(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリュー押出機中の樹脂に発泡剤を導入し、混練し、シリンダー部を経て金型中に溶融した樹脂を射出することにより微細な気泡が分散した微細発泡性材料を射出成形する方法であって、発泡剤が導入された樹脂が前記シリンダー部に７０分以上保持されたあと、金型中に射出されることを特徴とする、微細発泡性材料の射出成形方法。
【請求項２】
前記シリンダー部の温度を一定に保つ、請求項１に記載の微細発泡性材料の射出成形方法。
【請求項３】
押出機中の樹脂に刺激力を印加する、請求項１または２に記載の微細発泡性材料射出成形方法。
【請求項４】
刺激力が超音波である、請求項３に記載の微細発泡性材料の射出成形方法。
【請求項５】
前記発泡剤を前記樹脂中に導入する圧力が５０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ2である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の微細発泡性材料の射出成形方法。
【請求項６】
ホッパーから導入される溶融した樹脂を回転するスクリューにより混練して、シリンダー部を経て金型中に射出するスクリュー押出機と、
前記スクリュー押出機に発泡剤を導入する発泡剤供給装置と、
押出機から射出された樹脂の形状を決定する金型と
を具備してなる微細発泡性材料製造用押出成形機であって、
発泡剤を導入された樹脂が前記シリンダー部に７０分以上保持された後、金型中に射出されることを特徴とする、微細発泡性材料製造用押出し成形機。
【請求項７】
前記スクリューが、発泡剤が供給される位置からダイの方向に向かって、径が増大する形状を有してなる、請求項６に記載の微細発泡性材料製造用押出し成形機。
【請求項８】
スクリューの単位長さあたりのスクリュー径増分が０．０１〜０．１である、請求項７に記載の微細発泡性材料製造用押出し成形機。
【請求項９】
前記スクリュー押出機中の樹脂に刺激力を与える装置をさらに具備してなる、請求項６〜８のいずれか１項に記載の微細発泡性材料製造用押出し成形機。
【請求項１０】
刺激力を与える装置が超音波発生器である、請求項９に記載の微細発泡性材料製造用押出し成形機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂中に気泡が内在する発泡材料の射出成形方法および製造装置に関するものである。
【従来の技術】
【０００２】
材料母体中に気泡が内在する「発泡材料」は、いわば材料を気体で複合化することになり、使用原料の低減による省資源化のみならず、重量低減による軽量化などの多くの機能向上が期待することができる。
【０００３】
発泡材料の成形は、古いものでは機械的な攪拌による発泡を利用する方法、化学反応により発生するガスを利用する方法、樹脂中に分散している可溶性物質を溶出させて除去する方法、化学的または物理的発泡剤を利用する方法、およびその他の方法により行われており、これらは実際に実用に供されている。
【０００４】
発泡材料は、軽量性、断熱性、緩衝性、浮揚性、および電気的特性などに優れた性質を有するものであり、種々の分野でその用途がますます拡大している。
【０００５】
このような発泡材料は、一般に、原材料樹脂を混練し、引き続きダイスを通して成形することにより製造される。そして、この混練過程において発泡剤を注入することが一般的であり、このような方法により５０μｍ前後の径を有する気泡を樹脂材料中に均一に導入すること可能である。
【０００６】
しかしながら、従来の発泡材料、特に発泡プラスチック、は内部に存在する空隙により軽量なものとすることが可能であるが、逆にそれらの空隙が内部欠陥として作用するために強度低下を免れなかった。
【０００７】
このような材料に対して、１９８０年頃にマサチューセッツ工科大学において微小発泡プラスチックが発明されている。この微小発泡プラスチックは材料内部に潜在的に存在するクラック（一般に１０μｍ程度）よりも小さい微小気泡を導入することにより、その材料が本来有する機械的特性を低下させることがなく、原材料を低減することができるという特徴を有するセル構造体の一つである。さらにこの微小発泡プラスチックは、熱的、および電気的特性にも優れており、種々の用途が期待できる材料である。
【０００８】
