高せん断加工装置
【課題】内部帰還型スクリューが芯振れを起こさないで効率よくせん断加工できる。
【解決手段】高せん断加工装置２０は、内部に溶融樹脂が導入される加熱筒２２と、加熱筒２２内に回転可能に配設されていて内部に帰還穴３４を連通させた内部帰還型スクリュー２３とを備えた。加熱筒２２の内周面２５と内部帰還型スクリュー２３の外周面３０の間に外周クリアランス３８を形成し、加熱筒２２の底部と内部帰還型スクリュー２３の先端部との間に先端クリアランス３９を形成した。加熱筒２２の底部は中央の底面２６とその周囲の傾斜面２７を有し、内部帰還型スクリュー２３の先端部は帰還穴３４の流入口３３を有する先端面３１とその周囲のテーパ面３２を有する。傾斜面２７とテーパ面３２は対向し、流動する溶融樹脂の組成が不均一でも樹脂圧の分力は中心軸線Ｏに直交する方向に働き、高速回転する内部帰還型スクリュー２３の芯振れを抑える。
【解決手段】高せん断加工装置２０は、内部に溶融樹脂が導入される加熱筒２２と、加熱筒２２内に回転可能に配設されていて内部に帰還穴３４を連通させた内部帰還型スクリュー２３とを備えた。加熱筒２２の内周面２５と内部帰還型スクリュー２３の外周面３０の間に外周クリアランス３８を形成し、加熱筒２２の底部と内部帰還型スクリュー２３の先端部との間に先端クリアランス３９を形成した。加熱筒２２の底部は中央の底面２６とその周囲の傾斜面２７を有し、内部帰還型スクリュー２３の先端部は帰還穴３４の流入口３３を有する先端面３１とその周囲のテーパ面３２を有する。傾斜面２７とテーパ面３２は対向し、流動する溶融樹脂の組成が不均一でも樹脂圧の分力は中心軸線Ｏに直交する方向に働き、高速回転する内部帰還型スクリュー２３の芯振れを抑える。
【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装置に関する。
【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）。
例えば特許文献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。
【０００３】
例えば図６に示す高せん断加工機１では、略有底円筒状の加熱筒２と加熱筒２内に回転可能に収容された内部帰還型スクリュー３とを備えている。内部帰還型スクリュー３は略円柱状に形成されており、螺旋状のスクリュー羽根４を有する外周面５と、先端面６の中央から内部を回転軸線Ｏに沿って後方の基部側に延びていると共に途中で外周面５に開口するよう湾曲形成された帰還穴７とを有している。
そして、加熱筒２と内部帰還型スクリュー３との間に略有底円筒形状のクリアランス１０が形成されている。このクリアランス１０は、内部帰還型スクリュー３の外周面５と加熱筒２の内周面８との間の外周クリアランス１１と、内部帰還型スクリュー３の先端面６と加熱筒２の底面１２との間の先端クリアランス１３とで形成されている。
【０００４】
加熱筒２内の外周クリアランス１１に溶融状態の高分子材料を供給して、内部帰還型スクリュー３を例えば５００〜３０００ｍｉｎ−１の回転数で高速回転させて数分間混練する。
混練に際して、溶融した高分子材料はスクリュー羽根４でせん断加工を受けながら外周クリアランス１１内を前進して内部帰還型スクリュー３の先端面６と加熱筒２の底面１２との間の先端クリアランス１３に移動してこのスクリュー３の帰還穴７を通って後方に帰還し、外周クリアランス１１に戻されて循環移動させられる。この循環運動によって、外周クリアランス１１内の高分子材料は旋回するスクリュー羽根４で繰り返しせん断され、ナノ分散化されて耐熱性、機械的特性、寸法安定性等に優れた高分子ブレンド押出し物を製造するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の高せん断加工機１においては、供給口から外周クリアランス１１内に供給される高分子材料中に不均一な組成の材料が含まれていると、内部帰還型スクリュー３にかかるラジアル方向の荷重に対して内部帰還型スクリュー３の中心軸線Ｏが径方向に振れやすくなり、外周クリアランス１１に対して偏心するおそれがある。
内部帰還型スクリュー３が径方向に振れると外周クリアランス１１の幅が変動してしまい、内部帰還型スクリュー３の周囲で外周クリアランス１１の幅に偏りが発生すると、内部帰還型スクリュー３が加熱筒２の内周面８に接触してしまうおそれがあり、スクリュー羽根４による高せん断加工を十分に行えないという不具合を生じる。
【０００７】
本発明は、このような実情に鑑みて、高速回転による高せん断加工に際し、材料の組成が不均一であっても、内部帰還型スクリューが芯振れを起こさないで効率よく高せん断加工できるようにした高せん断加工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】
【０００８】
本発明に係る高せん断加工装置は、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装置において、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と先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、加熱筒及び内部帰還型スクリューの先端部には断面略テーパ状または円弧状の凹部と凸部が対向して形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明による高せん断加工装置によれば、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供給された可塑化材料等の材料は、内部帰還型スクリューの回転によって高せん断加工されると共にクリアランスと帰還穴とを循環して分散及び混合される。その際、先端部において内部帰還型スクリューと加熱筒に断面テーパ状または円弧状の凸部と凹部が対向して形成されているから、断面テーパ状または円弧状のクリアランスを流動する材料の圧力によって内部帰還型スクリューの中心軸線に垂直方向の分力が働くために、高速回転時における内部帰還型スクリューの芯振れを抑制できる。
【００１０】
また、内部帰還型スクリューの先端部は略円錐台形状、略円錐形状また凸曲面形状のいずれかに形成され、加熱筒の先端部の底部は略円錐台形状、略円錐形状また凹曲面形状のいずれかに形成されていることが好ましい。
高せん断加工装置を構成する内部帰還型スクリューの先端部と加熱筒の先端部の底部が上述したいずれかの構成を備えたことによって、高速回転による内部帰還型スクリューの芯振れを、クリアランスを流動する材料の圧力と、加熱筒の底部の略円錐台形状、略円錐形状また凹曲面形状によって受けることで、抑制できる。
【００１１】
