(57)【要約】【課題】  従来の樹脂用成形金型では、熱伝導率が非常に高い黒鉛系材が高配合された樹脂部材に対しては流動性の悪化を十分に防止することができなかった。また、キャビティ内に金型とは別部材である入れ子を設ける必要があるため、金型の部品点数が増加してコスト高となってしまっていた。【解決手段】  金属部材にて構成される金型母材１１のキャビティ面１１ａに、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下、摩擦係数が１．０以下、且つビッカース硬度が１５００Ｈｖ以上である薄膜層１３が形成され、重量比で黒鉛を主成分として含有する樹脂部材の成形に用いられる樹脂用成形金型。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材にて構成される金型のキャビティ表面に、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下、摩擦係数が１．０以下、且つビッカース硬度が１５００Ｈｖ以上である薄膜層が形成され、
重量比で黒鉛を主成分として含有する樹脂部材の成形に用いられることを特徴とする樹脂用成形金型。
【請求項２】
請求項１に記載の樹脂用成形金型を用いた樹脂成形方法であって、
金型のキャビティ内に樹脂部材を射出する前に、
前記薄膜層を、加熱手段にて加熱することを特徴とする樹脂成形方法。
【請求項３】
前記加熱手段により、薄膜層を、金型のキャビティ内に樹脂部材を射出するときの金型温度以上の温度にまで、加熱することを特徴とする請求項２に記載の樹脂成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂部材射出時における、樹脂部材の流動性悪化を防止可能な樹脂用成形金型および樹脂成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車用または可搬用等の動力源として注目されている燃料電池には、該燃料電池の各セル間に配置され、水素や酸素の流路を形成するとともに、隣り合う水素の層と酸素の層とを仕切る役割を担うセパレータが備えられている。
このセパレータは、隣り合うセル間の電気的コネクタとしての役割も果たしているため、良好な導電性が必要とされる。
従来は、焼成カーボンを機械加工したものがセパレータとして多く用いられてきたが、最近では熱硬化性樹脂をバインダとして導電材を添加したものを用いる場合が増加してきている。
また、セパレータの材料として熱硬化性樹脂を使用した場合は、該熱硬化性樹脂の固化時間が長くかかり（例えば数分程度）、大量生産には不向きであるため、熱可塑性樹脂を用いて短縮する（例えば固化時間を数分から数十秒へ短縮することができる）ことも行われている。
【０００３】
前述のような樹脂部材をセパレータに適用する場合、該セパレータの接触抵抗を低下させるために、樹脂部材に対する導電材の添加割合を高くする必要がある。例えば、樹脂部材に、黒鉛系材で構成される導電材が６０ｗｔ％以上の割合で配合されている。
しかし、樹脂部材に高い割合で黒鉛系材等の導電材を配合すると、成形時に樹脂部材の流動性が著しく低下し、射出成形することが困難となる。
これは、成形時において、樹脂部材が金型のキャビティ面と接触したときに、急速に冷却されて固化するためであるが、黒鉛系材を高配合した樹脂部材は非常に熱伝導率が高いため、固化速度が特に速い。
従って、黒鉛系材を高配合した樹脂部材では、射出成形を行うことが、特に薄肉成形することが困難となっている。また、セパレータは複雑な溝形状を有しているので、離型がし難く、無理に離型しようとすると応力がかかって変形してしまう恐れもある。
【０００４】
そこで、樹脂部材が急速に冷却されることによる成形性の低下を防止するために、金型のキャビティ面に、熱伝導性が低い部材からなる入れ子を設けることが行われている。つまり、熱伝導性が低い入れ子の断熱効果により、キャビティ内に射出された樹脂部材が急速に冷却されることを防止して、成形性の向上を図っている。
また、入れ子の表面には、金型の寿命向上や離型性向上のために、高硬度で低摩擦係数な特性を有する薄膜が形成されている。
このような、熱伝導性が低い入れ子をキャビティ内に設けた金型としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されるものがある。
