JP5268139B2

JP5268139B2 - 賦型樹脂シートの製造方法

Info

Publication number: JP5268139B2
Application number: JP2008139260A
Authority: JP
Inventors: 穂高横溝; 智清土井
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-05-28
Also published as: JP2009285916A

Description

本発明は表面に規則的な形状を有する樹脂シートの製造方法に係り、特に、光学的に機能を発現する形状が付与された、歪が無く形状安定性に優れた賦型樹脂シートの製造方法に関する。

表面形状によって光学的機能を発現する樹脂シートとして、フレネルレンズ、レンチキュラーレンズおよびプリズムシート等が様々な分野で使用されている。このような樹脂シートの表面には、規則的な凹凸形状が形成されており、この凹凸形状により、フレネルレンズ、レンチキュラーレンズそしてプリズムとしてのそれぞれの光学的性能を発揮している。

このような樹脂シートを製造する方法として、これまでに各種の提案がなされている（特許文献１〜５参照）。これらの提案においては、いずれも、生産性向上の観点よりローラ成形方式が採用されている。たとえば、特許文献１は、樹脂シートをローラから剥離するまでの間の冷却手段に工夫を施すことにより、転写性の向上を図っている。特許文献２は、ローラに金型を巻き付けてフレネルレンズを製造する方法を開示している。特許文献３は、成形ローラの内部に熱緩衝部材を配して、生産性及び転写性の向上を図っている。特許文献４は、コロナ放電処理を採用することにより、転写性の向上、欠陥の低減を図っている。さらに特許文献５では、ダイから吐出されたシート状の溶融樹脂を型ロールと鏡面ロールで挟圧し賦型する工程を複数回行い、賦型形状の転写性を向上させている。

特開平８−３１０２５号公報特開平７−３１４５６７号公報特開２００３−５３８３４号公報特開平８−２８７５３０号公報特開２００６−５６２１５号公報

しかしながら、上記従来の提案は、いずれも、効率的に転写を行い形状の転写性を向上させる効果はあるが、高さ１００μｍ以下の微細形状を転写させた場合、微細賦型部分に歪が残存し、後工程にて賦型シートをガラス転移温度以上に加熱すると歪み緩和現象によって転写した賦型形状が変形・崩れなどが発生する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、連続的に且つ効率的に微細な形状を転写賦型し、得られた賦型シートを後工程にてガラス転移温度以上まで加熱しても、賦型形状に変形が発生しない、賦型形状安定性に優れた導光板や各種光学素子に使用するのに好適な樹脂シートの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の目的を達成する為には、ダイより押し出したシート状の溶融樹脂材料を第１の型ロールと該第１の型ローラに対向配置される第２の冷却ローラとで挟圧し、該第１の型ロール表面の凹凸形状を前記樹脂材料に転写し、転写後の前記樹脂材料を該第２の冷却ロールに巻き掛けることにより該第１の型ローラより剥離し、剥離後の前記樹脂材料を更に第２の冷却ロールと該第２の型ロールに対向配置される第３の冷却剥離ロールに巻き掛けることを特徴とした、賦型樹脂シートの製造方法が必要である。

さらには、第１型ロールの表面温度を樹脂材料のガラス転移温度＋４０℃以上、第２冷却ロールおよび第３冷却剥離ロールの表面温度をガラス転移温度−５０℃以下に温度制御されることが必要である。つまり、賦型部の残留歪みを低減させ形状安定性を発現させるには、第１型ロールの表面温度はガラス転移温度＋４０℃以上、好ましくはガラス転移温度＋６０℃以上であり、ガラス転移温度＋１００℃以下の範囲である。第１型ロール表面温度がガラス転移温度＋４０℃未満では、形状転写はされるが微細賦型部に残留歪が残存し、後の加熱工程などで形状変形が発生し易くなる。一方、第１型ロール表面温度がガラス転移温度＋１００℃を超えると、第１型ロールとシート状樹脂との離型時の応力により賦型形状が変形し易くなる。また、賦型部の残留歪みを低減させ形状安定性を発現させるには、第２冷却ロールおよび第３冷却剥離ロールの表面温度はガラス転移温度−５０℃以下、好ましくはガラス転移温度−６０℃以下であり、ガラス転移温度−１００℃以上の範囲である。

