JP3780236B2

JP3780236B2 - ガスが浸透した材料の保管方法

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Publication number: JP3780236B2
Application number: JP2002230323A
Authority: JP
Inventors: 隆新井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2022-08-07
Also published as: EP1407868A2; US20040070098A1; JP2004066680A; EP1407868A3; CN1485193A; US7182897B2; CN100364750C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は樹脂、ゴム材料中に不活性ガス等の発泡剤を浸透させ、射出成形や押し出し成形を行い、成形品内部が発泡した発泡成形品を得る技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発泡成形に関する歴史は古く、射出成形にて樹脂の発泡成形品を得る技術は、例えばUSP3268639号公報、USP3384691号公報に開示されており、近年では合成樹脂成形の教本等にて化学発泡剤や物理発泡剤を用いた発泡成形の方法を知ることが出来る。
【０００３】
最近ではアメリカマサチューセッツ工科大学において、マイクロセルなる非常に小さな発泡体を成形する方法が見出され、その方法と装置は、USP4473665号公報、USP5158986号公報、USP5160674号公報、USP5334356号公報、USP5571848号公報、USP5866053号公報に開示されている。アメリカマサチューセッツ工科大学で提案された方法と装置によれば、射出成形機の可塑化装置の樹脂が溶融する部分に超臨界状態の不活性ガスを吹き込み、スタテイックミキサーにより、十分に溶融化した樹脂とガスとを混ぜる。そして、圧力と温度の制御を行い、その結果、発泡成形品は、２５ミクロン以下の小さな気泡が数多く均一に分散しており、気泡径が小さいことから成形品の強度劣化はほとんどない物を得たとしている。また、圧力容器内に樹脂材料を入れ、超臨界状態の不活性ガスを浸透後、樹脂の溶融温度付近で圧力を急激に減圧し、発泡させる方法と、温度と圧力をいったん下げた後、急激に温度を上昇させ、発泡させる方法が記されている。
【０００４】
また、特開平８−８５１２８号公報及び特開平８−８５１２９号公報においては、射出成形機のホッパー部分に耐圧チャンバーを取りつけ、溶融樹脂もしくは樹脂ペレットに高圧下でガスを浸透させ、成形する方法が記されている。
【０００５】
すなわち従来の発泡成形を大きく分類すると、化学発泡と、物理発泡がある。化学発泡には、熱により化学反応を起こす発泡剤を樹脂材料とペレット状態で混ぜるマスターバッチ式と、樹脂材料中に練りこむ方法とがあり、物理発泡には、不活性ガスを射出成形機や押し出し機の可塑化装置の部分から、溶融樹脂に直接浸透させる方法と、予め成形され、形状を作られた樹脂成形品を圧力容器内で高温、高圧で不活性ガスを浸透後、温度もしくは圧力の急激な変化により圧力容器内で発泡させるバッチ法とがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の化学発泡においては、熱分解性の発泡材と樹脂材料を成形直前で混ぜるマスターバッチ法が採用されることが多く、有害性、金型腐食、成形環境の悪化、取り扱いの困難さ等、多くの問題を抱えていた。これに対し、物理発泡は無害であり、金型腐食性がないこと、窒素、炭酸ガスは自然の空気中に有ること等から優位といえる。しかしながら、不活性ガスを直接溶融樹脂に浸透させる方法は、溶融化している樹脂材料に直接ガスを吹き込むため、ガスを吹き込む際にガスと接した溶融樹脂部分が急冷されてしまい、連続で吹き込むと、溶融化樹脂の多くが冷却され、その結果、粘度が上がり、再度成形に適した樹脂温度、粘度に回復するのに時間を要するという欠点があった。
【０００７】
また、ガスを予め樹脂の溶融温度付近まで暖めておく場合には、温度上昇に伴いガスの体積が大きくなるため、そのまま溶融樹脂に吹き込むと、樹脂内のガス圧が低いために、型内へ充填後の発泡倍率が非常に低いという欠点があった。
