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技術解説−3
熱硬化性プラスチック用インモールドコーティングプロセス

熱硬化性プラスチック用インモールドコーティングプロセス
In-Mold Coating Process for Thermosetting Plastics.

技術本部

技術開発第1部

Technical Research & Development Dept.

1．はじめに

米持 建司

大田 賢治

Kenji YONEMOCHI

Kenji OOTA

欠点を克服する方法として、成形サイクル中は金型を開けることなく、金型内圧力をかなり越える圧力でＩＭＣ剤インモールドコーティング法（In-Mold Coating, IMC,を注入する高圧注入法（High Pressure Injection型内被覆）とは、プラスチック成形金型内で成形と同時Process, HPIP）
がシャーウィン・ウイリアムズ社（ＳＷ社）に成形品表面に塗膜を形成する技術で、広義には下記で開発され、当社ではこのHPIP法を技術導入し、自動の二つの方法がある。

車部品を中心に実用化してきた。

あらかじめ金型に溶剤型塗料や粉体塗料を塗布し、市場導入に当たっては、ＳＷ社からのノウハウのみな塗膜を形成した後成形する「プリモールドコート法」と、らず国内の厳しい品質基準に合致すべく、ＩＭＣ剤の改プラスチック基材を成形した後、同一金型内に無溶剤型良およびＩＭＣプロセスの最適化を行ってきた。
またSMCのＩＭＣ剤を注入し、成形品表面に塗膜を形成するイン圧縮成形分野以外にもＨＰＩＰを応用した技術開発を行

モールドコーティング法がある。

った。

インモールドコーティング法にはさらに低圧（コンベンシ

ＩＭＣ法による塗膜形成は密閉された金型内においョナル）ＩＭＣ法と、高圧注入ＩＭＣ法があり、本稿では広て100％ソリッドに転換するラジカル反応でＩＭＣ剤を硬く実用化されている高圧注入ＩＭＣ法について概説する。

化させるので、①環境対応、②塗膜形成のためのエネ
ルギー消費が少ない、③資源の有効活用等環境負荷

2．ＩＭＣ法の歴史と種類
ＩＭＣ法の歴史は、熱硬化性成形材料でありＦＲＰの一種であるＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）による圧縮成形品の表面欠陥を効果的に改善する方法として、
１９７０年代にゼネラルモーターズ社から提唱された。
このＩＭＣ法は金型内に塗料を注入する際一旦金型を開き、成形品と金型面との隙間に塗料を注入し、再度金の小さな塗装方法と言える。
以下、
ＨＰＩＰ法を中心に熱硬化性成形材料に対するＩＭＣ法について記述する。

3．ＨＰＩＰ法
３-１ ＩＭＣ成形プロセス
ＩＭＣ法の基本プロセスは、型を閉じその時の型締め圧力で成形品の表面を塗料①プラスチック基材の成形で被覆する方法である。
しかしながらこの方法ではIMC②ＩＭＣ剤の注入塗膜中に気泡やバリを巻き込んだり、抜き角度の小さな③ＩＭＣ剤の硬化立ち壁面に塗布され難い等の欠点があった。このような④金型から成形品の取り出し の各工程からなる。

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要な要素である。主なポイントは、射出ポンプ①成形品形状：ＨＰＩＰ法はＩＭＣ剤の注入・流動圧力で成形材を圧縮しながら金型内を流動するので、抜インジェクタ

