プラスチック押出成形

プラスチック押出成形は、原料プラスチックを溶融して連続的な形状に成形する大量生産プロセスです。押出成形によって、パイプ／チューブ、ウェザーストリップ、フェンス、デッキの手すり、窓枠、プラスチックフィルムおよびシート、熱可塑性コーティング、電線被覆材などの製品が製造されます。

このプロセスは、ホッパーから押出機のバレルにプラスチック材料（ペレット、顆粒、フレーク、または粉末）を供給することから始まります。材料は、回転するスクリューとバレルに沿って配置されたヒーターによって発生する機械的エネルギーによって徐々に溶融されます。溶融したポリマーは、ダイに押し込まれ、冷却中に硬化する形状に成形されます。^{[ 1 ]}

現代の押出機の前身となる最初の装置は、19 世紀初頭に開発されました。1820 年に、トーマス・ハンコックは加工されたゴムくずを再生するためのゴム「マスティケーター」を発明し、1836 年にエドウィン・チャフィーはゴムに添加剤を混合するための 2 ローラー式機械を開発しました。^{[ 2 ]}最初の熱可塑性樹脂の押出成形は、1935 年にドイツのハンブルクでポール・トロエスターとその妻アシュリー・ガーショフによって行われました。その後まもなく、LMP のロベルト・コロンボがイタリアで最初の二軸スクリュー押出機を開発しました。^{[ 3 ]}

プラスチックの押出成形では、原料となる複合材料は一般的にナードル（小さなビーズ、樹脂と呼ばれることが多い）の形で、上部に取り付けられたホッパーから押出機のバレルに重力によって供給されます。着色剤や紫外線防止剤（液体またはペレット状）などの添加剤がよく使用され、ホッパーに到達する前に樹脂に混合されます。押出機技術の観点から見ると、このプロセスはプラスチック射出成形と多くの共通点がありますが、通常は連続プロセスであるという点で異なります。プルトルージョンでは、通常補強材を追加して、連続した長さで多くの類似した形状を提供できますが、これはポリマー溶融物をダイを通して押し出すのではなく、完成品をダイから引き出すことによって実現されます。

材料は供給口（バレル後部付近の開口部）から入り、スクリューと接触します。回転するスクリュー（通常は120rpmなど）がプラスチックビーズを加熱されたバレル内に押し出します。粘性加熱やその他の影響により、所望の押出温度はバレルの設定温度と一致することはほとんどありません。ほとんどのプロセスでは、バレルに対して加熱プロファイルが設定され、3つ以上の独立したPID制御ヒーターゾーンが、バレル後部（プラスチックが流入する場所）から前部に向かって徐々に温度を上昇させます。これにより、プラスチックビーズはバレル内を押し出される際に徐々に溶融し、ポリマーの劣化を引き起こす可能性のある過熱のリスクが低減されます。

バレル内部で発生する強い圧力と摩擦によって、余分な熱が発生します。実際、押出ラインで特定の材料を十分な速度で処理する場合、ヒーターをオフにしても、バレル内部の圧力と摩擦だけで溶融温度を維持できます。ほとんどの押出機には、過剰な熱が発生した場合に温度を一定値以下に保つための冷却ファンが備えられています。強制空冷で不十分な場合は、鋳込み式の冷却ジャケットが使用されます。

バレルの先端では、溶融プラスチックがスクリューから出て、スクリーンパックを通過して溶融物中の不純物を取り除きます。この部分の圧力は34 MPa（5,000 psi）を超えることがあるため、スクリーンはブレーカープレート（多数の穴が開けられた厚い金属製の円盤）で補強されています。スクリーンパックとブレーカープレートの組み合わせは、バレル内に背圧を発生させる役割も果たします。背圧はポリマーの均一な溶融と適切な混合に必要であり、発生する圧力はスクリーンパックの構成（スクリーンの数、ワイヤーの織り目サイズ、その他のパラメータ）を変えることで調整できます。このブレーカープレートとスクリーンパックの組み合わせは、溶融プラスチックの「回転記憶」を排除し、代わりに「縦方向の記憶」を生み出します。

ブレーカープレートを通過した溶融プラスチックは金型に入ります。金型は最終製品の形状を決定するものであり、溶融プラスチックが円筒形から製品の形状へと均一に流れるように設計する必要があります。この段階での流れが不均一だと、形状の特定の箇所に不要な残留応力が発生し、冷却時に反りの原因となる可能性があります。連続した形状に限られますが、様々な形状を作成できます。

