JP3854537B2 - 熱可塑性樹脂発泡体の成形方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超臨界流体を用いた熱可塑性樹脂発泡体の成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超臨界流体を用いた熱可塑性樹脂発泡材の形成方法が開発されている。超臨界流体は、液体に近い溶解性と気体と同程度の拡散性及び浸透性を有しているので、短時間で樹脂中に含浸する。また、超臨界流体を用いることにより、従来の化学発泡法やガス発泡法等では困難であった微細な発泡セルを樹脂内部に形成できるため、軽量かつ剛性重量比の高い発泡体を製造することができる。この発泡体の基礎となる形成方法が、米国特許５，１５８，９８６号に記載されている。この公報によれば、１）熱可塑性樹脂を押し出し成形によりシート化し、そのシートを超臨界状態のＣＯ２を充満した加圧室に導入することで樹脂シート内に超臨界流体であるＣＯ２を含浸させ、大気圧の発泡室で加熱発泡させることにより発泡体を形成する方法や、２）樹脂を押し出し機で溶融させながら、樹脂内へ超臨界状態のＣＯ２を含浸させ、シート状に押し出した成形品を加圧室に導入し、加圧室内の圧力変化により発泡体となるセル核を形成し、そのセル核を加熱冷却することにより、所望のセル径やセル密度を得る方法が開示されている。
【０００３】
上記発泡体を射出成形により成形した例として、射出成形機のシリンダ内で溶融した熱可塑性樹脂に超臨界状態のＣＯ２等の不活性ガスを含浸させ、その熱可塑性樹脂を金型内に射出充填させた後、金型内を減圧することにより発泡させる装置及び成形方法が、特開平０８−２５８０９６、特開平１０−２３０５２８、特開２００１−９８８２等に提案されている。特開平１０−２３０５２８では、溶融樹脂の射出充填後に、金型の一部分あるいは一面全体を後退させてキャビティ容積を増大させ、キャビティ内を減圧することにより、熱可塑性樹脂の発泡制御を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記射出成形方法では、キャビティを型締めによって閉じた状態で超臨界流体を含浸した溶融樹脂を射出充填するので、特に、薄肉で大きな表面積を有する成形品の場合、溶融樹脂の充填口とキャビティ末端部とでは樹脂内の圧力差が大きくなる。したがって、キャビティ末端部に至るまで溶融樹脂を充填するには、溶融樹脂の射出充填圧を高くする必要がある。これに伴い、その充填圧に耐え得るキャビティの型締め圧が必要となるが、型締め圧を高くすることで充填される溶融樹脂の流動抵抗が増し、キャビティ内における圧力差をさらに増大させる要因となる。
【０００５】
また、射出成形機の可塑化シリンダで加圧された溶融樹脂に含浸されている超臨界流体は、キャビティへ射出された際に減圧されることによりガス化し、溶融樹脂の表面から発泡する。したがって、樹脂表面層に平滑な無発泡層を形成する場合には、溶融樹脂の表面が発泡状態のまま金型により冷却されて固化することを防止する必要がある。そこで、従来の超臨界流体を用いた成形方法では、金型表面やその近傍を熱伝導率の低い材料とすることにより、溶融樹脂の熱量が金型に奪われるのを抑制し、樹脂表面の急激な冷却を抑制する方法が提案されている。この方法によれば、樹脂の粘性は低下し、樹脂への金型パターンの転写性も向上する。しかしながら、樹脂内部に発泡層を形成するためには、樹脂表面に無発泡のスキン層が形成された後に、樹脂内部の粘性が低い状態でキャビティ内圧を低下させる必要がある。一方、樹脂表面に微細な金型パターンを転写するためには、キャビティ内圧を増大させて溶融樹脂を金型パターンに十分に侵入させなければならない。これらの条件を同時に満たすことは難しく、これまで安定した発泡体を得ることができなかった。
【０００６】
本発明の目的は、熱可塑性樹脂の内部に均一な厚みの発泡層を有する熱可塑性樹脂発泡体の新規な成形方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、金型に溶融樹脂を充填することにより熱可塑性樹脂発泡体を成形する方法であって、
上記溶融樹脂に加圧ＣＯ２を含浸することと；
ＣＯ２が充填されたチャンバー内に配置され且つ上面が開放された金型容器に、ＣＯ２が含浸された溶融樹脂を充填することと；
金型容器に充填された溶融樹脂を、プレス金型を用いて加圧することと；
上記溶融樹脂を加圧した後に、金型容器とプレス金型で画成される空間の容積を増大させて溶融樹脂を発泡させることを含む熱可塑性樹脂発泡体の成形方法が提供される。
【０００８】
本発明においては、例えば超臨界状態のＣＯ２を予め含浸した溶融樹脂を用いて射出成形を行う。溶融樹脂は、予めＣＯ２が充填されたチャンバー内で、上面が開放された金型容器に射出充填される。金型容器は、上面が開放されていることにより、溶融樹脂が充填される際の流動抵抗が極めて低いので、容器内で溶融樹脂の圧力差は生じない。予めチャンバー内に充填されたＣＯ２は溶融樹脂に対して可塑材として機能することにより、溶融樹脂の粘性が低く保たれる。溶融樹脂の低流動抵抗及び低粘性により、溶融樹脂が金型の端部まで充分に広がると共に、金型容器の底面に形成されている成形パターン内部にまで十分に溶融樹脂が侵入する。次いで、プレス金型を用いて金型容器の開放面を閉鎖すると共に、溶融樹脂を加圧することにより、型締めが行われる。溶融樹脂の表面が金型容器及びプレス金型によって冷却され固化することにより、金型パターンが溶融樹脂に転写される。さらに、金型容器に相対してプレス金型を移動させて、金型容器及びプレス金型で画成される空間の容積を増大させる。これにより、空間内部の圧力が低下し、溶融樹脂が膨張する。同時に、溶融樹脂に予め含浸されていたＣＯ２が圧力低下により気化し、溶融樹脂の内部は発泡状態となる。この状態で溶融樹脂を冷却することにより、熱可塑性樹脂発泡体を得ることができる。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、金型に溶融樹脂を充填することにより熱可塑性樹脂発泡体を成形する方法であって、
上記溶融樹脂に加圧ＣＯ２を含浸することと；
ＣＯ２が充填されたチャンバー内に配置され且つ上面が開放された金型容器に、ＣＯ２が含浸された溶融樹脂を充填することと；
金型容器に充填された溶融樹脂を、プレス金型を用いて加圧することと；
上記溶融樹脂を加圧した後に、金型容器とプレス金型で画成される空間内のＣＯ２の圧力を低下させて溶融樹脂を発泡させることを含む熱可塑性樹脂発泡体の成形方法が提供される。
【００１０】
本発明においては、例えば超臨界状態のＣＯ２を予め含浸した溶融樹脂を用いて射出成形を行う。溶融樹脂は、予めＣＯ２が充填されたチャンバー内で、上面が開放された金型容器に射出充填される。金型容器は、上面が開放されていることにより、溶融樹脂が充填される際の流動抵抗が極めて低いので、容器内で溶融樹脂の圧力差は生じない。予めチャンバー内に充填されたＣＯ２は溶融樹脂に対して可塑材として機能することにより、溶融樹脂の粘性が低く保たれる。溶融樹脂の低流動抵抗及び低粘性により、溶融樹脂が金型の端部まで充分に広がると共に、金型容器の底面に形成されている成形パターン内部にまで十分に溶融樹脂が侵入する。次いで、プレス金型を用いて金型容器の開放面を閉鎖すると共に、溶融樹脂を加圧することにより、型締めが行われる。溶融樹脂の表面が金型容器及びプレス金型によって冷却され固化することにより、金型パターンが溶融樹脂に転写される。さらに、金型容器及びプレス金型で画成された空間内のＣＯ２の圧力を、例えば、プレス金型内部に設けた通路及びプレス金型外部に設けた排気管を通してＣＯ２をチャンバー外部に排気することにより低下させる。同時に、溶融樹脂に予め含浸されていたＣＯ２が圧力低下により気化し、溶融樹脂の内部は発泡状態となる。この状態で溶融樹脂を冷却することにより、熱可塑性樹脂発泡体を得ることができる。
【００１１】
本発明の第１及び第２の態様においては、溶融樹脂をプレス金型で加圧する工程及び／又は発泡工程は、ＣＯ２を充填したチャンバー内で行ってもよく、あるいは別の場所に金型容器を移送して行ってもよい。
