JP2006082267A - 透明な成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面が平滑で透明性が良好な、ガラス繊維を配合した透明な成形品を効率よく製造する。
【解決手段】 樹脂成分である芳香族ポリカーボネートを８０重量％、芳香族ポリカーボネートと屈折率が実質的に一致するガラス繊維を２０重量％配合した成形材料を用い、金型１，２の流路６に加熱媒体を供給してキャビティ表面１ａ，２ａを熱変形温度以上、かつ加熱分解温度以下の温度（例えば１５０℃）に加熱した状態で射出する。そして、射出完了後に金型１，２の流路６に冷却媒体を供給してキャビティ表面１ａ，２ａを成形品が変形しない温度（例えば８０℃）まで急激に冷却する、いわゆるヒートサイクル成形法を実施する。これによって、表面にガラス繊維が露出せず表面が平滑である、透明性が高く外観が良好な成形品が短時間で効率よく得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は透明な成形品の製造方法に関する。

従来、射出成形によって製造される合成樹脂成形品は、様々な形状にかなり自由に形成できるという大きな利点を有しており、幅広い分野で用いられている。例えば、ガラス製品の代替品として、ポリカーボネートを材料とした軽く割れにくい透明の合成樹脂成形品が用いられる場合が多い。ただし、ポリカーボネートからなる透明な合成樹脂成形品は、ガラスに比べて剛性が低いという欠点がある。そこで、ポリカーボネートにガラス繊維を混入させて強化することによって、高剛性の合成樹脂成形品を製造することが考えられている。

ガラス繊維を配合した熱可塑性樹脂の成形品は、理論的には、ガラス繊維と樹脂との屈折率が一致すれば透明になるはずである。しかし、屈折率が一致するガラス繊維を配合した熱可塑性樹脂を通常の射出成形法によって成形しても、透明な成形品が得られない場合がある。

具体的に説明すると、従来一般的に用いられている芳香族ポリカーボネートに、例えばＥガラスなどの一般的なガラス繊維を配合して成形しても、透明な成形品とならない。これは、例えば４８０〜６８０ｎｍの波長範囲において、芳香族ポリカーボネートの屈折率が１．６００〜１．５８０程度であるのに対し、Ｅガラスの屈折率が１．５６４〜１．５５２程度であり、両者の屈折率が一致しないからである。そこで、一般的な芳香族ポリカーボネートに、４８０〜６８０ｎｍの波長範囲においてそれとほぼ一致する屈折率（１．６００〜１．５８０程度）を有する高屈折率ガラス繊維（例えば旭ファイバーグラス株式会社製グラスロンチョップドストランド）を配合することが考えられる。しかし、この場合も、透明な成形品は得られない。その原因は、成形品の表面にガラス繊維が露出することにより、成形品の表面が粗くなって乱反射が起こることにある。

特許文献１，２には、ガラス繊維を配合したポリカーボネートを用いて透明な成形品を得るために、他の材料、例えば特定の可塑剤や、屈折率を調整する作用のあるポリカプロラクトン等を混入する方法が開示されている。
特開２００２−２０６１０号公報 特開平９−１６５５０６号公報 特開平１１−３４８０４１号公報

特許文献１，２に開示されている発明はいずれも、ポリカーボネートとガラス繊維に加えて、他の材料を特定の割合だけ配合する必要がある。特許文献１には、ポリカーボネートとガラス繊維に加えて可塑剤を配合することが開示されており、可塑剤の例として、リン系化合物、高級脂肪酸エステル、ポリカプロラクトン等が挙げられている。特許文献２には、ポリカーボネートとガラス繊維に加えてポリカプロラクトンを配合することが開示されており、ポリカプロラクトンをポリカーボネートに混合することによって、混合物の屈折率をガラス繊維の屈折率に近づけることができると記載されている。このように、特許文献１，２の方法では、ポリカーボネートとガラス繊維の他に配合すべき材料が必ず必要であるため、コストの向上を招くとともに、材料の組み合わせや配合割合が詳細に限定されており制約が多く、成形を実施するまでの準備（例えば材料の配合）が面倒である。

