JP5632222B2 - 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するものである。

従来、熱可塑性樹脂の押出成形法においては、押出機内で混練した熱可塑性樹脂を金型から吐出し、冷却されたサイジング金型を通過させて賦形する手法が一般的に行われている。

しかしながら、このような溶融押出成形法における賦形手法においては、通常のＰＶＣの溶融押出成形法では、ダイスウェルとかバラス効果と称される、溶融圧縮時の応力緩和により押出金型出口で膨れ上がる現象の発生を抑えるためと、溶融樹脂を整流化し表面平滑性を得るために、押出金型の平行部の長さを押出成形品厚みの２０〜５０倍と長くとっている。（非特許文献１）

一方、上記溶融押出成形法とは別に、高充填材配合の場合には、押出機に取り付けられた賦形型の先端に冷却金型を直結して成形する方法、いわゆる固化押出成形法が一般的に行われている。（特許文献１）
この方式であっても上記溶融押出成形法と同じく、通常の合成木材の固化押出成形法では、表面平滑性を得るためには成形金型の平行部の部分で時間を掛けて充分に冷却する必要があり、押出金型の平行部の長さも長く且つ通過時間も長くとる必要があり、高速で成形できない、といった問題点がある。

「押出成形」 （１９８５年１２月１０日 改訂第７版 (株)プラスチックス・エージ 発行、p.131〜132） 特開２００８−６８４０８ 号公報

本発明は、このような事情の下、充填材が高充填された熱可塑性樹脂組成物を用いて成形体を成形するに当たり、小型の押出金型を設置した押出機の最大トルクの小さい押出機を用いても、表面平滑性に優れた押出成形品を高速で得る押出成形品の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、充填材高充填熱可塑性樹脂組成物を溶融し、押出成形機から押出金型に供給して成形品を成形する際に、押出金型の平行部の長さが短く、圧縮部の樹脂流路の絞り角が緩やかなものを用いて押出成形した後、多段冷却器を通して引き取りを行うことにより、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成すに至った。

すなわち、本発明によれば、充填材高充填熱可塑性樹脂組成物を溶融し、押出成形機から押出金型に供給して成形品を成形する押出成形品の製造方法であって、上記押出金型が、成形すべき成形体の断面形状に対応した一定の断面形状の樹脂流路を有する平行部と、成形すべき成形品の形状に対応する断面形状の樹脂流路を有し、溶融した充填材高充填樹脂組成物を加圧しながら、樹脂流路の断面形状を徐々に平行部の形状に絞り込む圧縮部とからなり、上記平行部の長さが、金型出口流路の最大クリアランスの５倍〜２０倍であり、上記圧縮部の樹脂流路の絞り角が、押出方向に対して、５度〜１５度となされており、押出成形機から押出された後、多段冷却器を通して引き取りを行うことで、従来の溶融押出法では押出金型の平行部が短いと溶融樹脂の整流化が充分でなく表面が粗くなるのに対し、充填材高充填熱可塑性樹脂組成物では押出金型の平行部が短く圧縮部が緩やかに絞られるもので押出すことで表面平滑性に優れた押出成形品が得られ、多段冷却器で冷却することで冷却時の変形の無い押出成形品を得ることが出来る。

本発明で使用される熱可塑性樹脂は、特に限定されず、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリ塩化ビニル、ポリアミド、アクリル樹脂などが挙げられ、これらは１種用いても良いし、２種以上を組み合わせて用いても良い。
熱可塑性樹脂としては、比較的熱安定性の良いポリオレフィン若しくは／及び不飽和カルボン酸変性ポリオレフィン系樹脂が好適に用いられる。
不飽和カルボン酸変性オレフィンは充填材との接着力を上げ、物性向上のために有用である。
添加量は配合総重量に対して１〜５重量％とすることが望ましい。より好ましくは３〜４重量％である。

本発明で使用される充填材も特に限定されず、一般に樹脂組成物に配合される例えば木粉や竹繊維といった植物片、タルク、炭酸カルシウム、マイカ、ウォラストナイト、ガラス繊維、水酸化マグネシウム、高炉スラグ、フライアッシュ等の無機質充填材などが挙げられ、これらは１種用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
好ましくは、球状で高充填しやすいフライアッシュが好適に用いられる。

本発明で使用される高充填とは、充填材の材料比率において、熱可塑性樹脂組成物全量に対しての充填材量比率が、一般的に樹脂組成物に添加される量よりも多い３０体積％以上の割合で配合されるものである。

