(57)【要約】【課題】本発明は、発泡ガスを樹脂内に均一にし、効率的に発泡倍率が高い熱可塑性発泡樹脂成形品を成形できるスクリューを提供することを目的とした。【解決手段】シリンダーバレルに収容されて成形機の一部を構成し、樹脂が溶融状態である領域（計量部ＭＺ）が少なくとも１条以上のフライト７で構成されるスクリュー１であって、フライト７は蛇行形状を有し、そのフライト７同士によって溝８が形成され、その形成された溝８が蛇行形状を有する構成とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダーバレルに収容されて成形機の一部を構成し、樹脂が溶融状態である領域が少なくとも１条以上のフライトで構成されるスクリューであって、
前記領域は、前記フライトで構成される溝を有し、
前記フライトは、蛇行形状を有し、当該蛇行形状によって、前記溝が蛇行していることを特徴とするスクリュー。
【請求項２】
前記フライトの頂部は、一定角度の勾配を有していることを特徴とする請求項１に記載のスクリュー。
【請求項３】
前記フライトが構成する前記溝は、底部に比べ、開口側の幅が拡がっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスクリュー。
【請求項４】
前記溝は、前記底部が略円弧の凹状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスクリュー。
【請求項５】
スクリューの回転数が１００ｒｐｍ以上であって、
前記領域において、剪断速度が５００（１／ｓ）以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のスクリュー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂及び発泡剤等からなる発泡成形品を製造する押出成形機または射出成形機に用いられるスクリューに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インラインスクリュー式等の射出成形機は、熱可塑性樹脂等の材料を溶融及び可塑化し、成形品として成形するものである。詳しくは、熱可塑性樹脂は、射出スクリューの軸方向に形成された供給部、圧縮部、計量部において、加熱ヒータと射出スクリューの回転による剪断エネルギーにより溶融及び可塑化され、混練される。そしてその過程を経た熱可塑性樹脂が、金型内に射出され、熱可塑性樹脂成形体として成形される。
射出スクリューは、スクリューの全長に渡って螺旋状に巻かれたフライトを有するものであり、これまでスクリューに関して多くの工夫がされている。
【０００３】
また射出成形品の一つとして発泡成形品が公知である。発泡成形品は、原料樹脂に発泡剤を配合又は混合し、成形型内で樹脂を発泡させるものである。従来技術においては、このような発泡剤を配合して射出成形を行う場合についても、スクリューは前記した射出スクリューと同一のものが使用されていた。
【０００４】
このため、成形される熱可塑性発泡樹脂の素材や添加物によっては、いくつかの問題を生じる場合がある。すなわち、一般に、熱可塑性樹脂の融点に比べて発泡剤の分解温度は低い。そのため分解温度の低い発泡剤がスクリューの始点付近で分解し始める。この分解によって発泡ガスを生じるが、その発泡ガスは、ホッパー付近の未溶融率が高い熱可塑性樹脂に殆ど含浸されることなく、ホッパーを通じて外部にリークする。つまり、発泡剤の発泡ガスを効率的に有効利用できず、発泡倍率が高い熱可塑性発泡樹脂成形品を得ることができないという問題が生じていた。
【０００５】
特許文献１には、このような問題を解消する射出成形用スクリューが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１４５５９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の射出成形スクリューは、発泡ガスのリークを防ぐために、樹脂の供給側の溝の深さと、樹脂の完全溶融状態の領域（一般に計量部ＭＺと称されている）の溝深さの比（圧縮比）を低く（１．５以下）している。
これは、計量部の圧縮比を下げることにより前段側（ホッパー側）へのガスの押し出しを抑制することを意図したものである。
しかしながら、特許文献１の発明によると、シリンダーバレル内では、混練性が不足し、熱可塑性発泡樹脂内に発泡剤が充分に分散されず、発泡ガスが均一な気泡とならないという問題がある。従って、特許文献１に記載の方策によると、成形体内における気泡の分布や大きさが不均一となる。すなわち、従来技術によると、射出成形装置内で溶融樹脂に発泡剤を効率的に分散させることができず、発泡倍率が高い樹脂成形品を成形することが困難であった。
