JP3655302B2 - 水発泡剤を用いた低密度発泡体の押し出し成形法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、一般に熱可塑性エラストマー発泡体の押出成形に関し、特に発泡剤として水または蒸気を用いた熱可塑性エラストマー発泡体の押出成形法に関する。
発明の背景
慣用的な技術にしたがえば、熱可塑性発泡体は、熱可塑性樹脂を押出機に供給し、１機または２機以上のスクリューの剪断作用を介して、押出機の容器内で持続的に樹脂を溶融することによって製造される。中間時点または混合段階で、溶媒発泡剤（通常は液状または気体状）が持続的に溶融樹脂中に注入される。また別に、米国特許第4107260号で考察されたように、樹脂を押出機に供給する前に、粉末状の化学発泡剤を粒状樹脂中に分散させることもできる。いずれの場合でも、押出機スクリューは、発泡剤を可能な限り均一に溶融樹脂中に混合し溶解することができるようにデザインされている。十分均一に混合することが優れた品質の発泡体の製造に欠かせない。得られた混合物は、発泡剤の早過ぎる揮発を防止するために、注意深く制御された押出機内温度および圧力の下で維持されなければならない。溶融混合物をダイから押し出すとき、材料は大気圧に減圧され、それによって発泡剤は泡として材料体中に拡散され、発泡体が製造される。
最近、溶媒発泡剤（例えばクロロフルオロカーボン）の使用が監査されるようになってきた。これは、大気（特にオゾン層）への有害な影響が疑われるためである。そのような発泡剤の使用は徐々に制限され、将来はおそらく実質的に排除されるであろう。さらに、他の溶媒発泡剤（例えば炭化水素）はクロロフルオロカーボンより大気への有害性がいくぶん少ないと考えられているが、炭化水素は引火性という問題があり、したがってそれらの使用は危険性が高く望ましくない。溶媒発泡剤は、一般に低密度発泡体（例えば0.5g/cc（31.21bs/ft³）未満の密度をもつ発泡体）を製造するために用いられており、溶媒発泡剤の排除およびまたは制限は、発泡体製造産業に重大な問題を与えるであろう。
クロロフルオロカーボンおよび炭化水素の代替物には窒素及び二酸化炭素が含まれる。しかし、熱可塑性エラストマーに窒素及び二酸化炭素を混合することは困難である。特に興味をひく市販の熱可塑性ゴムは、サントプレン（登録商標）（Santoprene▲^Ｒ▼）（以下に示すサントプレンは全て登録商標である）で、アドバーンストエラストマー社（Advanced Elastpmers）から入手できる。モンサントカンパニー社の出版物、”サントプレン熱可塑性ゴムの押出成形発泡技術”（"Extrusion Foaming Technology for Santoprene Thermoplastic Rubber"）（1985年10月５日）には、発泡体入りサントプレンの押出製造方法が記載されている。上記に特定したモンサント出版物は、高密度発泡体入りサントプレンを製造するために、修飾アゾジカルボンアミド化学発泡剤の使用を推奨している。フルオロカーボン11は、0.2−0.5g/cc（12.5−31.21bs/ft³）の密度をもつ低密度発泡体を製造するために発泡剤として推奨されている。同一人所有の米国特許第4898760号は、およそ0.03−0.30g/cc（２−191bs/ft³）の範囲の密度をもつ軟らかい熱可塑性ホームラバーの製造方法および装置を記載している。同号特許に記載されているように、そのような発泡体は、例えば、隙間塞ぎとして特に有用である。しかし、好ましい発泡剤は塩素化フルオロカーボンであり、これは上記の欠点を有する。さらに、新規に開発された発泡剤は例によって非常に高価で、したがって処理コストが高くなる。
多くの開発投資が行われたにもかかわらず、熱可塑性エラストマー、特に低密度熱可塑性ホームラバーのための安価で環境的にも安全な不燃性発泡剤の必要性は解消されていない。
発明の要旨
本発明の目的は、したがって、熱可塑性および圧縮歪み抵抗性を有する低密度軟エラストマー発泡体の製造方法を提供することである。
本発明のまた別の目的は、環境的に安全な発泡剤を用いた高品質発泡体の製造方法を提供することである。
本発明のさらにまた別の目的は、安価で安全で扱いやすい発泡剤を用いて高品質発泡体を製造する方法を提供することである。
上記の目的は、発泡可能熱可塑性エラストマー（例えば熱可塑性ゴム）が選択される方法を用いることによって達成できる。選択された熱可塑性エラストマーは、続いて加熱押出機のバレル（容器）に供給され、ここで、スクリューの作用で圧縮され溶融される。水から成る発泡剤が溶融熱可塑性エラストマーに導入される。溶融熱可塑性エラストマーおよび水は完全に混合され、続いて予め決定された均一な温度まで冷却される。混合物は、その後ダイから押し出され、押出成形発泡体プロフィルを形成する。
【図面の簡単な説明】
以下の詳細な説明が添付の図面と関連しながら考察されるとき、本発明はより良く理解されえるので、本発明および付随する多くの利点のより完全な評価が容易となろう。
図１は、本発明を実施するための装置を示す略図である。
図２は、押出機と水の局部供給との連結を示す。
好ましい具体例の詳細な説明
本発明は、熱可塑性ゴム、特にサントプレンに関して以下に記載されるが、本発明はこのことに限定されるものではなく、熱可塑性エラストマーに応用できる。本明細書で用いられているように、熱可塑性エラストマーは、通常の熱可塑性材の構造特性および通常の熱硬化性ゴムの反応特性を有するゴム性物質を指す。熱可塑性エラストマーは、例えば、天然または合成ゴムと熱可塑性物質の混合物を含むことができる。
