JP2006212945A

JP2006212945A - 射出含浸発泡成形方法および超微細発泡成形体

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Publication number: JP2006212945A
Application number: JP2005028559A
Authority: JP
Inventors: Yukio Mende; 幸雄免出; Mitsuaki Yamachika; 光昭山近; Hironari Arita; 大就有田; Masahiro Takatsuka; 雅弘高塚
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2025-02-04
Also published as: JP4162662B2

Abstract

【課題】キャビティ内に射出・充填された溶融非晶性樹脂に不活性ガスを含浸させることにより、超微細発泡セルが均一に分散した発泡成形体を製造する。
【解決手段】キャビティ１４の容積を変化できるキャビティ側金型１５とコア側金型１６を用いる。型締めした充填容積Ｖ₂のキャビティ１４に射出ユニット１にて計量した溶融非晶性樹脂を射出・充填したのち、見掛けガラス転位温度まで冷却する途中に、コア側金型１６を型開き方向へ移動させて未発泡成形体Ｐ₁との間に隙間Ｓを発生させる。この隙間Ｓおよびキャビティ側金型１５の複数のピン孔１７を介して未発泡成形体Ｐ₁の両面に超臨界流体状態の不活性ガスを注入して短時間で含浸させる。ついで、キャビティ１４内の不活性ガスを排気するとともに、コア側金型１６を型開き方向へ移動させてキャビティを発泡成形体容積Ｖ₁に拡大させることで、超微細発泡成形体を製造する。
【選択図】図３

Description

本発明は、超微細発泡セルを有する高精度の発泡成形体を連続的に成形することができる射出含浸発泡成形方法および超微細発泡成形体に関するものである。

特許文献１（特開２００３−４９０１８号公報）には、ＯＡ機器、電気機器、自動車部品等に用いられる微細発泡セルを有する発泡成形体の製造方法の例として、熱可塑性樹脂に超臨界流体状の不活性ガスを高圧・高温下で含浸させたのち、圧力を開放して脱ガスするバッチ状発泡成形方法とともに、次に説明する射出発泡成形方法が開示されている。

特許文献１に開示された射出発泡成形方法は、射出ユニットにおいて熱可塑性樹脂と超臨界流体状態の不活性ガスとを混練・溶融した溶融樹脂を、キャビティ容積を縮小した状態で型締めされた金型のキャビティ内へ射出・充填したのち、前記キャビティの容積を拡大させるとともに急冷を行うことにより、溶融樹脂に含浸された前記不活性ガスによる発泡セルを育成させて発泡成形体を連続的に製造する。
特開２００３−４９０１８号公報

上記特許文献１に開示された射出発泡成形方法では、射出ユニットにおいて熱可塑性樹脂と超臨界流体状態の不活性ガスとを混練・溶融して計量し、計量された不活性ガスが含浸された溶融樹脂をキャビティに射出・充填する際に、該溶融樹脂がスプルを通過してキャビティ内に射出された時点で急激に樹脂圧力が降下して発泡が始まり、発泡しながらキャビティ内に充填される。そのため、充填途中において発泡に好適な圧力制御および温度制御を行うことができず、セル径の大きな気泡が発生したり、発生した気泡同士が合体してガス抜けしてしまい、超微細発泡セルを有する発泡成形体を製造することができないという問題点があった。

