JPH0780187B2 - 合成樹脂成形用金型 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は合成樹脂の成形用金型に
関する。更に詳しくは数万回の成形に耐える射出成形あ
るいはブロー成形用金型に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱可塑性樹脂を金型キャビティへ射出し
て成形し、成形品に対する型表面の形状状態の付与にお
ける再現性を良くし、成形品の艶を良くするには、通
常、樹脂温度を高くしたり、射出圧力を高くする等の成
形条件を選ぶことによりある程度達成できる。

【０００３】これらの要因の中で最も大きな影響がある
のは金型温度であり、金型温度を高くする程好ましい。
しかし、金型温度を高くすると、可塑化された樹脂の冷
却固化に必要な冷却時間が長くなり成形能率が下がる、
金型温度を高くすることなく型表面の再現性を良くし、
又金型温度を高くしても必要な冷却時間が長くならない
方法が要求されている。金型に加熱用、冷却用の孔をそ
れぞれとりつけておき交互に熱媒、冷媒を流して金型の
加熱、冷却を繰り返す方法も行われているが、この方法
は熱の消費量も多く、冷却時間が長くなる。

【０００４】金型キャビティを形成する型壁面を熱伝導
率の小さい物質で被覆することにより金型表面再現性を
良くする方法はＵＳＰ３５４４５１８号明細書等で開示
されており、熱伝導率が小さい物質としてポリエチレン
テレフタレート、ポリフェニレンサルファイド等が示さ
れている。更に、金型表面近くに断熱層を設ける方法と
してＷＯ８９／１０８２３号明細書がある。この明細書
には、射出された樹脂が金型内で冷却される際に、ゆっ
くり冷却する手段として、金型再表面をアルミニウムあ
るいはニッケル等の金属とし、次の層に断熱層、その下
を金型本体とする金型構造が示されている。断熱層を設
ける目的は射出された加熱樹脂の冷却速度を大巾に低減
することであり、断熱層として数ｍｍ厚の液晶ポリマー
の板、ベスペル（成形されたポリイミド、Ｄｕ Ｐｏｎ
ｔ社商品名）の板が示されている。

【０００５】特開昭６２−３７１０７号公報には通気性
のある断熱層を型表面につけ、シルバーストリークの発
生等を防ぐ方法が記載されている。そして断熱層の中に
ポリイミドの記載があるが、それ以上の説明はない。
又、ＵＳＰ５，００４，６２７号明細書には射出成形時
の離型性を良くするため、金型表面にフッ素化ポリイミ
ドを被覆する方法が示されており、この場合のフッ素化
ポリイミドは離型剤の働きをしている。フッ素化合物は
一般に同一物質あるいは他物質との滑り性、剥離性に著
しく優れ、滑性剤、剥離剤、離型剤として広く使用され
ている。

【０００６】ＵＳＰ５，００４，６２７号明細書ではフ
ッ素化ポリイミドのこの特性を利用して、離型剤として
使用されており、該フッ素化ポリイミドは金型と強固に
密着できない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】熱膨張係数が１桁異な
る金属とポリイミドを密着させ、数万回に及ぶ冷熱サイ
クルテストで密着を保持することは一般に困難である。
射出成形は複雑な形状の成形品が一度の成形で得られる
ことに最大の長所があり、この長所を保持しつつ、金型
内の冷却時間が長くならず、且つ、金型表面再現性を良
くした鏡面状成形品を成形することが要求されている。

【０００８】本発明は、金型表面を断熱層で被覆した金
型に於て、複雑な形状の金型キャビティを有する金型
に適用できる、冷却時間の増大が小さい、数万回の
繰り返し成形に耐える、金型表面再現性に優れた、例
えば高光沢成形品が得られる、を達成することができる
金型を提供することである。

