二軸押出機の(溶融混練)分散品質スケールアップ

講演者は30年あまり、品質のスケールアップが一義的にできる分散技術を研究してきた。スケールアップには「挙動のスケールアップ」と「品質のスケールアップ」がある。前者の解析は割合容易であるが、後者は難物である。100有余年のせん断混練操作の歴史で、なかなか正解が得られていない。今の業界では、二軸押出機に代表されるせん断力応用機種がほほ100%用いられているが、せん断分散は分散過程に不均一性を内在しているためである。せん断応力、せん断歪に代表される、品質に関わる種々の物理量をもってしても、分散品質と1:1に対応しない。混練操作を通して、これらの物理量が平均値としてしか解析できないためで、各部分でレベルの違う分散過程があり、これが全体に混ざり合う分散作用では、不均一挙動になるのが当然と思われる。このような現象には緩和則を用いて、当たらずとも遠からず (すごく近い) のスケールアップ則を実現する手法が用いられ、品質予測が割合容易にできる技術を紹介する。実際の分散作用に関して、破砕分散、分配分散を含むスケールアップに関与するせん断分散作用をまず理解いただく。最近の傾向としてメルトフラクチャーを有効に分散に利用する技術も紹介する。最近話題の伸長流動分散作用に関しても理解いただく。後者は不均一性の少ない分散形態である。これらの混練形態において、スケールアップの手法を考察する。一方、スケールアップが必要でない分散操作をいくつか紹介する。これらの技術の応用として、最近の傾向であるナノ分散は、こうした不均一性の存在しない、スケールアップが容易な技術に裏打ちされなければなかなか実現できない。

1. 材料強度と分散性
   • プラスチック材料強度の2面性 (曲げ剛性と衝撃強度)
   • 20年前ごろまでは3元樹脂混練技術で対応
   • 現在では、無機物のナノ分散技術で対応
   • 分散される凝集粒子の特性と凝集破壊の特性
   • コンパウンドにおけるナノ分散が材料強度に大きく貢献
   • 無機ナノ粒子による強度補強理論
   • ポリマーアロイにおけるナノ分散が材料強度に大きく貢献
   • 他ポリマーナノ粒子による強度補強理論
   • 非分散粒子を最適に分散するために最適なせん断応力が存在する
   • マッケルビーの2粒子破砕理論と橋爪の回転粒子破砕理論
2. メルトフラクチャーの分散性
   • メルトフラクチャー発生現象
   • 高分子材料をせん断破砕する解析
   • Slip Line (2次元) 、Slip Cone (3次元) となる滑り面の発生
   • 2ロール上の樹脂に現れるSlip Lineと各樹脂の特性
   • 平行平板レオメータ上の樹脂に現れるSlip Lineと各樹脂の特性
   • 層流とメルトフラクチャーにおける流線の解析 (分散特性)
   • メルトフラクチャーの分散のメカニズム
   • 破砕分散特性と分配分散特性
   • 実機上の樹脂に現れる混練。分散特性
   • メルトフラクチャー分散の効率
3. せん断流動分散操作では、なぜ品質相似実験ができないか
   1. スケールアップ
      • 挙動の相似と品質の相似
      • 高分子分散で分散品質に係わる相似則が応用できない理由
      • 緩和則の理解と応用
      • 有効混練時間の考え方
      • 分散パラメーターとこれを緩和則へする応用技術
      • 従来の分散パラメーターと新しい分散パラメーター
      • 解析要因のα1、α2の解析の実際
      • カーボンブラック分散での応用例
   2. α1、α2解析法を用いた二軸押出機の操作特性
      • せん断品質平面の表示と品質等価曲線
      • 各種材料に対する品質等価曲線の特性
      • その法則から外れる材料特性 (たとえばCB)
   3. せん断流動分散の不均一性を補う緩和則の実際
      • 混練の有効時間に寄与する要因
      • T関数の解析と応用
      • 真空混練技術
4. 伸長流動分散
   1. 伸長流動分散理論
      • せん断流動分散と新超流動分散現象の違い
      • Utrackiの2相液体における伸長流動分散理論
      • 橋爪の2相液体における伸長流動分散理論
      • 均一分散の実際
      • 分散粒子変形における粒子切断条件
   2. 伸長流動分散の応用
      • Capillary numberの応用
      • せん断流動分散と伸長流動分散の適応領域
      • 両流動共存流動の場合
      • Nylon中へのHDPE分散への応用
      • 2種エラストマー分散への応用
      • 伸長流動ダイ (EFM, EFDM) と伸長流動スクリュー
      • 伸長流動スクリューでのHDPE中へUHMWPEの分散
5. ナノ分散技術
   1. 無期ナノ分散が得られる5方法とその評価
      • In situ法
      • 層間挿入法
      • 高せん断法 (産業技術総合研究所)
      • Melt Solution法 (アメリカでのGrapheneの分散)
      • スラリー分散技術 (橋爪)
      • 詳細メカニズムの紹介
      • ナノ分散の実際
   2. 均一分散か否か
6. 完全均一分散技術の例:長繊維ペレット成形技術の実際
   • 全く新しい分散概念 (非せん断流動分散、非伸長流動分散)
   • PPGの物性、曲げ剛性と衝撃強度を同時達成
   • アスペクト比の大きい繊維を残すFRTP応用技術
   • 自動車部品への応用
   • 世界1000億円市場への展開
• 質疑応用・名刺交換