JP7692338B2 - Method and program for simulating an extruder - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 Polymers 2021, 13, 3892. https://doi.org/10.3390/polym13223892Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act Polymers 2021, 13, 3892. https://doi. org/10.3390/polym13223892
本発明は、押出機のスクリュを高速回転させて樹脂を熱分解する場合における、押出機内および熱分解後の圧力、滞留時間、樹脂の充満率、樹脂の粘度および温度等を予測する押出機のシミュレーション方法およびシミュレーションプログラムに関する。 The present invention relates to a simulation method and a simulation program for an extruder that predicts the pressure, residence time, resin filling rate, resin viscosity, temperature, etc. inside the extruder and after pyrolysis when the extruder screw is rotated at high speed to pyrolyze the resin.
濾過媒体、医療用布、音吸収材、クッション材などに用いられるメルトブローン不織布は、溶融した樹脂を0.1mm程度の小さな孔を備えたノズルを通過させて製造する。ノズルに高い圧力がかかるとノズルが破損するため、メルトブローン不織布の製造にはメルトフローレート(以下、適宜、MFRという)が極めて高い低粘度グレードの樹脂が原料として用いられる。しかし、例えばMFR値が1000g/10分間程度である低粘度ポリプロピレン(以下、適宜、PPという)等の樹脂は、市場に多く出回っていない特別なグレードであるため、通常グレードのものと比べて、数倍程度価格が高い。そこで、入手が容易で安価な汎用樹脂を低分子量化することにより、低粘度の樹脂を製造することができれば、有用かつ経済的である。 Meltblown nonwoven fabrics, which are used for filtration media, medical cloth, sound absorbing materials, cushioning materials, etc., are manufactured by passing molten resin through a nozzle with small holes of about 0.1 mm. Because the nozzle will break if high pressure is applied to it, low-viscosity grade resins with extremely high melt flow rates (hereinafter referred to as MFR) are used as raw materials for the manufacture of meltblown nonwoven fabrics. However, resins such as low-viscosity polypropylene (hereinafter referred to as PP) with an MFR value of about 1000 g/10 min are special grades that are not widely available on the market, and are several times more expensive than normal grades. Therefore, it would be useful and economical to manufacture low-viscosity resins by reducing the molecular weight of general-purpose resins that are easy to obtain and inexpensive.
従来、知られている樹脂の低分子量化の方法の一つとして、有機過酸化物を用いる方法がある。この方法は、二軸押出機を用いて、樹脂(高分子)と有機過酸化物とを混合して樹脂を化学的に分解する。しかし、有機過酸化物は高い反応性を有するため、樹脂の分解を制御することが困難である。また、樹脂の分解によって過酸化物の分解残渣が生じるため、この方法で低分子量化した樹脂は、医療、衛生用の製品として適さない。加えて、有機過酸化物は、危険物として分類されているため、取り扱いおよび保存に注意を要するという問題がある。 One of the known methods for reducing the molecular weight of resins is the use of organic peroxides. In this method, a twin-screw extruder is used to mix the resin (polymer) with an organic peroxide to chemically decompose the resin. However, since organic peroxides are highly reactive, it is difficult to control the decomposition of the resin. Furthermore, since the decomposition of the resin produces decomposition residues of the peroxide, resins reduced in molecular weight by this method are not suitable for use in medical or sanitary products. In addition, organic peroxides are classified as hazardous materials, and therefore require careful handling and storage.
我々は有機過酸化物を用いないで樹脂を低分子量化するため、溶融した樹脂に高いせん断力を加えて低分子量化する製造方法を提案している(特許文献1)。この製造方法は、せん断応力によってせん断発熱を誘起して樹脂を低分子量化するものであり、低分子量化をスクリュの回転数により制御して、グレード(分子量)の異なる樹脂を迅速かつ簡単に製造できる点において優れている。 To reduce the molecular weight of resins without using organic peroxides, we have proposed a manufacturing method in which high shear forces are applied to molten resin to reduce the molecular weight (Patent Document 1). This manufacturing method reduces the molecular weight of resins by inducing shear heating through shear stress, and is excellent in that it allows the reduction in molecular weight to be controlled by the screw rotation speed, making it possible to quickly and easily produce resins of different grades (molecular weights).
また、押出機を用いた樹脂の処理に関する、押出機の構成および運転条件に基づいたシミュレーション方法も提案されている。例えば、非特許文献1には、二軸押出機のシミュレーション方法が記載されている。 A simulation method based on the configuration and operating conditions of an extruder has also been proposed for the processing of resin using an extruder. For example, Non-Patent Document 1 describes a simulation method for a twin-screw extruder.
しかし、非特許文献1のシミュレーション方法は、1000RPM(回転/分間)までの回転速度を検討対象としており、押出機の処理による樹脂の低分子量化を考慮していない。このため、特許文献1に記載の製造方法のように、2000~4000RPM程度の高速回転での処理により樹脂の粘度を急激に低下させる場合について精度よくシミュレーションすることが困難であった。
本発明は、高速回転するスクリュにより樹脂の粘度を低下させる場合における、押出機内および処理後の圧力、滞留時間、樹脂の充満率、樹脂の粘度および温度等を精度よく予測することができる、押出機のシミュレーション方法およびシミュレーションプログラムの提供を目的としている。
However, the simulation method of Non-Patent Document 1 is limited to rotation speeds of up to 1000 RPM (revolutions per minute) and does not take into account the reduction in molecular weight of the resin due to the processing in the extruder. For this reason, it is difficult to accurately simulate the case where the viscosity of the resin is suddenly reduced by processing at a high speed rotation of about 2000 to 4000 RPM, as in the manufacturing method described in Patent Document 1.
The present invention aims to provide a simulation method and a simulation program for an extruder that can accurately predict the pressure inside the extruder and after processing, the residence time, the resin filling rate, the viscosity and temperature of the resin, etc., when the viscosity of the resin is reduced by a high-speed rotating screw.
本発明の押出機のシミュレーション方法は、押出機のスクリュ回転数とバレル温度との組み合わせ毎にスクリュのヌセルト数を算出するヌセルト数算出ステップと、前記押出機の出口を対象部位として、樹脂の圧力、温度および粘度の推定値を設定する推定値設定ステップと、前記樹脂の物性、前記押出機の構成および運転条件を用いて、前記対象部位における前記樹脂の流速および圧力勾配を算出する流速・圧力勾配算出ステップと、前記ヌセルト数、前記流速および前記圧力勾配を用いて、前記対象部位における温度勾配および粘度勾配を算出する温度勾配・粘度勾配算出ステップと、前記圧力勾配、前記温度勾配および前記粘度勾配を用いて、前記対象部位から前記押出機の入口側に、所定距離離れた隣接部位の圧力、温度および粘度を算出する圧力・温度・粘度算出ステップと、前記隣接部位が、前記押出機の入口であるか否かを判断する、部位判定ステップと、を備え、前記部位判定ステップにおいて、前記隣接部位が前記押出機の入口ではないとされた場合、前記隣接部位を新たな対象部位とし、前記圧力・温度・粘度算出ステップにより算出された算出値を用いて、前記流速・圧力勾配算出ステップ、前記温度勾配・粘度勾配算出ステップ、前記圧力・温度・粘度算出ステップおよび前記部位判定ステップを行い、前記部位判定ステップにおいて、前記隣接部位が前記押出機の入口であるとされた場合、前記圧力・温度・粘度算出ステップにより算出された前記算出値と、前記入口における実測値とを比較する比較ステップを行い、前記比較ステップにおいて、前記算出値と前記実測値とが一致しない場合、前記推定値設定ステップに戻り、樹脂の圧力、温度および粘度について、その残差が小さくなるように求根アルゴリズムを用いて別の推定値を設定し、前記算出値と前記実測値とが一致するまで上記各ステップを繰り返し、前記比較ステップにおいて、前記算出値と前記実測値とが一致する場合、前記推定値設定ステップにおいて推定値として設定した樹脂の圧力、温度および粘度を予測値とする。 The extruder simulation method of the present invention includes a Nusselt number calculation step for calculating the Nusselt number of the screw for each combination of the screw rotation speed and barrel temperature of the extruder, an estimate value setting step for setting estimated values of the pressure, temperature and viscosity of the resin using the outlet of the extruder as a target part, a flow rate/pressure gradient calculation step for calculating the flow rate and pressure gradient of the resin at the target part using the physical properties of the resin and the configuration and operating conditions of the extruder, a temperature gradient/viscosity gradient calculation step for calculating the temperature gradient and viscosity gradient at the target part using the Nusselt number, the flow rate and the pressure gradient, a pressure/temperature/viscosity calculation step for calculating the pressure, temperature and viscosity of an adjacent part located a predetermined distance away from the target part on the inlet side of the extruder using the pressure gradient, the temperature gradient and the viscosity gradient, and a part determination step for determining whether the adjacent part is the inlet of the extruder. If it is determined in the part determination step that the adjacent part is not the inlet of the extruder, If the adjacent part is determined to be the inlet of the extruder in the part determination step, a comparison step is performed in which the calculated value calculated in the pressure, temperature, and viscosity calculation step is compared with the actual measured value at the inlet. If the calculated value does not match the actual measured value in the comparison step, the process returns to the estimated value setting step, and another estimated value is set for the pressure, temperature, and viscosity of the resin using a root-finding algorithm so that the residual is small. The above steps are repeated until the calculated value matches the actual measured value. If the calculated value matches the actual measured value in the comparison step, the pressure, temperature, and viscosity of the resin set as the estimated value in the estimated value setting step are used as the predicted value.
