JP6084046B2 - ポリエチレン系樹脂発泡粒子およびポリエチレン系樹脂型内発泡成形体およびその製造方法 - Google Patents

ポリエチレン系樹脂発泡粒子およびポリエチレン系樹脂型内発泡成形体およびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ポリエチレン系樹脂発泡粒子およびポリエチレン系樹脂型内発泡成形体に関する。
ポリエチレン系樹脂発泡成形体は、柔軟性、断熱性に優れる為、緩衝包装材や断熱材として種々の用途に利用されている。
ポリエチレン系樹脂発泡成形体の製造方法としては、ポリエチレン系樹脂粒子をブタンガス等の発泡剤にて予め発泡(ビーズ発泡)させた発泡粒子を、型内に充填し、水蒸気等の熱媒を導入して加熱融着させる型内発泡成形が知られている。ビーズ発泡においては、発泡倍率が高く、耐熱性に優れる発泡体が容易に得られることから、架橋ポリエチレンが用いられてきたが、無架橋ポリエチレン系樹脂でも成形性の良い成形体を製造することが提案されている(特許文献1、2参照)。
従来、当該分野で使用されている発泡剤としては、高発泡倍率の発泡粒子が得られることから、特許文献1、2のように揮発性有機発泡剤が使用されてきた。しかしながら、環境問題への関心の高まりから、近年では発泡剤として炭酸ガスなどの無機ガスが使用されるようになってきた(特許文献3、4参照)。これらの方法は、成形体の厚みが大きい場合や小さい場合に、厚みが薄い部分の伸びが悪い、中心部まで加熱融着させるために加熱時間が長くなり得られる発泡成形体の対金型寸法収縮率が大きい、などの場合があるという問題があった。特に同一成形体内に厚みが異なる部位が存在した場合には、加熱にムラが生じるため、一部が変形するなど、良好な成形体を得る難易度は高い。
特許文献5では、特定の添加物を含まない系で微細気泡となる種類のオレフィン系樹脂発泡粒子において、多価アルコール脂肪酸エステル等の有機物および無機物を重量比が5:95〜80:20の混合物として添加することにより、成形性、物性等に優れるオレフィン系樹脂発泡粒子が開示されている。しかしながら、炭酸ガスなどの無機ガスを使用し、特許文献4のように親水性化合物を添加した場合には、特許文献5記載の混合比率で有機物と無機物を添加しても対金型寸法収縮率が大きい場合があるという問題もあった。
また、特許文献6では添加剤が比較的多い添加量でも成形性が良好となる発泡粒子が開示されている。しかしながら、成形体の厚みが変わった場合の成形性については述べられておらず、特許文献6の発泡粒子を用いても満足な対金型収縮率が得られない場合があった。
特許1696651 特許2017449 特開2000−17079 特開2010−59393 特開平11−209503 国際公開WO2012/121163
本発明の目的は、厚みの異なる部位を有する成形体に用いる場合でも、成形後の対金型寸法収縮率が少なく、表面が美麗なポリエチレン系樹脂型内発泡成形体を製造することができる、ポリエチレン系樹脂発泡粒子を提供することにある。
本発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、基材樹脂に対して、セル造核剤、多価アルコール脂肪酸エステルおよび親水性化合物を特定割合で含み、特定の範囲の粒重量を有するポリエチレン系樹脂発泡粒子を型内発泡成形に用いることにより、厚みの異なる部位を有する金型に、単一の発泡粒子を用いた場合でも、表面美麗であり、対金型寸法収縮率の小さい成形体が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下の構成よりなる。
[1] ポリエチレン系樹脂100重量部に対して、セル造核剤を0.08重量部以上0.25重量部以下、多価アルコール脂肪酸エステルを0.3重量部以上2.0重量部以下、親水性化合物を0.01重量部以上10重量部以下含有するポリエチレン系樹脂組成物を基材樹脂とするポリエチレン系樹脂発泡粒子であって、
一粒当たりの重量が1.5mg以上、2.5mg以下であることを特徴とする、ポリエチレン系樹脂発泡粒子。
[2] 多価アルコール脂肪酸エステルがグリセリンエステルであることを特徴とする、[1]記載のポリエチレン系樹脂発泡粒子。
[3] セル造核剤がタルクであることを特徴とする、[1]または[2]に記載のポリエチレン系樹脂発泡粒子。
[4] [1]〜[3]のいずれか1項記載のポリエチレン系樹脂発泡粒子を、金型内に充填した後、型内発泡成形して得られることを特徴とする、ポリエチレン系樹脂発泡成形体。
[5] [1]〜[3]のいずれか1項記載のポリエチレン系樹脂発泡粒子の製造方法であって、下記の一段発泡工程を経ることを特徴とする、ポリエチレン系樹脂発泡粒子の製造方法。
一段発泡工程:ポリエチレン系樹脂粒子と、発泡剤および水系分散媒を分散させ、発泡用ポリエチレン系樹脂粒子の軟化温度以上の温度まで加熱、加圧した後、密閉容器の内圧よりも低い圧力域に放出することによりポリエチレン系樹脂発泡粒子を製造する工程。
[6] [1]〜[3]のいずれか1項記載のポリエチレン系樹脂発泡粒子を予め特に前処理することなく、2つの金型よりなる閉鎖しうるが密閉し得ない成形空間内に充填し、水蒸気などの加熱媒体により加熱することによって得ることを特徴とする、ポリエチレン系樹脂発泡成形体の製造方法。
本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子によれば、厚みの異なる部位を有する金型に、単一の発泡粒子を用いて型内発泡成形を行う場合でも、表面美麗であり、対金型寸法収縮率の小さい成形体を得ることができる。