また、クリアランスは、断面略テーパ状または円弧状の凸部と凹部が対向して形成されている先端クリアランスを有し、先端クリアランス内を流動する材料によって内部帰還型スクリューの中心軸線に直交する方向の分力が作用するようにしてもよい。
先端クリアランスにおいて、流動する材料の圧力によって内部帰還型スクリューの中心軸線に直交する方向の分力が中心軸線方向に働くために、内部帰還型スクリューを高速回転させても芯振れを防止できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による高せん断加工装置によれば、加熱筒と内部帰還型スクリューに断面テーパ状または円弧状の凹部と凸部が対向して形成されているから、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供給された可塑化材料等の材料は、断面テーパ状または円弧状の凹部と凸部を対向させたクリアランスを流動する材料の圧力によって内部帰還型スクリューの中心軸線に垂直方向の分力が働くために、不均一な組成の樹脂がクリアランス内を流動しても、回転時における内部帰還型スクリューの芯振れを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一の実施形態による高せん断加工装置の概略構成を示す要部断面図である。
【図２】（ａ）は図１に示す実施形態による高せん断加工装置においてクリアランスにかかる樹脂圧力の相対的な大きさを矢印の長さと方向で示す模式図、（ｂ）は（ａ）と同様に図６に示す従来の高せん断加工機におけるクリアランスにかかる樹脂圧力の相対的な大きさを示す模式図である。
【図３】本発明の第二実施形態による高せん断加工装置の概略構成を示す要部断面図である。
【図４】本発明の第三実施形態による高せん断加工装置の概略構成を示す要部断面図である。
【図５】第一実施形態による高せん断加工装置の実施例について後部樹脂圧と前部樹脂圧と先端樹脂圧を測定した結果を示すグラフである。
【図６】従来の高せん断加工機の概略構成を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の第一実施形態による高せん断加工装置について、図１及び図２に基づいて説明する。
図１に示す第一実施形態による高せん断加工装置２０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。
【００１５】
高せん断加工装置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してナノ分散化することもできる。或いは、高分子系でない他の適宜の材料を用いることができる。
【００１６】
本実施形態による高せん断加工装置２０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）を図示しない可塑化ユニットに投入して可塑化した溶融樹脂を射出ノズルによって供給口２１から加熱筒２２内に注入して溶融樹脂をナノ分散化させるようにしている。
高せん断加工装置２０では、略有底円筒状の加熱筒２２と、加熱筒２２内に回転可能に収容された内部帰還型スクリュー２３とを備えている。なお、本実施形態による高せん断加工装置２０において、内部帰還型スクリュー２３の中心軸線Ｏ方向でこのスクリュー２３による送り方向前方を「前方」、「前端」、「先端」とし、その反対側を「後方」、「後端」、「基端」として統一して用いる。
【００１７】
加熱筒２２は内部帰還型スクリュー２３を収容する内周面２５と内奧の底面２６とを有し、内周面２５と底面２６との間に断面テーパ状の傾斜面２７を有している。また、加熱筒２２の底面２６の中央には中心軸線Ｏと同軸に排出口２８が形成され、高速せん断加工された材料は排出口２８から外部に排出される。なお、材料の供給口２１と排出口２８には開閉用のバルブ２１ａ、２８ａが設けられている。
そして、供給口２１に設けた供給バルブ２１ａは予め設定された時間等に応じて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２８ａの開閉動作に連動しているものとする。
【００１８】
内部帰還型スクリュー２３は略円柱状に形成されており、螺旋状のスクリュー羽根２９を有する外周面３０と、加熱筒２２の底面２６に対応する先端面３１とを有している。そして、内部帰還型スクリュー２３の外周面３０と先端面３１との間には加熱筒２２の傾斜面２７に対向するテーパ面３２が形成されている。
内部帰還型スクリュー２３には、その先端面３１の流入口３３から回転中心をなす中心軸線Ｏに沿って後方に延びる帰還穴３４が形成されており、この帰還穴３４は途中で中心軸線Ｏから次第に離間して１または複数に分岐されて湾曲することで外周面３０に吐出口３５によって開口している。帰還穴３４の吐出口３５は供給口２１よりも後側また略同一位置に設けられている。
【００１９】
また、内部帰還型スクリュー２３の後端側に設けた軸部３７には軸受を介して例えばサーボモータからなる駆動モータが連結されている。内部帰還型スクリュー２３は駆動モータにより、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することができる。
【００２０】
そして、内部帰還型スクリュー２３の外周面３０と加熱筒２２の内周面２５との間には略円筒状をなす外周クリアランス３８が形成され、内部帰還型スクリュー２３の先端面３１及びテーパ面３２と加熱筒２２の底面２６及び傾斜面２７との間には略円錐台形状の先端クリアランス３９がそれぞれ形成され、互いに連通している。
また、スクリュー羽根２９の間の溝面２９ａが内部帰還型スクリュー２３の中心軸線Ｏに平行となる構成、すなわち外周クリアランス３８における加熱筒２２の内周面と内部帰還型スクリュー２３の外周面のスクリュー羽根２９（または溝面２９ａ）との間の隙間が中心軸線Ｏ方向にわたって略一定の間隙Ｓ１となっている。内部帰還型スクリュー２３の先端面３１及びテーパ面３２と加熱筒２２の底面２６及び傾斜面２７との隙間を構成する先端クリアランス３９は略一定幅の間隙Ｓ２を有している。
そのため、外周クリアランス３８と先端クリアランス３９、即ち間隙Ｓ１と間隙Ｓ２とでクリアランスＫによる高せん断領域が形成されている。
【００２１】
帰還穴３４において、流入口３３が高せん断中に帰還穴３４内を流れる溶融樹脂の上流側となり、吐出口３５が下流側となる。つまり、クリアランスＫの外周クリアランス３８に注入された溶融樹脂は、内部帰還型スクリュー３４の回転とともに溝面２９ａに沿って先端側に送られ、先端面３１及びテーパ面３２と加熱筒２３の底面２６及び傾斜面２７とで形成された先端クリアランス３９において流入口３３より帰還穴３４に流入して後方へ流れて吐出口３５より外周クリアランス３８へ吐出され、再び内部帰還型スクリュー２３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、流入口３３が先端クリアランス３９で最も低圧になる。