１９８０年後半には、これらの発泡プラスチックのバッチ式成形プロセス技術が確立され、種々の原料を用いた成形が行われ、近年、商業ベースの操業も開始されつつある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなバッチ式の製造プロセスは産業上不利であり、連続的製造の方が好ましい。ところが、このような微細な気泡を均一に導入して連続的に微細発泡性材料を製造しようとする場合、従来の方法では、発泡剤と樹脂との混練性が十分に確保できなかった。さらには、発泡剤の注入圧力が高く（一般に２００ｋｇｆ／ｃｍ2程度）、ガス／樹脂の溶融体の安定化に長時間を要すること、さらにシリンダー内の圧力変動に起因して溶融体内に浸入した気泡を不安定にするなどの難点があった。このため、微細な気泡が均一に分散した微細発泡性材料を安定かつ連続的に製造することのできる方法および装置が望まれていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
［発明の概要］
＜要旨＞
本発明の微細発泡性材料の射出成形方法は、スクリュー押出機中の樹脂に発泡剤を導入し、混練し、シリンダー部を経て金型中に溶融した樹脂を射出することにより微細な気泡が分散した微細発泡性材料を射出成形する方法であって、発泡剤が導入された樹脂が前記シリンダー部に７０分以上保持されたあと、金型中に射出されること、を特徴とするものである。
【００１１】
本発明の微細発泡性材料製造用射出成形機は、
ホッパーから導入される溶融した樹脂を回転するスクリューにより混練して、シリンダー部を経て金型中に射出するスクリュー押出機と、
前記スクリュー押出機に発泡剤を導入する発泡剤供給装置と、
押出機から射出された樹脂の形状を決定する金型と
を具備してなる微細発泡性材料製造用押出成形機であって、
発泡剤を導入された樹脂が前記シリンダー部に７０分以上保持された後、金型中に射出されること、を特徴とするものである。
【００１２】
＜効果＞
本発明の方法または装置により、微細な、特に径が１０μｍ以下であるような、気泡が均一に分散した微細発泡性材料を安定かつ連続的に製造することが可能である。また、本発明の方法によれば、従来の方法で製造することのできなかった超微細な気泡を含む微細発泡性材料を製造することが可能である。
【００１３】
［発明の具体的説明］
＜微細発泡性材料製造法＞
１．樹脂
本発明の微細発泡性材料の製造法に用いることのできる樹脂は、特に限定されず、任意の樹脂材料を用いることができる。しかし、樹脂材料により発泡しやすさ、コスト、各種性能、およびその他が異なるために、用途に応じて適当な材料が選択されるべきである。このような背景から、本発明の方法に用いることに適当な樹脂の具体的な例は、ポリスチレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、フェノール樹脂、ポリビニルクロライド樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂、およびその他、ならびにそれらの混合物が挙げられる。また、これらの樹脂の原料である単量体、および必要に応じて架橋剤などの重合助剤、を本発明に直接用いることもできる。本発明においては、このような重合体の前駆体も、「樹脂」に含めるものとする。
【００１４】
２．発泡剤
本発明の微細発泡性材料の製造法に用いることのできる発泡剤は、特に限定されず、任意の発泡剤を用いることができる。発泡剤の選択基準は、多岐にわたるが、毒性が低く、樹脂材料に対して適当な性質を有し、コストが安価なことなどが挙げられる。
【００１５】
一般的に用いられる発泡剤としては、（ａ）溶剤型（物理）発泡剤、例えば液化ガス（二酸化炭素、窒素、およびその他）、低分子炭化水素（炭素数１０程度までのもの）、およびハロゲン化炭化水素（塩化メチレン、二塩化エタン、二塩化五フッ化エタン、およびその他）、ならびに（ｂ）分解型発泡剤、例えばアゾ化合物（アゾビスホルムアミド、ジアゾアミノベンゼン、およびその他）、Ｎ−ニトロソ化合物、およびスルホニル−ヒドラジド、が挙げられる。これらのうち、毒性が低く、また環境にたいしてもやさしい二酸化炭素や窒素が好ましい。さらに本発明においては、発泡性や取り扱い性の観点から超臨界二酸化炭素を発泡剤として用いることが特に好ましい。
【００１６】
３．微細発泡性材料の製造法
本発明の微細発泡性材料の製造法は、スクリュー押出機中の樹脂に発泡剤を導入し、混練し、押し出すことにより微細な気泡が分散した微細発泡性材料を射出成形する方法である。そして、本発明の方法は、発泡剤が導入された樹脂をシリンダー部で７０分以上保持することを特徴としている。樹脂をシリンダー中に保持する時間は、７０分以上、好ましくは１００分以上、であればよいが、歩留まりなどの点から考慮して実用的な時間が決定される。
