チップクリアランスとは

押出機の溶融混練における混練は主にチップクリアランス部を通過することによるせん断応力の作用が主な要素であると考えられています。チップクリアランスとは、スクリュ山頂部とバレル内面、もしくは、一本のスクリュ山頂部と他方のスクリュ間のクリアランスのことを意味します。押出機における溶融混練において、この最適なチップクリアランスの設計がとても重要です。

せん断応力

小さなクリアランスでは、よりせん断応力がかかりやすくなります。これにより分散性が向上しますが、材料によっては熱劣化や局所的な発熱を引き起こす可能性があります。大きなクリアランスは、せん断応力が減少するため、粒子やフィラーの分散が均一になりにくくなる傾向があります。
　

塑性変形・粘性消散

二軸押出機の場合、樹脂の溶融においては、押出機のバレルに設置されるヒーターからの伝熱だけでなく、押出機の混錬による塑性変形による発熱や粘性消散による発熱、摩擦による発熱の影響が大きいです。塑性変形は、流動中の材料がクリアランス部で大きなせん断応力を受けることで発生します。粘性消散は高せん断応力がかかるような流体流動において顕著に表れます。チップクリアランスが小さくなる場合、塑性変形による発熱や粘性消散による発熱も大きくなります。
　

セルフクリーニング性能

チップクリアランスが小さくなると、バレルやスクリュに付着した材料を効率的にかきとることができるため、セルフクリーニング性はとてもよくなります。セルフクリーニング性が良くなることで、樹脂の長時間の付着による熱劣化を防止することやバレルからのヒーターによる伝熱効率を上げることができます。
　

流入流量

チップクリアランスが大きいと、そのクリアランスへ流入する材料は多いです。一方で、チップクリアランスが小さいと、クリアランスへ流入する材料は少なくなります。

まとめ

押出機の溶融混練において、チップクリアランスの設計は、分散混合性能、熱履歴、さらにはセルフクリーニング性能に大きな影響を与える重要な要素です。チップクリアランスが小さい場合、スクリュ先端部とバレル間で材料に高いせん断応力が付与されるため、凝集体の解砕やフィラー分散が促進され、高い分散混合性能が得られます。一方で、過度なせん断は塑性変形による発熱、粘性消散による発熱、摩擦による発熱を増大させるため、局所的な温度上昇や材料の熱劣化を引き起こす可能性があります。

チップクリアランスは単純に「狭い方が良い」「広い方が良い」と判断できるものではなく、対象材料の特性、熱安定性、要求される分散性能、さらには処理量や回転数といった運転条件とのバランスを踏まえて最適化する必要があります。材料特性と混練要求に応じた適切なチップクリアランス設計を行うことが、効率的かつ安定した押出プロセスの実現につながります。

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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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