完全噛合型同方向回転平行二軸押出機中の樹脂充満率の測定

(金沢大) ○杉山武雅, (ハッスル) 谷藤眞一郎,

(カネカ) 村田隼一, 辻村勇夫, (金沢大) 瀧健太郎

1

二軸押出機と充満率

二軸押出機のフライト部は通常，未充満状態で運転される。

図 二軸押出機のスクリューを引き抜いた時に撮影された樹脂の充満率分布2

未充満領域

二軸押出機中の樹脂の熱履歴と充満率分布

• 熱履歴 ∫Tdτ樹脂が押出機内で”経験した温度”×滞留時間τ

熱履歴は（反応）押出成形品の品質や歩留まりに影響

樹脂の熱履歴の制御や予測法の開発が課題

• 滞留時間τ樹脂が押出機内を滞留した時間。通常，分布がある。

滞留時間分布を狭くすることと，混練性を上げることは一般的に相反関係にある。

滞留時間分布の管理が熱履歴の管理につながる。

• 充満率＝滞留時間τ×フィード量Q/(バレル容量ースクリュ体積)

充満率を測定・予測することは，熱履歴予測の第一歩3

研究目的

充満率の分布を定量的に理論予測できれば、熱履歴予測モデルの開発につながり，

二軸押出機の設計、運転、保守の効率的な意思決定が可能

研究目的

二軸押出機における充満率の実験的評価と2.5D解析による評価を比較し，両者の妥当性について検証

4

実験材料

• 材料– ホモポリプロピレン F-300SP プライムポリマー製– MFR 3.0 g/10min， 溶融密度 770 kg/m3

• 複素粘度

5

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

0.1 1 10 100 1000

複素

粘度

[Pa

s]

角周波数 [rad/s]

T 160T 180T 200T 220T 240T 160T 180T 200T 220

PP 25Φ, Gap 1.0 mmγ=1%, MCR302 PTD650で測定Crossモデルでフィッティング

実験装置

6

テクノベル社製

完全噛合型同方向回転平行二軸押出機

仕様L/D = 90, D = 15 mm（L/D=40～90を実験に使用）最大回転数 600 rpm重量フィーダー付

スクリュー構成とバレル温度

樹脂の流れる方向

40℃ 160℃ 200℃

樹脂の充満率を測定した区間

フラ

イト

15/1

5フ

ライ

ト15

/15

フラ

イト

15/1

5フ

ライ

ト15

/15

フラ

イト

15/1

5

フラ

イト

15/1

5

フラ

イト

15/1

5フ

ライ

ト15

/15

フラ

イト

15/1

5

フラ

イト

15/1

5フ

ライ

ト15

/15

フラ

イト

15/1

5フ

ライ

ト15

/15

フラ

イト

15/1

5フ

ライ

ト15

/15

フラ

イト

20/2

0

フラ

イト

20/2

0

フラ

イト

20/2

0

フラ

イト

15/1

5

フラ

イト

10/1

0

フラ

イト

10/5

ニー

ダー

Rニ

ーダ

ーN

ニー

ダー

Lフ

ライ

ト逆

ねじ

15/7

.5L

ニー

ダー

Rニ

ーダ

ーN

ニー

ダー

Lフ

ライ

ト逆

ねじ

15/7

.5L

フラ

イト

15/1

5フ

ライ

ト15

/15

フラ

イト

10/1

0

フラ

イト

10/5

フライト部１ ニーダー部１ ニーダー部２フライト部２ フライト部３

7

フィーダー

構成F

評価法

• 評価法１ スクリュー引抜実験

↕比較

• 評価法２ HASL TSSによる数値流動解析

↕比較

• 評価法３ 可視化実験

8

引抜実験による充満率の測定方法

1. スクリューの引抜き

2. スクリューを2本に分割

3. エレメントごとに樹脂のかきとり

4. スクリューに付着した樹脂量を測定

9

樹脂のかきとりの様子

ef−

≡−

測定された樹脂重量/溶融樹脂密度

バレル容積 エレメント体積 軸体積

充満率

評価法1：

1D 2.5D 3D

計算手法 FAN法 2.5D FEM法（Hele-Shaw流れ）

直接数値計算粒子法など

計算負荷 軽い 中程度 重い

解析対象 押出機全体 押出機全体 一部のエレメント

HASL TSSの数値流動解析

x

zy

速度場

ブランド Akro-co, Ludvic, TEX-FAN etc

HASL TSS Fluentparticle works etc.

