(57)【要約】【課題】熱可塑性樹脂の発泡状態が均一で微細な発泡セルを有するとともに発泡率の高い熱可塑性樹脂発泡体、及び、それの射出成形による製造方法及び装置を提供すると共に高発泡倍率の発泡体を安定量産化できる熱可塑性樹脂発泡体の製造方法及び装置を提供する。【解決手段】溶融樹脂をキャビティに充填する際に前記キャビティの容積を増大させる射出圧縮成形法と、前記キャビティ内に予め所定圧力のガスを充填させておくカウンタープレッシャー法とを利用して熱可塑性樹脂発泡体を製造する方法であって、超臨界状態の物理発泡剤を含浸した溶融樹脂を前記キャビティに充填するステップと、前記キャビティと連通し、前記キャビティの外部に形成された密閉空間の圧力を検出するステップと、前記検出ステップの検出結果に基づいて前記キャビティの圧力制御を行うステップとを有することを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融樹脂をキャビティに充填する際に前記キャビティの容積を増大させる射出圧縮成形法と、前記キャビティ内に予め所定圧力のガスを充填させておくカウンタープレッシャー法とを利用して熱可塑性樹脂発泡体を製造する方法であって、
超臨界状態の物理発泡剤を含浸した溶融樹脂を前記キャビティに充填するステップと、
前記キャビティと連通し、前記キャビティの外部に形成された密閉空間の圧力を検出するステップと、
前記検出ステップの検出結果に基づいて前記キャビティの圧力制御を行うステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項２】
キャビティに溶融樹脂を充填して射出成形により熱可塑性樹脂発泡体を製造する方法であって、
前記キャビティと当該キャビティに連通して当該キャビティの外部に設けられた密閉空間の容積を増大させた後、前記キャビティ及び前記密閉空間に所定圧力のガスを充填するステップと、
超臨界状態の物理発泡剤を含浸した溶融樹脂を前記キャビティに充填するステップと、
前記ガスを金型内に封止した状態で前記溶融樹脂を充填したキャビティの容積を減少させることにより上記溶融樹脂を圧縮するステップと、
前記溶融樹脂を圧縮した後に、再び前記キャビティの容積を増大させて前記溶融樹脂を発泡させるステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項３】
前記キャビティに前記溶融樹脂を充填した後で前記溶融樹脂を前記キャビティに導入するゲートを封止するステップを更に有すること特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記溶融樹脂を圧縮した後に、任意のタイミングで前記密閉空間より前記ガスを前記キャビティの外部に逃がすステップとを有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記密閉空間におけるガス圧を検出するステップと、
当該検出ステップの検出結果に基づいて前記キャビティの圧力を制御するステップを更に有することを特徴とする請求項２乃至４のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記物理発泡剤はＮ２であり、前記ガスはＣＯ２であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記発泡ステップは、段階的に前記キャビティを減圧することを特徴とする請求項２乃至６のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記発泡ステップは、再度キャビティの容積を圧縮するステップを含むことを特徴とする請求項２乃至７のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記発泡ステップは、前記圧縮ステップ後所定時間が経過した後に行うことを特徴とする請求項２乃至７のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
超臨界状態の物理発泡剤を含浸する溶融樹脂をキャビティに充填して射出成形により熱可塑性樹脂発泡体を製造する装置であって、
前記キャビティに連通し、当該キャビティの外部に設けられた密閉空間としての圧力室と、
前記圧力室の圧力を検出するための検出部と、
前記キャビティ及び前記密閉空間に所定圧力のガスを充填する充填部と、
前記検出部の検出結果に基づいて前記キャビティの圧力制御を行う制御部とを有することを特徴とする装置。
【請求項１１】
前記キャビティに連通し、前記キャビティ内の前記ガスをキャビティ外に逃がす排気室を更に有することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記キャビティに前記溶融樹脂を導入するスプールと、
前記スプールを閉口する機構とを更に有することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記機構は冷却手段を含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
超臨界状態の物理発泡剤を含浸する溶融樹脂をキャビティに充填して射出成形により熱可塑性樹脂発泡体を製造する装置であって、
前記溶融樹脂を前記キャビティに充填するためのノズルの先端部における、前記溶融樹脂の圧力を直接もしくは間接的に検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて前記溶融樹脂に溶解する物理発泡剤の濃度を制御する制御部とを有することを特徴とする装置。
【請求項１５】
溶融樹脂をキャビティに充填して射出成形により熱可塑性樹脂発泡体を製造に使用される金型であって、
前記キャビティに連通し、当該キャビティの外部に設けられた密閉空間としての圧力室と、
前記キャビティ及び前記密閉空間に所定圧力のガスを充填する充填部と、
