JP4660702B2

JP4660702B2 - プラズマ発生装置付き射出成形装置並びに射出成形及び表面処理方法

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Publication number: JP4660702B2
Application number: JP2005146682A
Authority: JP
Inventors: 秀郎菅井
Original assignee: Nagoya University NUC; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Nagoya University NUC; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: JP2006321137A; US20090174120A1; WO2006123614A1

Description

本発明はいわゆる射出成形装置及び射出成形方法に関し、射出成形時にプラズマガスにより表面処理を実施するものである。

プラスチック材料は、射出成形方法を用いて種々の形状の製品を低コストで生産できることから、広く産業分野で利用されている。また、プラスチックは軽量でリサイクルが容易であるという特徴を持ち合わせており、例えば自動車や電化製品等の金属材料やガラス材料をプラスチックで置き換える研究も行われている。

例えば自動車のガラス窓の樹脂化においては、車体の軽量化による燃費向上及び環境負荷の軽減を図り、一体成形による製造コストの低減も図ることが可能である。例えば欧州では自動車窓ガラスの３〜５％を樹脂化する計画がある。この「樹脂化」には、合わせガラスにプラスチックフィルムを挟み込む方式を含む。

ところでプラスチック材料はガラスに比べて耐スクラッチ性、耐紫外線性等の面で難があり、その表面を薄膜コーティングすることによって強化することが課題となっている。現在行われている下記の技術はそれぞれ難点を有している。まず樹脂表面にハードコートフィルムを貼る方式では、基材との剥離が発生する。また、２枚のガラスの間にプラスチックフィルムを挟み込む方式では、しわの発生が問題となる。このように、ガラスの「樹脂化」は問題を抱えており、樹脂を窓材としているのは、現在のところサンルーフや開閉を行わないクオータガラスに限られている。

さて、樹脂の表面改質を低温で可能とする技術としてプラズマ処理が有望視されている。例えば下記特許文献１においては、射出成形の金型を用いてそのままガスプラズマ処理する技術を開示している。
特許第２９９４８７８号

特許文献１の技術の概要は次の通りである。金型キャビティ内に溶融樹質を射出充填し、冷却して固化させる。次に金型を寸開させて、成形品と金型の間に間隙を形成する。当該間隙を真空排気し、金型間に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加し、間隙にプラズマを発生させる。この際、表面処理に対応した反応性ガスを導入して、成形品の表面処理を行う。こうして放電を停止し、間隙を大気圧に戻したのち成形品を取り出す。

上記特許文献１の技術は、次のような問題を有している。まず、２つの金型間に高周波電力を印加する場合、一方を接地すると他方は接地から浮かせる必要が有り、浮いた側の金型から発せられる電磁波を遮蔽する必要がある。即ち、当該電磁波を遮蔽しないと、周囲の例えば制御装置に障害を引き起こすからであり、この場合、射出成形装置全体を覆う接地金属体が必要となる。

接地金属体を設けた場合、金型が数十ｃｍより大きなものであると、接地金属体と接地から浮いた側の金型との間の浮遊容量が大きくなり、高周波電源と負荷とでインピーダンス整合をとることが困難となる。

接地から浮いた側の金型に樹脂成形品が接しているとき、樹脂成形品表面には数百ボルトの自己バイアスが発生し、強いイオン衝撃によって樹脂表面が荒れるので、コーティング膜が損傷を受ける可能性がある。

本発明は上記の課題を解決するために成されたものである。

請求項１に記載の発明は、射出成形装置であって、少なくとも金型の一方に形成された、導波管に接続されたマイクロ波アンテナと、射出成形後に金型の一方と成形品との間に間隙を設けて２つの金型を固定する手段と、当該間隙から排気して所定の真空度を保持する排気手段と、当該金型と成形品との間に成形品の表面を処理するためのガスを導入する手段とを有し、間隙にガスのプラズマを発生可能としたことを特徴とするプラズマ発生装置付き射出成形装置である。
また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のプラズマ発生装置付き射出成形装置において、導波管内には誘電体が充填されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、２つの金型を固定する手段は、成形品のいずれの側にも間隙を設けることが可能であり、排気手段と、ガスを導入する手段とは、成形品のいずれの側に設けた間隙に対しても作用可能であることを特徴とする。
更に請求項４に記載の発明は、２つの金型を固定する手段は、成形品の両側に同時に間隙を設けることが可能であり、排気手段と、ガスを導入する手段とは、成形品の両側に設けた間隙に対して作用可能であることを特徴とする。

