JPH0450167B2

JPH0450167B2 -

Info

Publication number: JPH0450167B2
Application number: JP11848483A
Authority: JP
Inventors: Tatsumi Takahashi; Nobuhisa Nishitani
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1983-06-30
Filing date: 1983-06-30
Publication date: 1992-08-13
Also published as: JPS609723A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は超高分子量ポリエチレン原料或いは超
高分子量ポリエチレンに炭素繊維等の無機材料を
複合化した原料を射出成形した工業用小型部品例
えば歯車の射出成形法、更には当該部品を成形す
るための射出成形機に関する。

分子量が200万〜600万の超高分子量ポリエチレ
ンは、耐薬品性、耐衝撃性及び耐寒性に優れると
共に自己潤滑性を有するため歯車等の工業用小型
部品の材料として極めて適している。

斯る超高分子量ポリエチレンによつて工業用小
型部品等を成形する手段として、射出成形圧、縮
成形及び押出成形が考えられるが、超高分子量ポ
リエチレンは前記したように分子量が極めて高い
ため加熱しても粘性が低くならず流動性を示さな
い。このため射出成形を行つてもキヤビテイの細
部まで超高分子量ポリエチレンを充填させること
ができず、精度が劣り且つ成形品の表面を平滑な
ものとすることができない。またスクリユーで超
高分子量ポリエチレンを可塑化する場合には、シ
リンダー中で高シエアがかかり、加熱による酸化
及び主鎖の切断が生じ、分子量が低下し、普通の
ポリエチレンとなつてしまうことがある。

したがつて、従来にあつては、圧縮成形或いは
押出し成形にて超高分子量ポリエチレンを成形し
ているのが現状である。しかしながら、これらの
成形法によつては高精度を成形品を効率よく、し
かも安価に得ることができない。

一方、歯車等の剛性を高めるべく超高分子ポリ
エチレンに炭素繊維等の無機材料を複合化するこ
とが考えられる。圧縮成形による場合には粉体状
の超高分子ポリエチレンの各粒子表面に圧縮時に
複合材料が融着するため複合化が可能であるが、
通常の射出成形によると超高分子量ポリエチレン
の各粒子を溶融させて複合化することとなるの
で、分子量が低下し超高分子量ポリエチレンの基
本特性を失つてしまう。

本発明は上述の如き従来の問題に鑑みなされた
もので、射出成形法によつて、超高分子量ポリエ
チレン或いはこの超高分子量ポリエチレンに無機
複合材を添加してなる原料から、高精度の射出成
形品を効率よく得ることを目的とする。

この目的を達成するため、第１発明である射出
成形法は、粉体状の超高分子量ポリエチレン原料
或いは高速ミキシングにより超高分子量ポリエチ
レンの粒子表面を軟化せしめ、この表面に無機複
合材を付着せしめてなる原料を、無酸化雰囲気に
おいて短時間のうちに溶融させ、この溶融した原
料が熱架橋を開始する前にキヤビテイ内に注入す
るようにしたことをその要旨とし、更に第２発明
である射出成形機は、インラインスクリユータイ
プの成形機において、ホツパーには超高分子量ポ
リエチレン原料を無酸化雰囲気にて溶融せしめる
ための、雰囲気ガス供給パイプを接続し、またス
クリユーを内蔵するシリンダーの圧縮部及びノズ
ル部のみにヒータを配設し、フイーダ部の一部を
放熱部としたことをその要旨としている。

以下に本発明の実施例を添付図面に基いて説明
する。

第１図は本発明に係る射出成形機の断面図であ
る。本発明の射出成形機においては、内部にスク
リユー１を配設したシリンダー２と、このシリン
ダー２内に原料３を供給するホツパー４と、シリ
ンダー２の先端が臨み、内部に成形用キヤビテイ
５を有する金型６と、該キヤビテイ５を真空引き
するための真空タンク７及びロータリーポンプ８
とをその主要部として構成される。

そして、上記ホツパー４にはチツ素ガス等の雰
囲気ガス供給パイプ９を接続し、シリンダー２内
に供給した原料３を無酸化雰囲気において溶融す
るようにしている。またホツパー４の下部には原
料３の供給量調整用の円形または長方形などのス
リツト１０ａを有する調整板１０を有している。

一方、ベーンモータ１１によつて回転されるス
クリユー１の圧縮比は2.3以下、特に1.3〜2.0であ
ることが適当で、Ｌ／Ｄ（Ｌ：長さ、Ｄ：直径）
は10〜25、特に15〜20が好ましい。またスクリユ
ーのピツチＰはＰ＝πDtanθで決定されるが、θ
の値をもつて示すならば10°〜18°、特に11.5°〜
14.5°であることが好ましい。