本発明は、上記従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであって、キャビティ内に射出・充填された溶融樹脂に対する圧力制御および温度制御を行うことができ、超微細発泡セルが均一に分散した発泡成形体を製造できる射出含浸発泡成形方法および超微細発泡成形体を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明に係る射出含浸発泡成形方法は、キャビティ側金型およびコア側金型からなり、キャビティの容積を、超微細発泡成形体の外面を規制する発泡成形体容積と、前記超微細発泡成形体に見合う大きさの未発泡成形体の外面を規制する充填容積とに変化できる射出発泡成形金型を用いた超微細発泡成形体の製造方法において、前記射出発泡成形金型を前記充填容積にて型締めする型締工程と、前記充填容積のキャビティへ計量された溶融非晶性樹脂を射出・充填して未発泡成形体を形成する射出工程と、前記射出工程ののち、前記未発泡成形体を形成する溶融非晶性樹脂を見掛けガラス転位温度まで冷却する途中に、前記コア側金型を型開き方向へ移動させて、前記未発泡成形体と前記コア側金型との間に微小な隙間を形成して前記隙間に超臨界流体状態の不活性ガスを注入するとともに、前記キャビティ側金型の前記未発泡成形体との対向面に互いに間隔をおいて配設された複数の注入口より超臨界流体状態の不活性ガスを注入して、前記未発泡成形体に前記不活性ガスを含浸させる冷却・含浸工程と、前記冷却・含浸工程ののち、前記キャビティ内から前記不活性ガスを排気することにより急速に減圧して気泡を発生させるとともに、前記コア側金型をさらに型開き方向へ移動させて前記キャビティの容積を前記発泡成形体容積に拡大させて超微細発泡成形体を発泡成形する発泡工程と、を有することを特徴とするものである。

また、超微細発泡成形体は、本発明に係る上記射出含浸発泡成形方法のいずれかによって製造されたものであって、スキン層を有し、平均セル径が２〜５μｍ、セル数が１０¹⁰個／ｃｍ³以上であることを特徴とする。

本発明は上述のとおり構成されているので、次に記載するような効果を奏する。

キャビティ内に射出・充填された溶融非晶性樹脂の冷却固化過程において、超臨界流体状態の不活性ガスが効率良く短時間で含浸されるので、成形サイクル時間が短縮される。

また、キャビティ内の樹脂圧力および樹脂温度を発泡に最適な樹脂圧力および樹脂温度に制御することができるので、超微細な発泡セルが均一に分散された超微細発泡成形体を安定して製造することができる。

先ず、本発明の実施に用いる射出含浸発泡成形装置の一例について説明する。

本例による射出含浸発泡成形装置は、図１に示すように、ベース７上に配設された射出ユニット１および型締装置１０と、不活性ガス供給手段２０とを備えている。

射出ユニット１は、図示しない加熱手段によって加熱されるシリンダ２と、シリンダ２内に回転自在かつ軸方向へ進退自在に配設されたスクリュ（不図示）と、前記スクリュを回転させるとともに軸方向へ進退させる駆動機構３とを有し、ホッパ４より供給された非晶性樹脂を混練・溶融して計量する計量機能（可塑化機能）と、ノズル５をスプル９にノズルタッチさせて、計量された溶融樹脂をキャビティ１４へ射出・充填する射出機能とを備えている。

型締装置１０は、キャビティ側金型１５が取り付けられる固定盤１１と、コア側金型１６が取り付けられる可動盤１２と、可動盤１２を軸方向へ移動自在に案内する複数のタイバー８と、可動盤１２とともにコア側金型１６をキャビティ側金型１５に対して進退させて型締めおよび型開きする型開閉機構（不図示）とを備えている。

ここで、型開閉機構は、キャビティ側金型１５の凹部１５ａと凹部１５ａに嵌合されたコア側金型１６のコア部１６ａとで形成されるキャビティ１４の容積を超微細発泡成形体の外面を規制する発泡成形体容積Ｖ₁と前記超微細発泡成形体に見合う大きさ（容積）の未発泡成形体の外面を規制する充填容積Ｖ₂とに変化できるように構成されたものであれば、トグル式、直圧式または電動式等のいずれでもよい。

キャビティ側金型１５には、凹部１５ａのコア側金型１６に対向する底壁にキャビティ面から固定盤１１側へ貫通する複数のピン孔１７が互いに間隔をおいて設けられているとともに、複数のピン孔１７と交差する流路１８が設けられている。そして各ピン孔１７はその軸方向略中間部位に設けられた開口部によって流路１８に連通されている。

