JP2023178638A - 射出成形機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱硬化性樹脂組成物の成形品の品質バラツキを抑制する熱硬化性樹脂組成物用の射出成形機を提供する。【解決手段】射出成形機１は、加熱筒１０と、前記加熱筒１０の先端に設けられたノズル２０と、前記加熱筒１０の内部に進退可能に設けられたスクリュー５０と、を有する熱硬化性樹脂組成物用の射出成形機１であって、前記ノズル２０に設けられ、前記ノズル２０の温度を調整するノズル温度調整部４０、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱硬化性樹脂組成物用の射出成形機に関する。

熱硬化性樹脂の射出成形では、適正な品質の成形品を製造するためには、熱硬化性樹脂の温度が適切な範囲になるように、加える熱量を制御することが重要である。すなわち、熱硬化性樹脂が、流動しやすい粘度、硬化が進行しづらい温度になるようにすることが必要である。例えば、加熱シリンダに設けられ、ノズル側から順に配置された第１流路および第２流路と、第１流路に高温媒体、中温媒体および低温媒体のいずれか１つが流れるように各媒体の流れを切り換える第１切換装置と、高温媒体の温度を調整する高温媒体用温調機と、制御装置と、を有する熱硬化性樹脂用の射出成形機が開示されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０２２－５６１５０号公報

近年、大型の樹脂成形品において、熱硬化性樹脂の成形品が用いられるようになっている。そのためには、大型の射出成形機が必要となる。大型の射出成形機では加熱筒も大型になり、従来の熱硬化性樹脂の温度調整技術では、要求される成形品の品質に対応できず、新たな技術が求められていた。特に、成形品の品質への要求が厳しくなっており、製造時の品質バラツキを抑制する技術が求められていた。

本発明は以上の課題に鑑みなされたもので、熱硬化性樹脂組成物の成形品の品質バラツキを抑制する熱硬化性樹脂組成物用の射出成形機を提供することを目的とする。

本発明によれば、以下の技術が提供される。
［１］
加熱筒と、前記加熱筒の先端に設けられたノズルと、前記加熱筒の内部に進退可能に設けられたスクリューと、を有する熱硬化性樹脂組成物用の射出成形機であって、
前記ノズルに設けられ、前記ノズルの温度を調整する温度調整部、
を有する射出成形機。
［２］
前記温度調整部は、熱媒体を循環させる流路を有し、前記熱媒体を循環させることで前記ノズルの温度を調整する、［１］に記載の射出成形機。
［３］
前記スクリューのスクリュー有効長Ｌとスクリュー径Ｄの比Ｌ／Ｄが１２．５以上１７．５以下である、［１］または［２］に記載の射出成形機。
［４］
前記スクリューが、前記ノズルの方向に進行することで、前記加熱筒内の熱硬化性樹脂組成物が前記ノズルから金型に射出される、［１］から［３］までのいずれか１に記載の射出成形機。
［５］
前記ノズルから射出される前記熱硬化性樹脂組成物の温度が８０℃以上１３０℃以下に調整される、［１］から［４］までのいずれか１に記載の射出成形機。
［６］
前記温度調整部から前記ノズル内の樹脂流路までの距離をｄ１とし、前記加熱筒におけるヒータから前記加熱筒の樹脂混練部における樹脂流路までの距離をｄ２としたときに、ｄ１＜ｄ２である、［１］から［５］までのいずれか１に記載の射出成形機。
［７］
当該射出成形機が単軸押出機である、［１］から［６］までのいずれか１に記載の射出成形機。
［８］
前記スクリューの圧縮比がゼロである、［１］から［７］までのいずれか１に記載の射出成形機。

本発明によれば、熱硬化性樹脂組成物の成形品の品質バラツキを抑制する熱硬化性樹脂組成物用の射出成形機を提供することができる。

実施形態に係る、射出成形機の概略構成を示す断面図である。 実施形態に係る、射出成形機の正面図である。 実施形態に係る、加熱筒の断面図である。 実施形態に係る、図１の領域Ａ１の拡大図である。 実施形態に係る、図３の領域Ａ２の拡大図である。 実施形態に係る、スクリューを示す図である。 実施形態の実施例に係る、比較例の成形品と実施例の成形品とを説明する図である。 実施形態の実施例に係る、成形品安定性（３０ショット連続成形）の評価結果を示す図である。 実施形態の実施例に係る、３分保持後成形安定性の評価結果を示す図である。 実施形態の実施例に係る、大型成形機と１００ｔ成形機の安定性比較の評価結果を示す図である。 実施形態の実施例に係る、スパイラルフローの評価結果を示す図である。