本発明のポリプロピレン系樹脂発泡粒子を、示差走査熱量計(DSC)にて、40℃〜220℃まで10℃/分の速度で昇温した際に得られるDSC曲線の一例である。ここで、低温側の融解ピークと低温側ピークと高温側ピークの間の極大点からの融解開始ベースラインへの接線で囲まれる熱量である低温側の融解ピーク熱量がQl、DSC曲線の高温側の融解ピークと低温側ピークと高温側ピークの間の極大点からの融解終了ベースラインへの接線で囲まれる熱量である高温側融解ピーク熱量がQhである。
本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子は、セル造核剤、多価アルコール脂肪酸エステルおよび親水性化合物を含有するポリエチレン系樹脂組成物を基材樹脂とする。
本発明で用いられる基材ポリエチレン系樹脂としては、高密度ポリエチレン系樹脂、中密度ポリエチレン系樹脂、低密度ポリエチレン系樹脂、直鎖状低密度ポリエチレン系樹脂、等が挙げられる。これらの中でも、高発泡のポリエチレン系樹脂発泡粒子が得られる点から、直鎖状低密度ポリエチレン系樹脂を用いることが好ましい。
本発明で用いられる基材ポリエチレン系樹脂としては、密度の異なる直鎖状低密度ポリエチレン系樹脂を複数ブレンドして用いることも可能である。本発明で用いられる基材ポリエチレン系樹脂としては、更には、直鎖状低密度ポリエチレン系樹脂に、高密度ポリエチレン系樹脂、中密度ポリエチレン系樹脂、低密度ポリエチレン系樹脂よりなる群から選ばれる少なくとも1種をブレンドして用いることもできる。
本発明で用いられる直鎖状低密度ポリエチレン系樹脂としては、例えば、融点115℃以上130℃以下、密度0.915g/cm以上0.940g/cm以下、メルトインデックス0.1g/10分以上5g/10分以下のものが好ましい。
なお、メルトインデックスとは、JIS K7210に準拠し、温度190℃、荷重2.16kgで測定した値である。
本発明で用いられる直鎖状低密度ポリエチレン系樹脂は、エチレン以外のエチレンと共重合可能なコモノマーを含んでいてもよい。
エチレンと共重合可能なコモノマーとしては、炭素数4以上18以下のα−オレフィンを用いることができ、例えば、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、3,3−ジメチル−1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、4,4−ジメチル−1−ペンテン、1−オクテンなどが挙げられ、これらは単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。
共重合体の密度を前記範囲とする為には、コモノマーの共重合量は、概ね1重量%以上12重量%以下であることが好ましい。
本発明で用いられるセル造核剤としては、例えば、タルク、ステアリン酸カルシウム、炭酸カルシウム、シリカ、カオリン、酸化チタン、ベントナイト、硫酸バリウム等の無機系造核剤が一般に使用される。これらは、単独で用いても良いし、2種以上を併用しても良い。
これらの中でも、タルクを使用することが、均一なセルが得られるため、好ましい。
本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子におけるセル造核剤の含有量は、ポリエチレン系樹脂100重量部に対して、0.08重量部以上0.25重量部以下が好ましく、0.1重量部以上0.2重量部以下がより好ましい。
セル造核剤の含有量が0.08重量部未満の場合には、対金型収縮率を小さくする効果が得られにくい傾向があり、0.25重量部を超える場合には、セルが微細になり、成形体外観が良好な型内発泡体を得ることが困難になる傾向がある。
本発明で用いられる多価アルコール脂肪酸エステルとしては、例えば、炭素数10〜24の高級脂肪酸と、エチレングリコール、グリセリン、1,2,4−ブタントリオール、ジグリセリン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、エリスリトール、ヘキサントリオール等の多価アルコールとのエステルが挙げられる。これらの多価アルコール脂肪酸エステルは、単独で使用しても、2種類以上のエステルの混合物を使用しても良い。
これらの中でも、グリセリンのモノ、または、ジ、又は、トリ脂肪酸エステルが型内発泡成形性への影響、入手の容易性、価格等の点から望ましい。
グリセリン系の脂肪酸エステルとしては、例えば、ラウリン酸モノグリセリド、ラウリン酸ジグリセリド、ラウリン酸トリグリセリド、パルチミン酸モノグリセリド、パルチミン酸ジグリセリド、パルチミン酸トリグリセリド、ステアリン酸モノグリセリド、ステアリン酸ジグリセリド、ステアリン酸トリグリセリド等があげられる。これらの中でも、ステアリン酸モノグリセリド、ステアリン酸ジグリセリド、ステアリン酸トリグリセリドよりなる群から選ばれる少なくとも1種使用することが好ましい。
本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子における多価アルコール脂肪酸エステル含有量は、ポリエチレン系樹脂100重量部に対して、0.3重量部以上2.0重量部以下が好ましく、0.5重量部以上2.0重量部以下がより好ましい。
多価アルコール脂肪酸エステルが0.3重量部未満の場合には、対金型収縮率を小さくする効果が得られにくい傾向があり、2.0重量部を超える場合には、得られる型内発泡成形体の機械的物性が損なわれ、対金型収縮率も大きくなる虞がある。
本発明で用いられる親水性化合物とは、分子内にカルボキシル基、水酸基、アミノ基、スルホ基、ポリオキシエチレン基などの親水性基が含有される化合物やその誘導体であり、親水性ポリマーも含む。具体的には、カルボキシル基を含む化合物として、ラウリン酸やラウリン酸ナトリウム、水酸基を含む化合物として、エチレングリコールやグリセリンなどが挙げられる。また、その他の親水性有機化合物としてメラミン(化学名:1,3,5−トリアジン−2,4,6−トリアミン)、イソシアヌル酸、イソシアヌル酸縮合物等のトリアジン環を有する有機化合物等が挙げられる。
