JP5658186B2

JP5658186B2 - 中空射出成形体の製造方法

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Publication number: JP5658186B2
Application number: JP2012037374A
Authority: JP
Inventors: 国宗　範彰; 国宗　　範彰
Original assignee: Kunimune Co Ltd
Current assignee: Kunimune Co Ltd
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2032-02-23
Also published as: JP2013173233A

Description

本願発明は、中空射出成形体を射出成形によって製造する製造方法の発明に関する。

従来、自動車のラジエーターに用いられる冷却水配管、給湯器等に用いられる配管、風呂のお湯周りの複雑形状配管、さらに自動車の排ガス等の曲がり部や分岐部を有するパイプ部材の製造には金属管を加工して製造していた。曲がり部を有するパイプ部材の製造には金属パイプの曲げ加工が必要であり、また、パイプ部材に分岐部を形成するためには溶接が必要であった。このため製造に高度な技術と煩雑な工程が必要であった。
一方、中空の射出成形体の製造方法として、金型キャビティに充填された樹脂に対して、水を圧入して、水圧により溶融樹脂を金型内面に向かって押付けて圧接させつつ冷却することにより樹脂を固化させ、所定の形状を有する中空の射出成形体を製造する、所謂水アシスト成形法が知られている。このため、水アシスト成形法を利用して熱可塑性樹脂による中空射出成形体を成形し、これを金属製パイプ部材に置き換えようとする試みがなされている。

特許文献１には水アシスト成形法の改良方法として微量のガスを水に先行させ樹脂中空を形成させ、かつ金型温度を樹脂射出時は急速加熱で高くしておき、樹脂固化促進のためタイミングよく急冷する方法が示され、既存の水アシスト成形法に比べて製品固化速度を高くすることができると開示されている。

特許第４７７７６６７号公報

従来の抜きコア等を使用する射出成形法は樹脂を金型に射出して一体成形することができ、量産に適しているものの、曲がり部や分岐部を有する複雑な３次元形状の中空射出成形体を成形することはできない。また、直線の組み合わせからなるパイプ配管形状でも割金型と抜きコアの組み合わせからなる複雑金型となる。このため製造時の金型の不測の事故による製品欠陥や変形を生じるという問題がある。

また、従来の水アシスト成形法では、金型キャビティ内への樹脂を充填するため高い射出圧力が必要となるだけでなく、この高い射出圧力の樹脂の内部に水を注入するので、必然的に水の注入圧力も高い圧力が必要となる。このため、３次元形状の複雑化やパイプ部の全長に制約を生じたり、排除する樹脂の量が少なくパイプ肉厚の薄い成形品は成形しにくい欠点を有したりしていた。さらに、従来の水アシスト成形法ではキャビティ内への樹脂の充填時および、その後の樹脂内部に圧入した水の圧力でも、さらに樹脂を金型内面に押付けて成形品の外形をキャビティ内面形状に沿って成形する。このため、複雑な３次元形状中空成形体の外寸法精度の高い要求をされる成形品では、成形品の厚肉傾向のため金型面への押付け転写圧力伝達も弱く成形品外形状精度に寄与するには不十分で限界があった。

そこで、上記課題を解決する手段として本願発明に係る中空射出成形体の製造方法は、中空射出成形体を射出成形によって製造する製造方法であって、攪拌シリンダー内で、溶融した熱可塑性樹脂中に超臨界流体を攪拌混合して混合樹脂を生成する混合樹脂生成過程と、攪拌シリンダーから混合樹脂を射出すると共に、混合樹脂を金型の内面が形成するキャビティに充填する充填過程と、金型外部からキャビティに貫通する注水孔に設置された水注入バルブを介して、混合樹脂が充填されたキャビティに水を圧入する注水過程と、キャビティに圧入された水によって、キャビティに充填された混合樹脂のうち、キャビティの軸線に沿った樹脂中心部を金型に設けられた抜き取り孔からキャビティ外へ押し出すと共に、金型の内面に圧接されてなる樹脂表層部を残存させる中空部形成過程と、前記樹脂表層部を冷却して固化させる冷却過程とを有することを特徴とする。

