JP2018069522A - 成形体及び成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的特性が安定且つ均等に付与された機能面を有する成形体を得ること。
【解決手段】ナノファイバ１１が樹脂１２中に含まれた混合樹脂１０で成形された本体部２、３と、本体部の表面のうち外部からの作用を受ける機能面５とを備えた成形体１を製造する方法であって、成形型のキャビティ内に混合樹脂を充填する工程と、混合樹脂を成形型内で固化させることで、機能面を有する本体部を成形して成形体を得る工程とを備え、混合樹脂の充填時、成形型における成形面のうち、少なくとも機能面を成形する主成形面に対して毛細管現象により混合樹脂を導入する、成形体の製造方法を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、成形体及び成形体の製造方法に関する。

近年、金属製の機械部品に代わって、樹脂製の機械部品が普及し始めている。特に、成型技術の進歩により、微細な形状を精度良く成形することが可能になり、時計用歯車等の精密機械部品であっても樹脂製のものが採用され始めている。
しかしながら樹脂製の機械部品は、一般的に金属製の機械部品に比べて機械的特性、例えば機械的強度（引張強さ、圧縮強さ、剪断強さ等）、硬度、靭性、耐摩耗性、疲労特性等が劣ってしまう。そこで、樹脂製の機械部品を成形する際、機械的特性を向上させるための対策を施すことが知られている。

上述した対策として、例えば樹脂材料にガラス繊維や炭素繊維等の各種の繊維材（ファイバ）を補強材料として添加する方法が知られている。近年では、この種の繊維材として例えば太さが１μｍ以下のナノファイバを採用し、このナノファイバを樹脂中に含有させた混合樹脂材料で成形を行う方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−２４８８２４号公報

しかしながら、混合樹脂材料で成形を行う場合、樹脂中にナノファイバが無秩序に分散しているので、混合樹脂材料を成形型内に充填したときに、成形型内におけるナノファイバの状態をコントロールすることは困難である。従って、成形型内において、凝集等によって局所的にナノファイバが集中した領域や、その逆にナノファイバが少ない領域が生じるおそれがある。そのため、機械的特性が安定に付与された機械部品（成形体）を再現性良く製造することが難しい。

特に、機械部品の表面のうち、何らかの機能を果たす機能面（例えば摺動面、接触面、撥水面、係止面等）には、その機能に対応した機械的特性（例えば硬度、摺動性や耐摩耗性等）が要求される。このような要求に応えるためには、機能面となる部分にナノファイバを適切に配置させると共に、各ナノファイバの向きを整列させた状態で成形を行うことが望まれている。
しかしながら、上述したように従来技術では、ナノファイバの状態をコントロールすることが困難であるため、上述の要求に応えることが難しい。

本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、機械的特性が安定且つ均等に付与された機能面を有する成形体、及びその製造方法を提供することである。

（１）本発明に係る成形体の製造方法は、ナノファイバが樹脂中に含まれた混合樹脂で成形された本体部と、前記本体部の表面のうち外部からの作用を受ける機能面と、を備えた成形体を製造する方法であって、成形型のキャビティ内に前記混合樹脂を充填する工程と、前記混合樹脂を前記成形型内で固化させることで、前記機能面を有する前記本体部を成形して前記成形体を得る工程と、を備え、前記混合樹脂の充填時、前記成形型における成形面のうち、少なくとも前記機能面を成形する主成形面に対して毛細管現象により前記混合樹脂を導入する。

本発明に係る製造方法では、成形型のキャビティ内に混合樹脂を充填することで、キャビティ内の全域に行き渡るように混合樹脂を流動させながら充填を行うことができると共に、混合樹脂の流動に伴って複数のナノファイバをキャビティ内に拡散させることができる。これにより、成形面の形状に倣って混合樹脂を成形することができ、所望の形状に成形された成形体を製造することができる。

