JP2017105184A - 熱可塑性樹脂と強化用繊維とが混合溶融された溶融樹脂を射出する射出成形機及び射出成形機用スクリュー - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、溶融樹脂に強化用繊維を混合して射出成形する際に、強化用繊維を溶融樹脂内に均一に分散させることができる射出成形機及びそのスクリューを提供する。【解決手段】射出成形機１に設けられたスクリュー７は、圧縮部１８の下流側に混練部１７が設けられている。混練部１７には３条の螺旋状のフライト１７ａ（ｘ，ｙ，ｚ）が設けられており、このフライト１７ａ，１７ａ’の向きと逆方向或いは同方向に３条の螺旋状に配置された溝部１７ｂ，１７ｂ’が形成されている。この溝部１７ｂ，１７ｂ’によって、強化用繊維の繊維長を長く保つことができ、圧縮部１８において強化用繊維が絡み合ったとしても、混練部１７内で解繊され、溶融樹脂内に長繊維のせん断が緩和され強化用繊維が均一に分散され良好な製品が得られる。【選択図】図４

Description

本発明は、型閉された金型のキャビティ内に熱可塑性樹脂と強化用繊維とが混合溶融された溶融樹脂を射出する射出成形機、及びその射出成形機に用いるスクリューに関し、特に、より長繊維の強化用繊維を使用することのできる射出成形機、及びその射出成形機に用いるスクリューに関する。

近年では、樹脂成形品の強度を高めるために、フィラーと呼ばれる竹やパルプ等の天然繊維や、ガラス繊維・炭素繊維等の繊維を樹脂と混合して射出成形することが行われている。具体的には、射出成形機内に繊維材料を投入し、溶融した樹脂と繊維とを混練して射出成形する場合もあるが、より長い強化繊維の場合は、予め長繊維が含まれた長繊維強化熱可塑性樹脂ペレットと称される樹脂ペレットを材料として溶融して射出成形する場合もある。

本願発明者等は、金型のキャビティへ射出充填される繊維強化熱可塑性樹脂に含まれた強化用繊維の破断を抑制すると共に分散性を高め、所定強度の成形体を得られるようにする射出成形機を提供することを課題として、射出ノズルから型閉された金型のキャビティに熱可塑性樹脂と強化用繊維とからなる繊維強化熱可塑性樹脂を射出する射出成形機であって、加熱シリンダ、加熱シリンダ内に回転可能に設けられたスクリューを備え、スクリューには、供給口から供給されてきた繊維強化熱可塑性樹脂を射出ノズル側へ移送させながら溶融・混練する圧縮部、圧縮部から搬送されてきた溶融・混練された繊維強化熱可塑性樹脂の計量が行われる計量部を備え、計量部と圧縮部の間に強化用繊維を分散させるダルメージ部を形成する射出成形機を既に開示している（特許文献１）。

特許文献１における射出成形機では、以下の効果が述べられている。
（１）スクリューの計量部と圧縮部の間にダルメージ部を形成したことで、射出ノズルを介して金型のキャビティに射出充填される直前に、加熱シリンダ内で溶融・混練された繊維強化熱可塑性樹脂のうち、強化用繊維の解繊作用を大きくできるため繊維分散性が良好となる。よって、強化用繊維の分散性を向上することで所定強度の成形体を得ることができる。
（２）さらに、スクリューには、計量部と圧縮部の間にダルメージ部を形成したことにより、強化用天然繊維の分散を効果的に行うことができる一方で、比較的折れたり破断し易い強度の弱い強化用天然繊維（竹、ジュート、麻等の天然繊維）であったとしても、所定寸法よりも短くならぬよう抑制することができる。従って、強化用天然繊維の残存繊維長が短くならぬように抑制すること、及び熱可塑性樹脂に対する強化用天然繊維の混練分散性の両立を図ることができ、所定強度の成形体を得ることができる。
（３）さらに、スクリューのダルメージ部は、射出ノズルから離れた圧縮部ではなく、射出ノズルに近い計量部と圧縮部の間に形成したことにより、スクリューの回転に伴い圧縮部で強化用繊維が絡みあったとしても、ダルメージ部で絡み合った強化用繊維をほどいて分散させ、分散された強化用繊維を含む繊維強化熱可塑性樹脂を、射出ノズルを介して金型のキャビティに射出充填することができるから、より確実に所定強度の成形体を得ることができる。

現在では、自動車部品や航空機部品などに、ガラス繊維強化熱可塑性樹脂（ＧＦＲＴＰ）や炭素繊維強化熱可塑性樹脂（ＣＦＲＴＰ）等が多く用いられている。これらの強化熱可塑性樹脂の強度は、成形品中の繊維の長さに大きく依存しており、繊維をできるだけ長く残した状態で成形することが好ましい。

