JP2004237522A

JP2004237522A - 射出成形装置

Info

Publication number: JP2004237522A
Application number: JP2003028137A
Authority: JP
Inventors: Masato Kuramitsu; 匡人倉光
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】ガスを溶融樹脂に定量的に溶解させることができ、ガスシールの問題を解決することができる射出成形装置を提供する。
【解決手段】第１フィード部、第１コンプレッション部および第１メタリング部で構成される第１ステージと同様に構成される第２ステージが直列に連なる２ステージタイプスクリュを備え、第２フィード部にガス供給装置が接続され、第１メタリング部と第２フィード部の間に流量制御部が設けられた射出シリンダを有する射出成形装置であって、スクリュ径（Ｄ）に対してスクリュの各部分の長さが特定されている射出成形装置。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱可塑性樹脂の射出成形装置に係わり、特に二酸化炭素等のガスを溶解させて溶融粘度を低下させた熱可塑性樹脂で成形を行う射出成形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
射出シリンダ内の溶融樹脂にガス供給装置からガスを供給し、ガスを溶解させた溶融樹脂を射出する射出成形装置は多数提案されている。
たとえば、スクリュの後端部から先端部にかけてその先方部が第１メタリングとなっている第１ステージと、さらにその先方部が第２メタリングとなり、その後方部寄りがスクリュ溝の容積が大きくなった低圧部となっている第２ステージからなり、ガス供給孔が前記第２ステージの低圧部に対応した位置に設けられており、第１メタリングの溶融樹脂により供給させるガスが材料供給孔の方へ逆流しない成形機が考えられている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、不活性ガス注入部は樹脂で充満されており、不活性ガスは充満されている樹脂圧力との差圧分しか溶融樹脂に浸透させることしか出来ない、あるいはまた、スクリュの動作により不活性ガス注入部の樹脂圧力は常に変動するため、樹脂中に浸透させる不活性ガスの定量性に欠ける可能性が高いなどの課題がある。
【０００３】
また、スクリュが粉体輸送部位、圧縮溶融部位、溶融樹脂輸送部位とガス供給部に相当する溶融樹脂未充満化部分とガス含浸部分とから構成されており、スクリュの全長を既存の成形機のシリンダがそのまま使用できる長さに保持できる成形装置が考案されている（例えば、特許文献２参照。）。
しかし、スクリュ内部に設けられたガス供給路及び逆流防止弁を設置することによりスクリュ強度が低下する、また、回転動作と軸方向に直線運動するスクリュ本体とシールボックスのガスシール性に懸念があること、さらにまた、ガス供給ラインのメンテナンス性が低いなどの問題点を有しているなどの課題がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１３−１３７９号公報
【特許文献２】
特開平１４−２０５３１９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、射出シリンダ内の溶融樹脂にガス供給装置からガスを供給し、ガスを溶解させた溶融樹脂を射出する射出成形装置において、射出成形機の大掛かりな改造を必要とせず構造が簡単で定量的に必要とする量の二酸化炭素などのガスを溶融樹脂に溶解させることができると共に、射出シリンダ内に供給したガスのガスシールの問題が解決された射出成形装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第１は、射出シリンダ内の溶融樹脂にガス供給装置からガスを供給し、ガスを溶解させた溶融樹脂を射出する射出成形装置において、樹脂供給部から先端に向かって第１フィード部、第１コンプレッション部および第１メタリング部で構成される第１ステージと同様に第２フィード部、第２コンプレッション部および第２メタリング部で構成される第２ステージとが直列に連なった２ステージタイプスクリュを備え、第２フィード部に開口するガス供給口にガス供給装置が接続され、第１メタリング部と第２フィード部の間に溶融樹脂の流動抵抗の高い流量制御部が設けられた射出シリンダを有する射出成形装置であって、スクリュの各部分の長さが、スクリュ径（Ｄ）に対して、
第１フィード部６〜１２Ｄ、
第１コンプレッション部２〜４Ｄ、
第１メタリング部２〜５Ｄ、
流量制御部０．１〜３Ｄ、
第２フィード部最大計量ストローク長以上、
第２コンプレッション部２〜５Ｄ、
第２メタリング部５〜１０Ｄ、
となる関係を有することを特徴とする射出成形装置を提供するものである。
