JP2012228810A - 樹脂の成形方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の樹脂の成形方法は、金型表面に設けられた微細凹凸パタンを樹脂表面に転写する樹脂の成形方法であって、あらかじめ二酸化炭素を1MPa〜15MPaの圧力でキャビティに充填してから、0.1重量%以上の二酸化炭素が溶解した液状樹脂をキャビティに充填する充填工程を有し、金型の微細凹凸パタンが、凹みの開口部(11)を楕円で近似した場合に、短軸の長さが3μm以下であり、凹みの深さと前記短軸の長さの比(前記凹み深さ/前記短軸の長さ)が0.5以上、4.0以下であることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
1.金型に熱媒と冷媒を交互に流して金型表面の加熱、冷却を繰り返す方法(非特許文献1参照)
2.成形直前に高周波誘導加熱で金型表面を選択的に加熱する方法(特許文献1参照)
3.金型表面に絶縁層と導電層を設け、導電層に通電して加熱する方法(非特許文献2参照)
4.金型表面を輻射加熱する方法(非特許文献3参照)
5.金型表面を断熱層で被覆し、成形樹脂自身の熱で金型表面を加熱しつつ成形する断熱層被覆法(特許文献2及び特許文献3参照)
本実施の形態に係る樹脂の成形方法は、金型表面に設けられた微細凹凸パタンを樹脂表面に転写する樹脂の成形方法である。本実施の形態に係る樹脂の成形方法においては、あらかじめ二酸化炭素を1MPa〜15MPaの圧力でキャビティに充填してから、0.1重量%以上の二酸化炭素が溶解した液状樹脂をキャビティに充填する樹脂充填工程を有し、金型の微細凹凸パタンが、凹みの開口部を楕円で近似した場合に、短軸の長さが3μm以下であり、凹みの深さと前記短軸の長さの比(凹み深さ/短軸の長さ)が0.5以上、4.0以下である。
本発明で使用される樹脂としては、一般の射出成形などに使用できる熱可塑性樹脂である。良好に使用できるのは非結晶性熱可塑性樹脂、若しくは非結晶性樹脂が主成分の熱可塑性ポリマーアロイ、又は結晶化度が低い一部の結晶性熱可塑性樹脂である。このような樹脂としては、例えば、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、アクリル樹脂、スチレン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポリフェニレンエーテル、変成ポリフェニレンエーテル樹脂、シクロオレフィン系樹脂、全芳香族ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリアミド系樹脂、ポリサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンなどの熱可塑性のプラスチック材料、及びこれらを一種または二種以上混合したブレンド物、これらに各種充填材を配合した物である。結晶化度が低い一部の結晶性熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン6などがあげられ、結晶化度として40%以下であることが好ましい。また、シリコーン樹脂、フェノール系樹脂、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂など一部の熱硬化性の樹脂であってもよい。樹脂としては、ガス溶解による可塑剤効果を利用して固化温度を低下させる観点から、非結晶性熱可塑性樹脂が特に好ましく、結晶化温度で固化する結晶性樹脂にあっても可塑剤効果が比較的大きいといった観点から、結晶化度が40%以下の結晶性熱可塑性樹脂であれば好ましく使用できる。
