JP2004237715A

JP2004237715A - 押出機および押出方法

Info

Publication number: JP2004237715A
Application number: JP2003127160A
Authority: JP
Inventors: Naoyasu Nakao; 直保中尾; Kazuhisa Kunii; 和久國井; Munemitsu Yamada; 宗光山田
Original assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2003-05-02
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】被押出材料と薬品が同じ比率で押出機内に供給されるとともに、均一なゴム配合物を得ることができる押出機を提供する。
【解決手段】シリンダー内にスクリューを収納し、可塑化された被押出材料を押出し成形する押出機であって、前記スクリューの上流側に設置され、被押出材料を供給する材料供給手段と、前記スクリューにより搬送され、可塑化された被押出材料に薬品を供給する薬品供給手段と、前記スクリューの下流側において可塑化された被押出材料の搬送流量を調節する流量調節手段とからなり、前記薬品供給手段が、被押出材料が可塑化された位置において、前記流量調節手段よりスクリューの上流側に設けられる円筒形の薬品供給ピンを備えている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスクリュー押出機および押出方法に関する。さらに詳しくは、たとえばゴムと薬品からなる可塑化されたゴム混練物をスクリューで押出し成形するスクリュー押出機や、押し出しされるまでのあいだに、スクリュー溝内の圧力を開放するベント域を有するベント押出機などの押出機および押出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の押出機として、シリンダー内にスクリューを収納するスクリュー押出機に材料供給ホッパおよび薬品供給ホッパが設置され、ゴム供給工程、薬品供給工程、混練工程および圧縮（加圧）工程からなる押出成形を連続的に行なうことにより、予めポリマーに補強剤や充填剤などを混練した被押出材料（以下、ベースコンパウンドという）と加硫および加硫後の物性を維持するための加硫促進剤および油脂類などの薬品とを連続、かつ、定量的に混合させるものがある（特許文献１、２参照）。かかるゴム混練機では、スクリューの１回転当たりのゴムの搬送量を調節するために、ゴム供給工程におけるスクリューと薬品供給工程におけるスクリューのあいだに堰が設けられている。
【０００３】
かかる押出機における材料供給ホッパから供給されたベースコンパウンドは、スクリューが回転することでフライト（螺旋）から搬送力を受けて押し出されて行き、そして堰まで可塑化されながら進む。そして堰から連続的に可塑化されたベースコンパウンドが一定量通過して行き、そこに常に一定量の薬品が連続的に供給される。さらにこれが混練工程でよく混ぜ合わされ、押出しに必要な圧縮工程に搬送され、先端から押し出（吐出）される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−７１６１５号公報
【特許文献２】
特開２０００−５２３３４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ベースコンパウンドと薬品の混合配合や温調条件により、これらの剪断抵抗の違いおよびシリンダーとスクリューへの粘着力の差により、ベースコンパウンドと薬品が同じ比率で押出機内で均一に供給および混合されるとは限らないという問題がある。
【０００６】
本発明は、叙上の事情に鑑みて、ベースコンパウンドと薬品が同じ比率で押出機内に供給されるとともに、均一なゴム配合物を得ることができる押出機および押出方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の押出機は、シリンダー内にスクリューを収納し、可塑化された被押出材料を押出し成形する押出機であって、前記スクリューの上流側に設置され、被押出材料を供給する材料供給手段と、前記スクリューにより搬送され、可塑化された被押出材料に薬品を供給する薬品供給手段と、前記スクリューの下流側において可塑化された被押出材料の搬送流量を調節する流量調節手段とからなり、前記薬品供給手段が、前記被押出材料が可塑化された位置において、前記流量調節手段よりスクリューの上流側に設けられる円筒形の薬品供給ピンを備えてなることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の押出方法は、シリンダー内に、可塑化された被押出材料の搬送流量を調節する流量調節手段が形成されるスクリューを収納し、該可塑化された被押出材料を押出し成形する押出方法であって、前記流量調節手段よりスクリューの上流側における、前記被押出材料が可塑化された位置に設けられる円筒形の薬品供給ピンから薬品を供給することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明では、薬品としてポリマーと必要添加薬品などを混練りしたマスターバッチを可塑化し、圧入するか、薬品とオイルとの混合液を圧入するか、固形成型した薬品を圧入するか、またはこれらのうち、少なくとも２種類を組み合せて圧入する。可塑化されたベースコンパウンドに薬品を添加する際、スクリュー溝内で均一に混合するためには、両者の特性により薬品を添加する位置（スクリュー軸方向の位置）に最適な位置が存在する。すなわちベースコンパウンドに薬品を同一位置から添加しても、同一比率で混合されるわけではない。このため、可塑化が進行し、スクリュー溝にベースコンパウンドが完全に充填された、少なくともスクリュー尾端より２．５Ｄ（Ｄ：スクリューの外径）の位置から流量調節手段までの１リードごとに放射状に配列された薬品供給ピンから薬品を供給する。この薬品供給ピンは、円筒形状（中空形状）であり、外部に継っており、この薬品供給ピンを介して、薬品のマスターバッチ、混合液または固形物（混合物）を最適な位置から注入する。また、前記薬品供給ピンとともに、薬品注入に使用されないピンを隣接して設けると、薬品供給ピンから薬品を注入した直後、隣接するピンでスクリュー溝中でのコンパウンドの練り返し作用（スクリュー溝中でコンパウンドの流れ方向を乱すことにより、混合効果を高める作用）により、マクロ的に添加薬品を分散させることもできる。このようなコンパウンド（すでに薬品添加されている）が流量調節手段の溝を通過する際、細分化され、シリンダー壁とのあいだで摺りつぶされるので、微少に均一に添加薬品が混合される。
【００１０】
以下、添付図面に基づいて本発明の押出機および押出方法を説明する。
【００１１】
図１〜２に示されるように、本発明の一実施の形態にかかわる押出機は、シリンダー１、該シリンダー１内に収納されるスクリュー２、ベースコンパウンドを供給する材料供給手段Ａ、前記スクリュー２により搬送され、可塑化されたベースコンパウンドに薬品を供給する薬品供給手段Ｂおよび可塑化されたベースコンパウンドの搬送流量を調節する流量調節手段Ｃとから構成されている。前記材料供給手段Ａは、スクリュー２の上流側のスクリュー尾端３近傍に設置されており、この材料供給手段Ａとしては、通常用いられる供給ホッパーを用いることができる。
【００１２】
前記スクリュー２は、単軸スクリューである。前記流量調節手段Ｃは、このスクリュー２の下流側に設けられている。前記材料供給手段Ａの供給口４から供給されたベースコンパウンドは、この流量調節手段Ｃまでスクリュー２により搬送されるあいだに可塑化される（可塑化域Ｓ１）とともに、加圧される（加圧域Ｓ２）。そして、流量調節手段Ｃにより所定の搬送量が調節され、つぎの領域へと押し出される。この流量調節手段Ｃからスクリュー２の先端までの寸法は３〜５Ｄとする。なお、このスクリュー２の形状や寸法は適宜選定することができるが、本実施の形態では、リード長が０．８〜１．３Ｄの２条ねじにされているとともに、谷径が０．５２〜０．７８Ｄに設定されている。これは谷径が０．５２Ｄ未満であると、スクリュー２の捩じり強度が不足し、０．７８Ｄをこえると、搬送量が少なくなるからである。
【００１３】
前記流量調節手段Ｃとしては、フライトの外周に可塑化されたベースコンパウンドを通過させる複数の浅い溝を設けた堰を用いることができる。本実施の形態では、流量調節手段Ｃとして、２つのフライトの外周に溝がそれぞれ設けられた２段形状の堰を採用している。この堰は、ベースコンパウンドの堰通過量（搬送量）と圧力とが密接な関係があるので、常に一定圧力に保持できるように設けられている。スクリュー尾端２ａからこの堰までの距離Ｌ１は、ベースコンパウンドの物性により異なるが、混練に必要な可塑性を与え、堰通過量を一定に保ちながら加圧するために、４Ｄ以上であるとともに、長すぎると発熱により効率が低下するため、１６Ｄ以下に設定する。すなわち距離Ｌ１は４〜１６Ｄとするのが好ましい。堰の幅は、短いとニーダー効果が減少し、分散性が低下するとともに、長いと通過抵抗により、堰通過量が低下するため、５〜４０ｍｍであるのが好ましい。また、この堰の溝角は、スクリュー軸に対して５〜３５°傾斜している。これは溝角が５°未満であると、堰通過量のばらつきが大きくなり配合比が変動し、３５°をこえると通過抵抗が増加し、堰通過量が低下するためである。また、堰の溝断面は、半円または楕円形状を呈しており、溝断面積は、１．５〜１２ｍｍ^２である。これは溝断面積が１．５ｍｍ^２未満でも分散性の向上はみられないとともに、堰通過量が急激に減少し、１２ｍｍ^２をこえると分散性がわるくなるためである。さらに隣接する溝間の陸部の幅は、１．５〜３．５ｍｍである。これは１．５ｍｍ未満では分散性がわるくなり、３．５ｍｍをこえると堰通過量が低下するためである。