【０００７】
そこで本発明は、上述した欠点に鑑み、樹脂内に発泡ガスを均一にし、効率的に高発泡倍率の熱可塑性発泡樹脂成形品を成形できるスクリューを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、シリンダーバレルに収容されて成形機の一部を構成し、樹脂が溶融状態である領域が少なくとも１条以上のフライトで構成されるスクリューであって、前記領域は、前記フライトで構成される溝を有し、前記フライトは、蛇行形状を有し、当該蛇行形状によって、前記溝が蛇行していることを特徴とするスクリューである。
【０００９】
本発明におけるスクリューは、樹脂が溶融状態である領域に設けられたフライトによって樹脂が通過する溝が形成され、その溝を構成するフライト自体が蛇行形状を有する。つまり従来技術の溝に比べて、溝を通過する溶融樹脂がより混練される。また熱可塑性発泡樹脂成形であれば、溝の蛇行形状の影響を受けて、溶融された熱可塑性樹脂が充分に混練され、均一な微細ガスを熱可塑性樹脂内全体に分散させることができる。そのため、発泡倍率が高い成形品を得ることが可能となる。言い換えれば、発泡剤の増量を図らずとも効率的に発泡倍率が高い熱可塑性発泡樹脂成形品を成形することが可能となる。そのためコスト削減にも繋がる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記フライトの頂部は、一定角度の勾配を有していることを特徴とするスクリューである。
【００１１】
請求項２のスクリューは、フライトが一定角度の勾配を有するため、フライトを乗り越えてバレル内壁との間を通過する樹脂等に大きな剪断力を与える。詳細には、フライトの勾配を有した頂部が、溝と共に回転時に剪断力を発生させる。そのため、より混練性が増し、発泡剤及び発泡ガスが樹脂に均一に分散され、樹脂の発泡倍率が高くなる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記フライトが構成する前記溝は、底部に比べ、開口側の幅が拡がっていることを特徴とする射出成形用スクリューである。
【００１３】
請求項３のスクリューは、溝の底部に比べ、開口部の幅を拡げた構成とすることで、溝に樹脂が入り込みやすくなる。このため、樹脂等が供給される側の溝より狭い溝の構成である領域であっても、樹脂等は狭くなった溝に入り込みやすくなる。このことから樹脂は、溝の拡縮の影響を受けやすくなる。つまり溶融樹脂が混練されやすくなり、樹脂全体に発泡剤及び発泡ガスを分散することができる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記溝は、前記底部が略円弧の凹状であることを特徴とするスクリューである。
【００１５】
請求項４のスクリューは、溝の底部を略円弧の凹状とすることで、溶融樹脂等が中途で引っ掛からず、通過しやすくなる。そのため、溶融樹脂がフライトの溝内に長時間滞留することを防ぐことができる。つまり、スクリューの回転エネルギーによる樹脂焼けや、発泡剤が発泡を開始して発泡作用が終息してしまうことを防止することができる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、スクリューの回転数が１００ｒｐｍ以上であって、前記領域において、剪断速度が５００（１／ｓ）以上であることを特徴とするスクリューである。
【００１７】
従来から一般的な射出スクリュー等の剪断速度は３０（１／ｓ）〜１００（１／ｓ）程度であった。しかし、樹脂が溶融状態である領域において低い剪断速度であると、充分な混練が行われず、均一な発泡ガスを有する発泡倍率が高い熱可塑性発泡樹脂成形品を得ることができない。それに対して、請求項５のスクリューは、回転数を１００ｒｐｍ以上とすると、計量部の剪断速度が５００（１／ｓ）以上となり樹脂等が充分に混練され、均一な発泡ガスを有する発泡倍率が高い熱可塑性発泡樹脂成形品を得ることができる。つまり、樹脂における発泡倍率を高くするために、発泡剤の増量を図る必要がなく、コスト削減に繋がる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のスクリューは、樹脂が溶融状態である領域において、蛇行形状を有したフライトを設け、そのフライトによって蛇行した溝が形成され、溝内を通過する樹脂等に高い剪断力を与えることで、混練性が増し、均一な発泡ガスを有する高発泡倍率の熱可塑性発泡樹脂成形品を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に本発明の実施形態である射出成形用スクリュー１（射出スクリュー１とも言う）について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態である射出成形用スクリュー１を含む射出成形機１１を示す概略図である。射出成形機１１は、射出成形用スクリュー１とシリンダーバレル２と、加熱ヒータ３と、ホッパー５と、射出シリンダー（図示しない）とで構成されている。