＜概要＞
図１～６を参照して、本実施形態の射出成形機１を説明する。
図１は射出成形機１の概略構成を示す断面図であって、図２のＸ１－Ｘ１断面図である。図２は射出成形機１の正面図であって、図１のＸ矢視である。図３は射出成形機１の断面図であって、図１からスクリュー５０、ホッパー８０および金型９０を取り除いた図である。図４は図１の領域Ａ１を拡大した図であって、ノズル２０の先端側を拡大した図である。図５は図３の領域Ａ２を拡大した図であって、ノズル２０の先端側をスクリュー５０を取り除いて拡大した図である。図６はスクリュー５０の側面図である。

射出成形機１は、加熱筒１０と、加熱筒１０の先端に設けられたノズル２０と、加熱筒１０の内部に進退可能に設けられたスクリュー５０と、を有する熱硬化性樹脂組成物用の射出成形機１であって、ノズル２０に設けられ、ノズル２０の温度を調整するノズル温度調整部４０を有する。この構成の射出成形機１により、加熱筒１０だけでなくノズル２０の先端までの熱硬化性樹脂組成物の温度を適切に管理し、成形時のばらつきを抑制し、安定した成形を実現する。以下、詳細に説明する。

＜射出成形機１概要＞
射出成形機１は、溶融された熱硬化性樹脂組成物を金型９０に射出し樹脂成形品を製造する。射出成形機１は、加熱筒１０と、ノズル２０と、加熱筒ヒータ３０と、ノズル温度調整部４０と、スクリュー５０とを有する。
本実施形態では、射出成形機１として単軸押出機、スクリュー５０としてストレート型かつフルフライト型スクリューを例示するが、本発明の趣旨を逸脱しない限り他の構成が適用されてもよい。なお、射出成形機１は、上記構成以外の図示しない構成として、例えば射出成形機１を制御する制御装置やスクリュー５０の駆動装置、圧力センサ、計量装置等を有する。

＜加熱筒１０＞
加熱筒１０は、図視で左右に長手状の筒状部材である。加熱筒１０の内部にはスクリュー５０を挿通させる樹脂混練部１３（樹脂経路）が設けられている。
加熱筒１０の先端（図視で左側の端部）には、ノズル２０が設けられている。また、後方側上部に設けられた開口である樹脂供給口２５に、成形材料である熱硬化性樹脂組成物を加熱筒１０内に投入するためのホッパー８０（図１参照）が取り付けられる。
加熱筒１０は、便宜的に基部側（図１の右側）から先端側（図１の左側）にかけて、供給部１９ａ、圧縮部１９ｂ、計量部１９ｃの３つのゾーンに３分される。
供給部１９ａは、例えば水平方向において樹脂供給口２５から後述のヒータ後部（ヒータ後部（１）３３ａ、ヒータ後部（２）３３ｂ）が設けられた範囲であって、ホッパー８０から投入された成形材料（熱硬化性樹脂組成物）を連続的に圧縮部１９ｂに供給する。
圧縮部１９ｂは、水平方向において、例えばヒータ中間部（ヒータ中間部（１）３２ａ、ヒータ中間部（２）３２ｂ）が設けられた範囲であって、供給された成形材料を可塑化して計量部１９ｃに供給する。
計量部１９ｃは、水平方向において、ヒータ前部３１が設けられた範囲であって、可塑化された成形材料を計量する。

＜加熱筒ヒータ３０＞
加熱筒ヒータ３０は、加熱筒１０を加熱して、熱硬化性樹脂組成物に熱量を加えるための装置であって、筒本体１１の外周面１６を周方向に巻き付くように取り付けられている。
本実施形態では、加熱筒ヒータ３０として、先端側（図視左側）から、ヒータ前部３１、ヒータ中間部（ヒータ中間部（１）３２ａ、ヒータ中間部（２）３２ｂ）、ヒータ後部（ヒータ後部（１）３３ａ、ヒータ後部（２）３３ｂ）が設けられている。

