カルシウムカーボネート（CaCO3）は、低コスト、高白色度、優れた剛性、環境に優しいという特長から、世界のプラスチック産業で最も広く使用されている無機フィラーです。CaCO3が均一にポリマー樹脂中に分散した濃縮媒体であるフィラーマスターバッチは、梱包用フィルム、射出成形品、パイプ押出、シート製造、自動車部品などの後続加工におけるフィラー適用の主流の形態となっています。後続産業が製品の外観、機械的特性、および加工安定性に関するより高い要求を提示するにつれて、カルシウムカーボネートフィラーマスターバッチの品質を測定するための主要な指標として高分散性が重要になってきました。分散性が低いと、白い斑点、魚の目、不均一な表面仕上げ、最終製品の機械的強度の低下などの問題が発生し、マスターバッチ製品の適用範囲と利益率を直接制限することになります。
カルシウムカーボネートフィラーマスターバッチの高い分散を実現する主要な装置は、業界ではマスターバッチエクストラーダまたはコンパウンドエクストラーダとも呼ばれるツインスクリュー型エクストラーダです。単一スクリュー型エクストラーダと比較して、並列回転するツインスクリュー型エクストラーダは、より強力なせり混合能力、より均一な材料滞留時間分布、およびより優れた自己洗浄性能を備えており、高品質のフィラーマスターバッチ生産の標準構成となっています。しかし、すべてのツインスクリュー型エクストラーダが理想的な分散効果を実現できるわけではありません。装置のスクリュー構成、給料精度、温度制御システム、排気設計、およびプロセスパラメータのマッチングは、樹脂キャリア中のカルシウムカーボネートの分散品質に直接影響します。
Rに特化した専門メーカーとして&ケルケは、長年にわたりツインスクリュー押出装置の開発と生産を行ってきました。当社は、カルシウムカーボネートフィラーマスターバッチ生産に最適化された高性能のマスターバッチ押出機とコンパウンド押出機のシリーズを発売しました。これらの機器には、最適化されたスクリューエレメント、高トルク伝達システム、および精密制御システムが搭載されており、お客様がカルシウムカーボネートフィラーのナノレベルでの均一な分散を達成できるように支援します。本ガイドでは、カルシウムカーボネートフィラーマスターバッチにおける高い分散効果の価値をシステマチックに説明し、分散品質に影響を与える主要な要因を分析します。ツインスクリュー押出機がどのように効率的な分散を実現しているかを紹介し、ケルケの機器に関する詳細な製品推奨とコスト・効果分析を行い、実用的なプロセス最適化スキームと一般的な問題のトラブルシューティングソリューションをまとめ、製造業者や研究開発者に必要なすべての情報を網羅しています。&D 人材は高分散フィラーマスターバッチの製造について知る必要があります。
1. カルシウムカーボネートフィラーマスターバッチにおける高分散化の価値
分散とは、カルシウムカーボネートの充填粒子が凝集せずに均一に分散し、ポリマーキャリア内に分布する程度を指します。マスターバッチメーカーや下流ユーザーにとって、高い分散は品質要件であるだけでなく、生産コスト、製品の性能、および市場競争力にも直接関係します。
1.1 完成品の機械的特性の改善
カルシウムカーボネート粒子が一次粒子レベルで均一に分散している場合、これらは樹脂マトリクス中の補強相として機能し、製品の引張強度、曲げモジュラス、耐衝撃性、および硬度を効果的に向上させることができます。しかし、マスターバッチ中に凝集した粒子がある場合、これらの凝集体は製品内部に応力集中点となります。外力の作用下で、まず凝集位置から亀裂が発生し、拡大します。その結果、製品の機械的特性が著しく低下します。業界のデータによると、80％の高充填カルシウムカーボネートマスターバッチの場合、不良な分散は最終射出成形製品の衝撃強度を30％以上低下させ、低温環境下では製品の脆性破断を引き起こすこともあります。高分散マスターバッチは、公式の理論的機械特性の90％以上を維持し、下流製品がより高い品質基準を満たすのを支援します。
1.2 製品の外観と表面品質の最適化
高級用途のアプリケーションシナリオ（包装フィルム、中空容器、表面装飾部品など）では、製品の外観が重要な品質指標となります。分散不良のマスターバッチでは、最終製品に白い斑点、魚眼、色収差、粗い表面などが生じ、外観品質に深刻な影響を与え、製品の廃棄につながることもあります。例えば、フィルム生産において、10μm以上の凝集した炭酸カルシウム粒子は、フィルム表面に明らかな魚眼を形成し、製品を高級用途の包装に使用できなくなります。高分散マスターバッチは、完成品中の炭酸カルシウム粒子がすべて5μm以下であることを保証し、表面に目立つ白い斑点や魚眼がなく、製品の光沢が高く色が均一であるため、高級用途の品質要件を満たすことができます。
1.3 生産コストと材料廃棄物の削減