上記本発明の第２は、樹脂供給部から先端までのスクリュの長さが、スクリュ径（Ｄ）に対して２２Ｄ以上であることを、その好ましい態様として含むものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の射出成形装置で使用される樹脂は熱可塑性樹脂で、具体的にはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、アクリル樹脂、ポリスチレン、ゴム強化ポリスチレン、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリレート、ポリフェニレンエーテル、変成ポリフェニレンエーテル樹脂、全芳香族ポリエステル、ポリアセタール、ポリカーボネート、非晶性ポリオレフィン樹脂、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリアミド系樹脂、ポリサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリイミド、熱可塑性エラストマーなどを挙げることができる。これらは単独若しくはこれらを一種または二種以上を混合したブレンド物として用いることができる。また、各種充填材や添加剤を配合して用いることもできる。
【０００８】
ガスとして二酸化炭素を用いる場合、二酸化炭素との親和性が高く、二酸化炭素の溶解度が高い熱可塑性樹脂が好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン系樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、変成ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリアミド系樹脂などが特に好ましい。特にポリカーボネートは二酸化炭素の溶解度が高いだけでなく、熱分解したときに二酸化炭素を生じることから、溶融樹脂に二酸化炭素が含まれると分解反応の平衡がずれ、分解反応速度が遅くなる利点もある。
【０００９】
本発明の射出成形装置は、一般の射出成形品の成形に適用でき、発泡成形品の成形だけでなく、内部に気泡のない中実の成形品の成形にも使用できる。ガスを溶解した溶融樹脂は発泡性を持つため、成形品表面に発泡模様を生じさせないためには、金型への溶融樹脂の充填中に、溶融樹脂のフローフロントで発泡が生じないように、樹脂充填前にキャビティをあらかじめガスで加圧しておく、カウンタプレッシャ法を本発明の射出成形装置と併用することもできる。
【００１０】
本発明の射出成形装置で用いるガスとは、一般に発泡用のガスとして用いられる窒素、ヘリウムやアルゴンなどの希ガスに代表される不活性ガスや、熱可塑性樹脂に溶解しやすく良好な可塑剤効果を示す二酸化炭素、炭素数１〜５の飽和炭化水素およびその一部水素をフッ素で置換したフロン、水、アルコールなどの液体の蒸気等などである。
溶融樹脂の流動性を高める目的でガスを溶解させる場合、二酸化炭素が最も好ましい。二酸化炭素は溶融樹脂に対する溶解度が大きく、樹脂や金型、成形機素材を劣化させないこと、成形する環境に対し危険性がないこと、安価であることなどの制約を満たしているだけでなく、可塑剤として用いた場合、成形後に成形品から速やかに揮発させることができる。また、ガスを発泡剤として用いる場合には、発泡作用の高い窒素が好ましい。
【００１１】
本発明の射出成形装置で二酸化炭素を可塑剤として用いる場合、溶融樹脂に溶解させる二酸化炭素量は０．２重量％以上が好ましい。また、二酸化炭素の溶解量の最大量は特に制限はないが、二酸化炭素を多量に溶解させるには高いガス圧力必要になり、むやみに溶解量を増しても二酸化炭素に対する樹脂の流動性向上効果が少なくなることから、実用的な二酸化炭素溶解量は１０重量％以下で、より好ましくは７重量％以下である。
【００１２】
なお、射出シリンダ中で溶解した二酸化炭素などのガス量を直接測定することは難しいため、二酸化炭素を含む樹脂を用いて射出成形した成形直後における成形品の重量と、成形品を、非晶性樹脂にあってはガラス転移温度、結晶性樹脂にあっては融点よりも約３０℃低い熱風乾燥機中に２４時間以上放置し、成形品中に含まれていた二酸化炭素量が放散して一定になった成形品の重量の差を、金型キャビティに射出した溶融樹脂中の二酸化炭素量とする。
【００１３】
本発明の射出成形装置に用いる射出成形機は、一般に射出成形に使用されているインラインスクリュ式射出成形機、スクリュプリプラ式射出成形機などで、スクリュが間欠的に回転して樹脂可塑化を行うものである。インラインスクリュ式射出成形機ではスクリュが射出プランジャを兼ねており、樹脂の可塑化に伴いスクリュが後退して有効なスクリュ長が短くなるのに対し、スクリュプリプラ式は、樹脂を可塑化する押出機部分と射出プランジャが分離していることから、押出機部分は純粋な押出機として考えることができる。このため、スクリュプリプラ式は、スクリュの設計における制限事項が少なく、Ｌ／Ｄを大きくしたり、谷径を細くすることができるだけでなく、ガス供給位置を最適に保ちやすい利点がある。
【００１４】
本発明の射出成形装置では、射出シリンダ内にガスを供給し、射出シリンダ内の溶融樹脂にガスを溶解させる。このガスが溶解した溶融樹脂は発泡性を持つため、射出成形機のノズル部から射出シリンダ内の圧力が逃げ、ガスが溶解した溶融樹脂が射出シリンダ内で発泡しないよう、ノズル部からの内圧の逃げを防止した状態で射出準備が進められる。ノズル部分からの内圧の逃げ防止は、ノズル孔の開閉機構を備えたバルブノズルを有する射出シリンダとすることで行うことができる。
【００１５】
この開閉機構としては、可動ニードルでノズル孔を開閉するものや、樹脂流路に設けたロータリ弁を挙げることができる。また、ノズル部に開閉機構を有さない射出成形機を用いる場合でも、バルブゲート方式のホットランナを有する金型を用い、ノズル部を金型に圧接すると共にこのバルブゲートを閉じておくことでも内圧の逃げを防止することができるが、バルブノズルを備えた射出シリンダを用いるのが簡便である。
【００１６】
