JP4839728B2 - 熱可塑性樹脂の多層成形方法、及び多層成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性樹脂の多層成形方法、及びそれを実現するための多層成形装置に関する。

発泡層と非発泡層とを含む熱可塑性樹脂を用いた多層の成形品は、古くから様々な分野で使用されている。多層成形品のうち発泡層は、樹脂の内部に多数存在する気泡によって軽量性、断熱性、吸音性、質感に優れる。一方、多層成形品において非発泡層が存在することにより、剛性、外観性に優れた効果を得ることが出来る。近年、特に、製品に対する樹脂の使用量を減らし軽量化するために樹脂を発泡させる手段が採用され、軽量化はコスト低減につながることとあいまって、発泡層を含む多層成形品の適用分野は、更に広がっている。

多層成形品のうちの発泡層を得る方法は、樹脂に混合する発泡剤の種類によって、物理的発泡法と化学的発泡法に分類される。物理的発泡法では、物理発泡剤である窒素や二酸化炭素等の不活性ガス、又は炭化水素類やフルオロカーボン類等の気化性物質を使用する。一方、化学的発泡法では、化学発泡剤であるアゾ化合物やニトロソ化合物等の有機発泡剤、又は重炭酸ナトリウム等の無機発泡剤を使用する。そして、多層成形方法では、発泡剤と樹脂材料とを混合した溶融樹脂を金型のキャビティに射出充填し、発泡剤を含まない樹脂材料からなる溶融樹脂を金型のキャビティに射出充填し、発泡剤を混合した樹脂を発泡させることによって、層の内部に約８０〜３００μｍ程度の気泡径を有する発泡層と、非発泡層と、を含む多層成形品を得ることが出来る。

多層成形品のうちの発泡層にあたる発泡成形品を得る方法として、例えば、特許文献１には、オレフィン樹脂に化学発泡剤又は物理発泡剤を混合して溶融し、ショートショット法を用いて成形品の内部に気泡を有する発泡成形品の成形方法が開示されている。この特許文献１に開示された方法によれば、押出機、アキュムレータ、金型によって構成された成形装置に、窒素ガス等の不活性ガス、又は炭化水素類やフルオロカーボン類等の揮発性物質、若しくは化学発泡剤等と、樹脂材料を混合した溶融樹脂を、押出機でアキュムレータに送り込み、その後、アキュムレータに送り込まれた溶融樹脂を金型内へ射出し、樹脂を発泡させることによって、内部に気泡を有する発泡成形品を得ることが出来る。

又、例えば特許文献２には、物理発泡剤を使用することにより発泡成形品を得る方法として、押出機ホッパより空気、又は他の気体、若しくは気化性物質等を、樹脂材料の供給と同時に加圧下で供給し、樹脂材料の溶融と気泡の含有及び分散をスクリュ押出機で行う方法が開示されている。この特許文献２に開示された方法によれば、ポリエチレン樹脂を用い、空気を０．６９〜０．７８ＭＰａ程度で加圧供給することにより、独立気泡を含むスポンジ様物質の成形品を得ることが出来る。

更に、例えば特許文献３には、発泡性ガスとして不活性ガスである二酸化炭素を超臨界状態で使用し、従来の化学発泡剤又は物理発泡剤を使用して成形品内部に形成した場合に比較して、格段に気泡の密度（単位体積あたりの気泡数）を増加させ得る方法が開示されている。この特許文献３に開示される方法によれば、超臨界流体の昇圧装置及び供給装置とガスボンベから構成されるシステムを成形装置に取付け、成形装置のシリンダより二酸化炭素を超臨界状態で注入して溶融樹脂中へ溶解させるとともに、注入した二酸化炭素を溶解した溶融樹脂を金型内に射出充填して樹脂を発泡させ、内部にマイクロセルと呼ばれる１μｍ未満の超微孔質を有する樹脂成形品を得ることが出来る。

特公昭４４−６０８０号公報 特公昭４３−９９１３号公報 特表平６−５０６７２４号公報 成形加工、２００１、第２号、第１３巻

しかしながら、多層成形品のうちの発泡層を形成するために、上記した従来の発泡成形品を得る方法を用いると、以下のような問題が顕在化した。

即ち、樹脂と有機化学発泡剤（アゾ化合物又はニトロソ化合物等）を供給する手段を採用した場合（特許文献１を参照）においては、熱分解により腐食性のあるアンモニア、一酸化炭素や水蒸気等のガス、シアン酸、イソシアン酸等が分解生成物として生じ、大気中に放出されるとともに、分解生成物が発泡層中に残留するという問題があった。又、発泡剤として重炭酸ナトリウム（無機発泡剤）を使用すると、アルカリ性成分を含む微量の反応残留物が多層成形品（製品）を変色させ、多層成形品の耐候性を低下させるという問題に直面した。特に、アルミニウムメタリック塗装を施す場合には、その塗料に含まれるアルミニウムメタリック粒子を腐食させるという問題が生じていた。

一方、分解生成物が生じることのない物理発泡剤である炭化水素類又はフルオロカーボン類等の気化性物質を供給する手段を採用すると、環境汚染及び環境破壊物質として大気中への排出が規制されるという問題に直面した。

スクリュを用いた樹脂の押出機のホッパより窒素等の不活性ガス又は空気を供給し樹脂材料と同時に加圧下で混練して成形する手段（特許文献２を参照）では、溶融樹脂中に気体が微細に分散されず所望する気泡密度や気泡径を有した発泡層を形成することは、実際には、なかなかに難しいという問題があった。