また、内部帰還型スクリュー２３の基端部４１は、スクリュー羽根２９が形成されていない外周クリアランス３８の範囲外の後部側位置に設けられていて、スクリュー羽根２９の外径と同等或いはそれより大きい径に形成された円柱状領域を有する。この基端部は加熱筒２３の内周面２５に対して液密に摺動可能となっている。
【００２２】
ここで、図２において、本実施形態と従来技術による高せん断加工装置のクリアランスにおける樹脂圧力について説明する。
図６に示す従来の高せん断加工機１では、図２（ｂ）に示すように、加熱筒２と内部帰還型スクリュー３によるクリアランス１０を流動する溶融樹脂に関し、外周クリアランス１１は略円筒形状であるため、外周クリアランス１１内の溶融した樹脂圧は、後部樹脂圧Ｖａから溶融樹脂の送り方向である先端側の前部樹脂圧Ｖｂにかけて次第に樹脂圧が増大する傾向にある。そして、外周クリアランス１１から先端クリアランス１３に移動した溶融樹脂の樹脂圧Ｖｃは流入口３３に向けて次第に低下する。
【００２３】
一方、図１に示す本実施形態による高せん断加工装置２０では、図２（ａ）に示すように、外周クリアランス３８内を流動する樹脂圧は、従来技術と同様に後部樹脂圧Ｖａから先端側の前部樹脂圧Ｖｂにかけて次第に樹脂圧が増大する傾向にある。そして、溶融樹脂が外周クリアランス３８から先端クリアランス３９へ流動すると、内部帰還型スクリュー２３のテーパ面３２及び加熱筒２２の傾斜面２７の間の空間と先端面３１及び底面２６の間の空間とで形成される先端クリアランス３９を流動するが、この先端クリアランス３９の面積は従来技術による先端クリアランス１３の面積より大きく帰還穴３４の流入口３３に向けて流動する溶融樹脂の流路が従来の高せん断加工機１より長いので圧力損失が大きいという特性を呈する。
なお、加熱筒２２において、外周クリアランス３８の後側と前側に後部樹脂圧センサー３６ａ、前部樹脂圧センサー３６ｂを設け、先端クリアランス３９の中央に先端樹脂圧センサー３６ｃを設けている。
【００２４】
本実施形態による高せん断加工装置２０は上述の構成を備えており、次にその作用について説明する。
図１に示す高せん断加工装置２０において、例えば高分子材料を可塑化させた溶融樹脂を射出ノズルから供給口２１を通して加熱筒２２内の外周クリアランス３８に注入する。
高せん断加工装置２０では、加熱筒２２内の内部帰還型スクリュー２３を例えば３００ｍｉｎ−１以下の低速回転で回転させて、加熱筒２２内の空のクリアランスＫに溶融樹脂を注入することで、溶融樹脂によって内部の空気が排出口２８から排出され、加熱筒２２内の外周クリアランス３８及び先端クリアランス３９、そして帰還穴３４内が溶融樹脂で次第に満たされる。
そして、溶融樹脂の注入を完了させると、注入バルブ２１ａ及び排出バルブ２８ａを閉じる。
【００２５】
注入バルブ２１ａと排出バルブ２８ａを閉じた段階で、高せん断加工装置２０で高せん断加工が行われる。高せん断加工装置２０では、加熱筒２２内の内部帰還型スクリュー２３を高速回転させる。高速回転数は投入される樹脂材料によって決定されるが、本実施形態では、上述した低速回転より高速回転である例えば１００〜３３００ｍｉｎ−１で回転させ、クリアランスＫ及び帰還穴３４を循環する溶融樹脂に対して、外周クリアランス３８内でスクリュー羽根２９の回転によって所定の設定時間だけ高せん断を行う。
【００２６】
このとき、先端クリアランス３９では、内部帰還型スクリュー２３と加熱筒２２とで、テーパ面３２及び傾斜面２７、そして先端面３１及び底面２６の間隙の面積が従来技術のものより大きいため、その間の圧力損失が大きい。そのため、帰還穴３４の流入口３３での低下した圧力に対して、溶融樹脂は外周クリアランス３８内では高圧に保持されるから、高速回転する内部帰還型スクリュー２３のスクリュー羽根２９によって高いせん断力を受ける。
【００２７】
しかも、図２（ａ）に示すように、内部帰還型スクリュー２３では、先端クリアランス３９のテーパ面３２に印加される中心軸線Ｏに対して斜め方向の樹脂圧Ｖｄに関し、中心軸線Ｏに直交する方向の分力Ｆａが中心軸線Ｏ方向に全周に亘って働くため、不均一な組成の溶融樹脂が流動しても、高速回転による内部帰還型スクリュー２３の芯ぶれを抑制できる。
また、高速回転する内部帰還型スクリュー２３は、中心軸線Ｏに対して傾斜する先端のテーパ面３２と加熱筒２２の底部の傾斜面２７とが先端クリアランス３９の小さな間隙Ｓ２を以て略同一の角度で対向して傾斜保持されているから、内部帰還型スクリュー２３の芯ぶれが断面テーパ状のテーパ面３２と加熱筒２２の傾斜面２７との間の樹脂圧によって抑制される。
【００２８】
そして、外周クリアランス３８から先端クリアランス３９へ移送させられる溶融樹脂は、内部帰還型スクリュー２３のテーパ面３２を中心軸線Ｏに向かって流動性良く流れて先端面３１で流入口３３から帰還穴３４内に流入される。そのため、先端クリアランス３９において流入口３３の圧力はテーパ面３２の有無に関わらず所定の低圧に制御される。
その後、溶融樹脂は帰還穴３４内を中心軸線Ｏに沿って後方へ流れる。更に、溶融樹脂は遠心力で帰還穴３４の吐出口３５から内部帰還型スクリュー２３の外周面３０に流出して外周クリアランス３８に帰還し、再び外周クリアランス３９内を先端側に移送されるといった循環流動を高速で繰り返す。
これによって、溶融樹脂が循環流動によって混練されると共に高せん断応力が付与される。この循環により溶融樹脂はナノ分散化され、高分子材料の内部構造をナノレベルで分散及び混合できる。
【００２９】
次に、設定された高せん断加工時間に到達したときには、内部帰還型スクリュー２３の回転速度を高速回転から中速回転に切り替える。中速回転とは上述した低速回転より大きく高速回転より小さい回転数領域であり、例えば２００〜１０００ｍｉｎ−１である。そして、供給バルブ２１ａと排出バルブ２８ａを開けて、供給口２１と排出口２８を開放する。
これにより、高せん断により加工されたクリアランスＫ内のナノ分散樹脂が内部帰還型スクリュー２３の回転とともに先端側の排出口２８から排出され、排出された高分子材料の溶融樹脂を高分子ブレンド押出し物として得ることができる。
【００３０】
そして、予め設定した排出時間に到達し、高せん断加工装置２０の加熱筒２２内で製造したナノ分散樹脂が全て排出された状態に至る。そのため、高せん断加工装置２０の内部帰還型スクリュー２３を中速回転から低速回転に戻して回転させつつ、新たな溶融樹脂を供給口２１から加熱筒２２内に射出する。
このようにして、同様のステップを繰り返すことにより、順次、固体状樹脂を高せん断して高分子材料をナノレベルで分散・混合することができる。
