JPH05228920A - スクリュー式混練機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】本発明は、樹脂材料およびその添加物を速やか
に均質化して高度な混練性を得ると共に、この均質化さ
れた樹脂材料をスクリューに残留させることなく効率よ
く送り出す自掃性を兼ね備えたスクリュー式混練機を提
供する。 【構成】このスクリュー式混練機は、スクリュー２の中
程に、スクリュー２の軸線に垂直な環状突起７を設ける
と共に、その排出側のねじ溝６の少なくとも一部を、多
数の小さいねじり角βの溝10がこれより大きなねじり角
γの方向に互いに隣接して形成される凹凸底面を有する
ねじ溝11としたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスクリュー式混練機、主
としてポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ、ポリア
ミドなどの合成樹脂あるいはこれらの樹脂に有機質また
は無機質繊維、他の合成樹脂、反応性物質、各種添加剤
等を添加したものからなる合成樹脂材料（以下、熟語を
除き単に樹脂材料とする）を、加圧下に加熱混練し、金
型やノズルを通して、射出、押出、ブローなどの各種の
成形法で成形したり、混練物を造粒またはペレット化す
るのに有用なスクリュー式混練機に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、この種の混練機では途中でねじ
り角、溝深さ、条数などが変わるねじ山を備えたスクリ
ューが円筒状のシリンダー内に回転自在に設けられてい
て、機内に受け入れられた樹脂材料はシリンダー内を移
動する間に加熱され、スクリューの溝が浅い帯域を通過
するときに加圧圧縮を受けて溶融された後、シリンダー
半ばの開口部を備えたスクリューの溝が深い帯域を通過
するときに圧抜きやガラス繊維等の添加が行われ、さら
にシリンダー内をスクリューの先端方向へ送られていく
間に均一化されて、先端部より金型やノズルを介して系
外に排出されるという方法がとられている。

【０００３】しかし、スクリューとシリンダー間の相対
速度による剪断効果に基づく混練作用は、非能率・不均
一な上、溶融した樹脂材料がスクリューのねじ山の背面
に付着してスクリュー内の樹脂材料を完全に押出すこと
ができず（自掃性に乏しい）、このため色替え、樹脂替
えが能率よく行われないという問題があった。前者の欠
点の除去、すなわち均一性の向上のためにスクリューの
先端に取り付ける各種の均質装置が提案され一部は実用
化されたが、樹脂材料の流れの抵抗となるため、スクリ
ュー内での残留樹脂量を増大させ、後者の欠点である自
掃性を、さらに低下させていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、スクリューの
ねじ山のねじり角が小さくリードの小さいスクリュー
は、送り効率が高く自掃性は大きいが、溝の幅が狭くな
って押出し能力が低下するほか混練効果も小さくなる。
これに対し、ねじり角が大きいリードの大きいスクリュ
ーは、溝幅が大きく押出し量は増すが、ねじり角が大き
過ぎるとねじ山の背面に滞留を生じて著しく自掃性を損
ない押出し効率を低下させるので、結果的には押出し量
の増加もそれ程期待できない。またリードの大きいスク
リューは、混練効果は増すが、滞留のため著しい混練む
らを生ずる。

【０００５】押出し効率を高めて押出し量を増加させ、
自掃性を高めて無駄な材料消費を省き、原価低減と省資
源を図ると共に均質で良好な混練機能を備えた混練機の
開発は、産業上解決しなければならない重要な課題であ
る。

【０００６】本発明の目的は樹脂材料およびその添加物
を速やかに均質化して高度な混練性を得ると共に、この
均質化された樹脂材料をスクリューに残留させることな
く効率よく送り出す自掃性を兼ね備えたスクリュー式混
練機を提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は先に、スクリ
ューの一部に材料移動方向に減少する幅および／または
深さの溝を持った圧縮部を形成すると共に、これに相対
するシリンダーの内周面に、スクリューのねじ山をまた
ぐ程度の長さの凹溝を、軸方向に複数個間隔をおいて設
けることにより、スクリューで加圧され圧縮部に押し込
まれた樹脂材料を、凹溝を通じて前方へ押出して均質な
加熱と混練を行うようにした押出機（特開平3-281215号
公報）と、スクリューの一部に多数の溝状凹陥部が互い
に隣接して形成される凹凸底面を有する螺旋状の溝を設
けると共に、相対するシリンダーの内周面に、この相隣
れる溝間をまたぐ長さの凹溝を複数個、軸方向に設ける
ことにより、両者の相互作用で均質混練を図ると共に自
掃性を付与した押出機（特願平2-167334号）とを提案し
た。

