JP2005271416A - ポリマーアロイの成形方法および容器の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料の透過抑制等を良好に行なえる層状分散されたポリマーアロイを提供する。
【解決手段】 ポリエチレン（基材）とこれより溶融温度の高いポリアミド（分散材）を含む原料ペレットを、供給スクリュー機１０に供給し、供給スクリュー機１０で加熱しながら混練し、出口１１ｃから押出ヘッド２０を経てパリソン５０を押出成形し、さらに成形金型４０でブロー成形して燃料タンク等の容器を得る。供給スクリュー機１０の混練領域Ｍでは、分散材を固体または半固体状態に維持しながら基材を溶融するように原料の加熱制御を行ない、混練領域Ｍから外れた出口１１ｃまたはその近傍では、分散材を溶融するように原料の加熱制御を行なう。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基材に分散材を層状分散させたポリマーアロイの成形方法およびこの成形方法を用いた容器の成形方法に関する。

特許文献１に記載されているように、自動車用の樹脂製燃料タンク（容器）は軽量であるため、最近普及し始めている。この燃料タンクの樹脂材料には、機械的強度が高く安価なポリエチレンが用いられるが、このポリエチレンの単層構造であると、燃料がタンクの壁を透過して外部に漏出し、燃料の損失が生じる。この燃料透過を抑制するために、ポリエチレンを基材としナイロンを層状分散させた燃料タンクが開発されている。ナイロンはポリエチレンに比べて燃料抑制機能が格段に高くしかも層状分散されているので、燃料がタンクの外部に漏出するのを防止することができる。

上記のようにポリオレフィン基材中にポリアミドを層状分散させる方法は、特許文献２に記載されている。詳述すると、融点約１２５℃のポリオレフィンと、融点約２２５℃のポリアミドと、融点約１３５℃の相溶化剤を含む混合原料を、供給スクリュー機に供給し、加熱しながら混練する。この供給スクリュー機のシリンダの温度は、原料供給口の２３０℃から出口の２６５℃まで傾斜している。したがって、基材，分散材，相溶化剤の全てが溶融した状態で、原料が供給スクリュー機で混練され、出口から押出ヘッドへと供給される。特許文献２には詳しく説明されていないが、溶融原料において分散材は基材より粘度が高く塊りとして基材中に分散しており、供給スクリュー機の混練により層状に分散される。
特開２００２−１４４８９１号公報（段落０００２〜０００５） 特公平３−７３４６２号公報（実施例１…１２欄〜１４欄）

特許文献２の方法では、供給スクリュー機の混練領域で分散材を層状にするようになっているが、通常の供給スクリュー機を用いると剪断力が大きくしかもランダムな方向に働くため、分散材が層状とならずに微細化されてしまう。そのため、特許文献２では、比較的弱い剪断力が特定な方向に働くような特殊な供給スクリュー機を用いている。しかし、この方法では、成形条件に厳しい制約があり、成形温度，押出し量等の成形条件が僅かに変化しても、層状分散が良好に行なえなくなる欠点を有していた。

上記課題を解決するため、本発明は、基材とこれより溶融温度の高い分散材を含む原料を、供給スクリュー機に供給し、この供給スクリュー機で加熱しながら混練し、供給スクリュー機の出口から成形部に供給するようにしたポリマーアロイの成形方法において、
上記供給スクリュー機の混練領域では、上記分散材を固体または半固体状態に維持しながら上記基材を溶融するように原料の加熱制御を行ない、上記混練領域から外れた供給スクリュー機の出口または出口近傍では、上記分散材を溶融するように原料の加熱制御を行なうことを特徴とする。

この方法によれば、分散材は供給スクリュー機の混練領域では固体または半固体状態であり、ランダムで大きな剪断力を受けても微細化されることはなく、剪断力の方向が揃う供給スクリュー機の出口またはその近傍で溶融されて層状となるので、多様な成形条件で良好に層状分散される。