なお、親水性ポリマーとは、ASTM D570に準拠して測定された吸水率が0.5重量%以上のポリマーのことであり、いわゆる吸湿性ポリマー、水に溶けることなく、自重の数倍から数百倍の水を吸収し、圧力がかかっても脱水されがたいポリマーである吸水性ポリマー、および、常温ないし高温状態で水に溶解するポリマーである水溶性ポリマーを包含するものである。
具体的には、エチレン−アクリル酸−無水マレイン酸三元共重合体、エチレン−(メタ)アクリル酸共重合体のカルボン酸基をナトリウムイオン、カリウムイオンなどのアルカリ金属イオンや亜鉛イオンなどの遷移金属イオンで中和し、分子間を架橋させたアイオノマー系樹脂;
エチレン−(メタ)アクリル酸共重合体などのカルボキシル基含有ポリマー;
ナイロン−6、ナイロン−6,6、共重合ナイロンなどのポリアミド;
ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等のノニオン型吸水性ポリマー;
ペレスタット(商品名、三洋化成社製)等に代表されるポリエーテル−ポリオレフィン系樹脂ブロック共重合体;
アクアコーク(商品名、住友精化社製)等に代表される架橋ポリエチレンオキサイド系重合体;などが挙げられる。
これら親水性ポリマーは、単独で用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。
これら親水性ポリマーの中では、親水性モノマー、ノニオン型吸水性ポリマー、ポリエーテル−ポリオレフィン系樹脂ブロック共重合体であることが、耐圧容器内での分散安定性が比較的良好であり、かつ比較的少量の添加で吸水性を発揮するため、好ましい。さらには、グリセリン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、メラミンが、本発明の効果が大きいため、好ましい。
本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子における親水性化合物の含有量は、ポリエチレン系樹脂100重量部に対して、0.01重量部以上10重量部以下が好ましく、0.03重量部以上5重量部以下がよりこのましく、0.05重量部以上1重量部以下がさらに好ましい。
親水性化合物の含有量が0.01重量部未満の場合には、発泡倍率の高い発泡粒子が得られない傾向があり、10重量部を超える場合には、発泡倍率の更なる向上は発現し難い傾向である上に、得られる型内発泡成形体の表面美麗性、機械的物性が損なわれる虞がある。
本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子には、必要に応じて、酸化防止剤、帯電防止剤、着色剤、難燃剤などを含有させることができる。
本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子を製造するに当たっては、まず、発泡用ポリエチレン系樹脂粒子を製造する。
ポリエチレン系樹脂粒子を製造する方法としては、例えば、次のような方法が挙げられる。
ポリエチレン系樹脂を、セル造核剤、多価アルコール脂肪酸エステル、親水性化合物やその他の添加剤と共に、ドライブレンド法、マスターバッチ法等の混合方法で混合する。次いで、得られた混合物を、押出機、ニーダー、バンバリーミキサー(商標)、ロール等を用いて溶融混練した後に、カッター等にて細断し、粒子形状とすることにより、ポリエチレン系樹脂粒子が得られる。
本発明におけるポリエチレン系樹脂粒子の一粒あたりの重量は1.5mg以上2.5mg以下が好ましく、1.5mg以上2.0mg以下がより好ましい。
ポリエチレン系樹脂粒子の一粒あたりの重量が1.5mg未満の場合には、対金型収縮率が大きくなる傾向があり、2.5mgを超える場合には、厚みが薄い部分での表面性や伸びが悪くなる傾向がある。
ここで、ポリエチレン系樹脂粒子の一粒あたりの重量は、ポリエチレン系樹脂粒子をランダムに選んだ100粒から得られる平均樹脂粒子重量である。
また、ポリエチレン系樹脂粒子の一粒あたりの重量は、発泡工程を経てもほとんど変化することは無く、ポリエチレン系樹脂粒子の一粒あたりの重量をポリエチレン系樹脂発泡粒子の1粒あたりの重量としても問題は無い。
このようにして得た発泡用ポリエチレン系樹脂粒子を用いて、本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子を製造することができる。
ポリエチレン系樹脂発泡粒子の製造方法の好ましい態様としては、
密閉容器内に、発泡用ポリエチレン系樹脂粒子を発泡剤と共に、水系分散媒に分散させ、発泡用ポリエチレン系樹脂粒子の軟化温度以上の温度まで加熱、加圧した後、発泡剤が含浸された発泡用ポリエチレン系樹脂粒子を密閉容器の内圧よりも低い圧力域(通常は大気圧)に放出する発泡工程を経てポリエチレン系樹脂発泡粒子を得るという、水分散系でポリエチレン系樹脂発泡粒子を製造する方法が挙げられる。
具体的には、例えば、密閉容器に発泡用ポリエチレン系樹脂粒子、水系分散媒、必要に応じて分散剤等を仕込んだ後、必要に応じて、密閉容器内を真空引きした後、次いで密閉容器内の圧力が1MPa(ゲージ圧)以上2MPa以下(ゲージ圧)になるまで発泡剤を導入し、その後ポリエチレン系樹脂の軟化温度以上の温度まで加熱する。
加熱することによって密閉容器内の圧力が約1.5MPa(ゲージ圧)以上5MPa以下(ゲージ圧)まで上がる。必要に応じて、加熱後、さらに発泡剤を追加して所望の発泡圧力に調整、さらに発泡温度への温度微調整を行いつつ、0分を超えて120分以下の間ホールドし、次いで、密閉容器の内圧よりも低い圧力域(通常は大気圧)に放出してポリエチレン系樹脂発泡粒子を得る。