【００１２】
本発明の第３の態様によれば、熱可塑性樹脂発泡体を成形する方法であって、
溶融樹脂に加圧ＣＯ２を含浸することと；
ＣＯ２が充填されたチャンバー内に配置され且つ上面が開放された容器に、ＣＯ２が含浸された溶融樹脂を充填することと；
上記容器に充填された上記溶融樹脂を、上記チャンバー内のＣＯ２の圧力を低下させて発泡させることを含む熱可塑性樹脂発泡体の成形方法が提供される。
【００１３】
本発明においては、例えば超臨界状態のＣＯ２を予め含浸した溶融樹脂を用いて射出成形を行う。溶融樹脂は、予めＣＯ２が充填されたチャンバー内で、上面が開放された容器に射出充填される。容器は、上面が開放されていることにより、溶融樹脂が充填される際の流動抵抗が極めて低いので、容器内で溶融樹脂の圧力差は生じない。予めチャンバー内に充填されたＣＯ２は溶融樹脂に対して可塑材として機能することにより、溶融樹脂の粘性が低く保たれる。溶融樹脂の低流動抵抗及び低粘性により、溶融樹脂が容器の端部まで充分に広がると共に、容器の底面に形成されている成形パターン内部にまで十分に溶融樹脂が侵入する。次に、必要に応じて、例えば、容器を回転ステージ等を用いて回転させて容器上の溶融樹脂の厚みを均一にした後、チャンバー内のＣＯ２の圧力を低下させる。これにより、チャンバー内部の圧力が低下する。同時に、溶融樹脂に予め含浸されていたＣＯ２が圧力低下により気化し、溶融樹脂の内部は発泡状態となる。この状態で溶融樹脂を冷却することにより、熱可塑性樹脂発泡体を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１５】
【実施例１】
本発明に用いた熱可塑性樹脂発泡体を成形するための成形装置を、図１及び２を用いて説明する。本成形装置は、図２に示すように、主に、チャンバー１、射出充填部５、型締部４、成形品取出部２１及び移動金型予熱部２２からなる。なお、図１は、図２におけるＡ’−Ａ’線の断面を示した図である。
【００１６】
チャンバー１は、図２に示すように、直径１０００ｍｍ、高さ２００ｍｍの円筒状に形成されている。チャンバー１は、円筒の中心軸ＡＸを中心として、外周部まで放射状に延在する壁１５、１６、１７及び１８により、その内部が４つのサブチャンバー１１、１２、１３及び１４に区画されている。壁１５、１６、１７及び１８は、それぞれ上下動を行う機構（不図示）により上下動可能であり、例えば、壁１５、１６が上昇しているときにサブチャンバー１１は密閉される。チャンバー１には、移動金型２０を、チャンバー１の中心軸ＡＸを中心として回転移動させるための搬送装置１９が設けられている。搬送装置１９は、中心軸ＡＸ上に位置するロータ１００と、ロ―タ１００から放射状に延在する４本のアーム１０１とを有しており、各アームの先端には移動金型２０を把持する不図示のチャックが設けられている。ロータ１００の回転（時計方向）により、移動金型２０が各サブチャンバー間を移動するときのみ、該当する壁が下降しサブチャンバー間の雰囲気を連通させ、移動金型２０の移動が完了すると、該当する壁が上昇し再びサブチャンバー同士を隔離する。図２に示したように、ロータ１００の回転により、移動金型２０はサブチャンバー１１〜１４を順次移動して、各サブチャンバーで作業が行われる。サブチャンバー１１では、移動金型２０に樹脂の射出成形と型締め（圧縮）が行われる。サブチャンバー１２、１４は待機室であり、サブチャンバー１３では成形品の取出し及び移動金型２０の加熱が行われる。
【００１７】
各移動金型２０は、金型用鋼材である日立金属社製ＨＰＭ３８からなる円筒状の金属容器である。図３に示すように、移動金型２０の底面２０ａには、所望の凹凸パターンが形成されたスタンパ２３が、不図示のスタンパ押えを介して設置されている。
【００１８】
図１及び２に示すように、サブチャンバー１１の上方には、時計回り方向に順に、射出充填部５及び型締部４が配置されている。射出充填部５及び型締部４は、このサブチャンバー１１において、移動金型２０への溶融樹脂の射出充填及び金型の型締めをそれぞれ行なう。
【００１９】
中心軸ＡＸに関してサブチャンバー１１に対向するサブチャンバー１３内は、成形品取出部２１及び移動金型予熱部２２が設けられており、サブチャンバー１３の内部が大気圧状態に維持されている。移動金型予熱部２２における加熱手段として、高周波誘導加熱またはマイクロ波加熱等が用いられる。予め移動金型２０を加熱することによって、移動金型２０上に射出充填される溶融樹脂の温度をガラス転移温度以上に維持することができる。
【００２０】
射出充填部５は、図１に示すように、溶融樹脂の可塑化部２、射出部３及びステージ７０からなる。可塑化部２及び射出部３は、スクリュー・プリプラ式の射出機構で構成されている。可塑化部２は先端にあるノズル２’が水平面に対して斜め下向きとなるように配置されている。可塑化部２は、主にシリンダ３３、スクリュー３７及びヒーター３６から構成される。スクリュー３７は、シリンダ３３の内部に配置され、シリンダ３３内に充填された溶融樹脂を可塑化する。ヒーター３６は、シリンダ３３の周囲に配置され、シリンダ３３内で可塑化された溶融樹脂の可塑状態を維持するために、シリンダ３３を加熱する。シリンダ３３の側面には、第１ベントポート３４及び第２ベントポート３５が形成されている。第１ベントポート３４は、シリンダ３３内で、スクリュー３７の回転により可塑化された樹脂から発生したモノマー成分等の揮発ガスを、真空ポンプ３２を用いて外部に排気するために用いられる。また、第２ベントポート３５は、超臨界状態の加圧ＣＯ２を、ＣＯ２ガスボンベ３８から加圧ＣＯ２発生装置３９を介して、シリンダ３３内に充填するために用いられる。
【００２１】
射出部３は、射出シリンダ４０及びゲート開閉シリンダ４２で構成されている。射出シリンダ４０は、可塑化部２の下方に配置され、水平方向に延在する。射出シリンダ４０内部には、射出プランジャー４１が配置され、射出シリンダ４０内に充填された溶融樹脂を射出する。射出プランジャー４１は、射出シリンダ４０先端近傍に形成された溶融樹脂供給口４０’から後退した位置に配置されている。射出プランジャー４１の位置により、ゲート開閉シリンダ４２を介して移動金型２０内に射出充填される溶融樹脂の量が決定される。また、射出シリンダ４０の溶融樹脂供給口４０’で射出シリンダ４０の内部と可塑化部２のノズル２’とが通じる。ゲート開閉シリンダ４２は、射出シリンダ４０の先端部に隣接して鉛直方向に延在しており、その先端がサブチャンバー１１内部に至っている。ゲート開閉シリンダ４２の内部には、ゲート開閉ピストン４５が配置されており、ゲート開閉ピストン４５によってゲート開閉シリンダ４２内に充填された溶融樹脂がサブチャンバー内に射出される。また、ゲート開閉シリンダ４２の周囲にはバンドヒーター４３が設置されており、バンドヒーター４３によってゲート開閉シリンダ４２内に充填された溶融樹脂の温度制御が行われる。射出シリンダ４０のノズル４０”は、ゲート開閉シリンダ４２と所定の高さ位置において連通している。ステージ７０は、サブチャンバー１１内において、ゲート開閉シリンダ４２の下方に配置される。ステージ７０は、モーター９０上に、モーター９０の軸ＢＸを中心に回転可能に設置されている。ステージ７０上面には、搬送装置（１９）によって搬送されてきた移動金型２０が載置され、この移動金型２０上に溶融樹脂が射出充填される。
【００２２】
型締部４は、図１に示すように、主に、プレスステージ５０、ステージドライバ５１及びプレスシリンダ５２からなる。プレスステージ５０は、サブチャンバー１１内部でステージドライバ５１の上面に設置される。また、プレスステージ５０の上面には、射出充填部５より搬送装置（１９）により搬送されてきた移動金型２０が載置される。ステージドライバ５１を駆動させることにより、プレスステージ５０を介して移動金型２０が上下動する。プレスシリンダ５２は、サブチャンバー１１の上部に設置されている。プレスシリンダ５２の内部には、シリンダ内を鉛直方向に上下動するプレスピストン５３が設置されている。また、プレスピストン５３の下面にプレス金型５４が取り付けられている。プレス金型５４は、プレスピストン５３を下降したときに、移動金型２０の凹部と嵌合して凹部内の樹脂を圧縮する。