各ヒータは、例えば、内部に水や油等の熱媒体が流通する熱媒体式ヒータや電気式ヒータのいずれであってもよいし、それらを組み合わせたヒータであってもよい。熱媒体式ヒータの場合、加熱筒ヒータ３０は、熱媒体を循環させる流路を有しており、流路に熱媒体を循環させることで、加熱筒１０の筒本体１１を加熱する。なお、加熱筒ヒータ３０は、保温用のジャケット等その他の構成が含まれる。

＜ノズル２０＞
ノズル２０は、加熱筒１０の先端に設けられており、加熱筒１０内で溶融された熱硬化性樹脂組成物を金型９０内に射出するための、加熱筒１０内と外部とを連通する開口をノズル先端２１に有する。ノズル２０の外形は、先端ほど連続的に又は段階的に縮径する形状を呈する。

ノズル２０内の樹脂流路２３は、加熱筒１０内の樹脂混練部１３と連続して形成されている。樹脂流路２３は、ノズル先端２１側に向かうにつれて縮径する形状を有しており、スクリュー５０のスクリュー先端部５２がちょうど収容可能な形状・大きさとなっている（例えば図４および図５参照）。

ノズル２０には、ノズル温度調整部４０が設けられている。本実施形態では、ノズル温度調整部４０は、ノズル温度調整部本体４１と接続管４２とを有する。
ノズル温度調整部本体４１は、ノズル２０の前後方向（図示では左右方向）で略中央の外径が一定のとなった所定幅の外周面１８において、周方向に巻き付くように取り付けられている。ノズル温度調整部本体４１の内部には、熱媒体が循環する流路が形成されており、接続管４２から熱媒体が供給され循環する。これによって、ノズル２０の温度を所定範囲になるように調整する。本実施形態では、温度調整の方法としては、一定の温度に制御された熱媒体が流路に供給され循環する。なお、ノズル２０の温度を計測する温度センサを設けて、フィードバック制御が行われてもよい。
ノズル温度調整部４０により、ノズル２０から射出される熱硬化性樹脂組成物の温度が８０℃以上１３０℃以下に調整される。

＜スクリュー５０＞
スクリュー５０は、加熱筒１０の内部の樹脂混練部１３に挿通された長手状の部材である。本実施形態では、スクリュー５０はストレート型かつフルフライト型であって、スクリュー本体部５１と、スクリュー本体部５１の一端（ここでは図視で左側の端部）に設けられた先端側が縮径するスクリュー先端部５２と、他端（ここでは図視で右側の端部）に設けられたスクリュー基部５３とを有する。スクリュー基部５３には、スクリュー５０を回転させる計量装置（図視せず）や進退させる駆動装置（図視せず）が取り付けられる。

スクリュー本体部５１の表面には、フライト５５（スクリュー刃）により区画されるスクリュー溝５４が螺旋状に所定深さで形成されている。

スクリュー５０は、その中心軸線が加熱筒１０（より具体的には樹脂混練部１３）の中心軸線と一致するように、樹脂混練部１３に挿通されている。

計量装置によりスクリュー５０が回転されることによって、ホッパー８０から加熱筒１０内（すなわち樹脂混練部１３）に供給された熱硬化性樹脂組成物が加熱筒１０の先端部、すなわちノズル２０の樹脂流路２３に送られる。また、射出モータによりスクリュー５０が前進されることによって、ノズル２０の樹脂流路２３に溜められた熱硬化性樹脂組成物がノズル先端２１の開口から金型９０へ射出される。

＜スクリュー５０の寸法＞
スクリュー５０の寸法として、次の特徴を有する。
スクリュー５０のスクリュー有効長Ｌとスクリュー径Ｄ（外径）の比Ｌ／Ｄが１２．５以上１７．５以下である。スクリュー有効長Ｌとは、スクリュー溝５４が形成されている領域の軸方向の長さをいう。
また、本実施形態では、図６から分かるように、スクリュー有効長Ｌの全体にわたってスクリュー溝５４の深さおよびピッチが一定である。すなわち、スクリュー５０は、ストレート型であることから、溝深さが先端側ほど浅くなる領域を有さず、圧縮比がゼロの形状を呈している。

