プラスチック押出プロセスでは、均一な混合が製品の品質を決定する極めて重要な要素となります。これは、低パーセントのカラーマスターバッチを組み込む場合に特に重要になります。この場合、バックミキシング (材料の軸方向向流混合) が重要な役割を果たします。このプロセスでは、マスターバッチ粒子を押出機内でミリメートルからマイクロメートルスケールまで大幅にサイズ縮小する必要があり、混合には並外れた課題が生じます。
押出混合は、成分の均一な分散を達成し、色や機械的特性などの一貫した製品特性を確保することを目的としています。低濃度のマスターバッチを添加すると、初期粒子分離が 100 mm を超える場合があります。均一な着色を達成するには、最終的な縞の厚さがマイクロメートルスケールに達する必要があり、これを 5 桁も減らすには、優れた混合能力が必要です。
従来の解析は、クエットせん断速度によって支配される断面混合 (スクリュー チャネル断面内) に焦点を当てています。
γ = πDN/H
ここで、D = バレル直径、N = スクリュー速度、H = チャネル深さ。一般的なせん断速度 (50 ～ 100 s⁻¹) と 20 秒の滞留時間の組み合わせでは、総せん断ひずみ単位が 1,000 ～ 2,000 単位になります。これは、3 次の縞模様の低減には十分ですが、視覚的な均一性には不十分なことがよくあります。
逆に、軸方向混合 (バックミキシング) は、押出機の軸に沿った圧力駆動の流れです。このメカニズムを理解することは、ネジの設計を最適化するために不可欠であることがわかります。
べき乗則流体 (τ = m(γ')ⁿ) の場合、無次元速度 φ=v/vmax は次のように無次元座標 ξ=2y/H に関係します。
φ = 1 - |ξ|^((n+1)/n)
ニュートン流体 (n=1) は、中心線でせん断がゼロの放物線状の速度プロファイルを示し、混合デッド ゾーンを作成します。 n が減少すると (せん断減粘挙動)、プロファイルはプラグフローに近づき、低せん断領域が拡大し、逆混合が複雑になります。
RTD 分析により、押出機内での材料の滞留時間がどのように変化するかが明らかになります。平行板間のべき乗則圧力流の場合:
v(y) = v_max * [1 - (2|y|/H)^((n+1)/n)]
外部 RTD 関数 f(t)dt は速度分布から導出され、ずり減粘化の増加 (n の低下) により RTD が狭くなり、逆混合効率が低下することがわかります。 Pinto-Tadmor のニュートン流体用の 1 軸 RTD モデル:
F(θ) = 1 - (1 - θ)²(1 + 0.35θ + 0.135θ²)
は、スクリューの形状が RTD と平行プレートのシナリオをさらに制限する様子を示し、バックミキシングの課題を強調しています。
重要な問題は、スクリューチャネル中心の軸方向せん断がほぼゼロであることから発生します。効果的な解決策には次のようなものがあります。
バックミキシングは、特にチャネル中心やせん断減粘性材料の場合、本質的に軸方向せん断が低いため、依然として押出成形で最も要求の厳しい混合タスクです。 5 次のストリエーションの低減を達成するには、高度な混合装置 (インサイドアウトミキサーや CRD ミキサーなど) か、原料の変更による初期ストリエーションの低減のいずれかが必要です。将来のイノベーションでは、幾何学的な最適化と高度なマテリアルハンドリング技術を組み合わせて、これらの永続的な課題を克服する可能性があります。
