(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂の冷熱サイクル射出成形において、ホットランナー金型を用い、かつホットランナーゲート部の樹脂を溶融状態に保持して成形する、８ｍｍ以上の厚さを有する成形品の製造方法であって、
加熱手段により金型温度を無充填樹脂の荷重たわみ温度〜融点＋２０℃に加熱した後、溶融樹脂を金型内に射出充填開始すると同時またはその０〜１０秒前に加熱手段から冷却手段に切り替えて、金型を加熱時の金型温度−１０℃以下に冷却し、成形サイクル時間を短縮することを特徴とする成形品の製造方法。
【請求項２】
前記冷却手段によって、金型を加熱時の金型温度−１００℃〜加熱時の金型温度−１０℃に冷却する、請求項１に記載された成形品の製造方法。
【請求項３】
前記冷却手段が、−１０℃〜荷重たわみ温度未満の温度の冷却媒体を金型へ流通させる冷却手段である、請求項１又は２に記載された成形品の製造方法。
【請求項４】
ホットランナーゲートの開閉手段を設け、少なくとも射出充填工程及び保圧工程の間はホットランナーゲートを開の状態にし、射出開始から少なくとも製品固化時間迄の間、ホットランナーゲート部の樹脂を溶融状態に保持する、請求項１〜３のいずれかに記載された成形品の製造方法。
【請求項５】
ホットランナーのゲートチップ、ボディおよびマニホールドの少なくとも一つを、加熱手段により射出開始から少なくとも製品固化時間迄の間加熱状態にして、ホットランナーゲート部の樹脂を溶融状態に保持する、請求項１〜３のいずれかに記載された成形品の製造方法。
【請求項６】
ホットランナー金型のキャビティ及び／又はコア部の周囲を断熱する、請求項１〜５のいずれかに記載された成形品の製造方法。
【請求項７】
前記熱可塑性樹脂が結晶性樹脂である、請求項１〜６のいずれかに記載された成形品の製造方法。
【請求項８】
前記結晶性樹脂がポリアセタール樹脂である、請求項７に記載された成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱可塑性樹脂の厚肉成形品の冷熱サイクル射出成形方法における成形サイクル時間の短縮方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱可塑性樹脂は比較的扱いやすいことからいろいろな分野にわたり広汎な用途に使用されている。しかしながら射出成形機を使用してこれらの材料の内部に中空構造を持たない厚肉成形品を得ようとした場合、成形する際の収縮からボイド（空隙）、ひけが発生し、製品の機械的・電気的耐久性低下、寸法不良等の不具合が発生する。そこでこれまでは射出成形を行う場合には、極力大きなゲートを設け、成形条件的にも高温金型、高保圧、低速射出といった過酷な条件で成形を行っていたが、それでも不良率を満足できるレベルまで低減することは困難であった。
しかもボイドは外観上その発生が確認できず、超音波あるいは、軟Ｘ線を用いて検査することは可能であったが、量産レベルでの全数検査方法は確立されてはおらず、ボイドの発生のない製品を得ることが要望されている。
また、これまでの射出成形法で成形された成形品は上記理由から巨大なゲートを設けざるをえず、成形後のゲートカットに特別な機械加工を必要としていた。
一方、特開平７−１４５９号公報及び工業材料、１９９８年、４６巻（Ｎｏ．４）、３６−３９頁には、高品質外観を得るために、樹脂充填時に金型温度を樹脂の軟化温度（又は熱変形温度）より高い温度に設定し、冷却工程において、金型を樹脂の軟化温度（又は熱変形温度）より低い温度に設定する冷熱サイクル成形が記載されている。