JP4590414B2 - 射出圧縮成形方法 - Google Patents
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Description
燃料電池用セパレーターは、燃料電池の固体電解質と、この固体電解質の両面側に設けられた空気極と燃料極とを挟むように配置されるものである。空気極には空気(酸素)を、燃料極には燃料ガス(水素)をそれぞれ、燃料電池用セパレーターに形成された溝から供給する。
この燃料電池用セパレーターのように、多量の充填材を含む原料から構成される成形品を製造する際には、原料の流動性が悪くなってしまい、原料の充填圧を高めないと成形できないという問題がある。
そこで、このような流動性の悪い原料を用いて成形する場合に、射出圧縮成形や急速加熱冷却などの成形方法を使用することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特に、燃料電池中で燃料電池用セパレーターは数百枚用いられ、寸法精度の均一性は重要である(例えば、要求性能としては、肉厚の偏差(最大値と最小値の差)が60μm以下であることが望まれる)。
また、樹脂注入部から湯道部を介してゲート部よりキャビティ内に溶融した樹脂を注入する際に、ゲート部とキャビティとを相対的に移動させながら注入する樹脂成形法が提供されている(例えば、特許文献3)。
本発明の他の目的は、溶融時に流動性が非常に悪い原料であっても、成形サイクルの短縮化を図ることができ、さらには、成形品の生産性の向上を図ることができる射出圧縮成形方法を提供することにある。
なお、本発明の射出圧縮成形方法については、熱可塑性樹脂そのものの成形方法のほか、熱可塑性樹脂に導電性フィラーや金属フィラー等の熱伝導性フィラーを含有させた熱可塑性樹脂組成物の射出圧縮成形方法をも含むものである。
この本発明によれば、原料の射出充填される方向が、キャビティ空間の移動方向に対して鋭角、特に25°〜75°をなすようにしているので、キャビティ空間に充填される原料の充填圧力を下げられるとともに、微細なウェルドの発生を防止することができ、例えば、燃料電池用セパレーター等微細な溝を形成することが必須な成形品を成形する場合であっても、この微細な溝の割れや欠けの防止に繋げることができ、強度の向上を図ることができる。
この本発明によれば、キャビティ空間に充填された原料を圧縮賦形する手段として、金型内部に配設された圧縮ブロックをキャビティ空間方向に前進させることにより行うようにしているので、キャビティ空間に充填された原料の圧縮賦形を簡便かつ確実に実施することができる。
このような本発明によれば、充填工程において、キャビティ空間を移動させて原料を充填するので、流動性が悪い原料を使用しても、原料をキャビティ空間内に均一に広げることが可能となる。これにより、成形品の肉厚の均一性を確保することができる。
さらに、充填工程において、キャビティ空間を移動させて原料を充填するので、原料の見かけの流動長が短くなり、高い充填圧力で、充填する必要がない。
そのため、たとえば、成形品を燃料電池用セパレーターとした場合にあっては、電気抵抗の増加をもたらすスキン層の形成を抑制することが可能となる。
さらに、充填工程において、キャビティ空間を移動させて原料を充填することで、ウェルドの発生を防止することができ、成形品の強度の向上を図ることができる。
例えば、成形品に原料の導入方向と直交するような貫通孔(開口部)等が形成されている場合、原料は貫通孔を挟んで回り込むように流れるため、貫通孔近傍で原料の流れがぶつかり、ウェルドが発生することがある。これに対し、本発明のように、キャビティ空間を移動させて原料を充填することで貫通孔近傍での原料の流れのぶつかりを防止することができ、ウェルドの発生を防止することができるのである。
このような製造装置では、加熱装置で金型又は成形型を加熱した後、搬送装置により、金型又は成形型を充填装置に搬送できるため、充填装置で充填している間に、次の金型又は成形型を加熱装置で加熱することができる。これにより、次々と、成形品を製造することができるため、成形品の生産効率を向上させることができる。
さらに、本発明で使用する製造装置は、加熱装置と、充填装置と、圧縮装置と、冷却装置とが略同一円上に配置されたものであるため、前記各装置を直線状に配置したものにくらべ、場所を取らない。
このような本発明によれば、充填工程では、金型又は一方の成形型の温度を熱可塑性樹脂の融点以上の温度としているので、充填工程でキャビティ空間内に充填される原料の熱可塑性樹脂の流動性を向上させることができる。これにより、原料をキャビティ空間内により均一に広げることができる。
また、圧縮賦形を開始した後、前記金型又は一方の成形型の温度が、前記熱可塑性樹脂の結晶化温度以下の温度に達するように前記金型又は一方の成形型の温度を制御することで、圧縮賦形工程において、キャビティ空間内の原料に対し、転写を行なうような場合には、転写性を向上させることができる。
11,12… 金型
11a,12a… 金型
11b,12b… 金型
13… キャビティ空間
14… 圧縮ブロック
15… キャビティブロック
16… 原料である熱可塑性樹脂組成物
17… スライド用シリンダ
18… 圧縮用シリンダ
19a,19b…スプリング
20… 射出ユニット
30… ゲート