サントプレンは熱可塑性エラストマーゴムで、これは、発泡させて押出成形した管類およびプロフィル（形状物）をつくることができる。サントプレンの性状および特性は、米国特許第4130535号および4311628号に記載されており、これらは本明細書に引用文献として含まれている。サントプレンは、熱可塑性加硫ゴムで、完全に加硫されたオレフィンゴムおよび熱可塑性オレフィン樹脂の混合物を含む。前述4130535号特許は、（ａ）25−75重量％の熱可塑性ポリオレフィン樹脂および（ｂ）およそ75−25重量％のモノオレフィン共重合体ゴムの混合物を含む完全加硫ゴム組成物について記載している。
本発明の最初の工程は、発泡可能熱可塑性エラストマーの選択を含む。好ましい具体例では、窓やドアーの隙間塞ぎとして使用する軟らかい低密度発泡体の製造が可能な適切な硬度値を有する、発泡可能熱可塑性ゴムが選択される。本発明の好ましい具体例では、得られた発泡体は、好ましく、ドアーまたは窓を閉めるために加えられる圧により容易に発泡体が変形することができ、さらに負荷が取り除かれたときには永続的な変形（圧縮歪み）に抗することができるような圧縮率（すなわち負荷耐性）を示すはずである。サントプレンエラストマーのデュロメーターの読みの範囲は、適切な軟らかさおよび圧縮歪み抵抗性を達成するためには、73（ショアーＡ）未満が好ましい。他の熱可塑性エラストマーの適切な硬度の選択は、本発明の開示を参考にして容易に決定できる。本発明は、隙間塞ぎとして使用する熱可塑性エラストマーの発泡に限定されるものではなく、したがってより高いデュロメーターのエラストマーも、本発明にしたがって利用することができる。
図１は、熱可塑性エラストマーを押し出す押出成形装置を模式的に表している。米国特許第4898760号には、本発明で使用する装置がさらに詳細に記載されているが、これは、本明細書に参考文献として含まれている。サントプレンのような熱可塑性エラストマーのペレットをホッパー５に入れ、ここから該エラストマーは重力によって押出機のバレル10に供給される。モーター28で押出機を動かし、コントロール27で制御する。ペレットを押出機のバレルに押し込むために、先行技術において既知の詰込み機構を用いてもよいが、そのような機構は必須ではない。押出機バレル10に導入後、樹脂ペレットは、圧縮され溶融されて、水から成る発泡剤と混合される。水はインジェクター35で押出機バレルに注入される。インジェクター35は、ホース40を介してポンプ45に連結されている。ポンプ45は水供給装置50に連結されている。その中で水と混合させた溶融樹脂はダイ15に送られる。この時点で、溶融混合物は減圧され、ダイの構造に応じて発泡プロフィル（形状物）が製造される。その後、押出プロフィルは、冷却のためにコンベヤー20に送られる。
押出機に水を供給するために、局部の水供給系は、図２に示されているようにポンプ系200に直接繋がれていてもよい。この配置は、発泡剤を押出機に導入するために必要な処理物質の量を減少させるので望ましい。ON/OFFバルブ205およびチェックバルブ210は外部の水供給系からポンプ系200へ流れる水流を制御する。二重フィルター系215は、流入水を濾過してポンプに悪影響を及ぼす粒子状夾雑物を除去する。バルブ212は、例えばフィルター交換時に水流を制限するために設置することができる。ポンプ220は、押出機のインジェクター35への送水を制御する。安全弁225は、ポンプ220によって生じる過剰圧を緩和する。背圧レギュレーター230は、押出機５に水を適切に注入するために必要な十分な背圧の維持を保証する。この圧力は、バレルに水を注入するために容器内圧力を越えていなければならない。バルブアッセンブリー235は、系を稼働させるために必要な比較的少量の水の制御を可能にする。バルブアッセンブリー235は、好ましくは、ある範囲の水量をインジェクター35に供給することを可能にする。バルブ235は、例えば微量測定バルブを含むことができる。以下で考察するように、発泡操作には水は殆ど必要とされないので、たとえ設定を最小にしたとしても過剰の水が供給されるかもしれない。マイクロバルブは、一定速度の極めて少量の水の測定を可能にする。好ましくは、水は押出機のバレル10に500から3000PSI（約35.2から210.6kg/cm²）で供給される。
水を押出機容器に導入する他の方法、例えば加圧タンクを使用してもよいが、本発明は、このことに限定されるものではない。
押出機容器10に注入された水は、樹脂の高熱およびスクリュー12の攪拌作用に曝される。加熱水は溶融熱可塑性エラストマーの内部に分散される。高温水を含む溶融物質はダイ15に押し出され、圧が低下して水は水蒸気となり、樹脂は膨張して発泡体を生じる。
表Ｉは、特定の発泡体形状用の22回転（RPM）スクリュー付き２インチ押出機の温度プロフィルを示している。スクリュー速度、温度プロフィルおよび材料は、製造される発泡体形状および密度に左右されることに留意されるべきである。例えば、スクリュー速度は、10RPM未満から100RPM以上に変えることができる。表Ｉに示した温度プロフィルおよびスクリュー速度は、好ましい具体例を表すように意図されたものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

