JP4881111B2 - 押出成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、押出成形品の製造方法に関し、さらに詳しくは強化材又は充填材と熱可塑性樹脂を含有する複合樹脂材料を用いて、外観性に優れた押出成形品を生産性よく製造する方法に関するものである。

従来より、押出成形法としては、押出成形機のシリンダ内で熱可塑性樹脂を混練し、熱可塑性樹脂の溶融温度より高温の金型を通した後、押出機から分離されたサイジング冷却金型を通し、水槽等の冷却工程を経た後に引取機により引き取る方法が一般的に用いられているが、この一般的方法は、充填材や強化材を高充填した熱可塑性樹脂材料のように溶融時の伸びが小さい熱可塑性樹脂材料に対しては、押出機から分離されたサイジング金型を通すとき、引取り機の力によってサイジング前に熱可塑性樹脂材料が引きちぎれることがあるため、不向きである。
そこで、このような熱可塑性樹脂材料には、該材料を押出機内で溶融混練した後、それに直結された、熱可塑性樹脂溶融温度と同等或いはそれより低い温度に調整された金型内に通過させ、成形体を得る固化押出法が有効である。

また、一般に固化押出法によってシート、パイプ等を成形する際の局部的な肉厚の調節はダイ中では樹脂温度が軟化点よりもかなり高い領域においてチョークバー等のダイスリット調節によって樹脂流量を調整して行われ、例えば複数の温度調節手段を押出方向に沿って並列配置して熱可塑性樹脂の成形性を制御する方法が提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、特に強化材や充填材を高充填した熱可塑性樹脂の押出成形において、従来の固化押出法では押出速度を向上させ難いという問題がある。強化材や充填材を充填した熱可塑性樹脂は通常の熱可塑性樹脂単体に比べ、溶融時にせん断力が加わった際の樹脂の引きちぎれが起こりやすいし、また、その固化押出においてはダイ内部で、溶融樹脂がダイ接触して固化し、ダイ内面に張り付くことにより流速に分布を生じる。こういった場合、成形品にクラックを生じたり、表面がささくれたりする成形不良を生じやすい。そのため、押出速度を低速として充分に冷却を行う必要を生じるが、冷却ダイ内部での樹脂の流動を抑えるために背圧が大きくなったり、多量の滑剤が必要となったりする。

また、セルロース材料と熱可塑性樹脂からなる成形木材複合材の成形方法として、複合材をストランディングダイスに通過させ、ストランドを互いに結合する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この方法では、ストランディングダイスの剪断作用により、各ストランドの内部はずっと低い温度のままで、各ストランドの外周面に局所的な高温部が形成され、次いでストランドが成形ダイスで圧縮・形成される。

しかしながら、このような成形方法においては複合材を一般的な混練温度よりも低温で混練する必要があり、セルロース材料と熱可塑性樹脂間で充分な界面密着性を得ることが難しく、成形体に充分な強度をもたせることが難しいといった問題がある。

特開昭５９−２１２２３３号公報 特許第２８７９７７１号

本発明は、このような事情の下、強化材又は充填材と熱可塑性樹脂を含有する樹脂材料を用いて、外観性に優れた押出成形品を生産性よく製造する方法を提供するものである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、強化材又は充填材と熱可塑性樹脂を含有する複合樹脂材料を固化成形するに当たり、押出機で加熱混練して調製された溶融複合樹脂を、複数の流路をもつ冷却部と該流路を通過した複合樹脂が合流される流路をもつ冷却部とを備えた冷却ダイに通過させ、前記流路を通過中の複合樹脂温度が、複合樹脂中央部より冷却ダイ近傍に向かって低くなるようにすることにより、上記課題が達成されることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の第１の発明によれば、熱可塑性樹脂に強化材又は充填材を配合してなる複合樹脂材料を押出機のシリンダー内で加熱混練して溶融複合樹脂を調製し、それを冷却ダイに通過させて固化成形する押出成形品の製造方法であって、
前記冷却ダイは、複数の流路をもつ第一冷却部（Ａ）と前記流路を通過した複合樹脂が合流される流路をもつ第二冷却部（Ｂ）とを備え、かつ、第一冷却部（Ａ）および第二冷却部（Ｂ）の冷却温度は、前記流路を通過中の複合樹脂の温度が複合樹脂中央部より冷却ダイ近傍に向かって低くなるように設定されており、
第一冷却部（Ａ）の冷却温度が、（複合樹脂の融点−３０℃）〜（複合樹脂の融点＋１０℃）であり、第二冷却部（Ｂ）の冷却温度が、（複合樹脂の融点−１４０℃）〜（複合樹脂の融点−１０℃）であることを特徴とする押出成形品の製造方法が提供される。

