JP2001079912A - 熱可塑性結晶性樹脂の射出成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱可塑性結晶性樹脂の結晶化を効率的に行
い、成形品の厚み方向の結晶化の分布を均一化すること
が可能な熱可塑性結晶性樹脂の射出成形方法を提供す
る。 【解決手段】 溶融状態の熱可塑性結晶性樹脂を金型の
キャビティに注入充填した後、樹脂を冷却し固化する熱
可塑性結晶性樹脂の射出成形方法であって、樹脂の冷却
工程を３段階から構成し、第１段階では冷却速度を速
く、第２段階では冷却速度を遅く、第３段階では冷却速
度を速くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱可塑性結晶性樹脂
の射出成形方法に関し、特に熱可塑性結晶性樹脂の結晶
化度の向上と分布の均一化を図り、成形品の寸法精度の
向上を図るものである。

【０００２】

【従来の技術】熱可塑性結晶性樹脂は溶融状態から冷却
固化されることにより一部の分子が規則的な３次元構造
を形成し結晶化構造を備えるが、全ての分子が結晶構造
を備えることはない。このことより、結晶性樹脂の構造
としては、結晶部と非結晶部とに大きく分けられる。一
般的に使われる「結晶化度」とは、結晶部の割合が全体
のどの程度存在するかを示している。

【０００３】熱可塑性結晶性樹脂の結晶化度は機械的強
度、耐熱性、光透過性、密度等の物性に影響する。例え
ば、密度に関しては、結晶部と非結晶部による密度の違
いから、成形品の結晶化度によりその密度が変わること
になる。これは同一質量の成形品に対して結晶化度の変
化によりその寸法が変わることを意味する。

【０００４】具体的には、ポリエチレンの場合には、結
晶化度６５％と７０％における密度はそれぞれ０．９４
２ｇ／ｃｍ³ 、０．９５０ｇ／ｃｍ³ であるが、単純
に、それぞれ同質量、同断面形状の成形品の長さないし
は高さ等の単純な一軸方向の長短を比較した場合には、
結晶化度６５％の成形品に対して、結晶化度７０％の成
形品は約０．８％短くなる。従って、成形品の寸法精度
向上のためには、狙い通りの結晶化度で成形する必要が
ある。

【０００５】又、成形品における結晶化度の分布も考慮
する必要がある。特に、厚みの厚い成形品の場合には、
樹脂の熱伝導率が低いため、成形品の中心部の冷却は表
面部の冷却に比較して遅い。このため、厚さ方向におけ
る結晶化度の差異が発生し、成形品内に残留応力が発生
する一因となり、結果として、成形品の寸法精度、形状
安定性に悪影響を与えることとなる。

【０００６】従来、例えば、特開昭６０−１６３６０４
号公報等に記載されているように、結晶性樹脂の結晶化
度は溶融状態の樹脂を冷却する際の冷却速度により変化
することが知られている。即ち、金型の加熱処理を行う
ことにより、少なくとも成形品の一部を部分加熱し徐冷
することにより結晶化度を上げて外観及び強度を向上さ
せている。

【０００７】又、特開平３−２１９９３６号公報等に記
載されているように、射出成形方法における冷却に関し
ては、水や油等の冷媒を金型に設けられた冷却管内に流
し、金型のキャビティ温度を部分的に制御することによ
り、金型の温度分布を最適にすることも知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
特開昭６０−１６３６０４号公報記載の方法において
は、徐冷により結晶化度が上がることを単純に利用した
だけであり、効率的な方法ではない。

【０００９】又、特開平３−２１９９３６号公報記載の
方法においては、成形品の取り出し時の温度バランスの
改善や、冷却時間の短縮等にはある程度の効果が期待で
きるものの、金型内樹脂の冷却速度の制御、或いは、時
間軸に対する冷却速度変化を与えることはできない。

【００１０】本発明は、叙上のような従来の熱可塑性樹
脂の射出成形方法における問題点に鑑みなされたもので
あって、その目的とするところは、従来の問題点を解決
し、熱可塑性結晶性樹脂の結晶化を効率的に行い、成形
品の厚み方向の結晶化の分布を均一化することが可能な
熱可塑性結晶性樹脂の射出成形方法を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決する手段】本発明は上記目的を達成するべ
くなされたものであって、請求項１記載の本発明に係る
熱可塑性結晶性樹脂の射出成形方法は、溶融状態の熱可
塑性結晶性樹脂を金型のキャビティに注入充填した後、
樹脂を冷却し固化する熱可塑性結晶性樹脂の射出成形方
法であって、樹脂の冷却工程を３段階から構成し、第１
段階では冷却速度を速く、第２段階では冷却速度を遅
く、第３段階では冷却速度を速くすることを特徴とする
ものである。