高分散化により、カルシウムカーボネートフィラーの機能的役割を最大限に発揮でき、同じ充填量でもより優れた性能効果が得られます。同じ性能要件を満たす前提で、高分散マスターバッチは、通常のマスターバッチと比較して充填量を10～15％増やすことができ、これにより下流製品の原材料コストがさらに削減されます。同時に、良好な分散性により、生産プロセスにおける廃棄率が低減します。マスターバッチメーカーにとって、分散性が低いと、修正や廃棄が必要な不合格品が大量に生まれ、原材料損失と人件費が増加します。高充填フォーミュラ製品の場合、通常のエクストラーダ生産の廃棄率は6～10％ですが、高性能ツインスクリュー型エクストラーダ生産の廃棄率は1.5％以下に制御でき、毎年多くの原材料コストを節約できます。
1.4 製品の適用シナリオの拡大と利益率
異なる分散性を持つマスターバッチでは、市場価格と適用範囲に大きな差があります。通常の低分散フィラー・マスターバッチは、低品質要件を持つ低価格帯の射出成形、ゴミ袋などのシナリオにのみ使用でき、利益率は低く、市場競争は激しいです。高分散マスターバッチは、食品包装フィルム、通気性フィルム、自動車内装部品、家電製品のシェル、建築材料などの高付加価値分野で使用でき、製品価格は通常の製品より20～40％高く、製造業者にとってより豊かな利益をもたらします。下流産業の品質要件が継続的に向上するにつれ、高分散フィラー・マスターバッチの市場需要は急速に拡大しており、高分散生産技術を習得することは、マスターバッチ企業が競争上の優位性を得るための鍵となっています。
2. カルシウムカーボネートフィラーマスターバッチの分散品質に影響を与える主な要因
ポリマー樹脂中の炭酸カルシウムの分散過程には、三つの段階が含まれます。すなわち、フィラー粒子のポリマー溶融による湿潤、集合粒子のせん断力による破壊、そしてマトリクス中の分散粒子の均一分布です。それぞれの段階は多くの要因によって影響を受けます。高い分散性を実現するには、原料の前処理から押出加工までのすべての工程をシステマチックに制御する必要があります。
2.1 原材料の前処理と配合設計
原材料の特性は分散効果に影響を与える基礎です。粒子サイズ、表面処理状態、および油吸収値が異なるカルシウムカーボネートでは、分散の難しさに大きな差があります。粒子サイズが小さいナノカルシウムカーボネートは、より優れた補強効果をもたらしますが、凝集しやすく、分散しにくいです。通常の軽量カルシウムカーボネートは、粒子サイズが大きく、比較的分散しやすいです。カルシウムカーボネートの表面処理も非常に重要です。ステアリック酸、チタン酸塩、アルミナなどの結合剤で処理されたカルシウムカーボネートは、樹脂マトリックスとの相性が良く、溶融によって湿潤しやすく、加工中に再凝集しにくいです。
配合設計の観点からすると、充填剤、媒体樹脂、添加剤の比率は分散の難易度に直接影響します。充填量が高すぎると、システムの粘度が上昇し、混合の難易度が増し、不均一な分散につながりやすくなります。媒体樹脂の選択は、カルシウムカーボネートの処理温度と溶融粘度に合致する必要があり、これにより樹脂が押出工程で充填剤粒子を完全に湿らせることができます。適切な分散剤や潤滑剤を添加することで、粒子間の摩擦を減らし、凝集体の分離を促進することができますが、過剰に添加すると製品の機械的特性に影響を与えます。実際の生産において、押出機に入る前に原料を十分に混合することで、最終的な分散効果を大幅に向上させることができます。高速ミキサーでは、カルシウムカーボネートと樹脂を均一に分散させ、一定の温度で接着剤の塗布を完了し、押出機の分散圧を低減することができます。
2.2 スクリューエレメント構成とせん断場分布
ツインスクリュー押出機のコアコンポーネントであるスクリューは、装置の混合および分散能力を直接決定します。共転回ツインスクリュー押出機のスクリューは、輸送要素、こねるブロック要素、歯付き混合要素、および逆輸送要素など、さまざまな種類の要素から構成されています。各要素は異なる機能を持ち、スクリュー内部で異なるせん断および流動場を形成します。
伝送要素は主に材料の前方伝送に関与し、そのリードサイズは材料の充填度と滞留時間に影響を与えます。練混要素はせん断分散を実現するための核となる部品です。せん断強さと混合効果は、練混ディスクのスタガー角度によって異なります。30°のスタガー角度を持つ練混ブロックは主に弱いせん断による分散的混合の役割を果たします。45°のスタガー角度は分散と分布の両方を考慮し、最も一般的に使用される構成です。60°のスタガー角度は強いせん断力を持ち、凝集した粒子を効果的に破壊できますが、あまり多いと材料の劣化につながりやすくなります。練混ブロックの数と配置位置も、カルシウムカーボネート配合物の特性に応じて合理的に設計する必要があります。せん断要素が少すぎると十分な分散を実現できず、多すぎると過度のせん断が生じ、マスターバッチの樹脂が劣化し、黄色くなることになります。高充填率のカルシウムカーボネートマスターバッチでは、充填剤の全体的な均一な分布を確保するために適切な数の混合要素を設定する必要もあります。