前記キャビティに連通し、前記キャビティ内のガスが対流可能な、前記キャビティの外部に設けられた排気室とを有することを特徴とする金型。
【請求項１６】
平均発泡セル径が３０μｍ以下、発泡率が３５％以上の独立発泡セルを有し、引っ張り強度が非発泡品の５０％以上、誘電率が非発泡品の７０％以下であることを特徴とする熱可塑性樹脂発泡体。
【請求項１７】
中央付近が非発泡状態にあり、当該中央付近の肉厚が他の領域におけるスキン層より厚く、１ｍｍ以上であることを特徴とする熱可塑性樹脂発泡体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般には、熱可塑性樹脂発泡体の製造に係り、特に、超臨界流体を物理発泡剤として使用し、熱可塑性樹脂発泡体を製造するための方法及び装置に関する。ここで、「物理発泡」とは、気体を圧力制御により発泡しない状態から発泡する状態に変化させる技術をいう。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超臨界流体等の物理発泡剤を用いた熱可塑性樹脂発泡材の形成方法が開発されている。超臨界流体は、液体に近い溶解性と気体と同程度の拡散性及び浸透性を有しているので、短時間で樹脂中に含浸する。また、超臨界流体を用いることにより、従来の化学発泡法やガス発泡法等では困難であった微細な（例えば、サブミクロンオーダーの）発泡セルを樹脂内部に形成できるため、軽量で、断熱効果が高く、かつ、剛性重量比の高い発泡体を製造することができるとされる。
【０００３】
この発泡体の基礎となる形成方法としては、例えば、１）熱可塑性樹脂を押し出し成形によりシート化し、そのシートを超臨界状態のＣＯ２を充満した加圧室に導入することで樹脂シート内に超臨界流体であるＣＯ２を含浸させ、大気圧の発泡室で加熱発泡させることにより発泡体を形成する方法や、２）樹脂を押し出し機で溶融させながら、樹脂内へ超臨界状態のＣＯ２を含浸させ、シート状に押し出した成形品を加圧室に導入し、加圧室内の圧力変化により発泡体となるセル核を形成し、そのセル核を加熱冷却することにより、所望のセル径やセル密度を得る方法がある（例えば、特許文献１）。
【０００４】
上記発泡体を射出成形により成形した例として、射出成形機のシリンダー内で溶融した熱可塑性樹脂に超臨界状態のＣＯ２等の不活性ガスを含浸させ、その熱可塑性樹脂を金型内に射出充填させた後、金型内を減圧することにより発泡させる装置及び成形方法も提案されている（例えば、特許文献２乃至４）。
【０００５】
また、近年、特に、物理発泡剤に超臨界流体を用いた発泡体の生成におけるメカニズムについて様々な報告がある（例えば、非特許文献１及び２、特許文献５及び６）。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第５，１５８，９８６号明細書
【特許文献２】
特開平０８−２５８０９６号公報
【特許文献３】
特開平１０−２３０５２８号公報
【特許文献４】
特開２００１−９８８２号公報
【特許文献５】
特開２００１−６２８６２号公報
【特許文献６】
特許第１９７５５９７号
【非特許文献１】
成形加工夏季セミナー予稿集６−９（２００２年）
【非特許文献２】
成形加工、３５３頁（２００１年）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献３では、溶融樹脂の射出充填後に、金型の一部分あるいは一面全体を後退させてキャビティ容積を増大させ、キャビティ内を減圧することにより、熱可塑性樹脂の発泡制御を行っている。これはコアバック法と呼ばれ、高発泡倍率の成形体を製造するのに有効である。しかし、後述のように、該方法では発泡倍率は大きくなるものの、コアバック時にセル径が拡大してしまうという問題があった。
【０００８】
こうした物理発泡剤を用いた射出成形法による発泡体の製造方法では、発泡セル径を３０μｍ以下と小さくすることと、軽量化率１５〜２０％以上の高発泡率化の両立が困難であった。更に、高発泡率化を進めれば進めるほど、重量がショット間で大きく変動し工業化できないという問題があった。
【０００９】
かかる要因について本発明者は下記のように考察し、本発明を考案するに到った。まず、非特許文献１によれば微細発泡体形成のためには下記の制御が必要とある。即ち、１）溶融樹脂に対する超臨界流体の溶解量を高めること、２）金型内における減圧速度を大きくすること、３）拡散係数を低くすること、４）溶融張力を抑制すること、等である。１）、２）は気泡核を多く発生させるために重要であり、３）、４）は気泡が大きく成長し破泡することや、合一化するのを抑制するのに効果があるとしている。
【００１０】
溶解量を高くするためには拡散係数の大きいＣＯ２が有利であるが、溶融張力を抑制するためにはポリマー内における物質移動が速いためにＣＯ２は気泡核に寄与しにくいとされている。そのため微細発泡化のためには、ＣＯ２よりもＮ２の方が適しているという定説ができつつある。しかしながら、従来の平均発泡セル径を３０μｍ以下とする微細発泡体においては、溶融張力を抑制するためにスキン層となる無発泡層を厚くする必要があり、発泡率が１０％前後と低いものになっていた。このため誘電率の低減等、大きな物性改質等の効果が得られない。この原因は、溶融張力がコア層内部とスキン表面では大きく異なるためであり、コア層における溶融張力を大きくしようとするとスキン層の粘度が高くなりすぎ非発泡層の厚みが厚くなるためと考えられる。
【００１１】
コアバック法においては、発泡率が高くなるものの溶融張力の低いコア層における発泡セル径が拡大するという問題があった。非特許文献２は、コアの後退を停止しながら多段で行うコアバック法によってキャビティ厚み方向における圧力均一化を図り、上述の問題を低減した方法が報告しているが、発泡セルの微細化という面からは十分ではない。この原因としてコアバックによる減圧前の圧力上昇や均一化に問題があるためと考えられる。
【００１２】
