JP4884090B2 - 熱可塑性樹脂発泡板の熱成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性樹脂発泡板を熱成形する方法に関する。

例えば発泡ポリスチレン樹脂のような熱可塑性樹脂材料からなる発泡樹脂成形品は知られており、多くの分野で用いられている。食品トレーのように比較的薄肉のものもあり、緩衝材あるいは断熱材として用いられる比較的厚肉のものもある。食品トレーのような薄手の発泡樹脂成形品は、押出発泡等で得られる厚さ０．５〜５．０ｍｍ程度の薄物発泡シート（原反シート）を加熱炉内で加熱軟化させ、発泡シートの持つ残存発泡力で２次発泡させながら、真空成形、圧空成形、真空圧空成形、あるいはマッチモールド真空成形などによって主に製造される。一方、緩衝材や断熱材のように肉厚のものは、樹脂粒子内に発泡材を含浸させた予備発泡粒子（発泡性ビーズ）を成形型内に入れて発泡成形する、いわゆるビーズ発泡成形法により通常作られる。

成形に用いる原反シートの厚みよりも肉厚の発泡成形品を成形型を用いて成形することも知られており、例えば特許文献１には、ヒータで加熱軟化させた熱可塑性樹脂発泡シートを真空引きできる成形型にセットし、真空吸引を継続しつつ熱可塑性樹脂発泡シートが所望の成形品厚みになるまで型開きして賦形するようにした熱可塑性樹脂発泡シートの真空成形方法が記載されている。この方法によれば、発泡倍率が高くかつ厚みの厚い発泡成形品を得ることができ、成形品は、断熱性の高い自動車内装部品や建築材料として、あるいは食品容器として使用できる旨、記載されている。

一方、厚肉の押出発泡板を製造する技術も開発されており、現在では、１０ｍｍ以上の厚みを持つ板状スチレン系樹脂発泡体を押出発泡成形による製造できるようになっている（特許文献２参照）。
特開２００６−８２４７２号公報 特開２００１−１９７８７号公報

厚さの厚い発泡樹脂成形品を、厚肉の発泡板から、真空成形、圧空成形、真空圧空成形、あるいはマッチモールド成形などを含む熱成形法により作ることができれば、より安価に、より大量に、厚肉の発泡樹脂成形品を生産することができる。しかし、従来、押出発泡等で得られる厚肉の発泡板に対しては、熱伝導率が小さいことから、加熱して所要の形状に成形する試みは行われてなく、押出発泡板は、そのまま単板または積層板の状態で、コンクリート型枠や屋根、壁、床下用断熱材として使用されるにすぎない。

特許文献１に記載されるように、加熱軟化させた熱可塑性樹脂発泡シートを真空引きできる成形型にセットして真空吸引を継続しながら型開きして賦形する方法は、成形品としては比較的厚みの厚い発泡成形品を得ることができる。しかし、この方法で成形される成形品の厚みには限度があると共に、発泡成形品の発泡倍率は原反シートである熱可塑性樹脂発泡シートの発泡倍率よりも高いものとなるので、強度の弱いものとなるのを避けられない。

さらに、断熱性の高い熱可塑性樹脂発泡シートを原反シートとして用いる場合は、シート厚みが５ｍｍを超えるような厚いものとなると、熱伝導率が小さいことから、従来の加熱方法ではシートの内部にまで加熱して全体を軟化することができず、上記のような真空引きによる成形方法を採用しても、良品質の厚みの厚い発泡成形品を得ることはできない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、厚さが厚い熱可塑性樹脂発泡板であっても真空成形法等によって所要形状に熱成形できるようにした新規な熱成形方法を提供することを目的とする。

課題を解決すべく、本発明者らは押出発泡成形等で得られる熱可塑性樹脂発泡板に対する熱成形について、繰り返し実験を行うことにより、成形型に入れる前の熱可塑性樹脂発泡板に対する加熱を２温度帯で行うことにより、厚さが厚く熱伝導率が小さい熱可塑性樹脂発泡板であっても、成形型を用いた熱成形が可能であることを知見した。

