UPVC押出装置の可塑化メカニズムと配合調整との関係

UPVC（硬質塩化ビニル）のプロフィールやパイプ製品などのプラスチック押出成形は、主にPVC樹脂と関連添加剤を配合し、押出成形、成形、引張り、切断によって形成されます。その中でも、原材料、配合設備および操作プロセスが主要な要因となります。 プラスチック押出成形, は、押出成形の品質と生産量に直接影響を与えます。そのため、本稿では押出装置と原材料が押出成形に与える影響に焦点を当てます。.

UPVCの原材料構成

1. PVC樹脂

押出された硬質PVC製品には一般的に懸濁法で作られた粗粒樹脂を使用します。S-PVCの重合度、粒子サイズ、多孔性の程度は適切である必要があります。粒子サイズに大きな差がある研磨材や、粒子が密集した粗粒樹脂は使用できません。.

2. 積極安定剤

PVC樹脂は熱に敏感な樹脂であるため、温度が約90～130℃に達すると熱分解を始め、不安定なHCLガスが放出され、樹脂が黄色く変色します。.

温度が上昇するにつれて樹脂の色は濃くなり、製品の物理的・化学的特性が低下します。この分解問題を解決するためには、樹脂原料の生産プロセスを改善するほか、PVC樹脂に安定剤を添加してHCLガスを吸収・中和し、その触媒による分解効果を除去することもできます。.

一般的に使用される安定剤は、鉛塩、有機スズ、金属石鹸、レアアース安定剤などです。.

3. 潤滑剤

潤滑剤は潤滑性を向上させ、界面接着を低減する添加剤です。その機能は外側潤滑剤、内側潤滑剤、内外両面潤滑剤に分けられます。.

外側潤滑剤は材料と金属表面間の摩擦を低減し、可塑化後のUPVC材料がバレルやスクリューに付着するのを防ぎます。.

内側潤滑剤は材料内部の粒子間の摩擦を低減し、分子間の凝集力を弱め、溶着粘度を下げます。.

潤滑剤の使用はスクリュー負荷の低減、せん断熱の低減、押出生産量の増加に明らかな効果をもたらします。.

4. 填充材

製品の硬度と剛性を向上させ、製品の変形を抑え、原材料コストを削減するために、UPVC製品の生産にはCaCO3などの充填材を多く添加します。.

5. 加工改質剤（ACR）

加工改質剤は主に材料の加工性能を向上させ、PVC樹脂の可塑化を促進し、製品の流動性、熱変形、表面光沢を改善するために使用されます。.

6. インパクト改質剤

インパクト改質剤は主に製品の耐衝撃性を向上させ、製品の靭性を高め、可塑化効果を改善するために使用されます。UPVCに一般的に使用される改質剤はCPE（塩素化ポリエチレン）やアクリル系インパクト改質剤です。.

7. 色素：二酸化チタン、カーボンブラックなど.

プラスチック押出装置の可塑化メカニズムと配合が成形に与える影響

プラスチック押出成形には多くの装置があります。UPVC複合製品の押出に主に用いられるのは排気式単軸押出機と対向回転ツインスクリュー押出機です。.

以下では、UPVC製品の押出に一般的に用いられる押出機の可塑化メカニズムについて主に論じます。.

1. 排気式単軸押出機：

1.1 可塑化メカニズム：

排気式単軸押出機は、粉末供給によるUPVCの成形、押出、ペレット化に使用できます。.

スクリューは長径比（L/D=25～30）の大きい2本の通常単軸スクリューを直列に配置しています。前段の単軸スクリューは主に材料の吸熱、圧縮、溶解、均一化に用いられ、材料を最初に溶かします。後段の単軸スクリューは主に排気、溶解、均一化、押出圧力の形成に用いられます。.

排気口からは材料が半溶融状態になっている必要があります。排気口は後段スクリューの搬送部に設けられており、材料は減圧後に排出されます。.

搬送部では乾燥粉末材料が徐々に密着して「固体床」を形成します。材料の温度がまだ上昇していないため、粉末粒子間および内部の空気が排出されるのみです。.

