JP5106550B2

JP5106550B2 - 発泡押出成形装置

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Publication number: JP5106550B2
Application number: JP2010008035A
Authority: JP
Inventors: 龍太郎林; 春暁張; 和弘馬場; 克明帆山
Original assignee: Kawata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kawata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2010-01-18
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2024-08-26
Also published as: JP2010111127A

Description

本発明は、発泡押出成形装置、詳しくは、マイクロセルラーフォームを発泡押出成形するための発泡押出成形装置に関する。

近年、熱可塑性樹脂を、発泡押出成形装置を用いて発泡押出成形する方法において、環境にやさしいクリーンな炭酸ガスや窒素ガスなどの不活性流体を、発泡剤として用いて、微細なセルからなるマイクロセルラーフォームを成形する方法が、種々検討されている（たとえば、特許文献１参照。）。

特表２００２−５０１４４３号公報

しかるに、このような成形に用いられる発泡押出成形装置では、通常、バレルの内周面を研磨ホーニングするとともに、スクリューの表面を硬質クロームめっきすることにより、面粗度を小さくして、成形材料を滑りやすくしている。

一方、成形材料の押出効率（輸送効率）は、成形材料とバレルとの間の摩擦力と、成形材料とスクリューとの間の摩擦力との差により決定されるので、このように面粗度を小さくすると、粘性があるかあるいは滑りやすい成形材料は、押出効率が著しく低下するか、あるいは、完全に押し出しできなくなる場合がある。

すなわち、スクリューの輸送効率と摩擦力とは、下記式に示す関係がある。

Ｒ＝（ｆｓＡｓ／ｆｂＡｂ）
Ｒ：輸送効率、ｆｓ：スクリューの表面と成形材料との間の摩擦係数、Ａｓ：スクリューの表面積、ｆｂ：バレルの表面と成形材料との間の摩擦係数、Ａｂ：バレルの表面積
上記式において、Ｒが１より小さければ小さいほど、輸送効率が高くなる。とりわけ、単軸押出機では、二軸押出機のような自己洗浄機能がないため、ｆｓよりｆｂを大きくしないと、粘性があるかあるいは滑りやすい成形材料が、スクリューに付着して、輸送できない場合を生ずる。

本発明の目的は、粘性があるかあるいは滑りやすい成形材料であっても、輸送効率を向上させることができ、効率的な発泡押出成形を達成することのできる、発泡押出成形装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、バレルと、前記バレル内に設けられるスクリューとを備える発泡押出成形装置において、前記バレルにおける前記スクリューの押出方向途中には、不活性流体を前記バレル内に導入するための導入部が設けられており、前記スクリューは、前記導入部が設けられる位置を挟んで、供給部、第１圧縮部および第１定量部と、第２圧縮部および第２定量部とを備え、前記供給部、前記第１圧縮部および前記第１定量部のみの表面が、フッ素を含む被覆層によって被覆されていることを特徴としている。

このような構成によると、スクリューの供給部の表面が、フッ素を含む被覆層によって被覆されているので、スクリューの表面と成形材料との間の摩擦係数を小さくすることができる。そのため、スクリューの輸送効率を高めることができ、粘性があるかあるいは滑りやすい成形材料であっても、効率的な発泡押出成形を達成することができる。

また、このような構成によると、不活性流体を導入部からバレル内に導入して、輸送途中の成形材料に供給した後、これら成形材料と不活性流体とを、第２圧縮部および第２定量部において、十分に混合することができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記被覆層が、ポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴としている。

このような構成によると、被覆層が、ポリテトラフルオロエチレンからなるので、スクリューの表面と成形材料との間の摩擦係数を、簡易かつ確実に小さくすることができる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記被覆層が、無電解ニッケル・フッ素複合めっきからなることを特徴としている。

このような構成によると、被覆層が、無電解ニッケル・フッ素複合めっきからなるので、スクリューの表面と成形材料との間の摩擦係数を、簡易かつ確実に小さくすることができる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記被覆層が、硬質クロム・フッ素複合めっきからなることを特徴としている。