しかし、この場合、成形品表面及びゲート部が急激に冷却されることによりゲートシール時間が短くなり、ボイドがさらに発生しやすくなるという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ボイド（空隙）、ひけ等の欠陥がなく、外観の良好な厚肉成形品を、簡便に、成形サイクルを短縮して、生産性よく、安定して成形する方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、射出成形機を使用した熱可塑性樹脂の厚肉成形において、ボイド（空隙）、ひけが発生することなく、経済的に効率よく、短い成形サイクルで厚肉成形品を得るべく鋭意検討した結果、はじめに金型温度を特定の温度に加熱した後、溶融樹脂を金型内に射出充填開始すると同時またはその０〜１０秒前に加熱手段から冷却手段に切り替えて、金型を特定の冷却温度に冷却することにより、成形サイクル時間を短縮できることを見い出し、さらに、ホットランナーゲートを固化させないために、ゲートの開閉手段を設けるかまたは設けない代りに、ゲートチップ、ボディ、又はマニホールドを、特定時間ないし常時、加熱状態に維持することにより、かかる問題点を解決しうることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【０００５】
すなわち本発明は、熱可塑性樹脂の冷熱サイクル射出成形において、ホットランナー金型を用い、かつホットランナーゲート部の樹脂を溶融状態に保持して成形する、８ｍｍ以上の厚さを有する成形品の製造方法であって、加熱手段により金型温度を無充填樹脂の荷重たわみ温度〜融点＋２０℃に加熱した後、溶融樹脂を金型内に射出充填開始すると同時またはその０〜１０秒前に加熱手段から冷却手段に切り替えて、金型を加熱時の金型温度−１０℃以下に冷却し、成形サイクル時間を短縮することを特徴とする成形品の製造方法である。
本発明においては、前記金型を加熱時の金型温度−１００℃〜加熱時の金型温度−１０℃に冷却することが好ましく、前記冷却手段は、−１０℃〜荷重たわみ温度未満の温度の冷却媒体を金型へ流通させる冷却手段であることが好ましい。
また、本発明においては、ホットランナーゲートの開閉手段を設け、少なくとも射出充填工程及び保圧工程の間はホットランナーゲートを開の状態にし、射出開始から少なくとも製品固化時間迄の間、ホットランナーゲート部の樹脂を溶融状態に保持すること、または、ホットランナーのゲートチップ、ボディおよびマニホールドの少なくとも一つを、前記加熱手段により射出開始から少なくとも製品固化時間迄の間加熱状態にして、ホットランナーゲート部の樹脂を溶融状態に保持することが好ましい。
本発明においては更に、ホットランナー金型のキャビティ及び／又はコア部の周囲を断熱することが好ましい。
前記熱可塑性樹脂は、結晶性樹脂であることが好ましく、前記結晶性樹脂は、ポリアセタール樹脂であることが更に好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳しく説明する。
本発明によって成形される成形品は、熱可塑性樹脂を使用して射出成形法により成形される。成形品の肉厚は厚さ８ｍｍ以上であり、この場合、通常の射出成形法（固定温度金型使用。）に比べて、効果が顕著である。厚さ８ｍｍ以上とは、実際の成形品の厚みは一般に不均一であるので、成形品の樹脂部分の厚みをどの方向からどの角度で計っても８ｍｍ以上である個所が部分的にでも有ることを意味する。
【０００７】
また、本発明では、熱可塑性樹脂としてはすべての熱可塑性樹脂が使用可能であるが、成形収縮率の大きいポリアセタール樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンサルファイト樹脂などの結晶性熱可塑性樹脂の方が効果が大きく、その中でもポリアセタール樹脂が最も効果的で、好ましく用いられる。
【０００８】
また、本発明に使用する熱可塑性樹脂には無機充填剤を配合することが出来る。かかる充填剤は、機械的強度、耐熱性、寸法安定性、電気的性質等の性能に優れた性質を得る観点から配合することが好ましく、特に剛性を高めるのに有効である。これらの無機充填剤としては、目的に応じて繊維状、粉粒状又は板状の充填剤が用いられる。繊維状充填剤としては、ガラス繊維、アスベスト繊維、カーボン繊維、シリカ繊維、シリカ・アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化硼素繊維、窒化硅素繊維、硼素繊維、チタン酸カリ繊維、更にステンレス、アルミニウム、チタン、銅、真鍮等の金属の繊維状物などの無機質繊維状物質が挙げられる。特に代表的な繊維状充填剤はガラス繊維である。尚、ポリアミド、フッ素樹脂、アクリル樹脂などの高融点有機質繊維状物質も使用することができる。