本発明においては、キャビティに樹脂を充填する樹脂充填工程の前に、キャビティにガス(二酸化炭素)を充填する。このガスとしては、熱可塑性樹脂への溶解度が大きく、樹脂の可塑化効果を有するガスが好ましく、安全性、価格、取り扱いやすさなどの点から二酸化炭素が最も好ましい。ガスが、キャビティに存在することで、樹脂充填工程中にガスが樹脂表面に吸収されて、金型に接する樹脂表面の固化温度を低下させることができる。樹脂への溶解度が低い空気や、窒素程度のガスでは、従来から知られるように、キャビティ中で金型表面の転写を阻害するだけであり、樹脂の固化温度において少なくとも窒素の2倍以上の樹脂への溶解度が必要である。また、ガスは、樹脂を劣化させないこと、金型や成形する環境に対し危険性がないこと、安価であることなどの観点から選定される。ガスとしては、溶解度が大きいものであれば2種以上の混合物であっても使用できる。二酸化炭素以外のガスとしては、炭化水素、及びその一部水素をフッ素などで置換したフロンなどがあり、使用する熱可塑性樹脂により最適な物が選択される。
図1Aは、本実施の形態に係る金型の微細パタンの模式的な平面図であり、図1Bは、図1Aの一点鎖線の拡大断面図である。本発明においては、金型表面(微細凹凸パタン形成面10)に存在する微細凹凸パタンの深さを規定する方法として、微細凹凸パタンの凹みの開口部11を楕円で近似している。ここで、近似した楕円内部の2焦点を通る直線を長軸とし、この長軸の垂直二等分線を楕円内部に引いた線分を短軸D1とする。このとき、楕円の短軸D1の長さが3μm以下で、凹みの深さD2と短軸D1の長さの比(凹みの深さD2/短軸D1の長さ、アスペクト比)が0.5以上、4.0以下である場合、上記のように、キャビティを二酸化炭素で加圧した後に樹脂を充填すると、高い生産性を保ったまま、転写性、離型性を著しく改良することができる。ここで短軸長さが1mm程度と大きい場合は、樹脂充填工程中の表面固化の影響が少なくなり形状の転写は比較的容易で、二酸化炭素の効果は顕著とはいえず、離型性についても汎用のシリコーン系離型剤などを用いることで改良が可能である。また、開口部11の短軸D1の長さとしては、二酸化炭素の効果が顕著に得られる観点から1.0μm以下であることが好ましく、0.3μm以下であることがより好ましい。
キャビティ内にガスを供給し、又はキャビティ内のガスを排出するガス供給装置、ガス配管および金型においては、ガスの液化を防ぐための対策をとることが好ましい。これはガスの液化が起きるような温度では、高いガス圧力が得られないばかりか、キャビティ内で液化ガスが樹脂に触れると多量のガスが樹脂中に溶け込み、ガス圧力解放後に成形品表面が発泡し、外観不良を起こすためである。液化防止の対策としては、ガスを加温器により加熱し、ガスの流路や金型の温度もガスの臨界温度以上に保つことや、樹脂充填時にキャビティからガスが押し出されことによる大幅な圧力上昇を防止するために、キャビティと配管内のガス圧力を任意の範囲に保つことのできる圧力解放弁や、キャビティからガスが逆流可能なガス溜めを設けることがあげられる。
図2に示すように、金型1は、型を閉じた状態でキャビティ20を構成するキャビティブロック21と、キャビティ20に加熱溶融した樹脂を導入するゲート22及びスプル23と、冷却固化した樹脂をキャビティ20から離形する突出しピン24と、を備える。また、金型1は、二酸化炭素供給系2からキャビティ20にガス(二酸化炭素ガス)を導入すると共に、キャビティ20からガスを金型1外に排出するための通気孔25と、キャビティ20内の気密性を高めるOリング26とを備える。
微細凹凸パタン転写用スタンパに反射防止構造を用い、アクリル樹脂を成形機に投入しベント部に二酸化炭素を6MPaで供給して可塑化した。溶融アクリル樹脂を、8MPaの二酸化炭素を満たしたキャビティに、樹脂充填時間0.2秒で充填して、樹脂充填後、シリンダ内圧130MPaで5秒間保圧し、30秒間冷却した後に成形品を取り出した。キャビティ内の二酸化炭素は、保圧工程において大気中に開放した。この成形を300回連続で行い、100回ごとにサンプリングした。成形品の転写均一性を観察するために、移動側の表面を黒色に塗装して、入射角度約70度で白色光を当て反射光の色、明るさ、ムラを観察したが、いずれの成形品も均一に反射防止構造が転写されていることがわかった。成形品に含まれていた二酸化炭素量を測定するために、成形直後の成形品重量と、成形品を90℃の真空乾燥機中に10日間放置し一定重量になったときの成形品重量を測定したところ、成形品には0.9重量%の二酸化炭素が含まれていたことがわかり、溶融樹脂中にも同量の二酸化炭素が含まれていたと推定した。