そこで、長繊維の強化熱可塑性樹脂を使用することも試みられている。しかしながら、ガラス繊維や炭素繊維は、熱可塑性樹脂に混合して射出成形を行うと、スクリューによる混練可塑化工程でのせん断作用により、繊維が折れて繊維長が数％の長さにまで短くなりやすい。さらには、樹脂に混入される繊維の長さが長くなると、射出成形機の圧縮部内で溶融樹脂に混練された繊維が絡み合い、繊維が分散されにくくなるおそれがある。

特開２０１２−１３１０４２号公報

本発明は、熱可塑性樹脂と強化用繊維とを混合溶融された溶融樹脂を射出する射出成形機、及びその射出成形機に用いるスクリューの改良を目的とする。詳しくは、溶融樹脂にフィラーとしての強化用繊維を混合して溶融・射出する際に、強化用繊維を溶融樹脂内でのせん断力により切断されずに均一に撹拌し混合することができる射出成形機及びそれに用いるスクリューを提供することを目的とする。さらに詳しくは、樹脂と混合する強化用繊維の長さが長くなった場合であっても、長繊維が短繊維に分断され難く、長繊維を樹脂内に均一に分散することができる射出成形機及びその射出成形機に用いるスクリューを提供することを目的とする。つまり、本発明の課題は、溶融樹脂中の長繊維を均一に分散して射出成形機を影響することであり、その作用効果は射出成形機の効果として享受されるものである。

前記目的を達成するために、本発明の射出成形機は、加熱シリンダ内に回転可能に設けられたスクリューを備え、該加熱シリンダの先端に装着した射出ノズルから型閉された金型のキャビティ内に熱可塑性樹脂と強化用繊維とが混合溶融された溶融樹脂を射出する射出成形機であって、
前記スクリューには、材料を前方へ移送させながら溶融・混練し圧縮する圧縮部と、該圧縮部から移送される熱可塑性樹脂と強化用繊維からなる溶融材料を撹拌・混練し分散する混練部とを備えており、前記圧縮部、及び当該圧縮部の下流側の混練部は、夫々、螺旋状のフライトにより圧縮部及び混練部を構成されており、
前記圧縮部の螺旋状のフライトは、材料の移送方向に沿って漸次ピッチが狭くなる一条の連続した螺旋状のスクリューフライトにより形成され、
前記混練部の螺旋状のフライトは、連続した螺旋状のフライトとならないように、前記フライトの表面に複数の溝部が形成されていることを特徴とする。

さらに、本発明の射出成形機によれば、前記混練部のフライトの表面に形成された複数の溝部は、当該フライトの螺旋方向と交差角度αをもって交差する方向の螺旋状に配置されて、前記混練部の材料を撹拌・混練し分散する機能を奏していることを特徴とする。
ただし、３０°≦α≦１５０°とする。

本発明の射出成形機用スクリューは、射出成形機の加熱シリンダ内に回転可能に設けられるスクリューであって、
該スクリューは、後端側から、熱可塑性樹脂と強化用繊維からなる溶融材料を前方へ移送させながら溶融・混練し圧縮する圧縮部と、熱可塑性樹脂と強化用繊維からなる溶融材料を撹拌・混練し分散する混練部とを備えており、
前記圧縮部、及び当該圧縮部の下流側の混練部は、夫々、螺旋状のフライトにより圧縮部及び混練部を構成されており、
前記圧縮部の螺旋状のフライトは、材料の移送方向に沿って漸次ピッチが狭くなる一条の連続した螺旋状のスクリューフライトにより形成され、
前記混練部の螺旋状のフライトは、連続した螺旋状のフライトとならないように前記フライトの表面に複数の溝部が形成されていることを特徴とする。

さらに、本発明の射出成形機用スクリューにおいては、前記混練部のフライトに形成された複数の溝部の螺旋状の配置は、前記混練部のフライトの螺旋方向に対して、３０°〜１５０°の角度で交差するように形成されていることが好ましい。前記溝の角度を前記範囲とすることにより、繊維長の長い繊維材料であっても、容易に解繊することができる。

さらに、本発明の射出成形機用スクリューにおいては、前記複数の溝部が配置される螺旋状のピッチＰａと、前記混練部のフライトのピッチＰｂとの比は、前記フライトの螺旋状のピッチＰｂを１とすると、前記複数の溝部が配置される螺旋状のピッチＰａは、
１Ｐｂ≦Ｐａ≦３Ｐｂに形成されていることを特徴とする。

さらに、本発明の射出成形機用スクリューにおいては、前記複数の溝部が配置される螺旋状のピッチＰｂとスクリュー径Ｄの比は、前記スクリュー径Ｄを１とすると、１Ｄ≦Ｐｂ≦２Ｄに形成されていることを特徴とする。

