０００ｍｉｎ−１の高速回転に上昇させる(ステップ１０７)。
そして、高せん断加工では、加熱筒５に対して内部帰還型スクリュー６を高速で回転させながら、溶融樹脂を加熱筒５と内部帰還型スクリュー６の間の周面クリアランス１１と先端クリアランス１２と帰還穴１４とで循環させて、内部帰還型スクリュー６のスクリュー羽根９によって高せん断加工を例えば２０秒間に亘って行う（ステップ１０８）。
【００３８】
高せん断加工時間の経過後、内部帰還型スクリュー６の回転数を例えば５００ｍｉｎ−１の低速回転に低下させて(ステップ１０９) 排出バルブ７を開弁し（ステップ１１０）、せん断加工された溶融樹脂を排出バルブ７から排出し(ステップ１１１)、所定の排出時間経過後に終了する(ステップ１１２)。
なお、本実施形態では、移行時間だけ処理時間が長くなる。
【００３９】
（実施例）
次に実施例による高せん断加工機１を用いて試験によって樹脂圧変化を測定した。
上述した第一の実施形態による高せん断加工機１を実施例とし、従来の高せん断加工機を従来例として、高せん断加工を行った。図５と図６は実施例と従来例による高せん断加工による樹脂圧を測定した試験結果を波形図で表したものである。
【００４０】
実施例と従来例の高せん断加工機１は同一のものを使用するものとし、樹脂供給工程から高せん断加工工程へ移行する移行工程のみ相違するものとして試験を行った。
高せん断加工処理において、実施例と従来例は、いずれも樹脂供給工程の駆動モータ８及び内部帰還型スクリュー６の回転数を５００ｍｉｎ−１とし、可塑化ユニット２の射出スクリューのストロークにして例えば８ｍｍ移動させて樹脂を射出して供給し、高せん断加工工程を回転数３０００ｍｉｎ−１で２０秒間行い、その後、回転数を５００ｍｉｎ−１に低下させて樹脂の排出を２０秒間行った。
そして、周面クリアランス１１内の樹脂圧の変化を樹脂圧センサー２０で測定した。樹脂圧の測定位置は周面クリアランス１１の先端クリアランス１２との交差部であり、高せん断領域Ｋで最も樹脂圧の高い前部樹脂圧である。
【００４１】
本実施例による高せん断加工機１の回転速度制御装置１７では、樹脂供給工程の終了後に移行工程として、表１に示すように、１段目から５段目まで２秒間毎に回転数を順次増大させて、１０秒かけて高せん断加工工程の３０００ｍｉｎ−１へ回転数を階段状に増大させた。
その結果は図５に示すように、ピーク樹脂圧は１段目の立ち上げ開始時では１３ＭＰａ程度であり、１〜５段目の各段に切り換えた最初に最も高いピーク樹脂圧となり、その後若干樹脂圧が低下するのこぎり刃状の変化を繰り返し、のこぎり刃の繰り返し形状が得られた。最も高いピーク樹脂圧は４段目の１５ＭＰａであった。そして、高せん断加工工程では移行工程よりも更に低い樹脂圧が曲線状に低下することとなった。
【００４２】
一方、従来例による高せん断加工機では、樹脂供給工程の終了後に設定回転数を５００ｍｉｎ−１から高せん断加工工程の３０００ｍｉｎ−１に切り換えて急激に増大させた。そして、周面クリアランス１１内の前部樹脂圧の変化を樹脂圧センサー２０で測定した。
その結果は図６に示すように、回転数を３０００ｍｉｎ−１に切り換えた直後にピーク樹脂圧が１８ＭＰａに上昇し、その後、高せん断加工工程において時間の経過と共に曲線状に樹脂圧が低下することとなった。
これらの波形図から、本実施形態による回転速度制御装置１７及び制御方法によれば、樹脂圧の上昇を抑えられることを確認できた。
【００４３】
上述のように、本実施形態による高せん断加工機１の回転速度制御装置１７及び回転速度制御方法によれば、樹脂供給工程が終了した内部帰還型スクリュー６の低速回転状態から所定時間かけて高せん断加工工程まで駆動モータ８の回転数を階段状に上昇させることができるから、溶融樹脂に印加されるせん断応力の急激な上昇を抑えてトルクと樹脂温度の上昇を抑制することができる。
これによって、溶融樹脂のピークとなる樹脂供給工程から高せん断加工工程へ向けて移行する際の回転数立ち上げ時の樹脂圧の急激な上昇を抑制できて、高せん断加工において、溶融樹脂の分解を抑えて物性の低下を防止できる。
【００４４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の変更が可能である。
例えば、上述の実施形態において、樹脂供給工程の終了後に高せん断加工工程に移行する間の移行工程について、階段状に駆動モータ８及び内部帰還型スクリュー６の回転数を上昇させて制御するようにしたが、本発明では、移行工程における回転数の変化は上述した階段状のものに限定されない。その変形例を図７及び図８により説明する。
例えば、図７に示す第一変形例による回転速度の移行工程では、樹脂供給工程の終了時点から高せん断加工工程に到達するまでの所定時間（例えば１０〜１２秒として）、同一単位時間に対して増大回転数を一定の傾きに設定して時間に対して回転数を比例的に増大するように制御してもよい。
【００４５】
また、図８に示す第二変形例として、樹脂供給工程の終了時点から高せん断加工工程に到達するまでの回転数の増加割合を複数に分割して、各単位時間毎に増大する回転数の値を変化させて傾斜角を増減させて時間に対して回転数を折れ線状に変化させて（例えば１０〜１２秒かけて）次第に増大するように制御してもよい。
なお、回転数の増大制御は折れ線状の変化に限定されることなく曲線状に変化させるように設定してもよい。或いは曲線と直線の組み合わせによって回転数の増大を制御してもよい。