比較的少量の水が、望ましい高品質の低密度発泡体を製造するために必要なことが分かった。表IIは、発泡体製造に必要な発泡剤の量を測定するために企画した試験の結果を示している。

これらの結果は、水ははるかに効率よく熱可塑性エラストマーに小胞を作ることを示している。したがって、水の代わりにCFC−11を用いる場合、1500重量％の発泡剤が必要となる。言い換えれば、CFC−11の代わりに水を用いる場合、７重量％未満の発泡剤で済む。
好ましくは、長さ：直径（L/D）比がおよそ32:1から48:1である単一スクリュー押出機が本発明では用いられる。熱可塑性エラストマー発泡体は、より短いL/D比をもつ押出機で製造できるが、一方、発泡体の密度および圧縮力は大きくなり、表面はより粗くなり、一般に特定の寸法を作ることは困難になるであろう。長い押出機は、溶融熱可塑性エラストマーへの発泡剤の混合を良くし、ライン速度を速め、さらにより厳重な耐性の維持を可能にする。より長いスクリューおよびバレルは、混合を良くし、熱可塑性エラストマーの冷却能を高め、さらに冷却制御能を高めるが、これにより低密度のより均一な製品が得られる。簡単に言えば、より大きいL/D比は微細な調整の強化を可能にし、これは複雑な形状および種々の密度を製造するうえで重要である。本発明にしたがえば、0.06g/cc（3.51bs/ft³）の低い密度を有する発泡体が製造される。
ダイは種々の断面の発泡体を製造するための形状にされることは明白である。ランドの長さが0.001インチ（0.0254mm）から0.300インチ（7.62mm）のダイが良く機能することが分かった。一般に、ダイ開放まで高圧を維持できるダイが、水発泡剤とともに良く機能する。
上記に特定した特許は、それぞれ本明細書に参考文献として含まれている。
実施例
硬度が64ショアーＡのサントプレンを、L/D比が48:1の押出機で押出成形した。温度プロフィルは、表Ｉで述べた通りで、発泡剤として使用した水の量は表IIで説明した通りであった。
先行の記載は、好ましい本実施例についてのみ教示しているが、添付の請求の範囲によってのみ制限される本発明の範囲を逸脱することなく、通常の技術を有する者にとって、種々の変更修飾が為されえることは明白であろう。

Claims (6)

1. 次の工程を含む熱可塑性エラストマープロフィルの押出成形法：
   25−75重量％の熱可塑性ポリオレフィン樹脂および、それに対応して75−25重量％のモノオレフィン共重合体ゴムとの混合物を含み、デュロメーターの値がショアーA73以下である発泡可能な熱可塑性エラストマー組成物を選択し、；
   該熱可塑性エラストマー組成物を混合容器内で前記熱可塑性樹脂の融点以上の温度に圧縮および加熱し；
   該加熱された熱可塑性エラストマー組成物に、実質的に水よりなる発泡剤を該混合容器内で混合し；さらに、
   該加熱された組成物と水とをダイを通して押出して0.3g/cc未満の密度を有する押出成形プロフィルを生成し；
   該混合容器は押出機を含み、該熱可塑性エラストマーが 該押出機内で連続的に押し出され、該押出機は32:1〜4 8:1の長さ：直径比を有する。
2. 該熱可塑性エラストマー組成物が、天然もしくは合成ゴムと熱可塑性素材の混合物を含む、請求の範囲第１項に記載の方法。
3. 水を導入する工程が、熱可塑性エラストマー組成物の閉鎖小胞発泡を生成するために満足される、 発泡体に対し1.1重量％未満の量の水を導入することを含む、請求の範囲第１項に記載の方法。
4. 該混合容器は押出機を含み、該熱可塑性エラストマー組成物が該押出機内で連続的に押し出され、さらに外部水供給系から押出機の容器（バレル）までの間に圧力調節された直接接続からの水を使用する、請求の範囲第１項に記載の方法。
5. 該直接接続を提供する工程が、さらに２個のバルブを含む二重フィルター系で水を濾過することを含み、さらに、バルブの一方を閉じる工程、および該系のフィルターの１つを交換する工程を含む、請求の範囲第４項に記載の方法。
6. さらに、ダイを通して押し出されたプロフィルを大気温度に曝すことによって、プロフィルを冷却する工程を含む、請求の範囲第１項に記載の方法。

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