本発明は、樹脂と混合する強化用繊維の長さが長くなった場合であっても、長繊維が短繊維に切断され難く、長繊維を樹脂内に均一に分散することができる射出成形機及びその射出成形機に用いるスクリューを提供する。
本発明では、混練部のフライトに、そのフライトが連続した螺旋状のフライトとならないように、そのフライトの螺旋方向と交差する螺旋方向に複数の溝部を形成しているので、射出成形機内に樹脂が投入された場合、溶融された樹脂は混練部のフライトに沿って移送される流れ（図６の矢印Ａ）と、溝部に沿って移送方向と交差する逆の流れ（図６の矢印Ｂ）が生じる。これにより、混練部内での樹脂流れが分散され十分に撹拌混合される。
また、材料の樹脂に繊維材料が混合されている樹脂ペレットを用いた場合は、圧縮部において繊維材料が絡み合った場合でも、分散・撹拌混練部で絡みが解かれる。このため、本発明の射出成形機においては、長繊維材料が混合された材料であっても、繊維材料を樹脂中に均一に分散させ撹拌することができる。

本発明の一実施形態の射出成形機を示す概略構成図。 本発明の一実施形態の射出成形機での成形工程を示す図。 本発明の一実施形態の射出成形機に用いるスクリューを示す説明図。 図３のスクリューの混練部を示す説明図。 第３とは別の実施形態のスクリューの混練部を示す説明図。 図３のスクリューの圧縮部の螺旋状フライトと混練部のフライトとの配置関係を示すためのスクリューの円周方向の展開図。 図６の混練部におけるフライトの螺旋状と溝部の螺旋状配置との交差の関係を示す説明図。 第１成形品及び第２成形品の繊維長の分布を示すヒストグラム。

以下、本発明の一実施形態である射出成形機、及びそれに用いられるスクリューについて、図１〜７を参照して説明する。図１に示す射出成形機１は、型閉された金型のキャビティ内に溶融された樹脂を射出する状態の射出成形機である。射出成形機１は、機台２と、その上に配設された射出ユニット３と、型締ユニット４とを備えている。
本明細書における「前方」「後方」との用語は、図１に示された左側方向を「前方」、右側方向を「後方」を意味する用語として用いている。

本発明においては、先の出願における発明と比較して、その構成においては何ら相違するものではなく、当該構成に基づく機能及び作用を詳細に検討することにより明瞭に説明しているものである。

射出ユニット３は、筒型の加熱シリンダ５と、加熱シリンダ５の先端に設けられた射出ノズル６と、加熱シリンダ５の内部に設けられたスクリュー７と、スクリュー７を回転駆動する回転駆動手段８と、材料が投入されるホッパ９と、ホッパ９から投入された材料をスクリュー７に供給するホッパブロック１０とを備えている。一般的には、ホッパ９から投入される材料は、長繊維強化熱可塑性樹脂ペレットと称されるものである。

加熱シリンダ５の周囲には、加熱シリンダ５を加熱するための加熱ヒータ１１が設けられている。また、ホッパブロック１０の内部には、ホッパ９内の材料を加熱シリンダ５及びスクリュー７に向けて供給するための供給口１０ａが設けられている。

型締ユニット４は、固定ダイプレート１２と、可動ダイプレート１３と、トグルリンク機構１４とを備えており、固定ダイプレート１２には固定金型１５が取り付けられ、可動ダイプレート１３には可動金型１６が取り付けられている。トグルリンク機構１４は、図示しないモータによって駆動され、可動ダイプレート１３を図１において左方向に移動させて型開し、右方向に移動させて型閉する。

次に、図３乃至図７を参照して、本実施形態の射出成形機に用いられるスクリュー７の構成について説明する。スクリュー７は、図３の左側を前方、右側を後方と称する。スクリューは、図３において、材料の供給側から前方に向けて順に、材料を溶融・混練し圧縮する圧縮部１８、その前方に材料を撹拌・混練し分散する混練部１７、チェックリング部２０が設けられている。

スクリュー７の後方に設けられた圧縮部１８は、スクリュー７の表面に１条の連続した螺旋状のスクリューフライト１８ａが形成されており、このフライト１８ａは供給側の後方部分のピッチが広くなっており、前方に向かうに従って漸次ピッチが狭くなっている。このように前方に向けて漸次狭いピッチの連続した１条の螺旋形状のスクリューフライト１８ａにより、溶融された材料の混練機能と圧縮機能が奏せられる。ここで「１条の螺旋」との用語は、一つの連続した螺旋形状を意味するものである。

圧縮部１８に続く混練部１７は、図４及び図６に示すように、本実施形態では３条の螺旋状（図６のｘ，ｙ，ｚ）が形成されている。つまり、混練部１７のフライト１７ａは、３条の螺旋状により形成されており、圧縮部１８のスクリューフライト１８ａと同方向の螺旋巻き構造となっている。