上述した図７及び図８に示す回転数増大の切換制御データは、予め入力手段２４によって制御部２２における制御手段２３に入力しておき、回転速度移行手段２８によって駆動モータ８へ出力制御される。
【００４６】
なお、上述した実施形態による回転速度制御装置１７において、低速回転手段２６で、樹脂注入工程と樹脂排出工程における駆動モータ８の回転数をそれぞれ設定するようにしたが、これに代えて、樹脂注入工程と樹脂排出工程における駆動モータ８の回転数を別個に、例えば第一低速回転手段と第二低速回転手段としてそれぞれの回転数を出力するように設定してもよい。この場合、樹脂注入工程と樹脂排出工程における駆動モータ８の回転数が異なっていても良い。
【符号の説明】
【００４７】
１ 高せん断加工機
５ 加熱筒
６ 内部帰還型スクリュー
８ 駆動モータ
１１ 周面クリアランス
１２ 先端クリアランス
１４ 帰還穴
１７ 回転速度制御装置
２２ 制御部
２３ 制御手段
２４ 入力手段
２６ 低速回転手段
２７ 高速回転手段
２８ 回転速度移行手段
Ｋ 高せん断領域(クリアランス)
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子材料等の各種材料を高せん断加工することによって、高分子材料等の各種材料を微細レベルに分散・混合するための高せん断加工機における回転速度制御装置と回転速度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、静置場では相互に溶け合わない（非相溶性）ブレンド系の材料において、相溶化剤等の余分な添加物を加えることなく、例えば数十ナノメーターサイズの分散相を有する高分子ブレンド押出し物を製造するための高せん断加工機が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
特許文献１や特許文献２に記載された高せん断加工機は、内部帰還型の高せん断スクリューである内部帰還型スクリューを回転可能に収容した加熱筒を有している。内部帰還型スクリューは螺旋状のスクリュー羽根を有する外周面と先端面の中央からその内部を基部側に延びて外周面に開口する帰還穴とが形成され、加熱筒は略有底円筒状に形成されている。
そして、内部帰還型スクリューの外周面と加熱筒の内周面との間の周面クリアランス内に例えば２〜５ｇの溶融状態の高分子微量材料を供給して、内部帰還型スクリューを例えば５００〜３０００ｍｉｎ−１の回転数で高速回転させて高せん断加工を行う。
【０００４】
高せん断加工の一連のサイクルは、概略で、例えば溶融樹脂を注入する樹脂注入工程と、内部帰還型スクリューを高速回転させることでスクリュー羽根によって樹脂を高せん断加工する高せん断加工工程と、高せん断加工終了後に樹脂を排出する樹脂排出工程の順で行われる。それぞれの工程における内部帰還型スクリューの回転数は投入される材料や得るべき特性等に応じて任意に設定可能であるが、高分子樹脂材料では樹脂注入工程と樹脂排出工程は５００ｍｉｎ―１程度の低速回転に、高せん断加工工程では最大３０００ｍｉｎ―１程度の高速回転に設定される。
【０００５】
樹脂注入工程から高せん断加工工程に移行する際、駆動モータによって駆動される内部帰還型スクリューの回転数が上述した５００ｍｉｎ―１程度の低速回転数から３０００ｍｉｎ―１程度の高速回転数に切り換えられるため、図９に示すように、回転数の上昇に伴い内部帰還型スクリューのトルクと樹脂圧が急激に上昇することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３１３６０８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／０８９９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の高せん断加工機においては、樹脂注入工程から高せん断加工への切り換えによって内部帰還型スクリューの回転数が急激に上昇してトルクと樹脂圧が急激に上昇すると樹脂に大きなせん断応力がかかることになる。そして、せん断応力によって大きなエネルギーが樹脂に加わると樹脂温度が上昇して樹脂の成分が分解し、物性が低下するという不具合が発生する。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みて、高せん断加工へ移行するに際し、内部帰還型スクリューの回転数が上昇しても材料の圧力の上昇を抑制して材料に急激なせん断応力がかかって物性が下がることを防止するようにした高せん断加工機の回転速度制御装置と制御方法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】
【０００９】