【特許文献１】特開平１１−３４０６８号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のように、キャビティ内に射出された樹脂部材から金型への伝熱を防止するために設けられた入れ子の熱伝導率は、例えば特許文献１に示される入れ子の場合、０．２×１０−２〜２×１０−２ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・ｄｅｇ（≒０．８４〜８．４Ｗ/ｍ・Ｋ）程度であり、特許文献１に示される入れ子の場合、１．３〜６．３Ｗ/ｍ・Ｋ程度である。
しかし、この程度の熱伝導率を有する部材にて構成された入れ子をキャビティ内に設けた場合、黒鉛系材を含まない樹脂部材であれば、金型のキャビティ面と接触したときの固化による流動性の悪化を、ある程度効果的に防止することができるが、熱伝導率が非常に高い黒鉛系材が高配合された樹脂部材に対しては流動性の悪化を十分に防止することができなかった。
また、前述の金型では、キャビティ内に金型とは別部材である入れ子を設ける必要があるため、金型の部品点数が増加してコスト高となってしまう。
そこで、本発明においては、黒鉛系材を高配合した樹脂部材に対しても、効果的に流動性の悪化防止を図ることができるとともに、良好な離型性を備えた金型を、別部材である入れ子を組み込むことなく提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する樹脂用成形金型および樹脂成形方法は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、金属部材にて構成される金型のキャビティ表面に、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下、摩擦係数が１．０以下、且つビッカース硬度が１５００Ｈｖ以上である薄膜層が形成され、重量比で黒鉛を主成分として含有する樹脂部材の成形に用いられる。
これにより、入れ子等の別部材をキャビティ内に組み込むことなく、黒鉛系材を高配合した樹脂部材の熱が金型母材側へ伝達されることを防止して硬化速度を遅くすることができ、樹脂部材はキャビティへの射出時に固化することなく良好な流動性を保持することができる。
従って、樹脂部材を射出成形してできた成形品を薄肉成形することが可能となる。また、金型の部品点数が減少するため、コスト低減を図ることができる。
そして、薄膜層表面の摩擦係数が低いので、成形品の離型性が非常に良好となる。
さらに、薄膜層の硬度が非常に高いので、使用によるキャビティ面の摩耗を抑えることができて、樹脂用成形金型の寿命を延ばすことができる。
【０００７】
また、請求項２記載の如く、請求項１に記載の樹脂用成形金型を用いた樹脂成形方法であって、金型のキャビティ内に樹脂部材を射出する前に、前記薄膜層を、加熱手段にて加熱する。
これにより、キャビティ内に射出された樹脂部材は、薄膜層から熱の供給を受けることができ、温度の低下が抑えられて流動性を保持することが可能となって、射出開始から固化するまでの時間を長くすることができる。
従って、さらに成形品の薄肉成形化を図ることが可能となる。
【０００８】
また、請求項３記載の如く、前記加熱手段により、薄膜層を、金型のキャビティ内に樹脂部材を射出するときの金型温度以上の温度にまで、加熱する。
これにより、樹脂部材への伝熱を十分に行うことができ、安定した薄肉成形を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、樹脂部材の熱が金型母材側へ伝達されることが防止されて、樹脂部材はキャビティへの射出時に良好な流動性を保持することができる。
従って、成形品を薄肉成形することができるとともに、成形品の離型性が非常に良好となり、樹脂用成形金型の寿命を延ばすこともできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。
【００１１】
本発明にかかる樹脂用成形金型１は、金属部材にて構成される金型母材１１のキャビティ面１１ａに薄膜層１３を形成して構成されている。
薄膜層１３は、例えばＴｉＡｌＮ等のセラミックスにて構成されており、該薄膜層１３の熱伝導率は０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下に構成され、摩擦係数は１．０以下に構成され、さらにビッカース硬度が１５００Ｈｖ以上に構成されている。