圧縮部では材料の温度が約160～170℃になります。スクリュー溝の容積が減少するにつれて、材料とバレルの表面に圧力がかかり、材料がスクリューとバレルの隙間を通過するようになり、材料とバレル表面間の張力が強まります。. 

材料の吸熱効果が強化され、バレル表面に近い部分ではせん断、圧力、熱により溶着膜が形成されます。.

スクリュー溝の前方ではスクリューとバレルが相対的に動き、領域が集まって徐々に大きくなるため、この部分の材料粒子はせん断されて溶着します。スクリュー溝内の材料はせん断力が少ないため、可塑化が不十分です。.

均一化部ではスクリューの底径が小さくなり、らせん溝の中間部の材料がバレルに近づき、せん断と加熱を促進して溶着を完了し、さらに材料を均一化します。.

最後のスクリューの搬送部（マシンヘッドに近い部分）の底径はより顕著になり、その移動量は最後のスクリューの均一化部よりも大幅に大きくなります。揮発成分が放出され、排気口から真空ポンプを通じて排出されます。.

材料は第2圧縮部を経て均一化部に到達し、ダイ、スクリュー、バレルの作用により押出圧力が形成され、ダイから密度高く均一な押出成形流れが形成されます。均一化部の移動量は以前のものより大きくなります。一段階での除去により材料の詰まりを防ぎます。.

以上の分析から、単軸スクリューの溶着は主にスクリューとバレルの静止状態での回転と、溝の異なる部位における材料の相対的な移動によるせん断によって引き起こされます。材料は加熱・圧縮され、バレルとスクリュー間の熱伝導により溶着膜池が形成され、液相間の移動などが起こります。.

1.2 配合設計で注意すべき問題：

単軸スクリューの材料配合設計時には、単軸押出機における材料の長い溶着時間、固体搬送部での季節的状態が生産性に及ぼす明らかな影響、および材料の非強制的搬送を考慮する必要があります。.

排気式単軸押出機の長径比が大きい（通常L/D=28～32）ため、材料は長時間加熱され、強制的に搬送されることはありません。過熱分解を防ぐために安定剤の量を増やすことが有益です—より長期間かつ大きな負荷がかかります。適切な潤滑剤の増加はスクリューのトルクを低減します。.

もちろん、潤滑剤を過剰に添加すると材料の搬送や製品の衝撃性能に悪影響を及ぼします。「スクリュー抱き込み」現象が押出時に起こる場合もあります。衝撃改質剤の添加を検討してください。衝撃改質剤の量を増やすとスクリューのトルクが増加します。.

一定量の充填材CaCO3を添加すると、溶着強度が向上し、材料の流動性が低下し、材料の可塑化速度に影響を及ぼします。粒子サイズの異なるCaCO3の効果も大きく異なります。そのため、さまざまな用途の製品に添加するCaCO3の量は大きく変わります。.

さらに、金型構造の特性は押出圧力の大きさと関連しており、配合に特に影響を及ぼします。.

2. 反転双軸押出機

双軸押出機の溶着メカニズムは単軸押出機に基づいていますが、噛み合い領域が存在するため、搬送原理は単軸押出機とは大きく異なります。.

2.1 双軸押出機の分類

スクリューの回転方向により、以下のように分けられます：

1. 反転双軸押出機：2本のスクリューの回転方向が互いに逆です。.
2. 同転双軸押出機：2本のスクリューの回転方向が同じです。.

回転法則に基づくと、反転双軸押出機は外向き反転双軸押出機と内向き反転双軸押出機に分けられます。.

内向き反転双軸押出機は、給料能力が低く、2本のスクリューのカレンダー部で材料がスクリューに与える大きな放射力のために、バレルとスクリュー間の摩耗が激しいため、廃止されました。.

一般的に、反転双軸押出機といえば外向き反転双軸押出機を指します（以下同様）。.

UPVCプロファイルの押出には、一般に反転円錐双軸押出機と反転平行双軸押出機が用いられます。.

2.1.1 反転円錐双軸押出機：

2本のスクリューの軸とバレルの軸は、挟角αで対称的に配置されています（αの値は一般に1°から2°の間です）。ただし、スクリューの方向は異なり、作業部の両端の直径は異なります。.

