生分解性プラスチックツインスクリュー混合機の必要な設備リスト

生分解性プラスチックツインスクリュー混合生産ラインの設定には、原材料の取り扱いから完成品のペレット包装までのあらゆる段階をカバーする、きめ細かく計画された設備リストが必要です。PLA、PBAT、PBS、およびデンプンベースのブレンドなどの生分解性樹脂は、従来のポリオレフィンとは異なる挙動を示します。それらは吸湿性であり、熱に敏感で、水分解しやすくなります。ライン上の各設備は、これらの材料特性を考慮して選定する必要があります。Kerkeは、ツインスクリュー混合エクストラーダーの専門的な経験を12年以上積んだWanplas工場で、70カ国以上で2,000台以上の機械を設置し、19,997平方メートルの製造施設を運営しています。ツインスクリューエクストラーダーにおいて中国のトップ5のサプライヤーとして認められているKerkeは、生分解性混合物生産ラインの設計に深いエンジニアリングノウハウをもたらしています。本稿では、500 kg/hの試験ラインから2,000 kg/hの産業規模の生産施設まで、ストレージシロ、除湿乾燥機、ツインスクリューエクストラーダー、ペレタイジングシステム、冷却コンベヤー、品質管理機器など、完全に稼働可能な生分解性プラスチックツインスクリュー混合生産ラインを構築するために必要なあらゆるコンポーネントを網羅する、詳細な設備リストを提供します。500 kg/hの試験ラインから2,000 kg/hの産業規模の生産施設まで、このガイドは必要な各機器、仕様、および選択基準について説明します。

1. 生産ラインアーキテクチャの概要

生分解性プラスチックのツインスクリュー混合物生産ラインは、原料樹脂ペレット、粉末、添加剤を統一された高品質の混合ペレットに変換する、相互に接続された装置の階層からなる統合システムです。アーキテクチャは線形のプロセスフローに従いますが、各ステージには生分解性ポリマーの熱および流動学的感度に対応する特定の設計要素が組み込まれています。個々の装置の仕様に踏み込む前に、完全なプロセスフローを理解することが重要です。

生産ラインは、原材料の受け入れと保管から始まります。入荷した樹脂は荷下ろし、検査を受け、密閉された保管シロやコンテナに移されます。保管から、材料は乾燥システムに運ばれ、水分を安全なレベルまで減らします。乾燥した材料は精密な給与システムを通して双軸押出機に供給され、溶融、混合、脱溶物化、および化学反応が行われます。溶融物はフィルターのためのスクリーンチェンジャを通過し、その後、ペレット化システムに入り、ペレットにカットされ、冷却され、完成品の保管に運ばれます。

次の表では、7つの主要な装置ステージとその主な機能をまとめました。

各段階は、他の段階とともに指定する必要があります。たとえば、エキストルダーを大きくしながら供給システムを小さくすると、溶融物の品質や製剤の変化が一貫していません。エキストルダーの生産量に比べて乾燥システムを小さくすると、水分関連の欠陥が生じます。以下の各セクションの設備リストでは、各段階について具体的なモデルの推奨、技術的なパラメータ、および選択基準を示しています。

2. 原料受入、保管、乾燥設備

どの生分解性化合物製造ラインでも、最初の装置カテゴリーは原料の受け入れ、保管、乾燥を担当します。生分解性樹脂、特にPLAとPBSは、大気中の水分を強烈に吸収します。適切な乾燥を行わないと、最終的なペレット内の発泡、銀色の斑点、色変化などの可視的な欠陥や、分子量の低下、機械的特性の低下、水溶性の分解などの問題が発生します。したがって、保管および乾燥装置のリストは、主なエンジニアリング目標として水分管理を考慮して設計する必要があります。

2.1 ストレージサイロとコンテナ

原料の保管は、ステンレス鋼または食品グレードのポリエチレンで構築された密閉された防湿シロやコンテナから始まります。1,000 kg/hを処理する一般的な中規模の生産ラインでは、少なくとも3つの保管シロが推奨されます。一つは主原料（PLA、PBAT、PBS）、もう一つは充填剤または補強材料（タルク、炭酸カルシウム、デンプン）、もう一つは添加剤マスターバッチまたは粉末添加剤です。各シロには、乾燥剤ブレーサーまたは窒素浄化接続が備わっており、内部の空気を乾燥した状態に保つことができます。

シロの容量は、少なくとも48時間の生産バッファを提供する必要があります。1,000 kg/hのラインでは、各プライマー樹脂シロは20～25トンを保持する必要があります。シロには、在庫を監視するためのレベルセンサー（容量型またはレーダー型）と、ブリッジの発生を防ぐために最低60度の傾斜を備えた底部排出コーンが必要です。これは、デンプンベースの粉末でよく見られる問題です。

2.2 除湿乾燥機

除湿乾燥機はこの段階で最も重要な装置です。従来の熱風乾燥機とは異なり、除湿乾燥機では、乾燥剤ベッド（通常は分子シート）を通過する閉ループの空気回路を使用して、露点を-40度以下にまで下げます。この超乾燥した空気は加熱され、樹脂ベッドを通って循環させられ、ポリマーマトリックスから水分を効果的に除去します。

乾燥能力はエキストルダーの生産能力に合わなければなりません。生分解性樹脂の場合、材料が給送システムに入る前に、次の湿度目標を達成する必要があります。

1,000 kg/hのPLA混合ラインでは、4～6時間の乾燥サイクル中に連続的に材料を供給できるように、最低4,000 kgのホッパー容量を備えた除湿乾燥機が必要です。乾燥機には、再生乾燥剤ベッドを備えた閉ループ空気システム、PID温度制御付きプロセス空気ヒーター、そして熱損失を最小限に抑えるための断熱された乾燥ホッパーが必要です。空気流量は、ホッパー内の材料の1 kgあたり1.2～1.5立方メートル/分に調整する必要があります。