つまり、上述したような射出成形方法では、キャビティを型締めによって閉じた状態で超臨界流体を含浸した溶融樹脂を高速にて射出充填するので、特に、Ｌ／Ｔが大きい、つまり、薄肉で流動長の長い成形品の場合、溶融樹脂のゲート近傍とキャビティ末端部とでは樹脂内の圧力差が大きくなる。つまりゲート付近では射出シリンダーの樹脂圧力に近い高圧力になるが、流動末端部では粘度上昇に伴って大きく減圧され、そのため発泡時の圧力差がキャビティ内において大きく異なるため発泡セル径が均一化されないという問題があった。
【００１３】
一方、射出成形機の可塑化シリンダーで加圧された溶融樹脂に含浸されている超臨界流体は、キャビティへ射出された際に減圧されることによりガス化し、溶融樹脂の表面から発泡し、スワルマークと呼ばれる表面粗度が悪化する模様が発生する。従って、樹脂表面層に平滑な無発泡層を形成する場合には、溶融樹脂の表面が発泡状態のまま金型によって冷却されて固化することを防止する必要がある。
【００１４】
これに対して、従来の超臨界流体を用いた成形方法では、金型表面やその近傍を熱伝導率の低い材料とすることにより、溶融樹脂の熱量が金型に奪われるのを抑制し、樹脂表面の急激な冷却を抑制する方法が提案されている。しかし、同方法では金型表面にポリイミド等を断熱層として成膜する必要があるが、複雑な成形体が困難である、断熱層の寿命が短い等の問題がある。
【００１５】
そこで、金型内に予めカウンタープレッシャーとして高圧ガスを充満させておき、樹脂内に含浸されている超臨界流体が減圧するのを抑制する方法が提案されている。高圧ＣＯ２ガスをカウンタープレッシャーとして金型内に導入することにより、ＣＯ２が可塑剤として働き金型壁面における樹脂の固化が遅れるので転写性が向上することは、特許文献５等で知られている。
【００１６】
従来のカウンタープレッシャー法は、キャビティに導入され溶融樹脂内に溶けきらないガスが滞留することを防止するために、充填時にガスをすべて樹脂内に溶解させるか、充填途中でガスを金型の外にリークさせていた。しかし、前者の場合、ガスが溶解しきれずに樹脂が固化してしまい表面が膨れる等の問題が生じていた。
【００１７】
ところで、一般的な射出成形方法では、幅狭で閉塞したキャビティ内の末端部までに溶融樹脂を充填するために、前述のように溶融樹脂を高圧で射出充填する必要がある。しかし、これによりキャビティ内における溶融樹脂内に圧力差が生じ、成形品の分子配向や歪みといった問題が生じていた。この問題を解決する方法として、射出圧縮成形法が知られている。この射出圧縮成形法では、キャビティに溶融樹脂を充填する際に、キャビティ容積を一時的に増大させることにより溶融樹脂内部の圧力を低く維持し、所定量の溶融樹脂の充填が完了した後に、型締め機構等を利用して溶融樹脂を加圧圧縮する。これにより、樹脂の分子配向の発生が抑制され且つ残留応力の少ない成形品を得ることができる。
【００１８】
射出圧縮成形法を発泡成形にとりいれた方法が、例えば、特許文献６に開示されている。特許文献６は、発泡性溶融樹脂を互いに嵌まりあったキャビティ内に注入する際、発泡性溶融樹脂が発泡しない大きさのガス圧を供給し、ついでキャビティを圧縮するとともにガスを排出し、樹脂表面の冷却固化後、発泡開始圧力までキャビティを拡大させて樹脂内部を発泡させ、冷却後取り出す射出圧縮成形方法を提案している。
【００１９】
特許文献６は、カウンタープレッシャーとしてガスを用いることは明記されているが、該ガスをすべて金型外に放出するとしている。このため、フローフロントにおける減圧はガス圧によって抑制されるが、流動末端部における圧力上昇を促さない。
【００２０】
また、特許文献６に開示されている金型は、互いの金型におけるストレートの嵌合部で嵌まりあった構造を有し、カウンタープレッシャーとして導入されたガスは該ストレートの嵌合部によってキャビティ内に閉じ込められる。しかし、キャビティの外がすぐに大気となる構造であると、ガスをキャビティ内に封止して充填した場合、全てのガスを溶融樹脂内に溶解する必要がある。このため、拡散係数の大きいＣＯ２を用いたとしても溶け残りが生じ、成形品表面にガスが溜まることにより膨れが生じ、外観を損ねる原因となる。つまり、特許文献６の金型構造であれば、カウンタープレッシャーとして導入したガスは樹脂の充填と共に金型の外に排出することが必須であった。
【００２１】
また、従来の射出成形方法では、上述のコアバック法等により発泡率の高い成形品を製造した場合、重量や比重がショット間で大きく変動した。かかる要因については、まず、溶融樹脂に溶解する超臨界流体等の物理発泡剤の量が変動し、それに伴い溶融樹脂の密度が変化することが考えられる。次に、物理発泡剤の気泡セルとなる寄与率が変動することが考えられる。
【００２２】
そこで、本発明の第一の目的は、熱可塑性樹脂の発泡状態が均一で微細な発泡セルを有するとともに発泡率の高い熱可塑性樹脂発泡体、及び、それの射出成形による製造方法及び装置を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、上記高発泡倍率の発泡体を安定量産化できる熱可塑性樹脂発泡体の製造方法及び装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての製造方法は、溶融樹脂をキャビティに充填する際に前記キャビティの容積を増大させる射出圧縮成形法と、前記キャビティ内に予め所定圧力のガスを充填させておくカウンタープレッシャー法とを利用して熱可塑性樹脂発泡体を製造する方法であって、超臨界状態の物理発泡剤を含浸した溶融樹脂を前記キャビティに充填するステップと、前記キャビティと連通し、前記キャビティの外部に形成された密閉空間の圧力を検出するステップと、前記検出ステップの検出結果に基づいて前記キャビティの圧力制御を行うステップとを有することを特徴とする。かかる方法は、射出圧縮成形法によって樹脂の分子配向の発生を抑制し、カウンタープレッシャー法によって樹脂の固化を遅らせることができる。また、物理発泡により化学発泡よりも微細な発泡セルを生成し、キャビティの圧力と所定の関係を有する密閉空間の圧力を利用してキャビティの圧力制御を行うことによってショット間の圧力変動を減少して発泡体における発泡を均一化することができる。