【００２３】
次に、熱可塑性樹脂発泡体の成形方法について、図１及び３を用いて説明する。まず、溶融樹脂の射出充填工程について説明する。図示しない乾燥機より、射出充填部５における可塑化部２のホッパ３０に、ポリカーボネートからなるペレット（成形材料）が供給される。次いで、ペレットは、ホッパ３０の周囲に設置されたヒーター３１によって、ホッパ３０内部で加熱され、より乾燥状態が促進される。このとき、ホッパ３０内部は真空ポンプ３２により脱気される。次いで、乾燥ペレットは、可塑化部２のシリンダ３３に供給される。第１ベントポート３４から可塑化時に発生する揮発ガスを真空ポンプ３２より脱気させ、溶融樹脂を飢餓状態にする。次いで、溶融樹脂が供給されたシリンダ３３内に、第２ベントポート３５から超臨界流体である加圧ＣＯ２を充填する。
【００２４】
シリンダ３３において加圧ＣＯ２が充填された溶融樹脂は、スクリュー３７が回転することにより、シリンダ３３のノズル２’を介して、射出シリンダ４０に充填される。次いで、射出シリンダ４０の射出プランジャー４１を前進（押出）させることによって、射出シリンダ４０内に供給された溶融樹脂のみが、射出シリンダ４０のノズル４０”を介してゲート開閉シリンダ４２に供給される。射出プランジャー４１の先端が射出シリンダ４０のノズル４０”まで移動した状態では、溶融樹脂供給口４０’が射出プランジャー４１によって塞がれる。これにより、可塑化部２のシリンダ３３内部は閉塞状態となる。この状態で、シリンダ３３内のスクリュー３７を回転させることにより、シリンダ３３内部に存在する溶融樹脂の圧力を高く維持することができる。次いで、ゲート開閉シリンダ４２に供給された溶融樹脂をバンドヒーター４３で温度制御する。次いで、ゲート開閉ピストン４５の先端部４６を上昇させることにより、ゲート開閉シリンダ４２のゲート４７が開放され、移動金型２０上に溶融樹脂が充填される。
【００２５】
図３は、図１中の符号Ａの部分を拡大した図である。ゲート開閉シリンダ４２のゲート４７から、溶融樹脂ＲＳが移動金型２０上に設置されたスタンパ２３上に充填される。このとき、移動金型２０は上方が開放された容器であるので、溶融樹脂ＲＳはその流路を制限されることなく、底面２０ａに設置されたスタンパ２３上に流れ出す。サブチャンバー１１内部には、ＣＯ２ガスボンベ３８から加圧ＣＯ２発生装置３９を介して供給されたＣＯ２が、圧力１０ＭＰａで予め充填されている。このＣＯ２が、溶融樹脂ＲＳの可塑材として機能する。これにより、射出充填された溶融樹脂ＲＳの粘性が低く保たれる。また、このＣＯ２により、溶融樹脂ＲＳ内に含浸されている加圧ＣＯ２や残留ガスの揮発による発泡や、空気等が溶融樹脂内に取り込まれることによる発泡を抑制することができる。さらに、サブチャンバー１１内のＣＯ２の圧力を一定に保つことにより、溶融樹脂ＲＳに予め含浸されている加圧ＣＯ２の含有量の変化を抑制できる。これにより、高アスペクト比で微細なパターンを有するスタンパを移動金型２０に設置した場合においても、パターンの細部に至るまで溶融樹脂を十分侵入させることができる。
【００２６】
次に、溶融樹脂に金型パターンの転写工程について、図１を用いて説明する。まず、射出充填部５で溶融樹脂の充填が行われた移動金型２０を、同一サブチャンバー内のプレスステージ５０上に搬送装置（１９）を用いて移動する。次いで、プレスピストン５３を鉛直方向に押し下げることにより、プレス金型５４を移動金型２０に嵌合させる。これにより、移動金型２０上の溶融樹脂が圧縮される。プレス金型５４により、露出している溶融樹脂の表面がほぼ一様な圧力で圧縮されるため、溶融樹脂の内部圧力差は殆ど生じない。このときのプレス金型５４の表面は、ＣＯ２を含浸した溶融樹脂のガラス転移温度以上であることが望ましい。溶融樹脂はほぼ均等な圧力でプレス金型５４の金型面に接触するので、溶融樹脂の表面は一様に冷却され固化する。
【００２７】
次いで、溶融樹脂の表面が固化しているが、溶融樹脂内部が未だ固化していない状態で、移動金型２０をステージドライバ５１によって下降させる。これにより、移動金型２０とプレス金型５４で画成される空間の容積が増大すると共にその内圧が低下する。同時に、溶融樹脂内に予め含浸されていた超臨界状態のＣＯ２が、圧力低下により気化し、溶融樹脂は発泡状態となる。この状態で溶融樹脂が冷却されることにより、溶融樹脂が固化して内部に発泡層を有する樹脂成形品を形成することができる。また、溶融樹脂内部が未だ固化していない状態で、再度加圧することにより、樹脂内部を無発泡状態に戻すことも可能である。
【００２８】
こうして、内部が発泡化された樹脂成形品は、搬送装置（１９）により、サブチャンバー１２、１３の順に移動される。図２に示すように、移動金型２０をサブチャンバー１１からサブチャンバー１３に移動する際に、まず、サブチャンバー１１と１２の間に位置する壁１６が下降し、サブチャンバー１１と１２の雰囲気を連通させる。次いで、搬送装置１９によって移動金型２０がサブチャンバー１１からサブチャンバー１２に移送される。移動金型２０がサブチャンバー１２に完全に侵入した状態で壁１６が上昇し、サブチャンバー１１と１２の雰囲気が隔離される。次いで、サブチャンバー１２と１３の間に位置する壁１７が下降し、サブチャンバー１２と１３の雰囲気が連通する。搬送装置１９によって、移動金型２０をサブチャンバー１２からサブチャンバー１３に移動した後、壁１７を上昇する。こうすることで、サブチャンバー１１と１３を直接連通させることなくサブチャンバー１１から１３に移動金型２０を移送することができる。
【００２９】
サブチャンバー１３に移送された移動金型２０は、成形品取出部２１に位置付けられる。成形品取出部２１では、移動金型２０内で固化した成形品が、図示しない取出口から装置外に取り出される。次いで、空となった移動金型２０は、搬送装置１９により移動金型予熱部２２に移送される。移動金型予熱部２２では、次の射出成形のために移動金型２０が加熱される。
【００３０】
移動金型予熱部２２で加熱された移動金型２０は、搬送装置１９により、サブチャンバー１４、１１の順に移動される。まず、サブチャンバー１３と１４の間に位置する壁１８が下降し、サブチャンバー１３と１４の雰囲気を連通させる。次いで、搬送装置１９によって移動金型２０がサブチャンバー１３からサブチャンバー１４に移送される。移動金型２０がサブチャンバー１４に完全に侵入した状態で、壁１８が上昇し、サブチャンバー１３と１４の雰囲気が隔離される。次いで、サブチャンバー１４と１１の間に位置する壁１５が下降し、サブチャンバー１４と１１の雰囲気が連通する。搬送装置１９によって、移動金型２０をサブチャンバー１４からサブチャンバー１１に移動した後、壁１５を上昇する。こうすることで、サブチャンバー１３と１１を直接連通させることなくサブチャンバー１３から１１に移動金型２０を移送することができ、サブチャンバー１３における移動金型予熱部２２で発生した熱がサブチャンバー１１に伝わることが防止される。
【００３１】
以上のように、移動金型２０を本成形装置の各動作部間で移動させることにより、一連の成形作業が行われる。本成形装置の搬送装置１９には、上述の通り４本のアームが設けられているので、４つの移動金型をそれぞれの動作部で、同時に処理することができる。例えば、射出充填部において、ある移動金型２０に溶融樹脂の充填が行われている最中に、溶融樹脂充填の準備段階として別の移動金型２０が移動金型予熱部２２で加熱される。このような、装置内部での効率的な作業が行われることにより、成形品のスループットが向上される。
【００３２】
【実施例２】
