(57)【要約】【課題】生産効率がよく、収縮によるヒケや内部欠陥の生じやすい成形品の下部においても問題の少ない成形体を効率よく製造できるポリアミド樹脂成形体の製造方法を提供する。【解決手段】少なくとも一方に開口を有するモールドＭと前記開口に挿入される加圧ピストン１４からなる製造装置１０および下部において空洞部を有する芯材を用い、モールドＭ中に芯材２をセットして芯材２の空洞部２２に気体を残留させた状態で重合性ラクタム液をモールドＭ内に注型し、加圧ピストン１４で加圧・加熱して重合し、冷却して脱型する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形体内部に芯材を埋設した芯材入りポリアミド樹脂成形体の製造方法において、少なくとも一方に開口を有するモールドと前記開口に挿入される加圧ピストンからなる重合装置を用い、モールド中に芯材をセットした状態で、モールド下部に空洞部を設け、該空洞部内に気体が残留するように実質上無水のラクタムに少なくともアニオン重合触媒とアニオン重合開始剤とを加えた重合性ラクタム液を注型し、加圧ピストンを開口に挿入するとともに加圧・加熱して重合し、重合が完了した後に脱型することを特徴とする芯材入りポリアミド樹脂成形体の製造方法。
【請求項２】
芯材の中にモールドと連通する空洞部を設けており、重合性ラクタム液を注型した際に前記空洞部に気体が残留するようにした請求項１記載の芯材入りポリアミド樹脂成形体の製造方法。
【請求項３】
脱型した後、所定サイズにカットする工程を含む請求項１または２記載のポリアミド樹脂成形体の製造方法。
【請求項４】
芯材に固定するとともにモールドに当接する芯材ガイドを用いて芯材をセットする請求項１から３までのいずれかに記載の芯材入りポリアミド樹脂成形体の製造方法。
【請求項５】
成形体内部に芯材を埋設した芯材入りポリアミド樹脂成形体の製造装置において、少なくとも一方に開口を有するモールドと前記開口に挿入される加圧ピストンからなる重合装置であり、芯材に空洞部を設けるとともに芯材の下部においてモールド内のキャビティに連通させていることを特徴とする芯材入りポリアミド樹脂成形体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は中に芯材を埋設したポリアミド樹脂成形体の製造方法および製造装置に係り、詳しくは比較的高負荷および高温下で使用されるギア、ローラ、車輪などを用途とする芯材を有するポリアミド樹脂成形体を加圧成形する方法において、重合時の成形体の収縮によるヒケなど欠陥や外径の収縮といった問題の発生を防止することができるポリアミド樹脂成形体の製造方法および製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリアミド樹脂成形体は、軽量化や無給油運転や静音化等を目的として金属製ギア、ローラ、車輪などの代替品としてしばしば用いられている。しかし、極めて高負荷の条件で用いたり、通常の条件下でも長期に使用したりすることによって限界を越え、ポリアミド樹脂部と軸との境界に存在するキー溝部から破壊することがあった。
【０００３】
このためポリアミド樹脂の軽量であるとともにメンテナンスフリーで長期にわたって使用できるという特長を生かしながらボス部のみは金属のものを用いる構造のものが提案されている。このポリアミド樹脂部に金属ボス部を固定する方法として、冷間圧入による方法や加熱膨張させたポリアミド樹脂部を金属ボス部に圧入する方法（焼嵌法）、ビスによって機械的に固定する方法などが一般に行われていた。
【０００４】
しかしながら、これらの方法は夫々問題点を有している。まず冷間圧入法と焼嵌法では、金属ボス部との間の固定力が弱く、短期間のうちに金属ボス部とポリアミド樹脂部との間にズレが生じてしまうことがあった。
【０００５】
また、高温下におけるポリアミド樹脂の熱膨張、長時間の使用による応力緩和によってポリアミド樹脂部の抱き付き力は低下し、固定力はさらに弱くなるかビスなどによる固定ではビス穴への応力集中によってポリアミド樹脂部が破壊しやすくなる。また製品形状によってはビスの取り付けができないことも往々にしてある。これを避けるために製造時の圧入代、焼嵌代を大きめに取ると樹脂側に過大な歪みが生じ、所定の大きさに加工する際や部品として使用している時に、その歪みが原因で破壊してしまうこともあった。