また請求項５に記載の発明は、射出成形及び表面処理方法であって、射出成形後に金型の一方と成形品との間に間隙を設けて２つの金型を固定し、当該間隙から排気して所定の真空度を保持すると共に成形品の表面を処理するためのガスを導入し、ガスをマイクロ波によりプラズマ化して成形品の表面を処理することを特徴とする射出成形及び表面処理方法である。

本発明によれば、マイクロ波を用いてプラズマを発生させるので、金型のいずれも接地することができる。また、マイクロ波による放電は１ｍｍ程度の間隙で容易にプラズマを発生させることが可能である。金属の上に誘電体がある時、マイクロ波は表面波として誘電体面に沿って伝搬していくので、大面積のプラスチック表面に沿ってマイクロ波プラズマを発生させることができる。これは板状のプラスチック成形品において特に効果が高く、大面積のプラスチック板の表面処理が容易となる。また、マイクロ波プラズマではイオンエネルギーが低いので、プラズマによる表面へのダメージは起こらない。このように、高周波放電における上述した問題点を、本願発明により解決することができる。

例えばマイクロ波のアンテナとして多数のスロットアンテナを用いることが可能であり、大面積に渡って均等にマイクロ波を照射することで一様な分布の高密度プラズマを発生させることが可能となる。マイクロ波のアンテナとしては分岐を有するストリップラインアンテナを用いても良い。

ガス導入箇所は複数用いても良い。これにより一様に反応ガスを乖離させ、ラジカル分布を均一化し、一様性の良い表面改質を行うことができる。
以下、本発明を具体化した実施例について説明するが、本発明は下記の実施例に限定されることなく、その実施形体は種々に変更可能である。

図１は本発明の具体的な一実施例である射出成形及び表面処理装置１０００の構成及び使用方法を示す断面図である。射出成形及び表面処理装置１０００は、第１の金型１００、第２の金型２００及び樹脂射出器３００を有する。また、第１の金型１００と第２の金型２００とを所定の位置で固定するジャッキ１２０（固定手段を構成する）、第１の金型１００のガス導入口１３２から間隙にガスを導入するためのガス供給部１３０及びガス導入管１３１（これらがガスの導入手段を構成する）、第１の金型１００の排気口１４２から間隙内を排気するための排気管１４１及び排気装置１４０（これらが排気手段を構成する）を有する。また、第１の金型１００の射出成形面には、導波管１５０が埋設され、マイクロ波アンテナ１６０に結合している。導波管１５０は、紙面に対して垂直方向に延設された直方体状の導波管であり、紙面表側方向から、または紙面裏側方向からマイクロ波が供給されるものである。また、マイクロ波アンテナ１６０は、スロットアンテナを設けた金属板からなり、導波管１５０の一面に設けられて電磁結合されている。また、マイクロ波アンテナ１６０は第１の金型１００の射出成形面に一体的に設けられており、スロット部分は導波管１５０と同様に誘電体で充填されているので、射出成形面に凹凸は無い。また、第２の金型２００にはＯリング２０１が設けられ、第１の金型１００とで形成される間隙の気密を保持可能としている。