30a,30b,30c… ゲート
50… 燃料電池
51… 燃料極
52… 電解質板
53… 酸化極板
54… 成形品である燃料電池用セパレーター
55… 溝
α… 角度
201… 製造装置
203… 成形型
204… 燃料電池
211… 加熱装置
213… 充填装置
214… 圧縮装置
215… 冷却装置
216… 搬送装置
231… キャビティ空間
[第1実施形態]
図1A〜図1Cは本発明の射出圧縮成形方法(以下、単に「本発明の成形方法」ということもある)を実施する射出圧縮成形ユニット1を示した図であって、図1Aは、射出充填の開始の状態、図1Bは射出充填中の状態、図1Cは射出充填が完了して圧縮賦形中の状態、をそれぞれ示した模式図である。
燃料電池用セパレーターを成形するのであれば、耐熱性、耐水性、耐薬品性を備えた樹脂材料を使用することが好ましく、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂、アクリロニトリル−−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、ポリカーボネート(PC)樹脂、ポリフェニレンオキシド(PPO)樹脂、ポリアセタール樹脂、シンジオタクチックポリスチレン(SPS)樹脂等が挙げられ、これらの一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。本発明の方法を実施するにあたっては、燃料電池用セパレーターを製造する場合にあっては、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂を使用することが好ましく、平面アンテナを製造するにあたっては、シンジオタクチックポリスチレン(SPS)樹脂を使用することが好ましい。
このポリオレフィン系ワックスとは、重合により製造された人工ワックスであり、例えば、ポリエチレン系ワックス、ポリプロピレン系ワックス、エチレン−酢酸ビニル共重合体ワックス等を使用することができる。また、酸化ポリエチレン系ワックス、酸化ポリプロピレン系ワックス、MAH共重合ポリプロピレンワックス、酸化エチレン−酢酸ビニル共重合体ワックス等の酸化ポリオレフィン系ワックスも使用することができる。
具体的には、天然黒鉛、人工黒鉛、膨脹黒鉛等の各種黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維、気相法炭素繊維、カーボンナノチューブ等が挙げられ、これらの一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。本発明の方法を実施するにあたっては、電気比抵抗が小さく電気伝導度に優れ、分散性も良好な黒鉛を使用することが好ましい。
なお、導電性フィラーの形状は球状、粉末状が好ましく、例えば、平均粒径を10〜200μm、嵩比重を0.15〜0.90g/cm3とすることができる。
本発明の成形方法においては、このような熱伝導性フィラーの割合が高い熱可塑性樹脂組成物を使用しても、熱伝導性フィラーを均一に分散して、密度勾配のほとんどない成形品となるとともに、肉厚分布も小さく寸法精度に優れるとともに、かつ微細な溝など複雑形状を形成した場合であっても、当該微細な溝の割れや欠けのない成形品を提供することができる。加えて、得られる成形品も、このように熱伝導性フィラーの含有率が高いので、高い熱伝導性を備え、また、例えば、導電性フィラーであれば、高い導電性を備えたものとなる。
この充填材の具体例としては、ガラス繊維、チタン酸カリウムウィスカー、酸化亜鉛ウィスカー、硼酸アルミニウムウィスカー、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、セラミック繊維、アスベスト繊維、石膏繊維、金属繊維などの繊維系充填材、ワラステナイト、ゼオライト、セリサイト、カオリン、マイカ、クレー、パイロフィライト、ベントナイト、アスベスト、タルク、アルミナシリケートなどのケイ酸塩、アルミナ、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化鉄などの金属化合物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ドロマイトなどの炭酸塩、硫酸カルシウム、硫酸バリウムなどの硫酸塩、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウムなどの水酸化物、ガラスビーズ、ガラスフレーク、セラミックビーズ、窒化ホウ素、炭化ケイ素、シリカなどの非繊維系充填材などが挙げられ、これらは中空体であってもよい。また、これらは一種類を単独で使用してもよく、また、二種類以上を組み合わせて使用してもよい。更には、より優れた機械的強度を得るためには、これらの繊維状充填材、非繊維状充填材をイソシアネート系化合物、有機シラン系化合物、有機チタネート系化合物、有機ボラン系化合物、エポキシ系化合物等のカップリング剤により前処理して使用するようにしてもよい。
なお、以下、使用する成形材料を、熱可塑性樹脂と導電性フィラーからなる熱可塑性樹脂組成物として説明する。
なお、本発明の成形方法における樹脂の射出充填時においては、キャビティ空間13を移動させることにより、低い充填圧力で広範囲に渡る高速充填が可能となるため、低圧の型締力であっても、金型が開いて問題となることはない。