本発明のシミュレーション方法は押出機のスクリュ回転数とバレル温度との組み合わせ毎にスクリュのヌセルト数を算出することで、バレルからの熱伝達のスクリュ回転数、およびバレル温度依存性を正しく反映することができる。したがって、対象部位における温度勾配および粘度勾配の算出にこのヌセルト数を用いることにより、スクリュの高速回転により樹脂の粘度を急激に低下させる場合であっても、処理後および装置内部の樹脂の粘度、温度を精度よく予測することができる。 The simulation method of the present invention can accurately reflect the screw rotation speed and barrel temperature dependency of heat transfer from the barrel by calculating the Nusselt number of the screw for each combination of the extruder screw rotation speed and barrel temperature. Therefore, by using this Nusselt number to calculate the temperature gradient and viscosity gradient in the target area, it is possible to accurately predict the viscosity and temperature of the resin after processing and inside the device, even when the viscosity of the resin is suddenly reduced by the high speed rotation of the screw.
以下、本発明の実施態様について、適宜、図面を参照して説明する。
<押出機内における樹脂の流れ>
非ニュートン流体の場合の押出機内部の樹脂流動の1次元モデルについて、以下に説明する。本発明のシミュレーションでは、押出機内における樹脂の流れは定常状態で完全発達流れを仮定した。スクリュの外径に対する内径の比率が1に近いから、スクリュの溝の曲率は無視できるとした。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate.
<Flow of resin inside the extruder>
A one-dimensional model of the resin flow inside the extruder in the case of a non-Newtonian fluid is described below. In the simulation of the present invention, the resin flow inside the extruder was assumed to be a fully developed flow in a steady state. Since the ratio of the inner diameter to the outer diameter of the screw is close to 1, the curvature of the screw groove was assumed to be negligible.
<スクリュ>
図2は単軸押出機のスクリュ形状を示す模式図である。スクリュは、その断面が高さH、幅Wの長方形の溝(チャネル)としてモデル化した。バレルは、スクリュの溝を覆う移動するプレートとしてモデル化した。この場合、プレートの移動速度Vは、V=πDNで表される(Dはバレルの内径であり、Nはスクリュの回転速度である)。
<Screw>
Figure 2 is a schematic diagram showing the screw profile of a single screw extruder. The screw was modeled as a rectangular groove (channel) with a cross section of height H and width W. The barrel was modeled as a moving plate covering the screw groove. In this case, the moving speed V of the plate is expressed as V = πDN (D is the inner diameter of the barrel and N is the rotation speed of the screw).
長方形の溝では、溝の長さ方向をzとした。浅く広い溝では、z方向における樹脂の流速vzは、溝の深さ方向yの関数として取り扱うことができる。樹脂の運動方程式を以下に示す。なお、以下に説明する各式では、各記号は同じ内容を示す。
境界条件を以下に示す。
スクリュにおける対象部位が部分的に樹脂で満たされた非充満状態のとき、圧力勾配αはゼロである。このため、非充満領域における樹脂の流れは、式(1)に基づいて以下の単純な式(4)で表される。
計算評価の対象である対象部位における充満率fは、以下の式で定義される。
溶融した樹脂の粘度は一般に、以下の式で示されるせん断速度の関数である。
以下のシミュレーション方法では、非ニュートン流体の粘度モデルとしてクロス(Cross)モデルを採用する。ただし、非ニュートン流体の粘度モデルは、クロスモデルに限られず、他のモデルを採用してもよい。
η0はアレニウスの法則に従うことを仮定する。
樹脂の運動方程式を以下に示す。
初期条件を以下に示す。
境界条件を以下に示す。
式(8)をyについて部分積分し、式(1)を用いて、以下の式が得られる。
式(13)の右辺における、第2番目の項および最後の項は、せん断発熱によって生じる。式(13)の右辺における最初の項は、流体からバレルへの熱伝導を表し、一次元の問題の場合、以下のようにモデル化することができる。
スクリュ回転速度およびバレル温度について、広い数値範囲から押出機の運転条件が選択される場合、全ての実施条件において、ヌセルト数を定数として設定することは適切ではない。そこで、スクリュ回転速度およびバレル温度の条件ごとに、押出機入口で一様な温度分布を仮定し、また流速は単純せん断流れの場合(式(4))を仮定して、熱伝導方程式(8)と境界条件の式(11)(12)とを計算により解いて、y方向およびz方向における、温度分布と熱流束を計算する。そして、対象部位のヌセルト数を以下の式により得る(Bird, R.B.; Armstrong, R.C.; Hassager, O. Fluid Mechanics. Dynamics of Polymeric Liquids, 2nd ed.; John Wiley and Sons Inc: New York, NY, USA, 1987; Volume 1.)。
NuZはzにおける局所的なヌセルト数、Hはスクリュ溝の高さ(m)、qは熱流束[W/m2]、zはスクリュ経路の伸長方向の座標、yはスクリュ溝の深さ方向の座標、κは樹脂の熱伝導率[W/(m・k)]、Tbはバレル温度[K]である。
When the operating conditions of the extruder are selected from a wide range of values for the screw speed and barrel temperature, it is not appropriate to set the Nusselt number as a constant under all the operating conditions. Therefore, for each condition of the screw speed and barrel temperature, a uniform temperature distribution is assumed at the inlet of the extruder, and the flow velocity is assumed to be a simple shear flow (equation (4)). The heat conduction equation (8) and the boundary condition equations (11) and (12) are solved by calculation to calculate the temperature distribution and heat flux in the y and z directions. The Nusselt number of the target part is then obtained by the following equation (Bird, RB; Armstrong, RC; Hassager, O. Fluid Mechanics. Dynamics of Polymeric Liquids, 2nd ed.; John Wiley and Sons Inc: New York, NY, USA, 1987; Volume 1.).
Nu Z is the local Nusselt number at z, H is the height of the screw groove (m), q is the heat flux [W/m 2 ], z is the coordinate in the extension direction of the screw path, y is the coordinate in the depth direction of the screw groove, κ is the thermal conductivity of the resin [W/(m·k)], and Tb is the barrel temperature [K].
本発明のシミュレーションでは、以下の式で示される平均ヌセルト数を用いた。
<ダイ>
z方向に直交する断面形状が円形の孔を備えた、後述する実施例で用いたダイ、および貫通穴について説明する。ダイにおける運動方程式を以下に示す。
The die and through-hole used in the examples described below, which have holes with a circular cross section perpendicular to the z-direction, will be described below. The equation of motion in the die is given below.