また、前記注水過程において、不活性ガスを水に先行させて注入しても好ましい。

本願発明に用いられる熱可塑性樹脂にはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂を用いることが好ましいが、生分解性プラスチックであるポリ乳酸、ポリオレフィン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、メタクリル樹脂、含フッソ樹脂等で例示される汎用の熱可塑性樹脂はもとよりポリアミド、飽和ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリアセタール、ポリスルホン、変性ポリエチレンエ−テル等で例示されるいわゆるエンジニアリングプラスチックスをも使用することができる。なお、ＰＰＳ樹脂以外の熱可塑性樹脂では、特にポリアミド（ＰＡ）樹脂を用いることが好適である。

超臨界流体と熱可塑性樹脂との混合による混合樹脂生成過程では、攪拌シリンダーの中間部に、超臨界流体発生部で生成した超臨界流体を注入孔から溶融した熱可塑性樹脂に注入されることが好ましい。超臨界流体はスクリューによって熱可塑性樹脂と攪拌混合される。超臨界流体を混合した溶融樹脂(以下混合樹脂と略記)は、超臨界流体を含まない単なる溶融樹脂に比べ流動粘度を低くすることができ、キャビティへの充填時に必要な射出圧力を抑えることができる。溶融した熱可塑性樹脂に注入する超臨界流体は窒素、二酸化炭素などの不活性物質が良く使用されるが、これに限られることはない。これらの超臨界点は窒素：−１４７．０℃ ３．４ＭＰａ、二酸化炭素：３１．１℃ ７．３８ＭＰａである。

次に充填過程では、攪拌シリンダーの射出口から混合樹脂が射出されスプルー、ランナー、ゲートを介してキャビティへ充填されることが好ましい。

キャビティに混合樹脂を充填させると、超臨界流体が混合樹脂中において発泡し、微小な気泡が多数発生する。気泡は金型の内面近傍に比べてキャビティの軸心及び軸心周囲の部分に多く分布して発生する。

ここで、キャビティの軸心及び軸心周囲の部分に分布する混合樹脂を樹脂中心部とする。樹脂中心部は軸心に沿って分布する。また、注水過程によって金型の内面近傍に残存する樹脂層部分は樹脂表層部とする。樹脂表層部は樹脂中心部よりも外側部分に分布する。樹脂中心部には、前述のように金型の内面近傍に比べて多くの気泡が存在するため、樹脂中心部の樹脂の粘度は超臨界流体が混合されていない樹脂よりも粘度が低く、さらにまた、混合樹脂からなる樹脂表層部よりも低い粘度とすることができる。

混合樹脂がキャビティ内に充填され、混合樹脂内に気泡が発生した状態となった後、水注入バルブから混合樹脂に水が圧入される注水過程を行う。水は２０ＭＰａ程度の圧力で圧入することができる。

中空部形成過程では、水注入バルブから圧入された水は、粘度の低い樹脂中心部を押し流しながら、キャビティ内で径方向外側方向へも金型の内面近傍まで押広がるが、樹脂中心部よりも粘度の高い金型の内面近傍に樹脂表層部は残存させる。このとき、混合樹脂は超臨界流体が混合されていない樹脂よりも粘度が低いため、圧入された水は樹脂に超臨界流体が混合されていない場合よりもキャビティ内で径方向外側方向により一層押広がることができる。さらに、樹脂表層部の粘度は樹脂中心部の粘度よりも高いため、圧入された水が際限なく押し広げられることはなく、樹脂表層部を全て除去してしまうこともない。そのため、樹脂表層部の肉厚を、混合樹脂を使用しない従来の水アシスト成形法よりも薄く残存させることができる。

押し流された樹脂中心部は抜き取り孔から樹脂貯留部に貯留することが好ましい。その後、水の水圧を一定に保持して樹脂表層部を金型の内面に押付けて圧接させながら冷却・固化させて、中空射出成形体を得る。さらにまた、金型温度については所謂急温急冷法を併用することも好ましい。すなわち成形品の光沢性や金型の転写性、樹脂の流動性の向上を考慮して、金型を高温に設定した後、混合樹脂射出後に、樹脂中心部に水を注入して樹脂中心部の当該樹脂を除去後、表層形成後金型冷却し、注入した水を除去する過程とすることも好ましい。

なお、注入される水は、冷水、温水、熱水、又は水蒸気を成形の条件に応じて使い分けて用いることが好ましい。

本願発明で得られた中空射出成形体は、従来の水アシスト成形法で成形される中空射出成形体よりも肉厚を薄く成形させることができると共に、残存させた樹脂表層部を金型の内面に強力に圧接させることができるため、成形後の樹脂表層部の外面形状はキャビティの形状を正確に再現し、従来よりも高い外形の寸法精度を有する中空射出成形体を得ることが可能となる。