【０００８】本発明者は、とりわけ前者の押出機では均
質な加熱と捏和性が得られ、後者の押出機では優れた自
掃性と高度な混練性が得られることに着目して、さらに
研究を進めた結果、本発明に到達した。すなわち、本発
明による混練機は、スクリューの中程に、スクリューの
軸線に垂直な環状突起を設けると共に、その排出側のね
じ溝の少なくとも一部を、多数の小さいねじり角の溝が
これより大きなねじり角の方向に互いに隣接して形成さ
れる凹凸底面を有するねじ溝としたことを特徴とするも
のである。

【０００９】この混練機は、上記の構成に加えてさら
に、環状突起および／またはその排出側のスクリュー部
分に相対するシリンダーの内周面に、少なくとも環状突
起および／またはスクリューのねじ山をまたぐ長さの凹
溝が、複数個軸方向に向けて配設されていることを好適
とするものである。

【００１０】

【作用】本発明の混練機では、供給された樹脂材料がス
クリューの回転と共に加熱されながら加圧され、スクリ
ューの中程に設けられた軸線に垂直な環状突起の直前ま
で押し込まれて圧縮される。環状突起とシリンダーの内
周面との間には間隙が設けられているか、この間隙を欠
く代わりにシリンダーの内周面にスクリューのねじ山を
またぐ程度の長さの凹溝が設けられているか、あるいは
間隙と凹溝の両者を備えた構成となっているため、樹脂
材料はこの間隙または凹溝で分断され、剪断作用を受け
て均一に加熱され、軟化または溶融される。

【００１１】上記樹脂材料は環状突起を越えた後、再び
スクリューの作用を受けて前進する。排出側のスクリュ
ーの少なくとも一部、とくには先端部のねじ溝は、多数
の小さいねじり角の溝がこれより大きなねじり角の方向
に互いに隣接して形成される凹凸底面を有するねじ溝と
なっているので、必要に応じて相対するシリンダーの内
周面に設けられる、少なくともスクリューのねじ山をま
たぐ長さの凹溝との相互作用も加わって、上記の均質混
練性と自掃性の相反する２つの特性が同時に発現され、
樹脂材料は均質・迅速に混練されながら系外に排出され
る。

【００１２】

【実施例】つぎに、本発明の具体的態様を図示したスク
リュー式単軸混練機を例として説明する。図１および図
２はそれぞれ異なる実施例に係るもので、これらの図に
おいて１は円筒状をしたシリンダー、２はこれを貫通し
て回転自在に設けられたスクリュー、３はスクリュー２
の根元に設けられた樹脂材料の供給口、４はその先端に
設けられた排出口である。

【００１３】スクリュー２は図示のように、ねじ山５の
ねじり角や軸のテーパーなどを変えて異なる圧縮比を与
える２つの帯域２ａ、２ｂからなっている。これらの帯
域におけるねじ山５およびねじ溝６には従来周知の形状
のものが採用されるが、加圧効果を向上するため、帯域
２ａでは２〜４程度、帯域２ｂでは 1.2〜２位の圧縮比
を設けるのが好ましい。

【００１４】このスクリュー２はまた送り込まれる樹脂
材料の容積の変化に応じてスクリュー２の直径やねじ溝
の構造を変えてもよい。しかし、全長にわたってねじ山
５、ねじ溝６が形成されているフルフライトとするのが
よく、これにより有効長が全部活用されるほか、共廻り
による押出し量の減少を防止することができる。

【００１５】帯域２ａ、２ｂの境界部であるスクリュー
２の中程には、その軸線に垂直の環状突起７が設けられ
ていて、供給口３からシリンダー１内に供給されスクリ
ュー２の回転によって帯域２ａを加熱されながら移送さ
れる樹脂材料に抵抗を与えて圧縮し、樹脂材料が溶融可
塑化するのを促進する。

