JP4735541B2 - 熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法 - Google Patents
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Description
本発明は、熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法に関する。さらに詳しくは、簡易、安全かつ効率的に、所望の気泡径及び密度の射出発泡成形品を得ることが可能な熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法に関する。
樹脂の内部に多数の気泡を存在させた発泡成形品は、軽量性、断熱性、吸音性及び同一質量での剛性等の物性に優れていることから、種々の分野で使用されている。特に近年は、軽量化が、原材料費及び輸送費等のコスト低減に直接的に結び付くことから重要視され、発泡成形品の適用分野をさらに拡大することになっている。樹脂の発泡成形方法は、樹脂に混合する発泡剤の種類によって物理的発泡法と化学的発泡法とに分類される。物理的発泡法では、物理発泡剤である、窒素、二酸化炭素等の不活性ガス；炭化水素類、フルオロカーボン類等の気化性物質を使用する。一方、化学的発泡法では、化学発泡剤である、アゾ化合物、ニトロソ化合物等の有機発泡剤；重炭酸ナトリウム等の無機発泡剤を使用する。このような発泡法を樹脂の成形方法としての射出成形方法に適用した射出発泡成形方法においては、発泡剤と樹脂とを混合した発泡剤含有溶融樹脂を金型キャビティ内に射出充填し、樹脂を発泡させることによって成形品内部に約８０〜３００μｍ程度の気泡径を有する射出発泡成形品を得ることができる。
樹脂の発泡成形方法として、例えば、オレフィン樹脂に化学発泡剤又は物理発泡剤を混合して溶融し、ショートショット法（低圧法）を用いて成形品内部に気泡を有する発泡成形品を得る成形方法が開示されている（特許文献１参照）。特許文献１に開示された方法の場合、押出機、アキュムレータ及び金型によって構成された成形装置に、窒素ガス等の不活性ガス；炭化水素類、フルオロカーボン類等の揮発性物質等の物理発泡剤又は化学発泡剤と、樹脂とを混合した発泡剤含有溶融樹脂を押出機でアキュムレータに送り込み、その後、アキュムレータに送り込まれた発泡剤含有溶融樹脂を金型内へ射出し、樹脂を発泡させることによって成形品内部に気泡を有する射出発泡成形品を得ている。
一方、物理発泡剤を使用することによって発泡成形品を得る方法として、例えば、押出機ホッパより、空気等の気体、気化性物質等を樹脂の供給と同時に加圧下で供給し、樹脂の溶融と、気泡の含有及び分散とをスクリュ押出機で行なう方法が開示されている（特許文献２参照）。特許文献２に開示された方法の場合、ポリエチレンを用い、空気を０．６９〜０．７８ＭＰａ（７〜８kgｆ／cm２）程度で加圧供給することにより、独立気泡を含むスポンジ様物質の押出成形品を得ている。
発泡性ガスとして不活性ガスである二酸化炭素を超臨界状態で使用し、発泡成形品を得る方法として、例えば、従来の化学発泡剤又は物理発泡剤を使用して発泡成形品の内部に形成した気泡の密度（単位体積当たりの気泡数）に比べ、格段に気泡密度を増加させる方法が開示されている（特許文献３参照）。特許文献３に開示される方法の場合、超臨界流体の昇圧装置、超臨界流体の供給装置及びガスボンベから構成されるシステムを成形装置に取付け、この成形装置の可塑化シリンダより二酸化炭素を超臨界状態で注入して溶融樹脂中へ溶解させるとともに、注入した二酸化炭素を溶解した溶融樹脂を金型内に射出充填して樹脂を発泡させ、成形品内部がマイクロセルと呼ばれる１μｍ未満の超微孔質を有する樹脂成形品を得ている。
特公昭４４−６０８０号公報
特公昭４３−９９１３号公報
特表平０６−５０６７２４号公報
しかしながら、上述の特許文献１〜３に開示された方法の場合、以下のような問題があった。すなわち、特許文献１に開示された方法の場合、樹脂と、アゾ化合物、ニトロソ化合物等の有機化学発泡剤とを供給して成形したときに、熱分解により、腐食性のあるアンモニア、一酸化炭素、水蒸気、シアン酸、イソシアン酸等が分解生成物として生じ、これらの分解生成物が大気中に放出されるとともに成形品中に残留するという問題があった。分解生成物が生じることのない物理発泡剤である、炭化水素類、フルオロカーボン類等の気化性物質を供給して成形する場合、環境汚染及び環境破壊物質として大気中への排出が規制されるという問題があった。また、特許文献２に開示された方法の場合、発泡剤含有溶融樹脂中に気体が微細に分散されず所望の気泡密度や気泡径を有する発泡成形品を得ることが困難であるという問題があった。さらに、特許文献３に開示された方法の場合、超臨界流体の発生装置及び供給装置が必要となり、これらの装置は高圧のガスを取り扱うことから法的規制を受け、設備の導入や取り扱いが煩雑になるという問題があった。
本発明は、上述の従来技術の問題に鑑みてなされたもので、簡易、安全かつ効率的に、所望の気泡径及び密度の射出発泡成形品を得ることが可能な熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法を提供することを一の目的とする。さらに、環境に対する負荷の少ない熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法を提供することを他の目的とする。
