JPH05318544A - 可塑化・混練スクリュ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 射出成形機における可塑化・混練スクリュに
関し、スクリュの加工を困難にすることなく樹脂の溶
融、混練が良好で溶融時の温度差が小さく、可塑化性能
を低下させることもないスクリュを得ることを目的とす
る。 【構成】 基端部から先端部へとフイードゾーンＡ、コ
ンプレッションゾーンＢおよびメータリングゾーンＣを
形成した可塑化・混練スクリュにおいて、コンプレッシ
ョンゾーンＢの外径（フライト４ｄ〜４ｇの外径）をメ
ータリングゾーンＣの外径（フライト４ｈ〜４ｋの外
径）より小さくした。この構造のスクリュ１を基端部か
ら先端部まで等径の内径を備えたシリンダ２に嵌挿する
ことにより、コンプレッションゾーンＢの隙間７Ｂをメ
ータリングゾーンＣの隙間７Ｃより大きくした。この場
合、フイードゾーンＡおよびメータリングゾーンＣの隙
間７Ａ、７Ｃは、従来のシリンダとスクリュとの間の隙
間と同じ値にしてよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、射出成形機における可
塑化・混練スクリュ（以下、単に「スクリュ」という）
に関し、詳しくは合成樹脂材料（ポリマー）の溶融・混
練性能を向上させたスクリュに関する。

【０００２】

【従来の技術】スクリュは、外周に螺旋状にフライトと
溝とを備えており、可塑化シリンダ（以下、単に「シリ
ンダ」という）に回転可能に挿嵌され、シリンダ内で回
転してホッパから自然落下するペレットを移送しながら
圧縮・混練して溶融する。

【０００３】ホッパから供給されるペレットは粒状で嵩
張るため、スクリュの材料供給部（フイードゾーン）は
溝が深く、ペレットが圧縮・溶融されるに従って嵩が小
さくなるので、コンプレッションゾーン（圧縮部）から
メータリングゾーン（計量部）にかけて溝は漸次浅くな
る。通常の射出成形機では、スクリュの外径は基端から
先端まで一定なので、溝が深いフイードゾーンでは相対
的にフライトは高くなる。

【０００４】シリンダ内でスクリュが回転すると、ホッ
パからシリンダ内に供給されたペレットは、フイードゾ
ーンで圧縮されつつ送られ、シリンダに巻装したヒータ
からの伝熱と圧縮されながら摺擦されて生ずる摩擦熱と
により、温度が上昇して溶融し始め、コンプレッション
ゾーンへと送り込まれる。

【０００５】コンプレッションゾーンでは、溝内に未溶
融のペレットと溶融樹脂とが混在しており、先端に進む
につれて溝深さが浅くなるので圧縮力が増加し、これに
伴って剪断発熱も促進され、可塑化と混練が行われる。
そしてメータリングゾーンでは、圧縮された溶融樹脂が
スクリュの回転によって更に混練され、均一に溶融され
て先端から送り出される。

【０００６】スクリュの溝は、図４に示すように、隣接
するフライト４ｍ、４ｎと溝３ｎの底面とシリンダ２の
内径面２２とで区画されている。コンプレッションゾー
ンにおける一区画内での樹脂の溶融状態は、「プラスチ
ック成形加工データブック」（社団法人日本塑性学会編
昭和６３年３月２５日初版１刷発行 日刊工業新聞
社）第１６９頁によれば、図４に示すように、樹脂がシ
リンダの内径面２２に沿って溶融して薄いフィルム層１
４ｐを形成し、スクリュ１ｐの基端側（フイードゾーン
側。一区画内ではこの側の圧力が高い。）には溶融樹脂
１０が溶融プール１３を形成し、スクリュ１ｐの先端側
には半溶融状態のペレットが団塊状に圧縮されているソ
リッドベッド１２が存在している。そしてソリッドベッ
ド１２と溶融樹脂１０の領域との間には境界面１５が存
在し、スクリュ１ｐの先端側の区画ほど可塑化・混練が
進行してソリッドベッド１２が小さくなっていく。そし
てフライト４ｎの頂面とシリンダ２の内径面２２との間
の隙間７ｐを通って先端側の区画から樹脂の循環流（逆
流）１１ｐが生じている。