【０００６】
更に、ポリアミド樹脂部を金属に冷間圧入して、金属を加熱して両者を融着一体化する方法においては、加工工数が多くて製品が高価になる問題があった。
【０００７】
このため、低コストの方法として、金型内にローレット加工を施した金属補強材を支持台に設置した後、重合性ラクタム液を注型して成形したが、重合過程で発生する収縮により重合体と金属補強材がずれることによってこの間に隙間が発生し、またヒケが発生して良品がとれない問題が発生した。
【０００８】
更に、重合が完了した後に成形体を脱型する場合、金型を反転していたが、成形体が支持台に抱き付くことがあって、成形体の脱型に時間を要していた。
【０００９】
そこで特許文献１や特許文献２に示されるように芯材を挿入配置したモールド内に重合性ラクタム液を注型して、ピストンによってラクタム液を加圧しながら重合するといった方法が提案されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−１２７６１７号公報
【特許文献２】
特開２０００−３３４７５０号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、加圧することによって重合時の収縮を少なくすることができヒケなどが原因による不良の発生を抑えることができるが、長尺品の成形の場合はこの方法によっても、まだピストンで加圧する反対側の端部において十分に加圧されずにヒケが発生するといった問題があった。
【００１２】
本発明は、このような諸問題を解決し、ポリアミド樹脂の利点を生かした軽量で無給油にて長期に渡って使用でき、ポリアミド樹脂成形体の脱型を容易に、かつ重合不足やヒケ発生を少なくし、そしてポリアミド樹脂と補強材との結合力を維持したポリアミド樹脂成形体の製造方法の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために請求項１では成形体内部に芯材を埋設した芯材入りポリアミド樹脂成形体の製造方法において、少なくとも一方に開口を有するモールドと前記開口に挿入される加圧ピストンからなる重合装置を用い、モールド中に芯材をセットした状態で、モールド下部に空洞部を設け、該空洞部に気体が残留するように実質上無水のラクタムに少なくともアニオン重合触媒とアニオン重合開始剤とを加えた重合性ラクタム液を注型し、加圧ピストンを開口に挿入するとともに加圧・加熱して重合し、重合が完了した後に脱型することを特徴とする。
【００１４】
このようにモールド内の下部に気体が残留するように重合性ラクタム液を注型して加圧することによって、空洞部に重合性ラクタム液が流れ込んでモールド内の気体が圧縮される。そして、重合中に収縮が始まっても圧縮された気体が膨張して重合性ラクタム液が押し戻されて逆流すると共に加圧されて、成形品にヒケなどの欠陥や外径の収縮などが生じなくなる。
【００１５】
請求項２では、芯材の中にモールドと連通する空洞部を設けており、重合性ラクタム液を注型した際に前記空洞部に気体が残留するようにした芯材入りポリアミド樹脂成形体の製造方法としている。
【００１６】
芯材に空洞部を設けることによって、該空洞部内に容易にラクタム液を流入させて空気などの気体を残留・圧縮することができる。
【００１７】
請求項３では脱型した後、所定サイズにカットする工程を含んでおり、加圧重合によって長尺の成形体を成形しておき、後に必要サイズにカットすることによって製造の効率を上げ、コストを低減することができる。
【００１８】
次ぎに請求項４では、芯材に固定するとともにモールドに当接する芯材ガイドを用いて芯材をセットする。
【００１９】
芯材を、ガイドを用いてモールドにセットすることによって芯材のポリアミド中での正確な位置を確保することができる。
【００２０】
請求項５では成形体内部に芯材を埋設した芯材入りポリアミド樹脂成形体の製造装置において、少なくとも一方に開口を有するモールドと前記開口に挿入される加圧ピストンからなる重合装置であり、芯材に空洞部を設けるとともに芯材の下部においてモールド内のキャビティに連通させていることを特徴とする。