発泡倍率を調節する目的で、放出する雰囲気の温度を、室温〜110℃程度に調節しても良い。特に高い発泡倍率の発泡粒子を得る為には、放出する雰囲気の温度を蒸気等で100℃程度にすることが望ましい。
発泡剤の導入方法としては、上記以外の方法でもよく、
例えば、密閉容器内に、発泡用ポリエチレン系樹脂粒子、水系分散媒、必要に応じて分散剤等を仕込んだ後、必要に応じて、密閉容器内を真空引きした後、ポリエチレン系樹脂の軟化温度以上の温度まで加熱しながら、発泡剤を導入しても良い。
また、発泡剤の導入方法の別の方法として、
密閉容器内に、発泡用ポリエチレン系樹脂粒子、水系分散媒、必要に応じて分散剤等を仕込んだ後、発泡温度付近まで加熱し、この時点で発泡剤を導入しても良い。
なお、ポリエチレン系樹脂発泡粒子の発泡倍率や平均気泡径を調整する方法としては、例えば、低圧域に放出する前に、二酸化炭素、窒素、空気、あるいは発泡剤として用いた物質等を圧入することにより、密閉容器内の内圧を高め、発泡時の圧力開放速度を調節し、更には、低圧域への放出中にも二酸化炭素、窒素、空気、あるいは発泡剤として用いた物質等を密閉容器内に導入して圧力を制御することにより、発泡倍率や平均気泡径の調整を行うことができる。
また、低圧域に放出する前の密閉容器内温度(おおむね発泡温度)を適宜変化させることでも、発泡倍率や平均気泡径を調整することが可能である。
例えば、発泡倍率は、密閉容器内の内圧を高くする、圧力開放速度を速くする、放出前の密閉容器内温度を高くする等により、高くなる傾向がある。また、平均気泡径は、密閉容器内の内圧を高くする、圧力開放速度を速くする等により、小さくなる傾向がある。
本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子は、示差走査熱量測定(DSC)により得られるDSC曲線において、低温側融解ピークと高温側融解ピークの2つの融解ピークを示すことが好ましい。
ここで、ポリエチレン系樹脂発泡粒子の示差走査熱量測定によって得られるDSC曲線とは、ポリエチレン系樹脂発泡粒子1mg以上10mg以下を、示差走査熱量計を用いて、10℃/分の昇温速度にて40℃〜220℃まで昇温した際に得られるDSC曲線である。
なお、本発明においては、図1に示すように、低温側融解ピークの熱量(Ql)、高温側融解ピークの熱量(Qh)を次のように定義する。すなわち、DSC曲線の低温側融解ピークおよび高温側融解ピークの2つの融解ピーク間において最も吸熱量が小さくなる点をAとし、点AからDSC曲線に対して、それぞれ接線を引き、高温側の接点をB、低温側の接点をCとした時、線分ABとDSC曲線で囲まれた部分が高温側融解ピークの熱量(Qh)とし、線分ACとDSC曲線で囲まれた部分が低温側融解ピークの熱量(Ql)とする。
本発明のポリエチレン系樹脂粒子において、高温側融解ピーク熱量(Qh)の融解ピーク熱量全体に占める比率(Qh/(Ql+Qh)×100(以下、「DSC比」という場合がある))は特に制限は無いが、好ましくは、20%以上55%以下である。
DSC比が20%未満の場合、ポリエチレン系樹脂発泡粒子の発泡力が高すぎ、型内発泡成形する際の初期の段階で金型表面付近(型内発泡成形体表層部分)の発泡粒子のみが一気に発泡して発泡粒子同士が融着し、その結果、型内発泡成形に用いられる水蒸気が内部の発泡粒子まで浸透せず、型内発泡成形体内部が融着しない融着不良の型内発泡成形体となってしまう傾向がある。逆に、DSC比が55%を超える場合は、ポリエチレン系樹脂発泡粒子の発泡力が低すぎ、型内発泡成形体全体が融着不良となる、あるいは、融着させるために高い成形圧が必要となる傾向がある。
なお、DSC比は、ポリエチレン系樹脂発泡粒子を得る際に、前述した低圧域に放出する前の密閉容器内温度やホールド時間を適宜変化させることにより調整可能である。DSC比は、密閉容器内温度を低くする、ホールド時間を長くする等により、高くなる傾向がある。
本発明で用いられる密閉容器には、特に制限はなく、発泡粒子製造時における容器内圧力、容器内温度に耐えられるものであれば良く、例えば、オートクレーブ型の耐圧容器があげられる。
本発明で用いられる発泡剤としては、プロパン、ブタン、ペンタン等の飽和炭化水素類、ジメチルエーテル等のエーテル類、メタノール、エタノール等のアルコール類、空気、窒素、二酸化炭素、水等の無機ガスが挙げられる。これらは単独で使用しても良いし、複数を併用しても良い。
これら発泡剤の中でも、特に環境負荷が小さく、燃焼危険性も無いことから、二酸化炭素や水を用いることが好ましく、二酸化炭素がもっとも好ましい。
本発明で用いられる水系分散媒としては、水のみを用いることが好ましいが、メタノール、エタノール、エチレングリコール、グリセリン等を水に添加した分散媒も使用できる。なお、本発明において親水性化合物を含有させる場合、水系分散媒中の水も発泡剤として作用し、発泡倍率向上に寄与する。
本発明でのポリエチレン系発泡粒子の製造方法においては、発泡用ポリエチレン系樹脂粒子同士の合着を防止する為に、水系分散媒中に分散剤を使用することが好ましい。
本発明で用いられる分散剤として、第三リン酸カルシウム、第三リン酸マグネシウム、塩基性炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、カオリン、タルク、クレー等の無機系分散剤が例示できる。
これら分散剤は、単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても良い。
本発明でのポリエチレン系発泡粒子の製造方法においては、分散剤と共に、分散助剤を使用することが好ましい。
本発明で用いられる分散助剤の例としては、例えば、