また、高温で射出成形するために射出時の金型温度を高くしている場合には、成形品表面を平滑にする効果があることが知られており、それによって成形品の表面の乱反射を抑え、透明性が高まる効果が期待できる。しかし、金型温度を高くすると、可塑化された樹脂の冷却固化に必要な時間が長くなり、成形効率が非常に悪くなる。仮に、射出後短時間で、成形品が十分に冷却固化される前に取り出すと、取り出した成形品が変形し易く、形状が不安定で保管しにくい状態になったり、取り出し動作によって既に変形してしまったりすることが考えられる。また、金型温度を、成形品が短時間で冷却固化する程度の低い温度、特に樹脂の熱変形温度以下にしか加熱しない場合には、成形品表面におけるガラス繊維の露出は完全には無くならず、成形品表面に乱反射が残り、十分な透明性は得られない。

そこで本発明の目的は、ガラス繊維を配合した樹脂成形品の高い透明性が得られ、しかも、そのために金型温度を十分に高温にしても、取り出し時の成形品の変形が起こらず、かつ成形サイクルが短くて作業効率がよく製造コストが低い、透明な成形品の製造方法を提供することにある。

本発明の透明な成形品の製造方法は、樹脂成分と、樹脂成分と屈折率が実質的に一致するガラス繊維とが配合された成形材料を用い、金型のキャビティ表面の温度を樹脂成分の熱変形温度以上に加熱した状態で、成形材料をキャビティ内に射出し、所定量の成形材料の射出が完了したら金型のキャビティ表面を冷却させることを特徴とする。

本発明の製造方法によると、表面が平滑で透明性の高い成形品を得ることができる。すなわち、成形品の表面に、ガラス繊維の存在しないスキン層を形成することによって、成形品の表面にガラス繊維が露出せず、乱反射が防げることによって、高い透明性が達成できる。

なお、本明細書中で、屈折率が実質的に一致するという表現は、透明性が確認できる４８０〜６８０μｍの波長範囲における屈折率の差が±０．００６の範囲内にあることを意味する。

本発明によると、成形品の表面に、ガラス繊維の存在しないスキン層が形成でき、成形品の表面にガラス繊維が露出しないため、表面での乱反射が防げ、透明性が高く表面が平滑な成形品を得ることができる。しかも、スキン層の下層にはガラス繊維が存在するため、成形品の十分な強度が得られる。さらに、射出後の樹脂はキャビティ内で速やかに冷却されて固化するため、成形品の製造効率がよい。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明において用いられる成形装置の構成例を示している。この成形装置は、固定側金型１と、固定側金型１に対して接近したり遠ざかったりするように移動できる可動側金型２を有している。固定側金型１と可動側金型２が接合した状態の時（型締め時）に、両金型１，２の間にキャビティ３が形成される。キャビティ３は、所望の製品形状に対応する形状に形成されている。金型１，２には、キャビティ表面１ａ，２ａの近傍に、複数の流路６が設けられている。この流路６は弁９を介して加熱媒体供給源７と冷却媒体供給源８に接続され、金型のキャビティ表面１ａ，２ａを加熱するための加熱媒体（例えば水蒸気など）、または冷却するための冷却媒体（例えば水など）が選択的に流される。

固定側金型１のゲート４には、キャビティ３内に成形材料を射出するための射出装置１０が接続されている。模式的に図示しているが、射出装置１０は、ポリカーボネートとガラス繊維とが適切な割合で配合された成形材料を、ゲート４を介してキャビティ３内に射出する。

図１に示す成形装置を用いた成形方法について、図２のフローチャートを参照して説明する。

まず、所定の型締め力で金型を閉め、可動側金型２と固定側金型１を密着させ、両金型１，２の間にキャビティ３を形成する（ステップ２１）。次に、加熱媒体供給源７から弁９を介して流路６に加熱媒体として水蒸気（または高温の湯や油等でも良い）を流し、金型を加熱する（ステップ２２）。そして、図示しない温度センサーによって、キャビティ表面１ａ，２ａが所定の温度（具体的には、成形材料中の樹脂成分（芳香族ポリカーボネート）の熱変形温度以上、かつ加熱分解温度以下の温度、例えば１３０℃〜１５０℃）になったことが確認（ステップ２３）されたら、ポリカーボネートと、ポリカーボネートと屈折率が実質的に一致するガラス繊維とが適切な割合で配合された成形材料を、射出装置１０からゲート４を介してキャビティ３内に射出する（ステップ２４）。

