2017年6月30日「押出機内の樹脂挙動および溶融混練の基礎と最適化」

　二軸スクリュ押出機・混練機やミキシングエレメントを有する単軸スクリュ押出機を用いて高分子材料の混練がなされている。技術や材料物性の高度化、不良現象などのトラブル回避のためには、装置内で起きている現象を把握することが不可欠である。また、押出機・混練機内の材料挙動をシミュレーションにより予測する技術は年々進歩しており、混練を含めた実際のプロセス設計、装置設計に応用されてきた。
　本講では、固体輸送、溶融、溶融体輸送の材料挙動および混練に関して基礎理論をわかりやすく解説するとともに、それに基づく実験およびシミュレーションを用いた混練評価およびスケールアップについて現状と課題を概説する。

1. 背景
   1. 押出機・混練機の概要
   2. 計算機シミュレーションの必要性
2. 実験による混練評価
   1. 既往の評価実験の例
   2. 最近の計測技術の研究例
   3. 各種実験の利点と問題点
3. 固体輸送メカニズム
4. 溶融部における高分子材料の溶融メカニズム
   1. 溶融プロセスの可視化
   2. 溶融理論
5. 溶融混練部の混練メカニズム
   1. 分配混合と分散混合
   2. 伸長流動の重要性
   3. ポリマーブレンド・コンポジットの混練理論
   4. 押出機・混練機と溶融混練理論の関係
6. 単軸スクリュ押出機内の溶融混練
   1. 溶融混練理論とミキシングスクリュの関係
   2. 新規装置
7. 二軸混練機・二軸スクリュ押出機内の溶融混練
   1. 溶融混練理論と二軸混練機・スクリュ押出機の関係
   2. 溶融混練に付随する問題と対策
   3. 新規装置
8. 計算機シミュレーションによる材料挙動の予測
   1. 計算機シミュレーションの利点と問題点
   2. 固体輸送部のシミュレーション
   3. 溶融部のシミュレーション
   4. 溶融体輸送部のシミュレーション
9. シミュレーションによる混練評価
   1. 分配混合指標とその考え方
   2. 分散混合指標とその考え方
   3. 各種評価指標を用いた研究例
10. スケールアップとシミュレーション
    1. スケールアップの一般論
    2. シミュレーションによるスケールアップの研究例
11. 今後の課題
• 質疑応答

2017年8月30日「二軸押出機による溶融混練の分散・混練技術と分散パラメータの設定、品質スケールアップの考え方」

　二軸押出機では残存最大粒子径でのミクロン分散が限界であり、サブミクロン分野、ナノ分散分野では新しい分散機構が用いられる。しかし二軸押出機でも均一性を改良すればサブミクロンが可能になる。手法は分配分散機能によっていて、考え方、技術的な方法を説明する。一方最近、事前の分散品質予測が高確率で可能になってきた。スケールアップが容易になり、従来の問題点が解決しつつある。なお、伸長流動分散では純理論的に分散レベルが自由に実現できるので問題が起きない。
　各技術において種々の実例を示すが、最近の注目技術であるセルロースナノファイバー (CNF) の分散技術についても言及する。

1. フィラーの分散性過程で、せん断応力依存領域とせん断歪依存領域
   1. Palmgrenの4段階分散モデル (従来) と橋爪の5段階分散モデル
   2. 理想的分散理論および転がり粒子破砕理論
   3. 破砕分散はせん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 (最近再認識されてきている)
      1. 分配分散の二面性
         • 破砕分散品質到達点前後の分配分散性の違いと実際
      2. 第1の「送り込み分配分散」・・せん断破砕分散と同居する
         • どういう役目か、どのようにコントロール、評価するのか
           • Blister Ring, Ring Segment, 絞り機構の応用、T関数の応用
           • 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。
           • 米国のVane Extruderなど3種類の伸長流動分散機構
         • せん断流動、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)
      3. 第2の「まき散らし分配分散」 … ・単独で作用する
         • どういう役目か、どのようにコントロール、評価するのか。
           • Gear Elementなど … 欧米の方式
           • CTM, Static Mixerなど … 日本の方式
      4. 注意すべき2軸スクリューの基本
2. せん断破砕分散、せん断分配分散の品質評価実験
   1. 凝集破壊に関する最近の解析 (被分散相に注目する)
      • 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
      • CBでの解析結果
   2. セルロースナノファイバー (CNF) の最適分散方法
      1. GF, CNTとの分散手法の違い
      2. 2段階分散手法における2分散方法
      3. 固相せん断分散技術
3. バウンドラバー、バウンドポリマーとナノ分散との相関
   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. 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
      3. 流動形態の変化は何に起因するか
         • 無機粒子表面における、高分子と電気的な結合状態の変化とする理論
      4. 分散に最適なせん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がある
         • エラストマー、ゴムの混練でも発生する
4. Fillerの分散品質が予測できる時代に入った。
   1. 純理論の相似側では、品質スケールアップはできない
   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
   3. 伸長流動分散では品質スケールアップができる。
      1. PA中へのHDPEの分散
      2. エラストマー中への別エラストマーの分散
      3. HDPE中へのHMWPEの分散
5. ナノ分散技術
   1. サブミクロン分散とナノ分散
   2. 高分子ナノ分散
      • In Situ法
      • 超臨界分散法
      • 高せん断法
      • 伸長流動分散法
      • リアクティブプロセシング法
   3. ナノコンポジット
      • In Situ法
      • 層間挿入法
      • 高せん断法
      • スラリー分散法
      • Melt Solution法
      • ランダム重合体で粒子表面を修飾する方法
   4. GO, rGOのコンパウンド
   5. LFP
• 質疑応答