【０００７】樹脂の溶融を促進するには、ソリッドベッ
ド１２をできるだけ早く解消するのがよい。その一つの
方法は、バリアフライト付スクリュを用いる方法であ
る。バリアフライト付スクリュは、溶融不足によるサー
ジング限界を高め、押出し能力を向上するのに有効であ
るが、バリアフライトをフライトの間に形成するので、
スクリュの加工に特殊な機械と技術を必要とし、スクリ
ュの製作が困難になるという欠点がある。

【０００８】シリンダ２の内径面２２とスクリュのフラ
イト４ｍ、４ｎの頂面との間には、スクリュ１ｐの回転
を可能にする隙間７ｐが必ず必要である。溝３ｎ内の樹
脂の圧力は、スクリュの先端側の溝ほど高くなるので、
この隙間７ｐを通る溶融樹脂の循環流１１ｐが起こり、
剪断熱の発生と樹脂の混練が起こる。そして逆流した溶
融樹脂が基端側の区画のソリッドベッド１２の溶融と溶
融プール１３内の渦流の生成を促進する。このため、シ
リンダの内径面とフライトの頂面との間の隙間７ｐをス
クリュ１ｐの回転に必要な隙間より大きくするのが普通
で、これによってスクリュの溝３ｎ内での樹脂の溶融、
混練を促進している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】出願人は、従来使用さ
れているスクリュ１ｐよりスクリュの外径を０．１ｍｍ
程度小さくして隙間７ｐを大きくしたスクリュと、シリ
ンダ２内で回転可能な限度においてスクリュの外径を大
きくして隙間７ｐを小さくしたスクリュとを用いて、樹
脂の可塑化・混練性能を比較する実験を行った。実験方
法としては、ペレットを色混合してホッパからスクリュ
１ｐに供給し、パージング操作を連続して繰り返した。

【００１０】その結果によれば、隙間７ｐが大きいもの
は、隙間７ｐの小さいものに比べて、混練性が非常に優
れており、スクリュ１ｐの回転数の違いによる樹脂温度
の差が少なく、従ってスクリュの回転を早くして成形サ
イクルを上げることができる。

【００１１】一方、隙間の小さいものは、混練性が劣
る。混練性が悪いと、極端な例として未溶融樹脂が出て
くることがある。未溶融の樹脂は、スクリュ１ｐの回転
数が低いと出にくく、高いと出やすい。隙間７ｐが小さ
いものは、スクリュ１ｐの回転数がかなり低いときでも
未溶融樹脂の送出が確認されることもあり、スクリュの
回転数と隙間は、ＭＩ（メルトインデックス）値にかな
り影響していると見られる。

【００１２】他方、隙間７ｐが大きいと、隙間７ｐを通
る樹脂の循環流１１ｐが多くなるので、可塑化性能は低
下する。更に、スクリュがその基端のみで支持されて片
持梁のように回転するため振れ回りが生じ、図３に示す
ようにスクリュの周方向で隙間７ｐの大きいところと小
さいところとができる。そして隙間が小さいところを通
る樹脂には大きな剪断が作用して剪断発熱が非常に大き
くなるため、スクリュ内の樹脂の温度差が大きくなり、
樹脂焼けが発生するようになる。

【００１３】本発明は、このような知見に基づき、スク
リュの加工を困難にすることなく樹脂の溶融を促進で
き、樹脂の混練が良好で溶融時の温度差が小さく、可塑
化性能を低下させることもないスクリュを得ることを目
的としてなされたものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明では、基端部か
ら先端部にかけて溝深さの深いフイードゾーンＡ、溝深
さが逓減するコンプレッションゾーンＢおよび溝深さの
浅いメータリングゾーンＣを一本の軸に形成した可塑化
・混練スクリュにおいて、コンプレッションゾーンＢの
外径（フライト４ｄ〜４ｇの外径）をメータリングゾー
ンＣの外径（フライト４ｈ〜４ｋの外径）より小さくし
たスクリュ１を基端部から先端部まで等径の内径を備え
たシリンダ２に嵌挿することにより、コンプレッション
ゾーンＢの隙間７ＢをメータリングゾーンＣの隙間７Ｃ
より大きくして上記課題を解決したものである。

