目次
1.二軸押出機とは
シリンダー内で二本のスクリューを用いて樹脂を溶融・混錬させる。複数の樹脂や添加剤、マスターバッチなどをより均質に分散させることができる。目的などに合わせてスクリューの構成を変えることができる。
二軸押出機スクリュー
押出機のスクリューの種類について非常に大雑把に分類をしてみると一軸と二軸押出機のスクリューがあります。一軸と比較し、二軸では以下のような特徴があります。
- 添加剤、充填剤（タンカル、タルク、木粉など）など異なる成分を均一に混合する作業効率に優れています。
- 内部材料流れが複雑で、流れのパターンを数値シミュレーションにて設計計算するのは困難です。
二軸押出機は主に2つの分野で使用されています。
- 流動性が低く、劣化しやすく難加工のポリマー加工
- 配合、揮発分除去、化学反応などの処理操作
このページでは二軸押出機の構造と各特徴についてお話します。
参考記事：一軸押出機の構造を徹底解説
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2.二軸押出機の基本構造
二軸押出機の名の通り、バレル内で回転する２本のスクリューが一対となって搭載されています。
二軸押出機
軸の回転方向を同じ（同方向）にするか、逆回転（異方向）にするかなどは目的に応じて使い分けます。
同方向と異方向の回転
原料投入後の流れは一軸押出機と一緒です。以下、押出機構成の一例です。
- 原料投入
- 原料溶融エリア
- 移送エリア
- 固形添加剤投入エリア
- 混合エリア
- 液体添加剤投入エリア
- 均質化エリア
- 改質調整エリア
- 排出エリア
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3.二軸押出機のスクリュー構成
目的に合わせ、以下のような構成例などがあります。よく使用されるのは噛み合い逆回転（異方向）と共回転（同方向）です。
スクリューやバレル間の隙間を調整することで、せん断力や摩擦熱を調整したり、自己クリーニング性を高めたりします。
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スクリューの間の間隔狭い → せん断力や摩擦熱 低下 スクリューの間の間隔広い → せん断力や摩擦熱 上昇 |
- 噛み合い逆回転（異方向）
- 噛み合い共回転（同方向）
- 噛み合い無し逆回転（異方向）
- 噛み合い自己拭き取り共回転（同方向）
- ニーディングエレメント（同方向）
※ここのニーディングは”捏ねる”という意味の”Kneading”です。
左図a 真ん中図ｂ 右図c
左図d 右図e
参考記事：一軸押出機のスクリュー構造
4.二軸押出機の原理
2本のスクリューが原料の輸送、および単軸押出機よりも混練性の向上を担っています。
目的に合わせ下記などを調整することで、滞留時間や混練性の細かい調整が可能です。
- 各スクリューの形状
- 各スクリューの回転方向
- スクリュー間の隙間
5.二軸押出機の製造機メーカーと価格
代表的なメーカーをいくつかご紹介します。海外メーカーのCoperionやSTEERなどは、日本にも法人があります。
4.1 高価格帯
- Coperion GmbH（ドイツ, https://www.coperion.com/en）
- Leistritz AG（ドイツ, https://www.leistritz.com/en/start）
- Milacron Inc.（ドイツ, https://www.milacron.com/）
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KraussMaffei Technologies GmbH（ドイツ,https://www.kraussmaffei.com/en/home)
- 株式会社日本製鋼所（https://www.jsw.co.jp/ja/）
- 芝浦機械株式会社（https://www.shibaura-machine.co.jp/jp/）
- 株式会社シーティーイー（http://www.cte-japan.net/）
- 株式会社テクノベル（https://www.technovel.co.jp/）
- 株式会社池貝（http://www.ikegai.co.jp/）
4.2中価格帯
- SINO-ALLOY MACHINERY INC.（台湾, https://www.sinoalloy.com/en/home-2/）
- Zenix Industrial Co., Ltd.（台湾, https://www.zenix.com.tw/）
- フリージアマクロス株式会社（日本,http://www.freesiamacross-extruder.com/jp/）
4.2 低価格帯
- NANJING COWIN EXTRUSION MACHINERY CO.,LTD.