【００１４】
前記薬品供給手段（仕上薬品の添加手段）Ｂは、ベースコンパウンドが可塑化された位置において、前記流量調節手段Ｃよりスクリュー２の上流側に設けられ、一定量の仕上薬品をスクリュー２の溝に連続して注入することができるものであれば、本発明においては、とくに限定されるものではない。すなわち材料供給手段Ａであるホッパーからスクリュー２の中間部までは、ベースコンパウンドが充分に可塑化されておらず、材料供給量の変動により、搬送量が一定していないので、充分に可塑化された状態で、搬送量および圧力が安定した位置において、仕上練用薬品またはそのマスターバッチを供給するものであり、コンパウンドおよび添加する薬品の特性や量により適宜選定することができる。かかる薬品供給手段Ｂとして、本実施の形態では、シリンダー１に挿通される円筒形の薬品供給ピン１１と、薬品供給ピン１１に薬品を送り込む薬品送出し手段１２、たとえば垂直スクリューフィーダと、薬品供給ピン１１と薬品送出し手段１２とのあいだに設置される、たとえば２軸ギアポンプ１３とから構成されるものが用いられている。かかる２軸ギアポンプ１３を介在させて、薬品送出し手段１２の供給口１４から供給されたマスターバッチを可塑化し、加圧させながら、前記薬品供給ピン１１からスクリュー溝へ一定量の薬品を連続注入する。図１〜２において、５はフライト（螺旋）２ａに形成される薬品供給ピン１１の通過溝である。本実施の形態では、この薬品供給ピン１１を周上に１箇所設けているが、本発明においては、これに限定されるものではなく、薬品供給ピン１１を、少なくともスクリュー尾端３より２．５Ｄの位置から流量調節手段Ｃの堰まで、たとえば図１に示されるように、所定の範囲Ｐの１リードごとに４〜８箇所を放射状に配列することができる。
【００１５】
なお、本実施の形態では、２軸ギアポンプ１３により加圧して注入しているが、本発明においては、マスターバッチコンパウンドが、押出機で充分加圧され、一定量を連続的に供給できる条件が満足されるなら、かかる２軸ギアポンプ１３を省いて直接薬品供給としてマスターバッチを注入することもできる。また、前記薬品供給ピン１１とともに、薬品注入に使用されないピンを隣接して設けると、薬品供給ピン１１から薬品を注入した直後、隣接するピンでスクリュー溝中でのコンパウンドの練り返し作用により、マクロ的に添加物をコンパウンド中に分散させることもできる。
【００１６】
前記堰を通過したコンパウンドは、可塑化されているので、次工程に必要なシート状の中間製品にするため、フローチャンネル（スクリュー先端からダイに到るまでのコンパウンドの流路）に取り付けられた口金を介して押し出される。この口金の断面積は、概ねシリンダーの断面積の１０〜４０％とするのが、押出機の効率の向上および製品の寸法安定上望ましい。コンパウンドを口金を介して押し出すためには、コンパウンドを加圧する必要があり、かかる加圧域として、図１に示されるように、堰からの長さＬ２（３〜５Ｄ）のスクリュー部分が設けられている。
【００１７】
さらに、スクリューの先端にギアポンプを配置するとともに、このギアポンプの先端に口金を取り付けることにより、搬送量がさらに安定し、一定温度のコンパウンドを正確に一定量押し出すことができる。なお、コンパウンドの温度は、スクリューとシリンダーの温度制御、スクリューの回転数と口金の断面積（先端圧力）の設定値およびコンパウンドの粘度の関係から、容易に一定温度に保つことができる。また、口金の断面積がシリンダーの断面積の１０％より少なくなっても、該押出機先端にギアポンプも取り付ければ、ギアポンプの特性上押出機の排出量に影響することなくコンパウンドを押し出すことができるので、高粘度のコンパウンドなどにはとくに有効である。また、口金の抵抗が押出機に作用しないので、直接、必要な中間製品を押し出すことができる。同時にメッシュスクリーンを入れても、押出機に負荷がかからないので、中間製品の最終段階で異物を除去することができる。
【００１８】