2.3 押出プロセスのパラメータ制御
同じ設備と配合を使用しても、異なるプロセスパラメータにより、分散効果に大きな差が生じます。分散に影響を与える主要なプロセスパラメータには、温度曲線、スクリュー速度、給料速度、真空度などがあります。
温度は、樹脂の溶融粘度とシステムの摩擦力に直接影響します。温度が低すぎると、樹脂の可塑化が不十分となり、溶融粘度が高くなり、充填剤粒子の湿潤化が困難になります。また、温度が高すぎると、溶融粘度が低下し、摩擦効果が弱まり、さらには樹脂の劣化や性能低下を引き起こす可能性があります。カルシウムカーボネート充填剤マスターバッチの場合、キャリア樹脂の種類に応じて温度曲線を合理的に設定する必要があり、これにより樹脂の完全な可塑化を確保し、適切な摩擦粘度を維持できます。スクリュースピードと給料速度はともに、スクリュー内の材料の滞留時間と充填度を決定します。スクリュースピードが高いと、より強い摩擦力が得られますが、滞留時間が短すぎると混合が不十分になります。また、給料速度が高すぎると、押出機の負荷が増加し、スクリュー内の材料の充填度が低下し、摩擦混合効果が弱まります。スクリュースピードと給料速度を適切に調整することによってのみ、分散効果と生産能力の最適なバランスを達成できます。
2.4 ガス除去および揮発性物質除去システム
カルシウムカーボネートフィラーには通常一定量の水分と低分子の揮発物が含まれています。特に特異表面積が大きいナノカルシウムカーボネートは、より多くの水分を吸収しやすくなります。これらの水分と揮発物を押出時に効果的に除去できない場合、マスターバッチ内に気泡が生じ、製品の表面に気孔や空洞が形成され、分散の均一性にも影響を与えます。また、水分の存在は高温下で一部の樹脂の劣化を促進し、マスターバッチの性能に影響を与えます。
高品質のツインスクリュー押出機には通常、複数段階の真空排気システムが装備されており、排気部の負圧により溶融物から水分と揮発性物質を除去します。排気口の位置、数、真空度は脱ガス効果に影響します。水分含量が高いカルシウムカーボネートマスターバッチの場合、揮発性物質を完全に除去するために、自然排気と真空排気の両方が必要です。排気部スクリューの設計も合わせて行う必要があります。通常、大きなリード伝達要素を使用して、材料の充填度を低減し、溶融物が排気部の表面を完全に露出できるようにすることで、揮発性物質の逃げ出しを促進します。
3. 高分散フィラーマスターバッチ生産におけるツインスクリュー押出機の利点
現在、市場でカルシウムカーボネートフィラーマスターバッチを生産する機器には、主に単一スクリュエキストラクター、単一スクリュエキストラクターに合わせた内部ミキサー、および共転回パラレルツインスクリュエキストラクターが含まれています。このうち、ツインスクリュエキストラクターは、専門の混合エキストラクターおよびマスターバッチエキストラクターとして、独自の技術的優位性を持って、高品質のマスターバッチ生産の第一選択となっています。
3.1 強いせん断分散能力
相互に連結した回転同軸双螺旋は、運転中に強力で均一なせん断力を生成します。二つの螺旋の連結領域を通過する材料は、連続的なせん断、伸張、折り曲げの作用にさらされ、凝集したカルシウムカーボネート粒子が効果的に分解され、小粒子に分散します。単一の螺旋押出機では、主に材料とバレル間の摩擦に依存してプラスチケーションを行い、混合能力が極めて限られているのに対し、双螺旋押出機では、せん断強度と混合均一性が数倍高く、単一の螺旋によって処理が困難な高充填性のカルシウムカーボネート製剤を容易に処理できます。強い凝集傾向を持つナノカルシウムカーボネートの場合でも、適切な螺旋構造を備えた双螺旋押出機では、単一の螺旋装置では不可能な良好な分散効果が得られます。
3.2 正確な伝送と安定した処理性能
共回転する連結ツインスクリューは、プラスの運搬特性を有し、すなわち、スクリューの運搬能力はスクリュー要素の幾何学的形状に依存し、材料の粘度やヘッドの圧力変動に大きく左右されません。このため、ツインスクリュー押出機は、粘度変化が大きい高充填性のカルシウムカーボネートマスターバッチを処理する際に、非常に安定した供給と運搬能力を発揮し、材料の粘度変化による排出の変動を引き起こさず、製品品質の均一性を確保します。一方、単一スクリュー押出機の運搬は、材料とバレル壁間の摩擦に依存します。高充填材料を処理する場合、摩擦係数が大きく変化するため、安定した排出が困難となり、製品品質の変動や分散効果が発生します。
3.3 モジュール式設計と高いプロセス柔軟性
