JP4124191B2 - 射出スクリュ - Google Patents

Description

この発明は、シンジオタクチックポリマーによる材料樹脂の射出成形に用いる射出スクリュに関するものである。

一般に射出スクリュでは、スクリュ有効長さの後端から先端までを順に供給部圧縮部、計量部に区画し、供給部の後端を加熱筒に設けた供給口を位置させている。供給口からの粒状の材料樹脂は、射出スクリュの回転（左回転）によりスクリュ溝に落ち込んで、スクリュフライトにより供給口から加熱筒内に食い込むように送り込まれたのち、圧縮部方向へ移動する。

この移動の過程で材料樹脂は加熱筒により加熱軟化しつつ表面溶融しながら圧縮部に達し、その圧縮部で溶融混練されて計量部に移動する。計量部で溶融樹脂は完全に混練されて均一化し、スクリュ回転によりスクリュ先端へと強制的に送り出され、加熱筒の先端部内に蓄積されてゆく。この蓄積量の増加に伴う樹脂圧により射出スクリュは設定位置まで後退移動して回転を停止し、材料計量と材料供給の停止となる。蓄積された溶融樹脂は射出スクリュの前進移動により加熱筒先端のノズルから金型に射出充填される。

この射出スクリュの回転による溶融混練（可塑化）の過程で、材料の食い込み不良が生じ易い。これは供給部における材料樹脂の停滞が主なる原因とされ、従来では、材料受給部のスクリュピッチをスクリュ先端部側のスクリュピッチよりも狭くしたり、或いは圧縮部のスクリュ谷部を、供給部のスクリュ谷部と計量部のスクリュ谷部の両方のオーバラップにより二段に形成するなどして、供給部に材料樹脂が堆積しないようにしている。
特開平９−３００４１２号公報 特開平１０−１１３９８２号公報

しかしながら、そのような手段を採用しても材料食い込み不良が解消されない材料樹脂もある。特にシンジオタクチックポリマーによる材料樹脂では、汎用の射出スクリュを用いて成形を行った場合と同様に、加熱筒内への材料食い込みが悪くなって材料樹脂の供給が不安定となり、計量バラツキが生ずる。

射出成形に用いられる材料樹脂は、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂に分類される。また熱可塑性樹脂には、冷却固化により結晶構造を呈する結晶性樹脂と、冷却固化しても結晶構造とはならない非晶性樹脂とがある。非晶性樹脂としては、代表的な材料樹脂としてポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂等が挙げられる。

これらの非晶性樹脂が有する共通点は、収縮率が低いことである。溶融状態から冷却により固化する時の収縮率が著しく小さいことから、成形金型の寸法公差を小さくして、高精度の成形品を射出成形することができるという優れた特長を有している。しかし、非晶性樹脂は結晶構造とはならないために、耐薬品性や耐熱性に劣り、耐摩耗性も熱硬化性樹脂に比べて低く、成形品の用途が限られるといった面もある。

この熱可塑性樹脂の課題を解決する一手段として、ポリマーアロイがある。このポリマーアロイには、異種ポリマーをブレンドしたもの、異種ポリマーを化学的に結合したブロック共重合体、グラフト共重合体、異種ポリマー同士の水素結合や疏水結合で連なったポリマーコンプレックス、異種ポリマー同士の網状構造が絡み合った相互貫入高分子網目（ＩＰＮ）等が有り、様々な用途に応じた材料樹脂として開発されている。その１種であるシンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）／ポリスチレン（ＰＳ）アロイ（以下シンジオタクチックポリスチレン樹脂という）は、非晶性ポリマーであるポリスチレンを結晶性を示すシンジオタクチックポリスチレンポリマーにして、耐薬品性を向上させると共に、そのシンジオタクチックポリスチレンポリマーと非晶性ポリマーを混合した材料である。この樹脂は、非晶性の普通のポリスチレン樹脂よりも耐薬品性や耐熱性、耐摩耗性等が優れている。

