JPS609723A - 射出成形法及び射出成形機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超高分子量ポリエチレン原料或いは超高分子量
ポリエチレンに炭素繊維等の無機材料を複合化した原料
を射出成形した工業用小型部品例えばｔｔａｓｔと、こ
の部品の射出成形法、更には当該部品を成形するための
射出成形機に関する。

分子量が２００万〜６００万の超高分子量ポリエチレン
は、耐薬品性、耐衝撃性及び耐寒性に優れると共忙自己
潤滑性を有するため歯車等の工業用小型部品の材料とし
て極めて適している。

斯る超高分子量ポリエチレンによって工業用小型部品等
を成形する手段として、射出成形圧、網成形及び押出成
形が考えられるが、超高分子量ポリエチレンは前記した
ように分子量が極めて高いため加熱しても粘性が低くな
らず流動性を示さない。このため射出成形を行ってもキ
ャビティの細部まで超高分子量ポリエチレンを充填させ
ることができず、精度が劣り且つ成形品の表面を平滑な
ものとすることができない。またスクリューで超高分子
量ポリエチレンを可塑化する場合圧は、シリンダー中で
高シェアがかかり、加熱による酸化及び主鎖の切断が生
じ、分子量が低下し、普通のポリエチレンとなってしま
うことがある。

したがって、従来にあっては、圧縮成形成いは押出し成
形にて超高分子量ポリエチレンを成形しているのが現状
である。しかしながら、これらの成形法によっては高精
度の成形品を効率よく、しかも安価に得ることができな
い。

一方、歯車等の剛性を高めるべく超高分子ポリエチレン
に炭素繊維等の無機材料を複合化することが考えられる
。圧縮成形による場合には粉体状の超高分子ポリエチレ
ンの各粒子表面に圧縮時に複合材料が融着するため複合
化が可能であるが、通常の射出成形によると超高分子量
ポリエチレンの各粒子を溶融させて複合化することとな
るので、分子量が低下し超高分子量ポリエチレンの基本
特性を失ってしまう。

本発明は上述の如き従来の間ＬＤ　Ｋ　４Ｋｉみなされ
たもので、射出成形法によって、超高分子骨ポリエチレ
ン或いはこの超高分子量ポリエチレンに無機複合材を添
加してなる原料から、高精度の射出成形品を効率よく得
ることを目的とする。

この目的を達成するため、第１発明は射出成形品を超高
分子量ポリエチレン又はこれを基材とし、この基材に３
０　ｗｔ　４以下の無機複合材を含有せしめたものから
射出成形することをその要旨とし、また第２発明である
射出成形法は、粉体状の超高分子量ポリエチレン原料或
いは高速ミキシングにより超高分子量ポリエチレンの粒
子表面を軟化せしめ、この表面に無機複合材を付着せし
めてなる原料を、無酸化雰囲気において短時間のうちに
溶融させ、この溶融した原料が熱架橋を開始する前にキ
ャビティ内に注入するようにしたことをその要旨とし、
更に第３発明である射出成形機は、インラインスクリュ
ータイプの成形機において、ホッパーには超高分子付ポ
リエチレン原料を無酸化雰囲気にて溶融せしめるための
、雰囲気ガス供給パイプを接続し、またスクリューを内
蔵するシリンダーの圧縮部及びノズル部のみにヒータを
配設し、フィーダ部の一部を放熱部としたことをその要
旨としている。

以下に本発明の実施例を添付図面に基いて説明する。

第１図は本発明に係る射出成形機の断面図である。本発
明の射出成形機においては、内部にスクリュー１を配設
したシリンダー２と、このシリンダー２内に原料３を供
給するホッパー４と、シリンダー２の先端が臨み、内部
に成形用キャビティ５を有する金型６と、該キャビティ
５を真空引きするための真空タンク７及びロータリーポ
ンプ８とをその主要部として構成される。