き角度の無い垂直部もコートできる。膜厚は抜き角度、IMC剤供給ポンプ

金型

注入位置、成形材の硬化収縮率、成形品の肉厚および成形材の圧縮弾性率に依存する。成形品の抜き角度は脱型のし易さも考慮し、３度以上取ることが望ましい。

塗料タンク
図1

HPIPのシステムデザイン
1）

図１ にＨＰＩＰのシステムデザインを示す。成形の１サ
イクルは、成形材料が金型内にチャージされ、成形がスタートするとＩＭＣ剤供給ポンプから射出ポンプへ、１ショット分のＩＭＣ剤が計量供給される。次いで、ＩＭＣ剤の注入圧力に耐えうる程度に成形材料が硬化した段階で、インジェクタのシャットオフピンが開き、射出ポンプの油圧シリンダが働き、ピストンが前進しＩＭＣ剤が金型内に高圧で注入される。このときのＩＭＣ剤注入圧力は型締め圧力、金型内の抵抗、成形品の形状、注入スピードに依存するが、最大３５０Kgf/c㎡、注入時間は２〜８秒である。
ＩＭＣ剤注入完了後再びピンが閉じ、成形材料およびＩＭＣ剤が硬化完了し、成形品を金型から取り出し成形品の１サイクル終了となる。
３-２ ＩＭＣのための設備②金型温度の均一性：ＩＭＣ剤は熱硬化性であり、金型の熱によって硬化反応を開始するため、温度の均一性はＩＭＣ剤の流動性、塗膜品質、成形サイクルの面から重要である。
③ＩＭＣ剤の注入位置（インジェクタ取り付け位置）：イン
ジェクタの取り付け位置はIMC剤の金型内流動パタンと密接な関係があり、注入位置の決定に当たって十分吟味する必要がある。注入位置決定の目安としては、（ａ）
可能な限り直接製品面に取り付ける。ただし、取り付け部はノズルピン跡が残るため、外観の要求されるＡ級面に取り付ける場合は、鍵穴やエンブレム取り付け位置等を利用する。
（ｂ）製品面に直接取り付けられない場合は、製品面の外側に仮製品部を設ける。
（ｃ）可能な限り注入個所は１ヶ所とする。
ＩＭＣ剤の流動可能な距離は、ＩＭＣ剤のゲル化時間を調整することにより２ｍ以上可能である。
④シェアエッジ：シェアエッジ部のクリヤランス（隙間）

高品質で安定的なＩＭＣ成形品を得るためには、
ハーはＩＭＣ剤の漏れを防止する重要な働きを持っており、ド面（設備）とソフト面（成形技術）の両輪が揃ってはじバリが厚すぎたり薄すぎたりする場合ＩＭＣ剤の漏れめて可能となる。につながるため、基本的には５０〜１００μｍとする。

IMCに必要な設備は、①成形プレス機 ② I MC剤注入機 ③成形用金型からなる。
ＩＭＣ剤の金型内での均一な流動を可能にするため

4．ＳＭＣ成形品へのＩＭＣプロセスにプレス機では型締め圧力の大きさとともに、プラスチッ
ク基材であるＳＭＣをいかに均質なものに成形しておく

ＳＭＣは不飽和ポリエステル樹脂、低収縮剤、炭酸カかが重要である。そのためプレス機は多段圧力制御とルシウム、ステアリン酸亜鉛、ガラス繊維などを主成分と平行維持機構を備えたものが望ましい。

するシート状の成形材料で、強度が高く、耐熱性があり、ＩＭＣ剤注入機は１ショット分の正確なＩＭＣ剤の計量、プレス成形により大型部品の成形が可能であることから、高圧で注入できること、注入スピードが制御できることがユニットバス、
水タンクパネルなどの住宅設備、フロントリッド、望ましい。

エンジンフード、トランクリッドなどの自動車部品、レジャー

金型設計はＩＭＣ剤の流動性、コート性を左右する重ボート部品などに広く使われている。

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熱硬化性プラスチック用インモールドコーティングプロセス

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４-１ HPIP法における成形条件
図２2）にＨＰＩＰ法における標準的な成形パターンを示す。
P1

IMC剤注入開始

プレス
圧

４-２-２ 注入時の型締め圧力（Ｐ２）
注入時の型締め圧力は成形品の形状、肉厚、ＩＭＣ剤注入の位置やＳＭＣ基材の圧縮性によって異なる。

P3

平面部（プレスと平行）の多い成形品の場合は低圧で、完了立ち面の多い成形品では高めに設定する。

P2

Ｐ２が高すぎると流動端末のフローマークが、低すぎるとＩＭＣ剤のショートショットやＩＭＣ塗膜中にガス溜まりがT INJ

T IMC
図2

時間発生しやすくなる。通常は１０〜５０Kgf/c㎡とする。

HPIPの標準成形パターン

ＳＭＣ材をＰ１の圧力で成形した後、型締め圧力をＰ２４-２-３ 注入後の型締め圧力（Ｐ３）まで降下させ、ＳＭＣ材がＩＭＣ剤の注入圧力、流動圧

注入後の型締め圧力は硬化塗膜の面品質（リブ・ボ力に耐える程度にまで硬化したタイミング（ＴＩＭＣ）でスのリードアウト、目視で見える凹凸）やＳＭＣ基材との付IMC剤を注入する。注入完了後、再び成形圧力をＰ３ま着性に影響する。
Ｐ３が高すぎるとリブ・ボス部がハンプ（凸）で昇圧し、ＳＭＣ材およびＩＭＣ剤を硬化させた後成形となり、低すぎるとヒケ（凹）となったり付着性が低下する。

