(57)【要約】【課題】熱可塑性樹脂の粉粒体を融着させて多孔質焼結成形体を成形する焼結成形方法において、加熱時間及び冷却時間を短縮し、製造効率を向上させる。【解決手段】金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を、二酸化炭素雰囲気下で加熱して融着させ、大気下で冷却する。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を、二酸化炭素雰囲気下で加熱して融着させ、大気下で冷却することで、多孔質焼結成形体とすることを特徴とする熱可塑性樹脂の焼結成形方法。
【請求項２】
密閉可能な金型を用い、熱可塑性樹脂の粉粒体と共に二酸化炭素を封入した金型を加熱器で加熱するか、又は、開口部を有する金型と密閉可能な容器を用い、金型を二酸化炭素を封入した容器に入れて容器ごと加熱器で加熱することで、金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を二酸化炭素雰囲気下で加熱することを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性樹脂の焼結成形方法。
【請求項３】
ガス給排口を有する金型を用い、金型内に加熱した二酸化炭素を供給するか、又は、開口部を有する金型とガス給排口を有する容器を用い、金型を収容した容器内に加熱した二酸化炭素を供給することで、金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を二酸化炭素雰囲気下で加熱することを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性樹脂の焼結成形方法。
【請求項４】
熱可塑性樹脂の粉粒体に予め二酸化炭素を吸収させておくことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱可塑性樹脂の焼結成形方法。
【請求項５】
金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を、加熱した後、二酸化炭素雰囲気下において融着させ、大気下で冷却することで、多孔質焼結成形体とすることを特徴とする熱可塑性樹脂の焼結成形方法。
【請求項６】
ガス給排口を有する金型を用い、金型内に二酸化炭素を供給するか、又は、開口部を有する金型とガス給排口を有する容器を用い、金型を入れた容器内に二酸化炭素を供給することで、加熱した熱可塑性樹脂の粉粒体を二酸化炭素雰囲気下におくことを特徴とする請求項５に記載の熱可塑性樹脂の焼結成形方法。
【請求項７】
予め二酸化炭素を吸収し、しかも金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を、加熱して融着させ、大気下で冷却することで、多孔質焼結成形体とすることを特徴とする熱可塑性樹脂の焼結成形方法。
【請求項８】
ガス給排口を有する金型を用い、金型内に熱風を吹き込むことで、金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を加熱することを特徴とする請求項６に記載の熱可塑性樹脂の焼結成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱可塑性樹脂の粉粒体を融着させて多孔質焼結成形体を成形する焼結成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱可塑性樹脂の粉粒体を加熱して融着させた多孔質焼結成形体の焼結成形方法としては、熱可塑性樹脂の粉粒体を金型に充填し、金型に充填された熱可塑性樹脂粉粒体を金型ごと加熱して融着させ、金型形状に沿った多孔質焼結成形体とする方法が知られている（特開平９−５７０２９号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、多孔質焼結成形体の焼結成形においては、急激に加熱すると、金型に接する粉粒体が集中的に加熱され、表面は融着していても、内部の融着が不十分となったり、表面の融着が過度となって、気孔率が低下してしまうことが生じる。また、急激に冷却すると、金型に接する表面と内部の温度差が大きくなり、表面が固化した後に内部の冷却収縮を生じることで、内部に大きな空隙を生じ、均一な気孔分布が得られなくなる。