本発明に係る高せん断加工機の回転速度制御装置は、せん断応力を付与しつつ混練することで材料を分散及び混合するための高せん断加工機において、内部に材料が導入される加熱筒と、加熱筒内に回転可能に配設されていて内部に帰還穴を連通させた内部帰還型スクリューと、加熱筒及び内部帰還型スクリューの間の周面及び端部に形成されていて材料を流動させるクリアランスと、材料の導入時に内部帰還型スクリューを低速回転させて材料をクリアランスに供給する低速回転手段と、材料の導入終了後に内部帰還型スクリューを高速回転させて材料をクリアランス及び帰還穴に循環させて高せん断加工する高速回転手段と、材料の導入完了後に内部帰還型スクリューの回転速度を低速回転から高速回転まで所定時間かけて上昇させる回転速度移行手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明による高せん断加工機の回転速度制御装置によれば、材料供給工程において低速回転手段によって内部帰還型スクリューを低速回転させて材料を加熱筒と内部帰還型スクリューとの間のクリアランスに導入し、材料の供給完了後に内部帰還型スクリューを高速回転させる高せん断加工工程に移行する際、内部帰還型スクリューの回転数を低速回転数から高せん断のための高速回転数に切り換えることなく、回転速度移行手段によって内部帰還型スクリューの回転速度を低速回転数から高速回転数に到達するまで所定時間かけて上昇させる。これによって、材料にかかるせん断応力の急激な上昇を抑えてトルクと材料温度の上昇を抑制することができて材料の物性低下を防止できる。
【００１０】
また、回転速度移行手段では、複数の分割時間毎に回転速度を段階的に上昇させることが好ましい。
材料供給工程から高せん断加工工程に移行するまで複数の分割時間単位毎に内部帰還型スクリューの回転数を段階的に上昇させて高速回転数に到達させることで、回転数の急激な上昇を抑えることができるから、せん断応力の急激な上昇を抑えて材料温度の上昇を抑制できる。
【００１１】
また、回転速度移行手段では、内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を一定または変化させて所定時間で低速回転から高速回転に到達するよう制御するようにしてもよい。
内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を一定にした場合、回転速度が比例的に上昇して所定時間で材料供給工程の低速回転から高せん断加工工程の高速回転になだらかに移行する。また、内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を変化させた場合、折れ線状や曲線状に回転速度が上昇して所定時間で材料供給工程の低速回転から高せん断加工工程の高速回転に移行できる。
【００１２】
本発明に係る高せん断加工機の回転速度制御方法は、せん断応力を付与しつつ混練することで材料を分散及び混合するための高せん断加工方法において、内部に材料が導入される加熱筒と、加熱筒内に回転可能に配設されていて内部に帰還穴を連通させた内部帰還型スクリューと、加熱筒及び内部帰還型スクリューの間の周面及び端部に形成されていて材料を流動させるクリアランスとを備え、材料の導入時に内部帰還型スクリューを低速回転数で回転させて材料をクリアランスに供給する材料供給工程と、クリアランスへの材料の導入完了後に内部帰還型スクリューの回転速度を低速回転数から所定時間かけて予め設定した高速回転数まで上昇させる移行工程と、内部帰還型スクリューを高速回転数で高速回転させて材料をクリアランスと帰還穴との間で循環させて高せん断加工する高せん断加工工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、移行工程では、複数の分割時間毎に内部帰還型スクリューの回転数を低速回転数から高速回転数まで段階的に上昇させることが好ましい。
【００１４】
また、移行工程では、内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を一定または変化させて次第に低速回転数から高速回転数に到達するよう制御してもよい。
内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を一定にした場合には、低速回転数から高速回転数まで所定時間かけて比例的に回転数が上昇する。
内部帰還型スクリューの回転数の上昇速度を変化させた場合、複数の分割時間毎に回転数上昇の傾きを折れ線状に違えて低速回転数から高速回転数に到達するようにしてもよいし、回転数の上昇割合が連続して変化する場合には回転数の上昇速度が曲線的または直線と複合して変化して低速回転数から高速回転数に到達することになる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による高せん断加工機の回転速度制御装置及び回転速度制御方法によれば、材料注入工程から高せん断加工工程に移行する際、内部帰還型スクリューの回転数を低速回転から高速回転まで所定時間かけて上昇させることで、材料にかかるせん断応力の上昇を抑えてトルクと材料温度の上昇を抑制することができるから、材料の分解を抑えて物性の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態による高せん断加工機の回転速度制御装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】樹脂注入工程から高せん断加工工程へ移行する移行工程における回転数とトルクの変化を示す図である。
【図３】図１に示す高せん断加工機による高せん断加工工程を示すフローチャートである。
【図４】移行工程における内部帰還型スクリューの回転数の段階立ち上げ処理を示すフローチャートである。