境界条件を以下に示す。
運動方程式を以下に示す。
<粘度低下モデル>
大きな回転速度、高いバレル温度において、せん断発熱および熱伝導が大きくなることによって、樹脂(高分子)が熱的に分解される。樹脂の熱的な分解について、これまでに種々の研究がなされているが(Kim, B.; White, J.L. Simulation of Thermal Degradation, Peroxide Induced Degradation, and Maleation of Polypropylene in aModular Co-Rotating Twin Screw Extruder. Polym. Eng. Sci. 1997, 37, 576.等)、本シミュレーションでは最も単純なモデルを採用する。すなわち、樹脂が線形な高分子として構成され、高分子の熱的な分解がランダムな切断プロセスに従うと想定した。
<Viscosity reduction model>
At high rotation speeds and high barrel temperatures, the resin (polymer) is thermally decomposed due to increased shear heating and heat conduction. Various studies have been conducted on the thermal decomposition of resin (Kim, B.; White, JL Simulation of Thermal Degradation, Peroxide Induced Degradation, and Maleation of Polypropylene in a Modular Co-Rotating Twin Screw Extruder. Polym. Eng. Sci. 1997, 37, 576., etc.), but this simulation adopts the simplest model. That is, it is assumed that the resin is composed of a linear polymer and that the thermal decomposition of the polymer follows a random cutting process.
高分子は節点数Nの長鎖としてモデル化した。Nは骨格炭素原子を表す(Rubinstein, M.; Colby, R.H. Polymer Physics; Oxford University Press Inc: NY.,2003)。節点数Nの高分子の数をnNで表すと、高分子におけるすべての節点数は以下の式で与えられる。
主鎖の切断が反応速度kの一次反応に従い、再度の高分子化が生じないとすると、以下の式に示す関係が成り立つ。
反応速度はアレニウスの法則に従うと仮定した。
The reaction rate was assumed to follow the Arrhenius law.
樹脂の揮発量を無視すると、以下の式で示される樹脂における全ての節点の数は時間変化しない。
数平均分子量は以下の式(26)により与えられるから、数平均分子量に関する時間発展の式(27)が得られる(Suehiro, T.; O'shima, E. A kinetic study on the random scission of a polymer. Kobunshi Ronbunshu. 1977, 34, 3, 241-248.)。
数平均分子量が十分大きい場合、式(27)は以下のようになる。
ゼロせん断粘度は経験的に数平均分子量の3.4乗に比例することが知られているため、以下の式(29)が成り立つ。式(29)では、ゼロせん断粘度とNとの比例係数は粘度減少速度モデルにおける頻度因子Aに吸収した。
樹脂が流れている場合は、時間微分を物質微分に置き換えればよく、定常状態においては、以下の式(30)が成立する。
<計算方法>
図1は、本実施形態のシミュレーション方法のフローチャートである。本実施形態では、押出機入口での樹脂温度と粘度データが与えられた場合に、押出機の軸方向のすべての位置における、圧力p、温度Tおよび、参照温度における参照ゼロせん断粘度ηr(以下、適宜、粘度ともいう)を算出する場合について説明する。以下では、押出機における軸座標をzで示す。なお、以下に示す各ステップの順序は一例であり、先のステップにおいて求めて算出した値を用いる場合を除いて、図1とは異なる順序で各ステップを行ってもよい。
<Calculation method>
FIG. 1 is a flowchart of the simulation method of this embodiment. In this embodiment, when the resin temperature and viscosity data at the inlet of the extruder are given, the pressure p, temperature T, and reference zero shear viscosity η r at the reference temperature (hereinafter, also referred to as viscosity as appropriate) at all positions in the axial direction of the extruder are calculated. In the following, the axial coordinate in the extruder is indicated by z. Note that the order of each step shown below is an example, and each step may be performed in an order different from that shown in FIG. 1, except when the value obtained and calculated in the previous step is used.
まず、ヌセルト数算出ステップS10においてヌセルト数Nuを算出する。Nuの算出には、計算により、樹脂の圧力、温度および粘度を算出する対象部位がスクリュの場合は式(17)を用い、ダイまたは貫通穴の場合は式(23)を用いる。本発明のシミュレーション方法は、押出機のスクリュ回転数とバレル温度との組み合わせ毎に、スクリュにおけるヌセルト数Nuを算出する。S10では、スクリュにおけるヌセルト数として式(17)を用いて算出した平均ヌセルト数を用い、スクリュ以外の部位であるダイ・貫通穴におけるヌセルト数として、式(23)を用いて算出したヌセルト数を用いる。 First, the Nusselt number Nu is calculated in the Nusselt number calculation step S10. To calculate Nu, equation (17) is used when the part for which the resin pressure, temperature, and viscosity are to be calculated is the screw, and equation (23) is used when the part is the die or through hole. The simulation method of the present invention calculates the Nusselt number Nu in the screw for each combination of the screw rotation speed and barrel temperature of the extruder. In S10, the average Nusselt number calculated using equation (17) is used as the Nusselt number in the screw, and the Nusselt number calculated using equation (23) is used as the Nusselt number in the die and through hole, which are parts other than the screw.
続いて、押出機の出口を対象部位として、樹脂の圧力、温度および粘度の推定値を設定する推定値設定ステップS11を行う。S11において、計算対象となる部位zOを押出機の出口zfとする(zO=zf)。zfにおける圧力pは大気圧(雰囲気圧)であるため、推定値pOを0に設定する(pO=0)。そして、温度Tおよび粘度ηrの推定値TO、ηr Oとして、zfにおける温度Tfおよび粘度ηrfを設定する(TO=Tf0、ηr O=ηrf0)。 Next, an estimate value setting step S11 is performed in which estimated values of the pressure, temperature, and viscosity of the resin are set with the extruder outlet as the target site. In S11, the site zO to be calculated is set to the extruder outlet zf ( zO = zf ). Since the pressure p at zf is atmospheric pressure (ambient pressure), the estimated value pO is set to 0 ( pO = 0). Then, the temperature Tf and viscosity ηrf at zf are set as the estimated values T0 and ηr0 of the temperature T and viscosity ηr ( T0 = Tf0 , ηrO = ηrf0 ) .
続いて、対象部位がスクリュかそれ以外の部位かを判断する、対象部位判定ステップS12を行う。スクリュ、ダイおよび貫通穴を備えている押出機の場合、S12において、対象部位zOがスクリュか、ダイまたは貫通穴かを判定する。 Next, a target part determination step S12 is performed to determine whether the target part is the screw or another part. In the case of an extruder equipped with a screw, a die, and a through hole, in S12, it is determined whether the target part z O is the screw, the die, or the through hole.
S12において、出口zfがダイまたは貫通穴であると判定された場合、S13に移り、樹脂の流速vzと圧力勾配∂p/∂zとを計算する。これらの計算は、流速vz、圧力勾配∂p/∂zに適切な推定値を与えて、反復法により行う。本実施形態では、power-law流体の場合についての解析解を推定値として選択した。式(18)および式(20)を解いて、押出機からの実際の樹脂の押出速度(押出量)Qと、計算された樹脂の押出速度Qthとが一致するように、樹脂の流速vzと圧力勾配∂p/∂zとを算出する。 If it is determined in S12 that the outlet zf is a die or a through hole, the process proceeds to S13, where the resin flow velocity vz and the pressure gradient ∂p/∂z are calculated. These calculations are performed by an iterative method by giving appropriate estimated values to the flow velocity vz and the pressure gradient ∂p/∂z. In this embodiment, an analytical solution for the case of a power-law fluid is selected as the estimated value. By solving equations (18) and (20), the resin flow velocity vz and the pressure gradient ∂p/∂z are calculated so that the actual resin extrusion velocity (extrusion amount) Q from the extruder matches the calculated resin extrusion velocity Qth .
流速・圧力勾配算出ステップS14において、樹脂の物性、押出機の構成および運転条件を用いて、対象部位における樹脂の流速vzおよび圧力勾配∂p/∂zを算出する。図2では、S13で算出した結果に基づいて、流速vzおよび圧力勾配∂p/∂zを算出する。なお、対象部位がダイまたは貫通穴である場合、樹脂の充満領域の充満率fは1である。 In the flow rate and pressure gradient calculation step S14, the flow rate vz and pressure gradient ∂p/∂z of the resin in the target part are calculated using the physical properties of the resin, the configuration of the extruder, and the operating conditions. In FIG. 2, the flow rate vz and pressure gradient ∂p/∂z are calculated based on the results calculated in S13. Note that when the target part is a die or a through hole, the filling rate f of the resin-filled region is 1.
