JP2022065480A - 成形品およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、上記記載の方法では、表面の触感や風合い、質感の再現が困難でありプラスチック感が残ってしまうことや、形状制約を受けるため汎用性が低い等の課題がある。
<成形品の製造方法>
図1A乃至図1Eは、実施の形態1に係る成形品の製造方法の各工程を示す概略断面図である。図2Aは、図1Dの成形品の製造方法の一工程において、成形品の表面の凹凸形状の一部を除去する加工直前の表面状態を示す詳細断面図である。図2Bは、図1Eの成形品の製造方法の一工程において、成形品の表面の凹凸形状の一部を除去する加工直後の表面状態を示す詳細断面図である。
実施の形態1に係る成形品の製造方法は、金型キャビティ101及び金型コア102を型締めする工程と、金型キャビティ101及び金型コア102の内部のキャビティに、セルロース系フィラー複合樹脂105を射出成形して、成形品を形成する工程と、冷却固化した後、金型キャビティ101及び金型コア102を型開きして成形品107を金型キャビティ101及び金型コア102から取り出す工程と、取り出した成形品の表面に付与された凹凸形状の一部を除去し、模様を形成する工程と、を含む。
(1)まず、内表面に凹凸を施した金型キャビティ101及び金型コア102を型締めする(図1A)。金型キャビティ101には、セルロース系フィラー複合樹脂を射出するスプルー103が設けられている。
(2)次に、金型キャビティ101及び金型コア102の内部のキャビティにスプルー103から、ベース樹脂にセルロース系フィラーを添加したセルロース系フィラー複合樹脂を射出する(図1B)。これによって、金型キャビティ又は金型コアの内表面の凹凸に対応する凹凸形状が表面に付与され、表面の近傍にセルロース系フィラー由来のフルフラール類を含む層を設けた成形品を形成できる。
(3)次いで、冷却固化した後、金型キャビティ101及び金型コア102を型開きして成形品107を取り出す(図1C)。
(4)さらに、取り出した成形品107の表面に付与された凹凸形状の一部を除去し、フルフラール類を含む層を部分的に残留させてフルフラール類を含む層の分布で模様を形成する(図1D、図1E、図2A、図2B)。
この成形品の製造方法によれば、複数の材料や特殊な成形機や複雑な金型構造を用いる必要がなくなり、且つ、金型の凹凸のデザインにより板目・柾目等の自由な木目模様、または、任意の模様を再現することが可能となる。
セルロース系フィラーの種類は、針葉樹、広葉樹、麻、竹等、セルロースフィラーが抽出できる素材であればよく、特に限定されない。
また、セルロース系フィラーの形状は、直径がμmオーダーからnmオーダー、長さがmmオーダーからnmオーダーの範囲で自由に選定できる。セルロース系フィラー添加による脆化を防止するため、セルロース系フィラーのアスペクト比(長さ/直径)が5以上の繊維形状が好ましい。
母材に用いるベース樹脂は、熱可塑性樹脂を用いるのが好ましく、例えば、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン(ABS)、アクリロニトリルスチレン(AS)、ポリアミド(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリ乳酸(PLA)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリウレタン(PU)、ポリカーボネート(PC)、ポリスチレン(PS)、ポリ塩化ビニル(PVC)、アクリル(PMMA)、ポリヒドロキシアルカノエート(PHA)、等が挙げられる。更に好ましくは、樹脂複合化時のセルロース系フィラーの炭化・劣化を防止するため、融点が220℃以下である、PP、PE、AS、ABS、PVC、POM、PMMAが挙げられる。
金型構造において、金型キャビティ101及び/または金型コア102の内表面に最終の木目模様に対して木目(茶色)で残したい部分を金型キャビティ101及び/または金型コア102の内表面側で凸部(つまり、形状が転写される成形品側で凹部)になるように凹凸104を施す。この金型キャビティ101及び金型コア102を型締めする(図1A)。