2.3 真空コンベヤーと物流

サイロ、乾燥機、および給料機間の物質移送は、水分を再導入することなく実施する必要があります。オープンベルトまたはバケツエレベーターよりも真空輸送システムが好まれます。これは、真空パイプラインで運転できるため、真空パイプライン内に乾燥空気を注入できるからです。典型的な真空輸送システムには、真空ポンプ（サイドチャネルブロワーまたはクロー・ポンプ）、滑らかな内部表面を備えたステンレス鋼製の移送パイプ、フィルタ組み込み付きの受入ホッパー、および排出弁が含まれます。デンプンや炭酸カルシウムなどの生分解可能な粉末材料の場合、輸送システムには、積層ステンレス鋼製フィルターと自己清掃パルスジェット機能を備えたものが必要です。これにより、粉末の蓄積や詰まりを防止できます。

搬送速度は、エクストラーダの処理能力の1.5〜2倍に設定する必要があります。これにより、下流の給料装置を過負荷にせずにバッチ転送サイクルを実行できます。たとえば、1,000 kg/hのエクストラーダでは、1,500〜2,000 kg/hの吸引能力を持つベークォンコンベアが必要です。ペレタイズド樹脂の場合は、パイプ径が60〜90 mm、粉体材料の場合は90〜120 mmにすることで、橋渡りや流れの途絶を防止できます。

3. 精密ドーズングおよび給餌システム

精密な投与および供給システムは、最終的な生分解性化合物の配合精度を決定します。生分解性化合物には、通常、50～85％の基材樹脂、10～30％の充填剤または強化剤、1～5％の相溶性剤、および0.5～3％の各種添加剤（潤滑剤、酸化防止剤、色マスターバッチなど）が含まれます。添加剤の比率にわずかな偏差が生じても、最終的な化合物の機械的特性、分解速度、および加工特性に大きな影響を与えることがあります。そのため、供給システムは、エクストラーダの供給口に一貫した、正確で再現可能な物質流れを供給する必要があります。

Kerke は、さまざまな材料タイプと製剤要件に合わせて、5種類の給餌システムを提供しています。

3.1 重量減少型フィーダ

重量損失（LIW）フィーダは、生分解性混合ラインの金字塔です。これらのフィーダは重量原理に基づいて動作します。フィーダ全体のアセンブリは、材料が分配されるたびに重量損失を継続的に測定する高精度のロードセルに取り付けられています。閉ループ制御システムは、フィーダのスクリューの回転速度を調整し、目標供給速度を±0.5％の精度で維持します。精密な添加剤投与が必要な生分解性処方では、LIWフィーダが必須です。

1,000 kg/hのライン用の典型的なLIWフィーダー構成には、50リットルのホッパー、共同回転式ツインスクリュー・フィーダー機構（粉末およびペレット用）、3 kgのロードセル（解析精度 0.05％）、そしてフィーダー周期を中断することなくホッパーを自動的に補充するリフィルシステムが含まれます。主な樹脂フィーダーには、150リットルのホッパーと単スクリュー・フィーダー機構を備えた大型のLIWフィーダーを推奨します。プラスチファイザーや架橋剤などの液体添加剤には、ギアポンプ・ドージングヘッドを備えた液体LIWフィーダーを使用します。

3.2 ボリュメトリックフィーダ

ボリュメトリックフィーダは、既知のボリューム密度に基づいて、単位時間当たりの一定のボリュームで材料を分配します。LIWフィーダよりも精度が低く（通常、±2～3％）、しかし、一貫したボリューム密度を有する材料や、わずかな配合の変動が許容される用途には適しています。生分解性化合物の混合ラインでは、ボリュメトリックフィーダは通常、材料がペレット化されて安定したボリューム密度を有する主流の樹脂流用に使用されます。

3.3 サイドフィーダ

サイドフィーダーは、ツインスクリューサイドフィーダーとも呼ばれ、主フィードトラクトではなく、エキストルダーバレルの側面に材料を導入します。この構成は、タルク、炭酸カルシウム、ガラス繊維、またはデンプン粉などの充填剤を溶融流に供給するために不可欠です。既に溶融したポリマーに充填剤を下流に導入することにより、サイドフィーダーは、湿潤性と分散性を向上させ、粉塵とフィードトラクトの詰まりを減らします。20～40％の鉱物充填剤を含む生分解性化合物の場合、200～400kg/hのサイドフィーダーが通常必要となります。

3.4 Crammerフィーダ

Crammer フィーダは、デンシティが低い材料（例えば、デンシティフォーム、生分解性フィルムのフレイク、軽量粉体ブレンドなど）用に設計されています。これらのフィーダでは、テーパー型のスクリューとCrammer オーガーを使用し、材料がエキストルーダーの給与口に入る前にコンパクト化します。リサイクル可能な生分解性フィルムやデンシティが低いスターチベースのブレンドを処理するラインでは、Crammer フィーダにより、有効な給与密度が2～3倍に増加し、エキストルーダーの定格スループットを達成できます。

3.5 液体供給システム

分野：プラスチック押出および混合設備の製造。正確な技術・工業用語を使用します。規格コード（ISO、ASTM、UL、RoHS、REACH）、単位（℃、MPa、mm、g/cm³、kV/mm）、ポリマー略語（PP、PE、PVC、ABS、PC、PA、PET、PBT、POM、TPU、PPS、PEEK）、商品名、モデル・部品番号を正確に記載します。翻訳しないでください。HTMLタグ、{プレースホルダー}、および括弧をすべて保持します。フォーマルな技術用語。テキスト：液体供給システムは、プラスチファイザー、結合剤、または液体着色剤などの液体添加剤を直接押出機の筒内に注入するために使用されます。液体供給システムには、精密な計量ポンプ（ギアポンプまたはピストンポンプ）、攪拌機付きのステンレス鋼製の貯蔵タンク、液体の粘度を維持するための加熱供給ライン、および押出機の筒に取り付けられた噴射ノズルが含まれます。2～5％の液体プラスチファイザーの添加が必要な生分解性合成物では、0.5～5 kg/hの容量と±1％の精度を備えた液体供給装置が適しています。

4. 共同回転ツインスクリュー押出機 - コア混合ユニット

共回転式ツインスクリュー押出機は、生分解性合成物生産ラインの心臓部です。単一スクリュー押出機は、材料輸送に引張り流れを利用しますが、共回転式ツインスクリュー押出機では、互いに重ね合うスクリュー要素が生じ、正の変位、自己拭き作用、および制御されたせり作用を行います。このため、過度の熱影響を受けずに徹底した分散および分散混合が必要な生分解性ポリマーに最適です。モジュラーなスクリューとバレルの設計により、特定の生分解性合成物用に処理パスをカスタマイズすることができます。