特に、キャビティ内に混合樹脂を充填する際に、少なくとも機能面を成形する主成形面に対しては、毛細管現象を利用して混合樹脂を導入するので、主成形面付近における混合樹脂の流れの向きを整えて主成形面の面内に沿った層流にし易い。そのため、混合樹脂中のナノファイバの向きを、主成形面の面内に沿って整列させることができる。
従って、混合樹脂の充填時に、キャビティ内で混合樹脂がたとえ乱流状態で流動したとしても、少なくとも主成形面付近においては混合樹脂の流れを層流にさせ易く、それによってナノファイバの向きを主成形面の面内に沿って整列させることが可能であるうえ、凝集も生じさせ難い。

従って、ナノファイバが整列した状態で成形された機能面を具備する成形体を再現性良く製造することができると共に、ナノファイバによる補強材効果を十分に利用して機能面に各種の機械的特性を安定的且つ均等に付与することができる。その結果、例えば高強度で且つ摺動性、耐摩耗性、撥水性等に優れた機能面を有する樹脂製の成形体を得ることができる。

（２）前記機能面を成形する主成形面には、毛細管現象により前記混合樹脂を浸透させる複数の微小溝が全面に亘って形成されても良い。

この場合には、主成形面に複数の微小溝が形成されているので、キャビティ内に混合樹脂を充填した際に、毛細管現象を利用して微小溝内に混合樹脂を入り込ませて浸透させることができる。これにより、主成形面付近における混合樹脂の流れを微小溝に沿った流れとなるように流れの向きを整えることができる。特に複数の微小溝は主成形面の全面に亘って形成されているので、主成形面付近における混合樹脂の全体的な流れの向きを、主成形面の面内に沿った層流にさせ易い。そのため、混合樹脂中のナノファイバの向きを、より確実に主成形面の面内に沿って整列させることができる。

（３）複数の前記微小溝は同方向に延びても良い。

この場合には、キャビティ内に混合樹脂を充填した際に、混合樹脂中のナノファイバの向きを同じ方向に延びている微小溝に沿って整列させることができるので、主成形面の全面に亘ってナノファイバの向きを同じ向きに整列させ易い。従って、ナノファイバが全面に亘って同じ方向に整列した状態で成形された機能面を具備する成形体を製造することができる。従って、機械的特性がさらに安定的に付与された機能面を具備する成形体を得ることができる。

（４）前記ナノファイバは、複数のセルロースが結合したセルロースナノファイバであっても良い。

この場合には、鋼鉄に比べて１／５程度軽量でありながら５倍以上の強度を有するセルロースナノファイバを利用するので、軽量化を図りながら、高い機械的強度を有する成形体を得ることができる。また、機能面に高い機械的強度及び耐摩耗性等を付与し易い。しかもセルロースナノファイバは、熱収縮率が低く、例えばガラスの１／５０程度であるので、成形後の形状精度を向上させることができると共に、機能面に上述した機械的特性をより安定に付与させ易い。さらにセルロースナノファイバは、植物に由来するので、例えば炭素繊維、ガラス繊維やアラミド繊維等に比べて環境負荷が小さい。従って、環境負荷軽減に貢献することができるうえ、資源の再利用にも貢献することができる。

（５）本発明に係る成形体は、ナノファイバが樹脂中に含まれた混合樹脂で成形された本体部と、前記本体部の表面のうち外部からの作用を受ける機能面と、を備え、前記機能面は、前記ナノファイバが整列した状態で成形されている。
（６）前記ナノファイバは、複数のセルロースが結合したセルロースナノファイバであっても良い。
（７）前記本体部は歯部を有する歯車本体であって、前記機能面は少なくとも前記歯部の外周面を含んでも良い。

本発明に係る成形体によれば、上述した本発明に係る製造方法における作用効果と同様の作用効果を奏功することができる。特に、本体部が歯車本体の場合は、歯部同士の摺動抵抗を低減できるので、メンテナンスフリーの歯車を提供することが可能になる。