品を金型から取り出す。

付着性を確保するためにはＰ３は10Kgf/c㎡以上を確保する必要がある。

４-２ ＩＭＣ剤の流動、塗膜品質に影響を及ぼす因子
４-２-１ 注入タイミング（ＴＩＭＣ）

４-２-４ ＳＭＣ基材のチャージパタン、チャージ位置
ＳＭＣ基材のチャージパタン、位置によっては成形品

ＨＰＩＰ法ではＳＭＣ基材が半硬化状態でＩＭＣ剤を注入するため、注入が早すぎるとＳＭＣ基材の表面がＩＭＣ剤の注入圧力に耐えるだけの強度に達せず、IMC剤がＳＭＣ基材中にもぐり込んでしまう。逆に遅すぎるとSMC基材の硬化が進み圧縮性が低下するため、成形品の端末部のコート性の低下やフローマークの発生、注入抵抗の上昇などが生じ、著しい場合は注入できないこともある。の密度に偏りを生じ、ＩＭＣ剤の不均一流動となる。
ＳＭ
Ｃ基材のチャージパタン、位置は成形品の強度とも密接に関係し、十分検討の上決定する必要がある。
好ましい流動パタンと好ましくない流動パタンについて、ボンネット形状の金型内での流動過程のフローフロントを図４1）に示す。
その他ＩＭＣコート性に影響する要因については、図52）の特性要因図を参考願いたい。

注入タイミングはＳＭＣ成形時の金型内樹脂圧力または金型変位の測定から、ＳＭＣ基材の硬化特性を捉え決定することができる。図３に樹脂圧力、金型変位と時間との関係を示す。好ましい注入タイミングはＳＭＣ基材の硬化のピークを過ぎ収縮に移行した時点以降とする。
樹脂圧力・金型
変位

樹脂圧力

図4

IMC注入口IMC注入口好ましい流動パタン

好ましくない流動パタン

流動過程のフローフロント

４-３ ＳＭＣ成形品の塗装工程と塗膜性能
金型変位
好ましい注入タイミング

時間

４-３-１ 塗装工程
ＳＭＣのみの成形品とプライマー用ＩＭＣ塗布成形品
2）

図3 IMC注入のタイミングの塗装工程比較を図６ に示す。

29

プレス機

金型

スライドの動作（前後左右回転）ＩＭＣ剤
シェアエッジクリヤランスの大きさ

硬化速度

前後左右のズレ

レベリング機構

粘度

インジェクタ取付け位置

多段圧制御ＳＭＣのチャージパタン
最大注入量

硬化速度
収縮率

最大注入圧力注入機

金型温度

ＳＭＣのチャージ位置
ＩＭＣ注入時のプレス圧
ＩＭＣ剤注入タイミング
ＩＭＣ剤注入量ＩＭＣ剤注入速度

ＩＭＣ剤注入圧力注入完了から再加圧迄の時間
プレスの昇圧スピード
ＩＭＣ剤注入後のプレス圧

圧縮弾性率

最大注入スピード

ＩＭＣ
コート性

成形条件

ＳＭＣ材

図5 ＩＭＣコート性の特性要因図

一般成形品
ＩＭ
Ｃ
成形
品

成形
品

成形
品

バリ取り
加工
バリ取り
加工

検査

パ
テ
修
正乾燥

サン
ディン
グ

導Ｉ
電Ｐ
Ａ 塗プ
ラ
脱 装イ
脂マ

で圧力をかけた状態で塗膜を形成するため、巣穴を乾IMC剤が充てんすることによりピンホールを防止する効燥

果が非常に高い。高圧注入ＩＭＣ、低圧ＩＭＣおよびスプレープライマーの３種類の塗装系で、自動車ボディオンラー

イン塗装を行ったときの塗装ピンホール発生頻度を比較
検査

Ｉ
Ｐ
Ａ
脱脂した結果を表１に示す。
中塗り塗装
乾

各種塗装法における上塗り塗装後のピンホール発生頻度

燥上塗り塗装乾表1

燥

ピンホール発生頻度
高圧注入ＩＭＣ０．
５低圧注入ＩＭＣ

２．
５スプレープライマー

２５

図6 ＳＭＣ成形品の塗装工程比較

ＳＭＣ成形品は一般に表面に微小の巣穴やピンホーＩＭＣを施さないスプレープライマー塗装では多数のピルが存在しており、上塗り塗膜のピンホールを防止するンホールが発生する。低圧注入ＩＭＣを実施すると、２．
５ために前処理としてパテ埋め、サーフェサーによる目止個/台まで低減されるが、皆無にはならない。一方、高圧めを必要とする。

