同方向と異方向の違い

二軸押出機には、同方向二軸押出機と異方向二軸押出機があります。回転方向が異なり、スクリュ形状も大きく変わることにより、両装置の特徴も大きく異なります。同方向二軸押出機では、スクリュ間でのせん断応力が大きく、混練が強力に行われます。異方向二軸押出機は、同方向に比べてせん断応力が低く、せん断による材料の発熱を避けたい材料の加工に適しています。

同方向二軸押出機について

スクリューの回転方向

同方向二軸押出機では、二本のスクリュが同一方向に回転し、完全嚙合構造が採用されることが一般的です。この構造により、スクリュー間の嚙合部では材料が次のフライトへと強制的に受け渡される流動場が形成されます。その結果、デッドスペースの極めて少ない空間を構成することが可能となり、材料の充満状態をスクリュー構成や運転条件によって比較的容易に制御できます。また、材料はスクリュ間を周期的に移動する挙動を示し、セルフワイピング効果により、材料の滞留や付着が抑制されます。特にこのセルフワイピング性は、反応押出や熱履歴に敏感な材料の処理において、滞留時間分布（RTD）を狭く維持する上で重要な役割を果たします。

混練性能

同方向二軸押出機の高い混練性能は、スクリュ間およびスクリュとバレル間には高せん断場が形成され、これに加えてミキシングエレメントなどの混練要素によって伸長流動成分が付与されることで、材料内部に複雑な変形履歴が与えられます。さらに、スクリュ要素の組み合わせを自由に設計できるため、エネルギーを材料へ投入する位置や量を意図的に制御できる点も大きな特徴です。同方向二軸押出機ではフィラー凝集体の解砕、ポリマーアロイにおける相分散状態の制御、さらには反応押出における物質移動の促進といった構造制御が可能です。

用途

これらの特性から、同方向二軸押出機は無機フィラーや有機フィラー、さらにはナノフィラーを含むコンパウンディング用途、ポリマーアロイやポリマーブレンドの製造、重合反応、相溶化反応を伴う反応押出など、幅広い分野で使用されています。特にカーボンナノチューブやセルロースナノファイバーを用いたナノコンポジット材料では、フィラーの分散状態が最終物性を大きく左右する一方で、過度なせん断はポリマー劣化を引き起こす可能性があるので注意が必要です。

異方向二軸押出機について

スクリューの回転方向

異方向二軸押出機では、二本のスクリューが互いに反対方向に回転する構造を持ちます。この場合、スクリュー間の嚙合部では材料がスクリューによって引き込まれ、圧縮されながら前進します。材料輸送はスクリュー回転そのものに強く依存しており、比較的低い回転数であっても安定した押出が可能である点が特徴です。また、高い充満状態を維持した運転が基本となります。

混練性能

異方向二軸押出機における混練は、同方向二軸押出機のような強いせん断応力支配ではなく、スクリュー間で生じる圧縮および伸長変形を主体です。特にスクリュー嚙合部ではカレンダー効果が発現し、材料は比較的穏やかな条件下で分散されます。このため、せん断応力およびそれに伴うせん断発熱が低く抑えることが可能であり、熱安定性に乏しい材料の加工に適した特性を示します。

用途

硬質PVCに代表される材料は、熱分解温度が低く、さらに溶融時の流動性が悪いという特性を有しています。このような材料に対しては、同方向二軸押出機における高せん断条件がかえって不利に働く場合があります。一方、異方向二軸押出機では、高充満かつ低回転の運転によって押出温度を低く抑えることが可能です。さらに、スクリュー間で生じるカレンダー効果を活用することで、PVCパイプ、シート、異形押出品などを安定して成形することができます。

異方向二軸押出機の特徴

異方向二軸押出機は、硬質PVCに代表されるような、熱安定性が低く、かつ溶融時の流動性に乏しい材料の押出成形に優れた特性を有しています。同方向二軸押出機と比較して、より小さなせん断応力で混練を行うことが可能であり、その結果、材料温度の上昇を抑えた低温条件での押出成形が実現されます。このような特性により、異方向二軸押出機はPVCパイプ、シート、異形押出品などの製造に広く用いられています。

異方向二軸押出機では、スクリュー間の嚙合部において発現するカレンダー効果を活用することができ、この効果は添加剤の分散混練に対して有効であると考えられています。原理的には、スクリューの嚙合部がカレンダーロールに類似した幾何学構造を持ち、材料がその間を通過する過程で圧縮および伸長変形を繰り返し受けることにより、比較的穏やかな条件下での分散が進行します。このような混練機構は、完全な微細分散よりも適度な分散状態の維持が求められるPVC配合系において、特に適した特性であると言えます。

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ABOUT THE PUBLISHER

株式会社テクノベル ─ 押出機の専業メーカー

大阪に本社を構える押出機の専業メーカー。創業以来、押出技術の革新に取り組み、世界で初めて水平方向多軸押出機を開発。4軸・8軸の混練押出機をさまざまな分野へ供給しています。従来の二軸混練押出機においても、世界最小径6mm径の実験機からベストセラーの15mm径、量産向けの大型機まで、幅広いラインナップを展開。本コラムでは、現場で培った押出技術の知見を体系的に発信しています。

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