二軸押出による樹脂/フィラーの混練・分散制御とその評価解析

第1部 二軸押出機の変遷と最新の技術動向

(2021年7月6日 10:15〜11:45)

　地球温暖化の原因である化石燃料を原料とする高分子材料は、大量生産の時代を経て、高機能化・高性能化を目指した環境に配慮した材料開発が盛んである。特に最近は、微粒子をナノサイズにまで粉砕し高分子中へ分散させたナノコンポジットの実用化に向けた研究が活発である。この時重要になるのが、ナノサイズの微粒子の粉砕および高分子中への分散方法であり、二軸混練押出機が1つのキーテクノロジーの装置として位置づけられている。しかし、現状まだまだナノコンポジット材料で実用化されたものは少ない。 　本講演では、高分子材料の高機能化・高性能化のツールとして必要不可欠となっている二軸混練押出機の変遷と技術動向について解説し、現在同志社大学で進めている伸長流動を活用したナノ分散技術について解説する。

1. 混練の概念 (混練とは)
   1. 混合・混練の必要性
   2. 混合・混練の概念
   3. 混練の目的
   4. 樹脂混練押出機の分類
   5. 各機種の混練特性
   6. 樹脂の溶融と分解
2. 混練機・混練技術の変遷
   1. バッチ式混練機
   2. 二軸連続混練機
      • 非噛合い型異方向回転二軸混練機
   3. 二軸連続混練押出機
      • 噛合い型同方向回転二軸混練機I
3. 装置の高機能化
4. 混練押出し技術の最近の動向とナノ粒子分散技術
   1. 二軸混練押出機によるナノコンポジット製造技術伸長流動によるCNT分散技術
• 質疑応答

第2部 フィラー分散状態評価と樹脂の混合技術

(2021年7月6日 12:30〜14:00)

　フィラーを樹脂に混練する際の留意点 (カップリング剤 (種類、添加量、処理方法) 、フィラー (形状、サイズ) 、 添加剤の混合手法や混合順序) 、フィラーの分散状態の評価を検討すると共にフィラー充填複合材料の設計技術の指針を得る。

1. 最近におけるフィラーの複合化技術
2. カップリング剤の種類と効能
3. フィラー分散に及ぼす統計的手法
   • フィラー分散状態の「指標」となる主要な因子抽出
4. フィラー分散状態の評価法
   1. 顕微鏡的手法
      • 複合材料破面
      • 研磨面の観察
   2. X線的手法
      • XPS
      • X線CT測定
   3. 音響学的手法 (超音波探査法による測定)
   4. 走査型プローブ顕微鏡観察
      • 凹凸
      • 位相
      • 粘弾性
5. フィラーと樹脂の混合手法
   1. 樹脂粘度の影響
   2. フィラーと樹脂の混合法
   3. 混練順序の影響
      • 樹脂
      • フィラーの種類
      • 添加剤など
   4. フィラーの酸変性の影響
   5. カップリング剤の適切な添加手法
   6. マスターバッチ法の効能
      • 顔料、カップリング剤の影響
   7. 避けた方がよい樹脂/フィラーの組合せ
• 質疑応答

第3部 押出混練シミュレーション、樹脂挙動解析とスクリュ条件の求め方

(2021年7月6日 14:15〜15:30)

　押出機内での混練性と温度ムラ、樹脂の熱劣化と滞留など、溶融材料の品質評価などにおいてシミュレーションを通して、押出機の溶融能力、混練力、温度均一性を数値化する手法をご紹介・解説します。

1. スクリュのセクション毎の役割と理想的な状態
   1. 動画による押出機内部の様子～溶融の様子とパラメータ化～
   2. セクション毎の役割と,シミュレーションによる評価
      1. 溶融速度の評価
      2. 溝内での滞留防止パラメータ
      3. 滞留部の壁面のせん応力を解析
      4. 計量部での温度コントロール
      5. 吐出樹脂の温度ムラ
      6. スクリュの形状と効果
2. 押出機の評価の際に必要なパラメータ
   1. シミュレーションで使用されるパラメータとその解釈
   2. シミュレーション結果と実際の成形性の関連性
   3. 成形トラブルは,シミュレーションからどのように読み取れるか?
   4. 溶融品質の向上にシミュレーションはどう貢献できるか?
3. バリアセクション,ミキサーの効果
   1. バリアやミキサーの有無と溶融樹脂の品質の違い
   2. よりよいスクリュ設計に必要な,ミキサーの基礎
      1. ウェーブミキサー内の流動パターン
      2. バリア・ウェーブミキサー内の流動
      3. 押出サンプルによる混練度比較
      4. 各ミキサーからの吐出材料の様子
• 質疑応答

第4部 二軸スクリュ押出機内の樹脂熱流動現象を予測する数値解析技術

(2021年7月6日 15:45〜17:00)

　二軸スクリュ押出機内には、樹脂充満状態や混練状態など、一般的な解析技術では定量化が難しい諸現象が内在しています。本講座では、これらの諸現象を実用的に分析可能な解析技術 (2.5D FEM) を提案し、その定量化法と適用例について解説します。

1. 二軸スクリュ押出機内数値解析の技術背景
   1. 既往解析技術の特徴
      • 1D/2D FAN
      • 3D FEM/FVM
   2. 新規解析技術 (2.5D FEM) の開発方針
   3. 新規解析技術 (2.5D FEM) の特徴
2. 二軸スクリュ押出機内成形現象の定量化法
   1. 二軸スクリュモデリング技術
   2. Hele – Shaw薄肉流れの定式化に立脚した有限要素解析技術
   3. 樹脂充満状態の定量化法
3. 二軸スクリュ押出機内解析技術の適用例と実験検証
   1. 樹脂充満状態評価シミュレーション
   2. 複合材料の繊維破断シミュレーション
   3. 混練性評価シミュレーション
   4. その他の適用例 (脱揮シミュレーションなど)
• 質疑応答