KerkeのKTEシリーズの共同回転平行ツインスクリュー押出機は、KTE-16B（実験室規模）からKTE-135D（大容量工業規模）まであります。 生分解性混合用には、KTE-95DとKTE-135Dが最もよく選ばれています。 次の仕様表では、500～1,000 kg/hの出力を持つ生産ラインに適した汎用性の高い中級クラスのエクストラーダ「KTE-95D」について詳しく説明しています。

4.1 生分解性プラスチック用ねじの設計

ツインスクリューエキストラクターにおける混合品質と熱影響を決定する最も重要な要因は、スクリュ構成です。Kerkeは、コンピュータ支援エンジニアリングソフトウェアを使用して各スクリュアセンブリを設計し、運搬要素、こねるブロック、逆要素、および混合リングの全範囲から選択します。生分解性化合物の場合、スクリュ配置は通常、次のアーキテクチャに従います。

• 供給と輸送ゾーン（L/D 4 ～ 8）：深く飛行した輸送要素は、材料を供給口からバレル内に輸送し、最小限のせん断を発生させることで、早期の溶融や橋渡しを防ぎます。
• 溶融および初期混合ゾーン（L/D 8 ～ 16）：狭ピッチの輸送要素に続いて、30度および60度の練りブロックが溶融を開始し、分散混合を開始します。 このゾーンでは、熱分解を引き起こすことなく、樹脂を溶かすほどのしきりを加えなければなりません。
• サイドフィードと分散ゾーン(L/D 16～24)：サイドフィード開口の前にベントポートが設けられています。 フィラー導入後、90度の練りブロックと特殊な混合要素が、フィラーアグロメートを分散させる分散混合を実現します。
• 脱気区域（L/D 24～32）：逆流部品により真空放出口の前に溶融物の密閉が生じ、放出口からの流出を防止します。 通気部では、深く飛び出している輸送要素を使用して、揮発性物質の除去に必要な表面積を最大限に確保しています。
• 最終混合・計量ゾーン（L/D 32 ～ 40+）：追加の練りブロックにより均一化が行われ、その後、ダイとペレタイジングシステムに圧力を生み出す運搬部品が設置されます。

4.2 バレル温度制御

生分解性ポリマーの加工において、バレルの温度を正確に制御することは非常に重要です。例えば、PLAの加工温度範囲は170～200℃と狭いものです。210℃を超えると、急速な熱分解と変色が発生します。KTE-95Dの各バレルゾーンには独立したPID温度制御と、アルミニウム製ヒーターによる加熱、内部の水冷却チャネルによるアクティブ冷却が備わっています。安定状態での温度制御精度は±1℃です。このレベルの制御により、熱に敏感な生分解性ポリマーの熱分解を引き起こす可能性のある局所的な熱スポットを防止できます。

4.3 真空および脱水システム

生分解性の混合物は、残留水分、モノマー、分解副産物などの大量の揮発性物質を生成します。KTE-95D は、0.08 から 0.1 MPa までの究極真空を実現できる水リング式真空ポンプを備えた真空揮発除去システムを搭載しています。真空ポートは、揮発除去ゾーンに配置されており、材料の詰まりを防ぐように設計されたベントインサートが付いています。凝縮液回収システムは、抽出された揮発性物質を捕獲し、それらが真空ポンプに入るのを防ぎます。揮発性物質の含有量が高い処方では、バックアップポンプとルーツポンプを備えた二段階の真空システムを指定することができます。

5. 溶融濾過およびスクリーン交換システム

溶融過濾は、ポリマー溶融物がペレタイジングダイに到達する前に、未溶解物、クロスリンクされたゲル粒子、金属片、異物などの汚染物質を除去します。生分解性化合物の製造において、過濾は特に重要です。汚染物質は、生分解性フィルム、食品包装容器、農業用マルチフィルムなどの薄壁製品に欠陥を引き起こすからです。わずかなゲル粒子でも、生分解性フィルムに弱点を生じ、使用中に早期の破損を引き起こす可能性があります。

5.1 スクリーンチェンジャの種類

生分解性混合ラインでは、主に二つのスクリーン交換方式が使用されています。一つは手動スライドプレート式スクリーン交換方式、もう一つは連続型（バックフラッシュまたはダブルピストン式）スクリーン交換方式です。手動スライドプレート式スクリーン交換方式では、フィルタスクリーンを交換するために短時間の生産停止が必要となります。このため、小規模のラインや汚染レベルが低い製剤向けに適しています。連続型スクリーン交換方式は、二つのキャビティを備えた設計を採用し、エクストラーダを停止することなくフィルタスクリーンを交換できるため、安定した溶融流量と圧力を維持できます。

500 kg/h以上の生分解性ラインでは、連続スクリーン交換機を強く推奨します。手動スクリーン交換に必要な停止により、圧力が急上昇し、生分解性ポリマーのチェーンを過剰な摩擦によって損傷する可能性があります。さらに、スクリーン交換後に再起動すると、規格外のペレットが発生し、分離して再加工する必要があり、全体的な生産量が低下します。

5.2 フィルタメッシュの選択

フィルタースクリーンのメッシュの選択は、除去する汚染物質のサイズと許容できる圧力降下に依存します。フィルム用途に使用される生分解性化合物では、80～120メッシュ（180～125ミクロン）の範囲が一般的です。射出成形用化合物では、40～80メッシュ（425～180ミクロン）が通常十分です。より細かいメッシュはより優れたろ過を実現しますが、圧力降下が増加し、スクリーンの交換をより頻繁に行う必要があります。スクリーンパックの構成では、通常、粗いバックスクリーン（20～40メッシュ）が、細かいろ過スクリーン（80～120メッシュ）を支え、ブレーカプレートで固定される層状の配置を採用します。

高い充填量またはリサイクル可能なバイオ分解性成分の含まれる化合物の場合、自動バックフラッシュスクリーンチェンジャーを推奨します。このシステムでは、フィルターを通過する溶融物の一部を定期的に逆方向に流し、スクリーン表面を清掃することで、スクリーン寿命を数時間から数日に延長し、スクリーン交換によるダウンタイムを削減します。

