JP2005186593A - 液晶ポリマーの射出成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶ポリマーをハイサイクルで射出成形する場合に、計量時間を安定化させて高精度な射出成形品を効率的かつ安定的に得る。
【解決手段】 液晶ポリマーの射出成形を行う際に、材料供給用ホッパから射出ノズル側に順番に、ホッパゾーン17、フィードゾーン16、コンプレッションゾーン15およびメータリングゾーン14からなる加熱筒２を有し、該加熱筒２の各対応ゾーンにはホッパゾーン温度調節手段７、フィードゾーン温度調節手段６、コンプレッションゾーン温度調節手段５およびメータリングゾーン温度調節手段４が設けられた射出成形装置を用い、フィードゾーン16の温度をＴ_Ｆ（℃）、コンプレッションゾーン15の温度をＴ_Ｃ（℃）として、式（１）を満足させる。
Ｔ_Ｃ≦Ｔ_Ｆ≦Ｔ_Ｃ＋１５ （１）
【選択図】 図２

Description

本発明は、液晶ポリマーの計量ばらつきの少ない、安定した連続射出成形方法に関する。

液晶ポリマーの射出成形においては、一般的な射出成形機を用いて一般的な成形方法で行われている場合がほとんどである。
図１に、インラインスクリュタイプの可塑化装置を有する一般的な射出成形機の構成を示す。該射出成形機の可塑化装置においては、固体の熱可塑性材料が、ホッパ１に投入され、ホッパ１から加熱筒２内に供給される。加熱筒２内にはスクリュ（以下、便宜上スクリュで説明するが、本発明ではプランジャタイプの場合のプランジャも含む。）３が収納される。加熱筒２は、ホッパ１側からホッパゾーン（投入部）、フィードゾーン（供給部）、コンプレッションゾーン（圧縮部）およびメータリングゾーン（計量部）からなる。加熱筒２の外側にはバンドヒータのような発熱体が複数個巻装され、各ゾーンごとに温度制御される。
一方、加熱筒２のホッパ１の下部には冷却用装置のようなホッパゾーン温度調節手段７が設けられており、冷却水などを通して冷却される。
ホッパから供給された熱可塑性材料は、発熱体からの外部加熱と、スクリュの回転による樹脂のせん断摩擦による内部発熱により溶融され、熱可塑性材料の渦流により混練され、可塑化された後、加熱筒内をスクリュの先端方向に送られる。
このとき、スクリュの溝が深くなっている位置に相当するフィードゾーンの温度は、スクリュ溝が次第に浅くなってゆくコンプレッションゾーンの温度よりも低くすることが一般的である。

射出成形機での可塑化に際しては、一般的に溶融した熱可塑性材料がスクリュ先端に輸送されるにつれて後退するスクリュの後側より所定の背圧力を加える。スクリュウは背圧力を負荷されながら回転するが、メータリングゾーン内の樹脂圧力に負けて押し戻され、１ショット分の溶融樹脂が計量される位置まで後退して停止する。この背圧力は、熱可塑性材料の混練性を高めたり、熱可塑性材料中の揮発分や混練時に熱可塑性材料中に巻き込んだ空気をホッパ側に逃がす働きをする。背圧力は、あらかじめ設定した値に一致するように制御されるのが普通であるが、変動的な背圧力を加えるようにすることもある。
可塑化と射出とを同軸上で行うインラインスクリュタイプの可塑化装置では、メータリングゾーン内に計量された樹脂を、スクリュを前進させることによって、射出ノズル10から射出する。

ばらつきの無い一定品質の成形品を得るため、これらの工程は、外乱に対して一定の最適条件を維持するように、機械的成形条件（射出圧力、射出速度、射出量、加熱温度、スクリュ回転速度、背圧、保圧等）をクローズド・ループ制御などによってコンピュータ制御することが一般的である。

