JP2005186321A - 超音波成形用ダイ及びこれを用いた押出成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 成形品の温度分布をより均一化し、また、超音波振動により添加剤等の異物付着を防止することにより、成形品表面の平滑性を向上させることのできる超音波成形用ダイ及びこれを用いた押出成形方法の提供を目的とする。
【解決手段】 押出成形装置に用いられ、超音波振動する振動体２を備え、振動部２１ａが、樹脂流路１３を流れる樹脂に、直接接触しない状態で設けられ、かつ、振動面２６から樹脂流路１３への最短距離Ｌが、印加される超音波の波長の１／８より短い構成としてある。さらに、振動面２６が、被振動部１８と分離可能な状態で、被振動部１８に超音波振動を伝達する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、超音波成形用ダイ及びこれを用いた押出成形方法に関し、特に、超音波振動を利用した加熱作用により、溶融樹脂の温度分布を均一化し、さらに、被振動部を超音波振動させることにより、樹脂流路の内面に添加剤等が付着することを防止して、成形品表面の平滑性を向上させることの可能な超音波成形用ダイ及びこれを用いた押出成形方法に関する。

一般的に、押出成形装置は、押出機，ダイ（金型）及び引張り装置とからなっており、熱可塑性樹脂からなる原料を押出機に供給し、加熱溶融した樹脂をダイの樹脂流路を通して押し出し、一定の断面を有する成形品を連続的に成形する。
また、押出成形においては、ダイにおける温度分布の発生により溶融樹脂の温度分布が不均一となり、成形品の表面粗さが悪化するといった不具合や、あるいは、添加剤等の異物が樹脂流路内面へ付着することによって、ダイライン（すじ）が発生するといった品質上の不具合があった。さらに、この不具合を解決する目的で樹脂の流速を遅くすると、表面粗さは改善されるものの生産性が低下するといった問題があった。
このため、従来、生産性を低下させずに成形品の品質を向上させる押出成形装置及び押出成形方法が様々開発されてきた。

たとえば、特許文献１には、成形材料を押出成形する方法において、別体に分割され、その接触面に成形材料の押出口が設けられたダイを、超音波によってｎ波長共振（ｎ＝ｍ／２；ｍは正の整数）させ、かつ、ダイの接触面及び押出口をｎ波長共振の腹部又はその近傍に対応する位置に設けるとともに、超音波振動を成形材料が押出口から流出する方向に対して垂直な方向に伝達させて、押出成形を行なう押出成形方法の技術が開示されている。
この技術によれば、超音波振動をダイに効果的に作用させることにより振動を効率よく伝達し、かつ共振の腹部を利用して、成形材料、特に流動性の悪い材料のダイ内における流動性を良好ならしめ、メルトフラクチャーの発生を低減し、押出成形の生産性を飛躍的に向上させることができる。

また、特許文献２には、押出機からフラットダイのマニホールドを通って溶融樹脂を押出す押出成形品の製造方法において、マニホールドの各先端を側板で閉止するとともに該側板を振動させながら溶融樹脂を押出成形する押出成形品の製造方法の技術が開示されている。
この技術によれば、溶融樹脂の流速が遅いマニホールド先端において、側板の振動により該側板と溶融樹脂との摩擦抵抗が軽減され、この部分における溶融樹脂の滞留による熱分解が解消されるので、長時間安定してフィルムやシートなどを製造することができる。

さらに、特許文献３には、複数の超音波振動子を同時に発振させて、同一のダイリップを有する金型の幅全体に均一な超音波振動を与える構造の発振器を有する超音波利用押出成形方法の技術が開示されている。
この技術によれば、金型の幅全体にわったて均一な超音波振動を与えることができ、押出成形時に出口付近で発生する微少凹凸(不要な縞模様として現れる)を除くことができる。
特公平６−９８４５号公報 （請求項１、図１） 特開平５−２０８４３９号公報 （請求項３、図４，５，６） 特許３４４４７９１号公報 （請求項１，４、図２，４）

