JP4745646B2

JP4745646B2 - 樹脂原液魚尾型注入装置および樹脂成型体の製造方法

Info

Publication number: JP4745646B2
Application number: JP2004331671A
Authority: JP
Inventors: 雅之富士大; 正文中村
Original assignee: 住化バイエルウレタン株式会社
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2024-11-16
Also published as: JP2006142126A

Description

本発明は、樹脂原液散布・注入装置と樹脂成型体（または樹脂成形体）の製造方法に関する。より詳細には、例えば樹脂原液である反応性流体を吐出するノズル、およびそのようなノズルを用いたポリウレタンの製造方法に関する。

従来において、樹脂成型体、例えば発泡ポリウレタン成型体を樹脂原液を散布しながら製造する場合、ポリオール成分とイソシアネート成分とを、一旦ミキシングヘッドにて撹拌混合後、ミキシングヘッド先端に取り付けたノズルにて混合原液を分岐させ散布・注入している。所定の型や連続生産ラインであれば、ベルトに載った面材の上に混合原液をノズルから吐出させており、吐出された混合原液にて反応が急速に進行して樹脂成型体が形成される。従来のノズルとしては下記の３つのものが一般的に挙げられる。

（櫛型ノズル）
櫛型ノズルは、多数の穴が直管のパイプに一列に空けられたものである。図６に示すように、パイプの片側を栓で塞ぎ、反対側をミキシングヘッドに取り付ける。混合原液は、ミキシングヘッドから流れ込み、パイプに開けられた多数の穴からシャワー状に吐出される。

（トーナメントノズル）
トーナメントノズルは、トーナメントのように、混合原液が２つに分岐する部分を多段で設けたものである。図７に示すように、ミキシングヘッドから吐出された混合原液は１段につき２つに分岐されていく。最低３段以上の分岐部分を設け、シャワー状に混合原液を吐出するようになっている（例えば、特許文献１を参照）。

（スプレーノズル）
スプレーノズルは、混合原液をスプレー状に飛散させるノズルである。ミキシングヘッドからの吐出時の圧力や圧縮エアーの圧力などを利用して、混合原液をスプレー状に広げるようになっている。

しかしながら、上述の３つのノズルには、各々下記のような欠点があり、樹脂原料で混合不良が生じることなく均一に散布することは不可能であった。

（櫛型ノズル）
この形のノズルにおいては、パイプ内部の抵抗の為、ミキシングヘッドに近い上流側の吐出穴から吐出される樹脂原液の量が、ノズル先端部の下流側の吐出穴から吐出される樹脂原料よりも多くなってしまう。また、固化反応を伴う樹脂の場合、先端部から吐出される混合原料は、ミキシングヘッドに近いほうに比べ、混合後の時間の経過により固化反応が進んでいる為に粘度が高くなってしまい、吐出量の減少が加速され、最悪の場合には目詰まりが発生する。更に、吐出穴の直径を小さくすることなどで、パイプ内部の圧力を上げて均一に近い状態で吐出させようとすると、一般的に使用される高圧で樹脂原料を衝突させて混合するミキシングヘッドの場合、衝突させる圧力とパイプ内部の圧力との差が小さくなってしまい、混合不良を引き起こしてしまう。更に、実際には、ノズルの長さを２５０ｍｍ以上にすることは、圧力による混合不良および先端の目詰まりのために非常に困難である。また、樹脂原液が櫛状に散布されるため、樹脂内部および表面に樹脂の接合面の跡が発生しやすくなる。

（トーナメントノズル）
この形のノズルにおいては、混合原液の通過経路が非常に長いために抵抗がかかりやすくなっている。従って、上記のノズル（櫛型ノズル）と同様の理由で、混合不良が生じてしまう。また、固化反応を伴う樹脂の場合、内部の抵抗を減らすべくトーナメント部の直径を大きくすると、樹脂原料がノズルを通過するのに時間がかかってしまう。そのため、固化反応が進行して目詰まりが起こりやすくなる。また、樹脂原液が櫛状に散布されるため、樹脂内部および表面に樹脂の接合面の跡が発生しやすくなる。

（スプレーノズル）
この形のノズルにおいては、混合原液を飛散させるために飛沫が周囲に飛び散り、必要範囲外にまで散布される場合がある。また、散布のパターンが円形もしくは楕円形であるために、散布端部の部分に関しては均一に散布できない。