通常、大型射出成形品および多数個同時成形品を得るためには、可塑化における計量ストロークを長くして、多量の材料を可塑化する方法がとられるが、単に計量ストロークを長くして連続生産しただけでは、計量時間が長くなるだけでなく、計量時間のばらつきが大きくなり、計量サイクルの設定時間を必要以上に長く取らないと、安定品質の成形品を得ることが困難である。
特に液晶ポリマーは材料の特性として、流動開始温度以上の温度になると急速に溶融し、低粘度の液体状態となる。従って、スクリュと加熱筒間でのせん断摩擦が少ないため、内部発熱による可塑化の効果が少なく、スクリュ回転による溶融促進効果が少ない。
また、計量時にはスクリュがコンプレッションゾーンからフィードゾーンの方向へ後退して、メータリングゾーンに溶融樹脂が貯留、計量されるのであるが、計量ストロークが長い場合は、加熱筒温度がスクリュ温度よりも低くなる位置にまでスクリュ位置が後退するため、温度の高いコンプレッションゾーンにあった樹脂が温度の低いフィードゾーンまで後退することで、樹脂の加熱筒との摩擦係数が樹脂のスクリュとの摩擦係数よりも小さくなるという摩擦係数の逆転が発生する。このため溶融した液晶ポリマーはスクリュと共周りしてしまい、溶融した樹脂が前方へ移送されないため計量がばらつき、安定した品質が得られなくなってしまう。

このように液晶ポリマーの場合、これまで一般的に行われてきた成形方法では、計量ストロークが長くなるほど、計量ばらつきを小さくすることが難しく、一定品質の成形品を得ることは困難であった。
液晶ポリマー射出成形品の品質のばらつきを少なくするために、成形機並びに成形方法の検討がこれまでにも行われており、例えば、ホッパゾーンの温度を特定温度範囲に制御可能な成形機を用い、ホッパゾーンの温度を特定の範囲に温調する成形方法が記載されている。（特許文献１参照。）
しかし、この技術では、大型射出成形品および多数個同時成形品を得るため等の場合に、可塑化における計量ストロークを長くして、多量の材料を可塑化する場合には、計量ばらつきを十分に小さくすることは難しい。

また、ホッパが取り付けられた固定部材の挿入孔に後端部を挿入し該後端部に形成された供給孔を上記ホッパに連通させて固定部材に固定され、かつ前端部のノズルと固定部材の間の外周に加熱ヒータが取り付けられた射出成形機の加熱筒において、固定部材の挿入孔に挿入された後端部の、供給孔の前側に、加熱筒の他の部分よりも横断面積が小さい小断面部が形成された射出成形機の加熱筒が開示されている。（特許文献２参照。）
しかし、該技術は、ホッパ下部の樹脂がフィード部の加熱ヒータからの熱により軟らかくならないようにするためのものであり、フィードゾーンの温度をコンプレッションゾーンの温度よりも高くするという技術思想は示されていない。

特開２０００−３２６３７８号公報 特開平７−２３２３６１号公報（請求項１、図１と２）

本発明は、液晶ポリマーの成形において、高精度な射出成形品を得るために、安定した計量を得ることができる射出成形方法を提供するものである。

本発明者は鋭意検討の結果、液晶ポリマーを用いて長い計量ストロークにて安定した計量で一定品質の射出成形品を得るためには、フィードゾーンの温度をコンプレッションゾーンの温度以上かつそれより１５℃高い温度以下にすることにより達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明において、各ゾーンの温度は、特に断りがない限り、設定温度を示す。

即ち、本発明の第１は、材料供給用ホッパ１から射出ノズル10側の方向に順番に、ホッパゾーン17、フィードゾーン16、コンプレッションゾーン15およびメータリングゾーン14からなる加熱筒２を有し、該加熱筒２の各対応ゾーンにはホッパゾーン温度調節手段７、フィードゾーン温度調節手段６、コンプレッションゾーン温度調節手段５およびメータリングゾーン温度調節手段４が設けられた射出成形装置を用い、
フィードゾーン16の温度をＴ_F（℃）、コンプレッションゾーン15の温度をＴ_C（℃）として、
Ｔ_C≦Ｔ_F≦Ｔ_C＋１５ （１）
とすることを特徴とする液晶ポリマーの射出成形方法を提供する。
本発明の第２は、ホッパゾーン17の温度をＴ_H（℃）、液晶ポリマーのガラス転移温度をＴｇ（℃）、熱変形温度をＴｆ（℃）として、
Ｔｇ−２０≦Ｔ_H≦Ｔｆ−２０ （２）
とすることを特徴とする本発明の第１に記載の液晶ポリマーの射出成形方法を提供する。
本発明の第３は、フィードゾーン16の温度変動幅を±５℃以内に制御することを特徴とする本発明の第１又は２に記載の液晶ポリマーの射出成形方法を提供する。
本発明の第４は、射出成形装置のホッパゾーン17とフィードゾーン16との間に断熱手段８が設けられていることを特徴とする本発明の第１〜３のいずれかに記載の液晶ポリマーの射出成形方法を提供する。
本発明の第５は、射出成形装置のホッパゾーン17と加熱筒固定部12との間に断熱手段９が設けられていることを特徴とする本発明の第１〜４のいずれかに記載の液晶ポリマーの射出成形方法を提供する。

