JP5501529B2 - 管部材の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、金型の中に熱可塑性材料を充填する熱可塑性材料充填過程と、上記金型の中の熱可塑性材料の未だ固化していない部分を加圧流体で押し出す熱可塑性材料排出過程を有する、所謂流体アシスト成形による管部材の製造方法及び製造装置に関するものである。

管部材の製造方法として、流体アシスト成形が知られている。
かかる流体アシスト成形を利用した従来技術による管部材の製造方法を、第４図と第５図に概念的に示す。
第４図は、従来技術による熱可塑性材料の充填過程における金型キャビティ内の熱可塑性材料の状態を示した図であって、（ａ）は、金型キャビティ内の熱可塑性材料の軸方向に沿った縦断面図、（ｂ）は、金型キャビティ内の熱可塑性材料の軸に垂直な方向の横断面図である。そして、これらの金型キャビティ内は、無発泡の溶融状態にある熱可塑性材料で充填されていることを示す。また、第４図の（ｃ）は、金型キャビティの半径方向の位置ｒの関数として、金型キャビティ内の熱可塑性材料の粘度の分布η（ｒ）を概念的に示したグラフである。この図は、金型内面と接触する表層部分は金型に熱を奪われるために温度が下がり、熱可塑性材料の粘度ηが大きくなっていることを示し、中央部分は温度が高いままなので、熱可塑性材料の粘度ηは相対的に小さいものとなっていることを示している。
第５図は、従来技術による熱可塑性材料の排出過程における金型キャビティ内の熱可塑性材料の状態を示した図であって、（ａ）は、金型キャビティ内の熱可塑性材料の軸方向に沿った縦断面図であり、加圧流体が注入されて中央部分の粘度の小さい（流動性の高い）熱可塑性材料が押し出されている状態を示す。（ｂ）は、（ａ）図のｐ−ｐ線部分の横断面図であり、中央部分に空洞部が形成されていることを示す。最終的には、加圧流体が金型キャビティ内の全長に亘って注入され、全ての断面において中央部分に空洞部が形成され、管部材が製造される。
第４図と第５図を用いて説明した従来技術による管部材の製造方法は、金型キャビティ内に充填された無発泡の溶融状態にある熱可塑性材料の金型内面からの距離に依存する温度勾配に起因する粘度の差（金型キャビティ表面近くの高粘度のスキン層と、中央部分の低粘度のコア層の粘度の差）を利用して、金型キャビティ内の中央部分のみの熱可塑性材料を加圧流体により押し出し、管部材を製造するものである。
このような管部材の製造方法においては、成形体の寸法、また加圧流体の注入のタイミングにも依存するが、多くの場合、管壁の厚さが成形体外径の１５〜２０％に達し、それより薄い肉厚にすることは困難である。そのため、要求仕様、軽量化、材料費低減等の要求に応えられないことがあった。
例えば、自動車に用いられている金属製配管を上記流体アシスト成形による樹脂製配管に置き換える場合、配管のレイアウト上の観点から配管の外径寸法を大きくすることには制限があり、管壁の厚さが成形体外径の１５〜２０％に達する樹脂製配管である場合には、金属製配管と同等の外径を設定した場合の内径寸法が小さくなり、圧力損失が増大する。そのため、例えば冷却配管である場合には、より高価でエネルギー消費の大きい大型のポンプ等が必要となるなどの不都合が発生する。
また、上記した従来技術による管部材の製造方法は、先ず、無発泡の溶融熱可塑性材料で金型キャビティ内を完全に充填し、その後に、総充填量に対して６０〜７０％に達する溶融コア層を押しのけて空洞部を形成するものである。そのため、押し出される余分な熱可塑性材料の量が多く、該熱可塑性材料のリサイクル費用が嵩むという問題点がある。また、成形品の体積に比較して射出体積の大きい射出ユニットを有する大型の射出成形機が必要であり、経済的な製造方法ではないという問題点もある。
上記した管部材の製造方法と同じ原理を利用した屈曲管部を有する樹脂管の成形方法が、日本国特開２００２−１８９１１号公報に開示されている。この特許公開公報に開示された方法は、樹脂管の外面を成形する主金型のキャビティ内に溶融樹脂を射出する射出工程と、前記キャビティに複数のスライド型を既定位置までスライド挿入するスライド型挿入工程とによって、全ての管部の端部内周面を成形するとともに、前記スライド型が挿入されない前記屈曲管部の一部を含む領域にある溶融樹脂に対し、該領域を挟む複数の前記スライド型のうちの少なくとも一つを経由してアシスト流体を注入するとともに、他のスライド型を経由して該アシスト流体の注入によって追いやられた余分な溶融樹脂を該領域から除去することを特徴とする、樹脂管の成形方法である。