本発明で使用される成形品とは、平板状や丸棒状やパイプ状といった単純な断面形状のものだけではなく、平板の内部に複数の中空部を有するようなものや、成形体断面が左右非対称の構造であったり、成形体の表面と裏面の形状が異なるものや、成形体断面の各部厚みや各部位の肉厚が均等でないものを示すものをも含むものであり、必ずしもこれら例示に限られるものではない。

本発明の多段冷却器とは、複数枚の冷却板を用いて複数段階に渡って徐々に冷却を行うものを示すものであり、特に限定されないが、サイジングプレート法が好適に用いられる。

また、本発明において、充填材高充填熱可塑性樹脂組成物が、組成物中の充填材量比率が３０体積％〜７０体積％であり且つ、熱可塑性樹脂としてはポリオレフィン若しくは／及び不飽和カルボン酸変性ポリオレフィンを含むことを特徴とする押出成形品の製造方法が提供される。
本発明で使用される金型では平行部の長さが短いため、上記組成物中の充填材量比率が３０体積％より少ないと、バラスが大きくなってしまい、特にオレフィンの場合には金型壁面での滑り効果がなくなり、表面性が低下する恐れがあるし、また、上記組成物中の充填材量比率が７０体積％を超えても熱可塑性樹脂組成物の粘度が高くなり、押出圧が上がってしまったり、成形品の強度が低下する恐れがある。

また、本発明において、複数枚のサイジングプレートを用いてサイジングプレートは設置間隔を有する多段冷却方式であり、そのプレート厚が金型出口流路の最大クリアランスの０．５〜４倍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。

上述のプレート厚は、好ましくは金型出口流路の最大クリアランスの０．５倍〜３倍、より好ましくは０．５倍〜１倍であり、特に５mm以下であることが好ましい。
また、熱可塑性樹脂組成物の収縮率に合わせて、冷却水槽入口からの距離に応じてサイジングプレートの賦形部の形状を徐々に小さくすることが望ましい。
例えば、フライアッシュを６８．６体積％充填した低密度ポリエチレンにおいては収縮率が約２％であり、この場合は最後尾のサイジングプレートにおける樹脂通過面を成形品の狙いの寸法とし、水槽の先端に設けたサイジングの樹脂通過面はそれに対して２％程度大きくする。

また中空部をもつ成形品においては、冷却時の成形体の変形を防止することを狙い、サイジングプレートと熱可塑性樹脂組成物の密着性を上げるために水槽内部を減圧し吸引密着させることが好ましい。
サイジングプレートの間隔や枚数は、熱可塑性組成物の比熱や成形品の肉厚、熱可塑性樹脂組成物の粘度や押出線速に応じて適宜設定され、最終段を通過した後に引け、反り、曲がりの発生しないレベルまで冷却するのが好ましい。

サイジングプレートの設置間隔は、押出成形品の温度が高いあいだは成形体の変形が起こりやすいために設置間隔を狭くし、押出成形品の温度が下がるにつれて設置間隔を広くとるのが好ましい。
冷却水槽入口からの距離に応じて設置間隔が広くなるように、１５段から３０段配置するのが好ましい。
設置段数が少なすぎると、サイジングプレート−サイジングプレート間での変形を吸収しきれず、成形体の外観が悪くなったり寸法精度が悪くなる恐れがある。
逆に設置段数が多くなりすぎると、通過抵抗が大きくなりすぎるため、成形体の外観が悪くなったり成形体が破断してしまったりする恐れがある。（表５）

また、本発明において、サイジングプレートの賦形面の断面形状が、冷却水槽の入口方向から出口方向に向かって、一律な平面若しくは徐々になだらかな曲面形状で絞り込まれた形状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。

以下、本発明を、図面を参照しつつ、更に詳細に説明する。
内部に３室の中空部を有する押出デッキ材を成形するもので例示する。
図１、図２は、本発明に使用される押出金型の断面図である。
図２は、図１におけるＡ−Ａ‘ 断面図である。
本発明で示す金型出口流路の最大クリアランスとは、図２のＡ−Ａ‘ 断面で例示される金型流路の各間隔のうちで最大のものを示す。
押出金型は、図１の左側に位置することになる押出機から、溶融混練された状態の充填材高充填熱可塑性樹脂組成物が押出されてくるものを賦形するものであり、図示の通り、徐々に絞り込みの行われる圧縮部とそれに引き続く平行部を形成するものである。
後段の多段冷却器は、図１の平行部を出て次工程の冷却水槽内に配されるものである。

