JP7101471B2 - 発泡成形体の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Description
まず、本実施形態で用いる発泡成形体を製造する製造装置について説明する。本実施形態では、図2に示す製造装置1000を用いて発泡成形体を製造する。製造装置1000は、主に、スクリュ20が回転自在に内設された可塑化シリンダ210と、物理発泡剤を可塑化シリンダ210に供給する物理発泡剤供給機構であるボンベ100と、可塑化シリンダ210の先端29が接続され、プランジャー40が進退自在に内設された射出シリンダ410と、射出シリンダ410のノズル先端49が接続され、内部にキャビティ253が形成された金型251が設けられた型締めユニット250と、可塑化シリンダ210、射出シリンダ410及び型締めユニット250を動作制御する制御装置(不図示)とを備える。可塑化シリンダ210内において可塑化溶融された溶融樹脂は、図2における右上側から左下側に向かって流動する。したがって本実施形態の可塑化シリンダ210内部においては図2における右上側を「上流」または「後方」、左下側を「下流」または「前方」と定義する。また、射出シリンダ410内において、プランジャー40は、図2における左右方向に進退可能である。本実施形態の射出シリンダ410内部において、図2の右方を「後方」、左方を「前方」と定義する。
(1)熱可塑性樹脂の可塑化溶融
まず、可塑化シリンダ210の可塑化ゾーン21において、熱可塑性樹脂を可塑化溶融して溶融樹脂とする(図1のステップS1)。熱可塑性樹脂としては、目的とする成形体の種類に応じて種々の樹脂を使用できる。具体的には、例えば、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、ポリカーボネート、アモルファスポリオレフィン、ポリエーテルイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ABS樹脂(アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂)、ポリフェニレンスルファイド、ポリアミドイミド、ポリ乳酸、ポリカプロラクトンなどの熱可塑性樹脂、及びこれらの複合材料を用いることができる。これらの熱可塑性樹脂は、単独で用いても、二種類以上を混合して用いてもよい。また、これらの熱可塑性樹脂にガラス繊維、タルク、カーボン繊維などの各種無機フィラーを混練したものを用いることもできる。熱可塑性樹脂には、発泡核剤として機能する無機フィラーや溶融張力を高める添加剤を混合することが好ましい。これらを混合することで、発泡セルを微細化できる。本実施形態の熱可塑性樹脂は、必要に応じてその他の汎用の各種添加剤を含んでもよい。
次に、一定圧力の物理発泡剤を導入速度調整容器に供給し、導入速度調整容器300から飢餓ゾーン23に一定圧力の物理発泡剤を導入して、飢餓ゾーン23を前記一定圧力に保持する(図1のステップS2)。
導入口202に接続する導入速度調整容器300について説明する。導入口202に接続する導入速度調整容器300は、一定以上の容積を有することで、可塑化シリンダ210へ導入される物理発泡剤の流速を緩やかにし、導入速度調整容器300内に物理発泡剤が滞留できる時間を確保できる。導入速度調整容器300は、周囲に配置されたバンドヒーター(図示せず)により加熱された可塑化シリンダ210に直接接続されることにより、可塑化シリンダ210の熱が導入速度調整容器300に伝導される。これにより、導入速度調整容器300内部の物理発泡剤は加温され、物理発泡剤と溶融樹脂との温度差が小さくなり、物理発泡剤が接触する溶融樹脂の温度を極度に低下させることを抑制し、物理発泡剤の溶融樹脂への溶解量(浸透量)を安定化できる。即ち、導入速度調整容器300は、物理発泡剤の加温機能を有するバッファー容器として機能する。一方で、導入速度調整容器300は、その容積が大きすぎると、装置全体のコストが上昇する。導入速度調整容器300の容積は、飢餓ゾーン23に存在する溶融樹脂の量にも依存するが、5mL~20Lが好ましく、10mL~2Lがより好ましく、10mL~1Lが更により好ましい。導入速度調整容器300の容積をこの範囲とすることで、コストを考慮しながら物理発泡剤が滞留できる時間を確保できる。