本発明によれば、機械的特性が安定且つ均等に付与された機能面を有する樹脂製の成形体を得ることができる。

本発明に係る成形体の第１実施形態を示す図であって、成形体である歯車の平面図である。 図１に示す歯部の周辺を拡大した斜視図である。 図１に示す歯車を製造する際に用いる成形用金型の一例を示す断面図である。 図３に示すＡ−Ａ線から見た可動金型の平面図である。 図４に示す可動金型における主成形面の一部を拡大した斜視図である。 図４に示す状態から成形用金型のキャビティ内に混合樹脂を充填した状態を示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る成形体の第１実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態では、成形体として歯車、特に精密機械部品である機械式時計の時計用歯車を例に挙げて説明する。なお、各図面では、図面を見易くして発明の理解を助けるために、各構成部品の縮尺を適宜変更している。

図１に示すように、歯車１は、歯車本体２と、図示しない他の時計用部品に接触する歯部３と、を備えた樹脂製歯車とされている。なお、歯車本体２及び歯部３は歯車１の本体部として機能する。
なお、本実施形態では、図面を見易くするために歯部３の数及び歯部３の形状を簡略化して図示していると共に、隣り合う歯部３間のピッチを広くした状態で図示している。

歯車本体２は、歯車１の中心軸（回転軸）Ｏを中心とした円環状に形成され、その中央部分には例えば歯車１を回転させるための図示しない軸が圧入される軸孔４が形成されている。
なお、本実施形態では、中心軸Ｏ方向から見た平面視において、中心軸Ｏに直交する方向を径方向、中心軸Ｏ回りに周回する方向を周方向、中心軸Ｏに沿った方向を厚み方向という。

歯部３は、歯車本体２の外周縁部に周方向に沿って一定の間隔をあけて配置され、歯車本体２の外周縁部から径方向外側に向かって突出するように形成されている。

このように構成された歯車１において、歯部３の外周面３ａ及び歯車本体２の外周面２ａには、例えば他の時計用部品からの外力が作用する。例えば、これら歯部３の外周面３ａ及び歯車本体２の外周面２ａには、隣接する他の時計用歯車が噛合することで外力（噛み合い力、接触応力等）が作用する場合や、時計用レバー部材が嵌合することで外力（嵌合力、衝撃力等）が作用する場合がある。
従って、これら歯部３の外周面３ａ及び歯車本体２の外周面２ａは、他の時計用部品からの作用を受ける機能面５として機能する。

上述のように構成された歯車１は、図２に示すように、ナノファイバ１１が樹脂１２中に含まれた混合樹脂１０によって成形されている。本実施形態では、ナノファイバ１１は複数のセルロールが結合したセルロースナノファイバとされている。

一般的に木材、藁、綿、竹、水草、海藻等の植物は、天然高分子であるセルロースを主成分とした細胞壁で成り立っている。そして、複数のセルロースが結合してセルロースナノファイバ１１を構成し、これらセルロースナノファイバ１１が結合することで長さが数十μｍ〜数ｍｍのセルロース繊維を構成し、さらにこれらセルロース繊維が結合することで各植物の器管等を構成している。

セルロースナノファイバ１１は、セルロース繊維を切断、溶融等を行わずに、解繊処理する（解きほぐす）ことで得られることが知られており、その太さ（幅）は例えば数ｎｍ〜数百ｎｍとされ、その長さは例えば数百ｎｍ〜数μｍとされた、ナノレベルの極小ファイバである。なお、解繊処理としては機械的或いは化学的に解繊処理することが知られている。

上記混合樹脂１０に用いられる樹脂１２としては、熱可塑性樹脂或いは熱硬化性樹脂のいずれであっても良いし、親水性樹脂或いは親油性樹脂のいずれであっても良い。
この種の樹脂１２の一例としては、例えば植物性由来樹脂、二酸化炭素を原料とした樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂等が挙げられ、これらの樹脂を単独で用いても構わないし、２種類以上混合して用いても構わない。
なお、上述した各樹脂は一例であり、この場合に限定されるものではなく、製造する成形体の用途等に応じて自由に選択して構わない。

本実施形態の歯車１は、セルロースナノファイバ１１が樹脂１２中に含まれた混合樹脂１０によって成形されているが、図２に示すように、機能面５として機能する歯部３の外周面３ａ及び歯車本体２の外周面２ａは、その全面に亘ってセルロースナノファイバ１１が整列した状態で成形されている。

