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二軸押出機~スクリュ設計・混練・分散・品質予測と応用技術~

2016年11月29日

ゴムタイムス社


 

二軸押出機~スクリュ設計・混練・分散・品質予測と応用技術~

【本書の特長】

二軸押出機の技術をとことん追求・理解できる!
ユーザ技術者の皆様に贈るバイブルがここに誕生!
あなたのこんな「知りたい!」への答えがこの一冊に!

○二軸押出機はどのような装置で、構成する各機構・部品はどのような役割を持っているか?
○各種ミキシングエレメントはそれぞれどのような特徴、混練・分散性能を持っているか?
○スクリュの設計はどのように検討したら良いのか?各目的ゾーンの役割とは?
○押出機内の材料はどのような挙動を示すのか?その解析のための理論・手法とは?
○材料にどのような作用を施すことが、良い分散に繋がるのか?
○従来のスケールアップ理論は使えない?!高い精度で分散品質を予測する方法とは?
○二軸押出機の応用・活用領域を広げる
 ナノコンポジット、ポリマーナノアロイ・伸長流動分散・反応押出・脱気技術等の先端応用技術とは?
○サージング・ベントアップ・フィードネック・樹脂劣化。各種の不具合にはどう対策したらよいのか?

 


 

【目次】
緒言
第1章 樹脂流動に関する数値解析の基礎知識
1.基本的な数値解析の導入
 1.1 せん断速度、せん断応力の測定と非ニュートン性
 1.2 流動基礎式とその展開
 1.3 スクリュ、シリンダによる扇形空間内の樹脂の流動
 1.4 最悪分散部分評価方法と平均分散部分評価方法
 1.5 フィラの破砕分散評価方法
 1.6 次元解析表示
 1.7 本書に出てくる材料の略記号の説明

第2章 二軸押出機および応用技術開発の歴史と現状
1.現存の混練作用機種の大分類と二軸押出機の位置付け
 1.1 11機種、機器構成の技術相関と発達経緯
 1.2 コニカル二軸押出機と平行二軸押出機
 1.3 両雄の一方の小型連続混練機が使われなくなった
 1.4 樹脂加工装置の使用目的2分野
 1.5 同方向回転、異方向回転二軸押出機
 1.6 二軸押出機の使用目的

2.二軸押出機に関する技術発達の経緯
 2.1 Coperion社の歩み
 2.2 L/D15~20程度のショートL/D二軸押出機がスタート(1本ものスクリュ)
 2.3 PVC用にコニカル2軸押出機との競合
 2.4 L/D30~40のロング L/Dの二軸混練押出機へ展開
 2.5 タイロッド方式、スクリュピース方式の確立、現在の二軸押出機へ
 2.6 ロングL/D化で混練性能を上げるため、各種ミキシングエレメントの実用化
 2.7 シリンダのピース化が大半となる
 2.8 異方向 / 同方向2軸押出機の共存から、同方向二軸押出機へ集約
 2.9 不完全噛合機から完全噛合機への展開  2.10 完全噛合いとして、台形ねじとボールねじ
 2.11 浅溝から深溝化、噛合い率の向上
 2.12 高速回転化、高トルク化
 2.13 コンパウンドにおける高押出し量化
 2.14 シリンダ冷却能力の向上、シリンダ内穿孔方式の固定化
 2.15 付帯設備技術の向上,ベント機構など
 2.16 重合工程後のモノマ、水などの除去に利用
 2.17 リアクティブプロセッシング用途に使用
 2.18 超高速回転化とショートL/D化、1機種分の小型化
 2.19 品質均一化の努力、絞り機構
 2.20 三元性材料用に2段押出機分野ができる
 2.21 ギヤポンプ併用の成形機化
 2.22 二軸機+GP+二軸機の開発
 2.23 リアクティブプロセッシング 用に超ロングL/D化
 2.24 中国では両持構造の二軸押出機が普及
 2.25 米国を中心として、伸長流動分散技術を応用した押出機
 2.26 二軸押出機の派生機種の分類

3.二軸押出機の主要ミキシングエレメントの混練特性
 3.1 破砕せん断目的の応力特性
 3.2 充満率
 3.3 圧力発生
 3.4 エネルギ付加特性
 3.5 分配分散目的の流動特性(手返し効果)
 3.6 均一性確保の流動特性