【図５】実施例による高せん断加工機の移行工程における段階立ち上げ処理による樹脂圧の変化を示すグラフである。
【図６】従来の高せん断加工機の樹脂注入工程から高せん断加工工程への回転数切り換えによる樹脂圧の変化を示すグラフである。
【図７】本発明の第一変形例による樹脂注入工程から高せん断加工工程への移行工程における回転数とトルクの変化を示す図である。
【図８】本発明の第二変形例による樹脂注入工程から高せん断加工工程への移行工程における回転数とトルクの変化を示す図である。
【図９】従来の高せん断加工機による樹脂注入工程から高せん断加工工程へ移行する際の回転数とトルクの変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態による高せん断加工機の回転速度制御装置について、図１乃至図６に基づいて説明する。
図１に示す本発明の実施形態による高せん断加工機１は、例えば高分子材料を溶融状態にして高せん断応力を与えつつ混練することで、樹脂の内部構造をナノレベル等の微細レベルまで分散して混合するものである。
【００１８】
高せん断加工機１で使用される高分子材料として、例えば非相溶性ポリマーブレンド系、ポリマー／フィラー系、ポリマーブレンド／フィラー系の樹脂材料等のブレンド材料が挙げられる。非相溶性ポリマーブレンド系として、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とポリアミド１１（ＰＡ１１）の組み合わせや、ポリカーボネート（ＰＣ）とポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）の組み合わせがある。ポリマー／フィラー系としては、例えばポリ乳酸とカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の組み合わせがあり、ポリマーブレンド／フィラー系として、例えばＰＶＤＦとポリアミド６とＣＮＴとの組み合わせなどがある。
なお、本発明では高分子系材料として高分子ブレンド材料に限定されることなく、他のブレンド材料や、ブレンドしない単一の分子材料等を高せん断加工してナノ分散化することもできる。或いは高分子材料以外の適宜材料を用いてもよく、材料は溶融樹脂等の流体に限らず、粉体や粒体等、適宜の形状のものを採用できる。
【００１９】
本実施形態による高せん断加工機１は、例えばペレット形状をなす固体状の高分子ブレンド系の樹脂（以下、「固体状樹脂」という）を投入して可塑化する可塑化ユニット２を付加している。可塑化ユニット２で可塑化された溶融樹脂は、可塑化ユニット２の射出ノズル３によって高せん断加工機１における注入口に設けた注入バルブ４から加熱筒５内に注入されてナノ分散化させることになる。
図１に示す高せん断加工機１は、本実施形態による高せん断加工機の基本構成を示しており、加熱筒５内に高せん断スクリューである内部帰還型スクリュー６が回転可能に挿入されて概略構成されている。
【００２０】
本実施形態による高せん断加工機１は、以下の説明では、内部帰還型スクリュー６の中心軸線Ｏ方向でこのスクリュー６による送り方向前方を「前方」、「先端」、「前端」とし、その反対側を「後方」、「後端」、「基端」として統一して用いる。
高せん断加工機１は、略水平方向に配設された有底の略中空円筒形状の加熱筒５と、この加熱筒５内に挿通された状態で中心軸線Ｏ回りに回転可能な略円柱形状の内部帰還型スクリュー６と、この内部帰還型スクリュー６の基端部側に連結された例えばサーボモータからなる駆動モータ８とを略同軸に形成している。
【００２１】
高せん断加工機１の加熱筒５は、例えば長手方向を略水平方向に向けた状態で保持され、外周面が図示しないヒーターによって覆われている。加熱筒５の肉厚の先端部には高せん断された溶融樹脂を排出するための排出口に排出バルブ７が設けられている。
注入バルブ４は予め設定された時間等に応じて射出ノズル３から注入される溶融樹脂の注入量を制御することが可能な自動開閉式とされ、本実施形態では排出バルブ７の開閉動作に連動しているものとする。なお、樹脂注入量の計測は射出バルブ３内に設けた射出スクリューの進出位置によって規定される。
【００２２】
次に、内部帰還型スクリュー６について説明する。
内部帰還型スクリュー６は駆動モータ８により、例えば１００〜３３００ｍｉｎ−１の回転数で高速回転させられて溶融樹脂を混練しつつ高せん断加工することができる。内部帰還型スクリュー６は略円柱状に形成され、その外周面には螺旋状にスクリュー羽根９が突出して形成されている。
【００２３】
加熱筒５の内周面と内部帰還型スクリュー６の外周面との間の略円筒状をなす空間は周面クリアランス１１であり、スクリュー羽根９と加熱筒５の内周面との間に略一定幅の間隙Ｓ１を有している。射出ノズル３から射出された溶融樹脂を注入バルブ４を通して加熱筒５内の周面クリアランス１１に流入させることができる。内部帰還型スクリュー６の先端面と加熱筒５の内奧部の底面との空間は先端クリアランス１２とされ、略一定幅の間隙Ｓ２を有している。
そのため、外周クリアランス１１と先端クリアランス１２、即ち間隙Ｓ１と間隙Ｓ２とで高せん断領域Ｋのクリアランスが形成されている。そして、内部帰還型スクリュー６が高速回転することで高せん断領域Ｋの溶融樹脂をスクリュー羽根９で高速せん断しつつスクリュー羽根９間の溝面９ａに保持して前方に移送するようになっている。
【００２４】