本発明は上述の目的を達成するためになされたものであり、本発明によって、以下の熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法が提供される。
［１］供給部及び可塑化部を備え、前記供給部から供給された熱可塑性樹脂を前記可塑化部で可塑化するとともに発泡剤を含有した発泡剤含有溶融樹脂として射出する射出装置と、容積が拡大縮小可能な金型キャビティを備え、前記射出装置から射出された前記発泡剤含有溶融樹脂を前記金型キャビティに充填する金型とを用い、前記射出装置から前記発泡剤含有溶融樹脂を前記金型キャビティ内に射出充填し、次いで前記金型キャビティを拡大して前記発泡剤含有溶融樹脂を発泡させて成形する熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法であって、前記熱可塑性樹脂中への前記発泡剤の含有化を、前記発泡剤として気泡核形成剤及び発泡性ガスの混合体を用い、前記混合体を前記射出装置の供給部又は可塑化部に０．１ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ未満の圧力で供給し、前記供給部又は可塑化部に存在する可塑化前又は可塑化された前記熱可塑性樹脂に前記混合体を接触させ、前記発泡剤をスクリュ先端にミキシングヘッドを装着した２ステージスクリュにより分散、混合させることによって行うことを特徴とする熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法（以下、「第１の発明」ということがある）。
［２］供給部及び可塑化部を備え、前記供給部から供給された熱可塑性樹脂を前記可塑化部で可塑化するとともに発泡剤を含有した発泡剤含有溶融樹脂として射出する射出装置と、容積が拡大縮小可能な金型キャビティを備え、前記射出装置から射出された前記発泡剤含有溶融樹脂を前記金型キャビティに充填する金型とを用い、前記射出装置から前記発泡剤含有溶融樹脂を前記金型キャビティ内に射出充填し、次いで前記金型キャビティを拡大して前記発泡剤含有溶融樹脂を発泡させて成形する熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法であって、前記熱可塑性樹脂中への前記発泡剤の含有化を、前記発泡剤として気泡核形成剤及び発泡性ガスを用い、前記発泡剤のうち前記気泡核形成剤を可塑化前の前記熱可塑性樹脂とともに前記射出装置の供給部に供給し、かつ前記発泡剤のうち前記発泡性ガスを前記射出装置の供給部又は可塑化部へ０．１ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ未満の圧力で供給し、前記供給部又は可塑化部に存在する可塑化前又は可塑化された前記熱可塑性樹脂及び前記気泡核形成剤に前記発泡性ガスを接触させ、前記発泡剤をスクリュ先端にミキシングヘッドを装着した２ステージスクリュにより分散、混合させることによって行うことを特徴とする熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法（以下、「第２の発明」ということがある）。
［３］前記混合体又は前記発泡性ガスの前記射出装置の供給部又は可塑化部への供給圧力を、０．５〜０．９ＭＰａとする前記［１］又は［２］に記載の熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法。
［４］前記混合体又は前記発泡性ガスの前記射出装置の供給部又は可塑化部への供給を、供給圧力を制御した状態で行う前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法。
［５］前記発泡性ガスとして、無機ガスである、空気、二酸化炭素、窒素、又は二酸化炭素と窒素との混合ガスを用いる前記［１］〜［４］のいずれかに記載の熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法。
［６］前記熱可塑性樹脂として自動車内装グレードポリプロピレン（ＰＰ、メルトフローインデックス１０〜７０／ＩＳＯ−１１３３）を用い、前記気泡核形成剤として有機酸を、前記熱可塑性樹脂に０．１〜１０質量％混合させた状態で用い、前記発泡性ガスとして二酸化炭素を０．５〜０．９ＭＰａの圧力で前記可塑化部に供給して、発泡倍率が１．１〜３．０の自動車内装用射出発泡成形品を得る前記［２］に記載の熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法。
本発明によって、簡易、安全かつ効率的に、所望の気泡径及び密度の射出発泡成形品を得ることが可能な熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法を提供することができる。さらに、環境に対する負荷の少ない熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法を提供することができる。
１： 固定盤
２： 可動盤
３： 固定金型
４： 可動金型
１０： 金型
１０ａ： 金型キャビティ
２０： 型締装置
３０： 射出装置
３１： 可塑化シリンダ
３２： スクリュ
３５： ホッパ
４０ 発泡性ガス供給手段
４１： 空気供給源
４２： 二酸化炭素供給源
４３： 発泡性ガス供給装置
６１： 気泡核形成剤供給装置
６２： 気泡核形成剤供給装置
７０： 制御装置
１００： 横型締めタイプの射出成形装置
２： 可動盤
３： 固定金型
４： 可動金型
１０： 金型