【００２４】
本発明の別の側面としての製造方法は、キャビティに溶融樹脂を充填して射出成形により熱可塑性樹脂発泡体を製造する方法であって、前記キャビティと当該キャビティに連通して当該キャビティの外部に設けられた密閉空間の容積を増大させた後、前記キャビティ及び前記密閉空間に所定圧力のガスを充填するステップと、超臨界状態の物理発泡剤を含浸した溶融樹脂を前記キャビティに充填するステップと、前記ガスを金型内に封止した状態で前記溶融樹脂を充填したキャビティの容積を減少させることにより上記溶融樹脂を圧縮するステップと、前記溶融樹脂を圧縮した後に、再び前記キャビティの容積を増大させて前記溶融樹脂を発泡させるステップとを有することを特徴とする。かかる方法は、射出圧縮成形法によって樹脂の分子配向の発生を抑制し、カウンタープレッシャー法によって樹脂の固化を遅らせることができる。また、物理発泡により化学発泡よりも微細な発泡セルを生成する。
【００２５】
上記方法は、前記キャビティに前記溶融樹脂を充填した後で前記溶融樹脂を前記キャビティに導入するゲートを封止するステップを更に有してもよい。これにより、型締め時に圧力がゲートから逃げることを防止することができる。また、ゲートを構成する部材（スプールなど）に所定の径を確保して強度を高めることができる。更に、ゲート付近を非発泡にし、発泡の結果、金型の開き時の樹脂の破損を防止することができる。また、上記方法は、前記溶融樹脂を圧縮した後に、任意のタイミングで前記密閉空間より前記ガスを前記キャビティの外部に逃がすステップとを有してもよい。これにより、過剰なガスによる悪影響（成形品の表面が膨れるなど）を防止することができる。
【００２６】
上記方法は、前記密閉空間におけるガス圧を検出するステップと、当該検出ステップの検出結果に基づいて前記キャビティの圧力を制御するステップを更に有してもよい。キャビティの圧力と所定の関係を有する密閉空間の圧力を利用してキャビティの圧力制御を行うことによってショット間の圧力変動を減少して発泡を均一化することができる。例えば、前記物理発泡剤はＮ２であり、前記ガスはＣＯ２である。
【００２７】
前記発泡ステップは、段階的に前記キャビティを減圧してもよい。これにより、キャビティの厚み方向の発泡のバラツキ（即ち、中央は発泡セルが大きく、周囲は小さいなど）を防止することができる。また、再度キャビティの容積を圧縮するステップを含んでもよい。これにより、不均一な発泡セルを潰して発泡の均一化を図ることができる。前記発泡ステップは、前記圧縮ステップ後所定時間が経過した後に行ってもよい。これにより、発泡をキャビティ内の樹脂の粘性が上がった後で行い、発泡セルが結合して大型になることを防止することができる。
【００２８】
本発明の別の側面としての製造装置は、超臨界状態の物理発泡剤を含浸する溶融樹脂をキャビティに充填して射出成形により熱可塑性樹脂発泡体を製造する装置であって、前記キャビティに連通し、当該キャビティの外部に設けられた密閉空間としての圧力室と、前記圧力室の圧力を検出するための第１の検出部と、前記キャビティ及び前記密閉空間に所定圧力のガスを充填する充填部と、前記第１の検出部の検出結果に基づいて前記キャビティの圧力制御を行う制御部とを有することを特徴とする。かかる装置も、上述の方法と同様の作用を相することができる。
【００２９】
かかる装置は、前記キャビティに連通し、前記キャビティ内の前記ガスをキャビティ外に逃がす排気室を更に有してもよい。これにより、過剰なガスによる悪影響（例えば、成形品の表面が膨れるなど）を防止することができる。また、前記キャビティに前記溶融樹脂を導入するスプールと、前記スプールを閉口する機構とを有してもよい。これにより、ゲートを構成するスプールに所定の径を確保しつつゲート付近の発泡や金型の開き時の樹脂の破損を防止することができる。前記機構は冷却手段を含んでもよい。これにより、ゲート付近を非発泡にすることができる。前記充填部は、前記溶融樹脂の圧力を検出する第２の検出部を含み、前記制御部は、前記第２の検出部の検出結果に基づいて前記溶融樹脂が前記キャビティに供給される濃度を制御してもよい。これにより、樹脂の濃度を均一にすることができる
本発明の更に別の側面としての金型は、溶融樹脂をキャビティに充填して射出成形により熱可塑性樹脂発泡体を製造に使用される金型であって、前記キャビティに連通し、当該キャビティの外部に設けられた密閉空間としての圧力室と、前記キャビティ及び前記密閉空間に所定圧力のガスを充填する充填部と、前記キャビティに連通し、前記キャビティ内のガスが対流可能な、前記キャビティの外部に設けられた排気室とを有することを特徴とする。かかる金型も上述の方法や装置と同様の作用を相することができる。
【００３０】
本発明の更に別の側面としての熱可塑性樹脂発泡体は、平均発泡セル径が３０μｍ以下、発泡率が３５％以上の独立発泡セルを有し、引っ張り強度が非発泡品の５０％以上、誘電率が非発泡品の７０％以下であることを特徴とする。また、本発明の更に別の側面としての熱可塑性樹脂発泡体は、中央付近が非発泡状態にあり、当該中央付近の肉厚が他の領域におけるスキン層より厚く、１ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態の方法は、例えば、超臨界状態の加圧Ｎ２やＣＯ２を予め溶融樹脂に含浸し、その溶融樹脂をキャビティに射出充填する。一方、溶融樹脂が充填される前に、キャビティ内及びキャビティ外に通じる密閉空間の容積を増大させた後、予め加圧ガスとしてＣＯ２等を充填しておく。次いで、所定量の溶融樹脂をキャビティに充填完了した直後に、射出成形機の型締め機構等を利用してキャビティの容積を減少させることにより、キャビティ内の溶融樹脂を圧縮する。更に、所定時間の経過後、キャビティの型締め圧を低下させる等により再びキャビティの容積を増大させる。キャビティの容積が増大することによりキャビティの内圧が低下し、溶融樹脂内部の物理発泡剤が発泡する。