【００１２】
また、本樹脂用成形金型１は、特に、重量比で黒鉛を主成分として含有する樹脂部材の成形に用いられ、該樹脂部材は、例えば、燃料電池の各セル間に配置され、水素や酸素の流路を形成するとともに、隣り合う水素の層と酸素の層とを仕切る役割を担うセパレータに成形される。
例えば、本樹脂用成形金型１により成形される樹脂部材は、熱可塑性樹脂であり、導電材としての黒鉛を６０ｗｔ％以上の割合で含有している（樹脂部材全体の成分のうち６０ｗｔ％以上が黒鉛である）。
このように、樹脂部材に黒鉛を高配合することで、該樹脂部材を、燃料電池における隣り合うセル間の電気的コネクタとしての役割を担う、良好なセパレータに成形することが可能となっている。
【００１３】
樹脂部材に配合される黒鉛は熱伝導率が非常に高いため、成形時においてキャビティ内に射出された樹脂部材が、熱伝導性が高い金属部材にて構成される金型母材１１に直接触れると、該樹脂部材が急速に冷却されて固化または流動性が著しく低下することとなる。
しかし、本樹脂用成形金型１は、金型母材１１のキャビティ面１１ａに前記薄膜層１３を形成しているので、キャビティ内に射出された樹脂部材は薄膜層１３に接触し、金型母材１１に直接触れることはない。
【００１４】
樹脂部材が触れる薄膜層１３は、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下の低熱伝導率な部材にて構成されているので、黒鉛が高配合された樹脂部材の熱が金型母材１１側へ伝達されることが防止されて硬化速度が遅くなり、樹脂部材はキャビティへの射出時に固化することなく良好な流動性を保持することができる。
これにより、入れ子等の別部材をキャビティ内に組み込むことなく、樹脂部材を射出成形してできた成形品を薄肉成形することが可能となり、部品点数を削減して低コスト化を図ることもできる。
なお、薄膜層１３は、例えば５μｍ程度の厚みに形成されるが、膜厚寸法が大きい程、大きな断熱効果を奏することができる。
【００１５】
また、薄膜層１３の表面は低摩擦係数な面に構成されており、薄膜層１３表面の摩擦係数は１．０以下となっている。
ここで、黒鉛が高配合された樹脂部材をキャビティ内に射出した場合、黒鉛が高配合された樹脂部材は、通常（黒鉛を含まない）の樹脂部材のようなファウンテンフローを示さず、キャビティ面を滑るように流れていく、といった挙動を示す。
【００１６】
従って、本樹脂用成形金型１のように、樹脂部材と接触する薄膜層１３の表面を低摩擦係数に構成しておくと、樹脂部材の滑りの効果を増大させ、該樹脂部材の流動性を高めることができて、成形品の薄肉化を図ることが可能となる。
また、薄膜層１３の表面の摩擦係数を低く設定すると、成形品の離型性が非常に良好となる。
なお、通常（黒鉛を含まない）の樹脂部材の流れはファウンテンフローを示すので、キャビティ面を滑ることはなく、薄膜層１３を形成した場合と形成しない場合とでの樹脂部材の挙動は変化しない。
【００１７】
また、金型母材１１のキャビティ面１１ａに薄膜層１３を形成する場合、金型母材１１のキャビティ面１１ａの面粗度が高いほど（キャビティ面１１ａが鏡面に近いほど）、成形品の離型性の向上、および樹脂部材の流動性の向上を図ることができる。
さらに、本例では、薄膜層１３としてセラミックを用いているが、それに限るものではなく、樹脂用成形金型１に用いた場合に耐熱性（例えば４００℃以上の耐熱性）を有する材料であればよい。
【００１８】
また、樹脂用成形金型１においては、金型母材１１のビッカース硬度が４００Ｈｖに構成され、薄膜層１３のビッカース硬度が１５００Ｈｖ以上に構成されており、薄膜層１３は金型母材１１の硬度の３倍以上の硬度を有している。
このように、非常に高い硬度を有した薄膜層１３をキャビティ面１１ａに形成することで、使用によるキャビティ面１１ａの摩耗を抑えることができて、樹脂用成形金型１の寿命を延ばすことができる。
【００１９】
以上のごとく構成される、キャビティ内に射出される樹脂部材の流動性を向上して成形品の薄肉化、および離型性の向上を図ることが可能な樹脂用成形金型１においては、次のような樹脂成形方法により射出成形を行うことで、さらに成形品の薄肉化を図ることができる。
【００２０】