熱硬化性樹脂組成物の温度がバラつく要因として主に（１）から（３）が挙げられる。
（１）スクリュー５０によるせん断熱
（２）ノズル２０と金型９０の接触による熱移動
（３）段取り時にノズル２０が金型９０と離間したときの空気放熱
比Ｌ／Ｄが大きいと、熱硬化性樹脂組成物の混練時間が長くなり、せん断熱で硬化が促進されてしまう懸念が高まる。一方で、比Ｌ／Ｄが小さいと、熱硬化性樹脂組成物の混練時間が短くなり、混練が不十分であって、熱硬化性樹脂組成物の練りムラが生じる懸念がある。
そこで、比Ｌ／Ｄを適切に設定することで、熱安定性を向上させることができる。その結果、熱硬化性樹脂組成物の溶融状態が安定し、計量・連続成形が安定する。
また、スクリュー５０がストレート型の圧縮比０の構成である観点においても、熱硬化性樹脂組成物の溶融状態を安定させることができる。

＜ノズル２０の厚み（ｄ１）と加熱筒１０の厚み（ｄ２）＞
ノズル温度調整部４０からノズル２０内の樹脂流路２３までの距離（すなわちノズル温度調整部４０が設けられている部分のノズル２０の厚み）をｄ１とする。また、加熱筒１０における加熱筒ヒータ３０から加熱筒１０の樹脂混練部１３（すなわち、加熱筒ヒータ３０が設けられている部分の加熱筒１０の厚み（内面１５から外周面１６までの距離））までの距離をｄ２とする。このときに、ｄ１＜ｄ２である。なお、上記距離ｄ１、ｄ２が一定でない場合は、例えば平均値を採用することができる。

上記の距離ｄ１が距離ｄ２より短く、かつノズル温度調整部４０に常に一定温度の熱媒値が流通していることから、ノズル温度調整部４０の熱媒体の温度を、ノズル２０の樹脂流路２３に一時的に貯留される熱硬化性樹脂組成物に素早く反映させることができる。

＜まとめ＞
本実施形態の特徴を纏めると以下の通りである。
［１］
加熱筒１０と、前記加熱筒１０の先端に設けられたノズル２０と、前記加熱筒１０の内部に進退可能に設けられたスクリュー５０と、を有する熱硬化性樹脂組成物用の射出成形機１であって、
前記ノズル２０に設けられ、前記ノズル２０の温度を調整するノズル温度調整部４０（温度調整部）、
を有する射出成形機１。
［２］
前記ノズル温度調整部４０は、熱媒体を循環させる流路を有し、前記熱媒体を循環させることで前記ノズル２０の温度を調整する、［１］に記載の射出成形機１。
［３］
前記スクリュー５０のスクリュー有効長Ｌ（スクリュー溝５４が形成されている領域の軸方向の長さ）とスクリュー径Ｄ（外径）の比Ｌ／Ｄが１２．５以上１７．５以下である、［１］または［２］に記載の射出成形機１。
［４］
前記スクリュー５０が、前記ノズル２０の方向に進行することで、前記加熱筒１０内の熱硬化性樹脂組成物が前記ノズル２０から金型９０に射出される、［１］から［３］までのいずれか１に記載の射出成形機１。
［５］
前記ノズル２０から射出される前記熱硬化性樹脂組成物の温度が８０℃以上１３０℃以下に調整される、［１］から［４］までのいずれか１に記載の射出成形機１。
［６］
前記ノズル温度調整部４０（温度調整部）から前記ノズル２０内の樹脂流路２３までの距離をｄ１とし、前記加熱筒１０における加熱筒ヒータ３０（ヒータ）から前記加熱筒１０の樹脂混練部１３における樹脂流路までの距離をｄ２としたときに、ｄ１＜ｄ２である、［１］から［５］までのいずれか１に記載の射出成形機１。
［７］
当該射出成形機１が単軸押出機である、［１］から［６］までのいずれか１に記載の射出成形機１。
［８］
前記スクリュー５０の圧縮比がゼロである、［１］から［７］までのいずれか１に記載の射出成形機。