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３５： ホッパ
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４１： 空気供給源
４２： 二酸化炭素供給源
４３： 発泡性ガス供給装置
６１： 気泡核形成剤供給装置
６２： 気泡核形成剤供給装置
７０： 制御装置
１００： 横型締めタイプの射出成形装置
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ具体的に説明する。
図１に示すように、本発明（第１の発明）の熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法は、供給部（図１ではホッパ３５を示す）及び可塑化部（図１では可塑化シリンダ３１及びスクリュ３２を示す）を備え、供給部（ホッパ）３５から供給された熱可塑性樹脂を可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２で可塑化するとともに発泡剤を含有した発泡剤含有溶融樹脂として射出する射出装置３０と、容積が拡大縮小可能な金型キャビティ１０ａを備え、射出装置３０から射出された発泡剤含有溶融樹脂を金型キャビティ１０ａに充填する金型１０とを用い、射出装置３０から発泡剤含有溶融樹脂を金型キャビティ１０ａ内に射出充填し、次いで金型キャビティ１０ａを拡大して発泡剤含有溶融樹脂を発泡させて成形する熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法であって、熱可塑性樹脂中への発泡剤の含有化を、発泡剤として気泡核形成剤及び発泡性ガスの混合体を用い、混合体を射出装置３０の供給部（ホッパ）３５又は可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２に０．１ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ未満の圧力で供給し、供給部（ホッパ）３５又は可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２に存在する可塑化前又は可塑化された熱可塑性樹脂に混合体を接触させることによって行うことを特徴とするものである。
図１に示すように、本発明（第２の発明）の熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法は、供給部（図１ではホッパ３５を示す）及び可塑化部（図１では可塑化シリンダ３１及びスクリュ３２を示す）を備え、供給部（ホッパ）３５から供給された熱可塑性樹脂を可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２で可塑化するとともに発泡剤を含有した発泡剤含有溶融樹脂として射出する射出装置３０と、容積が拡大縮小可能な金型キャビティ１０ａを備え、射出装置３０から射出された発泡剤含有溶融樹脂を金型キャビティ１０ａに充填する金型１０とを用い、射出装置３０から発泡剤含有溶融樹脂を金型キャビティ１０ａ内に射出充填し、次いで金型キャビティ１０ａを拡大して発泡剤含有溶融樹脂を発泡させて成形する熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法であって、熱可塑性樹脂中への発泡剤の含有化を、発泡剤として気泡核形成剤及び発泡性ガスを用い、発泡剤のうち気泡核形成剤を可塑化前の熱可塑性樹脂とともに射出装置３０の供給部（ホッパ）３５に供給し、かつ発泡剤のうち発泡性ガスを射出装置３０の供給部（ホッパ）３５又は可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２へ０．１ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ未満の圧力で供給し、供給部（ホッパ）３５又は可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２に存在する可塑化前又は可塑化された熱可塑性樹脂及び気泡核形成剤に発泡性ガスを接触させることによって行うことを特徴とするものである。なお、図１に示す横型締めタイプの射出成形装置１００の全体的な構成については後述する。
第１の発明においては、発泡剤として気泡核形成剤及び発泡性ガスの混合体を用い、この混合体を射出装置３０の供給部（ホッパ）３５又は可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２に、通常０．１ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ未満、好ましくは０．５〜０．９ＭＰａの圧力で供給する。混合体（発泡性ガス）の供給圧力が、０．１ＭＰａ未満であると、所望する気泡密度や気泡径を得ることができず、１．０ＭＰａ以上であると、スワルマークによる成形品の外観不良が顕著となる。また、混合体（発泡性ガス）の供給圧力を０．１ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ未満の圧力としたことによって、発泡性ガスを超臨界状態として使用する従来のような超臨界流体の発生装置及び供給装置を必要とすることがない。