【０００９】

【課題を解決しようとする手段】本発明者らはこの課題
を達成するため、断熱層で被覆した金型について検討を
行い、主金型表面を被覆する断熱物質、その被覆状態、
被覆方法について次のことが非常に重要であることを見
出した。すなわち、断熱層に関しては、実質的に金型最
表面にあって薄層であること、また断熱物質に関して
は、熱伝導度が低いこと、耐熱性に優れること、引張強
度、伸びが大きくしかも冷熱サイクルに強いこと、表面
硬度が大きいこと、耐摩耗性に優れること、金型本体と
の密着性が良いこと、表面研磨ができること、さらに断
熱層の形成時あるいは本金型を用いた合成樹脂の成形時
に、耐蝕性に優れることである。

【００１０】そこで、本発明者らは、これ等の事項を満
す断熱物質、被覆状態および被覆方法について更に研究
を重ねた結果、始めて本発明に至ったのである。すなわ
ち、本発明は、室温に於ける熱伝導率は０．０５ｃａｌ
／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上の金属から成る主金型の型キャ
ビティを形成する型壁面に、ポリイミド層が設けられた
金型であり、該ポリイミド層は、（１）０．０２〜２ｍ
ｍ厚であり、（２）熱伝導率が０．００２ｃａｌ／ｃｍ
・ｓｅｃ・℃以下であり、（３）ガラス転移温度が２０
０℃以上の高耐熱性であり、（４）フッ素を含有しない
直鎖型高分子量ポリイミドの前駆体溶液を金型壁面に塗
布し、次いで加熱して形成されたポリイミドであり、
（５）その破断伸度は１０％以上であり、（５）型壁面
との密着力が５００ｇ／１０ｍｍ巾以上である、ことを
特徴とする合成樹脂成形用金型である。

【００１１】以下に本発明について詳細に説明する。上
述のごとく、金属から成る主金型の表面を合成樹脂から
成る薄い断熱層で被覆することにより、成形品の型表面
再現性を良くする方法については、多くの公知文献があ
る。しかし、従来これ等の金型は簡易金型として成形回
数が少ない成形には使用できるものの、数万回の成形に
耐える本格金型には鋼鉄等の強靭な材質で型キャビティ
を形成することがこれまでの常識である。射出成形では
２ｍｍ厚程度の薄肉の型キャビティを高速で合成樹脂が
射出されるため、鋼鉄等の強靭な材質で型キャビティを
形成することが数万回の成形を行う本格金型ではこれま
で必須と考えられている。

【００１２】我々は、これについて更に深い研究を行
い、主金型の表面を薄い合成樹脂で被覆しても、一定の
条件を満たす合成樹脂から成る断熱層を使用すれば、数
万回の射出成形に耐えることを発見し本発明に至る。す
なわち、射出成形では、金型に射出された加熱可塑化樹
脂は冷却された金型壁面に接触して接触面に直ちに固化
層を形成し、引続き射出される樹脂は固化層と固化層の
間を進行し、流動先端（ｆｌｏｗ ｆｒｏｎｔ）に達す
ると、金型壁面の方向へ向い、金型壁面と接して固化層
となる。

【００１３】すなわち、射出される樹脂は金型壁面を上
から押し付ける様に流れ、金型壁面をひきずる様に流れ
ない。従って、金型表面を選択された合成樹脂から成る
薄い断熱層で被覆すれば、該断熱層は射出される樹脂で
直接摩耗することは無く、数万回の射出成形に耐え得る
ことを見い出した。

【００１４】本発明に用いる主金型材質は、熱伝導率が
０．０５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上のもので、鉄又
は鉄を５０重量％以上含有する鋼材、アルミニウム又は
アルミニウムを５０重量％以上含有する合金、亜鉛合
金、銅合金、例えばベリリウム銅合金等の一般に合成樹
脂の金型に使用されている金属を包含する。特に鋼材が
最も良好に使用できる。