本実施形態での混練部１７は、３条の螺旋状のフライト１７ａ（ｘ，ｙ，ｚ）から構成されている。夫々、連続した３条の螺旋状に配置されているが、夫々が連続の螺旋状フライトとはならないように溝部１７ｂによって分断されており、各１条の螺旋状に配置された複数の独立したフライト要素１７ｃとして構成されている。溝部１７ｂは、夫々、３条の螺旋状のフライト１７ａ（ｘ，ｙ，ｚ）に対して複数形成されており、その配置も３状の螺旋状（ｍ，ｎ，ｏ）となるようにされており、その方向は、圧縮部１８の螺旋状の螺旋の方向とαの角度で交差するように逆方向に形成されている（図６）。

図６は、圧縮部１８に設けた１条の螺旋状フライト１８ａと、それに続く混練部１７に設けた３条の螺旋状フライト１７ａ（ｘ，ｙ，ｚ）と、各３条の螺旋状フライト１７ａに形成された溝部の３状の螺旋状配置（ｍ，ｎ，ｏ）との関係を、スクリュー７の円周方向の展開図により示したものである。このように形成された螺旋状フライトの形状は、一般駅に総称してダルメージ型と言われている。

この溝部１７ｂは、フライト１７ａの表面から内部に向けて凹入する３条の螺旋状（ｍ，ｎ，ｏ）に配置された溝部１７ｂであり、フライト１７ａの螺旋状（ｘ，ｙ，ｚ）との交差角度αが３０°〜１５０°の範囲となるように形成される。本実施態様においては、特に好ましい例として、５１．０４°で交差されている。ここで、「凹入」との用語は、その加工方法までも限定する意味ではなく、繋がった螺旋状のフライト１７ａが溝部１７ｂによって分断して、独立した複数のフライト要素１７ｃを構成するものであれば良い。

図７に示すように、螺旋状のフライト１７ａと螺旋状に配置された複数のフライト要素１７ｃとの交差角度αが３０°≦α≦１５０°の範囲を許容するということは、
（１）３０°≦α＜複数のフライト要素１７ｃの螺旋状配置がスクリュー軸に垂直状態
（２）複数のフライト要素１７ｃの螺旋状配置がスクリュー軸に垂直状態＜α≦１５０°
の二つの状態がある。
上記（１）の状態での交差は、螺旋状のフライト１７ａに対して螺旋状に配置された複数のフライト要素１７ｃの螺旋方向が同一の方向で形成される場合であり、上記（２）の状態での交差は、螺旋状のフライト１７ａに対して螺旋状に配置された複数のフライト要素１７ｃの螺旋方向が反対方向で形成される場合である。

このように、本発明の射出成形機用スクリューにおいては、混練部の溝部の螺旋状配列は、混練部のフライトの螺旋方向とは逆方向（上記（２））の交差状態とすることは好ましい。また、混練部の溝部の螺旋状配列を、混練部のフライトの螺旋方向と同じ方向（上記（１））の交差とすることも可能である。本発明においては、このような構成により、溶融樹脂を前記溝部１７ｂを通して移送する際に、溶融材料の流れが、流れに沿った移送方向Ａと逆方向Ｂに分流されることにより、長繊維を分散させ撹拌効果を上げることができる。

また、混練部の溝部１７ｂの螺旋状配置のピッチＰｂは、混練部の１条のフライト１７ａの螺旋状ピッチＰａと同一又は異なるピッチに形成することが可能である。つまり、混練部の溝部１７ｂの螺旋状配置のピッチＰｂと混練部のフライト１７ａとのピッチＰａの比は、フライトのピッチＰａを１とすると、Ｐｂを１〜３に形成することが好ましい。
１Ｐａ≦Ｐｂ≦３Ｐａ
なお、図６の展開図で示した実施態様においては、Ｐａ＝Ｐｂ＝３６ｍｍである。

また、好ましい一実施例として、溝部１７ｂの螺旋状配置のピッチＰｂは、フライト１７ａの螺旋状ピッチＰａを、Ｐａ＝１とするとＰｂ＝２となるように形成しても良い。溝部１７ｂの深さＨｂは、図４に示すように、フライト１７ａの高さＨａとほぼ同一寸法となっている。また、フライト１７ａの螺旋状ピッチＰａは、スクリュー径Ｄを１とすると、
１Ｄ≦Ｐａ≦２Ｄ が好ましい。
なお、図６の展開図で示した実施態様においては、Ｐａ＝１．５Ｄ＝３６ｍｍである。

なお、本発明においては、混練部１７のフライトの機能又は作用を説明する際に、各フライト要素の機能を説明する場合は、フライト要素１７ｃの作用として説明するが、混練部１７のフライト全体の機能を説明する場合は、フライト１７ａの作用として説明する。

次に、本実施形態の射出成形機１の作動について、図１を参照して説明する。
まず、射出ユニット３においては、加熱ヒータ１１によって加熱シリンダ５が加熱されている。型締ユニット４においては、トグルリンク機構１４によって可動ダイプレート１３が図１において右側に移動され、可動金型１６と固定金型１５とが型閉されている。この可動金型１６と固定金型１５の内部には、図示しないキャビティが形成されている。