また、金型温度は、前記した成形品の種類等や、熱可塑性樹脂組成物16の種類に応じて決定すればよいが、150〜230℃程度とすればよい。成形温度をかかる範囲にしておけば、成形品の冷却もスムーズに行われ、射出圧縮成形を簡便に行うことができる。
ここで、ゲート30a(図2中、一点鎖線で示す)は、キャビティ空間13の進行方向に対して垂直に、ゲート30b(図2中、実線で示す)は、キャビティ空間13の進行方向に対して鋭角方向に、ゲート30c(図2中、二点鎖線で示す)は、キャビティ空間13の進行方向に対して鈍角方向に、それぞれゲート30を配設した態様を示している。また、角度αは、ゲート30bとキャビティ空間13の進行方向とのなす角度である。
なお、熱容量が極端に小さくない熱可塑性樹脂ないし熱可塑性樹脂組成物を射出充填する場合にあっては、このキャビティ空間13の移動方向とは逆方向にも吐出されるが、継続的に流入する溶融樹脂の熱により再加熱、溶融されて、前記したウェルドの問題は解消され、良好な成形品を得ることができる。
従って、図3Bに示すように、先に吐出した溶融状態の樹脂組成物16に次の溶融状態の樹脂組成物16が順次重なる状態になり、その結果、得られる成形品も、微細なウェルド面を生じない。よって、微細な溝が形成される燃料電池用セパレーター等を成形する場合にあっても、微細溝の欠け、割れの発生を防止することができ、成形品の強度を向上させることができる。
前記したように、キャビティ空間13を移動させながら樹脂を充填するだけでは、溶融樹脂組成物16の流動性が悪いために、金型11,12に形成された微細溝には樹脂組成物16が十分に入り込めず、溝欠けの問題が生じる場合があるが、このようにして、熱可塑性樹脂組成物16の充填直後に金型11,12の型締め状態を高圧として、圧縮賦形することにより、溝の凸凹の隅々まで溶融状態の樹脂組成物16が行き渡り、微細溝の転写性に優れた成形品を得ることが可能となる。
なお、圧縮賦形工程の開始は、熱可塑性樹脂組成物16の充填完了と同時に実施するのであるが、これは、充填が完全に完了した場合のほか、充填が完了する直前(例えば、充填完了の0.1〜0.5秒前)であってもよい。
そして、熱可塑性樹脂組成物16が冷却固化されたら、金型11,12を開いて成形品を取り出すことにより、成形品を得ることができる。
図4A〜図4Cは、前述した図1A〜図1Cの射出圧縮成形ユニット1を備えた金型11a,12aの一態様を示した概略図である。図4A〜図4Cに示す金型11a,12aは、キャビティ空間13を形成する圧縮ブロック14及び2つのキャビティブロック15を移動させるためのスライド用シリンダ17と、このキャビティ空間13に充填された熱可塑性樹脂組成物16を圧縮賦形すべく、圧縮ブロック14を前進させるための圧縮用シリンダ18を備えている。
なお、図4A〜図4Cに示した金型は、圧縮ブロック14とキャビティブロック15との間には、スプリング19aが配設されている。
金型11a,12aを10〜100トン(キャビティ面積 約200mm×300mmあたり。以下同)程度の低圧の型締力で型締め状態にした後、射出ユニット20から送り出されてきた溶融状態の熱可塑性樹脂組成物16は、ゲート30からキャビティ空間13に射出される。同時に、スライド用シリンダ17を駆動させて、圧縮ブロック14と2つのキャビティブロック15を移動させることにより、キャビティ空間13を移動させながらゲート30からの溶融状態の熱可塑性樹脂組成物16を充填する(射出充填工程)。
また、この射出充填工程における熱可塑性樹脂組成物16の射出充填は、図4Aに示すように、ゲート30の先端をキャビティ空間13の最下部に向いた状態から射出充填を開始し、図4Bに示すように、キャビティ空間13を移動させ、ゲート30の先端がキャビティ空間13の最上部に向いた状態となり、キャビティ空間13に樹脂組成物16が完全に射出充填された時点で完了する。
そして、キャビティ空間13の熱可塑性樹脂組成物16が圧縮賦形されたら、金型11,12を冷却して、金型11,12内部の熱可塑性樹脂組成物16を冷却固化させる。熱可塑性樹脂組成物16が冷却固化されたら、金型11,12を開いて成形品を取り出すことにより、成形品を得ることができる。
図5に示す燃料電池50は、燃料極51、電解質板52、酸化極板53、及び燃料電池用セパレーター54(以下、単に「セパレーター54」とすることもある)からなり、このセパレーター54の表裏両面に対して、それぞれ複数の溝55が形成されている。
なお、セパレーター54の形状によっては、金型を用いた1回の射出圧縮成形だけでは所定の形状が得られない場合もあり、その場合には、追加的な処理として、得られた成形品に対して、切削、穴明け、ねじ切り等の機械加工を施すようにしてもよい。
例えば、前記した実施形態において、図4A〜図4Cに示した金型11a,12aは、圧縮用シリンダ18を備え、当該圧縮用シリンダ18により圧縮ブロック14をキャビティ空間13の方向に前進させることにより、キャビティ空間13に充填された熱可塑性樹脂組成物16を圧縮賦形するようにしていたが、図6A〜図6Cに示した金型11b,12bを用いて、金型12bをキャビティ空間13方向に前進させて、キャビティ空間13に充填された熱可塑性樹脂組成物16を圧縮賦形するようにしてもよい。