また、基本的な対策として、ダイに複数のヒータを設けて、温度分布の発生を抑制するように制御したり、部分的に保温カバーを設けるなどして、ダイにおける温度分布の発生を防止してきた。また、添加剤等の樹脂流路内面への付着に対しては、定期的にダイを分解・清掃するなどの対策がとられてきた。
なお、これらの基本的な対策によって、満足できるレベルではないものの、ある程度までは成形品の表面粗さを向上させたり、ダイラインの発生を防止することができた。

しかしながら、特許文献１に記載された押出成形方法は、ダイ全体を振動させるので、設備が大掛かりなものとなっており、設備費削減の観点から改善の余地があった。
また、特許文献２に記載された押出成形品の製造方法も、フラットダイ全体を振動させるので、設備が大掛かりなものとなってしまい、設備費及びメンテナンス費用を削減できないといった問題があった。

さらに、特許文献３に記載された超音波利用押出成形方法は、超音波振動を金型幅全体に与える構造としてあるので、ダイリップの形状が複雑化しており、温度制御が困難であるといった問題があった。

本発明は、上記問題を解決すべく、成形品の温度分布をより均一化し、また、超音波振動により添加剤等の異物付着を防止することにより、成形品表面の平滑性を向上させることのできる超音波成形用ダイ及びこれを用いた押出成形方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の超音波成形用ダイは、押出成形装置に用いられ、超音波振動する振動体を備えた超音波成形用ダイであって、前記振動体の振動部が、前記超音波成形用ダイ内に形成された樹脂流路を流れる樹脂に、直接接触しない状態で設けられ、かつ、前記振動部から前記樹脂流路への最短距離が、印加される超音波の波長の１／８より短い構成としてある。
このようにすると、樹脂流路に露出した振動部に起因するダイラインや平滑性乱れを防止でき、また、異物が樹脂流路に付着するのを防ぐことができる。

また、本発明の超音波成形用ダイは、前記振動部と、該振動部から振動を伝えられる被振動部の間に挟隙を設けた構成としてある。
このようにすると、振動部は、被振動部に超音波振動を伝達するとともに、超音波振動のサイクルで断続的に被振動部と衝突して摩擦熱を発生させる。この摩擦熱によって超音波成形用ダイの温度分布を制御でき、成形品の温度分布をより均一化できるので、成形品表面の平滑性を向上させることができる。
なお、本発明の、前記振動部と被振動部の間に隙間を設けた、とは、振動していないときは、振動部と被振動部の間に隙間がなく、振動しているときは、隙間ができるような構成も含むものとする。この隙間が印加する超音波振動の振幅より小さければ、被振動部に超音波振動を伝達することができる。
また、振動部と被振動部が連結されている場合には、上記摩擦熱が発生しないので、被振動部を加熱することはできない。

また、本発明の超音波成形用ダイは、前記被振動部の、樹脂流路側先端の断面形状（以下、振動部の振動面と呼ぶ場合もある。）を、任意の形状に形成してもよい。たとえば、樹脂流路の形状が複雑な部分に超音波振動を加えたい場合は、前記断面形状を、樹脂流路と同じ形状や、その複雑な部分より一回り大きい断面を持つようにするとよい。このようにすると、樹脂流路の形状が複雑な部分（大概の場合、異物が付着しやすい箇所である。）に確実に超音波振動を加えることができ、樹脂流路内の異物付着を防ぐことができる。

また、本発明の超音波成形用ダイは、前記樹脂流路が、曲り部，金型の継ぎ目，リップから選ばれる少なくとも一つのポイントを有する場合に、前記振動部から前記ポイントへの最短距離が、印加される超音波の波長の１／８より短い構成としてある。
このようにすると、樹脂流路への異物付着を効果的に防止することができ、たとえば、複雑な形状の成形品であっても、成形品表面の平滑性を向上させることができる。ここで、金型の継ぎ目とは、ダイを構成する部品間の継ぎ目を意味する。商業生産用のダイ、特に押出成形用ダイの中でもＴダイは、全幅が３〜５ｍ程度のものがあり、そのような大型ダイは、複数の金型構成部品からなり、樹脂流路部にも継ぎ目があることもある。