また、本発明の第２の発明によれば、第１の発明において、第一冷却部（Ａ）の流路への流入口は押出方向に向かって徐々に狭くなっていることを特徴とする押出成形品の製造方法が提供される。

また、本発明の第３の発明によれば、第１または２の発明において、第一冷却部（Ａ）の流路断面が略長方形であり、略長方形の短辺と長辺の比が２：３〜１：２０であることを特徴とする押出成形品の製造方法が提供される。

また、本発明の第４の発明によれば、第３の発明において、略長方形の短辺が１０ｍｍ未満であることを特徴とする押出成形品の製造方法が提供される。

また、本発明の第５の発明によれば、第１ないし４のいずれかの発明において、強化材又は充填材が、熱可塑性樹脂に対して体積比で３：７〜７：３の割合で用いられることを特徴とする押出成形品の製造方法が提供される。

また、本発明の第６の発明によれば、第１ないし５のいずれかの発明において、強化材又は充填材が木粉であることを特徴とする押出成形品の製造方法が提供される。

また、本発明の第７の発明によれば、第１ないし６のいずれかの発明において、熱可塑性樹脂がポリオレフィン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ＡＢＳであることを特徴とする押出成形品の製造方法が提供される。

本発明によれば、強化材又は充填材と熱可塑性樹脂を含有する複合樹脂材料を用いて、外観性に優れた押出成形品を生産性よく製造しうるという利点がある。

本発明は、押出成形品の製造方法であり、熱可塑性樹脂に強化材又は充填材を配合してなる複合樹脂材料を押出機のシリンダー内で加熱混練して溶融複合樹脂を調製し、それを冷却ダイに通過させて固化成形する方法であって、前記冷却ダイが複数の流路をもつ第一冷却部（Ａ）と前記流路を通過した複合樹脂が合流される流路をもつ第二冷却部（Ｂ）とを備え、かつ、第一冷却部（Ａ）および第二冷却部（Ｂ）の冷却温度は、前記流路を通過中の複合樹脂の温度が複合樹脂中央部より冷却ダイ近傍に向かって低くなるように設定されており、第一冷却部（Ａ）の冷却温度が、（複合樹脂の融点−３０℃）〜（複合樹脂の融点＋１０℃）であり、第二冷却部（Ｂ）の冷却温度が、（複合樹脂の融点−１４０℃）〜（複合樹脂の融点−１０℃）であることで特徴付けられるものである。
以下、本発明について、詳細に説明する。

本発明において、押出成形品を製造するために用いられる成形装置は、押出機とその先端に取り付けられた冷却ダイからなり、その一例を図１に模式図で示す。押出機１は、シリンダー１１内にモーター１２で駆動されるスクリュー１３が配設され、ホッパー１４から複合樹脂材料を、直接個々の原材料、すなわち熱可塑性樹脂や強化材又は充填材等として、あるいはそれらをあらかじめ溶融混練して作製したペレットとして供給し、駆動スクリューにより加熱されたシリンダー１１内で溶融混練し、アダプター１５を介して冷却ダイ２に押し出されるように構成される。

冷却ダイ２は、第一冷却部（Ａ）と第二冷却部（Ｂ）を備え、第一冷却部（Ａ）には複数の流路、例えば分岐した流路等を設け、第二冷却部（Ｂ）には第一冷却部（Ａ）の前記流路を通過した複合樹脂を合流させるようにした流路を設け、必要に応じ適所に冷却温調用配管２１を配設してなるものである。
冷却ダイとしては、流路の数、形状は特に制限されないが、好ましくは、第一冷却部は略長方形断面の流路を複数個設けるとよい。また、押出量に比例して流路の数を増やすことも樹脂を内部まで均一に冷却することと冷却効率の観点から有効な手段である。中でも第一冷却部（Ａ）の流路への流入口を押出方向に向かって徐々に狭くなるようにするのが好ましい。

押出機のシリンダ内における強化材又は充填材と熱可塑性樹脂との混練は、熱可塑性樹脂の融点よりも充分高い温度としたほうが強化材又は充填材と熱可塑性樹脂との界面密着性が得られ、強度がもたらされる。このように充分に高い温度で混練されて調製された複合樹脂材料は、押出機から押し出され、冷却ダイに通され、先ず、複数の流路をもった第一冷却部（Ａ）において冷却される。このとき、できる限り複数の流路への流入口でせん断による発熱を起こさないことが望ましく、流入口は押出方向に向かって徐々に狭くなるように設けられているのが望ましい。また、これによって背圧が大きくなりすぎることがなくなる。第一冷却部（Ａ）中の複合樹脂温度は中央部よりダイ近傍に向かって低くなる。