なお、図２では、図面を見易くして発明の理解を助けるために、セルロースナノファイバ１１を誇張して図示している。また、セルロースナノファイバ１１の整列状態を実際に確認する場合には、例えば走査型電子顕微鏡等の各種の電子顕微鏡により確認することが可能である。

より具体的には、歯部３の外周面３ａ及び歯車本体２の外周面２ａは、セルロースナノファイバ１１が歯車１の厚み方向に沿って整列した状態で成形されている。厚み方向に沿って整列とは、各セルロースナノファイバ１１が厚み方向に沿って配置され、且つ各セルロースナノファイバ１１が厚み方向に沿って並んでいる状態（図２に示す状態）だけでなく、各セルロースナノファイバ１１が径方向に沿って配置され、且つ各セルロースナノファイバ１１が厚み方向に沿って並んでいる状態（図６に示す状態）を含む。

（歯車の製造方法）
次に、上述のように構成された歯車１の製造方法について説明する。
本実施形態では、図３に示す成形用金型（成形型）２０を利用した射出成形により歯車１を成形する場合について説明する。ただし、射出成形に限定されるものではない。

成形用金型２０について簡単に説明する。
図３に示すように、成形用金型２０は、固定金型２１と、固定金型２１に対して接近及び移動可能に配設され、固定金型２１に対して重ね合される可動金型２２と、を備えている。

可動金型２２には、歯車１の外形形状に対応して形成されると共に固定金型２１側に開口した環状の成形用凹部２３が形成されている。成形用凹部２３は、固定金型２１に対して可動金型２２が重ね合されることで閉塞される。成形凹部と可動金型２２とで画成される空間は、混合樹脂１０が射出されるキャビティ２４となる。

可動金型２２は、その中央部分に配置され、歯車１の軸孔４を成形するための円柱部２５と、円柱部２５を囲むように配置され、歯部３の外周面３ａ及び歯車本体２の外周面２ａを成形するための枠状部２６と、を備えている。なお、円柱部２５と枠状部２６との間に画成された環状空間が上述した成形用凹部２３とされている。
円柱部２５の外周面及び枠状部２６の内周面は、共に歯車１を成形するための成形面として機能する。特に成形面のうち枠状部２６の内周面は、歯部３の外周面３ａ及び歯車本体２の外周面２ａを成形するための主成形面２６ａとして機能する。

固定金型２１には、上記キャビティ２４内に溶融した混合樹脂１０を射出するための射出通路２７が形成されている。なお、射出通路２７の通路径、位置及び数等は自由に設定して構わない。また、可動金型２２には、成形された歯車１を可動金型２２から離型させる押出しピン２８が設けられている。なお、この押出しピン２８についても、ピン径、位置及び数等は自由に設定して構わない。

可動金型２２における主成形面２６ａには、図４及び図５に示すように、毛細管現象により混合樹脂１０を浸透させる複数の微小溝３０が全面に亘って形成されている。図示の例では、微小溝３０は厚み方向に沿って延びた縦長のスリット状に形成され、間隔をあけて平行に並ぶように配置されている。これにより、複数の微小溝３０はそれぞれ同方向に延びている。
なお、図４及び図５では、図面を見易くして発明の理解を助けるために、微小溝３０を誇張して図示している。

次に、上述のように構成された成形用金型２０を利用した歯車１の製造について説明する。
この場合には、固定金型２１と可動金型２２とを重ね合わせた後、図６に示すように、射出通路２７を通じてキャビティ２４内に溶融した混合樹脂１０を射出して、キャビティ２４内に混合樹脂１０を充填する。

なお、混合樹脂１０は、解繊処理によって得られたセルロースナノファイバ１１を樹脂１２中に混合し、適切に攪拌することで作製される。この際、必要に応じて有機溶媒等の分散剤を、発揮させたい機械的特性に影響を与えない程度に添加しても構わない。
また、セルロースナノファイバ１１の含有量としては、例えば、セルロースナノファイバ１１と樹脂１２とを合計した総量１００質量％に対して、数質量％〜５０質量％程度が好ましい。いずれにしても、機械的特性の付与に貢献し、且つ溶融した混合樹脂１０の流動性を損なわない程度に、セルロースナノファイバ１１を樹脂１２に混合させれば良い。