二酸化炭素（発泡性ガス）を超臨界状態で溶融樹脂中に溶解させる手段を採用した場合（特許文献３を参照）には、以下のような問題があった。先ず、超臨界流体の発生装置及び供給装置が必要となり、これらの装置は高圧のガスを取り扱うことから法的規制を受け、設備の導入や取り扱いが煩雑であるという問題である。次に、射出装置のシリンダ内に注入した発泡性ガスのシール機構が複雑なものになり、装置が高価格になるという問題である。次いで、発泡性ガスのシール性を高めると、樹脂の可塑化能力が低下することから、生産性も低下するという問題である。加えて、発泡性ガスの注入制御は、流量制御が一般的であることから、制御機構が複雑なものになるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、有害な分解生成物の発生や環境汚染物質又は環境破壊物質の大気中への排出がなく、法的規制を受け導入や取り扱いが煩雑な超臨界流体の発生装置及び供給装置を用いることなく、所望する気泡密度や気泡径を有する発泡層を備えた多層成形品を得ることが可能な、環境に優しい熱可塑性樹脂の多層成形手段を提供することを目的とする。研究が重ねられた結果、以下に示される手段によって、上記目的が達成されることが見出された。

即ち、先ず、本発明によれば、成形材料である複数種類の熱可塑性樹脂の可塑化及び射出を行う複数の射出装置と、その複数の射出装置から射出をされた熱可塑性樹脂が充填される成形空間であるキャビティを備えた金型と、その金型の型締を行うとともに金型を開閉してキャビティの容積を拡大縮小し得る型締装置と、を用い、複数種類の熱可塑性樹脂のうち少なくとも１種の熱可塑性樹脂に発泡性ガスを混合して、金型のキャビティの中で積層されるように複数種類の熱可塑性樹脂を金型のキャビティに射出充填し、その後、金型のキャビティの容積を拡大して、発泡性ガスが混合された少なくとも１種の熱可塑性樹脂を発泡させる多層成形方法であって、発泡性ガスを、０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満の圧力で、複数の射出装置のうち少なくとも１つの射出装置へ供給し、その射出装置で可塑化をされた熱可塑性樹脂と発泡性ガスとの混合を行う熱可塑性樹脂の多層成形方法が提供される（発泡性ガス混合法ともいう）。

本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法においては、上記した射出装置へ供給される発泡性ガスの圧力は、０．５ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満であることが、より好ましい。

発泡層の形成に使用される発泡性ガスは、通常、０．１ＭＰａ以上〜１．０ＭＰａ未満の圧力をかけて、射出成形装置の所定箇所に供給する。この圧力を採用したことで、射出装置のガスシール性の機構を簡素化出来、結果として、所望とする水準以上の可塑化能力を担保することが出来る。例えば、２ステージスクリュの場合は、通常、射出装置のガスシール性は、第１ステージと第２ステージの境界部のスクリュフライト隙間を狭くすることで確保されるが、あまり、スクリュフライト隙間を狭くしすぎると、溶融樹脂の通過が阻害され、可塑化能力の低下につながることがある。しかし、上記の注入圧の範囲内であれば、スクリュフライト隙間を比較的大きく設定出来、可塑化能力とガスシール性とを同時に満足させることが出来る。又、上記の圧力内とすることで、充填射出時における樹脂先端部からの発泡性ガスの噴出量を適正な水準に押さえることが出来るので、所望とする多層成形品の外観を確保出来るという効果が発揮される。尚、発泡性ガスの注入量を圧力制御とすることで、使用する樹脂に最適なガス溶解飽和量が成形条件に左右されることなく得られる。尚、ガス注入量は、２ステージスクリュの減圧部（ガス注入位置）の圧力と注入ガスの圧力差として与えられる。又、ポリスチレンへの窒素ガスの溶解量（２００℃）は、０．４ｍｏｌ／ｋｇ（１ＭＰａ）〜０．６ｍｏｌ／ｋｇ（１０ＭＰａ）と、圧力差による溶解量の差は小さい（非特許文献１を参照）ことから、上述の０．１ＭＰａ以上〜１．０ＭＰａ未満という圧力範囲内でも、発泡に必要な発泡性ガス量は、十分に確保出来るといえる。従って、上述の圧力範囲内で発泡ガスを注入しても、十分な発泡が見込め、得られる製品の性質への影響は実質的にないといえる。

尚、０．１ＭＰａ未満では、所望する得られる多層成形品において所望とする気泡密度や気泡径を有する発泡層を得ることが出来ず、又、１．０ＭＰａ未満としたのは、１．０ＭＰａでも所望とする気泡密度や気泡径を有する多層成形品も得られることはあるが、時として、発泡セルが粗大化したり、あるいは、多層成形品の部位により発泡倍率に大きな差異が生ずる等の異常が発生したりすることがあり、又、表面の状態も、スワルマークによる多層成形品の外観不良が認められることがあり、好ましくないからである。加えて、これ以上の高圧では、自動車部品等の大型多層成形品を成形出来る成形装置を高度のシール性を持たせることが必要となり、その様な高度のシール性を持たせるのは設計上かなりの困難を伴うだけでなく、施設そのものも、耐高圧化する必要があり、大型の装置を収容する屋社を、耐高圧化するには、莫大な投資が必要だけでなく、現在の技術を持ってしても、完全性を期すには、完全に不安を払拭出来ないからである。

発泡性ガスの射出装置への供給は、多層成形品の発泡状態、外観、ソフト感等の点からみて、０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満、好ましくは、０．２ＭＰａ〜０．９９ＭＰａの圧力、更に好ましくは、０．５ＭＰａ〜０．９ＭＰａの圧力で行うことが好ましい。発泡性ガスの射出装置への供給は、後述する射出成形装置に備えられている熱可塑性樹脂を供給するホッパ内又は可塑化シリンダ内の溶融樹脂中とすることとしたので、発泡性ガスや気泡核形成剤を溶融樹脂中に十分に分散させ、且つ、混合させることが出来る。尚、発泡性ガスの供給を可塑化シリンダ内に設けられている射出装置のスクリュは、２ステージスクリュを採用しているので、発泡性ガスや気泡核形成剤を溶融樹脂中に分散させ、混合させることが出来る。溶融樹脂と発泡性ガス及び気泡核形成剤の混合分散性を高める目的において、高分散性のスクリュヘッドを備えたスクリュであることがより好ましい。