本発明は上記の知見に基づくものであり、本発明は、厚み５ｍｍ以上の熱可塑性樹脂発泡板を熱成形する方法であって、熱可塑性樹脂発泡板を、予備加熱と予備加熱時の温度よりも高い温度での本加熱の２温度帯で加熱した後、成形型により所要形状に熱成形することを特徴とする。

本発明では、熱成形しようとする熱可塑性樹脂発泡板を、最初に予備加熱によりその芯部まで加熱する。予備加熱は、恒温槽などによる雰囲気加熱、熱盤による加熱あるいは輻射熱による加熱等、任意の方法で行えばよい。雰囲気加熱の場合は、熱成形しようとする熱可塑性樹脂発泡板の所望の昇温温度と同じ温度雰囲気に所定時間放置して加熱する。熱盤による加熱の場合は、熱成形しようとする熱可塑性樹脂発泡板の所望の昇温温度よりも１０℃程度高い温度に設定した熱盤によって所要時間だけ両面加熱する。輻射熱による加熱は例えば従来の成形機に通常用いられる方法であり例えば赤外線ヒータで所望の昇温温度となるように所定時間だけ加熱する。この予備加熱は、熱可塑性樹脂発泡板の全体が芯部まで所要温度に一様に加熱されるまで行う。従って、熱可塑性樹脂発泡板の種類や厚さによって予備加熱に要する時間は変化する。

予備加熱ゾーンで予備加熱された熱可塑性樹脂発泡板を、次の加熱ゾーンに移送して、さらに高い温度での本加熱を行う。その加熱方法も任意であり特に制限はないが、予備加熱を行うときの加熱方法と同じ方法であってもよい。本加熱時の温度は、好ましくは、当該熱可塑性樹脂発泡板が加熱軟化する温度前後である。なお、ここで「軟化温度」とはＪＩＳＫ７１９１Ｂ法（荷重たわみ温度）で規定する温度をいう。本加熱により成形温度に加熱された熱可塑性樹脂発泡板を成形型により所要形状に熱成形することにより、肉厚の熱可塑性樹脂発泡成形品が得られる。

本発明者らの実験では、このようにして２温度帯加熱を行うことにより、厚み５ｍｍ以上で熱伝導率が小さい熱可塑性樹脂発泡板であっても、それを成形型によって所要形状に熱成形することが可能となった。得られた成形品は成形不良のない良品であった。これは、上記のように熱伝導率が小さく厚みの厚い熱可塑性樹脂発泡板であっても、予め予備加熱により原反の芯部まで加熱しておくことにより、本加熱時に、厚み方向に加熱バランスのとれた状態で成形温度（軟化温度）に達するようになり、最適な温度条件で成形が可能となることによると推測される。

なお、本発明において、原反となる熱可塑性樹脂発泡板を厚み５ｍｍ以上としているが、これは、厚みが５ｍｍ未満の熱可塑性樹脂発泡板は、１温度帯加熱で全体の加熱軟化が起こりやすく、従来の熱成形方法で所要形状に成形することができることによる。

本発明において、成形型で成形する方法は、真空成形、圧空成形、真空圧空成形、あるいはマッチモールド成形などを含む任意の熱成形法であってよい。いずれの場合も、成形型の上に加熱した押出発泡板を置き、従来と同様にして熱成形を行う。その際に、加熱された熱可塑性樹脂発泡板の表面が急冷しないように、成形型の成形面を３０〜８０℃程度の加熱しておくことは好ましい。また、真空成形による場合は、発泡板は表皮を有しているものが好ましい。表皮は成形時に形成された表皮であってもよく、本加熱時に熱可塑性樹脂発泡板の表面に配置した通気率の低い耐熱性フィルムやシートであってもよい。表皮は両面にあってもよく、一方の面のみにあってもよい。熱成形時に表皮を有することにより、真空成形時での真空度の確率が容易となり、短時間での熱成形が可能となる。マッチモールド成形による場合は、表皮が存在していてもよく、存在していなくてもよい。