10

評価法2：

HASL TSSによる計算順序

11

材料粘度（Crossモデル）スクリュー構成操作条件（フィード量Q，ヘッド圧P，回転数N）計算条件（非等温，定常状態）

解析メッシュの自動生成

2.5D有限要素法による流速 ve と圧力 Pe，充満率 feの計算

計算結果の可視化

スクリュー構成例

メッシュ例

流速分布

充満率分布

評価法3

フライト部2の可視化実験

30rpm 0.25kg/h

樹脂の流れ

可視化映像をもとに，押し側の樹脂厚さを測定

12

フライト部１ ニーダー部１ ニーダー部２フライト部２ フライト部３

評価法3：

1.25

実験条件

13

フィード量[kg/h]

回転数 [rpm]

0.25 0.35 0.50 0.75

30引抜

可視化ー

可視化引抜ー

引抜ー

50ー

可視化引抜ー

100ー

可視化引抜ー

引抜実験（評価法1）：充満率が高くなりやすい，低回転数＆高フィード量で実験した。可視化実験（評価法3）：ポートから樹脂があふれ出ないように，低フィード量で実験した。

結果と考察

14

充満率の測定結果

15

30 rpm, 0.5 kg/h

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

150 250 350 450 550

充満

率[-

]

フィーダーからの距離 [mm]

30rpm0.5kg/h

充満率 低い（０） 高い（１）

引抜実験

HASL TSS

ニーダー部2は実験と計算のかい離が大きい

フライト部１ ニーダー部１ ニーダー部２フライト部２ フライト部３

TSSと良好に一致

スクリュ構成

HASL TSSと引抜実験の樹脂充満状態の比較

16

HASL TSSによる充満率の計算結果（赤が充満率１，青が充満率０）

スクリュー引き抜き実験結果（白い領域は樹脂が存在している）

30 rpm0.5 kg/h

フライトスクリューの押し側の充満状態が良好に表現されている。

充満率

低い(0) 高い(1)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

150 350 550

充満

率[-

]

フィーダーからの距離 [mm]

100rpm0.75kg/h

50rpm0.75kg/h

30rpm0.75kg/h

回転数の影響（引抜実験）

フライト部１ ニーダー部１ ニーダー部２フライト部２ フライト部３

17

回転数を減少させると充満領域が拡大

回転数の影響（HASL TSS）

50 rpm

100 rpm

30 rpm

回転数を低下させると，充満領域は拡大⇒引抜実験と定性的に一致

充満率

低い(0) 高い(1)

フィード量 0.75kg/h

フィード量の影響（引抜実験）

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

150 250 350 450 550

充満

率[-

]

フィーダーからの距離 [mm]

30rpm0.25kg/h30rpm0.5kg/h30rpm0.75kg/h

フライト部１ ニーダー部１ ニーダー部２フライト部２ フライト部３

19

フィード量の増加により充満領域が拡大

フィード量の影響（HASL TSS）

回転数 30 rpm

充満率

低い(0) 高い(1)

0.25 kg/h

0.75 kg/h

0.50 kg/h

フィード量の増加と共に，充満領域が拡大⇒実験と一致

引抜実験とHASL TSSの比較フライト部2の平均充満率

21

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03

充満

率[-

]

Q/N [kg/(h・rpm)]

可視化実験

TSS解析結果

高Q/NではTSSと実験に差が生じた低Q/Nでは良好に一致

◆ 引抜実験□ HASL TSS

フライト部１ ニーダー部１ ニーダー部２フライト部２ フライト部３

HASL TSSと可視化実験の比較

22

フライト部１ ニーダー部１ ニーダー部２フライト部２ フライト部３

0

1

2

3

4

5

0 0.01 0.02 0.03

押し

側樹

脂厚

さ[m

m]

Q/N [kg/(h rpm)]

評価法3（可視化実験）

評価法2(HASLT TSS)

TSSと可視化実験で良好な一致が見られた。

□ HASL TSS

◆ 可視化実験

この幅を測定

まとめ

• スクリューの引抜実験（評価法1），HASL TSSによる解析（評価法2）及び可視化実験（評価法3）を行った。

• フライト部の充満率 vs. Q/Nは，低Q/Nにおいて引抜実験とHASL TSSが定量的に一致した。

• フライト部の押し側樹脂厚さ vs. Q/Nにおいては，HASL TSSは可視化実験と良好な一致が見られた。

• 今後の予定– ニーダー部の充満率モデルの再検討

– さらに解析対象とする操作条件やエレメント構成を拡大

– 可視化センサーシステムを構築し滞留時間分布の実験と理論計算の比較 23

可視化・センサーシステムの構築

• モーター電流値（トルク値）• モーター回転数• フィード量• バレル温度• ニーダー部圧力，温度

連続測定 LabVIEW/DAQ

毎秒１０００コマによるスクリュー高速可視化（HAS-U2, DITECT製）

石英窓越しの非接触赤外線樹脂温度計（TMHX-CQE0500，ジャパンセンサー製）

バレルに石英窓を設置

ミニ分光器によるトレーサーの滞留時間分布計測（C13555MA，浜松ホトニクス製）

ラインレーザーと高速カメラによる３次元可視化（光切断法）（ALT-7500, エーエルティー製）

24

ご清聴ありがとうございました

Q/Nと充満率の関係

Q

ただしQ:実際の体積流量[m3/s] ��:最大体積流量[m3/s] ｆ：充満率[-]N：回転数[1/s] A:二軸押出機の空間の断面積[m2] �:らせんのピッチ長さ[m]