まず、図１．Ａのように、通常の射出成形を行い、成形品Ｐを冷却固化する。この際、ガス導入口１３２と排気口１４２は第２の金型２００により塞がれている。次に図１．Ｂのように、ジャッキ１２０を用いて１〜数ｍｍだけ第２の金型２００を移動させて、第２の金型２００と成形品Ｐとの間に空隙Ｓを形成する。この際、ガス導入口１３２と排気口１４２は、第２の金型２００の移動により空隙Ｓに対して開き、ガス導入管１３１、空隙Ｓ、排気管１４１は連通する。これらは第２の金型２００のＯリング２０１により気密が保たれる。次に、気密となった空隙Ｓから、排気装置１４０を用いて排気を行う。続いてガス供給部１３０からプラズマ処理のためのガスを空隙Ｓに供給する。表面処理としては、カーボンコーティングに適したガスが好ましい。こうして導波管１５０を介してマイクロ波アンテナ１６０にマイクロ波を供給すると、空隙Ｓにおいてマイクロ波による放電が生じ、ガスプラズマが発生する。所望時間の処理後にマイクロ波の供給と反応性ガスの供給を止め、空隙Ｓを大気圧に戻したのちに金型を開放して成形品Ｐを取り出す。

マイクロ波アンテナとしては例えば図２．Ａのようなスロットアンテナを用いると良い。この場合導波管１５０は矩形とでき、当該導波管１５０の１つの面にスロットアンテナを設けることが可能となる。尚、導波管１５０と同様に、スロット１６１には誘電体を充填して、アンテナ表面に不要な凹凸を設けないようにすると良い。更にはプラスチック成形品と接する全面を誘電体で被覆しても良い。導波管を長く、或いはその本数を増やし、スロット１６１を多数設けることで、プラズマ発生領域を数ｍ四方にまで拡張することも可能である。導波管１５０は、ＴＥ₁₀モードの導波管とすると良い。これにより各スロットから等しいパワーのマイクロ波を放射することができ、広い面積に渡って均一且つ高密度なプラズマを生成することができる。

また、図２．Ｂのようなマイクロストリップアンテナを用いても良い。図示しない接地板と誘電体基板１６５が積層され、接地板にはスロットから成る、導波管１５０との結合のための結合器１６２（破線で示す）が設けられる。また、誘電体基板１６５の上には幹線１６３と枝状のアンテナ素子部１６４を設けてマイクロストリップアンテナを形成する。尚、表面の凹凸を無くすために、更に幹線１６３とアンテナ素子部１６４とを誘電体で全て覆うと良い。

ガス導入管１３１及び排気管１４１の所望の位置に金属メッシュを設けて、電磁波を遮蔽すると良い。尚、ガス導入管１３１及び排気管１４１をカットオフ導波管の構成として電磁波を遮蔽しても良い。

上記実施例では、空隙Ｓのみ排気する構成としたが、射出成形及び表面処理装置１０００全体を真空室に配置しても良い。

上記実施例では樹脂射出器３００を有する第１の金型１００に導波管１５０及びマイクロ波アンテナ１６０を設けたが、第２の金型２００に導波管１５０及びマイクロ波アンテナ１６０を設けても良く、両方に設けても良い。更には２個の金型と、樹脂射出器を有する枠状の金型とで射出成形及び表面処理装置を形成し、樹脂成形品の両面を一度にプラズマ処理しても良い。この際、樹脂成形品の両面のプラズマ処理に用いるガスは同一としても異なる物としても良い。

図１の構成を若干変更することで、成形品Ｐの両面をプラズマ処理することも可能である。これは成形品Ｐの厚さが１ｃｍ程度であれば、マイクロ波がアンテナから成形品Ｐを介して反対側のガスをプラズマ化することが可能であるからである。

まず、図３．Ａ乃至図３．Ｃを用いて成形品Ｐの両面を同時にプラズマ処理する射出成形及び表面処理装置２０００の構成及び使用方法を示す。図３．Ａのように、射出成形及び表面処理装置２０００の構成は、図１．Ａの射出成形及び表面処理装置１０００の構成に対し、ガス導入管１３１と排気管１４１とを、射出成形器内部で右寄りに設けたガス導入口１３２ａと排気口１４２ｂとにも連通させることである。但し、当該射出成形器内部で右寄りに設けたガス導入口１３２ａと排気口１４２ｂとには、レバーａ及びｂを設けて、ガス供給部１３０及び排気装置１４０と連通／連通せずを切り替える構成とする。またレバーａ及びｂの表面は、射出成形品と接するようにしている。更に、押し出しアームｃ及びｄを設けて成形品を移動可能として、射出成形後に成形品Ｐと第１の金型１００との間にも空隙を設けることができるようになっている。

