JP6794171B2 - 円筒押出ダイおよびシームレスチューブの製造方法 - Google Patents
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Description
かかる樹脂組成物を用いてシームレスチューブを製造する方法として、下記(1)〜(3)の工程を有する方法がある。
(1)電子導電性フィラーを含む熱可塑性樹脂のペレットを押出機に投入し、該ペレットを溶融する工程;
(2)可塑化された樹脂組成物を、該押出機の先端に装着した円筒押出ダイから押し出して、可塑化された樹脂組成物を、チューブ形状に成形する工程;
(3)チューブ形状に成形された可塑化された樹脂組成物を、当該チューブ形状を維持したまま冷却、固化させてシームレスチューブを得る工程。
特許文献1には、カーボン粒子の如き導電性フィラーを含む熱可塑性樹脂組成物をチューブ状に溶融押出成形する工程を経て製造されたシームレスチューブの円周方向における抵抗分布を均一化されたシームレスチューブの成形方法が開示されている。具体的には、この成形方法では、押出成形して得られた冷却固化後のチューブ状体の引き取り方向に直交する円周上の体積電気抵抗または表面電気抵抗を測定する。、そして、当該測定値に基づいて、熔融押出しチューブの少なくとも2以上の円周方向位置における温度を部分的に制御すべく配設された温度制御手段を制御することにより、温度分布が調整される。
溶融樹脂を円筒形状のシームレスチューブに成形するための円筒押出ダイであって、
円筒形状のスリットと、
該スリットと連通しており溶融樹脂を該スリットの周方向に分配するための周方向分配流路と、
該周方向分配流路に溶融樹脂を導く導入路と、を備え、
該導入路は、該導入路内を前記周方向分配流路に向かって流動する流体の、該導入路の管壁近傍の流れと、管中心部の流れとを入れ替える入替手段が内挿されてなり、
該導入路は、断面の径が第1の値である第1部分と断面の径が第1の値よりも小さい第2部分とを有し、該入替手段は、該第1部分と該第2部分との境界に形成される段差に突き当てて配置されている円筒押出ダイが提供される。
バインダーとしての熱可塑性樹脂と、該熱可塑性樹脂に分散された導電性フィラーと、を含む導電性のシームレスチューブの製造方法であって、
該製造方法は、
(1)熱可塑性樹脂および導電性フィラーを含む導電性の樹脂組成物を用意する工程;
(2)円筒形状のスリットと、
該スリットと連通しており、可塑化した樹脂組成物を該スリットの周方向に分配する周方向分配流路と、
該周方向分配流路に可塑化した樹脂組成物を導く導入路と、を備え、
該導入路の内部に、ラインミキサを配置してなる、円筒押出ダイを用意する工程;
(3)可塑化した該樹脂組成物を、該円筒押出ダイの該導入路に導き、該周方向分配流路に向けて流動させる工程;
(4)該導入路を流動した、可塑化した該樹脂組成物を該周方向分配流路に導入し、該スリットに向けて流動させる工程;
(5)該周方向分配流路を流動した可塑化した該樹脂組成物を、該スリットに導き、該スリットを流動させて、該スリットの出口から円筒形状に押し出す工程、を含む、ことを特徴とする導電性のシームレスチューブの製造方法。
本願発明者らは、導電性フィラーを含む樹脂組成物を円筒押出ダイから押し出すことによって形成されてなるシームレスチューブにおいて、円周方向に電気抵抗のバラつきが発生する原因について検討した。
その結果、このような電気抵抗のバラつきは、可塑化してなる樹脂組成物が、押出機から円筒押出ダイに入り、円筒押出ダイの出口から出てくるまでの間に溶融樹脂に加わる総ひずみ量が、円周方向でバラついていることによるものと考えられる。以下、可塑化してなる樹脂組成物のことを単に「熔融樹脂組成物」ともいう。ここで、総ひずみ量を、以下の通りに定義する。すなわち、円筒押出ダイの内部の熔融樹脂組成物の流路の、熔融樹脂組成物の流動方向の単位長さ当りの溶融樹脂のせん断速度と当該単位長さを熔融樹脂組成物が移動する時間の積を「区間ひずみ量」と定義する。そして、流路の全長さにわたる、区間ひずみ量の積算値を「総ひずみ量」と定義する。