また、本発明において、微細な形状を転写賦型するには、挟圧が重要である。一般的に挟圧は線圧で表すことが出来るが、高さ１００μｍ以下の微細形状の転写には好ましくは５０ｋｇ／ｃｍ以上の線圧が必要である。より好ましくは１００〜２００ｋｇ／ｃｍの範囲である。２００ｋｇ／ｃｍを超えると、押しつぶしによってシートの厚み方向前面に歪が発生し易く、シートのカール、反りなどの原因となると共に圧力によるロール軸の歪みが発生し易く、幅方向の賦型程度に差が発生する原因となる。

本発明の製造方法では、第１から第３ロールが必要である。このような３本ロール構成としては、横向きのダイから樹脂を吐出し縦型３本ロールで製膜する方法、下向きのダイから樹脂を吐出し横型の３本ロールで製膜する方法があるが、本発明においては、第１型ロールと第２ロールとで挟圧する前に、第２冷却ロール上に予めシート状溶融樹脂を密着させ固化を進ませることが好ましい。シート状溶融樹脂を第２冷却ロール上に密着させる方法としては、高電圧を金属線にかけて、静電気を発生させ密着させる静電ワイヤー式、スリットから高圧空気を噴出し密着させるエアーナイフ式など非接触式の密着方法が望ましい。特に設備の設置しやすさ、シートの温度制御性から静電ワイヤー式が好適である。

本発明の目的である、歪が無く形状安定性に優れた微細形状を賦型するには、樹脂が軟化する高い温度および高い圧力で賦型し、その後、硬化する温度まで冷却する工程を、第２冷却ロール上で行なう必要がある。このとき、重要な点は、第１型ロールと第２冷却ロールで挟圧する前に、予めシート状溶融樹脂を冷却し固化層を第２冷却ロール側に生成させておく必要がある。この固化層の生成が不十分の場合、高圧で挟圧を行なうと、シート膜厚が薄くなるばかりで、微細賦型部に圧力が掛からず転写不良となる。また、固化層厚みが薄いとシート全体の剛性が低く柔軟の為、挟圧した場合、第１型ロール側にシートが部分粘着しシワ、賦型形状崩れの原因となる。一方、固化が進み、シート厚み方向全域でガラス転移温度以下まで温度が低下すると、第１型ロールからの熱だけでは、転写賦型に十分な熱量を得ることが出来ず、その結果転写不良となる。本発明において、この固化層の生成を制御することによって効果を得ることが可能である。固化層の調整には、ダイから吐出される樹脂温度、シートの厚みなどによって条件は変化するが、第２冷却ロール温度および、第２冷却ロールにシート状溶融樹脂が密着してから第１型ロールおよび第２冷却ロールで挟圧されるまでの時間によって制御することが可能である。この第２冷却ロールに密着してから第１型ロールと挟圧されるまでの時間は２秒以上が好ましい。より好ましくは２〜１０秒の範囲である。この時間は、ロールの外径と回転速度によって選択することが可能である。また、挟圧され形状を転写されたシート状樹脂材料が、第２冷却ロールに巻き掛けられている時間は４秒以上が好ましく、４〜１５秒の範囲がより好ましい。

本発明によれば、微細な形状を正確に転写賦型でき、さらにはガラス転移温度以上に加熱しても形状が変形することのない微細な形状を連続的に転写賦型された熱可塑性樹脂シートを得ることが可能である。

