JPH079453A - 合成樹脂成形用の金型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 成形サイクルタイムを微増にとどめて、成形
品外観を著しく向上させる。 【構成】 金属から成る主金型表面に断熱層が設けられ
た金型であり、該断熱層はガラス転移温度が１５０℃以
上の耐熱性重合体であり、断熱層の熱膨張係数が主金型
の熱膨張係数の３倍以下、０．５倍以上である合成樹脂
成形用金型に関する。 【効果】 成形品の著るしい外観向上が達成できる。

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、金型最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。 特開昭６２−３７
１０７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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これらの公知文献に示
される金型表面に断熱層を被覆した金型では、金型と断
熱層との熱膨張係数が大きく異なるために、長期使用に
耐えるには問題があった。一般には、断熱層に使用され
る重合体と金型では熱膨張係数が１桁近く異なり、金属
と断熱層を密着させ、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。

【０００６】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。本発明の課題は、金型表面を断熱層で被覆
した金型に於て、１）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、２）冷却時間の増大が小さい、
３）数万回の加熱、冷却を伴う繰り返し成形に耐える、
４）金型表面再現性に優れる、例えば高光沢成形品が得
られる、金型を提供することである。

【０００７】

【課題を解決しようとする手段】すなわち、本発明は、
室温に於ける熱伝導率が０．０５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ
・℃以上の金属から成る主金型の金型キャビティを形成
する型壁面に、熱伝導率が０．００２ｃａｌ／ｃｍ・ｓ
ｅｃ・℃以下の断熱材から成る断熱層を被覆した金型に
おいて、（１）断熱層は０．０２〜２ｍｍ厚であり、
（２）断熱材はガラス転移温度が１５０℃以上の重合体
であり、（３）断熱材の熱膨張係数は主金型の熱膨張係
数の３倍以下、０．５倍以上である、合成樹脂成形用金
型である。

【０００８】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。

【０００９】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及び主金型を使用
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 ｆｒｏｎ
ｔ）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。

【００１０】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。一般に、熱膨張係数が大きく異なる金属と重合体を
接着し、繰り返し冷熱サイクルに耐えるためには、重合
体は破断伸度が大きい物を使用することが必要であり、
例えば、ゴム物質等の著しく破断伸度の大きい物質を用
いることがすすめられている。特に破断伸度が１０％未
満の重合体を本発明の様に金属金型の表面に被覆するこ
とは、数万回の冷熱サイクルをともなう本発明の金型に
被覆することは困難とみられている。本発明では破断伸
度が１０％未満の硬質、耐熱樹脂が使用できるようにす
ることを狙っている。

【００１１】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。特に熱膨張
係数が比較的大きいアルミニウムまたはアルミニウム合
金、銅または銅合金が本発明では良好に使用できる。主
金型表面は断熱層との密着性を良くするために、適度の
凹凸をつけたり、各種メッキをすることが適宜行われ
る。

【００１２】本発明に用いる重合体は、ガラス転移温度
が１５０℃以上、好ましくは２００℃以上、更に好まし
くは２５０℃以上の耐熱性重合体である。更に、熱膨張
係数が５×１０^-5以下が好ましく、更に好ましくは４×
１０^-5以下の熱膨張係数が小さい重合体である。本発明
に使用できる重合体の熱膨張係数は主金型の熱膨張係数
の３倍以下、０．５倍以上であり、好ましくは２倍以下
で０．６倍以上、更に好ましくは１．５倍以下で０．８
倍以上である。ここで用いる熱膨張係数は室温〜１００
℃の熱膨張係数を用いることとする。断熱層と主金型の
熱膨張係数は近ければ近い程好ましい。

【００１３】本発明では重合体と金型との熱膨張係数が
近い物を組み合わせており、従って破断伸度が１０％未
満の重合体でも冷熱サイクルに耐えることができる。表
１に一般に金型に使用される各種金属と、各種樹脂の熱
膨張係数の概略値を示す。これらの中で、熱膨張係数が
大きい金属と、熱膨張係数が小さい樹脂の組み合わせ、
すなわち金属と樹脂の熱膨張係数が近い組み合わせが良
好に使用される。

