JP2562902B2 - 超高分子量ポリエチレン成形品及びその製造方法 - Google Patents

超高分子量ポリエチレン成形品及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超高分子量ポリエチレンの成形品及びその製
造方法に関し、更に詳しくは表面に分子配向したスキン
層が低減したために表面強度が向上した超高分子量成形
品及びその製法方法に関する。
〔従来の技術及び問題点〕
分子量が100万以上の超高分子量ポリエチレン製品は
衝撃強度が大きく、耐摩耗性、自己潤滑性、耐薬品性、
生体安全性等に優れており、高価であるにもかかわらず
広く使用されている。
しかしながら超高分子量ポリエチレンはメルトインデ
ックス(MI)が0.01以下と小さく、流動性に劣るので射
出成形等は困難である。このため産業的には、加工の74
%が加熱圧縮成形法、20%が押出成形法、6%がその他
の方法により行われている。これらの成形品は板材、丸
棒等のように単純な形状をしており、プレス製品が中心
である。従って、これらの成形品を実用的用途に使用す
る場合、切削加工により、二次成形するのが普通であっ
た。しかし切削加工では量産性に乏しく、かつ切削精度
にも限界があるので、高精度のものを製作しようとする
と成形品のコストが高騰するという問題があった。
以上の事情に鑑み、超高分子量ポリエチレンの成形品
を射出成形により効率よく製造しようとする種々の試み
が提案された。例えば、Journal of Applied Polymaer
Science:Applied Polymer symposium,36,79−88(198
1)は超高分子量ポリエチレンの射出成形品に関して報
告しており、また特開昭51−81861号も同様に超高分子
量ポリエチレンの射出成形について開示している。
しかし上述文献の公表後でも超高分子量ポリエチレン
の射出成形が実用化された例は極めてまれであり、限ら
れた例(例えばスノーモービルのスプロケット)を除い
て実用化は行われていないのが実状である。その理由
は、上記文献にもかかわらず超高分子量ポリエチレンの
流動特性が本質的に解明されておらず、特定の限られた
形状の成形品にしか射出成形法が有効に利用されていな
いからである。換言すれば、ある特定の形状の射出成形
品の製造に成功しても他の形状の射出成形品も同様に得
られるとは限らない。
このような事情において特に問題になっている点は、
超高分子量ポリエチレンを可塑化し、射出成形により金
型のキャビィに充填する際に、成形品の表面層に流動配
向が発生することである。一般にいかなるプラスチック
材料でも射出成形時に金型内で流動配向が発生するが、
超高分子量ポリエチレンの場合、この現象が特に顕著で
あり、その結果、成形品の表面層と本体(バルク)とが
僅かな外力で分離してしまうことが多い。
〔問題点を解決するための手段〕
上記問題点を解決すべく鋭意研究の結果、本発明者は
超高分子量ポリエチレンの射出成形やトランスファー成
形において、金型表面に樹脂の流動方向に対してほぼ直
角方向に延びる凸条を設けるか、それとともに金型キャ
ビティの表面を粗面化するかすることにより、金型キャ
ビティ内に充填する超高分子量ポリエチレンの表面に乱
流を発生させ、もって流動配向によるスキン層を抑制し
得ることを発見し、本発明に想到した。
すなわち、射出成形又はトランスファー成形によりな
る本発明の超高分子量ポリエチレン成形品は、成形した
ままの状態で表面が粗面状であり、流動配向による表面
のスキン層が低減したことを特徴とする。
またかかる耐表面剥離性の良好な超高分子量ポリエチ
レン成形品の製造方法は、内面に凸条を有する金型キャ
ビティに超高分子量ポリエチレン樹脂を溶融状態で充填
し、かつ前記凸条が前記樹脂の流動方向に対してほぼ直
角となるように延在していることを特徴とする。
〔作 用〕
従来の射出成形法やトランスファー成形法により超高
分子量ポリエチレン成形品を製造すると、金型キャビテ
ィ内に流入する溶融樹脂の表面層が流動配向してスキン
層となる傾向があるが、金型キャビティ内面に凸条を設
けると樹脂流表面が乱流化して、スキン層の発生が低減