本発明の射出成形装置における溶融樹脂へのガスの溶解は、射出シリンダ内の溶融樹脂部分へガスを供給し、ガス供給部の射出シリンダ内に所定ガス圧のガス空間を形成することで行われる。ガスの溶融樹脂への溶解量は、ガスの種類、樹脂の種類、溶融樹脂の温度、スクリュ回転数、スクリュ先端部の圧力、スクリュの回転および停止時間などにより変わるが、これらの条件が一定であれば、溶融樹脂に接するガスの圧力と溶融樹脂へのガス溶解量とはほぼ比例する。従って、溶融樹脂に接するガス空間を形成すると共に、このガス空間におけるガス圧を所定圧とすることで、ガス溶解量を再現性良く制御することができる。
【００１７】
上記ガス空間の確実な形成のために、ガス供給部の溶融樹脂の移送を飢餓状態とすることが好ましい。溶融樹脂の移送を飢餓状態とするとは、移送される溶融樹脂が完全に射出シリンダ内を満たしておらず、部分的に空間を生じた状態で移送される状態にすることをいう。例えば、スクリュが、それぞれ後端側（ホッパ側）から、フィード部、コンプレッション部、メタリング部となった第１ステージと、同様にフィード部、コンプレッション部、メタリング部で構成される第２ステージとなった２ステージタイプスクリュの射出成形機を用い、第１ステージで樹脂を溶融させ、第２ステージのフィード部をガス供給部とすると共に、この部分での溶融樹脂の移送を飢餓状態とし、これによって射出シリンダ内に生じた空間にガスを供給して、第２ステージでガスと樹脂を混練して樹脂中にガスを溶解させることが好ましい。
【００１８】
本発明では、樹脂供給部から先端に向かって第１フィード部、第１コンプレッション部および第１メタリング部で構成される第１ステージと同様に第２フィード部、第２コンプレッション部および第２メタリング部で構成される第２ステージとが直列に連なった２ステージタイプスクリュを備え、第２フィード部に開口するガス供給口にガス供給装置が接続され、第１メタリング部と第２フィード部の間に溶融樹脂の流動抵抗の高い流量制御部が設けられた射出シリンダを有する射出成形装置であって、スクリュの各部分の長さが、スクリュ径（Ｄ）に対して、
第１フィード部６〜１２Ｄ、
第１コンプレッション部２〜４Ｄ、
第１メタリング部２〜５Ｄ、
流量制御部０．１〜３Ｄ、
第２フィード部最大計量ストローク長以上、
第２コンプレッション部２〜５Ｄ、
第２メタリング部５〜１０Ｄ、
となる関係を有することが好ましい。このようにすると樹脂供給部から供給された樹脂の第１ステージでの可塑化をより容易にすることができ計量安定性が向上する。また、第２フィード部を常に飢餓状態に保つことができることから溶融樹脂へのガス溶解性を定量的に行える。さらに、樹脂供給部及びスクリュ先端側へのガスの吹き出しを確実に防止することが出来る。
【００１９】
第１ステージは、樹脂供給部から供給された樹脂を完全にかつ均一に溶融させるのが目的である。
従来の射出成形法においてスクリュは樹脂の均一溶融と計量安定性が目的である。このため本発明におけるスクリュ第１ステージ、すなわち樹脂供給部から先端に向かってフィード部、コンプレッション部、メタリング部で構成される１ステージタイプになっており、一般に樹脂供給部から先端までのスクリュの長さが、スクリュ径（Ｄ）に対して１９〜２２Ｄの範囲にある。
【００２０】
従って本発明においても樹脂を完全にかつ均一に溶融させるためには、第１ステージの長さを従来の射出成形法と同様に１９〜２２Ｄとするのが好ましいが、本発明ではスクリュ第１ステージの先端側に溶融樹脂とガスを混合し溶解させるスクリュ第２ステージがあるため、スクリュ全体の長さが増加して成形機本体と射出ユニットの取付位置変更等、成形機本体まで改造の必要が出てくる。
本発明では、第１フィードの長さは６〜１２Ｄである。６Ｄ以下では計量時のストロークが減少するために樹脂供給部から供給された樹脂の溶融が不安定になり計量安定性が損なわれる。さらに、スクリュ第２ステージ側への溶融樹脂の供給が不安定になるため樹脂供給部側へのガスの吹き出しを防ぐことが困難になる。１２Ｄ以上ではその他のゾーンを含めたスクリュ全体の長さが増加してしまい成形機本体まで改造の必要が出てくる。
【００２１】
第１コンプレッションの長さは２〜５Ｄである。２Ｄ以下では樹脂の急激な圧縮により剪断発熱が起こり、樹脂温度が設定した温度よりも高くなり樹脂が分解する恐れがあるため好ましくない。５Ｄ以上ではその他のゾーンを含めたスクリュ全体の長さが増加してしまい成形機本体まで改造の必要が出てくる。
第１メタリングの長さは２〜５Ｄである。２Ｄ以下では第２ステージ側への溶融樹脂の供給定量性が不安定になり計量安定性が損なわれる。さらに、第２ステージ側への溶融樹脂の供給が不安定になるため樹脂供給部側へのガスの吹き出しを防ぐことが困難になる。５Ｄ以上ではその他のゾーンを含めたスクリュ全体の長さが増加してしまい成形機本体まで改造の必要が出てくる。
【００２２】
第２ステージは、第２フィード部の射出シリンダに開口するガス供給口から供給されるガスと、第１ステージから供給される溶融樹脂とを均一に混合もしくは溶解させて、かつスクリュ先端側へのガスの吹き出しを防止するのが目的である。
第２フィードの長さは最大計量ストローク長以上である。第２フィード部では射出シリンダに開口するガス供給口から供給されるガスと、第１ステージから供給される溶融樹脂とを均一に混合し溶解させる。第２フィード部は成形機の最大計量ストローク分以上の長さを確保できていれば良い。最大計量ストローク分以下の長さだと、最大ストロークまで計量した場合、ガス供給口が第２コンプレッション部にかかってしまい溶融樹脂により塞がれてしまう。