通常の円錐双軸押出機のスクリューでは、大小のスクリュー溝の深さが同じですが、かなり深いスクリュー溝を持つスクリューは、浅いスクリュー溝を持つ超円錐（二重円錐）双軸押出機のスクリューに比べてより顕著です。.

反転円錐双軸押出機の特徴：スクリュー頭部の直径が大きいこと、スクリューの熱容量が大きいこと、溝が深い（超円錐）材料であること、スクリューとバレルとの接触面積が大きいこと、材料の滞留時間が長いことから、バレルとスクリューおよび材料間の熱伝達に有利です。この点を踏まえると、同じ生産量の場合、スクリューの長さとアスペクト比（通常13～17）は他のタイプの押出機よりもずっと小さいです。.

小さなスクリュー頭部の直径は比較的小さいため、押出部での材料の滞留時間が短く、スクリューの回転速度が低く、せん断速度が低いことで、材料同士や材料とスクリュー・バレル間の摩擦熱を抑えるのに有利です。.

プロファイルの押出速度が400Kg/h以内、パイプシートの押出速度が800Kg/h以内の場合、円錐双軸押出機の使用を優先すべきです。UPVCプロファイルやパイプの押出には、円錐双軸押出機が最も広く使われています。.

可塑化能力： 押出機の可塑化能力は、押出機の押出システム、配合、運転プロセスパラメータの総合的な効果によるものです。.

円錐双軸押出機と平行双軸押出機の可塑化能力について、どちらが優れているか劣っているかは言えません。スクリューの具体的な構造、配合の組成、運転プロセスパラメータ、金型の分析に基づいて初めて判断できます。.

2.1.2 反転平行双軸押出機：

2本のスクリューの軸は平行で、バレルの軸に対して対称的に配置されています。スクリュー作業部の両端の内外径は同じで、セグメント式スクリューと連続可変ピッチスクリューがあります。.

セグメント式スクリューとは、スクリューの異なる機能部ごとにスクリュー頭数やピッチが異なるため、アンダーカット溝を持つスクリューのことです。.

連続可変ピッチ平双軸スクリューとは、スクリューの異なる機能部間にアンダーカット溝がないことを意味します。そのため、スクリューの各用途エリアにおけるスクリュー頭数は同じです。スクリューとバレルの生成線が直線であるため、加工性がより良好です。.

反転平双軸押出機のスクリューは押出機の排出側から取り出すことができ、設備のメンテナンスが便利です。スクリューは全行程で可変ピッチ構造に設計可能です。関連情報によると、プロファイルを押出する際の材料への加工ストレスが小さく、良好な押出品質が得られます。.

平行双軸押出機は、押出量が多い場合に比較的多く使用されます。注意すべき点は、プロファイル生産ラインの出力は金型に大きく左右されるということです。高速での押出ヘッドの成形と設定金型での優れた製品形状が、限られた出力のボトルネックとなることが多いです。.

2.2 円錐双軸押出機の可塑化メカニズム：

一般的に、円錐双軸押出機の押出システムには、スクリュー、バレル、加熱・冷却装置、真空排気装置が含まれます。.

 2.2.1 円錐双軸押出機の材料可塑化メカニズム：

⑴ 搬送部：

材料は排出口から搬送部に入り、スクリューの力によって前方へ搬送されます。スクリューが一回転するたびに、C字型チャンバー内の材料は一つのピッチだけ前進します。.

その構造上、C字型チャンバーの体積はどんどん小さくなり、材料は徐々に圧縮されていきます。材料とバレル・スクリューとの接触圧力が高まるにつれて吸熱量が増え、材料の温度がゆっくり上昇し、次の溶着工程に備えます。.

円錐双軸押出機のバレルとスクリューの表面積が搬送部で拡大するため、材料とバレル・スクリュー間の熱伝導効率が向上します。.

⑵ 予可塑化部：

材料が搬送部で加熱・圧縮された後、粉末粒子間および内部の空気がほとんど排出され、材料の密度が高まります。.