つまり、図２に示すように、樹脂用成形金型１のキャビティ内に樹脂部材を射出する前に、前記薄膜層１３を、レーザー照射器２１等の加熱手段にて加熱し、加熱が完了した後にキャビティ内への樹脂部材の射出を開始する。
この場合、薄膜層１３のレーザー照射器２１による加熱は、該薄膜層１３の温度が、キャビティ内に樹脂部材を射出するときの金型母材１１の温度以上となるまで行う。
このように、薄膜層１３を加熱すると、該薄膜層１３は熱伝導率が低く構成されているので、その熱を薄膜層１３内（特に薄膜層１３の表面側）に一時的に蓄熱することができる。
【００２１】
また、キャビティ内に射出される樹脂部材は黒鉛が高配合されていて熱伝導率が非常に高いため、キャビティ内に射出された樹脂部材には、薄膜層１３に蓄熱された熱が迅速に伝わる。
このように、薄膜層１３から熱の供給を受けた樹脂部材は、温度の低下が抑えられて流動性を保持することができ、射出開始から固化するまでの時間を長くすることができる。
これにより、樹脂部材を射出成形してできた成形品を薄肉成形することが可能となる。
【００２２】
また、薄膜層１３をレーザー照射器２１により加熱した後は、速やかに樹脂部材のキャビティ内への射出を開始する方が、効果が高く望ましい。
これは、加熱された薄膜層１３から金型母材１１へ熱が伝達されて、該薄膜層１３の温度が低下する前に、樹脂部材のキャビティ内への充填を完了することができるからである。
【００２３】
また、レーザー照射器２１による薄膜層１３の加熱温度を金型母材１１の温度以上とすることで、樹脂部材への伝熱を十分に行うことができ、安定した薄肉成形を行うことが可能となっている。
さらに、この場合、薄膜層１３の加熱温度は高い方が望ましいが、樹脂部材に劣化等の悪影響を与えないように、射出する樹脂部材の分解温度以下に設定することが望ましい。
【００２４】
また、本例では、薄膜層１３を加熱する手段としてレーザー照射器２１を用いているが、これに限るものではなく、薄膜層１３を急速に加熱できるものであればよい。
【００２５】
なお、樹脂部材のキャビティ内への射出完了後の冷却期間においては、薄膜層１３に蓄熱されていた熱は、既に樹脂部材や金型母材１１へ放出されており、該薄膜層１３の温度と金型母材１１の温度とは同じ温度となるため、離型性に悪影響を与えることもない。
【実施例】
【００２６】
次に、キャビティ面１１ａに薄膜層１３を形成した、本樹脂用成形金型１の実施例について具体的に説明する。
本例では、表１に示すような実施例１、実施例２、比較例１および比較例２の樹脂用成形金型１を作成し、これらの金型について、導電性フィラーを添加した熱可塑性樹脂を射出成形した際の、薄肉成形性および離型性についての評価を行った。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
〔実施例１〕
上記表１、および図３に示すように、実施例１にかかる樹脂用成形金型１は、キャビティ面１１ａに２層の薄膜層１３を形成しており、金型母材１１側の第１薄膜層１３ａはＴｉＡｌにて構成され、表面側の第２薄膜層１３ｂはＴｉＡｌＮにて構成されている。
第１薄膜層１３ａの膜厚は５μｍであり、熱伝導率は０．０５Ｗ／ｍ・Ｋであり、ビッカース硬度は６００Ｈｖである。
また、第２薄膜層１３ｂの膜厚は５μｍであり、熱伝導率は０．０５Ｗ／ｍ・Ｋであり、摩擦係数は０．５であり、ビッカース硬度は６００Ｈｖである。
【００２９】
〔実施例２〕
上記表１、および図４に示すように、実施例２にかかる樹脂用成形金型１は、キャビティ面１１ａに１層の薄膜層１３を形成しており、該薄膜層１３はＴｉＮにて構成されている。
薄膜層１３の膜厚は５μｍであり、熱伝導率は０．０７Ｗ／ｍ・Ｋであり、摩擦係数は０．４であり、ビッカース硬度は２５００Ｈｖである。
【００３０】
〔比較例１〕
上記表１に示すように、比較例１にかかる樹脂用成形金型１は、キャビティ面１１ａに１層の薄膜層１３を形成しており、該薄膜層１３はＴｉＮにて構成されている。
薄膜層１３の膜厚は２μｍであり、熱伝導率は０．０７Ｗ／ｍ・Ｋであり、摩擦係数は０．４であり、ビッカース硬度は２５００Ｈｖである。
【００３１】
〔比較例２〕
上記表１に示すように、比較例２にかかる樹脂用成形金型１は、キャビティ面１１ａに１層の薄膜層１３を形成しており、該薄膜層１３は硬質Ｃｒメッキにて構成されている。
薄膜層１３の膜厚は１０μｍであり、熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、摩擦係数は０．２であり、ビッカース硬度は２５００Ｈｖである。