内部帰還型スクリュー６の内部には、その回転中心である中心軸線Ｏに沿って先端面の流入口１４ａから後方に向かって帰還穴１４が穿孔されており、そして帰還穴１４は溶融樹脂の注入バルブ４よりも後側また略同一位置において中心軸線Ｏ上から径方向外側に延びて外周面の吐出口１４ｂで周面クリアランス１１に連通している。即ち、帰還穴１４は内部帰還型スクリュー６の中心軸線Ｏ上を流入口１４ａから後方に延びて吐出口１４ｂ近傍の位置で滑らかに湾曲して中心軸線Ｏから外れて外周面に向けて略径方向外側に延びて吐出口１４ｂに連通する流路を形成している。
これにより、帰還穴１４は流入口１４ａと吐出口１４ｂとで高せん断領域Ｋに連通している。
【００２５】
加熱筒５の注入バルブ４から高せん断領域Ｋの周面クリアランス１１に注入された溶融樹脂は、内部帰還型スクリュー６の回転とともに溝面９ａに沿って先端側に送られ、先端クリアランス１２において流入口１４ａより帰還穴１４に流入して後方へ流れて吐出口１４ｂより周面クリアランス１１へ吐出され、再び内部帰還型スクリュー６の回転とともに先端側へ送られる循環がなされる。
そのため、内部帰還型スクリュー６は加熱筒５との間で、混練に必要な溶融樹脂の循環がスムーズとなり、高せん断効率を高めることができる。
【００２６】
また、内部帰還型スクリュー６の基端部１５は、スクリュー羽根９が形成されていない外周クリアランス１１の範囲外の位置に設けられていて、スクリュー羽根９より大径に形成された円柱状領域を有する。この基端部１５は加熱筒５の内周面に対して液密に摺動可能となっている。
【００２７】
次に、高せん断加工機１に設けられた回転速度制御装置１７について説明する。
回転速度制御装置１７において、駆動モータ８には、速度変更指令手段１６と内部帰還型スクリュー６の回転数を計測する回転数センサー１８とトルクを計測するトルクセンサー１９とを備えたアンプ２１が設けられている。また、加熱筒５には高せん断領域Ｋ、例えば周面クリアランス１１内の樹脂圧を測定する樹脂圧センサー２０が設けられている。
これら回転数センサー１８とトルクセンサー１９と樹脂圧センサー２０とで測定された各測定データは、高せん断加工を制御する制御部２２に設けられた制御手段２３に入力される。制御手段２３は、入力手段２４で予め設定された入力情報に基づいて内部帰還型スクリュー６の回転数を制御する。
【００２８】
高せん断加工機１による溶融樹脂の高せん断加工に際して、可塑化ユニット２の射出ノズル３から供給バルブ４を介して周面クリアランス１１へ溶融樹脂を供給する樹脂供給工程と、樹脂供給完了後に溶融樹脂を高せん断加工する高せん断加工工程と、高せん断加工終了後に高せん断された溶融樹脂を排出バルブ７から排出する樹脂排出工程とを備えている。更に本実施形態では、樹脂供給工程終了後に内部帰還型スクリュー６を低速回転数から高速回転数へ段階的に上昇させる移行工程を備えている。
【００２９】
そして、回転速度制御手段１７において、入力手段２４では、上述した各工程での内部帰還型スクリュー６の回転数と処理時間を予め設定して制御手段２３に入力しておく。
制御部２２では、制御手段２３からの出力により、樹脂供給工程と樹脂排出工程において内部帰還型スクリュー６を低速回転させるべくそれぞれ設定された低速回転数の信号を出力する低速回転手段２６と、高せん断加工時に内部帰還型スクリュー６を高速回転させるべく高速回転数の信号を出力する高速回転手段２７と、樹脂供給工程から高せん断加工工程へ移行するために内部帰還型スクリュー６の回転数を所定時間かけて階段状に増大させて例えば６段目で高せん断のための高速回転数に到達するよう制御する回転速度移行手段２８とを備えている。
【００３０】
ここで、回転速度移行手段２８において、複数の階段状に増大する各回転数の変化と処理時間は等しく設定することが、樹脂圧の急激な上昇を抑えてせん断加工制御の安定性を確保する上で好ましい。例えば、図２に示す内部帰還型スクリュー６の回転数の移行工程では、移行工程を例えば５段に等分割して各分割時間の２秒毎に４００または５００ｍｉｎ−１ずつ回転数を増大させるものとする。すると、低速回転時の内部帰還型スクリュー６の回転数を５００ｍｉｎ−１として、各２秒毎に４００または５００ｍｉｎ−１ずつ変化させて６段目に高せん断時の高速回転数３０００ｍｉｎ−１に到達するように制御される（下記表１参照）。
なお、分割時間とその時間毎の設定回転数は不均一であってもよい。
【００３１】
また、制御部２２では、予め設定された各工程の回転数の信号を、低速回転手段２６，高速回転手段２７，回転速度移行手段２８を介して速度変更指令手段１６によって駆動モータ８へ出力すると共に、各工程における樹脂圧を樹脂圧センサー２０で測定して表示装置３０で画像表示するように信号出力する。更に、制御手段２３では、各工程における駆動モータ８の回転数に関して、回転数センサー１８とトルクセンサー１９と樹脂圧センサー２０の測定データをフィードバック制御している。
【００３２】
本実施形態による高せん断加工機１の回転速度制御装置１７は上述の構成を備えており、次に例えば高分子材料の樹脂について段階立ち上げ処理による回転速度制御方法と高せん断加工方法を図３及び図４に示すフローチャートに沿って説明する。
なお、高分子材料の樹脂として、例えば非相溶性ポリマーブレンド系、ポリマー／フィラー系、ポリマーブレンド／フィラー系の固体状樹脂材料からなる高分子ブレンド系樹脂を用いるものとするが、他の材料を用いてもよい。