【００２１】
このような製造装置を用いることによって、空洞部に重合性ラクタム液が流れ込んでモールド内の気体が圧縮される。そして、重合中に収縮が始まっても圧縮された気体が膨張して重合性ラクタム液が押し戻されて逆流すると共に加圧されて、成形品にヒケなどの欠陥や外径の収縮などが生じなくなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の製造方法によって得られたポリアミド樹脂成形体の平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００２３】
本発明の方法により製造されるポリアミド樹脂成形体１は、例えば図１及び図２に示すようなポリアミド樹脂部４の中心に芯材２を配置した円盤体であり、金属製の芯材２の外周面３に例えばローレット加工の様な芯材と樹脂との間で回転するのを防止する構造が施されていてもよい。また、ポリアミド樹脂部４には、後の機械加工により歯部が、金属製の芯材２の中心部には貫通孔が形成され（それぞれ図示しない）、高負荷用のギアとして使用される。
【００２４】
図３は本発明の製造方法において金型内に芯材を設置し注型したところの断面図、図４は本発明の製造方法において加圧して重合しているところの断面図、そして図５は成形体を脱型しているところの断面図を示す。
【００２５】
上記ポリアミド樹脂成形体１を製造する際に使用する成形装置１０は、図３に示すように、アルミ、鉄等からなる熱伝導率が高く円筒形状のジャケット部１２とジャケット部１２の内径ほぼ同じの外径を有する円柱状の底部１１とからなるモールドＭと、やはりジャケット部１２の内径とほぼ同じ外径を有する加圧ピストン１３からなり、モールドＭ内には底部１１とジャケット部１２で形成されるキャビティ１４を有している。
【００２６】
また、上部の開口から前記ジャケット部１２の内径と同じ外径の加圧ピストン１３が挿入されるようになっていて、加圧ピストン１３は油圧シリンダなどの加圧手段に接続されており、キャビティ１４内を加圧できるようになっている。底部１１および加圧ピストン１３の周囲にはパッキン１５が装着されており重合性ラクタム液が漏れないようになっている。
【００２７】
この成形装置１０のキャビティ１４の、前記成形体１の厚み方向に相当するサイズが成形体１の厚みよりも長尺になっており、重合して得られた中間成形体１６をカットすることによって一度に複数の成形体１を得られるようになっている。
【００２８】
成形装置についてもう少し詳しく述べれば、例えばジャケット部は内径が５０〜１１０ｍｍで高さが１０００〜１３００ｍｍ、底部はパッキンの外径が５０〜１１０ｍｍ、また加圧ピストンはパッキンの外径が５０〜１１０ｍｍであるものを用いておりジャケット部の壁内部が中空になっていて加熱したオイルや蒸気などを通すことによって温調できるようになっている。
【００２９】
続いて長さ９００ｍｍで上端部付近に棒状の芯材ガイドを芯材と直角方向に装着した芯材を、底部とジャケット部によって形成されたキャビティ内にセットし、キャビティの上部開口からミキシングした重合性ラクタム液を芯材の上端よりも１００〜１５０ｍｍ上程度まで注型する。
【００３０】
次に加圧ピストンを下降させてキャビティ内に挿入し、加圧し、重合完了まで３０〜１６０分その状態で保持した。加圧ピストンとともにジャケット部を上昇させて、内部の中間成形体を脱型し所定厚みにカットしてギアとなる成形体４０枚を得ることができる。
【００３１】
この成形装置１０を用いた本発明のポリアミド樹脂成形体の重合方法を説明する。ここではギア用途に用いる所定の厚みを有する円筒状の成形体を成形する手順を例に挙げて説明することにする。
【００３２】
まず、成形装置１０のキャビティ１４内の中央に厚み方向に長尺の芯材２をセットする。ジャケット部１２を予備加熱し１００〜１８０℃に温度調整した後、上部の開口から実質上無水のラクタムに少なくともアニオン重合触媒とアニオン重合開始剤とを加えた重合性ラクタム液１７を注型する（図３）。
【００３３】
