最終物性構造に重要な溶融、混合・混練過程を含む非等温高分子成形プロセスの数値解析

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11555201
• Research Institution: KYUSHU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 船津 和守 九州大学, 大学院・工学研究院, 教授 (80037960)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田上 秀一 福井大学, 工学部, 講師 (40274500) ; 梶原 稔尚 九州工業大学, 工学部, 助教 (10194747) ; 木原 伸一 九州大学, 大学院・工学研究院, 助手 (30284524) ; 古閑 二郎 埼玉大学, 工学部, 教授 (60142642)
• Keywords: 高分子成形加工 / 数値シミュレーション / 非ニュートン流体 / 粘弾性流体 / 非等温 / 多相流動 / 二軸スクリュ押出機 / ダイスウェル

Research Abstract

1.二軸スクリュ押出機内の充満部および非充満部の混練・混合機構の解明
(1)二軸スクリュ押出機の混合性能評価:マーカー追跡に簡易的な液滴分裂モデルを用いて、4ピッチのコンフィグレーション形状での液滴分裂過程を追跡し、逆ねじれのニーディングブロックを含む形状が高い応力と伸長変形を発生するため分散混合に優れていることなどを示唆した。(2)高速回転型二軸スクリュ押出機の三次元非等温流動解析プログラムの開発:l,000rpm以上の高速回転型二軸スクリュ押出機の数値解析プログラムを流線上流型有限要素法を用いて開発し、中立ねじれのニーディングブロックは逆ねじれのニーディングブロックよりも分配混合性能に優れるが、温度上昇が高いことが分かった。(3)非充満部の二軸スクリュ押出機の数値流動解析プログラムの開発:粒子法を用いて二軸スクリュ押出機の二次元断面の非充満混合過程を予測する解析プログラムを開発し、かみ合い部で流体は圧縮変形され、クリアランスからの漏れ流れにより界面積が増加する傾向が予測された。
2.多成分系高分子構造形成および粘弾性を考慮した押出形成過程の現象の解明
(1)粘弾性流動解析プログラムの開発:(i)三次元粘弾性矩形ダイスウェル;Larsonモデルを用いて、三次元矩形ダイスウェルシミュレーションプログラムを開発し、見かけの剪断速度10s^<-1>までの解析が可能になった。(ii)フィルムキャスティング工程;Larson、PTTモデルを用いて、多重緩和モードを考慮した非等温粘弾性解析プログラムを開発し、フィルム幅の実験値を良好に再現するとともに、冷却効果が大きいほどネックインは小さくなり、ネッキングは一軸伸長粘度と平面伸長粘度の比がより低伸長速度で増大する材料ほどネックインが小さくなることなどを明らかにした。(2)流動場における相構造形成解析プログラムの開発:(i)有限要素法による相構造形成過程のプログラムの開発;汎用性を目的に、三次エルミート補間を用いたGalerkin有限要素法と流線上流型解法により相分離を伴う数値流動解析プログラムを開発したが、数値的不安定性のため低い剪断速度で発散し、相構造の変化をとらえるまでは解析できなかった。(ii)結晶化を伴う丸棒押出成形過程;冷却による結晶化を伴う粘弾性数値流動解析プログラムを開発し、結晶化層と溶融層間での不均一な結晶化過程などを予測したが、実験的にみられる断面の結晶形態の相違は予測されなかった。