【００１５】好ましい実施態様としては、コンプレッシ
ョンゾーンＢの隙間７ＢをメータリングゾーンＣの隙間
７Ｃより０．２〜０．８ｍｍ大きくする。この場合、フ
イードゾーンＡおよびメータリングゾーンＣの隙間７
Ａ、７Ｃは、従来のシリンダとスクリュとの間の隙間と
同じ値にしてよいが、小さくても良い。しかしいずれの
場合でも、コンプレッションゾーンＢの隙間７Ｂは、従
来のシリンダとスクリュとの間の隙間よりも大きい。従
来のシリンダとスクリュとの間の隙間は、スクリュの径
や樹脂によっても異なるが、通常０．２〜０．２５ｍｍ
程度である。

【００１６】

【作用】フイードゾーンＡでは、ホッパ２１から供給さ
れるペレットを圧縮熱とシリンダ２に巻装したヒーター
からの加熱とにより半溶融状態にするが、これがコンプ
レッションゾーンＢに送り込まれたときに、半溶融状態
のペレットが大きくなった隙間７Ｂに噛み込み易くな
る。噛み込んたぺレットは、これに作用する大きな剪断
力により速やかに溶融されるから、この点で最初の溶融
促進作用が生ずる。

【００１７】コンプレッションゾーンＢでは、溶融した
樹脂が比較的大きな隙間７Ｂから多量に逆流することと
なるが、フイードゾーンＡおよびメータリングゾーンＣ
での逆流は増えないため、コンプレッションゾーンの隙
間７Ｂを通る循環流１１の流速は相対的に小さくなり、
循環流の単位量の樹脂当たりの剪断発熱量は小さくな
る。従って、逆流する樹脂が強い剪断力により過熱され
ることが無くなり、均一な剪断加熱が行われるようにな
る。この均一な加熱は、スクリュ１の振れ回りが生じな
いことによっても保証される。

【００１８】コンプレッションゾーンの隙間７Ｂから逆
流する溶融樹脂（循環流）１１は、そのフライトの基端
側の区画に進入してソリッドベッド１２上に厚いフィル
ム層１４を形成して溶融プール１３の渦流を強め、ソリ
ッドベッド１２と混ざり合ってその溶融を促進する。ま
た多量の循環流１１は、スクリュ１の回転と共に溶融樹
脂１０を撹拌してその混練を促進する。

【００１９】メータリングゾーンＣでは隙間７Ｃが小さ
くなっているので、溶融樹脂１０の逆流を増加させるこ
とがなく、溶融樹脂１０に充分な圧力をかけてスクリュ
１の先端から押し出す。またメータリングゾーンＣの隙
間７Ｃが小さいことにより、スクリュ１の振れ回りが防
止される。

【００２０】本発明のスクリュ１は、フイードゾーンＡ
およびメータリングゾーンＣの隙間を小さくしているの
で、この部分での樹脂の逆流が大きくなることはなく、
従ってコンプレッションゾーンＢでの逆流が大きくなっ
ても、全体の樹脂の移送量を低下させることはなく、可
塑化性能は低下しない。また、シリンダ２内でのスクリ
ュ１の振れ回りが生ずることがないから、コンプレッシ
ョンゾーンＢの隙間７Ｂが周方向に不均一になることが
なく、スクリュの周方向の位置によって剪断発熱に差が
生ずるのも防止できる。そしてコンプレッションゾーン
Ｂでは、大きな隙間７Ｂから比較的多量の溶融樹脂があ
まり大きな剪断力を受けることなく逆流してくるので、
大きな剪断発熱による局部的な温度上昇も緩和され、全
体的に均一な温度で樹脂の溶融が行われる。