本発明における第２の実施形態について、図４を用いて説明する。上記実施例では、金型プレスした後に移動金型２０を所定距離だけ下降させることにより、溶融樹脂内部に発泡層を形成したが、本実施例では、移動金型２０と金型プレス５４の間を閉塞した状態で、その閉塞した空間の内部圧力を低下させることにより溶融樹脂内部に発泡層を形成した。図４に示すように、溶融樹脂ＲＳが充填された移動金型２０とプレス金型５４を嵌合させた状態でその内部を閉塞する。プレス金型５４内部には、溶融樹脂との接触面である面５４ａの端部近傍から金型の側面に至るまで通路５４’が設けられている。また、プレス金型５４の側面に形成されている通路５４’の開口部からサブチャンバー１１の外部にかけて、排気管５５が設けられている。サブチャンバー１１外の排気管５５には、電磁弁７７が設けられている。電磁弁７７を作動させることにより、空間８０内のＣＯ２が、通路５４’及び排気管５５を介して、サブチャンバー１１の外部に排気される。これにより、閉塞した空間８０内のＣＯ２の量が減少する。よって、空間８０の内圧は低下する。これに伴い、溶融樹脂内部に含浸されている超臨界流体である加圧ＣＯ２の圧力も低下し、溶融樹脂内部のＣＯ２が発泡する。この状態で溶融樹脂が冷却されることにより、溶融樹脂が固化して内部に発泡層を有する樹脂成形品を形成することができる。
【００３３】
【変形例】
本発明における変形例を、図１を用いて説明する。上記実施例では、移動金型２０に溶融樹脂を充填した後に、移動金型２０を型締部４に移動して溶融樹脂の型締めを行うことにより熱可塑性樹脂発泡体を成形したが、本変形例においては、移動金型２０に溶融樹脂を充填した後に、移動金型を射出充填部下方に配置したまま、ステージ７０に連結したモーター９０を駆動して移動金型２０を回転させる。金型が回転することにより、移動金型２０上に射出充填された溶融樹脂は移動金型２０の遠心力により金型表面全体に広がり、その膜厚が均一となる。この状態で、サブチャンバー１１内のＣＯ２圧力を低下させる。この圧力制御により、溶融樹脂内部に含浸しているＣＯ２が発泡状態となり、ステージ７０に埋設された冷却装置（不図示）等で冷却することで、樹脂内部に均一な発泡層を形成することができる。この方法を用いることにより、型締めすることなく、厚さ０．１ｍｍ程度の薄い熱可塑性樹脂発泡体を成形することが可能である。また、本変形例では、金型を搬送装置で別の場所に移動することなく、熱可塑性樹脂発泡体を製造することができる。
【００３４】
上記実施例及び変形例では、ペレット（成形材料）として、ポリカーボネートを用いたが、これに限らず、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリメチルペンテン、ポリエーテルイミド、ＡＢＳ樹脂等、または、それらの共重合体を用いることができる。
【００３５】
上記実施例及び変形例では、溶融樹脂の充填を一箇所のゲートから行ったが、複数のゲートを設けて、それらのゲートから溶融樹脂の充填を行ってもよい。複数のゲートから溶融樹脂を充填した場合、一箇所のゲートから充填した場合よりも溶融樹脂は移動金型２０内に一層均一に充填され、一様に冷却される。一又は複数のゲートを配置する位置を、成形品の形状に合わせて適宜調整してもよい。これにより、成形品の形状に応じて、移動金型への一層効率的な溶融樹脂の充填が可能となる。
【００３６】
上記実施例では、溶融樹脂内部に発泡層を形成するために、ステージドライバ５１を用いて移動金型２０を上昇させたが、プレス金型５４が設置されたプレスピストン５３の下降量を制御することにより、プレス金型５４と移動金型２０で形成される空間容積を調整してもよい。
【００３７】
上記実施例及び変形例では、サブチャンバー１１とは異なるサブチャンバー１３にて移動金型２０を予め加熱したが、移動金型２０が載置されるステージ７０に内蔵したヒーター７１を用いて、サブチャンバー１１内で移動金型２０を加熱してもよい。また、上記実施例では、金型パターンの転写工程において、プレス金型５４に溶融樹脂を接触させて溶融樹脂の表面を温度制御したが、プレス金型５４が設置されるプレスピストン５３及び移動金型２０が載置されるプレスステージ５０にそれぞれ内蔵した、ヒーター７５及び冷却装置７６を用いて温度制御を行ってもよい。ヒーター７５及び冷却装置７６を用いてプレス金型５４及び移動金型２０を温度制御することによって、溶融樹脂が急冷されることを防止する。これにより、溶融樹脂表面の冷却ムラの発生や発泡を抑制できる。冷却装置７６として、冷却水を還流させてもよい。
【００３８】
溶融樹脂が固化した後またはプレス金型５４と移動金型２０が嵌合した状態で、サブチャンバー内のＣＯ２の入替えを行ってもよい。この入替えは以下のような操作で行う。密閉されたサブチャンバー１１を、電磁弁６０を介して大気開放した後に、電磁弁６１を作動させることにより、真空ポンプ３２で急速に減圧する。次いで、電磁弁６２を作動することにより、加圧ＣＯ２発生装置３９からサブチャンバー１１に加圧ＣＯ２を供給する。これにより、サブチャンバー内に発生した余分な酸素や樹脂からの揮発成分、また、微細パターン内の残留ガス等を完全に排気することができる。
【００３９】
上記実施例では、サブチャンバー内で移動金型２０を移動させて溶融樹脂の射出充填及び金型パターンの転写を行ったが、射出充填部５及び型締部４の移動機構を設けて、移動金型２０を固定した状態で、射出充填部５及び型締め部４を移動させることにより射出充填及び金型パターン転写を行ってもよい。さらに、射出充填部５及び型締め部４をそれぞれ独立したチャンバー内に設置して、射出充填及び金型パターン転写を行ってもよい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明においては、溶融樹脂の粘性が均一且つ低い状態で金型に充填されるので、特に、流動性の低い成形材料を用いた成形には好適である。また、金型がチャンバー内で開放された状態で溶融樹脂が充填されるので、大型な成形品を製造する場合においても、溶融樹脂の充填圧や型締め時の圧力を低くすることができ、射出成形装置の構造を簡略化できる。さらに、溶融樹脂の射出充填後、型締めを行わずにチャンバー内のＣＯ２の圧力を低下させることで、発泡体を得ることができるので、さらに射出成形装置を小型化することができる。
【００４１】
また、本発明においては、溶融樹脂の射出充填の際に、高圧の充填圧や型締圧を必要としないため、金型を薄くすることができる。この金型は熱容量が小さくなり、熱伝導効率も良くなる。したがって、金型の温度制御が容易であると共に、溶融樹脂の熱が金型によって急速に奪われることを抑制し、よって、樹脂内部の構造が非常に安定した成形品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に用いた熱可塑性樹脂成形装置の射出充填部、型締部及びその下方に位置するサブチャンバーを概略的に示した断面図である。
【図２】 本発明に用いた熱可塑性樹脂成形装置におけるチャンバーの概略平面図である。
【図３】 本発明に用いた熱可塑性樹脂成形装置の、溶融樹脂の充填の様子を概略的に示した図である。
【図４】 本発明の実施例２の型締部における移動金型近傍を概略的に示した図である。
【符号の説明】
１ チャンバー
１１，１２，１３，１４ サブチャンバー
２ 可塑化部
３ 射出部
４ 型締部
５ 射出充填部
１５，１６，１７，１８ 壁
２０ 移動金型
２１ 成形品取出部
２２ 移動金型予熱部
２３ スタンパ
３３ シリンダ
４０ 射出シリンダ
４１ 射出プランジャー
４２ ゲート開閉シリンダ
５０ プレスステージ
５３ プレスピストン
５４ プレス金型
【産業上の利用分野】
本発明は、超臨界流体を用いた熱可塑性樹脂発泡体の成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超臨界流体を用いた熱可塑性樹脂発泡材の形成方法が開発されている。超臨界流体は、液体に近い溶解性と気体と同程度の拡散性及び浸透性を有しているので、短時間で樹脂中に含浸する。また、超臨界流体を用いることにより、従来の化学発泡法やガス発泡法等では困難であった微細な発泡セルを樹脂内部に形成できるため、軽量かつ剛性重量比の高い発泡体を製造することができる。この発泡体の基礎となる形成方法が、米国特許５，１５８，９８６号に記載されている。この公報によれば、１）熱可塑性樹脂を押し出し成形によりシート化し、そのシートを超臨界状態のＣＯ２を充満した加圧室に導入することで樹脂シート内に超臨界流体であるＣＯ２を含浸させ、大気圧の発泡室で加熱発泡させることにより発泡体を形成する方法や、２）樹脂を押し出し機で溶融させながら、樹脂内へ超臨界状態のＣＯ２を含浸させ、シート状に押し出した成形品を加圧室に導入し、加圧室内の圧力変化により発泡体となるセル核を形成し、そのセル核を加熱冷却することにより、所望のセル径やセル密度を得る方法が開示されている。