N−アシルアミノ酸塩、アルキルエーテルカルボン酸塩、アシル化ペプチド等のカルボン酸塩型;
アルキルスルホン酸塩、n−パラフィンスルホン酸塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、スルホコハク酸塩等のスルホン酸塩型;
硫酸化油、アルキル硫酸塩、アルキルエーテル硫酸塩、アルキルアミド硫酸塩等の硫酸エステル型;
アルキルリン酸塩、ポリオキシエチレンリン酸塩、アルキルアリルエーテル硫酸塩等のリン酸エステル型;等の陰イオン界面活性剤をあげることができる。
また、分散助剤として、マレイン酸共重合体塩、ポリアクリル酸塩等のポリカルボン酸型高分子界面活性剤、ポリスチレンスルホン酸塩、ナフタルスルホン酸ホルマリン縮合物塩などの多価陰イオン高分子界面活性剤も使用することができる。
これら分散助剤は、単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても良い。
これらの中でも、分散剤として第三リン酸カルシウム、第三リン酸マグネシウム、硫酸バリウムまたはカオリンよりなる群から選ばれる少なくとも1種と、分散助剤としてn−パラフィンスルホン酸ソーダを併用することが好ましい。
本発明における分散剤や分散助剤の使用量は、その種類や、用いる発泡用ポリエチレン系樹脂粒子の種類と使用量によって異なるが、通常、水系分散媒100重量部に対して、分散剤0.1重量部以上3重量部以下を配合することが好ましく、分散助剤0.001重量部以上0.1重量部以下を配合することが好ましい。
本発明において、発泡用ポリエチレン系樹脂粒子は、水系分散媒中での分散性を良好なものにする為に、通常、水系分散媒100重量部に対して、20重量部以上100重量部以下で使用するのが好ましい。
以上に述べた水分散系でポリエチレン系樹脂発泡粒子を製造する方法の他に、
水系分散媒を用いず、例えば、密閉容器中で発泡用ポリエチレン系樹脂粒子に直接発泡剤を接触させ、発泡剤を含浸して発泡性ポリエチレン系樹脂粒子を得た後、この発泡性ポリエチレン系樹脂粒子に水蒸気を接触させるなどして発泡させ、ポリエチレン系樹脂発泡粒子を得ることもできる。
以上のように、発泡用ポリエチレン系樹脂粒子からポリエチレン系樹脂発泡粒子を得る工程を、「一段発泡工程」と称す場合があり、このようにして得たポリエチレン系樹脂発泡粒子を「一段発泡粒子」と呼ぶ場合がある。
更に、一段発泡粒子に対して、無機ガス(例えば空気や窒素、二酸化炭素等)を含浸して内圧を付与した後、特定の圧力の水蒸気と接触させることにより、一段発泡粒子よりも発泡倍率が向上した、ポリエチレン系樹脂発泡粒子を得ることができる。このように、ポリエチレン系樹脂発泡粒子をさらに発泡させて、より発泡倍率の高いポリエチレン系樹脂発泡粒子とする工程を、「二段発泡工程」と称す場合があり、このような二段発泡工程を経て得られるポリエチレン系樹脂発泡粒子を「二段発泡粒子」と呼ぶ場合がある。
「二段発泡工程」とは、具体的には、一段発泡粒子に無機ガス、例えば空気や窒素、二酸化炭素等を含浸して内圧を付与した後、特定の圧力の水蒸気と接触させることにより、一段発泡粒子よりも発泡倍率が向上した二段発泡粒子を得る工程である。
ここで、二段発泡工程における水蒸気の圧力は、二段発泡粒子の発泡倍率を考慮した上で、0.02MPa(ゲージ圧)以上0.15MPa(ゲージ圧)以下で調整することが好ましく、より好ましくは0.03MPa(ゲージ圧)以上0.1MPa(ゲージ圧)以下である。
一段発泡粒子に含浸する無機ガスの内圧は、二段発泡粒子の発泡倍率等を考慮して適宜変化させることが望ましいが、0.12MPa以上(絶対圧)0.6MPa以下(絶対圧)であることが好ましい。
本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子の発泡倍率は、特に制限は無く、必要に応じて調整すれば良い。
ただし、ポリエチレン系樹脂発泡粒子の発泡倍率は、軽量化の観点からは、2倍以上50倍以下が好ましく、8倍以上45倍以下がより好ましく、11倍以上40倍以下がさらに好ましい。
発泡倍率が2倍未満では、軽量化の効果が小さく、50倍を超えると型内発泡成形したポリエチレン系樹脂型内発泡成形体の圧縮応力などの機械特性が低下する傾向にある。
ここで、ポリエチレン系樹脂発泡粒子の発泡倍率とは、ポリエチレン系樹脂発泡粒子の重量w(g)を測定後、エタノールの入ったメスシリンダー中に沈め、メスシリンダーの水位上昇分(水没法)にて体積v(cm)を測定し、ポリエチレン系樹脂発泡粒子の真比重ρ=w/vを算出し、さらに、発泡前のポリエチレン系樹脂粒子の密度ρとの比(ρ/ρ)として算出した値である。
本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子の平均気泡径は、140μm以上500μm以下であることが好ましく、180μm以上400μm以下であることがより好ましい。
ポリエチレン系樹脂発泡粒子の平均気泡径が140μm未満では、得られるポリエチレン系樹脂発泡成形体の収縮が大きくなる傾向があり、500μmを越えると、得られるポリエチレン系樹脂発泡成形体の外観が悪くなる傾向がある。
ここで、平均気泡径は、次のようにして、測定した値である。
発泡粒子の切断面に関する顕微鏡観察により得られる画像において、発泡粒子のほぼ中心を通る直線を引き、該直線が貫通している気泡数nおよび、該直線と発泡粒子表面との交点から定まる発泡粒子径L(μm)を読み取り、式(1)によって求める。
平均気泡径(μm)=L/n ・・・(1)
本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子の気泡径均一性としては、気泡径が平均気泡径±15%以内である気泡が占める割合が、発泡粒子全体の80%以上であることが好ましく、90%以上であることがより好ましい。