なお、以下の説明では、既に説明した部分と同一の部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
なお、図6A〜図6Cに示した金型11b、12bは、圧縮ブロック14とキャビティブロック15との間にスプリング19aのほか、金型11b、12bの間にも、スプリング19bが配設されている。
図7において、本実施形態の製造装置201は、熱可塑性樹脂と導電性を有する熱伝導性フィラーとを含有する原料である熱可塑性樹脂組成物16(図8B等参照)を本発明に基づいて射出圧縮成形し、成形品である燃料電池用セパレーター54(図8F、図5参照)を製造するものである。
図8Aにも示すように、加熱装置211は、成形型203を加熱するものである。この成形型203は平面略矩形形状であり、平面中心に上面に向かって開口した矩形形状の凹部が形成されたものである。この凹部がキャビティ空間231となる。図示しないが、この凹部の底面には複数の溝が互いに平行となるように形成されている。
なお、成形型203は、後述する充填装置213の成形型や、圧縮装置214の成形型、冷却装置215の成形型とともに金型を構成する。
なお、図7には、成形型133、押出し装置131は示されていない。
受け渡し装置130は、加熱装置211で加熱された成形型203を搬送装置216から受け取り、台134に渡すための装置である。この受け渡し装置130は、成形型203を置くための載置台130Aと、載置台130A上の成形型203を台134まで搬送する搬送部(図示略)とを備える。
このような押出し装置131において、ホッパ131Cから投入された熱可塑性樹脂組成物16は、シリンダ131Aのヒータによって加熱されて、油圧装置によって回転するスクリュ131Bによって、可塑化されながら、先端のノズル131D側へと移動し、ノズル131Dを介して、成形型203内のキャビティ空間231へと押し出される。
なお、シリンダ131Aは、ヒータにより、例えば、380℃まで加熱される。
成形型133は、成形型203のキャビティ空間231に対して対向配置されるものであり、この成形型133には、ゲート133Aが形成されている。このゲート133Aは、前述したノズル131Dが接続されており、このゲート133Aを介して成形型203のキャビティ空間231内に熱可塑性樹脂組成物16が充填される。この成形型133と、成形型203とで一つの金型が構成される。
さらに、台134及び成形型133は、ヒータブロックで加熱される構造となっており、成形型203は、熱可塑性樹脂組成物16である熱可塑性樹脂の溶融温度以上に加熱される。
この移動装置132は、例えば、油圧シリンダであり、筒状のシリンダ本体132Aと、このシリンダ本体132A内を摺動する軸状のピストン132Bとを備える。
ピストン132Bの先端には、前記成形型203が固定できるようになっている。
この圧縮装置214は、可動型である成形型141と、台142とを有しており、台142上に成形型203に設置するとともに、成形型203に対向配置された成形型141により、成形型203内の熱可塑性樹脂組成物16を圧縮賦形する。なお、成形型141と、成形型203とで一つの金型が構成されることとなる。
成形型141は、成形型本体141Aと、圧縮用入子ブロック141Bとを備える。
成形型本体141Aは、台142側の面に凹部141A1が形成されており、この凹部141A1に圧縮用入子ブロック141Bが挿入されている。
この圧縮用入子ブロック141Bを、成形型本体141Aの凹部141A1に挿入すると、圧縮用入子ブロック141Bの前記溝が形成された面が成形型本体141Aの面141A2から台142側に向かって突出する。すなわち、圧縮用入子ブロック141Bの厚さ寸法は、成形型本体141Aの凹部141A1の深さ寸法よりも大きくなっている。
この圧縮用入子ブロック141Bは、図8Dに示すように、成形型本体141Aの凹部141A1から取り外し可能となっている。
この圧縮用入子ブロック141Bの複数の溝は、成形型203内に充填された熱可塑性樹脂組成物16を圧縮賦形した際に、熱可塑性樹脂組成物16に転写される。
さらに、圧縮装置214は図示しないヒータを備えており、このヒータにより、圧縮賦形を開始した後、成形型203が熱可塑性樹脂組成物16の熱可塑性樹脂の結晶化温度以下となるように調整される。例えば、圧縮賦形を開始した後、成形型203が230℃となるように調整される。
この冷却装置215は、可動型である成形型151と、台152とを有しており、成形型151及び台152で成形型203を挟持して、成形型203を冷却する。成形型151は、成形型本体151Aと、前述した圧縮用入子ブロック141Bで構成されるものである。成形型本体151Aの台152側の面151A2には、前述した圧縮用入子ブロック141Bを挿入するための凹部151A1が形成されている。
また、成形型本体151Aの凹部151A1は平面略矩形形状であり、圧縮用入子ブロック141Bの平面形状よりも大きな平面形状となっている。例えば、図8Eの凹部151A1の幅寸法Tは、圧縮用入子ブロック141Bの幅Hよりも大きくなっている。
この成形型151と、成形型203とで一つの金型が構成されることとなる。
なお、冷却装置215で成形型203内の熱可塑性樹脂組成物16を冷却した後、セパレーター54を取り出す際には、図8Fに示すように、成形型本体151Aと、圧縮用入子ブロック141Bとが一体的に可動し、成形型203から離間することとなる。