【００３２】
溶融樹脂のキャビティへの射出充填時には、キャビティ容積を増大させることにより、溶融樹脂の流動抵抗を低減している。予めキャビティ容積は増大させた一定状態で充填することが望ましい。充填前後のキャビティ容積や金型の開き量は、金型やプラテン開き量を検知しながら型締め圧を制御する成形装置を用いることで一定に制御可能である。射出充填時にキャビティ容積を増大させることで、キャビティ末端まで射出充填を完了させる必要がなくなり流動長が短くなることによりＬ／Ｔの大きい成形品においても射出充填時におけるＬ／Ｔは見かけ上小さくできるので、流動末端部とゲート部の圧力差が小さくなる。また、流動抵抗の減少に伴い射出シリンダーにおける充填圧力が低くて済み、０．５ｍｍ以下の超薄肉成形品でも容易に射出充填することが可能となる。また充填時に固化層となるスキン層が薄くなり、ついで圧縮によりキャビティ末端まで溶融樹脂を充填させる際には断熱膨張により樹脂温度が上昇することや樹脂全面に型締め圧等の高い圧力を伝達できるため低粘度を維持した状態で容易に充填可能となる。
【００３３】
充填時におけるキャビティ容積の拡大量は任意であるが、金型のＬ／Ｔがみかけ上２０以下になるように容積を拡大することが望ましい。より望ましくはＬ／Ｔを１０以下にして射出充填することである。Ｌは充填射出量に対するゲートから流動末端部までの最大距離、Ｔは流動時の金型におけるキャビティ厚みと定義する。例えば５×５ｃｍの正方形で厚み（Ｔ）０．１ｃｍのキャビティにおいてゲートよりの流動長（Ｌ）５ｃｍにおけるＬ／Ｔは５０である。このキャビティのおける体積は２．５ｃｍ３であるので、Ｔが１ｃｍになれば同一体積で正方形は０．５×０．５ｃｍとなり、およそ流動長を１／１０にすることができ充填時における樹脂内圧力差を低減できる。
【００３４】
充填前において容積を拡大したキャビティ及びキャビティ外の密閉空間に加圧ガスを導入しておくことで充填時における溶融樹脂の減圧を抑制することができる。加圧ガスの種類はＣＯ２、Ｎ２、Ａｉｒ等任意であるが、溶融樹脂に対する拡散係数の高いＣＯ２が望ましい。溶融樹脂の表面から浸透することで物理発泡剤としての溶解量が増え、また公知の可塑剤としての効果により転写性も向上するからである。加圧ガスの導入圧力は任意であるが、少なくとも１ＭＰａ以上望ましくは３ＭＰａ以上であることが望ましい。１ＭＰａ程度では充填時における溶融樹脂の発泡は避けられないが、溶解性の高いＣＯ２等を用いれば圧縮時に樹脂内圧が上昇することで発泡層の固化が抑制できるとともにスキン層からＣＯ２が溶け込み粘度が低下することで発泡した層を軟化させて無発泡層にすることができる。
【００３５】
溶融樹脂の射出充填直後に上記高圧の不活性ガスや空気を金型内に封止した状態でキャビティおよびキャビティ外の密閉空間の容積を減少させて上記溶融樹脂を圧縮することにより、１）溶融樹脂の内圧を高くすることができる。特に面圧による圧縮により流動末端部にも効果的に高い圧力をかけることができる、２）封止したカウンタープレッシャーのガス圧を圧縮の進行に伴い高くすることができるので、導入ガスの圧力が低くて済む、３）圧縮の進行に伴いカウンタープレッシャーの圧力が高くなるのでキャビティ端程、フローフロント部における減圧抑制効果が大きくなり、結果キャビティ内における樹脂内圧の均一化を図ることができる、４）溶融樹脂に溶解できないガスはキャビティ外の密閉空間に滞留しキャビティ内に滞留することはないため、圧縮時にガスを金型より抜かなくとも樹脂表面に気泡が混入することはない、等の効果を得ることができる。
【００３６】
更に、コールドランナーを用いる場合、圧縮時におけるゲート方向への溶融樹脂の逆流を抑制するために圧縮前もしくは圧縮途中にキャビティ容積を拡大した状態にてゲートを物理的に切断することが好ましい。キャビティ容積を拡大するとゲート切断するための金型部材であるカットパンチ等のストロークが増大し、さらにゲート切断後における対峙する金型へのカットパンチの突っ込み量は従来においては圧縮するに伴い増大した。つまり、カットパンチの可動金型に対する突き出し量は一定であったため可動金型との相対位置は離型まで不変となっていた。従来の方法では、圧縮量を非常に大きくする本成形方法ではカットパンチが固定金型に面で突き当たる懸念もあり不適である。よってカットパンチが固定金型内に突っ込みゲートを切断した後は、カットパンチ先端と固定金型との相対位置が一定になることが望ましい。例えば、成形機のカットパンチやエジェクター用突き出しピストンのストロークを制御することによって達成される。つまり、金型キャビティの容積の減少、つまり可動金型の圧縮移動量にあわせ、カットパンチの先端を可動金型に対して後退させることでカットパンチと固定金型の相対位置を一定に維持することが可能となる。
【００３７】
カットパンチに冷却手段を設け、カットパンチに接触する製品の冷却速度を速くし、発泡前に固化させることによりカットパンチ周りを非発泡にすることもできる。膜面入射タイプのＢｌｕ−ｒａｙ等の光ディスクに適用した場合、内径部分を非発泡とすることで応力集中部分の機械強度を低下させることがないので好適である。該非発泡領域の厚みは製品の形態やアプリケーションによって任意であるが、少なくとも１ｍｍ以上であることが望ましい。
【００３８】
キャビティ外における密閉空間におけるガス圧をフィードバック用制御因子と用いることが望ましい。例えば、物理発泡剤の樹脂への溶解量が大きい場合、該ガス圧力が高くなる。各ショットにおける圧力変動に応じて減圧速度等を変化させることで成形品の発泡状態を均一化できる。
【００３９】