かかる方法によれば、各管部の端部を精度良く、しかも一部品として屈曲管部を有する樹脂管を成形できるものである。しかし、この方法においても、少なくともアシスト流体によって形成される管部分の肉厚を可及的に薄くできるような技術ではない。
また、日本国特開２０００−１４１４０５号公報には、成形用金型内に第１成形材料を注入し、次いで該第１成形材料の内部に該第１成形材料と粘度差を有する第２成形材料を注入し、その後該第２成形材料の内部に中空部形成用のガスを注入することを特徴とする、中空成形品の成形方法が開示されている。
かかる方法によれば、例えば、第１成形材料の粘度を第２成形材料の粘度よりも高いものとするとともにその注入量を少ないものとした場合には、ガス流路幅が拡大し、中空部の幅方向の径を大きくすることができる。すなわち、この方法によれば、薄肉の中空成形体を成形できるという効果が得られる。しかしながら、成形用金型内に異種の成形材料を注入する構成とするためには、少なからず装置が複雑なものとなり、設備費が高騰するという問題点が新たに生じる技術であった。
他方、技術分野は異なるが、化学発泡剤や物理発泡剤を用いて軽量な発泡体シートや発泡体部材を製造する技術がある。化学発泡剤は、所定温度で分解してガスを発生するもので、該化学発泡剤を原料樹脂に混合し、化学発泡剤の分解温度以上に加熱することにより原料樹脂の中に気泡を発生させるものである。この化学発泡剤を用いた場合には、ガスの発生が分解温度に対してシャープであり、分解温度も発泡助剤等を添加することによって容易に調製できる上に、独立気泡を有する発泡体を得やすいという利点がある。一方、物理発泡剤は、ブタン、ペンタン、ジクロロジフロロメタンなどの低沸点有機化合物であり、該低沸点有機化合物を混練した合成樹脂を低圧域に放出することにより気化させて気泡を作るものである。この物理発泡剤を用いた場合には、低沸点有機化合物が樹脂に対して親和性があるため溶解性に優れ、また保持性にも優れていることから、高倍率発泡体を得やすいという特徴を持っている。
さらに、近年、発泡体部材を製造する技術分野において、超臨界流体を発泡剤として用いる技術がある。例えば、日本国特許第４３３９２９６号公報には、超臨界流体を使った熱可塑性樹脂発泡射出成形体の製造方法が開示されている。この方法では、溶解した熱可塑性樹脂に二酸化炭素或いは窒素の超臨界流体を添加し相溶状態にし、次に臨界圧を保ったまま所定の温度に下げ、次に圧力を保ったまま金型内に射出装置で射出し、次に金型内の圧力を下げて発泡させている。これにより、表面外観が良好で一体化した未発泡部分を表層に有し、微細な平均セル径で均一な平均セル密度のセルを有する発泡体を製造するものである。
一方、『埼玉県産業技術総合センター研究報告第６号（２００８年）「超臨界流体を用いた微細発泡成形に関する研究（２）」山田岳大氏、村田泰彦氏、横井秀俊氏』には、ガラスインサート金型を用いて金型内を可視化し、超臨界流体による超微細発泡の形成機構を調べた研究が発表されている。それによると、厚さ方向で見ると表層にセルが形成されないスキン層があり、中心部に多数のセルが形成されるコア層が形成されると報告されている。
また、『Ｓｅｉｋｅｉ−Ｋａｋｏｕ Ｖｏｌ．２２ Ｎｏ．２（２０１０）「ＭｕＣｅｌｌ（微細発泡射出形成）の可視化」小松道男氏、大嶋正裕氏』にも、上記と同様な実験が報告されている。そこには「樹脂が金型に充填される過程において金型表面に熱を奪われるため、樹脂最表面部（スキン）の粘度は急激に増加する」と書かれている。

本発明は、上述した背景技術を考慮して成されたものであって、その課題は、装置を複雑化することなく、製品の肉厚を可及的に薄くすることができるとともに、熱可塑性材料の必要量を少なくすることができる、管部材の製造方法及び製造装置を提供することにある。
上記した課題を解決するため、本発明は、次の（１）〜（１２）の管部材の製造方法及び製造装置とした。