射出成形機１１とは、ホッパー５から樹脂や発泡剤等の原料が供給され、モータ又は油圧ポンプ（図示しない）によって設定された回転数に射出スクリュー１が回転し、混練され、可塑化、溶融された樹脂組成物がシリンダーバレル２の先端から金型４に射出され、成形品を成形できるものである。
【００２０】
まず、原料として用いられる熱可塑性樹脂及び発泡剤について説明する。
発泡成形するに際して適用される熱可塑性樹脂材料は、射出成形、射出圧縮成形、射出発泡成形など一般的な射出スクリュー１で射出可能な樹脂で、特に限定されないが、ポリプロピレン，ポリエチレン，ポリスチレン、プロピレン／エチレンコポリマー等のポリオレフィン系樹脂等が挙げられる。
また、化学発泡剤としては特に限定されないが、アゾジカルボンアミド（有機化合物）や重炭酸ナトリウム等の重炭酸塩（無機化合物）等が挙げられる。
また、発泡性溶融樹脂には、化学発泡剤以外に、必要に応じて、公知の発泡助剤，発泡核剤，発泡成形安定剤，安定剤，紫外線吸収剤，酸化防止剤，帯電防止剤，滑剤，着色剤，難燃剤，架橋剤及び／又は充填剤を配合することができる。因みに、発泡助剤としては、例えば、ステアリン酸ナトリウム，ステアリン酸カルシウム，ステアリン酸マグネシウム，ステアリン酸カリウム，ステアリン酸亜鉛等のステアリン酸塩，モンタン酸（オクタコサン酸のことである）カルシウム，モンタン酸亜鉛等のモンタン酸塩等の高級脂肪酸金属塩，尿素もしくは尿素系化合物，パラフィン，その他ステアロアミド等が挙げられる。
発泡核剤としては、タルク，シリカ，炭酸カルシウム，ケイ酸カルシウム等の無機フィラー等が挙げられる。
【００２１】
次に、射出成形機１１におけるそれぞれの部材について説明する。
図１に示すように、シリンダーバレル２は、後述する射出成形用スクリュー１が収容されるもので、先端側に溶融された樹脂が射出される射出孔２２と後端側に樹脂等の原料が投入される投入口２３が設けられている。
またシリンダーバレル２の投入口２３には、樹脂や発泡剤等の材料を供給するホッパー５が設けられている。
【００２２】
加熱ヒータ３は、上記したシリンダーバレル２の周囲を覆うように設けられている。この加熱ヒータ３が、樹脂等の溶融を促進させる。
金型４は、成形の種類によって様々な形を有するが、シリンダーバレル２の先端部より溶融樹脂が充填される位置には、充填流路２４が設けられた凹状の受口２５が形成されている。なお、受口２５は、シリンダーバレル２の先端部が嵌り込む形状である。
【００２３】
射出スクリュー１は、本体部１２とチェックリング１３とで構成されている。本体部１２内部には、略中心にスプライン軸（図示しない）を有した略円筒形状で、本体部１２の先端部に雄ネジ（図示しない）が形成されている。前記一端部の雄ネジには、略円錐形に形成されたチェックリング１３が嵌合されている。
【００２４】
一方、他端部である射出スクリュー１の後端側は、射出シリンダーと繋がっており、射出スクリュー１をスプライン軸の軸方向に前後することができる。なお、射出シリンダーは、モータ又は油圧ポンプ（図示しない）の駆動によって稼動する。
ここでスプライン軸（図示しない）とは、射出成形用スクリュー１の回転は拘束するが、軸方向に移動自由な構成のものである。
【００２５】
また図１に示すように、射出スクリュー１の本体部１２には、フライト２１が螺旋状に設けられている。フライト２１同士に挟まれた溝１６には、樹脂等が通過する。このフライト２１は、切削加工により形成されている。
なお、本実施形態の射出スクリュー１は、軸方向に供給部ＦＺ、圧縮部ＣＺ、計量部ＭＺが形成されており、樹脂が完全溶融状態である領域を主に計量部ＭＺとしている。
【００２６】
