JP2018070795A

JP2018070795A - 発泡成形体、及びその製造方法

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Publication number: JP2018070795A
Application number: JP2016213286A
Authority: JP
Inventors: 慶詞大野; Yoshinori Ono
Original assignee: Kyoraku Co Ltd
Current assignee: Kyoraku Co Ltd
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2018-05-10
Anticipated expiration: 2036-10-31
Also published as: JP6920604B2

Abstract

【課題】成形性が良好であり且つ発泡成形体の機械特性を大幅に向上させることができる発泡成形体の製造方法を提供する。【解決手段】本発明によれば、不溶繊維を含む発泡樹脂を成形する工程を備え、前記発泡樹脂中の前記不溶繊維の含有量は、０．３〜３質量％である、発泡成形体の製造方法が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、発泡成形体及びその製造方法に関する。

熱可塑性樹脂を発泡剤により発泡させた発泡樹脂を用いた発泡成形体が知られている（例えば特許文献１を参照）。

特開２０１２−０３０４９８号公報

発泡成形体は、軽量であるが、非発泡成形体に比べて機械特性に劣る傾向がある。発泡樹脂にタルクなどのフィラーを添加することによって発泡成形体の機械特性を向上させる方法が考えられるが、本発明者による予備実験によると、発泡樹脂にタルクを１．５質量％添加しても機械特性がほとんど向上せず、タルクの添加量を増やすと成形性が悪化してしまうことが分かった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、成形性が良好であり且つ発泡成形体の機械特性を大幅に向上させることができる発泡成形体の製造方法を提供するものである。

本発明によれば、不溶繊維を含む発泡樹脂を成形する工程を備え、前記発泡樹脂中の前記不溶繊維の含有量は、０．３〜３質量％である、発泡成形体の製造方法が提供される。

本発明者が発泡成形体の機械特性を向上させるべく鋭意検討を行ったところ、発泡樹脂中の不溶繊維の含有量を０．３〜３質量％にした場合には、成形性が良好であり且つ発泡成形体の機械特性が大幅に向上することを見出し、本発明の完成に到った。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記不溶繊維の含有量は、０．６〜２．１質量％である。
好ましくは、前記不溶繊維は、ガラス繊維又は炭素繊維である。
好ましくは、前記不溶繊維は、前記発泡成形体中での平均長さが５０〜５００μｍである。
好ましくは、前記平均長さが７０〜１２０μｍである。
好ましくは、前記発泡成形体は、引張弾性率が４００ＭＰａ以上である。
本発明の別の観点によれば、不溶繊維を含む発泡成形体であって、前記不溶繊維の含有量は、０．３〜３質量％である、発泡成形体が提供される。

本発明の一実施形態の発泡成形体の製造方法で利用可能な発泡成形機１の一例を示す。本発明の一実施形態の発泡成形体の構成を示す模式図である。不溶繊維が過剰に添加された発泡成形体の構成を示す模式図である。実施例３の発泡成形体の断面写真である。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴事項について独立して発明が成立する。

本発明の一実施形態の発泡成形体の製造方法は、不溶繊維を含む発泡樹脂を成形する工程を備え、前記発泡樹脂中の前記不溶繊維の含有量は、０．３〜３質量％である。

以下、図１を用いて、本発明の一実施形態の発泡成形体の製造方法及びその実施に利用可能な発泡成形機１について説明する。発泡成形機１は、樹脂供給装置２と、ヘッド１８と、分割金型１９を備える。樹脂供給装置２は、ホッパー１２と、押出機１３と、インジェクタ１６と、アキュームレータ１７を備える。押出機１３とアキュームレータ１７は、連結管２５を介して連結される。アキュームレータ１７とヘッド１８は、連結管２７を介して連結される。
以下、各構成について詳細に説明する。