4.スクリュ設計
 4.1 溶融ゾーン
 4.2 破砕分散効果を大きくする破砕分散ゾーン
 4.3 分配分散効果を大きくする分配分散ゾーン
 4.4 樹脂堰き止めゾーンと樹脂シール(Material Seal)ゾーン
 4.5 ダイ圧損を補填する昇圧ゾーン
 4.6 均一性効果を大きくする、仕上げ効果ゾーン
 4.7 伸長流動分散実現の混練ゾーン
 4.8 その他
           
第3章 二軸押出機分散現象の評価技術
 1.せん断分散に対する従来の考え方
 1.1 混練の目的は分散
 1.2 せん断分散作用と伸長分散作用
 1.3 コンパウンドとポリマアロイ
 1.4 コンパウンドにおける凝集粒子の破壊
 1.5 凝集破砕を含む分散と材料物性
 1.6 ポリマアロイにおける破砕分散
 1.7 従来の高分子材料補強理論
 1.7.1 コンパウンド材料補強理論の一例:Kernerの理論
 1.7.2 ポリマアロイ材料補強理論の一例:(クレイズ臨界応力作用説)
 1.8 特殊なコンパウンド技術

2.理想的破砕分散理論 (最小空間の瞬間的混練現象の解明)
 2.1 餅つき挙動と二軸押出機挙動の比較
 2.2 微視的部分から見た理想的破砕分散理論(理想的杵下破砕理論)
 2.3 送り込み分配分散作用
 2.4 まき散らし分配分散作用
 2.5 時間的にせん断経歴が異なる分散理論(経時不均一理論)

3.メルトフラクチャ現象に伴う分散特性
 3.1 高分子材料の異常流動
 3.2 メルトフラクチャ
 3.3 BRのせん断試験
 3.4 Mohrの円と破壊条件
 3.5 二ロール上のシートに発生する滑り線
 3.6 キャピラリ入口に発生する滑り面(Slip cone)
 3.7 メルトフラクチャ分散とエネルギ効率
 3.8 メルトフラクチャ混練領域

第4章 二軸押出機分散現象の相対的評価技術(コンピュータ解析技術)
1.スクリュの流動解析・分散性評価
 1.1 コンピュータを用いた解析
 1.2 無次元数によるスクリュの流動解析
 1.3 発生圧力、樹脂内の温度変化および必要動力の解析
 1.4 分散水準の絶対的評価方法と相対的評価方法の相関
 1.5 実験装置、実験方法および分散相対評価値
 1.6 スクリュ全体の評価
 1.7 FEMを用いたスクリュ内の樹脂流動解析

第5章 材料から見た分散特性
1.ナノコンポジット強度向上技術の現在までの展開
 1.1 三元性樹脂
 1.2 ナノコンポジット樹脂
 1.3 バウンドポリマの材料強度補強理論
 1.4 バウンドラバの材料強度補強理論
 1.5 ナノ分散と材料強度補強の関係
 1.6 LFP (Long Fiber Pellet) 製造技術
2.二軸押出機を用いたポリマアロイの製造
 2.1 リアクティブプロセッシング法
 2.2 相溶性から出発するポリマアロイのモルフォロジ制御
 2.3 有機・無機ナノハイブリッド

第6章 二軸押出機の特殊性能技術
1.二軸押出機の脱気技術
 1.1 脱気技術の使用目的
 1.2 脱モノマなどのフラッシング技術
 1.3 押出し製品成形に関わる脱気モデルと脱気理論
 1.4 脱気実験
 1.5 フラッシング時の注水脱気技術
 1.6 注水脱モノマ技術
 1.7 分圧技術による注水高脱気技術で高度な純粋樹脂を製造
 1.8 ガス注入分圧技術による超臨界抽出技術

2.伸長流動分散技術
 2.1 伸長流動分散
 2.2 伸長流動分散技術の応用
 3.ナノ分散を2軸押出機で実現する
 3.1 ポリマナノコンポジット、ポリマナノアロイの製造技術
 3.2 スラリ分散技術
 3.3 樹脂中へ多層グラフェンをナノ分散する技術
 3.4 ポリマナノアロイ

