JP5309517B2 - 発泡シート製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、発泡シート製造装置に関する。

従来、熱可塑性材料を用いてシートやフィルムを成形、製膜する際の口金として、通常Ｔダイが広く使用されているが、このＴダイを用いて発泡ガスを含む熱可塑性樹脂を押出して発泡シートを成形することは困難である。
その原因の一つは、発泡ガスを含む熱可塑性樹脂がＴダイから出る際に、厚み方向のみならず幅方向にも発泡することである。このため、カーテン状の波打ち現象が発生し、平面性を得ることが非常に困難になる。また、発泡ガスが連泡となり、ガス抜けするという問題もある。

発泡シートの表面の平滑性を高めて強度を増すための手法として、共押出などの手法を用いて、発泡ガスによる気泡をほとんど含まないスキン層を表面に設けることが行われているが、生産性やコストの点で問題がある。

この問題を解決するために、冷媒を通す貫通孔と熱媒を通す貫通孔とを有するダイリップが可撓部を介して繋がっている第１ダイ本体を備え、樹脂通路の狭窄部を熱媒で加熱調整し、樹脂表面の発泡を抑えるためダイリップ先端の流路壁面温度を冷媒によって低温に保つように冷却するＴダイが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３３５４７３０号公報

特許文献１に記載のＴダイにおいては、内部で発泡工程が行われるため、発泡ガスの膨脹がまだ途中の段階でも成形物はＴダイの壁面によって発泡を抑制される。しかしながら、樹脂が樹脂通路の狭窄部から発泡が起こる発泡部に流れ込むとき、両者の厚み寸法のギャップが大きいために、溶融樹脂がＴダイの壁面に接触して冷却されるタイミングが遅れ、溶融樹脂の発泡に大きなばらつきを生じることがある。

具体的には、狭窄部から発泡部の壁面までの距離が長い部分では発泡倍率が高くなり、距離が短い部分では発泡倍率が抑制されてしまうという発泡分布のムラが発生する。したがって、発泡倍率が高くなる狭窄部から隙間の大きい部分の距離が長い部分に行くほど、樹脂の膜の破れによる発泡ガスの流出が大きくなり、これが、先に作られたスキン層との間に挟まれることにより大きなボイドとなり成形物の強度を著しく阻害する原因となるという問題がある。この現象は、成形しようとするシートの厚みが大きいほど、また、発泡倍率が高いほど顕著となる。

このために、特許文献１に記載のＴダイにおいては、熱可塑性樹脂の発泡適性が十分であれば良好な発泡体を作ることができるものの、通常発泡しにくい樹脂、例えば溶融張力の低い樹脂やフィラーを多く含む樹脂などは厚みのあるものや高発泡倍率での成形が困難である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、内部の発泡倍率のばらつきが少なく、厚みが大きく高発泡倍率の発泡シートを成形することができる発泡シート製造装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様の発泡シート製造装置は、熱可塑性樹脂を成形して発泡シートを製造するためのＴダイであって、内部に前記熱可塑性樹脂が供給されるマニホールド部と、内部に前記熱可塑性樹脂が流れる樹脂流路を有して前記マニホールド部の下流側に取付けられ、前記樹脂流路の周囲の壁面に前記樹脂流路を加熱する熱媒用の流路を有する加熱部と、前記加熱部の前記樹脂流路内に、前記発泡シートの厚さ方向に直交するように固定された板状の樹脂流路分割部材と、内部に前記熱可塑性樹脂の成形空間を有して前記加熱部の下流側に取付けられ、前記成形空間の周囲の壁面に前記成形空間を冷却する冷媒用の流路を有する冷却成形部と、前記加熱部と前記冷却成形部との間に配置された断熱部材と、を備えるＴダイと、前記冷却成形部の下流側に配置され、前記発泡シートを下流側に牽引する牽引部と、を備え、前記牽引部は、前記発泡シートを巻き取るローラーを有して構成されていることを特徴とする。
本発明の発泡シート製造装置によれば、加熱部内の樹脂流路が、樹脂流路分割部材によって成形されるシートの厚さ方向に複数に分割されるため、分割された各流路を流れる樹脂の発泡倍率が好適な状態に保持される。