一方、粉粒状充填剤としては、カーボンブラック、黒鉛、シリカ、石英粉末、ガラスビーズ、ガラスバルーン、ガラス粉、硅酸カルシウム、硅酸アルミニウム、カオリン、タルク、クレー、硅藻土、ウォラストナイトの如き硅酸塩、酸化鉄、酸化チタン、アルミナの如き金属の酸化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムの如き金属の炭酸塩、硫酸カルシウム、硫酸バリウムの如き金属の硫酸塩、その他炭化硅素、窒化硅素、窒化硼素、各種金属粉末等が挙げられる。又、板状充填剤としては、マイカ、ガラスフレーク、各種金属箔等が挙げられる。これらの無機充填剤は１種又は２種以上併用することができる。繊維状充填剤、特にガラス繊維又はカーボン繊維と、粒状又は板状充填剤の併用は、特に機械的強度と寸法精度、電気的性質等を兼備する上で好ましい組み合わせである。
無機充填剤の添加量は樹脂材料全量に対し夫々４０重量％以下である。これより多いと成形加工性や靱性を害し好ましくない。特に好ましくは３０重量％以下である。  尚、本発明において使用する熱可塑性樹脂は、熱可塑性樹脂に一般的に添加される上記以外の公知の物質、すなわち、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤等の各種安定剤、帯電防止剤、難燃剤、難燃助剤、染料や顔料等の着色剤、潤滑剤、可塑剤及び結晶化促進剤、結晶核剤、離型剤、界面活性剤、帯電防止剤等を任意の組み合わせで配合することも勿論可能である。
【０００９】
本発明によって製造される、ボイドを持たずに８ｍｍ以上の厚さを有する成形品は、上記熱可塑性樹脂を使用して、いわゆる射出成形法によりホットランナー金型にて成形される。成形方法としては射出成形、射出圧縮成形その他の成形法が適用されるが、ハイサイクルのためには射出圧縮成形がより好ましい。
【００１０】
本発明では、射出成形は冷熱サイクル成形により行われる。
本発明では、初めに金型温度を無充填樹脂の荷重たわみ温度以上で融点＋２０℃以下、好ましくは１２０〜１７０℃に加熱した後、溶融樹脂を金型内に射出充填開始すると同時またはその０〜１０秒前、好ましくは１〜５秒前に加熱手段から冷却手段に切り替えて、金型を加熱時の金型温度よりも１０℃以上低い温度（即ち、金型温度−１０℃）、好ましくは加熱時の金型温度よりも１０℃〜１００℃低い温度（即ち、金型温度−１００℃〜金型温度−１０℃）に冷却する。
これにより、ボイド（空隙）、ひけ等の欠陥がなく、外観の良好な厚肉成形品を、成形サイクル時間を短縮して成形することができる。
本発明では、荷重たわみ温度は、充填剤の配合されていない樹脂（無充填樹脂ともいう。）の荷重たわみ温度のことであり、試験方法ＡＳＴＭ  Ｄ６４８により、荷重１．８２ＭＰａ時の値である。
【００１１】
本発明で、冷熱サイクル成形を行うために、金型温度を制御するための加熱手段又は冷却手段は、媒体を加熱、又は冷却して金型に流すか、予め所定の温度に設定された高温用媒体及び低温用媒体を切り替えて流すか、又は電熱ヒーター、クーラー等により直接金型を加熱、又は冷却する。また、これらを組み合わせ使用して金型を加熱、又は冷却してもよい。上記媒体としては、水、スチーム、油等が挙げられる。
本発明では、冷却手段として、−１０℃〜荷重たわみ温度、好ましくは−１０℃〜＋８０℃の温度の冷却媒体を金型へ流通させることが特に使用できる。
加熱して金型を昇温させるための媒体温度は一般には、加熱工程では高いほど、冷却工程では低いほど、また、その流量は多いほど効率が良い。電熱ヒーター、クーラーについては、電力密度が高いほど良い。制御する体積は小さいほど、熱伝導率は高いほど、周囲の断熱材は熱伝導率が低いほどよい。金型温調回路については金型強度上問題の無い範囲で数多く設けるほどよい。
