特開 2025-7186 樹脂可塑化射出装置及び樹脂成型品の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025007186

(43)【公開日】2025-01-17

(54)【発明の名称】樹脂可塑化射出装置及び樹脂成型品の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 45/00 20060101AFI20250109BHJP

【ＦＩ】

B29C45/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023108415

(22)【出願日】2023-06-30

(71)【出願人】

【識別番号】516046617

【氏名又は名称】居野家 博之

(71)【出願人】

【識別番号】523250810

【氏名又は名称】住田 嘉久

(74)【代理人】

【識別番号】100087664

【弁理士】

【氏名又は名称】中井 宏行

(72)【発明者】

【氏名】居野家 博之

(72)【発明者】

【氏名】住田 嘉久

【テーマコード（参考）】

4F206

【Ｆターム（参考）】

4F206AA11

4F206AB25

4F206AD16

4F206AD32

4F206JA07

4F206JD04

4F206JD05

4F206JE21

4F206JL02

4F206JM01

4F206JN03

4F206JN05

4F206JP30

4F206JQ90

(57)【要約】

【課題】樹脂乃至補強繊維から不純物等を効果的に除去し、又補強繊維の分散も良好に行えるようにする。
【解決手段】樹脂可塑化射出装置は、補強用連続繊維を内部に導入するためのベント開口部が中間部上面に形成された可塑化シリンダーと、前記ベント開口部の上方に配置され、前記補強用連続繊維を連続的に供給する連続繊維供給手段と、前記ベント開口部と前記連続繊維供給手段との間に配置され、前記ベント開口部に導入される前の補強用連続繊維にプラズマ処理を施すプラズマ処理部と、逆流防止機構を介して前記可塑化シリンダーの樹脂放出口に連通された射出シリンダーと、前記射出シリンダーの先端部に結合されたガス放出ノズルとを、備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

補強用連続繊維を内部に導入するためのベント開口部が周壁中間部の上面に形成された可塑化シリンダーと、
前記ベント開口部の上方に配置され、前記補強用連続繊維を連続的に供給する連続繊維供給手段と、
前記ベント開口部と前記連続繊維供給手段との間に配置され、前記ベント開口部に導入される前の補強用連続繊維にプラズマ処理を施すプラズマ処理部と、
逆流防止機構を介して前記可塑化シリンダーの樹脂放出口に連通された射出シリンダーと、
前記射出シリンダーの先端部に結合されたガス放出ノズルとを、
備えたことを特徴とする樹脂可塑化射出装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記逆流防止機構は、前記可塑化シリンダーに内装されているスクリューを進退させることによって、該スクリューの先端部が前記可塑化シリンダーの先端部に形成された樹脂放出口を閉鎖、開放する構成とされていることを特徴とする樹脂可塑化射出装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の樹脂可塑化射出装置を用いた樹脂成型品の製造方法であって、
前記可塑化シリンダーの原料投入口に対して、補強用短繊維を含みかつ所定の吸湿状態とされた熱可塑性樹脂原料を供給する工程と、
前記ベント開口部に対して、補強用連続繊維を供給する工程と、
前記射出シリンダーで樹脂中の水分を亜臨界又は超臨界状態とする工程と、
亜臨界又は超臨界状態とされた前記水分を前記ガス放出ノズルから放出させる工程とを含むことを特徴とする樹脂成型品の製造方法。

【請求項4】

請求項３において、
前記補強用連続繊維、前記補強用短繊維は少なくとも太さが異なることを特徴とする樹脂成型品の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、樹脂可塑化射出装置及び樹脂成型品の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