【００２３】
第２コンプレッションの長さは２〜５Ｄである。２Ｄ以下では樹脂の急激な圧縮により剪断発熱が起こり、樹脂温度が設定した温度よりも高くなり樹脂が分解する恐れがあるため好ましくない。５Ｄ以上ではその他のゾーンを含めたスクリュ全体の長さが増加してしまい成形機本体まで改造の必要が出てくる。
第２メタリングの長さは５〜１０Ｄである。５Ｄ以下では溶融樹脂とガスとの混合・溶解が充分にされず、ガスが溶融樹脂中に気泡状態で混ざったまま計量され、溶融樹脂の計量がばらついたり、成形品中にボイドを生じ、型開時にボイド内部のガスが膨張し成形品が膨れたりする。１０Ｄ以上ではその他のゾーンを含めたスクリュ全体の長さが増加してしまい成形機本体まで改造の必要が出てくる。
【００２４】
樹脂流量制御部は、第２フィード部を常に飢餓状態にするためにスクリュ第２ステージへ流入する樹脂量を制限すると共に、樹脂供給部側へのガスの吹き出しを防止するのが目的である。
溶融樹脂の移送を飢餓状態とするとは、移送される溶融樹脂が完全に射出シリンダ内を満たしておらず、部分的に空間を生じた状態で移送される状態にすることをいう。
【００２５】
ガス供給部の溶融樹脂の移送を飢餓状態とするためには、第１ステージのメタリング部と第２ステージのベント部の間に溶融樹脂の流動抵抗の高い流量制御部を設け、第２ステージへの溶融樹脂の流入を制限するのが最も簡便である。この溶融樹脂流動抵抗の高い流量制御部としては、ダルメージやマドックといった混練に用いられるデザインや、シリンダとの隙間を０．１〜１ｍｍ程度、好ましくは０．１〜０．５ｍｍに狭めた単純な円柱状のバリアなどが挙げられる。
【００２６】
また、上記流量制御部と併せて、スクリュ１回転あたりの溶融樹脂移送量が、第１ステージよりも第２ステージの方が多くなるようにすることが好ましい。具体的には、第２ステージのスクリュ溝ピッチやスクリュ溝深さを第１ステージよりも大きくする手法を用いることができる。また、ホッパに供給樹脂の計量装置を設け、第１ステージへの樹脂供給量を制御により飢餓状態を発生させる手法を併用することも好ましい。
【００２７】
上記流量制御部は、スクリュ停止時など、第１ステージ内の樹脂の圧力勾配が減少した時に、ガス供給部に供給したガスが、第１ステージの樹脂中を通ってホッパ側に吹き出すことを防止するためにも有効である。ホッパ側へのガスの吹き出しを防止するためには、一般にスクリュヘッドに用いられる可動式の逆流防止リングを使用することも可能であるが、スクリュ構造として複雑になる。つまり、逆流防止リングをスクリュの途中に挿入するには、挿入部でスクリュを２分割するか、薄い逆流防止リングを分割する必要があり、いずれにせよ製作が難しく、強度的低下が避けられないと共に、樹脂の滞留部を生じやすい。
【００２８】
本発明の射出成形装置では、ガス供給部の溶融樹脂の移送を安定して飢餓状態とし、溶融樹脂にガスを均質に溶解させることができるようにするために、スクリュ先端部の圧力を、前記ガス空間のガス圧以上で、かつガス供給部の射出シリンダ内にガス空間を維持できる範囲の圧力として運転する。スクリュ先端部の圧力が低すぎると、ガス供給部に供給したガスが溶融樹脂に完全に溶け込まず、気泡状態で溶融樹脂中に混ざったまま計量され、溶融樹脂の計量がばらついたり、成形品中にボイドを生じ、型開時にボイド内部のガスが膨張し成形品が膨れたりする。スクリュ先端部の圧力とは、スクリュ先端部の溶融樹脂の圧力で、スクリュ背圧と等しく、スクリュもしくは射出プランジャを射出方向に押す圧力である。
【００２９】
スクリュ先端部の圧力の下限の設定法には、次の２種の方法が挙げられる。一つは簡便な方法で、ガス供給部のガス空間のガス圧とスクリュ先端部の圧力を等しく設定する方法である。もう一つは、樹脂の可塑化時にスクリュの回転と可塑化樹脂量が比例する圧力に設定する方法、つまりスクリュ回転速度を一定としたときに、スクリュもしくは射出プランジャが一定速度で後退する最低限の圧力とする方法である。
【００３０】
上記前者の方法は、ガス供給部に形成されるガス空間のガス圧を検出する圧力センサを射出シリンダに設けておき、この圧力センサで検出した圧力に基づいてスクリュ先端部の圧力を制御する制御装置を設けておくことで容易に行うことができる。この場合、ガス空間の圧力とスクリュ先端部の圧力を等しくなるように制御するだけでなく、スクリュ先端部の圧力がガス空間の圧力より所定圧力だけ大きくなるように制御することもできる。上記後者の方法は、ガス供給部に供給したガスが溶融樹脂に気泡状態で混ざるときに、スクリュにより送られる見かけの溶融樹脂量、つまり溶融樹脂と気泡の体積の和が一時的に増し、それに伴ってスクリュもしくは射出プランジャの後退速度が突然速くなることに着目したものである。
【００３１】
また、スクリュ先端部の圧力が高すぎると、樹脂の可塑化速度が遅くなるばかりか、本発明の２ステージタイプのスクリュを用いた場合に、第２ステージにおいて、スクリュ先端部の高い圧力に対抗して溶融樹脂を送ることができなくなり、ガス供給部の溶融樹脂圧が高まり、ガス空間を存在させることができなくなる。このような状態では、十分な量のガスを溶融樹脂に溶解させられないばかりか、溶融樹脂へのガス溶解量を制御することが難しくなる。スクリュ先端部の圧力の上限は、ガスを供給せずに樹脂の可塑化を行ったときに、ガス供給部の溶融樹脂圧がガスの供給圧力と等しくなる圧力である。スクリュ先端部の圧力をこの圧力未満とすれば、ガス供給部にガス空間を存在させることができ、溶解量を制御しつつ必要量のガスを溶融樹脂に溶解させることができる。