つぎに他の薬品供給手段Ｂ１を用いた本発明の他の実施の形態を説明する。本実施の形態における薬品供給手段Ｂ１は、図３に示されるように、薬品供給ピン２１に接続されるギアポンプ２２およびギアポンプ２２に配管接続される調圧のためのサージタンク２３とから構成されている。本実施の形態における薬品供給手段Ｂ１は、前記薬品供給手段Ｂと同様にスクリュー２の所定の範囲Ｐに適宜配列させることができる。図３において、２４はモータおよび回転羽根からなる撹拌手段である。本実施の形態では、前記サージタンク２２により、薬品とオイルを混合し、液状にして薬品供給ピン２１から一定量連続して注入することができる。
【００１９】
つぎにさらに他の薬品供給手段Ｂ２を用いた本発明の他の実施の形態を説明する。本実施の形態における薬品供給手段Ｂ２は、図４に示されるように、薬品供給ピン３１に配置された固形物３２をアクチュエータに連結されるピストン３３でスクリュー２の溝に押し込める薬品送出し手段（図示せず）から構成されている。本実施の形態における薬品供給手段Ｂ２は、前記薬品供給手段Ｂと同様にスクリュー２の所定の範囲Ｐに適宜配列させることができる。前記固形物３２は、高級脂肪酸またはワックスに溶解または分散させたものである。本実施の形態では、前記薬品供給ピン３１の供給口３４から挿入された固形物３２を該薬品供給ピン３１を配列した個所から、一定量をピストン３３で連続してスクリュー２の溝に押し込み可塑化されたベースコンパウンドに添加する。なお、図４において、３５は加圧された固形物３２をスクリュー溝内で摺りつぶす（粉砕する）凹凸溝である。
【００２０】
なお、本実施の形態は、堰を１箇所設けるようにしているが、本発明においては、当該第１堰より下流側に第２堰を設けることもできる。この第２堰を設ける場合は、第１堰（流量調整手段Ｃである堰）直後の１リード内のスクリュー溝は、コンパウンドで完全に充填されていないので、圧力は加えられていないとともに、コンパウンドの表面積も最大になっているので、大気圧下で、小粒状、粉末または液状の他の薬品の添加を行なうことができる。したがって、他の薬品供給としてマスターバッチを供給するときには、ホッパーの供給口から直接供給することができる。また、図１に示されるように、第１堰（流量調整手段Ｃである堰）直後で、真空ポンプ器４１により減圧すると、ベント押出機と同様に揮発物を抜気できるので、発泡の少ない緻密な中間製品を得ることができる。
【００２１】
前記第２堰を設ける場合、第１堰から３〜６Ｄの位置に設け、溝角は第１堰とほぼ等しくするととに、溝数および溝断面積は第１堰と等しいか、または大きくする。第１堰から第２堰までのスクリュー長は、すでにベースコンパウンドが可塑化されているため、第２堰を通過させるための加圧に必要な長さで充分であるから、３〜６Ｄとする。また、第２堰の幅は、短いとニーダー効果が減少し、分散性がわるくなり、長いと通過抵抗の増大により搬送量が低下するため、５〜４０ｍｍとするのが好ましい。また、この第２堰からスクリュー先端までの加圧域は３〜５Ｄになるように設定する。
【００２２】
また、薬品をオイルに溶解もしくは分散したり、または混合した薬品を加温液化もしくはペースト状にして、スクリュー溝中に注入する方法では、所定の薬品を注入することができるスクリュー軸長さ方向に限界がある。これは、ベースコンパウンドの種類にも依存するが、油脂類が多いと、スクリューまたはシリンダー壁が部分的に油脂類で濡らされ、配合物とのあいだで滑りが生じるためであり、その結果、スクリューの搬送量が変動し、薬品が定量的に注入されても、配合比が変動する。
【００２３】
そこで、このような配合比の変動をなくすため、本発明の他の実施の形態の押出機では、液状薬品をシリンダ１内に直接添加するために、図５に示されるように、先端が閉じられた薬品供給ピン５１の側面に形成された注入口５１ａが、スクリュー２の回転方向（図５に示されるスクリューは、注入口が配置されているスクリューの上部が図において手前側にくるように回転する）に向いて開口しており、かつ、注入口５１ａが、スクリュー２の谷２ａから注入口５１ａの中心位置までの距離Ｙがスクリュー２の山２ｂの高さＨの０．３〜０．８倍程度になるように、配置されている。
【００２４】
薬品供給ピン５１は、中空の調節ネジ５２に嵌合された状態でシリンダ１の貫通孔１ａを通してシリンダ１内に挿入されている。また、シリンダ１の外側面であって、貫通孔１ａの外側開口の周囲には、ナット５３が固着されている。調節ネジ５２はナット５３に螺合されているため、調節ネジ５２を回転させることにより、薬品供給ピン５１および調節ネジ５２の高さを変更することができる。
【００２５】