気泡径が平均気泡径±15%以内である気泡が占める割合が、発泡粒子全体の80%以上であれば、該発泡粒子から得られる成形体は、色目も均一となり、美麗である。
ここで、気泡径が平均気泡径±15%以内である気泡が占める割合は、発泡粒子断面を光学顕微鏡にて観察した際、発泡粒子断面の中央付近3000μm×3000μmの領域内にある全気泡に関して、気泡径を測定した後、気泡径が平均気泡径±15%以内である気泡の数を計測し、全気泡の数で除した値である。
気泡径は、下記の方法にて測定する。気泡内において最大の長さdとなる直線を引き、その直線の垂直二等分線と気泡との接点間距離dを求め、dとdの平均値を気泡径とする。
なお、上記領域内に気泡全体が入っていないもの、例えば気泡の半分だけ領域内に入っているような気泡については測定から除く。
本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子は、気泡径が均一である為、成形時の発泡性が均一となる為、表面美麗性にも優れる。
これに対して、気泡径が不均一な場合、同じ成形条件でも、発泡粒子間で発泡性が異なる為、ボイドが目立つなどの問題が生じる傾向がある。
本発明においては、上記のようにして得られたポリエチレン系樹脂発泡粒子を、所定形状の金型内に充填し水蒸気等で加熱して、発泡粒子を互いに融着させる、型内発泡成形を行うことによって、ポリエチレン系樹脂発泡成形体を得ることができる。
型内発泡成形方法としては、例えば、
(イ)ポリエチレン系樹脂発泡粒子を無機ガス(例えば空気や窒素、二酸化炭素、等)で加圧処理してポリエチレン系樹脂発泡粒子内に無機ガスを含浸させ所定のポリエチレン系樹脂発泡粒子内圧を付与した後、金型に充填し、水蒸気で加熱融着させる方法、
(ロ)ポリエチレン系樹脂発泡粒子をガス圧力で圧縮して金型に充填し、ポリエチレン系樹脂発泡粒子の回復力を利用して、水蒸気で加熱融着させる方法、
(ハ)特に前処理することなくポリエチレン系樹脂発泡粒子を金型に充填し、水蒸気で加熱融着させる方法、
などの方法が利用し得る。
特に、本発明においては、一番簡便な方法である(ハ)の方法を用いても、外観美麗で対金型寸法収縮率が小さい成形体が得られることから、望ましい。
本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子からポリエチレン系樹脂型内発泡成形体を型内発泡成形する具体的方法としては、例えば、予めポリエチレン系樹脂発泡粒子を特に前処理することなく、2つの金型よりなる閉鎖しうるが密閉し得ない成形空間内に充填し、水蒸気などを加熱媒体として0.05〜0.20MPa(ゲージ圧)程度の加熱水蒸気圧で3〜30秒程度の加熱時間で成形し、ポリエチレン系樹脂予泡粒子同士を融着させ、金型を水冷により冷却した後、金型を開き、ポリエチレン系樹脂型内発泡成形体を得る方法などが挙げられる。
一般に、型内発泡成形における金型において厚みが異なる部位が存在する場合、加熱水蒸気圧力が同じでも、喩え金型厚みが厚い部位には適切な加熱条件であっても、金型厚みが薄い部位は加熱されやすく、過剰な加熱により寸法収縮率や表面美麗性が悪化する場合がある。
これに対して、本発明の予備発泡粒子を用いた場合には、金型厚みの厚い部位でも薄い部位でも、表面美麗で対金型寸法収縮率の小さい成形体が得られる。
次に、本発明のポリエチレン系樹脂発泡粒子の製造方法を、実施例および比較例を挙げて、詳細に説明するが、これらに限定されるものではない。
実施例および比較例において、使用した物質は、以下のとおりであるが、特に精製等は行わずに使用した。
●ポリエチレン系樹脂:直鎖状低密度ポリエチレン[樹脂密度0.926g/cm、MI=2.1g/10分、融点123℃]
●グリセリン[ライオン(株)製、精製グリセリンD]
●ポリエチレングリコール(PEG)[ライオン(株)製、PEG300]
●ステアリン酸モノグリセリド[理研ビタミン(株)製、リケマールS−100]
●ステアリン酸ジグリセリド[理研ビタミン(株)製、リケマールS−200]
●パウダー状塩基性第3リン酸カルシウム[太平化学産業(株)製]
●n−パラフィンスルホン酸ソーダ[花王(株)製、ラムテルPS]
実施例および比較例において実施した評価方法に関して、説明する。
<一粒あたりの重量>
得られたポリエチレン系樹脂粒子をランダムに100粒選び、各粒子の重量を測定し、一粒あたりの重量を算出した。
<発泡倍率の測定>
得られたポリエチレン系発泡樹脂粒子を、60℃で2時間乾燥し、温度23℃、湿度50%の室内で1時間静置した後、重量w(g)を測定し、別途、水没法にて体積v(cm)を測定し、発泡粒子の真比重ρ=w÷vを算出する。
そして、発泡前のポリエチレン系樹脂粒子の密度ρとの比から、発泡倍率K=ρ÷ρを算出する。
<発泡粒子の平均気泡径の測定>
得られたポリエチレン系発泡樹脂粒子を、両刃カミソリ[フェザー製、ハイステンレス両刃]を用いて、発泡粒子の中央で切断した。
該切断面を、光学顕微鏡[キーエンス社製、VHX−100]を用いて、倍率50倍にて観察して得られた画像において、発泡粒子のほぼ中心を通る直線を引き、該直線が貫通している気泡数nおよび、該直線と発泡粒子表面との交点から定まる発泡粒子径L(μm)を読み取り、式(1)によって求めた。
平均気泡径(μm)=L/n ・・・(1)
<気泡径均一性>
発泡粒子断面を光学顕微鏡[KEYENCE製、VHX−100]にて観察した際、発泡粒子断面の中央付近3000μm×3000μmの領域内にある全気泡に関して、気泡径を測定して、平均気泡径±15%以内である気泡の占める割合を求め、以下の基準にて、気泡径均一性(気泡径のバラツキ)を評価した。
