JPH02168B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 物品を製造するに十分な量の樹脂質物質粉末
をなま強度をもつブリケツトに圧縮する該粉末か
らの物品の成形法であつて、 (a) ブリケツトの中心温度がブリケツトを形成し
ている粉末の溶融温度より幾分低い様な温度に
該ブリケツトを予熱し、 (b) ほぼ同じ温度でブリケツトを再圧縮して半製
品をつくり、 (c) 半製品の中心が工程(a)の温度よりは高い温度
範囲にあるが溶融温度よりは依然低い様な温度
に該半製品を更に加熱し、 (d) 該半製品を軟化し〓焼するに十分であるが粉
末の完全溶融には不足する時間高温を保ち、か
つ (e) 該半製品が該温度範囲内の温度にある間に該
半製品を型打ちして該半製品の実質的なプラグ
フロー変形を起こしかつ該半製品を形成してい
る粉末の実質的な溶融を行なつて該物品とする 工程より成ることを特徴とする樹脂質物質粉末か
らの物品の成形法。 ２ ブリケツトの中心における予備加熱温度が樹
脂質物質粉末の溶融温度より15乃至35℃低い温度
である請求の範囲第１項に記載の方法。 ３ 工程(d)の〓焼中におこる溶融度が20乃至90％
である請求の範囲第１項又は第２項に記載の方
法。 ４ 再圧縮工程(b)が70Kg／cm²を超えた圧力で行な
われる請求の範囲第１項、２項又は３項に記載の
方法。 ５ 物品製造に十分な量の樹脂質物質粉末をなま
強度をもつブリケツトに圧縮する該粉末からの物
品の成形法であつて、 (a) ブリケツトを室温より高く樹脂質物質の溶融
温度より低い範囲の温度に加熱しかつブリケツ
トを軟化させ〓焼させるに十分な時間該温度を
保ち、 (b) ブリケツトを同じ温度範囲で再圧縮して半製
品を成形し、かつ (c) 該半製品が該温度範囲内の温度にある間に該
半製品を型打ちして該半製品の実質的なプラグ
フロー変形を起こしかつ該半製品を形成してい
る粉末の溶融を行なつて該物品とする 工程より成ることを特徴とする樹脂質物質粉末か
らの物品の成形法。 ６ 〓焼工程(a)中におこる溶融度が20乃至90％で
ある請求の範囲第５項に記載の方法。 ７ 再圧縮工程が70Kg／cm²を超える圧力で行なわ
れる請求の範囲第５項又は６項に記載の方法。 ８ 再圧縮工程(b)後に半製品を室温に冷却させる
請求の範囲第１項又は５項に記載の方法。 ９ 溶融度が40乃至80％である請求の範囲第３項
又は６項に記載の方法。 １０ サイクル時間をより速くするため高周波手
段によつて加熱を行なう請求の範囲第１項から第
９項までのいづれかに記載の方法。 明細書 熱可塑性物品の固相成形用半製品の改良成形法
米国特許第4323531号は重合体樹脂質粉末をブリ
ケツトに圧縮し、〓焼後型打ちし必要ならば物品
に成形する熱可塑性物品の製造法を開示してい
る。この方法は本質的にスクラツプができないし
また溶融成形段階をとおる必要がない。上記方法
は殆んどの熱可塑性樹脂質粉末から容易に満足な
製品が製造できるが、ある樹脂質粉末においてま
た大型部品の製造においては適度の生産速度で実
施することが困難とされている。本発明は（ブリ
ケツトからの）半製品（ブランク）を造形して本
質的に間隙、割れ又は欠けたところのないまた必
要な強さをもつ予備成形品とすることが大型部品
の場合においてさえ十分迅速にできる様に上記方
法を改良するものである。したがつて本発明は製
造工程が簡素化された本質的にスクラツプのでき
ない改良法である。本発明の方法において熱可塑
性樹脂質粉末は、樹脂質粉末が基本的に成形困難
な場合でさえ、生産速度で高品質製品に直接成形
される。 特に本発明は熱可塑性樹脂質粉末を完全溶融段
階をとおつて加工する必要なく生産速度で直接製
品に成形する方法より成る。本発明の方法の１つ
