JP2006142125A - 樹脂原液櫛型注入装置および樹脂成型体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 混合不良や吐出穴の目詰まりを起こすことなく、均一に樹脂原液を散布・注入できる、加工が容易で低コストなノズルと樹脂成型体の製造方法を提供する。
【解決手段】第１流路１０、および第１流路１０に接続される複数の第２流路２０を有する管状部材を有して成り、第１流路が、管状部材の長手方向に延在しており、第２流路２０が、管状部材１５の長手方向と直交する方向に延在しており、第１流路１０の中心線を含む面内で相互に平行に位置し、第１流路１０の側面に接続されており、反応性流体が第１流路１０を通って第２流路２０のそれぞれから相互に等しい吐出圧で排出されるように、第２流路２０の長さが、第１流路１０の上流側から下流側に向かって漸次短くなっているノズル１。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、樹脂原液散布・注入装置と樹脂成型体（または樹脂成形体）の製造方法に関する。より詳細には、例えば樹脂原液である反応性流体を吐出するノズル、およびそのようなノズルを用いたポリウレタンの製造方法に関する。

従来において、樹脂成型体、例えば発泡ポリウレタン成型体を樹脂原液を散布しながら製造する場合、ポリオール成分とイソシアネート成分とを、一旦ミキシングヘッドにて撹拌混合後、ミキシングヘッド先端に取り付けたノズルにて混合原液を分岐させ散布・注入している。所定の型や連続生産ラインであれば、ベルトに載った面材の上に混合原液をノズルから吐出させており、吐出された混合原液にて反応が急速に進行して樹脂成型体が形成される。従来のノズルとしては下記の３つのものが一般的に挙げられる。

（従来型櫛型ノズル）
従来型櫛型ノズルは、多数の穴が直管のパイプに一列に空けられたものである。図６に示すように、パイプの片側を栓で塞ぎ、反対側をミキシングヘッドに取り付ける。混合原液は、ミキシングヘッドから流れ込み、パイプに開けられた多数の穴からシャワー状に吐出される。

（トーナメントノズル）
トーナメントノズルは、トーナメントのように、混合原液が２つに分岐する部分を多段で設けたものである。図７に示すように、ミキシングヘッドから吐出された混合原液は１段につき２つに分岐されていく。最低３段以上の分岐部分を設け、シャワー状に混合原液を吐出するようになっている（例えば、特許文献１を参照）。

（スプレーノズル）
スプレーノズルは、混合原液をスプレー状に飛散させるノズルである。ミキシングヘッドからの吐出時の圧力や圧縮エアーの圧力などを利用して、混合原液をスプレー状に広げるようになっている。

しかしながら、上述の３つのノズルには、各々下記のような欠点があり、樹脂原料で混合不良が生じることなく均一に散布することは不可能であった。

（従来型櫛型ノズル）
この形のノズルにおいては、パイプ内部の抵抗の為、ミキシングヘッドに近い上流側の吐出穴から吐出される樹脂原液の量が、ノズル先端部の下流側の吐出穴から吐出される樹脂原料よりも多くなってしまう。また、固化反応を伴う樹脂の場合、先端部から吐出される混合原料は、ミキシングヘッドに近いほうに比べ、混合後の時間の経過により固化反応が進んでいる為に粘度が高くなってしまい、吐出量の減少が加速され、最悪の場合には目詰まりが発生する。更に、吐出穴の直径を小さくすることなどで、パイプ内部の圧力を上げて均一に近い状態で吐出させようとすると、一般的に使用される高圧で樹脂原料を衝突させて混合するミキシングヘッドの場合、衝突させる圧力とパイプ内部の圧力との差が小さくなってしまい、混合不良を引き起こしてしまう。

（トーナメントノズル）
この形のノズルにおいては、混合原液の通過経路が非常に長いために抵抗がかかりやすくなっている。従って、上記のノズル（従来型櫛型ノズル）と同様の理由で、混合不良が生じてしまう。また、固化反応を伴う樹脂の場合、内部の抵抗を減らすべくトーナメント部の直径を大きくすると、樹脂原料がノズルを通過するのに時間がかかってしまう。そのため、固化反応が進行して目詰まりが起こりやすくなる。

（スプレーノズル）
この形のノズルにおいては、混合原液を飛散させるために、飛沫が周囲に飛び散り、必要範囲外にまで散布される場合がある。また、散布のパターンが円形もしくは楕円形であるために、散布端部の部分に関しては均一に散布できない。

特開平５−１５４９３２号公報

そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、各々の吐出穴にかかる樹脂原液の圧力を調整することで、混合不良が無くてノズルの目詰まりもしにくいノズルであって、各々の吐出穴から均一の量の樹脂原液が吐出されるようになっているノズルを提供することである。また、そのようなノズルを用いた樹脂成型体の製造方法を提供することも本発明の課題である。