この搬送装置216は、図7の矢印Y方向に稼働し、加熱装置211、充填装置213、圧縮装置214、冷却装置215に成形型203を搬送する。
まず、図8Aに示すように、成形型203を加熱装置211により加熱する(加熱工程)。
所定温度(例えば300℃)まで、成形型203が加熱されたら、成形型203が、搬送装置216により、充填装置213の受け渡し装置130の載置台130Aまで搬送される。そして、成形型203は、受け渡し装置130の搬送部により、台134上に設置される。その後、図8Bに示すように、押出し装置131から溶融状態の熱可塑性樹脂組成物16が成形型203のキャビティ空間231内に充填される(充填工程)。
このとき、成形型203の温度は、原料である熱可塑性樹脂組成物16の溶融温度以上(例えば300℃)となっている。
熱可塑性樹脂組成物16を成形型203のキャビティ空間231内に充填する際には、移動装置132を稼働し、ピストン132Bをシリンダ本体132A内で摺動させ、成形型203のキャビティ空間231をゲート133Aに対して移動させる。
なお、充填を行なっている間に他の成形型203は、加熱装置211に設置され加熱される。
その後、搬送装置216により、成形型203は、圧縮装置214まで搬送される。
図8Cに示すように、圧縮装置214では、成形型203を台142上に設置し、成形型本体141Aと、圧縮用入子ブロック141Bとを一体化させた状態で、成形型141を下降させて、成形型203のキャビティ空間231内の熱可塑性樹脂組成物16を圧縮賦形する(圧縮賦形工程)。そして、成形型203は、圧縮賦形を開始した後、熱可塑性樹脂組成物16に含まれる熱可塑性樹脂の結晶化温度以下となるように調整される。例えば、230℃となるように調整される。
ここで、成形型203が熱可塑性樹脂組成物16に含まれる熱可塑性樹脂の結晶化温度以下に達する前に、圧縮賦形を開始することで、熱可塑性樹脂組成物16が溶融状態にある間に、圧縮用入子ブロック141Bを熱可塑性樹脂組成物16に押し当てることができ、圧縮用入子ブロック141Bの溝内に溶融した熱可塑性樹脂組成物16を流入させることが可能となる。圧縮装置214では、このように、圧縮用入子ブロック141Bの溝内に熱可塑性樹脂組成物16が流入した状態で、成形型203を結晶化温度以下に保つことができる。
なお、圧縮装置214で圧縮賦形工程を実施している間に、加熱装置211での他の成形型203の加熱が終了した場合には、搬送装置216により、他の成形型203を充填装置213まで搬送し、充填工程を実施する。
次に、搬送装置216により、成形型203及びこの成形型203上の圧縮用入子ブロック141Bを冷却装置215まで搬送する。冷却装置215では、成形型203及び圧縮用入子ブロック141Bは、台152上に設置される。そして、成形型本体151Aが台152に向かって下降し、図8Eに示すように、成形型本体151Aの凹部151A1に圧縮用入子ブロック141Bが挿入されることとなる。これにより、成形型203が冷却され、成形型203内の熱可塑性樹脂組成物16が固化することとなる(冷却工程)。そして、セパレーター54の製造が完成する。
セパレーター54を取り出す際には、図8Fに示すように、成形型本体151Aと、圧縮用入子ブロック141Bとが一体的に上昇し、成形型203から離間する。これにより、成形型203からセパレーター54を取り出すことができる。
なお、セパレーター54が取り出された成形型203は、再び加熱装置211まで搬送され、加熱されることとなる。
(1)充填工程において、ゲート133Aに対して、キャビティ空間231を移動させて熱可塑性樹脂組成物16を充填するので、流動性が悪い熱可塑性樹脂組成物16を使用しても、熱可塑性樹脂組成物16をキャビティ空間231内に均一に広げることが可能となる。例えば、セパレーター54の熱可塑性樹脂組成物16のように多量の導電性を有する熱伝導性フィラーを含有するような流動性が悪い熱可塑性樹脂組成物16を使用しても、熱可塑性樹脂組成物16をキャビティ空間231内に均一に広げることが可能となる。これにより、セパレーター54の肉厚の均一性を確保することができる。
さらに、充填工程において、キャビティ空間231を移動させて熱可塑性樹脂組成物16を充填しているため、ウェルドの発生を防止することができ、セパレーター54の強度の向上を図ることができる。
加熱装置211で成形型203を加熱した後、搬送装置216により成形型203を充填装置213に搬送できるため、充填装置213で充填している間に、次の成形型203を加熱装置211で加熱することができる。これにより、次々と、セパレーター54を製造することができるため、セパレーター54の生産効率を向上させることができる。
また、圧縮賦形工程で、成形型203が熱可塑性樹脂の結晶化温度以下に達する前に、圧縮賦形を開始しているため、熱可塑性樹脂組成物16の熱可塑性樹脂が溶融状態にある間に、圧縮用入子ブロック141Bを熱可塑性樹脂組成物16に押し当てることができ、圧縮用入子ブロック141Bの溝内に溶融した熱可塑性樹脂組成物16を流入させることが可能となる。そして、圧縮装置214では、このように、圧縮用入子ブロック141Bの溝内に熱可塑性樹脂組成物16が流入した状態で、成形型203を結晶化温度以下としているため、キャビティ空間231内の熱可塑性樹脂組成物16に対し、圧縮用入子ブロック141Bに形成された溝を確実に転写させることができる。