本発明の射出成形方法によって製造される発泡体は平均発泡セル径が３０μｍ以下とセル径は微細化されるとともに、発泡率が３５％以上の高発泡体となる。本出願において平均セル径の定義はゲート付近と流動端付近における任意の場所においてＳＥＭ等を用い１ｍｍ角の範囲で成形体の断面を観察し測定するものとする。また本出願における発泡率は比重の低減率を表すものとする。また本出願における成形品は高発泡率であるにも関わらず、微細で均一な独立発泡セルを形成するので引っ張り強度等の機械的物性の低下が極力抑制される。具体的には本発明の成形品は引っ張り強度が相対評価において非発泡品の５０％以上が得られる。また、本出願の成形品は空隙率が高いため誘電率が非発泡品の７０％以下となり、ＭＩＤ（Ｍｏｌｄｅｄ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ  Ｄｅｖｉｃｅ）等の電気回路部品やミリ波アンテナ等の平面アンテナ等に好適である。発泡セルが微細化することで断熱効果の向上が図れ自動車のインテークマニホールド等、高温にさらされるプラスチック部品やその保護部品として好適である。ダイレクトメタノール方式の燃料電池は断熱構造の容器を用いれば出力密度を大幅に向上することができる。本発明の発泡体は発泡セル径が微細なため、より断熱効果が高く好適である。
【００４０】
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４１】
【実施例１】
本発明の熱可塑性樹脂発泡体の形成に用いた射出成形用設備について、図１、２を用いて説明する。図１は本発明に用いた射出成形設備における金型４７と可塑化射出装置４８および物理発泡剤の供給装置４９とカウンタープレッシャー供給装置５０の模式図であり、金型は図２に示すように固定金型４６および可動金型４５から構成される。本発明における熱可塑性樹脂の可塑化時に溶解もしくは混錬させる物理発泡剤は任意であるが、高圧のＮ２やＣＯ２等を用いることが望ましい。上述のように超臨界状態のＮ２は微細発泡セルが形成されやすいのでより望ましい。本実施例では物理発泡剤に超臨界状態のＮ２を用いた。物理発泡剤である超臨界流体は、液体Ｎ２ボンベ３０より超臨界流体発生装置３２で超臨界状態にした後、保圧弁３３で圧力調整され電磁弁２４、２５の開放により注入口２６，２７より可塑化射出装置４８に注入される。
【００４２】
本実施例において熱可塑性樹脂の可塑化射出装置４８への投入は図示しない乾燥機等にて予め乾燥したペレット３７がホッパー３８より供給されることで行われる。本発明において、乾燥ペレットは予め超臨界流体等の物理発泡剤が溶解していてもよい。本実施例においては、熱可塑性樹脂にＴｇ１５０℃のポリカーボネート樹脂を用いたがこれに限らず、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリメチルペンテン、ポリエーテルイミド、ＡＢＳ樹脂等、または、それらの共重合体を用いることができる。
【００４３】
該ポリカーボネートのペレットを８０℃常圧にて１５ｈｒ脱水乾燥させた後、１５ＭＰａの圧力に維持されたＮ２雰囲気の高圧容器中にて３０℃で２４ｈｒ保持し物理発泡剤であるＮ２をペレット３７中に含浸させた。機密性の高いホッパー３８内に供給された該ペレット３７は下記のように可塑化溶融される。例えばまずスクリュー３５の回転と同期してバンドヒーター５１によって温度制御された可塑化シリンダー５２内にペレット３７が供給される。そして該ペレット３７はスクリュー３５の回転によってスクリュー前方に送りだされながら剪断発熱により溶融される。スクリュー前方の樹脂圧力が高まることでスクリュー３５が後退しスクリューの先端とシャットオフノズルの間に溶融樹脂が計量される。本実施例のスクリュー３５には減圧部５３が設けられており、スクリューの後退中に注入口２４、２５より該減圧部５３に物理発泡剤である超臨界流体が任意の量注入され、スクリュー３５の回転により該溶融樹脂内に超臨界流体は混錬される。本実施例において注入するＮ２の圧力は１５Ｍｐａとした。
【００４４】
本発明においてカウンタープレッシャー供給装置５０の構成やガスの種類は任意である。本実施例においてガスはＣＯ２を用いた。ＣＯ２は溶融樹脂に対する拡散係数が大きく、射出充填時に金型内における樹脂のスキン層成長を抑制できると共に発泡核の生成が助長されるのでより望ましい。ガスの供給は下記のように行われる。まず、ＣＯ２ボンベ３１より保圧弁３３にて圧力調整されたＣＯ２ガスは電磁弁２１，２３が閉鎖状態において電磁弁２０、２２が開放することによって金型導入路１６に導入される。そして外周リング５に円周状に多数配置された注入孔６を通り、固定板１２および可動板１３によって形成されるところの金型キャビティ１１内に導入される。
【００４５】
本発明においてはキャビティ開放時においても金型内の機密性を維持することが望ましい。本実施の金型においては、カウンタープレッシャー用の高圧ガスを電磁弁２０の開放によって流路１８よりシリンダー１０に導入し、固定金型４６におけるシール用ピストンリング１を突き出すことでピストンリング表面１Ａを対峙する可動金型４５における突き当てリング２上の突き当て面２Ａに押し当て、Ｏリングによってシールすることができる。さらにキャビティの端面を形成する外周リング５も同様に高圧ガスが導入口１７を経てシリンダー９内に注入されることで固定金型４６側に押し出されるので、キャビティ容積の拡大時においても溶融樹脂がキャビティ１１より漏れることはない。そして本実施例の金型においては、カウンタープレッシャー導入時にキャビティ１１と固定金型４５と可動金型４６の突き当て面１Ａ，２Ａの間に密閉空間８が存在する。溶融樹脂に溶けきらないカウンタープレッシャーのガスは容易に該密閉空間８に滞留できるので成形品表面が膨れる等の問題が発生しない。
【００４６】