【００３２】
しかし、ガスを供給しないときにガス供給部が大気圧以上の溶融樹脂で満たされてしまうような状態においては、溶融樹脂圧以上のガスをガス供給部に供給することでガス空間を形成できるが、溶融樹脂圧が変動した場合に、ガス空間の圧力も変わり、結果として溶融樹脂中のガス溶解量も変動することになる。このため、ガス供給とは関係なく、ガス供給部の溶融樹脂の移送を常に飢餓状態とし、これによってガス供給部の溶融樹脂圧を大気圧以下としておくことが好ましい。この場合、ガス供給部のガス空間は溶融樹脂により圧縮されることはなく、溶融樹脂へのガス溶解量はガス供給部への供給ガス圧で制御可能となる。
【００３３】
本発明のスクリュ先端部の圧力（スクリュ背圧）の絶対値は、スクリュの大きさ、スクリュのデザイン、スクリュの回転速度、樹脂の種類、樹脂の温度、供給するガスの圧力等によって異なるが、ガス供給部への供給ガス圧以上であり、かつガス供給部における溶融樹脂圧がガス供給部への供給ガス圧未満となる範囲で選択される。
【００３４】
ガスを溶解した溶融樹脂は発泡性を持つため、可塑化終了後射出開始までのスクリュ停止時も、発泡を抑えるために、上記スクリュ先端部の圧力を保持することが望ましい。保持するスクリュ先端部の圧力は、樹脂の可塑化時のスクリュ先端部の圧力と同じでよく、溶融樹脂の発泡によりスクリュやプランジャが後退しない最低限の圧力であればよい。可塑化終了後射出開始までの間保持するスクリュ先端部の圧力が高すぎると、射出動作までにスクリュやプランジャが前進し、可塑化時に計量した溶融樹脂量に誤差を生じる。また、成形を一時休止する場合でも、射出シリンダ内に残る溶融樹脂の発泡を防止するために、常にスクリュやプランジャが後退しないスクリュ先端部の圧力を保つことが好ましい。
【００３５】
上記スクリュ停止時にスクリュ先端部の圧力を一定に保つ手法としては、スクリュを前進させる力を一定に保つ手法、例えばスクリュの前進が油圧駆動で行われる場合、スクリュ前進用の油圧力を一定に保持することで行うことができる。また、この油圧駆動の場合には、スクリュ停止時にスクリュ前進用の油圧バルブを閉じ、スクリュ先端部の圧力に対抗するための作動油の流れを遮断し、いわばスクリュの後退をロックしてしまうことでも行うことができる。
ガス供給部における射出シリンダ内へのガスの供給は、供給側の圧力と、ガス供給部のシリンダ内の圧力との差圧によって自動的に開閉される自動開閉弁を介して行うことが好ましい。
【００３６】
上記自動開閉弁の具体例としては、ガス供給部の射出シリンダ内に開口するガス供給路の先端に、弁座と密着する方向にスプリングで付勢されて設けられ、供給ガス圧で押されてスプリングに抗して射出シリンダの内側方向に移動したときにガス供給路を開放するキノコ弁（錐台形、一般的には円錐台形をなす弁体。）を挙げることができる。このようなキノコ弁を用いると、ガス供給時にはガス流量に応じてガス供給路が開き、比較的広い開口面積が得られるので、短時間で必要なガス量を供給することができる。また、ガスが流れないときには、自動的にガス供給路が閉鎖されるので、溶融樹脂がガス供給路に逆流しない。更に、ガスが流れている場合であっても、溶融樹脂がガス供給路に侵入しようとした場合、溶融樹脂がキノコ弁の底を押して自動的にキノコ弁を閉鎖状態にするので、溶融樹脂の逆流を防止できる。
【００３７】
次に、図面に基づいて本発明の射出成形装置の一例について説明する。本例の装置は、インラインスクリュ式射出成形機を用い、ガスには二酸化炭素を用いたものである。
図１に示されるように、１は射出成形機で、熱可塑性樹脂の可塑化と射出を行う射出シリンダ２、金型３および型締め装置４とを備えたものとなっている。この射出成形機１の射出シリンダ２には、二酸化炭素源５から、二酸化炭素昇圧装置６および二酸化炭素調圧装置７からなるガス供給装置を介して二酸化炭素が供給されるものとなっている。
【００３８】
なお、二酸化炭素は、金型３に供給して、カウンタプレッシャ用のガスとして用いたり、射出シリンダ２のホッパ８供給して、ホッパ８から射出シリンダ２に供給される樹脂に吸収させることもできる。この場合、射出シリンダ２に供給する二酸化炭素、金型３に供給する二酸化炭素およびホッパ８に供給する二酸化炭素を、供給の開始と停止および圧力などをそれぞれ独立に制御できるようにしておくことが好ましい。
【００３９】
上記射出シリンダ２、二酸化炭素源５、二酸化炭素昇圧装置６および二酸化炭素供給装置７について図２により更に説明する。
図２に示されるように、本例における二酸化炭素源５としては液化二酸化炭素ボンベ９が用いられている。
二酸化炭素昇圧装置６は、液化状態の二酸化炭素を加圧して昇圧する液化二酸化炭素圧縮機１１を備えたもので、上記液化二酸化炭素ボンベ９が電磁開閉弁１０を介してこの液化二酸化炭素圧縮機１１に連結されている。二酸化炭素源５と二酸化炭素昇圧装置６間は、二酸化炭素の液化状態を保つことができるよう、二酸化炭素の臨界温度（３１．１℃）未満に保持されている。液化二酸化炭素ボンベ９より液化二酸化炭素圧縮機１１に供給され、圧縮されて昇圧した液化二酸化炭素は、二酸化炭素調圧装置７へと送られる。
【００４０】
二酸化炭素調圧装置７へと送られる液化二酸化炭素は、電磁開閉弁１２を経て加熱器１３に供給される。加熱器１３に供給された液化二酸化炭素はここで臨界温度以上のガスとなり、減圧弁１４を経て射出シリンダ２のメインタンク１５に供給される。メインタンク１５には、内部の圧力が異常に高くなった時にガスを逃がすリリーフ弁１６と、メインタンク１５内のガス圧をチェックするためのメータ１７が接続されている。