の特別の利点は容易に大型部品の製造が可能な点
である。この方法の工程には熱可塑性樹脂質重合
体粉末の望む物品製造に十分な量を圧縮してブリ
ケツトに成形し、元の樹脂質粉末の結晶化度の約
20乃至約90％が溶融する時間と温度をかけてブリ
ケツトを〓焼し、ブリケツトを加温し、そして好
ましくは排気した再圧縮機内で再圧縮して半製品
とした後それを型打ち（forge）して予備成形品
とし、次いで予備成形品が望む最終物品の形状で
なければ標準熱成形法によつて最終製品とする工
程を含む。〓焼工程の溶融度は20乃至90％、好ま
しくは40乃至80％であるべきである。ブリケツト
に成形される粉末は室温でもよく又は予熱が全体
の加工操作を促進すると判つている場合は予熱し
てもよい。本発明の別法において再圧縮前にブリ
ケツトを予熱することによつて〓焼を再圧縮後に
してもよい。 本発明は物品製造に十分な量の樹脂質物質粉末
を生（green）強度をもつブリケツトに圧縮する
該粉末からの物品の成形法であつて、次の工程即
ち (a) 上記ブリケツトをその中心温度がブリケツト
を形成している粉末の溶融温度より幾分低い温
度に予熱し、 (b) ほぼ同じ温度でブリケツトを再圧縮して半製
品とし、 (c) 上記半製品の中心が工程(a)の温度より高いが
溶融温度より未だ低い温度となる様更に半製品
を加熱し、 (d) 上記半製品を軟化し〓焼するに十分であるが
粉末が完全溶融するには不足の時間高温に保
ち、かつ (e) 上記半製品が上記温度範囲内の温度にある間
に上記半製品を上記物品に型打ちして半製品の
実質的なプラグフロー変形をおこし且つ上記半
製品を形成する粉末の実質的な溶融を得る工程
より成る樹脂質物質粉末からの物品の成形法に
関する。 本発明は更に物品生成に十分な量の樹脂質物質
粉末を生強度をもつブリケツトに圧縮する該粉末
からの物品の成形法であつて、次の工程即ち (a) 上記ブリケツトを室温より高い樹脂質物質の
溶融温度より低い温度に加熱しブリケツトが軟
化し〓焼されるに十分な時間上記温度に保ち、 (b) 同じ温度範囲においてブリケツトを再圧縮し
て半製品とし、かつ (c) 上記半製品が上記温度内の温度にある間に上
記半製品を型打ちして上記半製品の実質的なプ
ラグフロー変形を起こしかつ上記半製品を形成
している粉末の実質的な溶融を行なつて上記物
品とする 工程より成る樹脂質物質粉末からの物品の成法に
関する。 図１は本発明による改良前の従来発明の工程図
である。ＡからＥまでの工程で樹脂質物質粉末は
予備成形品に成形された後容器に成形される。 図２はAA〜GGとして示す本発明工程図であ
り、樹脂質物質粉末は予備成形品に成形された後
必要ならば図１工程Ｅに示す様な容器に成形され
る。 図３は工程AAA〜FFFとして示す様な本発明
の変形方法の同様工程図である。ここにおいても
また必要ならば図１の工程Ｅに示すとおりあとで
容器への熱成形ができるのである。 図４〜６は本発明によつて生成された製品の〓
焼工程により影響された種々の機械的性質を示し
ている。 本出願に使つている次の用語の意味は次のとお
りである。 “〓焼”とは粒子集合体が加圧下に圧縮され、
ある時間の加温のもとで一般に完全溶融をおこす
ことなく接触粒子境界面をとおしてそれら自身が
物理的および（又は）化学的に接着する操作をい
う。 “型打ち”とは樹脂粒子を溶融して、普通の溶
融成形法により生成された場合もつであろう密度
と一般に同じ密度および同じくもつであろう機械
的性質と一般に同じ又は改良された機械的性質を
もつ予備成形品又は物品を生成する操作をいう。 “プラグフロー”とは半製品が物体の厚さをと
おしての速度傾斜が比較的一定である様な本質的
に多軸引伸ばしの態様で変形する状態をいう。こ
れは速度が型表面においてゼロから型中心に近く