（１） 金型の中に熱可塑性材料を充填する熱可塑性材料充填過程と、上記金型の中の熱可塑性材料の未だ固化していない部分を加圧流体で押し出す熱可塑性材料排出過程を有する管部材の製造方法において、上記熱可塑性材料が発泡剤を混練したものであり、上記金型内で上記充填させた熱可塑性材料を発泡させる過程を備え、上記熱可塑性材料排出過程が、上記金型の中で発泡している上記熱可塑性材料の中央部分をその部分が固化する前に加圧流体で押し出す過程であることを特徴とする、管部材の製造方法。
（２） 上記熱可塑性材料が熱可塑性プラスチック又は熱可塑性エラストマーであり、上記発泡剤が二酸化炭素及び／又は窒素であり、それらが超臨界流体状態を維持できる温度と圧力のもとで上記熱可塑性材料に混練されていることを特徴とする、上記（１）に記載の管部材の製造方法。
（３） 上記加圧流体が、窒素ガス又は水、或いはそれらの両方からなることを特徴とする、上記（１）に記載の管部材の製造方法。
（４） 上記加圧流体が、空気又は水、或いはそれらの両方からなることを特徴とする、上記（１）に記載の管部材の製造方法。
（５） 上記熱可塑性材料が溶融張力向上剤をさらに混練したものであることを特徴とする、上記（１）に記載の管部材の製造方法。
（６） 上記熱可塑性材料が補強繊維をさらに混練したものであることを特徴とする、上記（１）に記載の管部材の製造方法。
（７） 管部材を成形するための金型と、該金型の中に熱可塑性材料を充填する熱可塑性材料充填手段と、上記金型の中の熱可塑性材料の未だ固化していない部分を加圧流体で押し出す熱可塑性材料排出手段を有する管部材の製造装置において、上記熱可塑性材料充填手段が、熱可塑性材料供給手段と、発泡剤供給手段と、前記熱可塑性材料供給手段で供給された熱可塑性材料と前記発泡剤供給手段で供給された発泡剤を混練して射出する熱可塑性材料射出機とを備え、上記熱可塑性材料排出手段が、流体タンクと、該流体タンクに収容されている流体を加圧する加圧手段と、加圧流体を制御する加圧流体制御弁を備え、上記発泡剤が混練された熱可塑性材料を上記熱可塑性材料射出機を用いて上記金型に充填して発泡させた後に、上記加圧流体制御弁を開いて上記加圧手段で加圧された流体で上記金型内の未だ固化していない発泡状態にある熱可塑性材料を押し出すことを特徴とする、管部材の製造装置。
（８） 上記発泡剤が二酸化炭素及び／又は窒素であり、該二酸化炭素及び／又は窒素が超臨界流体になる温度と圧力以上にある上記熱可塑性材料射出機内に上記発泡剤供給手段によって供給されることを特徴とする、上記（７）に記載の管部材の製造装置。
（９） 上記発泡剤が二酸化炭素及び／又は窒素であり、該二酸化炭素及び／又は窒素が予め超臨界流体の状態で上記発泡剤供給手段から上記熱可塑性材料射出機内に供給されることを特徴とする、上記（７）に記載の管部材の製造装置。
（１０） 上記熱可塑性材料が溶融張力向上剤を予め混練したものであることを特徴とする、上記（７）に記載の管部材の製造装置。
（１１） 上記熱可塑性材料充填手段がさらに溶融張力向上剤供給手段を備え、上記熱可塑性材料射出機が上記熱可塑性材料供給手段で供給された熱可塑性材料と上記発泡剤供給手段で供給された発泡剤と前記溶融張力向上剤供給手段で供給された溶融張力向上剤を混練して射出するものであることを特徴とする、上記（７）に記載の管部材の製造装置。
（１２） 上記熱可塑性材料が補強繊維を予め混練したものであることを特徴とする、上記（７）に記載の管部材の製造装置。
上記した本発明に係る管部材の製造方法及び製造装置は、発泡剤が混練された熱可塑性材料を金型内において発泡させ、その発泡した熱可塑性材料を加圧流体で押し出すことにより管部材を製造することに最大の特徴を有し、これによって、次の効果を奏するものとなる。
（ａ） 発泡している部分はガスが充満しているセル構造を形成しているので、中実の場合に較べて熱伝導率が小さいものとなる。そのため、中央部分の溶融している熱可塑性材料には熱が伝わりにくく高温を保ち易い。一方、金型が作るキャビティの内面に接触する部分は温度が急速に下がるために発泡せず、気泡がない薄いスキン層が形成される。これに対し、従来技術の場合は気泡がなく中実であるので熱伝導率も大きい。そのため、キャビティ内面に直接は接触しない部分も温度が下がり易く、スキン層（粘度が大きい部分）が厚くなることは避けられない。すなわち、発泡剤を用いる本発明に係る管部材の製造方法及び製造装置は、従来技術に較べて薄肉の管部材を作ることが可能となる。