以下、添付図面に従って、本発明に係る樹脂シートの製造方法の好ましい実施の形態（第１実施形態）について詳説する。図１は、本発明に係る樹脂シートの製造方法が適用される、樹脂シートの製造ラインの例を示す構成図である。

この樹脂シートの製造ラインは、押出し機（図示略）によって溶融された樹脂材料をシート状に賦形するためのシート用のダイ（１）と、表面に凹凸形状が形成された第１型ロール（２）と、第１型ロール（２）に対向配置される第２冷却ロール（３）と、第２冷却ロール（３）と対向配置される第３剥離ロール（４）より構成される。

ダイ（１）のスリットサイズは、成形された溶融樹脂材料の幅が第１型ロール（２）の幅よりも広くなるように形成され、また、このダイ（１）から押し出される溶融樹脂材料が第２冷却ロール（３）の上部に押し出されるように配置されている。この溶融樹脂が第２冷却ロール（３）上部に接触する位置の上位に金属線（５）を配置し、静電気を発生させシート状溶融樹脂を第２冷却ロールに密着させる。

第１型ロール（２）の表面には、規則的な凹凸形状が形成されている。この規則的な凹凸形状は、たとえば、成形後の樹脂材料の反転形状とすることができる。
第１型ロール（２）の材質としては、各種鉄鋼部材、ステンレス鋼、銅、亜鉛、真鍮、これらの金属材料を芯金として、これらの金属材料にＨＣｒメッキ、Ｃｕメッキ、Ｎｉメッキ等のメッキを施したもの、セラミックス、及び各種の複合材料が採用できる。

型ロール表面の凹凸パターン形成方法としては、凹凸パターン（ピッチ、深さ、等）や型ローラ表面の材質にもよるが、一般的にはＮＣ旋盤による切削加工と仕上げバフ加工との組み合わせが好ましく採用できる。また、他の公知の加工方法（研削加工、超音波加工、放電加工、等）も採用できる。型ロール表面の表面粗さは、Ｒａで０．５μｍ以下とするのが好ましく、０．２μｍ以下とするのがより好ましい。

また型ロールは、ガラス転移温度以上の高温でシート状樹脂に接触する為、ロール表面への樹脂の粘着が発生する。その為、型ロール表面には何かしらの離型処理を行なうことが望ましい。離型処理としては、表面にフッ素系樹脂の焼付け塗布、シリコン系樹脂の焼付け塗布などが一般的であるが、微細形状表面に塗布することによって形状が変化してしまう恐れがあるので、好ましくは、彫刻された凹凸パターンの表面に、Ｎｉ−ＰＴＦＥのような離型効果の高いメッキを数μｍ程度メッキする方法。または、凹凸パターンにＴｉＮやＤＬＣのような蒸着を行なうことも有効である。型ロールは、図示しない駆動手段により、所定の周速度で回転駆動されるようになっている。また、型ロールには、温度調節手段が施されている。このような温度調節手段が設けられることにより、本発明の効果を発現する為、樹脂材料のガラス転移温度＋５０℃以上に加熱されている。温度調節手段の構成については、後述する。

第２冷却ロール（３）は、第１型ロール（２）に対向配置され、型ロールとにより樹脂材料を挟圧するためのロールである。
第３剥離ロール（４）は、第２冷却ロール（３）に対向配置され、第２冷却ロール（３）とにより樹脂材料を挟圧するとともに、樹脂材料を巻き掛けることにより樹脂材料を第２冷却ロール（３）より剥離させるためのローラである。

冷却ロール及び剥離ロールの表面は鏡面状に加工されていることが好ましい。このような表面とすることにより、成形後の樹脂材料の裏面を良好な状態にできる。そして、冷却ロール及び剥離ロール表面の表面粗さは、Ｒａで０．５μｍ以下とするのが好ましく、０．２μｍ以下とするのがより好ましい。