温度勾配・粘度勾配算出ステップS15において、S10で算出したヌセルト数Nu、S14で算出した流速vzおよび圧力勾配∂p/∂zを用いて、対象部位z=zOにおける温度勾配∂T/∂zおよび粘度勾配∂ηr/∂zを算出する。zOがダイまたは貫通穴である場合、∂T/∂zおよび∂ηr/∂zの算出には式(21)および式(30)を用いる。 In temperature gradient/viscosity gradient calculation step S15, the temperature gradient ∂T/∂z and the viscosity gradient ∂ηr/∂z at the target part z = zO are calculated using the Nusselt number Nu calculated in S10, and the flow velocity vz and pressure gradient ∂p /∂z calculated in S14. When zO is a die or a through hole, equations (21) and (30) are used to calculate ∂T/∂z and ∂ηr /∂z.
S12において、対象部位zOがスクリュであると判定された場合、充満度判定ステップS20に移る。S20において、圧力pO>0であるか否か、すなわち圧力pOが正かゼロ以下かを判定する。 If it is determined in S12 that the target portion z O is a screw, the process proceeds to the filling level determination step S20. In S20, it is determined whether or not the pressure p O is greater than 0, that is, whether or not the pressure p O is positive or equal to or less than zero.
p0>0(正)である場合、スクリュの対象部位は全てが樹脂で満たされている。そこで、上述したダイ・貫通穴の場合と同様に、S13、S14により、樹脂の流速vzおよび圧力勾配∂p/∂zを算出する。そして、温度勾配・粘度勾配算出ステップS15において、S10で算出したヌセルト数Nu、S14のvzおよび∂p/∂zを用いて、z=zOにおける∂T/∂zおよび∂ηr/∂zを算出する。ただし、対象部位がスクリュの場合、S13では式(18)および式(20)の代わりに式(1)および式(3)が用いられ、S15では、式(21)および式(30)の代わりに式(13)および式(30)が用いられる。なお、この場合も、樹脂の充満領域の充満率fは1である。 When p 0 >0 (positive), the entire target portion of the screw is filled with resin. Therefore, similarly to the above-mentioned case of the die and through hole, the flow rate v z and pressure gradient ∂p/∂z of the resin are calculated by S13 and S14. Then, in the temperature gradient and viscosity gradient calculation step S15, ∂T/∂z and ∂η r /∂z at z = z O are calculated using the Nusselt number Nu calculated in S10 and v z and ∂p/∂z of S14. However, when the target portion is a screw, in S13, formulas (1) and (3) are used instead of formulas (18) and (20), and in S15, formulas (13) and (30) are used instead of formulas (21) and (30). In this case, the filling rate f of the resin-filled region is 1.
pO>0ではなく0または負(pO≦0)である場合、スクリュの対象部位は、部分的に樹脂で満たされた非充満領域である。そこで、S21で対象部位の圧力pO=0に再設定し、圧力勾配∂p/∂zも0にする。非充満領域における、樹脂の流速vzは式(4)により与えられ、充満率fは式(5)により与えられる。これらに基づいて、流速・圧力勾配算出ステップS22において、樹脂の流速vz、圧力勾配∂p/∂zおよび充満率fを算出する。そして、温度勾配・粘度勾配算出ステップS15において、S10で算出したヌセルト数Nu、S22で算出したvzおよび∂p/∂zを用いて、z=zOにおける、∂T/∂zおよび∂ηr/∂zを算出する。S15では、充満領域同様、式(13)および式(30)が用いられる。 When p O >0 but is 0 or negative (p O ≦0), the target portion of the screw is a non-filled region partially filled with resin. Therefore, in S21, the pressure p O of the target portion is reset to 0, and the pressure gradient ∂p/∂z is also set to 0. In the non-filled region, the resin flow velocity v z is given by equation (4), and the filling rate f is given by equation (5). Based on these, in flow velocity/pressure gradient calculation step S22, the resin flow velocity v z , pressure gradient ∂p/∂z, and filling rate f are calculated. Then, in temperature gradient/viscosity gradient calculation step S15, ∂T/∂z and ∂η r /∂z at z=z O are calculated using the Nusselt number Nu calculated in S10, and v z and ∂p/∂z calculated in S22. In S15, equations (13) and (30) are used, as in the filled region.
続いて、圧力・温度・粘度算出ステップS16に移る。S16において、S14の圧力勾配∂p/∂z、S15の温度勾配∂T/∂zおよび粘度勾配∂ηr/∂zを用いて、対象部位zOから押出機の入口側に、所定距離δz離れた隣接部位zO-δzにおける圧力p=pO-(∂p/∂z)δp、温度T=TO-(∂T/∂z)δz、粘度ηr=ηr O-(∂ηr/∂z)δzを計算する。ここで、δzはz軸における離散化のサイズである。 Next, the process proceeds to pressure, temperature, and viscosity calculation step S16. In S16, the pressure p = p O - (∂p / ∂z) δp, temperature T = T O - ( ∂T / ∂z) δz, and viscosity η r = η r O - (∂η r / ∂z) δz at an adjacent part z O - δz that is a predetermined distance δz away from the target part z O on the inlet side of the extruder are calculated using the pressure gradient ∂p / ∂z of S14 , the temperature gradient ∂T / ∂z, and the viscosity gradient ∂η r / ∂z of S15. Here, δz is the size of the discretization on the z axis.
部位判定ステップS17において、隣接部位z=zO-δzが0、すなわち押出機の入口であるか否かを判定する。
S17において、隣接部位zO-δzが、押出機の入口ではないと判断された場合、S18に移る。S18では、隣接部位zO-δzを新たな対象部位zO(zO=z)、圧力pO、温度TOおよび粘度ηrとして、p=pO、T=TOおよびηr=ηr
Oに、それぞれ設定して、S12に移る。そして、圧力・温度・粘度算出ステップS16で算出された算出値である圧力p、温度Tおよび粘度ηrを用いて、再度、流速・圧力勾配算出ステップS14、温度勾配・粘度勾配算出ステップS15、圧力・温度・粘度算出ステップ16および部位判定ステップS17を行う。
In the part determination step S17, it is determined whether the adjacent part z=z o -δz is 0, that is, whether it is the inlet of the extruder.
If it is determined in S17 that the adjacent portion z O -δz is not the inlet of the extruder, the process proceeds to S18. In S18, the adjacent portion z O -δz is set as a new target portion z O (z O =z), with pressure p O , temperature T O and viscosity η r set to p = p O , T = T O and η r = η r O , respectively, and the process proceeds to S12. Then, using the pressure p, temperature T and viscosity η r calculated in the pressure, temperature and viscosity calculation step S16, the flow rate and pressure gradient calculation step S14, temperature gradient and viscosity gradient calculation step S15, pressure, temperature and viscosity calculation step S16 and portion determination step S17 are performed again.
以上のようにして、S17においてz=0すなわち対象部位が押出機の入口であると判定されるまで、S18を介してS12に戻って、押出機の各部位について圧力、温度および粘度を算出する各ステップを繰り返す。 In this manner, the process returns to S12 via S18 and repeats the steps of calculating the pressure, temperature, and viscosity for each part of the extruder until it is determined in S17 that z = 0, i.e., that the target part is the inlet of the extruder.
部位判定ステップS17においてz=0すなわち押出機の入口であると判定された場合、比較ステップS23に移り、圧力・温度・粘度算出ステップS16における算出値と、入口における実測値とを比較する。S23では入口における温度Tおよび粘度ηrの算出値と、温度Tiおよび粘度ηriの実測値とが一致するか否かを判断する。なお、ここで「一致する」とは、算出値と実測値とが十分に近いこと、例えば両者の差が所定の閾値以下となったことをいう。なお、閾値は、適宜設定すれば良いが、例えば、算出値と実測値との相対誤差を10-6程度に設定すればよい。 If it is determined in the part determination step S17 that z=0, i.e., that the part is the inlet of the extruder, the process proceeds to a comparison step S23, in which the calculated values in the pressure, temperature, and viscosity calculation step S16 are compared with the measured values at the inlet. In S23, it is determined whether the calculated values of temperature T and viscosity ηr at the inlet match with the measured values of temperature T i and viscosity η ri . Here, "match" means that the calculated values and the measured values are sufficiently close, for example, that the difference between the two is equal to or less than a predetermined threshold value. The threshold value may be set appropriately, for example, the relative error between the calculated values and the measured values may be set to about 10 -6 .