芯材２には、重合性ラクタム液１７を注型する際に下側に位置する部位に開口２０を有する通路２１でキャビティ１４内に連通した空洞部２２を有しており、キャビティ１４内に重合性ラクタム液１７を注型すると前記空洞部２２内に空気が残留したままキャビティ１４に重合性ラクタム液が注がれることになる。
【００３４】
ここで上記ω−ラクタムは脱水タンク内において減圧下で脱水して実質上無水の状態にした後、窒素などの不活性気体で置換される。脱水タンク中のω−ラクタムは、計量されて２つの注型タンクへ入れられ、その後所定量のアニオン重合触媒がω−ラクタムの入った一方の注型タンクに、また所定量のアニオン重合開始剤がω−ラクタムの入った他方の注型タンクに投入されるように構成されていてもよい。
【００３５】
続いて、上部の開口から加圧ピストン１３を下降させてキャビティ１４内に挿入しラクタム液１７の表面に到達した後さらに少し下降してラクタム液１７を加圧した状態にする。このときの加圧は２ＭＰａ以上で行うことが好ましい（図４）。また、重合時に加圧ピストン１３でラクタム液が加圧されることによって、空洞部２２内に残留した空気も加圧されることにより空洞部２２内に重合性ラクタム液１７が一部流れ込む。
【００３６】
加圧した状態で、３０〜１６０分経過すると重合が完了する。キャビティ１４内で重合が進行するにつれて、キャビティ１４内の成形体は収縮を開始する。特に加圧ピストン１３にて上から加圧されている場合は、その反対側になる下側において加圧が十分でないことが多く、成形体の収縮量が大きくなってヒケなどが生じるといった問題が起こりやすい。
【００３７】
本発明では、芯材に空洞部２２を形成しており、該空洞部２２に気体を残留させた状態で重合性ラクタム液が流入するように構成され、重合性ラクタム液が流入することによって圧縮された気体によって、逆に重合性ラクタム液が押し戻されて逆流しキャビティ１４内に流れ込んで、重合時の収縮によって生じた空隙を埋めることができるのでヒケなどの問題や外径の収縮といった問題を解消することができるものである。
【００３８】
重合が完了して冷却した後、底部１１とジャケット部１２の固定を開放しジャケット部１２のみ上昇させまたは加圧ピストン１３を更に押し下げ、重合が完了した中間成形体１６を脱型する（図５）。
【００３９】
脱型後にその中間成形体１６を所定サイズにカットすることによってギア用途の成形体１を得ることができる。実際にギアにするには芯材２の周囲のポリアミド樹脂部分をギア形状に加工することになる。
【００４０】
加圧ピストン１３による重合ラクタム液への加圧はであるが、２ＭＰａ未満であると、加圧が不十分で成形体にヒケなどの収縮が発生しやすくなるので好ましくない。
【００４１】
芯材２に設ける空洞部２２の容量は注型した重合性ラクタム液量の０．５〜１０％の範囲とすることが好ましく、０．５％未満では加圧することによって蓄えられる空気の圧力や、空洞部に流れ込むラクタム液の量が少なすぎて、収縮を十分に補うことができない。また、１０％を超えると空洞内に残留するラクタム液量が多くなりすぎて経済的でないことから好ましくない。
【００４２】
また、空洞部２２の開口２０の位置はキャビティ１４内のより下方に設けることが好ましいが、最も底になる箇所から全高さの２０％程度のところまでに設けることによって本発明の目的を果たすことができる。そして開口２０の大きさは０．２５ｃｍ２以上とすることが好ましい。０．２５ｃｍ２未満であると開口部が重合の初期で固化してしまい、キャビティ内の圧力が低下しても空洞内のラクタム液が逆流できないことがあり好ましくない。
【００４３】
また、以上の説明では空洞部２２は芯材２の内部に設けているが、それに限られるものではなくジャケット部１２に設けてもかまわない。
【００４４】
芯材２のキャビティ１４内へのセットであるが、底部１１の中央に円錐形の突起２３を設けるとともに長尺の芯材２の底面に図６に示すように円柱形状の孔２４を設けることによって、その両者の嵌め合いによって芯材２を中心に配置することができる。また、図７に示すような端部がジャケット部１２の壁面に沿う曲面を呈しているとともに中心に孔２５を有した棒状の芯材ガイド１８を準備し、芯材の頂部に設けた円柱状の突起２６を設けてこの孔２５と突起２６を嵌め合うことによって位置を固定することができる。