本発明は、
反応性流体を吐出するノズルであって、
第１流路、および第１流路に接続される複数の第２流路を有する管状部材
を有して成り、
第１流路が、管状部材の長手方向に延在しており、
第２流路が、管状部材の長手方向と直交する方向に延在しており、第１流路の中心線を含む面内で相互に平行に位置し、第１流路の側面に接続されており、
反応性流体が第１流路を通って第２流路のそれぞれから相互に等しい吐出圧で排出されるように、第２流路の長さが、第１流路の上流側から下流側に向かって漸次短くなっていることを特徴とするノズルを提供する。

このような櫛型ノズルを使用することにより、従来のノズルよりも、反応性流体である樹脂原料を均一に散布・注入できるようになり、均一の物性および外観を持つ樹脂成型体（または樹脂成形品）を得ることができる。また、本発明のノズルは、連続して長時間使用することが可能であり、ノズルの交換作業が大幅に低減されることになり、製品の歩留まりも改善されることになる。

発明を実施するための形態

以下において、本発明のノズル、およびそのようなノズルを用いたポリウレタンの製造方法について説明する。なお、本明細書では「第２流路」のことを「吐出穴」または「吐出穴部」ともいう。

図１ａおよび１ｂは、本発明のノズル１の断面図を示している。図１ａおよび１ｂに示すように、ノズル１は、全体的には櫛形状を有している。図示するように、符号１０で示される第１流路は、管状部材１５の長手方向に延在している。それに対して、符号２０で示される複数の第２流路２０は、管状部材１５の長手方向と直交する方向にそれぞれ延在している。この第２流路２０は、相互に平行に延在して第１流路１０の側面に接続されているが、第１流路１０の中心線を含む面内にそれぞれ位置しており、管状部材１５の長手方向に沿って一列に整列するように設けられている。

本発明では、反応性流体が第１流路１０を通って第２流路２０のそれぞれから相互に等しい吐出圧で排出されるように、第２流路２０の長さが、第１流路１０の上流側から下流側に向かって漸次短くなっていることを特徴としている。即ち、反応性流体に生じる圧力損失等を考慮して、ノズル１の内部の反応性流体にかかる抵抗と、各々の吐出穴２０から吐出する際の反応性流体にかかる抵抗とのバランスがとれるように吐出穴部２０の長さを調整することで、均一な散布が実現されている。

図１ａを用いて本発明のノズル１の特徴をより具体的に説明する。混合原料は、ノズル下部の吐出穴２０のそれぞれから吐出されることになるので、Ａの部分を流れる混合原料は、Ｃ_１,Ｃ_２…と第１流路１０の上流側から下流側へ進むにつれて一定の割合で減少していくことになる（図示する態様では、混合原料はミキシングヘッド３０から第１流路１０へと吐出されている）。すなわち、Ｃ_１,Ｃ_２…と抵抗値も減少することになり、管状部材１５の最先端の部分では抵抗値が０となる。この変化していく混合原料にかかる抵抗に対し、それぞれの吐出穴２０の抵抗が等しくなるように、それぞれの吐出穴２０の長さを決定する。この長さに対し、管状部材１５の先端部まで必要な吐出圧が発生するように、またミキシングヘッドでの混合性を阻害するほどの圧力が発生しないよう考慮しながら、ある程度の長さｄを等しく追加し、ｂ_０，ｂ_１，ｂ_２…の長さ（即ち第２流路２０の長さ）を決定する。これにより、それぞれの吐出穴２０から均一な混合原料が吐出されることになる。更に、混合原料がミキシングヘッドで混合されてから、吐出穴２０から吐出されるまでの時間がそれぞれの吐出穴２０の抵抗の違いに起因して一定となるため、管状部材１５の先端の混合原料の反応が上流側に比べて進んでいることも少なくなり、増粘および固化によるノズルの目詰まりが防止されることになる。

なお、このような吐出穴部２０の長さは、図１ａに示すように管状部材の外側から削り込むことによって調整可能であり、その結果、加工が非常に容易となっている。

本発明のノズル１では、反応性流体が第１流路１０を通って第２流路２０のそれぞれから相互に等しい吐出圧で排出されるように、第２流路２０の直径を、第１流路１０の上流側から下流側に向かって漸次大きくすることができる。即ち、縮流等に基づく反応性流体の圧力損失を考慮して、吐出穴部２０の直径ｂ_φを第１流路１０の上流側から下流側に向かって変化させることによっても、吐出圧を調整できるようになっている。