現代のツインスクリュー押出機は一般的にモジュール式のスクリューとバレルの設計を採用しています。ユーザーは、異なる配合タイプや製品の性能要件に応じて、スクリュー要素の組み合わせとバレル構造を調整することができ、これにより押出機内のせん断強度、混合モード、および材料滞留時間を変更できます。カルシウムカーボネートフィラーマスターバッチの生産では、メーカーはスクリュー要素の一部を交換し、プロセスパラメータを調整することで、通常の30％の低充填マスターバッチと80％の高充填マスターバッチの両方を生産できます。一つの装置は複数の製品と配合に対応できるため、生産の柔軟性が大幅に向上し、設備の投資コストが削減されます。モジュール式の設計は、後々の保守やアップグレードにも便利です。新しい配合の製品を生産する場合、全体の装置を交換することなく、対応する機能モジュールを追加するだけで済みます。
3.4 効率的な自己清掃と低い材料廃棄
インターメッシュしたツインスクリューは優れた自動清掃機能を備えています。高速回転中、両スクリューのスクリューは互いに擦り合わせることで、スクリュー表面に残留した材料を適時に除去できます。これにより、高温バレル内で長期間にわたって材料が残留し、劣化や黄変を引き起こすことがなくなります。この機能は多品種・小ロット生産において非常に重要です。製品の配合や色を変更する際、ツインスクリュー押出機の清掃時間と材料消費量は、シングルスクリュー押出機よりも少なくなります。これにより、製品の切り替えを迅速に完了でき、清掃による材料浪費を減らすことができます。製品種類が多く、頻繁に交換が必要なマスターバッチ事業者にとって、これは毎年大量の原材料コストと時間コストを節約できることにつながります。
4. Kerke 高性能マスターバッチエクストラーダシリーズ（高分散CaCO3マスターバッチ用）
ケルケは、ツインスクリュー押出の分野で長年にわたる技術蓄積をもとに、カルシウムカーボネートフィラーマスターバッチ生産に合わせた充実したコンパウンドエキスプレス機の製品ラインナップを展開しています。ラボレベルのR&Dから、大規模生産用の製品まで、幅広い製品を取り揃えています。&D、中規模の試験生産および大規模な量産シナリオ。すべての機器は高トルクのギアボックス設計、精密加工されたねじ部品、およびインテリジェント制御システムを採用しており、高収率と安定した運転を確保しながら優れた分散効果を実現します。
4.1 Kerke SHJ-35 Lab Twin Screw Extruder for Formula R&D および小規模バッチ生産
SHJ-35は、ケルケが開発したラボスケールのマスターバッチエクストルーダーで、製品開発のための配合研究、小規模なサンプル調製、新製品の試作生産に適しています。大学の研究室や、中小企業の研究開発部門などに最適です。&材料企業や小規模マスターバッチメーカーのD部門。この装置は小さなフットプリントを持つデスクトップ一体型設計を採用しており、特別な工場改造なしに直接実験室に設置できます。
技術仕様: スクリュー直径は35mm、標準の長さ/直径比は40:1で、最大の長さ/直径比は48:1にカスタマイズできます。最大600rpmのスピードと8N·m/cm³のトルクグレードを備えた高精度のサーボドライブシステムを搭載しています。生産能力は10kg/hから50kg/hまで幅広く、±0.3%の供給精度を備えた減量供給システムを搭載しています。十分な脱ガス効果を確保するために2段階の真空排気口を備えています。標準構成は水ストランドペレーティングシステムで、ニーズに応じて空冷ダイ面ペレーティングシステムや水中ペレーティングシステムも選択できます。制御システムはPLC + タッチスクリーンを採用しており、100以上のプロセス式を保存でき、データのエクスポートと生産記録の保存をサポートしています。
価格とコスト分析: Kerke SHJ-35 標準ラボ用ツインスクリュー押出機のFOB上海価格は38,000ドルから52,000ドルです。具体的な価格は、給餌システムの構成、ペレタイジング方法、および自動化度合いによって異なります。運用コストの観点から、装置の総インストール電力は約18kWであり、実際の運用電力は約10kWです。年間2000時間の運転を基準として計算すると、年間電気料金は約2,000ドルです。装置には1人のオペレータが必要であり、年間労務費は低額です。消耗品交換を含む年間メンテナンス費用は約1,500ドルです。&Dシナリオでは、SHJ-35をフォーミュラテストに使用する場合、テストごとにわずか数キログラムの原材料が消費され、生産規模の設備をテストに使用する場合と比較して、原材料コストを90%以上削減できます。高付加価値のカスタマイズマスターバッチの小ロット生産では、年間生産量30トン、トンあたりの純利益800ドルとして計算すると、年間純利益は24,000ドルに達し、投資回収期間は約1.5～2年です。また、外部委託によるテストと研究開発のコスト削減により、年間純利益はさらに増加します。&D コストが含まれているため、返却サイクルが短くなります。
