JP2019181795A - 成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バリの発生を抑制しつつ、引張り強度の低下を抑制することができる成形体の製造方法を提供する。【解決手段】流動可能な状態の成形材料を金型の内部に形成されたキャビティ内に充填して成形材料からなる成形体を製造する成形体の製造方法であって、金型の型温度を充填される成形材料のガラス転移温度付近を除く温度に保持した状態で成形材料を金型に充填して固化させる成形工程と、成形材料が固化した成形体を金型から離隔した直後に熱処理する熱処理工程と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、成形体の製造方法に関する。

複数の型を組み合わせてなる金型の内部に形成されたキャビティ内に溶融状態の熱可塑性の合成樹脂を射出して充填することにより、該合成樹脂からなる成形品を製造する成形方法であって、キャビティ内への充填に基づき、該キャビティ内を流動する合成樹脂のうち、キャビティと金型の分割面との境界線の近接領域を流動する合成樹脂の温度が、キャビティと金型の分割面との境界線の非近接領域を流動する合成樹脂の温度よりも低くなるように、金型の温度を調節した状態でキャビティ内に合成樹脂を充填する成形方法が知られている（特許文献１）。

ポリアセタール、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド等の結晶性ポリマーに結晶核材を添加し、振動エネルギーを付与しながら成形し、成形後の成形品を結晶性ポリマーのガラス転移体以上融点以下の温度で熱処理し、成形後の成形品を天然鉱物の存在下で熱処理し、あるいは成形後の成形品に遠赤外線、赤外線を照射することで結晶性ポリマーの球晶サイズを小さくし結晶化度を上げて結晶モルホロジーを制御して摩擦係数および比摩耗量を低下させる合成樹脂成形品の製造方法も知られている（特許文献２）。

特開２００６−１７５７９４号公報 特開平１１−２０９６４０号公報

本発明は、バリの発生を抑制しつつ、引張り強度の低下を抑制することができる成形体の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の成形体の製造方法は、
流動可能な状態の成形材料を金型の内部に形成されたキャビティ内に充填して前記成形材料からなる成形体を製造する成形体の製造方法であって、
前記金型の型温度を充填される前記成形材料のガラス転移温度付近を除く温度に保持した状態で前記成形材料を前記金型に充填して固化させる成形工程と、
前記成形材料が固化した前記成形体を前記金型から離隔した直後に熱処理する熱処理工程と、を含む、
ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の成形体の製造方法において、
前記金型の型温度は、前記成形材料のガラス転移温度よりも少なくとも４０度低い、
ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の成形体の製造方法において、
前記熱処理工程は、前記成形体に前記成形体の結晶化度が３０％以上となるように遠赤外線を照射する、
ことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の成形体の製造方法において、
前記金型は、複数の型を組み合わせて内部に前記キャビティが形成され、前記金型を型締めした状態で、前記キャビティと前記金型の分割面との境界における前記型の互いに対向する分割面の間隙が０．０４ｍｍ以上である、
ことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の成形体の製造方法において、
前記成形材料が、熱可塑性の結晶性樹脂である、
ことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の成形体の製造方法において、
前記熱可塑性の結晶性樹脂は、ＰＰＳ樹脂である、
ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、成形体のバリの発生を抑制しつつ、引張り強度の低下を抑制することができる。

請求項２に記載の発明によれば、成形材料のガラス転移温度よりも高い型温度で成形する場合に比べて、成形体のバリの発生を抑制することができる。

請求項３に記載の発明によれば、短時間で成形体の結晶化度を増加させることができる

請求項４に記載の発明によれば、ガスの良好な排出性を長期に亘って維持して、金型の保守工数を削減することができる。

請求項５、６に記載の発明によれば、高強度の成形体を得ることができる。

成形体を射出成形により製造する成形金型の概略断面模式図である。。 成形体の成形収縮及び加熱収縮を示す図である。 本実施形態における成形体の製造方法における製造サイクル中の温度変化を示す図である。 熱処理工程の全体構成を示す平面模式図である。 樹脂ケースのバリの発生を示す図である。 （ａ）は成形後の樹脂ケースの結晶化度を示す図、（ｂ）は遠赤外線照射後の樹脂ケースの結晶化度を示す図である。 （ａ）は成形後の樹脂ケースの引張り強度を示す図、（ｂ）は遠赤外線照射後の樹脂ケースの引張り強度を示す図である。 （ａ）は成形後の樹脂ケースの全長を示す図、（ｂ）は遠赤外線照射後の樹脂ケースの全長を示す図である。 樹脂ケースを示す図である。