冷却ロール及び剥離ロールの材質としては、各種鉄鋼部材、ステンレス鋼、銅、亜鉛、真鍮、これらの金属材料を芯金として、表面にゴムライニングしたもの、これらの金属材料にＨＣｒメッキ、Ｃｕメッキ、Ｎｉメッキ等のメッキを施したもの、セラミックス、及び各種の複合材料が採用できる。

冷却ロール及び剥離ロールは、いずれも、図示しない駆動手段により、所定の周速度で回転駆動されるようになっている。なお、剥離ロールに駆動手段を設けない構成も可能であるが、樹脂材料の裏面を良好な状態にできる点より、駆動手段を設けることが好ましい。
各ロールに駆動手段を設ける場合に、それぞれの駆動速度を可変とする構成が好ましく採用できる。

型ロール、冷却ロール及び剥離ロールには、いずれも、図示しない加圧手段が設けられており、型ロール、冷却ロール及び剥離ロールとの間の樹脂材料を所定の圧力で挟圧できるようになっている。この加圧手段は、いずれも、型ロール、冷却ロール及び剥離ロールとの接触点における法線方向に圧力を印加する構成のもので、モータ駆動手段、エアシリンダ、油圧シリンダ等の公知の各種手段が採用できる。本発明においては、好ましくは線圧５０ｋｇ／ｃｍ以上が必要となる為、シート幅が８００ｍｍの場合４０００ｋｇ以上加圧力が必要なことから油圧シリンダが好ましい。

型ロール、冷却ロール及び剥離ロールには、挟圧力の反力による撓みが生じにくくなるような構成を採用することもできる。このような構成としては、冷却ロール及び剥離ロールに、クラウン形状（中高形状とする）を採用する構成、ローラの軸方向中央部の剛性が大きくなるような強度分布を付けたローラの構成、及びこれらを組み合わせた構成等が採用できる。

型ロール、冷却ロール及び剥離ロールのそれぞれのロール温度調節手段としては、ロール内部に温度調節したオイルを循環させる構成が好ましく採用できる。このオイルの供給と排出は、ローラの端部にロータリージョイントを設ける構成により実現できる。
他の温度調節手段としては、たとえば、ローラの内部にシースヒータを埋め込む構成、ローラの近傍に誘電加熱手段を配する構成等、公知の各種手段が採用できる。

以上説明した各ロール、及び、樹脂材料の各箇所の表面温度がモニターできるように、表面温度測定手段（図示略）を設けることが好ましい。このような表面温度測定手段としては、赤外線温度計、放射式温度計等の公知の各種測定手段が採用できる。
次に、図１に示される樹脂シートの製造ラインによる樹脂シートの具体的製造方法について説明する。

本発明に適用される樹脂材料としては、ポリエチレンナフタレート樹脂が挙げられ、ガラス転移温度約１２０℃のポリエチレンナフタレートを用いた賦型シートの製造方法について例示する。

以下実施例により本発明をさらに詳細に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、実施例に記載した種々の特性値は、次に示す方法により測定したものである。

（固有粘度ＩＶ）
テトラクロロエタン：フェノール＝４：６の混合溶媒を用いて、３５℃で測定した。
（ガラス転移温度Ｔｇ）
セイコー電子工業（株）製ＤＳＣ（示差走査熱量計）２２０を用いて測定した。ＤＳＣの測定条件は次の通りである。試料フィルム１０ｍｇをＤＳＣ装置にセットし、昇温速度２０℃／分で加熱し、３００℃の温度で溶融した後、液体窒素中に急冷する。この急冷試料を１０℃／分で昇温し、ガラス転移点を検知する。