【０００４】
従来、熱可塑性樹脂の粉粒体を、金型と共にその融点を超える温度にまで加熱した後、金型と共にその固化温度以下の温度まで冷却しており、しかも上記の理由から、加熱も冷却も徐々に行わなければならないことから、成形サイクルが長くなって、製造効率が悪い問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、熱可塑性樹脂の粉粒体を融着させて多孔質焼結成形体を成形する焼結成形方法において、加熱時間及び冷却時間を短縮し、製造効率を向上させることができるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１は、上記目的のために、金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を、二酸化炭素雰囲気下で加熱して融着させ、大気下で冷却することで、多孔質焼結成形体とすることを特徴とする熱可塑性樹脂の焼結成形方法を提供するものである。
【０００７】
上記本発明の第１は、密閉可能な金型を用い、熱可塑性樹脂の粉粒体と共に二酸化炭素を封入した金型を加熱器で加熱するか、又は、開口部を有する金型と密閉可能な容器を用い、金型を二酸化炭素を封入した容器に入れて容器ごと加熱器で加熱することで、金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を二酸化炭素雰囲気下で加熱すること、
ガス給排口を有する金型を用い、金型内に加熱した二酸化炭素を供給するか、又は、開口部を有する金型とガス給排口を有する容器を用い、金型を収容した容器内に加熱した二酸化炭素を供給することで、金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を二酸化炭素雰囲気下で加熱すること、
熱可塑性樹脂の粉粒体に予め二酸化炭素を吸収させておくこと、
をその好ましい態様として含むものである。
【０００８】
また、本発明の第２は、金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を、加熱した後、二酸化炭素雰囲気下において融着させ、大気下で冷却することで、多孔質焼結成形体とすることを特徴とする熱可塑性樹脂の焼結成形方法を提供するものである。
【０００９】
上記本発明の第２は、ガス給排口を有する金型を用い、金型内に二酸化炭素を供給するか、又は、開口部を有する金型とガス給排口を有する容器を用い、金型を入れた容器内に二酸化炭素を供給することで、加熱した熱可塑性樹脂の粉粒体を二酸化炭素雰囲気下におくことをその好ましい態様として含むものである。
【００１０】
更に本発明の第３は、予め二酸化炭素を吸収し、しかも金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を、加熱して融着させ、大気下で冷却することで、多孔質焼結成形体とすることを特徴とする熱可塑性樹脂の焼結成形方法を提供するものである。
【００１１】
上記本発明の第３は、ガス給排口を有する金型を用い、金型内に熱風を吹き込むことで、金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を加熱することをその好ましい態様として含むものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明で用いる粉粒体は、一般にパウダー状又はビーズ状のもので、得られる多孔質焼結成形体の用途に応じて粒径が適宜選択される。例えばワイシャツの襟芯地、プリンタのインク吸収体、車両燃料タンクのフィルター、冷蔵庫の野菜室用調湿シート、サインペンのインク誘導芯、印刷用インクローラーのインク吸収体などに用いられる多孔質焼結成形体の成形には、通常、パウダー状の粉粒体を用いることが好ましく、例えば上下水道の水処理用曝気槽の散気板又は散気筒、水道蛇口の気泡器などに用いられる多孔質焼結成形体の成形には、通常、ビーズ状の粉粒体を用いることが好ましい。
