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粉砕機 プラスチック

プラスチック粉砕機とは リサイクルの前処理方法について

粉砕機とは

プラスチックリサイクルにおいて、粉砕は必ず前工程として必要にな工程。

その粉砕について、初心者向けに解説をする。

読み終わったときには、粉砕機を選定するためにどのようなことを考えるべきかのポイントを明確なるように示したい。

目次
粉砕とは 粉砕機の構造 粉砕機の騒音・振動対策

粉砕機の目的

粉砕機の構造 粉砕機のメンテナンス
粉砕機の使い道(用途) 粉砕機の能力要素  
粉砕機でできること 粉砕くずの飛散  

プラスチック用粉砕機とは

ある大きさのものを小片に小さくするための機械のこと。物体が持つ結合力を大きな力を加えて壊すことで粉砕され、その元の大きさや形から変化することになる。
プラスチック粉砕の方法の呼称は、元の大きさよりも小さくなるが、その大きさにより変わる。
①破砕
②粉砕
③微粉砕
におおまかに分けられる。
個体を破壊する力(エネルギー)の与え方には、圧縮、衝撃、摩砕がある。
プラスチックの破砕や粉砕に主に用いられるのは衝撃による破砕、粉砕となる。

粗破砕刃と粉砕刃

粉砕機の目的

プラスチックリサイクルにおける粉砕の目的は、以下。
1)大きさ(粒度)を揃えること
大きさを揃えることで、ハンドリングや攪拌の効率を上げることができる。
2)物性を均質にすること
大きさが揃えられていれば、適切な攪拌により、物性が均質になる。物性がバラバラのスクラップを均質にすることはリサイクルにおいて非常に重要なポイントになる。再生原料を使用するユーザーからすると、物性にブレがある材料は製造条件の設定を頻繁に変更しなくてはならず、非効率極まりない。安定して、一定の均質な材料を提供することが重要であり、そのためには均質に攪拌できるということが前提である。
3)効率よく溶融すること
プラスチックの再生加工は最終的に溶融して再生ペレットを製造する。その再生ペレタイズの溶融を効率化することが、破砕および粉砕の目的となる。

参考記事:粉砕により粒度を揃えられた粉砕品が溶融されて再生ペレットになる動画
      粉砕機の選び方 機器選定のための6つのポイント

粉砕することによって、個体の重量は不変でもその表面積は大きくなる。プラスチックリサイクルの際に、押出機の熱せられたシリンダー内部で溶融されるが、溶融する際に表面積が大きい方が効率よく熱がプラスチックに伝わり、早く均質に溶かすことができる。

したがって、粉砕処理(再生ペレットのための前処理)は、再生ペレットの生産量の向上にもつながるので重要である。

 

粉砕機の使い道(プラスチック用)

プラスチックリサイクルにおける粉砕機の使用用途は以下。
工場:スクラップの減容処理としての粉砕処理
製造現場:成型品のランナーや不良品を再度原料として使用するための粉砕処理。または、燃料化するための粉砕処理もある。
リサイクル工場:押出機で溶融するための前処理としての粉砕処理
廃棄物処分業者:中間処理としての粉砕処理

 

粉砕機でできること

粉砕機は大きなものを小さくする。その大きさ(粒度)は、刃の形状やスクリーンメッシュ(穴のあいた鉄板)の穴の大きさなどでコントロールすることができる。人力で行うよりはるかに高速で処理を行える。

穴のサイズが異なるスクリーンメッシュで粒度コントロールする

粉砕機のスクリーンメッシュ

破砕機はスクリーンがないことが多いため、粒度のコントロールは刃の幅で行うことになる。

破砕機の刃の幅

破砕品の大きさ(幅)は刃の幅で決まる

破砕の大きさは刃の幅で決まる

プラスチックリサイクルの分野では、粒度(粉砕されたものの大きさ)を小さくすることで、押出機(プラスチックを再生加工する機械)への供給を可能し、溶融をしやすくする。

粒度を細かくした上で攪拌すれば、物性を均質にすることが可能になる。一般的に、押出機への投入する粒度は8mm~20mm程度である。これより大きな粒度のスクラップはこの大きさになるまで前処理をする必要がある。

粉砕機 価格    小型粉砕機 樹脂ダンゴ用    洗浄ライン プラスチックリサイクル

参考記事 粉砕機の生産性を上げるポイントとは?

