JP6872856B2 - 発泡樹脂成形品の製造方法および発泡樹脂成形品 - Google Patents
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Description
発泡剤、マトリクス用熱可塑性樹脂およびナノ繊維を含有する熱可塑性樹脂組成物を、固定型と可動型からなる金型内に充填した後、可動型をコアバックさせることにより、熱可塑性樹脂組成物を溶融状態で発泡させつつ成形する発泡樹脂成形品の製造方法に関する。
発泡剤、マトリクス用熱可塑性樹脂およびナノ繊維を含有する熱可塑性樹脂組成物からなる発泡樹脂成形品に関する。
本発明の発泡樹脂成形品(以下、単に「成形品」ということがある)の製造方法においては、発泡剤、マトリクス用熱可塑性樹脂およびナノ繊維を含有する熱可塑性樹脂組成物を、固定型と可動型からなる金型内に充填した後、可動型をコアバックさせることにより、熱可塑性樹脂組成物を溶融状態で発泡させつつ成形する。以下、その中でも特に射出成形法を採用する場合について説明するが、熱可塑性樹脂組成物を単に充填して発泡成形する方法においても、ナノ繊維を用いる限り、本発明の効果が得られることは明らかである。本発明の方法で製造される成形品は内部で連続気泡を有していてもよいし、または繊維化されていてもよい。
本工程は、発泡剤、マトリクス用熱可塑性樹脂およびナノ繊維を含有する熱可塑性樹脂組成物を溶融および混練する工程である。詳しくは、原料、例えば、発泡剤、マトリクス用熱可塑性樹脂、ナノ繊維およびその他の添加剤等を図1の発泡射出成型装置1のホッパ13からシリンダ11内に投入し、溶融および混練を行う。発泡剤として特に物理発泡剤を用いる場合は、溶融および混練を行いながら、高圧ガス供給装置17により物理発泡剤を注入してもよい。
熱可塑性樹脂組成物を、融点以上の温度に加熱して10℃/分にて冷却したときの熱流−温度曲線を、示差走査熱量計(パーキンエルマー社製)により求める。この熱流−温度曲線が吸熱ピークを示す温度を結晶化温度Tccs(℃)とする。
熱可塑性樹脂組成物を融点以上の温度に加熱して2℃/分にて冷却するとき、Tccsでの貯蔵弾性率を回転式粘度計(レオメトリック社製)により測定する。
化学発泡剤は、マトリクス用熱可塑性樹脂の分野で従来から化学発泡剤として使用されているあらゆる物質が使用可能である。
MFRb≦MFRn≦MFRb+50 (1)
MFRb≦MFRn≦MFRb+30 (1’)
MFRb≦MFRn≦MFRb+10 (1’’)
ナノ繊維マスターバッチの平均粒径は、任意の100個のマスターバッチ粒子を選択し、各粒子における最大径を粒径として測定された値の平均値である。
好ましいR1およびR2はそれぞれ独立して、水素原子、または直鎖状または分岐鎖状の炭素原子数1〜4のアルキル基(例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基)であり、より好ましくは直鎖状または分岐鎖状の炭素原子数1〜4のアルキル基(例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基)である。
好ましいR3はそれぞれ独立して、水素原子、または直鎖状または分岐鎖状の炭素原子数1〜4のアルキル基(例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基)であり、より好ましくは水素原子である。
結晶核剤マスターバッチの平均粒径は、任意の100個のマスターバッチ粒子を選択し、各粒子における最大径を粒径として測定された値の平均値である。
本工程は、溶融混練工程で得られた熱可塑性樹脂組成物の溶融物を金型内に射出する工程である。詳しくは、溶融物を、図1の発泡射出成型装置1のノズル16から固定型21と可動型22からなる金型内のキャビティ23に射出する。図1中、キャビティ23は直方体形状を有しているが、これに限定されるものではなく、目的とする成形品形状に基づく所望の形状を有していればよい。
