プラスチック押し出し

プラスチックの押し出しは、生のプラスチックを溶かして連続した形状に成形する大量生産プロセスです。押し出しにより、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とシート、熱可塑性コーティング、電線絶縁材 などの製品が生産されます。

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、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生成される機械的エネルギーによって徐々に溶融されます。次に、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・ハンコックが加工されたゴムスクラップを再利用するために設計されたゴム「マスティケータ」を発明し、1836年にエドウィン・チャフィーがゴムに添加剤を混ぜるための2ローラーマシンを開発しました。^{[2]最初の熱可塑性押出成形は1935年にドイツの}ハンブルクでポール・トロスターと妻のアシュリー・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ツインスクリュー押出機を開発しました。^[3]

プラスチックの押し出しでは、原料の複合材料は一般に、上部に取り付けられたホッパーから押し出し機のバレルに重力で供給されるナードル（小さなビーズ、しばしば樹脂と呼ばれる）の形をしています。着色剤や紫外線防止剤などの添加剤（液体またはペレット状）がよく使用され、ホッパーに到達する前に樹脂に混ぜることができます。このプロセスは、押し出し機の技術の点で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。プルトルージョンは、通常、強化材を追加して、連続した長さで多くの同様のプロファイルを提供できますが、これは、ダイを通してポリマー溶融物を押し出すのではなく、ダイから完成品を引き出すことによって実現されます。

材料はフィードスロート（バレル後部近くの開口部）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、たとえば 120 rpm で回転）がプラスチックビーズを加熱されたバレルに押し込みます。粘性加熱やその他の影響により、目的の押し出し温度がバレルの設定温度と等しくなることはほとんどありません。ほとんどのプロセスでは、3 つ以上の独立したPID制御ヒーターゾーンがバレルの後部（プラスチックが入る場所）から前部に向かって徐々にバレルの温度を上げる加熱プロファイルがバレルに設定されています。これにより、プラスチックビーズがバレルに押し出されるときに徐々に溶け、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軽減されます。

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が十分に高速で流れている場合は、ヒーターをオフにして、バレル内部の圧力と摩擦のみ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設定値以下に維持するための冷却ファンが付いています。強制空冷では不十分な場合は、鋳込み式冷却ジャケットが使用されます。

バレルの前面では、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、溶融物内の汚染物質が除去されます。この時点での圧力は 34 MPa (5,000 psi ) を超える可能性があるため、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パック) で補強されています。スクリーン パック/ブレーカー プレート アセンブリは、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、ワイヤーの織りサイズ、その他のパラメータ) を変更することで「微調整」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により、溶融プラスチックの「回転記憶」も除去され、代わりに「縦方向記憶」が作成されます。

ブレーカー プレートを通過した後、溶融プラスチックはダイに入ります。ダイは最終製品のプロファイルを決定するもので、溶融プラスチックが円筒形プロファイルから製品のプロファイル形状に均一に流れるように設計する必要があります。この段階での不均一な流れにより、プロファイルの特定のポイントに不要な残留応力が生じた製品が製造され、冷却時に反りが生じる可能性があります。連続プロファイルに限定して、さまざまな形状を作成できます。

次に、製品を冷却する必要がありますが、これは通常、押し出したもの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が困難です。スチールと比較すると、プラスチックは熱を 2,000 倍ゆっくりと伝導します。チューブまたはパイプの押し出しラインでは、密閉された水浴に慎重に制御された真空が作用し、新しく形成されたまだ溶融状態のチューブまたはパイプが崩壊しないようにします。プラスチックシートなどの製品の場合、冷却ロールのセットに通すことによって冷却が行われます。フィルムや非常に薄いシートの場合、インフレーションフィルム押し出しの場合のように、空冷が最初の冷却段階として効果的です。

プラスチック押出機は、洗浄、選別、混合後のリサイクル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。この材料は通常、ビーズまたはペレットストックに切り刻んでさらなる処理の前駆物質として使用するのに適したフィラメントに押し出されます。

熱可塑性スクリューには 5 つのゾーンがあります。業界では用語が標準化されていないため、これらのゾーンを表す名前が異なる場合があります。ポリマーの種類によってスクリューの設計が異なり、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ます) : このゾーンは樹脂を押出機に供給し、チャネルの深さは通常、ゾーン全体で同じです。
• 溶融ゾーン (遷移ゾーンまたは圧縮ゾーンとも呼ばれます): このセクションではポリマーの大部分が溶融し、チャネルの深さは徐々に小さくなります。
• 計量ゾーン (溶融搬送ゾーンとも呼ばれます): このゾーンでは、最後の粒子が溶融され、均一な温度と組成に混合されます。供給ゾーンと同様に、このゾーン全体でチャネルの深さは一定です。