また、従来の水アシスト成形法で成形される中空射出成形体よりも肉厚を薄く成形させることができる本願発明によれば、複雑な３次元形状のパイプ部材の末端形状まで忠実に中空部分を形成できる。さらに、従来の水アシスト成形法で成形される中空射出成形体では成形することができなかった複雑な３次元形状中空成形体であって外寸法精度の高い要求をされる成形品であっても、成形品の肉厚を薄くできることにより金型面への押付け転写圧力伝達も増強され、成形品外形状精度の向上にも寄与することができる。

本願発明により得られた中空射出成形体は、０．２ｍｍ〜３．０ｍｍの肉厚に成形することができ、従来技術の水アシスト成形法で成形される中空射出成形体の肉厚より最大１０分の１程度までの薄肉化を実現することができる。

また、本願発明によれば一度の成形で多数の分岐を有する中空射出成形体を成形することが可能であり、従来技術で成形できる分岐数の約２倍の分岐を一体成形することができた。

残存した樹脂表層部を冷却した後、中空射出成形体の中空部内の水を排出する。水の排出は、回収水槽へ回収して再利用することが好ましい。

尚、樹脂貯留部へ押し出された混合樹脂は、回収して再利用することで原料の無駄をなくすことができる。

本願発明によれば、従来の水アシスト成形法と比較して高い圧力をかけなくてもキャビティ内に充填された樹脂に水を圧入させることができ、複雑な３次元形状を有する管状の中空射出成形体の一体成形を可能とした。

さらに、従来の水アシスト成形法では得られなかった肉厚の薄い中空射出成形体を実現するばかりでなく、従来よりも外形の寸法精度が高い中空射出成形体を成形することができる。

本願発明によれば、曲がり部や分岐部を有する複雑な３次元形状のパイプ部材を一体成形することができるため、製造コストの低減を図ることができる。

従来は樹脂成形体では置き換えられなかった部材を置き換えることが可能となるため、車などの完成品の軽量化、小型化を図ることができる。

本願発明に係る製造方法を使用するための装置において、充填過程によりキャビティ１３に混合樹脂Ｒ２を充填した状態の概要を示す図である。本願発明に係る製造方法を使用するための装置において、注水過程により混合樹脂Ｒ２中に水Ｗが圧入された時の概要を示す図である。本願発明に係る充填過程によって混合樹脂Ｒ２がキャビティ１３に充填された状態の拡大部分縦断面図である。本願発明に係る注水過程において水Ｗが混合樹脂Ｒ２を押し出しながら注水されている過程を示すキャビティ１３の拡大部分縦断面図である。従来の水アシスト成形法において水Ｗがキャビティ中に充填された熱可塑性樹脂水を押し出しながら注水されている過程を示すキャビティ１３の拡大部分縦断面図である。

以下、本願発明に係る実施の形態を、図を参照しながら詳しく説明する。

はじめに、本願発明に係る製造方法を使用するために用いられる装置の概略を説明する。図１に示す射出成形機１は、攪拌シリンダー３壁面に加熱ヒーター２が取り付けられると共に内部にスクリュー４を備え、攪拌シリンダー３内部で熱可塑性樹脂の攪拌・溶融を行うことができる射出成形機である。また、攪拌シリンダー３の後部にはホッパー５が設置されており、ホッパー５から攪拌シリンダー３に投入された熱可塑性樹脂Ｒ１のペレットを、スクリュー４による攪拌、及び加熱ヒーター２を用いた加熱により熱可塑性樹脂Ｒ１を溶融させることができる。なお、本実施の形態においては熱可塑性樹脂Ｒ１にポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂を用いている。

攪拌シリンダー３に設けられた注入孔６には、超臨界流体注入機構７が接続されている。超臨界流体注入機構７は、超臨界流体発生部８及び注入手段９とから構成されている。超臨界流体発生部８は、窒素又は二酸化炭素等の不活性ガスを充填した不活性気体ボンベ１０と、不活性ガスを昇圧させるブースター１１と、不活性ガスを計量する計量器１２とからなるものであることが好ましい。また注入手段９に設けられたバルブ９Ｂは注入孔６に接続されており、超臨界流体発生部８によって発生させた超臨界流体を、予め設定された所定の時間バルブ９Ｂの弁を開いて、注入孔６を介して攪拌シリンダー３内の溶融した熱可塑性樹脂Ｒ１に所定の圧力で注入させることができる。