本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法では、射出装置へ供給される前の発泡性ガスに気泡核形成剤を予め含めておき、金型のキャビティへ射出充填される熱可塑性樹脂に気泡核形成剤を含有させることが好ましい。

又、本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法では、成形材料である熱可塑性樹脂に気泡核形成剤を予め含めておき、金型のキャビティへ射出充填される熱可塑性樹脂に気泡核形成剤を含有させることが好ましい。

本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法において、気泡核形成剤が、酸化鉄、珪酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウム、有機酸（クエン酸、酒石酸等）、珪酸アルミニウム、ガラス繊維、及びタルク、のうちの何れか１又は２以上の混合物であることが好ましい。

本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法においては、発泡性ガスの射出装置への供給が、圧力制御で行われることが好ましい。

本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法においては、発泡性ガスの供給先が、可塑化をされる前の熱可塑性樹脂の投入口にあたる射出装置のホッパ、又は可塑化を行う射出装置のシリンダにおける可塑化をされた後の熱可塑性樹脂の中であることが好ましい。

本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法においては、発泡性ガスが、空気、二酸化炭素、窒素からなる無機ガス群のうちの何れか１の無機ガス又は２以上が混合された無機ガスであることが好ましい。尚、発泡層を有する多層成形において使用される、発泡性ガスとしては、炭酸ガス、窒素ガス、空気、又はこれらの混合ガスが挙げられるが、得られる多層成形品の性状等の点からみて、空気、又は、炭酸ガスが好ましい。尚、これらの発泡性ガスの選択に際しては、樹脂の耐酸化性を考慮することが必要である。一部に酸化され易い基を含む樹脂に対しては、空気以外のガスを使用することが好ましい。例えば、ポリプロピレン等、耐酸化性が問題とならない樹脂の場合には、空気が入手の容易性の面でも、好適に採用される。気泡核形成剤としては、酸化鉄、珪酸カルシウム、珪酸アルミニウム、ガラス繊維、タルク、炭酸水素ナトリウム（重曹）等の無機物の微粉末、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウム等の有機酸の金属塩、クエン酸、酒石酸等の有機酸等が挙げられる。勿論、これらは、気泡核形成剤としての働きを考慮の上、例えば、金属塩と有機酸を混合して使用してもよい。

本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法において使用される熱可塑性樹脂としては、ポリスチレン、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、等のスチレン系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、等のオレフィン系樹脂、及びエンジニアリング樹脂といわれるポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートのようなポリエステル系樹脂、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、及び変性ポリフェニレンエーテル、オレフィン系熱可塑性エラストマー、等が挙げられる。これらの樹脂は、用途等に応じて、２種類以上を混合して使用してもよく、又、これらの熱可塑性樹脂には、必要に応じて可塑剤、離型剤、帯電防止剤、難燃剤、等の種々の添加剤や、物性改良のための各種フィラー、ガラス繊維、カーボン繊維、等更には着色剤、染料、等を混合して使用してもよい。

次に、本発明によれば、上記した何れかの熱可塑性樹脂の多層成形方法で作製された自動車内装用多層成形品が提供される。

次に、本発明によれば、複数種類の熱可塑性樹脂が多層に成形され、複数種類の熱可塑性樹脂のうち少なくとも１種の熱可塑性樹脂からなる１つの層が発泡をしている多層成形品を製造するための装置であって、成形材料である複数種類の熱可塑性樹脂の可塑化及び射出を行う複数の射出装置と、その複数の射出装置から射出をされた熱可塑性樹脂が充填される成形空間であるキャビティを備えた金型と、その金型の型締を行うとともに金型を開閉してキャビティの容積を拡大縮小し得る型締装置と、前記発泡のための発泡性ガス及び気泡核形成剤をそれぞれ供給する発泡性ガス供給装置及び気泡核形成剤供給装置と、を備える多層成形装置が提供される。

本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法は、複数種類の熱可塑性樹脂のうち少なくとも１種の熱可塑性樹脂に気泡核形成剤と発泡性ガスとを混合して、金型のキャビティの中で積層されるように複数種類の熱可塑性樹脂を金型のキャビティに射出充填し、その際、発泡性ガスを、０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満の圧力で、複数の射出装置のうち少なくとも１つの射出装置へ供給するので、環境に有害な発泡剤や、超臨界流体の発生装置と供給装置を用いることなく、所望する気泡径と気泡密度を有し有害な分解生成物の残留がない発泡層を備えた、熱可塑性樹脂の多層成形品を得ることが出来る。

又、発泡性ガスの供給圧力が、０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満であることから、射出装置のシリンダ内に供給した発泡性ガスのシール機構は簡素なものでよく複雑なものにならず、樹脂の可塑化能力の低下が防止出来る。射出装置のスクリュ形状を２ステージスクリュとする場合には、１ステージと２ステージとの境界のスクリュフライトの隙間を狭くすることでガスシール性を確保するが、この際、発泡性ガスの圧力が高ければ、それに比例してスクリュフライトの隙間を、より狭くする必要が生じ、樹脂の可塑化能力の低下を招来することになるが、本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法によれば、このような問題を回避出来る。