【００１６】この境界部では、図１に示すように環状突
起７がねじ山５‥‥の高さよりも低く、これに相対する
シリンダーの内周面１ａとの間に間隙８を形成している
か、図２に示すように環状突起７がねじ山５‥‥とほぼ
同じ高さをしていて、シリンダーの内周面１ａに少なく
とも環状突起７および／またはスクリューのねじ山５を
またぐ長さの長円形の凹溝９を複数個、スクリュー２の
軸線と平行に設けているか、あるいはこの両方を備えた
構成となっていて、溶融または半溶融した樹脂材料のみ
を間隙８および／または凹溝９を通して帯域２ｂ側へ導
くようにしている。

【００１７】環状突起７がシリンダーの内周面１ａとの
間に間隙８を形成しているときは、この間隙８において
未溶融の樹脂材料を分断し、剪断作用を与えて溶融軟化
させて、帯域２ｂに送り出す作用を行う。このため、間
隙８の大きさは環状突起７の高さをねじ山５とほぼ同じ
高さにした場合と比べて２〜５倍の緩めに設定するのが
好ましい。

【００１８】他方、凹溝９としては、図３（ａ）に示す
ようにシリンダーの内周面１ａの円周方向に多数の凹溝
を互いに間隔をおいて（あるいは互いに隣接して）軸方
向に１（または数列）スクリューの軸線と平行に配置し
たもの、図３（ｂ）に示すように軸線と平行の多数の凹
溝を互いに隣接して（あるいは間隔をおいて）、より好
ましくはスクリューのねじ５と逆方向の、螺旋状を呈す
る１または数条の溝として配置したもの、あるいは図３
（ｃ）に示すように多数の凹溝をスクリューの軸線と平
行に千鳥状に分散して配置したものなどが例示される。

【００１９】しかし、この環状突起７に相対するシリン
ダーの内周面１ａに設けられる凹溝としては上記図３
（ａ）に示すものが最適であり、これによりスクリュー
の回転に伴うねじ山の位置に関係なく均一で連続した樹
脂材料の送り出しが行われる。

【００２０】これらの凹溝９の深さは溶融または半溶融
した樹脂は通れるが、未溶融樹脂は通過する間に剪断作
用を受けて溶融する程度が適当であり、例えば２mm以
下、とくには 0.3〜 0.7mm程度とするのが好ましい。ま
た、その断面形状は深さに対し幅広く丸みを帯びた半月
状に形成し、軸方向に漸次深くまた浅くなる流線形状と
するのが、自掃性を与える上で適当である。

【００２１】なお、環状突起７によりシリンダー１内を
閉塞すると共に凹溝９の深さを適当に浅くしたときは、
未溶融または軟化した樹脂材料は十分に加温されて溶融
または軟化した状態になるまで環状突起７の手前に取り
残されるので、完全に溶融した樹脂のみが凹溝９に送り
込まれることになり、結果として本混練機では異種樹脂
の均一混合・捏和・溶融をも可能にする。

【００２２】これは溶融温度の異なる樹脂の微細化混練
（アロイ化）に高性能を発揮するもので、例えば６６ナ
イロン（融点： 265℃）、ポリエチレン（融点： 135
℃）のアロイ、あるいはウレタン（融点： 180℃）、軟
質塩化ビニル（融点： 105℃）のアロイなどが極めて容
易に混練される。

【００２３】環状突起７より排出側の帯域２ｂに相対す
るシリンダー１の内周面には、図１に示されるように、
必要に応じて前述したのと同様の長さ、配置、深さ、形
状を持つ凹溝９、好ましくは上記図３（ｂ）または
（ｃ）、とくには３（ｂ）に示されるものを数条にわた
って設けることができ、これにより移送効率の向上に寄
与する。

【００２４】上記図３の（ｂ）および（ｃ）に示す凹溝
９では、スクリュー２の回転につれてねじ山５の位置が
変わるので、凹溝９がスクリューのねじ山５をまたいだ
ときにのみ樹脂材料が凹溝９を通るというように、間欠
的な樹脂材料の流れを生じ、シリンダー１内では樹脂材
料の複雑な分流、合流が繰り返されることとなって、未
溶融樹脂は剪断作用を受けて溶融し、均一化された混練
が行われる。

【００２５】さらに、排出側のスクリュー２の少なくと
も一部、好ましくは帯域２ｂの排出側に位置するスクリ
ュー２の先端部では、ねじ溝が図１、図２および図４に
示されるように、多数の小さいねじり角βの溝10、10‥
がこれより大きなねじり角γの方向に互いに隣接して形
成される凹凸底面を有する溝11となっている、帯域２ｃ
を構成している。