このシンジオタクチックポリスチレン樹脂を、材料樹脂（ペレット）としてポリスチレン樹脂の射出成形にも適合した汎用の射出スクリュを用いて成形を行うと、周期的に加熱筒内への材料食い込み（供給）が悪くなって、材料樹脂の供給がスムーズに行い難くなる。このため成形ショット毎の供給量や計量時間にバラツキが生じて計量が不安定となり、計量不足からショートショットが発生するなどして、成形の安定性や成形品の品質に好ましくない影響を与えることとなる。

この材料食い込み不良は、周期的に発生することからみて、ペレットにおける溶融状態が結晶性部分と非晶性部分とで異なることに原因があるものと思われる。ペレットは樹脂の種類を問わずスクリュ回転により供給口から圧縮部に達するまで、供給部を移動する間に加熱と剪断作用とにより表面を溶融しながら軟化する。しかし、シンジオタクチックポリスチレン樹脂では、非晶性部分の溶融が結晶性部分よりも先行して、普通のポリスチレン樹脂よりも早い時期にスクリュ表面に付着し、またペレットが互いに付着し合って塊状となるものと思われる。これに加えて汎用の射出スクリュでは、スクリュフライト前面及び後面とスクリュ溝底面との間の曲率半径が小さく設定されており、材料樹脂に接触するスクリュ溝の表面積が大きくなっていることも付着の要因と考えられる。

供給部に生じたペレットの塊は、スクリュ溝が浅くなる圧縮部との境界に達するまでに嵩を増し、これが後続のペレットの停滞要因となって、スクリュ回転による供給口からのペレットの送込みの抵抗となり、材料食い込み不良が生ずるものと推測される。この間、計量部への溶融樹脂の送込量が低減されるので、スクリュ先端に蓄積する樹脂量が不足し、射出スクリュを後退移動する樹脂圧の発生は僅かとなることから、射出スクリュの後退移動が遅くなり、計量にも時間が掛かるようになるものと思われる。

圧縮部との境界に堆積したペレットの塊は、スクリュ回転による供給部の材料圧の高まりにより圧縮部に押し込められ、そこでの加熱と剪断作用とにより完全溶解して消滅するので、次の堆積が生ずるまで材料食い込み不良も解消されるものと思われる。したがって、供給部における樹脂の射出スクリュへの早期付着を抑制して停滞が生じないようにすれば、材料食い込み不良を解消して計量の安定化を図ることができる、ということになる。

この発明の目的は、射出スクリュの基本的構造を大幅に変更することなく、スクリュ溝深さと、スクリュフライト後面及び前面とスクリュ溝との曲率半径との関連をもって、供給部を移動する樹脂の射出スクリュへの早期付着を抑制し、これによりシンジオタクチックポリマーによる材料樹脂の材料食い込み不良を防止できる新たな射出スクリュを提供することにある。

上記目的によるこの発明は、スクリュ有効長さの後端から先端までを順に供給部ｆ、圧縮部ｃ、計量部ｍに区画して、その各部にわたりスクリュフライトを連続形成し、供給部ｆにおけるスクリュフライトの後面を曲面に形成したシンジオタクチックポリマー用の射出スクリュであって、スクリュ外径Ｄと供給部スクリュ溝深さｈｆとの比を、ｈｆ／Ｄ＝０．１４〜０．１７、スクリュフライト後面とスクリュ溝底面との間の曲率半径Ｒと、供給部スクリュ溝深さｈｆとの比を、Ｒ／ｈｆ＝１．４７〜２．１、スクリュフライト前面とスクリュ溝底面との間の曲率半径ｒと、供給部スクリュ溝深さｈｆとの比を、ｒ／ｈｆ＝０．６３〜０．８８、に設定してなるというものであり、上記スクリュフライトのスクリュ溝ピッチＰとスクリュ外径Ｄの比はＰ／Ｄ＝１からなるというものである。また上記シンジオタクチックポリマーは、シンジオタクチックポリスチレンポリマーである、というものてある。