（中国, https://www.cowinextrusion.com/）
- STEER Engineering Pvt Ltd（India, https://www.steerworld.com/）
6.二軸押出機のスクリューエレメント
用途によって材質、形状、表面処理等を設計します。例えば腐食性のある原料であれば材質にステンレス鋼を使用し、より耐腐食性を高めたければコバルトやニッケル合金を用いたりします。ガラス繊維や金属粉により摩耗が激しいと予想される場合は、超鋼を用いたり窒化処理を行うなどします。
またスクリューエレメントは同一のもので揃えるのではなく、エリアごとに形状を変更することが可能です。
添加剤投入口や脱気部は低圧にするなど、目的に応じて前後エレメントを選定します。
スクリューエレメントの仕様で出てくる用語として「一条」「二条」がありますが、これはネジのリード・ピッチと同じ意味です。
一条：リードがピッチに等しいネジ。
二条：リードがピッチの2倍に等しいネジ。
リード：ネジが1回転した際に軸方向へ進む距離。
ピッチ：ネジ山の間隔。
7.二軸押出機の押出機の組み合わせ
押出機の組み合わせにより、下記のような種類があります。
2つの押出機を組み合わせたものはタンデム式と呼ばれます。
表. 二軸押出機の種類例
| 組み合わせ例 | 二軸単独 | 1段目：二軸 2段目：一軸 | 1段目：二軸 2段目：二軸 |
| 押出機台数 | 1 | 2 | 2 |
| コスト | 標準 | 少し高め | 高め |
| 特徴 | シンプルで操作性に優れる | よくある組み合わせ。 1段目で原料の混合・分散を行い、2段目で冷却と加圧を行い押し出す。 | 反応、脱溶媒に優れる |
| 備考 | ― | 1段目と2段目の繋ぎ目を開放して脱気・冷却を促す場合もある。 | 1段目と2段目の繋ぎ目を開放して脱気・冷却を促す場合もある。 |
参考記事：押出機の選び方
8.スクリューの回転方向の違い
スクリューが同じ方向に回転する共回転式（同方向）と、逆方向に回転する逆回転式（異方向）の2つがあります。
同方向と異方向の回転
それぞれ以下のような特徴があります。
共回転式（同方向）
- 配合および混合目的でよく使用される。非常に高い混練性能がある。
- 高スクリュー回転数での運転が可能で、高い溶融性能と混合品質を持つ。
- スクリューはモジュール式で、押出機の構成を容易に変更可能。
- エレメントデザインにてエネルギー供給領域や時間をコントロールして、熱負荷を管理できる。
逆回転式（異方向）
- プロファイル、PVC、木粉配合の複合材など使用される。
- スクリュー間を通過する材料が高せん断を受ける。
- 共回転より供給が困難な材料輸送が容易。フィルムを効率よく直接供給させることもできる。
- 摩耗多く、スクリューへの高圧負荷を避けるため比較的低速で運転する必要があり、溶融性は共回転式ほど高くない
- 溶融性を引き出すには、顆粒状よりも粉末状の原料が適する。ただしコストは高くなる。
9.二軸押出機の滞留時間
一軸押出機に比べて、滞留時間を長くすることが可能。スクリューのエレメント（コマの構成）を変更して、樹脂を逆方向に戻したりすることができるため。
これにより、滞留時間のコントロールができる。
10.小型二軸押出機のメーカー
下記会社などは研究室レベルの小型二軸押出機を取り扱っています。
- アイ・ケー・ジー株式会社（http://www.ikg.ne.jp/）
- 株式会社東洋精機製作所（https://www.toyoseiki.co.jp/）
- 株式会社マーテック（http://www.martech.co.jp/martech/）
- SINO-ALLOY MACHINERY INC.（台湾, https://www.sinoalloy.com/en/home-2/）
参考記事：高品質で低価格な台湾製の小型二軸押出機
主な参考資料、図の引用元
- Screw Extruder, Science Direct,
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/screw-extruder (2022.02.12)
- STEER, http://www.steerworld.com/sjc/epz-technology.html (2022.02.13)
- IAMP, http://ciamp.mie.utoronto.ca/IndustrialTandem.html (2022.02.13)