樹脂成形品の強度を高めることを目的として樹脂にグラスファイバーやカーボンファイバー等の補強繊維を含有させる技術がある。例えば次の特許文献には、加熱シリンダーの中間部に形成したベント部から補強用繊維を供給する射出成形機が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－１６６７１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら前記特許文献の射出成型機では、樹脂乃至補強繊維に不純物等が残っておりまた補強繊維の分散が不充分であるため、高品質な成形品が得られ難いという問題があった。これに対して本発明は、樹脂乃至補強繊維から不純物等を効果的に除去し、又補強繊維の分散も良好に行える樹脂可塑化射出装置及び樹脂成型品の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明による樹脂可塑化射出装置は、補強用連続繊維を内部に導入するためのベント開口部が周壁中間部の上面に形成された可塑化シリンダーと、前記ベント開口部の上方に配置され、前記補強用連続繊維を連続的に供給する連続繊維供給手段と、前記ベント開口部と前記連続繊維供給手段との間に配置され、前記ベント開口部に導入される前の補強用連続繊維にプラズマ処理を施すプラズマ処理部と、逆流防止機構を介して前記可塑化シリンダーの樹脂放出口に連通された射出シリンダーと、前記射出シリンダーの先端部に結合されたガス放出ノズルとを、備えたことを特徴とする。

【0006】

また本発明による樹脂成型品の製造方法は、前記樹脂可塑化射出装置を用いた樹脂成型品の製造方法であって、前記可塑化シリンダーの原料投入口に対して、補強用短繊維を含みかつ所定の吸湿状態とされた熱可塑性樹脂原料を供給する工程と、前記ベント開口部に対して、補強用連続繊維を供給する工程と、前記射出シリンダーで樹脂中の水分を亜臨界又は超臨界状態とする工程と、亜臨界又は超臨界状態とされた前記水分を前記ガス放出ノズルから放出させる工程とを含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、樹脂乃至補強繊維から不純物等を効果的に除去し、又補強繊維の分散も良好に行える。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明に係る樹脂可塑化射出装置の縦断面図である。

【図2】樹脂原料の縦断面図である。

【図3】本発明に係る樹脂成型品の製造方法のフロー図である。

【図4】樹脂成型品の縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１に示すように本発明に係る樹脂可塑化射出装置Ａは、いわゆるスクリュー・プランジャー型の装置であり、スクリュー１０が内装された可塑化シリンダーＢと、プランジャー１１が内装された射出シリンダーＣとを連通させた基本構成になっている。射出シリンダーＣと金型Ｄは接続、分離が可能である。

【0010】

可塑化シリンダーＢは、補強用連続繊維を内部に導入するためのベント開口部１２が周壁中間部の上面に形成されており、周壁には電熱コイル１３が巻設され更に断熱材１４で覆われている。可塑化シリンダーＢの基部には樹脂原料Ｐ（ペレット）を貯留するホッパー１５が設けられている。

【0011】

可塑化シリンダーＢに内装されるスクリュー１０は樹脂原料Ｐ及び可塑化された樹脂を前方に輸送するものであり、その基部にはスクリュー１０を回転させるためのモーター装置１６と、スクリュー１０を前進、後退させるための油圧装置１７が結合されている。スクリュー１０の軸径及びらせん歯の形状は部位毎に異なっている。

【0012】

連続繊維供給手段１８は、ベント開口部１２の上方に配置されている。この例では、補強用連続繊維が巻かれたボビンとしているが糸道等は省略している。補強用連続繊維は例えばカーボンファイバーやグラスファイバーであるが、これに限定されない。

【0013】

プラズマ処理部１９は、ベント開口部１２と連続繊維供給手段１８との間の繊維輸送経路に配置されており、補強用連続繊維が挿通される処理室１９ａと、ガス供給装置１９ｂと、電源装置１９ｃとで構成されている。このプラズマ処理は常温常圧でよく、ガスとしては酸素、水素、窒素、アルゴン、アンモニア等が利用可能である。プラズマ処理は、親水性を向上させ、また補強用連続繊維の繊維を収束しているサイジング剤（エポキシ樹脂）等を除去する作用がある。

【0014】

逆流防止機構２０は、射出シリンダーＣから樹脂を射出するときに樹脂が可塑化シリンダーＢに逆流することを防止するためのものである。逆流防止機構２０は、可塑化シリンダーＢから射出シリンダーＣへ樹脂を送る間は可塑化シリンダーＢの先端部に形成された樹脂放出口に一定の隙間を維持する一方、射出シリンダーＣから樹脂を射出する間は可塑化シリンダーＢの樹脂放出口を完全に閉鎖する構成とすれば、補強用連続繊維の過度な破断を抑えること可能になる。