第２の発明においては、発泡剤として、気泡核形成剤及び発泡性ガスを用い、気泡核形成剤を可塑化前の熱可塑性樹脂とともに射出装置３０の供給部（ホッパ）３５に供給するとともに、発泡剤のうち発泡性ガスを射出装置３０の供給部（ホッパ）３５又は可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２へ、通常０．１ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ未満の圧力で供給し、好ましくは０．５〜０．９ＭＰａの圧力で供給する。発泡性ガスの供給圧力を上述の範囲としたことの理由は第１の発明の場合と同様である。
本発明（第１及び第２の発明）においては、混合体又は発泡性ガスの射出装置３０の供給部（ホッパ）３５又は可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２への供給を、供給圧力を制御した状態（図１では制御装置７０を示す）で行うことが好ましい。制御装置７０については後述する。
本発明（第１及び第２の発明）においては、発泡性ガスとして、無機ガスである、空気、二酸化炭素、窒素、又は二酸化炭素と窒素との混合ガスを用いることが好ましい。このように構成することによって、環境に有害な（環境に対する負荷が大きい）発泡剤や、導入や取り扱いが煩雑で法的規制を受ける超臨界流体の発生装置及び供給装置を用いることなしに、所望する気泡密度や気泡径を有し、そして、有害な分解生成物の残留がない熱可塑性樹脂の射出発泡成形品を、簡易、安全かつ効率的に得ることができる。
本発明（第１及び第２の発明）においては、気泡核形成剤として、酸化鉄、珪酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛及びステアリン酸マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の微粉末を用いることが好ましい。
本発明（第１及び第２の発明）においては、気泡核形成剤として、クエン酸、酒石酸等の有機酸、珪酸アルミニウム、ガラス繊維及びタルクからなる群から選ばれる少なくとも一種の微粉末を用いてもよい。
本発明（第１及び第２の発明）においては、熱可塑性樹脂として、ポリプロピレン（ＰＰ）又はポリエチレン（ＰＥ）等のオレフィン系樹脂を用いることが好ましい。特に、気泡核形成剤として、酸化鉄、珪酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛及びステアリン酸マグネスムからなる群から選ばれる少なくとも一種の微粉末、並びに発泡性ガスとして、空気、二酸化炭素、窒素、又は二酸化炭素と窒素との混合ガス等の無機ガスを用いる場合、成形材料の乾燥が不要であるポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）等のオレフィン系樹脂を好適に用いることができる。
気泡核形成剤として、クエン酸、酒石酸等の有機酸、珪酸アルミニウム、ガラス繊維及びタルクからなる群から選ばれる少なくとも一種の微粉末、並びに発泡性ガスとして、空気、二酸化炭素、窒素、又は二酸化炭素と窒素との混合ガス等の無機ガスを用いる場合、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）等のオレフィン系樹脂のほかに、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）等のオレフィン系樹脂以外の結晶性又は非晶性樹脂を用いてもよい。
本発明（第１及び第２の発明）においては、混合体又は発泡性ガスの射出装置への供給箇所を、射出装置３０の供給部（ホッパ）３５又は可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２（例えば、発泡剤含有溶融樹脂中）としたので、発泡性ガスや気泡核形成剤を発泡剤含有溶融樹脂中に、十分に分散、混合させることができる。また、混合体又は発泡性ガスを、射出装置３０の可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２へ供給する場合、可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２に配設されたスクリュを２ステージスクリュとすることが、さらに確実に、発泡性ガスや気泡核形成剤を発泡剤含有溶融樹脂中に分散、混合させることができることから好ましい。なお、スクリュ３２としては、高分散性のスクリュヘッドを備えたものであることが、発泡剤含有溶融樹脂と、発泡性ガス及び気泡核形成剤との分散、混合性を高める観点から好ましい。
第２の発明において、熱可塑性樹脂として自動車内装グレードポリプロピレン（ＰＰ、メルトフローインデックス１０〜７０／ＩＳＯ−１１３３）を用い、気泡核形成剤としてクエン酸、酒石酸等の有機酸を、熱可塑性樹脂に０．１〜１０質量％混合させた状態で用い、発泡性ガスとして二酸化炭素を０．５〜０．９ＭＰａの圧力で可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２に供給して、発泡倍率が１．１〜３．０の自動車内装用発泡成形品を簡易、安全かつ効率的に得ることができる。
以下、図１に示す、本発明に用いられる横型締めタイプの射出成形装置の一の実施の形態について具体的に説明する。本発明に用いられる横型締めタイプの射出成形装置１００は、金型１０、型締装置２０、射出装置３０、発泡性ガス供給手段４０及び制御装置７０から構成されている。