＜ホッパー１２，押出機１３＞
ホッパー１２は、原料組成物１１を押出機１３のシリンダ１３ａ内に投入するために用いられる。原料組成物１１の形態は、特に限定されないが、通常は、ペレット状である。原料組成物１１に含まれる原料樹脂は、例えばポリオレフィンなどの熱可塑性樹脂であり、ポリオレフィンとしては、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体及びその混合物などが挙げられる。原料組成物１１は、ホッパー１２からシリンダ１３ａ内に投入された後、シリンダ１３ａ内で加熱されることによって溶融されて溶融樹脂になる。また、シリンダ１３ａ内に配置されたスクリューの回転によってシリンダ１３ａの先端に向けて搬送される。スクリューは、シリンダ１３ａ内に配置され、その回転によって溶融樹脂を混練しながら搬送する。スクリューの基端にはギア装置が設けられており、ギア装置によってスクリューが回転駆動される。シリンダ１３ａ内に配置されるスクリューの数は、１本でもよく、２本以上であってもよい。

原料組成物１１には、後述する発泡樹脂１１ａ中の不溶繊維の含有量が０．３〜３質量％となる量の不溶繊維が含有される。原料組成物１１には、通常、発泡用の核剤として、重曹やタルクなどが含有されるが、本実施形態では不溶繊維が核剤として機能するので、核剤を別途添加する必要がない。また、図２に示すように、発泡成形体３１は、樹脂部３２中に多数の気泡３３が分散されて構成されるが、不溶繊維が核剤として機能するために、各気泡３３に対応するように不溶繊維３４が配置される。そして、不溶繊維３４はある程度の長さを有しているので、不溶繊維３４によって各気泡が補強される。タルクなどの粒状のフィラーを添加した場合は、気泡が強化されないので、発泡成形体の機械特性がほとんど向上しない。また、図２に示すように、不溶繊維３４を核剤として生成された気泡３３は細長い形状になりやすく、不溶繊維３４は気泡３３の長手方向に沿って配向されやすい。細長い形状の気泡３３が折れ曲がる方向の力が加わると気泡３３が破壊されやすいが、不溶繊維３４が気泡３３の長手方向に沿って配向されるために細長い形状の気泡３３が折れ曲がる方向の力に対する強度が特に強化されて発泡成形体３１の機械特性が向上する。

発泡樹脂１１ａに０．３質量％以上の不溶繊維を含有させることによって、発泡成形体の機械特性が向上する。また、不溶繊維の含有量が３質量％を超えると発泡樹脂１１ａの成形性が悪化する場合があるが、この含有量を３質量％以下にすることによって発泡樹脂１１ａの成形性が良好になる。また、不溶繊維の含有量が３質量％を超えると、図３に示すように、過剰に形成された気泡３３が発泡成形体３１の厚さ方向に連続するか又は近接して配置されることによって発泡成形体３１の強度が著しく低下するが、この含有量を３質量％以下にすることによってそのような問題の発生が抑制される。

ところで、発泡成形体とソリッド（非発泡）成形体では、不溶繊維やタルクなどのフィラーを含有することによる効果が大きく異なっている。発泡成形体では、不溶繊維の含有量が０．９質量％までは不溶繊維の含有量の増大に伴って機械特性が高くなるが、不溶繊維の含有量をそれ以上増やしても機械特性のさらなる改善は見られず、不溶繊維の含有量が３質量％を超えると機械特性が低下する。一方、ソリッド成形体では、不溶繊維の含有量が０．９質量％では機械特性の大幅な改善がみられず、不溶繊維の含有量が３質量％である場合に、発泡成形体が不溶繊維を３質量％含有する場合と同等の機械特性の改善が見られる。また、不溶繊維の含有量を６〜９質量％にすると、３質量％の場合よりも機械特性がさらに大幅に改善する。このため、ソリッド成形体では、不溶繊維は６〜９質量％添加されるのが通常であり、本実施形態での０．３〜３質量％という不溶繊維の含有量は、ソリッド成形体では通常は採用されない含有量である。また、タルクはソリッド成形体の機械特性を向上させるための代表的なフィラーであるが、発泡成形体にタルクを含有させても機械特性はほとんど改善されない。このため、発泡成形体ではフィラーを添加して機械特性を向上させるという試みがこれまではなされてこなかった。このような状況において、本発明者は不溶繊維の少量添加によって発泡成形体の機械特性が大幅に向上するという効果が奏することを発見したが、このような効果は従来技術からは全く予測できなかった。

