さわやかな朝にプラスチック加工工場の前を通ったことがあれば、細くて均一なプラスチックのひもが、水筒から自動車の部品に至るまで、あらゆるものの原料となる小さな均一なペレットに切断されていることに気づくかもしれません。このきちんとした正確なプロセスは、ほとんどの人が目にすることのない主力製品、つまりペレット化ラインの中心にあるダイヘッドにかかっています。 12 年以上、ペレット化ラインのサプライヤーとして、私はダイヘッドが汚く溶けたプラスチックを製造業の普遍的な製品に変えるのを見てきました。そして今日は、この地味なコンポーネントがどのようにしてそのような重労働を行うのかを正確に説明したいと思います。
まず、これを文脈に基づいて考えてみましょう。ペレット化ラインはダイヘッドから始まるのではなく、押出機から始まります。押出機は、生のプラスチック樹脂 (および多くの場合、添加剤、着色剤、リサイクル材料) を均一で粘稠な溶融物に溶かします。多くのお客様にとって、これは材料を均一に混合するために必要なせん断力と温度を提供する二軸押出機から始まります。私たちがよくお勧めするのは、Ht ハイトルクシリーズ二軸プラスチック押出機大量の配合の場合、またはベーシックシリーズ二軸押出機小規模で精度を重視した実行に適しています。溶融物が完全に混合されると、スクリーン チェンジャーを通して前方にポンプで送られ、分散していない破片や金属汚染物質がろ過されます。このステップは非常に重要です。なぜなら、小さな粒子でもダイヘッドの小さな穴が詰まり、何時間もの生産が台無しになる可能性があるからです。
さて、ダイヘッドは、魔法が「溶融スロップ」から「ペレット準備の整ったストランド」に移行する場所です。これは、押出機のバレルの端に取り付けられた固定の金属ブロック (通常、高圧や研磨性の高いプラスチックを扱うための工具鋼または硬化合金) であり、正確な内部流路を備えて設計されています。ここで重要なのは均一な流れです。ダイ内の 1 つのスポットが他のスポットよりも多くのプラスチックを通過させると、得られるストランドの厚さが不均一になり、ペレットが短すぎたり、長すぎたり、直径が異なったりすることになります。そのため、当社では、入ってくる溶融物を等しい流れに分割し、各流れをダイ面に開けられた小さな校正されたオリフィス (穴) に導く一連の分流器、つまりマニホールドを備えたダイヘッドを設計しています。
これらのオリフィスのサイズと数は、お客様が製造するペレットの種類によって完全に異なります。標準的なポリプロピレン ペレットの場合、一般的なオリフィス直径は 2.5 ～ 3.5 ミリメートルですが、カラー マスターバッチ メーカーは、顔料の均一な分散に必要な細かく高密度のペレットを作成するために、より小さな穴を使用することがよくあります。当社はそのようなニッチ向けのソリューションも提供しています。カラーマスターバッチ生産ラインの種類、顔料充填用に調整された押出機とダイヘッドを組み合わせます。生分解性プラスチックなどのより特殊な用途では、PLA や PHA などの材料の低い溶融強度に対応できるようにダイの流動形状を調整します。そこが私たちの生分解性プラスチック水中ペレタイザー専用のダイヘッドと組み合わせて、壊れやすいバイオプラスチックストランドが切断される前に切断されるのを防ぎます。
ちょっと待ってください、よくある誤解を解いておかなければなりません。ダイヘッドは切断を行うわけではありません。その仕事はペレタイザー (下流コンポーネント) が担当しますが、切断作業がどれだけ簡単か難しいかは金型の性能によって決まります。ダイから出たストランドはまだ溶融しているため、垂れたり伸びたりすることなくペレタイザー内を移動できるように十分に安定している必要があります。その安定性は、上流の押出機からの溶融一貫性とダイの温度制御という 2 つの要因によってもたらされます。ほとんどの高品質のダイヘッドには、統合された発熱体 (通常は電気) または温度制御ジャケットが組み込まれており、溶融状態をプラスチックの融点より 10 ～ 20 ℃ 高い温度に一定に維持します。熱すぎるとストランドが柔らかすぎて、動くにつれて伸びて直径が変化します。冷たすぎるとプラスチックが途中で固まり、オリフィスが詰まったり、塊状で使用不可能なストランドが残ったりします。
ダイヘッド操作のより微妙な部分の 1 つは圧力管理です。押出機は、プラスチックの種類に応じて、通常 100 ～ 300 bar の高圧を発生させて、溶融物をダイの狭いオリフィスに押し込みます。圧力が急激に上昇すると、押出機に負担がかかり、さらにはダイ面に亀裂が生じる可能性があります。落下すると流れが遅くなり、ストランドが不均一になります。当社のエンジニアは、組み合わせられる特定の押出機モデルに合わせて各ダイヘッドを調整します。たとえば、当社のダイヘッドなどです。環境に優しいグラフト化および鎖延長ペレタイジングラインは、一定の圧力下でも反りに耐える強化されたマニホールドを備え、グラフトポリマーのわずかに高い粘度を処理できるように設計されています。また、当社ではすべてのダイヘッドに圧力監視センサーを搭載しているため、お客様はダウンタイムが発生する前に流れの問題を発見できます。これにより、小規模製造業者が数千社の生産損失を救えるのを私は見てきました。
