ツインスクリューコンパウンダーに適した低収縮性で高カルシウム含有のプラスチックフォーミュラ

Kerkeは、12年以上にわたって並列回転式ツインスクリュー複合エキスプラネーターに専念してきたWanplasの工場です。この工場では、成形された部品の寸法安定性を維持しながら、炭酸カルシウムの積載量を実用上の限界まで高める必要がある複合機を毎日使用しています。このガイドでは、低収縮率で高炭酸カルシウムを含むプラスチック製剤がどのように構築されるのか、ツインスクリュー複合機がそれを利益を生む製品として製造するための適切な機械である理由、そしてフィラー含有量が従来の単一スクリューラインが処理するのに苦労するレベルを超えると、どのようなプロセス設定が出力品質と工場のスループットを保護するのかを調べます。

高密度ポリオレフィン化合物における収縮の理解

成形または押出されたプラスチック部品の収縮は、金型のキャビティまたはダイの寸法と冷却され固化した部品の寸法の差であり、複合材料メーカーが同時に管理しなければならないいくつかの重なり合う物理的メカニズムから生じます。最初のメカニズムは熱収縮です。すべてのポリマーは溶融温度から室温に冷却され、分子運動が遅くなると収縮します。この収縮は、特定の樹脂の熱膨張係数に比例します。第二のメカニズムは結晶化です。半結晶性ポリマー（ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミドなど）は冷却時に鎖を有序領域に詰め込み、無定形溶融物から結晶固体への密度の跳躍により、かなりの体積損失が発生します。無定形樹脂（PVC、PS、ABSなど）はほとんど避けられます。第三のメカニズムは向きの緩和です。せん断と流れによって伸ばされた鎖は、締め付け圧力が解除されると元に戻ります。そして、この議論において最も有用な第四のメカニズムは、填充剤効果です。収縮するポリマーの一部を剛性の、ほぼゼロの収縮率の鉱物含有体で置き換えることで、すべての方向での収縮を直接抑えることができます。

カルシウムカーボネートは、まさに化学的に不活性であること、明るく白いこと、広く入手可能であること、安価であること、収縮率と熱膨張係数の大幅で予測可能な低減をもたらすことなどの特徴から魅力的です。積載量が増加すると、ポリマーの体積割合が低下するため、部品の収縮率が小さくなり、厳しい許容範囲を維持できます。これは、型出し後の歪みが廃棄物を生むプロファイル、パイプ、シート、および自動車部品にとって重要です。エンジニアリング上のトレードオフは、高い積載量が溶融粘度を上げ、分散不良のリスクを高め、鉱物とポリマーの界面が管理されていない場合には、マトリクスから靭性を奪うことです。ポリプロピレンにカルシウムカーボネートを単純に投入する製剤は、確かに収縮率が低くなりますが、脆くなり、未処理の粒子表面で水分を吸収し、処理が悪くなります。低収縮率の高カルシウム配合製剤の規律は、したがって、積載数ではなく、その周辺のシステム、すなわちカップリング、潤滑、衝撃回復、および100分の100に対して60から200の粒子を均一に配分できる混合機などに関するものです。

なぜカルシウムカーボネートが低収縮性フィラーとして優先されるのか

ミネラルフィラーの中で、カルシウムカーボネートは、低コストと強力な寸法上の利点、およびほとんどの加工挙動に中立的な効果を兼ね備えているため、独特な位置を占めています。グラウンドカルシウムカーボネートは、天然石灰岩または大理石を制御された粒度に粉砕することで生成され、析出カルシウムカーボネートは、より細かい、より均一な形態と高い輝度に合成されます。両方のグレードとも収縮を低減し、弾性率と硬度を高め、熱膨張を減らし、押出形状の表面精度を向上させます。しかし、どちらも板状のミネラルが流れ中に配列すると引き起こす異方的歪みをもたらしません。コストを最適化するコンパウダーにとって、カルシウムカーボネートは通常最初の選択となり、トンあたりのコストが高い機能性フィラーよりもはるかに高い量を加えることができます。

