JP2001150521A - 微細発泡性材料のブロー成形方法および微細発泡性材料製造用ブロー成形機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微細な気泡を含む微細発泡性材料をブロー成
形する方法および装置の提供。 【解決手段】 溶融した樹脂に発泡剤を導入し、シリン
ダー部を経てダイより押し出すことによりパリソンを形
成させ、前記パリソンを金型内に収納し、前記パリソン
内に気体を導入することにより微細な気泡が分散した微
細発泡性材料を製造する方法であって、前記シリンダー
部を通過する溶融した樹脂の速度が２〜６ｍ／ｓである
ことを特徴とする、微細発泡樹脂材料ブロー成形方法、
ならびにそのような方法により樹脂材料を成形するブロ
ー成形方法。

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
在する発泡材料の製造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ブロー成形方法は、
溶融した樹脂に発泡剤を導入し、シリンダー部を経てダ
イより押し出すことによりパリソンを形成させ、前記パ
リソンを金型内に収納し、前記パリソン内に気体を導入
する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って、シリンダー部を通過す
る溶融した樹脂の速度が２〜６ｍ／ｓであることを特徴
とするものである。

【００１１】また、本発明の微細発泡性材料製造用ブロ
ー成形機は、ホッパーから導入される樹脂を混練し、シ
リンダー部を経てダイより放出してパリソンを形成させ
る押出機と、前記押出機に発泡剤を導入する発泡剤供給
装置と、形成された前記パリソンの内部に気体を吹き込
む吹込装置と、気体吹き込み時に前記パリソンを収納
し、成形される樹脂材料の形状を所望の形状に規定する
金型とを具備してなるものであって、シリンダー部を通
過する溶融した樹脂の速度が２〜６ｍ／ｓであることを
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からなる成形済み材料を製造するこ
とが可能である。

【００１３】［発明の具体的説明］ ＜微細発泡性材料ブロー成形方法＞１．樹脂 本発明の微細発泡性材料のブロー成型方法に用いること
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。ま
た、ブロー成形の種類（詳細後記）によっても用いられ
る樹脂材料の種類が選択されることもある。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ブロー成型方法に用いること
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．微細発泡性材料のブロー成形方法 本発明の微細発泡性材料のブロー成形方法は、溶融した
樹脂に発泡剤を導入し、シリンダー部を経てダイより押
し出すことによりパリソンを形成させ、前記パリソンを
金型内に収納し、前記パリソン内に気体を導入すること
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
製造する方法であって、シリンダー部を通過する溶融し
た樹脂の速度が２〜６ｍ／ｓであることを特徴とするも
のである。

【００１７】本発明の方法を実施するには、任意のブロ
ー成形方法を用いることができる。ブロー成形方法は、
大別してホットパリソン法とコールドパリソン法とがあ
る。本発明は、一連の成形工程を連続して行うことので
きるホットパリソン法に適用されることが好ましいが、
パリソンを形成させる工程と、形成され、一度冷却され
たパリソンを加熱してから成形する工程とを段階的に行
うコールドパリソン法に適用することもできる。また、
ホットパリソン法にはダイレクトブロー成形、インジェ
クションブロー成形、シートブロー成形、およびその他
があるが、そのいずれの方法に適用することができる。
さらに、ダイレクトブロー成形は、押出ブロー成形、ラ
ム式押出成形、アキュムレーター式ブロー成形、および
その他がある。本発明は典型的には押出ブロー成形に適
用される。

【００１８】本発明の一つの特徴は、発泡剤が混入され
たあとの溶融した樹脂材料がダイに移送される際に通過
するシリンダー部において、溶融した樹脂材料の速度が
２〜６ｍ／ｓであることである。従来のブロー成形方法
においては、シリンダー部における溶融樹脂の速度は２
０〜３０ｍ／ｓであった。本発明は、シリンダー部にお
ける溶融した樹脂の速度を制限することにより、従来の
発泡樹脂材料に比べて、より微細な気泡がより均一に分
散した成形材料を製造することを可能にしたものであ
る。