このような構成によると、被覆層が、硬質クロム・フッ素複合めっきからなるので、スクリューの表面と成形材料との間の摩擦係数を、簡易かつ確実に小さくすることができる。

請求項１に記載の発明によれば、スクリューの輸送効率を高めることができ、粘性があるかあるいは滑りやすい成形材料であっても、効率的な発泡押出成形を達成することができる。

また、成形材料と不活性流体とを、第２圧縮部および第２定量部において、十分に混合することができる。

請求項２に記載の発明によれば、被覆層が、ポリテトラフルオロエチレンからなるので、スクリューの表面と成形材料との間の摩擦係数を、簡易かつ確実に小さくすることができる。

請求項３に記載の発明によれば、被覆層が、無電解ニッケル・フッ素複合めっきからなるので、スクリューの表面と成形材料との間の摩擦係数を、簡易かつ確実に小さくすることができる。

請求項４に記載の発明によれば、被覆層が、硬質クロム・フッ素複合めっきからなるので、スクリューの表面と成形材料との間の摩擦係数を、簡易かつ確実に小さくすることができる。

本発明の発泡押出成形装置の一実施形態を示す概略全体構成図である。図１に示す発泡押出成形装置のスクリューを示す側面図である。

図１は、本発明の発泡押出成形装置の一実施形態を示す概略全体構成図、図２は、図１に示す発泡押出成形装置のスクリューを示す側面図である。

図１において、この発泡押出成形装置１は、バレル２、スクリュー３、ギヤボックス４、モータ５、ガス供給部６およびホッパ７を備えており、スクリュー３が１本の単軸押出機として構成されている。

バレル２は、円筒状部材からなり、その一方側（押出方向（成形材料の輸送方向）上流側）端部には、ホッパ７が接続される材料供給部８が設けられている。また、その他方側（押出方向（成形材料の輸送方向）下流側）端部には、材料を吐出するヘッド９が設けられている。

材料供給部８は、ホッパ７が接続されるホッパ接続部１０と、ホッパ７から投入される成形材料をバレル２内に供給するための材料供給路１１とが形成されている。

ヘッド９には、バレル２の内径が小径に絞られる筒状の吐出口１２が形成されており、その吐出口１２の先端部には、温度センサ１３および圧力センサ１４が設けられている。

また、バレル２における材料供給部８とヘッド９との間は、成形材料が溶融および混練されながら押し出される（輸送される）溶融押出部１５とされている。

この溶融押出部１５には、押出方向に沿って、互いに所定間隔を隔てて複数のヒータ１６がブロックごとに設けられている。各ヒータ１６には、温度センサ１３が設けられている。各ヒータ１６および各温度センサ１３は、図示しないＣＰＵに接続されており、各温度センサ１３によって検知された検知温度に基づいて、各ヒータ１６がブロック単位で温度制御される。

また、溶融押出部１５の押出方向途中には、ガス供給部６から不活性流体としての不活性ガスを導入するための導入部３０が設けられている。この導入部３０には、バレル２における外周面から内周面までを貫通して埋設されるガスノズル３１が設けられている。

また、バレル２における後述するスクリュー３の供給部２３に対向する部分には、スリーブ１７が着脱自在に装着されている。このスリーブ１７は、バレル２における供給部２３に対向する内周面が径方向外方に窪むようにして形成される装着溝１８に、装着されており、装着状態において、スリーブ１７のスクリュー３に対向する内周面１９が、スリーブ１７よりも押出方向上流側のバレル２の内周面２０と押出方向において面一となるように設けられている。このスリーブ１７は、後述する連結部３３を材料供給部８から取り外すことにより露出するバレル２の一方側端部から、着脱させることができる。

また、このスリーブ１７における後述するスクリュー３と対向する内周面は、放電加工法などにより、その内周面の中心線平均粗さＲａが、０．４６〜２．４８となるように粗面化されている。

スクリュー３は、図２に示すように、基本的には、フルフライトスクリューからなり、スクリュー軸２１と、そのスクリュー軸２１の周りに突出するスパイラル状のスクリュー条２２とを一体的に備えている。このスクリュー３は、押出方向下流側から押出方向上流側に向かって、連結部２８、供給部２３、第１圧縮部２４、第１定量部２５、混合部２９、第２圧縮部２６および第２定量部２７が、順次形成されている。