また、本発明のノズル１では、反応性流体が第１流路１０の上流側から下流側へと進行するにつれ、その量が一般的に減ることになる。従って、第１流路１０の直径を第１流路１０の上流側から下流側に向かって漸次小さくすることによっても、第２流路２０のそれぞれから相互に等しい吐出圧で反応性流体を排出させるようにすることができる。即ち、管状部材１５の内径ａ_φの直径を変化させることによっても、吐出圧を調整できるようになっている。

以下にて、本発明のノズル１の仕様を詳細に説明する。

本発明のノズル１の管状部材１５の長手方向長さは、好ましくは１０〜１００ｃｍ、より好ましくは１５〜４０ｃｍであり、例えば２０ｃｍである。この場合、本発明のノズル１の第２流路２０が、第１流路１０の上流側から下流側に向かって、好ましくは３〜４０ｍｍ、より好ましくは５〜２０ｍｍ、例えば１０ｍｍの間隔を置いて相互に離隔して設けられている。かかる場合、第２流路２０の長さは、第１流路１０の上流側から下流側に向かって漸次短くなるように、例えば最も上流側では好ましくは０．５〜４０ｍｍ、より好ましくは１〜１０ｍｍ、例えば２．２５ｍｍとなっており、最も下流側では好ましくは０．０１〜１０ｍｍ、より好ましくは０．３〜５ｍｍ、例えば１．１ｍｍとなっている。

本発明のノズル１において、第２流路２０の直径は、好ましくは０．５〜１０ｍｍ、より好ましくは１〜３ｍｍの範囲で一定の値を有しており、例えば１．６ｍｍである。しかしながら、吐出圧の調整のため、第２流路２０の直径が上流側から下流側に向かって漸次大きくなる場合には、第２流路２０の直径は、例えば最も上流側では好ましくは０．５〜３ｍｍ、より好ましくは１〜２．５ｍｍ、例えば１．４ｍｍとなっており、最も下流側では好ましくは０．５〜１０ｍｍ、より好ましくは１〜５ｍｍ、例えば３．１ｍｍとなっている。

第１流路１０の直径は、好ましくは２〜４０ｍｍ、より好ましくは７〜２０ｍｍの範囲で一定の値を有しており、例えば１０ｍｍである。しかしながら、吐出圧の調整のため、第１流路１０の直径が上流側から下流側に向かって漸次小さくなる場合には、例えば最も上流側で好ましくは２〜４０ｍｍ、より好ましくは７〜２０ｍｍ、例えば１２ｍｍとなっており、最も下流側では好ましくは０．５〜３５ｍｍ、より好ましくは１．５〜１０ｍｍ、例えば３ｍｍとなっている。最も上流側の第１流路１０の直径と最も下流側の第１流路１０の直径との比は、好ましくは２〜４０：０．５〜３５であり、より好ましくは７〜２０：１．５〜１０であり、例えば１２：３である。

本発明のノズル１は、金属管を削り込むことによって製造できる。用いられる金属管は、ノズルの製造に一般的に用いられる金属から形成されていればよく、例えばステンレス、鉄およびアルミニウムから成る群から選択される金属から形成されている。なお、本発明のノズル１を構成する材料は、金属に限らず、樹脂であってもかまわない。

本発明のノズル１に用いられる反応性流体は、一般的な樹脂原液であれば、いずれの種類の反応性流体であってもかまわない。あるいは、反応性流体は、第１流路１０および第２流路２０で圧力損失が生じ得るような粘性流体であることが好ましい。例えば、本発明のノズル１を用いてポリウレタンを製造する場合には、反応性流体が、ポリオールとイソシアネートとの混合物を含んで成ることが好ましい。かかる場合、反応性流体に、発泡剤、触媒または安定剤（例えばシリコン）等が更に含まれていてもかまわない。

例えば、本発明のノズル１を用いてポリウレタンを製造する場合には、ポリオールとイソシアネートとを混合し、それによって形成される混合物をノズルから吐出させる必要がある。従って、本発明では、図１ａに示すように、第１流路１０の上流側端部にミキシングヘッド３０を取り付けてもよい。なお、ミキシングヘッド３０は、ポリウレタンの製造に用いられる一般的なミキシングヘッドであれば、いずれの種類であってもかまわない。

次に、本発明のノズル１を用いてポリウレタンを製造する方法について説明する。本発明のノズル１の使用に際しては、図２に示すように散布面に平行にノズル１を移動させながら反応性流体を散布することが可能である。あるいは、ミキシングヘッド３０を取り付けたノズル１を図３に示すようにトラバースしながら反応性流体を散布することも可能であり、これによって、より効果的に反応性流体を均一に散布することができる。従って、本発明のノズル１をトラバースさせながらポリオールとイソシアネートとの混合物を含んで成る反応性流体をノズルから吐出することによって、ポリウレタンを製造することができる。