【００３３】
次に、図１に示す高せん断加工機１において、前段階として高分子材料の樹脂ペレットを可塑化ユニット２で可塑化させる。樹脂の可塑化が完了した段階で、高せん断加工機１の注入バルブ４を開放させ、排出バルブ７を閉鎖させ（ステップ１０１）、制御部２２の低速回転手段２６によって駆動モータ８による内部帰還型スクリュー６の回転数を例えば５００ｍｉｎ−１の低速回転数に設定する(ステップ１０２)。
そして、溶融樹脂を射出ノズル３から注入バルブ４を通して加熱筒５内に注入する(ステップ１０３)。例えば、射出ノズル３内の射出ストロークが規定値に達した時点で樹脂注入が完了したとして注入バルブ４を閉弁させる（ステップ１０５）。
【００３４】
この状態で、内部帰還型スクリュー６を樹脂注入工程から高せん断加工工程に移行させる。従来の高せん断加工機では回転数を一気に高せん断加工の回転数に切り換えるが、本実施形態による高せん断加工機１では、移行工程として図２に示すように回転数を段階的に増大させる（ステップ１０６）。その段階立ち上げのための各分割時間と回転数の一例を下記の表１に示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】
表１に示す段階立ち上げ処理は、図４に示すサブルーチンに沿って行われる。
即ち、内部帰還型スクリュー６の回転数Ａｎは樹脂注入工程で例えば５００ｍｉｎ−１の低速回転の状態にあり、これを初期値として、表１に示すｎ＝１段目に制御手段２３で設定して出力し、回転数Ａｎ（＝Ａ１）＝９００ｍｉｎ−１で時間Ｂｎ＝２秒間、回転速度移行手段２８によって駆動モータ８を駆動制御する(ステップ２０１)。
設定した段数ｎにおける回転数Ａｎで時間Ｂｎ経過すると（ステップ２０２）、終了した段数ｎが予め設定した目標段数ｎ（この場合には、ｎ＝５）に到達したか否かを判別する（ステップ２０３）。段数ｎが目標段数ｎに到達していない場合には、ポインターでｎ＝ｎ＋１にインクリメントして(ステップ２０４)、ステップ２０１に戻り、次の段数ｎの回転数Ａｎを時間Ｂｎの間、駆動させる処理を繰り返す。
そして、目標となるｎ段目（ｎ＝５）の回転数２６００ｍｉｎ−１を終了させた場合には（ステップ２０３）移行工程を終了させ、ステップ１０７へ戻る。
【００３７】
ここで、ｎ＝１段目の回転駆動が終了するとステップ２０１に戻り、ｎ＝２段目に制御手段２３で設定し、内部帰還型スクリュー６を回転数Ａｎ＝１３００ｍｉｎ−１で時間Ｂｎ＝２秒間回転駆動させる。こうして、表１に示すように、ｎ＝３段目において、Ａｎ＝１７００ｍｉｎ−１で時間Ｂｎ＝２秒間、ｎ＝４段目において、Ａｎ＝２１００ｍｉｎ−１で時間Ｂｎ＝２秒間、ｎ＝５段目において、Ａｎ＝２６００ｍｉｎ−１で時間Ｂｎ＝２秒間、内部帰還型スクリュー６をそれぞれ回転駆動させる。こうして、駆動モータ８の回転数を階段状に増大させてｎ＝５段目の終了後に、加熱筒５に対して内部帰還型スクリュー６を回転させながら、高せん断加工を行う回転数３０００ｍｉｎ−１の高速回転に上昇させる(ステップ１０７)。
そして、高せん断加工では、加熱筒５に対して内部帰還型スクリュー６を高速で回転させながら、溶融樹脂を加熱筒５と内部帰還型スクリュー６の間の周面クリアランス１１と先端クリアランス１２と帰還穴１４とで循環させて、内部帰還型スクリュー６のスクリュー羽根９によって高せん断加工を例えば２０秒間に亘って行う（ステップ１０８）。
【００３８】
高せん断加工時間の経過後、内部帰還型スクリュー６の回転数を例えば５００ｍｉｎ−１の低速回転に低下させて(ステップ１０９) 排出バルブ７を開弁し（ステップ１１０）、せん断加工された溶融樹脂を排出バルブ７から排出し(ステップ１１１)、所定の排出時間経過後に終了する(ステップ１１２)。
なお、本実施形態では、移行時間だけ処理時間が長くなる。
【００３９】
（実施例）
次に実施例による高せん断加工機１を用いて試験によって樹脂圧変化を測定した。
上述した第一の実施形態による高せん断加工機１を実施例とし、従来の高せん断加工機を従来例として、高せん断加工を行った。図５と図６は実施例と従来例による高せん断加工による樹脂圧を測定した試験結果を波形図で表したものである。
【００４０】
実施例と従来例の高せん断加工機１は同一のものを使用するものとし、樹脂供給工程から高せん断加工工程へ移行する移行工程のみ相違するものとして試験を行った。
高せん断加工処理において、実施例と従来例は、いずれも樹脂供給工程の駆動モータ８及び内部帰還型スクリュー６の回転数を５００ｍｉｎ−１とし、可塑化ユニット２の射出スクリューのストロークにして例えば８ｍｍ移動させて樹脂を射出して供給し、高せん断加工工程を回転数３０００ｍｉｎ−１で２０秒間行い、その後、回転数を５００ｍｉｎ−１に低下させて樹脂の排出を２０秒間行った。
そして、周面クリアランス１１内の樹脂圧の変化を樹脂圧センサー２０で測定した。樹脂圧の測定位置は周面クリアランス１１の先端クリアランス１２との交差部であり、高せん断領域Ｋで最も樹脂圧の高い前部樹脂圧である。
【００４１】
本実施例による高せん断加工機１の回転速度制御装置１７では、樹脂供給工程の終了後に移行工程として、表１に示すように、１段目から５段目まで２秒間毎に回転数を順次増大させて、１０秒かけて高せん断加工工程の３０００ｍｉｎ−１へ回転数を階段状に増大させた。