4.2 Kerke SHJ-65 中規模量産用混合押出機
SHJ-65は、カルシウムカーボネートフィラーマスターバッチの大量生産を実行する中規模のマスターバッチメーカーに最適なKerkeのベストセラーモデルです。このモデルは生産能力、分散効果、投資コストのバランスをとり、従来のマスターバッチ生産において最もコスト効率の高い選択肢です。
技術仕様: スクリューダイヤは65mm、標準の長径比は44:1で、高充填フォーマル用に52:1にカスタマイズ可能です。10N·m/cm³のトルクグレードを持つ高トルク硬化ギア減速機が装備されており、充填量が85%までの高充填カルシウムカーボネートフォーマルを安定して加工できます。生産能力は300kg/hから800kg/hです。メインの減量給料機とサイド給料機が装備されており、セクションごとに充填剤と添加剤の追加を実現できます。真空度が-0.095MPaまでの二段階の真空排気システムが装備されており、水分と揮発物を効果的に除去できます。ペレタイジングシステムは、材質特性に応じて水ストランドペレタイジング、空冷ダイ面ペレタイジング、または水中ペレタイジングを選択できます。制御システムは高精度のPID温度制御を備えた産業グレードのPLCを採用し、温度制御の精度は±1℃以内です。リモート診断と自動生産フォーマル呼出しをサポートします。
価格とコスト分析: Kerke SHJ-65 標準構成のマスターバッチエクストラーダのFOB上海価格は85,000～120,000米ドルです。水中ペレタイジングシステム、複数成分給料システム、および自動重量計算および包装システムを装備した場合、価格は150,000米ドルに達します。運用コストの観点から、装置の平均運転電力は約75kWです。年間6000時間の運転と1kWhあたり0.1米ドルの工業用電気料金を基に計算すると、年間の電気料金は約45,000米ドルです。労働コストの観点から、各生産ラインでは1シフトあたり2人のオペレーターが必要で、3シフト生産の場合、年間の労働コストは約60,000米ドルです。スクリューバレルの摩耗修理と消耗部品の交換を含む年間メンテナンスコストは約8,000米ドルです。80％の高充填HDPEカルシウムカーボネートマスターバッチの生産を例にとると、年間生産量は約3000トンであり、原材料コストは約1,500,000米ドル、マスターバッチの出荷価格は1トンあたり700米ドル、年間売上収入は2,100,000米ドルです。さまざまな運用コストを差し引いた場合、年間純利益は約450,000米ドルとなり、投資回収期間はわずか4～6か月です。さらに、装置の優れた分散効果により、製品は15％の価格上乗せで高級市場に販売でき、利益の余地がさらに広がります。
4.3 Kerke SHJ-75 大容量ツインスクリュー押出機（大規模生産向け）
SHJ-75は、Kerkeが安定した大口注文を受けている大規模マスターバッチメーカー向けに発売した大型の混合押出機です。生産能力が高く、トルク出力が強力で、従来のフィラーマスターバッチの大規模連続生産に適しています。
技術仕様: スクリューダイアメータは75mm、標準の長径比は48:1で、トルクグレード12N·m/cm³の高トルクギアボックスを搭載しており、さまざまな高充填性および高粘度の配合物を簡単に処理できます。生産能力は800kg/hから1500kg/hです。マルチポイント給料システムを搭載し、樹脂、充填剤、さまざまな添加剤をそれぞれ異なる位置から加え、混合効果を最適化できます。マルチステージ真空排気と自然排気を備えており、徹底した脱ガスを確実に行えます。さまざまなペレタイジングシステムや自動包装ラインと組み合わせることで、原材料から製品までの完全自動生産を実現できます。制御システムはMESシステムとの接続をサポートし、生産データの監視、品質追跡、生産管理を可能にします。
価格とコスト分析: Kerke SHJ-75 標準構成の大容量ツインスクリュー押出機のFOB上海価格は160,000ドルから220,000ドルです。完全自動構成（水中ペレーティングと自動包装システムを含む）の価格は280,000ドルに達します。運用コストの観点から、スケール効果により、SHJ-75 の単位エネルギー消費量は生産物のトンあたりでSHJ-65 より 15% 低くなり、労働効率が高くなります。年間生産量が 8,000 トンであると計算すると、年間売上収入は約 5,600,000 ドル、各種コストを差し引いた後、年間純利益は約 1,200,000 ドルになります。投資回収期間は約 5〜7 ヶ月です。安定した顧客注文を持つ大企業の場合、SHJ-75 はより高い生産効率と低い単位生産コストを達成し、より大きな経済的利益をもたらします。