【００１２】又、請求項２記載の本発明に係る熱可塑性
結晶性樹脂の射出成形方法は、請求項１記載の熱可塑性
結晶性樹脂の射出成形方法において、第２段階の開始温
度を樹脂の結晶化開始温度とし、第２段階では結晶化開
始温度を保持することを特徴とするものである。

【００１３】本発明において、熱可塑性結晶性樹脂とし
ては、特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等
が使用できる。

【００１４】本発明において、樹脂の冷却工程を３段階
から構成し、第１段階では冷却速度を速く、第２段階で
は冷却速度を遅く、第３段階では冷却速度を速くする具
体的態様としては、図１の（ａ）〜（ｅ）で示す態様が
考えられる。即ち、図１の（ａ）（ｄ）（ｅ）に示すよ
うに、温度の時間に対する勾配を曲線的に変化させる態
様や、図１の（ｂ）（ｃ）に示すように、温度の時間に
対する勾配を直線的に変化させる態様や、これらを適宜
組み合わせて曲線的変化及び直線的変化を組み合わせた
態様が採用できる。

【００１５】本発明方法において、冷却速度を変化させ
る手段としては、特に限定されないが、例えば、次の４
方法等が採用できる。 （１）冷媒の流量を変化さる方法。 （２）温度の異なる冷媒を切り換える。 （３）冷媒の通過位置を切り換える。 （４）冷媒による冷却とヒーターによる加熱を組み合わ
せて使用する方法。

【００１６】上記（１）の冷媒の流量を変化さる方法と
しては、金型内の冷却管を流れる冷媒の流量を変化させ
ることにより冷却速度を変化させることができる。即
ち、冷媒の流量が多いほど熱輸送効率が上がり、冷却速
度が大きくなる。流量は冷媒の圧送装置を使用すること
により、例えば、０〜２０リットル／分の広範囲で流量
を制御する。冷却工程中、手動もしくは制御装置からの
信号に従い、冷却管に設けた流量調節弁の開き量を制御
することにより予め設定したタイミングで、冷却速度を
変化させることができる。

【００１７】上記（２）の温度の異なる冷媒を切り換え
る方法においては、図２に示すように、金型温度調節装
置（温調機）を複数台使用し、温度の異なる冷媒を複数
使用する。冷却速度が金型と冷媒の温度差により変化す
ることを利用し、冷却速度を変化させる。この場合、温
度差が大きいほど冷却速度は速くなる。冷却工程中、手
動もしくは制御装置からの信号に従い、電磁弁を切り換
えて、これら冷媒を切り換えることにより、予め設定し
たタイミングで冷却速度を変化させることがてきる。場
合によっては、冷媒の種類、即ち、チラー、水、油等を
変えることにより、更に広範囲（例えば５〜１８０℃）
の温度設定が可能となる。この方法においては、金型温
度を一定温度に保持する（冷却速度＝０）状態、更に
は、必要であれば冷媒の温度範囲内で再加熱することも
可能である。

【００１８】上記（３）の冷媒の通過位置を切り換える
方法においては、金型キャビティに対する距離が異なる
ように配置された冷却管に冷媒を選択的に流すことによ
り、キャビティと冷媒との距離が伝熱効率に影響するこ
とを利用して冷却速度を変えることができる。この場
合、キャビティと冷却管との距離が短いほど冷却速度は
速くなる。冷却工程中、手動もしくは制御装置からの信
号に従い、冷媒を流す流路を切り換えることにより、予
め設定したタイミングで、冷却速度を変化させることが
できる。

【００１９】上記（４）の冷媒による冷却とヒーターに
よる加熱を組み合わせて使用する方法においては、図３
に示すように、金型に冷媒を通す冷却管と加熱ヒーター
を設け、冷媒による冷却速度を加熱ヒーターにより調整
することにより、冷却速度を変化させることができる。
冷却工程中、手動もしくは制御装置からの信号に従い、
加熱ヒーターをオン／オフさせることにより、予め設定
したタイミングで、冷却速度を変化させることができ
る。この方法においては、金型温度を一定に保持する
（冷却速度＝０）状態、更に、必要であれば冷媒の温度
範囲内で再加熱することもできる。

【００２０】上記の４方法をそれぞれ単独に使用しても
よく、これらを適宜組み合わせた方法によってもよく、
組み合わせた方法によれば、更に制御範囲、或いは制御
パターンを拡大することができる。尚、加熱ヒーターに
ついては、特に限定されないが、例えば、シーズヒータ
ーや赤外線等の加熱手段等が使用できる。