（ｂ） また、キャビティ内の圧力、温度を調節することにより、発泡剤の発泡条件を変えて気泡の発生時期、大きさ、さらには密度を変えることができる。すなわち、発泡状態を変えることでスキン層の厚さ、及びコア層（発泡している中央部分）の粘度を変えることができ、所望の肉厚の管部材を作ることが容易となる。
（ｃ） さらに、コア層には気泡が含まれているので、従来技術の中実の場合に較べて必要な熱可塑性材料の量が少なくなる。この結果、射出成形機の熱可塑性材料の材料タンクの容量、及び空洞部を形成するために加圧流体で押し出された材料を回収するオーバーフローキャビティの容量を小さくすることができる。また、材料の使用量も１０〜５０％程度少なくでき、材料コスト、リサイクルコストを低減できる。
（ｄ） また、従来技術においても、キャビティ内の中央部分の熱可塑性材料は高温であるとき粘度が低いが、それに較べて、本発明のように、その部分が発泡していて未だ固化する前の状態であるときは、その粘度は桁違いに小さい、すなわち、流動性が極めて高いものとなる。そのため、加圧流体により容易に押し出すことができ、加圧流体のための装置も従来技術に較べて小型化することができる。
（ｅ） さらに、発泡剤として二酸化炭素及び／又は窒素の超臨界流体を用いた場合には、発泡が微細なものとなり、薄肉であるとともに凹凸が少ない滑らかな内周面を有する管部材を製造できる。また、加圧流体として窒素ガス、空気、又は水、或いは窒素ガスと水の両方、空気と水の両方を用いた場合には、熱可塑性材料と化学反応をせずにコア部分を押し出すことでき、かつ安全、安価なものとなる。
（ｆ） さらに、発泡剤に加えて溶融張力向上剤をさらに熱可塑性材料に混練した場合には、溶融張力向上剤によって熱可塑性材料の伸長粘度のひずみ硬化性が増し、発泡剤による発泡が微細かつ均質なものとなるとともに、加圧流体による押し出しが均質に行われ、さらに薄肉で偏肉の少ない管部材を製造することができる。また、キャビティ内の圧力、温度を調節することにより、発泡剤の発泡条件を変えてスキン層の厚さ、及びコア層（発泡している中央部分）の粘度を変えることができるので、より所望の肉厚の管部材を作ることが容易となる。
（ｇ） また、補強繊維をさらに混練した熱可塑性材料を用いた場合には、金型内における熱可塑性材料中の発泡剤による発泡効果でスキン層に補強繊維が集中するとともに、その配向方向が熱可塑性材料の流動方向と一致した同一方向に並んだものとなる。そのため、補強繊維によって効果的に補強された管壁を有し、かつ内壁表面に補強繊維が露出しない管部材を得ることができる。

第１図は、本発明に係る管部材の製造方法及び製造装置の実施の形態の一例を示した概念図である。
第２図は、本発明による熱可塑性材料の充填過程における金型キャビティ内の熱可塑性材料の状態を示した図であって、（ａ）は、金型キャビティ内の熱可塑性材料の軸方向に沿った縦断面図、（ｂ）は、金型キャビティ内の熱可塑性材料の軸に垂直な方向の横断面図、（ｃ）は、金型キャビティの半径方向の位置ｒの関数として、金型キャビティ内の熱可塑性材料の粘度の分布η（ｒ）を概念的に示したグラフである。
第３図は、本発明による熱可塑性材料の排出過程における金型キャビティ内の熱可塑性材料の状態を示した図であって、（ａ）は、金型キャビティ内の熱可塑性材料の軸方向に沿った縦断面図、（ｂ）は、（ａ）図のＰ−Ｐ線部分の横断面図である。
第４図は、従来技術による熱可塑性材料の充填過程における金型キャビティ内の熱可塑性材料の状態を示した図であって、（ａ）は、金型キャビティ内の熱可塑性材料の軸方向に沿った縦断面図、（ｂ）は、金型キャビティ内の熱可塑性材料の軸に垂直な方向の横断面図、（ｃ）は、金型キャビティの半径方向の位置ｒの関数として、金型キャビティ内の熱可塑性材料の粘度の分布η（ｒ）を概念的に示したグラフである。
第５図は、従来技術による熱可塑性材料の排出過程における金型キャビティ内の熱可塑性材料の状態を示した図であって、（ａ）は、金型キャビティ内の熱可塑性材料の軸方向に沿った縦断面図、（ｂ）は、（ａ）図のｐ−ｐ線部分の横断面図である。

以下、本発明に係る管部材の製造方法及び製造装置の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
第１図は、本発明の方法及び装置の実施の形態の一例を示した概念図である。
