JPWO2011158700A1 - 金型の製造方法 - Google Patents
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Abstract
結晶性熱可塑性樹脂の結晶化速度と樹脂温度との関係に基づいて、成形品表面の結晶化度が所望の範囲になるような、金型に充填された結晶性熱可塑性樹脂の金型キャビティ表面近傍での結晶化速度が十分速い温度と該結晶性熱可塑性樹脂の金型内で結晶化速度が十分速い温度以上を保持する保持時間とを導出し、金型温度がTc2−100℃以下で、金型キャビティ表面近傍の温度が導出した温度以上を保持する時間が、導出した保持時間を満たすように断熱層を金型に設ける。
Description
以下、本発明の金型の製造方法についてさらに詳細に説明する。
先ず、成形する樹脂材料を選択する必要がある。樹脂材料は結晶性熱可塑性樹脂であれば特に限定されず、従来公知のものを選択することができる。
結晶性熱可塑性樹脂の中でもポリアリーレンサルファイド樹脂(特にポリフェニレンサルファイド樹脂)は、バリの問題、成形品表面の結晶化度が低い問題が特に大きい。つまり、100℃以下の金型温度に設定して、成形品表面の結晶化度が充分に高まるように、ポリアリーレンサルファイド樹脂を成形することは困難である。しかし、本発明の方法で得られる金型を用いれば、樹脂材料としてポリアリーレンサルファイド樹脂を使用しても、100℃以下の金型温度に設定して、成形品表面の結晶化度を充分に高めることができる。ここで、ポリアリーレンサルファイド樹脂としては、例えば、特開2009−178967号公報に記載のポリアリーレンサルファイド樹脂及びポリアリーレンサルファイド樹脂の変性物が挙げられる。
また、ポリアリーレンサルファイド樹脂以外では、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、芳香族ポリアミド樹脂等も、結晶化が遅く、成形品表面の結晶化度が高まりにくいが、本発明の方法により得られる金型を用いれば、Tc2−100℃以下の金型温度に設定して、成形品表面の結晶化度を充分に高めることができる。
なお、結晶性熱可塑性樹脂に、その他の樹脂、酸化防止剤、無機充填剤、安定剤等の従来公知の添加剤を配合した結晶性熱可塑性樹脂を含む樹脂組成物を原料に用いてもよい。
断熱層の設置は、先ず、結晶性熱可塑性樹脂の結晶化速度と樹脂温度との関係に基づいて、成形品の結晶化度が所望の範囲を満たすような、金型に充填された結晶性熱可塑性樹脂の金型キャビティ表面近傍での結晶化速度が十分速い温度と、該結晶性熱可塑性樹脂が金型内で結晶化速度が十分速い温度以上を保持する保持時間とを導出する(第一工程)。
次いで、金型温度がTc2−100℃以下で、導出された温度以上を保持する時間が、導出した保持時間を満たすような断熱層を金型に設ける(第二工程)。
以下、第一工程と第二工程とに分けて、本発明の金型の製造方法について説明する。
第一工程では、結晶性熱可塑性樹脂の結晶化速度と樹脂温度との関係に基づいて、特定の条件を満たすような、上記キャビティ表面近傍での結晶化速度が十分速い温度と、上記金型内で結晶化速度が十分速い温度以上を保持する保持時間とを導出できれば、導出方法は特に限定されない。例えば、以下の方法で導出することができる。
先ず、Tc2−100℃を超えTc2−100℃に近い温度(例えばTc2−90℃)に金型温度を設定して、上記キャビティ表面近傍の樹脂温度と上記金型内で保持時間との関係を求め、結晶化度を確認する。図1に上記キャビティ表面近傍の樹脂温度と上記金型内で樹脂が保持される保持時間との関係を示した(実線P)。ここでは、成形品表面の結晶化度が所望の範囲まで達しなかったとする。
次いで、キャビティ表面近傍の樹脂温度の低下を抑えて、成形品表面の結晶化度を高めるために、金型温度をより高い温度に変更するか、又は断熱層を金型に形成する。そして、上記と同様にして、上記キャビティ表面近傍の樹脂温度と上記金型内での樹脂の保持時間との関係を求め、結晶化度を確認する。図1に上記キャビティ表面近傍の樹脂温度と上記金型内で樹脂が保持される保持時間との関係を示した(実線Q)。ここで、成形品表面の結晶化度が所望の範囲まで達したとする。