【００１３】
パウダー状粉粒体は、形状が不規則な粒子の集合体で、通常、平均粒径が２０〜５００μｍ程度のものが用いられる。ビーズ状粉粒体は、略球形の粒子の集合体で、通常、平均粒径が０．１〜２ｍｍ程度のものが用いられる。
【００１４】
上記粉粒体を構成する熱可塑性樹脂に特に制限はないが、良好に使用できるのは、非結晶性熱可塑性樹脂、非結晶性熱可塑性樹脂が主成分の熱可塑性樹脂ポリマーアロイ、結晶化度が低い結晶性熱可塑性樹脂である。非結晶性熱可塑性樹脂の具体例としては、ポリスチレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ゴム強化ポリスチレン、スチレン−メチルメタクリレート共重合体、ＡＢＳ樹脂、スチレン−メチルメタクリレート−ブタジエン共重合体などのスチレン系樹脂、ポリメチルメタクリレート、メチルメタクリレート−スチレン共重合体などのメタクリル樹脂、ポリビニルアセテート、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリスチレンなどを配合した変性ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリ塩化ビニル、塩化ビニル−エチレン共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体などの塩化ビニル系樹脂などを挙げることができる。また、これらの非結晶性熱可塑性樹脂のブレンド物、これらの非結晶性熱可塑性樹脂に結晶性熱可塑性樹脂を配合した樹脂、更には無機又は有機の各種充填材を配合したものでも良い。
【００１５】
粉粒体を構成する熱可塑性樹脂は、製造する多孔質焼結成形体の用途に応じて選択すれば足るが、例えば、上下水道の水処理用曝気槽の散気板又は散気筒用にはポリプロピレン又はＡＢＳ樹脂、サインペンのインク誘導芯用にはポリフッ化ビニリデン、水道蛇口の気泡器用にはポリメチルメタクリレート、印刷用インクローラーのインク吸収体用にはポリアミド、ワイシャツの襟芯地、プリンタのインク吸収体、車両燃料タンクのフィルター及び冷蔵庫の野菜室用調湿シート用には高密度ポリエチレンを好ましく用いることができる。
【００１６】
本発明は、上記粉粒体を金型に充填し、加熱して融着させるときに、二酸化炭素を介在させて熱可塑性樹脂に吸収させる一方、冷却は大気下で行い、二酸化炭素を放出させるようにしている点に大きな特徴を有する。
【００１７】
二酸化炭素は、熱可塑性樹脂に吸収されやすい性質を有し、しかも吸収されることで、当該熱可塑性樹脂の融点及び固化点を低下させる働きをなす。ここで、本明細書において、固化点とは、非結晶性熱可塑性樹脂ではガラス転移温度、結晶性熱可塑性樹脂では結晶化開始温度をいう。また、非相溶系ポリマーアロイにおいては、海島構造の海を構成する樹脂のガラス転移温度又は結晶化開始温度である。結晶性樹脂の結晶化開始温度は、示差熱量計を用いて樹脂を焼結温度まで加熱し溶融させた後、２０℃／分の速度で冷却し、樹脂の結晶化による発熱が最初に認められる温度とする。
【００１８】
粉粒体を金型に充填し、加熱して融着させるときに、二酸化炭素を介在させて熱可塑性樹脂に吸収させると、二酸化炭素によって熱可塑性樹脂の融点及び固化点が下がり、低い加熱温度にて粉粒体を融着可能な状態にすることができる。従って、金型に充填した粉粒体の加熱時にゆっくり昇温させても、高温にまで加熱する必要がないことから、加熱時間を短縮することができる。また、このようにして加熱し、融着させた粉粒体の冷却を大気中で行うことにより、加熱時に吸収された二酸化炭素は大気中に放出され、熱可塑性樹脂本来の融点及び固化点に戻って融点及び固化点が上がり、低温にまで冷却しなくても固化させることができるので、ゆっくり降温させても冷却時間を短縮することができる。