又は抑制される。これにより成形品の表面層とバルク層
との間に顕著な差が生ぜず、あたかも圧縮成形したよう
に均一かつ樹脂配向の少ない成形品を得ることができ
る。この効果は凸条が樹脂の流動方向に対して直角であ
る程大きく、かつ金型キャビティ内面が粗面化している
方が効果は相乗的に大きくなる。
〔実施例〕
以下に本発明を添付図面に示す実施例によりさらに詳
細に説明する。
第1図は超高分子量ポリエチエンからなる成形品の一
例を示し、(a)は平面図であり、(b)は断面図であ
る。この成形品は射出成形により得られたものである。
第2図は第1図の成形品を製造するための射出成形機
の概略断面図である。成形機は上金型1と、下金型2
と、上金型1と下金型2とにより形成されるキャビティ
3と、キャビティ3に連通するゲート4とを有する。ゲ
ート4を経てキャビティ3に注入される超高分子量ポリ
エチレン樹脂はキャビティ3の中心から外周に向けて流
動する。すなわち、第1図(a)図では、中心から半径
方向外方に流動することになる。
キャビティ3の内面には複数の円周状の凸条が形成さ
れているので、得られる成形品には凸条に対応して円周
状の複数の溝が形成される。その状態を第3図に概略的
に示す。本実施例では溝5は環状に延在している。
ここで、樹脂の流動配向によるスキン層を十分に抑制
するためには、溝5の深さa、幅b、ピッチp及び成形
品の厚さdは下記の関係を満たすのが望ましい。
まず溝5の深さaと成形品の厚さdとについては、 d/1000≦a≦d/10 ……(1) の関係を満たすことが好ましい。さらに具体的には、 であるのが好ましい。
次に溝5の幅bと深さaとは a/10≦b≦5a ……(3) の関係を満たすことが好ましい。さらに好ましくは、 ba ……(4) である。
さらに溝5のピッチpと幅bとは b<p≦100b ……(5) の関係を満たすのが好ましい。
第3図は円形の成形品用の好ましい溝の一例を示した
ものであり、状以外の断面形状とすることができる。
例えば、第4図に示すように、成形品の溝を断面半円状
(a)、断面V字状(b)、断面台形状(c)等として
よい。
また溝は連続的である必要はなく、断続的に形成され
るものでもよい。しかし連続的に溝が形成されるように
金型キャビティの凸条が連続的である方が良好な結果が
得られる。
なお金型キャビティ3の形状が円形以外の複雑な形状
をしている場合、ある点における凸条の方向は、その点
における樹脂の流動方向に対してほぼ直角となるように
設定する。樹脂の流動方向は、一般にゲートからキャビ
ティ外周部まで直線を引いた場合に、その直線にほぼ沿
っているので、凸状はその直線に対して直角となるよう
に形成するのがよい。
また溝は等間隔である必要がない。溝のピッチpは一
般にゲート部近傍では小さく、外周部に近づくにてれて
大きくしてよい。
次に金型キャビティの表面粗さについて説明する。上
記凸条以外の部分においては、金型キャビティ表面は鏡
面状でないことが好ましい。そのため粗面化する。金型
キャビティの表面粗さの好ましい程度は、平均表面粗さ
Ra及び最大表面粗さRmaxにより次のように規定できる。
以上の範囲の表面粗さにより、凸条による効果と相乗
してキャビティ内の樹脂表面層の乱流は十分大きくな
り、スキン層の発生が十分抑制できる。
以上のような表面状態の金型キャビティにより成形す
るので、得られる超高分子量ポリエチレン成形品もそれ
に正確に対応する表面状態(溝及び表面粗さ)を有す
る。
次に、本発明におけるパーティングラインについて説
明する。射出成形品には必ずパーティングラインが存在
するが、成形品上のパーティングラインは第2図に参照
番号6で示すように金型を分離して成形品を取り出す部
位に対応する。それは一般に高圧射出をした場合、金型
が瞬間的に開き、バリの発生する部分である。したがっ
て、成形品面と同一レベルにパーティングラインがある
場合には、成形品上に明瞭に確認できない場合もある。
本発明者は、射出成形時のキャビティ内の樹脂の流動
挙動について種々実験した結果、成形品のパーティング
ラインのある面が全型のパーティングライン6とほぼ垂
直であるとスキン層の発生を抑制するのに有効であるこ
とを発見した。この好ましい態様を第2図に示す。ここ