本発明の平行部とは、図１で例示するように、押出金型の出口近傍で成形すべき成形体の断面形状に略対応した一定の断面形状の樹脂流路を有する、絞込みのなされていない金型部分を示すものである。

一般には、平行部の長さと平行部を通る圧力は比例関係にあるとされ、また平行部を通る圧力はクリアランスの3乗に比例するとされており、断面の各部位ごとにクリアランスが異なる場合（異型断面）においては、各部位の流路の圧力が均一になるようにそれぞれの平行部長さを設定することが望ましいとされている。

本発明において、充填材高充填熱可塑性樹脂組成物を溶融押出法により押出成形する際には、押出金型の平行部長さを最大クリアランスの２０倍以下であり、より好ましくは同５倍〜２０倍、更に好ましくは同７〜１７倍である。
平行部の長さが最大クリアランスの２０倍を越えると平行部を通過する際の壁面抵抗が強すぎるために、熱可塑性樹脂組成物の表面が粗くなったり、ささくれてしまうため、表面平滑性の優れた製品を得ることが出来なくなる。
また逆に平行部を短くし過ぎると、異型断面を有する成形体を押出成形する場合に、各部位の流路の圧力を均一に調整するのが難しくなる。

本発明の圧縮部とは、図１に例示するように、成形すべき成形品の外面形状に略対応する断面形状の樹脂流路を有し、溶融した充填材高充填樹脂組成物を加圧しながら、樹脂流路の断面形状を徐々に平行部の形状に絞り込む金型部位を示すものである。
加えて絞り角とは、図１に例示するように、押出方向に対する、圧縮部で絞り込まれている樹脂流路の成す角を示すものである。

本発明において、充填材高充填熱可塑性樹脂組成物を溶融押出法により押出成形する際には、押出金型の圧縮部における絞り角を１５度以下とすることが望ましい。
より好ましくは同５〜１０度であるが、対象成形体が異型断面となる場合においては断面各部位を通る圧力が均一になるように設定することが好ましい。
圧縮部の絞り角が０度であると、実質上平行部と同じであり、圧縮部の絞り角が小さ過ぎると、充填材が多孔質である場合は特に脱気が充分に行われずにボイドを生じるなどの課題があり、圧縮部の入り口断面に対し出口断面を３０〜６０％の大きさに圧縮することが望ましい。
また逆に圧縮部の絞り角が１５度を越えると押出金型中で滞留を生じ、表面が粗くなったり、ささくれてしまうため、表面平滑性の優れた押出成形品を得ることが出来なくなる。

本発明のサイジングプレートの賦形面の断面形状とは、サイジングプレートに設けられた対象成形体の外寸法を規定する穴状の賦形部の、側壁面である賦形面の縦断面の形状を示すものである。

本発明の冷却水槽の入口方向から出口方向に向かって、一律な平面若しくは徐々になだらかな曲面形状で絞り込まれた形状とは、図５に示す従来サイジングプレートの断面形状である絞込み部分と平行部を有するものと異なり、例えば図３、図４に示すような断面形状を有するものを示すものであるが、特にこれらのみに限定されるものではない。
この際に、冷却水槽出口側のエッジがシャープになりすぎて引き取りの際に成形体が切断されてしまうのを防ぐために、同エッジを糸面取りするのは構わない。
充填材高充填熱可塑性樹脂組成物の溶融押出成形品は、充填材の無い熱可塑性樹脂組成物と比較すると見かけの粘度が非常に高粘度なので、冷却プロセスの間の重力による変形（一般に垂れと称される変形）が緩やかであるために、従来のもののように平行部を設ける必要が無い。