圧縮比が2.3以上である場合には、超高分子量
ポリエチレン粉体に必要以上の圧がかかり、シリ
ンダー内に滞留してしまい、架橋の開始ととも
に、流動性を示さなくなる。また、圧縮比が1.3
以下である場合には、超高分子量ポリエチレンの
粉体表面を溶融状態にするのには不十分である。

Ｌ／Ｄに関しては、Ｌ／Ｄが20以上では、シリ
ンダー内に超高分子量ポリエチレンを不必要に長
く滞留してしまう危険があり、Ｌ／Ｄが15以下の
場合は超高分子量ポリエチレンの加熱制御の精度
が不十分になる。

スクリユーピツチは、フライトの角度θによつ
て決められるが、θは超高分子量ポリエチレンに
加えられるトルクの大小を決定するものであり、
θが10°以下の場合は、十分なトルクが得られる
が、不必要な滞留時間と、摩擦エネルギーを超高
分子量ポリエチレン粉体に加わえている。また、
θが18°以上の場合は、超高分子量ポリエチレン
に十分なトルクを与えることができず、ベーンモ
ータに負担がかかるとともに、指定されたスクリ
ユー回転数を得られず、シリンダー内に長時間滞
留することになり、不適切である。

更にスクリユーヘツドは逆流防止用リングを使
用せず先端までフライトを切り、且つシリンダー
２の内径よりも0.1〜0.2mm小さいスクリユー径と
する。

また、シリンダー２は後半部をフイーダ部２
ａ、前半部を圧縮部２ｂ、先端部をノズル部２ｃ
とし、フイーダ部２ａに放熱用のフイン１２を形
成する長さはシリンダー２の全長の1/4〜1/3が好
ましい。

超高分子量ポリエチレンはシリンダー内で、ス
クリユーで搬送され、圧縮比が高まるにつれて、
該ポリエチレン粉体同志が摩擦することにより発
熱してくる。この様な状態になるのは、スクリユ
ーのコンプレツシヨンゾーンに達した時であり、
この部分２ｂで初めて外部加熱により、粉体個々
が軟化するのであり、それ以前のゾーン２ａで
は、極力加熱を避け、摩擦による熱を放熱し、架
橋を防止しなくてはならない。

放熱用フイン１２を設けない場合、圧縮部２ｂ
での加熱制御が不可能となり、該ポリエチレン粉
体を架橋させてしまうことになる。そして圧縮部
２ｂ、ノズル部２ｃにはヒータ１３を配設し、原
料３を瞬時に溶融するようにしている。

また、第２図はキヤビテイの平面図、第３図は
金型の縦断面図、第４図は金型の横断面図であ
り、これらの図からわかるように、金型６の一方
の型６ａに湯道１４を穿設し、他方の型６ｂの型
合せ面には歯車成形用のキヤビテイ５を形成し、
このキヤビテイ５の周囲には５mm〜10mm程度の径
をもつ真空路１５を形成し、この真空路１５とキ
ヤビテイ５の歯先部に相当する部分とを孔１６で
連通している。この孔１６の長さは１〜20mmと
し、特に３〜７mmとするのが適当である。また、
型６ａ，６ｂのバーテイング部にはシールリング
１７を設け、型合せ時の真空度を維持し得るよう
にしている。尚、成形の際には金型６の温度は30
℃〜130℃、特に60℃〜120℃とするのが好まし
い。

以上の如き射出成形機を用いて、超高分子量ポ
リエチレンの成形品を製造する方法を以下に述べ
る。

先ずホツパー４内に粒径が30μ〜100μ程度の粉
体状の超高分子量ポリエチレンを原料３として所
定量供給する。ここで超高分子量ポリエチレンは
通常のポリエチレンと異なりペレツト状ではなく
粉体状となつており、粒子同志の摩擦係数が小さ
いので、粒子径を調整するだけで時間当りの原料
供給量を決定できる。そして、フイーダ部２ａへ
の原料供給量を調整することはスクリユー１の圧
縮比を相対的に減少させることとなり、結果的に
超高分子量ポリエチレンを可塑化する際に、異常
に圧縮比を高め、原料がシリンダー２中に滞留す
るのを防ぐことができる。