注入ＩＭＣでは、０．
５個/台まで低減され、ＳＭＣ基材に起ＩＭＣを施した成形品では写真１に示すように金型内因するピンホールは ゼロ にできる結果が得られた。さらに上塗り塗装時のピンホールをゼロにするためには、IMC剤に硬化剤を混合する際、エアーの巻き込みを防止する減圧脱気を併用することで ゼロ にすることが可能である。
４-３-２ 新規技術
ＩＭＣ塗膜の機能として、従来はＳＭＣ基材の素地調整、ピンホール防止の目的が主体であったが、ＩＭＣ塗膜に特殊な機能を付与しＳＭＣ成形品の付加価値を高めている。

写真1

HPIP法によるSMC巣穴の充填状況

技術解説−3
熱硬化性プラスチック用インモールドコーティングプロセス

30（１）メッキ仕上げによるＳＭＣ製車体外板の従来の製には塗料との付着性を高める極性基がなく、塗料が非造技術ではＳＭＣ成形品表面に直接メッキを施すことは常に付着し難いポリオレフィン系の樹脂構造を有している。

不可能であった。本技術はＩＭＣ法の特長である硬化ＤＣＰＤ-ＲＩＭ成形品への塗料の塗装性や付着性を向塗膜が金型表面を忠実に転写する特性を利用し、メッ上するために、成形後空気中で短時間酸化し、表面酸キ可能な組成に設計したＩＭＣ剤との組み合わせによる化層を形成させる。成形直後および酸化が進んだ成形もので、大型トラックのフロントリッドに採用されている。

品の表面のＩＲスペクトル測定結果から、酸化後は成形（２）耐候性にすぐれたバインダーシステムや耐沸騰水直後に比べ水酸基、カルボキシル基、カルボニル基の吸性にすぐれたバインダーシステムにより、トップコートの機収が増えることが確認されている（図８）。このことにより能をＩＭＣ剤に付与し、ワンコートフィニッシュＩＭＣによる塗膜との間に水素結合の形成やファンデルワールス力

ＳＭＣ成形品の高付加価値化、生産の合理化を可能とIR-ATR

成形直後−1711.8

している。

ロペンタジエン）を主原料とし、金型内で重合と成形とを同時に行うＲＩＭ成形法（Reaction Injection Molding）に使用する熱硬化性成形材料である。
DCPD-RIMの特長は低粘度の液体（約３００mPa･s）−1625.9−1448.9−1357−1177.8−1052.8−975.1−912.2−849.7−732.6分の一つであるシクロペンタジエンの２量体化物（ジシク−3047.6−3046.6−3004−2929.4−2890.0 −2925.8−2851.3−2849.7

ジシクロペンタジエン樹脂（ＤＣＰＤ）
は、石油のＣ５溜−3398.1

5．ジシクロペンタジエン樹脂ＲＩＭ成形法
へのＩＭＣ

Absorbance

酸化直後を注入するため、金型にかかる圧力が低く、金型が安価でできること、型締め圧力が低いこと（５Kgf/c㎡程度）
、さ

3500

らに重合に要するエネルギー消費量が少なく、バランスの取れた機械物性、特に耐衝撃性に優れていることである。そのためトラックのバンパーやスポイラー、ゴルフカートのボディ、建設機械や農業機械の外装パネル、大型ゲーム機や医療器具、ユニットバスの防水パン等、少〜中量生産分野で使われている。
５-１ ＤＣＰＤ−ＲＩＭ成形品への塗装
ＤＣＰＤが重合したポリマーは図７に示すように、
表面

3000

2500

2000

1500

1000

Wavenumbers（cm-1）
図8

DCPD-RIM成形品の表面IRチャートの増大が生じ、付着力が向上するものと考えられる。
しかしこの材料では、過度の酸化が逆に塗料の付着力を低下させることが経験的に知られており、成形後塗装するまでの酸化時間の管理に十分注意する必要がある。
５-２ ＤＣＰＤ−ＲＩＭ成形へのＩＭＣの応用
ＤＣＰＤ樹脂の非常に酸化されやすい性質を利用してＩＭＣ法による型内塗装技術を開発した。