また、本発明の超音波成形用ダイは、前記振動部の振動面の面積を、前記樹脂流路の断面積の５％〜４０％とした構成としてある。なお、複数の振動部を設けた場合、前記振動部の振動面の面積は、これら複数の振動部における振動面の面積の総和とすることもできる。
このようにすると、異物付着箇所が振動部から遠い場合であっても、異物付着を防止でき、また、ダイから出た直後の成形品を安定させることができる。

上記目的を達成するために、本発明の超音波成形用ダイを用いた押出成形方法は、上記請求項１〜５のいずれかに記載の超音波成形用ダイを使用して、前記振動部と前記樹脂流路に挟まれた部分を含む被振動部を超音波振動させながら、押出成形することを特徴とした超音波成形用ダイを用いた押出成形方法。
このように、本発明は、超音波成形用ダイを用いた押出成形方法としても有効であり、異物が樹脂流路面に付着するのを防ぎ、ダイラインや平滑性乱れを防止することができる。

本発明における超音波成形用ダイ及びこれを用いた押出成形方法によれば、成形品の温度分布をより均一化し、また、超音波振動により添加剤等の異物付着を防止することにより、成形品表面の平滑性を向上させるとともに、ダイラインの発生を防止することができる。

[超音波成形用ダイ]
図１は、本発明にかかる超音波成形用ダイの概略斜視図を示している。
同図において、超音波成形用ダイであるＴダイ１は、押出成形により単層フィルム（図示せず）を成形するためのダイであり、供給口１１，マニホールド１２，樹脂流路１３及びリップ部１４を備え、正面の中央部に振動体２を設けた構成としてある。

Ｔダイ１は、上面中央部に供給口１１が形成され、この供給口１１と連通したマニホールド１２が水平方向に形成され、このマニホールド１２から下方のリップ部１４に向かって樹脂流路１３が形成されている。また、正面に、振動体２のホーン入力２１及び振動部２１ａが装入される取付孔１５が形成されている。
なお、Ｔダイ１の両端面には、側板（図示せず）が取り付けられ、また、Ｔダイ１を加熱するヒータは、理解しやすいように省略してある。

図２は、本発明にかかる超音波成形用ダイの振動体を説明するための、図１におけるＡ−Ａ概略拡大断面を示している。
同図において、振動体２は、ランジュバン型振動子であり、円筒状のホーン（振動部）２１，ホーン２１の樹脂流路流路１３側の端部に連結された矩形棒状の振動部２１ａ（図１参照），ピエゾ素子２２，フランジ２３，カバー２４及び連結ボルト２５とからなっており、ピエゾ素子２２に交流電圧を印加することにより、ホーン２１の先端部に連結された振動部２１ａの振動面２６が軸方向に高速振動する。
超音波発信機の出力を考慮すると、約１０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚの周波数の超音波が通常使用される。また、押出成形するときの振幅は、通常、約１μｍ〜約１００μｍであるが、振動体２の材料の疲労強度を考慮して設定される。
また、波長（λ）は、通常、ダイが金属素材の場合は、約５０〜５００ｍｍ、好ましくは、約１００〜４００ｍｍである。

振動体２は、振動部２１ａの振動面２６がＴダイ１の取付孔１５の底面１６と接する状態で、ボルト１７とフランジ２３によってＴダイ１の正面に取り付けられている。ここで、振動部２１ａの振動面２６は、Ｔダイ１の取付孔１５の底面１６と接しているだけで連結されていないので、振動面２６が振幅Ａで高速振動すると、振動面２６が底面１６に周波数に応じた回数だけ超音波振動を伝達する。すなわち、振動面２６は、距離（Ａ／２）だけ底面１６から離れた状態（振動面２６と底面１６の間に挟隙を設けた状態）から、底面１６に高速かつ超音波振動のサイクルで断続的に衝突するので、底面１６との摩擦により摩擦熱が発生し、底面１６を局所的に加熱することができる。たとえば、本実施形態において、側板（図示せず）にヒータを設けた場合、Ｔダイ１の中央部の温度が両端部より低くなるが、この摩擦熱によってＴダイ１の温度分布を精度よく制御でき、フィルム（図示せず）の温度分布をより均一化できるので、フィルム表面の平滑性を向上させることができる。
また、上記摩擦熱は、振動体２の振動数を調整することにより、容易に制御することができる。