［実施例１］
２，６−ナフタレンジカルボン酸ジメチルエステル１００重量部とエチレングリコール５１重量部を酢酸コバルト四水和物０．０１０重量部（１０ミリモル％）、酢酸マンガン０．０３０重量部（３０ミリモル％）の存在下、定法によりエステル交換反応を行いメタノール溜出２０分後に三酸化アンチモン０．０１２重量部（１０ミリモル％）を添加し、エステル交換反応終了前に正リン酸０．０２０重量部（５０ミリモル％）を添加した。次いで２９５℃、１．３×１０^２Ｐａ以下の高真空下で重縮合反応を行い固有粘度０．４７ｄｌ／ｇのポリエチレン−２，６−ナフタレートプレポリマーを得た。さらにこのプレポリマーを用いて定法により固相重合を行い、固有粘度０．６８ｄｌ／ｇ、ガラス転移温度１２５℃のポリエチレン−２，６−ナフタレートペレットを得た。

ペレット状の樹脂を１７５℃で５時間熱風乾燥させてからスクリュ径３０ｍｍの同方向２軸押出し機にて３００℃で溶融し、幅３００ｍｍのＴダイより吐出させた。この溶融したシート状樹脂を、ロール径４００ｍｍΦ、ハードクロムメッキされ鏡面を有する第２冷却ロール（３）の上部に落下させ、設置された線形０．２ｍｍのステンレス線に１０ｋｖの高電圧をかける静電密着（ピンニング）法によってシート状溶融樹脂を第２冷却ロール（３）に密着させた。その後、第２冷却ロールと対向する位置に設置された、円周方向に連続な底辺５０μｍ、高さ２５μｍ、頂角９０°のＶ溝を有する第１型ロール（２）と、第２冷却ロール（３）とで挟圧を行なった。第１型ロールは、通常の２０ｍｍΦ鋼管ロール表面に０．５ｍｍのＣｕメッキを行なった後、上記のＶ溝を切削加工行い、その表面にＮｉ−ＰＴＦＥメッキを６μｍ程度のせた。

その後、シート状樹脂は、半周冷却ロール上を沿わせた後、更に第２冷却ロール（３）と対向する位置に設置されたロール径４００ｍｍΦで表面がＣｒメッキされ鏡面処理された第３剥離ロール（４）に巻き掛け賦型樹脂シートを得た。このときの、各ロール温度は、第１型ロール（２）は油温調機によって２１０℃に加熱し、第２冷却ロールおよび第３剥離ロールについては、水温調機によって６０℃に表面温度を制御した。第１型ロールの軸には油圧シリンダが設置され、第２冷却ロールに対し押し付けることが可能である。この押付圧は３００ｍｍ幅のロールに対し３ｔｏｎの力で押付け、線圧１００ｋｇ／ｃｍを得た。一方、同様に第３剥離ロールを第２冷却ロールに線圧１０ｋｇ／ｃｍにて押付けた。シート引取り速度３ｍ／ｍｉｎとし、シート厚みが２００μｍになるように押出機吐出量を調整した。

このとき、シート状溶融樹脂が第２冷却ロールに密着してから、第１型ロールとで挟圧されるまでの時間は６．２秒、更に、第１ロールと挟圧されてから、第３剥離ロールへまきかえられるまでの時間は１２．４秒であった。このようにして、製造された賦型シートの賦型形状を、キーエンス社レーザー顕微鏡（ＶＫ−９７００）を用いて測定したところ、頂角９０°高さ２３μｍのプリズム形状が正確に転写賦型されていた。またこのシートを、ガラス転移温度以上の１４０℃に加熱した後、同様に賦型形状を測定したところ、頂角および高さ共に変化は見られなかった。