連結部２８は、スクリュー３の一方側端部に設けられており、後述する駆動軸３６に相対回転不能に連結されている。なお、この連結部２８は、円柱状に形成され、スクリュー条２２は形成されていない。

供給部２３は、材料供給部８およびスリーブ１７に対向し、そのスクリュー軸２１が連結部２８より小径に形成されている。これによって、スリーブ１７の内周面１９とスクリュー軸２１との隙間を十分に確保して、成形材料の効率的な供給を確保している。

第１圧縮部２４は、そのスクリュー軸２１が押出方向上流側に向かって次第に大径となるように形成されている。これによって、第１圧縮部２４は、そのスクリュー軸２１の一方側端部が供給部２３と同径であり、そのスクリュー軸２１の他方側端部が次に述べる第１定量部２５と同径であり、かつ、他方側端部が一方側端部よりも大径となるようなテーパ状に形成され、バレル２の内周面２０とスクリュー軸２１との隙間が次第に狭くなるようにして、供給された成形材料を圧縮するようにしている。

第１定量部２５は、そのスクリュー軸２１が第１圧縮部２４の他方側端部と同径であり、供給部２８よりも大径に形成されている。これによって、スリーブ１７の内周面１９とスクリュー軸２１との隙間をわずかにして、成形材料の定量的な押し出しを確保している。

混合部２９は、バレル２の導入部３０に対向し、そのスクリュー軸２１が第１定量部２５の他方側端部とほぼ同径に形成されている。また、スクリュー条２２が、スプライン状に形成されている。これによって、導入部３０のガスノズル３１から導入される不活性ガスと成形材料との効率的な混合を確保している。

第２圧縮部２６は、そのスクリュー軸２１が押出方向上流側に向かって次第に大径となるように形成されている。これによって、第２圧縮部２６は、そのスクリュー軸２１の一方側端部が混合部２９より小径であり、そのスクリュー軸２１の他方側端部が次に述べる第２定量部２７と同径であり、かつ、他方側端部が一方側端部よりも大径となるようなテーパ状に形成され、バレル２の内周面２０とスクリュー軸２１との隙間が次第に狭くなるようにして、混合部２９において混合された不活性ガスと成形材料との混合物を圧縮するようにしている。

第２定量部２７は、そのスクリュー軸２１が第２圧縮部２６の他方側端部と同径であり、混合部２９とほぼ同径に形成されている。これによって、スリーブ１７の内周面１９とスクリュー軸２１との隙間をわずかにして、不活性ガスと成形材料との混合物の定量的な押し出しを確保している。

また、このスクリュー３の供給部２３、第１圧縮部２４および第１定量部２５の表面（スクリュー軸２１の表面およびスクリュー条２２の表面）には、ポリテトラフルオロエチレンなどからなるフッ素樹脂の被覆層がコーティングされている。この被覆層は、厚さ５〜３０μｍで、１〜３層として形成されている。

なお、この被覆層は、スクリュー３の表面に硬度が要求される場合には、フッ素樹脂の被覆層に代えて、スクリュー３の供給部２３、第１圧縮部２４および第１定量部２５の表面に、無電解ニッケル・フッ素複合めっき、または、硬質クロム・フッ素複合めっきを施すことにより形成することが好適である。このめっきにおいては、フッ素含量５〜３０体積％で、厚さ３〜３０μｍであることが好適である。

そして、このスクリュー３は、図１に示すように、バレル２内において、図示しない軸受により回転自在に支持されている。なお、このスクリュー３のＤ／Ｌは、２５〜６０に設定されている。また、第１圧縮部２４での圧縮比は、１．５〜４．０、第２圧縮部２６での圧縮比は、１．５〜４．０に設定されている。

ギヤボックス４は、バレル２の一方側端部に連結され、減速機構部３２および連結部３３を備えている。減速機構部３２は、従動プーリ３４およびその従動プーリ３４を支持する伝動軸３５と、図示しない減速機構（ギヤ機構）とを備えている。また、連結部３３は、減速機構部３２と材料供給部８との間に配置され、減速機構部３２において減速された動力を伝達するための駆動軸３６を備えている。この駆動軸３６が、スクリュー３の連結部２８に相対回転不能に連結されている。