粒子サイズの選択は、積載対象物の決定次いで最も重要な決定事項です。2～5ミクロンの細粒はより容易に分散し、より高い衝撃強度を保持し、より滑らかな表面を与えるため、薄壁部品や外観部品に適していますが、高い油吸収性を持ち、溶融物を濃くする可能性があります。10～20ミクロンの粗粒は安価で表面積が小さく、収縮抑制に非常に効果的ですが、表面を粗くし、未処理の場合は応力集中体として働く可能性があります。そのため、多くの高カルシウムフォーミュラは、経済性を高めるための粗粒部分配合と、加工性と表面品質を向上させるための細粒部分配合を組み合わせるか、ポリマーによる湿潤化を改善するステアリック酸層を既に含む表面コーティング製品を指定します。下表は、ケルケのアプリケーションエンジニアが新しい低収縮化合物を検討する際に使用する実用的な粒度選択をまとめています。

高負荷時の低収縮を実現するフォーミュラアーキテクチャ

堅牢な低収縮率の高カルシウム配合物は、単一の充填剤番号ではなく、5つの機能ブロックから構成されています。ベース樹脂は、収縮率の開始と結合のための化学環境を確立します。ホモポリマーポリプロピレンは、最高の剛性と最小の原料コストを提供しますが、最高のベース収縮率をもたらします。ポリプロピレンコポリマーは、衝撃に対する一部の剛性を犠牲にしています。高密度ポリエチレンは、低いモジュラスをもたらしますが、優れた靭性と非常に低い水分吸収性を備えています。充填剤ブロックは、上述のようにサイズ調整およびコーティングされたカルシウムカーボネートです。結合ブロックは、極性の鉱物表面を非極性のポリオレフィンと結合します。これがなければ、界面は弱い割れ道となります。潤滑ブロックは、溶融粘度を制御し、混合スクリューの過負荷を防ぎます。衝撃回復ブロックは、高い充填剤量によって取り除かれる靭性を回復させます。サービス中に破損する寸法的に完璧な部品は、商業製品ではありません。

生産用複合材料の典型的な充填窓は、重量比で三十％から七十％の炭酸カルシウムを対象としています。専用の充填マスタバッチでは、希釈前で八十％以上に達します。添加物のレベルは、樹脂百分の部分で表現するのが最適です。これにより、基材樹脂が変わった場合に正確にスケーリングできます。ステアレート系潤滑剤は一から三 phr、マレインアンヒドライド接合剤を施したポリオレフィンはフィラーに対する二から六 phr、タフな用途では五から十五 phrのポリオレフィン系エラストマーなどの衝撃修飾剤、そして熱安定性を確保するための小さな抗酸化剤パッケージが含まれます。以下の表は、各機能ブロックとその役割、および現実的な充填範囲を示しています。これにより、製造者は収縮と衝撃に対する目標値に対して、ケルケ研究所のツインスクリュー試験でさらに改良するための出発点を得ることができます。

表面処理と結合戦略

カルシウムカーボネートの未処理表面は極性が高く、親水性であるため、非極性なポリオレフィンを排し、大気中の水分を引きつける。これらの両方の傾向は、管理されない場合、低収縮率の化合物を損なう。ステアリック酸で乾燥した表面コーティングは、通常、充填物重量のゼロポイント五から一ポイント五パーセントで、水分吸収を低減し、粒子にわずかに互換性の高い外層を与え、供給中の凝集を減少させる。この単独のステップで、分散性が向上し、有効な溶融粘度が低下するが、これは界面を横断する真の化学的ブリッジを作り出すことはない。そのためには、結合剤が必要であり、ポリオレフィンシステムにおけるワークホースは、樹脂の一端に固定されたマレインアンヒドライド接合ポリプロピレンである。これにより、鉱物に対する極性が提供される。