製品は冷却する必要があり、これは通常、押出成形品を水浴に通すことによって行われます。プラスチックは非常に優れた断熱材であるため、急速に冷却することは困難です。鋼鉄と比較すると、プラスチックの熱伝導率は2,000分の1です。チューブまたはパイプの押出成形ラインでは、密閉された水浴に厳密に制御された真空をかけることで、新たに形成された溶融状態のチューブまたはパイプが潰れないようにします。プラスチックシートなどの製品の場合、冷却は冷却ロールに通すことによって行われます。フィルムや非常に薄いシートの場合、ブローフィルム押出成形のように、初期冷却段階として空冷が効果的です。

プラスチック押出機は、洗浄、選別、混合などの工程を経て、再生プラスチック廃棄物やその他の原材料を再処理するためにも広く使用されています。これらの材料は通常、ビーズ状またはペレット状に切断して、後工程の原料として使用するのに適したフィラメント状に押し出されます。

熱可塑性樹脂製のねじには、5つのゾーンが存在する可能性があります。業界では用語が標準化されていないため、これらのゾーンは異なる名称で呼ばれる場合があります。ポリマーの種類によってねじの設計は異なり、すべてのゾーンが組み込まれていないものもあります。

ほとんどのネジには、次の3つのゾーンがあります。

• 供給ゾーン（固形物搬送ゾーンとも呼ばれる）：このゾーンは樹脂を押出機に供給し、通常、ゾーン全体で流路の深さは同じです。
• 溶融ゾーン（遷移ゾーンまたは圧縮ゾーンとも呼ばれる）：この部分ではポリマーの大部分が溶融し、チャネルの深さが徐々に小さくなる。
• 計量ゾーン（溶融搬送ゾーンとも呼ばれる）：このゾーンでは、最後の粒子を溶融し、均一な温度と組成になるまで混合します。供給ゾーンと同様に、このゾーン全体で流路の深さは一定です。

さらに、通気孔付き（2段階式）ネジには以下の特徴があります。

• 減圧ゾーン。このゾーンは、スクリューの約3分の2の深さに位置し、流路が急激に深くなるため、圧力が解放され、閉じ込められたガス（水分、空気、溶剤、反応物など）が真空によって排出されます。
• 第2計量ゾーン。このゾーンは第1計量ゾーンと似ていますが、流路の深さが大きくなっています。溶融金属を再加圧し、スクリーンやダイの抵抗を通過させる役割を果たします。

スクリューの長さは、直径に対するL:D比で表されることが多い。例えば、直径6インチ（150mm ）のスクリューの場合、L:D比が24:1であれば長さは144インチ（12フィート）、32:1であれば192インチ（16フィート）となる。L:D比25:1が一般的だが、同じスクリュー直径で混合効率と生産量を向上させるために、40:1まで高める機種もある。2段式（通気式）スクリューは、2つの追加ゾーンを考慮して、通常36:1となる。   

各ゾーンには、温度制御のためにバレル壁に1つ以上の熱電対または測温抵抗体（RTD）が取り付けられています。「温度プロファイル」、すなわち各ゾーンの温度は、最終的な押出成形品の品質と特性に非常に重要です。

押出成形に使用される代表的なプラスチック材料には、ポリエチレン（PE）、ポリプロピレン、ポリアセタール、アクリル、ナイロン（ポリアミド）、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル（PVC）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）、ポリカーボネートなどがあるが、これらに限定されない。^{[ 4 ]}

プラスチック押出成形には様々な金型が使用されます。金型の種類や複雑さには大きな違いがありますが、すべての金型は射出成形のような非連続的な加工とは異なり、ポリマー溶融物の連続的な押出成形を可能にします。

ブローフィルム押出成形

食品包装、買い物袋、連続シートなどの製品用のプラスチックフィルムの製造は、ブロー成形ラインを使用して行われます。^{[ 5 ]}

このプロセスは、ダイに至るまで通常の押出成形プロセスと同じです。このプロセスで使用されるダイには、環状（またはクロスヘッド）、スパイダー、およびスパイラルの 3 つの主要なタイプがあります。環状ダイは最も単純で、ポリマー溶融物がダイから出る前にダイの断面全体を迂回して流れることに依存しています。これにより、流れが不均一になる可能性があります。スパイダーダイは、中央のマンドレルが複数の「脚」を介して外側のダイリングに取り付けられています。流れは環状ダイよりも対称的ですが、フィルムを弱める多数のウェルドラインが生成されます。スパイラルダイはウェルドラインと非対称の流れの問題を解消しますが、はるかに複雑です。^{[ 6 ]}