前記樹脂流路分割部材は、前記マニホールド部の内部まで進入してもよい。この場合、樹脂が加熱部に移動する前に樹脂の流れが整えられるので、樹脂の乱流の発生が抑制される。

本発明のＴダイは、前記加熱部内に、前記発泡シートの厚さ方向に平行に配置固定され、前記樹脂流路分割部材が固定されて前記樹脂流路分割部材を補強する補強部材をさらに備えてもよい。この場合、樹脂流路分割部材をより確実に固定できるので。樹脂の圧力で樹脂流路分割部材が脱落する等の不都合を防ぐことができる。

前記加熱部、前記断熱部材、及び前記冷却成形部は一体に構成されており、前記マニホールド部に対して着脱自在であってもよい。この場合、成形する発泡シートの厚さ等に応じて、複数の加熱部、断熱部材、及び冷却成形部の組をマニホールド部に付け替えて使用することができる。

本発明の発泡シート製造装置によれば、内部の発泡倍率のばらつきが少なく、厚みが大きく高発泡倍率の発泡シートを成形することができる。

以下、本発明の第１実施形態のＴダイについて、図１から図７を参照して説明する。
図１は、本実施形態のＴダイ１を示す平面図である。図１に示すように、Ｔダイ１は、熱可塑性樹脂（以下、単に「樹脂」と称する。）が供給されるマニホールド部２と、マニホールド部２の下流側に取付けられた加熱部３と、加熱部３の下流側に取付けられた冷却成形部４と、加熱部３と冷却成形部４との間に配置された断熱部材５とを備えて構成されている。

図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。マニホールド部２は、樹脂を供給する供給パイプＰと接続されている。そして、図２に示すように、樹脂が流れる内部の空間は、樹脂にかかる圧が均一となるように略円形の断面として形成されている。

加熱部３は、内部に樹脂が流れる第１樹脂流路（樹脂流路）６を有し、第１樹脂流路６がマニホールド部２の内部空間と連通するようにマニホールド部２に接続されている。第１樹脂流路６の周囲を取り巻く上壁３Ａ及び下壁３Ｂには、第１樹脂流路６とそこに流れる樹脂を加熱するための熱媒が流れる熱媒流路３Ｃが形成されている。

また、第１樹脂流路６には、板状の３枚のトーピード（樹脂流路分割部材）７Ａ、７Ｂ、７Ｃが、成形されるシートの厚さ方向（すなわち図２における第１樹脂流路６の上下方向）に直交するように取り付けられている。各トーピード７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、Ｔダイ１の幅方向の両端が、溶接等の手段によって、加熱部３に固定されている。これらのトーピード７Ａないし７Ｃによって、第１樹脂流路６は、シートの厚さ方向において４つの分割流路６Ａないし６Ｄに分割されている。
また、各トーピード７Ａないし７Ｃの樹脂の流れ方向の寸法は、周囲の壁面より長く設定されており、突出した端部がマニホールド部２の内部空間内に進入するように取付けられている。

トーピードの設置枚数及び厚みは、成形する発泡シートの厚みや使用する樹脂の発泡適性に応じて適宜変更されてよい。
例えば、２倍を超える発泡倍率（発泡後の比重変化率の逆数）となった場合に樹脂の膜が破れてガスが抜けてしまうような特性の樹脂を用いて成形を行う場合は、トーピードの厚みを分割された流路の厚さ方向の寸法と同程度に設定することで良好に発泡シートを成形することができる。

また、フィラーが多量に充填された樹脂や、溶融張力の低い樹脂は、膜が破れやすいため発泡しにくいが、ある程度の発泡量までは内部にガスを抱き込むことができるので、当該発泡量まで発泡した時点で、他の流路から流出して発泡した樹脂と接触するように、分割流路の厚さ方向の寸法及びトーピードの厚みを設定することで、発泡シートを成形することが可能となる。

冷却成形部４は、内部に樹脂が流れる第２樹脂流路（成形空間）８を有し、第２樹脂流路８が加熱部の第１樹脂流路６と連通するように、加熱部３の下流側に取付けられている。第２樹脂流路８の周囲を取り巻く上壁４Ａ及び下壁４Ｂには第２樹脂流路樹脂８及びそこに流れる樹脂を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路４Ｃが形成されている。