次に図面を参照しながら、本発明の実施形態の具体例を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
尚、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

（１）成形金型の構成と成形動作
図１は成形体を射出成形により製造する成形金型の概略断面模式図である。
以下、図面を参照しながら、成形金型１の構成と成形体の成形動作について説明する。

（１．１）成形金型の全体構成
図１に示すように、成形金型１は、ＰＬをパーティングライン面とする固定側型１０と可動側型２０とからなり、固定側型１０と可動側型２０との間に樹脂が充填されるキャビティＣが形成されている。

固定側型１０は、固定側取付板１１と、ランナーストリッパープレート１２と、入れ子収納部が形成された固定側型板１３と、キャビティＣの一部を構成するキャビティ面及びパーティングライン面ＰＬの一部が形成された入れ子１４からなる。

固定側取付板１１、ランナーストリッパープレート１２、入れ子１４が配設された固定側型板１３は順に接合され、固定側取付板１１には樹脂が供給されるロケートリング１５が設けられている。
固定側取付板１１及びランナーストリッパープレート１２には、ロケートリング１５に連通し樹脂の注入空間としての通路を形成するスプルーブッシュ１６が設けられている。また、固定側型板１３には注入空間としてのスプルーランナー部１７が形成され、スプルーランナー部１７と入れ子１４のキャビティ面とを連通する注入空間としてのゲート１８が設けられている。

可動側型２０は、可動側取付板２１と、スぺーサブロック２２を介して可動側取付板２１に取付けられる受け板２３と、受け板２３に接合される可動側型板２４からなる。可動側型板２４の固定側型１０側には、入れ子１４のキャビティ面に望む凸部２５を有する入れ子２６が取付けられている。
入れ子２６には、インサート部品を位置決めして保持するピン２７が固定側型１０側に突出して設けられている。

固定側型１０及び可動側型２０には、金型温度調節機構４０が設けられている。金型温度調節機構４０は、熱媒体供給源（不図示）に接続された熱媒体循環路（不図示）と、温度調節機（不図示）から構成され、入れ子１４及び入れ子２６を介してキャビティＣの温度を予め定められた所定の温度に加熱する。尚、金型温度調節機構４０は、熱媒体を利用する方式に限らず、固定側型１０及び可動側型２０に埋め込まれるカートリッジヒータであってもよい。

入れ子１４のパーティングライン面ＰＬには、必要に応じて、キャビティＣ内の空気および射出された溶融樹脂から発生する揮発成分やガス成分（以下、ガスと記す）を排気するために、ガスベント溝ＧＶ（不図示）が設けられる。ガスベント溝ＧＶは、キャビティＣ内のガスを排気でき、射出された溶融樹脂の漏出を防止する観点から、通常は深さ０．０１ｍｍないし０．０２ｍｍ、幅３ｍｍないし１０ｍｍ程度の溝として加工されている。
特に、成形材料がＰＰＳ（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ：ポリフェニレンサルファイド）の場合、通常の金型温度は１３０°Ｃないし１６０°Ｃと高く、溶融樹脂の粘性も低いため、僅かな間隙であっても溶融樹脂のはみ出し（以下、バリと記す）が発生しやすく、成形体の要求仕様によっては、成形後に後加工によりバリ除去処理が行われる。

可動側型２０にはエジェクタ機構３０が設けられている。エジェクタ機構３０は、可動側取付板２１と受け板２３との間に架設されたエジェクタガイドピン３１及びサポートピン３２に沿って移動可能な一対のエジェクタプレート３３と、エジェクタプレート３３に設けられエジェクタプレート３３と同動する複数のエジェクタピン３４と、エジェクタプレート３３に設けられエジェクタプレート３３と同動するとともにセンターピン２９に同軸で摺動可能に設けられたエジェクタスリーブ３５から構成されている。

エジェクタプレート３３は常時は不図示の付勢手段によって後退位置に位置させられ、脱型時に不図示の駆動手段によって進出させられて、エジェクタピン３４及びエジェクタスリーブ３５を入れ子２６から突出させて、キャビティＣ内の成形体を押圧して入れ子２６から成形体を離間させる。