比較ステップS23において、算出値と実測値とが一致しない場合、推定値設定ステップS11に戻り、樹脂の圧力、温度および粘度について別の推定値を設定し、算出値と実測値とが一致するまで上述した各ステップを繰り返す。別の推定値は、残差が小さくなるように求根アルゴリズムを用いて計算される。求根アルゴリズムの例としてニュートン法が挙げられる。 If the calculated values do not match the actual measured values in the comparison step S23, the process returns to the estimated value setting step S11, where different estimated values are set for the pressure, temperature, and viscosity of the resin, and the above steps are repeated until the calculated values match the actual measured values. The different estimated values are calculated using a root-finding algorithm that reduces the residual. An example of a root-finding algorithm is the Newton method.
比較ステップS23において、算出値と実測値とが一致する場合、推定値設定ステップS11において推定値として設定した樹脂の圧力、温度および粘度をシミュレーション結果とする。 If the calculated values match the actual measured values in the comparison step S23, the pressure, temperature, and viscosity of the resin set as the estimated values in the estimated value setting step S11 are used as the simulation results.
以上のようにして、押出機のz軸に沿って、zO-dzにおけるp、Tおよびηrの計算を繰り返して、z=0である押出機の入口におけるp、Tおよびηrを得る。S11において推定値として設定される、z=0における算出値として得られるTおよびηrと、実測値として得られるTiおよびηriとが近づくように、押出機の出口のTf0とηrf0とが繰り返し更新される。計算が繰り返された後、算出値T、ηrと実測値Ti、ηriとが一致したときに、シミュレーション結果の予測値として、押出機の出口およびz軸に沿った各位置におけるp、T、ηrが得られる。 In this manner, the calculation of p, T, and ηr at z o -dz is repeated along the z-axis of the extruder to obtain p, T, and ηr at the inlet of the extruder where z=0. T f0 and η rf0 at the outlet of the extruder are repeatedly updated so that T and ηr obtained as calculated values at z=0, which are set as estimated values in S11, approach T i and η ri obtained as actual measured values. After the calculation is repeated, when the calculated values T and ηr match the actual measured values T i and η ri , p, T, and ηr at the outlet of the extruder and at each position along the z-axis are obtained as predicted values of the simulation results.
なお、実施形態では、シミュレーション結果として、押出機の出口およびz軸に沿った各位置におけるp、Tおよびηrを得る場合を例として説明したが、圧力、押出機内ならびに処理後の樹脂の粘度および温度に加えて、滞留時間(累積滞留時間)、樹脂の充満率を得ることができる。
本発明は、上述した単軸押出機のシミュレーション方法をコンピュータに実行させるプログラムとして実施することもできる。
In the embodiment, an example has been described in which p, T, and ηr at the exit of the extruder and at each position along the z axis are obtained as simulation results. However, it is possible to obtain the residence time (cumulative residence time), the filling rate of the resin, in addition to the pressure, the viscosity and temperature of the resin inside the extruder and after processing.
The present invention can also be embodied as a program for causing a computer to execute the above-mentioned simulation method for a single screw extruder.
<装置>
図3は、実施例において用いた装置の全体像を模式的に示している。同図に示すように、2つの異なる押出機が、直径10mm、長さ150mmの1本の単管を介して直列に接続された装置を用いた。樹脂供給部から供給された樹脂は、二軸押出機で溶融された後、単軸押出機である高せん断押出機の入口に供給される。最初の押出機は、同方向回転二軸押出機(L/D=48.5、D=26mm、芝浦機械製)であり、樹脂を溶融するために用いた。二軸押出機の出口における樹脂温度は全ての実施例において468K(195℃)であった。
<Device>
FIG. 3 shows a schematic overview of the apparatus used in the examples. As shown in the figure, an apparatus was used in which two different extruders were connected in series via a single pipe with a diameter of 10 mm and a length of 150 mm. The resin supplied from the resin supply section was melted in the twin-screw extruder and then supplied to the inlet of the high-shear extruder, which is a single-screw extruder. The first extruder was a co-rotating twin-screw extruder (L/D=48.5, D=26 mm, manufactured by Shibaura Machine Co., Ltd.) and was used to melt the resin. The resin temperature at the outlet of the twin-screw extruder was 468 K (195° C.) in all examples.
図4は、二軸押出機の構成および温度条件を示す模式図であり、同図中の矢印は樹脂の流れの方向を示す。二軸押出機として、長さが1260mm、バレルの内径が26mmのものを用いた。実施例における押出速度(樹脂供給速度、押出量)および回転数Nを表1に示す。
2番目の押出機は、バレルの直径が48mm、最大回転速度が3600回転/分間である単軸の高せん断押出機である。高せん断押出機中では、ポリマーはせん断発熱により熱的に分子鎖が切断される。スクリュは、通常の二軸押出機同様、複数のスクリュエレメントにより構成される。なお、実施例で用いたスクリュでは、スクリュを構成するスクリュエレメントにおける形状の相違がヌセルト数に対して及ぼす影響が大きくないため、異なるスクリュエレメントを備えるスクリュについては、スクリュの一番入口側すなわち樹脂の最上流側のスクリュエレメントの形状を用いた。そして、複数のスクリュエレメント全体の長さを用いて、スクリュのヌセルト数を算出した。また、スクリュに貫通穴がある場合は、貫通穴がないものに置き換えてスクリュのヌセルト数を評価した。 The second extruder is a single-screw high-shear extruder with a barrel diameter of 48 mm and a maximum rotation speed of 3600 rpm. In the high-shear extruder, the polymer undergoes thermal shearing of molecular chains due to shear heat. The screw is composed of multiple screw elements, as in a normal twin-screw extruder. In the screw used in the examples, the difference in shape of the screw elements that compose the screw does not have a large effect on the Nusselt number, so for screws with different screw elements, the shape of the screw element on the most inlet side of the screw, i.e., the most upstream side of the resin, was used. The Nusselt number of the screw was calculated using the total length of the multiple screw elements. In addition, if the screw had a through hole, the Nusselt number of the screw was evaluated by replacing it with one without a through hole.
図5は、高せん断押出機の一部を模式的に示しており、同図に示すように、スクリュエレメントは断面円形の貫通穴を備えている。図中の矢印は樹脂の流れの方向を示している。
樹脂は、逆スクリュによってせき止められて、貫通穴に流れ込む。これらの要素の役割は、逆スクリュの手前に、完全に樹脂で充満された領域を形成しつつ、樹脂に過度なせん断力がかからないようにして過度な低分子量化を防止することである。高せん断押出機のダイから排出された樹脂は、すぐに水で冷却された後、乾燥した。
Fig. 5 is a schematic diagram of a part of a high shear extruder, in which the screw elements are provided with through holes having a circular cross section, and the arrows in the figure indicate the direction of resin flow.
The resin is blocked by the inverted screw and flows into the through hole. The role of these elements is to form a region completely filled with resin in front of the inverted screw while preventing the resin from being subjected to excessive shear force, thereby preventing excessive molecular weight reduction. The resin discharged from the die of the high shear extruder was immediately cooled with water and then dried.
<原料>
2つの異なるグレードのホモポリプロピレン(F-704NPおよびJ107G、プライムポリマー製)を用いた。メルトフローレートは、それぞれ、7.0および30g/10分間であった。測定はISO1133-97に沿って行った。以下では、F-704NPをPP1とし、J107GをPP2と記す。粘度モデルの式(6)および式(7)のパラメータを評価するために、せん断粘度をモジュラー コンパクト レオメータ(MCR 102 Anton Paar、Graz、Auatria)で測定した。せん断速度の測定範囲は、0.01~100/秒間であり、測定温度は463、473および483K(190、200、および210℃)であった。参照温度を473K(200℃)に設定した。曲線フィッティングの結果として得られたPP1およびPP2のモデルパラメータを表2に示す。
図6および図7に、PP1およびPP2の粘度データおよび曲線を示す。
<Raw materials>
Two different grades of homopolypropylene (F-704NP and J107G, manufactured by Prime Polymer) were used. The melt flow rates were 7.0 and 30 g/10 min, respectively. The measurements were performed according to ISO 1133-97. In the following, F-704NP is referred to as PP1 and J107G as PP2. To evaluate the parameters of the viscosity model equations (6) and (7), the shear viscosity was measured with a modular compact rheometer (MCR 102 Anton Paar, Graz, Auatria). The shear rate measurement range was 0.01-100/s, and the measurement temperatures were 463, 473 and 483 K (190, 200 and 210 °C). The reference temperature was set at 473 K (200 °C). The model parameters of PP1 and PP2 obtained as a result of the curve fitting are shown in Table 2.