更に、発泡性ガスの供給圧力が、０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満であることから、射出充填時における流動している溶融樹脂の先端からの発泡性ガスの噴出量は、１．０ＭＰａ以上の場合に比較して、より少なくなるため、多層成形品（製品）の外観は、より良好なものとなる。

本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法において、発泡性ガスの供給圧力を０．１ＭＰａ以上としたのは、０．１ＭＰａ以下では、所望する気泡密度や気泡径を得ることが出来ないからである。一方、発泡性ガスの供給圧力を１．０ＭＰａ未満としたのは、１．０ＭＰａ以上であると、気泡径が粗大化し、スワルマークによる発泡層（成形品）の外観不良が顕著となるとともに、射出充填時において、射出装置側で流動している溶融樹脂の先端部分が受ける圧力と、金型側で受ける樹脂の圧力と、の差が大きいことから多層成形品の部位によって発泡の程度が異なるものになってしまうからである。

より好ましくは、発泡性ガスを０．５ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満となる圧力で、且つ、圧力制御により射出装置へ供給することであり、そうすることによって、より表面が緻密で所望する気泡密度や気泡径を有した発泡層を備えた多層成形品を得ることが出来る。又、発泡性ガスの射出装置への供給を０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満の圧力としたので、発泡性ガスを超臨界状態として使用する従来のような超臨界流体の発生装置及び供給装置を必要としない。

本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法における好ましい態様において、発泡性ガスの射出装置への供給先を、射出装置のホッパ、又はシリンダにおける溶融した熱可塑性樹脂の中としたので、発泡性ガスや気泡核形成剤を、発泡層を形成する溶融樹脂の中に、十分に分散し、且つ、混合することが出来る。溶融樹脂と発泡性ガス及び気泡核形成剤の混合分散性を高めるためには、高分散性のスクリュヘッドを備えたスクリュを用いることが、より好ましい。

本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法における好ましい態様において、発泡性ガスの供給を圧力制御としたので、成形条件に影響されずに、使用する熱可塑性樹脂に最適な発泡性ガスの溶解飽和量が安定して得られる。例えば、射出装置のスクリュとして２ステージスクリュを採用する場合においては、減圧部（発泡性ガスの供給位置）の圧力と供給する発泡性ガスの圧力との間の圧力の差分が発泡性ガスの供給量になるが、ポリスチレン樹脂への窒素ガスの溶解量は、２００℃で０．４ｍｏｌ／ｋｇ（１ＭＰａ）〜０．６ｍｏｌ／ｋｇ（１０ＭＰａ）であり、圧力差による溶解量の差は小さいため（非特許文献１を参照）、０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満の圧力において発泡に必要な量の発泡性ガスは十分に確保出来る。更に、０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満の圧力の範囲であれば、多層成形品（製品）への影響は小さいと判断出来る。

以下、本発明について、適宜、図面を参酌しながら、実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではない。本発明の要旨を損なわない範囲で、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良、置換を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は、以下に記述される手段である。

先ず、本発明に係る多層成形装置について説明する。本発明に係る多層成形装置は、本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法を実施するのに好適な装置である。図１は、本発明に係る多層成形装置の一の実施形態を示す図であり、横型締タイプの射出成形装置の全体構成図である。図１に示されるように、射出成形装置１００は、金型１０、型締装置２０、２台の射出装置３０，１３０、発泡性ガス供給手段４０、制御装置７０とで構成されている。

金型１０は、固定盤１に取付けられた固定金型３と可動盤２に取付けられた可動金型４とからなり、固定金型３と可動金型４とは半押込み構造であり嵌合部で嵌め合わされ、嵌め合わされた状態で固定金型３のキャビティ１１を形成する面（キャビティ形成面）と可動金型４のキャビティ１１を形成する面（キャビティ形成面）とが組み合わされて、金型１０のキャビティ１１を形成する構成となっている。そして、半押込み構造の嵌合部は金型１０のキャビティ１１の全周にわたって形成され、射出充填後に金型１０のキャビティ１１の容積を拡大しても、金型１０のキャビティ１１に充填した樹脂が金型１０から漏れ出すことを防止している。そして、型締装置２０は、金型１０の型開、型閉を作動する型締シリンダ２２を備えており、可動金型４が固定金型３に対して図示しないタイバーに案内されて前後進出来るように構成されている。

尚、金型を所定のストローク開いてもキャビティに充填した樹脂が漏れ出すことのない半押込み構造の金型に限るものでなく、発泡成形に適用可能であれば、それ以外の平押し構造等の金型を使用してもよい。又、直圧式の型締装置を有する横型締タイプの射出成形装置ではなく、トグル式型締装置や電動サーボモータ式又は竪型締タイプの射出成形装置を使用してもよい。

図１に示される２台の射出装置３０，１３０は、シリンダ３１，１３１と、シリンダ３１，１３１に内装されフライトを有するスクリュ３２，１３２と、シリンダ３１，１３１内に成形材料を供給するホッパ３５，１３５とを備え、スクリュ３２，１３２を前後進させるスクリュ移動手段３３，１３３と、スクリュ３２，１３２を回転駆動するスクリュ回転手段３４，１３４が設けられる。そして、シリンダ３１，１３１の外周面には、図示しないヒータが取付けられている。加えて、一方の射出装置１３０には、発泡性ガス供給手段４０からホッパ１３５（ホッパ口）、又はシリンダ１３１内の溶融樹脂中に発泡性ガスが供給されるように構成されている。

射出装置３０は、スクリュ回転手段３４によってスクリュ３２が回転することにより、ホッパ３５からペレット状の成形材料が、シリンダ３１内に供給される構成となっており、供給されたペレット状の成形材料は、シリンダ３１に取付けられた図示しないヒータによって加熱され、スクリュ３２の回転によって混練圧縮作用を受けることにより溶融し、スクリュ３２の前方へ送られる。スクリュ３２の前方へ送られた溶融樹脂は、スクリュ移動手段３３により前進するスクリュ３２によって、シリンダ３１の先端に取付けられたノズル３６から金型内へ射出充填することが出来る。