最大である様な粘性状態の重合体の普通の型成形
に認められる通常放物線状流動パターンと対称的
である。プラグフローは型表面における摩擦障害
の減少によつて物質の厚さをとおし比較的一定の
速度がえられる状態である。現在知られたいくつ
かの樹脂はこの目的に対し十分自己潤滑性である
ので半製品とそれと接触する金属表面との間に潤
滑性物質をおくことによりこれは好ましく達成さ
れる。 “生強度”とは樹脂質粉末がブリケツト中で支
持なしに１単位として動かしうるに十分な緊密度
と接着力をもつことを意味する。 “結晶化度”とは与えられた試料中の物質が結
晶として普通知られている一般に規則的で周期的
な配列をしている程度を意味する。結晶化度の決
定は通常試料密度、溶融の際の吸収熱又は分離Ｘ
線回折パターンの強度の測定によつてできる。 “溶融度”とは熱処理工程中溶融した結晶性熱
可塑性物質における元の結晶化度のパーセントを
意味する。例えば非加熱試料は０％に等しい溶融
度をもつが完全溶融試料は100％に等しい溶融度
をもつ。 “再圧縮”とは始めにブリケツトに圧縮した元
のブリケツトの目立つた変形を伴なうことなく、
樹脂質物質を再び圧縮することを意味する。ブリ
ケツトの物質はあたためられる一方この再圧縮中
更に高密度となつて半製品となる。 “融点”又は“最大融点”（Tp）とは在来の示
差走査熱量計（DSC）測定に見られる様な溶融
吸熱ピークの最大によつて示される温度を意味す
る。 “アルフア転移温度”（Tα）とは無定形重合体
についてガラス転移温度と考えられている。結晶
性重合体の場合それは重合体の融点下50乃至100
℃の温度でしばしば認められる結晶性範囲と関連
したエネルギー損失ピークとしてとられる。 “予熱”とはTp以下の温度、好ましくは樹脂
質物質粉末の結晶構造の溶融が殆んど又は全く起
らぬ様な温度にブリケツトを加熱することを意味
する。 図１は米国特許第4323531号に記載されている
とおり樹脂質物質粉末10から直接予備成形品を成
形する固相法の工程図である。この記述のためこ
の方法を方法とする。簡単にいえば最終製品生
成に十分な量の樹脂質物質粉末１０を工程Ａで秤
量した後工程Ｂで圧縮ブリケツト１２とする。ブ
リケツトは工程Ｃでアルフア転移温度からその溶
融温度下の温度までの温度範囲に熱せられた後ブ
リケツトを軟化し〓焼するに十分であるがそれを
実質的に溶融するには足りない時間その温度に保
つて半製品とする。半製品１２は工程Ｄにおいて
型１６の間で型打ちされて予備成形品１８（又は
予備成形品が望む最終製品の形をとる場合はその
製品）ができる。半製品は型打ちされるが、それ
は半製品の実質的プラグフロー変形がおこり半製
品を成す粉末が実質的に溶融して予備成形品又は
最終製品となる上記温度範囲内温度においてであ
る。予備成形品１８として成形されたならばそれ
は熱成形型２２に移された後工程Ｅに示すとおり
普通の熱成形法によつて容器２０又は他の製品に
成形できる。 方法はいくつかの樹脂質物質粉末には具合よ
いが、ある樹脂質粉末からの製品形成にはある限
界のあることがわかつた。ある粉末はブリケツト
にかためることがむつかしい。あるものは型打ち
中に空隙を生ずる。樹脂質粒子の高密度化前の樹
脂膨張のため長時間加熱が必要となる。方法の
操作はしばしば生産用途に望む時間よりゆつくり
している。本発明の方法は下記するとおりこの処
理困難な熱可塑性物質、特に大型品を成形でき一
方同時にこの成形法を迅速化できる。 本発明の方法の１の態様は図２に示す様な方法
である。この方法で望む物品生成に十分な量の
樹脂質粉末２４が工程AAで供給される。粉末は
室温で工程BBにおいて生強度をもつブリケツト
２６に圧縮される。圧縮用の圧力と時間は図１の
方法に用いたものと基本的に同じである。ブリ