各ピン孔１７にはそれぞれピン１７ａが軸方向へ移動自在に嵌挿されており、各ピン１７ａは固定盤１１側に配設された流体圧シリンダ等のアクチュエータ１７ｃによって、先端がキャビティ面と同一面になる閉鎖位置と、前記開口部が開いて流路１８と連通する連通位置とに移動できるようになっている。

他方、コア側金型１６は、キャビティ側金型１５の凹部１５ａに摺動自在に気密状態で嵌合するコア部１６ａを有し、コア部１６ａにはエジェクタのエジェクタプレート１３ｂに配設された複数のエジェクタピン１３ａが軸方向へ移動自在に嵌挿されている。また、コア側金型１６には、コア部１６ａの先端面（キャビティ面）に一端側が開口する注入流路１９ａが設けられているとともに、注入流路１９ａとは反対側の離間した部位に一端側が開口する排出流路１９ｂが設けられている。

なお、キャビティ側金型１５およびコア側金型１６は、冷却回路（不図示）を有し、この冷却回路に温調された冷却媒体を供給することで、所定の冷却速度で冷却できる。また、ヒータ等の加熱手段を併設しておけば、冷却と加熱とを選択的に行うことができる。

不活性ガス供給装置２０は、ボンベ３０に貯留された炭酸ガスや窒素ガス等の不活性ガスを臨界圧力および臨界温度以上にして超臨界流体を生成する超臨界流体発生装置２１と、流量計２２、開閉バルブ２３、流量調整弁２４が介在された供給管路２５と、供給管路２５から分岐する一対の分岐管路２６、２７とを有し、一方の分岐管路２６は、コア側金型１６の注入流路１９ａに接続されているとともに他方の分岐管路２７はキャビティ側金型１５の流路１８の注入口１８ａに接続されている。

次に、本発明に係る射出含浸発泡成形方法の一実施の形態について説明する。

（１）図１に示すように、ノズル５をノズルタッチさせた射出ユニット１において、スクリュを回転させてホッパ４より非晶性樹脂材料を供給して混練・溶融することによって溶融非晶性樹脂を計量（可塑化）する。

（２）上記（１）の計量工程ののち、固定盤１１に取り付けたキャビティ側金型１５に対して可動盤１２に取り付けたコア側金型１６を前進させて、キャビティ１４の容積を、超微細発泡成形体に見合う大きさの未発泡成形体の外面を規制する充填容積Ｖ₂での型締めを行う。

（３）上記（２）の型締め工程ののち、図２に示すように、射出ユニット１におけるスクリュを前進させて計量された溶融非晶性樹脂を充填容積Ｖ₂のキャビティ１４内へ射出・充填する。

本工程において、溶融非晶性樹脂は充填容積Ｖ₂のキャビティ１４の全域に充填されて樹脂圧力が高圧になる。

（４）上記（３）の射出工程ののち、金型に内設された冷却回路に温調した冷却媒体を流して冷却を開始し、キャビティ１４内の溶融非晶性樹脂温度が見掛けガラス転位点Ｔｇから＋５℃〜＋２０℃の範囲に下降した時点で、図３に示すように、可動盤１２とともにコア側金型１６を後退（コアバック）させてコア側金型１６とキャビティ１４内の未発泡成形体Ｐ₁との間に微小な隙間Ｓを発生させる。ついで、超臨界流体状態の不活性ガスをコア側金型１６の注入流路１９ａを介して隙間Ｓの部分へ導入するとともに、キャビティ側金型１５の複数のピン１７ａを後退させて複数のピン孔１７と流路１８との連通部を開放し、前記不活性ガスを未発泡成形体Ｐ₁と凹部１５ａの底壁面との間へ供給する。

なお、含浸開始時における未発泡成形体Ｐ₁のキャビティ金型側面およびコア側金型側面と不活性ガスとの接触状態を図７に示す。図７の（ａ）に示すように、未発泡成形体Ｐ₁のコア側金型側面は全面が不活性ガスと接触している。他方、図７の（ｂ）に示すように、未発泡成形体Ｐ₁のキャビティ側金型側面は、複数のピン孔１７より注入された不活性ガスが複数の円形接触部から含浸が始まり、そののち成長して互いに隣接する円形接触部がオーバーラップして全面に拡がる。以上の説明より明らかなように、本実施の形態では、複数のピン孔１７により、キャビティ側金型１５の未発泡成形体Ｐ₁との対向面に互いに間隔をおいて配設された複数の注入口が構成されている。