 

粉砕機と破砕機の違い(プラスチック用)

プラスチックリサイクルにおいては、破砕は1次処理、粉砕は2次処理として考えてよい。

 

破砕機と粉砕機の比較表
  破砕機 粉砕機
切断の大きさ 20mm~300mm 2mm~20mm
2mm以下は微粉砕
減速機(ギア) あり なし
金属混入 不可(アルミや銅は少量なら可)
タイプ 一軸式、二軸式、プッシャー式、スクリュー式 高速一軸式、プッシャー式
用途 廃棄物の一次処理、粗大ゴミや大きな成型品の一次処理 プラスチックリサイクルで押出機へ投入するための前処理
目的 粉砕するための一次処理 押出機に投入するために粒度を揃える

スクラップの形状や大きさは様々であり、粉砕機に直接投入して粉砕処理をすることが可能なスクラップもある。
しかし、なかには大きすぎたり、容積が大きかったりと、直接粉砕機に投入できない場合がある。
その際は破砕機で適度な大きさに破砕処理してから、その破砕物を粉砕機に投入する。
粉砕機に投入できる大きさまで減容処理するのが破砕機である。

参考記事:破砕と粉砕の違い(プラスチックリサイクルにおいて)

 

粉砕機の構造

粉砕機の構造は、粉砕するものの種類、粉砕する力の与え方(衝撃、圧縮、摩擦)などによって変わる。

粉砕機の内部図面
プラスチックで言えば、射出成型品のような硬質のものを粉砕する機械と、包装用の薄いプラスチックフィルムを粉砕する場合では、機械の構造も、刃の種類も変わる。
それぞれのスクラップに適した構造の粉砕機がある。

粉砕機のブレード(刃)

粉砕機のブレード(刃)は、個体に衝撃を与える重要な役割を果たす。
回転軸に取り付けられ、回転軸と共に回転して粉砕を進める。
回転軸が1本の一軸式と2本の2軸式がある。
粉砕の前処理(破砕)などの処理には2軸が使用される。

二軸破砕機の刃 二本の軸が噛み合っている

二軸破砕機の刃
粉砕処理の場合は1軸である場合が多い。

一軸粉砕機の刃(写真左はマンモス刃、右は斜めに取り付けた平刃)

一軸粉砕機の刃

粉砕機の刃は長時間の運転で摩耗する。刃の切れ味が悪くなると、モーターに負荷がかかる。
モーターに負荷がかかるだけでなく、材料がなかなか一回では粉砕されないので、粉砕室内に滞留する時間が長くなり、処理能力が落ちる。
また、摩耗したブレード(刃)での粉砕は、粉砕品の断面も綺麗ではない。引きちぎったようなヒゲや、粉が発生する。
ヒゲの発生は、粉砕品のかさ比重が軽くなり、輸送効率の低下、処理能力の低下の原因にとなる。
また、粉砕品を直接成型材料に戻すときなどは、粉が不良の原因となることもある。

 

粉砕機のクリアランス

回転刃と固定刃のクリアランスは粉砕品の品質、生産量などに大きくかかわる。
粉砕機のクリアランスが調整できるものを選定することが望ましい。

回転刃と固定刃のスキマ(クリアランス)を調整する


回転刃は、長時間の粉砕で摩耗したり、研磨で短くなる。するとその分、クリアランスは広がることになり、生産量や粉砕品質が変わってしまう。

そこで、固定刃と回転刃のクリアランス調整ができれば、刃が摩耗しても、クリアランスを一定に調整することができる。したがって、一定の粒度、品質、生産量を維持することが可能になる。

また、回転刃は摩擦の度合いにより長期間には長さがそれぞれ変わってしまうが、回転軸にそれぞれバランスよく配置換えすることで、全体のクリアランスを保つことが重要となる。バランスよい刃の配置により、回転軸のブレも低減ができる。回転軸がブレるとクリアランスも一定に保てない。

粉砕機のベアリング

粉砕機の回転軸を受けるベアリングは粉砕機の最重要部品のひとつ。粉砕物がブレード(刃)に当たる衝撃を常に受けながら回転しており、過度な負荷をかけすぎるとシャフトが曲がったり、ベアリングが破損することになる。