モータ５は、ギヤボックス４の側方に配置されており、ピニオン軸３７とそのピニオン軸３７に支持される伝動プーリ３８とを備えている。

また、伝動プーリ３８と従動プーリ３４との間には、エンドレスベルト３９が掛け渡されている。

モータ５が駆動されると、ピニオン軸３７、伝動プーリ３８、エンドレスベルト３９、従動プーリ３４、伝動軸３５を介してギヤボックス４の動力が伝達され、ギヤボックス４内の減速機構により所定の回転比に減速された後、駆動軸３６から出力され、その動力がスクリュー３の連結部２８に伝達される。その結果、スクリュー３が所定の回転数で回転される。

ガス供給部６は、ガスタンク４０、供給ポンプ４１およびガス供給ライン４２を備えている。

ガスタンク４０には、不活性流体として、たとえば、炭酸ガス（二酸化炭素ガス）や窒素ガスなどの不活性ガスが貯蔵されている。また、ガスタンク４０は、ガス供給ライン４２を介して供給ポンプ４１に接続されている。

供給ポンプ４１は、ガス供給ライン４２を介してガスノズル３１に接続されている。この供給ポンプ４１は、ガスノズル３１を介して、バレル２内に、ガスタンク４０に貯蔵されている不活性ガスを、単位時間あたり一定量で供給することができる定量供給ポンプから構成されている。

また、このガス供給部６では、ガス供給ライン４２が全体的に温度調整可能および圧力調整可能に構成されており、供給ポンプ４１によって、超臨界状態で、不活性ガスをガスノズル３１からバレル２内に供給できるように構成されている。

ホッパ７は、バレル２のホッパ接続部１０に接続されている。このホッパ７には、成形材料として、熱可塑性樹脂、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリ乳酸、ポリフェニレンスルフィド、ポリカーボネートなどの結晶性あるいは半結晶性の熱可塑性樹脂や、たとえば、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリウレタン、ポリメタクリル酸メチルなどの非結晶性の熱可塑性樹脂などのペレットが投入される。なお、これら熱可塑性樹脂は、２種類以上投入してもよい。また、投入する樹脂は、熱硬化性樹脂の封止材、トナー、粉体塗料などの原料樹脂であってもよい。とりわけ、この押出発泡成形装置１では、たとえば、ワックスなどの滑りやすい成分を含む樹脂、たとえば、トナーなどの原料樹脂を発泡押出成形するために好適に用いられる。

なお、この押出発泡成形装置１では、図示しないＣＰＵに、モータ５、ヒータ１６、供給ポンプ４１、温度センサ１３および圧力センサ１４などの各部が接続されており、ＣＰＵがこれら各部を制御している。

次に、この発泡押出成形装置１によって、成形材料を発泡押出成形する方法について説明する。

この発泡押出成形装置１によって発泡押出成形するには、まず、ＣＰＵによって、モータ５を、スクリュー３が所定の回転速度（たとえば、１０〜１１０回転／分）で回転するように駆動制御するとともに、供給部２３、第１圧縮部２４、第１定量部２５、第２圧縮部２６および第２定量部２７に対向する各ヒータ１６を、たとえば、それぞれ、６０〜２００℃、１００〜２５０℃、１００〜２５０℃、１００〜２５０℃、１００〜２００℃となるように温度制御する。

そして、所定量の成形材料をホッパ７に連続的に投入する。そうすると、材料供給路１１を介して、成形材料が、バレル２内に連続的に投入され、ヒータ１６の加熱およびスクリュー３の回転によって、バレル２内において溶融されながら押出方向下流側に向かって連続的に流動される。

また、これとともに、ＣＰＵによって、供給ポンプ４１を駆動制御して、所定量の超臨界状態の不活性ガスを、ガスタンク４０から、ガス供給ライン４２を介してガスノズル３１に送り、その所定量の超臨界状態の不活性ガスを、ガスノズル３１からバレル２内に連続的に供給する。