第7章 二軸押出機の分散品質スケールアップ技術
1.高分子分散技術におけるスケールアップ技術
 1.1 スケールアップ理論
 1.2 分散品質の相似に関する考え方
2.分散品質の予測技術
 2.1 分散パラメータの応用
 2.2 品質方程式の解析その1(全分散行程が1系で解析が容易な場合)
 2.3 品質方程式の解析その2(一連の分散行程が多系の場合)
 2.4 品質方程式と分散品質の予測技術および品質に関する相似側として使用できる緩和則(全分散行程が1系の容易な場合)
 2.5 機種の違いの分散品質相似解析
 2.6 有効混練時間の考え方
 2.7 応用できるせん断速度領域
 2.8 品質予測方程式と各種せん断機種

第8章 二軸押出機応用技術と発生する諸問題
 1.二軸押出機運転時の問題点と解決策
 1.1 フィラ濃度はどこまで上げられるか
 1.2 マスターバッチの製造の意義
 1.3 粒子の再凝集特性
 1.4 サージング現象の発生原因と解決策
 1.5 ベントアップ現象の発生原因と解決策
 1.6 脱気気体の凝縮液体をベント口に戻さない方法
 1.7 フィードネック現象の発生原因と解決策
 1.8 フィードネック防止へのトライ
 1.9 定量フィーダに起因する問題点
 1.10 スクリュ根元の軸シールにおける問題点と対策
 1.11 ホッパブリッジの発生原因と対策
 1.12 材料の焼け、変色の発生原因と解決策
 1.13 通常測定するシリンダ部の樹脂圧力が正しいかどうかの問題
 1.14 樹脂温度計の構造と正しい温度測定の問題点
 1.15 押出される樹脂の温度、圧力のばらつきの原因と解消方法
 1.16 スクリュ、シリンダ磨耗への対策
 1.17 フィーダ排出口からホッパ口までの垂直距離の問題
 1.18 フィラ濃度を変動させないように厳格な品質管理をする方法
 1.19 比エネルギをモータ動力から算定すると発生する問題点
 1.20 シリンダへ液体を注入する場合の問題点 1.21 PIDシリンダ温度制御
 1.22 スクリュ、シリンダ、ブレーカプレート、ダイなど付着樹脂の清掃
 1.23 インラインMI計

2.混練物質、押出し分散操作の問題点とその解決(押出機の可能性を広げる)
 2.1 二軸押出機の操作線図、押出し量を増加する可能性
 2.2 凝集粒子を扱う上で有効な技術

3.特殊目的の混練押出
 3.1 特殊な樹脂のリサイクル技術
 3.2 不均一混練により求める物性が得られる場合
 3.3 分子量均質化と分子量制御のための混練
 3.4 その他
 


 

《本書の解説ポイント》

 第1章 樹脂流動に関する数値解析の基礎知識
 本書の全体を通して関与する技術の基本となる樹脂の流動に関する計算式について解説。

 第2章 二軸押出機及び応用技術開発の歴史と現状
 二軸押出機の構成技術を詳説。各部品の役割が理解でき、各ユニットで生じる問題点と解決策が分かる。
 各種ミキシングエレメントの特性・混練・分散性能を解説。エレメント選定の指針となる。
 溶融・破砕分散・分配分散・堰止・昇圧ゾーン等、各ゾーンの目的・役割を解説。スクリュ設計の考え方が分かる。

 第3章 二軸押出機分散現象の評価技術
 分散品質予測のための押出機内における材料挙動解析について、各分散相の単位でその挙動を解析。絶対的解析手法を解説。分散にどのような作用を施すことが、良い分散に繋がるかを理論と実験の両面から迫る。

 第4章 二軸押出機分散現象の相対的評価技術(コンピュータ解析技術)
 分散品質予測のための押出機内における材料挙動解析について、分散相が混ざった材料全体で解析。
 相対的解析手法について解説。分散の優劣を決める因子は何か?高精度な解析ができるようになった種々のコンピュータ解析の特徴とその有用性、解析に活用するための基礎データ採取実験の方法まで解説。