本発明によれば、液晶ポリマーの成形において、バラツキの少ない安定した計量が可能となり、高精度な射出成形品が得られる。

本発明で使用する液晶ポリマーとは、光学異方性溶融相を形成し得る性質を有する溶融加工性ポリマーを指す。異方性溶融相の性質は、直交偏光子を利用した慣用の偏光検査法により確認することが出来る。より具体的には、異方性溶融相の確認は、Leitz偏光顕微鏡を使用し、Leitzホットステージに載せた溶融試料を窒素雰囲気下で４０倍の倍率で観察することにより実施できる。
本発明に適用できる液晶ポリマーは直交偏光子の間で検査したときに、たとえ溶融静止状態であっても偏光は通常透過し、光学的に異方性を示す。

本発明で用いる液晶性ポリマーは、全芳香族ポリエステル又は全芳香族ポリエステルアミドであり、これらは60℃でペンタフルオロフェノールに濃度０．１重量％で溶解したときに、対数粘度(I.V.)が好ましくは約２．０ｄｌ／ｇ以上、さらに好ましくは２．０〜１０．０ｄｌ／ｇである。

上記全芳香族ポリエステル又は全芳香族ポリエステルアミドとして、特に好ましくは、芳香族ヒドロキシカルボン酸、芳香族ヒドロキシアミン、芳香族ジアミンの群から選ばれた少なくとも１種以上の化合物を構成成分として有する芳香族ポリエステル又は芳香族ポリエステルアミドである。

尚、本発明で用いる液晶ポリマーに対して、本発明の目的を損なわない範囲でホウ酸アルミニウムウィスカー等の補強材、無機または有機充填剤、フッ素樹脂や金属石鹸類等の離型改良剤、染料、顔料、カーボンブラック等の着色剤、酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、界面活性剤、高級脂肪酸、高級脂肪酸エステル、高級脂肪酸金属塩、フルオロカーボン系界面活性剤等の滑剤効果を有する配合剤等の通常の添加剤を１種以上添加することができる。

また、本発明で用いる液晶ポリマーに対して、本発明の目的を損なわない範囲で、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレートやポリカーボネート等の他の樹脂を配合することもできる。

上記液晶ポリマー樹脂材料を得るための原料成分の配合手段は特に限定されない。原料成分、更に必要に応じて補強材、無機充填剤、離型改良剤、熱安定剤等の各成分を各々別々に溶融混合機に供給するか、またはこれらをスタティックミキサー、乳鉢、ヘンシェルミキサー、ボールミル、リボンブレンダー等を利用して予備混合してから溶融混合機に供給することもできる。
また、液晶ポリマーと添加剤を別個に溶融混合機に供給してペレット化し、ペレット状態でこれらを組み合わせて混合し、所望の配合量とすることもできる。

本発明に係る成形機は、先端に射出ノズル10を備え、後部に材料供給用ホッパ１との接続部を有した加熱筒（本発明ではインラインスクリュタイプの加熱筒とスクリュプリプラ式プランジャタイプのスクリュバレルを共に加熱筒という。）２を有し、ホッパ接続部側から加熱筒方向前側に順にホッパゾーン17、フィードゾーン16、コンプレッションゾーン15およびメータリングゾーン14が設けられており、各該当ゾーンに、ホッパゾーン温度調節手段７、フィードゾーン温度調節手段６、コンプレッションゾーン温度調節手段５およびメータリングゾーン温度調節手段４が設けられている。
温度調節手段４〜６としては、バンドヒータなどのヒータが挙げられる。
温度調節手段７としては、加熱筒固定部12に熱媒体流通用の穴を開け、ジャケットにしてもよい。熱媒体としては、温度調節された水、蒸気、油などが挙げられる。
本発明に係る射出成形装置は、各温度調節手段の温度制御をマニュアルで行ってもよいが、通常、各ゾーンの温度調節手段を温度調節するために、温度制御部位が設けられ、該温度制御部位に取り付けられた温度センサからの信号に基づいて制御プログラムによって当該部位における所定温度の制御をなすようにコンピュータ制御される。
本発明に係る射出成形装置は、インラインスクリュタイプでもスクリュプリプラ式プランジャタイプでもよい。