基材と分散材の接着性が低い場合には、上記供給スクリュー機に供給される原料に相溶化剤を含ませる。

好ましくは、上記基材がポリエチレンで、上記分散材がポリアミドである。ポリエチレンは機械的強度が高く安価な材料であり、ポリアミドは燃料透過抑制機能が優れている。したがって、燃料透過抑制機能に優れた安価なポリマーアロイを得ることができる。

好ましくは、上記混練領域における上流域では上記分散材が固体状態を維持するように原料を加熱し、下流域では上記分散材が半固体状態となるように原料を加熱する。これにより、混練領域から外れた出口または出口近傍において、確実に分散材の溶融を行なうことができる。

好ましくは、上記供給スクリュー機の出口と成形部とを接続するアダプタにおいて、分散材が溶融するように原料を加熱する。これにより、確実かつ簡単に分散材の溶融を行なうことができる。

燃料タンク等の容器を成形する場合には、上記成形部が押出ヘッドと成形金型とを有し、この押出ヘッドが筒形状のパリソンを下方に押出し、この押出ヘッドの下方に配置された成形金型により、パリソンをブロー成形して容器を得る。

本発明によれば、多様な成形条件で良好に層状分散されたポリマーアロイを成形することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、燃料タンクのブロー成形装置の全体図を示す。この装置は、供給スクリュー機１０と、押出ヘッド２０と、成形金型４０とを備えている。本実施形態では、押出ヘッド２０と成形金型４０は成形部Ａを構成している。

上記供給スクリュー機１０は汎用のものであり、水平をなすシリンダ１１と、このシリンダ１１と同心をなすスクリュー１２と、シリンダ１１の基端に設けられスクリュー１２を駆動する駆動部１３と、供給ホッパ１４（供給口）とを備えている。

上記シリンダ１１は、円筒部１１ａとその先端側の先細テーパ部１１ｂとを有し、先細テーパ部１１ｂの先端が出口１１ｃとなっている。上記円筒部１１ａの基端側の上部に上記供給ホッパ１４が取り付けられている。供給ホッパー１４の下流側における円筒部１１ａの外周には、ヒータ１５，１６，１７が先端（出口１１ｃ）に向かって順に巻かれている。

上記スクリュー１２は螺旋羽根１２ａを有しており、シリンダ１１において、この螺旋羽根１２ａが配置されている領域が混練領域Ｍとなっている。なお、図では示していないが、螺旋羽根１２ａは先端に向かって徐々にピッチが小さくなっている。

押出ヘッド２０は、ヘッド本体２１と、その下面に固定された環状のダイ２２と、ダイ２２およびヘッド本体２１の中心を貫くコア２３とを有している。ヘッド本体２１には、筒状をなす原料通路２５が形成されている。この原料通路２５は大径の上部２５ａとテーパをなす中間部２５ｂと小径の下部２５ｃを有している。また、ダイ２２とコア２３との間には、下方に向かって広がる原料通路２６が形成されている。ヘッド本体２１，ダイ２２，コア２３には、ヒータ２７が埋設されている。

上記供給スクリュー機１０の出口１１ｃは、小径のアダプタ３０を介して押出ヘッド２０の原料通路２５の上部２５ａに接続されている。アダプタ３０の外周にはヒータ３１が巻かれている。

成形金型４０は、押出ヘッド２０の下方に配置され、一対の型４１，４２と、一方の型４１に設けられた吹き込み管４３とを有している。型４１，４２は図示しない移動機構により接近，離間するように移動され、型４１，４２が接合した状態で内部に成形用空間を形成するようになっている。

次に、上記成形装置を用いた燃料タンク（容器）の成形方法について詳述する。供給ホッパ１４からシリンダ１１内に、基材，分散材，相溶化剤のペレットを混合して供給する。これらペレットは例えば径および高さが３〜４ｍｍの円柱形状をなす。基材としてはポリオレフィンを用い、分散材としてはポリアミドを用いる。