26

滞留時間の計算

フィード量v0 [m3/s]

吐出量v0 [m3/s]

バレルとスクリュー間の容積V [m3]が充満率f [-]で満たされている

滞留時間

二軸押出機のバレル全体、もしくはエレメント１つを連続槽型反応器として考えて滞留時間を求める。

27Todd, D.B: Int. Polym. Proc., 6, 143(1991)

滞留時間とトレーサー試験の関係

0

200

400

600

800

1000

0 200 400 600 800 1000

初出

or ピ

ーク

時間

[s]

平均 or 積算 滞留時間 [s]

平均vs初出 平均vsピーク 積算vs初出 積算vsピーク

0

200

400

600

800

1000

0 200 400 600 800 1000

初出

or ピ

ーク

時間

[s]

平均 or 積算 滞留時間 [s]

平均vs初出 平均vsピーク 積算vs初出 積算vsピーク

構成E 構成F

28

まとめと今後の課題

まとめ

• スクリューの回転数を上げると樹脂の充満率が低下した。

• フィード量を増やした場合樹脂の充満率は増加した。

• Q/Nを一定とした場合充満率に大きな変化は見られなかった。

今後の予定・ 各種センサーの取り付け・ ハイスピードカメラでの観察

29

二軸押出機の研究課題

1. 充満率分布∝滞留時間分布

2. 溶融可塑化

3. 混練

4. 反応押出

5. 脱気

複雑な現象を簡略化する化学工学的なモデルが必要

本研究の目的は充満率分布を求めること30

Q/Nと解析区間の平均充満率の関係

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.01 0.02 0.03

平均

充満

率[-

]

Q/N [kg/(h・rpm)]

構成E構成F

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.01 0.02 0.03

平均

充満

率[-

]

Q/N [kg/(h・rpm)]

構成E

構成F

解析区間 全区間

31

充満率分布の測定結果 構成E

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

150 250 350 450 550

充満

率[-

]

フィーダーからの距離 [mm]

100rpm

フライト部１ ニーダー部１ ニーダー部２フライト部２ フライト部３フライト部１ ニーダー部１ ニーダー部２フライト部２ フライト部３

32

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

150 250 350 450 550

充満

率[-

]

フィーダーからの距離 [mm]

30rpm50rpm100rpm

フライト部１ フライト部２ フライト部３ニーダー部１ ニーダー部２

回転数の影響 構成E

フライト部１ ニーダー部１ ニーダー部２フライト部２ フライト部３

33

フィード量の影響 構成E

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

150 250 350 450 550

充満

率[-

]

フィーダーからの距離 [mm]

0.264kg/h

0.464kg/h

0.66kg/h

フライト部１ ニーダー部１ ニーダー部２フライト部２ フライト部３

34

Q/N一定時の充満率 構成F

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

150 250 350 450 550

充満

率[-

]

フィーダーからの距離 [mm]

30rpm0.23kg/h

50rpm0.38kg/h

100rpm0.75kg/h

フライト部１ ニーダー部１ ニーダー部２フライト部２ フライト部３

35

実験条件

回転数/フィード量 0.23 kg/h 0.38 kg/h 0.75 kg/h

30 rpm ○ - -

50 rpm - ○ -

100 rpm - - ○

構成F

※Q/Nが7.5×10-3一定となるような組み合わせで実験条件を設定

36

ピッチの影響

37

数値解析法の比較

次元 1D 2.5D 3D

解析法 FAN FEM FEM

用途 全解析域に対応

スクリュ軸方向に対する圧力/流速/温度/充満率分布の定量化

全解析域に対応

スクリュ展開モデルに対する圧力/流速/温度/充満率分布の定量化

溶融体輸送領域に対応当該領域内3次元熱流動場/混合効率の定量化

計算負荷 小 中 大

計算時間 数分以内 数十分以内 数時間以内

精度 低 中 高

運用性 易 中 難

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

150 250 350 450 550

充満

率[-

]

フィーダーからの距離 [mm]

評価法1: 充満率の測定結果

フライト部１ ニーダー部１ ニーダー部２フライト部２ フライト部３

39

30 rpm, 0.5 kg/h

HASL TSSと引抜実験の樹脂充満状態の比較

40

HASL TSSによる充満率の計算結果（赤が充満率１，青が充満率０）

スクリュー引き抜き実験結果（白い領域は樹脂が存在している）

30 rpm0.5 kg/h

フライトスクリューの押し側の充満状態が良好に表現されている。