特開平５−１５４９３２号公報

従って、本発明の課題は、膜状に樹脂原液を散布することで樹脂の接合面の跡を無くすと共に、樹脂原液の圧力を調整することで混合不良が無くてノズルの目詰まりも生じにくいノズルであって、スリット部全体から均一の量の樹脂原液が吐出されるノズルを提供することである。また、そのようなノズルを用いた樹脂成型体の製造方法を提供することも本発明の課題である。

本発明は、
反応性流体を吐出するノズルであって、
下流側に向かってテーパー状に広がって二股に分かれる流路を有する第１流路、および第１流路の長手方向全体にわたって第１流路の側部に接続されている第２流路を有して成り、
反応性流体の流れ方向と直交する方向の第２流路の断面は、細長い矩形状のスリット状となっており、
第１流路および第２流路を通って第２流路のスリット状吐出口から排出される反応性流体の吐出圧が、スリット状吐出口のいずれの地点であっても等しくなるように、第２流路のスリット状断面と直交する方向の第２流路長さが、ノズルの中央からノズルの外側に向かって漸次短くなっていることを特徴とするノズルを提供する。

本発明のノズルを使用することにより、従来のノズルよりも、反応性流体である樹脂原料を幅広い範囲に均一に散布・注入できるようになり、均一の物性および外観を持つ樹脂成型体（または樹脂成形品）を得ることができる。また、本発明のノズルは、連続して長時間使用することが可能である。

発明を実施するための形態

以下において、本発明のノズル、およびそのようなノズルを用いたポリウレタンの製造方法について説明する。なお、本明細書では「第１流路」のことを「パイプ部」ともいい、「第２流路」のことを「スリット部」ともいう。

図１は、本発明のノズル１の断面図である。ノズル１は、図１に示すように全体的には魚尾形状を有している。図１において、符号１０で示される第１流路は、パイプ状に形成されている。符号２０で示される第２流路は、その断面が細長い矩形状（即ちスリット状）となるように形成されている。なお、図１では、「ノズルの中央」および「ノズルの外側」に相当する箇所を矢印によって示している。

本発明のノズル１では、第１流路１０および第２流路２０を通って第２流路２０のスリット状吐出口から排出される反応性流体の吐出圧が、スリット状吐出口のいずれの地点であっても等しくなるように、第２流路２０のスリット状断面と直交する方向の第２流路長さが、ノズル１の中央からノズル１の対向する外側に向かって漸次短くなっていることを特徴としている。即ち、ノズル１で生じる圧力損失等を考慮して、図１に示すようにノズル１のパイプ部１０の反応性流体にかかる抵抗と、スリット部２０のＢ_１，Ｂ_２，Ｂ_３…から吐出する際の反応性流体にかかる抵抗とのバランスがとれるように、スリット部２０の長さ図１のｂ_０，ｂ_１，ｂ_２…を調整することで、均一な散布が実現されている。

図１を用いて本発明のノズル１の特徴をより具体的に説明する。混合原料はノズル下部のスリット部全体から吐出されるので、パイプ部１０を流れる混合原料は、ノズル１の上流側に取り付けられたミキシングヘッドから吐出された後、ｃ_１,ｃ_２…とすすむにつれて一定の割合で減少していくことになる。すなわち、ｃ_１,ｃ_２…と抵抗値も減少することになり、最先端の部分（即ち、ノズル１の最も外側の部分）では抵抗値は０となる。この変化していく混合原料にかかる抵抗に対し、それぞれのスリット部２０の抵抗が等しくなるように、それぞれのスリット部２０の長さを決定する。なお、この長さに対し、先端部まで必要な吐出圧力を発生させると共に、パイブ部の上流側に取り付けられるミキシングヘッド３０での混合性を阻害するほどの圧力を発生させないように考慮して、ある程度の長さdを等しく追加し、ｂ_０，ｂ_１，ｂ_２…の長さ（即ち、上述の第２流路２０のスリット状断面と直交する方向の第２流路長さに相当する）を決定する。これらの計算は、スリット部の幅１０ｍｍ程度につき１点以上計算していくのが望ましい。そのように計算することによって、パイプ部１０が全体として曲線状になり、結果的にスリット部２０から均一な混合原料が吐出されることになる。更に、混合原液がミキシングヘッド３０で混合されてから、スリット部から吐出されるまでの時間がそれぞれのスリット部の抵抗の違いに起因して一定となるため、ノズルの下流側の混合原料の反応が上流側に比べて進んでいることも少なくなり、増粘および固化によるノズルの目詰まりも防止されることになる。