以下、本実施形態を、実施例を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。
以下の実施例では、以下の項目（Ａ）～（Ｄ）の項目について評価を行った。
（Ａ）成形品安定性（３０ショット連続成形）
（Ｂ）３分保持後成形安定性
（Ｃ）大型成形機と１００ｔ成形機の安定性比較１（「計量時間」「最大射出圧」「製品重量」の変動係数）
（Ｄ）スパイラルフロー（ブランク材、成形機（１）および成形機（２）から射出された熱硬化性樹脂組成物の流動性）

射出成形機として、後述する成形機（１）（大型／２８０ｔ成形機）と成形機（２）（１００ｔ成形機）を用いた。
図７に評価に用いた成形品の形状を示す。図７（ａ）が成形機（１）により得られた成形品であり、図７（ｂ）が成形品（２）により得られた成形品である。
［熱硬化性樹脂組成物］
フェノール樹脂を用いた。
［成形機］
成形機（１）：単軸射出成形機 ２８０ｔ
スクリュー有効長Ｌ＝８００ｃｍ、１２００ｃｍ、１６００ｃｍ
スクリュー径Ｄ ８０ｃｍ
比Ｌ／Ｄ：１０、１５、２０
スクリュー谷径 ６０．４ｃｍ
成形品サイズ：３００×３００ｍｍ、８９０ｇ（図７（ａ）参照）
加熱筒温度：７５℃ ５０℃ ４５℃ ４０℃ ３５℃
ノズル温度（熱媒体の温度）：８５℃
金型温度：１６０℃
成形機（２）：単軸射出成形機 １００ｔ
スクリュー有効長Ｌ＝３６０ｃｍ、５４０ｃｍ、７２０ｃｍ
スクリュー径Ｄ ３６ｃｍ
比Ｌ／Ｄ：１０、１５、２０
スクリュー谷径 ９．７ｃｍ
成形品サイズ：７０×５０ｍｍ、５４ｇ（図７（ｂ）参照）
加熱筒温度：９０℃ ６０℃ ３０℃
ノズル温度（熱媒体の温度）：設定なし
金型温度：１７５℃

＜項目（Ａ）：成形品安定性（３０ショット連続成形）＞
熱硬化性樹脂組成物について、比Ｌ／Ｄを１０、１５、２０の３条件として成形機（１）を用いて３０ショット連続で行い成形品を得たときの、「質量」「射出ピーク圧」「可塑化時間」「計量回路平均圧力」のバラツキ（ここでは変動係数）を評価した。
成形品は次の形状のものとした。
サイズ１２０ｘ８０ｍｍ
厚み５ｍｍ
成形品重量 １１１ｇ
［評価結果］
図８に評価結果のグラフを示す。比Ｌ／Ｄの影響が顕著であって、比Ｌ／Ｄが小さいほど成形が安定することが確認された。ここで示すように、２８０ｔクラスを超えるような大型の成形機では、加熱筒の熱量が大きくなり、成形材料である熱硬化性樹脂組成物への熱の影響が大きいと考えられることから、ノズルにノズル温度調整部を設けてノズルの温度を適正に管理することが安定性において効果的であることが確認できた。

＜項目（Ｂ）：３分保持後成形安定性＞
比Ｌ／Ｄを１０、１５、２０として成形機（１）を用いて成形品（図７参照）を得たときの３分保持後成形安定性について、「質量」「射出ピーク圧」「可塑化時間」「計量回路平均圧力」の変動係数を評価した。
３分保持後成形安定性の評価は、材料可塑化後（計量後）に３分間待機時間を設け、その後金型内に材料を射出することで行った。
それ以外は通常の成形方法と同じであった。

［評価結果］
図９に評価結果のグラフを示す。比Ｌ／Ｄの影響が顕著であって、比Ｌ／Ｄが小さいほど成形が安定することが確認できた。

＜項目（Ｃ）：大型成形機と１００ｔ成形機の安定性比較１＞
成形機（１）（大型／２８０ｔ成形機）と成形機（２）（１００ｔ成形機）とを用いて成形品を得たときの成形安定性について、「可塑化時間」および「射出ピーク圧」の変動係数を評価した。
スクリューにおける比Ｌ／Ｄを１５とした。
評価手順は次の通りである。
成形機（１）と成形機（２）（１００ｔ成形機）のそれぞれにおいて上述の条件で成形材料（フェノール樹脂）を計量混錬（可塑化時間）、射出成形（射出ピーク圧）、硬化（１２０秒）後に取り出した製品の重量を測定した。
本項目（Ｃ）では、可塑化時間および射出ピーク圧の変動率について評価した。