シリンダ１内では、図５に示されるように、薬品供給ピン５１の周辺に渦流Ｖが生じるが、薬品供給ピン５１の注入口５１ａを、スクリュー２の谷２ａから山２ｂの高さＨの０．３〜０．８倍程度の位置において回転方向側に向いているので、該注入口５１ａ付近に発生する渦流Ｖ内部の低圧力部Ｐに薬品を注入することができる。それにより、混合効果を高め、スクリューシリンダー１の壁の漏れを防止することができる。
【００２６】
なお、薬品は、前記実施の形態と同様に、ギアポンプを介して加圧しながら供給する。また、注入される薬品は、前記実施の形態と同様に、オイルを混合した液状にした液状分散薬品などが用いられる。
【００２７】
さらに、調節ネジ５２を回転させて薬品供給ピン５１の注入口５１ａの高さを変えることにより、スクリュー溝２ｃ中の旋回流Ｖと推進流Ｗの境界層に注入することができ、その結果、混合効果を高め、シリンダ壁の濡れを防止することができる。
【００２８】
なお、これまでの実施の形態では、薬品供給としてマスターバッチを可塑化し、圧入するか、薬品とオイルとの混合液を圧入するか、または固形成型した薬品を圧入しているが、本発明においては、これらのうち、少なくとも２種類を組合せて圧入することもできる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、ベースコンパウンドと薬品が同じ比率で押出機内に供給されるとともに、均一なゴム配合物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の押出機の一実施の形態におけるスクリューを示す側面図である。
【図２】本発明における薬品供給手段の一実施例を示す要部断面図である。
【図３】本発明における薬品供給手段の他の実施例を示す側面図である。
【図４】本発明における薬品供給手段のさらに他の実施例を示す要部断面図である。
【図５】本発明における薬品供給手段のさらに他の実施例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１シリンダー
２スクリュー
２ａフライト（螺旋）
３スクリュー尾端
４、１４、３４供給口
５通過溝
１１、２１、３１、５１薬品供給ピン
１２薬品送出し手段
１３２軸ギアポンプ
２２ギアポンプ
２３サージタンク
２４撹拌手段
３２固形物
３３ピストン
３５凹凸溝
４１真空ポンプ器
５２調節ネジ
５３ナット
Ａ材料供給手段
Ｂ、Ｂ１、Ｂ２薬品供給手段
Ｃ流量調節手段

Claims

シリンダー内にスクリューを収納し、可塑化された被押出材料を押出し成形する押出機であって、前記スクリューの上流側に設置され、被押出材料を供給する材料供給手段と、前記スクリューにより搬送され、可塑化された被押出材料に薬品を供給する薬品供給手段と、前記スクリューの下流側において可塑化された被押出材料の搬送流量を調節する流量調節手段とからなり、前記薬品供給手段が、前記被押出材料が可塑化された位置において、前記流量調節手段よりスクリューの上流側に設けられる円筒形の薬品供給ピンを備えてなる押出機。
前記薬品供給手段が、前記薬品供給ピンと、該薬品供給ピンに薬品を送り込む薬品送出し手段とからなる請求項１記載の押出機。
前記薬品供給ピンと薬品送出し手段とのあいだにギアポンプが設置されてなる請求項２記載の押出機。
前記薬品供給手段が、前記薬品供給ピンと、該薬品供給ピンに接続されるギアポンプと、該ギアポンプに配管接続されるサージタンクとからなる請求項１記載の押出機。
前記薬品供給ピンの注入口が、前記スクリューの回転方向に向いて開口しており、かつ、前記注入口が、前記スクリューの谷から前記注入口の中心位置までの距離が前記スクリューの山の高さの０．３〜０．８倍程度になるように配置されてなる請求項１記載の押出し機。
シリンダー内に、可塑化された被押出材料の搬送流量を調節する流量調節手段が形成されるスクリューを収納し、該可塑化された被押出材料を押出し成形する押出方法であって、前記流量調節手段よりスクリューの上流側における、前記被押出材料が可塑化された位置に設けられる円筒形の薬品供給ピンから薬品を供給する押出方法。
前記薬品供給ピンから、ポリマーと薬品との配合物を中空ピンで接続された別の押出機から直接または押出機からギアポンプを介して加圧しながら供給する請求項６記載の押出方法。
前記薬品供給ピンから、薬品にオイルを混合し、液状にしてギアポンプにより加圧しながら供給する請求項６記載の押出方法。
前記薬品供給ピンから、薬品を高級脂肪酸またはワックスに溶解または分散させて固形物として押し込み供給する請求項６記載の押出方法。
前記薬品供給ピンの注入口を前記スクリューの回転方向に向け、前記注入口を、前記スクリューの谷から前記注入口の中心位置までの距離が前記スクリューの山の高さの０．３〜０．８倍程度になるように配置する請求項６記載の押出し方法。