[実施例１]
本発明の櫛型ノズルを実施例を用いて更に詳細に説明する。本発明のノズルは、散布幅（即ち、管状部材の長手方向長さ）が２００ｍｍとなるように作製した。ノズルの仕様を表１に示す。第２流路の数は２０であった。

反応性流体として硬質ウレタンフォーム樹脂原液を使用した。図３に示すようにノズルを機械的にトラバースすることによって硬質ウレタンフォーム樹脂原液を散布した。散布したままの型で成型し、出来上がった幅６００ｍｍ厚み３５ｍｍの成形品の密度分布を測定した。密度分布の測定は、成形品の厚さ方向の中心部より幅５０ｍｍ長さ５０ｍｍ厚さ２５ｍｍのサンプルを切り出し、その寸法および重量を測定することによって行った。このようにして散布の均一性を数値化した。得られた密度分布の状態を表２に示す。なお、表２をグラフ化したものを図４に示す（図４には、表２の各サンプリング位置が模式的に示されている）。

（表中、単位はｋｇ／ｍ^３である）

得られた結果に基づくと、本発明の櫛型ノズルを用いると均一な成型体が得られることを理解されよう。また、連続して１２０分以上散布を続けてもノズルの完全な目詰まりが発生することがなく、硬質ウレタンフォーム樹脂原液の混合性が阻害されることも無かった。

［比較例１］
実施例１と同様にして、散布幅が２００ｍｍの従来型櫛型ノズル（図６を参照）を用いて硬質ウレタンフォーム樹脂原液を散布して成形品を得た。得られた成形品の密度分布の状態を表３に示す。なお、表３をグラフ化したものを図５に示す（図５には、表３の各サンプリング位置が模式的に示されている）。

（表中、単位はｋｇ／ｍ^３である）

比較例１では、散布の不均一性に起因して密度のばらつきが発生した。また、連続的な散布・注入では、約５分経過したところでノズルの先端において目詰まりが発生し、ノズル内部の圧力が増加して混合不良が生じた。

［比較例２］
実施例１と同様にして、散布幅が２００ｍｍのトーナメント型ノズル（図７を参照）を用いて硬質ウレタンフォーム樹脂原液を散布して成形品を得ることを試みた。しかしながら、トーナメント型ノズルでは、ノズル内部の抵抗に起因して初期から混合不良が生じ、成形品を得ることができなかった。

表４に実施例１および比較例１および２の結果を示す。表４に示すとおり、本発明のノズルは、従来のノズルよりも優れていることが理解される。

図１ａは、本発明のノズル（ミキシングヘッドを含む）を模式的に示した断面図である。 図１ｂは、本発明のノズル（ミキシングヘッドを含まない）を模式的に示した下面図および断面図である。 図２は、ノズルをトラバースさせずに固定した状態で反応性流体を吐出させる態様を模式的に示したものである。 図３は、ノズルをトラバースさせながら反応性流体を吐出させる態様を模式的に示したものである。 図４は、本発明のノズルを用いて製造した成形品の密度分布をグラフ化したものである。 図５は、従来型櫛形ノズルを用いて製造した成形品の密度分布をグラフ化したものである。 図６は、従来の櫛型ノズルを模式的に示している。 図７は、従来のトーナメントノズルを模式的に示している。

符号の説明

１…本発明のノズル、１０…第１流路、１５…管状部材、２０…第２流路（または吐出穴部）、３０…ミキシングヘッド。

Claims (6)

1. 反応性流体を吐出するノズルであって、
   第１流路、および第１流路に接続される複数の第２流路を有する管状部材
   を有して成り、
   第１流路が、管状部材の長手方向に延在しており、
   第２流路が、管状部材の長手方向と直交する方向に延在しており、第１流路の中心線を含む面内で相互に平行に位置し、第１流路の側面に接続されており、
   反応性流体が第１流路を通って第２流路のそれぞれから相互に等しい吐出圧で排出されるように、第２流路の長さが、第１流路の上流側から下流側に向かって漸次短くなっていることを特徴とするノズル。
2. 第２流路の直径が、第１流路の上流側から下流側に向かって漸次大きくなっている、請求項１に記載のノズル。
3. 第１流路の直径が、第１流路の上流側から下流側に向かって漸次小さくなっている、請求項１または２に記載のノズル。
4. 管状部材の第１流路の上流側端部に接続されているミキシングヘッドを更に有して成る、請求項１〜３のいずれかに記載のノズル。
5. 反応性流体が、ポリオールとイソシアネートとの混合物を含んで成る、請求項１〜４のいずれかに記載のノズル。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のノズルをトラバースさせながらノズルから反応性流体を吐出させる、ポリウレタンの製造方法。
   

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