It should be noted that Kerke can provide customized services for all models of twin screw extruders. According to the customer’s formula characteristics, product quality requirements, plant conditions and budget, engineers can customize the appropriate screw configuration, barrel structure, auxiliary machine configuration and automation scheme for each customer to ensure that the equipment can maximize its performance and economic benefits after delivery.
5. Kerkeエクストラダーによる高分散性カルシウムカーボネートマスターバッチのプロセス最適化スキーム
With high-quality twin screw extruder equipment, it is also necessary to match reasonable process parameters and operation methods to achieve the best dispersion effect. Kerke’s technical team has summarized a set of practical process optimization schemes for calcium carbonate filler masterbatch production based on years of process experience, which can help customers quickly adjust to the best production state.
5.1 原材料の前処理と混合前のプロセスを最適化する
十分な前混合は、良好な分散を確実にするための前提です。押出前に、カルシウムカーボネート、キャリア樹脂、および各種添加剤を高速ミキサーで完全に混合します。カルシウムカーボネートの表面改質が必要な配合物では、高速ミキサー内でイン・シチュ修飾を行うことができます。まず、カルシウムカーボネートをミキサーに加えて、100～110℃に加熱して表面の水分を除去し、次に計量された接着剤を加えて、5～10分間高速混合を続けます。これにより、接着剤がカルシウムカーボネート粒子の表面に均一に塗布されます。最後に、キャリア樹脂および他の添加剤を混合します。この前処理方法により、カルシウムカーボネートと樹脂の界面相容性が大幅に向上し、押出機での分散の難しさが軽減され、最終的な分散効果が向上します。
注意すべき点は、混合物をできるだけ早く使用することで、再び水分を吸収するのを防ぐことです。水分含量が高い材料の場合、エキストルダーに入る前に乾燥機で乾燥させ、エキストルダーの脱ガス圧を低減し、製品中の気泡を防ぐ必要があります。
5.2 フォーミュラ特性に合わせてネジ構成をカスタマイズする
Reasonable screw configuration is the key to achieve high dispersion. Kerke engineers will design targeted screw combinations according to the customer’s formula filling amount, particle size of calcium carbonate and performance requirements. For conventional calcium carbonate filler masterbatch with 50-70% filling amount, the screw usually adopts the combination of “conveying section + first kneading section + second kneading section + exhaust section + metering section”. The kneading sections are mainly 45° stagger angle kneading blocks, with appropriate number of 60° kneading blocks to provide appropriate shear force, which can not only break agglomerates, but also avoid excessive shear leading to resin degradation.