Figures 6 and 7 show the viscosity data and curves for PP1 and PP2.
PPの活性化エネルギーを評価するため、Kissingerの方法を用いた(Chan, J.H.; Balke, S.T. The thermal degradation kinetics of polypropylene: Part III. Thermogravimetric analyses. Polym. Degrad.Stab. 1997, 57, 135-149.)。PPの熱分解による重量損失データを得るため、同時に熱重量測定装置(STA7200、日立ハイテクサイエンス製)を用いて、PP1を空気雰囲気下で測定した。昇温速度を2、4および8K/分間とした。それぞれの測定において、試料重量はおおよそ10mgであった。
図8はPP1の熱重量分析(TGA)の結果を示すグラフである。TGA分析における各昇温速度β(K/分間)について、重量分率Xにおける温度を測定した。Kissinger's法では以下の式を用いた。
To evaluate the activation energy of PP, the Kissinger method was used (Chan, JH; Balke, ST The thermal degradation kinetics of polypropylene: Part III. Thermogravimetric analyses. Polym. Degrad.Stab. 1997, 57, 135-149.). To obtain weight loss data due to thermal decomposition of PP, PP1 was simultaneously measured in air using a thermogravimetric analyzer (STA7200, Hitachi High-Tech Science). The heating rates were 2, 4, and 8 K/min. The sample weight was approximately 10 mg for each measurement.
8 is a graph showing the results of thermogravimetric analysis (TGA) of PP1. For each heating rate β (K/min) in the TGA analysis, the temperature at weight fraction X was measured. The following equation was used in the Kissinger's method.
図9は、Xを0.4、0.5、0.6または0.7に固定したときのデータセット(1/T、ln(β/T2))および回帰曲線を示している。X=0.4、0.5、0.6および0.7におけるEの値を計算し、その平均値は80.2kJ/molであった。
9 shows the data set (1/T, ln(β/T 2 )) and the regression curves when X is fixed at 0.4, 0.5, 0.6, or 0.7. The values of E were calculated for X=0.4, 0.5, 0.6, and 0.7, and the average was 80.2 kJ/mol.
<実施例1:ヌセルト数の検討>
図10に本実施例で用いた高せん断押出機のスクリュの構成の概要を示す。なお、図中の矢印は樹脂の流れの方向を示し、以下の図においても同様に、樹脂の流れを矢印で示す。深さ3mm、リード15mm、長さ45mmの溝を備えたスクリュエレメントを用いた。高せん断押出機には、孔の直径4mm、長さ25mmのダイを用い、押出速度は4.8kg/時間とした。バレル温度は468Kおよび573K(195℃および300℃)とした。スクリュ回転速度は、100、1000、2000回転/分間とした。樹脂としてPP1を用い、ダイの出口におけるPP1の温度を測定した。
Example 1: Nusselt number study
FIG. 10 shows an outline of the screw configuration of the high shear extruder used in this example. The arrows in the figure indicate the direction of resin flow, and the flow of resin is also indicated by arrows in the following figures. A screw element with a groove of 3 mm depth, 15 mm lead, and 45 mm length was used. A die with a hole diameter of 4 mm and a length of 25 mm was used for the high shear extruder, and the extrusion rate was 4.8 kg/hour. The barrel temperatures were 468 K and 573 K (195° C. and 300° C.). The screw rotation speeds were 100, 1000, and 2000 rpm. PP1 was used as the resin, and the temperature of PP1 at the outlet of the die was measured.
<高せん断押出機によるPPの分子鎖切断>
<実施例2>
図11は、高せん断押出機のスクリュの構成を示す模式図である。深さ3mm、リード22.5mm、長さ45mmの溝を備えたスクリュエレメントを用いた。樹脂の流れ方向における最後部のスクリュエレメントは、溝深さは同じだが、リード15mm、長さ30mmである点においてその前のスクリュエレメントと異なっている。本実施例におけるスクリュのヌセルト数については、最後部のスクリュエレメントの形状を、樹脂の最上流側のスクリュエレメントの形状に置き換えて評価した。ただし、流速計算等に関する他の計算は、最後部のスクリュエレメントの幾何形状を考慮して行った。
<Molecular chain scission of PP using a high shear extruder>
Example 2
FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of the screw of the high shear extruder. A screw element with a groove having a depth of 3 mm, a lead of 22.5 mm, and a length of 45 mm was used. The rearmost screw element in the flow direction of the resin has the same groove depth, but is different from the previous screw element in that it has a lead of 15 mm and a length of 30 mm. The Nusselt number of the screw in this example was evaluated by replacing the shape of the rearmost screw element with the shape of the screw element on the most upstream side of the resin. However, other calculations such as flow rate calculation were performed taking into account the geometric shape of the rearmost screw element.
図11において影を付した部分は、貫通穴を備えた逆ねじ要素(図5参照)を示している。この要素は、直径2mm、長さ45mmの4つの貫通穴を備えている。高せん断押出機は、直径2mm、長さ25mmのダイを備えている。バレル温度は468K(195℃)に設定し、押出速度を4.8kg/時間とした。スクリュ回転速度を、2000、2500、3000および3600回転/分間とした。樹脂としてPP1を用いた。PP1の温度は、図11における点Pおよびダイの出口で測定した。高せん断処理後のPP1のゼロせん断粘度は、参照温度473K(200℃)で測定した。 The shaded area in Fig. 11 shows a reverse-thread element with through holes (see Fig. 5). This element has four through holes with a diameter of 2 mm and a length of 45 mm. The high-shear extruder has a die with a diameter of 2 mm and a length of 25 mm. The barrel temperature was set at 468 K (195 °C) and the extrusion rate was 4.8 kg/h. The screw rotation speeds were 2000, 2500, 3000 and 3600 rpm. PP1 was used as the resin. The temperature of PP1 was measured at point P in Fig. 11 and at the die exit. The zero-shear viscosity of PP1 after high-shear treatment was measured at a reference temperature of 473 K (200 °C).
<実施例3>
図12は、本実施例において用いた高せん断押出機のスクリュの構成を示す模式図である。溝深さが3mm、リード15mm、長さ45mmのスクリュエレメントを用いた。図12において影を付した部分は、実施例2同様である。直径3mm、長さ25mmのダイを備えた高せん断押出機を用いた。樹脂として、PP2を用いた。押出速度を10kg/時間、スクリュ回転速度を3600回転/分間にそれぞれ固定し、バレル温度を578Kまたは628K(300℃または350℃)とした。樹脂温度は、ダイの出口で測定した。高せん断処理後のPP2のゼロせん断粘度は、参照温度473K(200℃)で測定した。
Example 3
FIG. 12 is a schematic diagram showing the screw configuration of the high shear extruder used in this example. A screw element with a groove depth of 3 mm, a lead of 15 mm, and a length of 45 mm was used. The shaded parts in FIG. 12 are the same as in Example 2. A high shear extruder equipped with a die with a diameter of 3 mm and a length of 25 mm was used. PP2 was used as the resin. The extrusion rate was fixed at 10 kg/h, the screw rotation speed was fixed at 3600 rpm, and the barrel temperature was set to 578 K or 628 K (300 ° C. or 350 ° C.). The resin temperature was measured at the outlet of the die. The zero shear viscosity of PP2 after high shear treatment was measured at a reference temperature of 473 K (200 ° C.).
<結果>
表3に実施例1のシミュレーションにより得られた予測値と実測値とを示す。ここでは、熱伝導のみに焦点を当てるため、粘度低下の影響を考慮していない。スクリュ回転速度を100回転/分間に固定して、バレル温度を473Kから578Kに上げると、ヌセルト数の算出値が少し大きくなった。その結果、高せん断押出機の出口における温度の算出値Tfも同様に、N=100回転/分間、バレル温度Tb=473KのときのNu=8.92を用いて得られる算出値から変化した。ヌセルト数の最適化により、シミュレーションによる予測値が実測値に近づくことが明らかになった。
Table 3 shows the predicted and measured values obtained by the simulation of Example 1. The effect of viscosity reduction is not considered here, since we are only focusing on heat transfer. The calculated Nusselt number was slightly increased when the barrel temperature was increased from 473 K to 578 K, with the screw speed fixed at 100 rpm. As a result, the calculated temperature at the outlet of the high shear extruder, Tf , also changed from the calculated value obtained with Nu = 8.92 at N = 100 rpm and barrel temperature Tb = 473 K. It was found that the optimization of the Nusselt number brought the predicted values by the simulation closer to the measured values.