図示した実施の形態においては、材料タンク１に熱可塑性材料が容れられている。
熱可塑性材料としては、種々の材料、例えば、熱可塑性プラスチック又は熱可塑性エラストマーを使うことができる。熱可塑性プラスチックとしては、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、（メタ）アクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂などのポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフタルアミド樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂、ポリカーボネート樹脂などを挙げることができる。また、熱可塑性エラストマーとしては、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー、塩素化ポリエチレン系熱可塑性エラストマー、ポリスチレン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマーなどを挙げることができる。
これらの熱可塑性材料には、種々の添加剤を混練することもできる。例えばカーボン粒子、金属粉、顔料、炭酸カルシウム、ガラス繊維、ガラスビーズ、ナノファイバー、カーボナノチューブ、ウイスカーなどを挙げることができる。
また、上記熱可塑性材料には、溶融張力向上剤が混練されていることが好ましい。この溶融張力向上剤の混練は、予め熱可塑性材料に混練されていてもよく、また、後に記載する発泡剤の熱可塑性材料への混練と同時或いは相前後して混練してもよい。かかる溶融張力向上剤の混練により、熱可塑性材料の伸長粘度のひずみ硬化性が増し、その結果、発泡剤による気泡成長時の気泡の不均質な成長が阻止され、微細かつ均一な発泡を実現できるとともに、後に記載する加圧流体による押し出しに際して偏肉の少ない押し出しが実現でき、薄肉でかつ均質の管部材を容易に製造することができる。このような溶融張力向上剤としては、アクリル変性ポリテトラフルオロエチレン、スチレンエラストマー系改質剤などが挙げられる。アクリル変性ポリテトラフルオロエチレンとしては、メタブレンＡ−３０００（三菱レイヨン社製）、Ｆｌｕｏｎ ＰＴＦＥ（旭硝子社製）などの市販品を使用することができる。また、スチレンエラストマー系改質剤としては、ノフアロイ ＴＺ シリーズ（日本油脂社製）、Ａｃｔｙｍｅｒシリーズ（リケンテクノス社製）などの市販品を使用することができる。かかる溶融張力向上剤の熱可塑性材料への混練割合は、熱可塑性材料１００重量部に対して、好ましくは０．０５〜１０重量部、より好ましくは１〜５重量部である。これは、溶融張力向上剤の混練割合が０．０５重量部未満であると、樹脂の溶融張力の増加に寄与せず、改質剤としての効果が発現しない。逆に１０重量部を超えると、製品中に残存して不純物となり、製品性能、例えば強度を低下させる要因となるので好ましくない。
なお、図示した実施の形態においては、ガラス繊維強化タイプのポリアミド樹脂（ＰＡ６６ ＧＦ３０％）１００重量部に、メタブレンＡ−３０００を３重量部予め添加混練したものを用いた。
材料タンク１から供給された上記熱可塑性材料は、搬送機２或いは単純にホッパー（図示せず）を介して熱可塑性材料射出機３に送られる。前記材料タンク１と搬送機２は、熱可塑性材料供給手段を形成する。
熱可塑性材料射出機３の中で、熱可塑性材料はプランジャ式或いはスクリュー式の搬送器３ａによって搬送もしくは混練されながら搬送され、射出前置室３ｂに送られる。熱可塑性材料射出機３は、さらに図示しない内部温度測定手段、内部圧力測定手段、温度調節手段、圧力調節手段などを備え、混練する熱可塑性材料の温度及び圧力を調整する。
熱可塑性材料射出機３の中で溶融している熱可塑性材料に、発泡剤が添加される。
発泡剤としては、アゾジカルボンアミドや炭酸水素ナトリウムなどの所定の温度・圧力で分解してガスを発生する化学発泡剤、或いは、ブタン、ペンタン、ジクロロジフロロメタンなどの低沸点有機化合物からなり、低圧域に放出することにより気化する物理発泡剤などを使うことができる。これらの発泡剤を溶融している熱可塑性材料に添加混練する技術は、従来公知の技術に属し、本発明においてもその技術を使うことができる。