【０００８】
さらに、その欠点を補うため、ガスの温度を上げるとともに、圧力をも上昇し、ガス濃度を維持した上で溶融樹脂に吹き込む方法があるが、その場合には、ガスの圧力が非常に高く、溶融樹脂に吹き込んだ瞬間にガスが流れ込むため、ガスの吹き込む量の制御が困難であり、樹脂中へのガスの浸透量のバラツキが大きいという欠点があり、また、溶融樹脂中に急に吹き込まれるため、吹き込まれた溶融樹脂は吹き込み口付近でガスと樹脂の２層分離体となってしまい、ガスを樹脂中に均一に分散させるためには再度スタテイックミキサー等で、機械的に混連を繰り返すとともに、樹脂とガスの混合体自体を高圧にし、ガスが樹脂中に溶解するのを促進する必要があった。そのため、装置が複雑になるとともに材料中へのガスの浸透量のバラツキから、成形体の寸法精度がバラツキ、部品品質を劣化するとともに、サイクルが長くなり生産性を損なうという欠点があった。
【０００９】
不活性ガスを用いたバッチ法は、化学発泡の欠点と、溶融樹脂に直接ガスを吹き込む物理発泡の欠点を解消するものであるが、バッチ処理による間欠的な生産方法であるため、生産性が著しく悪いという別の欠点があった。
【００１０】
そこで、特開平８−８５１２８号公報のように、バッチ法でガスを樹脂材料に浸透させた後射出成形機で連続成形する方法が前述した欠点を補うものであるが、成形サイクルや、ガス浸透処理時間が少しでも変化すると、ペレット等固体の樹脂材料中浸透するガスの量は、ガスの圧力と温度と時間で変化するため、樹脂材料中に浸透するガスの量が変化し、そのため、成形品の発泡状態が変化し、精度が変化してしまうという欠点があった。
【００１１】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高精度な発泡成形品を生産性良く得られるようにすることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わるガスが浸透した材料の保管方法は、超臨界状態の炭酸ガスをペレット状の固体樹脂材料中に０．１重量パーセントから１．５重量パーセント浸透させた後、前記炭酸ガスの浸透時のガス温度よりも低い温度でかつ、前記炭酸ガスの浸透時のガス圧力よりも低い圧力で前記固体樹脂材料を保管することを特徴としている。
【００１３】
また、この発明に係わるガスが浸透した材料の保管方法において、前記炭酸ガスの浸透時のガス圧力は４ＭＰａ以上であって、保管時のガス圧力が、０．５から４ＭＰａであることを特徴としている。
【００１５】
また、この発明に係わるガスが浸透した材料の保管方法において、前記炭酸ガス浸透時のガス温度をＴ（℃）としたときに、保管時のガス温度ｔは、２０℃≦Ｔ≦６０℃の時に、０．１８７５Ｔ−１０＜ｔ＜０．５Ｔ−１０で表され、Ｔ＞６０℃の時に０．１８７５Ｔ−１０＜ｔ≦２０℃で表されることを特徴としている。
【００２１】
また、この発明に係わるガスが浸透した材料の保管方法において、保管後のガス浸透量が０．１重量％から０．４重量％であることを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な一実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態の装置を示す図である。
【００２６】
図１において、１は容器、２は撹拌装置、３は高圧ガス発生装置、４は冷却媒体制御装置、５はヒーター、６はヒーター制御装置である。
【００２７】
図２は、図１に示した容器１の内部構造を示す図である。
【００２８】
図２において、７は冷却媒体の循環する配管、８は撹拌羽である。発泡剤としての不活性ガスが浸透した固体の材料は、容器１内で、撹拌装置２とつながる撹拌羽８により撹拌されるとともに、冷却媒体制御装置４により所定の温度に制御された冷却媒体が配管７を循環することで冷却される。また、高圧ガス発生装置３により所定の圧力に増圧された不活性ガスが、容器１内に満たされる。容器１の外側には、ヒーター５が設置されており、容器１の温度をヒーター制御装置６によりコントロールしている。
【００２９】
図７は、一実施形態における第１の実施例を示す図である。
【００３０】
図７を参照して第１の実施例について説明する。
【００３１】
