二軸押出機による無機フィラーの分散・混練度向上技術と品質スケールアップの考え方

二軸押出機内で生じる混練操作は、被分散添加粒子各々に異なる挙動を与える。したがって各粒子に発生している全ての分散現象を解析することは不可能に近い。従来の我々の解析手法は全体を1つの系として解析してきたが、分散の不均一性の解析まで到達できなかった反省がある。こうした未解決技術を達成するためには、不均一現象の原因を詳細に知見し解析できる技術に展開することである。 　最近、解析および改良技術の中から、不均一性を是正できる新しい技術がいくつか創出され、実用化されるようになってきた。一部に「素晴らしい分散品質が実現できた」という報告も出てきている。一方、従来私は不均一性の生じない混練分散技術の実現に向けた研究を行ってきた。これらの実情をできるだけ詳細に説明する。

1. ポリマー中への無機フィラーの分散
   1. 4段階分散モデル (Palmgren) と5段階分散モデル (橋爪)
      • 両モデルでは分配分散の作用のに認識が異なる。
   2. 2粒子分割分散理論 (McKelvey) と転がり粒子破砕理論 (橋爪)
   3. 1分散工程で順に、剪断応力依存領域と剪断歪依存領域が存在
   4. 破砕分散は剪断応力依存であるが、均一性達成には分配分散作用が重要
      (後者は最近再認識されてきた。解析が重要)
      1. 分配分散には2つの形態がある。
      • 破砕分散品質到達点前後の分配分散性の違いとして出現
      • 前段の「送り込み分配分散」 … 剪断破砕分散に同居する
        • その役目、どのように、コントロールすべきか、評価するか
          • Blister Ring, Ring Segment, 絞り機構の応用、T関数の応用などに関連している。
            ここではT関数に注目し解析する。
          • Ring、絞り機構には、伸長流動分散効果の副次効果がある
      • 伸長流動分散の均一性が今後大きな分野に発展する可能性がある。
2. 種類の伸長流動分散機構
   • 剪断流動、伸長流動の共存流動における分散性
     • HMWPEがHDPE中で分散した (相対粘度≧4.0でも可能)
1. 後段の「まき散らし分配分散」 … 単独で作用する
   • その役目か、どのように、コントロールすべきか、評価するか。
     • Gear Elementなど … 欧米の方式
     • CTM, Static Mixerなど … 日本の方式
3. 破砕分散、分配分散における品質向上操作の解析
   1. 凝集破壊に関する最近の解析 (被分散相に注目する)
      1. 凝集粒子の破壊力は、凝集次数と凝集粒子径の関数である
      2. CBでの解析結果
      3. CB コンパウンドでは、CBコロイド溶液と同じで、
         • Shear thinning→Shear thickening→Shear Thickeningとなる。
      4. 平行平板レオメータでの解析
      5. 分散向上過程の3領域の存在と材料間結合の差
      6. Shear Thicknning領域で大きく分散性が向上する。
4. グラフェン、CNFの最適分散方法とその応用
   1. グラフェンの分散特性
      1. 強度保持の分散と (電気、熱などの) 伝導性保持の分散
      2. 樹脂中へのGO, rGOの分散特性
      3. 再凝集問題と機械強度
      4. 各種物質へのグラフェンの分散方法
      5. 各製品への応用例
         • 金属強度が4～10倍向上する。
         • 従来のCBに代わるタイヤ製造への応用
         • グラフェン電池、浸透膜など
   2. CNFの分散特性
      1. 機械的分散法:製造コストとの競争
      2. CNFを応用したシシケバブ構造の創出
      3. 化学的分散法:分散方法の開発がポイント
         • 現在はCNF分散液製造技術が重点であり、今後樹脂への分散技展開される。
      4. 伸長流動分散の応用
      5. 耐熱物性の改良
5. バウンドポリマー (ラバー) とナノ分散の関係
   1. 材料の機械強度が向上する現象解明
      1. コンパウンドの場合
         • 限界粒子間距離が関与する。粒子径は直接関与しない
         • 無機粒子上のSticky Hard 層の高分子が絡まる。粒子の接触ではない。
      2. ポリマーアロイの場合
         • 各粒子が相互に流路干渉することによる。
   2. Shear Thinning流体とShera Thickening流体
      1. 分散後の材料粘度ではなくて、分散中の材料粘度が問題
      2. 流動形態の変化は何に起因するか
         • 無機粒子表面で、高分子と電気的な結合状態が変化する理論
      3. 分散に最適な剪断分散速度が存在する。 (全Fillerには適用できない)
         • CB分散では顕著な特性、エラストマー、ゴムの混練でも発生する。
6. Fillerの分散品質を予測する技術の実例
   1. 純理論の相似側では、スケールが異なると品質が同じにならない
   2. 分散品質予測技術
      • 事前の品質予測が高精度で可能なら、相似側は必要なくなる
      1. 品質方程式の作成方法
      2. 分散品質予測精度の確認
         • 精度を上げるため、ノイズ実験を消去する方法
      3. 有効時間が意味するもの
         • T関数、真空混練技術など
   3. 伸長流動分散では品質スケールアップ (同一を保つ) ができる。
      1. 伸長流動分散の実際 (粒子径の狭い分布、と領域の移動が可能)
      2. そのメカニズムでは品質のスケールアップができる。
      3. 因子は伸長応力値のみの関数として得られる
      4. PA中へのHDPEの分散
      5. 異種エラストマーどうしの分散
      6. HDPE中へのHMWPEの分散
7. 質疑応答