また、冷却ダイにおいて、第一冷却部（Ａ）は、（複合樹脂の融点−３０℃）〜（複合樹脂の融点＋１０℃）であるように温度調整されているのが好ましい。第一冷却部（Ａ）の温度が、（複合樹脂の融点−３０℃）の温度未満になると急激な冷却のために複合樹脂の表面が固化し、第二冷却部（Ｂ）で充分な成形が行われなくなったり、背圧が大きくなりすぎて成形不良となるといった不具合を生じるし、また、（複合樹脂の融点＋１０℃）の温度を超えると複合樹脂中央部の冷却が充分に行われず、流速分布が大きくなるため、第一冷却部（Ａ）を押出方向に長く設ける必要があり、線速を向上させた時に充分な冷却効果が得られない恐れがある。

また、第一冷却部（Ａ）は、その流路断面が略長方形であり、略長方形の短辺と長辺の比が通常２：３〜１：２０、好ましくは１：２〜１：１５であるように調整されているのがよい。
第一冷却部（Ａ）はまた、略長方形の短辺が通常２０ｍｍ未満、好ましくは１０ｍｍ未満であるようにするのがよい。
また、冷却ダイにおいて、第二冷却部（Ｂ）は、（複合樹脂の融点−１４０℃）〜（複合樹脂の融点−１０℃）であるように温度調整されているのが好ましい。第二冷却部（Ｂ）の温度が、（複合樹脂の融点−１４０℃）の温度未満になると急激な冷却のために複合樹脂の表面が固化し、背圧が大きくなりすぎるため、成形しにくくなり、成形体表面にしわが発生し、外観性が低下しやすくなって成形不良となるといった不具合を生じるし、また、（複合樹脂の融点−１０℃）の温度を超えると第二冷却部（Ｂ）を押出方向に長く設ける必要があり、線速を向上させた時に充分な冷却効果が得られない恐れがある。

本発明に用いる熱可塑性樹脂は特に限定されず、例えばポリオレフィン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ナイロン等のポリアミド、ＡＢＳ、ＥＶＡ、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等のポリエステル、アクリル系樹脂、フッ素樹脂、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフイド、ポリアセタール等が挙げられる。ポリオレフィンとしては具体的には、ＬＬＤＰＥ（線状低密度ポリエチレン）、ＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）等のポリエチレン、ポリプロピレン、プロピレン・エチレンブロック共重合体、プロピレン・エチレンランダム共重合体、プロピレン・α−オレフィンブロック共重合体、プロピレン・α−オレフィンランダム共重合体等が挙げられ、中でもポリオレフィン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ＡＢＳ等が好ましく挙げられる。

また、強化材又は充填材は特に限定されないが、好ましくは木粉、石炭灰、ガラス繊維、炭酸カルシウム、マイカ、ウォラストナイト、バライト、セリサイト、石膏、セメントコンクリート粉砕物、岩石粉粒体、ガラス粉粒体、珪酸カルシウム、珪砂、シリカ、アルミナ、バーミキュライト、パーライト、膨張頁岩等が挙げられ、中でも固化押出を用いないと成形困難な木粉を用いたときに本発明の効果を最も顕著に享受できる。
強化材又は充填材は粉粒状のものが好ましく、かかる粉粒状物の平均粒径は、好ましくは１〜１０００μｍ、より好ましくは１０〜３００μｍとするのがよい。この粒径が小さすぎると熱可塑性樹脂中に均一に分散させることが困難となるし、また、大きすぎても薄肉の成形品を得ることが困難であるし、成形品に外力が加わった際に強化無機材料と熱可塑性樹脂との界面に応力集中が発生しやすい。

木粉は多孔質であるため、木粉を用いると、木粉の圧縮により熱可塑性樹脂中に少なからず気泡が生じるので、熱可塑性樹脂の粘度が低いと木粉より発生した気泡が連通してボイドとなったりする欠陥を生じやすい。また、この欠陥は木粉が水分を含んでいる場合に特に顕著に現れ、ダイ部分においては気泡が連通する前に微分散させて複合樹脂を高粘度化する必要がある。
本発明によれば、第一冷却部（Ａ）において気泡が連通しない粘度まで複合樹脂内部を冷却することができ、木粉を用いた場合の上記問題が解消されるので、強化材又は充填材として木粉が推奨される。

強化材又は充填材は、熱可塑性樹脂に対して体積比で３：７〜７：３、好ましくは５：５〜６：４の割合で用いるのがよい。

上記複合樹脂材料は、更に必要に応じて、成形性を向上させるための可塑剤、成形性を向上させるための滑剤、耐候性等の耐久性を向上させるための紫外線吸収剤、紫外線劣化防止剤、酸化劣化防止剤、デザイン性や木質感、木目調等の肌理を付与するための顔料、難燃性等を付与する難燃剤、熱可塑性樹脂と強化材又は充填材との親和性を向上させるための酸変性オレフィン、低分子酸変性オレフィン等の公知の添加剤を含有してもよい。