【００１９】
本発明は、加熱して融着させるときの加熱のし方及び二酸化炭素の介在のさせ方により３つに分けることができる。以下、この４つの方法を説明する。
【００２０】
（１）第１の方法
第１の方法は、金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を、二酸化炭素雰囲気下で加熱して融着させ、大気下で冷却することで、多孔質焼結成形体とする方法である。この方法には、加熱器による加熱を行う方法と、加熱した二酸化炭素によって加熱する方法とがある。更に、加熱器による加熱を行う方法には、密閉可能な金型を用いる方法と、開口部を有する金型と密閉可能な容器を用いる方法とがあり、加熱した二酸化炭素によって加熱する方法には、ガス給排口を有する金型を用いる方法と、開口部を有する金型とガス給排口を有する容器を用いる方法とがある。
【００２１】
加熱器による加熱を行う方法は、加熱時に粉粒体と接触する二酸化炭素の圧力制御と加熱温度制御が行いやすい利点がある。
【００２２】
密閉可能な金型用いて加熱器による加熱を行う方法は、大きな多孔質焼結体を成形する場合に適した方法で、この密閉可能な金型中に、前記熱可塑性樹脂の粉粒体を充填すると共に、二酸化炭素を封入した後、金型を例えばオーブンなどの加熱器に入れて金型ごと加熱する方法である。
【００２３】
この方法によれば、必要最小限の二酸化炭素量にて、確実に二酸化炭素と接触した状態で粉粒体を加熱することができる。粉粒体が二酸化炭素と接触した状態で加熱されるので、前記粉粒体への二酸化炭素の吸収による融点及び固化温度が低下した状態で粒子相互を融着させることができ、低い加熱温度での融着が可能となる。
【００２４】
金型への二酸化炭素の封入は、金型内の圧力が２ＭＰａ以上となるように二酸化炭素を充填することが好ましい。二酸化炭素の充填圧力が低すぎると、二酸化炭素による融点及び固化点の低下作用が得にくくなる。金型内への二酸化炭素の充填圧力が高いほど粉粒体への二酸化炭素の吸収量が増大し、融点及び固化温度の低下も大きくなり、より低い加熱温度での融着が可能になるので好ましいといえるが、過剰に充填圧力を高くすると、金型の密閉構造を維持しにくくなることから、実用的な上限は８ＭＰａ程度である。また、金型内への二酸化炭素の充填に際しては、金型内の空気を二酸化炭素に置換することが好ましいが、二酸化炭素の充填圧力が高い場合には、金型内への空気の残留は無視することもできる。
【００２５】
上記粉粒体と共に二酸化炭素を封入した金型を加熱器で加熱した後は、金型を加熱器から出し、金型内の二酸化炭素を放出して、金型内を大気に曝した状態で冷却を行う。金型内から二酸化炭素が放出され、金型内が大気に曝されると、加熱されて表面が溶融した粉粒体に吸収されていた二酸化炭素が放出され、これによって、粉粒体の融点及び固化点が二酸化炭素の溶解前の温度まで上昇する。従って、加熱後の冷却は、特に二酸化炭素の放出によって上昇した固化点以下の温度まで冷却すれば足る。
【００２６】
開口部を有する金型と密閉可能な容器を用いて加熱器による加熱を行う方法は、小さな多孔質焼結体を成形する場合に適した方法で、前記熱可塑性樹脂の粉粒体を充填した金型を二酸化炭素を封入した密閉可能な容器に入れ、この容器を例えばオーブンなどの加熱器に入れて容器ごと加熱する方法である。開口部を有する金型の例としては、円柱状の多孔質焼結体を成形するための金型で、一端又は両端が開放された円筒状の金型などを挙げることができる。特にこの方法の場合、粉粒体を充填した金型を複数容器に入れることで、同時に複数の多孔質焼結体の成形を行うことができる。
【００２７】
