JP2008543608A - 超音波を用いた固体状態のポリマーの押出加工法及びその装置 - Google Patents

Abstract

固体押出配向工法について開示する。本工法は、押出ダイスを通してビレットを圧縮することにより、配向性のあるポリマープロファイルを生成する。ビレットは、結晶又は半結晶のポリマー、又はポリマー及び有機又は無機のフィラーを含んだ複合材料を備えている。本工程は、圧力室をポリマーの融点又はそれ以下の温度まで予熱するステップと、圧力室と連続して位置決めされ、圧力室よりもより小さな断面積を有している押出ダイスに超音波を照射するステップと、圧力室及び押出ダイスを通じてビレットを押出し、配向性のあるポリマープロファイルを製造するステップと、を備える。この工法は、押出ダイスを加熱するステップを排除し、如何なる欠陥もない滑らかな表面を有するポリマーのプロファイルを供給するとともに、便利で迅速な操業を保証する。

Description

本発明は、固体状態の押出配向工法及びその装置に関する。更に詳しくは、本発明は、予備成形された固体状態のポリマービレット（billet）を成形する際に、従来の工法におけるように押出ダイスを加熱する代わりに、押出ダイスに超音波を当て、従来の工法において、ポリマービレットと押出ダイスとの間の接触面を潤滑するために行われていた押出ダイスの温度制御を行うことなしに、迅速な固体状態の押出しを可能にし、表面の品質を向上させるとともに、便利で迅速な操業を保証する、固体状態の押出配向工法、及びそのための装置に関する。

基本的な骨格構造として炭素−炭素結合鎖を有するポリマーの中でも、いくつかのポリマーは、冷却され、押出加工法のようなポリマーの成形過程で固体化する間に、結晶を形成するように転換される。しかしながら、これらの結晶は配向性を持たず、不規則に配向されており、よって機械的特性の劣化を生じさせている。

もし、これらの結晶を構築している鎖が所定の方向に配向されていれば、配向性のあるポリマーの鎖の間の距離によって、比重が大幅に減少する一方で、機械的強度及び特性は著しく向上する。加えて、ポリマー複合材料を使用する場合に、フィラー（fillers）の成分次第で、所望の特性を有する材料を製造することが可能となる。例えば、フィラーが、結晶構造のポリマー及び木材の粉末又は木材の繊維を含んだ複合材料で作られた人工木材であるとき、その配向性によって、天然の木材と非常に類似した外観及び構造を実現することが可能となる。よって、このような特徴を提供する様々な配向工法及び技術が研究されてきている。

代表的な工法の一つは、ポリマーの固体状態の予備成形体を融点以下で所定時間加熱した後、所定の方向に力を加えることによって、ポリマーを配向させる手法である。しかしながら、このような工法には、製品が不規則な配向性を有するだけでなく、形状及び表面の品質に欠陥を生じるという問題がある。

問題に対処するために提案された工法の１つとして、加熱したダイスを使用してポリマーを配向させる、固体押出配向（extrusion-orientation）工法がある（特許文献１参照）。この方法によれば、ポリマーの予備成形体を融点以下の温度に加熱し、細い内径を有しているダイス内を強制的に通過させ、ポリマーを配向させる。特に、ダイスの内側の断面積は徐々に一定の割合で減少するので、ポリマーの鎖は、予備成形体がダイスを通過する間の圧力の方向に配向される。ここでは、予備成形体がダイスを通過する際に、予備成形体と小さい内径を有するダイスとの間に激しい摩擦が発生するので、それらの間の潤滑操作を行うために、ダイスが加熱される。
米国特許第５２０４０４５号明細書

この工法において、予備成形体は強制的に細い内径を有するダイスを通過させられるため、最終的に配向性のあるポリマー製品を作り出すことが可能となる。この製品は、他の従来の手法によって製造される製品よりも、小さな表面欠陥しか有していない。しかしながら、この工法には、所定の温度に金属ダイスを維持するために、絶えずダイスを加熱する必要があるという問題があり、予備成形体がダイスを通過する際、摩擦は、依然として激しく発生する。

本発明の目的は、従来の手法の持つ問題及びこの技術分野において解決することが求められている他の技術的問題を解決することである。

大規模な研究及び実験の結果、本発明の発明者は、ダイスを加熱する代わりに、所定の超音波パルスをダイスに照射する手法を用いてダイスを振動させるとき、圧力室内で加熱されたポリマーの予備成形体が超音波によって振動させられたダイスと接触することで、ダイス及び加熱された予備成形体との間の摩擦面における潤滑効果が最大となり、最終のポリマー配向プロファイルが、表面成形特性に関して、優れたものとなるということを発見した。この結果として、本発明の発明者は本発明を完成させた。