そして、上記ホッパー４にはチッ素ガス等の雰囲気ガス
供給パイプ９を接続し、シリンダー２内に供給した原料
３を無酸化雰囲気において溶融するようにしている。ま
たホッパー４の下部には原料３の供給量調整用の円形ま
たは長方形などのスリブ）　１０ａを有する調整板１０
を有している。

一方、ベーンモーター１によって回転されるスクリュー
１の圧縮比は２．３以下、特に１．３〜２．０であるこ
とが適当で、Ｌ／Ｄ（Ｌ：長さ、Ｄ＝直径）は１０〜２
５、特に１５〜２０が好ましい。またスクリューのピッ
チ（Ｐ）はＰ−πＤｔａｎθで決定されるが、θの値を
もって示すならば１０°〜１８°、特に１１．５゜〜１
４．５°であることが好ましい。

圧縮比が２．３以上でｔ）る場合には、超高分子量ポリ
エチレン粉体に必要以上の圧がかかり、シリンダー内に
滞留してしまい、架橋の開始とともに、流動性を示さな
くなる。また、圧縮比が１．３以下である場合には、超
高分子量ポリエチレンの粉体表面を溶融状態にするのに
は不十分である。

Ｌ／、に関しては、ＬＡが２０以上では、シリンダ〈 一内に超高分子量ポリエチレンを不必要に長＼滞留して
しまう危険があり、しｔが１５以下の場合は超高分子量
ポリエチレンの加熱制御の精度が不十分になる。

スクリューピッチは、フライトの角度θによって決めら
れるが、θは超高分子量ポリエチレンに加えられるトル
クの大小を決定するものであり、θが１０°以下の場合
は、十分なトルクが得られるが、不必要な滞留時間と、
摩擦エネルギーを超高分子量ポリエチレン粉体に加わえ
ている。また、θが１８°以上の場合は、超高分子量ポ
リエチレンに十分なトルクを与えることができず、ベー
ンモータに負担がかかるとともに、指定されたスクリュ
ー回転数を得られず、シリンダー内に長期間滞留するこ
とになり、不適切である。

更にスクリューヘッドは逆流防止用リングを使用せず先
端までフライトを切り、且つシリンダー２の内径よりも
０．１〜０．２ｍｍ小さいスクリュー径とする。

また、シリンダー２は後半部をフィーダ部２ａ。

前半部を圧縮部２ｂ、先端部をノズル部２ｃとし、フィ
ーダ部２ａに蝶放熱用のフィン１２を形成する（７） 長さはシリンダー２の全長の％−％が好ましい。

超高分子量ポリエチレンはシリンダー内で、スクリュー
で搬送され、圧縮比が高まるにつれて、該ポリエチレン
粉体同志が摩擦することにより発熱してくる。この様な
状態になるのは、スクリューのコンプレッションゾーン
に達した時であり、この部分２ｂで初めて外部加熱によ
り、粉体側々が軟化するのであり、それ以前のゾーン２
ａでは、７極力加熱を避け、摩擦による熱を放熱し、架
橋を防止しなくてはならない。

放熱用フィン１２を設けない場合、圧縮部２ｂでの加熱
制御が不可能となり、該ポリエチレン粉体を架橋させて
しまうことになる。そして圧縮部２ｂ１ノズル部２Ｃに
はヒータ１３を配設し、原料３を瞬時に溶融するように
している。

また、第２図はキャビティの平面図、第３図は金型の縦
断面図、第４図は金型の横断面図であり、゛　これらの
図かられかるように、金型６の一方の型６ａに湯道１４
を穿設し、他方の型６ｂの型合せ面には歯車成形用のキ
ャビティ５を形成し、このキャ（８） ピティ５の周囲には５−〜ｌＱ　ｍｍ程度の径をもつ真
空路１５を形成し、この真空路１５とキャビティ５の歯
先部に相当する部分とを孔１６で連通している１、この
孔１６の長さは１〜２０　ｍｍとし、特に３〜７ｍｍと
するのが適当である。また、型６ａ１６１）のパーティ
ング部にはシールリング１７を設け、型合せ時の真空度
を維持し得るようにしている。尚、成形の際には金型６
の温度は３０℃〜１３０℃、特に６０℃〜１２０℃とす
るのが好ましい。