【００３１】
上述のように本実施形態による高せん断加工装置２０によれば、先端部において内部帰還型スクリュー２３と加熱筒２２にテーパ面３２と傾斜面２７を対向して形成したから、先端クリアランス３９を流動する溶融樹脂の中心軸線Ｏに対して斜め方向の樹脂圧Ｖｄの垂直方向の分力Ｆａが中心軸線Ｏ方向に働くために、不均一な組成の樹脂が流動しても、高速回転時における内部帰還型スクリュー２３の芯振れを抑制できる。
【００３２】
以上、第一の実施形態による高せん断加工装置２０について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。次に、本発明の他の実施形態について説明するが、上述した実施形態と同一または同様な部材、部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。
【００３３】
次に、図３に基づいて本発明の第二の実施形態による高せん断加工装置４０について説明する。
本実施形態による高せん断加工装置４０では、加熱筒２２の先端部の底部が略円錐形状の凹曲面４１に形成され、内部帰還型スクリュー２３の先端部が略円錐形状の凸曲面４２に形成されている。しかも、内部帰還型スクリュー２３の凸曲面４２と加熱筒２２の凹曲面４１は先端クリアランス３９を構成する小さな間隙Ｓ２を以て対向して、中心軸線Ｏに対して鋭角で傾斜するテーパ面が全周に亘って形成されている。
凸曲面４２の頂部を中心軸線Ｏが貫通すると共に、この頂部に帰還穴３４の流入口３３が形成されている。
【００３４】
そのため、対向する略円錐形状の凹曲面４１と凸曲面４２とで形成する先端クリアランス３９内を流動する溶融樹脂によって、円錐の頂部を通る中心軸線Ｏを中心として全周に亘る斜め方向の樹脂圧Ｖｄが発生し、これによって垂直方向の分力Ｆａが中心軸線Ｏ方向に働くことになる。しかも、内部帰還型スクリュー２３の凸曲面４２は全周に亘って凹曲面４１で支持される。そのため、本実施形態においても、高速回転時における内部帰還型スクリュー２３の芯振れを抑制できる。
【００３５】
従って、本第二実施形態による高せん断加工装置４０においても、その先端部において内部帰還型スクリュー２３と加熱筒２２に略円錐形状の凸曲面４２と凹曲面４１とを対向させて上述の従来技術よりも大きな面積の先端クリアランス３９を形成したから、その内部を流動する溶融樹脂の圧力Ｖｄによって中心軸線Ｏに対して垂直方向の分力Ｆａが中心軸線Ｏに向けて全周に働くため、高速回転時における内部帰還型スクリュー２３の芯振れを抑制できる。
【００３６】
次に、図４に基づいて本発明の第三の実施形態による高せん断加工装置５０について説明する。
本実施形態による高せん断加工装置５０では、加熱筒２２の先端部の底部が中心軸線Ｏと交差する点を最も先端側に突出する略球体の一部形状からなる凹曲面５１に形成され、内部帰還型スクリュー２３の先端部も同様に略球体の一部形状からなる凸曲面５２に形成されている。しかも、これら凸曲面５２と凹曲面５１は小さな間隙Ｓ２を以て対向して先端クリアランス３９を構成する。
【００３７】
従って、本第三実施形態による高せん断加工装置５０においても、その先端部において内部帰還型スクリュー２３と加熱筒２２に略球体形状の凸曲面５２と凹曲面５１とを対向させて上述の従来技術よりも大きな面積の先端クリアランス３９を形成したから、その内部を流動する溶融樹脂の圧力Ｖｄによって中心軸線Ｏに対して垂直方向の分力Ｆａが中心軸線Ｏに向けて全周に働くため、高速回転時における内部帰還型スクリュー２３の芯振れを抑制できる。
【００３８】
次に、実施例として、第一実施形態による高せん断加工装置２０を用いて樹脂圧を測定した。
外周クリアランス３８の最も後端側の樹脂圧を後部樹脂圧Ｖａとし、外周クリアランス３８の最も先端側（先端クリアランス３９との交差部）の樹脂圧を前部樹脂圧Ｖｂとし、先端クリアランス３９の中央の樹脂圧を先端樹脂圧Ｖｃとして測定した。これらの測定は後部、前部、先端樹脂圧センサー３６ａ、３６ｂ、３６ｃによりそれぞれ測定した。
測定に際し、内部帰還型スクリューは全長４５０ｍｍとし、回転速度は７５０ｍｉｎ−１とし、５０ミリセックに１回データのサンプリングをして波形を表示した。また、１回の高せん断処理時間を２０秒として４０秒間隔で２０回測定した。
【００３９】
図５に示す測定結果から、高せん断加工装置２０における外周クリアランス３８と先端クリアランス３９と帰還穴３４とからなる溶融樹脂の循環路において、当初、前部樹脂圧Ｖｂが最も高い１４．４０ＭＰａであり、先端面３１の流入口３３の先端樹脂圧Ｖｃは前部樹脂圧Ｖｂより若干低いが高い樹脂圧＝１２．５０ＭＰａであった。そして、溶融樹脂の循環が繰り返されることで、スクリュー羽根２９で繰り返してせん断されて発熱して粘度が低下するため、樹脂圧Ｖｂ，Ｖｃは次第に低下していった。
後部樹脂圧Ｖａは、高せん断加工装置２０の駆動開始時の樹脂圧がほとんどなく、その後１．３０ＰＭａ前後に上昇し、次第に低下していった。
【００４０】
上記の測定結果から、実施例による高せん断加工装置２０では、先端クリアランス３９において、外端側の前部樹脂圧Ｖｂと中央の循環穴３４の流入口３３近傍の先端樹脂圧Ｖｃはいずれも高せん断加工の間中、次第に低下しながら高い樹脂圧に維持された。そのため、これら先端クリアランス３９内の樹脂圧によって内部帰還型スクリュー２３の芯振れ防止効果を発揮できることを確認できた。
【００４１】
上述した第一及び第二実施形態において、加熱筒２２の底部と内部帰還型スクリュー２３の先端部に、傾斜面２７とテーパ面３２または略円錐形状の凹曲面４１と凸曲面４２が対向して形成されているものとしたが、これらの断面形状は直線状である必要はなく断面凸曲線や凹曲線などの曲線形状であってもよい。
【符号の説明】
【００４２】
２０，４０，５０ 高せん断加工装置
２２ 加熱筒
２３ 内部帰還型スクリュー
２５ 内周面
２６ 底面
２７ 傾斜面
２９ スクリュー羽根
３０ 外周面
３１ 先端面
３２ テーパ面
３３ 流入口
３４ 帰還穴
３５ 吐出口
３８ 外周クリアランス
３９ 先端クリアランス
４１、５１ 凹曲面
４２、５２ 凸曲面
Ｋ 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装置に関する。
【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）。
例えば特許文献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。
【０００３】
