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。 未充満領域 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 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 [Pa s] • 複素粘度 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+02 PP 25Φ, Gap 1.0 mm γ=1%, MCR302 PTD650で測定 Crossモデルでフィッティング 0.1 1 10 100 角周波数 [rad/s] 1000 T 160 T 180 T 200 T 220 T 240 T 160 T 180 T 200 T 220 5 実験装置 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 6 樹脂の流れる方向 フィーダー 構成F 40℃ 160℃ フライト部１ ニーダー部１ フライト部２ ニーダー部２ フライト20/20 フライト15/15 フライト15/15 フライト15/15 フライト10/10 フライト10/10 フライト10/5 フライト10/5 フライト20/20 フライト15/15 フライト15/15 フライト15/15 フライト15/15 フライト15/15 フライト15/15 フライト15/15 フライト15/15 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15/15 フライト15/15 フライト15/15 フライト15/15 フライト15/15 フライト15/15 フライト15/15 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20/20 スクリュー構成とバレル温度 フライト部３ 200℃ 樹脂の充満率を測定した区間 7 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 評価法1： 引抜実験による充満率の測定方法 1. 2. 3. 4. スクリューの引抜き スクリューを2本に分割 エレメントごとに樹脂のかきとり スクリューに付着した樹脂量を測定 樹脂のかきとりの様子 充満率 測定された樹脂重量/溶融樹脂密度 f ≡ バレル容積 − エレメント体積 − 軸体積 e 9 評価法2： HASL TSSの数値流動解析 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 速度場 z y x ブランド Akro-co, Ludvic, TEX-FAN etc HASL TSS Fluent particle works etc. 10 評価法3 HASL TSSによる計算順序 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） スクリュー構成例 解析メッシュの自動生成 メッシュ例 2.5D有限要素法による 流速 ve と圧力 Pe，充満率 feの計算 流速分布 計算結果の可視化 充満率分布 11 評価法3： フライト部2の可視化実験 フライト部１ ニーダー部１ フライト部２ 1.25 ニーダー部２ フライト部３ 可視化映像をもとに， 押し側の樹脂厚さを測定 樹脂の流れ 30rpm 0.25kg/h 12 実験条件 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。 フィード量 [kg/h] 0.25 0.35 0.50 0.75 引抜 可視化 ー 可視化 引抜 ー 引抜 ー 回転数 [rpm] 30 50 100 ー 可視化 ー 可視化 引抜 ー 引抜 ー 13 結果と考察 14 30 rpm, 0.5 kg/h 充満率の測定結果 スクリュ構成 フライト部１ ニーダー部１ フライト部２ ニーダー部２ フライト部３ 引抜実験 1 ニーダー部2は実験と 計算のかい離が大きい 充満率 [-] 0.8 0.6 0.4 0.2 TSSと良好に一致 0 150 充満率 HASL TSS 低い（０） 250 350 450 フィーダーからの距離 [mm] 30rpm0.5kg/h 550 15 高い（１） HASL TSSと引抜実験の樹脂充満状態の比較 30 rpm 0.5 kg/h 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） 充満率 低い(0) 高い(1) 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） 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。 16 回転数の影響（引抜実験） フライト部１ 1 ニーダー部１ フライト部２ ニーダー部２ フライト部３ 回転数を減少させると充満領域が拡大 充満率 [-] 0.8 0.6 0.4 100rpm0.75kg/h 0.2 50rpm0.75kg/h 30rpm0.75kg/h 0 150 350 フィーダーからの距離 [mm] 550 17 回転数の影響（HASL TSS） 充満率 低い(0) フィード量 0.75kg/h 30 rpm 50 rpm 100 rpm 高い(1) 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 フィード量の影響（引抜実験） フライト部１ ニーダー部１ フライト部２ ニーダー部２ フライト部３ フィード量の増加により充満領域が拡大 1 充満率 [-] 0.8 0.6 0.4 0.2 30rpm0.25kg/h 30rpm0.5kg/h 30rpm0.75kg/h 0 150 250 350 450 フィーダーからの距離 [mm] 550 19 フィード量の影響（HASL TSS） 充満率 低い(0) 回転数 30 rpm 0.75 kg/h 0.50 kg/h 0.25 kg/h 高い(1) 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 フライト部１ ニーダー部１ フライト部２ ニーダー部２ フライト部３ 1 充満率 [-] 0.8 可視化実験 ◆ 引抜実験 TSS □ HASL TSS解析結果 0.6 0.4 0.2 低Q/Nでは良好に一致 0 0.005 0.01 0.015 高Q/NではTSSと実験に差 が生じた 0.02 Q/N [kg/(h・rpm)] 0.025 0.03 21 HASL TSSと可視化実験の比較 フライト部１ ニーダー部１ フライト部２ ニーダー部２ フライト部３ 押し側樹脂厚さ [mm] 5 評価法3（可視化実験） □ HASL TSS 4 評価法2(HASLT TSS) ◆ 可視化実験 3 この幅を測定 2 TSSと可視化実験で良好な 一致が見られた。 