【００４５】
このような形態を採ることによって芯材２のポリアミド樹脂に対する同芯度を確保することができる。芯材ガイド１８はこの形態に限らず例えば底部１１に設けた凹部をもって芯材ガイドとし、芯材をその凹部に装着することによって芯材を固定する方法をとっても構わない。また、凹部に装着するのと棒状の芯材ガイドを用いる方法を併用することも可能である。
【００４６】
本発明で使用する上記ラクタムは、実質上無水のα−ピペリドン、ε−カプロラクタム、ω−ラウロラクタム、ω−エナントラクタム、カプリルラクタム、ω−デカノラクタム、ω−ウンデカノラクタム等あるいはこれらの２種類以上の混合物であり、工業的に有利なラクタムはε−カプロラクタムとω−ラウロラクタムである。
【００４７】
また、本発明で使用するアニオン重合触媒は、水素化ナトリウム、水素化リチウム、ナトリウム、カリウム等公知のラクタムの重合触媒を使用することができ、その添加量はラクタムに対して０．１〜２．０モル％である。
【００４８】
そして、アニオン重合開始剤としては、例えばＮ−アセチル−ε−カプロラクタム、イソシアネート、ジイソシアネート、尿素誘導体、ウレタン、イソシアヌレート誘導体であり、その添加量はラクタムに対して０．０５〜１．０モル％の範囲が好ましい。
【００４９】
上記製造方法では、アニオン重合触媒をラクタムに添加し溶解した後、アニオン重合開始剤を注型時または注型後に添加混合する方法、またはアニオン重合触媒を含むラクタムとアニオン重合開始剤を含むラクタムとを注型時または注型後に添加混合する方法によって調整する。
【００５０】
また、ラクタムの重合は１００〜２１０℃の温度で実施可能であるが、好ましくは１３０から１８０℃である。
【００５１】
尚、本発明方法を実施するに際して、上記成分以外に重合を阻害しない油類、ワックス、ステアリン酸カルシウム等の滑剤や、カーボン繊維、ガラス繊維などの補強材を添加することも可能である。
【００５２】
以下、芯材に空洞部を設けたものを用いた本発明方法の実施例と、空洞部を設けていない芯材を用いた比較例によって本発明の効果を確認した。
【００５３】
【実施例】
（実施例）
実施例としては図５に示すような装置であり、ジャケット部の内径が９０ｍｍで、鉄製の芯材の外形が６０ｍｍ、長さが９００ｍｍで、空洞部の内径が２０ｍｍ、長さが１５０ｍｍで、通路として芯材の底面に幅１０ｍｍ、深さ５ｍｍの溝を対角線上に２ヶ所設けたものを用いた。注型した重合性ラクタム液の量は４Ｌ、ピストンでの加圧面圧は２０ＭＰａにて成形を行った。
【００５４】
原料としては、ε−カプロラクタムを脱水した後、脱水タンク中のε−カプロラクタムが計量されて２つの注型タンクへ入れられ、一方の注型タンクへ１．２５０ｇ、他方の注型タンクへ１．２５０ｇいれた後、一方の注型タンクへ４．０ｇの水素化ナトリウム（６３％油性）を添加して溶解させ、更に他方の注型タンクへ５．６ｇトリフェニルイソシアヌレートを添加した。この間、注型タンク内を大気圧下で窒素を流しつつ、更に重合性ラクタム液を１２５℃まで昇温しながらミキシングしたものを用いた。
【００５５】
（比較例）
比較例としては空洞部が設けられていない芯材を用いた以外は、実施例と同様にして成形を行った。
【００５６】
その結果、実施例では上部において外径がφ８８．１５ｍｍ、下部において外径が８７．８０ｍｍであり、モノマーキャスティングナイロン中の欠陥が無い成形品を得ることができたのに対して、比較例では上部において外径がφ８８．１５ｍｍ、下部において外径が８７．１５ｍｍであり、モノマーキャスティングナイロン中に１箇所欠陥を有すると共に下部表面には微小な凹凸を有する成形品が得られた。
【００５７】