80％の高充填マスターバッチまたはナノカルシウムカーボネートマスターバッチの場合、適切に打ち合わせブロックと混合要素の数を増やし、複数のせん断領域を設定する必要があります。これにより、材料が完全にせん断され混合されることを確実にします。同時に、樹脂が完全に可塑化された後にカルシウムカーボネートフィラーを投入するためのサイドフィードを使用し、投入セクションでのねじの過度の摩耗や不均一な材料混合を防ぎます。熱に敏感な樹脂システムの場合、強力なせん断要素の数を適切に減らし、バレル内の材料の滞留時間を短くする必要があります。これにより、材料の劣化と黄変を防止できます。
3.3 適切なプロセスパラメータを設定する
プロセスパラメータの設定は、キャリア樹脂の種類と充填量に応じて調整する必要があります。HDPEカルシウムカーボネートマスターバッチを例にとると、バレルの各ゾーンの温度を160℃～200℃に設定し、供給セクションからプラスチファイジングセクションへ段階的に上昇させ、ヘッド部ではわずかに下げることで安定した排出を確保します。スクリュースピードは出力要件と分散効果に応じて調整する必要があります。通常、300～450rpmの速度が適切です。速度が低すぎるとせん断が不十分になり、速度が高すぎると材料の劣化や設備負荷の増加を引き起こしやすくなります。
フィードレートは、ねじ内の適度な材料充填度を維持するためにねじの回転速度に合わせる必要があります。通常、0.4～0.6の充填度が最適です。充填度が高すぎると排気が不十分になり、プラスチケーションが不良になる可能性があります。一方、充填度が低すぎると生産効率が低下し、せん断効果が弱くなります。排気口の真空度は、水分と揮発物を完全に除去できるように-0.09MPa以上に維持する必要があります。製品に多くの気泡がある場合は、真空パイプラインが詰まっていないか、排気口の密閉性が良いかどうかを確認する必要があります。
実際の生産では、プロセスパラメータを実際の製品品質に合わせて調整する必要があります。分散が良くない場合や白い斑点がある場合は、温度を適切に上げたり、スクリューの回転速度を上げてせん断を強化することができます。製品が黄色くなり、悪臭を放つ場合は、加工温度を下げたり、滞留時間を短縮したり、真空度を上げたりして、小分子物質を除去する必要があります。
6. 一般的な分散不良とトラブルシューティングの解決策
カルシウムカーボネートフィラー原料の実際の生産において、原材料の変化、機器の摩耗、または適切なパラメータ設定の不適切さにより、さまざまな分散不具合が発生する可能性があります。以下では、一般的な問題と対応策をまとめました。
6.1 マスターバッチの白い斑点と凝集体
白い斑点と凝集体は最も一般的な分散不良であり、マスターバッチ部や押出シートで可視的な白色粒子として現れます。これらは、破壊されていないカルシウムカーボネートの凝集体です。一般的な原因には、スクリュー構造のせん断強度が不十分で、硬い凝集体を分解できないこと、処理温度が低すぎて樹脂が十分に可塑化できず、充填剤を完全に湿らせられないこと、供給速度が速すぎて材料の滞在時間が短すぎること、混合が不十分であること、フィルタースクリーンが損傷して大きな粒子の不純物が通過すること、混合前の効果が悪いため、局所的な充填剤濃度が高すぎることなどがあります。
ソリューション: まず、ねじの構成が式に合っているかを確認します。せん断が不十分である場合は、60°の練りブロックの数を適切に増やすか、混合セクションの長さを増やします。次に、樹脂の完全な可塑化を確保し、溶融粘度を低下させるために、樹脂の内部への浸潤を促進するように、処理温度を適切に上げます。次に、供給速度を適切に減らし、材料の滞留時間を延長し、材料を完全にせん断して混合します。最後に、フィルタースクリーンを確認して交換し、より大きなメッシュ数のフィルターを使用して、分散していない凝集体を除去します。最後に、事前に混合するプロセスを最適化し、エクストラーダに入る前に原材料を均一に混合するようにします。
6.2 バッチ間の不均一な分散と大きな性能変動
この問題は、異なる生産バッチ間の製品の色や性能の大きな変動、または同じバッチの製品内の不均一な分散によって現れます。主な原因には、不安定な給料精度、充填剤の添加比率の大きな変動、不安定なねじ速度または温度制御による処理条件の変化、ねじとバレルの深刻な摩耗による混合性能の低下、原材料の異なるバッチ間で大きな性能差（樹脂の溶融指数や炭酸カルシウムの表面処理効果など）があります。
ソリューション: まず、高精度の減量給食システムを使用して、各成分の給食比率の正確さと安定性を確保し、給食スケールを定期的に校正します。次に、設備の温度制御システムと駆動システムを確認し、プロセスパラメーターの安定性を確保します。さらに、スレッドとバレルの摩耗を定期的に検出し、摩耗が深刻な場合は、適時に修理または交換します。最後に、原材料の入荷検査を強化します。バッチごとに異なる原材料については、まず小規模な試験調整を行い、品質が安定していることを確認した上で、大量生産を行います。
6.3 マスターバッチの黄変と機械的特性の低下
マスターバッチの黄変は、加工中に樹脂や添加剤の熱分解によって引き起こされることが多く、これにより引張強度や衝撃強度などの機械的特性が低下する。一般的な原因には、加工温度が高すぎることや、材料の滞留時間が長すぎること、スクリューコンフィギュレーションに強いせん断要素が多すぎることによる過剰なせん断熱、排気効果が不十分で残留の揮発物が材料の劣化につながること、原材料の熱安定性が不十分であること、または酸化防止剤の添加量が不十分であることなどがあります。
ソリューション: まず、特にヘッドと計量部の処理温度を適切に下げ、材料の長期間の高温保持を避ける必要があります。次に、スクリュ構成を調整し、強力なせん断要素の数を適切に減らし、それらを分散混合要素に置き換えることで、せん断熱発生を低減します。さらに、排気システムの真空度を向上させ、劣化によって生成される小分子物質を時間内に除去する必要があります。また、適量の酸化防止剤と熱安定剤を配合物に添加することで、材料の熱安定性を向上させます。最後に、シャットダウン時間が長い生産ラインでは、バレル内の材料をシャットダウン前に洗浄材料で清浄することで、残留材料の長期間の高温劣化を防ぐ必要があります。
7. 実際のお客様事例: Kerke Extruder が東南アジアのメーカーが分散性の品質を向上させるのを支援
A well-known filler masterbatch manufacturer in Southeast Asia has been using ordinary domestic twin screw extruders to produce calcium carbonate filler masterbatch for many years. With the increasingly fierce market competition, the company’s products have been facing the problem of low price and thin profit due to average dispersion quality, which can only be supplied to low-end injection molding customers. In order to expand the high-end film packaging market, the company decided to upgrade its production equipment and improve product dispersion quality. After comparing multiple equipment suppliers, the company finally chose two sets of Kerke SHJ-65 high-torque twin screw extruders.