Research Products

• [Publications] H.Watanabe,S.Kihara and K.Funatsu: "Numerical Simulation of Double-Layer Flow from Tube-in-Orifice Spinnerets"Polymer Engineering and Science. 40・3. 715-726 (2000)
• [Publications] 安田健,田上秀一,家元良幸: "高分子流体の非等温粘弾性ダイスウェルシミュレーション"日本機械学会北陸信越支部第37期総会講演論文集. No.007-1. 211-212 (2000)
• [Publications] 渡辺春彦,木原伸一,船津和守: "修正Giesekusモデルによる紡糸過程の2層ダイスウェルシミュレーション"成形加工. 12・4. 223-229 (2000)
• [Publications] M.Miyazaki,M.Yamaura,T.Takayama,S.Kihara and K.Funatsu: "3-D Flow Simulation of Shielding Disk in Twin Screw Extruders"Polymer Processing Society Sixteenth Annual Meeting, Shanghai, China, Proceedings of the Conference. (I). 268-269 (2000)
• [Publications] S Kihara,T.Ariura and K.Funatsu: "Numerical Simulation of Polymer Phase Separation in Flow System Using Finite Element Method"Polymer Processing Society Sixteenth Annual Meeting, Shanghai, China, Proceedings of the Conference. (I). 274-275 (2000)
• [Publications] E.Inoue,S.Kihara and K.Funatsu: "Numerical Simulation of Non-isothermal Crystallization in Cylindrical Rod Extrusion Process"Polymer Proceeding Society Sixteenth Annual Meeting, Shanghai, Chian, Proceedings of the Conference. (I). 294-295 (2000)
• [Publications] M.Yamaura,M.Miyazaki,T.Takayama,S.Kihara and K.Funatsu: "3-D Non-isothermal Flow Simulation of High-rotating Type Co-rotational Twin Screw Extruders"Polymer Processing Society Sixteenth Annual Meeting, Shanghai, China, Proceedings of the Conference. (I). 301-302 (2000)
• [Publications] L.Gang,S.Koyanagi,H.Tomiyama and T.Kajiwara: "Development of Prediction Technique of Droplet Distribution in Polymer Alloy Using Discrete Element Method-Deformation and Breakup of a Single Droplet (Newtonian Fluid)-"Polymer Processing Society Sixteenth Annual Meeting, Shanghai, China, Proceedings of the Conference. (I). 440-441 (2000)
• [Publications] T.Kajiwara,Y.Sueyoshi,H.Timiyama and N.Satoh: "Viscoelastic Analysis of Film Casting for Branched Polymer"Polymer Processing Society Sixteenth Annual Meeting, Shanghai, China, Proceedings of the Conference. (II). 649-650 (2000)
• [Publications] K.Funatus,S.Kihara and M.Miyazaki: "Three-dimensional Numerical Simulation of Non-Newtonian, Non-isothermal Flow and Evaluation of Mixing Performance of Twins Screw Extruders "Album of Visualization. 17. 17-18 (2000)
• [Publications] 田上秀一: "押出成形"成形加工. 12・7. 375-378 (2000)
• [Publications] 木原伸一: "高分子溶融体と溶液のレオロジー特性"成形加工. 12・7. 398-404 (2000)
• [Publications] 木原伸一,宮崎勝,山浦将智,高山徹進,船津和守: "二軸スクリュ押出機内の三次元非等温数値流動伝熱解析"日本機械学会第78期流体工学部門講演会論文集CD-R版. No.00-14. (2000)
• [Publications] 木原伸一,有浦豪真,船津和守: "有限要素法を用いた高分子ブレンドの相構造発展の数値シミュレーション"日本機械学会第78期流体工学部門講演会論文集CD-R版. No.00-14. (2000)
• [Publications] 船津和守,梶原稔尚: "押出成形プロセスの現状と今後の課題"成形加工. 12・11. 676-679 (2000)
• [Publications] 木原伸一,船津和守: "二軸スクリュ押出機内の溶融過程に関するモデル化の動向"成形加工. 12・11. 684-688 (2000)
• [Publications] 船津和守,木原伸一(分担執筆): "" 樹脂/フィラー系混練技術" 第3章 混練機内における樹脂の挙動解析と評価"株式会社 技術情報協会. 320 (2000)
• [Publications] 船津和守,木原伸一(分担執筆): "" ポリマーABCハンドブック(高分子学会 高分子ABC研究会編)" 成形加工編5章3節 ABC各種成形法におけるコンピュータ支援"株式会社 エヌ・ティー・エス. 1202 (2001)
• [Publications] 梶原稔尚(分担執筆): "" ポリマーABCハンドブック(高分子学会 高分子ABC研究会編)" 成形加工編第5章第2節 ABCの流動・混練とコンピュータ支援"株式会社 エヌ・ティー・エス. 1202 (2001)
• [Publications] 梶原稔尚(分担執筆): "" レオロジー工学とその応用技術(中江利昭監修)" 第1編第2章第5節 粘性流体の力学"株式会社 フジ・テクノシステム. 897 (2001)
• [Publications] 船津和守,木原伸一(分担執筆): "" レオロジー工学と産業応用技術(中江利昭監修)" 第3編第2章第1節 高分子成形加工"株式会社 フジ・テクノシステム. 897 (2001)
• [Publications] 梶原稔尚(分担執筆): "" レオロジー工学とその応用技術(中江利昭監修)" 第3編第2章第2節 粘弾性流動解析用構成方程式"株式会社 フジ・テクノシステム. 897 (2001)