従って、圧縮装置214が溝の形状が異なる複数の圧縮用入子ブロック141Bを備える場合、圧縮用入子ブロック141Bを交換することで、溝の形状が異なる成形品を製造することが可能となる。すなわち、ひとつの生産ラインのなかで複数種類の成形品を製造することができるのである。
(8)また、本実施形態では、冷却装置215の成形型本体151Aの凹部151A1の平面形状を圧縮用入子ブロック141Bの平面形状よりも大きなものとしている。このように成形型本体151Aの凹部151A1を圧縮用入子ブロック141Bの平面形状よりも大きくすることで、成形型本体151Aを圧縮用入子ブロック141Bに対して下降し、凹部151A1内に圧縮用入子ブロック141Bを挿入する際に、圧縮用入子ブロック141Bに水平方向の負荷(せん断力)がかからないようにしている。
例えば、成形型本体151Aの凹部151A1に圧縮用入子ブロック141Bを挿入する際に、圧縮用入子ブロック141Bに成形型本体151Aの凹部151A1があたり、圧縮用入子ブロック141Bの位置がずれてしまった場合には、圧縮用入子ブロック141Bの位置ずれにより、成形品の溝が破損する可能性がある。
本実施形態では、成形型本体151Aの凹部151A1を圧縮用入子ブロック141Bの平面形状よりも大きくしているため、成形型本体151Aの凹部151A1と圧縮用入子ブロック141Bとがぶつからないようにすることが可能となり、セパレーター54の溝等の破損を防止することができる。
例えば、前記実施形態では、製造装置201は、加熱装置211、充填装置213、圧縮装置214、冷却装置215をそれぞれ一つずつ有するものであるとしたが、これに限らず、例えば、圧縮装置214や、冷却装置215を2機以上備えるものとしてもよい。
各工程にかかる時間を考慮して、各装置211,213,214,215の数を調整することが好ましい。例えば、圧縮装置214での圧縮時間が10秒であり、冷却装置215での冷却時間が20秒である場合には、図10に示すように、冷却装置215の数を2つ設けることが好ましい。さらに、成形型203の加熱に時間を要する場合には、加熱装置211を複数設けてもよい。
このように、各工程にかかる時間を考慮して、各装置211,213,214,215の数を調整することで、よりスムーズに成形品を製造することが可能となり、成形品の量産化に対応したものとなる。
さらに、前記実施形態では、搬送装置216により、金型の一部である成形型203を各装置211,213,214,215に搬送していたが、これに限らず、例えば、一対の成形型を含む金型全体を各装置に搬送してもよい。
すなわち、金型を構成する一対の成形型を搬送することとなる。このように金型全体を搬送する際には、一方の成形型の凹部と、他方の成形型に形成された凹部とでキャビティ空間が形成されるものとしてもよい。
その他、本発明の実施における具体的な構造及び形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
前記実施形態では、燃料電池用セパレーター54に形成された複数の溝55のサイズとして、例えば幅が約2mm、深さが0.5mm、長さ200mm程度のものとしたが、この寸法に限定されるものではない。
成形品であるセパレーター54に形成される溝55としては、図11に示すように、溝55に挟まれた凸条56の底部の幅L1が0〜10mm、凸条56の頂上の幅L2が0〜10mm(ただし、L1≧L2)であり、凸条56の高さHが0.2mm以上、溝55の幅Wが5mm以下、溝55の間隔ピッチPが15mm以下であることが望ましい。
図11では、凸条56の縦切片断面形状を正方形としているが、長方形状、台形状、半円形状、三角形状、半円を一部切り欠いた形状など、どのような形状でも取ることができる。
例えば、平面アンテナを成形する場合にあっては、導電性を有する熱伝導性フィラーとして、チタン酸カルシウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ネオジウム、酸化チタンなどの高誘電率のフィラー(高誘電率フィラー、高誘電性フィラー)を用いることができる。これらの高誘電率フィラーの形状も球状、粉末状が好ましく、例えば、平均粒径を0.1〜10μmとすることができる。
更にまた、放熱板を成形する場合にあっては、導電性を有する熱伝導性フィラーとして金粉、鉄粉、銅粉、ニッケル粉などの金属粉が適用できる。これらの平均粒径は、0.1〜10μm程度とすればよいが、1〜20μm程度のものを使用することが好ましい。
さらに、前記実施形態では、搬送装置216は、成形型203を矢印Y方向に搬送するとしたが、これに限らず、例えば、搬送装置216を、回転駆動するターンテーブルを備えた構成としてもよい。ターンテーブル上に成形型203を配置し、ターンテーブルを回転駆動することで、円弧状に配置された各装置211,213,214,215に成形型203を搬送するものとしてもよい。
さらに、前記実施形態では、充填装置213は、受け渡し装置130を備えるものとしたが、この受け渡し装置130はなくてもよく、例えば、搬送装置216により、直接、台134上に設置するような構成としてもよい。