本発明のノズル１では、スリット状吐出口から排出される反応性流体の吐出圧が、スリット状吐出口のいずれの地点であっても等しくなるように、第２流路２０のスリット状断面の短手方向長さを調節することができる。即ち、反応性流体の第２流路での圧力損失等を考慮して、魚尾型ノズル１のスリット部の厚さｅ（図１を参照）を変化させることによっても、吐出圧を調整することができる。これにより、混合不良および目詰まりが防止されることになる。

また、本発明のノズル１では、スリット状吐出口から排出される反応性流体の吐出圧が、スリット状吐出口のいずれの地点であっても等しくなるように、第１流路１０の直径を調節することができる。即ち、反応性流体の第１流路での圧力損失等を考慮して、魚尾型ノズル１のパイプ部１０の直径ａ_φ（図１を参照）を変化させることによっても、吐出圧を調整することができる。これにより、混合不良および目詰まりが防止されることになる。

第１流路１０の断面は、一般的に円形状であることが好ましい。図２に、本発明のノズル１を側方から見た断面図を示す。図２に示されるように、第１流路１０の断面は、円形状に限らず、他の形状、ノズル加工の観点から例えば半円形状であってもよい。本発明の魚尾型ノズル１の製作では、ノズル形状およびサイズ等を調整は、金属板等を削り込むことによってできるので、加工が非常に容易となっている。

本発明のノズル１では、反応性流体が、第１流路（即ちパイプ部）１０および第２流路（即ちスリット部）２０を通って第２流路２０のスリット状吐出口から排出される。スリット状吐出口の長手方向長さは、加工が可能である限り任意に決定することができる。しかしながら、吐出される反応性流体の端部は表面張力により内側に引っ張られるため、吐出される反応性流体の長手方向長さは、スリット状吐出口から下流側へと離れると吐出口の長手方向長さよりも小さくなる傾向を一般的に有している（図３を参照）。従って、幅広い範囲に反応性流体を均一に散布・注入するために、スリット状吐出口の長手方向長さがより長くなっていることが好ましい。例えば、好ましくは１０〜２００ｃｍ、より好ましくは２０〜１００ｃｍ、例えば６０ｃｍと、反応性流体から形成される成形品の幅以上となっていることが好ましい。これによって、成形品の製造の際、本発明のノズル１をトラバースさせずに固定した状態で用いることができる。

上述のように、本発明のノズル１では、第１流路１０および第２流路２０を通って第２流路２０のスリット状吐出口から排出される反応性流体の吐出圧が、スリット状吐出口のいずれの地点であっても等しくなるように、第２流路２０のスリット状断面と直交する方向の第２流路長さが、ノズル１の中央からノズル１の外側に向かって漸次短くなっていることを特徴としている。図４に、第２流路２０のスリット状断面と直交する方向の第２流路長さを模式的に示す。図４に示すように、この第２流路長さは、ノズルの中央部を通る直線Ｐに対して対称となるようにノズルの中央からノズルの外側に向かって曲線状（例えば指数関数的）に漸次短くなっている。図４を参照すると、ノズルの中央部のおける第２流路長さｂ_centerは、好ましくは１０〜４００ｍｍであり、より好ましくは３０〜２００ｍｍであり、例えば１０９ｍｍである。それに対して、ノズルの最も外側での第２流路長さｂ_externalは、好ましくは２〜１００ｍｍであり、より好ましくは５〜５０ｍｍであり、例えば３０ｍｍである。ｂ_centerとｂ_externalとの比は、好ましくは１０〜４００：２〜１００であり、より好ましくは３０〜２００：５〜５０であり、例えば１０９：３０である。

第２流路長さがノズルの中央からノズルの外側に向かって指数関数的に漸次短くなることを説明するために、図４に示す第２流路長さｂ_１、ｂ_２、ｂ_３、ｂ_４について説明する。第２流路長さｂ_１、ｂ_２、ｂ_３、ｂ_４は、ノズルの中央部からノズルの最も外側部分に向かって、それぞれ均等な離隔距離を有する位置にある。第２流路長さｂ_１は、好ましくは１１〜１２０ｍｍであり、より好ましくは２５〜１００ｍｍであり、例えば８１ｍｍである。第２流路長さｂ_２は、好ましくは９〜１００ｍｍであり、より好ましくは２０〜８０ｍｍであり、例えば５９ｍｍである。第２流路長さｂ_３は、好ましくは６〜７０ｍｍであり、より好ましくは１５〜６０ｍｍであり、例えば４３ｍｍである。そして、第２流路長さｂ_４は、好ましくは４〜６０ｍｍであり、より好ましくは１０〜５０ｍｍであり、例えば３４ｍｍである。