本発明における液晶ポリマーの成形法における特徴は、フィードゾーン16の温度を、コンプレッションゾーン15の温度と同じかそれより15℃高い温度以下に高くすることにある。即ち、フィードゾーン16の温度をＴ_F（℃）、コンプレッションゾーン15の温度をＴ_C（℃）として、
Ｔ_C≦Ｔ_F≦Ｔ_C＋１５ （１）
とすることを特徴とする。
フィードゾーン16の温度をコンプレッションゾーン15の温度より低くするという従来のやり方では、計量時にスクリュが後退する際に、溶融した液晶ポリマーはスクリュと共周りしてしまい、溶融した樹脂が前方へ移送されないため計量がばらつき安定した品質が得られない。
１５℃より高い温度にした場合、コンプレッションゾーン15に移送される前に外部からのフィードゾーン温度調節手段６のみで、短時間で液晶ポリマーが溶融してしまう。このため溶融した樹脂はスクリュと共周りしてしまい、前方へ移送されないため、計量がばらつき、安定した品質が得られない。

また、本発明では、ホッパゾーン17の温度をＴ_H（℃）、液晶ポリマーのガラス転移温度をＴｇ（℃）、熱変形温度をＴｆ（℃）として、
Ｔｇ−２０≦Ｔ_H≦Ｔｆ−２０ （２）
とすることを特徴とする。

式（２）の条件を満たすために、好ましくは、ホッパゾーン17とフィードゾーン16の間に断熱手段８が設けられる。断熱手段８を設けると、式（２）を満たす条件で可塑化する場合に、フィードゾーン16の温度変動幅を±５℃以内に制御することが容易である。

また、好ましくは、加熱筒固定部12とホッパゾーン17の間に断熱手段９が設けられる。断熱手段９を設けると、式（２）を満たす条件で可塑化する場合に、ホッパゾーン17の温度変動幅を±５℃以内に制御することが、容易となる。

ホッパゾーン17の温度Ｔ_Hが、液晶ポリマーのガラス転移温度より２０℃低い温度未満の場合、スクリュを高速で回転しても効率良く樹脂を可塑化できないため、成形品品質のばらつきの原因となる。
ホッパゾーン17の温度Ｔ_Hが、液晶ポリマーの熱変形温度より２０℃低い温度より高い温度では、ホッパ下部の加熱筒もしくはスクリュバレル部分からフィードゾーン部分において樹脂が溶融してしまい、スクリュの先端部分に向かって樹脂を送ることができないため、成形すること自体が困難となる。
さらには、フィードゾーン16及び／又はホッパゾーン17の温度変動幅は±５℃以内に制御することが重要である。温度変動幅がこれ以上に大きいと、計量時間のばらつき大きくなり、安定した製品を得るための成形条件設定は難しくなる。

図２に示すように、ホッパゾーン17とフィードゾーン16との間に断熱手段８を有する成形機を用いることにより、フィードゾーン17の温度を通常より高い温度で高精度に制御できるため、温度変動も少なくできる。
断熱手段８としては、切り欠き構造、真空構造、断熱材などが挙げられる。

図２に示すように、さらには、ホッパゾーン17と加熱筒固定部12との間に断熱手段９を設けることにより、ホッパゾーン17の放熱が少なくなり、ホッパゾーン17の温度を通常より高い温度で高精度に制御できるため、温度変動も少なくできる。
断熱手段９としては、切り欠き構造、真空構造、断熱材などが挙げられる。

（実施例）
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
射出成形機は、一般の射出成形機の加熱筒部分の一部を、図２に示すように、変更したものを使用した。
試験材料として、下記のものを使用した。
材料：ポリプラスチックス(株)製、ベクトラ(登録商標)E130i、ガラス転移温度１００℃(JlSK7121に従って測定)、熱変形温度２７０℃(ASTM-D648,荷重1.82MPa)