容器内への二酸化炭素の充填圧は、前記と同様の理由から、２〜８ＭＰａであることが好ましい。この開口部を有する金型と密閉可能な容器を用いた方法においても、容器内に充填された二酸化炭素を粉粒体と接触させた状態で加熱することができ、加熱温度を低く設定することができる。また、加熱後に容器を加熱器から出し、容器内の二酸化炭素を放出すると共に、容器内を大気に曝すことにより、二酸化炭素の放出によって上昇した固化温度を基準に冷却することができる。
【００２８】
加熱した二酸化炭素による加熱を行う方法は、ガス給排孔を有する金型又はガス給排口を有する容器を介して、加熱した二酸化炭素を循環させることで、二酸化炭素の循環利用を図りやすい利点がある。特に給排口を有する金型を用い、金型内に加熱した二酸化炭素を吹き込むと、粉粒体を直接加熱することができ、粉粒体全体を迅速に加熱することが可能となる。この方法においては、金型又は容器内の圧力が２〜８ＭＰａとなるよう、給排する二酸化炭素を制御することが好ましい。
【００２９】
ガス給排口を有する金型としては、例えばビーズ発泡成形用の金型に準じた構造の金型を用いることができ、ビーズ発泡成形における蒸気に代えて加熱した二酸化炭素を供給することで加熱することができる。ガス給排口を有する容器としては、ガスの供給と排出ができるものであれば、通常の耐熱耐圧容器を用いることができる。
【００３０】
加熱した二酸化炭素による加熱後は、前述と同様に、金型又は容器内の二酸化炭素を放出し、金型又は容器内を大気に曝して冷却を行う。
【００３１】
上述のいずれの方法においても、金型に充填する粉粒体に予め二酸化炭素を吸収させておくこともできる。例えば、２〜８ＭＰａの二酸化炭素雰囲気下に１〜２４時間放置しておいた粉粒体を金型に充填することにより、粉粒体への二酸化炭素の吸収による融点及び固化点の降下を促進させることができる。また、加熱器による加熱を行う方法において、粉粒体と共に２〜８ＭＰａで二酸化炭素を封入した金型、又は、金型と共に２〜８ＭＰａで二酸化炭素を封入した容器を、１〜２４時間そのまま放置し、粉粒体への二酸化炭素の吸収を図った上で加熱器に入れて加熱するようにしても良い。
【００３２】
（２）第２の方法
第２の方法は、金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を、加熱した後、二酸化炭素雰囲気下において融着させ、大気下で冷却することで、多孔質焼結成形体とする方法である。
【００３３】
この方法における加熱は、二酸化炭素を吸収させる前の粉粒体の融点未満の温度で行うことができる。即ち、この加熱後、粉粒体を二酸化炭素雰囲気に置くことで粉粒体に二酸化炭素が吸収されると、粉粒体の融点及び固化点が下がり、粉粒体の表面が溶融して融着させることができる。特に本方法の場合、二酸化炭素が浸透しやすい粉粒体の表面部分の融点及び固化点を選択的に降下させて溶融させることができ、過剰な粉粒体の溶融を防止しやすい利点がある。
【００３４】
粉粒体の加熱と、その後の二酸化炭素との接触は、ガス給排口を有する金型を用い、この金型に粉粒体を充填した後、金型ごと加熱器に入れて加熱した後、金型のガス給排口を用いて金型内に二酸化炭素を供給することで行うことができる。また、開口部を有する金型を用い、この金型に粉粒体を充填した後、この金型を給排口を有する容器に入れ、容器ごと加熱器で加熱した後、給排口を用いて容器内に二酸化炭素を供給することでも行うことができる。金型又は容器内の二酸化炭素の圧力は、前述と同様に２〜８ＭＰａとすることが好ましい。また、二酸化炭素雰囲気下におく時間は、加熱温度や樹脂の種類によっても相違するが、１０〜４０分とすることが好ましい。
【００３５】
上記二酸化炭素雰囲気下において溶着を行った後、金型又は容器を大気に開放すると、粉粒体に吸収された二酸化炭素が放出されて、大きく温度を降下させることなく冷却固化させることができる。
【００３６】
（３）第３の方法
第３の方法は、予め二酸化炭素を吸収し、しかも金型内に充填した熱可塑性樹脂の粉粒体を、加熱して融着させ、大気下で冷却することで、多孔質焼結成形体とする方法である。この第３の方法は、前述の第１の方法において、二酸化炭素を十分吸収させた粉粒体を用い、金型又は容器内へ別途二酸化炭素を供給することなく加熱することでも行うことができる。