なお、気泡径は、下記の方法にて測定した。気泡内において、最大の長さd1となる直線を引き、該直線の垂直二等分線と気泡との接点間距離d2を求め、d1とd2の平均値を気泡径とした。
ただし、上記領域内に気泡全体が入っていないもの、例えば気泡の半分だけ領域内に入っているような気泡については、測定から除いた。
○:気泡径が平均気泡径±15%以内である気泡の占める割合が、全体の90%以上である。
△:気泡径が平均気泡径±15%以内である気泡の占める割合が、全体の80%以上90%未満である。
×:気泡径が平均気泡径の±15%以内である気泡の占める割合が、全体の80%未満である。
<DSC比>
示差走査熱量計を用いて、ポリプロピレン系樹脂発泡粒子5〜6mgを10℃/minの昇温速度で40℃から220℃まで昇温する際に得られるDSC曲線(図1に例示)において、2つのピークを有し、該融解ピークのうち低温側の融解ピーク熱量Qlと、高温側の融解ピーク熱量Qhから次式により算出した。
DSC比=Qh/(Ql+Qh)×100
<発泡成形体の密度>
得られた評価対象発泡成形体の重量Wを測定した。別途、発泡成形体を水中に水没させた際の体積変化Vを測定し、発泡成形体の密度=W÷V(g/L)を求めた。
<発泡成形体の対金型寸法収縮率>
得られた評価対象発泡成形体の長手寸法(400mm方向)を、デジタルノギス[Mitutoyo製]を用いて、測定した。
対応する金型寸法をLとし、発泡成形体の寸法をLとして、下記の式により、対金型寸法収縮率を算出し、以下の基準にて評価した。
対金型寸法収縮率=(L−L)÷L×100
○: 対金型寸法収縮率が3%以下。
△: 対金型寸法収縮率が3%を超えて4%以下。
×: 対金型寸法収縮率が4%より大きい。
<発泡成形体の表面美麗性>
得られた評価対象発泡成形体の端部を観察し、以下の基準にて評価した。なお、発泡成形体の端部とは、型内発泡成形体の面と面が交差する稜線部である。
○: 隣り合う発泡粒子同士がいずれの部分においてもきれいに融着しており、発泡粒子間に隙間がない。
△: 隣り合う発泡粒子間に隙間がある箇所が少し見られる。
×: 隣り合う発泡粒子間に隙間がある箇所が多数見られる。
<成形時の最低成形圧力>
本加熱工程の設定蒸気圧力を、0.09〜0.14MPa(ゲージ圧)の範囲内で、0.01MPaずつ変更して成形を行って得られた、各評価対象発泡成形体1において、表面にナイフで約5mmの深さのクラックを入れ、クラックに沿って型内発泡成形体を割り、破断面を観察し、破断面の全粒子数に対する破壊粒子数の割合を求め、成形体融着率を評価した。
融着率が80%以上に達する最低の加熱圧力を、最低成形圧力とした。
(実施例1〜11)
[ポリエチレン系樹脂粒子の作製]
ポリエチレン系樹脂である直鎖状低密度ポリエチレン100重量部に対し、表1記載の割合にて親水性化合物、多価アルコール脂肪酸エステル、セル造核剤としてタルクをドライブレンドした。
ドライブレンドされた混合物を、口径45mmの2軸押出機に投入し、樹脂温度220℃で溶融混練し、押出機の先端に取り付けられた円形ダイを通して、ストランド状に押出し、水冷後、一粒の重量が表1記載の重量になるように、カッターで切断し、ポリエチレン系樹脂粒子を得た。
[ポリエチレン系樹脂発泡粒子の作製]
容量10Lの耐圧オートクレーブ中に、得られたポリエチレン系樹脂粒子100重量部(2.4kg)、水200重量部、難水溶性無機化合物としての第三リン酸カルシウム0.5重量部、界面活性剤としてのアルキルスルホン酸ナトリウム0.03重量部を仕込んだ後、攪拌下、発泡剤として炭酸ガスを7重量部添加した。
オートクレーブ内容物を昇温し、表1記載の発泡温度まで加熱した。その後、炭酸ガスを追加圧入してオートクレーブ内圧を3.3MPa(ゲージ圧)の発泡圧力まで昇圧した。前記発泡温度、発泡圧力で30分間保持した後、オートクレーブ下部のバルブを開き、直径4.0mmの開口オリフィス(1穴)を通して、オートクレーブ内容物を100℃雰囲気下に放出して、ポリエチレン系樹脂発泡粒子を得た。
得られたポリエチレン系樹脂発泡粒子の水分を除去した後、さらに、耐圧容器内に入れた後、加圧することにより空気を含浸させ、表1記載の条件にて、蒸気により加熱し、二段発泡を実施した。
得られたポリエチレン系樹脂発泡粒子に関する評価結果を、表1に示した。
[ポリエチレン系樹脂型内発泡成形体1の作製]
得られたポリエチレン系樹脂発泡粒子の水分を除去した後、長さ400×幅300×厚み60mmの成形空間を有する金型内に充填し、金型チャンバー内を蒸気にて10秒間加熱した。その後、排気弁を閉めて12秒間蒸気にて加熱することにより、発泡粒子同士を融着させた。続いて、蒸気を排気し、金型内および成形体表面を水冷した後、成形体を取り出して、ポリエチレン系樹脂発泡成形体を得た。
なお、本加熱工程の設定蒸気圧力を0.09〜0.14MPa(ゲージ圧)の範囲内で、0.01MPaずつ変更して、成形を行った。なお、本加熱工程での加熱時間12秒のうち、設定圧力での保持時間は4秒であった。
得られた各発泡成形体は、23℃で2時間静置し、次に75℃で24時間養生した後、23℃の室内に4時間静置して、評価対象物とし、対金型寸法収縮率、表面美麗性、成形体密度、最低成形圧力について評価を実施した。
最低成形圧力にて成形して得られた成形体の評価結果を、表1に示した。
[ポリエチレン系樹脂型内発泡体2の作製]
得られたポリエチレン系樹脂発泡粒子を、長さ400×幅300×厚み10mmの成形空間を有する金型内に充填し、本加熱工程の設定蒸気圧力を発泡成形体1での最低成形圧力とした以外は、発泡成形体1と同様の方法にて成形を実施して、型内発泡成形体2を得た。
得られた型内発泡成形体2について、金型寸法収縮率、表面美麗性の評価を実施した。その評価結果を、表1に示した。
Figure 0006084046
(比較例1〜9)