本実施例の金型においては、キャビティ１１外に設けられたガス圧センサー４によって該密閉空間８における圧力を測定することができる。滞留するガスの圧力をモニターすることで、後述のように発泡状態をフィードバック制御することが可能となる。ガス圧センサー４はキャビティ１１外の密閉空間であれば設置可能なので製品表面に悪影響を与えることはない。本実施例においては固定および可動金型のパーティングライン下にガス圧センサー４を設けた。該センサー４は可動金型表面より凹んだところに設置してあるため、パーティングラインが閉鎖時も傷つくことがない。本実施例の金型においては固定板１２および可動板１３内に図示しない温調回路が設けられている。本発明において金型温調の制御温度Ｔｍは任意であるが、Ｔｇ−４５℃≦Ｔｍ≦Ｔｇ−５℃であることが望ましい。本実施例においてはＴｇ−２５℃となる１２５℃とした。
【００４７】
本発明においては、金型の圧縮動作前にゲートを物理的に遮断することが望ましい。本実施例においては、成形機の可動プラテン１５内に内蔵されたエジェクターピストン３９により円筒状のゲートカットパンチ３が突き出される。カットパンチ３内には高圧ガスが進入しないように可動板１３とはＯリング４０で封止される。
【００４８】
次に、本発明における成形プロセスについて図３〜図８を用いて説明する。
【００４９】
まず、図３に示すように固定および可動金型のあわせ面であるパーティングライング（ＰＬ）面７を開く。ＰＬ開き量Ｔは任意であるがＬ／Ｔが２０以下程度に開くことが望ましい。２０以上になると厚み方向に対する流動長が長くなり充填時の樹脂内圧力差が大きくなり圧縮による圧力均一化効果により矯正することが困難になるからである。より望ましくはＬ／Ｔが１０以下になるようにＰＬ面を開くことが望ましい。それによりスキン層の発生が抑制され、より発泡倍率が向上する。本実施例における金型のキャビティは内径φ１５ｍｍ外径φ１２０ｍｍの円盤形状であり最終製品厚みは１．１ｍｍであるが、ＰＬ面の開き量Ｔを４．５ｍｍ、キャビティ厚みｔを５ｍｍとして開いた。その際における流動長はゲート５６の形成されるφ１５ｍｍのカットパンチ３外径部よりおよそ２０ｍｍであり製品厚みと同等の１．１ｍｍ厚とした場合の５２．５ｍｍの１／２以下となる。そしてＬ／Ｔはおよそ４となる。ＰＬ面を開かず同様な樹脂量を充填した際におけるＬ／Ｔはおよそ４７でありＬ／Ｔは１／１０と大幅に小さくなる。
【００５０】
ＰＬ面開放と同時に、カウンタープレッシャー装置より５ＭＰａのＣＯ２ガスを金型内に流路１６，１７，１８より導入した。シリンダー９，１０に注入された高圧ガスによりシール用ピストンリング１と外周リング５それぞれは突き出し、それぞれ対峙する金型に密着する。そして注入孔６よりガスがキャビティ１１内に導入される。その際任意の型締め圧ＰをかけてＰＬ開き量Ｔが一定になるよう制御するのが望ましい。本実施例では開き量Ｔを４．５ｍｍに維持した。
【００５１】
ガスが金型内に充満し、金型同士がシールされたところで図４に示すように、物理発泡剤の溶解した溶融樹脂５６をキャビティ１１内に充填時間０．１ｓにて充填した。保圧はゼロとした。本発明における成形方法においては保圧をかける必要がなく、また保圧をかけずに充填時間を短くした方が、圧縮までのタイムラグを短縮できるので望ましい。溶融樹脂はシャットオフノズルの先端５４より金型のスプール５５を経て充填される。その際も任意の型締め圧Ｐ１をかけてＰＬ開き量Ｔが一定になるよう制御するのが望ましい。本実施例ではＰＬ開き量Ｔを４．５ｍｍに維持するようにした。
【００５２】
次いで、図５に示すように成形機のエジェクターピストン３９をＰ４の駆動力で前進させ可動金型のカットパンチ３を突き出すことによってゲートを切断した。これにより、型締め時に圧力がゲートから逃げることを防止することができる。また、ゲートを構成する部材（スプールなど）に所定の径を確保して強度を高めることができる。更に、ゲート付近を非発泡にし、発泡の結果、金型の開き時の樹脂の破損を防止することができる。カットパンチは射出完了直後に駆動するのが望ましく、本実施例においては遅延ゼロで行った。本発明においては、該カットパンチを温調し冷却速度を制御することでその周囲の発泡状態を制御することができる。本実施例の金型においてはカットパンチ内に冷却回路を有しているが、本実施例では温調なしで成形した。またゲートカットまでカウンタープレッシャーガスの圧力は金型内にかけつづけ、一定圧力を維持した。多少シール部よりガスがリークしたとしても圧力をかけつづけることでリークによるキャビティ内減圧が抑制できる。
【００５３】
次いで、図６に示すように型締め圧Ｐ２を４０トンかけて圧縮を行いＰＬ面の距離Ｔ’を短縮していった。その際カットパンチ３の先端と固定金型との距離が一定になるように、圧縮量の増加分にあわせにエジェクターピストン３９の駆動力Ｐ４’を制御しカットパンチ３を後退させた。また本実施例においては、圧縮開始時に電磁弁２２、２３を閉鎖することで金型キャビティ１１内へのガス供給を停止した。さらに図７に示すようにＰＬ面７を閉鎖し圧縮を完了させた。本実施例におけるＰＬ面７閉鎖時におけるキャビティ厚みｔ１は０．５ｍｍとした。本発明においては圧縮効果をあげスキン層が成長する前に樹脂内圧をあげるために、圧縮時間は１．０ｓ以下と短くすることが望ましく、０．５ｓ以下にすることがより望ましい。本実施例においては圧縮ストローク４．５ｍｍを０．２ｓにて圧縮した。また本実施例では圧縮完了時のガス圧センサー４における最大到達圧力は凡そ２０ＭＰａであった。
【００５４】
本実施例においては圧縮完了後に、電磁弁２０〜２３をすべて開放した。それと同時に位置制御により型開きを行った。本実施例において、型開きは図９の成形プロセスのタイムチャートに示す減圧工程のように行った。図９に示す通り圧縮完了後、０．１ｓ遅延にてＰＬ開き量がＴ１である０．６ｍｍになりキャビティ厚みｔ２が製品厚みである１．１ｍｍになるまで多段式に開いた。遅延時間により、発泡をキャビティ１１内の樹脂の粘性が上がった後で行い、発泡セルが結合して大型になることを防止することができる。上述したように、制御部７０は、センサー４の検出結果に基づいて遅延時間を制御することができる。