このような構成の射出成形機１に材料（長繊維強化熱可塑性樹脂ペレット）が投入される。投入される材料は、予め強化用繊維が含まれている熱可塑性樹脂ペレットである。

熱可塑性樹脂としては、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、或いはポリブチレンテレフタレート樹脂等、成形品の使用目的等に応じて適宜選択される。

また、強化用繊維としては、竹やパルプ等の天然繊維の他、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、或いはカーボンナノファイバー等の繊維が適宜選択される。また、繊維長も、成形品の使用目的等に応じて適宜選択される。繊維長は３ｍｍ以上の長さであり、好ましくは５ｍｍ以上１０ｍｍ程度の長繊維が好ましい。

図２において、本発明の実施態様の射出成形機による射出工程を説明する。熱可塑性樹脂及び強化用繊維は、強化用繊維の長さが長くなればなる程、均一な混練が困難となるので、ホッパ９から別々に、或いは適宜混合された状態で投入することも考えられるが、一般には、予め強化用繊維が含まれている熱可塑性樹脂ペレットが使用される。

Ｓ１０において、ホッパ９内に投入された材料ペレットは、供給口１０ａを介して加熱シリンダ５内に導入される。加熱シリンダ５内では、スクリュー７が回転駆動手段８によって回転されており、スクリュー７の回転によってホッパ９から供給された原料が供給口１０ａの近傍から加熱シリンダ５の前方に移送される。

加熱シリンダ５内では、スクリュー７の圧縮部１８に設けられたスクリューフライト１８ａによって材料が前方に移送されると共に、加熱ヒータ１１からの熱によって徐々に熱可塑性樹脂が溶融され、強化用繊維と一緒に混練される。スクリュー７の圧縮部１８によって十分に溶融及び混練された材料は、漸次、スクリューフライト１８ａのピッチが狭くなっている圧縮部１８により溶融・混練され圧縮されて（Ｓ２０）前方に移送され、混練部１７に到達する。

図６により、混練部１７の詳細構成を説明する。図６は、図３のスクリューの圧縮部の螺旋状フライトと混練部のフライトとの配置関係を示すためのスクリューの円周方向の展開図であり、混練部１７におけるフライト１７ａの構成がより詳細に示されている。図６の展開図をＯ−Ｏ軸の回りに３６０°丸めればスクリュー７の円周上での各フライトの配置位置となる。

混練部１７においては、溶融された材料が、３条の螺旋状のフライト１７ａ（ｘ，ｙ，ｚ）によって、圧縮部１８での混練に続いて撹拌・混練されながら繊維が分散される。また、混練部１７の各フライト１７ａは、夫々、連続した螺旋形状ではなく、夫々が各フライト１７ａの螺旋方向と逆方向の螺旋状に設けられた３条の溝部１７ｂの螺旋状配列（ｍ，ｎ，ｏ）によって、各フライト１７ａは、連続した螺旋形状が断たれて、各々独立した複数のフライト要素１７ｃの並びによって構成される。それにより混練部１７の撹拌・混練し分散する機能が奏される（Ｓ３０）。本明細書においては、最適な実施例として、３条の溝部１７ｂの螺旋状配列（ｍ，ｎ，ｏ）としているが、３条の螺旋配列に限られるものではない。１条の螺旋状配列でも良いし、他の複数の螺旋状配列でも良い。

以上のような混練部１７のフライト１７ａの配置構成により、図６中の矢印Ａ及びＢで示すように、例えば、螺旋配列ｚのフライト要素１７ｃにより、材料の圧縮・移送の方向に送り出された溶融樹脂は、溝部１７ｂにより一つ前の螺旋配列ｘに移送されると、矢印Ａの方向と矢印Ｂの方向とに分流する。このようにして、各フライト要素１７ｃにより移送される材料の方向とは逆の方向に溶融された材料の流れが生じる。この一部の溶融材料の逆流Ｂにより、撹拌効果が生じて、溶融樹脂内の強化用繊維が溶融樹脂内にさらに均一に分散される。また、一部の溶融材料が矢印Ｂの方向に逆流することにより、連続的に圧縮を継続するのではないので、樹脂に作用するせん断力が緩和されて、長繊維に作用する破断力も緩和される。これにより、撹拌・混練・分散動作（Ｓ３０）が達成される。