その結果は図５に示すように、ピーク樹脂圧は１段目の立ち上げ開始時では１３ＭＰａ程度であり、１〜５段目の各段に切り換えた最初に最も高いピーク樹脂圧となり、その後若干樹脂圧が低下するのこぎり刃状の変化を繰り返し、のこぎり刃の繰り返し形状が得られた。最も高いピーク樹脂圧は４段目の１５ＭＰａであった。そして、高せん断加工工程では移行工程よりも更に低い樹脂圧が曲線状に低下することとなった。
【００４２】
一方、従来例による高せん断加工機では、樹脂供給工程の終了後に設定回転数を５００ｍｉｎ−１から高せん断加工工程の３０００ｍｉｎ−１に切り換えて急激に増大させた。そして、周面クリアランス１１内の前部樹脂圧の変化を樹脂圧センサー２０で測定した。
その結果は図６に示すように、回転数を３０００ｍｉｎ−１に切り換えた直後にピーク樹脂圧が１８ＭＰａに上昇し、その後、高せん断加工工程において時間の経過と共に曲線状に樹脂圧が低下することとなった。
これらの波形図から、本実施形態による回転速度制御装置１７及び制御方法によれば、樹脂圧の上昇を抑えられることを確認できた。
【００４３】
上述のように、本実施形態による高せん断加工機１の回転速度制御装置１７及び回転速度制御方法によれば、樹脂供給工程が終了した内部帰還型スクリュー６の低速回転状態から所定時間かけて高せん断加工工程まで駆動モータ８の回転数を階段状に上昇させることができるから、溶融樹脂に印加されるせん断応力の急激な上昇を抑えてトルクと樹脂温度の上昇を抑制することができる。
これによって、溶融樹脂のピークとなる樹脂供給工程から高せん断加工工程へ向けて移行する際の回転数立ち上げ時の樹脂圧の急激な上昇を抑制できて、高せん断加工において、溶融樹脂の分解を抑えて物性の低下を防止できる。
【００４４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の変更が可能である。
例えば、上述の実施形態において、樹脂供給工程の終了後に高せん断加工工程に移行する間の移行工程について、階段状に駆動モータ８及び内部帰還型スクリュー６の回転数を上昇させて制御するようにしたが、本発明では、移行工程における回転数の変化は上述した階段状のものに限定されない。その変形例を図７及び図８により説明する。
例えば、図７に示す第一変形例による回転速度の移行工程では、樹脂供給工程の終了時点から高せん断加工工程に到達するまでの所定時間（例えば１０〜１２秒として）、同一単位時間に対して増大回転数を一定の傾きに設定して時間に対して回転数を比例的に増大するように制御してもよい。
【００４５】
また、図８に示す第二変形例として、樹脂供給工程の終了時点から高せん断加工工程に到達するまでの回転数の増加割合を複数に分割して、各単位時間毎に増大する回転数の値を変化させて傾斜角を増減させて時間に対して回転数を折れ線状に変化させて（例えば１０〜１２秒かけて）次第に増大するように制御してもよい。
なお、回転数の増大制御は折れ線状の変化に限定されることなく曲線状に変化させるように設定してもよい。或いは曲線と直線の組み合わせによって回転数の増大を制御してもよい。
上述した図７及び図８に示す回転数増大の切換制御データは、予め入力手段２４によって制御部２２における制御手段２３に入力しておき、回転速度移行手段２８によって駆動モータ８へ出力制御される。
【００４６】
なお、上述した実施形態による回転速度制御装置１７において、低速回転手段２６で、樹脂注入工程と樹脂排出工程における駆動モータ８の回転数をそれぞれ設定するようにしたが、これに代えて、樹脂注入工程と樹脂排出工程における駆動モータ８の回転数を別個に、例えば第一低速回転手段と第二低速回転手段としてそれぞれの回転数を出力するように設定してもよい。この場合、樹脂注入工程と樹脂排出工程における駆動モータ８の回転数が異なっていても良い。
【符号の説明】
【００４７】
１ 高せん断加工機
５ 加熱筒
６ 内部帰還型スクリュー
８ 駆動モータ
１１ 周面クリアランス
１２ 先端クリアランス
１４ 帰還穴
１７ 回転速度制御装置
２２ 制御部
２３ 制御手段
２４ 入力手段
２６ 低速回転手段
２７ 高速回転手段
２８ 回転速度移行手段
Ｋ 高せん断領域(クリアランス)
【特許請求の範囲】
【請求項１】
せん断応力を付与しつつ混練することで材料を分散及び混合するための高せん断加工機において、
内部に材料が導入される加熱筒と、
該加熱筒内に回転可能に配設されていて内部に帰還穴を連通させた内部帰還型スクリューと、
前記加熱筒及び前記内部帰還型スクリューの間の周面及び端部に形成されていて材料を流動させるクリアランスと、
材料の導入時に前記内部帰還型スクリューを低速回転させて材料を前記クリアランスに供給する低速回転手段と、
材料の導入終了後に前記内部帰還型スクリューを高速回転させて材料を前記クリアランス及び帰還穴に循環させて高せん断加工する高速回転手段と、
材料の導入完了後に前記内部帰還型スクリューの回転速度を前記低速回転から前記高速回転まで所定時間かけて上昇させる回転速度移行手段と、
を備えたことを特徴とする高せん断加工機の回転速度制御装置。
【請求項２】
前記回転速度移行手段では、複数の分割時間毎に回転速度を段階的に上昇させるようにした請求項１に記載された高せん断加工機の回転速度制御装置。
【請求項３】