また、本発明のノズル１では、第２流路２０のスリット状断面の短手方向長さ（即ちスリット部の厚さｅ）を変更することによって吐出圧を調整できる。短手方向長さｅは、好ましくは０．１〜１０ｍｍであり、より好ましくは１〜５ｍｍであり、例えば１．５ｍｍである。

更に、本発明のノズル１では、第１流路１０の直径（即ちパイプ部の直径ａ_φ）を変更することによって吐出圧を調整できる。直径ａ_φは、好ましくは３〜５０ｍｍであり、より好ましくは１０〜２０ｍｍであり、例えば１５ｍｍである。

本発明のノズル１は、金属板を削り込み、削り込んだ金属板を組み合わせることによって製造することができる。用いられる金属板は、ノズルの製造に一般的に用いられる金属から形成されていればよく、例えばステンレス、鉄およびアルミニウムから成る群から選択される金属から形成される。なお、本発明のノズル１を構成する材料は、金属に限らず、樹脂であってもかまわない。

本発明のノズル１に用いられる反応性流体は、一般的な樹脂原液であれば、いずれの種類の反応性流体であってもかまわない。あるいは、反応性流体は、第１流路１０および第２流路２０で圧力損失が生じ得るような粘性流体であることが好ましい。例えば、本発明のノズル１を用いてポリウレタンを製造する場合には、反応性流体が、ポリオールとイソシアネートとの混合物を含んで成ることが好ましい。この場合、反応性流体に、発泡剤、触媒または安定剤（例えばシリコン）等が更に含まれていてもかまわない。

例えば、本発明のノズル１を用いてポリウレタンを製造する場合には、ポリオールとイソシアネートとを混合し、それによって形成される混合物をノズルから吐出させる必要がある。従って、本発明では、図３に示すように、ノズル１の第１流路１０の上流側端部にミキシングヘッド３０を取り付けてもよい。なお、ミキシングヘッド３０は、ポリウレタンの製造に用いられる一般的なミキシングヘッドであれば、いずれの種類であってもかまわない。

次に、本発明の魚尾型ノズル１を用いてポリウレタンを製造する方法について説明する。本発明の魚尾型ノズル１では、上述したように、スリット状吐出口の長手方向長さは、反応性流体から形成される成形品の幅以上にすることが可能である。従って、ノズルをトラバースさせずに固定した状態で用いることができる。例えば、固定した状態のノズルからポリオールとイソシアネートとを含んで成る反応性流体を吐出させることによって、ポリウレタンを製造することができる。なお、本発明の魚尾型ノズルを使用する際は、上述したように吐出された膜状の反応性流体は、端部が表面張力により内側に引っ張られるため、スリット状吐出口を散布面近傍に設置して使用することが好ましい。

［実施例１］
本発明の魚尾型ノズルを実施例を用いて更に詳細に説明する。本発明の魚尾型ノズルは、散布幅（即ち、スリット状吐出口の長手方向長さに相当する）が６００ｍｍとなるように作成した。ノズルの仕様を表１に示す。

反応性流体として硬質ウレタンフォーム樹脂原液を使用した。ミキシングヘッドに魚尾型ノズルを固定した状態で、散布面を散布幅に対し垂直方向に移動させて硬質ウレタンフォーム樹脂原液を散布した。散布したままの型で成型し、出来上がった幅６００ｍｍ厚さ３５ｍｍの成形品の密度分布を測定した。密度分布の測定は、成形品の厚さ方向の中心部より幅５０ｍｍ長さ５０ｍｍ厚さ２５ｍｍのサンプルを切り出し、その寸法および重量を測定することによって行った。このようにして散布の均一性について数値化した。得られた密度分布の状態を表２に示す。なお、表２をグラフ化したものを図５に示す（図５は、表２の各サンプリング位置を模式的に示している）。