【００１５】一般的にポリイミドは直鎖型と熱硬化型に
分けられそれらのポリイミド前駆体としては各種あり、
次の表１の様に分類される。

【００１６】

【表１】

【００１７】射出成形では、冷却された金型へ、加熱さ
れ可塑化された合成樹脂が射出され、それが金型内で冷
却されて成形されるため、各成形毎に、金型表面では１
００℃にも及ぶ加熱と冷却が繰り返される毎に、金属と
ポリイミドとの界面に激しい応力が発生することにな
る。この応力に数万回にわたって耐えうるポリイミドと
して、破断強度、破断伸度共に大きく、且つ金型との密
着力が大きいことが必要であり、フッ素等の金型との密
着性を阻害する物質を含まない強靭な直鎖型の高分子量
ポリイミドが最も好ましいことを発見した。

【００１８】本発明に良好に使用できる直鎖型の高分子
量ポリイミドの例を表２に示した。なお、Ｔｇはガラス
転移温度、又、ｎはくりかえし単位の数を表わす。

【００１９】

【表２】

【００２０】直鎖型ポリイミドのＴｇは構成成分によっ
て異り、その例を表３および表４に示した。本発明者ら
の地見ではＴｇが２００℃以上が良く、更に好ましくは
２３０℃以上であった。

【００２１】

【表３】

【００２２】

【表４】

【００２３】射出成形は複雑な形状の成形品を一度の成
形で得られるところに経済的価値がある。この複雑な金
型表面をポリイミドで被覆し、且つ強固に密着させるに
は、ポリイミド前駆体溶液を塗布し、次いで加熱してポ
リイミドを形成させることが最も好ましいことを発見
し、本発明に至った。本発明のポリイミドは、金型との
密着性を阻害するフッ素等を実質的に含有しない。直鎖
型高分子量ポリイミドの前駆体溶液を金型壁面に塗布し
次いで加熱して形成されている。該ポリイミドは、ガラ
ス転移温度（以後Ｔｇと略称）が２００℃以上の高耐熱
性樹脂であり、強度及び伸度に優れ、その破断伸度は１
０％以上であり、型壁面との密着力は５００ｇ／１０ｍ
ｍ巾以上である。

【００２４】直鎖型ポリイミド前駆体は、例えば芳香族
ジアミンと芳香族テトラカルボン酸二無水物を開環重付
加反応させることにより合成される。

【００２５】

【化１】

【００２６】これ等ポリイミド前駆体は加熱して脱水環
化反応させることによりポリイミドを形成する。本発明
に最も好ましい直鎖型ポリイミド前駆体はポリアミド酸
でありその代表例の繰り返し単位と、それをイミド化し
たポリイミドの繰り返し単位を次に示す。

【００２７】

【化２】

【００２８】

【化３】

【００２９】

【化４】

【００３０】

【化５】

【００３１】上記のポリイミド前駆体のポリマーはＮ−
メチルピロリドン等の溶媒に溶かし、金型壁面に塗布さ
れる。ポリイミドの前駆体溶液には、コーティング時の
粘度を調整したり、溶液の表面張力を調整、チキソトロ
ピー性を調整するための添加物を加えたり、又は／及び
金型との密着性を上げるための微少の添加物を加えるこ
とができる。これ等ポリイミドの中で、ピロメリット酸
ジ無水物（ＰＭＤＡ）系ポリイミドは、耐熱性、機械的
性質等に優れ、最も好ましい。特に塗布用に変性したワ
ニスは良好に使用できる。しかし、ポリイミドの熱伝導
率を大巾に高くする様な添加物は好ましくない。

【００３２】ポリイミド前駆体のポリマーはカルボキシ
ル基等を含有するため金型との密着性が良く、金型表面
上でポリイミドを反応形成させることにより金型表面に
密着したポリイミド薄層が得られる。本発明のポリイミ
ドと主金型との密着力は、室温で５００ｇ／１０ｍｍ巾
以上であり、好ましくは０．８ｋｇ／１０ｍｍ巾以上、
更に好ましくは１ｋｇ／１０ｍｍ以上である。これは密
着したポリイミドを１０ｍｍ巾に切り、接着面と直角方
向に２０ｍｍ／分の速度で引張った時の剥離力である。
この剥離力は測定場所、測定回数によりかなりバラツキ
が見られるが、最小値が大きいことが重要であり、安定
して大きい剥離力であることが好ましい。本発明に述べ
る密着力は金型の主要部の密着力の最小値である。

