JP2001150520A - 微細発泡性材料の押出し成形方法および微細発泡性材料製造用押出し成形機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微細な気泡を含む微細発泡性材料を安定に製
造する方法および装置の提供。 【解決手段】 スクリュー押出機中の樹脂に発泡剤を導
入し、混練し、シリンダー部を経てダイから溶融した樹
脂を押し出すことにより微細な気泡が分散した微細発泡
性材料を連続的に押出し成形する方法であって、前記シ
リンダー部を通過する溶融した樹脂の速度が２ｍ／ｓ以
下であることを特徴とする、微細発泡性材料の押出し成
形方法、ならびにその方法を利用した微細発泡性材料製
造用押出し成形機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、樹脂中に気泡が内
在する発泡材料の押出し成形方法および製造装置に関す
るものである。

【従来の技術】

【０００２】材料母体中に気泡が内在する「発泡材料」
は、いわば材料を気体で複合化することになり、使用原
料の低減による省資源化のみならず、重量低減による軽
量化などの多くの機能向上が期待することができる。

【０００３】発泡材料の成形は、古いものでは機械的な
攪拌による発泡を利用する方法、化学反応により発生す
るガスを利用する方法、樹脂中に分散している可溶性物
質を溶出させて除去する方法、化学的または物理的発泡
剤を利用する方法、およびその他の方法により行われて
おり、これらは実際に実用に供されている。

【０００４】発泡材料は、軽量性、断熱性、緩衝性、浮
揚性、および電気的特性などに優れた性質を有するもの
であり、種々の分野でその用途がますます拡大してい
る。

【０００５】このような発泡材料は、一般に、原材料樹
脂を混練し、引き続きダイスを通して成形することによ
り製造される。そして、この混練過程において発泡剤を
注入することが一般的であり、このような方法により５
０μｍ前後の径を有する気泡を樹脂材料中に均一に導入
すること可能である。

【０００６】しかしながら、従来の発泡材料、特に発泡
プラスチック、は内部に存在する空隙により軽量なもの
とすることが可能であるが、逆にそれらの空隙が内部欠
陥として作用するために強度低下を免れなかった。

【０００７】このような材料に対して、１９８０年頃に
マサチューセッツ工科大学において微小発泡プラスチッ
クが発明されている。この微小発泡プラスチックは材料
内部に潜在的に存在するクラック（一般に１０μｍ程
度）よりも小さい微小気泡を導入することにより、その
材料が本来有する機械的特性を低下させることがなく、
原材料を低減することができるという特徴を有するセル
構造体の一つである。さらにこの微小発泡プラスチック
は、熱的、および電気的特性にも優れており、種々の用
途が期待できる材料である。

【０００８】１９８０年後半には、これらの発泡プラス
チックのバッチ式成形プロセス技術が確立され、種々の
原料を用いた成形が行われ、近年、商業ベースの操業も
開始されつつある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなバ
ッチ式の製造プロセスは産業上不利であり、連続的製造
の方が好ましい。ところが、このような微細な気泡を均
一に導入して連続的に微細発泡性材料を製造しようとす
る場合、従来の方法では、発泡剤と樹脂との混練性が十
分に確保できなかった。さらには、発泡剤の注入圧力が
高く（一般に２００ｋｇｆ／ｃｍ²程度）、ガス／樹脂
の溶融体の安定化に長時間を要すること、さらにシリン
ダー内の圧力変動に起因して溶融体内に浸入した気泡を
不安定にするなどの難点があった。このため、微細な気
泡が均一に分散した微細発泡性材料を安定かつ連続的に
製造することのできる方法および装置が望まれていた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】［発明の概要］ ＜要旨＞本発明の微細発泡性材料の押出し成形方法は、
スクリュー押出機中の樹脂に発泡剤を導入し、混練し、
シリンダー部を経てダイから溶融した樹脂を押し出すこ
とにより微細な気泡が分散した微細発泡性材料を連続的
に押出し成形する方法であって、前記シリンダー部を通
過する溶融した樹脂の速度が２ｍ／ｓ以下であること、
を特徴とするものである。

【００１１】本発明の微細発泡性材料製造用押出し成形
機は、ホッパーから導入される溶融した樹脂を回転する
スクリューにより混練して、シリンダー部を経てダイよ
り放出するスクリュー押出機と、前記スクリュー押出機
に発泡剤を導入する発泡剤供給装置と、を具備してなる
微細発泡性材料製造用押出成形機であって、前記シリン
ダー部を溶融した樹脂が２ｍ／ｓ以下の速度で移動する
こと、を特徴とするものである。

【００１２】＜効果＞本発明の方法または装置により、
微細な、特に径が１０μｍ以下であるような、気泡が均
一に分散した微細発泡性材料を安定かつ連続的に製造す
ることが可能である。また、本発明の方法によれば、従
来の方法で製造することのできなかった超微細な気泡を
含む微細発泡性材料を製造することが可能である。

