天然繊維複合材料

数千年の間、天然繊維は人類の基本的な材料でした。家や船は木で造られ、ロープ、船の帆や穀物の袋といった実用的織物を造るのに亜麻や麻が使われました。産業革命期から近代においても、産業用途を広げようと薬剤を使った天然繊維を強化させる新しい用法が開発されてきました。

典型的なアプリケーション

天然繊維はその固有の特性によって常に魅力ある材料であり続けてきました。引っ張り強度、衝撃強度、伸びと弾性率といった機械的性質に優れ、しかも軽量です。再生可能な原材料をベースとし、CO2とエネルギーのバランスに優れており、価格競争においても有利です。こうしたことから、天然繊維複合材料の用途は大きく広がるとともに、その生産量も増大してきました。その主要利用分野には、自動車産業、航空機産業があります。

天然繊維複合材料の混練要件

天然繊維複合材料は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を基材として造られます。熱可塑性樹脂として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、塩化ビニルやポリ乳酸が使用でき、熱硬化性樹脂として主に、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂が使用できます。使用される天然繊維で最も重要なのは、亜麻、麻、ジュート、ケナフ、サイザル、アバカ、綿です。その他よく使用される材料には、木の繊維、おがくず、もみ殻があります。多くの場合、基材と繊維の結合に粘着促進剤を使用するのが最適です。

天然繊維の配合量は製品仕様に応じて通常30~70%と高く、繊維を熱損傷させずに添加剤と共に加工する必要があります。こうした天然繊維複合材料の混練において欠かせないのが、低い製品温度での完璧な分散分配混合です。また、供給箇所は複数必要であり、場合によってはあらかじめ決まった位置に液体の粘着促進剤を注入することも必要になります。

ブッス・ニーダー独自技術による生産能力は、こうした用途においても非常に優れています。その動作原理により、均一かつ適度なせん断速度で無数の混合サイクルが行われ、最大生産量においても、最高の混合効率と製品品質が得られます。せん断速度が適度であることの副次効果として、他のスクリュー押出機に比べて磨耗度がごくわずかです。加工部はモジュラー式で、社内のプロセスエンジニアにより特定用途に応じた設計が行われます。ブッス・ニーダーは二段階システムを採用し、混練段階と昇圧段階を意図的に分けているため、各段階を独立して最適化することができます。ブッス・ニーダーのヒンジ開閉式ハウジングと押出機のスライド式バレルにより迅速かつ容易な内部へのアクセスが可能で、システム稼働率が高まります。

ブッスの天然繊維混練システムによる原料塊から製造されたウッドテラス厚板用合成木材

モジュラー化により混練ラインを柔軟に配置できるブッス・ニーダーは、ブッスが保有する広範囲の加工プロセス知識も相まって、天然繊維複合材料の調合装置の第一選択肢となっています。

天然繊維複合材混練システムの典型的な工場内レイアウト

天然繊維複合材混練システムの典型的な工場内レイアウト

ブッスの混練システムには、以下のような優位点ああります。

  • 均一で適度なせん断速度
    均一で適度なせん断速度により、作業として必要なせん断のみを行い、低温での混合材料の混練の制御を可能にします。他のシステムと比較してせん断速度の分布が小さいため、全ての粒子のせん断履歴を均一にすることができ、より小さな投入エネルギーにより高品質な混合材料を得ることができます。
  • 正確な温度制御
    ブッス・ニーダーは、入力エネルギーのコントロールおよび均一で適度なせん断速度に加え、バレルに沿って適切な場所にある混練中のポリマーに覆われた混練ピンの先端に熱電対を内蔵て温度を高精度にモニターすることにより、より正確な温度制御を実現しています。
  • ポリマーやカーボンブラックなどの高構造化材料への損傷を抑制
    ブッス・ニーダーの均一で適度なせん断速度が、制御されたせん断と低温のプロファイルを実現し、カーボンブラックなどの高構造化材料やファイバー構造への応力を他のシステムと比較して大きく低減しました。これにより機械的、電気的性質や流動特性が改善し、高価な配合成分の消費を抑えることができます。
  • より多量のフィラー投入
    ブッスの混練技術では、2または3か所に供給口を分けたり、サイドフィードスクリューなどの供給方法の採用、フィラーの重量による独立供給、バックベントによる混入した空気の除去、優れた搬送効率などにより、最大90%のフィラー投入が可能です。適度なせん断速度により、このような高投入量でも極めて高い粘性の材料を扱うことができます。
  • 低いプロセス温度
    ブッス・ニーダーでは混練ユニットと押出ユニットでの加圧が分離されているので、混練を低圧、低温で行うことができます。各プロセスセクションの温度プロファイルの要件は、ユニークなスクリュー設計により最適化されています。

さらに

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