金型キャビティ又は金型コアの内表面に設ける凸部は、転写されて成形品側では凹部となる。一方、金型キャビティ又は金型コアの内表面に設ける凹部は、転写されて成形品側では凸部となる。つまり、成形品の表面の凹凸形状は金型キャビティ又は金型コアの内表面の凹凸に対応する。成形品の表面の凹凸形状の一部を除去しても凹部の茶褐色化層は残存して模様を形成する。
例えば、金型キャビティ又は金型コアの内表面に互いに平行な複数の直線状に延在する凸部を含む凹凸を設けた場合には、成形品の表面に付与された凹凸形状の一部の除去により、柾目模様が形成される。また、金型キャビティ又は金型コアの内表面に同芯の複数の楕円状又は半楕円状に延在する凸部を含む凹凸を設けた場合には、成形品の表面に付与された凹凸形状の一部の除去により、板目模様が形成される。さらに、金型キャビティ又は金型コアの内表面に直線状、放射状、円状、角形状、又は点状の任意の形状の凸部を含む凹凸を設けた場合には、成形品の表面に付与された凹凸形状の一部の除去により、任意の模様が形成される。
また、金型キャビティ及び/または金型コアに金型温度を制御するためのヒータや温調回路を設けることで、木目模様の色合いを細かく制御することが可能である。
また、本実施の形態では、最終成形品の外観が木目模様を再現するために凹凸をデザインするが、凹凸は木目模様の再現に限られず、金型キャビティ及び/金型コアにデザイン可能な範囲で任意の形状を設計することが可能である。
内表面に凹凸を設けた金型キャビティ101及び金型コア102で構成される金型内部のキャビティにスプルー103から溶融した上述のセルロース系フィラー複合樹脂105を射出成形する(図1B)。このとき、セルロース系フィラーは投入される熱量に応じてフルフラール類に分類される茶褐色成分が生成され、色合いが茶褐色に変化することが知られており、成形品の表面から板厚中央に向かって徐々に茶褐色から樹脂本来の色味に変化し茶褐色化層を形成する。このとき、成形品の表面が最も茶褐色化が進み、色が濃くなる。そこで、成形品の表面に形成された茶褐色化層をスキン層と呼ぶ。一方、板厚中央の樹脂本来の色味の部分をコア層と呼ぶ。なお、成形品の表面が均一に茶褐色化するように成形条件をコントロールして、セルロース系フィラー複合樹脂を成形品の形状に充填させる。なお、色味の茶褐色との表現は便宜的なものであり、褐色等の色表現を含むものである。
射出成形の後、冷却固化後に、金型キャビティ101及び金型コア102を型開きして成形品107を取り出す(図1C)。このとき、スプルー103に対応する部分の硬化したセルロース系フィラー複合樹脂は、ランナー106と呼ばれる。このランナー106は、成形品107とは分離して取り出される。
取り出した成形品107の表面に転写された凹凸形状110、112(図2A)を研削や切削等の除去手段、例えば、凹凸除去加工具108にて成形品の表面が面一になるよう除去する(図1D、図1E、図2A、図2B)。取り出した成形品107の表面は茶褐色化層113を有する状態になっており、凸部110と凹部112とを有している。図では、凹凸除去加工具108として、回転する研磨ローラを用いているが、これに限られない。成形品107の表面で凸部110であった部分は成形品107の表面で凹部112であった部分に比べ、除去される量が多くなることで茶褐色化層113が除去され、色味がセルロース系フィラー複合樹脂本来の白色の色に近づく。この部分は上述のコア層114である。一方、凹部112は、除去量が凸部110に比べて少ない、または、除去されないため成形時の表面が、成形時のままに近い状態で維持され茶褐色化層113が残存する。この茶褐色化層113が残存する部分は、上述のスキン層111である。この茶褐色化層113の残存量の差によって任意の模様を成形品表面に形成させることができる。つまり、スキン層111とコア層114との分布によって模様が構成される(図2B)。
以上の工程によって最終成形品109が得られる。
スキン層、コア層の定義について図3A及び図3Bを用いて説明する。図3Aは、セルロース系フィラー複合樹脂の射出成形時の、成形品の板厚方向におけるスキン層とコア層とを示す概略断面図である。図3Bは、セルロース系フィラー複合樹脂の射出成形後の、成形品の板厚方向におけるスキン層とコア層を示す概略断面図である。