【００２１】又、冷却速度の制御手段としては、金型キ
ャビティ表面、又はキャビティに接触している樹脂の温
度、もしくは成形サイクル中の経過時間において判断
し、制御するようにしてもよい。

【００２２】最も単純な制御手段としては、予め必要な
冷却速度について、上記の４つの冷却速度可変方法の設
定値を調べておき、成形サイクル中の経過時間（例え
ば、樹脂充填開始、冷却開始からの経過時間）におい
て、設定値を手動もしくはタイマー制御で切り換えてい
く方法によってもよい。この方法においては、事前に設
定値を導出しておけば、実際の成形においては、必ずし
も金型キャビティ温度もしくは樹脂温度を測定する必要
はない。但し、雰囲気温度や成形条件の変動等の外乱に
より実際の冷却パターンと狙いのパターンが多少ずれる
可能性があることに注意すべきである。

【００２３】冷却速度をより正確に制御するには、金型
には金型キャビティ表面、もしくはキャビティ表面に接
触している樹脂の温度を随時測定するセンサーを設置し
て冷却速度を制御する必要がある。センサーからの測定
データは制御部に送られ、測定間隔に対する温度勾配よ
り時々刻々の冷却速度を計算し、予め設定した冷却速度
となるように、冷却速度を制御する。第２段階におい
て、一定温度を保持する場合には、冷却パターンとして
設定された時間、設定温度を保持するように制御すると
よい。

【００２４】射出成形における冷却工程において、どの
ような冷却速度パターンで冷却するかは、使用する熱可
塑性結晶性樹脂や狙う結晶化度によって異なる。使用す
る熱可塑性結晶性樹脂については、予め冷却速度と結晶
化度の関係を把握する必要がある。冷却速度と結晶化度
の関係を把握するには、種々の冷却速度により固化した
樹脂サンプルの結晶化度を示差走査熱量計（以下「ＤＳ
Ｃ」と略記する）等で測定し、冷却速度と結晶化度の関
係を把握する。又、冷却速度を変更できるＤＳＣやｐｖ
Ｔ測定装置を使用すれば、冷却速度によって変化する結
晶化開始温度や結晶化温度域を把握することもできる。
特に広範囲な冷却速度設定が可能なＤＳＣの場合は、実
際に成形する冷却パターンで樹脂サンプルを冷却し、そ
の温度履歴を与えたサンプルで、結晶化度を測定するこ
とにより、各種冷却パターンにおける結晶化度を把握す
ることができる。

【００２５】ここで、結晶化開始温度、もしくは結晶化
温度域は、従来の冷却工程におけるＤＳＣもしくはＰＶ
Ｔ測定により得られる結果から判断する。即ち、ＤＳＣ
使用の場合には、図４に示すように、温度−熱量曲線か
ら、その曲線がベースラインから大きくずれている温度
域が結晶化温度域であり、その中の最大値が結晶化開始
温度となる。又、ＰＶＴ測定の場合には、図５に示すよ
うに、温度−比容積曲線において、比容積の変化率が最
も大きい温度域が結晶化温度域であり、その中の最大値
が結晶化開始温度となる。

【００２６】〔作用〕請求項１記載の本発明に係る熱可
塑性結晶性樹脂の射出成形方法においては、樹脂の冷却
工程を３段階から構成し、第２段階では冷却速度を遅く
するものであるから、第２段階では、結晶化温度域とす
ることにより結晶化度が上昇し、結晶化とは関係のない
第１段階及び第３段階では冷却速度を速くするものであ
るから成形サイクルの短縮化を図ることができる。

【００２７】又、請求項２記載の本発明に係る熱可塑性
結晶性樹脂の射出成形方法においては、第２段階の開始
温度を樹脂の結晶化開始温度とし、第２段階では結晶化
開始温度を保持するものであるから、結晶化度が増加さ
れた成形品を成形できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例により具体的に説明する。 〔実施例１〕金型のキャビティ形状は引張り試験用の１
号形試験片（ＪＩＳ−Ｋ７１１３準拠）であり、成形品
の厚みはキャビティ深さで３ｍｍとした。金型には冷却
管及び加熱用シーズヒーターを設け、冷媒としては、３
０℃の冷却水を使用した。冷却水は温調機を兼ねた外部
タンクに溜められ、そこから、圧送ポンプ、流量調節弁
を通り金型内の冷却管を通り、再び冷却水タンクに戻る
ようになっている。樹脂の冷却速度の変更方法として
は、冷媒の流量の調整及び加熱用シーズヒーターによる
冷却速度制御手段を採用した。