溶融物は金型から出る前にやや冷却され、弱い半固体状のチューブとなる。このチューブの直径は空気圧によって急速に拡大され、ローラーによってチューブが上方に引き伸ばされることで、プラスチックは横方向と延伸方向の両方に引き伸ばされる。延伸とブロー成形によってフィルムは押し出されたチューブよりも薄くなり、また、ポリマー分子鎖は最も塑性変形を受ける方向に優先的に配向する。フィルムの延伸量がブロー成形量よりも多い場合（最終的なチューブの直径が押し出された直径に近い場合）、ポリマー分子は延伸方向に高度に配向し、その方向には強いが横方向には弱いフィルムとなる。フィルムの直径が押し出された直径よりもかなり大きい場合、横方向にはより強いが、延伸方向にはより弱い。

ポリエチレンやその他の半結晶性ポリマーの場合、フィルムが冷却されるにつれて、フロストラインと呼ばれる温度で結晶化が起こります。フィルムがさらに冷却されると、複数のニップローラーを通して引き伸ばされ、平らなチューブ状になります。このチューブは、その後、巻き取られたり、2本以上のシート状のロールにスリットされたりします。

チューブ押出成形

PVCパイプなどの押出成形チューブは、ブローフィルム押出成形で使用されるものと非常によく似た金型を用いて製造されます。ピンを通して内部空洞に正圧をかけるか、真空サイザーを使用して外径に負圧をかけることで、最終寸法を正確に調整できます。金型に適切な内径マンドレルを追加することで、追加の内腔や穴を設けることも可能です。

多層チューブの用途は、自動車産業、配管・暖房産業、包装産業においても広く見られます。

共押出

共押出成形とは、複数の材料層を同時に押し出す成形方法です。このタイプの押出成形では、2台以上の押出機を用いて、異なる粘性を持つプラスチックを溶融し、一定の体積流量で単一の押出ヘッド（ダイ）に供給します。この押出ヘッドは、材料を所望の形状に押し出します。この技術は、上記で説明したあらゆるプロセス（ブローフィルム、オーバージャケット、チューブ、シート）で使用できます。層の厚さは、材料を供給する個々の押出機の相対的な速度とサイズによって制御されます。

多くの実際の用途において、単一のポリマーでは用途のすべての要求を満たすことはできません。複合押出成形では混合材料を押し出すことができますが、共押出成形では個々の材料を異なる層として押し出し成形品中に保持できるため、酸素透過性、強度、剛性、耐摩耗性など、異なる特性を持つ材料を適切に配置することが可能です。

コンパウンディング押出成形は、1 種類以上のポリマーと添加剤を混合してプラスチックコンパウンドを製造するプロセスです。原料はペレット、粉末、液体のいずれでも構いませんが、製品は通常ペレット状で、押出成形や射出成形などの他のプラスチック成形プロセスで使用されます。従来の押出成形と同様に、用途や必要な処理量に応じて機械のサイズは幅広くあります。従来の押出成形では単軸押出機または二軸押出機のいずれも使用できますが、コンパウンディング押出成形では適切な混合が必要なため、二軸押出機がほぼ必須となります。^{[ 8 ] [ 9 ]}

二軸押出機には、同方向回転型と逆方向回転型の2つのサブタイプがあります。この名称は、各スクリューが互いにどの方向に回転するかを示しています。同方向回転モードでは、両方のスクリューが時計回りまたは反時計回りに回転します。逆方向回転モードでは、一方のスクリューが時計回りに回転し、もう一方のスクリューが反時計回りに回転します。断面積と重なり具合（噛み合い具合）が同じ場合、同方向回転二軸押出機の方が軸方向速度と混合度が高いことが示されています。ただし、逆方向回転押出機の方が圧力上昇が大きくなります。^{[ 10 ]}スクリューの設計は一般的にモジュール式で、さまざまな搬送要素と混合要素がシャフト上に配置されているため、プロセス変更や、摩耗または腐食による損傷で個々のコンポーネントを交換する際に、迅速に再構成できます。機械のサイズは、12 mmから 380 mmまであります。[12- James White著「ポリマー混合」、129～140ページ]

押出成形の大きな利点は、パイプなどのプロファイルを任意の長さに成形できることです。材料が十分に柔軟であれば、パイプをリールに巻き付けて長い長さに成形することも可能です。もう1つの利点は、ゴムシールを含む一体型カプラーを備えたパイプの押出成形です。^{[ 11 ]}