また、振動体２と樹脂（図示せず）の樹脂流路１３の最短距離Ｌは、本実施形態においては、振動部２１ａの振動面２６から樹脂流路１３までの距離である。この最短距離Ｌは０より大きく、すなわち、振動部２１ａが樹脂に直接接触することなく、かつ、印加される超音波の波長λの約１／８より短くしてある。
この理由は、振動体２が樹脂に直接接触すると、樹脂流路面に微小な継ぎ目ができ、これが原因で添加剤，樹脂そのもの，高温高圧により樹脂が変性したもの等の異物（図示せず）が付着し、ダイラインの発生や平滑性乱れの原因となるからである。また、最短距離Ｌが、超音波の波長λの約１／８以上の長さになると、ホーン２１が、振動部２１ａの振動面２６と樹脂流路１３に挟まれた部分を含む被振動部１８に超音波振動を伝達することができなくなり、樹脂流路１３の内面への異物付着や、異物溜りによるダイラインの発生や平滑性乱れを防止できなくなるからである。さらに、被振動部１８の厚さを超音波の波長λの約１／８より薄くすることにより、被振動部１８に超音波振動を効率よく伝達することができる。

また、成形品の原料となる樹脂は、一般的に、熱可塑性樹脂及び無機物や有機物を含んだ熱可塑性樹脂等が使用される。
さらに、本実施形態のＴダイ１によれば、ダイラインの発生や平滑性乱れを防止できることから、特に、水酸化マグネシウム等の無機系難燃剤，硫酸バリウム，マイカ，タルク，炭酸カルシウム等の無機フィラー，可塑剤等の添加剤を多く含む樹脂組成物を原料とする押出成形に有益である。たとえば、無機系難燃剤や無機フィラーを約１０ｗｔ％以上、好ましくは、約１５〜７０ｗｔ％含む樹脂組成物や、可塑剤等の添加剤を約１０ｗｔ％以上、好ましくは、約２０〜５０ｗｔ％含む樹脂組成物である。

ところで、Ｔダイ１内の樹脂流路１３の形状等から、ダイラインが予測可能なときには、その予測した箇所に対して複数の振動体２を設ければよいが、ダイラインのやっかいな特性として、同じ成形材料，押出成形装置を用いて連続成形しても、発生部位が変わることがある。
このように原因がつかめない不具合に対しては、一般的に、Ｔダイ１を含めた押出成形装置を変えずに、成形材料や押出成形条件を変更するといった簡易かつ条件を元に戻しやすい対策がとられる。そして、このような対策のなかで最も有効な対策の一つとして、振動体２の位置を変更する対策がある。

しかし、振動体２の位置変更が超音波成形用ダイの形状によっては、困難なときもある。
このような事態を想定して、好ましくは、振動部２１ａの断面積Ｍ（振動面２６の面積）を、樹脂流路１３の断面積の約５％〜約４０％とするとよく、このようにすると、樹脂流路１３のほぼ全域において異物付着を防止することができる。この理由は、断面積Ｍが、樹脂流路１３の断面積の約５％未満の場合、樹脂流路１３に付着した異物、特に、その異物付着箇所が振動面２６から離れているとき、異物が取れにくいからである。また、断面積Ｍが、樹脂流路１３の断面積の約４０％を超えると、特に、ダイの流路面積が大きい場合で、一つの振動部から超音波振動をダイに加える場合は、安定した超音波振動を加えることが難しく、効率よく樹脂流路に超音波振動を加えることが難しい場合があるからである。

また、振動体２は、樹脂流路１３の片側（本実施形態では正面側）にだけ設けてあるが、その理由は、上記断面積Ｍの条件を満足することにより、異物の付着を防止でき、かつ、振動体２を樹脂流路１３の両側に設けることにより、Ｔダイ１の取扱い性が低下するといった不具合を回避できるからである。
なお、振動体２を樹脂流路１３の両側に設けても、Ｔダイ１の取扱い性が低下しない場合には、樹脂流路１３の両側に振動体２を配設するとよく、これにより、品質を向上させるとともに安定させることができる。