【００２９】金型温度制御については、金型キャビティ
表面近傍の温度を温度センサーにより測定し、フィード
バック制御により金型温度を制御するようにした。

【００３０】熱可塑性結晶性樹脂としては、高密度ポリ
エチレンを使用した。図６に示すように、第１段階では
冷却速度を２００℃／分とし、第２段階では金型キャビ
ティ表面近傍の温度を結晶化温度域の温度１１０℃に１
分間保持し、第３段階では冷却速度を２００℃／分とし
た。

【００３１】〔実施例２〕第２段階では金型キャビティ
表面近傍の温度を結晶化温度域の温度１１５℃に保持し
たこと以外は実施例１と同様にして成形品を成形した。

【００３２】〔実施例３〕第２段階では金型キャビティ
表面近傍の温度を結晶化温度域の温度１２０℃に保持し
たこと以外は実施例１と同様にして成形品を成形した。

【００３３】〔実施例４〕第２段階では金型キャビティ
表面近傍の温度を結晶化温度域の温度１３０℃に保持し
たこと以外は実施例１と同様にして成形品を成形した。

【００３４】〔実施例５〕第２段階では金型キャビティ
表面近傍の温度を結晶化温度域の温度１２０℃に５分間
保持したこと以外は実施例３と同様にして成形品を成形
した。

【００３５】〔実施例６〕第２段階では金型キャビティ
表面近傍の温度を結晶化温度域の温度１２０℃に１５分
間保持したこと以外は実施例５と同様にして成形品を成
形した。

【００３６】〔比較例１〕キャビティへの樹脂充填後、
図７に示すように、冷却速度１０℃／分の一定速度でキ
ャビティを冷却したこと以外は、実施例１と同様にして
成形品を成形した。

【００３７】〔比較例２〕冷却速度を２００℃／分とし
たこと以外は、比較例１と同様にして成形品を成形し
た。

【００３８】〔評価〕成形品の表面、表面から約０．５
ｍｍ内側及び約１．０ｍｍ内側の結晶化度をＤＳＣによ
り測定し、第１段階〜第３段階の冷却時間と共に、その
結果を表１に示した。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１に示すように、実施例１〜６において
は、比較例に比較して結晶化度が高いこと、第２段階の
結晶化開始温度付近における温度保持が最も結晶化度が
高いこと、第２段階における保持時間が長い方が結晶化
度が高いこと、全体の冷却時間の短縮化が図れること、
厚み方向の結晶化度分布が均一な成形が可能であること
が分かった。

【００４１】以上、本発明の実施の形態を実施例により
説明したが、本発明の具体的な実施の形態は図示の実施
の形態に限定されるものではなく本発明の主旨を逸脱し
ない範囲の設計変更は本発明に含まれる。

【００４２】

【発明の効果】請求項１記載の本発明に係る熱可塑性結
晶性樹脂の射出成形方法においては、樹脂の冷却工程を
３段階から構成し、第２段階では冷却速度を遅くするも
のであるから、第２段階では、結晶化温度域とすること
により結晶化度が上昇し、結晶化とは関係のない第１段
階及び第３段階では冷却速度を速くするものであるから
成形サイクルの短縮化を図ることができる。

【００４３】又、請求項２記載の本発明に係る熱可塑性
結晶性樹脂の射出成形方法においては、第２段階の開始
温度を樹脂の結晶化開始温度とし、第２段階では結晶化
開始温度を保持するものであるから、結晶化度が増加さ
れ、厚み方向の結晶化度分布が少なく、均一な成形品を
成形できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法による冷却速度の各種態様を示すグ
ラフ。

【図２】本発明方法における金型温度調節の態様を示す
説明図。

【図３】本発明方法における金型の一例を示す説明図

【図４】温度−熱量曲線を示すグラフ。

【図５】温度−比容積曲線を示すグラフ。

【図６】本発明方法による冷却速度の一例を示すグラ
フ。

【図７】従来方法による冷却速度を示すグラフ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4F202 AA05 AR06 AR08 CA11 CB01 CN05 CN13 CN21 4F206 AA05 AR064 AR084 JA07 JL02 JM05 JN43 JQ81

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶融状態の熱可塑性結晶性樹脂を金型の
   キャビティに注入充填した後、樹脂を冷却し固化する熱
   可塑性結晶性樹脂の射出成形方法であって、樹脂の冷却
   工程を３段階から構成し、第１段階では冷却速度を速
   く、第２段階では冷却速度を遅く、第３段階では冷却速
   度を速くすることを特徴とする熱可塑性結晶性樹脂の射
   出成形方法。
2. 【請求項２】 第２段階の開始温度を樹脂の結晶化開始
   温度とし、第２段階では結晶化開始温度を保持すること
   を特徴とする請求項１記載の熱可塑性結晶性樹脂の射出
   成形方法。