ケツト２６は循還空気オープン、赤外線オーブン
又は高周波加熱機の様な加熱環境におかれて工程
CCで予熱される。ブリケツト２６の中心温度が
Tpの下15乃至35℃の温度に達したときブリケツ
トはオーブンから取り出されて工程DDで室温以
上の温度で再圧縮されて半製品となる。再圧縮機
も明らかにブリケツト自体とほぼ同じ温度程度で
あるとよい。圧縮又は再圧縮工程いずれにおいて
も排気又は真空が使用できる。 再圧縮直後工程DDでえた熱半製品２６はあと
で更に処理するため工程EEで冷却するか又は例
えば工程CCで使つた様な他のオーブンに直接と
ることができる。しかしここで半製品２６はその
中の樹脂質物質の溶融度20乃至90％に達するまで
オーブン中に保持する。通常これは半製品の中心
をTp下１又は２℃を超えない温度、または殆ん
どメルトフローがおこらない温度にする。〓焼さ
れた半製品は工程GGにおいて型打ち（固相成
形）して予備成形品又は物品２８に形成できる。
工程GGにおいて予備成形品２８が最終物品の形
状でないならば普通の熱成形工程を追加できる。
例えば代表的高分子量高密度ポリエチレンに対し
ては再圧縮機は100乃至135℃の温度に加熱でき
る。再圧縮圧力は普通210乃至700Kg／cm²であり時
間は約５秒である。半製品が再圧縮前急冷されな
い限り圧縮機温度は臨界的ではない。再圧縮機温
度は高くても可能だが、半製品が再圧縮機にくつ
ついてとりにくくなるので好ましくない。しかし
シリコーン膜の様な潤滑剤を機械表面につければ
べたつくのは防ぎうる。 本発明の方法と図１の方法との間の主要な
差違はブリケツトを〓焼前温かい機械中で予熱し
再圧縮することである。溶融相温度において再圧
縮をしない理由はこの固相成形法の再圧縮工程に
おいて殆んど可塑化がおこらないことにある。故
に再圧縮操作中ブリケツトの基本的形状は変化し
ない。再圧縮工程は空隙、割れ目その他おこるで
あろう損傷を最少とする様にブリケツトの緻密化
（半製品成形）に役立つ。これがより短い〓焼時
間を要する半製品をもたらす。 上記方法でつくられた大きいブリケツトはなお
時には割れ易く、特別な予熱時間と追加加熱装置
が更に大形半製品製造においてある程度欠点であ
る。本発明の更に迅速なまた小形半製品同様に満
足な大形品を生成できる改良法が図３の方法に
示されている。この場合物品製造に十分な樹脂質
物質３０が工程AAAに供給され前記方法同様工
程BBBでブリケツト３２に圧縮される。しかし
〓焼工程CCCはあとでやる代りに再圧縮工程
DDDの前に行なわれて操作中少なくとも１工程
が省略される。再圧縮と〓焼工程が実質的に方法
と同じ条件で行なわれるが、但し順序が逆であ
る。再圧縮した半製品を後日工程FFFで予備成
形品に型打ちしたいならば任意の冷却工程EEE
を加えてもよい。さもなければ工程DDDからの
半製品３２は直接工程FFFの物品又は予備成形
品を型打ちする機械に移される。予備成形品の容
器への熱成形は必要ならば方法の工程Ｅに示し
たとおりすることができる。 実施例 本発明の方法（図３）を用い粉末状高密度―
ポリエチレン（HDPE）50ｇと100ｇを直径6.35
cmのブリケツトに圧縮成形した。ブリケツトを
133乃至137℃の空気オーブン中で加熱し〓焼（工
程CCC）した。試料（下表に示している）を
再圧縮機中で再圧縮工程前と工程中真空を用いな
がら130℃において再圧縮（工程DDD）した。サ
イクルは真空中15秒おき700Kg／cm²の圧力で15秒
再圧縮した。50ｇブリケツトは80分加熱〓焼しま
た100ｇブリケツトは120分行なつた。再圧縮後ブ
リケツトからえた熱半製品は直径19.7cmの型打ち
機に手で入れ予備成形品に造形した。条件と結果
は次表にまとめて示している。

【表】 この特定の材料と型打ち機にとつて135℃の温