次に、溶融樹脂を可塑化ゾーン21から、圧縮ゾーン22、混練ゾーン25を経て、飢餓ゾーン23へ流動させる。溶融樹脂は、圧縮ゾーン22において圧縮された後、混練ゾーン25において、物理発泡剤と混練され(図1のステップS3)、飢餓ゾーン23において飢餓状態となる(図1のステップS4)。そして、飢餓ソーン23において、飢餓状態の溶融樹脂と物理発泡剤が接触する(図1のステップS5)。以下に、圧縮ゾーン22、混練ゾーン25及び飢餓ゾーン23のそれぞれのゾーンについて、更に各ゾーンで行う発泡成形体の製造方法の各工程について説明する。
まず、圧縮ゾーン22について説明する。本実施形態では、圧縮ゾーン22を飢餓ゾーン23の上流に設けることにより、飢餓ゾーン23において溶融樹脂を飢餓状態とする。飢餓状態は、飢餓ゾーン23の上流から飢餓ゾーン23への溶融樹脂の送り量と、飢餓ゾーン23からその下流への溶融樹脂の送り量とのバランスで決定され、前者の方が少ないと飢餓状態となる。本実施形態では、圧縮ゾーン22を飢餓ゾーン23の上流に設けることにより、この状態を実現する。
次に、混練ゾーン25について説明する。本実施形態では、圧縮ゾーン22と飢餓ゾーン23の間に、混練ゾーン25を設ける。飢餓ゾーン23に形成される導入口202から導入される物理発泡剤は、飢餓ゾーン23の上流に位置する混練ゾーン25にも拡散し、混練ゾーン25において、溶融樹脂と混練される。これにより、後述する飢餓ゾーン23における溶融樹脂への物理発泡剤の浸透量を補い、十分な量の物理発泡剤を溶融樹脂に含ませることができる。尚、混練ゾーン25と圧縮ゾーン22との間のシール部26により、シール部26より上流の圧縮ゾーン22への物理発泡剤の移動は抑制される。
次に、飢餓ゾーン23について説明する。上述したように、圧縮ゾーン22から混練ゾーン25を経て飢餓ゾーン23に供給される樹脂流量が低下し、飢餓ゾーン23においては、溶融樹脂が未充満(飢餓状態)となる(図1のステップS4)。溶融樹脂の飢餓状態を促進するために、スクリュ20は、圧縮ゾーン22に位置する部分と比較して、即ちシール部26の上流側の部分と比較して、飢餓ゾーン23に位置する部分の軸の直径が小さく(細く)、且つスクリュフライトが深い構造(小径部分20B)を有する。飢餓ゾーン23全体に亘って、スクリュ20の軸の直径及びスクリュフライトの深さは、略一定であることが好ましい。これにより、飢餓ゾーン23における圧力を略一定に保持し、溶融樹脂の飢餓状態を安定化できる。
次に、物理発泡剤を接触させた溶融樹脂を発泡成形体に成形する(図1のステップS6)。本実施形態で用いる可塑化シリンダ210は、飢餓ゾーン23の下流に、飢餓ゾーン23に隣接して配置され、溶融樹脂が圧縮されて圧力が高まる再圧縮ゾーン24を有する。まず、可塑化スクリュ20の回転により、飢餓ゾーン23の溶融樹脂を再圧縮ゾーン24に流動させる。物理発泡剤を含む溶融樹脂は、再圧縮ゾーン24において圧力調整される。
本実施例では、熱可塑性樹脂としてタルクを20重量%含有するポリプロピレン(出光ライオンコンポジット製、4700G)を用い、物理発泡剤として窒素を用いて発泡成形体を製造した。
本実施例では、上述した実施形態で用いた図2に示す製造装置1000を用いた。製造装置1000の詳細について説明する。上述のように、製造装置1000はプリプラ式射出成形装置であり、可塑化シリンダ210と、物理発泡剤供給機構であるボンベ100と、射出シリンダ410と、型締めユニット250と、可塑化シリンダ210、射出シリンダ410及び型締めユニット250を動作制御するための制御装置(不図示)とを備える。