本発明の態様の１つによると、上記及び他の目的は、押出ダイスを通してポリマービレットを圧縮することにより、配向性のあるポリマープロファイルを生成する、固体状態の押出配向工法であって、ポリマービレットは、結晶又は半結晶ポリマーを備えているビレット、及びポリマー及び有機又は無機のフィラーを含んだ複合材料を備えるビレットのうちの１つであり、工程は、圧力室をポリマーの融点又はそれ以下の温度まで予熱するステップと、圧力室と連続して位置決めされ、圧力室よりもより小さな断面積を有している押出ダイスに超音波を照射するステップと、圧力室及び押出ダイスを通じてポリマービレットを押出し、配向性のあるポリマープロファイルを製造するステップと、を備える工法の提供によって達成することができる。

押出ダイスが加熱される従来の工法とは異なり、本発明の固体状態の押出配向工法は、押出ダイスに超音波を照射しながら、押出しを行う。この結果、この工法による全体のコストは、製造時間及び温度制御によるエネルギーの低減によって低下し、超音波エネルギーにより潤滑効果が向上し、ポリマービレットを容易に押出ダイスに通過させることを可能にすることによって、従来の手法と比較して製造速度が上がることとなった。加えて、固体押出配向工法は、従来の処理により生じる可能性のあった表面欠陥を効果的に防止し、よって、滑らかで、強い配向性のあるポリマープロファイルを提供する。

ポリマーは、加熱されている際、押出し成形が可能となるような流動性を有し、予備成形体（ビレット）の形状で存在する際、結晶又は半結晶構造を有している限り、特定の種類に制限されない。好適には、ポリマーは分子の直鎖を有している熱可塑性ポリマーである。熱可塑性ポリマーの好適な例は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、及びそれに類する物質を含んでいる。

本発明によれば、上述したように、固体状態の押出しは、ポリマーのビレットと同様に、ポリマー及び有機又は無機のフィラーを含んだ、複合材ビレットに対して施される。ここでは利便性のため、ポリマーのビレット、及びポリマー及びフィラーを含んだ複合材ビレットの両方を共通して「ポリマービレット」と呼ぶ。

フィラーは有機又は無機の材料であり、特定の種類に限定されない。

好適には、フィラーは木材の粉末、木材の繊維、アルミナ（alumina）、シリカ（silica）、タルク（talc）、もしくはそれに類する材料であってよい。

圧力室は、ポリマービレットの押出し成形を可能にするために、ポリマービレットをポリマーの融点又はそれ以下の温度まで加熱するための、及びポリマービレットを押出すための、駆動力を供給するための作用をする。

押出ダイスは、固体押出し成形を可能にする圧力室よりも小さな面積を有し、圧力室によって加熱され、圧縮された後、ポリマービレットが強制的にダイスに押込まれるような方法で押出し成形が行われる。したがって、押出し成形中は、ポリマービレットの結晶は高圧にさらされ、進行方向に配向される。押出ダイスは好適には、押出し方向に徐々に面積が減少するような、テーパ状をなす構造（傾斜面）を有し、ポリマービレットが押出ダイスに挿入される際、ポリマービレットと小さな面積を有する押出ダイスとの間の摩擦を最小にしている。

しかしながら、ポリマービレットと押出ダイスの内面との間の接触面は、テーパ状をなす構造にもかかわらず、大きな摩擦にさらされているので、従来の工法では、圧力室の温度より高温に、すなわちポリマーの融点の０．９〜１．２倍の温度範囲まで押出ダイスを加熱する必要がある。したがって、従来の工法では、圧力室及び押出ダイスが別々に異なる温度を有するように加熱されるのだが、押出ダイスが圧力室と連続して位置決めされている構造によって、圧力室及び押出ダイスが異なる温度を有するような個別の制御には制限がある。たとえば、押出ダイスがポリマーの融点よりも高い温度に設定されるとき、押出ダイスから圧力ダイスへの熱伝導が生じ、圧力ダイスが押出室の温度近く、又は同等の温度を有する程度まで圧力ダイスの温度を上昇させ、押出しの間に、ポリマービレットが表面で過度に溶解し、理想的な固体配向を得ることができなくなる。

