JP6770228B2 - 発泡成形体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発泡成形体の製造方法に関する。

例えば、自動車等の空調装置では、空気を通風させるための管状の空調用ダクトが用いられている。

空調用ダクトとしては、熱可塑性樹脂を発泡剤により発泡させた発泡樹脂を用いた発泡成形体が知られている。発泡成形体は、高い断熱性と軽量化を同時に実現できることから需要が拡大している。

こうした発泡成形体の製造方法としては、溶融状態の発泡樹脂を分割金型で型締めし、内部に空気を吹き込んで膨張させるブロー成形方法が広く知られている（特許文献１を参照）。

特開２０１２−０３０４９８号公報

ところで、空調用ダクトなどの用途においては、比重が小さく（つまり発泡倍率が高く）且つ気泡径が小さな発泡成形体が望まれるが、比重が小さくなる条件で発泡成形を行うと気泡径が大きくなりやすく、気泡径が小さくなる条件で発泡成形を行うと比重が大きくなりやすいので、比重及び気泡径が小さい発泡成形体を得ることは容易ではない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、比重及び気泡径が小さい発泡成形体の製造方法を提供するものである。

本発明によれば、原料樹脂と発泡剤を押出機のシリンダ内で溶融混練してなる溶融混練樹脂を用いて発泡パリソンを形成し、前記発泡パリソンを成形して発泡成形体を得る工程を備え、前記発泡剤は、前記溶融混練樹脂中でのＮ_２とＣＯ_２の合計を１００ｍｏｌ％としたときのＮ_２混合比率が３３〜９０ｍｏｌ％となるように添加される、発泡成形体の製造方法が提供される。

本発明者は鋭意検討を行ったところ、溶融混練樹脂中でのＮ_２とＣＯ_２の合計を１００ｍｏｌ％としたときのＮ_２混合比率が３３〜９０ｍｏｌ％となるように発泡剤を添加した場合には、比重及び気泡径が小さくなることを見出し、本発明の完成に到った。

本発明によれば、発泡倍率を向上させることができるとともに気泡径の制御が容易になる。その結果、完成製品の外観や吸音特性の調整、物理的強度の向上等、目的に応じて製品の特性をコントロールできるようになる。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記Ｎ_２混合比率は、４０〜６７ｍｏｌ％である。
好ましくは、前記発泡剤は、Ｎ_２及びＣＯ_２を含む物理発泡剤を含み、前記物理発泡剤は、インジェクタを介して、前記シリンダ内に注入される。
好ましくは、前記発泡剤は、Ｎ_２を含む第１物理発泡剤と、ＣＯ_２を含む第２物理発泡剤を含み、第１及び第２物理発泡剤は、別々のインジェクタを介して、個別に前記シリンダ内に注入される。
好ましくは、前記発泡剤は、ＣＯ_２を発生させる化学発泡剤と、Ｎ_２を含む物理発泡剤を含み、前記化学発泡剤は、前記原料樹脂と混合されて添加され、前記物理発泡剤は、インジェクタを介して、前記シリンダ内に注入される。

本発明の第１実施形態の製造方法で利用可能な発泡ブロー成形機１の一例を示す。 図１の押出機１３のシリンダ１３ａに２つのインジェクタ１６ａ，１６ｂが設けられている状態を示す側面図である。 本発明の第２実施形態の製造方法で利用可能な発泡ブロー成形機１の一例を示す。 本発明の第３実施形態の製造方法で利用可能な発泡ブロー成形機１の一例を示す。 Ｎ_２混合比率と、比重及び気泡径の関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、Ｎ_２混合比率が０％、５０％、１００％の場合の発泡成形体の断面写真を示す。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴事項について独立して発明が成立する。