本実施例では、ボンベ100として、窒素が14.5MPaで充填された容積47Lの窒素ボンベを用いた。まず、減圧弁151の値を6MPaに設定し、ボンベ100を開放し、減圧弁151、圧力計152、更に導入速度調整容器300を介して、可塑化シリンダ210の導入口202から、飢餓ゾーン23へ6MPaの窒素を供給した。成形体の製造中、ボンベ100は常時、開放した状態とした。
本比較例では、可塑化シリンダ210の長手方向における飢餓ゾーン23の長さLを7.3cmと短くした以外は、実施例1で用いた製造装置1000と同様の構成の製造装置を用いた。即ち、本比較例では、可塑化シリンダ210の内径Dに対する、飢餓ゾーン23の長さLの比率(L/D)が1/3であった(L=1/3D)。それ以外は、実施例1と同様の方法により、発泡成形体の射出成形を連続して100ショット行い、100個の発泡成形体を得た。
[比較例2]
本比較例では、可塑化シリンダ210に混練部25を設けなかった以外は、実施例1で用いた製造装置1000と同様の構成の製造装置を用い、実施例1と同様の方法により、発泡成形体の射出成形を連続して100ショット行い、100個の発泡成形体を得た。
21 可塑化ゾーン
22 圧縮ゾーン
23 飢餓ゾーン
24 再圧縮ゾーン
25 混練ゾーン
26 シール部
40 プランジャー
100 ボンベ
210 可塑化シリンダ
300 導入速度調整容器
410 射出シリンダ
1000 製造装置
Claims (15)
- 発泡成形体の製造方法であって、
可塑化スクリュが回転自在に内設され、上流から順に、可塑化ゾーンと、混練ゾーンと、飢餓ゾーンとを有し、前記飢餓ゾーンに物理発泡剤を導入するための導入口が形成された可塑化シリンダを用い、
前記製造方法は、
前記可塑化ゾーンにおいて、熱可塑性樹脂を可塑化溶融して溶融樹脂とすることと、
前記飢餓ゾーンに一定圧力の前記物理発泡剤を含む加圧流体を導入し、前記飢餓ゾーンを前記一定圧力に保持することと、
前記混練ゾーンにおいて、前記物理発泡剤と前記溶融樹脂を混練することと、
前記飢餓ゾーンにおいて、前記溶融樹脂を飢餓状態とすることと、
前記飢餓ゾーンを前記一定圧力に保持した状態で、前記飢餓ゾーンにおいて、前記飢餓状態の溶融樹脂と前記一定圧力の物理発泡剤を含む加圧流体とを接触させることと、
前記物理発泡剤を含む加圧流体を接触させた前記溶融樹脂を発泡成形体に成形することとを含み、
前記可塑化スクリュは、前記可塑化シリンダの長手方向における位置が固定されており、
前記可塑化シリンダの内径(D)に対する、前記可塑化シリンダの長手方向における前記飢餓ゾーンの長さ(L)の比率(L/D)が、2~4であり、
前記飢餓ゾーンに導入された前記物理発泡剤の一部が前記混練ゾーンに拡散し、当該混練ゾーンにおいて、前記溶融樹脂と混練される ことを特徴とする発泡成形体の製造方法。 - 前記飢餓ゾーンに前記物理発泡剤を導入する導入速度調整容器を備え、
前記導入速度調整容器の容積は、前記飢餓ゾーンの容積の0.5倍~2倍であることを特徴とする請求項1に記載の発泡成形体の製造方法。 - 前記可塑化シリンダは、前記可塑化ゾーンと前記混練ゾーンとの間に、更に溶融樹脂を圧縮する圧縮ゾーンを有し、
前記混練ゾーンにおける前記溶融樹脂の充填率が、前記圧縮ゾーンにおける前記溶融樹脂の充填率よりも低く、前記飢餓ゾーンにおける前記溶融樹脂の充填率よりも高いことを特徴とする請求項1又は2に記載の発泡成形体の製造方法。 - 前記可塑化スクリュの前記混練ゾーンに位置する部分には、前記溶融樹脂と前記物理発泡剤とを混練する混練機構が設けられており、前記混練機構により、前記溶融樹脂と前記物理発泡剤とを混練することを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の発泡成形体の製造方法。
- 前記可塑化シリンダは、前記可塑化ゾーンと前記混練ゾーンとの間に、更に溶融樹脂を圧縮する圧縮ゾーンを有し、