【００３２】
なお、実施例１、実施例２、比較例１、および比較例２における樹脂用成形金型１の金型母材１１は、全てプリハードン鋼（４０ＨＲＣ）にて構成されており、そのビッカース硬度は４００Ｈｖとなっている。
【００３３】
これらの実施例１、実施例２、比較例１および比較例２の樹脂用成形金型１により成形を行う樹脂部材としては、２０ｗｔ％の液晶ポリマーと８０ｗｔ％の黒鉛とを二軸押出機にて混練したものを用いた。
また、樹脂用成形金型１は、板厚が２ｍｍの成形品（セパレータ）を成形可能な金型であり、成形時の金型温度は２００℃に設定した。
さらに、射出成形機は、宇部興産機械製の３５０ｔ横型高速電動射出成形機（スクリュウ径φ５２）を用いて、初期金型開き量を４ｍｍとし、樹脂部材の射出後に３５０ｔでプレスして、射出プレス成形を行った。
【００３４】
このようにして、それぞれの樹脂用成形金型１にて成形した成形品について、薄肉成形性および離型性の評価を行ったところ、実施例１の樹脂用成形金型１で成形した成形品は、薄肉成形性および離型性の両方が、金型母材１１のみの場合（薄膜層１３を形成しない場合）に比べて大幅に良好であった。
また、実施例２の樹脂用成形金型１で成形した成形品は、薄肉成形性については金型母材１１のみの場合に比べて良好であり、離型性については金型母材１１のみの場合に比べて大幅に良好であった。
【００３５】
これに対し、比較例１の樹脂用成形金型１で成形した成形品は、離型性については金型母材１１のみの場合に比べて良好であったものの、薄肉成形性については金型母材１１のみの場合と同等であった。
さらに、比較例２の樹脂用成形金型１で成形した成形品は、離型性については金型母材１１のみの場合に比べて大幅に良好であったものの、薄肉成形性については金型母材１１のみの場合に比べて悪化していた。
【００３６】
このように、実施例１および実施例２では、薄肉成形性および離型性の両方について、金型母材１１のみの場合に比べて大幅に良好または良好という結果が得られたが、比較例１および比較例２では、薄肉成形性について金型母材のみの場合と比べて同等または悪化するという結果が得られた。
【００３７】
次に、前述の実施例１の樹脂用成形金型１を用いて、成形前（キャビティ内に樹脂部材を射出する前）に薄膜層１３を加熱した場合の薄肉成形性についての評価を行った。
使用した樹脂部材、金型温度、射出成形機、および射出プレス成形条件は前述の「薄肉成形性および離型性についての評価」の場合と同じである。
また、薄膜層１３の加熱手段としては、ＣＯ２レーザー（１００Ｗ）を用い、樹脂用成形金型１としては、成形される成形品の厚みを１ｍｍ〜２ｍｍの範囲で可変な金型を用いた。さらに、薄膜層１３の加熱後の温度は３３０℃であった。
【００３８】
このように、薄膜層１３を加熱した後に成形を行った場合に成形可能な、成形品の最小板厚を表２に示す。
【００３９】
【表２】
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【００４０】
表２によると、薄膜層１３を加熱した後に成形を行った場合は、成形可能な成形品の最小板厚は１．５ｍｍであった。
これに対し、薄膜層１３を加熱しなかった場合は、成形可能な成形品の最小板厚は２．０ｍｍであった。
これにより、成形前に薄膜層１３を加熱することで、成形品のさらなる薄肉成形化が可能であることが確認できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明にかかる樹脂用成形金型を示す側面断面図である。
【図２】樹脂用成形金型におけるキャビティ面に形成された薄膜層を加熱する様子を示す側面断面図である。
【図３】薄膜層が形成された樹脂用成形金型の第１の実施例を示す図である。
【図４】薄膜層が形成された樹脂用成形金型の第１の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  樹脂用成形金型
１１    金型母材
１１ａ  キャビティ面
１３    薄膜層
２１    レーザー照射器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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