度は〓焼に理想的なオーブン温度と思われた。更
に135℃でつくつた150ｇの型打ち予備成形品は完
全なふち、光沢表面をもちうすい点や空隙をもた
ない。高速装置と統合機械を用いるこの試験で低
温の再圧縮ダイを使用しなかつたが、半製品表面
の冷却をしなくても再圧縮ダイの低温がべとつき
を防ぐと思われる。 一連の追加試験をしたが同じ結果であつた。
100ｇと50ｇの半製品には殆んど差がないと思わ
れた。真空のもと温めた再圧縮機中の加熱ブリケ
ツトの再圧縮は密度を約18％増加させた。冷した
とき再圧縮試料は圧縮成形品の様に見えた。それ
はかたく光沢ある表面をもち、凸上面と底面およ
び凹垂直面をもつていた。この半製品を再圧縮直
後予備成形品に型打ちしたとき優秀な成形品がえ
られた。型打ちした予備成形品は次に容易に部品
に成形された。部品は一般に断面均一で空隙がな
かつた。再圧縮した半製品を室温まで冷した後オ
ーブン中で十分の時間再加熱し型打ちし成形した
ときえられた部品は白い汚れをもつていた。しか
しこの汚れは中心における空隙の様子はなく、こ
の原因はわからない。 予備成形品生成に使用の圧縮圧を70Kg／cm²から
約350Kg／cm²に増したとき型打ちした予備成形品
品質が改良されることが発見された。この圧力以
上では処理時間に殆んど差ないが、約1750Kg／cm²
までの圧縮圧によつてより強いより耐磨耗性のブ
リケツトができる。 製造操作において加熱時間を最小に保つことが
望ましい。試料の内部加熱に高周波の使用と外面
加熱に循還空気オーブン使用がかなりの成功をも
たらす。循還空気オーブン中で別個に加熱したう
すい半製品を用いて加熱時間を短縮した後互いに
重ねて十分な重量の半製品とすることも可能であ
る。ただ問題は一旦熱い薄い半製品が互いに接触
するとくつつき易いので整然と並べておかねばな
らないことである。 本発明の熱ブリケツトは成形せずに半製品に再
圧縮されまた良好な空隙のない型打ちされた予備
成形品がこの半製品から生成できる。半製品は高
品質の予備成形品又は物品に生成できる。予備成
形品ができれば次いでそれは普通の熱成形法によ
つて容器その他の物品に熱成形されうる。 本発明実施に使われる高密度ポリエチレン樹脂
はふんわりした低かさ密度をもつ微粉である。そ
れは成形が少しむつかしいことがわかつたが、な
お操作可能で実用的である。超高分子量粉末を含
む他の高密度ポリエチレン粉末も評価し満足な結
果を得た。本発明により上記粉末をブリケツトと
しそれを加熱再圧縮して半製品としたとき欠点の
ない部品が完全に型打ちされ成形できる。特定の
実施例に用いたこの樹脂は冷圧縮ダイを用い真空
を使わずにブリケツトに圧縮することができる。
しかし温めた圧縮ダイとある程度の真空を使つた
ときしばしばよりよい結果がえられる。 幾分ちがつた樹脂質粉末を用いて方法、お
よびの比較試験を行なつた。超高分子量ポリエ
チレン（UHMW）粉末50ｇを直径約6.35cm、高
さ約2.54cmのブリケツトに圧縮した。条件は次の
とおりであつた。 方法 Ａ ブリケツトを最高溶融温度（143℃）の還流
オーブン中で120分間〓焼した。 方法 Ａ 温度110℃（約Tp―33℃）の還流オーブンに
ブリケツトを入れ60分予熱した。 Ｂ 次いでブリケツトを136℃の圧縮機中で700
Kg／cm²の圧力で15秒再圧縮して半製品とした。 Ｃ 半製品を室温に冷した。 Ｄ 半製品を上記方法Ａのとおり〓焼した。 方法 Ａ ブリケツトを上記方法Ａのとおり〓焼し
た。 Ｂ 次いでブリケツトを136℃の圧縮機中で700
Kg／cm²の圧力で15秒再圧縮し半製品とした。 上記各方法が完了したとき半製品を136℃の平
らなプラテンの間で315Kg／cm²の圧力をかけて直
径19.1cmの板に型打ちした。この板から引張り試