さらに、ベント付き（2 段式）スクリューには次の特徴があります。

• 減圧ゾーン。スクリューの約 3 分の 2 のこのゾーンでは、チャネルが突然深くなり、圧力が解放されて、閉じ込められたガス (水分、空気、溶剤、または反応物) が真空によって排出されます。
• 2 番目の計量ゾーン。このゾーンは最初の計量ゾーンに似ていますが、チャネルの深さがより深くなっています。溶融物を再加圧して、スクリーンと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、通常、L:D 比としてその直径を参照します。たとえば、直径 6 インチ (150 mm) のスクリューは、24:1 では長さが 144 インチ (12 フィート)、32:1 では長さが 192 インチ (16 フィート) になります。L:D 比は 25:1 が一般的ですが、同じスクリュー直径で混合と出力を増やすために、一部のマシンでは 40:1 まで上げられます。2 段階 (ベント式) スクリューは、2 つの追加ゾーンを考慮して、通常は 36:1 です。

各ゾーンには、バレル壁に温度制御用の 1 つ以上の熱電対またはRTDが装備されています。「温度プロファイル」、つまり各ゾーンの温度は、最終的な押し出し物の品質と特性にとって非常に重要です。

押し出し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ります。^[4]

プラスチックの押し出しにはさまざまなダイが使用されます。ダイの種類と複雑さによって大きな違いがある場合もありますが、すべてのダイは、射出成形などの非連続処理とは対照的に、ポリマー溶融物の連続押し出しを可能にします。

食品包装、買い物袋、連続シートなどの製品に使用されるプラスチックフィルムの製造は、インフレーションフィルムラインを使用して行われます。 ^[5]

このプロセスは、ダイまでは通常の押し出し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、スパイラルの 3 つの主な種類があります。環状ダイは最も単純で、ダイから出る前にダイの断面全体を流れるポリマー溶融物に依存しています。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、いくつかの「脚」を介して外側のダイリングに接続された中央のマンドレルで構成されます。流れは環状ダイよりも対称的ですが、フィルムを弱めるウェルドラインが多数生成されます。スパイラルダイは、ウェルドラインと非対称な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、ダイを離れる前にいくらか冷却され、弱い半固体のチューブになります。このチューブの直径は空気圧によって急速に拡大され、チューブはローラーで上方に引っ張られ、プラスチックを横方向と引き出し方向の両方に伸ばします。引き出しとブローにより、フィルムは押し出されたチューブよりも薄くなり、また、最も塑性ひずみが大きくなる方向にポリマー分子鎖が優先的に整列します。フィルムがブローよりも引き伸ばされると（最終的なチューブ直径が押し出し直径に近くなる）、ポリマー分子は引き出し方向に高度に整列し、その方向には強いが横方向には弱いフィルムになります。押し出し直径よりも大幅に大きい直径を持つフィルムは、横方向の強度が増しますが、引き出し方向の強度は低下します。

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と、いわゆるフロストラインで結晶化します。フィルムがさらに冷却されると、数組のニップローラーに通されて平らになり、平らなチューブ状になります。その後、2 つ以上のシートロールに巻き取られるか、スリットされます。

シート/フィルム押し出しは、厚すぎてブロー成形できないプラスチックシートまたはフィルムを押し出すために使用されます。使用されるダイには、T 字型とコートハンガー型の 2 種類があります。これらのダイの目的は、押出機からの単一の円形出力から薄く平らな平面の流れにポリマー溶融物の流れを再方向付けして誘導することです。どちらのタイプのダイでも、ダイの断面積全体にわたって一定で均一な流れを確保します。冷却は通常、一連の冷却ロール (カレンダー ロールまたは「チル」ロール) を通して引っ張ることによって行われます。シート押し出しでは、これらのロールは必要な冷却を行うだけでなく、シートの厚さと表面の質感を決定します。^[7] 多くの場合、共押し出しは、ベース材料の上に 1 つ以上の層を適用して、UV 吸収、質感、酸素透過抵抗、エネルギー反射などの特定の特性を得るために使用されます。