バレル温度を468K(195℃)に固定し、スクリュ回転数を100回転/分間から1000回転/分間以上に増やすと、計算により得られるヌセルト数の値が大きくなった。これは強制対流の場合の熱伝達係数が流速に依存し、高速で流れる樹脂がバレルに冷却される程度が大きいことによる。その結果として、本発明のシミュレーション方法により予測されたTfの予測値は、Nu=8.92を用いて得られた予測値Tfよりも小さくなった。このことから、本発明のシミュレーション方法は、従来考慮されていなかったスクリュ回転数とバレル温度による影響を、ヌセルト数として予測値に組み込んでいるといえる。N=1000、2000回転/分間のシミュレーション結果と実測値との間にTfに大きな差があることは、熱分解によって樹脂粘度が減少したことによると考えられる。 When the barrel temperature was fixed at 468 K (195° C.) and the screw rotation speed was increased from 100 rpm to 1000 rpm or more, the value of the Nusselt number obtained by calculation increased. This is because the heat transfer coefficient in the case of forced convection depends on the flow rate, and the resin flowing at high speed is cooled to a large extent by the barrel. As a result, the predicted value of T f predicted by the simulation method of the present invention was smaller than the predicted value T f obtained using Nu = 8.92. From this, it can be said that the simulation method of the present invention incorporates the influence of the screw rotation speed and barrel temperature, which were not considered in the past, into the predicted value as the Nusselt number. The large difference in T f between the simulation results and the actual values at N = 1000 and 2000 rpm is thought to be due to the decrease in resin viscosity due to thermal decomposition.
<高せん断押出機によるPPの分解>
図13A、図13Bは、実施例2において3600回転/分間のときのシミュレーション結果により得られた予測値と実測値とを示すグラフである。図13A、図13Bに示すように、頻度因子Aを0とする(粘度低下を考慮しない)と、高せん断押出機の出口における予測温度および参照ゼロせん断粘度が、実測値と一致しない。これは、参照ゼロせん断粘度ηrが下がらず、せん断発熱が過度に評価されるためである。対して、A=5.7×105に設定したシミュレーションによる予測値は、実測値とよく一致したことから、以下では、Aを5.7×105に固定した。
Decomposition of PP using a high shear extruder
13A and 13B are graphs showing predicted and measured values obtained by the simulation results at 3600 rpm in Example 2. As shown in FIG. 13A and FIG. 13B, when the frequency factor A is set to 0 (not considering viscosity reduction), the predicted temperature and reference zero shear viscosity at the outlet of the high shear extruder do not match the measured values. This is because the reference zero shear viscosity ηr does not decrease and shear heat generation is overestimated. In contrast, the predicted values by the simulation set to A = 5.7 × 10 5 matched well with the measured values, so in the following, A is fixed at 5.7 × 10 5 .
表4は、実施例2のシミュレーションにより得られた予測値と実測値とを示す。全ての回転速度において、Tpおよびηrfの予測値は、実測値と非常によく一致した。
図14A、図14Bは、実施例2における、温度及び参照ゼロせん断粘度のシミュレーション結果を示す。スクリュの回転速度が増加するに従い、せん断発熱により温度が増加し、樹脂の熱分解(分子鎖切断)により粘度が低下した。粘度は貫通穴およびダイの前の位置において大きく低下した。これは、この位置において、スクリュが樹脂により完全に充満されているため、樹脂に大きなせん断力が加えられ、また滞留時間も非充満状態に比べて長いためである。貫通穴およびダイの内側では、樹脂に加えられるせん断力が小さく、および滞留時間が短いことから、樹脂の熱分解が抑制された。貫通穴では、断熱状態であるため温度は大きく変化しなかったが、ダイは568K(195℃)に維持されたため、ダイにおいて樹脂の温度が低くなった。 Figures 14A and 14B show the simulation results of temperature and reference zero shear viscosity in Example 2. As the screw rotation speed increases, the temperature increases due to shear heating, and the viscosity decreases due to thermal decomposition of the resin (molecular chain scission). The viscosity significantly decreases in the through hole and in front of the die. This is because at this position, the screw is completely filled with resin, so a large shear force is applied to the resin and the residence time is longer than in an unfilled state. Inside the through hole and die, the shear force applied to the resin is small and the residence time is short, so the thermal decomposition of the resin is suppressed. In the through hole, the temperature did not change significantly due to the adiabatic state, but the die was maintained at 568 K (195 °C), so the temperature of the resin at the die was lower.
樹脂が貫通穴から排出された後では、高いスクリュ回転速度にも関わらず、樹脂の温度が徐々に低下した。これは、貫通穴の前(樹脂の流れの上流側)における粘度低下により、樹脂に生じるせん断発熱が減少し、バレルへの熱伝導が支配的になったことによる。 After the resin was discharged from the through hole, the temperature of the resin gradually decreased despite the high screw rotation speed. This was because the viscosity decreased in front of the through hole (upstream of the resin flow), which reduced the shear heat generated in the resin, and heat conduction to the barrel became dominant.
実施例3では、バレル長を長く、バレル温度を573K(300℃)以上に変更した。スクリュ回転数は最大値3600回転/分間に固定した。4つの貫通穴を持つせき止め部を4箇所備えたスクリュを用いた。 In Example 3, the barrel length was increased and the barrel temperature was changed to 573 K (300°C) or higher. The screw rotation speed was fixed at a maximum value of 3600 rpm. A screw with four dam sections with four through holes was used.
表5は、実施例3における、出口温度および出口における参照ゼロせん断粘度のシミュレーションおよび実測値を示す。出口温度のシミュレーションによる予測値は、実施例2から予測されたように、実測値よりやや低かったが、参照ゼロせん断粘度のシミュレーション結果は実測値との一致が良好であった。 Table 5 shows the simulated and measured values of the outlet temperature and the reference zero shear viscosity at the outlet in Example 3. The simulated predicted value of the outlet temperature was slightly lower than the measured value, as predicted from Example 2, but the simulated result of the reference zero shear viscosity was in good agreement with the measured value.
図15は、樹脂のMFR値を特定するために作成した校正曲線(検量線)である。この検量線を用いて求めた、Tb=573K、623K(300℃、350℃)のMFR値は、938g/10分間および2411g/10分間であった。以上のようにして、高せん断加工装置を用いて、1000g/10分間以上のMFR値を有する低分子量化した種々のPPを製造することができた。 Figure 15 shows a calibration curve (calibration line) created to determine the MFR value of the resin. Using this calibration curve, the MFR values at Tb = 573K and 623K (300°C, 350°C) were 938g/10min and 2411g/10min. In this way, various low molecular weight PPs with MFR values of 1000g/10min or more could be produced using the high shear processing device.
本発明は、例えば、汎用されているポリプロピレン樹脂にせん断力を加えて、不織布の原料として使用可能な低粘度のポリプロピレン樹脂を製造する際における押出機内および処理後の圧力、滞留時間、樹脂の充満率、樹脂の粘度および温度を予測するために利用できる。 The present invention can be used, for example, to predict the pressure, residence time, resin filling rate, resin viscosity, and temperature in an extruder and after processing when applying shear force to a commonly used polypropylene resin to produce a low-viscosity polypropylene resin that can be used as a raw material for nonwoven fabrics.