【００１９】すなわち、従来の方法によって製造した発
泡樹脂材料において、そこに含まれる気泡の気泡径は最
小のものでも８０μｍ程度、気泡密度は１０⁷個／ｃｍ²
程度であった。これに対して、本発明の方法によれば、
気泡径で０．１〜１０μｍ、気泡密度で１０⁹〜１０¹⁵
個ｃｍ²を達成することができる。さらに諸条件の調整
によって、気泡径が０．１〜０．０１μｍのものまで製
造することが可能になるであろう。気泡径が小さくな
り、それが可視光線の波長よりも小さくなれば透明性を
確保することができ、本発明の方法により製造される樹
脂材料にさらなる付加価値を付与することができる。

【００２０】本発明において、シリンダー部とは、パリ
ソン押出部において、溶融された樹脂に発泡剤が導入さ
れた部位からダイまでの部分をさす。スクリューまたは
ラムを備える押出機においては、そのシリンダー部にス
クリューまたはラムが内蔵されている部分もさす。

【００２１】また、本発明のブロー成形方法において、
発泡剤の導入圧力を従来の方法に比べて低くすることが
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／ｃ
ｍ²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、５０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で発泡剤を導入
することが好ましく、これによって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させること
ができる。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とするこ
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。

【００２２】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であることが好ましい。特に発泡剤として超
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。

【００２３】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。例えばシリンダー温度は２００〜２５０℃、好まし
くは２１０〜２３０℃、パリソン温度は１９０〜２１０
℃、好ましくは１８０〜２００℃、ブロー比は１．０〜
３．０、好ましくは１．５〜２．５、樹脂に対する発泡
剤の添加量は５〜１０重量％、好ましくは７〜８重量
％、である。

【００２４】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。

【００２５】４．外部刺激力 本発明の方法において、シリンダー部の発泡剤を含んで
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、シリンダー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。

【００２６】また、シリンダー部の樹脂に刺激力を印可
するほか、押出機中のほかの部位、たとえばダイ中の樹
脂に刺激力を印可することも好ましい。

【００２７】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。

【００２８】＜微細発泡性材料製造用ブロー成形機＞本
発明の微細発泡性材料製造用ブロー成形機は、微細な気
泡を均一に含む微細発泡性材料を製造することのできる
ものである。すなわち、本発明の微細発泡性材料製造用
ブロー成型機は、ホッパーから導入される樹脂を混練
し、シリンダー部を経てダイより放出してパリソンを形
成させる押出機と、前記押出機に発泡剤を導入する発泡
剤供給装置と、形成された前記パリソンの内部に気体を
吹き込む吹込装置と、気体吹き込み時に前記パリソンを
収納し、成形される樹脂材料の形状を所望の形状に規定
する金型とを具備してなるものである。このような構成
は、従来の一般的なブロー成型機の構成を流用すること
ができる。たとえば、パリソンを形成させる押出機とし
ては、シリンダー、シリンダーに樹脂材料を供給するホ
ッパー、溶融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てもよい。押出機としては、こ
のようなスクリュー式のほか、ラム式、アキュムレータ
式、スクリューインライン式、およびその他があげられ
る。

【００２９】本発明においては、これらの押出機のシリ
ンダー部を通過する溶融した樹脂の速度が２〜６ｍ／ｓ
であることを特徴とする。ここで、シリンダー部とは、
前記したように、溶融された樹脂に発泡剤が導入された
部位からダイまでの部分をさす。

【００３０】発泡剤供給装置は、溶融された樹脂に発泡
剤を共有するためのものである。本発明においては、発
泡剤の導入圧力が５０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ²のである
ことが好ましい。

【００３１】押出機により形成されたパリソンには、通
常のブロー成形方法に用いられる吹込装置により気体が
吹き込まれる。吹込装置の形式は上吹き、下吹き、また
は横吹きのいずれの形式のものであってもよい。

【００３２】押出機により形成されたパリソンは、吹き
込みに先立って金型に収容される。金型はブロー成形に
用いられるものであれば、任意の形式のものを用いるこ
とができる。金型は、樹脂材料の冷却のために熱伝導性
のよいものが好ましく、具体的には軟鋼、アルミニウム
合金、ベリリウム銅、亜鉛合金、およびその他が用いら
れる。また、別途冷却水などによって冷却されるもので
あってもよい。