【００２６】溝10‥のねじり角βは自掃性がよく、かつ
押し込み効果の大きい範囲として10〜35°を適当とし、
ねじ溝11のねじり角γは混練作用、ベント口14からの添
加物の巻き込み効果などから、これより大きい20〜45°
の範囲（ねじり角βより10〜20°大きい角度）を適当と
する。

【００２７】また、溝10、10‥の底面の形状は図５に模
式的に示されるように、平面状のもの：10ａ、凹面状の
もの：10ｂ、あるいはスクリューの外周面と平行するも
の：10ｃなどとすることができるが、これらの最大の深
さはスクリュー２の他の帯域２ａ、２ｂにおけるねじ溝
６とほぼ同程度の１〜 1.5倍とし、各溝10、10間の境界
部12の深さを最大の深さの概ね 1/2以下、 1/5以上とす
るのが適当である。

【００２８】ねじ溝11の幅はスクリュー２の他の帯域２
ａ、２ｂにおけるねじ溝６の幅と比べて１／２程度、ね
じ条数を２以上の複数とするのがよく、ねじ溝11間のね
じ山13は他の部分のねじ山５と同様の高さと幅を持つも
のとするのが適当である。

【００２９】このような構造になっているねじ溝11で
は、例えば溝 101に送り込まれた樹脂材料は、そのねじ
り角βが小さいので充分前進力が与えられて溝 101と 1
02の境界部12まで送られる。この部分の溝底は浅くなっ
ている上、次の溝 102とは大きなねじり角γで接してい
るため、送られてきた樹脂材料は、そこを通る間に剪断
作用を受けて溝 102へ送られるという動作を繰り返しな
がら帯域２ｃを通過して均質な混練が行われる。

【００３０】帯域２ｃのスクリューは溝10のねじり角β
が小さいので、それ自体でも十分自掃性があり押出し能
力もあるが、この帯域に相対するシリンダーの内周面１
ａに、少なくともねじ山13をまたぐ長さの前述したのと
同様の配置、深さ、形状をした、好ましくは上記図３
（ｂ）または（ｃ）に示す配置の、凹溝９を設けること
もできる。

【００３１】この場合には、溝 101と 102の境界部12ま
で送られてきた樹脂材料は、シリンダーの内周面１ａの
凹溝９に一旦移って前進した後、溝 102において元に戻
るという動作を繰り返す。このねじ溝11とシリンダー１
の凹溝９との間の移動の際に、樹脂材料の内外層が入れ
替わり、また樹脂材料に転がり回転作用を付与させて混
練が進む。同時に、樹脂材料がスクリュー２と共廻りす
るのを防ぎ、送り出し性能を高めるため、自掃性も改善
される。同様にして、シリンダー１のベント口14から投
入された添加物も転がり回転作用により急速に樹脂に包
み込まれ分散混練される。

【００３２】とくに、この凹溝９を図３（ｂ）または
（ｃ）に示す配置のものとしたときは、凹溝９の長さが
少なくとも相対するねじ山13をまたぐ長さなので、ねじ
溝11の押し込み作用でシリンダー１の凹溝９に押し込ま
れた樹脂は、同一ねじ溝 111内の溝 101より 102へ移る
だけでなく、相隣れるねじ溝 112内の溝 103へも移送さ
れ一層の分断分散が促進される。

【００３３】したがって、このような構成からなる帯域
２ｃをスクリューの先端に設けると、樹脂材料が完全に
均質化するため、均質化のためのブレーカプレートを必
要としなくなるという利点ももたらされる。

【００３４】なお、前記帯域２ｂおよび２ｃに相対する
シリンダー１には、図２に示されるように１または２以
上のベント口14、14を設けてもよく、これらにより加熱
蒸発する水分やその他の揮発分を蒸散排除したり、原料
樹脂への必要な添加剤をここより機内に供給することが
できる。さらに、これらのベント口14には着脱自在の蓋
15を設けてもよい。

【００３５】かくして、得られた樹脂は最後にシリンダ
ーの先端に設けられた金具、例えば図２に示すストラン
ドダイス16を通してひも状に押出し、冷却後分断して粒
状のペレットにするほか、周知の金型やノズルを通し
て、射出、押出、ブローなどの成形法によりで各種成形
品とすることができる。