金型１０は、固定盤１に取付けられた固定金型３と可動盤２に取付けられた可動金型４とからなり、固定金型３と可動金型４とは半押込み構造であり嵌合部で嵌合され、嵌合された状態で固定金型３に形成されたキャビティ面と可動金型４に形成されたキャビティ面とが組み合わされて、金型キャビティ１０ａを形成する構成となっている。そして、半押込み構造の嵌合部は金型キャビティ１０ａの全周にわたって形成され、射出充填後に金型キャビティ１０ａを拡大しても金型キャビティ１０ａに充填した樹脂が金型１０から漏れ出すことを防止している。
型締装置２０は、金型１０の型開、型閉を作動する型締シリンダ２２を備えており、可動金型４が固定金型３に対してタイバー（図示せず）に案内されて前後進できるように構成され、金型キャビティ１０ａの容積を拡大縮小可能にしている。
なお、本発明の実施の形態においては、金型１０を所定のストローク開いても金型キャビティ１０ａ内に充填した樹脂が漏れ出すことのない半押込み構造の金型１０を用いたが、これに制限されるものではなく、発泡成形に適用可能なものであればそれ以外の、例えば、平押し構造等の金型を用いてもよい。また、本実施の形態では、直圧式の型締装置を有する横型締めタイプの射出成形装置を用いたが、トグル式型締装置、電動サーボモータ式又は竪型締めタイプの射出成形装置を用いてもよい。
射出装置３０は、可塑化シリンダ３１と、可塑化シリンダ３１に内装されフライトを有するスクリュ３２と、可塑化シリンダ３１内に成形材料を供給するホッパ３５とを備え、スクリュ３２を前後進させるスクリュ移動手段３３と、スクリュ３２を回転駆動するスクリュ回転手段３４が設けられ、発泡性ガス供給手段４０から供給部（ホッパ）３５又は可塑化部（可塑化シリンダ及びスクリュ）３１、３２内の発泡剤含有溶融樹脂中に発泡性ガスが供給されるように構成されている。そして、可塑化シリンダ３１外周面には、ヒータ（図示せず）が取付けられている。
射出装置３０は、スクリュ回転手段３４によってスクリュ３２が回転することにより、ホッパ３５からペレット状の成形材料が可塑化シリンダ３１内に供給される構成となっており、供給されたペレット状の成形材料は、可塑化シリンダ３１に取付けられたヒータによって加熱され、また、スクリュ３２の回転によって混練圧縮作用を受けることにより発泡性ガス及び気泡核形成剤を分散、混合して溶融し、スクリュ３２の前方へ送られる。スクリュ３２の前方へ送られた発泡性ガス及び気泡核形成剤を分散、混練させた発泡剤含有溶融樹脂は、スクリュ移動手段３３により前進するスクリュ３２によって、可塑化シリンダ３１の先端に取付けられたノズル３６から金型内へ射出充填することができる。気泡核形成剤として酸化鉄、珪酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛及びステアリン酸マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の微粉末を用いる場合においては、後述する気泡核形成剤供給装置６１、６２から予め設定された成形条件に基づいて好適な量を供給することができる。
本実施の形態における射出装置３０においては、スクリュ移動手段３３を油圧シリンダとし、スクリュ回転手段３４を油圧モータとしているが、これに限らず、電動サーボモータを用いたスクリュ移動手段やスクリュ回転手段を用いてもよい。また、本実施の形態では、可塑化と射出とを一本のスクリュで行なうインラインスクリュ方式の射出装置を有する構成としたが、可塑化と射出とを別々の機構で行なうスクリュプリプラ方式の射出装置を用いてもよい。さらに、本実施の形態においては、スクリュ３２の形状を２ステージスクリュとしたが、例えば、発泡性ガスの供給位置をホッパ３５とした場合においてはシングルステージスクリュとしてもよい。
発泡性ガス供給手段４０は、空気供給源４１と、二酸化炭素供給源４２と、発泡性ガス供給装置４３とを備え、空気供給源４１と二酸化炭素供給源４２とは供給路によって連結されている。さらに、発泡性ガス供給手段４０は射出装置３０の可塑化シリンダ３１及びホッパ３５に設けられたガス供給口への発泡性ガス供給路を備え、制御装置７０の指令に基づき、射出装置３０へ発泡性ガスを供給する。また、発泡性ガス供給装置４３及び射出装置３０に連結された供給路の末端近傍には気泡核形成剤を供給する気泡核形成剤供給装置６１、６２が設けられ、発泡性ガス中に、例えば、酸化鉄、珪酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛及びステアリン酸マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の微粉末を供給する構成となっている。
発泡性ガス供給手段４０は、図２に示すように、空気供給源４１と、二酸化炭素供給源４２と、発泡性ガス供給装置４３とで構成されている。符号３１は可塑化シリンダ、符号３２はスクリュ、符号６１、６２は発泡性ガス中に気泡核形成剤を供給する気泡核形成剤供給装置である（図１と同じ符号を付した）。空気供給源４１は、空気圧縮機４５、圧力調整弁４６、逆止弁４７及び圧力計４８を、二酸化炭素供給源４２は、二酸化炭素ボンベ５１、圧力調整弁５２、圧力計５４及び逆止弁５５を、発泡性ガス供給装置４３は、開閉弁５６、５７、電磁切替弁５８、５９を備えている。