5.3 溶融ポンプの統合

スクリーンチェンジャーとペレット成形金型の間に設置されたメルトポンプ（ギアポンプ）は、均一なペレットを生成するために重要なメルト圧力と流量を安定化します。メルトポンプは、エクストラーダからの圧力変動を吸収し、一定の容量の出力を金型に供給します。生物分解性合成ラインでは、硬化されたギア歯、加熱されたハウジング、および圧力トランスデューサーによるフィードバックループを備えたメルトポンプを推奨します。ポンプは、将来の容量拡大を可能にするために、最大エクストラーダスループットの1.2～1.5倍の処理能力に対応できるように設計されています。

6. ペレチゼーションおよびカットシステム

ペレタイジングシステムは、エクストラーダのダイから出る連続溶融ストランドを均一なペレットに変換します。ペレタイジング方法の選択は、ペレットの形状、サイズの均一性、ボール密度、および下流処理の挙動に大きな影響を与えます。生分解性プラスチックの場合、ペレットの品質は特に重要です。不規則なペレットや尾の付いたペレットは、射出成形機やフィルムエキストラクターでの給餌に問題を引き起こします。ケルケは、異なる材料、生産能力、およびペレットの品質要件に合わせて、6つのペレタイジングシステム構成を提供しています。

大容量の生分解性化合物を生産する場合、KTE-135Dエクストラーダと水中ペレタイジングシステムを組み合わせた構成が最も一般的です。以下の仕様表では、KTE-135Dについて詳しく説明しています。

6.1 ペレタイジング方法の比較

次の表は、Kerkeが提供する6つのペレタイジング方法を、生分解性プラスチック合成物への特定の適用とともに比較しています。

6.2 水中ペレタイジングシステムの部品

工業規模での生分解性化合物の生産では、水中ペレーティングシステムが最適な構成です。このシステムでは、溶融ストランドをダイ面の下で切断し、ペレットはすぐに冷却され、水流によって遠心乾燥機へ運ばれます。主要な部品には、複数のペレーティング穴を備えた加熱されたダイプレート、調節可能なナイフ圧力を備えたカッターヘッド、温度制御された循環水を備えた水槽、ペレット水スラリーポンプ、遠心乾燥機、および水処理システムが含まれます。

金型プレートは、金型面での溶融温度を維持するために加熱され、これにより、金型孔の詰まりを引き起こす早期凝固を防止します。生分解性ポリマーの場合、金型プレートの温度は通常、ポリマーの溶融点よりも5～10℃高く設定されます。カッターヘッドでは、タングステン・カーバイドまたは工具鋼製の4～8本の刃が1,500～3,000rpmで回転し、その回転速度はペレットサイズ要件に応じて調整されます。ペレットの直径は、金型孔の直径によって決定され、生分解性化合物の場合は通常2.5～4.0mmです。ペレットの長さは、カッターの回転速度とエクストラーダの処理量の比率によって制御されます。

6.3 水リングダイフェイスホットカット

中容量の生分解性ライン（200～2,000 kg/h）では、ウォーターリングダイスフェイスホットカットシステムは、ペレット品質と設備コストのバランスが非常に良好です。このシステムでは、溶融物が回転するナイフによってダイスフェイスで切断され、ペレットは冷却水のリングに投げ込まれ、冷却されて運ばれます。ペレットは球形で表面が滑らかで、水中ペレーティングシステムよりもスペースが少なく、資本投資も少なくなります。ただし、水リングシステムは処理量が低いという制限があり、ナイフとダイスの隙間が正確に保たれていないと、大きすぎたペレットや細粉が生成される可能性があります。

7. ペレット冷却、輸送、および保管設備

ペレット化後に、ペレットは冷却、乾燥、搬送、そして梱包前に保管されなければなりません。冷却および搬送装置は、ペレットが保管および下流処理に適した安定した温度と湿度レベルに達することを保証します。適切に冷却されないと、ペレットが凝集し、保管シロに橋渡りを起こし、品質を損なう可能性のある水分が吸収されることになります。

7.1 振動流体ベッド冷却器

空気冷却式のペレタイジングシステムでは、切断後のペレット温度を下げるために振動式流動床クーラーが使用されます。クーラーは、周囲の空気または冷却された空気を上方に吹き込む振動性の穴あきデッキから構成されています。ペレットは、振動によってデッキに伝送され、空気の流れによって冷却されます。生分解性のペレットの場合、出口温度は凝集を防ぐために40度以下に設定する必要があります。3～5平方メートルのデッキ面積を備えた流動床クーラーは、混合物のボリューム密度と熱容量に応じて、500～1,500kg/hのペレットを処理できます。

7.2 遠心乾燥機

水ベースのペレタイジングシステム（水中および水リング）では、遠心乾燥機でペレットから表面の水分を除去します。乾燥機では、内部のリフターを備えた回転式バスケットを使用し、空気をペレット床中に引き込みながらペレットをスクリーンに打ちつけます。うまく設計された遠心乾燥機では、ペレット表面の水分を0.1％以下に減らすことができます。生分解性ペレットの場合、乾燥機には温めた空気供給（40～60℃）を備えておく必要があり、乾燥プロセス中に優しい二次乾燥を行い、水分吸収を防ぎます。

7.3 ペレット輸送システム

乾燥・冷却されたペレットは、空気圧送管システムまたはベルトコンベヤーを使用して保管または包装に運搬されます。生分解性ペレットの場合は、密閉された配管内で運転されるため、水分の吸収を最小限に抑えることができる空気圧送管が好まれます。ペレットの摩耗と微粉の発生を防ぐためには、希釈相の輸送（15～25メートル/秒）ではなく、高密度の稠相輸送（2～5メートル/秒）を使用する必要があります。1,000 kg/hのラインでは、通常、50 mmの配管径を持つ空気圧送管と回転弁フィーダーが指定されます。