最終成形品109において、スキン層503とコア層502とが併存することによって、柾目、板目等の木目模様を再現することができる。さらに、スキン層とコア層とが乱立すると、見た目にマット感を感じ、肌触りにも差が出るため、本物の木材のようなランダムな手触りになると共に、光の反射度の点においても木材のような見栄えになるメリットがある。
実施の形態1の具体例では、ベース樹脂にPPを用い、セルロース系フィラーには針葉樹由来の漂白パルプを用いた。また、成形品表面の凹凸形状は最大で0.3mmとし、成形品の板厚は2.8mmとした。また、金型キャビティ及び金型コアには冷却回路を配置し、水による温調を行った。
図5Aにおいて、セルロース系フィラーを55wt%添加したセルロース系フィラー複合樹脂(以下、PP-CeF55%と記載)における、図2Aに記載の射出成形直後の凹凸形状を含む成形品107の成形品の実物外観を示している。図5Bにおいて、図2Bに記載の研削加工後の最終成形品109の成形品実物外観を示している。また、図5Cにおいて、除去量が多い凸部110が形成されていた部分は白色部301(コア層)を形成し、除去されていない、または、除去量が少ない凹部112は残存茶褐色化層111(スキン層)を有し、木目模様部302を形成している。木目模様部302と白色部301とは境界線303で色調が異なっている。
i)凹凸除去深さが凸部の高さより小さい場合
図6Aは、凹凸除去深さが凸部の高さより小さい場合の最終成形品における残存茶褐色化層111と白色化面114とを示す概略断面図である。図6Bは、図6Aの最終成形品109の表面を簡易偏光顕微鏡で観察した結果を示す概略図である。
図6Aにおいて、図2Aに示す凹部112の表面に凹凸除去加工具108が接触しない(除去しない)ように凹凸形状の深さ0.3mmに対し、凸部110を0.29mm除去した場合の断面を示す。つまり、凹部112の表面に形成された茶褐色化層113がそのまま残存茶褐色化層111になる。また、この場合には、最終成形品109の表面に成形品の表面の凹凸形状の一部が段差として残る。図6Bに示す簡易偏光顕微鏡による実際の観察写真701では、凹凸除去加工具108による除去加工がないため、最表面は成形時に形成された茶褐色化層が残存する残存茶褐色化層としてスキン層がそのままの状態で保持されており、一方、白色で見える母材樹脂結晶704が最終成形品109の表面のわずか10%以下で露出していることが分かる。このことから、図6A及び図6Bの場合は最終成形品の表面の結晶化度が低いといえる。
図6Cは、凹凸除去深さが凸部の高さとほぼ同じ場合の最終成形品における残存茶褐色化層111を示す概略断面図である。図6Dは、図6Cの最終成形品109の表面を簡易偏光顕微鏡で観察した結果を示す概略図である。
図6Cにおいて、残存茶褐色化層111が除去加工時に凹凸除去加工具108がわずかに接触するよう凹凸形状の深さ0.3mmに対し、ほぼ0.3mm除去した場合の断面を示している。この場合、最終成形品109の表面には成形品の表面の凹凸が段差として残らない。図6Dに示す簡易偏光顕微鏡による実際の観察写真702では、凹凸除去加工具108によるわずかな除去加工により、除去加工がない場合の表面701(図6B)に比べ、母材樹脂結晶704が最終成形品109の表面の20%から60%の範囲で露出していることが分かる。このことから、図6C及び図6Dの場合は、図6A及び図6Bに比べて最終成形品の表面の結晶化度が高いといえる。
図6Eは、凹凸除去深さが凸部の高さより大きい場合の最終成形品における白色化面114を示す概略断面図である。図6Fは、図6Eの最終成形品109の表面を簡易偏光顕微鏡で観察した結果を示す概略図である。
図6Eにおいて、凹凸除去加工具108によって凹凸形状の深さ0.3mmに対し、0.31mm除去した場合の断面を示す。この場合、茶褐色化層が全部除去されて白色化面114が形成される。図6Fに示す簡易偏光顕微鏡による実際の観察写真703では、茶褐色化層を含むスキン層503が完全に除去され、コア層が最表面に露出しているため母材樹脂結晶704が、最終成形品109の表面に70%から99%の範囲で露出していることが分かる。このことから、図6E及び図6Fの場合は、図6C及び図6Dに比べて結晶化度が更に高く、スキン層の量が減少するにつれて結晶化度が高くなっているといえる。
