二軸押出機のエネルギー投入メカニズムとは？

二軸押出機のプロセス特性は、運転条件として設定される操作変数と、機械側の設計として決定される構造変数の二つの条件に基づき決定されます。これらのうち、操作変数は運転中に設定・変更が可能なソフト的な変数として定義できるのに対し、構造変数は装置仕様として事前に決定されるハード的な変数として捉えることができます。これらの操作変数および構造変数を適切に設定することにより、押出プロセス中に材料へ投入される総エネルギー量（機械的エネルギーおよび熱エネルギー）を制御することが可能になります。ここではそれぞれのエネルギーについて説明します。

機械的エネルギー入力
主としてスクリュ回転数によって決定され、せん断応力/せん断ひずみとして材料に伝達。

熱エネルギー入力
バレルおよび金型の温度設定により、外部から供給される熱量。

二軸押出機においては、材料投入後の搬送部（フィード-溶融初期領域）では、主としてバレルからの外部熱エネルギー投入が支配的であり、材料の軟化および溶融開始が進行します。一方、混練部以降の領域では、スクリュエレメント間およびスクリュ・バレル間で発生するせん断応力に起因した機械的エネルギー投入が支配的となり、材料の溶融、分散分配、混練が進行します。特に同方向回転・完全噛合型二軸押出機では、スクリュ間のワイピング効果により、材料は高い更新頻度でせん断場にさらされるため、機械的エネルギーの材料への伝達効率が非常に高くなります。

二軸押出プロセス特性を決定する二つの設計条件

二軸押出機における機械設計要素（構造変数）

スクリュ径（D）および L/D 比

スクリュ径は、押出機の処理能力を主として左右する構造変数であり、L/D 比は押出プロセスにおける有効プロセス長を決定します。一方、スクリュ径は材料に付与されるせん断速度に直接的な影響を与えるため、スケールアップに際しては、機械的エネルギー入力の増加および材料温度上昇挙動に対して十分な検討が必要となります。

スクリュフォーメーション

スクリュフォーメーションは、材料に与えられるせん断場を直接的に形成する要素として、二軸押出機の性能を決定づける重要な設計因子です。フライトエレメントによる材料搬送、ニーディングエレメントによる溶融促進や混練・圧力形成、ミキシングエレメントによる流動の分割・再結合といった各機能を段階的に配置することで、材料特性やプロセス目的に応じた混練強度の設計が可能となります。

付帯装置をはじめとした装置構成

フィーダー、サイドフィーダーやベントポート、ギヤポンプ等の付帯装置の配置は、材料投入の位置およびタイミング、圧力形成、揮発分除去挙動に影響を与えます。

二軸押出プロセスにおける運転条件（操作変数）

スクリュ回転数（rpm）

スクリュ回転数は、材料に付与されるせん断速度に直接的な影響を与えます。

材料投入量(材料吐出量)（kg/h）

材料投入量は、スクリュ溝内の充満状態を決定する基本的な変数であり、充満率の変化を通じて、せん断応力、圧力勾配などに影響を及ぼします。

バレル・金型温度設定（℃）

バレル温度は、材料の溶融開始および溶融進行を制御するために設定される外部熱エネルギーの入力条件であり、機械的せん断に起因するエネルギー入力と並んで、二軸押出プロセスにおける材料の温度上昇挙動および熱履歴へ影響を与える要因です。

プロセス結果として評価される指標

運転条件として設定される操作変数および機械設計として与えられる構造変数の組み合わせは、押出プロセス中における材料状態および運転挙動として現れ、以下の指標によって把握・評価されます。これらの指標は、プロセス設計および運転条件の妥当性を判断するための重要な手掛かりとなります。

吐出部での樹脂温度（℃）

押出機先端部に設置された樹脂温度・圧力センサーによって計測される樹脂温度は、押出プロセスにおいて材料が受けた熱履歴を反映する重要な指標です。樹脂温度は、材料物性の変化、熱分解、反応の進行度などに直接的な影響を及ぼします。これは、操作変数および構造変数の設定によって形成されるエネルギー投入状態の結果として現れるものであり、各種評価指標の中でも特に重要度の高い指標の一つです。

吐出部での樹脂圧力（MPa）

吐出部において計測される樹脂圧力は、ダイス内流動の安定性を評価する上での重要な指標です。　吐出圧力はフィルター、スクリーンチェンジャー、ギヤポンプ等の下流設備との圧力バランスを評価する指標としても用いられ、圧力変動は吐出量の不安定化の発生要因となり得ます。吐出部の樹脂圧力は、スクリュ構成だけで決まるものではなく、先端部に配置されるダイスの形状や流路条件との組み合わせによって圧力分布が形成されることを考慮することが重要です。