より具体的には、基材として高密度ポリエチレンを７５重量％、分散材として芳香族ナイロンを１０重量％、相溶化剤として無水マレイ酸グラフト変性ポリエチレンを１５重量％用いる。これら原料の示差走査熱量測定（ＤＳＣ）データを図２に示す。図２から明らかなように、基材であるポリエチレンの融点は１１０〜１４０℃であり、相溶化剤である無水マレイン酸グラフト変性ポリエチレンの融点は１２０〜１５０℃であり、分散材である芳香族ナイロンの融点は１９５〜２１０℃である。融点の温度範囲の広がりは、分子量の分布（ばらつき）に依拠する。

上記供給ホッパ１４に供給された原料ペレットはスクリュー１２の回転駆動により混合ないしは混練されて出口１１ｃへと押出される。その過程で原料はヒータ１５，１６，１７から熱を受けるとともに、スクリュー１２の回転による剪断発熱を受ける。

ヒータ１５，１６，１７、３１は、設置場所での原料温度を計測する温度センサからのフィードバック情報に基づき図示しないコントローラにより温度制御される。ヒータ１５は原料温度が１８０℃になるように制御され、ヒータ１６は原料温度が１９０℃になるように制御され、ヒータ１７は原料温度が２００℃になるように制御され、ヒータ３１は、原料温度が２１０℃になるように制御される。したがって、原料温度は出口１１ｃに向かって徐々に上昇する勾配を有している。

ヒータ１５，１６が設置されている混練領域Ｍの上流域，中流域では、原料温度は１８０〜１９０℃に制御されており、これにより、基材および相溶化剤が完全に溶融されるが、分散材は溶融されず固体状態を維持している。そのため、スクリュー１２の混練によって原料がランダムな方向に大きな剪断力を受けても分散材が微細化することはない。

ヒータ１７が設置されている混練領域Ｍの下流域では、原料温度が２００℃であるので、基材および相溶化剤が完全に溶融されているが、分散材は部分的に溶融している状態（半溶融状態ないしは半固体状態）にある。そのため、スクリュー１２の混練によって分散材が微細化しないか著しく抑制される。原料は先細テーパ部１１ｂを通り出口１１ｃに向かうにしたがって、徐々に温度が上昇するが、既に混練領域Ｍから離れているので、分散材が微細化することはない。

ヒータ３１が設置されているアダプタ３０では原料温度が２１０°Ｃになるので、分散材も基材および相溶化剤とともに溶融状態になる。ただし、分散材の粘度は基材および相溶化剤より高く基材により包まれるようにして分散された状態を維持される。このアダプタ３０では原料はアダプタ３０の軸方向の押出力を受け、分散材は一定方向の剪断力を受けるため、原料流れに沿った層状（薄膜状）に変形する。

原料は上記アダプタ３０を通り、さらに押出ヘッド２０の材料通路２５に入り下方に流れて材料通路２６から押出され、円筒形状のパリソン５０（ポリマーアロイ）となる。ヒータ２７は、材料通路２５，２６を流れる原料温度がアダプタ３０とほぼ等しい温度２１０°Ｃになるように制御される。上記パリソン５０は型４１，４２を接合することにより切断され、吹き込み管４３から空気を吹き込まれてブロー成形され、燃料タンク（厳密には燃料タンクの原形状を有する容器）となる。

図３は、上記方法により得られた燃料タンクの切断面の拡大写真である。この断面において、中間層は基材中に分散材が層状分散されてバリア層となり、内側と外側が基材からなる層となっている。このようなサンドイッチ層構造は、原料が流れる過程で粘度の高い樹脂（分散材）を粘度の低い樹脂（基材）が覆う原理に由来する。バリア層では燃料透過抑制機能の高いナイロンが良好に層状分散しているため、燃料タンクからの燃料の漏出を防止できる。