また、成形品の取り出しは、金型の冷却中、昇温中、一定温度保持中のいずれの段階で行っても構わない。
【００１２】
金型の温度制御を速やかに行うためには、金型全体を加熱せずに、成形品に接するキャビティやコア部の面だけを加熱、冷却すればよいので、制御する体積を極力小さくし、周囲を断熱することもできる。このためには、従来から使用される断熱金型が使用できる。
【００１３】
図１は本発明の製造方法に使用するホットランナー金型の概略を示す一例である。この例では、ホットランナーゲートの開閉手段を設けずに、ホットランナーゲート部の樹脂を溶融状態に保持する。
溶融熱可塑性樹脂が、成形機ノズル５からホットランナー金型１１のマニホールド４、ボディ３、およびゲートチップ６を経て、ホットランナーゲート２より、金型１２内のキャビティ１に充填されると共に圧力を掛け続け、冷却、固化させて製品９が得られる。
マニホールド４、ボディ３、およびゲートチップ６の中の１以上が、外部ヒーター及び／又は内部ヒーター、例えばマニホールドヒーター８等により加熱及び必要により断熱材７により保温され、射出開始から少なくとも製品固化時間迄の期間、ないしは常時、加熱状態にしてホットランナーゲート部の樹脂を溶融状態に保持し、ホットランナーゲート２において樹脂が固化しないようにすることができる。
【００１４】
本発明の製造方法に使用するホットランナー金型の他の一例として、図２にホットランナーゲート２の開閉手段を設けた例を示す。ホットランナーゲート２に対する開閉手段として、具体的にはゲート開閉バルブ１３を使用して、ホットランナーゲート部の樹脂を溶融状態に保持すると共に圧力を掛け続ける。ゲート開閉バルブ１３は前後に移動させられて、ホットランナーゲート２が開閉される。
この場合、少なくとも射出充填工程の開始から保圧工程の終了迄の間は常時そのホットランナーゲートを開の状態にし、射出開始から少なくとも製品固化時間迄の間、ホットランナーゲート部の樹脂を溶融状態に保持し、ホットランナーゲート２において樹脂が固化しないようにして、キャヤビティ内の樹脂に成形時の保圧力がかかり続けるようにすることができる。
【００１５】
図１及び図２の例では、金型の加熱、冷却は媒体により行われる。高温温調機２１には温調された高温媒体が貯蔵されており、切替バルブユニット２３により金型に供給され、金型を充填工程に必要な温度に加熱し、低温温調機２２には温調された低温媒体が貯蔵されており、切替バルブユニット２３により金型に供給され、金型を冷却工程に必要な温度に冷却する。
【００１６】
本発明の特徴の一つは、ホットランナーゲートの樹脂を溶融状態に保つことにより、ホットランナーゲートの樹脂を早期に固化させないことにある。ホットランナーゲートの樹脂を溶融状態に保つ方法としては、前述のようにホットランナーゲートの開閉手段を設けても、設けずにゲートチップ、ボディ、マニホールドの少なくとも１以上を特定の期間ないし常時、ヒーターなどで加熱及び／又は断熱材により保温状態に維持することが効果的である。
加熱状態に維持する期間としては、射出開始から製品の肉厚の中心が固まるまでの時間（製品固化時間という。）以上であることが望ましく、常時でもよい。ここでいう製品の肉厚の中心が固まるまでの時間とは、射出開始を起点として、成形工程の射出・保圧時間を変化させて得られた成形品の重量変化が殆どなくなるまでの時間のことを指す。製品の肉厚の中心が固まるまでの時間よりも短い時間しか溶融状態に無い場合は、ひけを生じたり、ボイドが発生したりする不具合を生じやすくなる。
【００１７】
マニホールド、ゲートチップ及びボディの加熱条件は、金型構造、ホットランナーゲートを開閉する手段の使用の有無、ホットランナーのタイプ、加熱方法、使用する樹脂の種類や製品形状等により適宜変更することが好ましいが、通常は可塑化・計量した際の樹脂の温度が保たれる条件に設定することが望ましい。
【００１８】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
〔成形条件〕