上記可塑剤としては特に限定されず、例えば、α，β−不飽和カルボン酸系モノマー、低分子オレフィン等が挙げられる。上記滑剤としては特に限定されず、例えば、ステアリン酸等の高級脂肪酸、ステアリン酸金属塩等の高級脂肪酸塩などが挙げられる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこの例によって何ら限定されるものではない。

実施例
１００メッシュの木粉５０質量％とＪ４６６ＨＰ（商品名、プライムポリマー社製、プロピレン−エチレンブロックコポリマー、融点１６５℃）５０質量％を、φ５０の単軸押出機（日立造船社製、ＳＨＴ５０、バレル温度１８５℃）に供給し、押出機より押し出された溶融複合樹脂材料を以下の第一冷却部（Ａ）および第二冷却部（Ｂ）を備えた冷却ダイに通して所望の押出成形品を作製した。
成形過程中、表１に示す諸成形条件とした。
得られた成形品の外観も表１に写真で示す。

＜第一冷却部（Ａ）＞
第一冷却部（Ａ）は２つの流路から構成されている。２つの流路は流入口を徐々に狭くし、最も狭い部分が６×３０ｍｍの長方形断面とした。第一冷却部（Ａ）は冷却用配管を備え、複数流路を構成するブリッジ部分についても冷却配管を通した。第一冷却部（Ａ）の温度は１７０℃となるように設定した。また、成形途中におけるダイ近傍と複合樹脂中央部の樹脂温度を熱伝対により測定した。

＜第二冷却部（Ｂ）＞
複数流路を通過した複合樹脂は第二冷却部（Ｂ）において一体となり、充分に冷却される。第二冷却部（Ｂ）の温度は６０℃となるように設定した。

比較例１〜３
第一冷却部（Ａ）をもたないダイを用いた他は実施例と同様の成形機を用い、表１に示す諸条件で実施例と同様に成形した。得られた成形品の外観も表１に写真で示す。

これより、本発明の特定事項の第一冷却部（Ａ）をもたないダイを用いた各比較例において、実施例と同じスクリュー回転数として高生産性とした比較例２では表１の外観写真より成形品の表面膨れが明らかで外観不良であるし、また、実施例と同様外観写真より外観良好のものとした比較例１では実施例に比しスクリュー回転数を大幅に落として生産性を犠牲にせざるを得ないし、また、スクリュー回転数を大幅に落とす代わりにダイの温度を高温として高生産性とした比較例３では表１の外観写真より成形品は形状保持もままならないことが明らかで外観不良であるのに対し、実施例の成形品は外観良好で高生産性であることが分かる。

本発明は、外観性に優れた押出成形品を生産性よく製造することを可能にし、産業上大いに有用である。

成形装置の模式図。

符号の説明

１ 押出機
１１ シリンダー
１２ モーター
１３ スクリュー
１４ ホッパー
１５ アダプター
２ 冷却ダイ
２１ 冷却温調用配管
Ａ 第一冷却部
Ｂ 第二冷却部

Claims (7)

1. 熱可塑性樹脂に強化材又は充填材を配合してなる複合樹脂材料を押出機のシリンダー内で加熱混練して溶融複合樹脂を調製し、それを冷却ダイに通過させて固化成形する押出成形品の製造方法であって、
   前記冷却ダイは、複数の流路をもつ第一冷却部（Ａ）と前記流路を通過した複合樹脂が合流される流路をもつ第二冷却部（Ｂ）とを備え、かつ、第一冷却部（Ａ）および第二冷却部（Ｂ）の冷却温度は、前記流路を通過中の複合樹脂の温度が複合樹脂中央部より冷却ダイ近傍に向かって低くなるように設定されており、
   第一冷却部（Ａ）の冷却温度が、（複合樹脂の融点−３０℃）〜（複合樹脂の融点＋１０℃）であり、第二冷却部（Ｂ）の冷却温度が、（複合樹脂の融点−１４０℃）〜（複合樹脂の融点−１０℃）であることを特徴とする押出成形品の製造方法。
2. 第一冷却部（Ａ）の流路への流入口は、押出方向に向かって徐々に狭くなっていることを特徴とする請求項１記載の押出成形品の製造方法。
3. 第一冷却部（Ａ）の流路断面が略長方形であり、略長方形の短辺と長辺の比が２：３〜１：２０であることを特徴とする請求項１または２に記載の押出成形品の製造方法。
4. 略長方形の短辺が１０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項３に記載の押出成形品の製造方法。
5. 強化材又は充填材が、熱可塑性樹脂に対して体積比で３：７〜７：３の割合で用いられることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の押出成形品の製造方法。
6. 強化材又は充填材が木粉であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の押出成形品の製造方法。
7. 熱可塑性樹脂がポリオレフィン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、ＡＢＳであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の押出成形品の製造方法。

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