金型１４，１４は、それぞれ成形機固定盤１５と成形機可動盤１６とに固定されている。キャビティ１３は、図１に示すように型閉めされた金型１４、１４の内面によって形成された金型内部の空間であって、中空の射出成形体の外観形状を構成する。固定盤１５にはスプルー２７が設けられ、シリンダー３の先端部から当該スプルー２７内を通じてキャビティ１３に混合樹脂Ｒ２が充填される。

キャビティ１３の一端側には注水孔２１が設けられており、その外部には水注入機構１８が備えられている。水注入機構１８は、水を加圧減圧するポンプユニット１９を備えており、このポンプユニット１９によって水注入バルブ２０を介して圧入口１７から加圧水圧入ができるよう構成されていることが好ましい。

前記水注入機構１８には、水Ｗを導くための水ライン２６と、ポンプユニット１９は水減圧も可能となし、中空成形体の冷却後成形品取り出し直前に内部の水Ｗを中空射出成形体３４内部より抜き取ることも行う。

また、本実施例においては水注孔２１に接続されてなる不活性ガス注入機構３０が設置されている。不活性ガス注入機構３０は、注水孔２１に対して周面方向からバルブ２２が連通して接続されており、最終的に水注入機構１８が水Ｗを圧入させる圧入口１７を共有してキャビティ内に不活性ガスを注入することができるものである。不活性ガス注入機構３０は、不活性気体格納部２４からブースター２３を介してバルブ２２へ不活性ガスを送り出すことができる。

そして、当該不活性ガス注入機構３０を用いて加圧水注入の直前に加圧された不活性ガス少量を注水孔２１より注入し、その後本格的に水Ｗを圧入させることでキャビティ１３中央部に存在する混合樹脂の除去が容易となる。加圧水注入の直前に加圧された少量の不活性ガスによって圧入口１７近傍の混合樹脂Ｒ２が予め除去され、ポンプユニット１９への圧入初期の負荷を軽減することができるからである。

キャビティ１３の他端側には樹脂貯留部３１が設けられており、当該樹脂貯留部３１には、図２に示すように中空射出成形体３４の中空部３３を形成する際に加圧された水注入によりキャビティ１３から排出除去された中空成形体中央部の混合樹脂が抜き取り孔３２を介して貯留される。

次に、本願発明に係る製造方法について説明する。

ホッパー５から攪拌シリンダー３の後部に投入された熱可塑性樹脂Ｒ１のペレットは、加熱ヒーター２によって加熱され、スクリュー４によって攪拌されながら溶融され、攪拌シリンダー３の先端方向へ搬送される。

そして、混合樹脂生成過程では、攪拌シリンダー３の中間部分において、超臨界流体発生部８で生成した主として窒素からなる超臨界流体が注入手段９から注入孔６を介して溶融した熱可塑性樹脂Ｒ１に注入される。超臨界流体はスクリュー４によって熱可塑性樹脂Ｒ１と攪拌されながら混合され、混合樹脂Ｒ２が形成される。ここで、溶融した熱可塑性樹脂Ｒ１に注入する超臨界流体の圧力は、使用する熱可塑性樹脂の種類等によっても相違するが、通常１０〜２０ＭＰａ程度であることが好ましい。

次に充填過程では、攪拌シリンダー３の射出口から混合樹脂Ｒ２が射出されスプルー２７、ランナー２８、ゲート２９を介してキャビティ１３へ充填される。

混合樹脂Ｒ２がキャビティ１３内に充填されると、一定時間経過後に水注入機構１８のポンプユニット１９を作動させ、図２に示すように水注入バルブ２０から充填された混合樹脂Ｒ２に水Ｗが圧入される注水過程を行う。圧入される水Ｗの圧力は２０ＭＰａ程度であることが好ましい。

キャビティ１３に混合樹脂Ｒ２を充填させると、超臨界流体が混合樹脂Ｒ２中において発泡し、微小な気泡Ｂを多数発生させることができる。気泡Ｂは図３に示すように金型１４の内面近傍に比べてキャビティ１３の軸心及び軸心周囲の部分に多く分布して発生する。