メンテナンスも重要で、グリスアップなどを小まめに行う必要がある。メンテナンスを怠り、内部の摩耗が激しくなり、異音、横ブレなどが起こる可能性がある。
ベアリングの異常は、温度の上昇により認識されることも多く、平常運転時の温度を計測しておくことを奨める。温度を計測して、平常時よりも明らかに昇温している場合は故障の可能性が極めて高いため、運転を停止して対策を施す。
また、粉砕の粉が軸からベアリングに混入することも故障の原因となる。粉砕機によっては、ベアリングを外部に取り付けることで粉砕粉の混入を防ぐ構造となっている粉砕機もある。

粉砕の粉がベアリングに入らないようにエアで吹く

ベアリングの清掃ベアリング下部から粉砕粉を排出する

粉砕機のスクリーン

スクリーンメッシュは、粉砕品の粒度(大きさ)を均質にコントロールするための穴のあいた鉄板のこと。
粉砕室下部に取り付けられ、粉砕品に穴を通過させることで一定の大きさの粉砕品の粒度にする。
粉砕室内の粉砕品は、回転刃と固定刃に当たり衝撃により細かくなるが、スクリーンの穴より大きいものはそのまま穴を通過せずに粉砕室にとどまり、穴径より小さくなるまで繰り返し粉砕される。
この粒度は、回転軸の回転数やスクリーンの穴径により幅広くコントロールできる。
粒度を変えたいときは、スクリーンを交換して調整する。

参考記事 粉砕機のスクリーンメッシュの重要な役割について

粉砕機のスクリーンレス

スクリーンレスとは、スクリーンメッシュを使用しない破砕や粉砕。
1次処理の破砕機などではスクリーンレスであることが多い。
スクリーンがないので、目詰まりなどがおきない。粗破砕をスクリーンレスで大まかに破砕してから、粉砕工程でスクリーンメッシュを使用して均質な粒度(大きさ)に揃えることになる。

参考動画:パレットをスクリーンレスで大量に破砕する動画

 

スクリーンによる粉砕物の粒度調整

粉砕品の粒度(大きさ)を調節する際には、以下の方法で行う。

1 回転速度を調節
2 スクリーンメッシュの穴径を調節。スクリーンの穴の形状はスクリーンさえ作れば自由に交換ができる。押出機に投入して再生加工するためには、8mm~20mmまで細かくする必要がある。

      大きい穴のスクリーン               小さい穴のスクリーン

 

ブロワ 粉砕機からの搬出

粉砕室内で回転刃と固定刃により粉砕された粉砕品はスクリーンメッシュを通過して落下するが、その落下した粉砕品を空気搬送するためのもの。

ブロア
モーターにより空気を吸引するので、スクリーンメッシュ上にある粉砕品を引き込む。特に、比重の軽いフィルムの粉砕品などは、ブロワーによる空気により引き込まれて、粉砕室から排出され、処理能力が上がる効果も期待できる。

空気搬送の先には通常サイクロン(遠心分離機)を設置して、細かい粒子や軽い異物などと粉砕品を分離して次の工程に搬送する。

ベルトコンベア

粉砕でなく、破砕などは破砕片が大きいため空気での搬送ができない場合もある。その場合はベルトコンベアを使用する。スクリューコンベアを使用する場合もある。

排出ベルトコンベア

粉砕機の能力を決める要素

粉砕機の能力は様々な要素により決まるため、複雑である。

単純にモーターが大きければ処理能力が高いというものではない。
モーターの馬力は大きくても、機械の構造が適切でなければ、実際には処理が多くできないということは起こり得る。

粉砕するものを適切な刃の形状にしたり、適切なクリアランスにすることで、小さなモーターでも効率よく大量に粉砕できる場合もある。
処理能力は、様々な変数が絡み合って決まる。

モーターの出力(馬力)

粉砕は衝撃で個体を破壊する作業であるため、モーターの出力は大きければそれだけパワーがあるので粉砕はしやすいということになる。しかし、適正な構造、刃の形状、回転数、などを選定すれば、はるかに小さなモーター出力でも大きな生産量を上げることも可能である。

 

回転数

軸の回転速度を上げるほど生産性は上がる傾向にある。生産量は回転数に強く依存する。

回転数により、生産量は変化する。回転数が多ければよいということではない。

回転数を上げ続けていくと、ある点をピークに下降に向かうことがわかっている。生産を最大化するための、適切な回転数が存在する。このピーク付近で粉砕をすると生産量も最大となり、エネルギー効率も最大となる。