充填材高充填熱可塑性樹脂組成物を押出成形しようとする場合、従来の溶融押出法では押出金型の平行部が長いと表面が粗くなるのに対し、本発明によれば、押出金型の平行部が短く圧縮部が緩やかに絞られる小型の押出金型で押出すことで表面平滑性に優れた押出成形品が得られ、多段冷却器で冷却することで冷却時の変形の無い押出成形品を得ることができる。
加えて充填材高充填熱可塑性樹脂組成物の押出成形において、上記小型の押出金型が使えることで、押出機の最大トルクの小さい小型押出機を用いても表面平滑性に優れた押出成形品が高速で得ることができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を例示する。
フライアッシュ （ファイナッシュ 四電ビジネス株式会社製）８５重量％（６８．６体積％）と、低密度ポリエチレン （ノバテックＬＦ４４３ 日本ポリエチレン株式会社製）１２重量％と、無水マレイン酸変性ポリエチレン （アドテックスＤＨ０２００ 日本ポリエチレン株式会社製）３重量％を均質に混合したものを、金型出口の外形寸法が１５０ｍｍ×３０ｍｍ、金型出口の最大クリアランスが６ｍｍ、金型の平行部が３０ｍｍ、圧縮部角度が１０度の金型を設置したφ９０ｍｍのパラレル２軸押出機を用いて押出成形した。
上記押出成形品を、内部を２０ｋＰａの減圧度で減圧し水温１５℃に調整した長さ１ｍの冷却水槽内部に設置した、５ｍｍ厚のサイジングプレートを水槽先端から０．２ｍの範囲は１５ｍｍ間隔、同０．２〜０．５ｍの範囲は３０ｍｍ間隔、同０．５〜１ｍの範囲は５０ｍｍ間隔で配置した所を通して、１ｍ／ｍｉｎの押出線速で引き取りをすることで、表面粗さ（Ｒａ）が３８μｍの表面性に優れた成形体を得ることができた。

本発明の実施例を表１に示す。
実施例１： 木粉♯１００ （セルロシン１００ 株式会社カジノ製）４０．３重量％（３０体積％）と、ポリプロピレン （プライムポリプロＪ４６６ＨＰ 株式会社プライムポリマー製）５９．７重量％を均質に混合したものを原材料に使用した。
押出金型として、圧縮部の絞り角が１０度、金型出口のクリアランス６ｍｍ×幅８０ｍｍ、平行部長さが８０ｍｍの平板金型を用い、φ５０ｍｍ単軸押出機を用いて樹脂温度（１９０℃）、金型温度（１８０℃）の条件で押出成形した。

比較例１： 原材料にポリプロピレン （プライムポリプロＪ４６６ＨＰ 株式会社プライムポリマー製）のみ１００を用い、金型の平行部長さが２００ｍｍの物を用いる以外は実施例１と同様に行った。

比較例２： 原材料にＰＶＣ（ＮＰ４Ｔ 徳山積水工業株式会社製）を用い、金型の平行部長さが２００ｍｍの物を用いる以外は実施例１と同様に行った。

比較例３： 金型の平行部長さが２００ｍｍの物を用いて固化押出法にて押出成形した。

以上の結果を表１に示した。
なおバラスの測定は、各押出成形品が対象金型の出口から１ｍ押出された時点での成形体中央部の厚みをノギスで1/100ｍｍまで計測して行い、金型クリアランス（６ｍｍ）に対する膨張増分（％）として表記した。
成形速度は、押出成形品が金型から吐出される線速を計測した。
背圧は押出金型の展開部に設けた測定孔に設置した圧力ゲージにより計測した。

実施例２： 木粉♯１００ （セルロシン１００ 株式会社カジノ製）４０．３重量％（３０体積％）と、ポリプロピレン （プライムポリプロＪ４６６ＨＰ 株式会社プライムポリマー製）５９．７重量％を均質に混合したものを原材料に使用した。
押出金型として、圧縮部の絞り角が１０度、金型出口の外径寸法１５０ｍｍ×３０ｍｍ、金型出口の最大クリアランスが６ｍｍの中空形状となる、平行部長さが３０ｍｍの金型を用いた。
押出成形機としてφ９０ｍｍパラレル２軸押出機を用いて押出成形した。

比較例４： 押出金型の平行部長さが１８０ｍｍの物を用い、押出成形機としてφ８０ｍｍのコニカル２軸押出機を用いて固化押出法にて押出成形した。
それぞれの押出機の平均スクリュー径と最大トルクを比較し、その結果を表２に示した。

本発明の成形法によれば、充填材が高充填された熱可塑性樹脂組成物の押出成形において、従来の固化押出成形法に比して本発明の金型の平行部長さは表１に示すように、４０％と短く、小型の押出金型らなる押出機で成形が可能である。
加えて、本発明の成形法によれば、充填材が高充填された熱可塑性樹脂組成物の押出成形において、従来の固化押出成形法に比して４０％以下のトルクという、押出機の最大トルクの小さい押出機で成形が可能である。
これらのことから、本発明によって、充填材高充填熱可塑性樹脂組成物の押出成形において、小型の押出金型からなる押出機の最大トルクの小さい小型押出機を用いても表面平滑性に優れた押出成形品が高速で得られるという顕著な効果が奏される。