このように、本実施形態のＴダイ１によれば、振動体２によって局所的な加熱を行なうことにより、樹脂流路１３を流れる樹脂の温度分布をより精度よく制御することが可能となり、押出成形されるフィルムの温度分布をより均一化でき、フィルムの表面平滑性を向上させることができる。さらに、振動体２を超音波振動させることによって、添加剤等の異物付着を防止することにより、ダイラインの発生を防止することができる。

[第一応用例]
また、多層フィルムを押出成形するＴダイ１ａは、一般的に、図３に示す樹脂流路１３ａ，１３ｂが、それぞれ曲り部１９ａ，１９ｂと、樹脂流路１３，１３ａ，１３ｂの合流部１９ｃを有し、さらに、合流部１９ｃの下流に継ぎ目１９ｄを有している。
このようなＴダイ１ａは、振動体２ａの振動面２６ａから曲り部１９ａ付近の樹脂流路１３ａまでの最短距離Ｌａ，及び，振動体２ｂの振動面２６ｂから曲り部１９ｂ付近の樹脂流路１３ｂまでの最短距離Ｌｂが、０より大きく、かつ、印加される超音波の波長λの約１／８より短くなる位置に、振動体２ａ，２ｂを配設するとよい。このようにすると、異物が溜まりやすい曲り部１９ａ，１９ｂ付近の樹脂流路１３ａ，１３ｂに、異物が付着することを防止でき、本発明の効果をより顕著に発揮することができる。

また、Ｔダイ１ａは、振動体２の振動面２６から継ぎ目１９ｄ付近の樹脂流路１３までの最短距離Ｌが、０より大きく、かつ、印加される超音波の波長λの約１／８より短くなる位置に、振動体２を設けてもよい。このようにすると、継ぎ目１９ｄ付近の樹脂流路１３を通過する多層フィルムのダイライン発生、表面平滑性の乱れを抑えることができる。
なお、その他の構成は、上記Ｔダイ１とほぼ同様としてある。

[第二応用例]
また、上記Ｔダイ１において、上記最短距離Ｌの条件を満足する位置に振動体２を設け、かつ、振動面２６の平面形状を、超音波振動が伝達されるホーン（振動部）２１の断面より大きな任意の形状（たとえば、異物が付着しやすい樹脂流路に応じた形状）に成形してもよい。

たとえば、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、ホーン２１の断面より数倍大きな振動部を形成し、この振動部に円形，三角，長円，鉤状の振動面２６ｃ〜２６ｆを設けた場合、ホーン２１を大きくしなくても、樹脂流路１３の異物付着を広い範囲にわたり効果的に防止することができたり、形状が複雑な樹脂流路１３に対しても、異物付着を効果的に防ぐことができる。
さらに、振動体２の使用数を低減でき、複雑な形状のダイに対応することが可能となる。

[超音波成形用ダイを用いた押出成形方法]
また、本発明は、超音波成形用ダイを用いた押出成形方法としても有効であり、本発明にかかる押出成形方法は、上記Ｔダイ１を使用して、振動部２１と樹脂流路１３に挟まれた部分を含む被振動部１８を超音波振動させながら、押出成形する押出成形方法としてある。
この押出成形方法によれば、振動体２の振動面２６を超音波振動させることによって、被振動部１８を局所的に加熱して樹脂の温度分布をより均一化し、また、超音波振動により添加剤等の異物の付着を防止することができ、製品表面の平滑性を向上させることのできるとともに、ダイラインの発生を防止することができる。

［実施例１］
Ｔダイ１を用いてポリカーボネートからなるフィルムを成形し、フィルムの表面粗さを評価した。
Ｔダイ１は、ダイの中央部に振動体２が設けてあり、振動体２の振動部２１ａの断面積Ｍを、樹脂流路１３の断面積の約１５％とした。また、成形温度は、約２８０℃とした。
超音波振動装置は、精電舎電子工業（株）製のＳＯＮＯＰＥＴ１２００Ｂを使用し、超音波の波長λを１波長２４０ｍｍとし、最短距離Ｌを２５ｍｍとした。また、中心周波数を約１９ＫＨｚとし、振幅を約１０μｍとした。さらに、超音波は、フランジ部に節がくるように、図２に示すように加えた。
ポリカーボネートは、出光石油化学（株）製のタフロンＩＢ２５００（ＭＩ＝１ｇ／１０分、３００℃―１．２ｋｇ荷重）を使用した。
実験結果としては、押出成形を約１時間連続して行ない、成形開始から約１時間後に製造したフィルムのＲａ（算術平均粗さ）を測定したところ、約０．２μｍであった。さらに、８時間連続成形しても、ダイラインは発生しなかった。