【００４１】
上記メインタンク１５と射出シリンダ２間を接続するガス供給配管１８には、メインタンク１５から順に、電磁開閉弁１９、逆止弁２０が介在している。また、逆止弁２０と射出シリンダ２との間にはリリーフ弁２１と大気開放バルブ２２が接続されている。
上記ガス供給装置を用いて射出シリンダ２内のガス供給部２６に二酸化炭素を供給する手順を説明する。
【００４２】
まず、電磁開閉弁１９と電磁開閉弁１２を閉じた状態で電磁開閉弁１０を開くと、液化二酸化炭素ボンベ９から液化二酸化炭素圧縮機１１に液化二酸化炭素が供給される。液化二酸化炭素圧縮機１１で圧縮された液化二酸化炭素は電磁開閉弁１２を開くことにより加熱器１３に供給されて暖められ、減圧弁１４で必要な圧力まで減圧され、メインタンク１５に蓄えられる。そして、メインタンク１５に必要圧力の加圧ガスが蓄えられた状態で、電磁開閉弁１９が開放されて、所定圧の二酸化炭素がガス供給配管１８を介して射出シリンダ２に供給されることになる。
【００４３】
射出シリンダ２は、樹脂供給部から先端に向かって順次フィード部、コンプレッション部、メタリング部で構成されるステージが直列に２回繰り返される２ステージタイプのスクリュ２３を備えたもので、ホッパ８側がスクリュ第１ステージ２３ａ、ノズル部２４側がスクリュ第２ステージ２３ｂである。
ガス供給部２６は第２ステージ２３ｂのフィード部（ベント部）に設置されており、このガス供給部２６にはガス供給路２７が開口している。このガス供給路２７は、前記ガス供給配管１８に接続されているものである。
【００４４】
図３に拡大して示すように、第１ステージ２３ａのメタリング部（ガス供給部２６と第１ステージ２３ａの間）には、流量制御部２８が設けられている。流量制御部２８は、射出シリンダ２のバレル内面とのクリアランスを小さくして、第１ステージ２３ａより移送される溶融樹脂量を制御し、ガス供給部２６における溶融樹脂の移送を飢餓状態にすると共に、ガス供給部２６に供給された二酸化炭素がホッパ８側に逆流しないようにするためのものである。
【００４５】
上記流量制御部２８と、射出シリンダ２のバレル内面とのクリアランスは、スクリュ径によっても異なるが、０．１〜１ｍｍ程度であることが好ましく、更に好ましくは０．１〜０．５ｍｍ程度である。流量制御部２８の長さは、スクリュ径の５〜２００％程度が好ましく、更に好ましくはスクリュ径の１０〜１００％程度である。
【００４６】
上記クリアランスと長さは樹脂の溶融粘度や供給ガス圧力により適宜選択される。使用する樹脂の溶融粘度が低いほど、またガス供給部２６に供給される二酸化炭素の圧力が高いほど、クリアランスを小さくし、また長さを長くする。これらの値を調整することにより、第１ステージ２３ａが樹脂で満たされている場合、成形操作中にガス供給部２６の二酸化炭素がホッパ８側に逆流することを確実に防止することができる。また、流量制御部２８を通過する溶融樹脂の温度を低くしてその粘度を高めることも、ガス供給部２６に供給された二酸化炭素のホッパ８側への逆流防止に効果的である。
【００４７】
ガス供給部２６への二酸化炭素の供給は、上記流量制御部２８によってガス供給部２６における溶融樹脂の移送を飢餓状態とし、これによってガス供給部２６に生じる空間（溶融樹脂で満たされていない部分）に、図４に示される自動開閉弁２９を介して二酸化炭素を送り込むことで行われる。
本例の自動開閉弁２９は、図４に示されるように、スプリング３０で射出シリンダ２の外方へ付勢されて、弁座３１に押し付けられるキノコ弁で構成されたものとなっている。
【００４８】
更に説明すると、ガス供給路２７の先端に上記自動開閉弁２９が位置していると共に、ガス供給路２７の先端周縁には、自動開閉弁２９の背面と対向して弁座３１が設けられている。自動開閉弁２９の背面には、弁軸３２が接続されており、この弁軸３２は、周囲に隙間を持ってガス供給路２７内を伸び、スプリング３０で射出シリンダ２の外方へ付勢されているものである。
上記自動開閉弁２９は、ガス供給路２７内と射出シリンダ２のガス供給部２６内の圧力が等しいときにはスプリング３０の力によって弁座３１に押し付けられてガス供給路２７を閉鎖し、ガス供給路２７に二酸化炭素が供給されて、ガス供給路２７内の圧力が射出シリンダ２のガス供給部２６内の圧力より高くなり、この二酸化炭素の圧力による力がスプリング３０の力を上回ると、スプリング３０に抗して射出シリンダ２の内方に移動して、ガス供給路２７を開放するものである。
【００４９】
上記キノコ弁を用いた自動開閉弁２９を介して二酸化炭素の供給を行うと、二酸化炭素の供給時にはその流量に応じてガス供給路２７が開き、比較的広い開口面積が得られるので、短時間で必要な量の二酸化炭素を供給することができる。また、二酸化炭素が流れないときには、自動的にガス供給路２７が閉鎖されるので、溶融樹脂がガス供給路２７に逆流しない。更に、二酸化炭素が流れている場合であっても、溶融樹脂がガス供給路２７に侵入しようとした場合、溶融樹脂が自動開閉弁２９の底を押して自動的にガス供給路２７を閉鎖するので、溶融樹脂の逆流を防止できる。
【００５０】
上記自動開閉弁２９は、その先端面（射出シリンダ２の内側の面）付近に溶融樹脂が対流するのを防止するために、開放時の先端面が射出シリンダ２の内面とほぼ一致する位置に設けることが好ましい。具体的には、閉鎖時の先端面の位置が、射出シリンダ２の内面とほぼ等しい位置か、もしくは０．５ｍｍ程度窪んだ位置にあることが好ましい。