【０００３】
上記発泡体を射出成形により成形した例として、射出成形機のシリンダ内で溶融した熱可塑性樹脂に超臨界状態のＣＯ２等の不活性ガスを含浸させ、その熱可塑性樹脂を金型内に射出充填させた後、金型内を減圧することにより発泡させる装置及び成形方法が、特開平０８−２５８０９６、特開平１０−２３０５２８、特開２００１−９８８２等に提案されている。特開平１０−２３０５２８では、溶融樹脂の射出充填後に、金型の一部分あるいは一面全体を後退させてキャビティ容積を増大させ、キャビティ内を減圧することにより、熱可塑性樹脂の発泡制御を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記射出成形方法では、キャビティを型締めによって閉じた状態で超臨界流体を含浸した溶融樹脂を射出充填するので、特に、薄肉で大きな表面積を有する成形品の場合、溶融樹脂の充填口とキャビティ末端部とでは樹脂内の圧力差が大きくなる。したがって、キャビティ末端部に至るまで溶融樹脂を充填するには、溶融樹脂の射出充填圧を高くする必要がある。これに伴い、その充填圧に耐え得るキャビティの型締め圧が必要となるが、型締め圧を高くすることで充填される溶融樹脂の流動抵抗が増し、キャビティ内における圧力差をさらに増大させる要因となる。
【０００５】
また、射出成形機の可塑化シリンダで加圧された溶融樹脂に含浸されている超臨界流体は、キャビティへ射出された際に減圧されることによりガス化し、溶融樹脂の表面から発泡する。したがって、樹脂表面層に平滑な無発泡層を形成する場合には、溶融樹脂の表面が発泡状態のまま金型により冷却されて固化することを防止する必要がある。そこで、従来の超臨界流体を用いた成形方法では、金型表面やその近傍を熱伝導率の低い材料とすることにより、溶融樹脂の熱量が金型に奪われるのを抑制し、樹脂表面の急激な冷却を抑制する方法が提案されている。この方法によれば、樹脂の粘性は低下し、樹脂への金型パターンの転写性も向上する。しかしながら、樹脂内部に発泡層を形成するためには、樹脂表面に無発泡のスキン層が形成された後に、樹脂内部の粘性が低い状態でキャビティ内圧を低下させる必要がある。一方、樹脂表面に微細な金型パターンを転写するためには、キャビティ内圧を増大させて溶融樹脂を金型パターンに十分に侵入させなければならない。これらの条件を同時に満たすことは難しく、これまで安定した発泡体を得ることができなかった。
【０００６】
本発明の目的は、熱可塑性樹脂の内部に均一な厚みの発泡層を有する熱可塑性樹脂発泡体の新規な成形方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、金型に溶融樹脂を充填することにより熱可塑性樹脂発泡体を成形する方法であって、
上記溶融樹脂に加圧ＣＯ２を含浸することと；
ＣＯ２が充填されたチャンバー内に配置され且つ上面が開放された金型容器に、ＣＯ２が含浸された溶融樹脂を充填することと；
金型容器に充填された溶融樹脂を、プレス金型を用いて加圧することと；
上記溶融樹脂を加圧した後に、金型容器とプレス金型で画成される空間の容積を増大させて溶融樹脂を発泡させることを含む熱可塑性樹脂発泡体の成形方法が提供される。
【０００８】
本発明においては、例えば超臨界状態のＣＯ２を予め含浸した溶融樹脂を用いて射出成形を行う。溶融樹脂は、予めＣＯ２が充填されたチャンバー内で、上面が開放された金型容器に射出充填される。金型容器は、上面が開放されていることにより、溶融樹脂が充填される際の流動抵抗が極めて低いので、容器内で溶融樹脂の圧力差は生じない。予めチャンバー内に充填されたＣＯ２は溶融樹脂に対して可塑材として機能することにより、溶融樹脂の粘性が低く保たれる。溶融樹脂の低流動抵抗及び低粘性により、溶融樹脂が金型の端部まで充分に広がると共に、金型容器の底面に形成されている成形パターン内部にまで十分に溶融樹脂が侵入する。次いで、プレス金型を用いて金型容器の開放面を閉鎖すると共に、溶融樹脂を加圧することにより、型締めが行われる。溶融樹脂の表面が金型容器及びプレス金型によって冷却され固化することにより、金型パターンが溶融樹脂に転写される。さらに、金型容器に相対してプレス金型を移動させて、金型容器及びプレス金型で画成される空間の容積を増大させる。これにより、空間内部の圧力が低下し、溶融樹脂が膨張する。同時に、溶融樹脂に予め含浸されていたＣＯ２が圧力低下により気化し、溶融樹脂の内部は発泡状態となる。この状態で溶融樹脂を冷却することにより、熱可塑性樹脂発泡体を得ることができる。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、金型に溶融樹脂を充填することにより熱可塑性樹脂発泡体を成形する方法であって、
上記溶融樹脂に加圧ＣＯ２を含浸することと；
ＣＯ２が充填されたチャンバー内に配置され且つ上面が開放された金型容器に、ＣＯ２が含浸された溶融樹脂を充填することと；
金型容器に充填された溶融樹脂を、プレス金型を用いて加圧することと；
上記溶融樹脂を加圧した後に、金型容器とプレス金型で画成される空間内のＣＯ２の圧力を低下させて溶融樹脂を発泡させることを含む熱可塑性樹脂発泡体の成形方法が提供される。
【００１０】
本発明においては、例えば超臨界状態のＣＯ２を予め含浸した溶融樹脂を用いて射出成形を行う。溶融樹脂は、予めＣＯ２が充填されたチャンバー内で、上面が開放された金型容器に射出充填される。金型容器は、上面が開放されていることにより、溶融樹脂が充填される際の流動抵抗が極めて低いので、容器内で溶融樹脂の圧力差は生じない。予めチャンバー内に充填されたＣＯ２は溶融樹脂に対して可塑材として機能することにより、溶融樹脂の粘性が低く保たれる。溶融樹脂の低流動抵抗及び低粘性により、溶融樹脂が金型の端部まで充分に広がると共に、金型容器の底面に形成されている成形パターン内部にまで十分に溶融樹脂が侵入する。次いで、プレス金型を用いて金型容器の開放面を閉鎖すると共に、溶融樹脂を加圧することにより、型締めが行われる。溶融樹脂の表面が金型容器及びプレス金型によって冷却され固化することにより、金型パターンが溶融樹脂に転写される。さらに、金型容器及びプレス金型で画成された空間内のＣＯ２の圧力を、例えば、プレス金型内部に設けた通路及びプレス金型外部に設けた排気管を通してＣＯ２をチャンバー外部に排気することにより低下させる。同時に、溶融樹脂に予め含浸されていたＣＯ２が圧力低下により気化し、溶融樹脂の内部は発泡状態となる。この状態で溶融樹脂を冷却することにより、熱可塑性樹脂発泡体を得ることができる。
【００１１】
本発明の第１及び第２の態様においては、溶融樹脂をプレス金型で加圧する工程及び／又は発泡工程は、ＣＯ２を充填したチャンバー内で行ってもよく、あるいは別の場所に金型容器を移送して行ってもよい。
【００１２】
本発明の第３の態様によれば、熱可塑性樹脂発泡体を成形する方法であって、
溶融樹脂に加圧ＣＯ２を含浸することと；
ＣＯ２が充填されたチャンバー内に配置され且つ上面が開放された容器に、ＣＯ２が含浸された溶融樹脂を充填することと；
上記容器に充填された上記溶融樹脂を、上記チャンバー内のＣＯ２の圧力を低下させて発泡させることを含む熱可塑性樹脂発泡体の成形方法が提供される。
【００１３】
本発明においては、例えば超臨界状態のＣＯ２を予め含浸した溶融樹脂を用いて射出成形を行う。溶融樹脂は、予めＣＯ２が充填されたチャンバー内で、上面が開放された容器に射出充填される。容器は、上面が開放されていることにより、溶融樹脂が充填される際の流動抵抗が極めて低いので、容器内で溶融樹脂の圧力差は生じない。予めチャンバー内に充填されたＣＯ２は溶融樹脂に対して可塑材として機能することにより、溶融樹脂の粘性が低く保たれる。溶融樹脂の低流動抵抗及び低粘性により、溶融樹脂が容器の端部まで充分に広がると共に、容器の底面に形成されている成形パターン内部にまで十分に溶融樹脂が侵入する。次に、必要に応じて、例えば、容器を回転ステージ等を用いて回転させて容器上の溶融樹脂の厚みを均一にした後、チャンバー内のＣＯ２の圧力を低下させる。これにより、チャンバー内部の圧力が低下する。同時に、溶融樹脂に予め含浸されていたＣＯ２が圧力低下により気化し、溶融樹脂の内部は発泡状態となる。この状態で溶融樹脂を冷却することにより、熱可塑性樹脂発泡体を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１５】