なお、ＣＰＵによる供給ポンプ４１の駆動制御によって供給される超臨界状態の不活性ガスの供給量は、成形材料の種類や目的とするマイクロセルラーフォームの物性により、適宜決定すればよいが、たとえば、バレル２内において混合される成形材料および不活性ガスの合計に対して、５重量％以下、好ましくは、３重量％以下、より好ましくは、たとえば、不活性ガスが炭酸ガスの場合には、０．０５〜２重量％、たとえば、不活性ガスが窒素ガスの場合には、０．０５〜０．５重量％となるように設定される。

そして、バレル２内を溶融されながら流動する成形材料が、スクリュー３の供給部２３、第１圧縮部２４および第１定量部２５を順次通過し、混合部２９に到達すると、その成形材料に、ガスノズル３１から供給される超臨界状態の不活性ガスが連続的に混合される。

次いで、超臨界状態の不活性ガスが混合された成形材料は、スクリュー３の第２圧縮部２６および第２定量部２７を順次通過して、この間に、超臨界状態の不活性ガスが成形材料にほぼ均一に混合溶解され、吐出口１２から，図示しないダイに吐出される。

そして、ダイに吐出された成形材料は、温度低下と圧力開放により、多数のミクロな気泡核が均一に形成され、次いで、その気泡核が成長することにより、多数の微細なセルが均一に生成し、これによって、微細なセルを有するマイクロセルラーフォームが成形される。

そして、このような発泡押出成形装置１においては、スクリュー３の輸送効率と摩擦力とが、下記式に示す関係がある。

Ｒ＝（ｆｓＡｓ／ｆｂＡｂ）
Ｒ：輸送効率、ｆｓ：スクリュー３の表面と成形材料との間の摩擦係数、Ａｓ：スクリュー３の表面積、ｆｂ：バレル２の表面と成形材料との間の摩擦係数、Ａｂ：バレル２の表面積
上記式において、Ｒが１より小さければ小さいほど、輸送効率が高くなる。とりわけ、単軸押出機では、二軸押出機のような自己洗浄機能がないため、ｆｓよりｆｂを大きくしないと、粘性があるかあるいは滑りやすい成形材料が、スクリュー３に付着して、輸送できない場合を生ずる。

しかるに、この発泡押出成形装置１では、スクリュー３の供給部２３、第１圧縮部２４および第１定量部２５の表面には、ポリテトラフルオロエチレンなどからなるフッ素樹脂の被覆層がコーティングされているか、あるいは、スクリュー３の表面に硬度が要求される場合には、被覆層として、無電解ニッケル・フッ素複合めっきまたは硬質クロム・フッ素複合めっきが施されているので、ホッパ７から投入された成形材料が混合部２９に到達するまでの間において、スクリュー３の表面と成形材料との間の摩擦係数を小さくすることができる。そのため、その間における上記式のｆｓが小さくなるので、Ｒを小さくして、スクリュー３の輸送効率を高めることができる。その結果、混合部２９に成形材料を十分に供給することができるので、粘性があるかあるいは滑りやすい成形材料であっても、成形材料と、導入部３０から導入される超臨界状態の不活性ガスとを、混合部２９で混合して、第２圧縮部２６および第２定量部２７において、十分に均一に混合溶解して、効率的な発泡押出成形を達成することができる。

また、スクリュー３に形成される被覆層を、ポリテトラフルオロエチレンなどからなるフッ素樹脂から形成すれば、スクリュー３の表面と成形材料との間の摩擦係数を、簡易かつ確実に小さくすることができる。

また、スクリュー３に形成される被覆層を、無電解ニッケル・フッ素複合めっきまたは硬質クロム・フッ素複合めっきから形成しても、スクリュー３の表面と成形材料との間の摩擦係数を、簡易かつ確実に小さくすることができる。