比エネルギー（kWh/kg）

単位樹脂量当たりのエネルギーは、押出プロセスにおいて材料へ実質的に投入された機械的エネルギー量を表す指標です。比エネルギーは、モーター出力を基準とし、減速機、カップリング、軸受等を介してスクリュへ動力が伝達される過程で生じる機械的損失を考慮した上で、スクリュ軸へ実際に入力された有効動力を算出し、これを単位時間当たりの処理量で換算することにより求められます。この指標は、材料が受けた機械的エネルギーを間接的に反映しており、混練強度の評価に用いられます。材料種やスクリュ構成が異なる条件間において、処理量や回転数の違いを超えてエネルギー投入状態を比較するための共通指標としてとても有効です。樹脂温度と並び、各種評価指標の中でも重要度の高い指標の一つと考えれます。

滞留時間　(min)

滞留時間は、材料が押出機内に投入されてから吐出されるまでに要する時間を示す指標です。滞留時間は、スクリュ回転数、材料投入量といった操作変数に加え、スクリュ構成、L/D 比の構造変数の影響を受けて形成されます。また、実際の押出プロセスでは、材料は一様な時間で移動するわけではなく、流動の分岐や合流、ニーディング部による混練により、滞留時間には分布が生じる。この滞留時間分布は、材料が受ける熱履歴のばらつきを反映しています。

ULTnano15を用いた基礎実験
_{― スクリュ回転数・吐出量が樹脂温度・圧力に与える影響}

スクリュ回転数や材料の投入量といった操作変数の変化に伴う樹脂温度および樹脂圧力の挙動を確認することを目的として、小型二軸混練押出機を用いた実験を実施しました。実験には循環型小型二軸混練押出機 ULTnano15 を使用しましたが、検討では押出プロセスにおける操作変数の影響評価を主眼としているため、循環パスは使用せず、ワンパス方式による連続押出運転を行いました。

実験概要

運転条件 / 回転数・吐出量・Q/N

	①	②	③	④	⑤	⑥	⑦	⑧	⑨
吐出量 g/hr	500	2500	5000	1500	1500	1500	300	1500	3000
回転数 rpm	100	500	1000	100	500	1000	300	300	300
Q/N	5C	5C	5C	15C	3C	1.5C	1C	5C	10C

①/②/③の比較：同Q/Nの3水準における充満率の違い
④/⑤/⑥の比較：異Q/N(吐出量一定)の3水準における充満率の違い
⑦/⑧/⑨の比較：異Q/N(回転数一定)の3水準における充満率の違い

運転条件 / スクリュフォーメーション

運転結果/樹脂温度・樹脂圧力

	①	②	③	④	⑤	⑥	⑦	⑧	⑨
吐出量 g/hr	500	2500	5000	1500	1500	1500	300	1500	3000
回転数 rpm	100	500	1000	100	500	1000	300	300	300
Q/N	5C	5C	5C	15C	3C	1.5C	1C	5C	10C
圧力 MPa	1.0	1.9	2.3	1.9	1.3	1.1	0.6	1.5	2.5
温度 ℃	165	167	169	165	167	169	166	166	167

実験結果

その結果、同一の Q/N 条件で比較した場合、スクリュ回転数および吐出量の増加に伴い、樹脂温度および樹脂圧力はいずれも上昇する傾向が確認されました。これは、Q/N が一定であっても、回転数および処理量の絶対値が増加することで、結果として樹脂の温度上昇が生じたものと考えられます。

吐出量を一定とした条件下でスクリュ回転数を上昇させた場合には、スクリュ回転数の増加に伴い樹脂温度は上昇する一方、樹脂圧力は低下する挙動を示した。これは、回転数の上昇によって材料に付与されるせん断速度が増大し、せん断発熱による温度上昇が促進されると同時に、材料の粘度低下の結果、ダイス部における圧力損失が低減されたためと考察できます。

一方、スクリュ回転数を一定とした条件下で吐出量を増加させた場合には、吐出量の増加に伴い樹脂温度および樹脂圧力がともに上昇した。これは、処理量の増加によってスクリュ溝内の充満率が上昇し、材料に作用するせん断応力および圧力勾配が増大したことに加え、単位時間当たりに材料へ投入される機械的エネルギーが増加したことに起因すると考えられます。