材料として熱可塑性樹脂内に強化繊維が混入されている場合、加熱シリンダ５内では、スクリュー７の圧縮部１８によって樹脂が溶融されて強化繊維と混練されるが、スクリュー７に形成されたフライト１８ａのピッチが漸次狭くなっていることから、混練されながら圧縮されるために、強化繊維にせん断力が作用し、強化繊維の長さによっては、圧縮部内で絡み合い、長繊維が短く切断されることもある。本実施形態では、スクリュー７の圧縮部１８の前方側に上記構成の混練部１７が設けられているため、絡み合った強化繊維が、混練部１７内の溶融材料の一部の逆流する流れによってせん断力が解放されて解繊され、長い強化繊維が溶融樹脂内に均一に分散される。
本明細書において、「解繊」との用語は、絡まり合った長い繊維が撹拌により、ほどかれる作用を意味する用語として用いる。

このように、混練部１７内で強化繊維が分散された溶融材料は、混練部１７からチェックリング部２０に移送されて計量された（Ｓ４０）材料が、射出ノズル６を介して型閉された金型１５，１６内に射出される（Ｓ５０）。金型１５，１６内では、射出された溶融材料に強化繊維が均一に分散されているため、強度が均一な成形品が形成される。

次に、第２の実施形態の射出成形機１’及びそれに用いるスクリュー７’について、図１及び図５を参照して説明する。射出成形機１’は、加熱シリンダ５の内部に設けられたスクリューの構成が異なる以外は、上記第１の実施形態の射出成形機１と同様の構成を備えている。この第２の実施形態において、第１の実施形態と同様の構成については、同様の符号を付して詳細な説明は省略する。射出成形機１’の成形手順は、図２と同様であるので、再度の説明はしない。

スクリュー７’は、図５に示すように、材料の移送方向に沿って、圧縮部１８が設けられ、その前方には混練部１７’が設けられ、さらにその前方の端部近傍にはチェックリング部２０が設けられており、計量された材料の射出時の逆流を防ぐように構成されている。

スクリュー７’は、図５に示すように、圧縮部１８に１状の螺旋状のフライト１８ａが形成されており、混練部１７のフライト１７ａ’は、第１の実施形態と同様に、３条ねじ構造となっている。圧縮部１８の１状の螺旋状のフライト１８ａと混練部１７のフライト１７ａ’の螺旋方向は同じ方向の螺旋状の構造となっている。

本実施形態の混練部１７は、３条の螺旋状のフライト１７ａ’に、その螺旋の方向とは同方向に形成された溝部１７ｂ’を備えたものが図示されている。この溝部１７ｂ’は、フライト１７ａ’の表面から内部に向けて凹入する３条の螺旋状の切込みとしての溝部１７ｂ’であり、連続したフライトの構造を避け、複数の独立したフライト要素１７ｃ’が、螺旋状配置により形成された混練部１７を構成するものである。

具体的な第２の実施形態においては、複数のフライト要素１７ｃ’が並んだ螺旋状配置の螺旋の角度と、フライト１７ａ’の螺旋形状の交差角度α’は、３０°（角度αの値で表現すれば、１５０°）となるように形成されている。また、溝部１７ｂ’のピッチＰｂ’は、フライト１７ａ’のピッチＰａ’を１とすると、
Ｐｂ’＝３×Ｐａ’
となるように形成されている。
また、溝部１７ｂ’の深さは、フライト１７ａ’の高さとほぼ同一となっている。また、フライト１７ａ’のピッチＰａ’は、スクリュー径Ｄを１とすると
Ｐａ’１．５×Ｄ
となるように形成されている。

次に、上記第１の実施形態のスクリュー７を備えた射出成形機１と、第２の実施形態のスクリュー７’を備えた射出成形機１’により得られた成形品について説明する。ここで、第１の実施形態の射出成形機１により製造された成形品を第１成形品、第２の実施形態の射出成形機１’により製造された成形品を第２成形品とする。

第１成形品及び第２成形品共に、原料としてガラス繊維強化熱可塑性樹脂（ＧＦＲＴＰ）ペレット（ファンクスターＬＲ２２Ｗ、日本ポリプロ社製）を用いた。ガラス繊維含有量は２０質量％で、ペレット内の繊維長は１０ｍｍ、繊維径は１６μｍである。また、成形機には、東洋機械金属社製射出成形機（ＰＬＡＳＴＥＲ ＥＴ−４０Ｖ）を用いた。この成形機にて「ＪＩＳ Ｋ ７１６１」に基づいたダンベル形試験片を射出成形した。成形条件を表１に示す。

これら第１成形品及び第２成形品について、残存繊維長（ｍｍ）、繊維分散性、引張強度（ＭＰａ）、引張強度ばらつきについて測定した。

表２に示すように、第１成形品の残存繊維長は６．３７ｍｍである。第２成形品の平均残存繊維長は５．３４ｍｍとなっている。これらの繊維長は、以下の手法で測定した。まず、試験片を５５０℃の電気炉内で焼き、樹脂のみを気化させ、ガラス繊維を取り出した。取り出した繊維をシャーレ内で水中分散させ、実体顕微鏡にて繊維を撮影した。撮影した画像をコンピュータに取り込み、画像処理ソフトを用いて繊維長を測定した。測定本数は各スクリューで１０００本測定した。繊維長の評価方法には数１の重量平均繊維長Ｌ_Ｗを用いた。ここでＬは各繊維長である。