【００３３】本発明のポリイミドはフッ素を含有しな
い。これはポリイミドが主金型への密着を大きく低下さ
せるフッ素を含有しないことであり、密着力にほとんど
影響を与えない程度のフッ素は関係ない。一般にポリイ
ミド中のフッ素含量が１０重量％を越えると密着力、剥
離力が大きくなる。本発明ではフッ素が１０重量％以
下、好ましくは５重量％以下、更に好ましくは１重量％
以下のほとんど含有されない場合である。

【００３４】ポリイミドの熱伝導率は小さい程好ましい
が、ポリイミドの熱伝導率は０．００２ｃａｌ／ｃｍ・
ｓｅｃ・℃以下のものが好ましく使用できる。ポリイミ
ド層の厚みは、０．０２〜２ｍｍの範囲で適度に選択さ
れる。０．０２ｍｍ未満の厚みでは成形品表面改良の効
果が少なく、２ｍｍを超えると金型の冷却効果が低下
し、成形効率が低下する。金型温度が高い程、ポリイミ
ド層の厚みを薄くし、金型温度が低い程、ポリイミド層
の厚みを厚くする必要があり、０．０２〜２ｍｍの範囲
で適度に選択される。又、本発明の金型が使用される成
形法によっても、好ましいポリイミド層の厚みは異る。
本発明の金型が最も良好に使用できる射出成形では、
０．０２〜０．５ｍｍの厚みが好ましく、更に好ましく
は０．０５〜０．２ｍｍの厚みである。これに対して、
押出ブロー成形では０．１〜１ｍｍの厚みが好ましい。

【００３５】本発明に使用される直鎖型高分子量ポリイ
ミドの強度及び伸度は大きいことが必要であり、特に破
断伸度が大きいことが耐冷熱サイクルには必須であり、
その必要破断伸度は１０％以上、好ましくは２０％以上
である。破断伸度の測定法はＡＳＴＭ Ｄ６３８に準じ
て行う。射出成形は複雑な形状の型物が一度の成形でで
きることが最大の長所であり、そのため金型キャビティ
は一般に複雑な形状をしている。この複雑な金型キャビ
ティ表面に鏡面状に被覆物質を塗布することはきわめて
困難であり、そのため塗布された被覆層を表面研磨して
鏡面状に仕上げることが最も良好な方法である。従っ
て、被覆物質は研磨でき、鏡面化できることが要求され
る。

【００３６】合成樹脂を研磨して、不要部分を削り鏡面
化することは、プラスチックレンズ等を研磨する際に用
いられている方法である。合成樹脂を研磨粉等を用いて
研磨するには、研磨するに適した合成樹脂を使用する必
要があり、よく知られたＣＲ−３９（ジエチレングリコ
ールビスアリルカーボネート）重合体等が適している。
すなわち、高度に架橋されていて、硬くて、伸びが小さ
く、しかもガラス転移温度が高い樹脂が適していると一
般に云われている。これに対して直鎖状高分子量体で、
破断伸度が大きく強靭な樹脂は研磨に適していないと見
られてきた。

【００３７】従来のこの考えから云えば、直鎖型高分子
量ポリイミドは破断伸度が大きく、強靭であるので、研
磨性には適しないということになる。しかしこのような
直鎖型高分子量ポリイミドも、高度に架橋が起こってい
る熱硬化型ポリイミドとともに、研磨性が良好であるこ
とが、本発明によって始めて明らかとなり、本発明に良
好に使用できる。