（２）成形体の製造工程
このような成形金型１を用いて、成形体を成形する場合、まず、固定側型１０と可動側型２０とで型締めして、所定の金型温度Ｔに加熱した成形金型１に対して、ゲート１８から溶融状態の成形材料を充填する。ここでは成形材料として結晶性樹脂の一例としてＰＰＳを用いた場合について説明する。
ＰＰＳの融点は約２８０℃であるので、成形材料をおよそ２８０〜３２０℃に加熱して溶融させて、所定の金型温度Ｔに加熱された成形金型１に充填する（射出工程）。その際、成形材料を所定の射出速度で注入してキャビティＣの隅々までに充填できるようにする。

その後、成形材料は徐々に固化していくため、固化に伴って成形材料が体積収縮する。そのため、体積収縮した分の成形材料を補填する必要があり、ゲート１８から成形材料を一定の圧力で注入し続ける（保圧工程）。成形体の肉厚やスプルーランナー部１７の太さによって、注入する圧力と時間を適宜調整する。
その後、固定側型１０と可動側型２０との型開きを行い、エジェクタピン３４及びエジェクタスリーブ３５でキャビティＣ内の成形体を押圧して可動側型２０上の成形体を取り出す。

（２．１）高温成形
図２は成形体の成形収縮及び加熱収縮を示す図である。
通常、成形材料が結晶性樹脂であるＰＰＳである場合、成形材料の成形金型１への充填時の金型温度Ｔは、金型温度調節機構４０によって１３０〜１６０℃の高温に設定される（以下、高温成形という）。
成形金型１の金型温度Ｔを、例えば１３０℃に設定することで、成形金型１内に充填された成形材料の急激な温度低下とこれに伴う粘度上昇を抑制して流動性を確保することにより、成形材料がキャビティＣの隅々にまで十分に充填される。

そして、成形材料がＰＰＳのように結晶性樹脂の場合、成形材料の充填（射出）が終わった後、引き続き金型温度調節機構４０を介して金型温度Ｔを１３０℃に加熱した状態に維持して、この間に成形材料の結晶化を完了させる。
これにより、成形体においては、成形材料の結晶化度が３０％以上となる（図６（ａ） 参照）。その結果、図２に示すように、成形収縮率は金型温度Ｔが６０℃を超えると大きくなるが、成形体の加熱収縮率は金型温度Ｔの増加とともに少なくなり、成形体を高温環境で使用した場合の寸法変化が抑制される。

一方、入れ子１４のパーティングライン面ＰＬに設けたガスベント溝ＧＶにおけるバリは、金型温度Ｔの増加とともに大きくなり、金型温度Ｔが１００℃を超えると、成形体に要求されるバリ許容値（限度値）を超える虞がある（図５ 参照）。
この場合、ガスベント溝ＧＶの間隙を深さ０．００５ｍｍないし０．０１ｍｍと狭くしても、ウェルド部ではガスを十分に排出しながらバリの発生を抑制することは難しい。

（２．２）成形体の製造工程
図３は本実施形態における成形体の製造方法における製造サイクル中の温度変化を示す図、図４は熱処理工程の全体構成を示す平面模式図である。
以下、図面を参照しながら成形体の製造方法における製造工程について説明する。

本実施形態に係る成形体の製造方法における製造工程は、複数の型を組み合わせて内部にキャビティＣが形成され、金型を型締めした状態で、キャビティＣと金型の分割面との境界における型の互いに対向する分割面の間隙（ガスベント溝ＧＶ）が０．０４ｍｍ以上の成形金型１を準備し、図３に模式的に示すように、成形金型１の金型温度Ｔを充填される成形材料のガラス転移温度付近を除く温度に保持した状態で成形材料をキャビティＣに充填して固化させる成形工程と、成形材料が固化した成形体を成形金型１から離隔した直後に熱処理する熱処理工程と、を含む。

成形工程においては、成形材料が結晶性樹脂のＰＰＳである場合、ガラス転移温度Ｔｇが約９３℃であるために、金型温度Ｔをガラス転移温度Ｔｇよりも少なくとも４０度低い、４０〜５０℃に加熱した状態で溶融樹脂を充填する。その後、金型温度調節機構４０を介して金型温度Ｔを４０〜５０℃に加熱した状態を維持したまま成形材料を固化させる。