また、物理発泡剤として二酸化炭素或いは窒素を使うことができるが、普通の方法では、これらは熱可塑性材料の中へ余り拡散しないが、これらを超臨界流体にすると良好に拡散し、低圧域に放出すると微細な気泡を作ることが知られている。この実施の形態では、発泡剤として二酸化炭素又は窒素の超臨界流体を使う。超臨界流体は、二酸化炭素では３１．１℃以上かつ７．３８ＭＰａ以上で得られ、窒素では−１４７℃以上かつ３．４０ＭＰａ以上で得られる。発泡剤として用いられる超臨界状態の二酸化炭素又は窒素は単独で使用できるが、二酸化炭素と窒素を混合して使用しても良い。
ボンベ４に二酸化炭素又は窒素が充填されており、加圧器５により昇圧され、二酸化炭素の場合は７．３８ＭＰａ以上、窒素の場合は３．４０ＭＰａにされ、必要に応じて加熱することによりそれぞれ超臨界流体にされる。前記ボンベ４と加圧器５は、発泡剤供給手段を形成する。
熱可塑性材料射出機３には、上記したように内部温度測定手段、内部圧力測定手段、温度調節手段、圧力調節手段などを備え、熱可塑性材料射出機３の射出前置室３ｂの中は、二酸化炭素或いは窒素を超臨界流体状態に維持できる温度・圧力となっている。この状態で、射出前置室３ｂの中に超臨界流体の二酸化炭素又は窒素が注入される。注入された二酸化炭素又は窒素は超臨界流体の状態を維持しながら、良好に熱可塑性材料の中に拡散する。
なお、この実施の形態では、超臨界流体にした二酸化炭素或いは窒素を注入するが、超臨界流体ではない二酸化炭素或いは窒素を注入し、熱可塑性材料射出機３の中をそれらの気体が超臨界流体になる上記温度・圧力にしても同様の効果が得られる。混合物は厳密に言えば超臨界流体とは言えないが、混合状態であっても、この明細書では超臨界流体と呼ぶ。
また、上記実施の形態では、予め溶融張力向上剤が所定量混練された熱可塑性材料を用いることとしたが、図示は省略するが、溶融張力向上剤を容れたタンクと、該タンク内の溶融張力向上剤の供給機とを上記熱可塑性材料射出機３に接続し、上記発泡剤供給手段による発泡剤の熱可塑性材料への混練と同時或いは相前後して熱可塑性材料に溶融張力向上剤を添加混練するものとしてもよい。この場合には、上記溶融張力向上剤を容れたタンクと、該タンク内の溶融張力向上剤の供給機は、溶融張力向上剤供給手段を形成する。
熱可塑性材料射出機３では、さらに、発泡の核を生成する発泡核剤及び／又は発泡調整剤等を注入することができる。これらについては発泡技術の分野での従来技術に属するので、発泡核剤、発泡調整剤の具体的な物質名、作用・効果等の詳細は、本明細書においては省略する。
上記した熱可塑性材料射出機３は、中間部材６を介して管部材を作るための金型７に接続されている。金型７は、構造の複雑さに応じて、２分割、３分割・・・とすることができるが、気密、液密に組み立てられている必要がある。熱可塑性材料射出機３の先端のノズル３ｃが開かれると、高圧の熱可塑性材料射出機３から、この実施の形態では超臨界流体状態にある二酸化炭素又は窒素が拡散している熱可塑性材料が中間部材６を通って金型７の中に噴出される。そして、急激に体積が膨張することにより圧力が低下し、二酸化炭素又は窒素が気化し、熱可塑性材料の粘度と相俟って発泡する。
金型７の中に侵入した熱可塑性材料の中で、金型７の内面に接触した部分は温度が急激に低下し、粘度が上昇することにより気泡が形成されない状態で固化する。他方、金型７に接触しない中央部分では発泡剤の作用により気泡が発生する。気泡が発生した部分は熱伝導率が小さくなるために温度低下も少なく溶融状態が維持される。この結果、金型７の表面に接触し気泡がない薄いスキン層と、金型７に接触せず気泡が発生している溶融状態のコア層が中央部分に形成される。
第２図は、金型７のキャビティ内に熱可塑性材料を射出した後の、金型７の中のスキン層とコア層の分布を概念的に示した図であり、（ａ）は、金型キャビティの軸方向に沿った縦断面図、（ｂ）は、金型キャビティの軸に垂直な横断面図である。そして、これらの図はともに、金型７に接触する部分に気泡がない薄いスキン層が形成され、中央部分に気泡があるコア層が形成されていることを示している。また、第２図の（ｃ）は、金型キャビティの半径方向の位置ｒの関数として、金型キャビティ内の熱可塑性材料の粘度の分布η（ｒ）を概念的に示したグラフであ。そして、この図は、金型内面と接触する薄いスキン層だけが粘度ηが大きく、大部分を占める中央部分のコア層は気泡がたくさんあるので粘度ηが極端に小さいことを示している。