［比較例１］
上記実施例１において、超音波振動を付与しないでフィルムを成形し、フィルムの表面粗さを評価した。
実験結果としては、押出成形を約１時間連続して行ない、成形開始から約１時間後に製造したフィルムのＲａ（算術平均粗さ）を測定したところ、約０．４μｍであった。
上記実施例１及び比較例１より、本発明にかかるＴダイ１を使用して押出成形を行なうことによって、表面平滑性を向上できた。

以上、本発明の超音波成形用ダイ及びこれを用いた押出成形方法について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係る超音波成形用ダイ及びこれを用いた押出成形方法は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、押出成形品は、フィルムに限定されるものではなく、たとえば、チューブ形状，中空形，インサート入り等の成形品に適用することができる。
また、本発明の超音波成形用ダイは、Ｔダイに限定されるものではなく、たとえば、フィッシュテイルダイ，コートハンガーダイ，スクリューダイ，サーキュラダイ等の各種ダイに適用することができる。

本発明の超音波成形用ダイ及びこれを用いた押出成形方法は、押出成形に使用する超音波成形用ダイ及びこれを用いた押出成形方法としてあるが、溶融した樹脂を移動させる際、流路の異物付着等を防止する異物付着防止装置としても、本発明を適用することが可能である。

本発明にかかる超音波成形用ダイの概略斜視図を示している。 本発明にかかる超音波成形用ダイの振動体を説明するための、図１におけるＡ−Ａ概略拡大断面を示している。 本発明にかかる超音波成形用ダイの第一応用例を説明するための概略拡大側面図を示している。 本発明にかかる超音波成形用ダイの第二応用例を説明するための、樹脂流路側から見た振動部の概略拡大図を示している。

符号の説明

１，１ａ Ｔダイ
２，２ａ，２ｂ 振動体
１１ 供給口
１２ マニホールド
１３，１３ａ，１３ｂ 樹脂流路
１４ リップ部
１５ 取付孔
１６ 底面
１７ ボルト
１８ 被振動部
１９ａ，１９ｂ 曲り部
１９ｃ 合流部
１９ｄ 継ぎ目
２１ ホーン
２１ａ 振動部
２２ ピエゾ素子
２３ フランジ
２４ カバー
２５ 連結ボルト
２６，２６ａ，２６ｂ 振動面
２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ 振動面

Claims (5)

1. 押出成形装置に用いられ、超音波振動する振動体を備えた超音波成形用ダイであって、
   前記振動体の振動部が、前記超音波成形用ダイの樹脂流路を流れる樹脂に、直接接触しない状態で設けられ、かつ、前記振動部から前記樹脂流路への最短距離が、印加される超音波の波長の１／８より短いことを特徴とする超音波成形用ダイ。
2. 前記振動部と、該振動部から振動を伝えられる被振動部の間に挟隙を設けたことを特徴とする請求項１記載の超音波成形用ダイ。
3. 前記樹脂流路が、曲り部，金型の継ぎ目，リップから選ばれる少なくとも一つのポイントを有する場合に、前記振動部から前記ポイントへの最短距離が、印加される超音波の波長の１／８より短いことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波成形用ダイ。
4. 前記振動部の振動面の面積を、前記樹脂流路の断面積の５％〜４０％としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波成形用ダイ。
5. 上記請求項１〜４のいずれかに記載の超音波成形用ダイを使用して、前記振動部と前記樹脂流路に挟まれた部分を含む被振動部を超音波振動させながら、押出成形することを特徴とした超音波成形用ダイを用いた押出成形方法。

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