例えば図６に示す高せん断加工機１では、略有底円筒状の加熱筒２と加熱筒２内に回転可能に収容された内部帰還型スクリュー３とを備えている。内部帰還型スクリュー３は略円柱状に形成されており、螺旋状のスクリュー羽根４を有する外周面５と、先端面６の中央から内部を回転軸線Ｏに沿って後方の基部側に延びていると共に途中で外周面５に開口するよう湾曲形成された帰還穴７とを有している。
そして、加熱筒２と内部帰還型スクリュー３との間に略有底円筒形状のクリアランス１０が形成されている。このクリアランス１０は、内部帰還型スクリュー３の外周面５と加熱筒２の内周面８との間の外周クリアランス１１と、内部帰還型スクリュー３の先端面６と加熱筒２の底面１２との間の先端クリアランス１３とで形成されている。
【０００４】
加熱筒２内の外周クリアランス１１に溶融状態の高分子材料を供給して、内部帰還型スクリュー３を例えば５００〜３０００ｍｉｎ−１の回転数で高速回転させて数分間混練する。
混練に際して、溶融した高分子材料はスクリュー羽根４でせん断加工を受けながら外周クリアランス１１内を前進して内部帰還型スクリュー３の先端面６と加熱筒２の底面１２との間の先端クリアランス１３に移動してこのスクリュー３の帰還穴７を通って後方に帰還し、外周クリアランス１１に戻されて循環移動させられる。この循環運動によって、外周クリアランス１１内の高分子材料は旋回するスクリュー羽根４で繰り返しせん断され、ナノ分散化されて耐熱性、機械的特性、寸法安定性等に優れた高分子ブレンド押出し物を製造するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の高せん断加工機１においては、供給口から外周クリアランス１１内に供給される高分子材料中に不均一な組成の材料が含まれていると、内部帰還型スクリュー３にかかるラジアル方向の荷重に対して内部帰還型スクリュー３の中心軸線Ｏが径方向に振れやすくなり、外周クリアランス１１に対して偏心するおそれがある。
内部帰還型スクリュー３が径方向に振れると外周クリアランス１１の幅が変動してしまい、内部帰還型スクリュー３の周囲で外周クリアランス１１の幅に偏りが発生すると、内部帰還型スクリュー３が加熱筒２の内周面８に接触してしまうおそれがあり、スクリュー羽根４による高せん断加工を十分に行えないという不具合を生じる。
【０００７】
本発明は、このような実情に鑑みて、高速回転による高せん断加工に際し、材料の組成が不均一であっても、内部帰還型スクリューが芯振れを起こさないで効率よく高せん断加工できるようにした高せん断加工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】
【０００８】
本発明に係る高せん断加工装置は、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装置において、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と先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、加熱筒及び内部帰還型スクリューの先端部には断面略テーパ状または円弧状の凹部と凸部が対向して形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明による高せん断加工装置によれば、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供給された可塑化材料等の材料は、内部帰還型スクリューの回転によって高せん断加工されると共にクリアランスと帰還穴とを循環して分散及び混合される。その際、先端部において内部帰還型スクリューと加熱筒に断面テーパ状または円弧状の凸部と凹部が対向して形成されているから、断面テーパ状または円弧状のクリアランスを流動する材料の圧力によって内部帰還型スクリューの中心軸線に垂直方向の分力が働くために、高速回転時における内部帰還型スクリューの芯振れを抑制できる。
【００１０】
また、内部帰還型スクリューの先端部は略円錐台形状、略円錐形状また凸曲面形状のいずれかに形成され、加熱筒の先端部の底部は略円錐台形状、略円錐形状また凹曲面形状のいずれかに形成されていることが好ましい。
高せん断加工装置を構成する内部帰還型スクリューの先端部と加熱筒の先端部の底部が上述したいずれかの構成を備えたことによって、高速回転による内部帰還型スクリューの芯振れを、クリアランスを流動する材料の圧力と、加熱筒の底部の略円錐台形状、略円錐形状また凹曲面形状によって受けることで、抑制できる。
【００１１】
また、クリアランスは、断面略テーパ状または円弧状の凸部と凹部が対向して形成されている先端クリアランスを有し、先端クリアランス内を流動する材料によって内部帰還型スクリューの中心軸線に直交する方向の分力が作用するようにしてもよい。
先端クリアランスにおいて、流動する材料の圧力によって内部帰還型スクリューの中心軸線に直交する方向の分力が中心軸線方向に働くために、内部帰還型スクリューを高速回転させても芯振れを防止できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による高せん断加工装置によれば、加熱筒と内部帰還型スクリューに断面テーパ状または円弧状の凹部と凸部が対向して形成されているから、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供給された可塑化材料等の材料は、断面テーパ状または円弧状の凹部と凸部を対向させたクリアランスを流動する材料の圧力によって内部帰還型スクリューの中心軸線に垂直方向の分力が働くために、不均一な組成の樹脂がクリアランス内を流動しても、回転時における内部帰還型スクリューの芯振れを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一の実施形態による高せん断加工装置の概略構成を示す要部断面図である。
【図２】（ａ）は図１に示す実施形態による高せん断加工装置においてクリアランスにかかる樹脂圧力の相対的な大きさを矢印の長さと方向で示す模式図、（ｂ）は（ａ）と同様に図６に示す従来の高せん断加工機におけるクリアランスにかかる樹脂圧力の相対的な大きさを示す模式図である。
【図３】本発明の第二実施形態による高せん断加工装置の概略構成を示す要部断面図である。
【図４】本発明の第三実施形態による高せん断加工装置の概略構成を示す要部断面図である。
【図５】第一実施形態による高せん断加工装置の実施例について後部樹脂圧と前部樹脂圧と先端樹脂圧を測定した結果を示すグラフである。
【図６】従来の高せん断加工機の概略構成を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の第一実施形態による高せん断加工装置について、図１及び図２に基づいて説明する。