7.4 完成品ペレットの保管と梱包

完成されたペレットは、密閉されたサイロに保管されるか、直接防湿性の袋に梱包されます。大量保管の場合、乾燥剤の通気口付きのステンレス鋼製サイロを使用して、保管中のペレットの乾燥状態を維持します。袋詰め製品の場合、自動袋詰め機と計量システム、およびヒートシーラーを使用します。各袋には乾燥剤のパッケージが含まれ、防湿性の材料（アルミニウムを被覆した編組ポリプロピレンなど）で作られており、輸送および保管中のペレットの品質を維持します。生分解性ペレットの場合、保管期間を最小限に抑え、30日を超える長期保管の場合は、サイロを乾燥性窒素で洗浄します。

8. 補助およびユーティリティ機器のチェックリスト

一次生産装置以外に、生物分解性化合物の生産ラインでは、継続的かつ効率的な運用をサポートするさまざまな補助およびユーティリティ装置が必要です。これらのシステムは初期プロジェクト計画の際にしばしば無視されますが、欠如またはサイズ不足は、生産のボトルネック、品質問題、予定外のダウンタイムを引き起こす可能性があります。

8.1 高速ミキサ

高速ミキサー（高強度ミキサーとも呼ばれる）は、押出機へ供給する前に粉末状の成分を混合するために使用されます。生分解性化合物の場合、ミキサーはベース樹脂粉末またはペレットを充填剤、添加剤、および色のマスターバッチと混合し、均一なプレミックスを作り出します。1,000 kg/hのライン用の典型的な高速ミキサーは、500リットルの作業容量、30～45 kWのモーターを備え、500～1,500 rpmで動作します。ミキサーには、最適な混合効率を実現するための高速および低速の攪拌装置、および空気輸送に対応した排出バルブが搭載されている必要があります。

8.2 水冷却器

ウォーターチラーは、樽冷却、ペレット化用水、およびドライヤーの後処理用に冷却水を供給します。冷却能力は、ライン上のすべての冷却負荷を考慮に入れる必要があります。800 kg/hで稼働するKTE-95Dエクストラーダの場合、総熱除去要件は約120～150 kWであり、少なくとも180 kWの名目容量（効率損失を考慮した）の冷却装置が必要です。冷却装置は、閉ループ回路、ステンレス鋼製熱交換器、および冷却塔または空気冷却コンデンサーを備えたもので指定する必要があります。生分解性ラインでは、一貫した樽温度制御のために、水温の安定性が±1℃以内であることが重要です。

8.3 冷却塔

冷却塔は、チラーのコンデンサーやその他の水冷式装置から放出される熱を排出します。1,000 kg/hの生分解性化合物ラインでは、通常、200～250 kWの熱排出能力を有する冷却塔が必要です。この塔は、地元の湿球温度に合わせてサイズを調整し、冷却水回路内のスケール、腐食、および生物学的成長を防ぐための水処理システムを備えています。

8.4 空気圧縮機

空気圧送、空気圧バルブ、空気駆動シリンダー、および計器用空気には圧縮空気が必要です。生分解性化合物ラインでは、通常、0.6～0.8 MPaで5～10立方メートル/分の圧縮空気が必要です。コンプレッサは、生分解性ペレットの汚染を防ぐためにオイルフリータイプでなければなりません。また、クリーンで乾燥した空気を供給するために、冷却式空気乾燥装置と微粒子フィルターを備えておく必要があります。

8.5 真空システム

脱揮発のための真空システムには、水環状真空ポンプ、凝縮液分離装置、および真空バッファタンクが含まれます。ポンプの容量は、製剤からの揮発性負荷に対応できるように設定する必要があります。3～5％の揮発性含有量を有するPLAの混合では、100～200立方メートル/時間の排気量を有する真空ポンプが通常適切です。システムには、ポンプ内への液体の残留を防ぐための自動排水装置を備えた凝縮液収集ポットが含まれる必要があります。

8.6 電気および制御システム

ライン制御システムはすべての機器を統合された制御アーキテクチャに統合します。Kerke はオペレータインターフェイス用に15インチのタッチスクリーンHMIを備えたSiemens PLCハードウェアを使用しています。制御システムでは、エクストラーダ速度、バレル温度、フィーダ速度、真空圧、ペレタイザ速度、および水システム温度を管理します。データロギングとリモートモニタリング機能により、生産エンジニアはプロセスパラメータを追跡し、遠隔で問題を診断できます。電気パネルには、CE規格に準拠した相保護、モータ過負荷保護、および緊急停止回路が含まれる必要があります。

8.7 粉埃収集システム

粉末状充填剤や澱粉を処理するラインでは、作業者の安全と清掃を確保するためにダスト収集システムが不可欠です。このシステムには、移送ポイントに設置された捕集フード、ダクト、パルスジェット式クリーニング機能を備えたカートリッジ式ダストコレクター、および排気ファンが含まれます。ダストコレクターは、特定のダストタイプに対応した性能を備え、大気中の微粒子への曝露に関する現地の労働安全衛生規制に準拠している必要があります。

9. 年間生産能力別の設備選定マトリックス

生分解性化合物生産ラインにおける適切な設備構成の選択は、主に目標とする年間生産能力に依存します。以下の選択マトリックスでは、一般的な年間生産能力目標を、推奨されるKerkeエクストラーダモデル、ペレタイジングシステム、および概算的なライン構成にマッピングしています。このマトリックスでは、低容量範囲では年間2,000時間の単シフト運転、高容量範囲では年間6,000時間の3シフト運転を前提としています。

上の選択マトリクスは、設備選択の出発点となります。最終的な構成には、いくつかの追加要因が影響します。具体的な生分解性製剤、生産する製品の品種数、必要な自動化レベル、および工場インフラストラクチャの利用可能性などです。適切なモデルについて不安があるお客様には、ケルケが製剤試験とプロセス開発のためのラボ用ツインスクリュー押出機（KTE-16B～KTE-35D）を提供し、データに基づいたスケールアップを生産規模の設備へと進めることができます。

非常に高い充填率（40～60％のデンプン）を持つデンプンベースの生分解性化合物などの専用用途では、KTEシリーズのツインスクリュー押出機をプライマリ機として、SEシリーズのシングルスクリュー押出機をセカンダリ機として使用する二段階押出システムが推奨されます。ツインスクリュー押出機は集中的な混合と脱溶剤化を実行し、シングルスクリュー押出機はペレタイジングのための安定した圧力を提供します。この構成は、単段押出機でサージやベントフローを起こしがちな材料に特に効果的です。