以上の如き射出成形機を用いて、超高分子量ポリエチレ
ンの成形品を製造する方法を以下に述べる。

先ずホッパー４内に粒径が３０μ〜１００μ程度の粉体
状の超高分子量ポリエチレンを原料３として所５１ｉ供
給する。ここで超高分子量ポリエチレンは通常のポリエ
チレンと異なりベレット状ではなく粉体状となっており
、粒子同士の摩擦係数が小さいので、粒子径を調整する
だけで時間当りの原料供給量を決定できる。そして、フ
ィーダ部２ａへの原料供給量を調整することはスクリュ
ー１の圧縮比を相対的に減少させることとなり、結果的
に超高分子量ポリエチレンを可塑化する際に、異常に圧
縮比を高め、原料がシリンダー２中に滞留するのを防ぐ
ことができる。

そして、シリンダー２内に供給された超高分子量ポリエ
チレンはフィーダ部２ａから圧縮部２込送られ、この圧
縮部２ｂにて瞬時に加熱されノズル部２Ｃで溶融（表面
のみ）される。　ここで、ホッパー４内にはチッ素ガス
が供給されているのでシリンダー２内は無酸化雰囲気に
保持され、酸化による分子量低下を防ぐことができる。

また超高分子量ポリエチレンは一旦溶融するとその後直
ちに架橋が始まる特性がある。したがって本実施例のよ
うに圧縮部で瞬時に溶融し、ノズル部から直ちにキャビ
ティ５内に注入するようにすれば、流動性を有するうち
に注入することができる。

キャビティ５内に注入された原料は直ちに架橋が開始し
、この架橋が促進することで、高温のキャピテイ内でも
原料が再溶融することがない。またキャビティ５の歯車
の歯先部まで溶融した超高分子ｔポリエチレンが充填さ
れる。

次に、上記の射出成形機に投入する超高分子量ポリエチ
レンを複合化する方法について述べる。

第５図は超高分子量ポリエチレンを複合化するジャーの
縦断面図であり、ジャー１８の側壁内には加熱用のオイ
ル１９を充填し、底部にはモータ２０によって回転せし
められる攪拌羽根２１を設け、更に上部にはチッ素ガス
等の無酸化雰囲気ガスの供給パイプ２２を挿通している
。

上記のジャー１８に超高分子量ポリエチレンと複合材料
とを投入するが、この複合材料としては、無機系の材料
が好ましく、例えば０ａＯＯｓ　Ａｌ２（ＯＨ）３、Ａ
ｌ２Ｏ３、ａａ　３（ｐｏ　４）２、ガラス繊維粉、炭
素繊維粉、木粉、紙粉、ガラスピーズ、全域粒子等があ
る。

そして添加量としては３０　Ｗｔ　％以下、特に３ｗｔ
％〜３（１ｗｔ％が好ましい。

そして、ジャー１８の温度を８０℃〜１２０℃、好まし
くは８５℃〜１００℃に設定し、攪拌羽根２１０回転数
な１，８００　ｒｐｍ〜３，００Ｏｒｐｍとして、超高
分子量ポリエチレンと複合材料との混合物２３を投入し
て（１１） 攪拌し、混合物２３の温度が１１０℃〜１２０℃に達し
たら、攪拌羽根の回転数を下げて９Ｑ　ｒｐｍにし、複
合化された超高分子量ポリエチレンを冷却ジャーに入れ
５Ｑ　ｒｐｍで常温まで冷却する。