一方、射出装置１３０においても、同様の作用・現象が起きるが、溶融樹脂中に発泡性ガスが供給されるため、供給されたペレット状の成形材料は、混練圧縮作用を受けることにより、発泡性ガスと気泡核形成剤とを混合、分散して溶融し、スクリュ１３２の前方へ送られる。スクリュ１３２の前方へ送られた発泡性ガスと気泡核形成剤を混練、分散させた溶融樹脂は、スクリュ移動手段１３３により前進するスクリュ１３２によって、シリンダ１３１の先端に取付けられたノズル１３６から金型内へ射出充填することが出来る。尚、気泡核形成剤は、後述する気泡核形成剤供給装置から予め設定された成形条件に基づいて好適な量を供給することが出来る。

尚、射出装置３０，１３０のスクリュ移動手段３３，１３３を油圧シリンダとし、スクリュ回転手段３４，１３４を油圧モータとしたが、電動サーボモータを用いたスクリュ移動手段やスクリュ回転手段としてもよい。又、射出装置３０，１３０のように可塑化と射出を一本のスクリュで行うインラインスクリュ方式の射出装置を有する構成ではなく、可塑化と射出を別々の機構で行うスクリュプリプラ方式の射出装置としてもよい。そして、スクリュの形状は射出装置３０，１３０のような２ステージスクリュではなく、例えば、発泡性ガスの供給先をホッパとした場合においては、１（シングル）ステージスクリュとしてもよい。

発泡性ガス供給手段４０は、空気供給源４１と、二酸化炭素供給源４２と、発泡性ガス供給装置４３とを備え、空気供給源４１と二酸化炭素供給源４２とは供給路によって連結されている。更に、発泡性ガス供給手段４０は、射出装置１３０のシリンダ１３１及びホッパ１３５に設けられたガス供給口への発泡性ガス供給路を備え、制御装置７０の指令に基づき、射出装置１３０へ発泡性ガスを供給する。又、発泡性ガス供給装置４３及び射出装置１３０に連結された供給路の末端近傍には、気泡核形成剤を供給する気泡核形成剤供給装置６１、６２が設けられ、発泡性ガス中に気泡核形成剤を供給する。尚、気泡核形成剤は、粉末状として予め成形材料にドライブレンドしたり、気泡核形成剤をマスターバッチ化して成形材料に添加したり、成形材料の製造時に予め混練しておくことによっても、熱可塑性樹脂に含有させることが可能である。

図１に示される制御装置７０は、成形材料の可塑化と発泡性ガス及び気泡核形成剤の供給、溶融樹脂の金型内への射出を制御する第１射出制御部１７１及び第２射出制御部７１、金型１０の開閉や型締力を制御する型締制御部７２、及びタイマ類等から構成されている。型締制御部７２は、多層成形品のうち発泡層を得るための樹脂の発泡工程の開始時に、キャビティ１１の容積が所望する容積となるよう可動盤２の位置を移動させる位置及び速度の設定部を備えるとともに、その発泡工程の完了時まで可動盤２の位置を保持する制御が出来るようになっている。発泡工程は、金型１０のキャビティ１１に樹脂が充填完了したことを検出し型締力を降圧する工程と金型１０のキャビティ１１の容積を拡大する工程とを有し、型締力の降圧工程中にスキン層と気泡核が形成され、型締力の降圧速度が速いほど多くの気泡核が形成される。又、金型１０のキャビティ１１の容積の拡大速度は成形樹脂の伸長粘度によって設定し、伸長粘度が低い場合は拡大速度を遅く、伸長粘度が高い場合は拡大速度を速く設定することが望ましい。

次に、上記した図１に示される多層成形装置を使用した場合を例にとって、図２及び図３を参照しながら、本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法について説明する。本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法は、発泡剤を含む溶融樹脂を金型のキャビティ内に射出充填後、金型のキャビティの容積を拡大して樹脂を発泡させる工程を有する方法であり、発泡層と非発泡層とを含む熱可塑性樹脂の多層成形品を得るために好適な方法である。

図２は、（ａ）〜（ｆ）で構成され、図１における金型１０と２台の射出装置３０，１３０のみを簡略化して描いた工程図であり、本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法の一の実施形態を示す図である。又、図３は、（ａ）〜（ｅ）で構成され、金型１００と２台の射出装置３０，１３０のみを簡略化して描いた工程図であり、本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法の他の実施形態を示す図である。尚、図１及び図２に示される金型１０は、射出装置１３０から射出充填される発泡性ガスと気泡核形成剤とを含む樹脂が、射出装置３０から射出充填される発泡性ガスと気泡核形成剤とを含まない樹脂と、独立してキャビティ１１に充填されるように構成されている。一方、図３に示される金型１００は、固定金型１３において、射出装置１３０から射出充填される発泡性ガスと気泡核形成剤とを含む樹脂が、キャビティ１１に入る前に、射出装置３０から射出充填される発泡性ガスと気泡核形成剤とを含まない樹脂の内部に流れるように工夫されたミキシング部１５０を有するところが、図１及び図２に示される金型１０とは異なるが、他は金型１０と同じものであるので、後述する図３に基づく工程は、図１を参照し、図１の金型１０を金型１００（図３を参照）に置き換えたものとして、説明する。