【００１３】［発明の具体的説明］ ＜微細発泡性材料製造法＞１．樹脂 本発明の微細発泡性材料の製造法に用いることのできる
樹脂は、特に限定されず、任意の樹脂材料を用いること
ができる。しかし、樹脂材料により発泡しやすさ、コス
ト、各種性能、およびその他が異なるために、用途に応
じて適当な材料が選択されるべきである。このような背
景から、本発明の方法に用いることに適当な樹脂の具体
的な例は、ポリスチレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリ
エチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、フェノール樹脂、
ポリビニルクロライド樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重
合樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、アクリル樹脂、シ
リコン樹脂、およびその他、ならびにそれらの混合物が
挙げられる。また、これらの樹脂の原料である単量体、
および必要に応じて架橋剤などの重合助剤、を本発明に
直接用いることもできる。本発明においては、このよう
な重合体の前駆体も、「樹脂」に含めるものとする。

【００１４】２．発泡剤 本発明の微細発泡性材料の製造法に用いることのできる
発泡剤は、特に限定されず、任意の発泡剤を用いること
ができる。発泡剤の選択基準は、多岐にわたるが、毒性
が低く、樹脂材料に対して適当な性質を有し、コストが
安価なことなどが挙げられる。

【００１５】一般的に用いられる発泡剤としては、
（ａ）溶剤型（物理）発泡剤、例えば液化ガス（二酸化
炭素、窒素、およびその他）、低分子炭化水素（炭素数
１０程度までのもの）、およびハロゲン化炭化水素（塩
化メチレン、二塩化エタン、二塩化五フッ化エタン、お
よびその他）、ならびに（ｂ）分解型発泡剤、例えばア
ゾ化合物（アゾビスホルムアミド、ジアゾアミノベンゼ
ン、およびその他）、Ｎ−ニトロソ化合物、およびスル
ホニル−ヒドラジド、が挙げられる。これらのうち、毒
性が低く、また環境にたいしてもやさしい二酸化炭素や
窒素が好ましい。さらに本発明においては、発泡性や取
り扱い性の観点から超臨界二酸化炭素を発泡剤として用
いることが特に好ましい。

【００１６】３．微細発泡性材料の製造法 本発明の微細発泡性材料の製造法は、スクリュー押出機
中の樹脂に発泡剤を導入し、混練し、押し出すことによ
り微細な気泡が分散した微細発泡性材料を連続的に製造
する方法である。そして、本発明の方法は、発泡剤が導
入され、混練された樹脂がシリンダー部を通過するとき
の速度を２ｍ／ｓ以下とすることを特徴としている。

【００１７】本発明の方法を実施するには、後記する微
細発泡性材料製造用押出し成形機を用いることが好まし
いが、本発明の特徴を満たすのであれば、従来のスクリ
ュー押出機を利用することも可能である。

【００１８】本発明の方法において、シリンダー部の温
度を一定に保つことが好ましい。すなわち、シリンダー
部の温度の経時変化が小さいことが好ましく、またシリ
ンダー部の位置による温度差が小さいことが好ましい。
シリンダー部の温度は、本発明の効果を損なわない範囲
で選択されるが、一般に２００〜２５０℃、好ましくは
２１０〜２３０℃、の範囲で選択される。

【００１９】本発明の方法において、発泡剤の導入圧力
が従来の方法に比べて低いことが好ましい。従来の方法
では、発泡剤は、ガス導入部近傍でのシリンダー内の圧
力が高いため、２００ｋｇｆ／ｃｍ²前後の圧力で導入
することが必要であり、発泡剤から発生するガス／樹脂
の溶融体の安定化に長時間を要するという問題があっ
た。これに対して、本発明においては、１００ｋｇｆ／
ｃｍ²以下の圧力で発泡剤を導入するために、発泡剤か
ら発生するガス／樹脂の溶融体の安定化が短時間で完了
する。樹脂の種類や工程条件により差があるが、発泡剤
の導入圧力を５０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ²にすること
で、気泡を含む樹脂溶融体の安定化時間を３０％程度ま
で短縮することが可能である。

【００２０】発泡剤の導入圧力は調整弁やポンプなどに
より調整して、所望の圧力とすることができる。本発明
の方法においては発泡剤の導入圧力は５０〜１００ｋｇ
ｆ／ｃｍ²以下であればよいが、発泡剤として超臨界二
酸化炭素を用いる場合には、一般的なボンベの圧力（約
５０〜６０ｋｇｆ／ｃｍ²）のまま、発泡剤を導入する
ことが可能であり、便利である。