不溶繊維は、そのまま投入してもよいが、取扱いの容易性の観点から不溶繊維を含むマスターバッチの形態にして投入することが好ましい。不溶繊維とは、発泡成形工程において溶融して消失することがない繊維であり、無機繊維であることが好ましく、ガラス繊維又は炭素繊維であることがさらに好ましい。不溶繊維の含有量は、０．５質量％以上が好ましく、０．６質量％以上がさらに好ましい。この場合、発泡成形体の機械特性の向上が著しい。不溶繊維の含有量は、２．５質量％以下が好ましく、２．１質量％以下がさらに好ましい。この場合、発泡樹脂１１ａの成形性がさらに良好になるからである。不溶繊維の含有量は、具体的には例えば、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５、２．６、２．７、２．８、２．９、３質量％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

発泡成形体中での不溶繊維の平均長さは、例えば５０〜５００μｍであり、７０〜１２０μｍが好ましく、具体的には例えば、５０、７０、１００、１２０、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００μｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。発泡成形体中での不溶繊維の平均直径は、例えば１〜３０μｍであり、具体的には例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０μｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。発泡成形体中での不溶繊維の平均アスペクト比は、例えば３〜１００であり、５〜２５が好ましく、具体的には例えば、３、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

発泡成形体中での不溶繊維の平均長さ、平均直径、及び平均アスペクト比は、発泡成形体の断面において、（発泡成形体の厚さ）×（発泡成形体の厚さの２倍）で構成される画像を切り出し、その画像内で視認できる長さ３０〜１０００μｍである繊維を全てピックアップし、各繊維について長さ、直径、及びアスペクト比（長さ／直径）を測定して、測定値を算出平均することによって算出することができる。

ペレットの状態での不溶繊維の平均長さは、例えば１〜１０ｍｍであり、２〜５ｍｍが好ましく、具体的には例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０ｍｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。ペレットの状態での不溶繊維の平均直径は、発泡成形体中での不溶繊維の平均直径と同様である。ペレットの状態での不溶繊維の平均アスペクト比は、例えば１００〜２０００であり、具体的には例えば、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。ペレットの状態での不溶繊維の平均長さ、平均直径、及び平均アスペクト比は、ペレットの表面で観察される不溶繊維をランダムに１０本抜き出し、各繊維について長さ、直径、及びアスペクト比を測定して、測定値を算出平均することによって算出することができる。

＜インジェクタ１６＞
シリンダ１３ａには、シリンダ１３ａ内に発泡剤を注入するためのインジェクタ１６が設けられる。インジェクタ１６から注入される発泡剤は、物理発泡剤、化学発泡剤、及びその混合物が挙げられるが、物理発泡剤が好ましい。物理発泡剤としては、空気、炭酸ガス、窒素ガス、水等の無機系物理発泡剤、およびブタン、ペンタン、ヘキサン、ジクロロメタン、ジクロロエタン等の有機系物理発泡剤、さらにはそれらの超臨界流体を用いることができる。超臨界流体としては、二酸化炭素、窒素などを用いて作ることが好ましく、窒素であれば臨界温度−１４９．１℃、臨界圧力３．４ＭＰａ以上、二酸化炭素であれば臨界温度３１℃、臨界圧力７．４ＭＰａ以上とすることにより得られる。化学発泡剤としては、酸（例：クエン酸又はその塩）と塩基（例：重曹）との化学反応により炭酸ガスを発生させるものが挙げられる。化学発泡剤は、インジェクタ１６から注入する代わりに、ホッパー１２から投入してもよい。