１．第１実施形態
本発明の第１実施形態の発泡成形体の製造方法は、原料樹脂と発泡剤を押出機のシリンダ内で溶融混練してなる溶融混練樹脂を用いて発泡パリソンを形成し、前記発泡パリソンを成形して発泡成形体を得る工程を備え、前記発泡剤は、前記溶融混練樹脂中でのＮ_２とＣＯ_２の合計を１００ｍｏｌ％としたときのＮ_２混合比率が３３〜９０ｍｏｌ％となるように添加される。本実施形態では、発泡剤として、Ｎ_２を含む第１物理発泡剤と、ＣＯ_２を含む第２物理発泡剤が用いられる。第１及び第２物理発泡剤は、別々のインジェクタを介して、個別にシリンダ内に注入される。

本実施形態の方法は、図１に例示される発泡ブロー成形機１を用いて実施することができる。発泡ブロー成形機１は、ホッパー１２と、押出機１３と、インジェクタ１６ａ，１６ｂと、アキュームレータ１７と、ヘッド１８と、分割金型１９を備える。押出機１３とアキュームレータ１７は、連結管２５を介して連結される。アキュームレータ１７とヘッド１８は、連結管２７を介して連結される。
以下、各構成について詳細に説明する。

＜ホッパー１２，押出機１３＞
ホッパー１２は、原料樹脂１１を押出機１３のシリンダ１３ａ内に投入するために用いられる。原料樹脂１１の形態は、特に限定されないが、通常は、ペレット状である。原料樹脂１１は、ホッパー１２からシリンダ１３ａ内に投入された後、シリンダ１３ａ内で加熱されることによって溶融されて溶融樹脂になる。また、シリンダ１３ａ内に配置されたスクリューの回転によってシリンダ１３ａの先端に向けて搬送される。スクリューは、シリンダ１３ａ内に配置され、その回転によって溶融樹脂を混練しながら搬送する。スクリューの基端にはギア装置が設けられており、ギア装置によってスクリューが回転駆動される。シリンダ１３ａ内に配置されるスクリューの数は、１本でもよく、２本以上であってもよい。

＜インジェクタ１６ａ，１６ｂ，ガス供給装置１５ａ，１５ｂ、ガスボンベ１４ａ，１４ｂ＞
シリンダ１３ａには、シリンダ１３ａ内に物理発泡剤を注入するためのインジェクタ１６ａ，１６ｂが設けられる。インジェクタ１６ａ，１６ｂには、配管２ａ、２ｂを介して、ガス供給装置１５ａ，１５ｂが連結される。ガス供給装置１５ａ，１５ｂには、配管３ａ、３ｂを介して、第１及び第２ガスボンベ１４ａ，１４ｂが連結される。第１ガスボンベ１４ａには、Ｎ_２を含む第１物理発泡剤が収容されている。第１物理発泡剤は、窒素ガスであってもよく、窒素ガスと別のガスとの混合ガスであってもよい。第２ガスボンベ１４ｂには、ＣＯ_２を含む第２物理発泡剤が収容されている。第２物理発泡剤は、ＣＯ_２ガスであってもよく、ＣＯ_２ガスと別のガスとの混合ガスであってもよい。第１及び第２物理発泡剤は、ガス供給装置１５ａ，１５ｂにおいて圧力及び流量が調整された状態でインジェクタ１６ａ，１６ｂを通じてシリンダ１３ａ内に注入される。第１及び第２物理発泡剤は、超臨界流体の状態でシリンダ１３ａ内に注入されることが好ましい。Ｎ_２は、臨界温度−１４９．１℃、臨界圧力３．４ＭＰａ以上、ＣＯ_２は、臨界温度３１℃、臨界圧力７．４ＭＰａ以上とすることによって超臨界状態（超臨界流体の状態）にすることができる。第１及び第２物理発泡剤は、後述する第２実施形態のように、ガス供給装置の上流側で混合して同一のインジェクタを通じてシリンダ１３ａ内に注入することも可能であるが、Ｎ_２とＣＯ_２は超臨界状態にするための条件（圧力・温度）が異なるので、Ｎ_２とＣＯ_２の混合ガスを超臨界状態にするのは、個別に超臨界状態にする場合に比べて、エネルギーのロスが大きくなる。このため、本実施形態では、第１及び第２物理発泡剤は別々のインジェクタ１６ａ，１６ｂを介して、個別にシリンダ１３ａ内に注入している。