そして、シームレスチューブの円周方向の電気抵抗のバラつきは、日本特許公開平11−170340号公報の段落[0007]に記載されているように、周方向分配流路が主要因で発生すると考えられてきた。しかしながら、本願発明者らの検討では、複数本の周方向分配流路の間での総ひずみ量のバラつきは、主に導入路で発生していることを見出した。さらに、この総ひずみ量のバラつきは、導入路の管中心部を流れる溶融樹脂が受けるせん断速度と、管内壁近傍を流れる溶融樹脂が受けるせん断速度が異なることに起因することが分かった。そこで、本発明者らは、各導入路を流れる熔融樹脂組成物のせん断速度を小さくするべく、導入路内に、導入路の管壁近傍を流れる熔融樹脂組成物と、管中心部を流れる熔融樹脂組成物とを入れ替えることを試みた。具体的には、導入路にスタティックミキサの如きラインミキサを内挿し、熔融樹脂組成物を該ラインミキサを通過させて、導入路の管壁近傍を流れる熔融樹脂組成物と、管中心部を流れる熔融樹脂組成物とを入れ替えることを試みた。その結果、得られたシームレスチューブの周方向の電気抵抗のバラつきを大幅に低減できることを見出した。本発明は、このような知見に基づきなされたものである。
内リップ3および外リップ4の間には、外形形状が円筒形状であって断面が環状のスリット5が形成される。スリット5の形状は、このスパイラルダイ2を用いて生産するシームレスチューブの形状となるため、生産する製品に要求される寸法に合わせて設計される。
また、スパイラルダイ2は、スパイラルマンドレル7と、スパイラルマンドレル7の外側を取り囲む形状のダイボディ14と、を有する。スパイラルマンドレル7の外周面であって、ダイボディ14の内周面と対向する部分には、複数条のスパイラル溝9が形成されている。すなわち、スパイラルマンドレル7とダイボディ14との間に、スパイラル溝9とダイボディ14の壁面とによって、スパイラル形状の環状流路6が形成される。
環状流路6は、スリット5と連通しており、溶融樹脂をスリット5の周方向に分配する周方向分配流路である。またスパイラルマンドレル7の内部には、環状流路6に溶融樹脂を導入する複数の導入路11が形成されている。導入路11は円形の断面形状を有している。複数の導入路11は、1つの分配部17と連通している。
導入路11の内部には、ラインミキサ16が設けられている。ラインミキサ16は、内部に入った溶融樹脂を撹拌および混合するスタティックミキサである。ラインミキサ16は、導入路11の径方向における中心部分(内周部分)、すなわち、導入路の管中心部の溶融樹脂の流れと導入路11の管壁近傍(外周部分)の溶融樹脂の流れとを入れ替える入替手段の一例である。本実施形態では複数の環状流路6が形成されており、各環状流路6に溶融樹脂を導入するために複数の導入路11が形成されているが、導入路11は1本であってもよい。
また、スパイラルマンドレル7の上部にはコンバータ8が設けられており、コンバータ8は、押出機10の出口から出る溶融樹脂をスパイラルマンドレル7の分配部17へと導く流路を形成している。
またスパイラルダイ2は、鋳込みヒータ12a〜12eを有し、かつ、該ヒータの温度制御を行うための熱電対(不図示)を有している。スパイラルダイ2は、鋳込みヒータ12a〜12eを制御することで、スパイラルダイ2の各部の温度を制御している。具体的には、鋳込みヒータ12aは、コンバータ8の外側面と、該外側面と連続するスパイラルマンドレル7の上部側面と接するように設けられている。また鋳込みヒータ12bは、スパイラルマンドレル7の内側面と接するように設けられている。鋳込みヒータ12cは、ダイボディ14の外側面と接するように設けられている。鋳込みヒータ12dは、内リップ3の内側面と接するように設けられている。鋳込みヒータ12eは、外リップ4の外側面と接するように設けられている。
また、熱電対は、鋳込みヒータが配設されている各部位に配置されている。そして、熱電対を用いて各部位での温度を検知することで、鋳込みヒータを制御可能に構成されている。
図2を参照すると、スパイラルマンドレル7の外側表面には、複数条のスパイラル溝9がスパイラル状に形成されている。これらのスパイラル溝9の端部は、スパイラルマンドレル7の内部に形成された導入路11の端部11aと連通している。
図3を参照すると、各導入路11には、ラインミキサ16が設けられている。ラインミキサ16は、導入路11の中心部分の溶融樹脂の流れと導入路11の壁近傍部分の流れとを入れ替えて導入路11内で総ひずみ量が均一となるようにする。このためラインミキサ16は、総ひずみ量が均一となるように撹拌および混合することができる位置に設けられ、例えば導入路11の経路に沿った長さの中間位置に設けられる。