【００２１】

【実施例】以下、図１および図２に沿って実施例を説明
する。

【００２２】スクリュ１は、円筒状のシリンダ２に挿嵌
され、その基端部側にホッパ２１が連接され、ホッパ２
１内にペレットが投入されている。ホッパ２１内のペレ
ットは、自然落下して回転するスクリュ１の螺子作用に
より、フイードゾーンＡからコンプレッションゾーンＢ
へ、さらにはメータリングゾーンＣから先端へと送られ
る。

【００２３】スクリュ１の外周には、一定ピッチの螺旋
状の１本の溝３（３ａ〜３ｋ）が形成されており、隣接
する溝と溝の間に螺旋状の１本のフライト４（４ａ〜４
ｋ）が形成されている。フイードゾーンＡでは、嵩高な
材料を掬い込み易くするため、溝３ａ〜３ｄの深さは深
く、コンプレッションゾーンＢからメータリングゾーン
Ｃへと溝３ｅ〜３ｈの深さが除々に浅くなるように形成
している。スクリュ１のフイードゾーンＡとメータリン
グゾーンＣとにおけるスクリュ１の外径ＤａとＤｃは、
同じ直径とし、シリンダ２の内径面２２との間に０．２
〜０．２５ｍｍの隙間７Ａ、７Ｃを持ってスクリュ１が
回転可能に嵌挿されている。

【００２４】コンプレッションゾーンＢでは、スクリュ
１の外径Ｄｂは、シリンダ２の内径面２２との間にフイ
ードゾーンＡとメータリングゾーンＣとにおける隙間７
Ａ、７Ｃより大きな隙間７Ｂが形成されるように、フイ
ードゾーンＡおよびメータリングゾーンＣの外径Ｄａ、
Ｄｃよりも小さくしている。その径差は、一般的なペレ
ットの粒の大きさが０．２ｍｍから５ｍｍ程度であるの
で、フイードゾーンＡで軟化した半溶融のペレットの噛
み込みを考慮して、０．２ｍｍから０．８ｍｍの範囲で
決める。

【００２５】なお説明の便宜上、図１および図２におい
て、１本の溝３およびフライト４の各部分にスクリュ１
の長手方向に添字ａ〜ｋを付けて区別してある。また、
スクリュ１は、説明の便宜上、長さおよびフライト４の
ピッチを短小化して模式的に図示されているが、コンプ
レッションゾーンＢは勿論のこと、フイードゾーンＡお
よびメータリングゾーンＣの長さは通常もっと長く、各
ゾーンにおける溝の数も本実施例のものに限定されるも
のではない。

【００２６】次に、作動について説明する。スクリュ１
を回転すると、ホッパ２１内のペレットがフイードゾー
ンＡの溝３ａに入り、フイードゾーンＡでは、嵩ばった
ペレットが圧縮されながらコンプレッションゾーンＢに
送られる。

【００２７】コンプレッションゾーンＢでは、例えば図
２に示したように、スクリュ１の外径Ｄｂとシリンダ２
の内径面２２との間に相対的に大きな隙間７Ｂが形成さ
れているので、コンプレッションゾーンＢの初期の段階
の溝３ｅでは、半溶融状態のペレットがフライト４ｄの
頂部の隙間７Ｂに噛み込まれて大きな剪断熱を発生す
る。そして溝３ｅ〜３ｇの前方のフライト４ｅ〜４ｇの
頂部の隙間７Ｂから流入する循環流１１は、ソリッドベ
ッド１２の外周に厚いフィルム層１４を形成して流れる
一方、ソリッドベッド１２の後方に溶融プール１３を形
成し、この溶融プール１３に強い渦流を生じさせる。循
環流１１は、ソリッドベッド１２を覆うように流れてソ
リッドベッド１２の表面を崩壊させ、ソリッドベッド１
２の溶融を促進する。さらに溶融樹脂の循環流１１およ
び溶融プール１３の渦流は、溶融樹脂相互の、および溶
融樹脂と半溶融状態の樹脂との混練を促進する。