ツインスクリュー・コンパウンダーでは、カップリング剤を充填剤と樹脂とともに計量し、新たに湿った鉱物表面に高い摩擦力で接触させることが、カップリング反応を最も効果的に行う方法です。これにより、微量の水分と反応して活性を失うことのないように、樹脂に事前に混合するのではなく、新たに湿った鉱物表面に接触させることができます。測定可能な成果として、ノッチインパクト強度の大幅な回復、破断時の伸長率の向上、水吸収率の低下、収縮率のさらなる小さな低下が得られます。これは、接着された充填剤が収縮するマトリクスの引き裂き力に対してより強く抵抗するためです。チタン酸塩やジルコニウム酸塩は、非ポリオレフィンマトリクスや低い処理温度が要求される場合の代替策ですが、ここで議論されている高カルシウムポリプロピレンおよびポリエチレンの化合物では、マレートポリオレフィンの方法が最も再現性が高く、生産ライン上で検証するのが最も簡単です。カップリングレベルを正しく設定することが、脆弱な充填部品と、ドロップテストに合格する低収縮部品との違いです。

共回転ツインスクリュー押出機での混合

並列回転式ツインスクリュー複合機は、低収縮率の高カルシウム配合物に最適な機械です。なぜなら、この機械は、配合物が必要とする三つの要素を提供するからです。すなわち、集中的な分散および分散混合、制御された脱溶解、およびサイドフィーダを通じて下流に大きな充填剤分量を導入する機能です。回転式スクリューは互いに絡み合って自己洗浄するため、材料が停滞したり劣化したりしません。また、モジュラスクリューとバレル部品により、エンジニアは供給口からダイまでのシェアを調整できます。単一スクリュー押出機では、ブレンドを単純に伝達し、凝集体をそのままにしますが、ツインスクリューの練るセクションでは、充填剤クラスターが個々の粒子レベルまで分解され、接着剤が効果的に働くために必要となります。

高い充填量の場合、推奨される給与戦略では、流れを分離します。ポリマーと液体または低用量の添加物は、主給与口部に投入され、バルブの半ば下部にあるサイドフィーダーを通して、バルブ全体に均一に供給されます。バルブの温度プロファイルは、給与と溶融ゾーンでは中程度に保たれ、カップリングと均質化が行われる部分ではわずかに高くなります。同時に、溶融温度はステアレートを焼き付けたり、カップリング剤を分解させる可能性がある上限値よりも低く保たれます。Kerkeは、まさにこの用途に対応するKTEシリーズの並列回転式ツインスクリュー押出機をラボスケールから大容量生産ラインまでのモデルで提供しています。

ねじ構成とプロセス設定

スクリュー構造では、低収縮率の高カルシウム化合物が成功するか失敗するかが、同じジオメトリによってフィラーの組み込みを最大化し、特定のエネルギーを最小化することができないためです。典型的な共回転レイアウトは、供給ゾーンと溶融ゾーンにおける輸送と軽度のせん断要素から始まり、カルシウムカーボネートが分散され、結合剤が反応する練りブロッククラスターへと移行し、その後、溶融ポンプまたはダイの前に圧力を生成し、脱揮発化を促進する輸送と逆方向の要素へと戻ります。高い充填率の化合物では、長径比が四十から四十八の範囲であることが多く、余分なバレル長が湿らせと換気のための滞留時間を提供するためです。これにより、スクリューの速度を高すぎることなく、溶融物が制御不能に加熱されるのを防げます。