第１及び第２物理発泡剤は、溶融混練樹脂中でのＮ_２とＣＯ_２の合計を１００ｍｏｌ％としたときのＮ_２混合比率が３３〜９０ｍｏｌ％となるように添加される。Ｎ_２混合比率を上記範囲内にすることによって、比重が小さく且つ気泡径が小さい発泡成形体を得ることができる。Ｎ_２混合比率は、好ましくは４０〜６７ｍｏｌ％であり、さらに好ましくは４０〜６０ｍｏｌ％であり、さらに好ましくは４５〜５５ｍｏｌ％である。この場合に、発泡成形体の比重が特に小さくなる。Ｎ_２混合比率は、具体的には例えば、３３、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、６７、７０、７５、８０、８５、９０ｍｏｌ％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

＜アキュームレータ１７、ヘッド１８＞
原料樹脂と発泡剤が溶融混練されてなる溶融混練樹脂は、シリンダ１３ａの樹脂押出口から押し出され、連結管２５を通じてアキュームレータ１７内に注入される。アキュームレータ１７は、シリンダ１７ａとその内部で摺動可能なピストン１７ｂを備えており、シリンダ１７ａ内に溶融混練樹脂１１ａが貯留可能になっている。そして、シリンダ１７ａ内に溶融混練樹脂１１ａが所定量貯留された後にピストン１７ｂを移動させてことによって、連結管２７を通じて溶融混練樹脂１１ａをヘッド１８内に設けられたダイスリットから押し出して発泡パリソン２３を形成する。発泡パリソン２３の形状は、特に限定されず、円筒状であってもよく、シート状であってもよい。

＜分割金型１９＞
発泡パリソン２３は、一対の分割金型１９間に導かれる。分割金型１９を用いて発泡パリソン２３の成形を行うことによって発泡成形体が得られる。分割金型１９を用いた成形の方法は特に限定されず、分割金型１９のキャビティ内にエアーを吹き込んで成形を行うブロー成形であってもよく、分割金型１９のキャビティの内面からキャビティ内を減圧して発泡パリソン２３の成形を行う真空成形であってもよく、その組み合わせであってもよい。

２．第２実施形態
図３を用いて、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に類似しており、第１及び第２物理発泡剤をガス供給装置の上流側で混合している点が主な相違点である。以下、相違点を中心に説明する。

本実施形態では、シリンダ１３ａには１つのインジェクタ１６が設けられている。インジェクタ１６には、配管２を介して、ガス供給装置１５が連結される。ガス供給装置１５には、配管３ｃが連結され、配管３ｃが配管３ａ，３ｂに分岐され、配管３ａ，３ｂがそれぞれ第１及び第２ガスボンベ１４ａ，１４ｂに連結される。

本実施形態では、第１及び第２ガスボンベ１４ａ，１４ｂから放出された第１及び第２物理発泡剤は、ガス供給装置１５の上流側で混合された状態でガス供給装置１５に供給され、ガス供給装置１５において流量及び圧力が制御された状態でインジェクタ１６を通じてシリンダ１３ａ内に注入される。

本実施形態では、高価なガス供給装置１５を一つのみ使用するので、設備コストを低減させることができる。

３．第３実施形態
図４を用いて、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１及び第２実施形態に類似しているが、ＣＯ_２を発生させる化学発泡剤を用いる点が主な相違点である。以下、相違点を中心に説明する。

本実施形態では、発泡剤として、ＣＯ_２を発生させる化学発泡剤と、Ｎ_２を含む物理発泡剤が用いられる。ＣＯ_２を発生させる化学発泡剤としては、酸（例：クエン酸又はその塩）と塩基（例：重曹）との化学反応によりＣＯ_２を発生させるものが挙げられる。化学発泡剤は、原料樹脂１１に混合してホッパー１２から投入することが好ましい。