＜アキュームレータ１７、ヘッド１８＞
原料組成物１１と発泡剤が溶融混練されてなる発泡樹脂１１ａが形成される。発泡樹脂１１ａ中の不溶繊維の含有量は０．３〜３質量％である。発泡樹脂１１ａは、シリンダ１３ａの樹脂押出口から押し出され、連結管２５を通じてアキュームレータ１７内に注入される。アキュームレータ１７は、シリンダ１７ａとその内部で摺動可能なピストン１７ｂを備えており、シリンダ１７ａ内に発泡樹脂１１ａが貯留可能になっている。そして、シリンダ１７ａ内に発泡樹脂１１ａが所定量貯留された後にピストン１７ｂを移動させることによって、連結管２７を通じて発泡樹脂１１ａをヘッド１８内に設けられたダイスリットから押し出して垂下させて発泡パリソン２３を形成する。発泡パリソン２３の形状は、特に限定されず、円筒状であってもよく、シート状であってもよい。

＜分割金型１９＞
発泡パリソン２３は、一対の分割金型１９間に導かれる。分割金型１９を用いて発泡パリソン２３の成形を行うことによって、発泡成形体が得られる。分割金型１９を用いた成形の方法は特に限定されず、型締め後に発泡パリソン２３内にエアーを吹き込んで成形を行うブロー成形であってもよく、分割金型１９のキャビティの内面からキャビティ内を減圧して発泡パリソン２３の成形を行う真空成形であってもよく、その組み合わせであってもよい。発泡成形体の発泡倍率は、例えば１．５〜６倍であり、具体的には例えば、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６倍であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。発泡倍率は、下記数式（１）に基づいて算出することができる。
発泡倍率＝（未発泡の原料組成物１１の比重）／（発泡成形体の比重）・・・（１）

発泡成形体の引張弾性率は、例えば２５０ＭＰａ〜８００ＭＰａであり、４００ＭＰａ以上であることが好ましい。発泡成形体に適量の不溶繊維を含有させることによって発泡成形体の引張弾性率を４００ＭＰａ以上にすることができる。引張弾性率は、具体的には例えば、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００ＭＰａであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

図１に示す発泡成形機１を用いて、円筒状の発泡成形体を作製した。押出機１３のシリンダ１３ａの内径は５０ｍｍであり、Ｌ／Ｄ＝３４であった。原料組成物には、ポリプロピレン系樹脂Ａ（ポレアリス社（ＢｏｒｅａｌｉｓＡＧ）製、商品名「ＤａｐｌｏｙＷＢ１４０」）と、ポリプロピレン系樹脂Ｂ（日本ポリプロ株式会社製、商品名「ノバテックＰＰ・ＢＣ４ＢＳＷ」）を質量比６０：４０で混合し、樹脂１００質量部に対して、表１に示す種類及び質量部の無機フィラーを添加した。不溶繊維は、樹脂と不溶繊維を含むペレットの状態で添加されているが、表１中の不溶繊維の質量部は、ペレット全体の質量部ではなく、不溶繊維のみの質量部である。発泡パリソン２３の温度が１９０〜２００℃になるように各部位の温度制御を行った。スクリューの回転数は、６０ｒｍｍとし、押出量は、２０ｋｇ／ｈｒとした。発泡剤は、Ｎ_２ガスを用い、インジェクタ１６を介して注入した。Ｎ_２は、最終的に成形される成形体の発泡倍率が２．８〜３．０になる量注入した。発泡パリソン２３は、成形体としての厚さが約２ｍｍになるように形成した。

以上の条件で形成された発泡パリソン２３を分割金型１９の間に配置し、型締めの後に発泡パリソン２３内にエアーを吹き込むことによってブロー成形を行って厚さが約２ｍｍの発泡成形体を形成し、この発泡成形体について引張試験を行い、以下の基準で評価を行った。引張試験は、ＪＩＳＫ７１１３に準拠して行った。引張の試験速度は、５０ｍｍ／ｍｉｎとし、試験用のダンベル形状は２号形とした。