図7の表1において、実施例1-1は針葉樹パルプを30wt%添加し、樹脂温度200℃、金型温度60℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=3.11であった。
図7の表1において、実施例1-2は針葉樹パルプを35wt%添加し、樹脂温度205℃、金型温度60℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=3.49であった。
図7の表1において、実施例1-3は針葉樹パルプを40wt%添加し、樹脂温度210℃、金型温度60℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=3.69であった。
図7の表1において、実施例1-4は針葉樹パルプを45wt%添加し、樹脂温度215℃、金型温度60℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=4.01であった。
図7の表1において、実施例1-5は針葉樹パルプを50wt%添加し、樹脂温度220℃、金型温度75℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=4.30であった。
図7の表1において、実施例1-6は針葉樹パルプを55wt%添加し、樹脂温度225℃、金型温度75℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=4.75であった。
図7の表1において、実施例1-7は針葉樹パルプを60wt%添加し、樹脂温度230℃、金型温度75℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=5.06であった。
図7の表1において、実施例1-8は針葉樹パルプを65wt%添加し、樹脂温度235℃、金型温度75℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=5.21であった。
図7の表1において、実施例1-9は針葉樹パルプを70wt%添加し、樹脂温度240℃、金型温度75℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=5.40であった。
図7の表1において、実施例1-10は針葉樹パルプを75wt%添加し、樹脂温度245℃、金型温度90℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=5.66であった。
図7の表1において、実施例1-11は針葉樹パルプを80wt%添加し、樹脂温度250℃、金型温度90℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=5.93であった。
図7の表1において、実施例1-12は針葉樹パルプを85wt%添加し、樹脂温度255℃、金型温度90℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=6.23であった。
図7の表1において、実施例1-13は針葉樹パルプを90wt%添加し、樹脂温度260℃、金型温度90℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=6.65であった。
図7の表1において、実施例1-14は針葉樹パルプを95wt%添加し、樹脂温度265℃、金型温度90℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能で色差ΔE=6.89であった。
図8の表2において、実施例2-1は母材樹脂がポリエチレン(以下、PEと記載)の場合に、針葉樹パルプを30wt%添加した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能であった。
図8の表2において、実施例2-2は母材樹脂がPEの場合に、針葉樹パルプを95wt%添加した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能であった。
図8の表2において、実施例2-3は母材樹脂がアクリロニトリル-スチレン-ブタジエン(以下、ABSと記載)の場合に、針葉樹パルプを30wt%添加した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能であった。