上記構成では、深く形成したスクリュ溝ｈｆと、後面曲率半径Ｒと前面曲率半径ｒを大きく形成したスクリュフライトと、その曲率半径により狭く形成されたスクリュ溝１２の表面積とによる相乗作用により、供給部ｆ内におけるペレットの早期付着と塊状化が抑制され、また曲面によりスクリュフライト後面の溶融樹脂の滑り抵抗が低減されて、その結果、材料食い込み不良が解消し、シンジオタクチックポリマーの可塑化及び計量が安定して行われるようになる。

図中１は射出スクリュ、２は射出スクリュ１を回転かつ進退自在に内装した加熱筒で、先端にノズル２１を有し、後部に供給口２２を有する。また加熱筒２の周囲にはバンドヒータ３が取付けてある。

上記射出スクリュ１は、スクリュ有効長さ（Ｌ／Ｄ）の後端から先端までを順に供給部ｆ、圧縮部ｃ、計量部ｍに区画し、その各部にわたり連続形成したスクリュフライト１１のスクリュ溝１２のピッチＰとスクリュ外径Ｄの比をＰ／Ｄ＝１としたものからなる。

上記供給部ｆにおけるスクリュ溝１２は、計量部ｍのスクリュ溝１２よりも深く形成してあり、圧縮部ｃではスクリュ溝は供給部ｆから計量部ｍに行くに従って順に浅く形成してある。この供給部ｆのスクリュ深さｈｆは、計量部ｍのスクリュ溝深さｈｍと共にスクリュ外径Ｄとの比（ｈｆ／Ｄ）、（ｈｍ／Ｄ）をもって設定してあり、供給部ｆのスクリュ溝１２を形成するスクリュフライト１１の後面とスクリュ溝底面との間の曲率半径（以下スクリュフライト後面曲率半径Ｒという）と、スクリュ溝前面とスクリュ溝底面との間の曲率半径ｒ（以下スクリュフライト前面曲率半径ｒという）は、それぞれスクリュ溝深さｈｆとの比（Ｒ／ｈｆ）、（ｒ／ｈｆ）をもって設定してある。またスクリュフライト後面曲率半径Ｒは、スクリュフライト前面曲率半径ｒよりも大きく設定してある。

供給部ｆの上記各部は、
スクリュ溝深さ（ｈｆ） ｈｆ／Ｄ＝０．１４〜０．１７、
スクリュフライト後面曲率半径（Ｒ） Ｒ／ｈｆ＝１．４７〜２．１、
スクリュフライト前面曲率半径（ｒ） ｒ／ｈｆ＝０．６３〜０．８８、
の範囲に設定されており、その範囲であれば材料樹脂がシンジオタクチックポリマーによるものであっても、射出スクリュへの付着が減少して材料食い込み不良が生じ難くなり、材料計量が安定して行われようになる。なお、計量部ｍのスクリュ溝深さは、ｈｍ／Ｄ＝０．０５〜０．０８に設定してある。

この発明の実施例として、スクリュ外径Ｄ＝３２、４０、５６ｍｍの各射出スクリュにおける仕様を表１に示す。

また比較例として、ポリスチレン樹脂の射出成形にも採用されている汎用の射出スクリュ（スクリュ外径Ｄ＝５６ｍｍ）における仕様を表２に示す。

表１のスクリュ外径Ｄ＝５６ｍｍの射出スクリュを実施例１として、表２の比較例の射出スクリュの場合との比率を対比すると、次の通り相異する。
実施例１ 比較例
ｈｆ／Ｄ ０．１６９６ ０．１３３０
Ｒ／ｈｆ １．４７３７ ０．９３９６
ｒ／ｈｆ ０．６３１６ ０．４６９８

上記比較例では、ポリスチレン樹脂（ペレット）を射出成形を行っても材料食い込み不良は殆ど起らないが、シンジオタクチックポリスチレン樹脂（ペレット）では、１０ショット辺りから材料の摩擦音が生じて材料食い込み悪くなり、その後、数ショット程度で食い込み不良がなくなる。この材料食い込み不良は繰返し生じ、その度に計量が不安定となる。