次いで、スタティックミキサを通過した熔融樹脂組成物は、そして各導入路11から各環状流路6に導入された溶融樹脂は、環状流路6に沿った流れと、溝から漏洩してスパイラルダイ2の下方に向かう流れとに分けられる。この流れは、周方向にほぼ同じ流速および圧力となるように流れ、スパイラルダイ2の下端面に設けられた環状のスリット5を通ることで、周方向に均一な厚みとなる。その後、冷却マンドレル1の外面に沿うようにこの樹脂を引き取ることで冷却されて、シームレスチューブが形成される。
樹脂組成物としては、例えば、ポリエチレン(高密度、中密度、低密度、直鎖状低密度)、プロピレンエチレンブロックまたはランダム共重合体、ゴムまたはラテックス成分例えばエチレン・プロピレン共重合体ゴム、スチレン・ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体または、その水素添加誘導体、ポリブタジエン、ポリイソブチレン、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアセタール、ポリアリレート、ポリカーボネート、ポリフェニルエーテル、変成ポリフエニレンエーテル、ポリイミド、液晶性ポリエステル、ポリエチレンテレフタラート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、アクリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、エチレンテトラフロロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレンヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム、アクリル酸アルキルエステル共重合体、ポリエステルエステル共重合体、ポリエーテルエステル共重合体、ポリエーテルアミド共重合体、オレフィン共重合体、ポリウレタン共重合体、の1種またはこれらの混合物からなるものが使用される。
また導電性フィラーとしては、カーボンブラック、グラファイト、カーボン繊維、金属粉、導電性金属酸化物、有機金属化合物、有機金属塩、導電性高分子等のうち1種類、またはこれらのうち複数種類の混合物からなるものが使用されることが好ましい。
本発明の一態様によれば、シームレスチューブの周方向の電気抵抗のバラつきを抑制した導電性のシームレスチューブを容易に想像することが可能である。
図2に示したスパイラルダイ2を用いて、シームレスチューブの成形を行った。ここで用いるスパイラルダイ2の詳細な仕様は下記の通りである。
内リップ3 直径:287.25mm
外リップ4 直径:289.4mm
図4は、スパイラルマンドレル7の有するスパイラル溝9が形成する流路の形状の説明図である。以下に、図3および図4を用いて、スパイラルマンドレル7の具体的な形状を示す。
なお、スパイラルマンドレル7の直径(A)、ならびに、導入路11の長さ(C)および導入路の角度(D)を図3に示した。また、導入路11の直径(B)、スパイラル部出口方向長さ(E)、溝幅(F)、初期溝深さ(G)およびスパイラル終了部クリアランス(H)は、図4に示した。
スパイラルマンドレル7 直径(A):290mm
導入路11 直径(B):9mm
導入路11 長さ(C):191mm
導入路角度(D):47.5°
溝数:8本
スパイラル部出口方向長さ(E):96mm
巻付け角:360°
溝幅(F):9mm
初期溝深さ(G):8.5mm
スパイラル終了部クリアランス(H):1.5mm
ラインミキサ:スタティックミキサ(株式会社ノリタケカンパニーリミテド製)
エレメント数:2個(内訳;右エレメント:1個、左エレメント:1個)
エレメントの直径(J):9mm
エレメント板厚:1mm
1つのエレメント長さ:13.5mm
配置位置(導入路11の入口からラインミキサ16の入口までの距離):85mm
鋳込みヒータ12a〜e 設定温度:380℃
押出機10からスパイラルダイ2への樹脂流入量:6kg/h
樹脂組成物:ポリエーテルエーテルケトン(商品名「ビクトレックスPEEK450P」;Victrex社製):80質量部
導電性フィラー:カーボンブラック(商品名「デンカブラック」;電気化学工業製):20質量部
シームレスチューブの具体的な成形手順としては、380℃に温度設定した押出機10(一軸スクリュー押出機)にペレット材料を供給して、ペレット材料が溶融した溶融樹脂をスパイラルダイ2に導入した。そしてスパイラルダイ2によって鉛直下方へ溶融樹脂を押し出してシームレスチューブ状に成形した。このときスパイラルダイ2からの引き出し速度を調整して軸方向に延伸させることで、シームレスチューブの厚みを概ね100μmとした。