図２に示されるように、スクリュ２３の先端部には、射出時の溶融樹脂の逆流を防止するための逆流防止シリング３３が設けられている。また、ノズル部２４には、ノズル孔３４を開閉するためのニードル弁３５が設けられている。このニードル弁３５は、ノズル部２４の内側に、ノズル孔３４に向かって進退可能に設けられており、油圧シリンダなどの駆動装置に３６によって駆動ロッド３７を傾動させることで進退し、前進時にノズル孔３４を閉鎖し、後退時にノズル孔３４を開放するものとなっている。
【００５１】
上記のようなニードル弁３５を設けてノズル孔３４を開閉可能としておくと、ノズル孔３４を閉鎖した状態で、スクリュ２３の先端部に圧力（スクリュ背圧）を加えながら可塑化計量操作を行うことで、計量されて射出シリンダ２の先端部に溜まる、二酸化炭素が溶解した溶融樹脂の発泡を防ぐことができる。
本発明の射出成形装置では、ノズル孔３４を開閉できる射出シリンダ２を用いることが好ましく、ノズル孔３４を開閉する機構としては、上記のような機械的に強制開閉されるものの他、射出シリンダ２内の溶融樹脂圧、特に先端部の溶融樹脂圧が所定圧力となると自動的に開くタイプのものもある。つまり、本発明で用いる射出成形機としては、開閉可能なバルブノズルを備えた射出シリンダ２を用いることが好ましい。
なお、上述の装置はガスとして二酸化炭素を用いているが、二酸化炭素以外のガスを用いる場合でも同様の装置で本射出成形法を行うことができる。
【００５２】
【実施例】
次に、実施例および比較例によって本発明を更に説明する。
まず、実施例および比較例で用いた機材および材料、計量安定性の測定方法、スクリュ先端部圧力とガス供給部の溶融樹脂圧力の関係の測定方法、ノズル側および樹脂供給部側へのガス吹き抜け性の測定方法について説明する。
（樹脂）
ポリカーボネート樹脂：帝人化成製パンライトＬ−１２２５Ｙ
（二酸化炭素）
純度９９％以上の二酸化炭素を用いた。
【００５３】
（射出成形機）
住友重機械工業製「ＳＧ１２５Ｍ−ＨＰ」をベースとして使用した。スクリュ径はφ３２ｍｍ、最大スクリュストロークは１６０ｍｍである。射出シリンダ温度は３００℃に設定した。ガス供給部は図３に示す構造であり、自動開閉弁として図４に示すキノコ弁を取り付けた。キノコ弁の弁座接触部の径は４．６ｍｍであり、スプリングがこのキノコ弁を閉じる力は３００ｇである。ノズル部は、図５に示す機械的な開閉機構を有するものとした。また、図には示していないが、ガス供給部のガス供給路の開口位置とは反対側のシリンダ内面には、溶融樹脂圧力もしくはガス圧力測定用の圧力センサを取り付けた。圧力センサにはダイニスコ社製「ＮＰ４６５ＸＬ」を用いた。
【００５４】
（スクリュ先端部圧力とガス供給部の溶融樹脂圧力の関係の測定方法）
ガスを供給せずに、ノズル孔を閉じた状態で、スクリュストローク１２０ｍｍで樹脂を可塑化しパージする動作を繰り返した。スクリュ回転数１００、１５０ｒｐｍにおいて、スクリュ先端部の圧力を変え、各スクリュ先端部の圧力でガス供給部にかかる溶融樹脂の圧力を圧力センサで測定した。
（計量安定性の測定方法）
スクリュ回転数１５０ｒｐｍ、スクリュ先端部の圧力１２ＭＰａで、ガス供給部に１２ＭＰａ二酸化炭素を供給し、ノズル孔を閉じた状態で、スクリュストローク１２０ｍｍで樹脂を可塑化しパージする動作を３０回繰り返し行い、可塑化時間を測定した。
【００５５】
（ノズル側へのガス吹き抜け性の評価方法）
スクリュ回転数１５０ｒｐｍ、スクリュ先端部の圧力１２ＭＰａで、ガス供給部に１２ＭＰａ二酸化炭素を供給し、ノズル孔を閉じた状態で、スクリュストローク１２０ｍｍで樹脂を可塑化しパージする動作を３０回繰り返し行い、ノズル部からのストランドが切れたり、気泡の破裂による破裂音発生の有り無しによってノズル部へのガス吹き抜けの有り無しの判断をした。
【００５６】
（樹脂供給部側へのガス吹き抜け性の評価方法）
スクリュ回転数１５０ｒｐｍ、スクリュ先端部の圧力１２ＭＰａで、ガス供給部に１２ＭＰａ二酸化炭素を供給し、樹脂を可塑化し、その状態で１０分間保持させる。この状態で１０分の間に樹脂供給部側へのガス吹き抜けの有り無しを評価した。吹き抜けた時はガス供給部のガス供給路の開口位置とは反対側のシリンダ内面に取り付けた圧力センサの数値が降下することで判断した。スクリュストローク４０ｍｍから開始し、２０ｍｍずつスクリュストロークを増やしていき最大１４０ｍｍまで測定した。
【００５７】
【実施例１】
スクリュは各部分の長さが、スクリュ径（Ｄ）に対して、第１フィード部＝９Ｄ、第１コンプレッション部＝３Ｄ、第１メタリング部＝２Ｄ、樹脂流量制御部＝０．５Ｄとし、シリンダ内面とのクリアランスは０．３ｍｍとした。第２フィード部＝１６０ｍｍ、第２コンプレッション部＝２Ｄ、第２メタリング部＝６．５Ｄとし、樹脂供給部から先端までのスクリュの長さが２８Ｄのものとした。
この成形機を用いて樹脂を射出成形した。結果を表１、３、４および５に示す。
【００５８】
【実施例２】
スクリュは各部分の長さが、スクリュ径（Ｄ）に対して、第１フィード部＝１０Ｄ、第１コンプレッション部＝２Ｄ、第１メタリング部＝２Ｄ、樹脂流量制御部＝１Ｄとし、シリンダ内面とのクリアランスは０．４ｍｍとした。第２フィード部＝１６０ｍｍ、第２コンプレッション部＝２Ｄ、第２メタリング部＝６Ｄとし、樹脂供給部から先端までのスクリュの長さが２８Ｄのものとした。
この成形機を用いて樹脂を射出成形した。結果を表１、３、４および５に示す。
【００５９】
【実施例３】