Ｎ_２を含む物理発泡剤は、ガスボンベ１４に収容されており、ガスボンベ１４は、配管３、ガス供給装置１５、及び配管２を通じてインジェクタ１６に連結されており、Ｎ_２を含む物理発泡剤は、インジェクタ１６を通じてシリンダ１３ａ内に注入される。

本実施形態では、高価なガス供給装置１５を一つのみ使用するので、設備コストを低減させることができる。

図１に示す発泡ブロー成形機１を用いて、発泡成形品を作製し、発泡成形性の評価を行った。押出機１３のシリンダ１３ａの内径は５０ｍｍであり、Ｌ／Ｄ＝３４であった。原料樹脂には、プロピレン単独重合体（ポレアリス社（Ｂｏｒｅａｌｉｓ ＡＧ）製、商品名「Ｄａｐｌｏｙ ＷＢ１４０」）と、長鎖分岐ポリプロピレン（日本ポリプロ株式会社製、商品名「ＥＸ６０００Ｋ」）を質量比３０：７０で混合し、樹脂１００質量部に対して、核剤として２０ｗｔ％の炭酸水素ナトリウム系発泡剤を含むＬＤＰＥベースマスターバッチ（大日精化工業株式会社製、商品名「ファインセルマスターＰ０２１７Ｋ」）を１．０重量部、および着色剤として４０ｗｔ％のカーボンブラックを含むＬＬＤＰＥベースマスターバッチ１．０重量部を添加したものを用いた。発泡パリソン２３の温度が１９０〜２００℃になるように各部位の温度制御を行った。スクリューの回転数は、６０ｒｍｍとし、押出量は、２０ｋｇ／ｈｒとした。発泡剤は、第１物理発泡剤としてＮ_２ガスを用い、第２物理発泡剤としてＣＯ_２ガスを用い、第１及び第２物理発泡剤を別々のインジェクタ１６ａ，１６ｂを介して、個別にシリンダ１３ａ内に注入した。Ｎ_２及びＣＯ_２は、表１中の「（樹脂）１ｋｇ中のｍｏｌ数」に示す量を注入した。注入するガス量を徐々に上げて、押し出される樹脂が「バチバチ」と鳴って破泡して成形ができなくなる（成形性が著しく低下する）直前をガス注入量の限界とし、この限界までガスを注入した。

以上の条件で形成された発泡パリソンを用い、円筒状の成形体を成形するための分割金型の間に配置した。続いて、その分割金型を型締めしてから発泡パリソン内に０．１ＭＰaの圧力でエアーを吹き込むことでブロー成形を行って、φ５０ｍｍ、高さ１００ｍｍで厚さ５ｍｍの円筒状の発泡成形体を作製した。

得られた発泡成形体の長手方向の両端及び中心の３か所についてサンプルを切り出して比重及び気泡径を測定した。比重は、切り出したサンプルの体積及び重さから算出した（３つのサンプルの平均値）。気泡径（厚み方向の平均気泡径）は、切り出したサンプルの断面をＣＣＤカメラで撮影し、所定の位置における発泡成形体の肉厚と気泡の数から算出した（３つのサンプルの平均値）。得られた結果を表１及び図５に示す。図５は、Ｎ_２混合比率と、比重及び気泡径の関係を示すグラフである。

図６（ａ）に示すように、Ｎ_２混合比率が０ｍｏｌ％（以下、単に「％」と表記する。）である場合（つまり、ＣＯ_２のみを注入した場合）は、比重が比較的小さく（０．１９）、気泡径が粗大であった（２３２．３μｍ）。一方、図６（ｃ）に示すように、Ｎ_２混合比率が１００％である場合（つまり、Ｎ_２のみを注入した場合）は、比重が比較的大きく（０．２２）、気泡径が比較的小さく（８７．８μｍ）、各気泡が扁平形状になっていた。

Ｎ_２とＣＯ_２を混合した場合の比重及び気泡径は、Ｎ_２混合比率が高いほどＮ_２のみを注入したときの値に近づくと予想されるので、比重及び気泡径は、Ｎ_２混合比率の変化に対して、図５中の直線Ｌ１及びＬ２に沿って変化すると予想された。