本発明の実施例では空洞部を設けることにより、空洞部内に流れ込んだ重合性ラクタムが圧縮された空気によって押し戻される用に構成しており、成形品の下部におけるヒケなどの問題を低減することができるということがわかる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明は上記の目的を達成するために請求項１では成形体内部に芯材を埋設した芯材入りポリアミド樹脂成形体の製造方法において、少なくとも一方に開口を有するモールドと前記開口に挿入される加圧ピストンからなる重合装置を用い、モールド中に芯材をセットした状態で、モールド下部に空洞部を設け、該空洞部に気体が残留するように実質上無水のラクタムに少なくともアニオン重合触媒とアニオン重合開始剤とを加えた重合性ラクタム液を注型し、加圧ピストンを開口に挿入するとともに加圧・加熱して重合し、重合が完了した後に脱型することを特徴とする。
【００５９】
このようにモールド内の下部に気体が残留するように重合性ラクタム液を注型して加圧することによって、空洞部に重合性ラクタム液が流れ込んでモールド内の気体が圧縮される。そして、重合中に収縮が始まっても圧縮された気体が膨張して重合性ラクタム液が押し戻されて逆流すると共に加圧されて、成形品にヒケなどの欠陥や外径の収縮などが生じなくなる。
【００６０】
請求項２では、芯材の中にモールドと連通する空洞部を設けており、重合性ラクタム液を注型した際に前記空洞部に気体が残留するようにした芯材入りポリアミド樹脂成形体の製造方法としている。
【００６１】
芯材に空洞部を設けることによって、該空洞部内に容易にラクタム液を流入させて空気などの気体を残留・圧縮することができる。
【００６２】
請求項３では脱型した後、所定サイズにカットする工程を含んでおり、加圧重合によって長尺の成形体を成形しておき、後に必要サイズにカットすることによって製造の効率を上げ、コストを低減することができる。
【００６３】
次ぎに請求項４では、芯材に固定するとともにモールドに当接する芯材ガイドを用いて芯材をセットする。
【００６４】
芯材を、ガイドを用いてモールドにセットすることによって芯材のポリアミド中での正確な位置を確保することができる。
【００６５】
請求項５では成形体内部に芯材を埋設した芯材入りポリアミド樹脂成形体の製造装置において、少なくとも一方に開口を有するモールドと前記開口に挿入される加圧ピストンからなる重合装置であり、芯材に空洞部を設けるとともに芯材の下部においてモールド内のキャビティに連通させていることを特徴とする。
【００６６】
このような製造装置を用いることによって、空洞部に重合性ラクタム液が流れ込んでモールド内の気体が圧縮される。そして、重合中に収縮が始まっても圧縮された気体が膨張して重合性ラクタム液が押し戻されて逆流すると共に加圧されて、成形品にヒケなどの欠陥や外径の収縮などが生じなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法によって得られるポリアミド樹脂成形体の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の製造方法に用いる製造装置に芯材をセットしラクタムを注型したところの断面図である。
【図４】本発明の製造方法に用いる製造装置で重合しているところの断面図である。
【図５】本発明の製造方法に用いる製造装置から脱型しているところの断面図である。
【図６】芯材の底面図である。
【図７】芯材ガイドの平面図である。
【符号の説明】
１    ポリアミド樹脂成形体
２    芯材
３    外周面
４    ポリアミド樹脂部
１０  製造装置
１１  底部
１２  ジャケット部
１３  加圧ピストン
１４  キャビティ
１５  パッキン
１６  中間成形体
１７  重合性ラクタム液
１８  芯材ガイド
２０  開口
２１  通路
２２  空洞部
２３  突起
２４  孔
２５  孔
２６  突起
【図１】
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【図２】
2004224008.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004224008.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004224008.tif 000008
【図７】
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