本発明は上記実施形態に制約されず、種々の態様を採用可能である。例えば、図４に示すように分散材と相溶化剤とを一体化したペレットを用いてもよい。図４（Ａ）では、円柱形状の分散材１００の外周を相溶化剤１０１で囲んだ構造である。図４（Ｂ）では、円柱形状の分散材１００の外周に微粒形状の多数の相溶化剤１０１を付けた構造である。図４（Ｃ）では、楕円柱形状の分散材１００に沿うようにして楕円柱形状の相溶化剤１０１を付けた構造である。このようなペレットを用いると、相溶化剤の基材への分散を押さえ基材―分散材界面に止めることができるので、高価な相溶化剤の使用量を削減することができる。

分散材はヒータ１７が設置された混練領域の下流域でも上流域，中流域と同様に固体状態であってもよい。また、先細テーパ部１１ｂにおいて分散材を完全溶融状態にしてもよい。供給スクリュー機１０の出口１１ｃまたはその近傍で分散材を溶融状態にする場合の原料温度は、上記実施形態では分散材の溶融点の温度範囲の上限値とほぼ等しかったが、この上限値より高くてもよく、たとえば上限値より２０℃程度高くてもよい。

上記実施形態では、１つの供給スクリュー機を用いて単層の燃料タンクを成形したが、押出ヘッド２０に複数の供給スクリュー機を周方向に等角度間隔をなして接続し、積層構造のパリソンを押出成形することにより、積層構造の燃料タンクを成形してもよい。この積層成形のための構造自体は周知であるので詳細な説明は省略する。
本発明は、押出ヘッドからポリマーアロイの管を押出成形する方法にも適用できる。また、供給スクリュー機に射出成形金型（成形部）を接続して、種々形状の射出成形品を得ることもできる。

本発明方法を実施するための燃料タンク成形装置の概略構成を示す縦断面図である。 基材，相溶化剤，分散材の示差走査熱量測定図である。 本発明方法により得られた燃料タンクの切断面の拡大写真である。 （Ａ）〜（Ｃ）は分散材と相溶化剤を一体化したペレットの例をそれぞれ示す図である。

符号の説明

Ａ 成形部
Ｍ 混練領域
１０ 供給スクリュー機
１１ｃ 出口
１５，１６，１７ ヒータ
２０ 押出ヘッド
３０ アダプタ
３１ ヒータ
４０ 成形金型

Claims (6)

1. 基材とこれより溶融温度の高い分散材を含む原料を、供給スクリュー機に供給し、この供給スクリュー機で加熱しながら混練し、供給スクリュー機の出口から成形部に供給するようにしたポリマーアロイの成形方法において、
   上記供給スクリュー機の混練領域では、上記分散材を固体または半固体状態に維持しながら上記基材を溶融するように原料の加熱制御を行ない、上記混練領域から外れた供給スクリュー機の出口または出口近傍では、上記分散材を溶融するように原料の加熱制御を行なうことを特徴とするポリマーアロイの成形方法。
2. 上記供給スクリュー機に供給される原料が相溶化剤を含むことを特徴とする請求項１に記載のポリマーアロイの成形方法。
3. 上記基材がポリエチレンで、上記分散材がポリアミドであることを特徴とする請求項２に記載のポリマーアロイの成形方法。
4. 上記混練領域における上流域では上記分散材が固体状態を維持するように原料を加熱し、下流域では上記分散材が半固体状態となるように原料を加熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のポリマーアロイの成形方法。
5. 上記供給スクリュー機の出口と成形部とを接続するアダプタにおいて、分散材が溶融するように原料を加熱することを特徴とするポリマーアロイの成形方法。
6. 請求項１〜５のポリマーアロイ成形方法を用いて容器をブロー成形する方法において、上記成形部が押出ヘッドと成形金型とを含み、この押出ヘッドから筒形状のパリソンを下方に押出し、この押出ヘッドの下方に配置された上記成形金型により、パリソンをブロー成形して容器を得ることを特徴とする容器成形方法。

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