でパーティングライン面を成形品上に設けると超高分子
量ポリエチレンのスキン層発生を低下させることができ
ることについて種々の原因が考えられるが、主なるもの
は以下の通りである。すなわち、一般に超高分子量ポリ
エチレンを射出成形する場合に、樹脂充填過程の初期
に、高圧力をスクリューに加えるため、相対的に、型締
力よりその成形品投影面積全部に加えられる全圧力が大
きくなり、瞬間的に金型が開き、わずかながらバリが発
生するが、この時に成形品のスキン層面と全型のパーテ
ィングライン面とが同一面上にある場合、樹脂流動がス
キン層面に局在化するためであると考えられる。
成形品のパーティングラインを本発明のように設ける
ことは、すべての成形品に対して可能であることはいう
までもない。
また、金型の構造に関しても、サイドゲート,ピンゲ
ート等のすべてのゲート方式においても本発明のパーテ
ィングラインを設けることができる。
本発明を以下の具体的実施例によりさらに詳細に説明
する。
実施例 1 自動車用板バネの間に挿入する消音部品として、第1
図に示す超高分子量ポリエチレン成形品を成形した。成
形品は直径58mm及び厚さ3mmの円板部の上に、直径16mm
及び高さ5mmの円形凸部を設けた形状の超高分子量ポリ
エチレンの射出成形品である。
本発明の溝形状は、第3図に示すように、深さa=1.
0mm、幅b=1.5mm及びピッチp=3mmであり、成形品の
表面全体に形成されるように、金型ギヤビティの内面全
体に対応する形状の凸条を設けた。
表面粗さはRa=80μm,Rmax=90μmになるように、金
型表面を放電加工した。また金型のパーティングライン
を第2図に示すように消音部品の直径58mm、厚さ3mmの
回転部の外周部側面の中央に設けた。
成形条件は以下の通りであった。
まず金型温度は60℃に設定した。射出成形機は、既出
願(特開昭60−9723号)の構成の超高分子量ポリエチレ
ン専用の装置を使用した。樹脂温度は240℃、射出圧力
は最高3200kg/cm2であった。成形サイクルは、射出1.0
秒、保圧15秒、冷却15秒、型開5秒の計36秒で行った。
また超高分子量ポリエチレンブロックを加熱圧縮成形
法により作成し、それから上記と同一の形状のものを切
り出して従来品とした。
以上のようにして成形した超高分子量ポリエチレン成
形品をそれぞれ幅10mmの切り出して長方形の試験片を作
成し、#46の炭化珪素(SiC)1に対し水1の重量比と
したスラリーの中に、上記試験片を入れて、回転数1500
rpmで2時間サントスラリー試験を行い、摩擦比を求め
た。
その結果、本発明の試験片は従来品の圧縮成形された
超高分子量ポリエチレンブロックから切り出した試験片
と同等の摩耗量(%)を有することがわかった。
このように本発明による成形品は問題となったスキン
層の発生が十分に抑制されており、外力による表面剥離
のおそれがないことがわかる。
〔発明の効果〕
以上詳述した通り、本発明の超高分子量ポリエチレン
形成品は、樹脂の流動配向によるスキン層が減少してい
るので、耐摩性、自己潤滑性のみならず、超高分子量ポ
リエチレン本体の特性を発揮することができる。また従
来の射出成形品のように荷重下でスキン層が離脱するこ
ともなく、耐表面剥離性が向上し、成形品寿命が長くな
った。
また本発明の製造方法はかかる超高分子量ポリエチレ
ン成形品を射出成形法又はトランスファー成形法により
得るもので、品質の安定した成形品を安価に提供するこ
とができる。
本発明の超高分子量ポリエチレンの射出成形品は自動
車等に使用される板バネの間に挿入されるサイレンサー
や、軸受部品、歯車等の機構部品、真空ポンプに使用さ
れるロータリーの羽根等に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1(a)図は本発明の超高分子量ポリエチレン成形品
の一例を示す平面図であり、 第1(b)図は第1(a)図の超高分子量ポリエチレン
成形品の断面図であり、 第2受は本発明の方法を実施するための金型装置の概略
図であり、 第3図は第1図の超高分子量ポリエチレン成形品の部分
拡大断面図であり、 第4図は本発明の超高分子量ポリエチレン成形品の溝の