図１に示す第一実施形態による高せん断加工装置２０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。
【００１５】
高せん断加工装置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してナノ分散化することもできる。或いは、高分子系でない他の適宜の材料を用いることができる。
【００１６】
本実施形態による高せん断加工装置２０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）を図示しない可塑化ユニットに投入して可塑化した溶融樹脂を射出ノズルによって供給口２１から加熱筒２２内に注入して溶融樹脂をナノ分散化させるようにしている。
高せん断加工装置２０では、略有底円筒状の加熱筒２２と、加熱筒２２内に回転可能に収容された内部帰還型スクリュー２３とを備えている。なお、本実施形態による高せん断加工装置２０において、内部帰還型スクリュー２３の中心軸線Ｏ方向でこのスクリュー２３による送り方向前方を「前方」、「前端」、「先端」とし、その反対側を「後方」、「後端」、「基端」として統一して用いる。
【００１７】
加熱筒２２は内部帰還型スクリュー２３を収容する内周面２５と内奧の底面２６とを有し、内周面２５と底面２６との間に断面テーパ状の傾斜面２７を有している。また、加熱筒２２の底面２６の中央には中心軸線Ｏと同軸に排出口２８が形成され、高速せん断加工された材料は排出口２８から外部に排出される。なお、材料の供給口２１と排出口２８には開閉用のバルブ２１ａ、２８ａが設けられている。
そして、供給口２１に設けた供給バルブ２１ａは予め設定された時間等に応じて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２８ａの開閉動作に連動しているものとする。
【００１８】
内部帰還型スクリュー２３は略円柱状に形成されており、螺旋状のスクリュー羽根２９を有する外周面３０と、加熱筒２２の底面２６に対応する先端面３１とを有している。そして、内部帰還型スクリュー２３の外周面３０と先端面３１との間には加熱筒２２の傾斜面２７に対向するテーパ面３２が形成されている。
内部帰還型スクリュー２３には、その先端面３１の流入口３３から回転中心をなす中心軸線Ｏに沿って後方に延びる帰還穴３４が形成されており、この帰還穴３４は途中で中心軸線Ｏから次第に離間して１または複数に分岐されて湾曲することで外周面３０に吐出口３５によって開口している。帰還穴３４の吐出口３５は供給口２１よりも後側また略同一位置に設けられている。
【００１９】
また、内部帰還型スクリュー２３の後端側に設けた軸部３７には軸受を介して例えばサーボモータからなる駆動モータが連結されている。内部帰還型スクリュー２３は駆動モータにより、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することができる。
【００２０】
そして、内部帰還型スクリュー２３の外周面３０と加熱筒２２の内周面２５との間には略円筒状をなす外周クリアランス３８が形成され、内部帰還型スクリュー２３の先端面３１及びテーパ面３２と加熱筒２２の底面２６及び傾斜面２７との間には略円錐台形状の先端クリアランス３９がそれぞれ形成され、互いに連通している。
また、スクリュー羽根２９の間の溝面２９ａが内部帰還型スクリュー２３の中心軸線Ｏに平行となる構成、すなわち外周クリアランス３８における加熱筒２２の内周面と内部帰還型スクリュー２３の外周面のスクリュー羽根２９（または溝面２９ａ）との間の隙間が中心軸線Ｏ方向にわたって略一定の間隙Ｓ１となっている。内部帰還型スクリュー２３の先端面３１及びテーパ面３２と加熱筒２２の底面２６及び傾斜面２７との隙間を構成する先端クリアランス３９は略一定幅の間隙Ｓ２を有している。
そのため、外周クリアランス３８と先端クリアランス３９、即ち間隙Ｓ１と間隙Ｓ２とでクリアランスＫによる高せん断領域が形成されている。
【００２１】
帰還穴３４において、流入口３３が高せん断中に帰還穴３４内を流れる溶融樹脂の上流側となり、吐出口３５が下流側となる。つまり、クリアランスＫの外周クリアランス３８に注入された溶融樹脂は、内部帰還型スクリュー３４の回転とともに溝面２９ａに沿って先端側に送られ、先端面３１及びテーパ面３２と加熱筒２３の底面２６及び傾斜面２７とで形成された先端クリアランス３９において流入口３３より帰還穴３４に流入して後方へ流れて吐出口３５より外周クリアランス３８へ吐出され、再び内部帰還型スクリュー２３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、流入口３３が先端クリアランス３９で最も低圧になる。
また、内部帰還型スクリュー２３の基端部４１は、スクリュー羽根２９が形成されていない外周クリアランス３８の範囲外の後部側位置に設けられていて、スクリュー羽根２９の外径と同等或いはそれより大きい径に形成された円柱状領域を有する。この基端部は加熱筒２３の内周面２５に対して液密に摺動可能となっている。
【００２２】
ここで、図２において、本実施形態と従来技術による高せん断加工装置のクリアランスにおける樹脂圧力について説明する。
図６に示す従来の高せん断加工機１では、図２（ｂ）に示すように、加熱筒２と内部帰還型スクリュー３によるクリアランス１０を流動する溶融樹脂に関し、外周クリアランス１１は略円筒形状であるため、外周クリアランス１１内の溶融した樹脂圧は、後部樹脂圧Ｖａから溶融樹脂の送り方向である先端側の前部樹脂圧Ｖｂにかけて次第に樹脂圧が増大する傾向にある。そして、外周クリアランス１１から先端クリアランス１３に移動した溶融樹脂の樹脂圧Ｖｃは流入口３３に向けて次第に低下する。
【００２３】
一方、図１に示す本実施形態による高せん断加工装置２０では、図２（ａ）に示すように、外周クリアランス３８内を流動する樹脂圧は、従来技術と同様に後部樹脂圧Ｖａから先端側の前部樹脂圧Ｖｂにかけて次第に樹脂圧が増大する傾向にある。そして、溶融樹脂が外周クリアランス３８から先端クリアランス３９へ流動すると、内部帰還型スクリュー２３のテーパ面３２及び加熱筒２２の傾斜面２７の間の空間と先端面３１及び底面２６の間の空間とで形成される先端クリアランス３９を流動するが、この先端クリアランス３９の面積は従来技術による先端クリアランス１３の面積より大きく帰還穴３４の流入口３３に向けて流動する溶融樹脂の流路が従来の高せん断加工機１より長いので圧力損失が大きいという特性を呈する。
なお、加熱筒２２において、外周クリアランス３８の後側と前側に後部樹脂圧センサー３６ａ、前部樹脂圧センサー３６ｂを設け、先端クリアランス３９の中央に先端樹脂圧センサー３６ｃを設けている。
【００２４】
本実施形態による高せん断加工装置２０は上述の構成を備えており、次にその作用について説明する。