また本実施形態の射出スクリュー１は、供給部ＦＺ及び圧縮部ＣＺにおいて、分解した発泡ガスがリークし難い構成としている。詳しく説明すると、供給部ＦＺにおける、樹脂が溶融し始める位置に一定長さのガスリーク防止部（図示しない）を任意の箇所に設ける。ガスリーク防止部とは、本体部１２とフライト２１とを合わせた径をＤとし、螺旋形状のフライト２１が１回転する際に進む長さをΔＬ（リード）とすると、ΔＬ／Ｄ＜１であるフライト２１が設けられた部位である。供給部ＦＺにおけるその他の箇所はΔＬ／Ｄ＝１とする。つまり、このような構成とすることで射出スクリュー１とシリンダーバレル２との間で、発泡ガスの充満率が高まり、半溶融状の樹脂によってガスが含浸及び封止され、リーク防止作用が強まる。そして、樹脂がさらに混練され、完全な溶融状態となると、計量部ＭＺで発泡剤及び発泡ガスがさらに樹脂内に分散される。
【００２７】
本実施形態の射出スクリュー１では、樹脂が完全溶融状態の領域、つまり計量部ＭＺでの射出スクリュー１の構成に特徴がある。次に、これについて詳しく説明する。なお、計量部ＭＺにおけるフライト７及び溝８は、上記したフライト２１及び溝１６と構成が異なるため、便宜上番号を変更している。
【００２８】
計量部ＭＺでは、図２の射出スクリュー１の展開図が示すように３条のフライト７があり、これらのフライト７の間で図２の網掛け部が示す溝８が螺旋状に形成されている。そのフライト７の螺旋角度（射出スクリュー１の本体部１２と垂直な角度から半時計周りの角度）は、３０度〜７５度とするが、好ましくは４５度〜６０度である。
またそれぞれのフライト７は、それ自身が蛇行形状を有しており、フライト７が構成する溝８も蛇行している。
【００２９】
本実施形態では、フライト７の幅ｔと溝８の幅ｗの関係は、フライト幅ｔが、溝幅ｗの１倍〜５倍とするが、好ましくは３倍〜４倍である。それぞれの前記幅は、一定値を維持する。
また、図３に示すようにフライト７の頂部１４は、一定角度の勾配αを有している。本実施形態の勾配αは、フライト７の幅方向で、射出スクリュー１の先端に向かって上り勾配αを有する構成で、その勾配αは３％〜１２％で，好ましくは４％〜８％とする。ここでの勾配αとは、（変位した高さΔｈ）／（フライト７の幅ｔ）である。なお、勾配αを算出するにあたって、後述する角度θの勾配は無視する。
【００３０】
また、上記した構成以外に、溝８を構成するフライト７の側面は、図３に示すように、一定角度θの勾配を有している。その角度θは、７度〜１２度で、好ましくは１０度程度である。さらに、溝８の底は略円弧の凹状である。
このような構成を有するため、計量部ＭＺを通過する樹脂等は、供給部ＦＺ及び圧縮部ＣＺよりも溝幅が狭い構成であっても溝８に入り込みやすい。そのため、溝８の拡縮の影響を受けやすく、発泡ガスは溶融した樹脂に含浸されやすい。また、底が略円弧状であるため、樹脂等がスムーズに通過し、溝８内で樹脂等が無駄に長時間滞留することを防止できる。つまり、このことによる射出スクリュー１の剪断エネルギーによる樹脂の樹脂焼けや、発泡剤が発泡を開始して発泡が終息してしまうことを防止することができる。
【００３１】
このように、射出スクリュー１を上記した構成とすることで、表１に示すように、スクリューの回転数に比例して、計量部ＭＺにおける剪断速度が大きく上昇する。具体的には、スクリューの回転数を１００ｒｐｍ以上とすると、剪断速度が５００（１／ｓ）以上となる。さらに、このうちスクリューの回転数を２００ｒｐｍ以上としたときに最も好ましい発泡成形品を得ることができる。詳しくは、計量部ＭＺでの剪断速度が１０００（１／ｓ）以上となり、樹脂内に気泡径が微細且つ安定した発泡ガスが均一に分散される。つまり、本実施形態の射出スクリュー１を用いれば、スクリューの回転数を１００ｒｐｍ以上に上げても樹脂を充分に混練することができる。そして、その結果成形された熱可塑性発泡樹脂成形品は、混練により微細にされた発泡ガスが樹脂内に均一に分散されているため、高発泡倍率とすることが可能である。
下記の表に示すように、具体的な発泡倍率は、２．０以上である。なお、ここで言う発泡倍率とは、（成形品の見かけの体積）／（原料樹脂重量）である。
【００３２】
一方、比較例としては、計量部ＭＺ以外の条件を実施例と同条件としたスクリューを用いる。そこで、スクリューには、従来技術である下記条件の射出スクリュー１を用いる。比較例には、一般的に用いられる汎用のスクリュー（比較例１）と、計量部ＭＺの一部にダルメージ型を用いたスクリュー（比較例２）と、計量部ＭＺの一部にバリア型を用いたスクリュー（比較例３）としている。
【００３３】
表１に示すように、各比較例では、計量部ＭＺにおける剪断速度は１３５〜６７０（１／ｓ）程度である。詳しくは、実施例と同じくスクリューの回転数を１００ｒｐｍ以上に上げると、それに比例して剪断速度の数値は緩やかに上がっていく。しかし、それらと略反比例するように発泡倍率は低下している。