次に熱処理工程において、成形金型１から離隔した直後の成形体に結晶化度が３０％以上となるように遠赤外線を照射する。具体的には、図４に示すように、成形金型１のキャビティＣ内から固化した成形体を取り出して、移動するコンベアベルトＣＢで遠赤外線加熱機５０の加熱ゾーンへ搬送して、急速加熱処理を行う。遠赤外線加熱機５０の加熱ゾーンは、一例として１１５℃に維持され、成形体は加熱ゾーンで６分間加熱される。

これにより、高温成形に比べてウェルド部を含めてバリの発生を抑制することができる。
一方、成形直後の成形体においては、高温成形に比べて成形材料の結晶化度が低いが、成形金型１から離隔した直後の成形体に遠赤外線を照射することで、成形体の結晶化度は高温成形と略同等になり、成形体を高温環境で使用した場合の加熱収縮が抑制される。

図５は樹脂ケース１００のバリの発生を示す図、図６（ａ）は成形後の樹脂ケース１００の結晶化度を示す図、（ｂ）は遠赤外線照射後の樹脂ケース１００の結晶化度を示す図、図７（ａ）は成形後の樹脂ケース１００の引張り強度を示す図、（ｂ）は遠赤外線照射後の樹脂ケース１００の引張り強度を示す図、図８（ａ）は成形後の樹脂ケース１００の全長を示す図、（ｂ）は遠赤外線照射後の樹脂ケース１００の全長を示す図、図９は樹脂ケース１００を示す図である。
以上説明した成形金型１及び製造方法を用いて製造した樹脂ケース１００の評価結果について説明する。

成形体としては、図９に示すように、上方に開口した有底の全体が箱形状の樹脂ケース１００を、図１に示す、入れ子１４及び入れ子２６でキャビティＣが形成された成形金型１を用いて成形した。
成形金型１においてガスベント溝ＧＶは、幅１０ｍｍ、深さ０．０４ｍｍの溝として非ウェルド部及びウェルド部に設けた。

成形材料は、ガラス繊維４０％充填のＰＰＳ樹脂として東レ株式会社製の商品名「トレリナ（登録商標）」シリーズＡ４９５Ｍを用いた。
成形は、型締め力１８０ｔｏｎの成形機に成形金型１を装着して型締め圧として６００ｋｇ／ｃｍ^２に相当する１５０ｔｏｎ、保圧５０ＭＰａ〜５５ＭＰａの条件で、金型温度Ｔを４０℃〜１３０℃（高温成形）の範囲で変更して行った。
熱処理工程においては、電気式セラミックプレートヒータを備えた遠赤外線コンベア炉を用いて１１５℃で成形直後の樹脂ケース１００を所定時間加熱した。

（１）バリの評価
図５に金型温度Ｔと樹脂ケース１００のウェルド部に発生したバリ長さの関係を示す。金型温度Ｔが４０℃、６０℃ではバリの発生は確認されなかったが、金型温度Ｔが１３０℃では、バリの長さは約０．２２ｍｍとなり、バリ除去処理が必要となる限度値としての０．１ｍｍを超える結果となった。また、成形金型１におけるガスベント溝ＧＶは、深さ０．０４ｍｍであり、キャビティＣで発生するガスは十分に排気された。
これにより、金型温度Ｔをガラス転移温度Ｔｇよりも少なくとも４０度以上低い、４０℃に加熱した状態で溶融樹脂を充填することで、ガスの排気を十分に行いながら、バリの発生を抑制することができることが確認された。また、ガスベント溝ＧＶは、通常の溝深さである０．０１ｍｍないし０．０２ｍｍに比べて、０．０４ｍｍ以上の溝深さであるために、ガスの良好な排出性を長期に亘って維持して、金型の保守工数を削減することができる。

（２）結晶化度
図６（ａ）には成形後の樹脂ケース１００の結晶化度、（ｂ）には遠赤外線照射後の樹脂ケース１００の結晶化度を示す。
成形後の樹脂ケース１００は、高温成形である金型温度Ｔが１３０℃では、結晶化度が３６．６％となったが、金型温度Ｔが成形材料であるＰＰＳのガラス転移点以下では、結晶化度が６．７％と非晶部分がかなり残存する結果となった。
金型温度Ｔが４０℃で成形した樹脂ケース１００に遠赤外線を照射して１１５℃でアニールした場合、加熱時間とともに再結晶化が進み、加熱開始後約６分経過した時点で、結晶化度は３６．８％、約１２分経過した時点で３８．３％となり、高温成形（金型温度Ｔ
１３０℃）の場合と略同等の結晶化度となった。