プラスチックシートストックの一般的な押し出し後のプロセスは熱成形です。これは、シートを柔らかくなるまで加熱し（プラスチック）、金型で新しい形状に成形するものです。真空を使用する場合、これは真空成形と呼ばれることがよくあります。配向（つまり、シートを金型に引き寄せる能力/利用可能な密度。通常、深さは 1 ～ 36 インチの範囲です）は非常に重要で、ほとんどのプラスチックの成形サイクル時間に大きな影響を与えます。

PVC パイプなどの押し出しチューブは、インフレーションフィルム押し出しで使用されるものと非常によく似たダイを使用して製造されます。ピンを介して内部の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、正しい最終寸法を確保できます。適切な内部マンドレルをダイに追加することで、追加の内腔または穴を導入できます。

多層チューブの用途は、自動車産業、配管・暖房産業、包装産業にも広く使用されています。

オーバージャケット押し出しにより、既存のワイヤまたはケーブルにプラスチックの外層を適用できます。これは、ワイヤを絶縁するための一般的なプロセスです。

ワイヤーのコーティングに使用されるダイ ツールには、チューブ (またはジャケット) と圧力の 2 種類があります。ジャケット ツールでは、ポリマー溶融物はダイ リップ直前まで内部ワイヤーに触れません。圧力ツールでは、溶融物はダイ リップに到達するずっと前に内部ワイヤーに接触します。これは、溶融物の良好な接着を確保するために高圧で行われます。新しい層と既存のワイヤーの間に密接な接触または接着が必要な場合は、圧力ツールが使用されます。接着が望ましくない場合や必要でない場合は、代わりにジャケット ツールが使用されます。

共押し出しとは、複数の層の材料を同時に押し出すことです。このタイプの押し出しでは、2 台以上の押し出し機を使用して、さまざまな粘性プラスチックを溶かし、一定の体積で単一の押し出しヘッド (ダイ) に送り込み、材料を希望の形で押し出します。この技術は、上記のプロセス (インフレーション フィルム、オーバージャケット、チューブ、シート) のいずれにも使用されます。層の厚さは、材料を送り出す個々の押し出し機の相対速度とサイズによって制御されます。

現実世界の多くのシナリオでは、単一のポリマーではアプリケーションのすべての要求を満たすことはできません。複合押し出しでは混合材料を押し出すことができますが、共押し出しでは個別の材料を異なる層として押し出し製品に保持し、酸素透過性、強度、剛性、耐摩耗性などの異なる特性を持つ材料を適切に配置することができます。

押し出しコーティングは、ブローまたはキャストフィルムプロセスを使用して、既存の紙、ホイル、またはフィルムのロールストックに追加の層をコーティングします。たとえば、このプロセスを使用して、ポリエチレンでコーティングして耐水性を高めることで紙の特性を向上させることができます。押し出された層は、他の 2 つの材料を結合するための接着剤としても使用できます。テトラパックはこのプロセスの商用例です。

コンパウンド押出は、1 つ以上のポリマーを添加剤と混合してプラスチック コンパウンドを生成するプロセスです。供給物はペレット、粉末、液体のいずれかですが、製品は通常ペレットの形で、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または二軸スクリュー押出機を使用できますが、コンパウンド押出成形では適切な混合が必要なため、二軸スクリュー押出機がほぼ必須です。^{[8] [9]}

ツインスクリュー押出機には、共回転と逆回転の 2 つのサブタイプがあります。この命名法は、各スクリューが他のスクリューと比較して回転する相対的な方向を指します。共回転モードでは、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。逆回転では、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。特定の断面積と重なり合い度 (かみ合い) の場合、共回転ツイン押出機の方が軸速度と混合度が高いことがわかっています。ただし、逆回転押出機の方が圧力の上昇が高くなります。^[10]スクリューの設計は一般にモジュール式で、さまざまな搬送および混合要素がシャフトに配置されているため、プロセスの変更や摩耗や腐食による損傷による個々のコンポーネントの交換のために迅速に再構成できます。マシンのサイズは、12 mm から 380 mm まであります [12- ポリマー混合、James White 著、129-140 ページ]

押し出し成形の大きな利点は、パイプなどの形状を任意の長さに作れることです。材料が十分に柔軟であれば、リールに巻き付けた状態でも長いパイプを作ることができます。もう一つの利点は、ゴムシールを含む一体型カプラを備えたパイプの押し出し成形です。^[11]

• トッド、ロバート H.; アレン、デル K.; アルティング、レオ (1994)、製造プロセスリファレンスガイド、インダストリアルプレス社、ISBN 0-8311-3049-0。