【0015】

そのための具体例として、逆流防止機構２０は、例えば可塑化シリンダーＢに内装されているスクリュー１０を進退させることによって、スクリュー１０の先端部が可塑化シリンダーＢの樹脂放出口を閉鎖、開放する構成としてもよい。

【0016】

射出シリンダーＣは、逆流防止機構２０を介して可塑化シリンダーＢの樹脂放出口から連通されており、先端部にガス放出ノズル２１が設けられている。射出シリンダーＣの周壁には電熱コイル１３が巻設され更に断熱材１４で覆われている。

【0017】

射出シリンダーＣに内装されるプランジャー１１は、射出シリンダーＣ内の樹脂を加圧して射出させるためのものであり、その基部にはプランジャー１１を前進、後退させるための油圧装置１７が結合されている。

【0018】

ガス放出ノズル２１は、可塑化が完了した樹脂の流速を速め、樹脂中の水分等をガス化して除去するように構成された特別なノズルであり、射出シリンダーＣの先端部に配置されている。

【0019】

次いで、前記可塑化射出装置Ａを用いた樹脂成型品の製造方法を説明する。
この製造方法は、補強用長繊維と補強用短繊維とを含んだ樹脂成型品を目的としたものであり、次のような特徴を持つ。
すなわち製造方法は、可塑化シリンダーＢの原料投入口に対して、補強用短繊維を含みかつ所定の吸湿状態とされた樹脂原料Ｐを供給する工程と、ベント開口部１２に対して、補強用連続繊維を供給する工程と、ガス放出ノズル２１を含む射出シリンダーＣの一部領域で樹脂中の水分を亜臨界又は超臨界状態とする工程と、その水分をガス放出ノズル２１から放出させる工程とを含むことを特徴とする。

【0020】

ここで樹脂原料Ｐはポリプロピレンと想定して製造方法を更に説明する。
図２に示すように、樹脂原料Ｐは母材Ｍと補強用短繊維Ｓとが混錬されたものであり所定の吸湿状態とされている。ここに補強用短繊維は例えば平均直径１μ長さ１０～１００μ程度のカーボンファイバーであり、また吸湿状態は吸水率に略等しい０．０２％程度であると想定する。なお樹脂原料Ｐは一定時間以上通常保存しておくと吸水率に略等しい吸湿状態になるので、本発明では特に乾燥処理をせずに樹脂原料Ｐをそのまま使用すればよい。

【0021】

可塑化シリンダーＢでは、部位毎に温度、圧力が制御され、スクリュー１０を回転させることによって、ホッパー１５に貯留されている樹脂原料Ｐをシリンダーに導入して先端側に輸送しながら可塑化、ベント（ガス放出）、補強用連続繊維の投入等の各種処理を行う。スクリュー１０の回転は、可塑化シリンダーＢから射出シリンダーＣに樹脂を輸送、充填するタイミングで行えばよく、そのときスクリュー１０を後退位置とすることで逆流防止機構２０は開状態になっている。このとき射出シリンダーＣのプランジャー１１は樹脂の充填に合わせて徐々に後退させればよい。

【0022】

更に詳細に説明すると、可塑化シリンダーＢでは、樹脂投入口２２からベント開口部１２までの領域において、可塑化及び加圧のため温度を１００℃～２４０℃まで段階的に上げて可塑化しつつ圧力も段階的に上げて空気を樹脂投入口２２に逃がすようにする。温度の制御は電熱コイル１３の制御になされ、圧力の制御はスクリュー１０の軸径、ピッチの制御により予め設定されている。
ベント開口部１２においては、温度は２８０℃を保つ一方、樹脂の噴出を防止するため圧力を下げる。ベント開口部１２から揮発性の不純物、空気、水分等が排気されると同時に、補強用連続繊維がシリンダーに導入される。補強用連続繊維は、補強用短繊維と同一の素材のものでも異なった素材のものでもよい。また補強用連続繊維は、強度の点から補強用短繊維よりも大きな直径のもの例えば直径１０～２０μのものが望ましい。ここで補強用連続繊維は既にプラズマ処理によってサイジング剤の一部が除去された状態である。そして補強用連続繊維は、樹脂と混錬されながらスクリュー１０の回転等によって繰り返し切断されて、平均長さ０．５ミリ程度の長繊維となる。
ベント開口部１２よりも前方の領域においては、樹脂の炭化を防止するため温度を２２０℃に下げる一方、圧力を上げてベント開口部１２からの空気の侵入を防止する。
可塑化シリンダーＢから射出シリンダーＣへの樹脂の輸送、充填が終われば、スクリュー１０を前進させることで、逆流防止機構２０を閉状態にする。