（３）引張り強度
図７（ａ）に成形後の樹脂ケース１００の引張り強度を示し、図７（ｂ）には遠赤外線照射後の樹脂ケース１００の引張り強度を示す。
金型温度Ｔが４０℃、６０℃、８０℃では成形後の樹脂ケース１００の引張り強度の差は殆どなく、金型温度Ｔが１３０℃では、金型温度Ｔが４０℃、６０℃、８０℃に比べて、やや引張り強度の低下が確認された。金型温度Ｔが低い場合には、成形材料の結晶化度が低く、引張り荷重に対して非晶部分が伸びることで引張り破壊に至りにくいためと推察される。
金型温度Ｔが４０℃で成形した樹脂ケース１００に遠赤外線を照射して１１５℃でアニールした場合、照射時間の増加とともに引張り強度が僅かに低下するが、１２分間の照射では、高温成形（金型温度Ｔが１３０℃）の場合と略同等の引張り強度となった。

（４）全長（全体寸法）
図８（ａ）には成形後の樹脂ケース１００の全長Ｌ（図９中 Ｌ参照）を示し、図８（ｂ）には遠赤外線照射後の樹脂ケース１００の全長Ｌを示す。
樹脂ケース１００は、金型温度Ｔが４０℃〜１００℃の範囲では成形収縮が少なく、高温成形である金型温度Ｔが１３０℃では成形収縮が大きい。
金型温度Ｔが４０℃で成形した樹脂ケース１００に遠赤外線を照射して１１５℃でアニールした場合、樹脂ケース１００は加熱時間とともに収縮し、加熱開始後約６分で０．３％程度収縮し高温成形した場合と略同じ全長で安定化した。遠赤外線照射により再結晶化したためと推察される。

このように、結晶性樹脂であるＰＰＳを成形材料として、金型温度Ｔを充填される成形材料のガラス転移温度Ｔｇよりも少なくとも４０度低い、４０〜５０℃に加熱した状態で溶融樹脂を充填して固化させる成形工程と、成形材料が固化した成形体を金型から離隔した直後に成形体の結晶化度が３０％以上となるように遠赤外線を照射する熱処理工程と、を含む成形体の製造方法によれば、ガスベント溝ＧＶをキャビティＣで発生するガスが十分に排気される溝深さに設定した分割金型を用いても、バリの発生を抑制しつつ、引張り強度の低下を抑制することができる。

以上、実施形態及び実施例においては、成形材料としてＰＰＳを用いた成形体について説明したが、成形材料としてはこれに限定されず、結晶性樹脂であるＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）であっても適用することができる。

１・・・金型
１０・・・固定側型
１１・・・固定側取付板
１４・・・入れ子
１８・・・ゲート
２０・・・可動側型
２１・・・可動側取付板
２６・・・入れ子（可動側）
３０・・・イジェクタ機構
４０・・・金型温度調節機構
５０・・・遠赤外線加熱機
１００・・・樹脂ケース
ＧＶ・・・ガスベント溝

Claims (6)

1. 流動可能な状態の成形材料を金型の内部に形成されたキャビティ内に充填して前記成形材料からなる成形体を製造する成形体の製造方法であって、
   前記金型の型温度を充填される前記成形材料のガラス転移温度付近を除く温度に保持した状態で前記成形材料を前記金型に充填して固化させる成形工程と、
   前記成形材料が固化した前記成形体を前記金型から離隔した直後に熱処理する熱処理工程と、を含む、
   ことを特徴とする成形体の製造方法。
2. 前記金型の型温度は、前記成形材料のガラス転移温度よりも少なくとも４０度低い、
   ことを特徴とする請求項１に記載の成形体の製造方法。
3. 前記熱処理工程は、前記成形体に前記成形体の結晶化度が３０％以上となるように遠赤外線を照射する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の成形体の製造方法。
4. 前記金型は、複数の型を組み合わせて内部に前記キャビティが形成され、前記金型を型締めした状態で、前記キャビティと前記金型の分割面との境界における前記型の互いに対向する分割面の間隙が０．０４ｍｍ以上である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の成形体の製造方法。
5. 前記成形材料が、熱可塑性の結晶性樹脂である、
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
6. 前記熱可塑性の結晶性樹脂は、ＰＰＳ樹脂である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の成形体の製造方法。

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