結晶性熱可塑性樹脂の結晶化速度と樹脂温度との関係から導出した、結晶化速度が十分速い温度をT1とし、図1に示した。このキャビティ表面近傍の樹脂温度がT1以上で保持される時間は、金型温度をより高い温度に変更するか、又は断熱層を金型に形成することで長くなる(Δt2>Δt1)。このΔt2を上記の保持時間として採用することができる。つまり、保持時間がΔt2以上であれば、成形品表面の結晶化度が所望の範囲を満たす。なお、結晶化度が所望の範囲になるか否かの、保持時間の閾値は、Δt1〜Δt2との間にある。
第二工程では、上記のキャビティ表面近傍の樹脂温度がT1以上で保持される保持時間を満たすような断熱層を金型に配置する。断熱層の材料、形状、配置場所等はどのように決定してもよいが、例えば、以下の方法で決定することができる。
ここで、熱伝導解析は、キャビティの表面に断熱層が形成された金型を用い、金型を構成する材料及び結晶性熱可塑性樹脂の、比重、比熱、熱伝導率、熱拡散率をパラメータとして行われる。
例えば、キャビティの表面全体に断熱層が形成されている金型が挙げられ、図2(a)には断熱層がキャビティの表面全体に形成された分割金型の断面の模式図を示す。このようにキャビティ全体に断熱層を設けることで、成形品表面全体を所望の結晶化度にすることができる。また、分割金型の合わせ面において、断熱層と金型の金属とが接するようにすることで(図2(a)中で、下側の金型の断熱層が上側の金型の金属と接していることにあたる。)、金型の合わせ面に入り込んだ樹脂は、直ちに固まるため、バリが生じない。
断熱層上に金属層を形成することで、キャビティ表面の耐摩耗性が向上する。特に、ガラス繊維等の無機充填剤を配合した場合に、キャビティの表面が摩耗しやすくなる。したがって、ガラス繊維等を配合した樹脂組成物を用いる場合には、図2(c)に示すような金型を使用することが好ましい。
キャビティの表面全体に金属層が存在すると、金属層の熱伝導率が高いため、断熱層を厚くする等の必要が生じる。
上記のようにして、断熱層を決定することができるが、実際に断熱層を金型に形成する方法を説明する前に、上述の特定の条件を満たす断熱層等について簡単に説明する。
また、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の従来公知のメッキ膜形成方法を用いて、断熱層上に薄膜状の金属層を形成することができる。メッキ膜は、非常に薄いため、金属板を用いる場合とは異なり、断熱層の厚みは60μm以上あれば好ましい。
実施例1では、以下の材料を使用した。
結晶性樹脂:ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS樹脂)(ポリプラスチックス株式会社製、「フォートロン1140A64」Tc2;225℃)
上記結晶性樹脂の結晶化速度(LogK、(Kは速度))と樹脂温度(℃)との関係を図4に示す。結晶化速度が十分速い温度を150℃以上とする。また、所望の結晶化度は30%とした。
断熱層:ポリイミド樹脂(ポリイミド樹脂ワニス(ファインケミカルジャパン社製)、熱伝導率0.2W/m・Kをスプレーし、250℃、1時間で焼付けした後、ポリイミド面を研摩した。)
Tc2の測定方法:示差走査熱量計(パーキンエルマー社製DSC7)を用い、窒素雰囲気下で、熱可塑性樹脂を340℃で2分間保持した後、10℃/分の速度で降温し、得られたDSCチャートから発熱ピークの温度を読み取りすることによりTc2とした。
また、それぞれの成形条件での結晶化度の測定も行った。結晶化度の測定は、断熱層が形成されている側と、断熱層が形成されていない側とに分けて行った。結晶化度の結果も表2に示した。
また、熱伝導解析で設定した断熱層を金型に設ければ、金型温度100℃の条件に設定しても、成形品表面の結晶化度を所望の範囲に調整できることが確認された。