例を示す図である。 1……上金型、2……下金型 3……キャビティ、4……ゲート 5……溝、6……パーティングライン

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】射出成形又はトランスファー成形によりな
    る超高分子量ポリエチレン成形品において、成形したま
    まの状態で表面が粗面状であり、流動配向による表面の
    スキン層が低減したことを特徴とする耐表面剥離性の良
    好な超高分子量ポリエチレン成形品。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項に記載の超高分子量
    ポリエチレン成形品において、成形時の樹脂の流動方向
    に対してほぼ直角方向に延在する溝を1本以上表面に有
    することを特徴とする超高分子量ポリエチレン成形品。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第2項に記載の超高分子量
    ポリエチレン成形品において、前記溝の深さaと前記成
    形品の厚さdとが式: d/1000≦a≦d/10 により表される関係を満たすことを特徴とする超高分子
    量ポリエチレン成形品。
  4. 【請求項4】特許請求の範囲第2項又は第3項に記載の
    超高分子量ポリエチレン成形品において、前記溝の幅b
    と深さaとが式: a/10≦b≦5a により表される関係を満たすことを特徴とする超高分子
    量ポリエチレン成形品。
  5. 【請求項5】特許請求の範囲第2項乃至第4項のいずれ
    かに記載の超高分子量ポリエチレン成形品において、前
    記溝のピッチpと幅bとが式: b<p≦100b により表される関係を満たすことを特徴とする超高分子
    量ポリエチレン成形品。
  6. 【請求項6】特許請求の範囲第1項乃至第5項のいずれ
    かに記載の超高分子量ポリエチレン成形品において、表
    面の平均粗さRa及び最大粗さRmがそれぞれ 10μm<Ra<100μm 30μm<Rmax<500μm であることを特徴とする超高分子量ポリエチレン成形
    品。
  7. 【請求項7】特許請求の範囲第1項乃至第6項のいずれ
    かに記載の超高分子量ポリエチレン成形品において、成
    形品のパーティングラインの存在する面が金型のパーテ
    ィングラインを形成する面に対してほぼ垂直であること
    を特徴とする超高分子量ポリエチレン成形品。
  8. 【請求項8】耐表面剥離性の良好な超高分子量ポリエチ
    レン成形品の製造方法において、内面に凸条を有する金
    型キャビティに超高分子量ポリエチレン樹脂を溶融状態
    で充填し、かつ前記凸条が前記樹脂の流動方向に対して
    ほぼ直角となるように延在していることを特徴とする方
    法。
  9. 【請求項9】特許請求の範囲第8項に記載の方法におい
    て、前記凸条の高さaと得られる成形品の厚さdとが
    式: d/100≦a≦d/10 により表される関係を満たすことを特徴とする方法。
  10. 【請求項10】特許請求の範囲第8項又は第9項に記載
    の方法において、前記凸条の幅bと高さaとが式: a/10≦b≦5a により表される関係を満たすことを特徴とする方法。
  11. 【請求項11】特許請求の範囲第8項乃至第10項のいず
    れかに記載の方法において、前記凸条のピッチpと幅b
    とが式: b<p≦100b により表される関係を満たすことを特徴とする方法。
  12. 【請求項12】特許請求の範囲第8項乃至第11項のいず
    れかに記載の方法において、内面が粗面化した金型キャ
    ビティを使用することを特徴とする方法。
  13. 【請求項13】特許請求の範囲第8項乃至第12項のいず
    れかに記載の方法において、前記金型キャビティの内面
    の平均粗さRa及び最大粗さRmがそれぞれ 10μm<Ra<100μm 30μm<Rmax<500μm であることを特徴とする方法。
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