空気供給源４１は、空気圧縮機４５によって圧縮された空気を、圧力調整弁４６で減圧し、逆止弁４７を経て発泡性ガス供給装置４３に供給する構成となっており、発泡性ガス供給装置４３に供給された空気は、開閉弁５６及び電磁切替弁５８、５９を経由して可塑化シリンダ３１及び／又はホッパ３５から射出成形装置３０内へ送り込むことができる。開閉弁５６を開くことによって圧力調整弁４６にて所望の圧力に減圧された空気は、逆止弁４７を経て発泡性ガス供給装置４３へ供給される。発泡性ガス供給装置４３へ供給された空気を、電磁切替弁５８を開くことで可塑化シリンダ３１の略中央部に設けられた発泡剤含有溶融樹脂中への供給口から、電磁切替弁５９を開くことでホッパ３５に設けられたガス供給口から、それぞれ送り込むことができる。本発明の実施の形態において、空気源として空気圧縮機４５を用いる構成としたが、工場エアを空気源として用いることができる場合には、工場エアを所定の圧力に減圧し直接発泡性ガス供給装置４３に連結する構成としてもよい。
一方、二酸化炭素源４２は、二酸化炭素ボンベ５１内の二酸化炭素を、圧力調整弁５２で減圧し、逆止弁５５を経て発泡性ガス供給装置４３に供給する構成となっており、発泡性ガス供給装置４３に供給された二酸化炭素は、開閉弁５７及び電磁切替弁５８、５９を経由して可塑化シリンダ３１及びホッパ口から射出成形装置３０内へ送り込むことができる。開閉弁５７を開くことによって圧力調整弁５２にて所望の圧力に減圧された二酸化炭素は、逆止弁５５を経て発泡性ガス供給装置４３へ供給される。発泡性ガス供給装置４３へ供給された二酸化炭素を、電磁切替弁５８を開くことで可塑化シリンダ３１の略中央部に設けられた溶融樹脂中への供給口から、電磁切替弁５９を開くことでホッパ３５に設けられたガス供給口から、それぞれ送り込むことができる。
発泡性ガスとして窒素を用いる場合の窒素供給源は、図２において、二酸化炭素供給源４２と同一の構成であって、窒素源として窒素ボンベを二酸化炭素ボンベ５１に置き換えた形態の構成とする。また、窒素供給源を用いることなく、例えば、空気供給源４１にガス透過膜を有した窒素ガス分離装置を備えて、空気中の窒素を分離し、空気圧縮機４５に供給する形態としてもよい。
制御装置７０は、図１に示すように、成形材料の可塑化と、発泡性ガス及び気泡核形成剤としての酸化鉄、珪酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛及びステアリン酸マグネシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の微粉末の供給と、発泡剤含有溶融樹脂の金型１０内への射出とを制御する射出制御部７１、金型１０の開閉や型締力を制御する型締制御部７２及びタイマ類等から構成されている。型締制御部７２は、樹脂の発泡工程の開始時に金型キャビティ１０ａの容積が所望の容積となるよう可動盤２の位置を移動させる位置及び速度の設定部を備えるとともに、発泡工程の完了時まで可動盤２の位置を保持する制御ができるようになっている。発泡工程は、金型キャビティ１０ａ内に樹脂が充填完了したことを検出し型締力を降圧する工程と金型キャビティ１０ａの容積を拡大する工程とを有し、型締力の降圧工程中にスキン層と発泡核とが形成され、型締力の降圧速度が速いほど多くの発泡核が形成される。また、金型キャビティ１０ａの拡大速度は成形樹脂の伸長粘度によって設定し、伸長粘度が低い場合は拡大速度を遅く、伸長粘度が高い場合は拡大速度を速く設定することが好ましい。
本実施の形態において、気泡核形成剤として、クエン酸、酒石酸等の有機酸、珪酸アルミニウム、ガラス繊維又はタルク等と成形材料と混合をして射出成形装置に供給する場合は、気泡核形成剤を粉末状として成形材料にドライブレンドする方法、気泡核形成剤をマスターバッチ化して成形材料に添加する方法等を用いてもよい。
以下、上述の横型締めタイプの射出成形装置１００を用いて、射出成形をする場合の工程の流れを具体的に説明する。図１に示す型締シリンダ２２のピストンヘッド側に圧油を供給してピストンロッドを前進移動させることにより、可動盤２を固定盤１の方向へ移動させ金型１０を型締めして保持する。金型に作用させる型締力は樹脂充填時の際に樹脂の充填圧力で金型１０が開かない最小の値とすることが、使用エネルギーや成形装置寿命の観点から好ましい。型締完了後、予め設定した射出充填量、射出圧力、射出速度に基づいて金型キャビティ１０ａ内に樹脂の射出充填を行う。
スクリュ回転手段３４に圧油を供給してスクリュ３２を回転させることによりホッパ３５から供給した成形材料を、可塑化シリンダ３１に取付けたヒータで加熱し、また、スクリュ３２の回転によって混練圧縮作用を受け溶融させるとともに、発泡性ガスと発泡核形成剤とを分散、混合させてスクリュ３２前方へ送る。スクリュ３２前方へ送り込まれた発泡性ガスと発泡核形成剤とを分散、混合した発泡剤含有溶融樹脂を、スクリュ移動手段３３に圧油を供給してスクリュ３２を前進させることにより、金型キャビティ１０ａ内に射出充填することができる。樹脂充填完了後、型締シリンダ２２のピストンヘッド側に作用させた圧油を減圧して型締力を降圧する。次いで、型締シリンダ２２のピストンロッド側に圧油を供給してピストンロッドを後退移動させることにより、可動盤２を反固定盤方向へ移動させ金型１０を型開して金型キャビティ１０ａの容積を拡大する。金型キャビティ１０ａ容積の拡大制御は、型締制御部７２に備えた可動盤２の位置を移動させる位置及び速度の設定部の設定値に基づいて行い、可動盤２は予め設定された位置で停止するとともに、金型内の樹脂発泡圧力によって可動盤２が押し戻されないように位置保持する。このように金型容積の拡大制御を行なって金型キャビティ１０ａの容積を拡大することで、金型キャビティ１０ａ内の樹脂圧力が減少し始め、同時に樹脂内部において発泡が起こり始める。予め設定された成形品の冷却時間だけ金型キャビティ１０ａの容積を保持した冷却工程の後、金型１０を成形品の取り出し位置まで後退させ発泡成形品を得ることができる。本実施の形態においては、金型１０を僅かに開いた状態であっても固定金型３と可動金型４とは嵌合部で嵌合されており、金型キャビティ１０ａ内の発泡剤含有溶融樹脂が金型１０の外へ漏れ出すことがない。