即ち、超高分子量ポリエチレンの粒子を完全に溶融させ
ると複合化することはできないが、上記の如く攪拌を行
なうと、ジャー１８の壁面から超高分子、１ポリエチレ
ンの粒子は熱を吸収するとともに攪拌による摩擦熱によ
って粒子の表面が軟化する。すると、複合材料は攪拌に
よる加速度によって軟化した粒子表面に叩き込まれ付着
する。しかして複合化が達成される。

斯る複合化した原料を第１図に示した射出成形機のホッ
パー４に入れ、前記同様に短時間のうちに複合化した原
料を溶融し、この溶融した原料を直ちにキャビティに注
入して成形する。

次に具体的な実施例を述べる。

先ず、分子量６００万の超高分子量ポリエチレン（ハー
キ３　＋）−ズ社製）に炭素繊維粉（東し、トレカＭＬ
Ｄ　−３０）を２０ｗｔ％混合し、ヘルシェルミキ（１
２） サーを使用し、ジャーをオイルで加熱し、攪拌羽根の回
転数２，９８０　ｒｐｍで樹脂温が１２０℃に達するま
で約１０分間加熱し、超高分子量ポリエチレンを複合化
した。この複合化した超高分子量ポリエチレンを冷却ジ
ャーに移し、９０　ｒｐｍで３０分間冷却した。尚、加
熱ジャー、冷却ジャーともチッ素ガスを充満し、無酸化
雰囲気とした。

１斯かる複合化した原料を本発明に係る射出成形機のホ
ッパーに入れ、ホッパー下部の原料供給量調整用スリッ
トを全開とした。ここでスクリューは、径２５　ｍｍ、
圧縮比を１．８、ピッチを１８　ｍｍ　、　Ｔ−ｙＤを
加とし、スクリューの回転数は１８０　ｒｐｍとした。

またシリンダーのノズル部（オープンノズル）の温度は
２２０℃、圧縮部の温度は１７０℃とし、フィーダ部は
加熱せず成形中和測定したところ７０℃〜１００℃とな
っていた。更にホッパーには１．ｏｅ４の割合でチッ素
ガスを流入せしめた。

一方、金型温度は１００℃に設定し、キャビティは０．
５気圧まで減圧し、成形品はモジュール０，８（Ｉ　Ｏ
，Ｄｗ　２５．６　ｍｍ　、歯数３２、厚さ３ｍｍ）の
小型歯車を２点ゲート（ゲート径０゜４　ｍｍ　）で成
形した。

更に成形条件は、スクリー−による可塑時間を７秒、射
出時間を２秒、キユアリング時間を１０秒、取出し時間
を１．５秒、（インターバル）を４秒、全体のサイクル
時間を２３．０秒とした。

このようにして得られた歯車の寸法精度は真円度が標準
偏差（δ）で表示すると’Ａｅ　−０，１２ｍｍで、成
形収縮率は均一な４チであった。

そして、上記の歯車を同様モジュール（ｍｓ−０，８）
のシンチュウ製の平歯車と絹合せ、力行を２．５沌・（
２）かけ２８０　ｒｐｍの回転数で耐久性の試験を行な
った。また同様の耐久性試験を樹脂材料としてすでに実
績のあるポリアセタール樹脂からなる歯車、及びエンジ
ニアリングプラスチックの一種であるポリカーボネイト
樹脂からなる歯車に行なった。

その結果を比較すると、本発明に係る歯車は耐摩耗性に
ついては３００時間経過後もポリアセタールと同等かそ
れ以上であり、騒音に関してはレベルが低くなった。一
方、ポリカーボネイト歯車は３０時間で擦耗粉が発生し
騒音も急激に増大した。