［比較例１］
前記特許文献３（特開２００３−５３８３４号公報）に一例として記載されている、従来の賦型設備での実施形態について、本発明の比較として図２に示し詳細を説明する。
図２に示す、従来のプロセスでは、ダイ（１）から吐出されたシート状樹脂は、金属冷却ロール（６）と対向に位置する型ロール（７）との接触面に落下させ挟圧され賦型される。そして、型ロール（７）上で冷却されたシートは、型ロール（７）と対向の位置に設置された剥離ロール（８）に巻添えられる。このときの、各ロール材質、溶融樹脂押出、Ｔダイなどは上記実施例１と同様とした。このとき、冷却ロール（６）、型ロール（７）共に、１３０℃を超えるとロール剥離困難となり、型ロール（７）と剥離ロール（８）でシート面にシワが発生する。その為、シワの無いシートを得る為には、冷却ロール（６）を１００℃、型ロール（７）を１２０℃、剥離ロール（８）を６０℃とした。この温度で得られた賦型シートの賦型形状を観察したところ、頂角９０°高さ２１μｍとほぼプリズム形状が転写賦型されているが、このシートを１４０℃加熱処理すると、賦型形状は頂角が消滅し半円状となり、高さは１１μｍと著しく変形した。

［参考例１］
実施例１と同様の設備、条件にて、シート引取り速度を１５ｍ／ｍｉｎに変更して、厚み１５０μｍのシートを得た。シート状溶融樹脂が第２冷却ロールに密着してから、第１型ロールとで挟圧されるまでの時間は１．３秒であった。その時、第１型ロール（２）との挟圧によって、シート全体が第１型ロール間で剥離不良が発生し、その結果シートが第１型ロールに取られて、シート面にシワが発生した。

［参考例２］
実施例１と同様の設備、条件にて、第１型ロール（２）の温度を１５０℃に変更して、厚み２００μｍのシートを得たが、得られたシートの賦型形状は、頂角９０°高さ２３μｍと正確にプリズム形状が転写賦型されていたが、そのシートを１４０℃に加熱処理を行なったところ、プリズム形状は変形し、頂角が消滅し円形となり、高さは１３μｍとなった。

図１は、本発明における賦型樹脂シートの製造に使用できる装置の一態様を示す概略図である。図２は、比較例に示した賦型樹脂シートの製造に使用される装置の一態様を示す概略図である。

符号の説明

１：ダイ
２：第１型ロール
３：第２冷却ロール
４：第３剥離ロール
５：静電密着用ワイヤー
６：冷却ロール
７：型ロール
８：剥離ロール

Claims

ダイより押し出したシート状のポリエチレンナフタレート樹脂からなる溶融樹脂材料を第１の型ロールと該第１の型ロールに対向配置される第２の冷却ロールとで挟圧し、該第１の型ロール表面の凹凸形状を前記樹脂材料に転写し、転写後の前記樹脂材料を該第２の冷却ロールに巻き掛けることにより該第１の型ロールより剥離し、剥離後の前記樹脂材料を更に第２の冷却ロールと該第２の冷却ロールに対向配置される第３の冷却剥離ロールに巻き掛ける賦型樹脂シートの製造方法において、第１型ロールの表面温度が樹脂材料のガラス転移温度＋４０℃以上ガラス転移温度＋１００℃以下の範囲、第２冷却ロールおよび第３冷却剥離ロールの表面温度がガラス転移温度−５０℃以下ガラス転移温度−１００℃以上の範囲に温度制御する賦型樹脂シートの製造方法。
第１型ロールと第２冷却ロールとの挟圧において、線圧５０ｋｇ／ｃｍ以上の圧力にて挟圧する請求項１記載の賦型樹脂シートの製造方法。
第１型ロール、第２冷却ロールおよび第３冷却剥離ロールは水平方向に配置され、ダイより押出した溶融状態のシート状樹脂材料を第２冷却ロール上部に自然落下させた後、静電ワイヤーおよび／またはエアーナイフにてシート状樹脂材料を第２冷却ロールに密着させた後、第１型ロールによって挟圧され形状が転写される工程において、シート状溶融樹脂が第２冷却ロールに密着してから第１型ロールに挟圧されるまでの時間が２秒以上、また挟圧され形状を転写されたシート状樹脂材料が更に第２冷却ロールに巻き掛けられている時間が４秒以上である請求項１記載の賦型樹脂シートの製造方法。