それに対し、本発明においては、押出ダイスを加熱する代わりに、押出ダイスに超音波を照射するので、理想的な固体押出配向を達成することができる。その結果、本発明は、押出ダイスがポリマーの融点以上に加熱されることを防ぎながら、圧力室及び押出ダイスの温度を容易に制御することを可能にする。所定の場合には、押出ダイスは圧力室の温度とおよそ同等の温度を有するように加熱されてよい。この場合でさえも、従来の工法と違い、圧力室及び押出室の連続的な配置により、温度制御は容易に実現可能である。

本発明の特徴を以下に詳細に記述する。

本発明によれば、押出ダイスに超音波が照射され、その結果、押出ダイスの内面とポリマービレットとの間の潤滑を生じさせ、押出ダイスの内面とポリマービレットとの間の接触面の摩擦を低減する。ポリマービレットが、圧力室内で所定の時間、ポリマーの融点又はそれ以下の温度に加熱された後、超音波振動下において、押出ダイスと接触されたとき、押出ダイスとポリマービレットとの間に、即時の潤滑効果が実現する。その結果、ポリマービレットは一定の割合で減少する内径を有する押出ダイスを、容易に通過することができ、これにより、押出ダイスを加熱する方法を採用した従来の固体押出配向工法と比較して、最終製品は優れた品質の表面を有する。

押出ダイスに照射される超音波は、押出すべきポリマーの特性に従って、数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの周波数、すなわち１〜１００ｋＨｚの周波数を有している。ポリマーの配向角度は、配向の前後のポリマーの引張り強さの差異を利用して、求めることができる。本発明の工法により求められる押出配向プロファイル（extrusion-oriented profiles）と従来の工法のそれとの引張り強さの変化を比較すると、本発明の工法により求められた配向角度は、従来の方法によって求められた配向角度より大きい又は等しいことが理解できる。

本発明のその他の態様では、本発明の方法を効果的に実現することが可能な圧縮引張配向（pressure-tensioning orientation）装置が提供されている。

本発明による圧縮引張配向装置は、温度上昇、及び押出ダイスに向かってポリマービレットを押す力を供給することを可能にするように構成された圧力室と、圧力室と連続して位置決めされ、圧力室の断面積よりも小さな断面積を有する押出ダイスと、押出ダイスに超音波を照射するための超音波照射ユニットと、を備えている。

押出ダイスの断面積は、ポリマーの種類、ポリマーの分子量、及びこれらに類する様々な要素に従って決定することができる。好適には、押出ダイスは、予備成形体として供給されるポリマービレットの断面積の０．３〜０．５倍の断面積を有している。それは、ポリマービレットの断面積／最終配向プロファイルの断面積（ダイス出口面積）から得られる値の二乗値として規定することができる延伸比で表現することもできる。好適には、押出ダイスは４〜１０の延伸比を有するように構築される。

本発明の目的が、押出ダイスに対し、所定のパルスを有する超音波の照射を通して達成される限りにおいて、超音波照射ユニットは、押出ダイスの内側又は外側どちらの側にも設置することができる。

超音波照射ユニットは好適には、超音波の周波数及び振幅を制御可能な制御器を含む。

上述より明らかなように、本発明の固体押出配向工法は、押出ダイスに超音波を照射し、押出ダイスを加熱するステップを排除し、如何なる欠陥もない滑らかな表面を有するポリマーのプロファイルを供給するとともに、便利で迅速な操業を保証する。よって、本発明は、結晶又は半結晶ポリマー製品の製造に幅広く、そして効果的に適用することができる。

本発明の、上記した目的及び他の目的、特徴及び他の有利点は、添付の図面に関連させた以下の詳細な記述により、更に明確に理解されるであろう。

本発明の好適な実施形態を、以下に記述する。

図１は本発明の１つの実施形態による固体状態の配向押出し装置を示している。

図１によると、本発明による圧縮引張配向装置１００は、圧力室１１０、押出ダイス１２０、及び超音波発生ユニット１３０を備えている。圧力室１１０は、その一方の側部において、押出ダイス１２０に向ってポリマービレット（図示せず）を押す働きをする可動ラム１１２を内側に備え、加熱ユニット１１４が外側に設けられている。

ラム１１２は、ポリマービレットに対し、所定の圧力をかけることによって、ポリマービレットに押出ダイス１１０を通過させるように作用する。加熱ユニット１１４は、ポリマーの融点又はそれ以下の温度に圧力室１１０を加熱する。加熱ユニット１１４は圧力室１１０の内部に設置することもできる。好適には、圧力室１１０の温度はポリマーの融点の約０．６〜０．９倍の温度範囲に制御されている。