粉砕室の構造

スクラップの形状に合っている粉砕機を選ばないと、どんなにモーターが大きくても時間当たりの処理量が上がらないケースはよく見られる。

その原因の一つに、粉砕室の形状がある。スクラップに適した粉砕室の形状を選定しないと、生産量が上がらない。

例えば、ボトルのような容積が大きい成型品を粉砕する場合、フィルムやシートを粉砕するための粉砕室デザインの粉砕機に投入しても、ボトルが浮いて刃が食い込まない。(生産量が上がらない)

フィルム用の粉砕室

一方で、容積が大きい成型品を食い込ませるために、粉砕室に余裕を持たせたデザインを施した粉砕機を選定すれば、ボトルを置いただけで、既にボトルは回転刃と固定刃に噛みこまれるためのポジションに自然に入ってしまる。

下の写真は、すでにボトルが奥まで入り込み、半分しか見えなくなっているのが確認できる。

容積が大きい成型品のための粉砕室

この場合、同じ価格であっても、粉砕室のデザインが適していない粉砕室を選んでしまえば、低い生産性に苦しむことになる。選定時に、適切な粉砕機を選定することが、大変重要である。

 

スクリーンメッシュ(穴のあいた鉄板)の穴径

      大きい穴のスクリーン               小さい穴のスクリーン


押出機のスクリューに食い込みがいい粉砕サイズが素材ごとにあるので、このサイズに合わせてスクリーンメッシュを選定することが大事である。

穴径が大きければ、粗粉砕の状態でも材料はスクリーンを通過していきやすい。一方、穴径が小さければ、材料は穴径より小さくなるまで粉砕室内に止まる。

他の条件が同じであれば、穴径が大きければ生産量は上がり、穴径が小さければ生産量は減る。

 

供給量

供給量を多くすればよいというものではなく、モーターの負荷を見ながら投入する必要があります。適正な負荷の下での最大生産量を確認します。

ブレード(刃)枚数

ブレード(刃)の枚数は多い方が、生産量は上がりますが、ブレードが多いと負荷もそれに伴い高くなります。ブレード枚数が多くても、過投入せず適切なモーター負荷で運転をします。

素材の性質やモーター容量のバランスで刃の枚数を変えて対応する

刃の枚数で負荷が変わる

刃の角度

刃を取り付ける角度も重要になります。特にフィルムやシートのような薄物を粉砕する場合は、平刃を真っすぐに取り付けると、回転刃とフィルムが接触したときに負荷が一気に高まってしまい、停止してしまう可能性が高くなります。

回転刃を斜めに設置することで、固定刃と回転刃がハサミのように少ない力でフィルムを裁断することができます。

回転刃を波状に配列

 

クリアランス

材料と粉砕する粒度(大きさ)に適したクリアランスがあります。それより広すぎても狭すぎても粉砕効率が悪くなります。

 

刃の形状、回転刃と固定刃のクリアランス

刃の形状により、パワーが少なくてもモーターに負荷をかけることなく粉砕ができる。逆に、刃の形状が不適切であれば、モーターに負荷が大きくかかり停止などに繋がることもある。

刃のメンテナンス状態(よく研がれているか)

生産量を上げるためには、刃は定期的に研磨をしておく必要がある。刃の切れが悪くなるにしたがい、生産量も落ちてくる。

刃と内壁のクリアランス

刃と内壁のクリアランスは、粉砕をする素材により適正なクリアランス、形状が変わる。

I型粉砕室が長物キャッチJ型は長物に弱い

刃の取り付けの角度

特にフィルムなどを粉砕する際の平刃は、斜めに設置して固定刃と回転刃がハサミのように対象物をカットするようにすると、小さな力で粉砕することが可能になる。これを逆に、固定刃に対して平行に配置すると、回転刃が当たった時に一気に負荷がかかり停止する可能性がある。

硬質の粉砕の際も、波状に配置することで、粉砕に必要なエネルギーを少なくすることができる。

波状に配置

対象物が投入される角度

対象部物に対して、正しい粉砕室の形状と正しい刃の形状を選んでも、投入角度が悪ければ、対象物は効率的に食い込んでいかない。正しく粉砕室に収まり、効率よく刃が巻き込めるような角度で投入する必要がある。

例えば、以下の写真の例は、粉砕室に大きな余裕を持たせていない構造を採用採用している。この場合は、「長いもの」や「薄いもの」を刃が巻き込みやすい。

このときの最適な投入角度は回転刃と固定刃が最接近する場所の真上から。

写真では、真上から投入された長物が綺麗に刃にキャッチされており、さらに対象物を連続で巻き込み続けることで生産量が上がる。

I型粉砕室では長物を綺麗に捉える

これが、投入角度が斜めであれば、長い対象物が刃で遊んでしまい、食い込みが悪くなる。

投入角度を適正にするかしないかで、生産性に大きな差が出る。

対象物の硬さ(柔らかさ)や粘り

 