HH

OH
RO・

図7

重合したDCPDポリマーの構造

図9

DCPD樹脂の酸化反応機構

＋R・

31

ＤＣＰＤ樹脂は、図９のように水素原子がラジカルによ

表3

塗膜性能表
項 目って引き抜かれ容易に酸化される。
ＩＭＣ剤の硬化反応は有機過酸化物のラジカル分解によって起こり、このラジカル分子による金型内での短時間で、急速な水素引き抜き反応によって付着力が発現しているものと考えられる。
したがってＩＭＣ剤の硬化剤に用いる有機過酸化物

塗膜の外観

品

質

肌あれ、ピンホール、タレ、色ムラなどの欠陥無し

引っかき硬度（鉛筆硬度、凝集破壊） ２Ｈ
鏡面光沢度（６０°）

９０（金型表面の仕上げ状態に依存する）

としては、
ＤＣＰＤ樹脂の成形温度である８０〜９０℃で急付着性（クロスカット法、２㎜間隔）０〜１

速に分解し、しかも水素引き抜き能力の高い過酸化物を耐おもり落下性（デュポン式）

１／２インチ×５００ ×５０ｃｍ

選定する必要がある。表２にＤＣＰＤ-ＲＩＭ用ＩＭＣ剤「プ耐液体性（水浸せき法）
４０℃×２４０時間

ワレ、ハガレ、フクレ等異常なし
付着性…１

ラグラス＃5000アイボリー」の組成を示す。

耐湿性（連続結露法）
５０℃・９５％ＲＨ×２４０時間

ワレ、ハガレ、フクレ等異常なし
付着性…１

耐温水性（温水浸せき法）
８０℃×７２０時間

ワレ、ハガレ、フクレ等異常なし
付着性…１

耐湿潤冷熱繰返し性1）

ワレ、ハガレ、フクレ等異常なし
付着性…１

表2 プラグラス＃５０００ アイボリー組成表
主剤
樹脂ワニス
ウレタンアクリレートオリゴマー
アクリレートモノマー
顔料
二酸化チタン
カーボンブラック
酸化鉄黄添加剤
重合禁止剤
顔料分散剤
内部離型剤

５７．
５ 重量部

４０．
５1）
（８０℃×３時間→室温×１時間→−３０℃×３時間→室温×１時間→５０℃・98%RH×１５時間→室温×１時間）×５サイクル
2）試験方法は、
ＪＩ
ＳＫ５６００ 塗料一般試験方法に準ずる。

表３の結果から、従来のスプレー塗装のように成形後、２．
０塗装までの時間管理を必要とせず、成形と同時に金型内で塗膜を形成させ、トラックや建機等の外装部品に十分適合する塗膜性能を有している。

１００．
０
硬化剤（有機過酸化物）１．
０
ビス−（４-ｔ-ブチルシクロヘキシル）パーオキシジカーボネート

５-３ ＤＣＰＤ−ＲＩＭ成形品へのＩＭＣ塗膜性能
成形条件は下記の通りである。
（１）
ＤＣＰＤ成形材料：帝人メトン社製（２）
ＩＭＣ剤：プラグラス＃５０００アイボリー
（３）
ＩＭＣ条件
・金型温度（キャビ／コア）：９０〜９５／４８〜５０℃
・型締め圧力：１０Kgf/c㎡（製品投影面積当たり）・ＩＭＣ注入タイミング（ＴＩＭＣ）：６０秒
・ＩＭＣ硬化時間：２４０秒
・ＩＭＣ剤注入量設定の考え方
ＶＩＭＣ≧Ｖ１−Ｖ２−Ｖ３
ＶＩＭＣ ：ＩＭＣ剤注入量〔ｍｌ〕
Ｖ１：射出したＤＣＰＤ溶液体積

Ｖ２：硬化後のＤＣＰＤ樹脂体積

Ｖ３：熱膨張補正

表３に塗膜性能を示す。

6．まとめ
ＩＭＣ法での塗膜形成は、密閉された金型内で、100％ソリッドに転換する硬化反応を行うので、環境対応、省資源等環境負荷の小さな塗装方法と言える。これらの特長を生かし、熱可塑性プラスチック射出成形法にも適用できるＩＭＣ法を開発し、実用化に向けた市場開発に取り組んでいるので、次の機会に報告したい。
参考文献
１）藤井聡、
米持建司：成形加工シンポジア, ９４，p.２８，（社）
プラスチック成形加工学会（１９９４）
２）米持建司：色材，
７３〔８〕，
４０９（２０００）