 第5章 材料から見た分散特性
 ナノコンポジット、ポリマーアロイといった機能材料が二軸押出機でどのように作り出されるのかを解説。
 またこれらの材料が耐衝撃性を発現するメカニズム、「バウンドラバー説」、「バウンドポリマ現象」などを解説。

 第6章 二軸押出機の特殊性能技術
 高純度な樹脂材料を得る脱気技術や、分散粒子径がほぼ同一にできる、スケールアップが容易に実現できる等のメリットがある伸長流動分散技術について、せん断流動分散との違い、その技術について理論と応用・実現技術を解説。
 また二軸押出機では困難とされてきた、ポリマナノコンポジット、ポリマナノアロイの製造技術も解説。

 第7章 二軸押出機の分散品質スケールアップ技術
 スケールアップの基本的な考え方と、相似則を用いた従来のスケールアップの手法と実際(限界)を解説。
 そして±1~2%の誤差範囲で分散品質を予測できる手法を概念だけでなく、実験例も交え詳説。

 第8章 二軸押出機応用技術と発生する諸問題
 フィラ濃度が上げられない/サージング・ベントアップ・フィードネック現象/ホッパブリッジ/樹脂の変色/圧力計や樹脂温度計に起因する問題など、操業時の諸問題の原因と対応する工夫を解説。

 


 

【著者紹介】

1968年、神戸製鋼所入社。高分子加工技術の開発、装置設計に従事し多くの混練技術、押出技術を開発。現実に即した新規理論の創出、ロングファイバーペレット技術、ナノ分散技術、諸問題に対応するための独自設備の考案等、多くの功績を残した。
1999年、(有)エスティア設立。現在、国内外数社の顧問として技術指導を行っている。
二軸押出機に関する技術講演では具体的で分かりやすい解説に定評があり、受講者の支持を集めている。分散理論、装置機構、スケールアップ・分散品質の予測・解析、操業時に発生する不具合対処法、二軸押出機の新規応用技術まで、明快に説くことのできる稀有な存在である。
1989年、日本レオロジー学会有効賞受賞
2009年「高分子混練・分散工学」を出版
共著書籍 7冊、技術論文 50以上、取得特許 180以上の実績がある。

 


 

《書籍推薦文を頂戴致しました》

 「豊富なデータと実例、理論と実験の両面からの解析に基づいて解説されている名著です」
三菱ガス化学(株) 取締役常務執行役員 機能化学品カンパニープレジデント 林勝茂様より

 「本書の著者である橋爪氏と出会ったのは今から25年ほど前、あるエンジニアプラスチックのプロセス開発に携わっていた時でした。そのプロセスは従来技術に比べ大幅なコストダウンが可能となる画期的な技術でしたが、二軸押出機を使った最後のプロセスにおいてどうしても目標スペックに到達できずギブアップ寸前に追い詰められていました。そのような状況の時に当時大手押出機メーカーの技術者であった著者が現れ、極めて短期間でその問題を解決してくれたのです。
 私は化学工学の基本理論が確立されている反応、蒸留、乾燥のような単位操作とは違い、押出に関しては経験知をもとに実験を繰り返しながら試行錯誤の中で答えを見つけていくものと考えていました。しかし、著者は取り扱う物質の物性値といくつかの実験データから方程式を解くように二軸押出機の装置構成と運転条件を決め、最初の実験で見事に目標値をクリヤしたのです。それはまるで魔法を見るかのようでした。本書の中にもその時の技術に関わる一章がありますが、そこには、あれは魔法なんかではなく精緻な理論に裏打ちされた当然の結果であったことが明快に示されています。
 本書では二軸押出機のハード、ソフト両面に関わる広範な技術が豊富なデータと実例を挙げて詳細に述べられています。特筆すべきは、ひとつひとつの事例について理論と実験の両面からの解析がなされており、更にモルフォロジーの観点からの議論もなされていることです。多くの図表や写真、参考文献が読者の理解を深めるに大変有効に使われているのもこの著書の特徴です。
 二軸押出機の専門書は多数発刊されていますが、本書ほど充実した内容の著書は稀有であり、長年にわたり押出機トップメーカーの技術者として現場の最前線で活躍。また、学術的にも押出機研究のスペシャリストである著者の集大成とも言うべき名著です。押出に関わる技術者のみならず全てのエンジニアに役立つ一冊と確信します。」

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