最初に、図２に基づいて説明する。図１に示される型締シリンダ２２のピストンヘッド側に圧油を供給してピストンロッドを前進移動させることにより、可動盤２を固定盤１の方向へ移動させ、金型１０を型締して保持する。金型に作用させる型締力は樹脂充填時の際に樹脂の充填圧力で金型１０が開かない最小の値とすることが、使用エネルギーや成形装置寿命の観点から望ましい。型締完了後、予め設定した射出充填量、射出圧力、射出速度に基づいて金型１０のキャビティ１１に、発泡性ガスと気泡核形成剤とを含まない樹脂（成形材料）、発泡性ガスと気泡核形成剤とを含む樹脂（成形材料）、の順に射出充填を行う。

射出装置３０において、スクリュ回転手段３４に圧油を供給してスクリュ３２を回転することによりホッパ３５から供給された成形材料は、シリンダ３１に取付けた図示しないヒータで加熱され、又、スクリュ３２の回転によって混練圧縮作用を受け溶融し、スクリュ３２前方へ送られる。スクリュ前方へ送り込まれた（発泡性ガスと気泡核形成剤とを含まない溶融した）樹脂１２４は、スクリュ移動手段３３に圧油を供給してスクリュ３２を前進させることにより、金型１０のキャビティ１１に射出充填される（図２の（ａ）を参照）。そして、予め設定された冷却時間だけ金型１０のキャビティ１１の容積を保持し冷却することにより、非発泡層１２１が成形（固化）される（図２の（ｂ）を参照）。

型締シリンダ２２のピストンヘッド側に作用させた圧油を減圧して型締力を降圧するとともに、ピストンロッド側に圧油を供給してピストンロッドを後退移動させることにより、可動盤２を反固定盤方向へ移動させ金型１０を型開してキャビティ１１の容積を拡大する（図２の（ｃ）を参照）。金型１０のキャビティ１１の容積の拡大制御は、型締制御部７２に備えた可動盤２の位置を移動させる位置及び速度の設定部の設定値に基づいて行い、可動盤２は予め設定された位置で停止し、位置保持する。

次に、射出装置１３０において、スクリュ回転手段１３４に圧油を供給してスクリュ１３２を回転することによりホッパ１３５から供給された成形材料は、シリンダ１３１に取付けた図示しないヒータで加熱され、又、スクリュ１３２の回転によって混練圧縮作用を受け溶融するとともに、発泡性ガスと気泡核形成剤とを混合、分散してスクリュ１３２前方へ送られる。スクリュ前方へ送り込まれた発泡性ガスと気泡核形成剤とを混合、分散した（溶融した）樹脂１２５は、スクリュ移動手段１３３に圧油を供給してスクリュ１３２を前進させることにより、金型１０のキャビティ１１の中の、既に成形された非発泡層１２１の可動盤２の側へ、射出充填される（図２の（ｄ）を参照）。樹脂充填完了後（図２の（ｅ）を参照）、型締シリンダ２２のピストンヘッド側に作用させた圧油を減圧して型締力を降圧する。

次いで、型締シリンダ２２のピストンロッド側に圧油を供給してピストンロッドを後退移動させることにより、可動盤２を、更に反固定盤方向へ移動させ金型１０を型開してキャビティ１１の容積を、更に拡大する。金型１０のキャビティ１１の容積の拡大制御は、型締制御部７２に備えた可動盤２の位置を移動させる位置及び速度の設定部の設定値に基づいて行い、可動盤２は予め設定された位置で停止するとともに、金型１０内の樹脂発泡圧力によって可動盤２が押し戻されないように位置保持する。このように金型１０のキャビティ１１の容積の拡大制御を行って、金型１０のキャビティ１１の容積を拡大することで、金型１０のキャビティ１１において樹脂圧力が減少し始め、同時に、発泡性ガスと気泡核形成剤とを含む樹脂１２５の内部において発泡が起こり始める。そして、予め設定された冷却時間だけ金型１０のキャビティ１１の容積を保持し冷却することにより、発泡層１２２が成形（固化）され（図２の（ｆ）を参照）、多層成形品を得ることが出来る。

続いて、図３に基づいて説明する。図１に示される型締シリンダ２２のピストンヘッド側に圧油を供給してピストンロッドを前進移動させることにより、可動盤２を固定盤１の方向へ移動させ、（図１における金型１０の代わりの）金型１００を型締して保持する。金型に作用させる型締力は樹脂充填時の際に樹脂の充填圧力で金型１００が開かない最小の値とすることが、使用エネルギーや成形装置寿命の観点から望ましい。型締完了後、予め設定した射出充填量、射出圧力、射出速度に基づいて金型１００のキャビティ１１に、発泡性ガスと気泡核形成剤とを含まない樹脂を射出充填し、その間に発泡性ガスと気泡核形成剤とを含む樹脂の射出充填を行う。

射出装置３０において、スクリュ回転手段３４に圧油を供給してスクリュ３２を回転することによりホッパ３５から供給された成形材料は、シリンダ３１に取付けた図示しないヒータで加熱され、又、スクリュ３２の回転によって混練圧縮作用を受け溶融し、スクリュ３２前方へ送られる。スクリュ前方へ送り込まれた（発泡性ガスと気泡核形成剤とを含まない溶融した）樹脂１２４は、スクリュ移動手段３３に圧油を供給してスクリュ３２を前進させることにより、金型１００のキャビティ１１に射出充填される（図３の（ａ）を参照）。