【００２１】本発明の方法において、混練された樹脂の
押出機出口部における圧力が、発泡剤導入部における圧
力に比べて十分に高いことが好ましい。一般的なスクリ
ュー押出機を用いた従来の方法では、混練された樹脂の
押出機出口部における圧力は、発泡剤導入部における圧
力の０．９倍以下であった。これに対して、本発明にお
いては、その圧力比が一般に１．３倍以上、好ましくは
１．５倍以上、である。このような押出機中における圧
力勾配は、種々のパラメーターを調整することにより達
成することができる。パラメーターの例としては、スク
リューの形状、スクリューが内設されるシリンダーの形
状、スクリューの回転数、樹脂原料または発泡剤の導入
速度、ダイからの樹脂材料の放出速度、およびその他が
挙げられる。より具体的には、例えばスクリューの形状
は、樹脂の導入側から放出側に向かって、径が大きくな
るような形状が好ましい。このとき、スクリューの単位
長さあたりのスクリュー径増分が０．０１〜０．１であ
ることが特に好ましい。

【００２２】その他の製造条件は、樹脂の種類や製造さ
れる材料の用途などに応じて、適宜調節することができ
る。例えばダイ温度は１００〜１５０℃、好ましくは１
１０〜１３０℃、樹脂に対する発泡剤の添加量は５〜１
０重量％、好ましくは７〜８重量％、である。

【００２３】また、本発明の方法により製造される微細
発泡性材料は、前記の樹脂および発泡剤を基本的な原料
として製造されるが、必要に応じて、その他の添加剤を
含んでもよい。そのような添加剤としては、発泡助剤、
気泡調整剤、充填剤、難燃剤、その他一般的に樹脂材料
に添加される添加剤が挙げられる。

【００２４】４．外部刺激力 本発明の方法において、押出機中および／またはダイ中
の、発泡剤を含んでいる樹脂に対して、外部から刺激力
を与えることが好ましい。このような刺激力を与えるこ
とで、発泡剤と樹脂の混練性を向上させることができ、
気泡分布の均一化、気泡の成長または粗大化の防止を達
成することができる。特に、ダイ部において刺激力を印
加することにより、発泡剤と溶融樹脂が十分混練された
後、ダイ部通過時に受ける圧力差によって生じる熱力学
的不安定化現象をさらに加速する効果があり、生じる気
泡の微細化および分布均一化に有効である。

【００２５】印加することのできる刺激力は、本発明の
効果を損なわない範囲で任意に選択することができる
が、具体的には超音波、電磁波、電子ビームなどが挙げ
られる。これらのうち、効果と取り扱い性などの面から
超音波を用いることが好ましい。超音波を用いる場合、
周波数としては１５ｋＨｚ〜５ＭＨｚが好ましく、１８
ｋＨｚ〜１ＭＨｚが特に好ましい。また、出力範囲は３
００〜８００Ｗが好ましく、５００〜７００Ｗが特に好
ましい。

【００２６】＜微細発泡性材料製造用押出し成形機＞本
発明の微細発泡性材料製造用押出し成形機は、微細な気
泡を均一に含む微細発泡性材料を連続的に製造すること
のできるものである。この装置の一例を各部材ごとに説
明すると以下の通りである。

【００２７】本発明の装置は、スクリュー押出機と発泡
剤供給装置とを具備してなる。スクリュー押出機は、シ
リンダー、シリンダーに樹脂材料を供給するホッパー、
供給された樹脂材料を混練するスクリュー、スクリュー
を駆動するモーター、および混練された樹脂材料を放出
するダイを具備してなる。必要に応じて、シリンダー中
の樹脂材料の温度を保持または制御するためのヒーター
が設けられていることが好ましい。また、スクリューの
径は発泡剤導入部よりもダイ近傍部で大きくなっている
ことが好ましく、スクリューの単位長さあたりのスクリ
ュー径増分が０．０１〜０．１となっていることがより
好ましい。

【００２８】発泡剤供給装置は、発泡剤の５０〜１００
ｋｇｆ／ｃｍ²以下の導入圧力で供給できるものである
ことが好ましい。超臨界二酸化炭素を発泡剤として用い
る場合、超臨界二酸化炭素を貯蔵するボンベは圧力調整
弁、ポンプ、温度調整用ヒーターを介して、スクリュー
押出機のホッパーより下流側に接続される。

【００２９】まず、ホッパーより樹脂材料がシリンダー
中に供給される。供給された樹脂材料はあらかじめ溶融
されていても、固体状の樹脂材料がそのまま供給されて
シリンダー中で加熱されて溶融されてもよい。供給され
た樹脂は、スクリューの回転により混練されながら、ダ
イの方向へ移動していく。