【００３８】ポリイミドの薄層の表面の平滑性等を更に
向上させるため、あるいは表面の耐擦傷性を更に向上さ
せるため、ポリイミド層の厚みの１／１０以下、好まし
くは１／２０以下の厚みで別物質をポリイミド表面に塗
布することも必要に応じてでき、本発明に含まれる。合
成樹脂のシートや型物の表面に、耐擦傷性向上のため使
用されている、一般にハードコート剤と云われている塗
料を塗布することもできる。例えば、熱硬化型のシリコ
ーン系ハードコート剤は良好に使用でき、本発明にとっ
て好ましいものである。

【００３９】本発明の金型で成形されうる合成樹脂は一
般に射出成形やブロー成形等に使用できる熱可塑性樹脂
である。例えば、スチレン重合体又はその共重合体、ポ
リエチレン、ポリプロピレン等オレフィン重合体又はそ
の共重合体、塩化ビニール重合体又はその共重合体、ポ
リアセタール、ポリアミド、ポリエステル、等の一般の
熱可塑性樹脂が使用できる。

【００４０】これ等の樹脂に、各種強化材、各種充填物
を配合した場合、あるいはポリマーアロイ等とした場合
は特に大きい効果が得られる。例えば、これ等の樹脂
に、ゴム、ガラス繊維、アスベスト、炭酸カルシウム、
タルク、硫酸カルシウム、発泡剤、木粉等の１種又は２
種以上を配合することができる。又、ゴミ、塗料粉等の
異物が混入しているリサイクル樹脂も本発明に良好に使
用できる。

【００４１】本発明を主に射出成形で説明したが、本発
明金型はブロー成形でも同様に使用できる。

【００４２】

【実施例】実施例において用いる各金型及び各ポリイミ
ドは次の通りである。 （１）金型 主金型：鋼材（Ｓ５５Ｃ）（熱伝導率約０．２ｃａｌ／
ｃｍ・ｓｅｃ・℃。）でつくられ、１００ｍｍ×１００
ｍｍの正方形、正方形の辺部にサイドゲートを有し、厚
さ２ｍｍの平板状型キャビティを有する。 （２）ポリイミド ポリイミド（Ａ）：直鎖型ポリイミド前駆体、ポリイミ
ドワニス「トレニース＃３０００」（東レ 商品名）。
硬化後のＴｇは３００℃、熱伝導率は０．０００５ｃａ
ｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃、破断伸度は６０％であった。

【００４３】ポリイミド（Ｂ）：直鎖型ポリイミド前駆
体、ポリイミドワニス「Larc- ＴＰＩ」（三井東圧 商
品名）。硬化後のＴｇは２５６℃、熱伝導率は０．００
０５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃、破断伸度は２５％であ
った。 ポリイミド（Ｃ）：直鎖型ポリイミド前駆体、ポリアミ
ドイミド「ＡＩ−１０」（アモコジャパンリミテッド製
品）溶液。硬化後のＴｇは２３０℃、熱伝導率は０．０
００５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃、破断伸度は４０％で
あった。

【００４４】

【実施例１】主金型を３個用意し、各金型の型表面をサ
ンドペーパー等で研磨して、各種表面粗度を有する各金
型を作成する。金型表面を、十分に脱脂し、次いで、ポ
リイミド（Ａ）を塗布し、１２０℃→２１０℃の順に加
熱し、この塗布、加熱を３回繰返し、最後に２９０℃に
加熱してポリイミド層を形成する。次いで、バフにダイ
ヤモンドペーストをつけて電動グラインダーで研磨を行
い、０．０５ｍｍ厚の鏡面状直鎖型ポリイミド被覆層を
形成する。

【００４５】被覆層を１０ｍｍ巾に切り、２０ｍｍ／分
の速度で被覆面と直角方向に引張り、密着力を測定す
る。結果を表５に示す。主金型とポリイミドの密着力は
いずれも０．６ｋｇ／１０ｍｍ巾以上であり、特にバフ
仕上げの主金型とポリイミド（Ａ）との密着力は１ｋｇ
／１０ｍｍ巾と大きく、そのバラツキも小さく、非常に
好ましいものである。密着力は、最小値が大きいことが
重要である。