本工程は、可動型22をコアバックさせることにより、射出工程で射出された溶融物を発泡させる工程である。詳しくは、熱可塑性樹脂組成物の溶融物を射出後、金型内で保圧し、可動型22をコアバックさせ、発泡を行う。これにより成形品内部に気泡が形成される。コアバックとは、キャビティ23の体積を増大させるために、可動型22を固定型21とは反対方向に移動させることをいう。これにより、キャビティ23内の圧力が低減され、溶融物の発泡が促進される。
熱可塑性樹脂組成物を、融点以上の温度に加熱して19℃/秒にて冷却したときの熱流−温度曲線を、高速示差走査熱量計(METTLER TOLEDO社製)により求める。この熱流−温度曲線が吸熱ピークを示す温度を結晶化温度Tccf(℃)とする。
保圧の圧力および保圧の時間は、コアバックを上記タイミングで開始できれば特に限定されない。保圧の圧力は通常、10〜80MPaであり、好ましくは20〜60MPaである。保圧の時間は通常、1〜10秒であり、好ましくは2〜7秒である。
発泡倍率は成形品内部の気泡の形成の観点からは1.1〜10倍であり、成形品内部の繊維化の観点から好ましくは3〜8倍であり、成形品内部でのナノ繊維の突出の観点から好ましくは4〜6倍である。
コアバック完了後は、発泡体をそのまま金型内で保持することにより、冷却し、その後、金型を開いて成形品を得ることができる。
本発明の成形品は内部で連続気泡を有していてもよいし、または繊維化されていてもよい。内部とは、成形品表面のスキン層から100μm以上、好ましくは200μm以上離れた領域である。
本実施態様のように、内部でナノ繊維が突出している場合、突出ナノ繊維は熱可塑性樹脂組成物によりコーティングされることがあり、その繊維径は様々に変化する。また特に、成形品内部が繊維化されている場合には、顕微鏡写真上、熱可塑性樹脂組成物の繊維と、突出ナノ繊維とは判別し難い。従って、本実施態様の成形品は、その構造または特性により直接特定することは非実際的であると言える。
繊維化とは、セル壁がコアバック方向に延伸されつつ、コアバック方向に対する垂直方向で破断され、繊維が形成されるという意味である。繊維化は、形成される繊維がコアバック方向に対して平行に配向するように達成される。このため、繊維の配向方向から、コアバック方向を検知することができる。繊維の配向方向はまた成形品の厚み方向とも平行である。本明細書中、平行とは、2つの方向のなす角度が厳密に0°でなければならないというわけではなく、±5°程度の範囲は許容される。
本実施態様において、気泡の平均径(セル径)は通常、1〜50μmであり、好ましくは1〜20μmである。
本発明の成形品は、ナノ繊維を含むことにより、優れた吸音性を有する。
高周波音−エンジン放射音;
中周波音−ロードノイズ;
低周波音−エンジン振動、吸排気音。
(ナノ繊維マスターバッチA)
ナノ繊維用熱可塑性樹脂としてのポリプロピレンペレット(NBX04G;日本ポリプロ社製;MFR36g/10分(230℃)、Tcps124℃)100重量部およびナノ繊維としてのセルロースナノ繊維(平均径100)nm、平均長10μm)10重量部を210℃で溶融混練、冷却および粉砕して、ナノ繊維マスターバッチAを得た。ポリプロピレンペレットの結晶化温度Tcpsでの貯蔵弾性率は1×105Paであった。
結晶核剤用熱可塑性樹脂としてのポリプロピレンペレット(NBX04G;日本ポリプロ社製;MFR36g/10分(230℃)、Tcps124℃)100重量部および結晶核剤としてのゲルオールMD(新日本化学社製、融点247℃)5.0重量部を270℃で溶融混練、冷却および粉砕して、平均粒径3mmの結晶核剤マスターバッチAを得た。