前記混練機構が、前記溶融樹脂を減圧する減圧部及び前記溶融樹脂を圧縮する圧縮部であり、
前記減圧部のスクリュ径は、前記圧縮ゾーンに位置する部分のスクリュ径よりも小さく、前記圧縮部のスクリュ径は、前記減圧部のスクリュ径よりも大きいことを特徴とする請求項4に記載の発泡成形体の製造方法。 - 前記混練ゾーンにおいて、前記溶融樹脂の減圧及び圧縮を行うことにより、前記物理発泡剤と前記溶融樹脂を混練することを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載の発泡成形体の製造方法。
- 前記混練機構が、ラビリンス構造、逆ネジ構造又は二条ネジ構造であることを特徴とする請求項4に記載の発泡成形体の製造方法。
- 発泡成形体の製造装置は、
前記可塑化シリンダの先端が接続し、プランジャーが進退可能に内設された射出シリンダと、
前記射出シリンダのノズル先端が接続する、内部にキャビティが形成された金型とを更に有し、
前記製造方法は、
前記可塑化シリンダから、前記射出シリンダ内へ、前記物理発泡剤を含む溶融樹脂を供給することと、
前記射出シリンダから、前記金型の前記キャビティ内に、前記溶融樹脂を射出充填することとを更に含む請求項1~7のいずれか一項に記載の発泡成形体の製造方法。 - 発泡成形体を製造する製造装置であって、
可塑化スクリュが回転自在に内設され、上流側から順に、熱可塑性樹脂が可塑化溶融されて溶融樹脂となる可塑化ゾーンと、物理発泡剤と前記溶融樹脂を混練する混練ゾーンと、前記溶融樹脂が飢餓状態となる飢餓ゾーンとを有し、前記飢餓ゾーンに前記物理発泡剤を導入するための導入口が形成された可塑化シリンダと、
前記可塑化シリンダに物理発泡剤を供給する物理発泡剤供給機構とを有し、
前記可塑化スクリュは、前記可塑化シリンダの長手方向における位置が固定されており、
前記可塑化シリンダの内径(D)に対する、前記可塑化シリンダの長手方向における前記飢餓ゾーンの長さ(L)の比率(L/D)が、2~4であり、
前記飢餓ゾーンに導入された前記物理発泡剤の一部が前記混練ゾーンに拡散し、当該混練ゾーンにおいて、前記溶融樹脂と混練される ことを特徴とする発泡成形体の製造装置。 - 前記飢餓ゾーンに前記物理発泡剤を導入する導入速度調整容器を備え、
前記導入速度調整容器の容積は、前記飢餓ゾーンの容積の0.5倍~2倍であることを特徴とする請求項9に記載の発泡成形体の製造装置。 - 前記可塑化シリンダは、前記可塑化ゾーンと前記混練ゾーンとの間に、更に溶融樹脂を圧縮する圧縮ゾーンを有し、
発泡成形体の製造時において、前記混練ゾーンにおける前記溶融樹脂の充填率が、前記圧縮ゾーンにおける前記溶融樹脂の充填率よりも低く、前記飢餓ゾーンにおける前記溶融樹脂の充填率よりも高いことを特徴とする請求項9又は10に記載の発泡成形体の製造装置。 - 前記可塑化スクリュの前記混練ゾーンに位置する部分には、前記溶融樹脂と前記物理発泡剤とを混練する混練機構が設けられていることを特徴とする請求項9~11のいずれか一項に記載の発泡成形体の製造装置。
- 前記可塑化シリンダは、前記可塑化ゾーンと前記混練ゾーンとの間に、更に溶融樹脂を圧縮する圧縮ゾーンを有し、
前記混練機構が、減圧部及び圧縮部であり、
前記減圧部のスクリュ径は、前記圧縮ゾーンに位置する部分のスクリュ径よりも小さく、前記圧縮部のスクリュ径は、前記減圧部のスクリュ径よりも大きいことを特徴とする請求項12に記載の発泡成形体の製造装置。 - 前記混練機構が、ラビリンス構造、逆ネジ構造又は二条ネジ構造であることを特徴とする請求項12に記載の発泡成形体の製造装置。
- 前記製造装置は、
前記可塑化シリンダの先端が接続し、プランジャーが進退可能に内設された射出シリンダと、
前記射出シリンダのノズル先端が接続する、内部にキャビティが形成された金型とを更に有することを特徴とする請求項9~14のいずれか一項に記載の発泡成形体の製造装置。
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