【００１４】

【表１】

【００１５】本発明に良好に使用できる重合体は、主鎖
に芳香環を有する耐熱性重合体であり、ポリベンツイミ
ダゾール（以後ＰＢＩと略称）を主体とする重合体、低
熱膨張型ポリイミドを主体とする重合体等が良好に使用
できる。（化１）に示すＰＢＩ：Ｐｏｌｙ−［２，２′
−（ｍ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ）−５，５′−ｂｉｂｅｎ
ｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ］は容易に溶液になるため型壁面
に塗布することができ、且つ、型壁面との密着力も良
く、本発明に良好に使用できる。このＰＢＩは熱膨張係
数が小さく、ほぼアルミニウムと等しい熱膨張係数をも
ち、また、ガラス転移温度は４００℃近くあり、本発明
に良好に使用できる。

【００１６】

【化１】

【００１７】ＰＢＩには各種添加物を配合することがで
きる。他の重合体、チキソトロピー性付与剤等は必要に
応じて配合できる。例えば、ＰＢＩの破断伸度を大きく
するために他の重合体を配合することが行われる。ＰＢ
Ｉは破断伸度が小さいため、溶剤に可溶性の各種ポリイ
ミドをブレンドして破断伸度を大きくすることは本発明
に良好に使用できる。ＰＢＩにブレンドできる可溶性の
各種ポリイミドとしては、Ｕｌｔｅｍ１０００（Ｇｅｎ
ｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃ）、ＸＵ−２１８（Ｇｉｂａ
−Ｇｅｉｇｙ）、ＰＩ２０８０（Ｕｐｊｏｈｎ）、Ｌａ
ｒｃ ＴＰＩ（三井東圧化学）等が良好に使用できる。
これ等のポリイミドはＰＢＩと相溶し、ポリイミドとＰ
ＢＩの中間の性質をもたらす。ポリイミドとＰＢＩは８
／２〜２／８の範囲でブレンドされる。ＰＢＩの破断伸
度は１〜３％程度であり、ブレンドにより、破断伸度を
５％以上にした配合物は特に良好に使用できる。

【００１８】重合体として、低熱膨張型ポリイミドも良
好に使用できる。ここに述べる低熱膨張型ポリイミドと
は、熱膨張係数が３×１０^-5／℃未満のものをいう。表
２に各種の低熱膨張型ポリイミドの熱膨張係数を示し
た。表中、ＢｉｆｉｘとＦｒｅｅは、ポリイミド前駆体
をイミド化してポリイミドフィルムをつくるときに、フ
ィルムを自由に収縮できる様にしたか（Ｆｒｅｅ）、四
角の枠に固定して、イミド化時に起こる収縮を抑えてそ
の応力でポリマー鎖を面内配向させたか（Ｂｉｆｉｘ）
の違いである。ポリイミド前駆体溶液を主金型に塗布
後、加熱して形成したポリイミドの熱膨張係数はＦｒｅ
ｅとＢｉｆｉｘの中間の値となる。

【００１９】

【表２】

【００２０】これらの中で、ビフェニルテトラカルボン
酸型ポリイミドは溶剤に可溶であり、型壁面に容易に塗
布できるため、良好に使用できる。熱膨張係数が若干大
きい各種ポリイミドも、組み合わせる金型の熱膨張係数
が大きければ、使用できる。この低熱膨張型ポリイミド
等も、他の各種ポリイミド等を必要に応じてブレンドす
ることができる。また、破断伸度が１０％未満の各種ポ
リイミドも、本発明に示す如く、金型と重合体の熱膨張
係数が近ければ使用できる。各種架橋型のポリイミド、
例えば、ビスマレイミド型ポリイミド等は破断伸度が小
さいが、熱膨張係数が近い主金型を選択すすることによ
って使用できる。

【００２１】本発明の断熱層と主金型との密着力は、室
温で５００ｇ／１０ｍｍ巾以上であることが好ましく、
更に好ましくは１ｋｇ／１０ｍｍ巾以上である。これは
密着した断熱層を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。ここに述べる密
着力は金型の主要部の密着力の最小値である。密着力を
向上させるため、主金型の表面をプライマー処理するこ
とは適宜行うことができる。