上記ナノ繊維マスターバッチA 11重量部、上記結晶核剤マスターバッチA 10.5重量部およびマトリクス用熱可塑性樹脂としてのポリプロピレンペレット(NBX04G;日本ポリプロ社製;MFR36g/10分(230℃)、Tcps124℃)を80重量部をドライブレンドし、図1の発泡射出成型装置1のホッパ13からシリンダ11内に投入した。これらの混合物をシリンダ11内で185℃(=Tccf+92℃)にて溶融および混練しながら、高圧ガス供給装置17により物理発泡剤としての窒素ガスをマトリクス用熱可塑性樹脂100重量部に対して0.132重量部注入した。得られた熱可塑性樹脂組成物の結晶化温度TccfおよびTccsを測定したところ、それぞれ93℃および124℃であり、Tccsでの貯蔵弾性率は1×105Paであった。
シリンダ11内の溶融物を、固定型21および可動型22からなる金型間のキャビティ23内に射出した。金型温度は40℃(=Tccf−53℃)であり、射出速度は40mm/秒であり、キャビティの厚みは2mmであった。
射出後、金型キャビティ内で溶融物を40MPaで5.8秒保圧した後、可動型22を10mmだけ0.5秒かけて固定型21の方向とは反対方向にコアバックさせることにより、発泡および繊維化させた。コアバック開始時において、溶融物の温度は94℃(=Tccf+1℃)であり、溶融物中のセル径は20μm以下であった。発泡倍率は6倍であった。本工程において金型は40℃に維持した。
コアバック後、発泡体をそのまま40℃の金型内で保持することにより、冷却した。その後、金型を開いて発泡成形品を得た。
以下の方法で製造したナノ繊維マスターバッチBをナノ繊維マスターバッチAの代わりに用いたこと以外、実施例1と同様の方法により、発泡成形品を製造した。
実施例2の発泡樹脂成形品のコアバック方向に対する平行断面の顕微鏡写真(SEM)を撮影した。成形品内部で熱可塑性樹脂組成物の繊維化が起こっており、当該繊維の表面からナノ繊維は突出していないことを確認した。
ナノ繊維用熱可塑性樹脂としてポリプロピレンペレット(F133A;プライムポリマー社製;MFR3g/10分(230℃))を用いたこと以外、ナノ繊維マスターバッチAの製造方法と同様の方法により、ナノ繊維マスターバッチBを得た。
結晶核剤マスターバッチAを使用することなしに、表1に示す配合を採用したこと以外、実施例1と同様の方法により、発泡成形品を製造した。
本実施例においては、繊維化は起こらず、連続気泡が形成された。
ナノ繊維マスターバッチAおよび結晶核剤マスターバッチAを使用することなしに、表1に示す配合を採用したこと以外、実施例1と同様の方法により、発泡成形品を製造した。
本実施例においては、繊維化は起こらず、連続気泡が形成された。
成形品の垂直入射吸音率を測定した。詳しくは、成形品を、そのコアバック方向が吸音率測定のための垂直方向に平行になるように用いた。測定条件を以下に示し、結果を図3、図4および表1に示す。
測定装置:φ(直径)40mmの音響インピーダンス管装置(日東紡音響エンジニアリング(株))
測定条件:試料サイズ;φ(直径)40mm、音波入射側のスキン層を除去
(4000Hzでの吸音率)
◎;0.86以上;
○;0.72以上;
△;0.62以上(実用上問題なし);
×;0.62未満(実用上問題あり)。
(800Hzでの吸音率)
◎;0.18以上;
○;0.12以上;
△;0.10以上(実用上問題なし);
×;0.10未満(実用上問題あり)。
(400Hzでの吸音率)
○;0.06以上(実用上問題なし);
×;0.06未満(実用上問題あり)。
発泡成形品をコアバック方向に対して平行および垂直に切断し、それらの断面の顕微鏡写真を撮影した。
実施例および比較例で得られた両方の発泡成形品において、平行断面の顕微鏡写真より、発泡成形品の内部が繊維化されており、繊維がコアバック方向に対して平行に配向していることを確認した。
溶融物の結晶化温度TccsおよびTccf、溶融物のTccs(℃)での貯蔵弾性率、マトリクス用熱可塑性樹脂の結晶化温度Tcps、マトリクス用熱可塑性樹脂のTcpsでの貯蔵弾性率、コアバック開始時における溶融物の温度、コアバック開始時における溶融物の貯蔵弾性率、コアバック開始時における溶融物中のセル径、繊維の平均径、繊維の数、気泡の平均径、セル壁厚および気泡の数を前記した方法により測定した。