［評価結果］
図１０に評価結果のグラフを示す。図１０（ａ）は「可塑化時間」の変動率、図１０（ｂ）は「射出ピーク圧」の変動率を示す。
図示のように、２８０ｔ成形機のような大型の成形機であっても、１００ｔ成形機と同等以上に安定した成形を行うことができることが確認できた。

＜項目（Ｄ）：スパイラルフロー＞
ブランク材、成形機（１）（大型／２８０ｔ成形機）および成形機（２）（１００ｔ成形機）から射出された熱硬化性樹脂組成物の３種類の成形材料について、スパイラルフローを計測し、流動性について評価した。
スクリューにおける比Ｌ／Ｄを１５とした。
スパイラルフローの計測手順は次の通りである。
３種類の成形材料について、圧力のみにより、直径３０ｍｍ、高さ２０ｍｍの大きさのタブレットを作製した。成形機（１）および成形機（２）から射出された熱硬化性樹脂組成物については、粉砕し、タブレット化した。
上面５ｍｍ、下面４ｍｍ、高さ４ｍｍの断面を有する渦巻き状の溝のある金型を使用し、下記の条件で成形材料を注入し、成形材料の硬化までに充填された渦巻き部の長さで流動性を、ブランク材を基準（１００％）として評価した。
・タブレット予熱温度：９５～１００℃
・金型温度：１５０±２℃
・注入圧力：４６０±１０ｋｇ／ｃｍ^２
・プランジャー速度：４０±５ｍｍ／秒
・硬化時間：６０秒間
［評価結果］
図１１に評価結果のグラフを示す。成形機による流動性の違いはほとんど無いことが確認できた。

１ 射出成形機
１０ 加熱筒
１１ 筒本体
１２ 射出成形機
１３ 樹脂混練部
２０ ノズル
２１ ノズル先端
２３ 樹脂流路
３０ 加熱筒ヒータ
３１ ヒータ前部
３２ａ ヒータ中間部（１）
３２ｂ ヒータ中間部（２）
３３ａ ヒータ後部（１）
３３ｂ ヒータ後部（２）
４０ ノズル温度調整部（温度調整部）
４１ ノズル温度調整部本体
４２ 接続管
５０ スクリュー
５１ スクリュー本体部
５２ スクリュー先端部
５４ スクリュー溝
５５ フライト（スクリュー刃）
８０ ホッパー
９０ 金型

Claims (8)

1. 加熱筒と、前記加熱筒の先端に設けられたノズルと、前記加熱筒の内部に進退可能に設けられたスクリューと、を有する熱硬化性樹脂組成物用の射出成形機であって、
   前記ノズルに設けられ、前記ノズルの温度を調整する温度調整部、
   を有する射出成形機。
2. 前記温度調整部は、熱媒体を循環させる流路を有し、前記熱媒体を循環させることで前記ノズルの温度を調整する、請求項１に記載の射出成形機。
3. 前記スクリューのスクリュー有効長Ｌとスクリュー径Ｄの比Ｌ／Ｄが１２．５以上１７．５以下である、請求項１または２に記載の射出成形機。
4. 前記スクリューが、前記ノズルの方向に進行することで、前記加熱筒内の熱硬化性樹脂組成物が前記ノズルから金型に射出される、請求項１または２に記載の射出成形機。
5. 前記ノズルから射出される前記熱硬化性樹脂組成物の温度が８０℃以上１３０℃以下に調整される、請求項１または２に記載の射出成形機。
6. 前記温度調整部から前記ノズル内の樹脂流路までの距離をｄ１とし、前記加熱筒におけるヒータから前記加熱筒の樹脂混練部における樹脂流路までの距離をｄ２としたときに、ｄ１＜ｄ２である、請求項１または２に記載の射出成形機。
7. 当該射出成形機が単軸押出機である、請求項１または２に記載の射出成形機。
8. 前記スクリューの圧縮比がゼロである、請求項１または２に記載の射出成形機。

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