本発明において、予備加熱時の加熱温度は、好ましくは、当該熱可塑性樹脂発泡板の軟化温度よりも１℃〜３０℃低い温度帯域の温度である。本発明者らの実験では、前記温度帯よりも高い温度で予備加熱を行うと、原反の温度劣化が進み、また原反も加熱変形の影響が出てきて、本加熱時での加熱ムラの原因となったり成形不良の原因となったりするので好ましくない。前記温度帯よりも低い温度で予備加熱を行うと、原反芯部の加熱が不十分となり、本加熱時に芯部が成形温度に達せずに、成形型での成形時に延伸が十分に行われず成形不良の原因となる。芯部が成形温度に達するまで本加熱を行うと、原反表層部に熱劣化が生じることから好ましくなく、さらには、表皮と芯部の温度差を抑えて加熱しようとすると、著しく時間がかかってしまい、効率の面でも好ましくない。

本発明において、原反としての熱可塑性樹脂発泡板に特に制限はなく、任意の熱可塑性樹脂発泡板を用いることができるが、熱成形する熱可塑性樹脂発泡板がポリスチレン系樹脂の発泡板である場合には、予備加熱時の温度は５５℃〜１０９℃の範囲であることが好ましい。なお、ポリスチレン系樹脂発泡体のＪＩＳＫ７１９１Ｂ法で規定する軟化温度は８５℃〜１１０℃である。

本発明において、原反としての熱可塑性樹脂発泡板を発泡成形する方法は任意であり制限はないが、前記した特許文献２に記載される方法を採用することができる。もちろん、他の押出発泡法を採用してもよい。樹脂材料としては、ポリスチレン、ハイインパクトポリスチレン、スチレン−エチレン共重合体、スチレン改質ポリエチレン系樹脂、スチレン−無水マレイン酸共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体等のポリスチレン系樹脂：ポリメチルメタクリレート樹脂等のポリメタクリレート系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体等のポリオレフィン系樹脂；ポリスチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂等が挙げられる。これら合成樹脂の混合物やモノマーの共重合体なども使用できる。混入する発泡剤としては、既に知られているいろいろなものを用いることができる。具体的には、窒素、二酸化炭素、ヘリウムなどの不活性ガス、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン等の脂肪族炭化水素、塩化メチル、テトラフルオロエタン等のハロゲン化炭化水素、メチルターシャリブチルエーテル、ジメチルエーテル等のエーテル等である。また、これらの物理的発泡剤以外に、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム等の化学的発泡剤も用いることができる。これらの発泡剤は、単独で用いることもできるが、混合して用いることもできる。

本発明による熱成形方法で成形される成形品としては、部品輸送用トレー、浴槽の断熱材やユニット浴槽の内壁芯材、食品容器などの包装材料、自動車内装部品、建築材料、等が例として挙げられる。食品容器としては、カップ、トレー、ボウルなどの様々な形状のものが上げられる。

以下、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は本発明による熱可塑性樹脂発泡板の熱成形方法を実施するための成形工程の一例を示している。

図１において、図１ａは原反としての厚み５ｍｍ以上の熱可塑性樹脂発泡板１０（例えば、ポリスチレン系樹脂発泡板であり、その熱伝導率は０．１〜０．０１Ｗ／ｍ・Ｋと小さい）を示しており、該熱可塑性樹脂発泡板１０に対して、最初に、図１ｂに示すように、予備加熱ゾーン１において予備加熱を行う。この例では、予備加熱ゾーン１は一対の熱盤２，２を有しており、熱可塑性樹脂発泡板１０を熱盤２，２に挟持することによって、５５℃〜１０９℃の範囲の温度に加熱する。加熱は、熱可塑性樹脂発泡板１０の芯部も含めて全体がほぼ等しい温度に昇温するまで行われる。

予備加熱後、予備加熱された熱可塑性樹脂発泡板１０は熱盤２，２から取り出され、クランプ４，４で保持されて本加熱ゾーン３に送られる（図１ｃ）。ゾーン間を移動するときに熱可塑性樹脂発泡板１０の表層の温度は幾分低下するが芯部の温度はそのまま維持される。予備加熱ゾーン３は赤外線ヒータ５を有しており、熱可塑性樹脂発泡板１０を軟化温度である１１０℃前後まで加熱する。