（実施例１）
ホッパゾーンとフィードゾーンの間に断熱手段８として切り欠きを設けた加熱筒を備えたインラインスクリュ式射出成形機（スクリュ径φ３６、型締め力１００トン）を用いた。
メータリングゾーン温度：３５０℃
コンプレッションゾーン温度：３５０℃
フィードゾーン温度：３５５℃
ホッパゾーン温度：１００℃
スクリュ回転数：１２０ｒｐｍ
その際、成形金型は計量ストロークを４０ｍｍとしてフルショット出来るものを選び、連続して２０ショット成形して、その際の全可塑化時間（計量開始から計量完了までの時間）を計測し、可塑化時間のばらつきとして標準偏差（σ）を求めた。
また、成形中のコンプレッションゾーン並びにフィードゾーンに設けられた温度センサーの示す温度を測定し、温度の下限値と上限値を記録する。
結果は、表１に示すように、温度変動域が狭く、良好な温度制御が行われており、計量時間並びに計量ばらつきも小さな値となった。

（実施例２）
フィードゾーンの温度を３６５℃とする以外は、実施例１と同じとした。
結果は、表１に示すように、フィードゾーン温度が±５℃の制御幅に収まっており、計量時間並びに計量ばらつきも小さくなった。

（実施例３）
フィードゾーンの温度を３６５℃とし、ホッパゾーンの温度を６０℃とする以外は、実施例１と同じとした。
結果は、表１に示すように、従来に比べて計量時間並びに計量ばらつきも小さくなったが、ホッパゾーン温度がガラス転移温度１００℃より２０℃低い温度（即ち８０℃）より低く、ペレットの予熱が十分行われていないため、実施例１に比較して、温度制御幅が大きくなり、計量時間並びに計量ばらつきも大きな値となった。

（実施例４）
フィードゾーンの温度を３６５℃とし、断熱手段８が無い以外は、実施例１と同じとした。
表１に示すように、比較例に比べて計量ばらつきは小さくなったが、フィードゾーンの温度が３６５℃と高いにもかかわらず、断熱手段８が無いため、隣にあるホッパゾーン温度が１００℃と低いため、温度差が大きいせいで、フィードゾーンの大きな温度降下を示す。そのため計量時間並びに計量ばらつきも、実施例１〜３と比べて、大きな値となる。

（比較例１）
フィードゾーンの温度を３００℃とした以外は、実施例１と同じとした。
表１に示すように、フィードゾーン温度が±５℃に制御されているにもかかわらず、液晶ポリマーを長い計量ストロークにて成形する場合には、計量時間、特に計量ばらつきは大きな値を示した。

（比較例２）
ホッパーゾーンの温度を２７０℃とする以外は、実施例１と同じとした。この場合、樹脂の溶着が発生するため、計量ができない。
実施例１〜４、比較例１〜２の実施条件並びに値を表１に示す。

一般的な射出成形機の構成図である。 本発明に係る射出成形機の構成図である。

符号の説明

１ ホッパ
２ 加熱筒
３ スクリュ
４ メータリングゾーン温度調節手段
５ コンプレッションゾーン温度調節手段
６ フィードゾーン温度調節手段
７ ホッパゾーン温度調節手段
８ 断熱手段
９ 断熱手段
10 射出ノズル
12 加熱筒固定部
13 射出駆動機構
14 メータリングゾーン
15 コンプレッションゾーン
16 フィードゾーン
17 ホッパゾーン

Claims (5)

1. 材料供給用ホッパ１から射出ノズル10側の方向に順番に、ホッパゾーン17、フィードゾーン16、コンプレッションゾーン15およびメータリングゾーン14からなる加熱筒２を有し、該加熱筒２の各対応ゾーンにはホッパゾーン温度調節手段７、フィードゾーン温度調節手段６、コンプレッションゾーン温度調節手段５およびメータリングゾーン温度調節手段４が設けられた射出成形装置を用い、
   フィードゾーン16の温度をＴ_F（℃）、コンプレッションゾーン15の温度をＴ_C（℃）として、
   Ｔ_C≦Ｔ_F≦Ｔ_C＋１５ （１）
   とすることを特徴とする液晶ポリマーの射出成形方法。
2. ホッパゾーン17の温度をＴ_H（℃）、液晶ポリマーのガラス転移温度をＴｇ（℃）、熱変形温度をＴｆ（℃）として、
   Ｔｇ−２０≦Ｔ_H≦Ｔｆ−２０ （２）
   とすることを特徴とする請求項１記載の液晶ポリマーの射出成形方法。
3. フィードゾーン16の温度変動幅を±５℃以内に制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶ポリマーの射出成形方法。
4. 射出成形装置のホッパゾーン17とフィードゾーン16との間に断熱手段８が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液晶ポリマーの射出成形方法。
5. 射出成形装置のホッパゾーン17と加熱筒固定部12との間に断熱手段９が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の液晶ポリマーの射出成形方法。