樹脂材料としては、ハイインパクトポリスチレン（ＨＩＰＳで表記）を３種類使用（Ａ，Ｂ，Ｃで表記）した。発泡剤としての不活性ガスは、炭酸ガスを使用した。炭酸ガスを樹脂材料中へ浸透させる浸透圧と浸透温度、浸透時間、また、本実施例の保管圧力と保管温度が図７に示されている。
【００３２】
図７における保管時間とは、ガスを浸透後、本実施例の保管圧及び保管温度に制御した後の経過時間を意味し、重量変化とは、ガス浸透終了後大気中で５分後の重量に対する、本実施例の保管圧、温度で保管した後、すなわち保管時間経過後、大気中で重量計測した後の値を比較し、変化率を計算している。
【００３３】
図７の保管時間と重量変化から、保管時間が経過しても樹脂材料中へ浸透させたガス量の変化が１％以下で、ほとんど変化がないことが明らかである。
【００３４】
即ち、ガスを浸透させた樹脂材料を本実施例の保管条件で保管することにより、樹脂材料中からのガスの逃げを極めて微小量に留めることが出来る。
【００３５】
なお、具体的な保管条件としては、樹脂材料中にガスを、４（ＭＰａ）以上の浸透圧Ｐ（ＭＰａ）、温度Ｔ（℃）で浸透させ、その後、材料の種類及びガスの浸透時間により決定される係数をｍ（−０．０５＜ｍ＜０．２）としたときに、
ｐ＝Ｐ（０．０２Ｐ＋ｍ）
で表される圧力ｐ（ＭＰａ）と、
２０℃≦Ｔ≦６０℃の時に、
０．１８７５Ｔ−１０＜ｔ＜０．５Ｔ−１０
で表され、
Ｔ＞６０℃の時に
０．１８７５Ｔ−１０＜ｔ≦２０℃
で表される温度ｔとで規定される雰囲気中で、樹脂材料を保管する。
【００３６】
また、保管後のガス浸透量が０．１重量％〜０．４重量％であるようにする。
【００３７】
また、さらに具体的には、超臨界状態の炭酸ガスをペレット状の固体樹脂材料中に０．１重量パーセント〜１．５重量パーセント浸透させた後、炭酸ガスの浸透時のガス温度よりも低い温度でかつ、高いガス密度で固体樹脂材料を保管する。
【００３８】
また、ガス密度が０．０８ｇ／ｃｍ²から０．２ｇ／ｃｍ²の超臨界状態の炭酸ガスをペレット状の固体樹脂材料中に０．１重量パーセント〜１．５重量パーセント浸透させた後、０．７ｇ／ｃｍ²から１．０ｇ／ｃｍ²のガス密度で固体樹脂材料を保管する。
【００３９】
図５には、本実施例の制御方法で１時間保管した後射出成形した成形品断面の発泡気泡状態を示している。図６には、本発明を使用せず、１時間放置した後射出成形した成形品断面の発泡気泡状態を示している。図５と図６の比較から、本実施例の制御方法が発泡状態の維持にいかに有効であるかが容易に理解できる。
図８は、一実施形態における第２の実施例を示す図である。
【００４０】
図８を参照して第２の実施例について説明する。
【００４１】
樹脂材料は、ハイインパクトポリスチレン（ＨＩＰＳで表記）、ポリカーボネートとアクリロニトリルブタジエンスチレンとのアロイ材（ＰＣ/ＡＢＳで表記）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥで表記）、ポリフェニレンエーテルにガラスフィラーを充填した樹脂（ＰＰＥ＋ＧＦで表記）、ポリフェニレンエーテルとポリスチレンのアロイにガラスフィラーの入った樹脂（ＰＰＥ＋ＰＳで表記）、ポリカーボネート（ＰＣと表記）の６種類であり、発泡剤としての不活性ガスは、炭酸ガスを使用した。炭酸ガスを樹脂材料中へ浸透させる浸透圧と浸透温度、浸透時間、また、本実施例の保管圧力と保管温度が図８に示されている。
【００４２】
図８の保管時間と重量変化から、樹脂の材料と浸透時間によって保管圧力と保管温度を本実施例の範囲内で調整することにより、保管時間が経過しても樹脂材料中へ浸透させたガス量の変化を１％以下にすることが出来た。
【００４３】
図３に従来の方法でＨＩＰＳ材料中に不活性ガスを浸透させた後の大気圧下、常温での材料の重量変化を示す。測定の都合上、ガス浸透後５分後をゼロとしているが、いずれの浸透圧力及び温度においても材料中からガスが時間とともに逃げてゆく状態が確認できる。
【００４４】
図４に本実施形態の装置を射出成形機のホッパー部分に用いた例を示す。
【００４５】
図４において９は射出成形機、１０は金型、１１は可塑化装置、１２は本実施形態のホッパー、１３はガスボンベ、１４はガス加圧浸透装置、１５はガス浸透容器、１６と１７はポンプ、１８は材料サイロ、１９は配管である。ホッパー１２は図１及び図２に示す構造で構成されている。
【００４６】
次に図４を参照して成形プロセスを説明する。