加熱軟化した熱可塑性樹脂発泡板１０は、クランプ４に支持された状態で成形ゾーン６に送られる（図１ｄ）。成形ゾーン６は成形型７を有しており、成形型に合わせて成形される（図１ｅ）。成形後に脱型することにより、所要形状に熱成形された成形品２０が得られる（図１ｆ）。なお、成形ゾーン６で使用する成形型は、他に真空成形型、圧空成形型、真空圧空成形型、等であってもよい。また、成形型７の成形面は３０〜８０℃程度の温度に加熱されていてもよい。

以下、実施例と比較例により本発明を説明する。
［実施例１］
１．公知の発泡板製造方法により、成形用原反として、厚さ１０ｍｍ×長さ２０００ｍｍ×幅１０００ｍｍのポリスチレン押出発泡板を製造した。ＪＩＳＡ１４１２に則して、ポリスチレン押出発泡板の熱伝導率λを測定したところ、λ＝０．０２６であった。このポリスチレン系樹脂発泡体のＪＩＳＫ７１９１Ｂ法で規定する軟化温度は９５℃である。

２．ポリスチレン押出発泡板を９４℃の熱盤で挟み５分間加熱し予備加熱を行った。加熱後に、熱盤から取り出した直後のポリスチレン押出発泡板の表層部と芯部の温度を測定したところ、表層部９４℃、芯部９４℃であった。なお、温度の測定は、データコレクターＡＭ−７００２（安立計器株式会社製）を用い、温度センサを、表層部は表面に置き、芯部は芯部に挿入して測定した。

３．熱盤から取り出したポリスチレン押出発泡板を１分間常温雰囲気に置いた後、２１０℃に設定した赤外線ヒータで９０秒間加熱する本加熱を行った。上記と同様にして、本加熱後のポリスチレン押出発泡板の表層部と芯部の温度を測定したところ、表層部１０８℃、芯部１０８℃であった。

４．本加熱後のポリスチレン押出発泡板を、従来知られた真空引き孔を有する真空引き可能な成形面を５０℃に加熱した成形型を用いて真空成形した。成形時に真空度６００ｍｍｈｇまで真空引きを行った。それにより、ポリスチレン押出発泡板は金型の表面形状に沿うように熱成形された。

５．冷却後、金型から成形品を取り出して目視により観察したところ、良品質の成形品であった。

［実施例２］
１．実施例１と同様にして、厚さ３０ｍｍ×長さ２０００ｍｍ×幅１０００ｍｍのポリスチレン押出発泡板を成形用原反として製造した。ポリスチレン押出発泡板の熱伝導率λは、λ＝０．０２６であった。

２．ポリスチレン押出発泡板を９４℃の熱盤で挟み１０分間加熱し予備加熱を行った。加熱後に、熱盤から取り出した直後のポリスチレン押出発泡板の表層部と芯部の温度を実施例１と同様にして測定したところ、表層部９４℃、芯部９２℃であった。

３．熱盤から取り出したポリスチレン押出発泡板を１分間常温雰囲気に置いた後、２１０℃に設定した赤外線ヒータで１２０秒間加熱する本加熱を行った。本加熱後のポリスチレン押出発泡板の表層部と芯部の温度を測定したところ、表層部１０８℃、芯部１０６℃であった。

４．本加熱後のポリスチレン押出発泡板を、実施例１と同じようにして真空成形した。成形時に真空度６００ｍｍｈｇまで真空引きを行った。ポリスチレン押出発泡板は金型の表面形状に沿うように熱成形された。

５．冷却後、金型から成形品を取り出して目視により観察したところ、良品質の成形品であった。

［実施例３］
１．実施例１と同様にして、厚さ５０ｍｍ×長さ２０００ｍｍ×幅１０００ｍｍのポリスチレン押出発泡板を成形用原反として製造した。ポリスチレン押出発泡板熱伝導率λは、λ＝０．０２６であった。

２．ポリスチレン押出発泡板を９４℃の熱盤で挟み１２分間加熱し予備加熱を行った。加熱後に、熱盤から取り出した直後のポリスチレン押出発泡板の表層部と芯部の温度を実施例１と同様にして測定したところ、表層部９４℃、芯部９０℃であった。

３．熱盤から取り出したポリスチレン押出発泡板を１分間常温雰囲気に置いた後、２１０℃に設定した赤外線ヒータで１４５秒間加熱する本加熱を行った。本加熱後のポリスチレン押出発泡板の表層部と芯部の温度を測定したところ、表層部１０９℃、芯部１０５℃であった。