図8の表2において、実施例2-4は母材樹脂がABSの場合に、針葉樹パルプを95wt%添加した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能であった。
図8の表2において、実施例2-5は母材樹脂がポリ乳酸(以下、PLAと記載)の場合に、針葉樹パルプを30wt%添加した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能であった。
図8の表2において、実施例2-6は母材樹脂がPLAの場合に、針葉樹パルプを95wt%添加し、樹脂温度200℃、金型温度60℃にて射出成形した後、研削加工を施した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能であった。
図8の表2において、実施例2-7は母材樹脂がナイロン(以下、PAと記載)の場合に、針葉樹パルプを30wt%添加した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能であった。
図8の表2において、実施例2-8は母材樹脂がPAの場合に、針葉樹パルプを95wt%添加した実施例である。結果として、木目模様の形成は可能であった。
実施の形態2では、残存茶褐色化層111の色調をより濃くし、はっきりとした木目模様を形成することを目的とし、金型キャビティ及び/または金型コア内にヒータを配置した金型構造で射出成形を実施した。
実施の形態2に係る成形品の製造方法は以下のようにして行われる。
(1)まず、内表面に凹凸104を施し、内部にヒータ401を設けた金型キャビティ101及び金型コア102を型締めする(図9A)。金型キャビティ101には、セルロース系フィラー複合樹脂を射出するスプルー103が設けられている。なお、スプルー103は金型キャビティ101に設ける場合に限られず、金型コア102に設けてもよい。
(2)次に、金型キャビティ101及び金型コア102の内部のキャビティに、スプルー103から溶融したセルロース系フィラー複合樹脂(PP-CeF30%)402を射出する(図9B)。このとき、ヒータ401により金型キャビティ表面は140℃に設定し、射出された樹脂の金型キャビティ側の任意のエリアにより多くの熱量を投入した。これによって、金型キャビティ101又は金型コア102の内表面の凹凸に対応する凹凸形状が表面に付与され、表面の近傍にセルロース系フィラー由来のフルフラール類をより多く含む層を設けた成形品を形成できる。
(3)次いで、ヒータ401の稼働を止め十分に冷却し、冷却固化した後、金型キャビティ101及び金型コア102を型開きして成形品403を取り出す(図9C)。このとき、スプルー103に対応する部分のランナー106は、成形品403とは分離して取り出される。
(4)さらに、取り出した成形品403の表面に付与された凹凸形状の一部を研削加工具108にて除去し、フルフラール類を含む層を部分的に残留させてフルフラール類を含む層の分布で模様を形成する(図9D、図9E)。
以上によって、最終成形品404を得る。
図10の表3において、得られた最終成形品404の木目模様と白色部とのLab色空間における色差を測定した結果、色差ΔE=5.82であり、実施の形態1のプロセスで得た実施例6の同PP-CeF55%の成形品と比較して色差が約1.23倍に向上した。
102 金型コア
103 スプルー
104 表面凹凸
105 成形物
106 ランナー
107 成形品
108 凹凸除去加工具
109 最終成形品
110 凸部
111 残存茶褐色化層
112 凹部
113 茶褐色化層
114 白色化面
301 白色部
302 木目模様部
303 境界線
401 ヒータ
402 成形物
403 成形品
404 最終成形品
501 金型
502 コア層
503 スキン層
504 固液境界層
20 固定型盤
21 移動型盤
22 固定型盤20に固定された固定金型
23 移動型盤21に固定された移動金型
24 二頭式射出装置
25 射出シリンダ
25’ 射出シリンダ
26 射出スクリュー
26’ 射出スクリュー
27 ノズル
28 固定金型22内に設けられたスプルー
29 固定金型22と移動金型23のパーティング面
30 固定金型22と移動金型23の内部に形成されたキャビティ