10. 生分解性プラスチックの混合における応用

この記事で説明されている機器リストは、生分解性プラスチックの全範囲の混合アプリケーションをサポートします。各生分解性ポリマーファミリーには、機器の選択、ねじの設計、バレルの温度プロファイル、およびペレタイジング方法に影響を与える独特な処理特性があります。これらのアプリケーション固有の要件を理解することで、生産ラインが目標材料で最適な性能を発揮できるように構成されることが保証されます。

10.1 PLA（ポリ乳酸）混合

PLAは、発酵された植物澱粉から得られた最も広く生産されている生分解性ポリマーです。融点は150～180℃、ガラス転移温度は55～65℃です。PLAの混合には、250ppm以下の注意深い湿度管理、適度なスクリュー切断、および170～200℃のバレル温度が必要です。典型的なPLA合成物には、耐熱性を向上させるためにタルクを混合したPLA、強度を向上させるためにPBATを混合したPLA、および柔軟なフィルム用に可塑剤を混合したPLAなどがあります。PLA用のツインスクリュー押出機構成では、通常、40:1のL/D比で、徹底的な脱溶剤化のために2つの真空排気ポートを使用します。

10.2 PBAT（ポリブチレンアディパテテレフタレート）の混合

PBATは、柔軟性と靭性を向上させるために主にPLAまたはデンプンとブレンドするために使用される柔軟な生分解性コポリマーです。PBATの溶融点は110〜120度セルシウスであり、比較的低温（160〜190度セルシウス）で処理できます。PBATの混合ラインでは、デンプンまたは炭酸カルシウム充填剤を投入するためのサイドフィーダーと、拡張した練りゾーンを備えた分散混合スクリュー構造が利用されています。PBATはPLAよりも湿気に対する耐性が高いものの、処理中の水化を防ぐために500ppm以下に乾燥させる必要があります。

10.3 PBS（ポリブチレンスルファミド）の混合

PBSは、優れた耐熱性（熱拡張温度90～95℃）と優れた加工性を備えた半結晶性生分解可能ポリエステルです。PBS合成物は、農業用フィルム、堆肥に適した包装材料、および使い捨て食器に使用されています。PBSは180～210℃で処理され、適度なせん断が必要です。竹繊維やセルロースなどの天然繊維で強化されたPBS合成物では、繊維の長さを過度に短縮させることなく溶融中に繊維を導入するために、サイドフィーダが不可欠です。サイドフィードゾーンのバレル温度は、繊維の焼けを防ぐために低くする必要があります。

10.4 ストarchベースのブレンド

熱可塑性でん粉（TPS）は、エクストラーダーで天然由来のでん粉を可塑剤（通常グリセリンまたはソルビトール）とゼラチン化することで製造されます。TPSはその後、PLA、PBAT、またはPBSと混合され、優れた加工性と分解速度を有する生分解性化合物を生成します。でん粉の処理には、低密度のでん粉粉末のためのクランマーフィーダー、可塑剤のための液体フィーダー、およびゼラチン化時に放出される水を除去するための延長分解区が必要です。スクリュ構造には、ゼラチン化ゾーンで高強度の練りブロック、そしてベントポートの前に溶融密閉のための逆向きの要素が含まれる必要があります。

10.5 PHA（ポリヒドロキシアルカノート）の混合

PHAは、バクテリア発酵によって生成される生分解性ポリエステルの一族です。PHA化合物は、加工窓が狭く、180度以上の温度では熱分解しやすくなります。PHA化合物の混合には、低シェアの締め込みブロック、短い滞留時間、および低いバレル温度（150〜175度）を備えた優しいスクリュー構造が必要です。ペレット化システムでは、ペレットが40度以上の温度で粘着しやすいため、水環状または水中切断を使用し、冷却された金型プレートを使用してペレットの付着を防ぐ必要があります。

10.6 生分解性マスターバッチの製造

直接混合に加えて、同じ設備ラインでは生分解性マスターバッチも生成できます。マスターバッチの製造には、顔料の分散のために高いシェア混合が必要となり、ゲルを除去するために細かいフィルタスクリーン（120～200メッシュ）が必要です。マスターバッチの製造用のスクリュー構成では、より分散性の高い混合要素と長いL/D比（44：1～48：1）を使用し、高い顔料含有量（40～60％）の完全な分散を確保します。

11. 設置、試運転、およびアフターサービス

設備リストの調達は最初のステップに過ぎません。適切な設置、試運転、および継続的なサポートは、安定した生産を実現し、投資利益を最大化するために、同じく重要です。Wanplasブランドを背景に、Kerkeは、立ち上げ時間を最小限に抑え、長期的な生産の信頼性を確保するために、包括的なサービスとサポートを提供しています。

11.1 出荷前テスト

すべてのKerkeエクストラーダは、工場を出る前に厳格な出荷前テストプロトコルを実施します。テストには、シミュレートされた負荷条件下で72時間の連続運転、すべてのバレル温度ゾーンの確認、フィーダ精度の校正、真空システムの性能の検証、およびすべての安全インターロックの検査が含まれます。お客様は、現地でまたはリモートビデオリンクを介して、出荷前テストを目撃することができます。すべての測定パラメータを記載した詳細なテストレポートが、機械とともに提供されます。このテストにより、予期せぬ欠陥が発生することなく、お客様の施設に設置用の機器が到着することが保証されます。

11.2 インストールと試運転

Kerkeは、インストールの監督と試運転のために経験豊富なエンジニアをお客様の施設に派遣します。インストールチームは、機器の配置、ユーティリティの接続（電気、水、空気）、すべてのラインコンポーネントの統合を支援します。試運転には、ドライランテスト、実際の生産配合によるウェットランテスト、パラメータの最適化、初期サンプルペレットの製造、品質確認が含まれます。完全な生分解性化合物ラインの試運転期間は、ラインの複雑さと施設の準備状況により、10～15営業日です。