【００３３】本発明の微細発泡性樹脂材料ブロー成形機
の作用を、スクリュー式押出機を備えた装置の場合を例
にとって説明すると以下の通りである。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。

【００３４】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。このとき、発泡剤の導入
圧力は５０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ²であることが好まし
い。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。このときの溶融樹脂
の速度は２〜６ｍ／ｓである。

【００３５】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、パリソンが得られ
る。

【００３６】ついで、形成されたパリソンを金型が収容
する。その後、パリソン内部に気体が吹き込まれて、金
型で規定される形状の成形済み樹脂材料が形成される。

【００３７】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。本発明のブロー成形機は、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
こともできる。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。

【００３８】

【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プロピレン樹脂と発泡
剤として二酸化炭素を用い、シリンダー温度２４０℃
（平均）、パリソン温度２００℃、ブロー比（Ｄ_２／ｄ
_１）２．０、口径比（Ｌ／ｄ_１）５．０とし、その他の
条件は表１のようにして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。

【００３９】表１ 比較例 実施例 従来例 １ ２ １ ２ ３ ４ １ 発泡剤含浸時間(min) 5 5 10 10 30 30 2 ブロー速度(m/s) 12 12 6 6 2 2 30 シリンダー圧力(kgf/cm²) 135 135 122 122 133 133 150 超音波振動^* 有 有 有 有 有 無 無 発泡剤注入圧力(kgf/cm²) 50 100 50 100 50 100 200 発泡体肉厚(mm) 3.5 3.6 2.0 2.1 2.0 2.1 4.0 平均気泡径（μｍ） 69 68 20 22 5 7 100 気泡分布の均一性 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ×評価 × × ○ ○ ◎ ◎ × ^* 周波数：１９ｋＨｚ、出力：６００Ｗ

【００４０】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を
樹脂中に分散させることができることがわかる。

【００４１】

【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 AA11 AA13 AA31 AB02 AG07 AG20 AR02 AR08 KA01 KA11 KF04 4F208 AA11 AA13 AA31 AB02 AG07 AG20 AR02 AR08 LA01 LA05 LB01 LG11 LG23 LJ09

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶融した樹脂に発泡剤を導入し、シリンダ
   ー部を経てダイより押し出すことによりパリソンを形成
   させ、前記パリソンを金型内に収納し、前記パリソン内
   に気体を導入する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２〜６ｍ／ｓ
   であることを特徴とする、微細発泡樹脂材料ブロー成形
   方法。
2. 【請求項２】押出機中の樹脂に刺激力を印加する、請求
   項１に記載の微細発泡性材料ブロー製造方法。
3. 【請求項３】刺激力が超音波である、請求項２に記載の
   微細発泡性材料ブロー成形方法。
4. 【請求項４】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１〜３のい
   ずれか１項に記載の微細発泡性材料ブロー成形方法。
5. 【請求項５】ホッパーから導入される樹脂を混練し、シ
   リンダー部を経てダイより放出してパリソンを形成させ
   る押出機と、 前記押出機に発泡剤を導入する発泡剤供給装置と、 形成された前記パリソンの内部に気体を吹き込む吹込装
   置と、 気体吹き込み時に前記パリソンを収納し、成形される樹
   脂材料の形状を所望の形状に規定する金型とを具備して
   なる微細発泡性材料製造用ブロー成形機であって、シリ
   ンダー部を通過する溶融した樹脂の速度が２〜６ｍ／ｓ
   であることを特徴とする、微細発泡性材料製造用ブロー
   成形機。
6. 【請求項６】前記シリンダー部内部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５に記載の微細
   発泡性材料製造用押出し成形機。
7. 【請求項７】刺激力を与える装置が超音波発生器であ
   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】前記発泡剤供給装置が、前記発泡剤を５０
   〜１００ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で樹脂中に導入する、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
   用ブロー成形機。