通常、この種のガラス繊維の残存繊維長は、長くても３ｍｍ程度と言われており、第１成形品及び第２成形品共に良好な結果が得られた。また、第１成形品と第２成形品とを比較すると、第１成形品は第２成形品に比べて約１９．２％の向上が見られた。

ここで、第１成形品及び第２成形品の繊維長の分布を図５のヒストグラムに示す。このヒストグラムでは、第１成形品は繊維長が長いものの割合が多くなっている。第２成形品は、３〜５ｍｍの部分にピークが見られるものの、既存のスクリューを用いた成形品に比べてそのピークが繊維長の長い方にシフトしている。

この結果からわかるように、第１成形品及び第２成形品は、既存の射出成形機で成形されたものに比べて残存繊維長が長くなっている。射出成形における繊維の折損の要因はいくつかあるが、その中でもせん断応力が大きく起因すると言われている。このせん断応力は、スクリュー表面と樹脂との間や、加熱シリンダ内面と樹脂の間の速度差などが大きく影響する。第１及び第２実施形態のスクリュー７，７’では、混練部に溝部１７ｂ、１７ｂ’が設けられているため、結果として溶融樹脂の流路が広がって流速が低下し、せん断の影響を受けにくくなったため、繊維の折損を抑制できたと推測される。

また、表２に示すように、第１成形品の繊維分散性は０．７８５であり、第２成形品は０．７１１であった。繊維分散性の評価には「フラクタル次元」を用いた。まず、試験片を中央部分で切断し、エポキシ樹脂を用いて樹脂埋めし、断面表面を研磨した。研磨面を顕微鏡にて撮影し、画像内の繊維にのみ色を塗り、二値化した。対象となる分散画像の縦および横をｎ分割し、ｎ２個のエレメントを得る。各エレメント内における繊維の面積率を算出するとともに、その平均値ａおよび標準偏差σａを算出し、次式より変動係数Ｃｖ（ｎ）を求めた。

具体的には、ｎを種々変化させてＣｖ（ｎ）を求め、ｘ軸に１／ｎ、ｙ軸をＣｖ（ｎ）として両対数プロットする（図示省略）。両者の間に直線関係が成立した場合、その直線の傾きに−１を乗じたものがフラクタル次元Ｄとなる。フラクタル次元Ｄが大きいほど分散性が良好である。本実験ではｎ＝２７〜３４の１刻みで設定し、８枚の写真からフラクタル値を算出した。

通常、この種のガラス繊維を含む成形品の繊維分散性は、０．６程度と言われており、第１成形品及び第２成形品共に良好な結果が得られた。また、第１成形品と第２成形品とを比較すると、第１成形品は第２成形品に比べて約１０．４％の向上が見られた。

また、表２に示すように、第１成形品の引張強度は９０．７３ＭＰａであり、第２成形品は８７．９０ＭＰａであった。引張強度は「ＪＩＳ Ｋ ７１６４」を基準として測定した。通常、この種のグラスファイバーを含む成形品の引張強度は、８５程度と言われており、第１成形品及び第２成形品共に良好な結果が得られた。また、第１成形品と第２成形品とを比較すると、第１成形品は第２成形品に比べて約３．２％の向上が見られた。

次に、引張強度のばらつき（標準偏差）を見ると、第１成形品の最大が９４．１１ＭＰａで最小が８５．００ＭＰａであり、標準偏差は３．１２であった。第２成形品は、最大が９２．３０ＭＰａで最小が７８．９１ＭＰａであり、標準偏差は３．９８であった。通常、この種のグラスファイバーを含む成形品の引張強度のばらつきは４を超えると言われており、第１成形品及び第２成形品共に良好な結果が得られた。また、第１成形品と第２成形品とを比較すると、第１成形品は第２成形品に比べて約２５．５％の向上が見られた。

なお、上記実施形態においては、混練部１７に設けられた溝部１７ｂを３条の螺旋状に形成したが、これに限らず、溝部を設置する螺旋条数は強化繊維の材質や長さによって適宜変更してもよい。また、溝部１７ｂとフライト１７ａとの角度αは、３０°〜１５０°に設定することができ、好ましくは５０°〜８５°である。

また、溝部１７ｂのピッチＰｂは、フライト１７ａのピッチＰａに対しての割合を図示の状態に限らず、１：１から３：１程度の割合とすることができる。また、溝部１７ｂの形状は、螺旋状ではなくランダムに配置された溝部の配列としてもよい。