【００４７】
ペレット状の樹脂材料は材料サイロ１８に貯蔵されており、成形時には必要量がポンプ１７によりガス浸透容器１５に送られる。発泡材であるガスは、ガスボンベ１３からガス加圧装置１４で加圧され、ガス浸透容器１５に送られる。ガス浸透容器１５内で樹脂材料中にガスが浸透される。ガスが浸透された樹脂材料は、ポンプ１６によってホッパー１２に送られる。ホッパー１２内でガスの浸透した樹脂材料は本実施形態の圧力と温度で保管されるとともに、可塑化装置１１の材料フィーダー部に送られ、可塑化混練され、金型１０内に設けられた所望の形状であるキャビティーに充填される。発泡材であるガスが浸透した樹脂は、型内に充填されると同時に発泡を始め、冷却後、型が開き成形品が取り出される。
【００４８】
以上説明したように、炭酸ガス、窒素等の不活性ガスを固体の高分子材料中に浸透した後、本実施形態の圧力と温度とで保管することにより、つねに一定のガス浸透状態を維持することが出来た。そのため、本実施形態を射出成形や押しだし機のホッパー部分に用いることにより、常に安定したガス浸透量の材料を供給することが可能となった。本実施形態を使用した樹脂成形及び成形品は、環境に安全で、寸法安定性、生産性に優れている。
【００４９】
なお、上記の説明では樹脂材料を発泡成形する場合について説明したが、本発明は樹脂材料ばかりでなく、ゴム材料や、いわゆる高分子材料にも適用可能であることは言うまでもない。
【００５０】
また、図７及び図８では、保管圧を１ＭＰａ〜２．５ＭＰａとする例について説明したが、実際上は、保管圧を０．５ＭＰａ〜４ＭＰａの範囲に設定することにより、本発明の効果が得られる。
【００５１】
また、図７及び図８では、保管温度を−３℃〜１５℃とする例について説明したが、実際上は、保管温度を−５℃〜２０℃の範囲に設定することにより、本発明の効果が得られる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高精度な発泡成形品を生産性良く得られるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の装置を示す図である。
【図２】図１に示した容器１の内部構造を示す図である。
【図３】従来の方法でＨＩＰＳ材料中に不活性ガスを浸透させた後の大気圧下、常温での材料の重量変化を示す図である。
【図４】本実施形態の装置を射出成形機のホッパー部分に用いた例を示す図である。
【図５】本実施形態の保管方法で１時間保管した後射出成形した成形品断面の発泡気泡状態を示す図である。
【図６】本発明を使用せず、１時間放置した後射出成形した成形品断面の発泡気泡状態を示す図である。
【図７】一実施形態における第１の実施例を示す図である。
【図８】一実施形態における第２の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１容器
２撹拌装置
３高圧ガス発生装置
４冷却媒体制御装置
５ヒーター
６ヒーター制御装置
７冷却媒体の循環する配管
８撹拌羽
９射出成形機
１０金型
１１可塑化装置
１２ホッパー
１３ボンベ
１４ガス加圧供給装置及び温度制御装置
１５ガス浸透容器
１６，１７ポンプ
１８材料サイロ
１９配管

Claims

超臨界状態の炭酸ガスをペレット状の固体樹脂材料中に０．１重量パーセントから１．５重量パーセント浸透させた後、前記炭酸ガスの浸透時のガス温度よりも低い温度でかつ、前記炭酸ガスの浸透時のガス圧力よりも低い圧力で前記固体樹脂材料を保管することを特徴とするガスが浸透した材料の保管方法。
前記炭酸ガスの浸透時のガス圧力は４ＭＰａ以上であって、保管時のガス圧力が、０．５から４ＭＰａであることを特徴とする請求項１に記載のガスが浸透した材料の保管方法。
前記炭酸ガス浸透時のガス温度をＴ（℃）としたときに、保管時のガス温度ｔは、
２０℃≦Ｔ≦６０℃の時に、
０．１８７５Ｔ−１０＜ｔ＜０．５Ｔ−１０
で表され、
Ｔ＞６０℃の時に
０．１８７５Ｔ−１０＜ｔ≦２０℃
で表されることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスが浸透した材料の保管方法。
保管後のガス浸透量が０．１重量％から０．４重量％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスが浸透した材料の保管方法。