ここで、キャビティ１３の軸心及び軸心周囲の部分に分布する混合樹脂を樹脂中心部Ｃとする。樹脂中心部Ｃは軸心に沿って分布する。また、注水過程によって金型１４の内面近傍には樹脂層からなる樹脂表層部Ｓが残存する。樹脂表層部Ｓは樹脂中心部Ｃよりも外側部分に分布する。樹脂中心部Ｃには、前述のように金型１４の内面近傍に比べて多くの気泡Ｂが存在するため、樹脂中心部Ｃの樹脂の粘度を樹脂表層部Ｓよりも低い粘度とすることができる。

次に中空部形成過程では、水注入バルブ２０から圧入された水Ｗは、図４に示すように水圧によって樹脂中心部Ｃを押し流しながら金型１４の内面近傍まで押広がり、さらに金型１４の内面近傍に樹脂表層部Ｓを薄く残存させる。押し流された樹脂中心部Ｃは抜き取り孔３２から樹脂貯留部３１に貯留される。その後、水Ｗの水圧を一定に保圧して樹脂表層部Ｓを金型１４の内面に押付けて圧接させながら冷却・固化させて、中空射出成形体３４を得る。また、当該中空部形成過程において、水注入バルブ２０から水Ｗを圧入指せる直前に、加圧された不活性ガス少量を注水孔２１より注入し、その後本格的に水Ｗを圧入させることとしてもより好ましい。

残存した樹脂表層部Ｓを冷却した後、中空射出成形体３４の中空部３３内の水Ｗを排出する。水Ｗの排出は、回収水槽（図示されていない）へ回収して再利用する。

尚、樹脂貯留部３１へ押し出された混合樹脂Ｒ２は、回収して再利用することで原料の無駄をなくすことができる。

従来の水アシスト成形法によれば、キャビティ１４内には超臨界流体を含まない熱可塑性樹脂Ｒ１が充填されている状態で水Ｗを圧入して中空構造を成形させるが、この方法では圧入された水のキャビティ内での押広がりが十分ではなく、図５に示すように中空射出成形体３５の肉厚は厚く残存する。

これに対し、本願発明で得られた中空射出成形体３４の肉厚は、図５の従来の水アシスト成形法で成形される中空射出成形体３５よりも薄く成形させることができると共に、残存した樹脂表層部Ｓを金型１４の内面に強力に圧接するため、成形後の樹脂表層部Ｓの外面形状はキャビティ１３の形状を正確に再現し、従来よりも高い外形の寸法精度を有する中空射出成形体３４を得ることが可能となる。

本願発明により得られた中空射出成形体３４は、０．２ｍｍ〜３．０ｍｍの肉厚に成形することができ、従来技術で成形される中空射出成形体３５の肉厚より最大１０分の１程度の薄肉化を実現することができる。

本願発明により製造された中空射出成形体３４は、特にトイレタリー、洗面、台所、若しくは風呂等の水回りの複雑形状配管、若しくは自動車用のラジエーターに用いられる配管、又はエコ給湯器に用いられる配管等の製造に好適である。さらにディ−ゼル車等の金属腐食性排気ガス配管などにも好適である。

１射出成形機
２加熱ヒーター
３攪拌シリンダー
４スクリュー
６注入孔
７超臨界流体注入機構
８超臨界流体発生部
９注入バルブ
１３キャビティ
１４金型
１８水注入機構
２０水注入バルブ
２１注水孔
３１樹脂貯留部
３２抜き取り孔
３３中空部
３４中空射出成形体
Ｒ１熱可塑性樹脂
Ｒ２混合樹脂
Ｂ気泡
Ｃ樹脂中心部
Ｓ樹脂表層部

Claims

中空射出成形体を射出成形によって製造する製造方法であって、
攪拌シリンダー内で、溶融した熱可塑性樹脂中に超臨界流体を攪拌混合して混合樹脂を生成する混合樹脂生成過程と、
攪拌シリンダーから混合樹脂を射出すると共に、混合樹脂を金型の内面が形成するキャビティに充填する充填過程と、
金型外部からキャビティに貫通する注水孔に設置された水注入バルブを介して、混合樹脂が充填されたキャビティに、不活性ガスを水に先行させて注入し、その後水を圧入する注水過程と、
キャビティに圧入された水によって、キャビティに充填された混合樹脂のうち、キャビティの軸線に沿った樹脂中心部を金型に設けられた抜き取り孔からキャビティ外へ押し出すと共に、金型の内面に圧接されてなる樹脂表層部を残存させる中空部形成過程と、
前記樹脂表層部を冷却して固化させる冷却過程とを有する
ことを特徴とする中空射出成形体の製造方法。