図１に示す高せん断加工装置２０において、例えば高分子材料を可塑化させた溶融樹脂を射出ノズルから供給口２１を通して加熱筒２２内の外周クリアランス３８に注入する。
高せん断加工装置２０では、加熱筒２２内の内部帰還型スクリュー２３を例えば３００ｍｉｎ−１以下の低速回転で回転させて、加熱筒２２内の空のクリアランスＫに溶融樹脂を注入することで、溶融樹脂によって内部の空気が排出口２８から排出され、加熱筒２２内の外周クリアランス３８及び先端クリアランス３９、そして帰還穴３４内が溶融樹脂で次第に満たされる。
そして、溶融樹脂の注入を完了させると、注入バルブ２１ａ及び排出バルブ２８ａを閉じる。
【００２５】
注入バルブ２１ａと排出バルブ２８ａを閉じた段階で、高せん断加工装置２０で高せん断加工が行われる。高せん断加工装置２０では、加熱筒２２内の内部帰還型スクリュー２３を高速回転させる。高速回転数は投入される樹脂材料によって決定されるが、本実施形態では、上述した低速回転より高速回転である例えば１００〜３３００ｍｉｎ−１で回転させ、クリアランスＫ及び帰還穴３４を循環する溶融樹脂に対して、外周クリアランス３８内でスクリュー羽根２９の回転によって所定の設定時間だけ高せん断を行う。
【００２６】
このとき、先端クリアランス３９では、内部帰還型スクリュー２３と加熱筒２２とで、テーパ面３２及び傾斜面２７、そして先端面３１及び底面２６の間隙の面積が従来技術のものより大きいため、その間の圧力損失が大きい。そのため、帰還穴３４の流入口３３での低下した圧力に対して、溶融樹脂は外周クリアランス３８内では高圧に保持されるから、高速回転する内部帰還型スクリュー２３のスクリュー羽根２９によって高いせん断力を受ける。
【００２７】
しかも、図２（ａ）に示すように、内部帰還型スクリュー２３では、先端クリアランス３９のテーパ面３２に印加される中心軸線Ｏに対して斜め方向の樹脂圧Ｖｄに関し、中心軸線Ｏに直交する方向の分力Ｆａが中心軸線Ｏ方向に全周に亘って働くため、不均一な組成の溶融樹脂が流動しても、高速回転による内部帰還型スクリュー２３の芯ぶれを抑制できる。
また、高速回転する内部帰還型スクリュー２３は、中心軸線Ｏに対して傾斜する先端のテーパ面３２と加熱筒２２の底部の傾斜面２７とが先端クリアランス３９の小さな間隙Ｓ２を以て略同一の角度で対向して傾斜保持されているから、内部帰還型スクリュー２３の芯ぶれが断面テーパ状のテーパ面３２と加熱筒２２の傾斜面２７との間の樹脂圧によって抑制される。
【００２８】
そして、外周クリアランス３８から先端クリアランス３９へ移送させられる溶融樹脂は、内部帰還型スクリュー２３のテーパ面３２を中心軸線Ｏに向かって流動性良く流れて先端面３１で流入口３３から帰還穴３４内に流入される。そのため、先端クリアランス３９において流入口３３の圧力はテーパ面３２の有無に関わらず所定の低圧に制御される。
その後、溶融樹脂は帰還穴３４内を中心軸線Ｏに沿って後方へ流れる。更に、溶融樹脂は遠心力で帰還穴３４の吐出口３５から内部帰還型スクリュー２３の外周面３０に流出して外周クリアランス３８に帰還し、再び外周クリアランス３９内を先端側に移送されるといった循環流動を高速で繰り返す。
これによって、溶融樹脂が循環流動によって混練されると共に高せん断応力が付与される。この循環により溶融樹脂はナノ分散化され、高分子材料の内部構造をナノレベルで分散及び混合できる。
【００２９】
次に、設定された高せん断加工時間に到達したときには、内部帰還型スクリュー２３の回転速度を高速回転から中速回転に切り替える。中速回転とは上述した低速回転より大きく高速回転より小さい回転数領域であり、例えば２００〜１０００ｍｉｎ−１である。そして、供給バルブ２１ａと排出バルブ２８ａを開けて、供給口２１と排出口２８を開放する。
これにより、高せん断により加工されたクリアランスＫ内のナノ分散樹脂が内部帰還型スクリュー２３の回転とともに先端側の排出口２８から排出され、排出された高分子材料の溶融樹脂を高分子ブレンド押出し物として得ることができる。
【００３０】
そして、予め設定した排出時間に到達し、高せん断加工装置２０の加熱筒２２内で製造したナノ分散樹脂が全て排出された状態に至る。そのため、高せん断加工装置２０の内部帰還型スクリュー２３を中速回転から低速回転に戻して回転させつつ、新たな溶融樹脂を供給口２１から加熱筒２２内に射出する。
このようにして、同様のステップを繰り返すことにより、順次、固体状樹脂を高せん断して高分子材料をナノレベルで分散・混合することができる。
【００３１】
上述のように本実施形態による高せん断加工装置２０によれば、先端部において内部帰還型スクリュー２３と加熱筒２２にテーパ面３２と傾斜面２７を対向して形成したから、先端クリアランス３９を流動する溶融樹脂の中心軸線Ｏに対して斜め方向の樹脂圧Ｖｄの垂直方向の分力Ｆａが中心軸線Ｏ方向に働くために、不均一な組成の樹脂が流動しても、高速回転時における内部帰還型スクリュー２３の芯振れを抑制できる。
【００３２】
以上、第一の実施形態による高せん断加工装置２０について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。次に、本発明の他の実施形態について説明するが、上述した実施形態と同一または同様な部材、部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。
【００３３】
次に、図３に基づいて本発明の第二の実施形態による高せん断加工装置４０について説明する。
本実施形態による高せん断加工装置４０では、加熱筒２２の先端部の底部が略円錐形状の凹曲面４１に形成され、内部帰還型スクリュー２３の先端部が略円錐形状の凸曲面４２に形成されている。しかも、内部帰還型スクリュー２３の凸曲面４２と加熱筒２２の凹曲面４１は先端クリアランス３９を構成する小さな間隙Ｓ２を以て対向して、中心軸線Ｏに対して鋭角で傾斜するテーパ面が全周に亘って形成されている。
凸曲面４２の頂部を中心軸線Ｏが貫通すると共に、この頂部に帰還穴３４の流入口３３が形成されている。
【００３４】
そのため、対向する略円錐形状の凹曲面４１と凸曲面４２とで形成する先端クリアランス３９内を流動する溶融樹脂によって、円錐の頂部を通る中心軸線Ｏを中心として全周に亘る斜め方向の樹脂圧Ｖｄが発生し、これによって垂直方向の分力Ｆａが中心軸線Ｏ方向に働くことになる。しかも、内部帰還型スクリュー２３の凸曲面４２は全周に亘って凹曲面４１で支持される。そのため、本実施形態においても、高速回転時における内部帰還型スクリュー２３の芯振れを抑制できる。
【００３５】