プロセスのセットポイントは、単一の目標出力の周りではなく、材料の限界の周りに選択されます。スクリューの速度は、充填剤が完全に分散するまでだけ上げられます。過剰な速度は、溶融物が熱として放出しなければならない特定の機械エネルギーを増やします。その熱は、ステアレートでコーティングされた表面をその快適ゾーンを超えて動かし、換気口で蒸気を生成する可能性があります。溶融物の温度は、ポリオレフィンが流れるように保たれるが、添加物パッケージを保護する窓内に保たれます。ポリプロピレンシステムでは、一般に一百九十から二百三十度の範囲ですが、正確な上限はケルケ工場の試運転中に確認されます。特定の機械エネルギーは、ツインスクリューライン上の最も有用な制御変数です。出力のキログラムあたりで追跡すると、オペレーターは、配合物またはスクリューのタイミングがどれほどずれているかを知ることができます。サイドフィーダ、換気口、およびスクリューのタイミングがバランスがとれているとき、七割のカルシウムカーボネート混合物は、軽く満たされたものと同じように安定して流れます。

低収縮性高カルシウム化合物の適用分野

低収縮性の高カルシウムフォーミュラから最大の利益を得るエンドマーケットは、寸法安定性、剛性、およびコストが同じ仕様書で競合するものです。建設分野では、剛性プロファイル、壁パネル、パイプ継手は、カルシウムカーボネートが提供する低い熱膨張性と曲げに対する抵抗に依存しており、同じ化合物は木材プラスチック複合材のデッキに使用され、これによりミネラルは水分の移動を抑え、板をまっすぐに保ちます。マスターバッチ生産において、高カルシウムフィラーのマスターバッチは、最終化合物の剛性と収縮を調整できる経済的な手段であり、レジン供給を再交渉する必要はありません。自動車の非可視部品、電化製品のハウジング、および特定のパッケージコンポーネントでは、これらの化合物を使用して純レジン材料のコストのほんの一部で厳しい許容範囲を維持できます。

Kerkeの装置はマスターバッチ、エンジニアリングプラスチックの混合、生分解性プラスチック、ケーブル混合、PVC混合、熱可塑性エラストマー、および木材プラスチック複合体に適用されています。低収縮性高カルシウムというテーマはほぼすべての製品に共通しています。なぜなら、お客様の目標は同じだからです。高価なポリマーに代わる安価な鉱物を使用しながら、部品を適切に使用することが目的です。ツインスクリュープラットフォームがモジュール式であるため、現在40％のポリプロピレンを充填したKTEマシンは、スクローワイヤーを交換してサイドフィーダを調整することで、明後日から80％の充填材マスターバッチに再構成できます。そのため、混合業者はラインを単一の製品ツールではなく、柔軟な工場資産として扱います。適切なモデルの選択は、単に化学物質だけではなく、生産量と充填材レベルに基づいて行われます。

配合物開発のためのケルケ研究所と給餌システム

低収縮性の高カルシウムフォーミュラを生産ラインに投入する前に、コンパウンドメーカーはそれを小型の共同回転ツインスクリュー押出機で検証します。この押出機では、スクリュー要素、給料器、および排気装置を、費用のかかる工場停止の際ではなく、午後中に変更できます。Kerkeは、まさにこの目的のためにKTE-16Bラボラトリツインスクリュー押出機を提供しており、生産機械と同じモジュラーバレルとスクリュー哲学を採用しているため、ラボで実証されたレシピは、KTE-75B、KTE-95B、またはKTE-135Dに予測可能にスケールアップできます。ラボユニットは、重量損失給料器とサイド給料器をサポートしているため、高フィラー供給戦略は紙上で推定されるのではなく、実際の条件下でリハーサルできます。