【実施例１】
本発明に用いた熱可塑性樹脂発泡体を成形するための成形装置を、図１及び２を用いて説明する。本成形装置は、図２に示すように、主に、チャンバー１、射出充填部５、型締部４、成形品取出部２１及び移動金型予熱部２２からなる。なお、図１は、図２におけるＡ’−Ａ’線の断面を示した図である。
【００１６】
チャンバー１は、図２に示すように、直径１０００ｍｍ、高さ２００ｍｍの円筒状に形成されている。チャンバー１は、円筒の中心軸ＡＸを中心として、外周部まで放射状に延在する壁１５、１６、１７及び１８により、その内部が４つのサブチャンバー１１、１２、１３及び１４に区画されている。壁１５、１６、１７及び１８は、それぞれ上下動を行う機構（不図示）により上下動可能であり、例えば、壁１５、１６が上昇しているときにサブチャンバー１１は密閉される。チャンバー１には、移動金型２０を、チャンバー１の中心軸ＡＸを中心として回転移動させるための搬送装置１９が設けられている。搬送装置１９は、中心軸ＡＸ上に位置するロータ１００と、ロ―タ１００から放射状に延在する４本のアーム１０１とを有しており、各アームの先端には移動金型２０を把持する不図示のチャックが設けられている。ロータ１００の回転（時計方向）により、移動金型２０が各サブチャンバー間を移動するときのみ、該当する壁が下降しサブチャンバー間の雰囲気を連通させ、移動金型２０の移動が完了すると、該当する壁が上昇し再びサブチャンバー同士を隔離する。図２に示したように、ロータ１００の回転により、移動金型２０はサブチャンバー１１〜１４を順次移動して、各サブチャンバーで作業が行われる。サブチャンバー１１では、移動金型２０に樹脂の射出成形と型締め（圧縮）が行われる。サブチャンバー１２、１４は待機室であり、サブチャンバー１３では成形品の取出し及び移動金型２０の加熱が行われる。
【００１７】
各移動金型２０は、金型用鋼材である日立金属社製ＨＰＭ３８からなる円筒状の金属容器である。図３に示すように、移動金型２０の底面２０ａには、所望の凹凸パターンが形成されたスタンパ２３が、不図示のスタンパ押えを介して設置されている。
【００１８】
図１及び２に示すように、サブチャンバー１１の上方には、時計回り方向に順に、射出充填部５及び型締部４が配置されている。射出充填部５及び型締部４は、このサブチャンバー１１において、移動金型２０への溶融樹脂の射出充填及び金型の型締めをそれぞれ行なう。
【００１９】
中心軸ＡＸに関してサブチャンバー１１に対向するサブチャンバー１３内は、成形品取出部２１及び移動金型予熱部２２が設けられており、サブチャンバー１３の内部が大気圧状態に維持されている。移動金型予熱部２２における加熱手段として、高周波誘導加熱またはマイクロ波加熱等が用いられる。予め移動金型２０を加熱することによって、移動金型２０上に射出充填される溶融樹脂の温度をガラス転移温度以上に維持することができる。
【００２０】
射出充填部５は、図１に示すように、溶融樹脂の可塑化部２、射出部３及びステージ７０からなる。可塑化部２及び射出部３は、スクリュー・プリプラ式の射出機構で構成されている。可塑化部２は先端にあるノズル２’が水平面に対して斜め下向きとなるように配置されている。可塑化部２は、主にシリンダ３３、スクリュー３７及びヒーター３６から構成される。スクリュー３７は、シリンダ３３の内部に配置され、シリンダ３３内に充填された溶融樹脂を可塑化する。ヒーター３６は、シリンダ３３の周囲に配置され、シリンダ３３内で可塑化された溶融樹脂の可塑状態を維持するために、シリンダ３３を加熱する。シリンダ３３の側面には、第１ベントポート３４及び第２ベントポート３５が形成されている。第１ベントポート３４は、シリンダ３３内で、スクリュー３７の回転により可塑化された樹脂から発生したモノマー成分等の揮発ガスを、真空ポンプ３２を用いて外部に排気するために用いられる。また、第２ベントポート３５は、超臨界状態の加圧ＣＯ２を、ＣＯ２ガスボンベ３８から加圧ＣＯ２発生装置３９を介して、シリンダ３３内に充填するために用いられる。
【００２１】
射出部３は、射出シリンダ４０及びゲート開閉シリンダ４２で構成されている。射出シリンダ４０は、可塑化部２の下方に配置され、水平方向に延在する。射出シリンダ４０内部には、射出プランジャー４１が配置され、射出シリンダ４０内に充填された溶融樹脂を射出する。射出プランジャー４１は、射出シリンダ４０先端近傍に形成された溶融樹脂供給口４０’から後退した位置に配置されている。射出プランジャー４１の位置により、ゲート開閉シリンダ４２を介して移動金型２０内に射出充填される溶融樹脂の量が決定される。また、射出シリンダ４０の溶融樹脂供給口４０’で射出シリンダ４０の内部と可塑化部２のノズル２’とが通じる。ゲート開閉シリンダ４２は、射出シリンダ４０の先端部に隣接して鉛直方向に延在しており、その先端がサブチャンバー１１内部に至っている。ゲート開閉シリンダ４２の内部には、ゲート開閉ピストン４５が配置されており、ゲート開閉ピストン４５によってゲート開閉シリンダ４２内に充填された溶融樹脂がサブチャンバー内に射出される。また、ゲート開閉シリンダ４２の周囲にはバンドヒーター４３が設置されており、バンドヒーター４３によってゲート開閉シリンダ４２内に充填された溶融樹脂の温度制御が行われる。射出シリンダ４０のノズル４０”は、ゲート開閉シリンダ４２と所定の高さ位置において連通している。ステージ７０は、サブチャンバー１１内において、ゲート開閉シリンダ４２の下方に配置される。ステージ７０は、モーター９０上に、モーター９０の軸ＢＸを中心に回転可能に設置されている。ステージ７０上面には、搬送装置（１９）によって搬送されてきた移動金型２０が載置され、この移動金型２０上に溶融樹脂が射出充填される。
【００２２】
型締部４は、図１に示すように、主に、プレスステージ５０、ステージドライバ５１及びプレスシリンダ５２からなる。プレスステージ５０は、サブチャンバー１１内部でステージドライバ５１の上面に設置される。また、プレスステージ５０の上面には、射出充填部５より搬送装置（１９）により搬送されてきた移動金型２０が載置される。ステージドライバ５１を駆動させることにより、プレスステージ５０を介して移動金型２０が上下動する。プレスシリンダ５２は、サブチャンバー１１の上部に設置されている。プレスシリンダ５２の内部には、シリンダ内を鉛直方向に上下動するプレスピストン５３が設置されている。また、プレスピストン５３の下面にプレス金型５４が取り付けられている。プレス金型５４は、プレスピストン５３を下降したときに、移動金型２０の凹部と嵌合して凹部内の樹脂を圧縮する。
【００２３】
次に、熱可塑性樹脂発泡体の成形方法について、図１及び３を用いて説明する。まず、溶融樹脂の射出充填工程について説明する。図示しない乾燥機より、射出充填部５における可塑化部２のホッパ３０に、ポリカーボネートからなるペレット（成形材料）が供給される。次いで、ペレットは、ホッパ３０の周囲に設置されたヒーター３１によって、ホッパ３０内部で加熱され、より乾燥状態が促進される。このとき、ホッパ３０内部は真空ポンプ３２により脱気される。次いで、乾燥ペレットは、可塑化部２のシリンダ３３に供給される。第１ベントポート３４から可塑化時に発生する揮発ガスを真空ポンプ３２より脱気させ、溶融樹脂を飢餓状態にする。次いで、溶融樹脂が供給されたシリンダ３３内に、第２ベントポート３５から超臨界流体である加圧ＣＯ２を充填する。
【００２４】