気泡径については、予想通り、Ｎ_２混合比率の変化に対して直線Ｌ２に沿って変化し、Ｎ_２混合比率の増大に伴って気泡径が徐々に小さくなるという結果が得られた。一方、比重については、Ｎ_２混合比率の変化に対して直線Ｌ１に沿って変化しないという予想外の結果が得られた。

より詳しくは、Ｎ_２混合比率が２０％のときの比重は、Ｎ_２混合比率から予想される値よりも大きかった。Ｎ_２混合比率が２０％〜５０％の範囲内では、Ｎ_２混合比率の増大に伴って比重が急激に小さくなり、Ｎ_２混合比率３３％〜５０％の範囲内では、比重が、Ｎ_２混合比率から予想される値よりも小さかった。Ｎ_２混合比率が５０〜９０％の範囲内では、Ｎ_２混合比率の増大に伴って比重が大きくなったが、その値は、Ｎ_２混合比率から予想される値よりも小さかった。まとめると、Ｎ_２混合比率が３３％〜９０％のときの比重は、Ｎ_２混合比率から予想される値よりも小さく、この結果は全く予想外であった。また、Ｎ_２混合比率が４０％〜６７％の場合に、Ｎ_２混合比率から予想される値と実際の比重の乖離が特に大きかった。また、図６（ｂ）に示すように、Ｎ_２混合比率が５０％の場合には、気泡径及び気泡形状が極めて良好であった。

以上より、Ｎ_２混合比率を３３％〜９０％にすることによって、発泡成形体の比重及び気泡径を小さくすることができた。

１ ：発泡ブロー成形機
２ ：配管
２ａ ：配管
２ｂ ：配管
３ ：配管
３ａ ：配管
３ｂ ：配管
３ｃ ：配管
１１ ：原料樹脂
１１ａ ：溶融混練樹脂
１２ ：ホッパー
１３ ：押出機
１３ａ ：シリンダ
１４ ：ガスボンベ
１４ａ ：第１ガスボンベ
１４ａ ：ガスボンベ
１４ｂ ：第２ガスボンベ
１４ｂ ：ガスボンベ
１５ ：ガス供給装置
１５ａ ：ガス供給装置
１５ｂ ：ガス供給装置
１６ ：インジェクタ
１６ａ ：インジェクタ
１６ｂ ：インジェクタ
１７ ：アキュームレータ
１７ａ ：シリンダ
１７ｂ ：ピストン
１８ ：ヘッド
１９ ：分割金型
２３ ：発泡パリソン
２５ ：連結管
２７ ：連結管

Claims (5)

1. 原料樹脂と発泡剤を押出機のシリンダ内で溶融混練してなる溶融混練樹脂を用いて発泡パリソンを形成し、前記発泡パリソンを一対の分割金型の間に導き、前記分割金型を用いて前記発泡パリソンを成形して発泡成形体を得る工程を備え、
   前記発泡剤は、前記溶融混練樹脂中でのＮ_２とＣＯ_２の合計を１００ｍｏｌ％としたときのＮ_２混合比率が３３〜９０ｍｏｌ％となるように添加される、発泡成形体の製造方法。
2. 前記Ｎ_２混合比率は、４０〜６７ｍｏｌ％である、請求項１に記載の方法。
3. 前記発泡剤は、Ｎ_２及びＣＯ_２を含む物理発泡剤を含み、前記物理発泡剤は、インジェクタを介して、前記シリンダ内に注入される、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記発泡剤は、Ｎ_２を含む第１物理発泡剤と、ＣＯ_２を含む第２物理発泡剤を含み、
   第１及び第２物理発泡剤は、別々のインジェクタを介して、個別に前記シリンダ内に注入される、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の方法。
5. 前記発泡剤は、ＣＯ_２を発生させる化学発泡剤と、Ｎ_２を含む物理発泡剤を含み、
   前記化学発泡剤は、前記原料樹脂と混合されて添加され、前記物理発泡剤は、インジェクタを介して、前記シリンダ内に注入される、請求項１又は請求項２に記載の方法。