また、前記実施形態では、充填装置213は、押出し装置131を備えるものとしたが、これに限らず、射出成形装置を備えるものとしてもよい。
[実施例1]
(ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂組成物の製造)
下記(1)〜(4)に示す成分を配合し、スーパーフローターミキサー(振動・攪拌混合機)((株)カワタ製)を用いて均一にドライブレンドした後、二軸混練押出機(TEM35B:東芝機械(株)製)を用い、溶融温度を300〜330℃で溶融混練してペレット状に押し出して、熱可塑性樹脂組成物であるポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂組成物を製造した。
グレード : LR01G(ディーアイシー・イーピー(株)製)
溶融粘度 : 10Pa・sec
(樹脂温度300℃、せん断速度2000sec−1における値)
グレード : 天然黒鉛 CGC−100H(日本黒鉛工業(株)製)
平均粒子径(D50%) : 100μm
嵩密度 : 0.7g/cm3(JIS K6891に準拠して測定)
グレード : PAN系ミルドカーボンファイバー HTA−CMF−0160E
(東邦テナックス(株)製)
繊維径 : 7μm
繊維長 : 160μm
グレード : リコワックスPED191(高密度ポリエチレン(HDPE)酸化タイプ、クラリアントジャパン(株)製)
Mw(重量平均分子量) : 12000
酸化度 : 17mgKOH/g
キャビティ形状:縦200mm×横300mm×厚み1.5mm
ゲート形状:200mm×2mm(フィルムゲート)
シリンダ温度:320℃
金型温度:200℃
図1A〜図1Cに示す射出圧縮ユニットにおいて、溶融状態の熱可塑性樹脂組成物を、板状成形品の肉厚が2.0mmとなるようにして、金型のキャビティ空間内に射出充填した。なお、射出充填工程における型締力は50トンと低圧状態として、熱可塑性樹脂組成物の充填開始から1秒後に、キャビティ空間の移動を開始し、キャビティ空間の移動が完了すると同時に、熱可塑性樹脂組成物の充填を完了するようにした。
前記した射出充填工程により溶融状態の熱可塑性樹脂組成物が金型内に充填されたら、充填終了と同時に、図1Cに示すように、型締力を350トンと高圧状態にして、圧縮ブロックを進行させて、圧縮速度を2mm/秒、圧縮時の樹脂圧力を58MPaとして、金型のキャビティ空間内の熱可塑性樹脂組成物を圧縮賦形するようにした。
実施例1において、キャビティ空間の位置を移動させずに固定した以外は、前記した実施例1に準じて射出圧縮成形を行い、板状成形品を成形した。なお、シリンダ温度は320℃、金型温度は200℃とした。また、初期肉厚は2.0mm、充填時間は1.5秒、充填圧力は最大値で260MPa設定とし、スクリュ位置が保圧切換え位置に到達するのと同時に圧縮を開始するようにし、ゲートはサイドゲートとした。
比較例1において、圧縮賦形工程を行わず、射出充填冷却する射出成形法により板状成形品を得た、なお、シリンダ温度は320℃、金型温度は200℃とした。また、充填圧力は最大値で260MPa設定として、ゲートはサイドゲートとした。
実施例1、比較例1及び比較例2で得られた板状成形品に対して、下記の方法により体積抵抗率及び肉厚分布を測定した。結果を表1及び表2に示す。
サイドゲート直下部、中央部及び末端部(サイドゲートから一番離れた部分)の位置の3つの測定箇所についてそれぞれ50mm角で切り出しサンプルとして、このサンプルを市販の抵抗率計(ロレスターGP/ASPプローブ(三菱化学(株)製)を用いて)、JIS K7194に準拠し、四深針法に従い、体積抵抗率を測定した。結果を表1に示す。
なお、実施例1については、キャビティ空間を移動させているため、サイドゲートを使用していないが、板状成形品について比較例1等と同様な位置についてサンプル取りして測定した。
前記体積抵抗率測定に用いた50mm角サンプル(各例について3つ)に対して、1サンプルの任意の3箇所、合計9箇所について、市販のマイクロメーター(1/100mm)を用いて肉厚を測定して、最大値、最小値及び偏差(最大値−最小値)を確認した。結果を表2に示す。
従って、実施例1の板状成形品は、肉厚分布が良好であり、また、導電性フィラーが均一に分散されて密度勾配がほとんどなく、かつ、高い導電性を示すものであることが確認できた。
また、従来の射出成形方法を用いて得られた比較例2の板状成形品は、ゲートの末端部が未充填であり、良好な成形品が得られなかったとともに、その体積抵抗率も80mΩ・cmと高く、導電性が悪いとともに、肉厚分布も実施例1や比較例1と比べても大きく劣っていた。
実施例1に示した射出圧縮成形方法において、キャビティ空間の移動方向に対するゲートの角度を45°(実施例2)、90°(移動方向に対して垂直:実施例3)、及び135°(実施例4)として板状成形品を射出圧縮成形したところ、実施例2については、キャビティ空間に対する充填が、ウェルドの形成がなく良好に実施することができ、得られた板状成形品も表面に微細なウェルド面は確認できなかった。
このように、キャビティ空間の移動方向に対するゲートの角度を45°と鋭角にすることにより、キャビティ空間に充填される樹脂の樹脂充填圧力を下げられるため、微細なウェルドの発生を防止することができることが確認できた。