また成形品の表面電気抵抗値を周方向で測定すると、最大値は6×1011Ω/□であり、最小値は3×1011Ω/□であった。つまり成形品の表面電気抵抗値の最大値は、最小値の2倍に収まっていた。表面電気抵抗値の分布をみても、特に顕著な傾向はみられなかった。
表面電気抵抗のムラがこの程度に収まれば、このシームレスチューブを電子写真の中間転写ベルトとして用いることで、より高精細な画質を実現することが可能になる。
上記実施例と同様の構成であって、但し、導入路11内にラインミキサ16を設けずにシームレスチューブの成形を行った。
成形品の周方向の厚みムラは100μm±5μmとなった。
成形品の表面電気抵抗値を周方向で測定すると、最大値は1×1012Ω/□であり、最小値は1×1011Ω/□であった。つまり成形品の表面電気抵抗値の最大値は、最小値の10倍と非常に大きく、かつ、その表面電気抵抗の分布をみると、スパイラル溝の本数分の波形状が見られた。
したがって、本実施例のように導入路11にラインミキサ16を設けることで、導入路11で生じる円周方向の総ひずみ量のバラつきを抑制することができ、その結果、シームレスチューブ成形品の表面電気抵抗のバラつきを抑制することができたことが分かる。
この構成により、導入路11中で発生するひずみ量を平均化することができる。その結果、成形後のシームレスチューブの円周方向の総ひずみ量のバラつきを低減することができ、シームレスチューブの円周方向における電気抵抗値のバラつきを低減することが可能になる。このとき、生産前の調整などは必要でないため、シームレスチューブの生産性を低下させずに、シームレスチューブの円周方向における電気抵抗値のバラつきを低減することが可能になる。
また入替手段は、ラインミキサであってもよい。ラインミキサは、管内に流れる液体をエレメントの形状で分割・転換・反転の作用により効果的に混合することができる。このラインミキサの転換作用を主に用いて、溶融樹脂を、エレメント内のねじれ面に沿って管中心部分から壁近傍部分へ、壁近傍部分から中心部分へと入れ替えることができる。
したがって、ラインミキサを導入路11に配置するという簡易な手法によって、導入路11中で発生するひずみ量を平均化することが可能になる。その結果、成形後のシームレスチューブの円周方向の総ひずみ量のバラつきを低減することができ、シームレスチューブの円周方向における電気抵抗値のバラつきを低減することが可能になる。
(1)熱可塑性樹脂および導電性フィラーを含む導電性の樹脂組成物を用意する工程。
(2)円筒形状のスリットと、該スリットと連通しており、可塑化した樹脂組成物を該スリットの周方向に分配する周方向分配流路と、該周方向分配流路に可塑化した樹脂組成物を導く導入路とを備える円筒押出ダイを用意する工程。この円筒押出ダイは、導入路の内部にラインミキサを配置してなる。
(3)可塑化した樹脂組成物を、円筒押出ダイの導入路に導き、該周方向分配路に向けて流動させる工程。
(4)該導入路を流動した、可塑化した該樹脂組成物を該周方向分配流路に導入し、該スリットに向けて流動させる工程。
(5)該周方向分配流路を流動した可塑化した該樹脂組成物を、該スリットに導き、該スリットを流動させて、該スリットの出口から円筒形状に押し出す工程。
この製造方法によれば、シームレスチューブの生産を開始する前にスパイラルダイ2の各部の温度を計測してその計測値を用いて温度制御手段の調整を行うことなく、溶融樹脂の総ひずみ量のバラつきを低減することが可能になる。したがって、シームレスチューブの生産性を低下させずに、シームレスチューブの円周方向における電気抵抗値のバラつきを低減することが可能になる。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の技術的思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
例えば、上記実施形態では、スパイラル形状の周方向分配流路を有するスパイラルダイ2に対してラインミキサ16を設けたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、スパイラル形状の周方向分配流路を有する押出ダイだけではなく、コートハンガーダイ等の円筒流路を有する押出ダイにラインミキサ16を設けてもよい。この場合、ラインミキサ16は、コートハンガーダイの円筒流路に溶融樹脂を導く導入路に設けられる。