【００２８】樹脂がコンプレッションゾーンＢで送られ
るにつれ、溝３が浅くなってくるので、溝３内の樹脂は
圧縮されてその溶融が更に促進される。そしてコンプレ
ッションゾーンＢの終段の溝３ｈに到ると、メータリン
グゾーン側のフライト４ｈの頂部の隙間７Ｃはコンプレ
ッションゾーン側のフライト４ｇの頂部の隙間７Ｂより
小さいため、メータリングゾーンＣからの循環流１１は
僅かになるが、溝内が殆ど溶融樹脂１０で満たされるよ
うになるので、スクリュ１の回転と溝に沿う方向の逆流
により、僅かに残ったソリッドベッド１２が溶融させら
れ、溶融樹脂１０の撹拌、混練が促進される。

【００２９】そして、メータリングゾーンＣでは、ソリ
ッドベッド１２は溶融、崩壊され、充分に混練された緻
密な溶融樹脂１０となり、樹脂温度も均一化している。
さらに、このメータリングゾーンＣでは、シリンダ２の
内径面２２にフライト４ｈ〜４ｋが内接状態にあるか
ら、溶融した樹脂１０は、安定した温度を保持し、過大
な逆流が生ずることによる樹脂の過熱や可塑化性能の低
下も生じない。

【００３０】

【発明の効果】本発明では、コンプレッションゾーンに
おけるスクリュの外径を小さくしているので、フライト
とシリンダとの間に隙間ができ、コンプレッションゾー
ンの始めの段階では、フイードゾーンにおいて軟化した
ペレットがこの隙間に噛み込まれてペレットの溶融が促
進される。そしてコンプレッションゾーンの全段階にお
いて、この隙間は前段の溝への溶融樹脂の循環流を増大
させ、緩やかな剪断が多量の樹脂に作用するので、樹脂
が局部的に過熱されることなく均一に溶融されると共
に、多量の循環流およびこれによって生成する強い渦流
がソリッドゾーンの崩壊と樹脂の混練性を向上させる。
そして、メータリングゾーンでは、フイードゾーンと同
じようにシリンダとスクリュとの隙間を小さくしている
ので、溶融樹脂の温度が均一に保持されるとともに、可
塑化性能の低下が防止される。またメータリングゾーン
の小さい隙間により、スクリュの振れ回りが防止され、
コンプレッションゾーンの隙間の周方向の偏りも生じな
いので、均一な剪断発熱が保証されると共に、シリンダ
の内径面やスクリュの外径面の摩耗も防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる可塑化・混練スクリュと可塑化
部の概略を示す図面

【図２】本発明のスクリュのコンプレッションゾーンと
メータリングゾーンでの溶融モデル図

【図３】本発明のスクリュのコンプレッションゾーンの
一部における溶融モデル図

【図４】従来例におけるコンプレッションゾーンでの材
料の溶融状態を示すモデル図

【符号の説明】

１ スクリュ ２ シリンダ 3(3a〜3k) 溝 4(4a〜4k) フライト 7A、7B 、7c 隙間 10 溶融樹脂 11 循環流 22 シリンダの内径 Ａ フイードゾーン Ｂ コンプレッションゾーン Ｃ メータリングゾーン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周に螺旋状のフライト(4a 〜4k) と溝
   (3a 〜3k) とを備え、基端部から先端部にかけて溝深さ
   の深いフイードゾーン(A) 、溝深さが逓減するコンプレ
   ッションゾーン(B) および溝深さの浅いメータリングゾ
   ーン(C) を一本の軸に形成した可塑化・混練スクリュに
   おいて、コンプレッションゾーン(B) のフライト(4d 〜
   4g) の頂面と可塑化シリンダ(2)の内径面(22)との間に
   形成される隙間(7B)をメータリングゾーン(C) のフライ
   ト(4h 〜4k) の頂面と可塑化シリンダ(2) の内径面(22)
   との間に形成される隙間(7C)より大きくし、コンプレシ
   ョンゾーン(B) における溝(3e 〜3h) 内への上記隙間(7
   B)を通る溶融樹脂(10)の循環流(11)を大きくしたことを
   特徴とする、可塑化・混練スクリュ。
2. 【請求項２】 コンプレッションゾーン(B) における上
   記隙間(7B)がメータリングゾーン(C) における上記隙間
   (7C)より径差で０．２ないし０．８ｍｍ大きいことを特
   徴とする、請求項１記載の可塑化・混練スクリュ。