キャビティ２４内に混合樹脂１０を射出することで、図６に示すように、キャビティ２４内の全域に行き渡るように混合樹脂１０を流動させながら、キャビティ２４内に混合樹脂１０を充填させることができると共に、混合樹脂１０の流動に伴って複数のセルロースナノファイバ１１をキャビティ２４内に拡散させることができる。

次いで、充填した混合樹脂１０を冷却によって固化させる。これにより、成形用凹部２３における成形面の形状に倣って混合樹脂１０を成形することができ、歯車本体２及び歯部３を有する歯車１を成形することができる。最後に、固定金型２１から可動金型２２を離間させ、押出しピン２８によって可動金型２２から歯車１を離型させることで、歯車１の製造が終了する。

特に、図５及び図６に示すように、可動金型２２における主成形面２６ａには、複数の微小溝３０が形成されているので、キャビティ２４内に混合樹脂１０を充填した際に、毛細管現象を利用して微小溝３０内に混合樹脂１０を入り込ませて浸透させることができる。これにより、少なくとも主成形面２６ａ付近においては、混合樹脂１０の流れを微小溝３０に沿った流れとなるように流れの向きを整えることができる。

しかも複数の微小溝３０は同じ方向に延びているので、主成形面２６ａ付近における混合樹脂１０の全体的な流れの向きを、微小溝３０に沿った層流にさせ易い。そのため、図２に示すように、混合樹脂１０中のセルロースナノファイバ１１の向きを、微小溝３０に沿って整列させることができる。
従って、混合樹脂１０の充填時、図６に示すようにキャビティ２４内で混合樹脂１０がたとえ乱流状態で流動したとしても、主成形面２６ａ付近においては混合樹脂１０の流れを層流にさせ易く、それによってセルロースナノファイバ１１の向きを微小溝３０に沿って整列させることが可能であるうえ、凝集も生じさせ難い。

しかも混合樹脂１０は、主成形面２６ａに近づくほど、微小溝３０が形成された主成形面２６ａから摩擦抵抗（粘性抵抗）を受け易くなるので、流れが弱まって毛細管現象が生じ易くなると共に層流になり易い。従って、この点においてもセルロースナノファイバ１１の向きを微小溝３０に沿って整列させ易くなる。

その結果、図２に示すように、全面に亘ってセルロースナノファイバ１１が厚み方向に整列した状態で機能面５（歯車本体２の外周面２ａ及び歯部３の外周面３ａ）を成形することができる。
従って、これら機能面５にセルロースナノファイバ１１の特性を利用した機械的特性を安定的且つ均等に付与することができる。

特に、セルロースナノファイバ１１は、鋼鉄に比べて１／５程度軽量でありながら５倍以上の強度を有しているので、機能面５に高い機械的強度及び耐摩耗性等を付与することができる。従って、軽量化を図りながら、高い機械的強度、耐久性及び摺動性に優れた高品質な歯車１とすることができる。
しかもセルロースナノファイバ１１は、熱収縮率が低く、例えばガラスの１／５０程度であるので、成形後の形状精度を向上させることができると共に、機能面５に上述した機械的特性を安定に付与させ易い。加えてセルロースナノファイバ１１は、植物に由来するので、例えば炭素繊維、ガラス繊維やアラミド繊維等に比べて環境負荷が小さい。従って、環境負荷軽減に貢献することができるうえ、資源の再利用にも貢献することができる。

以上説明したように、機能面５にセルロースナノファイバ１１の特性を利用した機械的特性を安定的且つ均等に付与することができ、軽量で高い機械的強度を有し、耐摩耗性、耐久性、摺動性等に優れた高品質な樹脂製の歯車１を再現性良く得ることができる。