そして、シリンダー２内に供給された超高分子
量ポリエチレンはフイーダ部２ａから圧縮部２ｂ
へ送られ、この圧縮部２ｂにて瞬時に加熱されノ
ズル部２ｃで溶融（表面のみ）される。ここで、
ホツパー４内にはチツ素ガスが供給されているの
でシリンダー２内は無酸化雰囲気に保持され、酸
化による分子量低下を防ぐことができる。また超
高分子量ポリエチレンは一旦溶融するとその後直
ちに架橋が始まる特性がある。したがつて本実施
例のように圧縮部で瞬時に溶融し、ノズル部から
直ちにキヤビテイ５内に注入するようにすれば、
流動性を有するうちに注入することができる。

キヤビテイ５内に注入された原料は直ちに架橋
が開始し、この架橋が促進することで、高温のキ
ヤビテイ内でも原料が再溶融することがない。ま
たキヤビテイ５の歯車の歯先部まで溶融した超高
分子量ポリエチレンが充填される。

次に、上記の射出成形機に投入する超高分子量
ポリエチレンを複合化する方法について述べる。

第５図は超高分子量ポリエチレンを複合化する
ジヤーの縦断面図であり、ジヤー１８の側壁内に
は加熱用のオイル１９を充填し、底部にはモータ
２０によつて回転せしめられる撹拌羽根２１を設
け、更に上部にはチツ素ガス等の無酸化雰囲気ガ
スの供給パイプ２２を挿通している。

上記のジヤー１８に超高分子量ポリエチレンと
複合材料とを投入するが、この複合材料として
は、無機系の材料が好ましく、例えばCaCO₃Al₂
（OH）₃、Al₂O₃、Ca（PO₄）₂、ガラス繊維粉、炭
素繊維粉、木粉、紙粉、ガラスビーズ、金属粒子
等がある。そして添加量としては30wt％以下、
特に3wt％〜30wt％が好ましい。

そして、ジヤー１８の温度を80℃〜120℃、好
ましくは85℃〜100℃に設定し、撹拌羽根２１の
回転数を1800rpm〜3000rpmとして、超高分子量
ポリエチレンと複合材料との複合物２３を投入し
て撹拌し、混合物２３の温度が110℃〜120℃に達
したら、撹拌羽根の回転数を下げて90rpmにし、
複合化された超高分子量ポリエチレンを冷却ジヤ
ーに入れ60rpmで常温まで冷却する。

即ち、超高分子量ポリエチレンの粒子を完全に
溶融させると複合化することはできないが、上記
の如く撹拌を行なうと、ジヤー１８の壁面から超
高分子量ポリエチレンの粒子は熱を吸収するとと
もに撹拌による摩擦熱によつて粒子の表面が軟化
する。すると、複合材料は撹拌による加速度によ
つて軟化した粒子表面に叩き込まれて付着する。
しかして複合化が達成される。

斯る複合化した原料を第１図に示した射出成形
機のホツパー４に入れ、前記同様に短時間のうち
に複合化した原料を溶融し、この溶融した原料を
直ちにキヤビテイに注入して成形する。

次に具体的な実施例を述べる。

先ず、分子量600万の超高分子量ポリエチレン
（ハーキユリーズ社製）に炭素繊維粉（東レ、ト
レカMLD−30）を20wt％混合し、ヘルシエルミ
キサーを使用し、ジヤーをオイルで加熱し、撹拌
羽根の回転数2980rpmで樹脂温が120℃に達する
まで約10分間加熱し、超高分子量ポリエチレンを
複合化した。この複合化した超高分子量ポリエチ
レンを冷却ジヤーに移し、90rpmで30分間冷却し
た。尚、加熱ジヤー、冷却ジヤーともチツ素ガス
を充填し、無酸化雰囲気とした。

斯かる複合化した原料を本発明に係る射出成形
機のホツパーに入れ、ホツパー下部の原料供給量
調整用スリツトを全開とした。ここでスクリユー
は、径25mm、圧縮比を1.8、ピツチを18mm、Ｌ／
Ｄを20とし、スクリユーの回転数は180rpmとし
た。またシリンダーのノズル部（オープンノズ
ル）の温度は220℃、圧縮部の温度は170℃とし、
フイーダ部は加熱せず成形中に測定したところ70
℃〜100℃となつていた。更にホツパーには1.0
／分の割合でチツ素ガスを流入せしめた。

一方、金型温度は100℃に設定し、キヤビテイ
は0.5気圧まで源圧し、成形品はモジユール0.8
（Ｐ、Ｃ、Ｄ＝25.6mm、歯数32、厚さ３mm）の小
型歯車を２点ゲート（ゲート径0.4mm）で成形し
た。