まず、図３．Ａのように、射出成形を行う。ガス導入口１３２と排気口１４２とは第２の金型２００により塞がれている。ガス導入口１３２ａと排気口１４２ｂとは、レバーａ及びｂとで塞がれており、レバーａ及びｂの表面が成形品と接触し、接触面に凹凸は無い。同様に、押し出しアームｃ及びｄの表面が成形品と接触し、接触面に凹凸は無い。

次に、図３．Ｂのように、第２の金型２００を紙面上、所定量左に移動させる。また、押し出しアームｃ及びｄにより、成形品Ｐを所定量左に移動させて、成形品Ｐの左右両側に空隙Ｓを形成する。

次に押し出しアームｃ及びｄを所定位置に戻し、レバーａ及びｂを作用させて、ガス導入管１３１とガス導入口１３２ａと排気口１４２ｂと排気管１４１とを成形品Ｐの右側面の空隙Ｓを介してに連通させる。尚、ガス導入口１３２と排気口１４２とは、第２の金型２００の移動により、成形品Ｐの左側面の空隙を介して連通している。

この後、気密となった両側の空隙Ｓから、排気装置１４０を用いて排気を行い、ガス供給部１３０からプラズマ処理のためのガスを両側の空隙Ｓに供給する（図３．Ｃ）。この後導波管１５０を介してマイクロ波アンテナ１６０にマイクロ波を供給すると、成形品Ｐの両側の空隙Ｓにおいてマイクロ波による放電が生じ、同時にガスプラズマが発生する。所望時間の処理後にマイクロ波の供給と反応性ガスの供給を止め、成形品Ｐの両側の空隙Ｓを大気圧に戻したのちに金型を開放して成形品Ｐを取り出す。

成形品Ｐの左右に設ける空隙Ｓは、設定により、各々異なる間隙幅として良い。

図２の構成を若干変更することで、成形品Ｐの両面を別々にプラズマ処理することも可能である。

まず、図４．Ａ乃至図４．Ｃを用いて成形品Ｐの両面を順にプラズマ処理する射出成形及び表面処理装置２１００の構成及び使用方法を示す。図４．Ａのように、射出成形及び表面処理装置２１００の構成は、図３．Ａの射出成形及び表面処理装置２０００の構成に対し、ガス導入口１３２と排気口１４２とを設けた位置を変更した点である。尚、射出成形及び表面処理装置２１００には、図３．Ａの射出成形及び表面処理装置２０００と同様に、右寄りに設けたガス導入口１３２ａと排気口１４２ｂも有している。

まず、図４．Ａのように、射出成形を行う。ガス導入口１３２と排気口１４２とは第２の金型２００により塞がれている。ガス導入口１３２ａと排気口１４２ｂとは、レバーａ及びｂとで塞がれており、レバーａ及びｂの表面が成形品と接触し、接触面に凹凸は無い。同様に、押し出しアームｃ及びｄの表面が成形品と接触し、接触面に凹凸は無い。

次に、図４．Ｂのように、第２の金型２００を紙面上、所定量左に移動させる。これにより、成形品Ｐの左側に空隙Ｓ１が形成され、それを介してガス導入管１３１、ガス導入口１３２、排気口１４２及び排気管１４１が連通される。こうして排気装置１４０を用いて排気を行い、ガス供給部１３０からプラズマ処理のためのガスを左側の空隙Ｓ１に供給する。この後導波管１５０を介してマイクロ波アンテナ１６０にマイクロ波を供給すると、成形品Ｐの左側の空隙Ｓ１においてマイクロ波による放電が生じ、ガスプラズマが発生する。

所望時間の処理後にマイクロ波の供給と反応性ガスの供給を止め、押し出しアームｃ及びｄにより成形品Ｐを左側に移動させて成形品Ｐの右側に空隙Ｓ２を形成する。尚、この際、左側の空隙Ｓ１を大気圧に戻してから成形品Ｐを移動させても良く、また第２の金型２００を所定量左右に移動させることで、成形品Ｐの右側にできる空隙Ｓ２の幅を、成形品Ｐの左側に設けた空隙Ｓ１の幅と異ならせても良い。