本発明の成形方法によれば、低温金型(PPSの通常金型温度:120〜150℃)でも溝転写が良好である。この特徴を確認するために、以下のような試験を行った。
(実施例5)次の条件で成形を行った。
材料 :PPS+導電性フィラー(82.5wt%)
シリンダー温度:360℃
金型温度 :140℃
充填圧力(実効):220MPa
射出速度 :40mm/sec
圧縮力 :350ton
成形方法 :第1実施形態に基づく
充填圧力(実効):260MPa(射出成形機の最大出力)
金型温度 :140℃
成形方法 :従来方式
その他は実施例5と同条件
(比較例4)次の条件で成形を行った。
充填圧力(実効):260MPa(射出成形機の最大出力)
金型温度 :230℃
成形方法 :従来方式
その他は実施例5と同条件
溝転写率(%)=(溝部の全面積−溝欠け部の面積)/溝部の全面積
溝欠け部は、目視にて特定できる明確な欠け部とした。
未充填の場合は、未充填成形品での溝部の面積を溝部の全面積とした。
溝の欠けは、流動方向に対して直交する溝において顕著に発生した。
実施例5では、完全充填が得られ、溝の転写率は100%であった。
比較例3では、充填圧力を高めたにも拘らず未充填状態が発生し、溝の転写率は30%であった。
比較例4では、金型温度を高めることで完全充填が得られたが、溝の転写率は80%であった。
従って、本発明によれば溝の転写性も高めることができる。そして、従来方式のように金型を高温(PPSの融点付近:280℃)にしなくても十分な転写性が得られ、成形サイクルを短縮することも可能となる。
試験2において、本発明の成形方法では、ゲート角度を鋭角にすることでウェルド発生を防止できることを確認した。更に、ゲート角度が溝の転写性に及ぼす影響を確認するために、以下のような試験を行った。
(実施例6)次の条件で成形を行った。
材料 :PPS+導電性フィラー(82.5wt%)
シリンダー温度:340℃
金型温度 :140℃
成形方法 :ゲート角度45°(鋭角)、
キャビティ空間を図6A〜図6Cに準じ左から右へ移動
その他は実施例5と同条件
(実施例7)次の条件で成形を行った。
成形方法 :ゲート角度=鈍角、
キャビティ空間を図6とは逆に右から左へ移動
その他は実施例6と同条件
実施例6では、完全充填が得られ、溝の転写率は100%であった。
実施例7では、溝転写率は20%に留まり、溝の欠けが顕著であった。
従って、本発明においてゲート角度を鋭角にすることで溝の転写性も高めることができることが解る。
Claims (5)
- 溶融状態の熱可塑性樹脂を含有する原料をゲートから金型の内部に形成されたキャビティ空間に射出充填して、当該キャビティ空間内の前記原料を圧縮賦形して成形品を得る射出圧縮成形方法であって、
前記金型を低圧で型締め状態として、前記ゲートに対して前記キャビティ空間を移動させながら、前記ゲートから前記キャビティ空間に溶融状態の前記原料を射出充填する射出充填工程と、
充填完了と略同時に前記金型を高圧で型締め状態とするとともに、前記キャビティ空間に充填された前記原料を圧縮賦形する圧縮賦形工程からなり、
前記原料の射出充填される方向が、前記キャビティ空間の移動方向に対して鋭角をなすことを特徴とする射出圧縮成形方法。 - 請求項1に記載の射出圧縮成形方法において、
前記鋭角が25°〜75°であることを特徴とする射出成形方法。 - 請求項1または請求項2に記載の射出圧縮成形方法において、
前記圧縮賦形が、前記金型内部に配設された圧縮ブロックを前記キャビティ空間方向に前進させることにより行われることを特徴とする射出圧縮成形方法。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の射出圧縮成形方法であって、
製造装置として、一対の対向配置された成形型を有し前記キャビティ空間が形成された金型と、前記金型のうち少なくとも前記キャビティ空間である凹部が形成された一方の成形型を加熱する加熱装置と、溶融状態の前記原料をキャビティ空間に充填する充填装置と、前記キャビティ空間に充填された前記原料を圧縮賦形する圧縮装置と、前記キャビティ空間内の前記原料を冷却する冷却装置と、前記金型又は一方の成形型を前記各装置に対し搬送する搬送装置とを備え、かつ前記加熱装置、前記充填装置、前記圧縮装置、前記冷却装置が略同一円上に配置された製造装置を用い、
前記加熱装置により、前記金型又は一方の成形型を加熱する加熱工程と、
前記充填装置により、前記ゲートに対して前記キャビティ空間を移動させながら溶融状態の前記原料を前記キャビティ空間に充填する充填工程と、
前記圧縮装置により、前記キャビティ空間内の前記原料を圧縮賦形する圧縮賦形工程と、
前記冷却装置により、前記キャビティ空間内の前記原料を冷却する冷却工程とを行う、ことを特徴とする射出圧縮成形方法。 - 請求項4に記載の射出圧縮成形方法において、
前記充填工程では、前記金型又は一方の成形型の温度を前記熱可塑性樹脂の融点以上の温度とし、
前記圧縮賦形工程では、圧縮賦形を開始した後、前記金型又は一方の成形型の温度が、前記熱可塑性樹脂の結晶化温度以下の温度に達するように前記金型又は一方の成形型の温度を制御することを特徴とする射出圧縮成形方法。
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