メンテナンスは、ダイヘッドが長期的に機能するもう 1 つの重要な部分ですが、新しいペレット化ラインの所有者によって見落とされがちです。時間の経過とともに、プラスチックの残留物 (「ダイの蓄積」と呼ばれる) がオリフィスの周囲に蓄積し、穴が狭くなり、ストランドのサイズが変化することがあります。汚れた再生プラスチックの加工では、ガラス繊維やタルクなどの研磨性フィラーがダイのオリフィスのエッジを摩耗させる可能性があり、たとえ流れが均一であってもペレットが不均一になる可能性があります。当社では、すべてのお客様に簡単な洗浄ルーチンのトレーニングを行っています。生産を実行するたびに、ダイがまだ温かいうちに、押出機をきれいな樹脂 (低密度ポリエチレンなど) でパージし、次にダイ面を分解して加熱した洗浄液に浸して、残っているポリマーを溶解します。除去が難しい付着物については、オリフィスの精度を新品同様の状態に戻すカスタムのダイ面研磨サービスをお勧めします。
これをすべて結び付けるために実際の例を見てみましょう。昨年、年間 10,000 トンのカラーマスターバッチを製造しているクライアントが、顧客から拒否されている一貫性のないペレットを持って当社にやって来ました。同社の既存のラインでは、サードパーティサプライヤーの汎用ダイヘッドを基本的な二軸押出機と組み合わせて使用していました。 2mm のオリフィスのニーズに合わせて調整された精密機械加工のダイヘッドに交換し、当社のHt ハイトルクシリーズ二軸プラスチック押出機（これにより、バレル全体にわたってより安定した溶融温度と圧力が実現されました）、新しいストランドの均一性に合わせてペレタイザーの速度を調整しました。 2 週間以内に、ペレットの不良率は 8% から 1% 未満に低下し、生産能力は 12% 増加しました。これはすべて、ダイヘッドの適合性が向上したおかげです。
もう 1 つの一般的な使用例は、従来のプラスチックよりも溶融強度が低い生分解性プラスチックを使用したものです。堆肥化可能な刃物ペレットを製造している新興企業の顧客は、古いラインでは 1 時間に 3 回繊維が切れてしまい、材料の無駄として 1 週間に 2,000 ドルのコストがかかっていたと語った。私たちが設置したのは、生分解性プラスチック水中ペレタイザー改良されたダイヘッドを使用して、溶融物を安定に保ちながらも柔らかすぎない程度に加熱し、オリフィスの間隔を調整して切断前にストランドが移動する距離を減らしました。これにより、ストランドの切断がほぼすべてなくなり、それ以来、生産量が 2 倍になりました。
ダイヘッドに発生する一般的な問題についてはどうですか?私はすべてを見てきました。上流での不十分なろ過によるオリフィスの詰まり、「太い」ストランドと「細い」ストランドが並んで生じる不均一な温度、長時間の稼働中の過熱によるダイ面の歪みなどです。解決策は、ほとんどの場合、ダイがラインの残りの部分とどの程度うまく適合しているか、およびメンテナンスに関係します。たとえば、ミシガン州の顧客は、ダイヘッドを洗浄せずに 6 か月間 24 時間 365 日ラインを稼働させていましたが、オリフィスの周囲に樹脂が蓄積したためにペレットがくっついていることに気づきました。 45 分間のダイの洗浄とキャリブレーションで問題は解決し、毎月のダイのメンテナンス チェックをスケジュールに追加しました。
ペレット化ラインのサプライヤーとして、私が最も大切にしていることの 1 つは、クライアントが各コンポーネントが単なる個別の部品としてではなく、どのように連携して機能するかを理解できるように支援することです。ダイヘッドはブラックボックスではありません。押出機から出てくる乱雑に混合された溶融物を、信頼性が高く、一貫性があり、すぐに製造に使用できる製品に変える精密コンポーネントです。標準的なプラスチック ペレット、カラー マスターバッチ、革新的な生分解性材料のいずれを製造している場合でも、ダイヘッドは最終製品の品質を決定する縁の下の力持ちです。
既存のペレット化ラインのアップグレード、または生産ニーズに合わせた新しいラインの調達をお考えの場合、当社のチームは、お客様の特定の目標を達成するためにダイヘッドを押出機、ペレタイザー、および下流機器と設計および統合する数十年の経験があります。当社は小規模な新興企業や大手工業メーカーと同様に協力しており、大量配合からグラフトポリマーなどのニッチな材料まで、あらゆるものにカスタムソリューションを提供できます。当社のチームに連絡して要件について話し合ってください。生産効率と製品品質を向上させるための適切な設定を見つけるお手伝いをいたします。
参考文献
- ロサト、D.V.、ロサト、M.G. (2004)。プラスチックの押出加工(第2版)。ハンザー・ガードナー出版物。
- Zheng, Y. 他（2018年）。 「二軸押出機のダイにおけるポリマー溶融物の流動解析」応用高分子科学ジャーナル、１３５（２２）、４６２１７。
- プラスチック工業協会。 （2021年）。ペレット化ラインの設計とメンテナンスのガイド。プラスチック工業協会。
- Zhang、L.ら。 （2020年）。 「生分解性ポリマーペレット化のためのダイヘッド温度制御」ポリマー工学と科学、60(9)、2145-2153。