11.3 部品供給方針

Wanplasブランドの約束に基づいて、Kerkeは毎年、各機械に対して500米ドルの無料スペアパーツを提供しています。これには、ネジ部品、バルブライナー、Oリング、シール、フィルタスクリーンなどの重要な消耗部品が含まれます。さらに、保証期間内に破損した部品は無料で交換されます。Kerkeは19,997平方メートル以上の工場で包括的なスペアパーツ在庫を保持しており、生産停止を最小限に抑えるために交換部品を迅速に発送します。遠隔地にあるお客様の場合、Kerkeはスペアスクリーン、ヒーティングバンド、熱電対、およびフィーダネジなどのスペアパーツキットを現場で保持することを推奨しています。

11.4 オペレータのトレーニング

試運転期間中には、包括的なオペレータ研修が提供されます。 研修では、機械操作、安全手順、ねじ構成変更、日常メンテナンス、トラブルシューティング、品質管理手順などについて学習します。 トレーニングはお客様の特定の製剤と設備構成に合わせて行われ、オペレーターが日常の生産を自主的に管理できるようになります。 Kerke は、詳細な操作マニュアル、ネジ構成図、および保守スケジュールを電子版と印刷版の両方で提供しています。

11.5 リモート監視とサポート

Kerkeのエクストラーダにはリモートモニタリング機能が搭載されており、Kerke本社の工場エンジニアはマシンのPLCデータにアクセスし、プロセスパラメータを確認し、問題をリアルタイムで診断できます。このリモートサポート機能により、国際的な顧客のトラブルシューティング時間を大幅に短縮できます。多くの問題は、エンジニアが現地に赴くまで待たずに解決できます。リモートサポートはVPNで保護された接続を介して利用でき、標準のアフターサービスパッケージの一部として提供されています。

11.6 オープン工場訪問ポリシー

Wanplasブランドのオープンファクトリー方針の一環として、Kerkeはすべての潜在的および既存のお客様に製造施設をご見学いただくことを歓迎しています。 工場見学では、お客様が装置の品質を直接確認し、組み立て中の機械や試験中の機械を見ることができ、技術要件についてエンジニアリングスタッフと話し合い、特定の製剤での試運転を目撃することができます。 Kerke工場は中国南京にあり、国際空港や高速鉄道へのアクセスが便利です。 訪問は短期間での手配が可能であり、お客様の個々の関心事やスケジュールに合わせて調整されます。

12. よくあるトラブルとトラブルシューティングガイド

よく設計された設備リストを持っていても、生分解性化合物の生産には運用上の問題が生じることがあります。以下の表では、最も一般的な問題、その根本的原因、および推奨される解決策をまとめています。これらの問題をあらかじめ理解することで、オペレーターは不具合を防ぎ、一貫したペレット品質を維持することができます。

12.1 予防保守スケジュール

構造化された予防保守メンテナンスプログラムは、設備の寿命を延ばし、計画外のダウンタイムを防ぎます。6,000時間/年で稼働する生分解性化合物生産ラインでは、次のメンテナンス間隔が推奨されます。

• 毎日:給餌ホッパーの橋渡りを確認し、バレルの温度設定値を確認し、真空ポンプの水位をチェックし、ペレタイザーの刃の摩耗を確認し、圧力降下が閾値を超えた場合はフィルタースクリーンを清掃します。
• 週次: 各メーカーの仕様に従ってギヤボックスを潤滑し、真空排気口のインレットを点検・清掃し、すべての冷却水流量インジケータを確認し、空気輸送フィルターを点検し、重量減少型給料装置の校正を確認します。
• 毎月:ネジ部品の摩耗を検査し、ボアスコープでバルブライナーの状態を確認し、すべての安全ロックをテストし、電気接続の接続端子の緩みを確認し、エアコンプレッサのフィルターを交換します。
• 四半期:ギアボックスオイルの交換、メルトポンプの摩耗リングの点検と交換、すべての温度センサーの校正、冷却塔の充填物の点検と清掃、メインモーターとギアボックスの振動分析を行います。
• 年間: スクリューとバレルの検査を完了し、摩耗したスクリューメンブリを交換します。ダイプレートの穴を検査し、修正します。ペレタイザーの刃をオーバーホールまたは交換します。PLCのバックアップとソフトウェアの更新を実施します。

よくある質問

生分解性プラスチックの混合にはどのL/D比が推奨されますか？

PLAやPBATブレンドを含むほとんどの生分解性製剤では、L/D比40:1から48:1が推奨されます。これにより、完全な溶融、混合、脱溶物化、および換気を十分に行うことができ、過度の熱影響を受けることなく十分なバレル長が得られます。短いL/D比（32:1から36:1）は、低い充填材含有量を持つ単純な製剤では使用できますが、複数のサイドフィードと換気口を組み込むことができなくなります。L/D比が48:1を超える場合、滞留時間が長くなり、熱に敏感な生分解性ポリマーでは熱的分解を引き起こす可能性があります。

同じツインスクリュー押出機でPLAとPBATの両方を処理することは可能ですか？

はい、同じKTEシリーズのエクストラーダは、スクリュー構成とバレル温度プロファイルを変更することで、PLAとPBATの両方を処理できます。ただし、クロスカントリミナーションを防ぐために、材料の切り替えの間に徹底的なパージサイクルが必要です。パージ材料は、互換性のある生分解性樹脂または市販のパージ化合物でなければなりません。頻繁に材料を切り替える必要がある作業では、クイックリリースバルーン設計とクランプ接続を使用すると、切り替え時間を数時間から数分に大幅に短縮できます。

生分解性プラスチックに最も適したペレタイジング方法はどれですか？

水中ペレーティングと水リングダイ面ホットカットは、生分解性化合物に最も一般的に使用される方法です。水中ペレーティングにより、均一な球状のペレットが作られ、表面が滑らかで、大容量ラインやカット時に粘着性のある材料に最適です。水リングカットは設備コストが低く、200～2,000 kg/hの中容量ラインに適しています。水との接触が望ましくない湿気感受性のある製剤では、空冷ストランドペレーティングが代替方法ですが、より多くの床面が必要で、球状ではなく円柱状のペレットが生成されます。