【００１７】
本発明の方法を実施するには、後記する微細発泡性材料製造用射出成形機を用いることが好ましいが、本発明の特徴を満たすのであれば、従来の射出成形機を利用することも可能である。
【００１８】
本発明の方法において、シリンダー部の温度を一定に保つことが好ましい。すなわち、シリンダー部の温度の経時変化が小さいことが好ましく、またシリンダー部の位置による温度差が小さいことが好ましい。シリンダー部の温度は、本発明の効果を損なわない範囲で選択されるが、一般に２００〜２５０℃、好ましくは２１０〜２３０℃、の範囲で選択される。
【００１９】
本発明の方法において、発泡剤の導入圧力が従来の方法に比べて低いことが好ましい。従来の方法では、発泡剤は、ガス導入部近傍でのシリンダー内の圧力が高いため、２００ｋｇｆ／ｃｍ2前後の圧力で導入することが必要であり、発泡剤から発生するガス／樹脂の溶融体の安定化に長時間を要するという問題があった。これに対して、本発明においては、１００ｋｇｆ／ｃｍ2以下の圧力で発泡剤を導入するために、発泡剤から発生するガス／樹脂の溶融体の安定化が短時間で完了する。樹脂の種類や工程条件により差があるが、発泡剤の導入圧力を５０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ2にすることで、気泡を含む樹脂溶融体の安定化時間を３０％程度まで短縮することが可能である。
【００２０】
発泡剤の導入圧力は調整弁やポンプなどにより調整して、所望の圧力とすることができる。本発明の方法においては発泡剤の導入圧力は５０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ2以下であればよいが、発泡剤として超臨界二酸化炭素を用いる場合には、一般的なボンベの圧力（約５０〜６０ｋｇｆ／ｃｍ2）のまま、発泡剤を導入することが可能であり、便利である。
【００２１】
本発明の方法において、混練された樹脂の押出機出口部における圧力が、発泡剤導入部における圧力に比べて十分に高いことが好ましい。一般的なスクリュー押出機を用いた従来の方法では、混練された樹脂の押出機出口部における圧力は、発泡剤導入部における圧力の０．９倍以下であった。これに対して、本発明においては、その圧力比が一般に１．３倍以上、好ましくは１．５倍以上、であることが好ましい。このような押出機中における圧力勾配は、種々のパラメーターを調整することにより達成することができる。パラメーターの例としては、スクリューの形状、スクリューが内設されるシリンダーの形状、スクリューの回転数、樹脂原料または発泡剤の導入速度、ダイからの樹脂材料の放出速度、およびその他が挙げられる。より具体的には、例えばスクリューの形状は、樹脂の導入側から放出側に向かって、径が大きくなるような形状が好ましい。このとき、スクリューの単位長さあたりのスクリュー径増分が０．０１〜０．１であることが特に好ましい。
【００２２】
その他の製造条件は、樹脂の種類や製造される材料の用途などに応じて、適宜調節することができる。例えば、射出圧力は１０００〜２５００ｋｇｆ／ｃｍ2、好ましくは１１００〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ2、射出速度は５０〜１００ｍｍ／ｓ、好ましくは６０〜９０ｍｍ／ｓ、保圧は５００〜２５００ｋｇｆ／ｃｍ2、好ましくは５００〜１５００ｋｇｆ／ｃｍ2、背圧は１００〜２５０ｋｇｆ／ｃｍ2、好ましくは１００〜２００ｋｇｆ／ｃｍ2、金型温度は５０〜１２０℃、好ましくは５０〜１００℃、樹脂に対する発泡剤の添加量は５〜１０重量％、好ましくは７〜８重量％、である。
【００２３】
また、本発明の方法により製造される微細発泡性材料は、前記の樹脂および発泡剤を基本的な原料として製造されるが、必要に応じて、その他の添加剤を含んでもよい。そのような添加剤としては、発泡助剤、気泡調整剤、充填剤、難燃剤、その他一般的に樹脂材料に添加される添加剤が挙げられる。
【００２４】
４．外部刺激力
本発明の方法において、押出機中および／またはダイ中の、発泡剤を含んでいる樹脂に対して、外部から刺激力を与えることが好ましい。このような刺激力を与えることで、発泡剤と樹脂の混練性を向上させることができ、気泡分布の均一化、気泡の成長または粗大化の防止を達成することができる。特に、ダイ部において刺激力を印加することにより、発泡剤と溶融樹脂が十分混練された後、ダイ部通過時に受ける圧力差によって生じる熱力学的不安定化現象をさらに加速する効果があり、生じる気泡の微細化および分布均一化に有効である。
【００２５】