発泡性ガスと気泡核形成剤とを含まない樹脂１２４の充填に続いて、ミキシング部１５０を切り替えるとともに、射出装置１３０において、スクリュ回転手段１３４に圧油を供給してスクリュ１３２を回転することによりホッパ１３５から供給された成形材料は、シリンダ１３１に取付けた図示しないヒータで加熱され、又、スクリュ１３２の回転によって混練圧縮作用を受け溶融するとともに、発泡性ガスと気泡核形成剤とを混合、分散してスクリュ１３２前方へ送られる。スクリュ前方へ送り込まれた発泡性ガスと気泡核形成剤とを混合、分散した（溶融した）樹脂１２５は、スクリュ移動手段１３３に圧油を供給してスクリュ１３２を前進させることにより、金型１００のキャビティ１１の中の、既に充填された発泡性ガスと気泡核形成剤とを含まない溶融した樹脂１２４に、サンドイッチ状に挟まれるように、射出充填される（図３の（ｂ）を参照）。

発泡性ガスと気泡核形成剤とを含む溶融した樹脂１２５の充填動作と連動させて、金型を若干開く動作を組み合わせることにより、樹脂１２４の中に、樹脂１２５が効率よくサンドイッチ状に充填される（図３の（ｃ）を参照）。尚、予め、キャビティ１１が所定の容積になるように金型１００を開いた状態で、樹脂１２５を充填してもよい。キャビティ１１に、樹脂１２４，１２５が、ほぼ充填された段階で、ミキシング部１５０を切り替えて、樹脂１２４の残りを充填する（図３の（ｄ）を参照）。こうすることにより、次の成形時に、樹脂１２４と樹脂１２５とが混在することを防止出来る。尚、樹脂１２４，１２５の各々の充填量は、適宜、選定するが、樹脂１２５が、樹脂１２４を破って表面に出てこないように、量を調節することが重要である。溶融した樹脂１２４，１２５の充填を全て完了した後、型締シリンダ２２のピストンヘッド側に作用させた圧油を減圧して型締力を降圧する。

次いで、型締シリンダ２２のピストンロッド側に圧油を供給してピストンロッドを後退移動させることにより、可動盤２を、更に反固定盤方向へ移動させ金型１００を型開してキャビティ１１の容積を、拡大する。金型１００のキャビティ１１の容積の拡大制御は、型締制御部７２に備えた可動盤２の位置を移動させる位置及び速度の設定部の設定値に基づいて行い、可動盤２は予め設定された位置で停止するとともに、金型１００内の樹脂発泡圧力によって可動盤２が押し戻されないように位置保持する。このように金型１００のキャビティ１１の容積の拡大制御を行ってキャビティ１１の容積を拡大することで、金型１００のキャビティ１１において樹脂圧力が減少し始め、同時に、発泡性ガスと気泡核形成剤とを含まない樹脂１２４にサンドイッチされた、発泡性ガスと気泡核形成剤とを含む樹脂１２５の内部において、発泡が起こり始める。そして、予め設定された冷却時間だけ金型１００のキャビティ１１の容積を保持し冷却することにより、非発泡層１３１と発泡層１３２が成形（固化）され（図３の（ｅ）を参照）、多層成形品を得ることが出来る。

尚、図２及び図３に示されるように、金型１０，１００を僅かに開いた状態であっても、固定金型３，１３と可動金型４とは嵌合部で嵌め合わさっており、キャビティ１１の中の溶融樹脂が金型１０，１００の外へ漏れ出すことはない。

以下、実施例によって、本発明を、更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によっていかなる制限を受けるものではない。

（実施例１）射出成形装置として横型トグル式射出成形機（宇部興産機械製 ＵＢＥ−ＭＤ３５０型射出成形機）を使用し、既述の図２に示される多層成形方法（発泡性ガス混合法）を用いて、１つの発泡層と１つの非発泡層とからなる２層の成形品（多層成形品）を作製した。成形品（製品）の剛性と表面の手触り感とを両立させるため、非発泡層の樹脂材料（成形材料）としてポリプロピレン樹脂（ＰＰ、三井化学製 自動車内装グレード ＭＦＲ＝３５）を用い、発泡層の樹脂材料（成形材料）としてオレフィン系熱可塑性エラストマー（ＴＰＯ、ＪＳＲ製 射出成形グレード 硬度ＨＡＳ＝４０ ＭＦＲ＝１０）を用いた。

気泡核形成剤として重曹とクエン酸の混合物を用い、予め樹脂材料に混合させた。発泡性ガスとしては二酸化炭素を使用し、シリンダ内の溶融樹脂中に０．９ＭＰａの圧力で供給した。スクリュは、スクリュ先端にミキシングヘッドを装着した２ステージスクリュを用い、ガスシール部は、供給する発泡性ガスの圧力に応じて調整した。

２層の成形品は、３５０×２２０ｍｍの自動車内装品（グローブボックスアウター）であり、２層のうち発泡層の発泡前の厚さは２．０ｍｍ、発泡後の厚さは４．２ｍｍ（発泡倍率２．１倍）とした。又、成形条件は樹脂温度２００℃、金型温度３０℃に設定した。成形品の評価は、発泡状態、外観状態、及びソフト感を目視で行った。結果を表１に示す。

（実施例２〜６、比較例１，２）使用した発泡性ガス、その発泡性ガスの供給圧力、発泡層の発泡前の厚さと発泡後の厚さを変更した他は、実施例１と同様にして２層の成形品を作製し、発泡状態、外観状態、及びソフト感を目視で評価した。結果を、発泡性ガス、供給圧力、発泡層の発泡前の厚さと発泡後の厚さとともに、表１に示す。

（比較例３）発泡性ガスを用いずに、重炭酸ナトリウム（無機系の化学発泡剤）を使用して発泡層を形成し、発泡前の厚さと発泡後の厚さを変更した他は、実施例１と同様にして２層の成形品を作製し、発泡状態、外観状態、及びソフト感を目視で評価した。結果を表１に示す。