硬さや粘りによって、生産量は大きく異なる。特に、粘りなどはメッシュに詰まるなどの減少が起きるとやっかいな問題となる。粘りがあり、なかなかメッシュを通過しない材料は生産が落ちる。

 

粉砕機の種類

プラスチックリサイクルにおける粉砕機の基本的構造の種類
<破砕処理>
1 二軸剪断式粉砕機(破砕向け)

二軸破砕機の刃
2 プッシャー式一軸剪断式粉砕機

<粉砕処理>
3 基本的な1軸回転剪断式粉砕機


4 フィルム・シート用粉砕機

5 大型成型品向け粉砕機
6 樹脂ダンゴ向け粉砕機
7 ランナー用粉砕機
8 バンパー用粉砕機

 

粉砕くずの飛散

粉砕室内で回転刃が回転する際、その粉砕品が投入口から出て飛散してしまう場合がある。
この飛散を防ぐためには、以下の対策が考えられる。

1 投入口に開閉できるダンパを設置する
飛散防止とともに、異物混入も防止できる。
2 投入口と粉砕室の距離を長くする(粉砕機の構造による対策)
3 飛散するとトラブルになるエリア(成型機付近)からシュターなどを使用して遠ざける

 

粉砕機の騒音・振動対策

7.5kw以上の粉砕機は騒音特定施設
7.5kw以上の粉砕機は振動特定施設

参考記事:粉砕機の防音カバーの効果を実際に計測してみた

 

粉砕機のメンテナンス

ブレード(刃):回転刃、固定刃共に摩耗がないか確認。定期的に研磨する。
クリアランス:研磨をしたら、確認して適正に調整する
ベアリング:定期的にグリスアップを実施する
モーター:以上な昇温などがないか確認する

粉砕機の運転やメンテナンスの際の服装
刃などの回転体に巻き込まれやすい服装は避ける。マフラーやダボダボの服など。
必ず手袋を着用する。
粉砕片などが目に入る事をふせぐため、防塵メガネやマスクを着用。

作業者のストレス軽減のために、耳栓なども準備する。

参考記事 粉砕機選定の際に、隠れた重要なポイントとは?(清掃性について)

 

粉砕機の摩耗

プラスチックの粉砕を行うときに、長時間の粉砕加工を行っていれば樹脂そのものでも摩耗はあるが、樹脂に炭カル、タルクなどのフィラーがある場合、ガラス繊維が練り込まれている場合などは、摩耗が問題になる。
材料が機械と接触する箇所は摩耗で機械が削られていく。
すると、粉砕の回転刃や固定刃などの摩耗により粉砕性能が低下してゆく。このような状態を放置しておくと、やがて機械に穴が空いたり、摩耗による不均衡が大きくなり、軸がブレ始める原因にもなるので、機械寿命を大きく縮める。
そのため、摩耗が予想される箇所においては耐摩耗の対策を施すことが必要。
粉砕を行う樹脂の種類や、機械の方式に応じて摩耗が激しい箇所を容易に交換できるアッタチメント式にするなども重要。

 

粉砕機の刃の研磨

一般的な一軸粉砕機の刃は研磨して再利用することができる。粉砕機の構造によってブレード(刃)の枚数や寸法、形状は異なる。
研磨できる範囲は刃によって異なりますが、異物などで欠けてしまった刃などは研磨できない場合もある。
研磨は専門業者に依頼する場合もあるが、慣れている場合は自社で行う場合もある。
この際、研磨は非常に危険な作業なので、十分に注意して行う必要がある。
刃を軸から取り外さず、ヤスリやグラインダーなどで、軽く研磨するだけでも切れを維持できる場合がある。
適切な研磨は、機械の振動や負荷を低減することになり、機械の長寿命化に繋がる。

 

粉砕機の替刃

替え刃は常に最低でも1セットは準備しておく。
研磨処理を行う際は、替え刃セットと交換して行えば、機械を停止させないで稼働を継続することが可能になる。

摩耗が認められれば研磨をすることになるが、長い間に研磨による刃ごとの差が出てくる。
この差がブレになることもあるので、研磨後の刃の配置などにも気を付けて行う必要がある。

 

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2021/02/05

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