押出ダイス１２０は圧力室１１０と連続して位置決めされており、押出ダイスの内径が出口に向って徐々に細くなるように、所定の角度に傾斜した、内部構造を有している。

押出ダイス１２０の内角は、好適には１０〜４０度である。押出ダイス１２０は延伸比に依存した長さである。押出し速度は、ポリマービレットの断面積に応じて好適に制御され、好ましくは０．１〜２ｍ／ｍｉｎである。

図においては、超音波照射ユニット１３０は押出ダイス１２０の外部に設置されているが、押出ダイス１２０内に設置することも可能である。

図１に示された押出ダイスから押出された後、ポリマープロファイル２００は続いてケーブル３００、スプール３１０及び、モータ３２０に接続されたグリッパー（gripper）に接触され、次いで外部へ排出される。

本発明の固体押出配向工法によれば、この工法による全体のコストは、製造時間及び温度制御によるエネルギーの低減によって低下し、超音波エネルギーによって生じているとともに、ポリマービレットを容易に押出ダイスに通過させることを可能にする、向上した潤滑効果によって、従来の手法と比較して製造速度が増加している。加えて、固体押出配向工法は、従来の処理により生じる可能性のあった表面欠陥を効果的に防止し、滑らかで、強い配向性のあるポリマープロファイルを提供している。

本発明の好適な実施形態は説明のために開示されているが、添付の特許請求の範囲に開示された、本発明の範囲と精神を逸脱しない範囲で、種々の変更、追加、置換が可能であることは、当業者であれば理解されるであろう。

本発明の１つの実施形態による、圧力室、押出ダイス、及び超音波照射ユニットを説明する断面図である。 図１に示された構成部品が適用された圧縮引張配向装置の典型的な構造の１つを説明する概念図である。

符号の説明

１００ 圧縮引張配向装置
１１０ 圧力室
１１２ ラム
１１４ 加熱ユニット
１２０ 押出ダイス
１３０ 超音波照射ユニット
２００ ポリマープロファイル
３００ ケーブル
３１０ スプール
３２０ モータ

Claims (10)

1. 押出ダイスを通してポリマービレットを圧縮することにより、配向性のあるポリマープロファイルを生成する、固体状態の押出配向工法であって、前記ポリマービレットは、結晶又は半結晶ポリマーを備えているビレット、及びポリマー及び有機又は無機のフィラーを含んだ複合材料を備えるビレットのうちの１つであり、前記工程は、
   圧力室をポリマーの融点又はそれ以下の温度まで予熱するステップと；
   前記圧力室と連続して位置決めされ、前記圧力室よりもより小さな断面積を有している押出ダイスに超音波を照射するステップと；
   前記圧力室及び前記押出ダイスを通じて前記ポリマービレットを押出し、配向性のあるポリマープロファイルを製造するステップと、を備える工法。
2. 前記ポリマーは、分子の直鎖を有している熱可塑性ポリマーであり、前記フィラーは木材の粉末、木材の繊維、アルミナ、シリカ、及びタルクのうちの１つであることを特徴とする請求項１に記載の工法。
3. 前記圧力室は、前記ポリマービレットを前記ポリマーの融点の０．６〜０．９倍の範囲の温度に加熱することを特徴とする請求項１に記載の工法。
4. 前記押出ダイスは、押出し方向に徐々に断面積が減少するような、テーパ状をなす構造を有し、前記ポリマービレットが前記押出ダイスに挿入される際、前記ポリマービレットと小さな内径を有する前記押出ダイスとの間の摩擦を最小化することを特徴とする請求項１に記載の工法。
5. 前記押出ダイスは、前記ポリマービレットの断面積の０．３〜０．５倍の断面積を有していることを特徴とする請求項１に記載の工法。
6. 前記超音波は、１〜１００ｋＨｚの周波数で押出ダイスに照射されることを特徴とする請求項１に記載の工法。
7. 温度上昇を可能とするとともに、押出ダイスに向かってポリマービレットを押す力を供給するように構成された圧力室と；
   前記圧力室と連続して位置決めされ、前記圧力室の断面積よりも小さな断面積を有する前記押出ダイスと；
   前記押出ダイスに超音波を照射するための超音波照射ユニットと、を備えている請求項１に記載の工法を実施するための圧縮引張配向装置。
8. 前記押出ダイスは４〜１０の延伸比を有していることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記超音波照射ユニットは、前記押出ダイスの内側又は外側に設置されていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
10. 前記超音波照射ユニットは、前記超音波の周波数及び振幅を制御可能な制御器を備えていることを特徴とする請求項７に記載の装置。

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