４．本加熱後のポリスチレン押出発泡板を、実施例１と同じようにして真空成形した。成形時に真空度６００ｍｍｈｇまで真空引きを行った。ポリスチレン押出発泡板は金型の表面形状に沿うように熱成形された。

５．冷却後、金型から成形品を取り出して目視により観察したところ、良品質の成形品であった。

［比較例１］
１．実施例２で用いた厚さ３０ｍｍ×長さ２０００ｍｍ×幅１０００ｍｍのポリスチレン押出発泡板を成形用原反として用いた。

２．ポリスチレン押出発泡板を５０℃の熱盤で挟み１０分間加熱し予備加熱を行った。加熱後に、熱盤から取り出した直後のポリスチレン押出発泡板の表層部と芯部の温度を実施例１と同様にして測定したところ、表層部５０℃、芯部４９℃であった。

３．熱盤から取り出したポリスチレン押出発泡板を１分間常温雰囲気に置いた後、２１０℃に設定した赤外線ヒータで１８０秒間加熱する本加熱を行った。本加熱後のポリスチレン押出発泡板の表層部と芯部の温度を測定したところ、表層部１１２℃、芯部９２℃であった。

４．本加熱後のポリスチレン押出発泡板を、実施例１と同じようにして真空成形した。成形時に真空度６００ｍｍｈｇまで真空引きを行った。ポリスチレン押出発泡板は金型の表面形状に沿うようには熱成形されなかった。これは、成形加熱の時点でポリスチレン押出発泡板の芯部の温度が、成形温度（軟化温度）に達していないので、成形不良となったものと解される。

［比較例２］
１．実施例２で用いた厚さ３０ｍｍ×長さ２０００ｍｍ×幅１０００ｍｍのポリスチレン押出発泡板を成形用原反として用いた。

２．ポリスチレン押出発泡板を１１０℃の熱盤で挟み１２分間加熱し予備加熱を行った。加熱後に、熱盤から取り出した直後のポリスチレン押出発泡板の表層部と芯部の温度を実施例１と同様にして測定したところ、表層部１１０℃、芯部１０８℃であった。

３．熱盤からポリスチレン押出発泡板を取り出す際に、発泡板が著しく軟化しており次の成形時へのセッティングの時に発泡板が変形してしまった。さらに、２１０℃に設定した赤外線ヒータで９５秒間加熱を行ったが、発泡板が変形しているために加熱温度の均衡化がとれず、結果、得られた成形品は、部分的に表皮が溶融し外観不良が発生し、かつ、肉厚も部分的に薄くなり偏肉不良の成形品が得られた。

４．本加熱後のポリスチレン押出発泡板を、実施例１と同じようにして真空成形した。成形時に真空度６００ｍｍｈｇまで真空引きを行った。ポリスチレン押出発泡板は金型の表面形状に沿うようには熱成形されたが、成形品の表皮の一部が溶融して外観不良を発生し、さらに成形品の肉厚が部分的に薄くなる傾向が確認された。

本発明による熱可塑性樹脂発泡板の熱成形方法を実施するための成形工程を説明する図。

符号の説明

１…予備加熱ゾーン、２…熱盤、３…本加熱ゾーン、４…クランプ、５…赤外線ヒータ、６…成形ゾーン、７…成形型、１０…成形用原反としての熱可塑性樹脂発泡板、２０…成形品

Claims (3)

1. 熱伝導率０．１〜０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ、厚み５ｍｍ以上の熱可塑性樹脂発泡板を熱成形する方法であって、
   熱可塑性樹脂発泡板を、当該熱可塑性樹脂発泡板の軟化温度よりも１℃〜３０℃低い温度帯域の温度での予備加熱と予備加熱時の温度よりも高い温度での本加熱の２温度帯で加熱した後、成形型により所要形状に熱成形することを特徴とする熱可塑性樹脂発泡板の熱成形方法。
2. 熱可塑性樹脂発泡板の厚みが１０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性樹脂発泡板の熱成形方法。
3. 成形型により所要形状に熱成形する工程を真空成形で行う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板の熱成形方法。

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