【００２２】断熱層の熱伝導率は小さい程好ましいが、
一般に重合体の熱伝導率は０．００２ｃａｌ／ｃｍ・ｓ
ｅｃ・℃以下であり、一般の重合体が使用できる。断熱
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、断熱層層の厚
みを薄くし、金型温度が低い程、断熱層の厚みを厚くす
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、好ましい断熱層の厚みは異る。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０．０５〜０．２ｍ
ｍ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。

【００２３】金型表面に離型性に優れた樹脂層を被覆し
て、成形時の離型を良くすることが行われている。この
場合の樹脂層は本発明の樹脂層よりはるかに薄肉であっ
て、その厚みは０．０１ｍｍ以下、一般には０．００１
ｍｍ程度で十分であり、このように薄肉の場合には本発
明で解決しようとしている種々の問題点が対象とならな
くなる。

【００２４】本発明に使用される重合体の強度及び伸度
は大きいことが好ましく、一般に破断伸度が２％程度以
上、好ましくは３％以上あれば使用できる。しかし、重
合体と主金型の熱膨張係数が極めて近い場合には、重合
体の破断伸度はこれよりも小さくても使用できる。重合
体の破断伸度が１０％以下でも使用できることが本発明
の大きな特徴であり、それだけ重合体の選択を広く行う
ことができることになる。破断伸度の測定法はＡＳＴＭ
Ｄ６３８に準じて行う。

【００２５】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、本発明の断熱層は研磨でき、鏡面化できることが
好ましい。一般に、破断伸度が小さい重合体程研磨しや
すく、この観点からは破断伸度が小さい重合体が良いこ
とになる。本発明では、破断伸度が１０％未満の重合体
でも使用できるため、良好な平滑表面金型が得られる。

【００２６】断熱層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、断
熱層の厚みの１／１０以下、好ましくは１／２０以下の
厚みで別物質を断熱層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
良好に使用できる。

【００２７】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、エ
チレン、プロピレン等の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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】

【実施例】主金型はアルミニウム（熱伝導率約０．２ｃ
ａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃、熱膨張係数は２．２×１０^-5
／℃）でつくられ、１００ｍｍ×１００ｍｍの正方形の
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。ＰＢＩは化１に示す。このＰＢＩのガ
ラス転移温度は４００℃、熱伝導率は０．０００９ｃａ
ｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃、破断伸度は２．５％、熱膨張係
数は２．３×１０１０^-5／℃である。

【００３１】主金型の型表面をサンドペーパー等で研磨
して鏡面とし、十分に脱脂し、次いで、ＰＢＩのジメチ
ルアセトアミド溶液を塗布し、１２０℃から２１０℃の
順に加熱し、この塗布、加熱を５回繰返し、ＰＢＩ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ＰＢＩ被覆層を形成する。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、
密着力を測定した。密着力は１ｋｇ／１０ｍｍ巾以上で
あった。

【００３２】ＰＢＩ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（株）製）を射
出成形し、その成形品の光沢度を測定する。ＰＢＩを被
覆した。成形品の光沢は著しく良った。

【００３３】

【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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 室温に於ける熱伝導率が０．０５ｃａｌ
   ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上の金属から成る主金型の金型キ
   ャビティを形成する型壁面に、熱伝導率が０．００２ｃ
   ａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以下の断熱材から成る断熱層を
   被覆した金型において、（１）断熱層は０．０２〜２ｍ
   ｍ厚であり、（２）断熱材はガラス転移温度が１５０℃
   以上の重合体であり、（３）断熱材の熱膨張係数は主金
   型の熱膨張係数の３倍以下、０．５倍以上である、合成
   樹脂成形用金型。
2. 【請求項２】 断熱材がポリベンツイミダゾールを主体
   とする重合体である請求項１記載の金型。
3. 【請求項３】 断熱材が低熱膨張型ポリイミドを主体と
   する重合体である請求項１記載の金型。
4. 【請求項４】 断熱材の熱膨張係数が主金型の熱膨張係
   数の１．５倍以下、０．８倍以上である請求項１、２又
   は３記載の金型。