以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明する。
（実施例１）
射出成形装置として横型トグル式射出成形機（宇部興産機械製 ＤＰ３５０射出成形機）を、熱可塑性樹脂としてポリプロピレン（三井化学（株）製 自動車内装グレード ＭＲＦ３０／ＩＳＯ１１３３）を用いた。気泡核形成剤として酸化鉄の微粉末を、発泡性ガスとして空気を用い、可塑化シリンダ内の発泡剤含有溶融樹脂中に０．６ＭＰａの圧力で注入した。可塑化スクリュは、スクリュ先端にミキシングヘッドを装着した２ステージスクリュを用いた。成形品は３５０×２２０ｍｍの自動車内装品（グローブボックスアウター）で、充填時の金型キャビティ厚みが１．８ｍｍ、拡大後の厚みが３．６ｍｍ（容積拡大率２倍）を用いた。また、成形条件は樹脂温度２００℃、金型温度３０℃に設定した。成形品の評価は発泡セル密度状態及び外観状態を目視で行なった。実施例１で得られた成形品セル層の発泡状態は所望する気泡密度や気泡径を有した微細発泡セルの集合体であり、また、外観状態もスワルマークやシリバーストリークが少なく良好であった。そして、気泡核形成剤として酸化鉄の微粉末を、発泡性ガスとして空気を用いることから、成形時において有害な分解生成物が発生することもなく、従って、有害な分解生成物の残留がない熱可塑性樹脂の発泡成形品を得ることができた。
射出成形装置として横型トグル式射出成形機（宇部興産機械製 ＤＰ３５０射出成形機）を、熱可塑性樹脂としてポリプロピレン（三井化学（株）製 自動車内装グレード ＭＲＦ３０／ＩＳＯ１１３３）を用いた。気泡核形成剤として酸化鉄の微粉末を、発泡性ガスとして空気を用い、可塑化シリンダ内の発泡剤含有溶融樹脂中に０．６ＭＰａの圧力で注入した。可塑化スクリュは、スクリュ先端にミキシングヘッドを装着した２ステージスクリュを用いた。成形品は３５０×２２０ｍｍの自動車内装品（グローブボックスアウター）で、充填時の金型キャビティ厚みが１．８ｍｍ、拡大後の厚みが３．６ｍｍ（容積拡大率２倍）を用いた。また、成形条件は樹脂温度２００℃、金型温度３０℃に設定した。成形品の評価は発泡セル密度状態及び外観状態を目視で行なった。実施例１で得られた成形品セル層の発泡状態は所望する気泡密度や気泡径を有した微細発泡セルの集合体であり、また、外観状態もスワルマークやシリバーストリークが少なく良好であった。そして、気泡核形成剤として酸化鉄の微粉末を、発泡性ガスとして空気を用いることから、成形時において有害な分解生成物が発生することもなく、従って、有害な分解生成物の残留がない熱可塑性樹脂の発泡成形品を得ることができた。
（実施例２）
気泡核形成剤としてクエン酸の微粉末を、発泡性ガスとして二酸化炭素を用い（成形機、成形材料、成形品、スクリュ及び成形条件は実施例１と同様にした）、ポリプロピレン（三井化学（株）製 自動車内装グレード ＭＲＦ３０／ＩＳＯ１１３３）にクエン酸の微粉末を２．５質量％混合した成形材料を成形機ホッパに供給し、二酸化炭素を可塑化シリンダ内の溶融樹脂中に０．６ＭＰａの圧力で注入した。実施例２で得られた成形品セル層の発泡状態は所望する気泡密度や気泡径を有した微細発泡セルの集合体であり、また、外観状態もスワルマークやシリバーストリークが少なく良好であった。そして、気泡核形成剤としてクエン酸の微粉末を、発泡性ガスとして二酸化炭素を使用することから、成形時において有害な分解生成物が発生することがなく、従って、有害な分解生成物の残留がない熱可塑性樹脂の発泡成形品を得ることができた。
気泡核形成剤としてクエン酸の微粉末を、発泡性ガスとして二酸化炭素を用い（成形機、成形材料、成形品、スクリュ及び成形条件は実施例１と同様にした）、ポリプロピレン（三井化学（株）製 自動車内装グレード ＭＲＦ３０／ＩＳＯ１１３３）にクエン酸の微粉末を２．５質量％混合した成形材料を成形機ホッパに供給し、二酸化炭素を可塑化シリンダ内の溶融樹脂中に０．６ＭＰａの圧力で注入した。実施例２で得られた成形品セル層の発泡状態は所望する気泡密度や気泡径を有した微細発泡セルの集合体であり、また、外観状態もスワルマークやシリバーストリークが少なく良好であった。そして、気泡核形成剤としてクエン酸の微粉末を、発泡性ガスとして二酸化炭素を使用することから、成形時において有害な分解生成物が発生することがなく、従って、有害な分解生成物の残留がない熱可塑性樹脂の発泡成形品を得ることができた。
（比較例１）
発泡性ガスとして高圧の二酸化炭素を用い（成形機、成形材料、成形品、スクリュ及び成形条件は実施例１と同様にした）、ポリプロピレン（三井化学（株）製 自動車内装グレード ＭＲＦ３０／ＩＳＯ１１３３）を成形機ホッパに供給し、昇圧装置で加圧した二酸化炭素を可塑化シリンダ内の溶融樹脂中に１０ＭＰａの圧力で注入した。比較例１で得られた成形品のセル層は粗大な気泡が混在した発泡状態であり、また、外観状態はスワルマークやシルバーストリークが著しく、所望する気泡密度や気泡径を有した微細な発泡セルの集合体の射出発泡成形品を得ることができなかった。