計量時間のバラツキ比較結果
材料樹脂 ＸＡＲＥＣ ＤＷ１４２ 出光興産株式会社製
ショット数 実施例１ ２２２回 比較例 １０４回
計量時間（ｓｅｃ） 最大時間 最小時間 バラツキ時間
実施例１ ３．３６ ３．２６ ０．１０
比較例 １４．２６ ３．８３ １０．４３
但し、スクリュ回転数 ４５ｒｐｍ

計量安定時間
実施例１ ２８００ショット
比較例 １０〜１５ショット

一般的に、供給部ｆのスクリュ溝１２は、溝深さｈｆを浅く形成する傾向にある。これは射出スクリュに停止時間があることによって、溝深さｈｆを深く形成すると、停止している間に加熱筒側の樹脂温が高くなって射出スクリュ側の樹脂温との差が大きくなるからである。しかし、溝深さｈｆを浅くすると加熱筒からの熱影響を射出スクリュが受け易くなって温度が上昇し、スクリュフライト表面に樹脂が付着し易くなる傾向がある。

上記対比において、比較例よりもスクリュ溝深ｈｆが深い上記実施例１では、比較例よりも加熱筒側から射出スクリュが受ける熱影響は総体的に看て小さく、スクリュ温度が低く維持されるので樹脂が付着し難い。またスクリュフライト後面曲率半径Ｒと前面曲率半径ｒを比較例よりも大きく設定したことによって、スクリュ溝１２の１回転当たりの表面積が、比較例における表面積８４．３ｃｍ²よりも狭い７９．８ｃｍ² となり、その面積差が樹脂の付着面積の減少となる。

また加熱筒内における樹脂の可塑化と計量は、後退移動する射出スクリュと前進移動する樹脂との相対移動により行われるので、比較例よりも１．５倍以上も大きいスクリュフライト後面曲率半径Ｒでは、スクリュフライト後面が緩曲面となり、スクリュフライト後面における溶融した樹脂の滑り抵抗が低減するようになる。

この滑り抵抗の低減と上記付着面積の減少とが相俟って、樹脂の移動がこれまでよりも円滑に行われるようになり、供給部ｆの途中でペレット相互が塊状化しても射出スクリュへの付着及び停滞により生ずるとされている詰まりが著しく減少し、これにより材料食い込み不良による計量バラツキが解消して、樹脂の可塑化及び計量が安定して行われるものと推測される。

この発明が対象とする射出スクリュの側面図である。 この発明における設定値に基づく供給部の半部縦断部分図である。

符号の説明

１ 射出スクリュ
２ 加熱筒
３ バンドヒータ
１１ スクリュフライト
１２ スクリュ溝
Ｄ スクリュ外径
Ｐ スクリュ溝のピッチ
ｈｍ 計量部スクリュ溝深さ
ｈｆ 供給部スクリュ溝深さ
Ｒ スクリュフライト後面曲率半径
ｒ スクリュフライト前面曲率半径

Claims (3)

1. スクリュ有効長さの後端から先端までを順に供給部ｆ、圧縮部ｃ、計量部ｍに区画して、その各部にわたりスクリュフライトを連続形成し、供給部ｆにおけるスクリュフライトの後面を曲面に形成したシンジオタクチックポリマー用の射出スクリュであって、
   スクリュ外径Ｄと供給部スクリュ溝深さｈｆとの比を、ｈｆ／Ｄ＝０．１４〜０．１７、
   スクリュフライト後面とスクリュ溝底面との間の曲率半径Ｒと、供給部スクリュ溝深さｈｆとの比を、Ｒ／ｈｆ＝１．４７〜２．１、
   スクリュフライト前面とスクリュ溝底面との間の曲率半径ｒと、供給部スクリュ溝深さｈｆとの比を、ｒ／ｈｆ＝０．６３〜０．８８、
   に設定してなることを特徴とする射出スクリュ。
2. 上記請求項１記載の射出スクリュにおいて、上記スクリュフライトのスクリュ溝ピッチＰとスクリュ外径Ｄの比はＰ／Ｄ＝１からなることを特徴とする射出スクリュ。
3. 上記シンジオタクチックポリマーは、シンジオタクチックポリスチレンポリマーであることを特徴とする請求項１記載の射出スクリュ。

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