本実施形態の成形材料は、従来から一般的な芳香族ポリカーボネートに、高屈折率ガラス繊維（例えば旭ファイバーグラス株式会社製グラスロンチョップドストランド）を配合したものである。このガラス繊維は、４８０〜６８０ｎｍの波長範囲における芳香族ポリカーボネートの屈折率（１．６００〜１．５８０程度）とほぼ一致する屈折率（１．６００〜１．５８０程度）を有するように調節されたものである（図３参照）。そして、芳香族ポリカーボネートが６０〜９９重量％、高屈折率ガラス繊維が１〜４０重量％の割合で配合されている（好ましくは高屈折率ガラス繊維の割合を５〜３０重量％とする）。

この成形材料をキャビティ３内に所定量だけ射出し、所定量の成形材料がキャビティ３内に充填されたことが確認（ステップ２５）されたら、所定量の射出が完了したことを知らせる信号が射出装置１０から送出される（ステップ２６）。この信号を検知すると、弁９が作動して、加熱媒体供給源７から流路６への水蒸気の供給を停止し、冷却媒体供給源８から流路６への冷却媒体（水や低温の油等）の供給を開始する（ステップ２７）。これによって金型の流路６の近傍、すなわちキャビティ表面１ａ，２ａの付近が、成形品が変形しない温度（例えば８０℃〜１００℃）まで急激に冷却される。そして、樹脂が冷却固化した後、両金型１，２を開いて成形品を取り出す（ステップ２８）。

以上説明した通り、本実施形態では、ポリカーボネートと、ポリカーボネートと屈折率が実質的に一致するガラス繊維とが適切な割合で配合された成形材料を用い、例えば特許文献３に開示されているように、金型１，２の流路６に加熱媒体を供給してキャビティ表面１ａ，２ａを熱変形温度以上、かつ加熱分解温度以下の温度に加熱した状態で射出し、射出完了後に金型１，２の流路６に冷却媒体を供給してキャビティ表面１ａ，２ａを成形品が変形しない温度まで急激に冷却する、いわゆるヒートサイクル成形法を実施することによって、表面にガラス繊維が露出せず表面が平滑である、透明性が高く外観が良好な成形品が短時間で効率よく得られる。

本実施形態によって良好な透明成形品が製造できる根拠について以下に説明する。

成形材料の射出時に金型を特に加熱しない従来の通常の射出成形法や、射出時の金型の温度を樹脂成分の熱変形温度以下までしか加熱しない加熱成形法では、射出された成形材料の樹脂成分が、金型のキャビティ表面に接した時点で直ちに固化し、成形品の表面層を突き抜けてガラス繊維が外部に露出する。これに対し、本実施形態のようにヒートサイクル成形法を用いると、金型１，２のキャビティ表面１ａ，２ａが熱変形温度以上、かつ加熱分解温度以下に保たれるため、射出された成形材料の樹脂成分は、金型１，２のキャビティ表面１ａ，２ａに接したときに高温に保たれ、表面層に位置する樹脂成分の固化速度が遅くなる。その結果、表面層に位置する樹脂成分の流れによって、表面層およびその近傍のガラス繊維が成形品の中央部側に取り込まれ、表面層にはガラス繊維の存在しないいわゆるスキン層が１０〜３０μｍ程度の厚さに形成される。従って、成形品の表面にガラス繊維が露出せず、平滑で外観が良好であり、表面における乱反射がなく透明性の高い成形品が得られる。ただし、スキン層の下層にはガラス繊維が分散しているので、高い強度が得られる。

また、所定量の成形材料の射出が完了すると直ちに、金型１，２のキャビティ表面１ａ，２ａが成形品が変形しない温度（例えば８０℃〜１００℃）まで冷却されて、樹脂が冷却固化される。従って、射出完了後短時間で両金型１，２を開いて成形品を取り出すことができ、成形サイクルが早く高効率になるとともに、成形品の変形のおそれをなくし、成形品の保管や取り扱いを容易にすることができる。