C字型チャンバー内の材料がさらに前進すると、バレルやスクリューと接触している材料は、接着作用によりバレルやスクリューと同じ速度で移動します。スクリューの駆動下では、スクリュー溝中央部の材料よりもせん断効果が強くなります。長時間加熱された後、溶着が始まり、C字型チャンバー内の材料は外側から内側へ循環流動しながら溶解していきます。.

C字型チャンバーの体積が変化することで、内外の材料交換が強化されます。一部の押出機メーカーは自社の押出機の特性に応じて、予可塑化部に混合タンクを設置しています。その目的は、前後のC字型チャンバー内の材料を混ぜ合わせ、せん断効果を高め、C字型室内層と外層間の材料交換を促進し、溶着効果を向上させることです。.

材料が予可塑化部を通過した後、十分な粉粒状材料が破砕され、材料は半溶着状態になります。.

⑶ 可塑化部：

別名圧縮部とも呼ばれます。この部のC字型チャンバーの体積は急激に減少し（この部の変位は搬送部の0.25から0.4の間のみ）、材料は通過時に固形の圧縮、せん断、交換を受けます。これにより、ほとんどの材料は基本的に初期可塑化状態になります。.

⑷ 排気部：

UPVC混合物は、搬送部、予備プラスチック化部および圧縮部を経て排気部へと進入します。これは、排気部のC字型チャンバーの体積が圧縮部に比べて非常に大きいからです（一般的に、排気部の排気量は圧縮部の3倍以上になります）。.

材料がこの部分に到達すると、圧力が低下し、材料は分割状または大粒状となり、材料中のガスや低分子揮発成分が放出されます。この部分には排気口が設けられており、真空ポンプの作用によりガスが排気口から排出されます。.

UPVC押出成形における排気機能は不可欠です。そうでなければ、製品内の気泡が機械的特性に深刻な影響を及ぼします。.

⑸ 測定部：

 搬送部、予備プラスチック化部、プラスチック化部、測定部を通じてC字型チャンバーの体積が連続的に変化し、スクリューの各エリアにおけるスクリュー頭数が異なるため、C字型チャンバー内の材料は位置を変えながら測定部へと進入します。その結果、ダイの作用下でさらにプラスチック化され、均一化され、押出圧力が高められます。.

測定部のC字型チャンバーの体積が減少するため、材料は均一化された後再び圧縮され、緻密かつ均一な流体となって接続部（遷移部）、穴あき板、そしてダイを通って押し出されます。.

2.3 対向回転平行二重スクリュー押出機のプラスチック化メカニズム：

対向回転平行二重スクリュー押出機のプラスチック化メカニズムは、円錐形二重スクリュー押出機と同じです。違いは、スクリューとバレルの直径がどこでも同じである点です。供給部の材料は熱吸収面積が小さく、スクリュー測定部と比較して相対的に小さいため、直径は円錐形二重よりも大きく、スクリュー回転速度もあまり速くできません。.

そのため、プラスチック化効果を向上させるため、対向回転平行二重スクリュー押出機のスクリューの長径比は円錐形二重スクリュー押出機よりも重要です（一般的にL/D＝25～30）。.

対向回転平行二重スクリュー押出機の各部のC字型チャンバーの体積は円錐形二重と同じように繰り返し変化し、その変化の様式も同じです。.

UPVC材料の加工プロセスにおける変換プロセスは、混合原料の組成だけではなく、外部の加工条件、例えば混合原料の温度、混合時の投入順序、押出プロセス温度、スクリュー回転速度、投入量、および材料にかかるせん断強度などにも大きく関係しています。.

概要

本記事では、押出機内での材料の溶着メカニズムおよび配合調整について基本的な分析を行っています。ポリマー加工・成形技術は実用性が高いことから、製品の原材料配合、加工設備、プロセス条件はかなり異なります。したがって、実際の生産においては、生産設備の構造、特に押出システム、原料の組成、製品性能要件、生産量などを総合的に考慮する必要があります。また、添加剤中の成分が材料の溶着に与える影響についても包括的に分析し、合理的な生産プロセスを決定することが重要です。.