以上の結果から、樹脂温度および樹脂圧力は、単一の操作変数によって一義的に決定されるものではなく、スクリュ回転数と吐出量の組み合わせ、すなわち充満状態およびエネルギー投入状態の相互作用によって形成されることが示唆されます。

吐出量とスクリュー回転数のバランスが、樹脂の滞留状態および充満挙動に与える影響を詳細に解説したページも併せてご紹介しています。押出プロセスの理解において、Q/N 指標が有効なパラメータであることを裏付ける結果をご確認いただけます。

樹脂温度上昇に対する支配因子とスケールアップ時の留意点

以上の結果から、二軸押出プロセスにおいて、操作変数の中でも樹脂温度の上昇挙動に最も支配的な影響を及ぼす因子はスクリュ回転数と考えることができます。スクリュ回転数の増加は、材料に付与されるせん断速度を直接的に増大させ、せん断発熱に起因する樹脂温度の上昇を顕著に促進します。このため、吐出量やバレル温度条件が同一であっても、回転数の変化は樹脂温度に対して大きな影響を与えます。特に同方向回転・完全噛合型二軸押出機では、スクリュ間のワイピング効果により材料が高頻度でせん断場に更新されるため、スクリュ回転数の増加に伴う機械的エネルギーの材料への伝達効率が高く、温度上昇への寄与がより顕著となります。

また、スケールアップにおいては、スクリュ径の拡大に伴いスクリュ外径部での周速が増加するため、同一回転数条件であっても材料が受けるせん断速度は大きくなります。この結果、小型機と同一の回転数比や処理量比を単純に適用した場合、想定以上のせん断発熱や樹脂温度の過度な上昇を招く可能性が高くなります。したがって、スケールアップ時には回転数、吐出量、バレル温度といった操作変数を個別に設定するのではなく、スクリュ径の違いによるせん断速度および機械的エネルギー投入量の変化を考慮した上で、より慎重な運転条件の最適化が求められます。

二軸押出プロセスにおける評価指標としての比エネルギーの位置づけ

一般的には、運転中に容易に取得可能な樹脂温度や樹脂圧力が用いられることが多いですが、これらはプロセスの最終的な状態を示す指標であり、材料に加えられた機械的作用そのものを直接表すものではありません。

二軸押出における混練は、スクリュ回転によって材料に与えられるせん断および伸長変形の履歴に強く依存します。これらの機械的作用は、必ずしも樹脂温度や圧力の変化として顕在化するとは限らず、特に溶融が十分に進行した後の領域では、混練状態の違いが温度や圧力の差として現れにくくなります。このため、温度や圧力のみを基準とした評価では、プロセス内部で生じている混練状態の差異を見落とす可能性がああります。

比エネルギーは、単位質量あたりに材料へ投入された機械エネルギーを表します。これは、材料が押出機内部でどの程度の機械的負荷を受けたかを定量的に示すものであり、混練・分散分配の達成度を議論する上で重要な基盤情報となります。特に、スクリュ構成や運転条件を変更した際の影響を比較する場合、比エネルギーは装置条件の違いを超えて共通に用いることのできる尺度となります。

さらに、二軸押出では熱的要因と機械的要因が複雑に絡み合います。このようなプロセスでは、熱履歴を示す樹脂温度と、機械的仕事量を示す比エネルギーを切り分けて評価することが重要であり、両者を混同すると誤った解釈につながるおそれがあります。比エネルギーを導入することで、熱による影響とスクリュ回転に起因する影響を整理して議論することが可能です。

まとめ

二軸押出機のプロセス挙動は、運転中に設定・変更可能な操作変数（ソフト的条件）と、装置仕様として事前に決定される構造変数（ハード的条件）の組み合わせによって形成されるエネルギー投入状態に起因して現れます。これらの条件設定の結果として、樹脂温度、樹脂圧力、比エネルギー、滞留時間といった各種プロセス指標が発現し、材料の溶融状態、混練状態が定量的に評価されます。

したがって、二軸押出プロセスの最適化においては、個々の操作条件や機械仕様を個別に捉えるのではなく、エネルギー投入の観点から操作変数と構造変数の関係性を体系的に整理し、各プロセス指標との因果関係を理解した上で条件設計を行うことが重要です。

押出機専業メーカー　テクノベルの二軸混練押出機

　

世界で初めての取り組みとして、水平方向多軸押出機を新たに開発しました。さまざまな分野にて、4軸混練押出機・8軸混練押出機をご活用頂いております。従来の2軸混練押出機においても、世界最小径の6ミリ径からベストセラーモデルの15ミリ径のユニークな小型モデルから生産向けの大型の装置まで幅広いラインナップを製造しています。

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