31 成形品
1201 キャビティ
1202 補強部材
1203 第1材料
1204 第1材料に対して色彩が異なる第2材料
1205 溶融樹脂
1206 分流
1207 凝固層
1208 分流跡
Claims (16)
- 金型キャビティ及び/又は金型コアの内表面に凹凸を施した前記金型キャビティ及び前記金型コアを型締めする工程と、
前記金型キャビティ及び前記金型コアの内部のキャビティに、ベース樹脂にセルロース系フィラーを添加したセルロース系フィラー複合樹脂を射出成形して、前記金型キャビティ又は金型コアの内表面の前記凹凸に対応する凹凸形状が表面に付与され、前記表面の近傍に前記セルロース系フィラー由来のフルフラール類を含む層を設けた成形品を形成する工程と、
冷却固化した後、前記金型キャビティ及び金型コアを型開きして前記成形品を前記金型キャビティ及び金型コアから取り出す工程と、
取出した前記成形品の表面に付与された前記凹凸形状の一部を除去し、前記フルフラール類を含む層を部分的に残留させて前記フルフラール類を含む層の分布で表面に模様を形成する工程と、
を含む、成形品の製造方法。 - 前記射出成形する工程における投入熱量を制御し、前記表面の近傍の前記セルロース系フィラー由来のフルフラール類を含む層の厚さを調整する、請求項1に記載の成形品の製造方法。
- 金型キャビティ及び/または金型コアにヒータ等の熱源を配置して、前記射出成形する工程における投入熱量を制御する、請求項2に記載の成形品の製造方法。
- 前記セルロース系フィラーは、漂白済みのパルプ状態である、請求項1から3のいずれか一項に記載の成形品の製造方法。
- 前記セルロース系フィラー複合樹脂における前記セルロース系フィラーの添加率が30wt%から95wt%である、請求項1から4のいずれか一項に記載の成形品の製造方法。
- 前記セルロース系フィラーを添加する前記ベース樹脂の融点が220℃以下の熱可塑性樹脂である、請求項1から5のいずれか一項に記載の成形品の製造方法。
- 前記金型キャビティ又は前記金型コアの内表面に互いに平行な複数の直線状に延在する凸部を含む凹凸を有し、
前記成形品の表面に付与された前記凹凸形状の一部の除去により、柾目模様が形成される、請求項1から6のいずれか一項に記載の成形品の製造方法。 - 前記金型キャビティ又は前記金型コアの内表面に同芯の複数の楕円状又は半楕円状に延在する凸部を含む凹凸を有し、
前記成形品の表面に付与された前記凹凸形状の一部の除去により、板目模様が形成される、請求項1から6のいずれか一項に記載の成形品の製造方法。 - 前記金型キャビティ又は前記金型コアの内表面に直線状、放射状、円状、角形状、又は点状の任意の形状の凸部を含む凹凸を有し、
前記成形品の表面に付与された前記凹凸形状の一部の除去により、任意の模様が形成される、請求項1から6のいずれか一項に記載の成形品の製造方法。 - ベース樹脂と、前記ベース樹脂に分散したセルロース系フィラーと、を含むセルロース系フィラー複合樹脂からなる成形品であって、
表面に、前記ベース樹脂の結晶化度及び密度が周囲より高く前記セルロース系フィラー由来のフルフラール類が周囲より多いスキン層と、前記スキン層より前記ベース樹脂の結晶化度及び密度が低く、スキン層よりフルフラール類が少ないコア層と、が分布して模様を形成している、成形品。 - 前記スキン層と前記コア層との境界は、前記ベース樹脂の結晶化度が変化する固液境界層である、請求項10に記載の成形品。
- 前記スキン層と前記スキン層から離れた前記コア層との境界にはLab色空間における色差ΔE>3の境界線を有する、請求項10又は11に記載の成形品。
- 前記スキン層と前記コア層との分布によって構成される模様が板目及び/または柾目模様を含む木目模様になっている、請求項10から12のいずれか一項に記載の成形品。
- 前記スキン層と前記コア層との分布によって構成される模様が木目模様以外である、請求項10から12のいずれか一項に記載の成形品。
- 前記スキン層と前記コア層とでは、段差がある、請求項10から14のいずれか一項に記載の成形品。
- 前記スキン層と前記コア層とでは、段差がなく面一である、請求項10から14のいずれか一項に記載の成形品。
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