【００３６】以上、一般の合成樹脂材料での適用につい
て説明したが、本発明はポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ポリ塩化ビニル、ナイロン、ポリアセタール樹脂な
どの合成樹脂材料を、必要に応じてこれにガラス繊維、
炭素繊維、ウィスカーなどの有機または無機質繊維材料
を添加して加熱溶融したり、一方の樹脂を溶融した上で
他の樹脂を添加、急速均一に混練したり、あるいは紐状
に押出し切断してペレット化したり、常温で高粘度の各
種の生ゴムあるいはポリエステル、エポキシ樹脂などの
熱硬化性樹脂に前記有機または無機質の補強剤を添加し
て加熱溶融したり、加熱溶融された樹脂に、これと反応
する物質や相溶する樹脂を添加して急速に混練均質化し
たり、あるいは反応させて変性樹脂を得たり、また硬化
剤を添加して急速均質に混練し紐状に押出し乾燥切断し
てプリプレグとしたり、さらにはでんぷんや岩石、粘
度、セラミックなどの有機または無機質粉体に、水や油
のような液状物質を加えて可塑化したり、これらの高粘
度ないしはスラリー状物質としたりするための、スクリ
ュー式混練機として広く用いられる。

【００３７】さらに、上記説明は単軸混練機について行
ったが、勿論双軸混練機等の多軸混練機にも同様に適用
することができる。本発明による混練機は、本実施例に
記載のものに限定されるものではなく、本発明の要旨を
逸脱しない範囲内において各種各様の変形、付加を行う
ことができる。すなわち、スクリューの直径、構造、種
類、個数等、ねじ溝のねじり角、条数、深さ等、相対す
るシリンダーの形状構造、種類等、原料の供給口、ベン
ト口、溶融樹脂の排出口等の位置などを、従来周知の任
意のものに変更することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明による混練機は、
スクリューの中程に、スクリューの軸線に垂直な環状突
起を設けると共に、その排出側のねじ溝の少なくとも一
部を、多数の小さいねじり角の溝がこれより大きなねじ
り角の方向に互いに隣接して形成される凹凸底面を有す
るねじ溝としたものであるため、 樹脂材料および添加物は共周りすることなく前進力を
与えられて混練するのでベントから溢れ出ることも少な
く、とくに添加物は投入と同時に母材との混練が始まる
ため、単なる無機質のみならず反応性物質あるいは溶融
温度の異なる樹脂、さらには液状物質を添加するのに極
めて有用である、 樹脂材料が、効率よく溶融混練されて均質化するの
で、安定した押出しが可能となり、その押出量も多く成
形加工性が大幅に向上する、 自掃性に優れているため、色替え、樹脂替えに際して
樹脂の無駄が少なく、短時間で能率的に行える、 設備的に汎用性が高く、少量生産にも適し、得られる
製品の品質も著しく良好である、などの優れた効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスクリュー式混練機の第１の実施例を
示す縦断正面図である。

【図２】本発明のスクリュー式混練機の異なる実施例を
示す縦断正面図である。

【図３】本発明のスクリュー式混練機に用いられるシリ
ンダーの内面形状を示す部分横断斜視図で、（ａ）〜
（ｃ）はそれぞれその異なる態様を示すものである。

【図４】本発明のスクリュー式混練機に用いられるスク
リュ−の要部を示す拡大正面図である。

【図５】図４に示した溝の異なる態様を模式的に示した
縦断面図である。

【符号の説明】

１…シリンダー、 ２…スクリュー、 ５、13…ね
じ山、６、11…ねじ溝、 ７…環状突起、 ９…
凹溝、 10…溝。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スクリューの中程に、スクリューの軸線に
   垂直な環状突起を設けると共に、その排出側のねじ溝の
   少なくとも一部を、多数の小さいねじり角の溝がこれよ
   り大きなねじり角の方向に互いに隣接して形成される凹
   凸底面を有するねじ溝としたことを特徴とするスクリュ
   ー式混練機。
2. 【請求項２】前記環状突起および／またはその排出側の
   スクリュー部分に相対するシリンダーの内周面に、少な
   くとも環状突起および／またはスクリューのねじ山をま
   たぐ長さの凹溝が、複数個軸方向に向けて設けられてい
   る請求項１記載のスクリュー式混練機。