（成形性）
◎：所望形状の発泡成形体が得られた。
○：所望形状の発泡成形体が得られたが発泡成形体の表面に気泡溜まりが発生した。
×：所望形状の発泡成形体が得られなかった。

（破断点強度）
◎：７．５ＭＰａ以上
○：６．５ＭＰａ以上７．５ＭＰａ未満
△：５．５ＭＰａ以上６．５ＭＰａ未満
×：５．５ＭＰａ未満

（引張弾性率）
◎：５００ＭＰａ以上
○：４００ＭＰａ以上５００ＭＰａ未満
△：２７０ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満
×：２７０ＭＰａ未満

表１中に無機フィラーとしては、以下のものを用いた。
炭素繊維（短繊維）：三菱レーヨン製 PYROFIL PP-C-30A、ペレット状態での長さ３ｍｍ、直径６μｍ
炭素繊維（長繊維）：中央化成品製 PPLCF30、ペレット状態での長さ７ｍｍ、直径６μｍ
ガラス繊維：旭ファイバーガラス製社製、GF PP-MG60、ペレット状態での長さ３ｍｍ、直径１７μｍ
タルク：白石カルシウム製、 MAT-725TP

比較例５〜７に示すようにタルクを０．３〜１．５質量％添加しても機械特性（破断点強度・引張弾性率）がほとんど改善されなかった。一方、タルクを３質量％添加すると成形性が著しく悪化した。一方、実施例１〜１０に示すように、不溶繊維を０．３〜３質量％添加すると破断点強度が著しく向上した。また、不溶繊維を０．６〜３質量％添加すると破断点強度がさらに向上するとともに引張弾性率も著しく向上した。また、不溶繊維を３質量％添加すると成形性が若干悪くなったが、炭素繊維が短繊維である場合には不溶繊維の添加量が２．１質量％以下の場合は成形性の悪化は見られなかった。炭素繊維が長繊維である場合には短繊維の場合に比べて成形性が悪かった。

実施例３の発泡成形体の断面写真を図４に示す。細長い形状の気泡が形成されていて、不溶繊維が気泡の長手方向に沿って配向されていることが分かる。実施例３の発泡成形体に含まれる炭素繊維（短繊維）の平均長さは１００μｍであった。実施例７の発泡成形体に含まれる炭素繊維（長繊維）の平均長さは１５０μｍであった。なお、溶融混練等の際に不溶繊維が折れるので、発泡成形体の含まれる不溶繊維の平均長さは、ペレットの状態での不溶繊維の長さよりも短くなっている。

１：発泡成形機
２：樹脂供給装置
１１：原料組成物
１１ａ：発泡樹脂
１２：ホッパー
１３：押出機
１３ａ：シリンダ
１６：インジェクタ
１７：アキュームレータ
１７ａ：シリンダ
１７ｂ：ピストン
１８：ヘッド
１９：分割金型
２３：発泡パリソン
２５：連結管
２７：連結管
３１：発泡成形体
３２：樹脂部
３３：気泡
３４：不溶繊維

Claims

不溶繊維を含む発泡樹脂を成形する工程を備え、
前記発泡樹脂中の前記不溶繊維の含有量は、０．３〜３質量％である、発泡成形体の製造方法。
前記不溶繊維の含有量は、０．６〜２．１質量％である、請求項１に記載の方法。
前記不溶繊維は、ガラス繊維又は炭素繊維である、請求項１又は請求項２に記載の方法。
前記不溶繊維は、前記発泡成形体中での平均長さが５０〜５００μｍである、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の方法。
前記平均長さが７０〜１２０μｍである、請求項４に記載の方法。
前記発泡成形体は、引張弾性率が４００ＭＰａ以上である、請求項１〜請求項５の何れか１つに記載の方法。
不溶繊維を含む発泡成形体であって、
前記不溶繊維の含有量は、０．３〜３質量％である、発泡成形体。