表１において、発泡状態は、Ａが微細気泡の集合体がみられ良好である、Ｂが粗大気泡が混在している、ことを表す。又、外観状態は、Ａがスワルマーク及びシルバーストリークが少なく良好である、Ｂが（同じく）やや多い、Ｃが（同じく）多い、Ｄが（同じく）非常に多い、ことを表す。更に、ソフト感は、Ａが良好である、Ｂがやや硬い、Ｃが硬い、ことを表す。尚、表１における可塑化能力相対値は、比較例３の可塑化能力（ｋｇ／ｈｒ）を１．０としたときの、それぞれの可塑化能力の相対値を表している。

表１に示される結果より、本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法によれば、発泡状態、外観状態、及びソフト感がともに良好な成形品を、可塑化能力を大きく低下させることなく、作製することが可能であることが確認出来た。

本発明の熱可塑性樹脂の多層成形方法、及び多層成形装置は、あらゆる多層成形品の成形手段として利用の可能性がある。特に、外観に対する高い品質と剛性との両立が要求される製品、例えば、二輪車用部品、自動車用部品、家電製品、住宅設備部品等の成形手段として、好適に利用することが出来る。

本発明に係る多層成形装置の一の実施形態を示す全体構成図である。 図２の（ａ）〜（ｆ）は、本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法の一の実施形態を示す工程図である。 図３の（ａ）〜（ｅ）は、本発明に係る熱可塑性樹脂の多層成形方法の他の実施形態を示す工程図である。

符号の説明

１ 固定盤
２ 可動盤
３，１３ 固定金型
４ 可動金型
１０，１００ 金型
２０ 型締装置
３０，１３０ 射出装置
３１，１３１ シリンダ
３２，１３２ スクリュ
３５，１３５ ホッパ
４０ 発泡性ガス供給手段
４１ 空気供給源
４２ 二酸化炭素供給源
４３ 発泡性ガス供給装置
６１ 気泡核形成剤供給装置
６２ 気泡核形成剤供給装置
７０ 制御装置
１００ 横型締タイプの射出成形装置
１２１，１３１ 非発泡層
１２２，１３２ 発泡層
１２４ （発泡性ガスを含まない溶融した熱可塑性）樹脂
１２５ （発泡性ガスを含む溶融した熱可塑性）樹脂

Claims (6)

1. 成形材料である複数種類の熱可塑性樹脂の可塑化及び射出を行う複数の射出装置と、その複数の射出装置から射出をされた熱可塑性樹脂が充填される成形空間であるキャビティを備えた金型と、その金型の型締を行うとともに金型を開閉して前記キャビティの容積を拡大縮小し得る型締装置と、を用い、
   前記複数種類の熱可塑性樹脂のうち少なくとも１種の熱可塑性樹脂に発泡性ガスを混合して、前記金型のキャビティの中で積層されるように前記複数種類の熱可塑性樹脂を金型のキャビティに射出充填し、その後、金型のキャビティの容積を拡大して、前記発泡性ガスが混合された少なくとも１種の熱可塑性樹脂を発泡させる多層成形方法であって、
   前記複数の射出装置のうち少なくとも１つの射出装置として、第１ステージと第２ステージの境界部のスクリュフライト隙間を狭くすることでガスシール性を確保する２ステージスクリュを有するものを用い、予め気泡核形成剤が含められた前記発泡性ガスを、０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満の圧力で、その射出装置における２ステージスクリュの減圧部において、予め気泡核形成剤が含められ可塑化された前記熱可塑性樹脂へ供給し、その射出装置で可塑化をされた前記熱可塑性樹脂と発泡性ガスとの混合を行う熱可塑性樹脂の多層成形方法。
2. 射出装置へ供給される前記発泡性ガスの圧力が、０．５ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満である請求項１に記載の熱可塑性樹脂の多層成形方法。
3. 前記気泡核形成剤が、酸化鉄、珪酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウム、有機酸、珪酸アルミニウム、ガラス繊維、及びタルク、のうちの何れか１又は２以上の混合物である請求項１又は２に記載の熱可塑性樹脂の多層成形方法。
4. 前記発泡性ガスの前記射出装置への供給が、圧力制御で行われる請求項１〜３の何れか一項に記載の熱可塑性樹脂の多層成形方法。
5. 前記発泡性ガスが、空気、二酸化炭素、窒素からなる無機ガス群のうちの何れか１の無機ガス又は２以上が混合された無機ガスである請求項１〜４の何れか一項に記載の熱可塑性樹脂の多層成形方法。
6. 複数種類の熱可塑性樹脂が多層に成形され、前記複数種類の熱可塑性樹脂のうち少なくとも１種の熱可塑性樹脂からなる１つの層が発泡をしている多層成形品を製造するための装置であって、
   成形材料である複数種類の熱可塑性樹脂の可塑化及び射出を行う複数の射出装置と、その複数の射出装置から射出をされた熱可塑性樹脂が充填される成形空間であるキャビティを備えた金型と、その金型の型締を行うとともに金型を開閉して前記キャビティの容積を拡大縮小し得る型締装置と、を備え、
   前記複数の射出装置のうち少なくとも１つの射出装置が、第１ステージと第２ステージの境界部のスクリュフライト隙間を狭くすることでガスシール性を確保する２ステージスクリュを有し、
   更に、前記発泡のための発泡性ガスを供給する発泡性ガス供給装置と、
   気泡核形成剤を供給するとともにその供給先が前記発泡性ガスの供給路を介して射出装置のホッパ及び２ステージスクリュの減圧部になっている気泡核形成剤供給装置と、を備え、
   前記発泡性ガス供給装置における前記発泡性ガスの供給先が、前記２ステージスクリュを有する射出装置における２ステージスクリュの減圧部になっており、前記発泡性ガスを、０．１ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満の圧力で供給可能な多層成形装置。

Images