験試料を切り出し標準ASTM Ｄ―638の方法に
より試験した。結果を次に示している。

【表】 ３つの試験方法をちがつた加熱サイクルにおい
ても試験した。加熱時間が短かすぎたため又は加
熱時間が部品をとかすのに長すぎたため上記のあ
るものは不満足な型打ち物となつた。上記試験は
全３方法について満足な型打ち品がえられる比較
結果を代表する様選ばれた。それが示すものは方
法との両方が一般にこの特定物質を用いて方
法でつくつたものより良好性質をもつ型打ち品
を生成することである。方法は一般に方法よ
りも幾分よい性質を生ずるとわかつたが、方法
もなお優秀性質をもつ半製品を生成し方法より
簡単な利点をもつ。 〓焼中の溶融度の固相成形時の予備成形品の機
械的性質に対する影響は大きいことが見出され
た。〓焼操作は段階的なものであり、３段階に分
けられうる。第１段階中全ブリケツトはTpの数
度以内又は溶融範囲内に加熱される。この段階ま
で〓焼の後型打ちされた半製品は一般に型を満た
さない傾向があり、最終伸度が非常に低くまた粒
子の不完全溶融により一般にかなりくもつている
点で甚しく欠点の多い予備成形品を生成する。第
２段階で溶融度約20％に近づくとブリケツトの外
面粒子は完全に溶融し内部に熱を更に著しく伝達
しはじめる。この第２段階で半製品から生成され
た型打ち品は通常よく成形され一定の物理的性質
をもつ。〓焼操作を元の結晶化度の約80％がとけ
また約90％位までとける第３段階に進ませたなら
ば物理的性質は〓焼によつて急速に変ることが発
見された。最終伸度（第６図）は著しく増加する
が、引張応力（第５図）は30％だけ減少する。〓
焼最終段階におけるこの著しい変化の理由ははつ
きりしないが、樹脂質物質粉末に元来ある結晶形
態の完全な損失に関係するだろう。〓焼中の溶融
度の引張強度への影響は例えば図４に示されてい
る。図１から３のそれぞれの１８，２８、又は３
４の様な予備成形品は型打ち後に測られた引張強
度をもち、その場合〓焼完了時の溶融度は図４に
示す結果をもつて測定されうる。試料中の結晶の
溶融度が20乃至90％のとき引張強度が最大となる
ことが発見された。 同じ試料の引張応力も〓焼操作中測定された。
図５から溶融度が約90％に達するまで応力は高い
ままであることが明らかである。 試料の引張伸度も測定されたが、やはり溶融度
が約20％に近づいてから約90％に近づくまで図６
から明らかなとおり満足な伸度がえられることが
わかつた。 最も望ましい引張強度、引張応力および引張伸
度の機械性質のバランスにおいて溶融度20乃至90
％において物理的変数はむしろ殆んど変化をうけ
ず満足な範囲にあることが明らかでる。溶融度が
約90％を超えると３つの物理的変数はすべて著し
い変化が認められた。例えば90％と100％の間で
最終伸度は係数２だけ増加したが強度は係数約1/
２だけ減少した。この観祭から方法および本発
明の方法との高密度ポリエチレンの性質と同
じ性質のブリケツトの最適〓焼条件は溶融度が20
乃至90％であるものであるという結論に達する。
本発明の方法最大利点を確保するには溶融度40乃
至80％をえる様〓焼することが好ましい。加熱に
強制空気循還オーブンを使う場合この方法を妨げ
ることなく、より速い加熱サイクルにはオーブン
温度をTpより約３℃高く設定できるが、予備成
形品の滞留時間はブリケツト中心においてTpに
達する様なものであるべきではない。 本発明を使つて従来容易に成形できなかつた多
数の物質が多数の結晶性樹脂質粉末および多分い
くつかの無定形樹脂質粉末から固相系において熱
可塑性予備成形品や物品に成形できる。本発明を
例証するためある代表的実施態様と詳細を示した
が、本発明の思想と範囲から逸脱しない限り種々
の変更法や修正法を行ないうることは当業者には
明白であろう。