【００３４】
従来のスクリューは、フライト２１同士により構成された溝幅が大きく、その溝幅に対するフライト２１の幅の比率も小さい構成が多い。そのため、回転数を上げるとそれに略比例して時間あたりの樹脂の押し出し量を増やす構成である。要するに、従来のスクリューでは、回転数を１００ｒｐｍ以上の高速回転にしても、計量部ＭＺにおいて、溶融された樹脂は充分混練されることがない。そのため、発泡ガスが樹脂内に均一に分散されず、スクリューの前方に押し出される。従って、従来技術のスクリューは、回転数を上げると剪断速度は僅かに上昇するが、発泡ガスを均一に分散できず、発泡成形品の発泡倍率を高くすることができない。具体的には、発泡倍率は１．０２〜１．８０程度であり、２．０以上にすることはできない。
【００３５】
実施例及び比較例において用いた成形機、金型、成形条件は以下の通りである。
使用射出成形機：ＥＣ−１６０（東芝機械（株）製）
スクリュー口径φ３６  Ｌ／Ｄ＝２２（Ｌはスクリューの有効長さである）
シリンダーバレル設定温度
供給部ＦＺ  １８０℃（摂氏１８０度）
圧縮部ＣＺ  ２００℃（摂氏２００度）
計量部ＭＺ  １９０℃（摂氏１９０度）
熱可塑性樹脂：ポリプロピレン  １００重量部
化学発泡剤：重炭酸ナトリウム      ３重量部
使用金型：３３０ｍｍ×１１６ｍｍ×１．５ｍｍ
【００３６】
上記した実施例及び比較例１〜３の実験結果を示した表である。
【表１】
2009297967.tif 000003
【００３７】
このことから、本実施形態の射出スクリュー１は、剪断速度の飛躍的向上により、同量の発泡剤を用いても計量部ＭＺにおいて効率的に発泡ガスを取り込むことが可能な構成である。つまり、供給部ＦＺにおいてガスリーク防止部を設け、ガスのリークを防止した構成にしても、計量部ＭＺで樹脂内に発泡ガスを含浸あるいは封止させることができなければ、本実施形態のような発泡倍率を高くした成形品を得ることができない。言い換えれば、発泡剤を増量しても、計量部ＭＺで効率的に樹脂内に取り込み、分散させることができなければ、原料が無駄になる懸念がある。
【００３８】
以上のことから、本実施形態の射出スクリュー１であれば、ガスリーク防止部によって確保された発泡ガスを、計量部ＭＺにおいて、効率的に樹脂内に取り込むことができ、ガス気泡が均一な高発泡倍率の熱可塑性発泡樹脂成形品を得ることができる。
【００３９】
上記実施形態の射出成形用スクリュー１は、本体部１２における供給部ＦＺ，圧縮部ＣＺ，計量部ＭＺが一体化した構成を示したが、本発明はこれに限定されるわけではない。
例えば、供給部ＦＺ，圧縮部ＣＺ，計量部ＭＺ毎にセグメントにして繋いだものや、ΔＬ（フライト２１が１回転する際に軸方向に進む長さ）／Ｄ（本体部１２とフライトを合わせた径）毎にセグメントにして繋いだ構成であっても構わない。その場合であっても、上記実施形態と同様に、供給部ＦＺにガスリーク防止部を設け、計量部ＭＺに上記した構成を備えることが必要である。
【００４０】
上記実施形態の射出成形用スクリュー１は、３条のフライト７で構成された計量部ＭＺを示したが、本発明はこれに限定されるわけではない。
例えば、２条であったり、４条のフライト７で構成された計量部ＭＺであっても構わない。しかし、上記した効果を得るためには、フライト７が３条より少ない場合は、フライト７の幅を大きくしたり、フライト７が１回転する際に進む長さΔＬを小さくする必要があり、フライト７が３条より多い場合は、フライト７の幅を小さくしたり、ΔＬを大きくする必要がある。
【００４１】
上記実施形態の射出成形用スクリュー１は、円柱状の鉄系素材等に上記実施形態に示したような溝を切削により形成し、フライト及び溝を形成したものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】射出成形機を示す概略図である。
【図２】射出成形用スクリューの計量部における展開図である。
【図３】図２に示す計量部のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    射出成形用スクリュー
２    シリンダーバレル
３    加熱ヒータ
４    金型
５    ホッパー
７    フライト
８    溝
１１    射出成形機
１２    本体部
１３    チェックリング
１４    頂部
１６    溝
α    勾配
θ    角度
【図１】
2009297967.tif 000004
【図２】
2009297967.tif 000005
【図３】
2009297967.tif 000006