【００３０】次いで、発泡剤供給装置から供給された発
泡剤が樹脂材料に導入される。発泡剤はスクリューに樹
脂材料と混練されながら、さらにダイの方向へ移動して
いく。

【００３１】このようにスクリュー押出機によって混練
された微細発泡性樹脂材料はダイから放出され、放圧さ
れることにより、気泡が成長して、最終製造物が得られ
る。気泡成長工程においては、樹脂が必要に応じてヒー
ターにより加熱されて気泡成長を制御したのち、巻き取
り装置により最終製造物が巻き取られる。

【００３２】また、必要に応じて、シリンダーまたはダ
イ中の樹脂に刺激力を与える装置をさらに具備してなる
こともできる。例えば、本発明の装置は、シリンダー中
の樹脂に超音波を印加する超音波振動子を具備してな
る。このような超音波振動子はダイ部に配設することも
できる。

【００３３】前記した装置は、本発明の装置の一例を示
したものであって、本発明の範囲内であれば任意の改変
をおこなうことができる。例えば、スクリュー押出機
は、単軸押出機であっても、多軸押出機であってもよ
く、ホッパーから供給される樹脂材料は固体であっても
液体であっても、また重合体の前駆体（例えば単量体と
架橋剤の混合物）であってもよい。）

【００３４】

【実施例】以下の諸例は本発明の態様を説明するための
ものである。一般グレードのポリスチレン樹脂と発泡剤
として炭酸ガスを用い、シリンダー温度２１０℃（平
均）、ダイス温度１２０℃、発泡剤供給量１０重量％と
し、その他の条件は表１のようにして、幅３０ｍｍ、厚
さ２ｍｍの板状微細発泡性材料を調製した。得られた材
料に対して、気泡分布と気泡の大きさを走査型電子顕微
鏡で測定した。得られた結果は表１に示すとおりであっ
た。

【００３５】

【表１】 ＊超音波振動 周波数１９ｋＨｚ、出力６００Ｗ

【００３６】この結果より、本発明の方法によれば、気
泡は樹脂中に均一に分散し、またより小さい径の気泡が
樹脂中に分散した材料を製造することができることがわ
かる。

【００３７】

【発明の効果】本発明の方法または装置により、微細な
気泡が均一に分散した微細発泡性材料を安定かつ連続的
に製造することが可能であることは、［発明の概要］の
項に前記したとおりである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4F207 AA04 AA11 AA13 AA21 AA31 AA37 AB02 AG20 AR06 AR08 KA01 KA11 KF04 KK04 KK43 KK90 KL99

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スクリュー押出機中の樹脂に発泡剤を導入
   し、混練し、シリンダー部を経てダイから溶融した樹脂
   を押し出すことにより微細な気泡が分散した微細発泡性
   材料を連続的に押出し成形する方法であって、前記シリ
   ンダー部を通過する溶融した樹脂の速度が２ｍ／ｓ以下
   であることを特徴とする、微細発泡性材料の押出し成形
   方法。
2. 【請求項２】前記シリンダー部の温度を一定に保つ、請
   求項１に記載の微細発泡性材料の押出し成形方法。
3. 【請求項３】押出機中の樹脂に刺激力を印加する、請求
   項１または２に記載の微細発泡性材料の押出し成形方
   法。
4. 【請求項４】刺激力が超音波である、請求項３に記載の
   微細発泡性材料の押出し成形方法。
5. 【請求項５】前記発泡剤を前記樹脂中に導入する圧力が
   ５０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ²である、請求項１〜４のい
   ずれか１項に記載の微細発泡性材料の押出し成形方法。
6. 【請求項６】ホッパーから導入される溶融した樹脂を回
   転するスクリューにより混練して、シリンダー部を経て
   ダイより放出するスクリュー押出機と、 前記スクリュー押出機に発泡剤を導入する発泡剤供給装
   置と、 を具備してなる微細発泡性材料製造用押出成形機であっ
   て、 前記シリンダー部を溶融した樹脂が２ｍ／ｓ以下の速度
   で移動することを特徴とする、微細発泡性材料製造用押
   出し成形機。
7. 【請求項７】前記スクリューが、発泡剤が供給される位
   置からダイの方向に向かって、径が増大する形状を有し
   てなる、請求項６に記載の微細発泡性材料製造用押出し
   成形機。
8. 【請求項８】スクリューの単位長さあたりのスクリュー
   径増分が０．０１〜０．１である、請求項７に記載の微
   細発泡性材料製造用押出し成形機。
9. 【請求項９】前記スクリュー押出機中の樹脂に刺激力を
   与える装置をさらに具備してなる、請求項６〜８のいず
   れか１項に記載の微細発泡性材料製造用押出し成形機。
10. 【請求項１０】刺激力を与える装置が超音波発生器であ
    る、請求項９に記載の微細発泡性材料製造用押出し成形
    機。