シリンダ３３において加圧ＣＯ２が充填された溶融樹脂は、スクリュー３７が回転することにより、シリンダ３３のノズル２’を介して、射出シリンダ４０に充填される。次いで、射出シリンダ４０の射出プランジャー４１を前進（押出）させることによって、射出シリンダ４０内に供給された溶融樹脂のみが、射出シリンダ４０のノズル４０”を介してゲート開閉シリンダ４２に供給される。射出プランジャー４１の先端が射出シリンダ４０のノズル４０”まで移動した状態では、溶融樹脂供給口４０’が射出プランジャー４１によって塞がれる。これにより、可塑化部２のシリンダ３３内部は閉塞状態となる。この状態で、シリンダ３３内のスクリュー３７を回転させることにより、シリンダ３３内部に存在する溶融樹脂の圧力を高く維持することができる。次いで、ゲート開閉シリンダ４２に供給された溶融樹脂をバンドヒーター４３で温度制御する。次いで、ゲート開閉ピストン４５の先端部４６を上昇させることにより、ゲート開閉シリンダ４２のゲート４７が開放され、移動金型２０上に溶融樹脂が充填される。
【００２５】
図３は、図１中の符号Ａの部分を拡大した図である。ゲート開閉シリンダ４２のゲート４７から、溶融樹脂ＲＳが移動金型２０上に設置されたスタンパ２３上に充填される。このとき、移動金型２０は上方が開放された容器であるので、溶融樹脂ＲＳはその流路を制限されることなく、底面２０ａに設置されたスタンパ２３上に流れ出す。サブチャンバー１１内部には、ＣＯ２ガスボンベ３８から加圧ＣＯ２発生装置３９を介して供給されたＣＯ２が、圧力１０ＭＰａで予め充填されている。このＣＯ２が、溶融樹脂ＲＳの可塑材として機能する。これにより、射出充填された溶融樹脂ＲＳの粘性が低く保たれる。また、このＣＯ２により、溶融樹脂ＲＳ内に含浸されている加圧ＣＯ２や残留ガスの揮発による発泡や、空気等が溶融樹脂内に取り込まれることによる発泡を抑制することができる。さらに、サブチャンバー１１内のＣＯ２の圧力を一定に保つことにより、溶融樹脂ＲＳに予め含浸されている加圧ＣＯ２の含有量の変化を抑制できる。これにより、高アスペクト比で微細なパターンを有するスタンパを移動金型２０に設置した場合においても、パターンの細部に至るまで溶融樹脂を十分侵入させることができる。
【００２６】
次に、溶融樹脂に金型パターンの転写工程について、図１を用いて説明する。まず、射出充填部５で溶融樹脂の充填が行われた移動金型２０を、同一サブチャンバー内のプレスステージ５０上に搬送装置（１９）を用いて移動する。次いで、プレスピストン５３を鉛直方向に押し下げることにより、プレス金型５４を移動金型２０に嵌合させる。これにより、移動金型２０上の溶融樹脂が圧縮される。プレス金型５４により、露出している溶融樹脂の表面がほぼ一様な圧力で圧縮されるため、溶融樹脂の内部圧力差は殆ど生じない。このときのプレス金型５４の表面は、ＣＯ２を含浸した溶融樹脂のガラス転移温度以上であることが望ましい。溶融樹脂はほぼ均等な圧力でプレス金型５４の金型面に接触するので、溶融樹脂の表面は一様に冷却され固化する。
【００２７】
次いで、溶融樹脂の表面が固化しているが、溶融樹脂内部が未だ固化していない状態で、移動金型２０をステージドライバ５１によって下降させる。これにより、移動金型２０とプレス金型５４で画成される空間の容積が増大すると共にその内圧が低下する。同時に、溶融樹脂内に予め含浸されていた超臨界状態のＣＯ２が、圧力低下により気化し、溶融樹脂は発泡状態となる。この状態で溶融樹脂が冷却されることにより、溶融樹脂が固化して内部に発泡層を有する樹脂成形品を形成することができる。また、溶融樹脂内部が未だ固化していない状態で、再度加圧することにより、樹脂内部を無発泡状態に戻すことも可能である。
【００２８】
こうして、内部が発泡化された樹脂成形品は、搬送装置（１９）により、サブチャンバー１２、１３の順に移動される。図２に示すように、移動金型２０をサブチャンバー１１からサブチャンバー１３に移動する際に、まず、サブチャンバー１１と１２の間に位置する壁１６が下降し、サブチャンバー１１と１２の雰囲気を連通させる。次いで、搬送装置１９によって移動金型２０がサブチャンバー１１からサブチャンバー１２に移送される。移動金型２０がサブチャンバー１２に完全に侵入した状態で壁１６が上昇し、サブチャンバー１１と１２の雰囲気が隔離される。次いで、サブチャンバー１２と１３の間に位置する壁１７が下降し、サブチャンバー１２と１３の雰囲気が連通する。搬送装置１９によって、移動金型２０をサブチャンバー１２からサブチャンバー１３に移動した後、壁１７を上昇する。こうすることで、サブチャンバー１１と１３を直接連通させることなくサブチャンバー１１から１３に移動金型２０を移送することができる。
【００２９】
サブチャンバー１３に移送された移動金型２０は、成形品取出部２１に位置付けられる。成形品取出部２１では、移動金型２０内で固化した成形品が、図示しない取出口から装置外に取り出される。次いで、空となった移動金型２０は、搬送装置１９により移動金型予熱部２２に移送される。移動金型予熱部２２では、次の射出成形のために移動金型２０が加熱される。
【００３０】
移動金型予熱部２２で加熱された移動金型２０は、搬送装置１９により、サブチャンバー１４、１１の順に移動される。まず、サブチャンバー１３と１４の間に位置する壁１８が下降し、サブチャンバー１３と１４の雰囲気を連通させる。次いで、搬送装置１９によって移動金型２０がサブチャンバー１３からサブチャンバー１４に移送される。移動金型２０がサブチャンバー１４に完全に侵入した状態で、壁１８が上昇し、サブチャンバー１３と１４の雰囲気が隔離される。次いで、サブチャンバー１４と１１の間に位置する壁１５が下降し、サブチャンバー１４と１１の雰囲気が連通する。搬送装置１９によって、移動金型２０をサブチャンバー１４からサブチャンバー１１に移動した後、壁１５を上昇する。こうすることで、サブチャンバー１３と１１を直接連通させることなくサブチャンバー１３から１１に移動金型２０を移送することができ、サブチャンバー１３における移動金型予熱部２２で発生した熱がサブチャンバー１１に伝わることが防止される。
【００３１】
以上のように、移動金型２０を本成形装置の各動作部間で移動させることにより、一連の成形作業が行われる。本成形装置の搬送装置１９には、上述の通り４本のアームが設けられているので、４つの移動金型をそれぞれの動作部で、同時に処理することができる。例えば、射出充填部において、ある移動金型２０に溶融樹脂の充填が行われている最中に、溶融樹脂充填の準備段階として別の移動金型２０が移動金型予熱部２２で加熱される。このような、装置内部での効率的な作業が行われることにより、成形品のスループットが向上される。
【００３２】
【実施例２】
本発明における第２の実施形態について、図４を用いて説明する。上記実施例では、金型プレスした後に移動金型２０を所定距離だけ下降させることにより、溶融樹脂内部に発泡層を形成したが、本実施例では、移動金型２０と金型プレス５４の間を閉塞した状態で、その閉塞した空間の内部圧力を低下させることにより溶融樹脂内部に発泡層を形成した。図４に示すように、溶融樹脂ＲＳが充填された移動金型２０とプレス金型５４を嵌合させた状態でその内部を閉塞する。プレス金型５４内部には、溶融樹脂との接触面である面５４ａの端部近傍から金型の側面に至るまで通路５４’が設けられている。また、プレス金型５４の側面に形成されている通路５４’の開口部からサブチャンバー１１の外部にかけて、排気管５５が設けられている。サブチャンバー１１外の排気管５５には、電磁弁７７が設けられている。電磁弁７７を作動させることにより、空間８０内のＣＯ２が、通路５４’及び排気管５５を介して、サブチャンバー１１の外部に排気される。これにより、閉塞した空間８０内のＣＯ２の量が減少する。よって、空間８０の内圧は低下する。これに伴い、溶融樹脂内部に含浸されている超臨界流体である加圧ＣＯ２の圧力も低下し、溶融樹脂内部のＣＯ２が発泡する。この状態で溶融樹脂が冷却されることにより、溶融樹脂が固化して内部に発泡層を有する樹脂成形品を形成することができる。
【００３３】
【変形例】