以上説明したように本発明に係る射出成形法及び射出成
形機によれば、複合化した超高分子量ポリエチレン或い
は超高分子量ポリエチレン自体を瞬時にして溶融し、こ
の溶融した原料を直ちにキャビティに注入するようにし
たので、高精度の歯車等の成形品を容易に製作すること
ができる。そして得られた歯車は自己潤滑性を有するた
め給油が不要であり、更に複合化すれば、剛性が少なく
とも３倍以上となり、歯欠損を防ぐことが可能となる。

また、従来のポリアセタール歯車に比べ低騒音で、更に
超高分子量ポリエチレン同士の歯車の組合わせは相互に
摩耗し不適当とされてきたが、本発明の複合化原料から
製作した歯車と組合わせれば十分な耐久性を持つことが
できる等多くの効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る射出成形機の縦断面図、第２図は
金型内のキャビティの平面図、第３図は金型の縦断面図
、第４図は金型の横断面図、第５図は複合化を行なうジ
ャーの縦断面図である。 １・・・スクリュー、２・・・シリンダー、　２ａ・・
・フィーダ部、２ｂ・・・圧縮部、２Ｃ・・・ノズル部
、３・・・超高分子量ポリエチレン原料、４・・・ホッ
パー、５・・・キャピテイ、６・・・金型、９・・・雰
囲気ガス供給用パイプ、１３・・・ヒータ、１５・・・
真空路、１６・・・孔、１８・・・ジャー。 出願人代理人　猪　股　清 卒２図 を 第３図 手続補正書 昭和５９年７月１２日 特許庁長官　志賀　学　殿 １　事件の表示 昭和５８年　特許願　第１１８４８４号２　発明の名称 射出成形品、割出成形法及び射出成形機３　補正をする
者 事件との関係　特許出願人 （２８９）大日本印刷株式会社 ４　代　理　人 力ｌ凶勿別机Ｕノ荊りＵ止す台。 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超高分子量ポリエチレン又は超高分子量ポリエチレ
   ンを基材として３θｗｔ％以下の無機材を含んだ複合材
   を射出して成形したことを特徴とする射出成形品。 ２、粉体状の超高分子量ポリエチレン原料を、無酸化雰
   囲気にて射出シリンダーに供給し、射出シリンダーのス
   クリューの圧縮比を１．３〜２．０とし、その長さと直
   径の比を１５〜２０として短時間のうちに溶融せしめ、
   この原料が熱架橋を開始する前にキャビティ内に注入す
   るようにしたことを特徴とする射出成形法。 ３、前記超高分子量ポリエチレン原料は、予め超高分子
   量ポリエチレンを高速ミキシングに注入して粒子とし、
   この個々の粒子表面が軟化したときに無機複合材を添加
   することにより粒子表面に無機複合材を付着させるよう
   にして作られることを特徴とする特許請求の範囲第２項
   記載の射出成形法。 ４、ホッパー内の原料を射出シリンダー内に供給し、シ
   リンダー内に配設したスクリューを回転することにより
   シリンダー内で溶融せしめた原料をシリンダーのノズル
   部から金型のキャビティ内に注入するようにしたインラ
   インスクリュータイプの射出成形機において、上記ホッ
   パーには粉体状超高分子量ポリエチレン又は粒子表面に
   無機複合材を付着した粉体状超高分子量ポリエチレンを
   無酸化雰囲気において溶融せしめるための雰囲気ガス供
   給パイプが接続され、またシリンダーの圧縮部及びノズ
   ル部のみにヒータが配設され、フィーダ部の少なくとも
   一部は放熱部とされ、前記射出シリンダー内のスクリユ
   ーの圧縮比は１．３〜２．０とされ、その長さと直径の
   比は１５〜２０とされていることを特徴とする射出成形
   機。 ５、前記キャビティは歯車の形をなしており、前記キャ
   ビティの周囲には真空路が形成され、この真空路とキャ
   ビティとは金型に形成した孔によって連通され、前記真
   空路は真空源圧連なっていることを特徴とする特許請求
   の範囲第４項記載の射出成形機。