スクリュは各部分の長さが、スクリュ径（Ｄ）に対して、第１フィード部＝６Ｄ、第１コンプレッション部＝２Ｄ、第１メタリング部＝２Ｄ、樹脂流量制御部＝０．５Ｄとし、シリンダ内面とのクリアランスは０．３ｍｍとした。第２フィード部＝１６０ｍｍ、第２コンプレッション部＝２Ｄ、第２メタリング部＝６Ｄとし、樹脂供給部から先端までのスクリュの長さが２３．５Ｄのものとした。
この成形機を用いて樹脂を射出成形した。結果を表１、３、４および５に示す。
【００６０】
【実施例４】
スクリュは各部分の長さが、スクリュ径（Ｄ）に対して、第１フィード部＝６Ｄ、第１コンプレッション部＝２Ｄ、第１メタリング部＝２Ｄ、樹脂流量制御部＝１Ｄとし、シリンダ内面とのクリアランスは０．４ｍｍとした。第２フィード部＝１６０ｍｍ、第２コンプレッション部＝１．５Ｄ、第２メタリング部＝５．５Ｄとし、樹脂供給部から先端までのスクリュの長さが２３．５Ｄのものとした。
この成形機を用いて樹脂を射出成形した。結果を表１、３、４および５に示す。
【００６１】
【比較例１】
スクリュは各部分の長さが、スクリュ径（Ｄ）に対して、第１フィード部＝６Ｄ、第１コンプレッション部＝２Ｄ、第１メタリング部＝１．５Ｄ、樹脂流量制御部＝０．５Ｄとし、シリンダ内面とのクリアランスは０．３ｍｍとした。第２フィード部＝１３０ｍｍ、第２コンプレッション部＝２Ｄ、第２メタリング部＝５Ｄとし、樹脂供給部から先端までのスクリュの長さが２１Ｄのものとした。
この成形機を用いて樹脂を射出成形した。結果を表２〜５に示す。
【００６２】
【比較例２】
スクリュは各部分の長さが、スクリュ径（Ｄ）に対して、第１フィード部＝６Ｄ、第１コンプレッション部＝３Ｄ、第１メタリング部＝２Ｄ、樹脂流量制御部＝０．５Ｄとし、シリンダ内面とのクリアランスは０．３ｍｍとした。第２フィード部＝１１０ｍｍ、第２コンプレッション部＝１．５Ｄ、第２メタリング部＝４．５Ｄとし、樹脂供給部から先端までのスクリュの長さが２１Ｄのものとした。
この成形機を用いて樹脂を射出成形した。結果を表２〜５に示す。
【００６３】
【比較例３】
スクリュは各部分の長さが、スクリュ径（Ｄ）に対して、第１フィード部＝１０Ｄ、第１コンプレッション部＝３Ｄ、第１メタリング部＝４Ｄ、樹脂流量制御部＝１Ｄとし、シリンダ内面とのクリアランスは０．４ｍｍとした。第２フィード部＝１６０ｍｍ、第２コンプレッション部＝０．５Ｄ、第２メタリング部＝４．５Ｄとし、樹脂供給部から先端までのスクリュの長さが２８Ｄのものとした。
この成形機を用いて樹脂を射出成形した。結果を表２〜５に示す。
【００６４】
【表１】

【００６５】
【表２】

【００６６】
【表３】

【００６７】
【表４】

【００６８】
【表５】

【００６９】
【発明の効果】
本発明の射出成形装置により、ガスを溶融樹脂に定量的に溶解させることができると共に、射出シリンダー内に供給したガスのガスシールの問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の射出成形装置の概略図である。
【図２】図１に示される二酸化炭素源、二酸化炭素昇圧装置および二酸化炭素調圧装置からなるガス供給装置と射出シリンダ部分の詳細を示す模式図である。
【図３】射出シリンダのガス供給部付近の拡大断面図である。
【図４】ガス供給部の自動開閉弁機構を示す断面図である。
【図５】スクリュ各部位の詳細を示す図である。
【符号の説明】
１射出成形機
２射出シリンダ
３金型
４型締め装置
５二酸化炭素源
６二酸化炭素昇圧装置
７二酸化炭素調圧装置
８ホッパ
９液化二酸化炭素ボンベ
１０電磁開閉弁
１１液化二酸化炭素圧縮機
１２電磁開閉弁
１３加熱器
１４減圧弁
１５メインタンク
１６リリーフ弁
１７メータ
１８ガス供給配管
１９電磁開閉弁
２０逆止弁
２１リリーフ弁
２２大気開放バルブ
２３スクリュ
２３ａスクリュ第１ステージ
２３ｂスクリュ第２ステージ
２４ノズル部
２５樹脂計量装置
２６ガス供給部
２７ガス供給路
２８流量制御部
２９自動開閉弁
３０スプリング
３１弁座
３２弁軸
３３逆流防止シリング
３４ノズル孔
３５ニードル弁
３６駆動装置
３７駆動ロッド
Ｌ１第１フィード部
Ｌ２第１コンプレッション部
Ｌ３第１メタリング部
Ｌ４第２フィード部
Ｌ５第２コンプレッション部
Ｌ６第２メタリング部

Claims

射出シリンダ内の溶融樹脂にガス供給装置からガスを供給し、ガスを溶解させた溶融樹脂を射出する射出成形装置において、樹脂供給部から先端に向かって第１フィード部、第１コンプレッション部および第１メタリング部で構成される第１ステージと同様に第２フィード部、第２コンプレッション部および第２メタリング部で構成される第２ステージとが直列に連なった２ステージタイプスクリュを備え、第２フィード部に開口するガス供給口にガス供給装置が接続され、第１メタリング部と第２フィード部の間に溶融樹脂の流動抵抗の高い流量制御部が設けられた射出シリンダを有する射出成形装置であって、スクリュの各部分の長さが、スクリュ径（Ｄ）に対して、
第１フィード部６〜１２Ｄ、
第１コンプレッション部２〜４Ｄ、
第１メタリング部２〜５Ｄ、
流量制御部０．１〜３Ｄ、
第２フィード部最大計量ストローク長以上、
第２コンプレッション部２〜５Ｄ、
第２メタリング部５〜１０Ｄ、
となる関係を有することを特徴とする射出成形装置。
樹脂供給部から先端までのスクリュの長さが、スクリュ径（Ｄ）に対して２２Ｄ以上であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形装置。