以下、実施例３〜６、比較例５〜８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。
金型出口の外形寸法が１５０ｍｍ×３０ｍｍ、金型出口のクリアランスが６ｍｍの金型について、φ９０ｍｍのパラレル２軸押出機を用いて押出した。
押出に用いた充填材は、以下に示すものを使用した。
・木粉♯１００ （セルロシン１００ 株式会社カジノ製）
・フライアッシュ （ファイナッシュ 四電ビジネス株式会社製）
オレフィン系樹脂としては、以下に示すものを使用した。
・ポリプロピレン （プライムポリプロＪ４６６ＨＰ 株式会社プライムポリマー製）
・低密度ポリエチレン （ノバテックＬＦ４４３ 日本ポリエチレン株式会社製）
・無水マレイン酸変性ポリエチレン （アドテックスＤＨ０２００ 日本ポリエチレン株式会社製）

各素材の充填材体積％は、下記の比重にて算出した。
・木粉 １．４
・フライアッシュ ２．４
・低密度ポリエチレン ０．９２
・ポリプロピレン ０．８９
・無水マレイン酸変性ポリエチレン ０．９４

押出後の冷却については、いずれも以下の条件で行った。
・押出線速： １ｍ／ｍｉｎ
・水槽水温： １５℃
・水槽先端から最後尾までの距離： １ｍ
・水槽内部の減圧度： ２０ｋＰａ
・サイジングプレート厚： ５ｍｍ
・サイジングプレートの間隔： 水槽先端から０．２ｍの範囲内では１５ｍｍ間隔、
同０．２〜０．５ｍの範囲内では３０ｍｍ間隔、
同０．５〜１ｍの範囲内では５０ｍｍ間隔に配列して行った。

表面粗さＲａの測定は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠して行った。
以上の結果を表３、表４に示した。

本発明の多段冷却法と、冷却に使用するサイジングプレートの総厚みを等しくした一段冷却法とを比較した実施例を表５に示した。
配合物は表３に示す実施例５のものを使用した。

表３から表５に示す通り、充填材高充填熱可塑性樹脂組成物を、押出金型平行部の長さが、対象成形体の最大クリアランスの２０倍以下であり、同圧縮部の樹脂流路の絞り角が、押出機の押出方向に対して、１５度未満の小型押出金型を用いて押出機の最大トルクの小さい小型押出機から押出した後、多段冷却器を通して引き取りを行ことで、表面平滑性に優れた押出成形品を高速で得ることが可能であることが確認された。

本発明の製造方法は、充填材が高充填された熱可塑性樹脂組成物を用いて成形体を成形するに当たり、小型の押出金型を設置した押出機の最大トルクの小さい押出機を用いても、表面平滑性に優れた押出成形品を高速で得ることが可能で生産性に優れるなど、産業上大いに有用である。

本発明にて使用される押出金型（例）の断面図 図１のＡ−Ａ‘ 断面図 本発明にて使用されるサイジングプレートの一例を示す断面図である 本発明にて使用されるサイジングプレートの他の一例を示す断面図である 従来のサイジングプレートの一例を示す断面図である

Claims (1)

1. 充填材高充填熱可塑性樹脂組成物を溶融し、押出成形機から押出金型に供給して成形品を成形する押出成形品の製造方法であって、上記押出金型が、成形すべき成形体の断面形状に対応した一定の断面形状の樹脂流路を有する平行部と、成形すべき成形品の形状に対応する断面形状の樹脂流路を有し、溶融した充填材高充填樹脂組成物を加圧しながら、樹脂流路の断面形状を徐々に平行部の形状に絞り込む圧縮部とからなり、上記平行部の長さが、金型出口流路の最大クリアランスの５倍〜２０倍であり、上記圧縮部の樹脂流路の絞り角が、押出方向に対して、５度〜１５度となされており、上記押出金型を通過した樹脂組成物を、多段冷却器を通して引き取りを行い、
   上記の充填材高充填熱可塑性樹脂組成物が、組成物中の充填材量比率が３０体積％〜７０体積％であり且つ、熱可塑性樹脂としてはポリオレフィン及び／又は不飽和カルボン酸変性ポリオレフィンであり、
   上記の多段冷却器が、複数枚のサイジングプレートを用いてサイジングプレートは設置間隔を有する多段冷却方式であり、そのプレート厚が金型出口流路の最大クリアランスの０．５〜４倍であり、
   上記のサイジングプレートの賦形面の断面形状が、冷却水槽の入口方向から出口方向に向かって、一律な平面若しくは徐々になだらかな曲面形状で絞り込まれた形状であることを特徴とする押出成形品の製造方法。