これにより、成形品Ｐの左側の空隙Ｓ１は消滅し、右側に空隙Ｓ２が形成される。成形品Ｐの左側の空隙Ｓ１が消滅したことにより、ガス導入口１３２、排気口１４２は第２の金型２００と成形品Ｐとで塞がれる。逆に成形品Ｐの右側の空隙Ｓ２を介してガス導入管１３１、ガス導入口１３２ａ、排気口１４２ｂ及び排気管１４１が連通される（図４．Ｃ）。こうして排気装置１４０を用いて排気を行い、ガス供給部１３０からプラズマ処理のためのガスを右側の空隙Ｓ２に供給する。この後導波管１５０を介してマイクロ波アンテナ１６０にマイクロ波を供給すると、成形品Ｐの右側の空隙Ｓ２においてマイクロ波による放電が生じ、ガスプラズマが発生する。所望時間の処理後にマイクロ波の供給と反応性ガスの供給を止め、成形品Ｐの右側の空隙Ｓ２を大気圧に戻したのちに金型を開放して成形品Ｐを取り出す。

図４．Ａの射出成形及び表面処理装置２１００は、図４．Ｄのように、成形品Ｐの両側に同時にプラズマ処理を行うことも可能である。尚、両側の空隙Ｓ１及びＳ２の幅は、各々設計により異なる幅としても良い。

本発明の具体的な一実施例である射出成形及び表面処理装置１０００の構成及び使用方法を示す断面図。マイクロ波アンテナの構成を示す平面図。実施例２の射出成形及び表面処理装置２０００の構成及び使用方法を示す断面図。実施例２の射出成形及び表面処理装置２０００の構成及び使用方法を示す断面図。実施例２の射出成形及び表面処理装置２０００の構成及び使用方法を示す断面図。実施例３の射出成形及び表面処理装置２１００の構成及び使用方法を示す断面図。実施例３の射出成形及び表面処理装置２１００の構成及び使用方法を示す断面図。実施例３の射出成形及び表面処理装置２１００の構成及び使用方法を示す断面図。実施例３の射出成形及び表面処理装置２１００の構成及び使用方法を示す断面図。

符号の説明

１０００：射出成形及び表面処理装置
１００：第１の金型
１２０：ジャッキ
１３０：ガス供給部
１３１：ガス導入管
１３２、１３２ａ：ガス導入口
１４０：排気装置
１４１：排気管
１４２、１４２ｂ：排気口
１５０：導波管
１６０：マイクロ波アンテナ
１６１：スロット
２００：第２の金型
２０１：Ｏリング
３００：樹脂射出器

Claims

射出成形装置であって、
少なくとも金型の一方に形成された、導波管に接続されたマイクロ波アンテナと、
射出成形後に金型の一方と成形品との間に間隙を設けて２つの金型を固定する手段と、
当該間隙から排気して所定の真空度を保持する排気手段と、
当該金型と成形品との間に成形品の表面を処理するためのガスを導入する手段と
を有し、前記間隙に前記ガスのプラズマを発生可能としたことを特徴とするプラズマ発生装置付き射出成形装置。
前記導波管内には誘電体が充填されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置付き射出成形装置。
前記２つの金型を固定する手段は、前記成形品のいずれの側にも間隙を設けることが可能であり、
前記排気手段と、前記ガスを導入する手段とは、前記成形品のいずれの側に設けた間隙に対しても作用可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマ発生装置付き射出成形装置。
前記２つの金型を固定する手段は、前記成形品の両側に同時に間隙を設けることが可能であり、
前記排気手段と、前記ガスを導入する手段とは、前記成形品の両側に設けた間隙に対して作用可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプラズマ発生装置付き射出成形装置。
射出成形及び表面処理方法であって、
射出成形後に金型の一方と成形品との間に間隙を設けて２つの金型を固定し、
当該間隙から排気して所定の真空度を保持すると共に成形品の表面を処理するためのガスを導入し、
前記ガスをマイクロ波によりプラズマ化して前記成形品の表面を処理することを特徴とする射出成形及び表面処理方法。