本発明における変形例を、図１を用いて説明する。上記実施例では、移動金型２０に溶融樹脂を充填した後に、移動金型２０を型締部４に移動して溶融樹脂の型締めを行うことにより熱可塑性樹脂発泡体を成形したが、本変形例においては、移動金型２０に溶融樹脂を充填した後に、移動金型を射出充填部下方に配置したまま、ステージ７０に連結したモーター９０を駆動して移動金型２０を回転させる。金型が回転することにより、移動金型２０上に射出充填された溶融樹脂は移動金型２０の遠心力により金型表面全体に広がり、その膜厚が均一となる。この状態で、サブチャンバー１１内のＣＯ２圧力を低下させる。この圧力制御により、溶融樹脂内部に含浸しているＣＯ２が発泡状態となり、ステージ７０に埋設された冷却装置（不図示）等で冷却することで、樹脂内部に均一な発泡層を形成することができる。この方法を用いることにより、型締めすることなく、厚さ０．１ｍｍ程度の薄い熱可塑性樹脂発泡体を成形することが可能である。また、本変形例では、金型を搬送装置で別の場所に移動することなく、熱可塑性樹脂発泡体を製造することができる。
【００３４】
上記実施例及び変形例では、ペレット（成形材料）として、ポリカーボネートを用いたが、これに限らず、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキシド、ポリメチルペンテン、ポリエーテルイミド、ＡＢＳ樹脂等、または、それらの共重合体を用いることができる。
【００３５】
上記実施例及び変形例では、溶融樹脂の充填を一箇所のゲートから行ったが、複数のゲートを設けて、それらのゲートから溶融樹脂の充填を行ってもよい。複数のゲートから溶融樹脂を充填した場合、一箇所のゲートから充填した場合よりも溶融樹脂は移動金型２０内に一層均一に充填され、一様に冷却される。一又は複数のゲートを配置する位置を、成形品の形状に合わせて適宜調整してもよい。これにより、成形品の形状に応じて、移動金型への一層効率的な溶融樹脂の充填が可能となる。
【００３６】
上記実施例では、溶融樹脂内部に発泡層を形成するために、ステージドライバ５１を用いて移動金型２０を上昇させたが、プレス金型５４が設置されたプレスピストン５３の下降量を制御することにより、プレス金型５４と移動金型２０で形成される空間容積を調整してもよい。
【００３７】
上記実施例及び変形例では、サブチャンバー１１とは異なるサブチャンバー１３にて移動金型２０を予め加熱したが、移動金型２０が載置されるステージ７０に内蔵したヒーター７１を用いて、サブチャンバー１１内で移動金型２０を加熱してもよい。また、上記実施例では、金型パターンの転写工程において、プレス金型５４に溶融樹脂を接触させて溶融樹脂の表面を温度制御したが、プレス金型５４が設置されるプレスピストン５３及び移動金型２０が載置されるプレスステージ５０にそれぞれ内蔵した、ヒーター７５及び冷却装置７６を用いて温度制御を行ってもよい。ヒーター７５及び冷却装置７６を用いてプレス金型５４及び移動金型２０を温度制御することによって、溶融樹脂が急冷されることを防止する。これにより、溶融樹脂表面の冷却ムラの発生や発泡を抑制できる。冷却装置７６として、冷却水を還流させてもよい。
【００３８】
溶融樹脂が固化した後またはプレス金型５４と移動金型２０が嵌合した状態で、サブチャンバー内のＣＯ２の入替えを行ってもよい。この入替えは以下のような操作で行う。密閉されたサブチャンバー１１を、電磁弁６０を介して大気開放した後に、電磁弁６１を作動させることにより、真空ポンプ３２で急速に減圧する。次いで、電磁弁６２を作動することにより、加圧ＣＯ２発生装置３９からサブチャンバー１１に加圧ＣＯ２を供給する。これにより、サブチャンバー内に発生した余分な酸素や樹脂からの揮発成分、また、微細パターン内の残留ガス等を完全に排気することができる。
【００３９】
上記実施例では、サブチャンバー内で移動金型２０を移動させて溶融樹脂の射出充填及び金型パターンの転写を行ったが、射出充填部５及び型締部４の移動機構を設けて、移動金型２０を固定した状態で、射出充填部５及び型締め部４を移動させることにより射出充填及び金型パターン転写を行ってもよい。さらに、射出充填部５及び型締め部４をそれぞれ独立したチャンバー内に設置して、射出充填及び金型パターン転写を行ってもよい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明においては、溶融樹脂の粘性が均一且つ低い状態で金型に充填されるので、特に、流動性の低い成形材料を用いた成形には好適である。また、金型がチャンバー内で開放された状態で溶融樹脂が充填されるので、大型な成形品を製造する場合においても、溶融樹脂の充填圧や型締め時の圧力を低くすることができ、射出成形装置の構造を簡略化できる。さらに、溶融樹脂の射出充填後、型締めを行わずにチャンバー内のＣＯ２の圧力を低下させることで、発泡体を得ることができるので、さらに射出成形装置を小型化することができる。
【００４１】
また、本発明においては、溶融樹脂の射出充填の際に、高圧の充填圧や型締圧を必要としないため、金型を薄くすることができる。この金型は熱容量が小さくなり、熱伝導効率も良くなる。したがって、金型の温度制御が容易であると共に、溶融樹脂の熱が金型によって急速に奪われることを抑制し、よって、樹脂内部の構造が非常に安定した成形品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に用いた熱可塑性樹脂成形装置の射出充填部、型締部及びその下方に位置するサブチャンバーを概略的に示した断面図である。
【図２】 本発明に用いた熱可塑性樹脂成形装置におけるチャンバーの概略平面図である。
【図３】 本発明に用いた熱可塑性樹脂成形装置の、溶融樹脂の充填の様子を概略的に示した図である。
【図４】 本発明の実施例２の型締部における移動金型近傍を概略的に示した図である。
【符号の説明】
１ チャンバー
１１，１２，１３，１４ サブチャンバー
２ 可塑化部
３ 射出部
４ 型締部
５ 射出充填部
１５，１６，１７，１８ 壁
２０ 移動金型
２１ 成形品取出部
２２ 移動金型予熱部
２３ スタンパ
３３ シリンダ
４０ 射出シリンダ
４１ 射出プランジャー
４２ ゲート開閉シリンダ
５０ プレスステージ
５３ プレスピストン
５４ プレス金型
Claims (6)
- 金型に溶融樹脂を充填することにより熱可塑性樹脂発泡体を成形する方法であって、
上記溶融樹脂に加圧ＣＯ２を含浸することと；
ＣＯ２が充填されたチャンバー内に配置され且つ上面が開放された金型容器に、ＣＯ２が含浸された溶融樹脂を充填することと；
金型容器に充填された溶融樹脂を、プレス金型を用いて加圧することと；
上記溶融樹脂を加圧した後に、金型容器とプレス金型で画成される空間の容積を増大させて溶融樹脂を発泡させることを含む熱可塑性樹脂発泡体の成形方法。 - 金型に溶融樹脂を充填することにより熱可塑性樹脂発泡体を成形する方法であって、
上記溶融樹脂に加圧ＣＯ２を含浸することと；
ＣＯ２が充填されたチャンバー内に配置され且つ上面が開放された金型容器に、ＣＯ２が含浸された溶融樹脂を充填することと；
金型容器に充填された溶融樹脂を、プレス金型を用いて加圧することと；
上記溶融樹脂を加圧した後に、金型容器とプレス金型で画成される空間内のＣＯ２の圧力を低下させて溶融樹脂を発泡させることを含む熱可塑性樹脂発泡体の成形方法。 - 上記加圧ＣＯ２が超臨界状態であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱可塑性樹脂発泡体の成形方法。
- 上記溶融樹脂を加圧する工程を上記チャンバー内で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱可塑性樹脂発泡体の成形方法。
- 熱可塑性樹脂発泡体を成形する方法であって、
溶融樹脂に加圧ＣＯ２を含浸することと；
ＣＯ２が充填されたチャンバー内に配置され且つ上面が開放された容器に、ＣＯ２が含浸された溶融樹脂を充填することと；
上記容器に充填された上記溶融樹脂を、上記チャンバー内のＣＯ２の圧力を低下させて発泡させることを含む熱可塑性樹脂発泡体の成形方法。 - 上記加圧ＣＯ２が超臨界状態であることを特徴とする請求項５に記載の熱可塑性樹脂発泡体の成形方法。
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