更に成形条件は、スクリユーによる可塑時間を
７秒、射出時間を２秒、キユアリング時間を10
秒、取出し時間を1.5秒、（インターバル）を４
秒、全体のサイクル時間を23.0秒とした。

このようにして得られた歯車の寸法精度は真円
度が標準偏差（δ）で表示すると3δ＝0.12mmで、
成形収縮率は均一な４％であつた。

そして、上記の歯車を同様モジユール（ｍ＝
0.8）のシンチユウ製の平歯車と組合せ、負担を
2.5Kg・cmかけ280rpmの回転数で耐久性の試験を
行なつた。また同様の耐久性試験を樹脂材料とし
てすでに実績のあるポリアセタール樹脂からなる
歯車、及びエンジニアリングプラスチツクの一種
であるポリカーボネイト樹脂からなる歯車に行な
つた。

その結果を比較すると、本発明に係る歯車は耐
摩耗性については300時間経過後もポリアセター
ルと同等かそれ以上であり、騒音に関してはレベ
ルが低くなつた。一方、ポリカーボネイト歯車は
30時間で摩耗粉が発生し騒音も急激に増大した。

以上説明したように本発明に係る射出成形法及
び射出成形機によれば、複合化した超高分子量ポ
リエチレン或いは超高分子ポリエチレン自体を瞬
時にして溶融し、この溶融した原料を直ちにキヤ
ビテイに注入するようにしたので、高精度の歯車
東の成形品を容易に製作することができる。そし
て得られた歯車は自己潤滑性を有するため給油が
不要であり、更に複合化すれば、剛性が少なくと
も３倍以上となり、歯欠損を防ぐことが可能とな
る。

また、従来のポリアセタール歯車に比べ低騒音
で、更に超高分子量ポリエチレン同士の歯車の組
合わせは相互に摩耗し不適当とされてきたが、本
発明の複合化原料から製作した歯車と組合わせれ
ば十分な耐久性を持つことができる等多くの効果
を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る射出成形機の縦断面図、
第２図は金型内のキヤビテイの平面図、第３図は
金型の縦断面図、第４図は金型の横断面図、第５
図は複合化を行なうジヤーの縦断面図である。１……スクリユー、２……シリンダー、２ａ…
…フイーダ部、２ｂ……圧縮部、２ｃ……ノズル
部、３……超高分子量ポリエチレン原料、４……
ホツパー、５……キヤビテイ、６……金型、９…
…雰囲気ガス供給用パイプ、１３……ヒータ、１
５……真空路、１６……孔、１８……ジヤー。

Claims

【特許請求の範囲】１粉体状の超高分子量ポリエチレン原料を、無
酸化雰囲気にて射出シリンダーに供給し、射出シ
リンダーのスクリユーの圧縮比を1.3〜2.0とし、
その長さと直径の比を15〜20として短時間のうち
に溶融せしめ、この原料が熱架橋を開始する前に
キヤビテイ内に注入するようにしたことを特徴と
する射出成形法。２前記超高分子量ポリエチレン原料は、予め超
高分子量ポリエチレンを高速ミキシングに注入し
て粒子とし、この個々の粒子表面が軟化したとき
に無機複合材を添加することにより粒子表面に無
機複合材を付着させるようにして作られることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の射出成形
法。３ホツパー内の原料を射出シリンダー内に供給
し、シリンダー内に配設したスクリユーを回転す
ることによりシリンダー内で溶融せしめた原料を
シリンダーのノズル部から金型のキヤビテイ内に
注入するようにしたインラインスクリユータイプ
の射出成形機において、前記ホツパーには粉体状
超高分子量ポリエチレン又は粒子表面に無機複合
材を付着した粉体状高分子量ポリエチレンを無酸
化雰囲気において溶融せしめるための雰囲気ガス
供給パイプが接続され、またシリンダーの圧縮部
及びノズル部のみにヒータが配設され、フイーダ
部の少なくとも一部は放熱部とされ、前記射出シ
リンダー内のスクリユーの圧縮比は1.3〜2.0とさ
れ、その長さと直径の比は15〜20とされているこ
とを特徴とする射出成形機。４前記キヤビテイは歯車の形をなしており、前
記キヤビテイの周囲には真空路が形成され、この
真空路とキヤビテイとは金型に形成した孔によつ
て連通され、前記真空路は真空源に連なつている
ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の射
出成形機。