微細凹凸パタン転写用スタンパにライン・アンド・スペース構造を用い、実施例1と同様にアクリル樹脂を成形した。実施例1と同様に微細ラインと直角の方向から成形品の転写均一性を観察したが、いずれの成形品も均一にライン・アンド・スペース構造が転写されていることがわかった。
微細凹凸パタン転写用スタンパに反射防止構造を用い、二酸化炭素を用いることなく、実施例1と同様の条件でアクリル樹脂を成形した。連続成形は20回として、10回ごとにサンプリングした。連続成形後に、実施例1と同様の条件で1回アクリル樹脂を成形した。実施例1と同様に成形品の転写均一性を観察したが、20回の連続成形品は、いずれも反射光が多いことから転写状態が不十分であり、ゲート側の幅約15mmの範囲は特にフローマーク状の模様があり、転写状態もより低いことがわかった。21回目の実施例1と同様の条件における成形品は、反射光から20回目よりも転写状態は向上しているものの、ゲート側の模様が残り、実施例2の成形品よりも反射光量が多いことから、転写したパタンの高さが低くなっていることがわかった。
微細凹凸パタン転写用スタンパにライン・アンド・スペース構造を用い、アクリル樹脂を成形機に投入し可塑化した。金型キャビティ表面温度をあらかじめ130℃として、溶融アクリル樹脂をキャビティに樹脂充填時間0.2秒で充填した後、シリンダ内圧150MPaで5秒間保圧した。その後シリンダ内圧100MPaで保圧中に約3分間で金型キャビティの表面温度を80℃まで冷却し、成形品を取り出した。実施例1と同様に微細ラインと直角の方向から成形品の転写均一性を観察したが、転写面全体に光沢が異なるムラが生じていた。成形品の中央部を走査型電子顕微鏡により観察したところ、ライン・アンド・スペース構造の板状部分が、離型方向に不規則に引き伸ばされ、部分的に倒れていることがわかった。
2 二酸化炭素供給系
10 微細凹凸パタン形成面
11 開口部
20 キャビティ
21 キャビティブロック
22 ゲート
23 スプル
24 突出しピン
25 通気孔
26 Oリング
27 ベント
28 ベントスリット
31 CO2ボンベ
32 減圧弁
33 ガス溜
34 電磁弁
41 製品領域
Claims (7)
- 金型表面に設けられた微細凹凸パタンを樹脂表面に転写する樹脂の成形方法であって、
あらかじめ二酸化炭素を1MPa〜15MPaの圧力でキャビティに充填してから、0.1重量%以上の二酸化炭素が溶解した液状樹脂を前記キャビティに充填する樹脂充填工程を有し、
前記金型の微細凹凸パタンが、凹みの開口部を楕円で近似した場合に、短軸の長さが3μm以下であり、前記凹みの深さと前記短軸の長さの比(前記凹み深さ/前記短軸の長さ)が0.5以上、4.0以下であることを特徴とする樹脂の成形方法。 - 前記樹脂が、熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項1記載の樹脂の成形方法。
- 前記熱可塑性樹脂が、非晶性熱可塑性樹脂、又は結晶化度40%以下の結晶性熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項2記載の樹脂の成形方法。
- 前記凹みの前記開口部の短軸長さが、1.0μm以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の樹脂の成形方法。
- 前記凹みの前記開口部の短軸長さが、0.3μm以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の樹脂の成形方法。
- 前記微細凹凸パタンが可視光線用の反射防止構造(モス・アイ構造)であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の樹脂の成形方法。
- 前記微細凹凸パタンが縞状のライン・アンド・スペース構造であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の樹脂の成形方法。
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