10:スクリューフィーダ
11:シリンダ
12:スクリュー軸
13:ホッパ
14:チェックリング
15:円錐形状のヘッド
16:ノズル
17:高圧ガス供給装置
20:金型装置
21:固定型
22:可動型
23:キャビティ
24:温度圧力センサー
25:冷却機構
30:繊維状物
31:32:非環状セル壁痕
33:環状セル壁
Claims (14)
- 発泡剤、マトリクス用熱可塑性樹脂およびナノ繊維を含有する熱可塑性樹脂組成物を、固定型と可動型からなる金型内に充填した後、可動型をコアバックさせることにより、熱可塑性樹脂組成物を溶融状態で発泡させつつ成形する発泡樹脂成形品の製造方法であって、
前記発泡樹脂成形品は内部で、繊維化されているか、または気泡を形成されており、
前記ナノ繊維を、予めナノ繊維用熱可塑性樹脂とともに溶融および混練し、固化および粉砕により得られる、該ナノ繊維が前記ナノ繊維用熱可塑性樹脂中に分散されているナノ繊維マスターバッチの形態で使用し、
前記ナノ繊維用熱可塑性樹脂が、前記マトリクス用熱可塑性樹脂のメルトフローレート以上のメルトフローレートを有し、これにより、ナノ繊維を発泡樹脂成形品内部において突出させる、発泡樹脂成形品の製造方法。 - 前記ナノ繊維が1nm以上1000nm未満の平均径を有する、請求項1に記載の発泡樹脂成形品の製造方法。
- 前記ナノ繊維が有機系ナノ繊維および/または無機系ナノ繊維である、請求項1または2に記載の発泡樹脂成形品の製造方法。
- 前記マトリクス用熱可塑性樹脂が、3〜200g/分(230℃)のメルトフローレートを有する、請求項1〜3のいずれかに記載の発泡樹脂成形品の製造方法。
- 前記発泡樹脂成形品が内部で繊維化されている場合、前記ナノ繊維は、前記熱可塑性樹脂組成物の繊維の表面から伸び出ており、
前記発泡樹脂成形品が内部で気泡を形成されている場合、前記ナノ繊維は、前記気泡の内側表面から前記気泡内に向けて伸び出ている、請求項1〜4のいずれかに記載の発泡樹脂成形品の製造方法。 - 前記ナノ繊維マスターバッチ中、前記ナノ繊維が該マスターバッチ全量に対して1〜30重量%の量で分散されている、請求項1〜5のいずれかに記載の発泡樹脂成形品の製造方法。
- 前記ナノ繊維の含有量が前記発泡樹脂成形品全量に対して0.1〜10重量%である、請求項1〜6のいずれかに記載の発泡樹脂成形品の製造方法。
- 前記熱可塑性樹脂組成物を溶融および混練し、前記金型内に射出した後、可動型をコアバックさせる、請求項1〜7のいずれかに記載の発泡樹脂成形品の製造方法。
- 前記熱可塑性樹脂組成物の冷却速度19℃/秒での結晶化温度をTccf(℃)としたとき、前記コアバックを、前記熱可塑性樹脂組成物の温度がTccf−10℃〜Tccf+20℃であるときに開始し、これにより発泡樹脂成形品の内部を発泡とともに繊維化させる、請求項1〜8のいずれかに記載の発泡樹脂成形品の製造方法。
- 前記熱可塑性樹脂組成物が、該熱可塑性樹脂組成物の冷却速度10℃/分での結晶化温度Tccsにおいて1×103〜5×106Paの貯蔵弾性率を有する、請求項9に記載の発泡樹脂成形品の製造方法。
- 前記マトリクス用熱可塑性樹脂が、冷却速度10℃/分での結晶化温度Tcpsを90〜210℃に有し、かつTcpsにおいて1×103〜1×106Paの貯蔵弾性率を有するポリマーである、請求項9または10に記載の発泡樹脂成形品の製造方法。
- コアバック開始時において金型内の熱可塑性樹脂組成物中のセル径が30μm以下である、請求項9〜11のいずれかに記載の発泡樹脂成形品の製造方法。
- 前記発泡を3〜8倍の発泡倍率で行う、請求項9〜12のいずれかに記載の発泡樹脂成形品の製造方法。
- 前記熱可塑性樹脂組成物が結晶核剤をさらに含有する、請求項9〜13のいずれかに記載の発泡樹脂成形品の製造方法。
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