（５）上記（４）の冷却・含浸工程の開始から所定の冷却時間が経過し、未発泡成形体Ｐ₁の樹脂温度がガラス転位温度Ｔｇに降下した時点で、シーケンスバルブ２９を開けてキャビティ１４内の不活性ガスを開放（排気）して急激に減圧するとともに、可動盤１２とともにコア側金型１６を後退させてキャビティ１４を発泡成形体容積Ｖ₁まで拡大する。

本工程において、コア側金型１６の後退速度を発泡中の成形体の厚み増大速度よりも低速に制御して、発泡圧力がコア側金型１６にかかるように後退させる方が表面転写性が良好になる。

（６）上記（５）の発泡工程ののち、所定時間経過したら、図６に示すように、可動盤１２とともにコア側金型１６をさらに後退させて型開きし、エジェクタ（不図示）の突き出しピン１３を突き出すことによって超微細発泡成形体Ｐ₂を離型する。

本工程において、キャビティ内の樹脂圧力は、急激に降下して不活性ガスは過飽和状態になり、発泡核が形成されて気泡へと成長する。

なお、微細な発泡セルを形成するには、温度制御および圧力制御が必要である。

また、発泡セル数の増大や発泡セルを均一に分散させるには、射出ユニット１において発泡核剤を添加して溶融非晶性樹脂中に分散させるとよい。

また、発泡工程中は、不活性ガス封入圧力を保持することが必要であり、ガス圧を所定の保持圧力に維持するため追加供給するとよい。

図８は、本発明に係る射出含浸発泡成形方法における冷却・含浸工程の樹脂温度範囲を従来例と比較して示すグラフである。図８に示すように、本発明に係る射出含浸発泡成形方法の含浸工程の樹脂温度範囲（本プロセスの含浸領域）は、非晶性樹脂ではＴｇから＋５℃〜＋２０℃の範囲であり、特許文献１に開示された発泡成形方法とは大きく異なっている。

高品質の超微細発泡成形体を得るには、発泡セル形成においては、温度条件とともに冷却速度も重要となる。ガラス転位温度までの冷却速度は０．５℃／ｓｅｃ未満が好ましく、不活性ガス含浸後の冷却速度は０．５℃／ｓｅｃ〜１０℃／ｓｅｃの範囲が望ましい。冷却速度が１０℃／ｓｅｃより速い場合は、発泡セルが成長せずに無発泡の場合が生じ、逆に０．５℃／ｓｅｃより遅い場合は、発泡セルが成長して５μｍ以上になってしまう。

また、冷却時間は２０秒〜５分の範囲が適切である。圧力開放時の減圧速度は１０ＭＰａ／ｓｅｃ〜１００ＭＰａ／ｓｅｃの範囲が好ましく、３０ＭＰａ／ｓｅｃ〜７０ＭＰａ／ｓｅｃの範囲がより好適である。

本発明において製造された超微細発泡成形体は、全面にスキン層が形成されており、平均セル径２〜５μｍ、セル密度１０¹⁰個／ｃｍ³以上の超微細発泡セルが均一に分散されている。

さらに、非晶性樹脂原料としては、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）等の非結晶性樹脂が好ましい。