表2に示す条件に変更した以外は、実施例と同様の方法にて、ポリエチレン系樹脂粒子、ポリエチレン系樹脂発泡粒子、ポリエチレン系樹脂型内発泡成形体を作製した。
評価結果を、表2に示す。
Figure 0006084046
表1、2から判るように、親水性物質、多価アルコール脂肪酸エステル、セル造核剤を特定量含有し、1粒あたりの重量が特定の範囲内であるポリエチレン系樹脂発泡粒子は、成形体の厚みが異なる場合でも、どちらの厚みにおいても寸法、外観が良好な型内発泡成形体を得ることができる。成形体の厚みが異なっても、同条件にて良好な成形体が得られることから、同一の成形体内に厚い部分や薄い部分が存在するような成形金型にも対応可能である。
(参考例)
[ポリプロピレン系樹脂粒子の作製]
ポリプロピレン樹脂(エチレン―プロピレンランダム共重合体、MI=6.0g/10分、融点146℃)100重量部に対し、エチレングリコール0.5重量部、ステアリン酸モノグリセリド1.0重量部、セル造核剤としてタルク0.1重量部をドライブレンドした。
ドライブレンドされた混合物を、口径45mmの2軸押出機に投入し、樹脂温度220℃で溶融混練し、押出機の先端に取り付けられた円形ダイを通して、ストランド状に押出し、水冷後、一粒の重量が1.8mgになるようにカッターで切断し、ポリプロピレン系樹脂粒子を得た。
[ポリプロピレン系樹脂発泡粒子の作製]
容量10Lの耐圧オートクレーブ中に、得られたポリプロピレン系樹脂粒子100重量部(2.4kg)、水200重量部、難水溶性無機化合物としての第三リン酸カルシウム0.5重量部、界面活性剤としてのアルキルスルホン酸ナトリウム0.03重量部を仕込んだ後、攪拌下、発泡剤として炭酸ガスを7重量部添加した。
オートクレーブ内容物を昇温し、147.2℃まで加熱した。その後、炭酸ガスを追加圧入してオートクレーブ内圧を2.5MPa(ゲージ圧)の発泡圧力まで昇圧した。前記発泡温度、発泡圧力で30分間保持した後、オートクレーブ下部のバルブを開き、直径4.0mmφの開口オリフィス(1穴)を通して、オートクレーブ内容物を100℃雰囲気下に放出してポリプロピレン系樹脂発泡粒子を得た。得られたポリプロピレン系樹脂発泡粒子の発泡倍率は14.5倍、DSC比は28.0%、平均気泡径は200μm、気泡径均一性は○であった。
得られたポリプロピレン系樹脂発泡粒子の水分を除去した後、さらに、耐圧容器内に入れた後、加圧することにより空気を含浸させ、内圧0.3MPa(絶対圧)、蒸気圧0.06MPa(ゲージ圧)にて、蒸気により加熱し、二段発泡を実施した。得られた発泡粒子の発泡倍率は25.3倍、平均気泡径は250μm、気泡径均一性は○であった。
[ポリプロピレン系樹脂型内発泡体1の作製]
得られたポリプロピレン系樹脂発泡粒子の水分を除去した後、長さ400×幅300×厚み60mmの成形空間を有する金型内に充填し、金型チャンバー内を蒸気にて10秒間加熱した。その後、排気弁を閉めて12秒間蒸気にて加熱することで、発泡粒子同士を融着させた。続いて、蒸気を排気し、金型内および成形体表面を水冷した後、成形体を取り出して、ポリプロピレン系樹脂発泡成形体を得た。
なお、本加熱工程の設定蒸気圧力を0.24〜0.32MPa(ゲージ圧)の範囲内で、0.02MPaずつ変更して、成形を行った。なお、本加熱工程での加熱時間12秒のうち、設定圧力での保持時間は3秒であった。
得られた各発泡成形体は、23℃で2時間静置し、次に75℃で24時間養生した後、23℃の室内に4時間静置して、評価対象物とし、対金型寸法収縮率、表面美麗性、成形体密度、最低成形圧力について評価を実施した。最低成形圧力は0.26MPa、成形体密度26.5g/L、対金型寸法収縮率×、表面美麗性×であった。
樹脂としてポリプロピレン系樹脂を用いた場合には、良好な成形性が得られず、本発明は同じポリオレフィン系樹脂であるポリプロピレン系樹脂には適用できないことが判る。

Claims (6)

  1. ポリエチレン系樹脂100重量部に対して、セル造核剤を0.08重量部以上0.25重量部以下、多価アルコール脂肪酸エステルを0.3重量部以上2.0重量部以下、親水性化合物を0.01重量部以上10重量部以下含有するポリエチレン系樹脂組成物を基材樹脂とするポリエチレン系樹脂発泡粒子であって、
    ポリエチレン系樹脂が直鎖状低密度ポリエチレン系樹脂を含み、
    一粒当たりの重量が1.5mg以上、2.5mg以下であることを特徴とする、ポリエチレン系樹脂発泡粒子。
  2. 多価アルコール脂肪酸エステルがグリセリンエステルであることを特徴とする、請求項1記載のポリエチレン系樹脂発泡粒子。
  3. セル造核剤がタルクであることを特徴とする、請求項1または2に記載のポリエチレン系樹脂発泡粒子。
  4. 請求項1〜3の何れか1項記載のポリエチレン系樹脂発泡粒子を、金型内に充填した後、型内発泡成形して得られることを特徴とする、ポリエチレン系樹脂発泡成形体。
  5. 請求項1〜3のいずれか1項記載のポリエチレン系樹脂発泡粒子の製造方法であって、下記の一段発泡工程を経ることを特徴とする、ポリエチレン系樹脂発泡粒子の製造方法。
    一段発泡工程:ポリエチレン系樹脂粒子と、発泡剤および水系分散媒を分散させ、発泡用ポリエチレン系樹脂粒子の軟化温度以上の温度まで加熱、加圧した後、密閉容器の内圧よりも低い圧力域に放出することによりポリエチレン系樹脂発泡粒子を製造する工程。
  6. 請求項1〜3のいずれか1項記載のポリエチレン系樹脂発泡粒子を予め特に前処理することなく、2つの金型よりなる閉鎖しうるが密閉し得ない成形空間内に充填し、水蒸気などの加熱媒体により加熱することによって得ることを特徴とする、ポリエチレン系樹脂発泡成形体の製造方法。
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