【0023】

一方、射出シリンダーＣは、シリンダー本体とガス放出ノズル２１とで異なる温度制御を行うとよい。すなわちシリンダー本体は２２０℃として樹脂の炭化を防ぎ、ガス放出ノズル２１は２００℃として水分の放出に適したものにするとよい。
金型Ｄへ樹脂を射出する際にはプランジャー１１を前進させるのであるが、これにより樹脂が強く加圧されて樹脂中の水分が亜臨界状態になる。
亜臨界状態となった水分は、通常の水分よりも高い流動性、溶解性を示す。具体的には樹脂及び補強短繊維、長繊維の隙間によく浸透して分散を促すとともに、残存しているサイジング剤を分解、溶解するという効果を発揮する。サイジング剤が除去されると樹脂成型品における樹脂と補強用短繊維、長繊維との結合状態も良くなる。
そして亜臨界状態の水分を含んだ樹脂は、金型Ｄに射出される直前、すなわちガス放出ノズル２１を通過する際に加速、減圧されて水分がガス放出ノズル２１から外部に放出される。

【0024】

図３に示すように、製造方法の工程をまとめると次のようになる。ここに示す工程は同一の樹脂原料に対する処理を時系列的に示したものであって、実際には一部の工程は並列同時に実行される。
ステップＳ１は可塑化シリンダーに樹脂原料を投入する工程である。
ステップＳ２は樹脂原料を可塑化し加圧する工程である。
ステップＳ３は樹脂を減圧しベントする工程である。
ステップＳ４は補強用連続繊維をプラズマ処理する工程である。
ステップＳ５はプラズマ処理された補強用連続繊維を可塑化シリンダーに投入する工程である。
ステップＳ６は樹脂を加圧する工程である。
ステップＳ７は樹脂を可塑化シリンダーから射出シリンダーへ輸送、充填する工程である。この工程のあと逆流防止機構は閉状態にされる。
ステップＳ８は樹脂を加圧して樹脂中の水分を亜臨界状態にする工程である。
ステップＳ９は水分をガス放出ノズルから放出させる工程である。
ステップＳ１０は樹脂を金型に射出する工程である。

【0025】

最後に本発明による樹脂成型品を、ネジ型の成形品について具体的に説明する。
図４に示すように、本発明による樹脂成型品Ｘは母材Ｍに補強用長繊維Ｌ、短繊維Ｓが分散された状態となる。より詳細には補強用長繊維Ｌは主に成形品の厚みのある部分に分散するのに対して、補強用短繊維Ｓは成形品の細部を含めて全体に均一に分散する傾向になる。そのため成型品は全体として曲げや折れに強く、また細部も砕け難いという非常に丈夫なものになる。

【0026】

なお以上の説明では樹脂の種別としてポリプロピレンを例に説明したが、本発明はポリエチレン、ＡＢＳ、アクリル、ポリアミド、ポリカーボネイト、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリブチレンテレフタレート等の熱可塑性樹脂にも適用できる。また射出シリンダーにおいて樹脂中の水分を亜臨界状態としていたが、樹脂の種別によっては超臨界状態とすることも可能であり、そうした場合は更に良好にサイジング剤の除去や補強用繊維の分散がなされると考えられる。

【符号の説明】

【0027】

Ａ 樹脂可塑化射出装置
Ｂ 可塑化シリンダー
Ｃ 射出シリンダー
１２ ベント開口部
１８ 連続繊維供給手段
１９ プラズマ処理部
２０ 逆流防止機構
２１ ガス放出ノズル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】