【００３７】
ところで、粉粒体に吸収させた二酸化炭素は、大気下で放出されることから、予め二酸化炭素を吸収させた粉粒体を使用する場合、できるだけ迅速に加熱することが好ましい。このため、予め二酸化炭素を吸収させた粉粒体を金型に充填して加熱する場合、ガス給排口を有する金型を用い、熱風を金型に吹き込んで加熱することが好ましい。このように、金型に熱風を吹き込んで加熱すると、粉粒体を直接加熱することができ、粉粒体に吸収されている二酸化炭素が放出される前に必要な温度に加熱することができる。
【００３８】
上記加熱後は、熱風の吹き込みを停止し、金型を大気下でそのまま放置して冷却しても良いが、金型内に空気を吹き込んで冷却すると、冷却時間をより短縮することができる。
【００３９】
【実施例】
実施例１
ポリメチルメタクリレートのビーズ（旭化成社製「デルペット８０Ｎ」・ガラス転移点１０５℃・平均粒径０．４ｍｍ・粒径分布０．１〜０．６ｍｍ）を用い、円柱状の多孔質焼結成形体の成形を行った。
【００４０】
上記ビーズを、内部形状が直径１０ｍｍ、長さ３０ｍｍの円柱状で、内部を金型外に開放する開口部を有する金型に１．５ｇ充填し、このビーズを充填した金型を密閉可能な容器に入れ、容器中に二酸化炭素を８ＭＰａの圧力で封入した後、容器をオーブンに入れて、ビーズを充填した金型を容器ごと８０℃で２０分加熱した。
【００４１】
上記加熱後、容器をオーブンから取り出し、容器を開放して自然放冷により成形品を６０℃まで冷却し、金型から成形品を取り出した。容器開放後成形品取り出しまでの冷却時間は約１０分であった。
【００４２】
得られた成形品について、表面を目視観察して過剰融着の有無を調べると共に、成形品を切断して空隙の有無を調べた。また、成形品を黒色の紙を敷いた板上に軽く打ち付け、ビーズの脱落状態から融着不良の有無を調べた。その結果、過剰融着、空隙及び融着不良はいずれも観察されず、良好な成形品であった。
【００４３】
実施例２
実施例１と同じビーズと金型を用い、実施例１と同様にビーズを充填した金型をガス給排口を有する容器に入れ、この容器を、二酸化炭素の封入を行うことなくオーブンに入れて、ビーズを充填した金型を容器ごと８０℃で２０分加熱した。
【００４４】
上記加熱後、容器をオーブンから出し、直ちに容器のガス供給口から容器中に二酸化炭素を供給して８ＭＰａの圧力で充填し、２分間保持した後、容器を開放して自然放冷により成形品を６０℃まで冷却し、金型から成形品を取り出した。容器開放後成形品取り出しまでの冷却時間は約１０分であった。
【００４５】
得られた成形品は、実施例１と同様の良好なものであった。
【００４６】
比較例１
実施例１と同様のビーズ、金型及び容器を用い、容器中へ二酸化炭素を封入しなかった以外は実施例１と同様の手順で成形を行った。
【００４７】
オーブンでの加熱温度を１５０℃、加熱時間を４０分とし、冷却は実施例１と同様の自然放冷とした。
【００４８】
得られた成形品について実施例１と同様の観察を行ったところ、過剰融着、空隙及び融着不良はいずれも観察されず、良好な成形品であったが、冷却時間は約６０分を要した。
【００４９】
比較例２
実施例１と同様のビーズ、金型及び容器を用い、容器中へ二酸化炭素を封入しなかった以外は実施例１と同様の手順で成形を行った。
【００５０】
オーブンでの加熱温度を１７０℃、加熱時間を２０分とし、冷却は実施例１と同様の自然放冷とした。
【００５１】
得られた成形品について実施例１と同様の観察を行ったところ、表面が一部過剰融着しており、表面の開孔状態が均一な成形品は得られなかった。
【００５２】
比較例３
冷却時に扇風機を用い、成形品を６０℃まで冷却する時間を１０分に短縮した以外は比較例１と同様にして成形を行った。
【００５３】
得られた成形品について実施例１と同様の観察を行ったところ、成形品内部に空隙が観察され、内部の気孔分布が均一な成形品は得られなかった。