しかも、この発泡押出成形装置１では、バレル２におけるスクリュー３の供給部２３に対向する部分には、スリーブ１７が着脱自在に装着されており、そのスリーブ１７の内周面１９が、放電加工法などにより、その内周面１９の中心線平均粗さＲａが、０．４６〜２．４８となるように粗面化されているので、スクリュー３の供給部２３におけるバレル２の表面（スリーブ１７の内周面１９）と成形材料との間の摩擦係数を大きくすることができる。そのため、供給部２３における上記式のｆｂが大きくなるので、Ｒをより小さくして、より一層、スクリュー３の輸送効率を高めることができる。その結果、混合部２９に成形材料をより一層十分に供給することができるので、粘性があるかあるいは滑りやすい成形材料であっても、成形材料と、導入部３０から導入される超臨界状態の不活性ガスとを、混合部２９でより十分に混合して、第２圧縮部２６および第２定量部２７において、均一に混合溶解して、より一層、効率的な発泡押出成形を達成することができる。

また、このように、スリーブ１７の内周面１９を、放電加工法により粗面化すれば、スクリュー３の供給部２３におけるスリーブ１７の内周面１９と成形材料との間の摩擦係数を、簡易かつ確実に大きくすることができる。そのため、より一層、スクリュー３の輸送効率を高めることができる。

また、スリーブ１７は、バレル２に対して着脱自在であるため、その目的および用途に応じて、適宜交換することができる。すなわち、その目的および用途に応じて、異なる表面粗さのスリーブ１７に交換することができる。そのため、バレル２自体に直接表面処理を施すことが不要となり、コストの低減化を図ることができるとともに、成形材料の滑りやすさなどに応じて、適宜、スリーブ１７を交換することにより、最適の輸送効率で発泡押出成形することができる。

なお、このような発泡押出成形により得られるマイクロセルラーフォームは、たとえば、その平均セル径が、１５０μｍ以下、さらには、３０μｍ以下、セル密度が１０^５〜１０^１０個／ｃｍ^３、さらには、１０^６〜１０^９個／ｃｍ^３、その発泡倍率が２倍以上、さらには、３〜１０倍であり、所望の形状の発泡体として得ることができる。

なお、平均セル径は、たとえば、ＳＥＭ写真の単位面積において、セル直径を平均して、その平均直径をセル数でわることにより求めることができる。

また、セル密度は、ＳＥＭ写真を用いて、次式より求めることができる。

セル密度＝Ｎ（^３／２）／（１０^−４×√Ｓ）^３（個／ｃｍ^３）
Ｎ：セル数
Ｓ：測定面積（μｍ^２）

また、以上の説明では、バレル２における供給部２３との対向部分に、内周面が粗面化されたスリーブ１７を設けたが、バレル２における押出方向全体に、内周面が粗面化されたスリーブ１７を設けてもよく、また、スリーブ１７を設けずに、バレル２の内周面２０を直接粗面化してもよい。また、その目的および用途によっては、スリーブ１７の内周面１９およびバレル２の内周面２０を粗面化しなくてもよい。

また、以上の説明では、発泡押出成形装置１を、単軸押出機として構成したが、これに限定されず、二軸押出機として構成してもよく、さらには、２台の押出機が連結されるタンデム型押出機として構成してもよい。

１発泡押出成形装置
２バレル
３スクリュー
２３供給部
２４第１圧縮部
２５第１定量部
２６第２圧縮部
２７第２定量部
３０導入部

Claims

バレルと、前記バレル内に設けられるスクリューとを備える発泡押出成形装置において、
前記バレルにおける前記スクリューの押出方向途中には、不活性流体を前記バレル内に導入するための導入部が設けられており、
前記スクリューは、前記導入部が設けられる位置を挟んで、供給部、第１圧縮部および第１定量部と、第２圧縮部および第２定量部とを備え、
前記供給部、前記第１圧縮部および前記第１定量部のみの表面が、フッ素を含む被覆層によって被覆されていることを特徴とする、発泡押出成形装置。
前記被覆層が、ポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする、請求項１に記載の発泡押出成形装置。
前記被覆層が、無電解ニッケル・フッ素複合めっきからなることを特徴とする、請求項１に記載の発泡押出成形装置。
前記被覆層が、硬質クロム・フッ素複合めっきからなることを特徴とする、請求項１に記載の発泡押出成形装置。