【００４６】

【表５】

【００４７】

【実施例２】主金型を４個用意し、バフ仕上げした鏡面
状の各金型を十分に脱脂し、次いでポリイミド（Ａ）、
（Ｂ）、（Ｃ）をそれぞれ塗布し、実施例１と同様にし
て０．０４ｍｍと０．１ｍｍ厚の鏡面状直鎖型ポリイミ
ド被覆層を形成する。該直鎖型ポリイミド被覆金型と主
金型を使用して、ゴム強化ポリスチレン＃４９５（旭化
成工業 製）を射出成形し、成形品の光沢度を測定し、
表６に結果を示す。ポリイミド（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）
では全く同様の結果を得る。ポリイミドを被覆した場
合、成形品の光沢は著しく良くなり、射出成形を１万回
行っても、型表面の異常、成形品の光沢の低下は全く認
められない。

【００４８】なお、射出成形条件および光沢度測定条件
は以下の通りである。 射出成形条件：射出シリンダー温度 ２２０℃、金型温
度 ６０℃、射出速度Ｘ：射出時間１．１秒、射出速度
Ｙ：射出時間０．２秒、光沢度測定条件：ＪＩＳ Ｋ７
１０５、反射角度 ６０度

【００４９】

【表６】

【００５０】

【実施例３】実施例２に示す方法で金型表面に形成され
る０．０４ｍｍ厚と０．１ｍｍ厚の鏡面状直鎖型ポリイ
ミド層表面に、シランカップリング剤ＫＢＥ９０３（信
越化学工業 商品）を塗布し、１２０℃で１０分間加熱
し、約１μｍ厚の薄膜を形成して、シリコーンハードコ
ート層をつける。

【００５１】この金型を用いて、実施例２と同様に射出
成形を行い、ほぼ同様の高光沢度の射出成形品を得る。
シリコーンハードコート層を最表面につけることによ
り、金型取扱い中、等の傷つき防止が達成できる。

【００５２】

【比較例】主金型に次式に示すくりかえし単位を有する
フッ素化ポリイミド前駆体溶液を塗布し、加熱して０．
０５ｍｍ厚のフッ素化ポリイミド（フッ素含有量は１７
重量％）で被覆されている金型を得る。

【００５３】

【化６】

【００５４】ポリイミドと金型との密着力は０〜０．５
ｋｇ／１０ｍｍ巾で測定場所により密着力のバラツキも
大きく、場所により０の所もある。この様に密着力の低
い断熱層は、数万回の過酷な冷熱サイクルをともなう射
出成形に耐え得ない。

【００５５】

【発明の効果】本発明の金型を使用して合成樹脂の射出
成形やブロー成形を行うことにより、成形サイクルタイ
ムの増加を微増にとどめ、成形品の著るしい外観向上を
行うことができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 室温に於ける熱伝導率は０．０５ｃａｌ
   ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上の金属から成る主金型の型キャ
   ビティを形成する型壁面に、ポリイミド層が設けられた
   金型であり、該ポリイミド層は、（１）０．０２〜２ｍ
   ｍ厚であり、（２）熱伝導率が０．００２ｃａｌ／ｃｍ
   ・ｓｅｃ・℃以下であり、（３）ガラス転移温度が２０
   ０℃以上の高耐熱性であり、（４）フッ素を含有しない
   直鎖型高分子量ポリイミドの前駆体溶液を金型壁面に塗
   布し、次いで加熱して形成されたポリイミドであり、
   （５）その破断伸度は１０％以上であり、（６）型壁面
   との密着力が５００ｇ／１０ｍｍ巾以上、であることを
   特徴とする合成樹脂成形用金型。