生産ラインでは、Kerkeは、複合物を均一で自由に流れるペレットに変えるマッチした給与およびペレタイジングパッケージとエクストラーダを補完します。 給与オプションには、粗い成分のための体積計測システム、正確な充填剤投与のための重量損失式給与装置、大きなリグリンドのためのクラマー給与装置、およびクーリングエージェントや潤滑剤のための液体給与装置などがあります。これらの剤は固体として計測するよりもポンプする方が容易です。 下流では、切断システムでは、熱に敏感な化合物、粉塵の多い化合物、または直接押出用にする場合に応じて、水冷式ストランドペレタイジング、空冷式ストランドペレタイジング、空冷式ダイフェイスホットカット、水リングダイフェイスホットカット、偏心式水霧ホットカット、および水中グラニュレーションを選択できます。 カッターをコンパウンドに合わせることで、罰金や製品の形状が規格外になり、お客様の成形工程に支障をきたすことを回避できます。

品質管理と収縮テスト

低収縮率の主張は、顧客が実際に体験する方法で測定される場合にのみ信頼性があります。したがって、合成業者は、計算された推定値ではなく、成形後の収縮率を基準にして配合物を検証します。標準的なアプローチは、固定された圧縮圧力と冷却時間の下で、長方形または円形の試験プレートを成形し、冷却寸法を測定し、それを工具寸法と比較して収縮率を％で報告することです。流れ方向と流れ方向を横断する際に試験を繰り返すと、充填剤の配向によって導入された異方性が明らかになります。押出形状とパイプの場合、同等のチェックは、成形時にダイの膨張と、校正後における冷却寸法の安定性です。不均一に収縮するプロファイルは、冷却ラインで歪みを起こし、ハウルオフに詰まります。

収縮率を超えて、高カルシウム化合物の完全な放出仕様では、加工性を確認するための溶融流動速度、カップリング剤と衝撃改質剤が機能していることを確認するためのノッチ型イゾッド衝撃、剛性を確認するための引張強度と曲げ弾性率、そしてペレットの水分含量が含まれます。未処理フィラーに付着した表面水がスプレイと空洞の最も一般的な原因であるためです。 Kerkeの工場受入テストでは、実際のスクリュ構成で混合物を実行し、特定の機械エネルギー、ベント動作、およびペレット品質を記録します。これにより、お客様は一般的な出発点ではなく、検証済みのセットポイントシートを受け取ることができます。 この規律こそが、化学薬品メーカーが70％のカルシウムカーボネート製剤を顧客の金型が突然許容範囲を外れることなく製造できるように納品できることを保証するものです。

Kerke と Wanplas のサービスとサポート

マシンを選ぶことは決断の半分に過ぎません。驚くことのない長年にわたる運用がもう一つの半分です。Kerkeはツインスクリュー・コンパウンダーを、Wanplasグループの共通サービスフレームワークでサポートしています。すべてのラインには、毎年500ドル相当の無償の予備品が付属し、保証期間内に損傷した部品の無償交換が可能です。オープン工場のポリシーでは、お客様が組み立てを視察し、受け入れ試験を目の当たりにし、出荷前にオペレーターを現場で訓練することができます。Kerkeのエンジニアは設置と試運転を担当し、検証済みのプロセスレシピを引き渡し、リモートモニタリングのために常に連絡可能です。これにより、プロセスの変化を診断することができ、サービス訪問を待たずに対応できます。

Wanplasグループは、無償の部品交換、輸送保証、契約目標に合致する生産能力、および機器が仕様を満たさない場合に返金および補償を行う品質基準を約束しています。12年以上にわたるツインスクリューフォーカス、19,000平方メートルの工場、世界中で稼働中の2,000台以上の機械、そして70カ国以上の経験を持つKerkeは、低収縮性高カルシウムフォーミュラを単発の販売ではなく、サポートされた製品システムとして扱っています。そのため、コンパウンドメーカーは、容量を拡大したり、新しいフィラーマスターバッチグレードをポートフォリオに追加したりすると、再びKerkeに依頼するのです。