成形機：（株）日本製鋼所製  Ｊ７５−ＥＰ
成形品肉厚：最大２０ｍｍ
ホットランナーシステム：世紀技研（株）製  ＳＴＴ−１３ＤＢＸ−９２Ｌ
成形温度：１９０℃射出速度：１ｍ／ｍｉｎ．保圧力：８０ＭＰａ
金型温度：８０℃一定（参考例１）または１３５℃一定（参考例２）；充填時１３５℃、冷却時４０℃（実施例１、比較例１）（表で１３５⇔４０と示す。）
樹脂材料：無充填ポリアセタール樹脂（ポリプラスチック（株）製  ジュラコンTMＭ９０Ｓ、融点１６５℃、荷重たわみ温度１１０℃（試験方法ＡＳＴＭ  Ｄ６４８による。荷重１．８２ＭＰａ））
金型温調機：（株）シスコ製ＴＵＲＢＵ  ＴＤＵ４Ｈ  ３４１  ｍａｘ温度１５０℃（水媒体）
金型キャビティはアルミ製とし、周囲を断熱板で覆っている。
成形品については、ボイドは軟Ｘ線で観察し、ひけ、外観は目視評価とした。
評価結果の表示
ボイドの有無について、○：無し、×：有り
ひけの有無について、○：無し、×：有り
外観について、○：良好（フローマーク無し）、×：フローマーク有り
【００１９】
［比較例１］
比較例１は機械的にゲートを開閉しないホットランナー方式を使用した例である。金型温度は、昇温時では１３５℃に設定した。また冷却工程では金型に４０℃の冷却媒体を流通させて冷却した。
図１に示すように、ゲートチップの加熱を継続した状態で、射出充填工程及び保圧工程を行い、射出充填工程のはじめから保圧工程の終了迄の間は、マニホールド、ボディ、ゲートチップの各温度が樹脂の溶融温度以上に保ち、冷却工程への切り替えのタイミングを射出充填完了直後にして、厚肉成形品を成形した。
得られた成形品について、ボイド、ひけ、外観、成形サイクルについて評価した。結果は表１に示す。
【００２０】
［実施例１］
冷却工程への切り替えのタイミングを射出開始より１０秒前にした他は、比較例１と同様に行った。得られた成形品について、ボイド、ひけ、外観、成形サイクルについて評価した。結果は表１に示す。
比較例１に比べて、明らかに成形サイクルが短縮されている。
【００２１】
［参考例１〜２］
金型を、表１に示す温度に固定して行った以外は実施例１と同様にした。
得られた成形品について、ボイド、ひけ、外観、成形サイクルについて評価した。結果は表１に示す。
金型温度が８０℃と低い場合には、外観が劣るものしか得られなかった。一方、金型温度が１３５℃と高い場合には、外観は改善されたが、成形サイクルは長くなり、実用的ではない。
【００２２】
【表１】
0004255045.tif 000002
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、通常の成形条件でも従来の成形方法では得られないひけ、ボイド等の製品の欠陥のない厚肉成形品を容易に経済的に、成形サイクル時間をより短縮して、効率よく生産することができる。
更に金型温度を加熱、冷却で変化させ、冷却工程の開始のタイミングを早めることにより、高品質外観を有する厚肉成形品を短い成形サイクルで得ることが出来る。
しかも、本発明によって得られる厚肉成形品は、ゲートの後処理が不要であり、少量多品種生産にも好適である。
また、内部にボイド等の欠陥を持たないため建材分野、産業機器分野、自動車分野や電気、電子分野の多くの用途に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用するホットランナー金型の構造の一例を示す略図である。
【図２】ホットランナーゲートを開閉する方法の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  キャビティ
２  ホットランナーゲート
３  ボディ
４  マニホールド
５  成形機ノズル
６  ゲートチップ
７  断熱板
８  マニホールドヒーター
９  製品
１０  ホットランナー金型
１１  金型
１３  ゲート開閉バルブ
２１  高温温調機
２２  低温温調機
２３  切替バルブユニット
【図１】
0004255045.tif 000003
【図２】
0004255045.tif 000004