なお、上述の構成は、様々な歯車に適用可能であり、例えば、かさ歯車にも適用可能である。本実施形態によれば、このような歯車であっても、機械的強度に優れ、耐摩耗性、耐久性、摺動性に優れた歯車を安価に提供することが可能になる。
さらに、上記実施形態では、歯車本体２の外周面２ａ及び歯部３の外周面３ａを、機能面５として機能させたが、この場合に限定されるものではなく、少なくとも歯部３の外周面３ａを機能面として機能させても構わない。

（第２実施形態）
以下、本発明に係る成形体の第２実施形態について説明する。
本実施形態では、人工股関節のカップリング部分に対して本発明の成形体を適用している。即ち、人工股関節は、大腿骨側のステムと、寛骨臼側のカップとが嵌合し、互いに摺動するように構成されている。そこで、ステム及びカップの少なくとも摺動面を、上述のセルロースナノファイバ１１で形成することで、軽量で高い機械的強度を有し、且つ耐摩耗性、耐久性、摺動性等に優れた高品質な樹脂製のカップリングを提供することが可能になる。
また、従来の金属製の人工股関節と比較すると、重量を大幅に軽量化できるので、手術時、装着時の取り扱い易さが向上し、また、術後の装着者の運動負担を大幅に軽減することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、成形体の一例として、第１実施形態では歯車を説明し、第２実施形態では人工股関節を説明したが、これらの場合に限定されるものではなく、混合樹脂の成形によって製造されるものであれば広く適用することができる。

また、第１実施形態では、複数の微小溝を同じ向きに形成したが、この場合に限定されるものではなく、異なる向きに形成しても構わない。可動金型における主成形面に対して毛細管現象を利用して混合樹脂を導入できれば微小溝をどのように形成しても構わない。

また、ナノファイバとして、セルロースナノファイバを例に挙げて説明したが、この場合に限定されるものではなく、例えば、カーボンナノファイバ、カーボンナノチューブ、ガラスナノファイバ等を採用しても良い。さらに、ナノファイバとしては、１種類だけでなく、複数種類を組み合わせて使用しても良い。
さらに、混合樹脂中に、例えば難燃助剤、難燃剤、酸化防止剤、離形剤等を機械的特性が損なわれない程度に添加しても構わない。

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…歯車（成形体）
２…歯車本体（本体部）
３…歯部（本体部）
５…機能面
１０…混合樹脂
１１…セルロースナノファイバ（ナノファイバ）
２０…成形用金型（成形型）
２４…キャビティ
２６ａ…主成形面
３０…微小溝

Claims (7)

1. ナノファイバが樹脂中に含まれた混合樹脂で成形された本体部と、前記本体部の表面のうち外部からの作用を受ける機能面と、を備えた成形体を製造する方法であって、
   成形型のキャビティ内に前記混合樹脂を充填する工程と、
   前記混合樹脂を前記成形型内で固化させることで、前記機能面を有する前記本体部を成形して前記成形体を得る工程と、を備え、
   前記混合樹脂の充填時、前記成形型における成形面のうち、少なくとも前記機能面を成形する主成形面に対して毛細管現象により前記混合樹脂を導入する、成形体の製造方法。
2. 請求項１に記載の成形体の製造方法において、
   前記機能面を成形する主成形面には、毛細管現象により前記混合樹脂を浸透させる複数の微小溝が全面に亘って形成されている、成形体の製造方法。
3. 請求項２に記載の成形体の製造方法において、
   複数の前記微小溝は同方向に延びている、成形体の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の成形体の製造方法において、
   前記ナノファイバは、複数のセルロースが結合したセルロースナノファイバである、成形体の製造方法。
5. ナノファイバが樹脂中に含まれた混合樹脂で成形された本体部と、
   前記本体部の表面のうち外部からの作用を受ける機能面と、を備え、
   前記機能面は、前記ナノファイバが整列した状態で成形されている、成形体。
6. 請求項５に記載の成形体において、
   前記ナノファイバは、複数のセルロースが結合したセルロースナノファイバである、成形体。
7. 請求項５又は６に記載の成形体において、
   前記本体部は歯部を有する歯車本体であって、前記機能面は少なくとも前記歯部の外周面を含む、成形体。

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