熱可塑性材料に溶融張力向上剤が混練されている場合には、上記発泡剤による気泡の生成時において、該溶融張力向上剤の作用により熱可塑性材料の伸長粘度のひずみ硬化性が増し、気泡の不均質な成長が阻止され、より微細かつ均一な発泡を実現できる。そのため、上記第２図に示した中央部分の気泡があるコア層がより均質かつ多くの部分を占めるものとなり、薄いスキン層が形成されたものとなる。また、熱可塑性材料に補強繊維が混練されている場合には、金型内における熱可塑性材料中の発泡剤による発泡効果で、スキン層に補強繊維が集中するとともに、その配向方向が熱可塑性材料の流動方向と一致した同一方向に並んだものとなる。
なお、第１図に示すように、この実施の形態では、金型７の下流側末端に金型７を閉止するための第１のバルブ８が設けられている。また、上流側の中間部材６には第２のバルブ９を介して流体タンク１０と加圧ポンプ１１が接続されている。これ故、金型７は閉じた空間になっている。この密閉性により熱可塑性材料の注入や発泡剤による発泡が阻害されることがある場合は、それを防止するために気体逃し弁或いは負圧発生装置などの圧力制御器を第１のバルブ８に設けることができる。さらに、金型７の温度、圧力を制御するために、各種センサー及び温度等制御器を設けることもでき、これらによって金型７内の温度、圧力を所望の値に制御し、発泡剤による発泡及び溶融張力向上剤による伸長粘度のひずみ硬化性を制御し、よりスキン層の形成状態を種々所望のものに変更することもできる。
流体タンク１０には窒素ガス、空気、又は水、或いは窒素ガスと水の両方、空気と水の両方が充填されており、加圧ポンプ１１によって該流体は加圧される。金型７の中に、第２図に示すようにコア層とスキン層が形成された後、適当なタイミングで、下流側の第１のバルブ８と、上流側の加圧流体制御弁としての第２のバルブ９を開く。その結果、加圧流体が中間部材６を経由して、金型７の中に勢いよく流れ込む。ここで、適当なタイミングとは、スキン層とコア層が形成され、少なくともコア層が未だ固化せず、製品の肉厚が所望の値になるスキン層の厚さとなるときである。前記流体タンク１０と加圧ポンプ１１と第２のバルブ９は、熱可塑性材料排出手段を形成する。
コア層は気泡があり、粘度が低いので、注入された加圧流体によって容易に押し出される。第３図は、この熱可塑性材料の排出過程における金型キャビティ内の状態を示した図であって、（ａ）は、金型キャビティ内の熱可塑性材料の軸方向に沿った縦断面図であり、加圧流体が注入されて中央部分の粘度の小さいコア層が押し出されている状態を示す。（ｂ）は、（ａ）図のＰ−Ｐ線部分の横断面図であり、中央部分に大きな空洞部が形成されていることを示す。
押し出されたコア層は、第１のバルブ８を通り、オーバーフローキャビティ１２に回収される。スキン層は気泡が無く、粘度が高いので、加圧流体によって押し出されず、管部材の壁面を形成する。この際、スキン層は薄いので、製品である管部材の肉厚を薄くできる。
熱可塑性材料に溶融張力向上剤が混練されている場合には、上記加圧流体による熱可塑性材料の排出過程において、該溶融張力向上剤の作用により熱可塑性材料の伸長粘度のひずみ硬化性が増し、加圧流体による押し出しが偏肉なく行われ、さらに薄肉で均質な管部材を流体アシスト成形により形成することができる。また、熱可塑性材料に補強繊維が混練されている場合には、上記したように発泡剤による発泡効果で、スキン層に補強繊維が集中するとともに、その配向方向が熱可塑性材料の流動方向と一致した同一方向に並んだものとなっているため、補強繊維によって効果的に補強された管壁を有し、かつ内壁表面に補強繊維が露出しない管部材を成形することができる。
そして、中空成形体の温度がガラス転移温度付近まで冷却し、固化した後、金型７から取り出し、管部材を得る。本発明においては、金型７のキャビティの中の温度或いは圧力又はその両方を変化させることにより、気泡がないスキン層と気泡があるコア層の体積比率を容易に変更できる。そして、気泡がないスキン層と気泡があるコア層の粘度差を利用して、加圧流体で粘度が小さいコア層を押しのけることで、結果として、所望の肉厚を有する管部材を得ることができる。