本発明は、加熱シリンダの先端に装着した射出ノズルから型閉された金型のキャビティに熱可塑性樹脂と強化用繊維とからなる溶融樹脂を射出する射出成形機であって、前記加熱シリンダと、該加熱シリンダ内に回転可能に設けられたスクリューとを備え、前記スクリューは、材料を前方へ移送させながら溶融・混練する圧縮部と、前記圧縮部から移送された材料を計量する計量部と、前記圧縮部と前記計量部との間に螺旋状のフライトを有するダルメージ型の混練部とを備え、前記混練部は、前記フライトの表面に内部に向けて凹入する溝が形成され、前記溝は、前記フライトの螺旋方向と交差する方向に設けられていることを特徴とする射出成形機を構成することができる。

また、本発明は、射出成形機の加熱シリンダ内に回転可能に設けられたスクリューであって、前記スクリューは、材料を前方へ移送させながら溶融・混練する圧縮部と、前記圧縮部から移送された材料を計量する計量部と、前記圧縮部と前記計量部との間に螺旋状のフライトを有するダルメージ型の混練部とを備え、前記混練部は、前記フライトの表面に内部に向けて凹入する溝が形成され、前記溝は、前記フライトの螺旋方向と交差する方向に設けられていることを特徴とする射出成形機用スクリューを構成することができる。

つまり、本発明は、射出成形機においてもそれに使用されるスクリューにおいても、圧縮部と計量部との間に螺旋状のフライトを有する混練部とを備えることが必須なものではなく、圧縮部の下流側に混練部を設けることが発明の本質的な技術的特徴点である。つまり、計量部を設けることが必須のものではない。

１，１’…射出成形機
５…加熱シリンダ
７，７’…スクリュー
１７…混練部
１７ａ，１７ａ’…フライト（混練部）
１７ｂ，１７ｂ’…溝部
１８…圧縮部
１８ａ…フライト（圧縮部）
２０…チェックリング部

Claims (6)

1. 加熱シリンダ内に回転可能に設けられたスクリューを備え、該加熱シリンダの先端に装着した射出ノズルから型閉された金型のキャビティ内に熱可塑性樹脂と強化用繊維とが混合溶融された溶融樹脂を射出する射出成形機であって、
   前記スクリューには、材料を前方へ移送させながら溶融・混練し圧縮する圧縮部と、該圧縮部から移送される熱可塑性樹脂と強化用繊維からなる溶融材料を撹拌・混練し分散する混練部とを備えており、前記圧縮部、及び当該圧縮部の下流側の混練部は、夫々、螺旋状のフライトにより圧縮部及び混練部を構成されており、
   前記圧縮部の螺旋状のフライトは、材料の移送方向に沿って漸次ピッチが狭くなる一条の連続した螺旋状のスクリューフライトにより形成され、
   前記混練部の螺旋状のフライトは、連続した螺旋状のフライトとならないように、前記フライトの表面に複数の溝部が形成されていることを特徴とする射出成形機。
2. 前記混練部のフライトの表面に形成された複数の溝部は、当該フライトの螺旋方向と交差角度αをもって交差する方向の螺旋状に配置されて、前記混練部の材料を撹拌・混練し、分散する機能を奏することを特徴とする請求項１記載の射出成形機。
   ただし、３０°≦α≦１５０°とする。
3. 射出成形機の加熱シリンダ内に回転可能に設けられるスクリューであって、
   該スクリューは、後端側から、熱可塑性樹脂と強化用繊維からなる溶融材料を前方へ移送させながら溶融・混練し圧縮する圧縮部と、熱可塑性樹脂と強化用繊維からなる溶融材料を撹拌・混練し分散する混練部とを備えており、
   前記圧縮部、及び当該圧縮部の下流側の混練部は、夫々、螺旋状のフライトにより圧縮部及び混練部を構成しており、
   前記圧縮部の螺旋状のフライトは、材料の移送方向に沿って漸次ピッチが狭くなる一条の連続した螺旋状のスクリューフライトにより形成され、
   前記混練部の螺旋状のフライトは、連続した螺旋状のフライトとならないように前記フライトの表面に複数の溝部が形成されていることを特徴とする射出成形機用スクリュー。
4. 前記混練部のフライトに形成された複数の溝部の螺旋状の配置は、前記フライトの螺旋方向に対して、
   ３０°〜１５０°の角度で交差するように形成されていることを特徴とする請求項３記載の射出成形機用スクリュー。
5. 前記複数の溝部が配置される螺旋状のピッチＰａと、前記混練部のフライトのピッチＰｂとの比は、前記フライトの螺旋状のピッチＰｂを１とすると、前記複数の溝部が配置される螺旋状のピッチＰａは、
   １Ｐｂ≦Ｐａ≦３Ｐｂに形成されていることを特徴とする請求項３又は４記載の射出成形機用スクリュー。
6. 前記複数の溝部が配置される螺旋状のピッチＰｂとスクリュー径Ｄの比は、前記スクリュー径Ｄを１とすると、１Ｄ≦Ｐｂ≦２Ｄに形成されていることを特徴とする請求項３又は４記載の射出成形機用スクリュー。

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