本発明の実施に用いる射出含浸発泡成形装置の主要部を示す説明図である。本発明に係る射出含浸発泡成形方法の射出・充填工程を示す説明図である。本発明に係る射出含浸発泡成形方法の一工程である冷却・含浸工程のうち、コア側金型と射出・充填された溶融樹脂との間に微小な隙間を発生させた状態を示す説明図である。本発明に係る射出含浸発泡成形方法の一工程である冷却・含浸工程のうち、不活性ガスの含浸中の状態を示す説明図である。本発明に係る射出含浸発泡成形方法の一工程である発泡工程を示す説明図である。本発明に係る射出含浸発泡成形方法の一工程である超微細発泡成形体の取り出し工程を示す説明図である。本発明に係る射出含浸発泡成形方法の冷却・含浸工程のうち、含浸開始時における未発泡成形体と不活性ガスとの接触状態を示し、（ａ）はコア側金型側面の接触状態を示す説明図、（ｂ）はキャビティ側金型側面の接触状態を示す説明図である。本発明に係る射出含浸発泡成形方法の冷却・含浸工程における樹脂温度の範囲を従来例と比較して示すグラフである。

符号の説明

１射出ユニット
２シリンダ
３駆動機構
４ホッパ
５ノズル
６スライダ
７ベース
８タイバー
９スプル
１０型締装置
１１固定盤
１２可動盤
１４キャビティ
１５キャビティ側金型
１６コア側金型
１７ピン孔
１７ａピン
１８流路
１９ａ注入流路
１９ｂ排出流路
２０不活性ガス供給装置
２１超臨界ガス発生装置
２２流量計
２３開閉バルブ
２４流量調整弁
２５供給管路
２６、２７分岐管路
２８バルブ
２９シーケンスバルブ

Claims

キャビティ側金型(１５)およびコア側金型（１６）からなり、キャビティ（１４）の容積を、超微細発泡成形体（Ｐ₂）の外面を規制する発泡成形体容積（Ｖ₁）と、前記超微細発泡成形体に見合う大きさの未発泡成形体（Ｐ₁）の外面を規制する充填容積（Ｖ₂）とに変化できる射出発泡成形金型を用いた超微細発泡成形体の製造方法において、
前記射出発泡成形金型を前記充填容積にて型締めする型締工程と、
前記充填容積のキャビティへ計量された溶融非晶性樹脂を射出・充填して未発泡成形体（Ｐ₁）を形成する射出工程と、
前記射出工程ののち、前記未発泡成形体を形成する溶融非晶性樹脂を見掛けガラス転位温度まで冷却する途中に、前記コア側金型を型開き方向へ移動させて、前記未発泡成形体と前記コア側金型との間に微小な隙間（Ｓ）を形成して前記隙間に超臨界流体状態の不活性ガスを注入するとともに、前記キャビティ側金型の前記未発泡成形体との対向面に互いに間隔をおいて配設された複数の注入口より超臨界流体状態の不活性ガスを注入して、前記未発泡成形体に前記不活性ガスを含浸させる冷却・含浸工程と、
前記冷却・含浸工程ののち、前記キャビティ内から前記不活性ガスを排気することにより急速に減圧して気泡を発生させるとともに、前記コア側金型をさらに型開き方向へ移動させて前記キャビティの容積を前記発泡成形体容積に拡大させて超微細発泡成形体を発泡成形する発泡工程と、
を有することを特徴とする射出含浸発泡成形方法。
前記冷却・含浸工程における前記コア側金型の型開き方向へ移動開始時の前記未発泡成形体の温度は、見掛けガラス転位温度（Ｔｇ）から＋５℃〜＋２０℃の範囲であることを特徴とする請求項１記載の射出含浸発泡成形方法。
前記発泡工程において、前記冷却速度は、０．５℃／ｓｅｃ〜１０℃／ｓｅｃの範囲であることを特徴とする請求項１または２記載の射出含浸発泡成形方法。
前記発泡工程において、前記減圧の減圧速度は、１０ＭＰａ／ｓｅｃ〜１００ＭＰａ／ｓｅｃの範囲であることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の射出含浸発泡成形方法。
前記超臨界流体状態の不活性ガスは、超臨界流体状態の二酸化炭素または窒素であることを特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載の射出含浸発泡成形方法。
請求項１〜６いずれかに記載の射出含浸発泡成形方法によって製造したものであって、スキン層を有し、平均セル径が２〜５μｍ、セル数が１０¹⁰個／ｃｍ³以上であることを特徴とする超微細発泡成形体。