（表中、単位はｋｇ／ｍ^３である）

得られた結果に基づくと、本発明の魚尾型ノズルを用いると均一な成型体が得られることを理解されよう。また、連続して散布を続けてもノズルの完全な目詰まりが発生することがなく、硬質ウレタンフォーム樹脂原液の混合性が阻害されることも無かった。

［比較例１］
実施例１と同様にして、散布幅が２００ｍｍのトーナメント型ノズル（図７を参照）を用いて硬質ウレタンフォーム樹脂原液を散布して成形品を得ることを試みた。しかしながら、トーナメント型ノズルでは、ノズル内部の抵抗によって初期から混合不良が生じ、成形品を得ることができなかった。

表３に実施例１および比較例１の結果を示す。表３に示すとおり、本発明の魚尾型ノズルは、従来のノズルよりも優れていることが理解される。

図１は、本発明のノズルを模式的に示した断面図である。図２は、本発明のノズルを模式的に示した側方からの断面図である。図３は、ミキシングヘッドを備えた本発明のノズルを模式的に示した断面図である。図４は、第２流路のスリット状断面と直交する方向の第２流路長さを模式的に示している。図５は、本発明のノズルを用いて製造した成形品の密度分布をグラフ化したものである。図６は、従来の櫛型ノズルを模式的に示している。図７は、従来のトーナメントノズルを模式的に示している。

符号の説明

１…本発明のノズル、１０…第１流路（またはパイプ部）、２０…第２流路（またはスリット部）、３０…ミキシングヘッド。

Claims

スリット状吐出口の全体にわたって均一量の反応性流体を吐出するノズルであって、
下流側に向かってテーパー状に広がって二股に分かれる流路を有する第１流路、および第１流路の長手方向全体にわたって第１流路の側部に接続されている第２流路を有して成り、
反応性流体の流れ方向と直交する方向の第２流路の断面は、細長い矩形状のスリット状となっており、
第１流路および第２流路を通って第２流路のスリット状吐出口から排出される反応性流体の吐出圧が、スリット状吐出口のいずれの地点であっても等しくなるように、第２流路のスリット状断面と直交する方向の第２流路長さが、ノズルの中央からノズルの外側に向かって漸次指数関数的に短くなっていることを特徴とするノズル。
スリット状吐出口から排出される反応性流体の吐出圧が、スリット状吐出口のいずれの地点であっても等しくなるように、第２流路のスリット状断面の短手方向長さが調節されている、請求項１に記載のノズル。
スリット状吐出口から排出される反応性流体の吐出圧が、スリット状吐出口のいずれの地点であっても等しくなるように、第１流路の直径が調節されている、請求項１または２に記載のノズル。
第１流路の断面は円形状または半円形状である、請求項１〜３のいずれかに記載のノズル。
第１流路の上流側端部に接続されているミキシングヘッドを更に有して成る、請求項１〜４のいずれかに記載のノズル。
反応性流体は、ポリオールとイソシアネートとの混合物を含んで成る、請求項１〜５のいずれかに記載のノズル。
スリット状吐出口の長手方向長さが、反応性流体から形成される成形品の幅以上となっている、請求項１〜６のいずれかに記載のノズル。
第１流路および第２流路を通って第２流路のスリット状吐出口から排出される反応性流体の圧力損失が、第１流路入り口からスリット状吐出口のいずれの地点であっても等しくなるようになっている、請求項１〜７のいずれかに記載のノズル。
ポリウレタンフォームを製造する方法であって、
ポリオールとイソシアネートとを、ミキシングヘッドにて混合して混合原液を得た後、ミキシングヘッドに取り付けられたノズルでもって混合原液を散布しており、
前記ノズルが、
下流側に向かってテーパー状に広がって二股に分かれる流路を有する第１流路、および第１流路の長手方向全体にわたって第１流路の側部に接続されている第２流路を有して成り、
反応性流体の流れ方向と直交する方向の第２流路の断面は、細長い矩形状のスリット状となっており、
第１流路および第２流路を通って第２流路のスリット状吐出口から排出される反応性流体の吐出圧が、スリット状吐出口のいずれの地点であっても等しくなるように、第２流路のスリット状断面と直交する方向の第２流路長さが、ノズルの中央からノズルの外側に向かって漸次指数関数的に短くなっており、それによって、スリット状吐出口の全体にわたって均一量の反応性流体を吐出する、ことを特徴とする製造方法。
前記ノズルをトラバースさせずに固定した状態でノズルから反応性流体を吐出させることを特徴とする、請求項９に記載の製造方法。