【００５５】
減圧工程は途中の再圧縮工程も入れて計１ｓとした。本発明において、減圧方法は任意であるが、キャビティ厚み方向における溶融張力を均一化するためステップ式に減圧することが望ましい。より望ましくは、本実施例のように再圧縮工程を入れることで、粘度及び溶融張力の低いコア層中心部における発泡セルの急激な拡大を抑制することができる。
【００５６】
本実施例における成形品を、液体Ｎ２を利用して切断しゲート付近（内径より３ｍｍ離れたところ）と流動端部（外径より３ｍｍ内側）における発泡状態をＳＥＭにて観察した。それぞれにおけるスキン層の厚みは１００μｍ程度とほぼ均一であった。またそれぞれの測定個所において、厚み方向にはスキン層近傍と発泡層中心部における２ヶ所にて計４箇所における１ｍｍ角の断面積を観察し平均発泡セルを求めた。本実施例における発泡成形品の平均発泡セルは８μｍであり、そのばらつきは２μｍであった。また未発泡品に対する発泡率（軽量化率）は４８％であり誘電率の低減率は３５％（測定周波数、１ＧＨｚ）であった。比重のばらつきは１％であった。また引っ張り強度維持率は６５％であった。内径部分におけるスキン層の厚みは０．２ｍｍであった。
【００５７】
【実施例２】
カットパンチ３を３０℃にて温調した以外は実施例１と同様な設備を用い同様な方法で射出成形を行い微細発泡体を得た。発泡体の内径部分におけるスキン層の厚みは７ｍｍであった。実施例１と同様に成形体の内径をスピンドルに挿入し１万回転にて回転させたところ、内径部に破断は生じなかった。本実施例の発泡体は内径の強度がＢｌｕ−ｒａｙ等の表面入射光ディスクやプラスチックハードディスク等の回転体として用いた場合も軽量化を図りながら十分な強度を有することがわかった。該発泡体の軽量化率は３０％であり、スキン層を除いた部位における平均発泡セルは１３μｍであった。
【００５８】
【実施例３】
本実施例の制御系は、制御部７０が、後述するガス圧センサー４からの検出結果を得て、可動プラテン１５によるキャビティ１１の圧力、圧縮時間、圧縮速度、脱圧速度、脱圧時間等を制御する。また、図１に示すように、スクリューが接触しないノズル先端に樹脂圧センサー６０を設け、溶融樹脂の圧力を検出し、かかる検出結果に基づいて制御部７０は、溶融樹脂に溶解する物理発泡剤の濃度が一定になるように制御することが好ましい。具体的には、制御部７０は、電磁弁２４及び２５を制御して超臨界流体の供給量を調節したり、スクリュー３５の回転数を調節したりする。かかる方法により、計量時における物理発泡剤の溶解した樹脂量および溶解度を安定化することができる。
【００５９】
圧縮時にガス圧センサー４により計測した最大ガス圧力を脱圧のタイミングにフィードバックした以外は実施例１と同様な成形を行った。最大圧力の変動幅は平均の２０ＭＰａに対し、±３％であった。３％変動時に圧縮遅延時間が最大０．１ｓ変化するように毎ショットフィードバック制御した。本実施例における比重の変動は０．２％であった。
【００６０】
【比較例】
圧縮時に電磁弁２３を開放し圧縮と同時にキャビティよりガスをすべてリークした以外は実施例１と同様に成形を行った。本比較例の平均発泡セルは４５μｍで軽量化率は３５％であった。誘電率低減率は２５％であり引っ張り強度維持率は５５％であった。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、熱可塑性樹脂の発泡状態が均一で微細な発泡セルを有するとともに発泡率の高い熱可塑性樹脂発泡体、及び、それの射出成形による製造方法及び装置を提供することができると共に、上記高発泡倍率の発泡体を安定量産化できる熱可塑性樹脂発泡体の製造方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一側面としての射出成形機の断面図である。
【図２】図１に示す射出成形機に使用される金型の拡大断面図である。
【図３】本発明の製造方法の一ステップを説明するための図１に示す射出成形機の断面図である。
【図４】本発明の製造方法の一ステップを説明するための図１に示す射出成形機の断面図である。
【図５】本発明の製造方法の一ステップを説明するための図１に示す射出成形機の断面図である。
【図６】本発明の製造方法の一ステップを説明するための図１に示す射出成形機の断面図である。
【図７】本発明の製造方法の一ステップを説明するための図１に示す射出成形機の断面図である。
【図８】本発明の製造方法の一ステップを説明するための図１に示す射出成形機の断面図である。
【図９】本発明の製造方法のタイミングを示すグラフである。
【図１０】本発明の制御系を示すブロック図である。
【符号の説明】
３              ゲートカットパンチ
４              ガス圧センサー
５              外周リング
８              密閉空間
９、１０        シリンダー
１１            キャビティ
１５            可動プラテン
２４、２５      電磁弁
３２            超臨界流体発生装置
３５            スクリュー
３９            エジェクターピストン
４７            金型
４８            可塑化射出装置
４９            物理発泡剤供給装置
５０            カウンタープレッシャー供給装置
５５            スプール
６０            樹脂圧センサー
７０            制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004167777.tif 000010
【図９】
2004167777.tif 000011
【図１０】
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