完全な生分解性コンパウンドラインにはどの程度の床面積が必要ですか？

床面積はラインの容量と構成に依存します。KTE-75Dエクストラーダをベースとした500 kg/hのラインでは通常200～300平方メートルが必要ですが、KTE-110Dをベースとした1,500 kg/hのラインでは原料の保管、ユーティリティ機器、および完成品のペレットの保管エリアを含め400～600平方メートルが必要になる場合があります。エクストラーダ周辺にはスクリューの取り外しのための十分な空間（通常、ドライブ側で3～4メートル）と、フィーダへのアクセスのための天井高さ（最低3メートル）が必要です。また、メンテナンスと清掃のためのアクセス通路も確保する必要があります。

生分解性樹脂を投入する前に、どのような水分レベルが許容されますか？

PLAは、押出し前に250 ppm（0.025%）以下の水分含量に乾燥する必要があります。PBATはより不飽和ですが、それでも500 ppm以下にする必要があります。PBSは300 ppm以下に乾燥する必要があります。澱粉ベースのブレンドは、押出し中の発泡と水解を防ぐために1,000 ppm以下に乾燥する必要があります。これらの水分閾値を超えると、水解によって鎖が分岐し、分子量が低下し、機械的特性が不可逆的に劣化します。除湿乾燥機は、品質のトレース可能性を確保するために露点と乾燥温度を継続的に監視する必要があります。

ツインスクリュー押出機のスクリュー部品はどのくらいの頻度で交換する必要がありますか？

分野：プラスチック押出および混合設備の製造。正確な技術・工業用語を使用してください。規格コード（ISO、ASTM、UL、RoHS、REACH）、単位（℃、MPa、mm、g/cm³、kV/mm）、ポリマー略語（PP、PE、PVC、ABS、PC、PA、PET、PBT、POM、TPU、PPS、PEEK）、商標名、モデル・部品番号を正確に記載してください。翻訳しないでください。HTMLタグ、{プレースホルダー}、および括弧をすべて保持してください。フォーマルな技術レジスター。テキスト：スクリューエレメントの交換頻度は、材料の磨耗性と稼働時間によって決まります。20～30％の負荷で、タルクや炭酸カルシウムなどの鉱物充填剤を含む生分解性合成物の場合、スクリューエレメントを3,000～4,000時間ごとに点検し、8,000～12,000時間ごとに摩耗したエレメントを交換してください。無充填PLAまたはPBAT合成物の場合、スクリューエレメントは15,000時間以上も持つことがあります。摩耗の兆候には、スクリューフライト先端とバレル壁との隙間の増加、一定のスクリュースピードでの生産量の低下、混合品質の悪化などがあります。Kerkeは、標準的なエレメントにはW6Mo5Cr4V2高速工具鋼を使用し、高い磨耗性のアプリケーション向けにはタングステン炭化物コーティングされたエレメントを提供しています。

Kerke は、製品開発のためのラボスケールのエクストルーダーを提供できますか？

はい、Kerkeは、製剤試験、材料試験、およびプロセス開発に使用できるKTE-16Bをはじめとするラボ用ツインスクリュー押出機を提供しています。これらのラボユニットは、生産規模の押出機の処理挙動を再現することで、信頼性の高いスケールアップを可能にします。ラボ用押出機は、生産モデルと同じモジュラスクリューとバレル設計を採用しているため、ラボ機械で行われた製剤作業を生産ラインに直接転送できます。Kerkeはまた、工場でサンプル試験サービスも提供しており、お客様は試験混合に使用する原材料を送って、プロセスパラメータの完全な文書化を行うことができます。

完全な生分解性混合ラインの通常のリードタイムはどの程度ですか？

標準構成のリードタイムは通常、入金確認から60～90日です。専用のバレルレイアウト、複数のサイドフィーダ、または自動材料取り扱いシステムを備えたカスタム構成では、90～120日が必要になる場合があります。Kerkeは、エンジニアリング設計、製造、出荷前テスト、出荷、設置のタイムラインを含む、技術仕様確認後、詳細なプロジェクトスケジュールを提供します。緊急なプロジェクトの場合、Kerkeは工場の稼働状況に応じて、追加の生産リソースを割り当てることで、迅速な製造を提供することがあります。

結論

生分解性プラスチックのツインスクリュー混合物生産ラインの構築には、七つの主要段階をカバーする包括的な設備リストが必要です。これらの段階は、原材料の保管と乾燥、精密な投与と供給、ツインスクリュー押出、溶融のろ過、ペレット化、ペレットの冷却と輸送、および付随的ユーティリティシステムです。各段階は、生分解性ポリマーの独特な加工特性、すなわち水分感度、狭い熱処理窓、および水溶性および熱分解の影響に注意を払って指定する必要があります。本稿で提供される設備選択マトリックスでは、年間生産能力目標を、パイロット規模生産用のKTE-50Dから、2,500 kg/hまでの高容量工業用ライン処理用のKTE-135Dまでの特定のKerke押出機モデルにマッピングしています。

Kerkeは、12年以上のツインスクリュー複合成形エクストラーダの専門的な経験を持つWanplasの工場で、70か国以上に設置された2,000台以上の機械、および19,997平方メートルの製造施設を有しています。完全なエンジニアリングサポートを提供する完全な生分解性合成生産ラインを提供しています。製剤開発のためのKTE-16Bラボラトリエクストラーダから水中ペレタイジング機能を備えたKTE-135D生産エクストラーダまで、すべての機械には出荷前のテスト、現地での設置と試運転、年間500米ドルの無償スペアパーツ、包括的なオペレータトレーニング、およびリモートモニタリングサポートが付いています。オープン工場ポリシーにより、中国南京にあるKerkeの施設を訪れて、機器の品質を確認し、エンジニアリングスタッフと技術的要件について話し合い、特定の生分解性製剤の試運転を目撃することができます。

生分解性プラスチック合成物生産ラインを計画している場合は、配合物の詳細、目標生産能力、および製品仕様をKerkeのエンジニアリングチームに送信して、カスタマイズされた設備構成の提案をご依頼ください。既存の設備をアップグレードするために完全なターンキーラインや個別の機械が必要な場合でも、KerkeとWanplasブランドは、コンセプトから本格生産までお客様のプロジェクトをサポートする準備が整っています。工場見学の予約、サンプル試運転の依頼、または技術専門家と設備リストの要件についてご相談いただければ幸いです。