Claims (4)
前記押出機の出口を対象部位として、樹脂の圧力、温度および粘度の推定値を設定する推定値設定ステップと、
前記樹脂の物性、前記押出機の構成および運転条件を用いて、前記対象部位における前記樹脂の流速および圧力勾配を算出する流速・圧力勾配算出ステップと、
前記ヌセルト数、前記流速および前記圧力勾配を用いて、前記対象部位における温度勾配および粘度勾配を算出する温度勾配・粘度勾配算出ステップと、
前記圧力勾配、前記温度勾配および前記粘度勾配を用いて、前記対象部位から前記押出機の入口側に、所定距離離れた隣接部位の圧力、温度および粘度を算出する圧力・温度・粘度算出ステップと、
前記隣接部位が、前記押出機の入口であるか否かを判断する、部位判定ステップと、を備え、
前記部位判定ステップにおいて、前記隣接部位が前記押出機の入口ではないとされた場合、前記隣接部位を新たな対象部位とし、前記圧力・温度・粘度算出ステップにより算出された算出値を用いて、前記流速・圧力勾配算出ステップ、前記温度勾配・粘度勾配算出ステップ、前記圧力・温度・粘度算出ステップおよび前記部位判定ステップを行い、
前記部位判定ステップにおいて、前記隣接部位が前記押出機の入口であるとされた場合、前記圧力・温度・粘度算出ステップにより算出された前記算出値と、前記入口における実測値を比較する比較ステップを行い、
前記比較ステップにおいて、前記算出値と前記実測値とが一致しない場合、前記推定値設定ステップに戻り、樹脂の圧力、温度および粘度について、その残差が小さくなるように求根アルゴリズムを用いて別の推定値を設定し、前記算出値と前記実測値とが一致するまで上記各ステップを繰り返し、
前記比較ステップにおいて、前記算出値と前記実測値とが一致する場合、前記推定値設定ステップにおいて推定値として設定した樹脂の圧力、温度および粘度を予測値とする、
押出機のシミュレーション方法。 A Nusselt number calculation step of calculating the Nusselt number in the screw for each combination of the screw rotation speed and barrel temperature of the extruder;
an estimated value setting step of setting estimated values of pressure, temperature and viscosity of a resin with an outlet of the extruder as a target site;
a flow velocity and pressure gradient calculation step of calculating a flow velocity and a pressure gradient of the resin in the target portion using physical properties of the resin, a configuration of the extruder, and operating conditions of the extruder;
a temperature gradient/viscosity gradient calculation step of calculating a temperature gradient and a viscosity gradient in the target portion using the Nusselt number, the flow velocity, and the pressure gradient;
a pressure/temperature/viscosity calculation step of calculating the pressure, temperature, and viscosity of an adjacent portion separated by a predetermined distance from the target portion on the inlet side of the extruder by using the pressure gradient, the temperature gradient, and the viscosity gradient;
and a part determination step of determining whether the adjacent part is an inlet of the extruder,
When it is determined in the part determination step that the adjacent part is not the inlet of the extruder, the adjacent part is treated as a new target part, and the flow rate and pressure gradient calculation step, the temperature gradient and viscosity gradient calculation step, the pressure, temperature and viscosity calculation step, and the part determination step are performed using the values calculated in the pressure, temperature and viscosity calculation step;
When the adjacent part is determined to be an inlet of the extruder in the part determination step, a comparison step is performed in which the calculated values calculated in the pressure, temperature, and viscosity calculation step are compared with actual measured values at the inlet,
If the calculated values do not match the measured values in the comparison step, the process returns to the estimated value setting step, and another estimated value is set for the pressure, temperature, and viscosity of the resin using a root-finding algorithm so as to reduce the residual. The above steps are repeated until the calculated values match the measured values.
if the calculated values and the actual measured values match in the comparing step, the pressure, temperature, and viscosity of the resin set as the estimated values in the estimated value setting step are set as predicted values;
How to simulate an extruder.
前記対象部位判定ステップにおいて、前記対象部位が前記スクリュであると判断された場合、前記圧力が正かゼロ以下かを判断する充満度判定ステップ、をさらに備えている、
請求項1に記載の押出機のシミュレーション方法。 The method further includes a target part determination step of determining whether the target part is a screw or another part, and a filling degree determination step of determining whether the pressure is positive or below zero when the target part is determined to be the screw in the target part determination step.
The method for simulating an extruder according to claim 1 .
前記スクリュにおけるヌセルト数Nuを以下の式(17)を用いて算出し、
前記スクリュ以外の部位におけるヌセルト数Nuを以下の式(23)を用いて算出する、
請求項2に記載の押出機のシミュレーション方法。 The Nusselt number calculation step
The Nusselt number Nu in the screw is calculated using the following formula (17),
The Nusselt number Nu at the portion other than the screw is calculated using the following formula (23).
The method for simulating an extruder according to claim 2.
前記押出機の出口を対象部位として、樹脂の圧力、温度および粘度を設定する推定値設定ステップと、
前記樹脂の物性、前記押出機の構成および運転条件を用いて、前記対象部位における前記樹脂の流速および圧力勾配を算出する流速・圧力勾配算出ステップと、
前記ヌセルト数、前記流速および前記圧力勾配を用いて、前記対象部位における温度勾配および粘度勾配を算出する温度勾配・粘度勾配算出ステップと、
前記圧力勾配、前記温度勾配および前記粘度勾配を用いて、前記対象部位から前記押出機の入口側に、所定距離離れた隣接部位の圧力、温度および粘度を算出する圧力・温度・粘度算出ステップと、
前記隣接部位が、前記押出機の入口であるか否かを判断する、部位判定ステップと、を備え、
前記部位判定ステップにおいて、前記隣接部位が前記押出機の入口ではないとされた場合、前記隣接部位を新たな対象部位とし、前記圧力・温度・粘度算出ステップにより算出された算出値を用いて、前記流速・圧力勾配算出ステップ、前記温度勾配・粘度勾配算出ステップ、前記圧力・温度・粘度算出ステップおよび前記部位判定ステップを行い、
前記部位判定ステップにおいて、前記隣接部位が前記押出機の入口であるとされた場合、前記圧力・温度・粘度算出ステップにより算出された前記算出値と、前記入口における実測値とを比較する比較ステップを行い、
前記比較ステップにおいて、前記算出値と前記実測値とが一致しない場合、前記推定値設定ステップに戻り、樹脂の圧力、温度および粘度について、その残差が小さくなるように求根アルゴリズムを用いて別の推定値を設定し、前記算出値と前記実測値とが一致するまで上記各ステップを繰り返し、
前記比較ステップにおいて、前記算出値と前記実測値とが一致する場合、前記推定値設定ステップにおいて推定値として設定した樹脂の圧力、温度および粘度を予測値とする、
押出機のシミュレーション方法をコンピュータに実行させるシミュレーションプログラム。 A Nusselt number calculation step of calculating the Nusselt number of the screw for each combination of the screw rotation speed and barrel temperature of the extruder;
an estimated value setting step of setting the pressure, temperature and viscosity of the resin with the outlet of the extruder as a target site;
a flow velocity and pressure gradient calculation step of calculating a flow velocity and a pressure gradient of the resin in the target portion using physical properties of the resin, a configuration of the extruder, and operating conditions of the extruder;
a temperature gradient/viscosity gradient calculation step of calculating a temperature gradient and a viscosity gradient in the target portion using the Nusselt number, the flow velocity, and the pressure gradient;
a pressure/temperature/viscosity calculation step of calculating the pressure, temperature, and viscosity of an adjacent portion separated by a predetermined distance from the target portion on the inlet side of the extruder by using the pressure gradient, the temperature gradient, and the viscosity gradient;
and a part determination step of determining whether the adjacent part is an inlet of the extruder,
When it is determined in the part determination step that the adjacent part is not the inlet of the extruder, the adjacent part is treated as a new target part, and the flow rate and pressure gradient calculation step, the temperature gradient and viscosity gradient calculation step, the pressure, temperature and viscosity calculation step, and the part determination step are performed using the values calculated in the pressure, temperature and viscosity calculation step;
When the adjacent part is determined to be an inlet of the extruder in the part determination step, a comparison step is performed in which the calculated values calculated in the pressure, temperature, and viscosity calculation step are compared with actual measured values at the inlet,
If the calculated values do not match the measured values in the comparison step, the process returns to the estimated value setting step, and another estimated value is set for the pressure, temperature, and viscosity of the resin using a root-finding algorithm so as to reduce the residual. The above steps are repeated until the calculated values match the measured values.
if the calculated values and the actual measured values match in the comparing step, the pressure, temperature, and viscosity of the resin set as the estimated values in the estimated value setting step are set as predicted values;
A simulation program that causes a computer to execute a simulation method for an extruder.
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