従って、本第二実施形態による高せん断加工装置４０においても、その先端部において内部帰還型スクリュー２３と加熱筒２２に略円錐形状の凸曲面４２と凹曲面４１とを対向させて上述の従来技術よりも大きな面積の先端クリアランス３９を形成したから、その内部を流動する溶融樹脂の圧力Ｖｄによって中心軸線Ｏに対して垂直方向の分力Ｆａが中心軸線Ｏに向けて全周に働くため、高速回転時における内部帰還型スクリュー２３の芯振れを抑制できる。
【００３６】
次に、図４に基づいて本発明の第三の実施形態による高せん断加工装置５０について説明する。
本実施形態による高せん断加工装置５０では、加熱筒２２の先端部の底部が中心軸線Ｏと交差する点を最も先端側に突出する略球体の一部形状からなる凹曲面５１に形成され、内部帰還型スクリュー２３の先端部も同様に略球体の一部形状からなる凸曲面５２に形成されている。しかも、これら凸曲面５２と凹曲面５１は小さな間隙Ｓ２を以て対向して先端クリアランス３９を構成する。
【００３７】
従って、本第三実施形態による高せん断加工装置５０においても、その先端部において内部帰還型スクリュー２３と加熱筒２２に略球体形状の凸曲面５２と凹曲面５１とを対向させて上述の従来技術よりも大きな面積の先端クリアランス３９を形成したから、その内部を流動する溶融樹脂の圧力Ｖｄによって中心軸線Ｏに対して垂直方向の分力Ｆａが中心軸線Ｏに向けて全周に働くため、高速回転時における内部帰還型スクリュー２３の芯振れを抑制できる。
【００３８】
次に、実施例として、第一実施形態による高せん断加工装置２０を用いて樹脂圧を測定した。
外周クリアランス３８の最も後端側の樹脂圧を後部樹脂圧Ｖａとし、外周クリアランス３８の最も先端側（先端クリアランス３９との交差部）の樹脂圧を前部樹脂圧Ｖｂとし、先端クリアランス３９の中央の樹脂圧を先端樹脂圧Ｖｃとして測定した。これらの測定は後部、前部、先端樹脂圧センサー３６ａ、３６ｂ、３６ｃによりそれぞれ測定した。
測定に際し、内部帰還型スクリューは全長４５０ｍｍとし、回転速度は７５０ｍｉｎ−１とし、５０ミリセックに１回データのサンプリングをして波形を表示した。また、１回の高せん断処理時間を２０秒として４０秒間隔で２０回測定した。
【００３９】
図５に示す測定結果から、高せん断加工装置２０における外周クリアランス３８と先端クリアランス３９と帰還穴３４とからなる溶融樹脂の循環路において、当初、前部樹脂圧Ｖｂが最も高い１４．４０ＭＰａであり、先端面３１の流入口３３の先端樹脂圧Ｖｃは前部樹脂圧Ｖｂより若干低いが高い樹脂圧＝１２．５０ＭＰａであった。そして、溶融樹脂の循環が繰り返されることで、スクリュー羽根２９で繰り返してせん断されて発熱して粘度が低下するため、樹脂圧Ｖｂ，Ｖｃは次第に低下していった。
後部樹脂圧Ｖａは、高せん断加工装置２０の駆動開始時の樹脂圧がほとんどなく、その後１．３０ＰＭａ前後に上昇し、次第に低下していった。
【００４０】
上記の測定結果から、実施例による高せん断加工装置２０では、先端クリアランス３９において、外端側の前部樹脂圧Ｖｂと中央の循環穴３４の流入口３３近傍の先端樹脂圧Ｖｃはいずれも高せん断加工の間中、次第に低下しながら高い樹脂圧に維持された。そのため、これら先端クリアランス３９内の樹脂圧によって内部帰還型スクリュー２３の芯振れ防止効果を発揮できることを確認できた。
【００４１】
上述した第一及び第二実施形態において、加熱筒２２の底部と内部帰還型スクリュー２３の先端部に、傾斜面２７とテーパ面３２または略円錐形状の凹曲面４１と凸曲面４２が対向して形成されているものとしたが、これらの断面形状は直線状である必要はなく断面凸曲線や凹曲線などの曲線形状であってもよい。
【符号の説明】
【００４２】
２０，４０，５０ 高せん断加工装置
２２ 加熱筒
２３ 内部帰還型スクリュー
２５ 内周面
２６ 底面
２７ 傾斜面
２９ スクリュー羽根
３０ 外周面
３１ 先端面
３２ テーパ面
３３ 流入口
３４ 帰還穴
３５ 吐出口
３８ 外周クリアランス
３９ 先端クリアランス
４１、５１ 凹曲面
４２、５２ 凸曲面
Ｋ 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装置において、
内部に材料が導入される略有底円筒状の加熱筒と、
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と先端部に形成されていて前記材料を流動させるクリアランスとを備え、
前記加熱筒及び前記内部帰還型スクリューの先端部には断面略テーパ状または円弧状の凹部と凸部が対向して形成されている
ことを特徴とする高せん断加工装置。
【請求項２】
前記内部帰還型スクリューの先端部は略円錐台形状、略円錐形状また凸曲面形状のいずれかに形成され、前記加熱筒の先端部の底部は略円錐台形状、略円錐形状また凹曲面形状のいずれかに形成されている請求項１に記載された高せん断加工装置。
【請求項３】
前記クリアランスは、前記断面略テーパ状または円弧状の凹部と凸部が対向して形成されている先端クリアランスを有し、該先端クリアランス内を流動する材料によって前記内部帰還型スクリューの中心軸線に直交する方向の分力が作用するようにした請求項１または２に記載された高せん断加工装置。
【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装置において、
内部に材料が導入される略有底円筒状の加熱筒と、
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と先端部に形成されていて前記材料を流動させるクリアランスとを備え、
前記加熱筒及び前記内部帰還型スクリューの先端部には断面略テーパ状または円弧状の凹部と凸部が対向して形成されている
ことを特徴とする高せん断加工装置。
【請求項２】
前記内部帰還型スクリューの先端部は略円錐台形状、略円錐形状また凸曲面形状のいずれかに形成され、前記加熱筒の先端部の底部は略円錐台形状、略円錐形状また凹曲面形状のいずれかに形成されている請求項１に記載された高せん断加工装置。
【請求項３】
前記クリアランスは、前記断面略テーパ状または円弧状の凹部と凸部が対向して形成されている先端クリアランスを有し、該先端クリアランス内を流動する材料によって前記内部帰還型スクリューの中心軸線に直交する方向の分力が作用するようにした請求項１または２に記載された高せん断加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−７１４２８（Ｐ２０１３−７１４２８Ａ）
【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２０１１−２１４３６２（Ｐ２０１１−２１４３６２）
【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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