また、上記実施形態では、ラインミキサ16は、導入路11の経路長さ方向の中間部分に配置されたが、本発明はかかる例に限定されない。導入路11内の溶融樹脂の流れを転換することができれば、配置する位置については限定されない。
また、上記実施形態では、導入路11の断面の径は導入路11の上流側と下流側とで変化せず概ね一定であることとしたが、本発明はかかる例に限定されない。
導入路11は、断面の直径が第1の値である第1部分と断面の直径が第1の値よりも小さい第2部分とを有し、ラインミキサ16は、第1部分と第2部分との境界に形成される段差に突き当てて配置されてもよい。例えば導入路11の上流側の第1部分の直径を15mm、導入路11の下流側の第2部分の直径を11mmとしてもよい。この場合、ラインミキサ16を内蔵した円筒物体を第1部分と第2部分との境界に形成される段差に突き当てることで、ラインミキサ16を導入路11内に配置することができる。
また、上記実施例ではラインミキサ16は、株式会社ノリタケカンパニーリミテド製のものを用いたが、本発明はかかる例に限定されない。導入路11内の溶融樹脂の流れを転換する作用があればよく、例えば、アプリオリ株式会社製のAMXシリーズや、株式会社アテクトが提案する羽2枚が重なった形状のラインミキサなどであってもよい。
5 スリット
6 環状流路(周方向分配流路)
11 導入路
16 ラインミキサ(入替手段)
Claims (9)
- 溶融樹脂を円筒形状のシームレスチューブに成形するための円筒押出ダイであって、
円筒形状のスリットと、
該スリットと連通しており溶融樹脂を該スリットの周方向に分配するための周方向分配流路と、
該周方向分配流路に溶融樹脂を導く導入路と、を備え、
該導入路は、該導入路内を前記周方向分配流路に向かって溶融樹脂の、該導入路の管壁近傍の流れと、管中心部の流れとを入れ替える入替手段が内挿されてなり、
該導入路は、断面の径が第1の値である第1部分と断面の径が第1の値よりも小さい第2部分とを有し、該入替手段は、該第1部分と該第2部分との境界に形成される段差に突き当てて配置されていることを特徴とする円筒押出ダイ。 - 前記入替手段が、ラインミキサである、請求項1に記載の円筒押出ダイ。
- バインダーとしての熱可塑性樹脂と、該熱可塑性樹脂に分散された導電性フィラーと、を含む導電性のシームレスチューブの製造方法であって、
該製造方法は、
(1)熱可塑性樹脂および導電性フィラーを含む導電性の樹脂組成物を用意する工程;
(2)円筒形状のスリットと、
該スリットと連通しており、可塑化した樹脂組成物を該スリットの周方向に分配する周方向分配流路と、
該周方向分配流路に可塑化した樹脂組成物を導く導入路と、を備え、
該導入路の内部に、ラインミキサを配置してなる、円筒押出ダイを用意する工程;
(3)可塑化した該樹脂組成物を、該円筒押出ダイの該導入路に導き、該周方向分配流路に向けて流動させる工程;
(4)該導入路を流動した、可塑化した該樹脂組成物を該周方向分配流路に導入し、該スリットに向けて流動させる工程;
(5)該周方向分配流路を流動した可塑化した該樹脂組成物を、該スリットに導き、該スリットを流動させて、該スリットの出口から円筒形状に押し出す工程、を含む、ことを特徴とする導電性のシームレスチューブの製造方法。 - 前記導電性フィラーが、カーボンブラックである請求項3に記載のシームレスチューブの製造方法。
- 前記円筒押出ダイが、前記導入路、および、該導入路が連通している複数本の周方向分配流路を具備する請求項3に記載のシームレスチューブの製造方法。
- 前記工程(3)が、前記導入路を流動する可塑化した前記樹脂組成物を、前記ラインミキサによって、前記導入路の管壁近傍の該樹脂組成物の流れと、管中心部の該樹脂組成物の流れとを入れ替える工程を含む請求項3に記載のシームレスチューブの製造方法。
- 前記ラインミキサが、スタティックミキサである請求項3に記載のシームレスチューブの製造方法。
- 前記スタティックミキサは、右エレメントおよび左エレメントからなり、各エレメントの数が1以上、9以下である請求項7に記載のシームレスチューブの製造方法。
- 前記右エレメントと左エレメントとが交互に配置されている請求項8に記載のシームレスチューブの製造方法。
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