断熱層の材料をポリイミドから二酸化ケイ素(セラミック1)に変更し、LS=2.5mm又は5mmである以外は、実施例1と同様にして、キャビティ表面から7μmの深さでの樹脂の温度と、樹脂の金型内での保持時間との関係を導出した。樹脂温度150℃以上を保持した時間と、それぞれの成形条件での、断熱層が形成されている側の結晶化度を表4に示した。なお、導出した関係式の成形条件は、金型温度が100℃、断熱層(セラミック1)2.5mmの条件、金型温度が100℃、断熱層(セラミック1)が5mmの条件である。
比重;2520(kg/m3)
比熱;790(J/(kg・K))
熱伝導率;1.46(W/(m・K))
熱拡散率;7.33×10−7(m2・s)
上記実施例により、金型に流れ込んだ樹脂が、150℃以上の状態を0.1秒以上保持することにより、結晶化度を30%以上に調整できることを確認できた。
主としてジルコニアから構成される原料を、溶射法にて上記金型の内表面に溶射した。断熱層の表面は密度が高くなるように調整し、多層構造の断熱層を金型内表面に形成した。断熱層の厚み500μmになるまで溶射を続けた。
実際に測定した結果、金型を構成する材料及び結晶性樹脂の、比重、比熱、熱伝導率、熱拡散率は、表5の通りであった。ジルコニア断熱層の熱伝導率はレーザーフラッシュ法にて熱拡散率、DSCにて比熱、水中置換法(JIS Z8807固体比重測定方法に準拠)にて比重を測定し、[熱伝導率]=[熱拡散率×比熱×比重]により算出した。
Claims (11)
- 結晶性熱可塑性樹脂を含む樹脂組成物からなる成形品を成形するための金型の製造方法であって、
結晶性熱可塑性樹脂の結晶化速度と樹脂温度との関係に基づいて、前記成形品表面の結晶化度が所望の範囲になるように、金型に充填された結晶性熱可塑性樹脂のキャビティ表面近傍での結晶化速度が十分速い温度と、該結晶性熱可塑性樹脂の金型内で結晶化速度が十分速い温度以上を保持する保持時間とを導出し、金型温度がTc2−100℃以下で、金型キャビティ表面近傍の温度が導出した温度以上を保持する時間が、導出した前記保持時間を満たすような断熱層を設ける金型の製造方法。 - 前記金型温度は、100℃以下であり、
前記結晶性熱可塑性樹脂が、ポリアリーレンサルファイド系樹脂の場合に、
前記キャビティ表面近傍の温度は、150℃以上であり、
前記保持時間は、0.1秒以上である請求項1に記載の金型の製造方法。 - 前記断熱層は、前記キャビティ表面近傍の温度と前記保持時間との関係を熱伝導解析により導出して、該関係に基づいて断熱層の材料、設置位置、形状が決定され、
前記熱伝導解析は、キャビティの表面に断熱層が形成された金型を用い、金型を構成する材料及びの前記結晶性熱可塑性樹脂の、比重、比熱、熱伝導率、熱拡散率をパラメータとして行う請求項1又は2に記載の金型の製造方法。 - 前記断熱層は、熱伝導率が0.3W/m・K以下、厚みが60μm以上である請求項1から3のいずれかに記載の金型の製造方法。
- 前記断熱層は、ポリベンゾイミダゾール、ポリイミド及びポリエーテルエーテルケトンから選ばれる少なくとも一種の樹脂を含む請求項1から4のいずれかに記載の金型の製造方法。
- 前記断熱層は、表面に金属層を有する請求項1から5のいずれかに記載の金型の製造方法。
- 前記断熱層は、セラミックを含む請求項1から6のいずれかに記載の金型の製造方法。
- 前記セラミックは、二酸化ケイ素である請求項7に記載の金型の製造方法。
- 前記セラミックは、多孔質ジルコニアから構成される請求項7に記載の金型の製造方法。
- 前記金型温度はTc1以下である請求項1から9のいずれかに記載の金型の製造方法。
- 請求項1から10のいずれかの方法で作成した金型を用いて得られる、結晶化度が30%以上である、ポリアリーレンサルファイド系樹脂の成形品。
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