After receiving the order, Kerke’s technical team communicated with the customer in detail about the formula system and product quality requirements, and customized the special screw configuration for high-filling calcium carbonate masterbatch for the customer. After the equipment arrived at the factory, Kerke’s on-site engineers completed installation, commissioning and personnel training within 10 days, and helped the customer adjust the optimal process parameters.
After the equipment was officially put into production, the effect exceeded the customer’s expectations. First, the dispersion quality was significantly improved. The 80% high-filling HDPE masterbatch produced had no visible white spots after being pressed into thin slices, and the dispersion grade reached the international advanced level. When used in film production, there were no fish eyes, and the surface gloss of the product was high, which fully met the requirements of food packaging film customers. Second, the production capacity was increased by 35% compared with the original old equipment, and the scrap rate was reduced from 7.2% to 1.1%, saving a lot of raw material costs every year. Third, the product grade was improved. The company successfully entered the supply chain of many large packaging enterprises in Southeast Asia, and the product price increased by 23% compared with the original ordinary products, greatly improving the profit space.
According to the customer’s financial statistics, the investment cost of the two production lines was fully recovered in less than 5 months. One year later, the customer ordered another set of larger SHJ-75 twin screw extruder from Kerke to expand production capacity, further expanding market share. This case fully proves that high-quality masterbatch extruder equipment can bring tangible economic benefits and competitive advantages to enterprises.
8. 結論
カルシウムカーボネートフィラーマスターバッチの高分散化を達成するには、原料配合、設備性能、およびプロセス制御がシステム的に関連しています。このうち、コア生産設備であるツインスクリュー押出機は、分散品質と生産効率の上限を直接決定します。専門的で高性能なマスターバッチ押出機または混合押出機を選択することは、企業が高品質のフィラーマスターバッチを生産し、市場での競争優位性を獲得するための鍵です。
Kerke’s series of twin screw extruders rely on excellent screw design, high-torque transmission system and precise process control, which can achieve efficient and uniform dispersion of calcium carbonate fillers in the resin matrix, helping customers produce high-quality filler masterbatch products with excellent dispersion, stable performance and high whiteness. At the same time, the equipment has the advantages of high cost performance, low operating cost and fast investment return, which can bring considerable economic benefits to enterprises. Whether it is laboratory R&D、中規模の試験生産または大規模な量産において、Kerke は適切なソリューションと完璧なアフターサービスの技術サービスを提供できます。
グローバルプラスチック産業の継続的な発展と下流製品の品質要件の継続的な向上に伴い、高分散フィラーマスターバッチの市場需要は継続的に拡大していきます。高分散生産技術の習得と高度なツインスクリュー押出装置の導入は、マスターバッチメーカーに激しい市場競争で優位性をもたらし、長期的な安定した発展を実現するのに役立ちます。