1 0 0 0.01 0.02 Q/N [kg/(h rpm)] 0.03 22 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 バレルに石英窓を設置 • • • • • 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 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） （HAS-U2, DITECT製） （ALT-7500, エーエルティー製） ミニ分光器によるトレー 石英窓越しの非接触赤外線 サーの滞留時間分布計測 樹脂温度計 （C13555MA，浜松ホトニクス製） （TMHX-CQE0500，ジャパンセンサー製） 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 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。 フィード量 v0 [m3/s] 滞留時間 吐出量 v0 [m3/s] バレルとスクリュー間の容積V [m3]が Todd, D.B: Int. Polym. Proc., 6, 143(1991) 充満率f [-]で満たされている 27 滞留時間とトレーサー試験の関係 構成E 平均vsピーク 積算vs初出 積算vsピーク 平均vs初出 1000 1000 800 800 初出 or ピーク時間 [s] 初出 or ピーク時間 [s] 平均vs初出 構成F 600 400 200 0 平均vsピーク 積算vs初出 積算vsピーク 600 400 200 0 0 200 400 600 800 平均 or 積算 滞留時間 [s] 1000 0 200 400 600 800 1000 平均 or 積算 滞留時間 [s] 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. 2. 3. 4. 5. 充満率分布∝滞留時間分布 溶融可塑化 混練 反応押出 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 1 1 構成E 構成F 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 平均充満率 [-] 平均充満率 [-] 0.9 0.6 0.5 0.4 0.6 0.5 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 構成E 構成F 0.1 解析区間 0 全区間 0 0 0.01 0.02 Q/N [kg/(h・rpm)] 0.03 0 0.01 0.02 Q/N [kg/(h・rpm)] 0.03 31 充満率分布の測定結果 構成E フライト部１ ニーダー部１ フライト部２ ニーダー部２ フライト部３ 1 100rpm 充満率 [-] 0.8 0.6 0.4 0.2 0 150 250 350 450 フィーダーからの距離 [mm] 550 32 回転数の影響 構成E フライト部１ 1 ニーダー部１ フライト部２ ニーダー部２ 30rpm 50rpm 100rpm 0.8 充満率 [-] フライト部３ 0.6 0.4 0.2 0 150 250 350 450 フィーダーからの距離 [mm] 550 33 フィード量の影響 構成E フライト部１ ニーダー部１ フライト部２ ニーダー部２ 充満率 [-] 1 フライト部３ 0.264kg/h 0.8 0.464kg/h 0.6 0.66kg/h 0.4 0.2 0 150 250 350 450 フィーダーからの距離 [mm] 550 34 Q/N一定時の充満率 構成F フライト部１ ニーダー部１ フライト部２ ニーダー部２ フライト部３ 1 30rpm0.23kg/h 0.8 充満率 [-] 50rpm0.38kg/h 0.6 100rpm0.75kg/h 0.4 0.2 0 150 250 350 450 フィーダーからの距離 [mm] 550 35 実験条件 構成F 回転数/フィード量 30 rpm 0.23 kg/h ○ 0.38 kg/h 0.75 kg/h - - 50 rpm - ○ 100 rpm - - ○ ※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 溶融体輸送領域に対応 スクリュ展開モデルに対 当該領域内3次元熱流動 する圧力/流速/温度/充 場/混合効率の定量化 満率分布の定量化 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 評価法1: 充満率の測定結果 フライト部１ ニーダー部１ フライト部２ ニーダー部２ フライト部３ 1 30 rpm, 0.5 kg/h 充満率 [-] 0.8 0.6 0.4 0.2 0 150 250 350 450 フィーダーからの距離 [mm] 550 39 HASL TSSと引抜実験の樹脂充満状態の比較 30 rpm 0.5 kg/h 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） 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。 40
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