前記回転速度移行手段では、内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を一定または変化させて前記所定時間で前記低速回転から前記高速回転に到達するよう制御する請求項１に記載された高せん断加工機の回転速度制御装置。
【請求項４】
せん断応力を付与しつつ混練することで材料を分散及び混合するための高せん断加工方法において、
内部に材料が導入される加熱筒と、
該加熱筒内に回転可能に配設されていて内部に帰還穴を連通させた内部帰還型スクリューと、
前記加熱筒及び前記内部帰還型スクリューの間の周面及び端部に形成されていて材料を流動させるクリアランスとを備え、
材料の導入時に前記内部帰還型スクリューを低速回転数で回転させて材料を前記クリアランスに供給する材料供給工程と、
前記クリアランスへの材料の導入完了後に前記内部帰還型スクリューの回転速度を前記低速回転数から所定時間かけて予め設定した高速回転数まで上昇させる移行工程と、
前記内部帰還型スクリューを前記高速回転数で高速回転させて材料を前記クリアランスと帰還穴との間で循環させて高せん断加工する高せん断加工工程と、
を備えたことを特徴とする高せん断加工機の回転速度制御方法。
【請求項５】
前記移行工程では、複数の分割時間毎に前記内部帰還型スクリューの回転数を前記低速回転数から前記高速回転数まで段階的に上昇させるようにした請求項４に記載された高せん断加工機の回転速度制御方法。
【請求項６】
前記移行工程では、内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を一定または変化させて次第に前記低速回転数から前記高速回転数に到達するよう制御する請求項４に記載された高せん断加工機の回転速度制御方法。
【請求項１】
せん断応力を付与しつつ混練することで材料を分散及び混合するための高せん断加工機において、
内部に材料が導入される加熱筒と、
該加熱筒内に回転可能に配設されていて内部に帰還穴を連通させた内部帰還型スクリューと、
前記加熱筒及び前記内部帰還型スクリューの間の周面及び端部に形成されていて材料を流動させるクリアランスと、
材料の導入時に前記内部帰還型スクリューを低速回転させて材料を前記クリアランスに供給する低速回転手段と、
材料の導入終了後に前記内部帰還型スクリューを高速回転させて材料を前記クリアランス及び帰還穴に循環させて高せん断加工する高速回転手段と、
材料の導入完了後に前記内部帰還型スクリューの回転速度を前記低速回転から前記高速回転まで所定時間かけて上昇させる回転速度移行手段と、
を備えたことを特徴とする高せん断加工機の回転速度制御装置。
【請求項２】
前記回転速度移行手段では、複数の分割時間毎に回転速度を段階的に上昇させるようにした請求項１に記載された高せん断加工機の回転速度制御装置。
【請求項３】
前記回転速度移行手段では、内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を一定または変化させて前記所定時間で前記低速回転から前記高速回転に到達するよう制御する請求項１に記載された高せん断加工機の回転速度制御装置。
【請求項４】
せん断応力を付与しつつ混練することで材料を分散及び混合するための高せん断加工方法において、
内部に材料が導入される加熱筒と、
該加熱筒内に回転可能に配設されていて内部に帰還穴を連通させた内部帰還型スクリューと、
前記加熱筒及び前記内部帰還型スクリューの間の周面及び端部に形成されていて材料を流動させるクリアランスとを備え、
材料の導入時に前記内部帰還型スクリューを低速回転数で回転させて材料を前記クリアランスに供給する材料供給工程と、
前記クリアランスへの材料の導入完了後に前記内部帰還型スクリューの回転速度を前記低速回転数から所定時間かけて予め設定した高速回転数まで上昇させる移行工程と、
前記内部帰還型スクリューを前記高速回転数で高速回転させて材料を前記クリアランスと帰還穴との間で循環させて高せん断加工する高せん断加工工程と、
を備えたことを特徴とする高せん断加工機の回転速度制御方法。
【請求項５】
前記移行工程では、複数の分割時間毎に前記内部帰還型スクリューの回転数を前記低速回転数から前記高速回転数まで段階的に上昇させるようにした請求項４に記載された高せん断加工機の回転速度制御方法。
【請求項６】
前記移行工程では、内部帰還型スクリューの回転速度の上昇速度を一定または変化させて次第に前記低速回転数から前記高速回転数に到達するよう制御する請求項４に記載された高せん断加工機の回転速度制御方法。
【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２０１３−７１４２９（Ｐ２０１３−７１４２９Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１４３６３（Ｐ２０１１−２１４３６３）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（３０３０２４１３８）株式会社ニイガタマシンテクノ (78)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（３０３０２４１３８）株式会社ニイガタマシンテクノ (78)
【Ｆターム（参考）】
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