次に、本発明の具体的な実施例と、それらと対比させるための比較例について説明する。

［実施例１］
本実施例では、一般的な鋼材（ＮＡＫ８０）からなり、型締め時に１９９ｍｍ×７９ｍｍ×２ｍｍの平板状直方体のキャビティ３を形成可能であり、このキャビティ３と射出装置１０とを接続するサイドゲート４を有し、キャビティ表面１ａ，２ａが鏡面状である金型装置を用いている。そして、成形材料として、４８０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長範囲における屈折率が１．６００〜１．５８０の芳香族ポリカーボネートと、４８０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長範囲における屈折率が１．６００〜１．５８０の高屈折率ガラスからなる直径１５μｍのガラス繊維とを、図示しない二軸押出機によって、芳香族ポリカーボネートが８０重量％、ガラス繊維が２０重量％となるように配合混錬したものを用いた。

そして、ヒートサイクル成形法によって、金型１，２のキャビティ表面１ａ，２ａを芳香族ポリカーボネートの熱変形温度以上、かつ加熱分解温度以下である１５０℃に加熱して、成形材料の射出および保圧工程を行い、その後、キャビティ表面１ａ，２ａの温度を成形品が変形しない８０℃に下げて、型１，２を開いて成形品を取り出して、ガラス繊維で補強された透明成形品を得た。この透明成形品の光学的性質を表１に示す。なお、光学的性質は、ＡＳＴＮ（American Society for Testing and Materials）の規格Ｄ１００３に基づいて測定した結果である。

この実施例１から明らかなように、屈折率が実質的に一致するガラス繊維を配合したポリカーボネートを、ヒートサイクル成形法によって射出成形すると、成形品表面にガラス繊維が露出せず、透明性に優れた成形品が得られた。

［比較例１］
実施例１と同様な金型装置と成形材料を用いて、金型１，２のキャビティ表面１ａ，２ａの温度を芳香族ポリカーボネートの熱変形温度以下の１２０℃に固定し、射出完了後も冷却することなく１２０℃に保って成形品を製造した。この成形品の光学的特性も表１に示している。

本比較例では、金型１，２を熱変形温度以下の１２０℃までしか加熱していないため、キャビティ内の樹脂成分が比較的早く固化してしまい、樹脂成分の流れによってガラス繊維を成形品の中央部側に十分引き込むことができない。従って、成形品の表面にガラス繊維が露出しているため、成形品の表面が粗くなり乱反射が発生するため透明性が低い。一方、１２０℃まで加熱された金型は、成形材料の射出完了後に冷却されないので（自然冷却されるだけであるので）、成形品の固化に時間がかかり、成形効率が悪い。

これに対して、実施例１では、金型１，２を熱変形温度以上の１５０℃まで加熱しているため、キャビティ３内の樹脂成分の固化速度が遅く、樹脂成分の流れによってガラス繊維が成形品の中央部側に引き込まれる。従って、成形品の表面にガラス繊維の存在しないスキン層が形成され、成形品の表面が平滑で乱反射が発生しないため非常に透明性が高い。しかも、１５０℃まで加熱された金型は、成形材料の射出完了後に直ちに冷却されるので、成形品が短時間で固化し、成形効率が良い。しかも、成形品表面には、ガラス繊維は露出していないが、スキン層の下層にはガラス繊維が存在するため、成形品全体の強度は高い。

本発明の成形装置の一例を示す概略図である。 本発明の成形品の製造方法のフローチャートである。 各材質の波長と屈折率の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 固定側金型
２ 可動側金型
１ａ，２ａ キャビティ表面
３ キャビティ
４ ゲート
６ 流路
７ 加熱媒体供給源
８ 冷却媒体供給源
９ 弁
１０ 射出装置（射出成形機）

Claims (4)

1. 樹脂成分と、該樹脂成分と屈折率が実質的に一致するガラス繊維とが配合された成形材料を用い、
   金型のキャビティ表面の温度を前記樹脂成分の熱変形温度以上に加熱した状態で、前記成形材料を前記キャビティ内に射出し、所定量の前記成形材料の射出が完了したら前記金型のキャビティ表面を冷却させる、透明な成形品の製造方法。
2. 成形品の表面に、前記ガラス繊維の存在しないスキン層を形成する、請求項１に記載の透明な成形品の製造方法。
3. 前記樹脂成分は芳香族ポリカーボネートである、請求項１または２に記載の透明な成形品の製造方法。
4. 前記ガラス繊維は前記樹脂成分に屈折率を実質的に一致させた高屈折率ガラスからなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の透明な成形品の製造方法。

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