よくある質問

ツインスクリュー・コンパウンダーはどれくらいのカルシウムカーボネートを処理できるのですか。

共回転式ツインスクリューラインは、単一スクリュエキストラーダよりもはるかに多くの充填剤を処理できます。サイドフィーダーは粉末を下流に導入し、練り部では高いシェアによってそれを分散させます。生産される化合物は通常、重量の六十～七十パーセントに達し、KTE-135Dで製造された専用充填剤マスターバッチは、カップリングと潤滑のバランスが取れており、排気口で脱離した水分が除去されている場合、希釈前で八十パーセントを超えることもあります。

高カリウム負荷は常に収縮を低減するのでしょうか？

高いカルシウム炭酸量は一般的に収縮を低下させます。これは、硬質ミネラルが収縮するポリマーを置き換えるためです。しかし、この利点は一定になり、界面が弱い場合には逆転する可能性があります。これは、接着性が低いため、マトリクスが充填材から離れて微小な空隙を生じ、明確な寸法変化を招くからです。マレート化ポリオレフィンと適切に結合することが、高い充填量を信頼できる低収縮率に変える鍵となります。

ポリプロピレン中のCaCO3に最も適した接着剤はどれですか？

マレインアンヒドライド接合ポリプロピレンは、ポリプロピレンおよびポリエチレン中の炭酸カルシウムに最も再現性の高い選択肢です。これは、極性の鉱物を非極性の樹脂に結合し、充填による衝撃強度の低下を回復するためです。チタン酸またはジルコネートクーラーは、特殊なマトリクスや低温での加工に適していますが、大量生産のツインスクリュー化合物ではあまり一般的ではありません。

高い充填量を実現するためにサイドフィーダーを使用する理由

サイドフィーダは、バルブの半ばまで大量の炭酸カルシウムを供給するため、メインフィード口が粉末であふれることは決してなくなり、溶融のための容量が確保され、ドライブを過負荷にすることなく充填剤を分散させるために必要な摩擦がスクリューによって生成されます。また、熱帯域内の樹脂の滞留時間が短縮されるため、高充填量の場合に熱に敏感な添加剤が保護されます。

カルシウム入り化合物に適したバレル温度プロファイルはどれですか？

ステアレートコーティングと結合剤を保護するために、供給と溶融ゾーンを適度に保ち、分散と均一化が行われる場所では温度をわずかに上げ、添加物パッケージの焦げ付き上限以下の溶融温度を維持します。ポリプロピレンシステムでは、通常は一百九十～二百三十℃の範囲で、具体的な範囲は工場試験で決定されます。

塗布された化合物の収縮をどのようにテストしますか?

固定されたパッキング圧力と冷却時間の下で試験プレートを成形し、冷間寸法を測定し、それを工具寸法と比較して、流れ方向と横方向の両方で収縮率を％で報告します。押出形状の場合は、校正後に冷却寸法の安定性を測定します。押出形状では、不均一な収縮が成形内ではなく冷却ライン上で湾曲を引き起こすためです。

Kerkeの装置は、充填マスターバッチと最終化合物の両方を生成できますか？

はい。同じモジュール式KTEプラットフォームでは、スクリューエレメントを交換し、サイドフィーダを調整し、適切なカッターを選択することで、軽く充填された最終コンパウンドと80％のフィラーマスタバッチを使用できます。KTE-16Bラボユニットでは、レシピを最初に検証して、それがKTE-75B、KTE-95B、またはKTE-135Dなどの生産モデルにきれいにスケールできることを確認します。

Kerke と協力して低収縮性化合物を開発

もしあなたのチームが高カルシウム、低収縮率の配合物を開発しており、フィラーを分散させ、水分を排出し、生産規模で出力を安定させることができるツインスクリュー配合ラインが必要である場合、Kerke に目標の充填量、ベース樹脂、および必要な部品の許容範囲をお知らせください。Wanplas の工場チームはスクリュー構成を提案し、適切な KTE モデルと給料パッケージを推奨し、検証試験を実施し、出荷前に工場で試運転とトレーニングをご覧いただくように招待します。これにより、ご指定の配合物がラインで提供されるようになります。