以上、本発明に係る管部材の製造方法及び製造装置の実施の形態を説明したが、本発明は、何ら既述の実施の形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載した本発明の技術的思想の範囲内において、種々の変形、変更が可能であることは当然である。

以上に説明した本発明に係る管部材の製造方法及び製造装置によれば、装置を複雑化することなく、製品の肉厚を可及的に薄くすることができるとともに、熱可塑性材料の必要量を少なくすることができる。そのため、自動車や家電製品などに用いる配管の製造に、本発明に係る管部材の製造方法及び製造装置は広く使用することができる。

Claims (12)

1. 金型の中に熱可塑性材料を充填する熱可塑性材料充填過程と、上記金型の中の熱可塑性材料の未だ固化していない部分を加圧流体で押し出す熱可塑性材料排出過程を有する管部材の製造方法において、上記熱可塑性材料が発泡剤を混練したものであり、上記金型内で上記充填させた熱可塑性材料を発泡させる過程を備え、上記熱可塑性材料排出過程が、上記金型の中で発泡している上記熱可塑性材料の中央部分をその部分が固化する前に加圧流体で押し出す過程であることを特徴とする、管部材の製造方法。
2. 上記熱可塑性材料が熱可塑性プラスチック又は熱可塑性エラストマーであり、上記発泡剤が二酸化炭素及び／又は窒素であり、それらが超臨界流体状態を維持できる温度と圧力のもとで上記熱可塑性材料に混練されていることを特徴とする、請求の範囲１に記載の管部材の製造方法。
3. 上記加圧流体が、窒素ガス又は水、或いはそれらの両方からなることを特徴とする、請求の範囲１に記載の管部材の製造方法。
4. 上記加圧流体が、空気又は水、或いはそれらの両方からなることを特徴とする、請求の範囲１に記載の管部材の製造方法。
5. 上記熱可塑性材料が溶融張力向上剤をさらに混練したものであることを特徴とする、請求の範囲１に記載の管部材の製造方法。
6. 上記熱可塑性材料が補強繊維をさらに混練したものであることを特徴とする、請求の範囲１に記載の管部材の製造方法。
7. 管部材を成形するための金型と、該金型の中に熱可塑性材料を充填する熱可塑性材料充填手段と、上記金型の中の熱可塑性材料の未だ固化していない部分を加圧流体で押し出す熱可塑性材料排出手段を有する管部材の製造装置において、上記熱可塑性材料充填手段が、熱可塑性材料供給手段と、発泡剤供給手段と、前記熱可塑性材料供給手段で供給された熱可塑性材料と前記発泡剤供給手段で供給された発泡剤を混練して射出する熱可塑性材料射出機とを備え、上記熱可塑性材料排出手段が、流体タンクと、該流体タンクに収容されている流体を加圧する加圧手段と、加圧流体を制御する加圧流体制御弁を備え、上記発泡剤が混練された熱可塑性材料を上記熱可塑性材料射出機を用いて上記金型に充填して発泡させた後に、上記加圧流体制御弁を開いて上記加圧手段で加圧された流体で上記金型内の未だ固化していない発泡状態にある熱可塑性材料を押し出すことを特徴とする、管部材の製造装置。
8. 上記発泡剤が二酸化炭素及び／又は窒素であり、該二酸化炭素及び／又は窒素が超臨界流体になる温度と圧力以上にある上記熱可塑性材料射出機内に上記発泡剤供給手段によって供給されることを特徴とする、請求の範囲７に記載の管部材の製造装置。
9. 上記発泡剤が二酸化炭素及び／又は窒素であり、該二酸化炭素及び／又は窒素が予め超臨界流体の状態で上記発泡剤供給手段から上記熱可塑性材料射出機内に供給されることを特徴とする、請求の範囲７に記載の管部材の製造装置。
10. 上記熱可塑性材料が溶融張力向上剤を予め混練したものであることを特徴とする、請求の範囲７に記載の管部材の製造装置。
11. 上記熱可塑性材料充填手段が更に溶融張力向上剤供給手段を備え、上記熱可塑性材料射出機が上記熱可塑性材料供給手段で供給された熱可塑性材料と上記発泡剤供給手段で供給された発泡剤と前記溶融張力向上剤供給手段で供給された溶融張力向上剤を混練して射出するものであることを特徴とする、請求の範囲７に記載の管部材の製造装置。
12. 上記熱可塑性材料が補強繊維を予め混練したものであることを特徴とする、請求の範囲７に記載の管部材の製造装置。

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