印加することのできる刺激力は、本発明の効果を損なわない範囲で任意に選択することができるが、具体的には超音波、電磁波、電子ビームなどが挙げられる。これらのうち、効果と取り扱い性などの面から超音波を用いることが好ましい。超音波を用いる場合、周波数としては１５ｋＨｚ〜５ＭＨｚが好ましく、１８ｋＨｚ〜１ＭＨｚが特に好ましい。また、出力範囲は３００〜８００Ｗが好ましく、５００〜７００Ｗが特に好ましい。
【００２６】
＜微細発泡性材料製造用射出成形機＞
本発明の微細発泡性材料製造用押出し成形機は、微細な気泡を均一に含む微細発泡性材料を射出成形することのできるものである。この装置の一例を各部材ごとに説明すると以下の通りである。
【００２７】
本発明の装置は、スクリュー押出機と発泡剤供給装置と金型とを具備してなる。
スクリュー押出機は、シリンダー、シリンダーに樹脂材料を供給するホッパー、供給された樹脂材料を混練するスクリュー、スクリューを駆動するモーター、および混練された樹脂材料を放出するダイ、必要に応じてシリンダー内部の樹脂を加圧して射出するための射出用シリンダーを具備してなる。必要に応じて、シリンダー中の樹脂材料の温度を保持または制御するためのヒーターが設けられていることが好ましい。また、スクリューの径は発泡剤導入部よりもダイ近傍部で大きくなっていることが好ましく、スクリューの単位長さあたりのスクリュー径増分が０．０１〜０．１となっていることがより好ましい。
【００２８】
発泡剤供給装置は、発泡剤の５０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ2以下の導入圧力で供給できるものであることが好ましい。超臨界二酸化炭素を発泡剤として用いる場合、超臨界二酸化炭素を貯蔵するボンベは圧力調整弁、ポンプ、温度調整用ヒーターを介して、スクリュー押出機のホッパーより下流側に接続される。
【００２９】
まず、ホッパーより樹脂材料がシリンダー中に供給される。供給された樹脂材料はあらかじめ溶融されていても、固体状の樹脂材料がそのまま供給されてシリンダー中で加熱されて溶融されてもよい。供給された樹脂は、シリンダー内でスクリューの回転により混練される。
【００３０】
次いで、発泡剤供給装置から供給された発泡剤が樹脂材料に導入される。発泡剤はスクリューに樹脂材料と混練される。
【００３１】
このようにスクリュー押出機によって混練された微細発泡性樹脂材料は、例えば射出用シリンダーの作用により、ダイから金型中に射出される。金型は必要に応じて保温または冷却のための装置を備えていることもできる。射出された材料は必要に応じて気泡成長工程に付される。気泡成長工程においては、樹脂が必要に応じてヒーターにより加熱されて気泡成長を制御したのち、最終製造物が得られる。
【００３２】
また、必要に応じて、シリンダーまたはダイ中の樹脂に刺激力を与える装置をさらに具備してなることもできる。例えば、本発明の装置は、シリンダー中の樹脂に超音波を印加する超音波振動子を具備してなる。このような超音波振動子はダイ部に配設することもできる。
【００３３】
前記した装置は、本発明の装置の一例を示したものであって、本発明の範囲内であれば任意の改変をおこなうことができる。例えば、スクリュー押出機は、単軸押出機であっても、多軸押出機であってもよく、ホッパーから供給される樹脂材料は固体であっても液体であっても、また重合体の前駆体（例えば単量体と架橋剤の混合物）であってもよい。）
【００３４】
【実施例】
以下の諸例は本発明の態様を説明するためのものである。
一般グレードのポリスチレン樹脂と発泡剤として炭酸ガスを用い、シリンダー温度２４０℃（平均）、射出圧力１２８５ｋｇｆ／ｃｍ2、射出速度６０ｍｍ／ｓ、保圧６００ｋｇｆ／ｃｍ2、背圧１５０ｋｇｆ／ｃｍ2、発泡剤供給量１０重量％とし、その他の条件は表１のようにして、４０ｍｍ×４０ｍｍ×２ｍｍの板状微細発泡性材料を調製した。得られた材料に対して、気泡分布と気泡の大きさを走査型電子顕微鏡で測定した。得られた結果は表１に示すとおりであった。
【００３５】
【表１】
0003851748.tif 000002
＊超音波振動  周波数１９ｋＨｚ、出力６００Ｗ
【００３６】
この結果より、本発明の方法によれば、気泡は樹脂中に均一に分散し、またより小さい径の気泡が樹脂中に分散した材料を製造することができることがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の方法または装置により、微細な気泡が均一に分散した微細発泡性材料を安定に製造することが可能であることは、［発明の概要］の項に前記したとおりである。