発泡性ガスとして高圧の二酸化炭素を用い（成形機、成形材料、成形品、スクリュ及び成形条件は実施例１と同様にした）、ポリプロピレン（三井化学（株）製 自動車内装グレード ＭＲＦ３０／ＩＳＯ１１３３）を成形機ホッパに供給し、昇圧装置で加圧した二酸化炭素を可塑化シリンダ内の溶融樹脂中に１０ＭＰａの圧力で注入した。比較例１で得られた成形品のセル層は粗大な気泡が混在した発泡状態であり、また、外観状態はスワルマークやシルバーストリークが著しく、所望する気泡密度や気泡径を有した微細な発泡セルの集合体の射出発泡成形品を得ることができなかった。
本発明の熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法によって、環境に有害で環境に対する負荷が大きい発泡剤や、導入や取り扱いが煩雑で法的規制を受ける超臨界流体の発生装置及び供給装置を用いることなしに、所望する気泡密度や気泡径を有し、有害な分解生成物の残留がない熱可塑性樹脂の射出発泡成形品を、簡易、安全かつ効率的に得ることができる。また、所望する気泡密度や気泡径を有した微細な発泡セルの集合体からなり外観が良好な射出発泡成形品を簡易、安全かつ効率的に得ることができる。このため、本発明の熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法は、軽量性、断熱性、吸音性及び同一質量での剛性等の物性に優れた熱可塑性樹脂の射出発泡成形品を必要とする種々の産業分野において好適に利用される。
Claims (6)
- 供給部及び可塑化部を備え、前記供給部から供給された熱可塑性樹脂を前記可塑化部で可塑化するとともに発泡剤を含有した発泡剤含有溶融樹脂として射出する射出装置と、容積が拡大縮小可能な金型キャビティを備え、前記射出装置から射出された前記発泡剤含有溶融樹脂を前記金型キャビティに充填する金型とを用い、前記射出装置から前記発泡剤含有溶融樹脂を前記金型キャビティ内に射出充填し、次いで前記金型キャビティを拡大して前記発泡剤含有溶融樹脂を発泡させる熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法であって、
前記熱可塑性樹脂中への前記発泡剤の含有を、前記発泡剤として気泡核形成剤及び発泡性ガスの混合体を用い、前記混合体を前記射出装置の供給部又は可塑化部に０．１ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ未満の圧力で供給し、前記供給部又は可塑化部に存在する可塑化前又は可塑化された前記熱可塑性樹脂に前記混合体を接触させ、前記発泡剤をスクリュ先端にミキシングヘッドを装着した２ステージスクリュにより分散、混合させることによって行うことを特徴とする熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法。 - 供給部及び可塑化部を備え、前記供給部から供給された熱可塑性樹脂を前記可塑化部で可塑化するとともに発泡剤を含有した発泡剤含有溶融樹脂として射出する射出装置と、容積が拡大縮小可能な金型キャビティを備え、前記射出装置から射出された前記発泡剤含有溶融樹脂を前記金型キャビティに充填する金型とを用い、前記射出装置から前記発泡剤含有溶融樹脂を前記金型キャビティ内に射出充填し、次いで前記金型キャビティを拡大して前記発泡剤含有溶融樹脂を発泡させる熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法であって、
前記熱可塑性樹脂中への前記発泡剤の含有を、前記発泡剤として気泡核形成剤及び発泡性ガスを用い、前記発泡剤のうち前記気泡核形成剤を可塑化前の前記熱可塑性樹脂とともに前記射出装置の供給部に供給し、かつ前記発泡剤のうち前記発泡性ガスを前記射出装置の供給部又は可塑化部へ０．１ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ未満の圧力で供給し、前記供給部又は可塑化部に存在する可塑化前又は可塑化された前記熱可塑性樹脂及び前記気泡核形成剤に前記発泡性ガスを接触させ、前記発泡剤をスクリュ先端にミキシングヘッドを装着した２ステージスクリュにより分散、混合させることによって行うことを特徴とする熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法。 - 前記混合体又は前記発泡性ガスの前記射出装置の供給部又は可塑化部への供給圧力を、０．５〜０．９ＭＰａとする請求項１又は２に記載の熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法。
- 前記混合体又は前記発泡性ガスの前記射出装置の供給部又は可塑化部への供給を、供給圧力を制御した状態で行う請求項１〜３のいずれかに記載の熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法。
- 前記発泡性ガスとして、無機ガスである、空気、二酸化炭素、窒素、又は二酸化炭素と窒素との混合ガスを用いる請求項１〜４のいずれかに記載の熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法。
- 前記熱可塑性樹脂として自動車内装グレードポリプロピレン（ＰＰ、メルトフローインデックス１０〜７０／ＩＳＯ−１１３３）を用い、前記気泡核形成剤として有機酸を、前記熱可塑性樹脂に０．１〜１０質量％混合させた状態で用い、前記発泡性ガスとして二酸化炭素を０．５〜０．９ＭＰａの圧力で前記可塑化部に供給して、発泡倍率が１．１〜３．０の自動車内装用射出発泡成形品を得る請求項２に記載の熱可塑性樹脂の射出発泡成形方法。
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