断熱部材５は、加熱部３と冷却成形部４との間に介装されて固定されており、両者の間に生じる温度差を保持する機能を有する。
加熱部３、冷却成形部４、及び断熱部材５は、発泡シート成形部９として一体に構成されており、マニホールド部２に対して着脱自在となっている。

上記のように構成されたＴダイ１を用いて発泡シートを成形する手順について、以下に説明する。
まず、図３に示すように、供給パイプＰからマニホールド部２の内部空間に発泡剤が混合された樹脂Ｒが押し込まれて充填される（第１工程）。樹脂Ｒとしては、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ乳酸など、各種の熱可塑性樹脂を使用することができる。マニホールド部２内においては、圧が高く保たれているため、まだ発泡は開始されない。

次に、図４に示すように、さらに供給パイプＰから樹脂Ｒが押し出されると、樹脂Ｒはトーピード７Ａないし７Ｃによって分割されて各分割流路６Ａないし６Ｄに流入しながら加熱部３へと移動する（第２工程）。

加熱部３の各流路内を流れる樹脂Ｒは、熱媒流路３Ｃ内を流れる熱媒によって加熱され、図５に示すように、溶融した状態で冷却成形部４に向かって押し出される。このとき、樹脂Ｒは各分割流路６Ａないし６Ｄから押出される際に、トーピード７Ａないし７Ｃの厚みの分だけ上下に広がりながら発泡を開始する。

図６に示すように、樹脂Ｒは冷却成形部４内で再び一体となって第２樹脂流路８内を進む。このとき、壁面に近い分割流路６Ａ及び６Ｄを流れた樹脂Ｒ１及びＲ４は、冷却成形部４に進入するとそれぞれ直ちに上壁４Ａ及び下壁４Ｂに接触して、冷媒流路４Ｃ内を流れる冷媒によって冷却される。そして、発泡する前に硬化して、ほとんど発泡を伴わないスキン層１０Ａが形成される。

一方、図７に示すように、壁面から離れた分割流路６Ｂ及び６Ｃを流れた樹脂Ｒ２及びＲ３は、冷却成形部４の第２樹脂流路８内を進むにつれて発泡しつつ徐々に冷却され、冷却成形部４内で発泡を停止して発泡シート１０が完成する（第３工程）。

このとき、樹脂Ｒ２及びＲ３は、スキン層１０Ａによって圧力が保持され、発泡剤によって生じたガスの抜けが抑制された状態で良好に発泡が行われる。完成した発泡シート１０は、冷却成形部４から、順次Ｔダイ１の外部に押し出される。発泡シート１０はこの時点で既に硬化しているので、Ｔダイ１の外部で厚さ方向又は幅方向に膨らむことはなく、波打ちなどの現象を生ずることはない。

図８は、Ｔダイ１を用いて成形された発泡シート１０の断面図である。発泡シート１０の厚さ方向の両端には、ほとんど発泡していないスキン層１０Ａが形成され、内部に向かうにしたがって、発泡によって形成される気泡の径が徐々に大きくなっている。これは、スキン層１０Ａに近い第１気泡層１０Ｂではスキン層１０Ａによって圧力が強く保持されるため気泡の径が小さく、その内側の第２気泡層１０Ｃでは、第１気泡層１０Ｂによって、スキン層１０Ａに比して弱く圧力が保持されるため、気泡の径が大きくなることによる。

Ｔダイ１を用いて成形される発泡シート１０について、以下に実施例を参照してさらに説明する。
（実施例）
まず発泡シートを形成する樹脂として、樹脂１：ホモＰＰ（メルトフローレート（ＭＦＲ）＝７）、樹脂２：Ｌポリ乳酸（ＭＦＲ＝７）、樹脂３：無機フィラーとしてタルクを４０重量パーセント含有するＰＰ（ＭＦＲ＝１）の３種類を用意し、重曹系発泡剤（商品名：ファインセルマスター、大日精化工業（株）製）と１００：３の重量比で混合した。

これら３種類の樹脂を、トーピードを加熱部に配置した本発明のＴダイを用いて厚さ１０ミリメートルの発泡シートに成形し、それぞれ実施例１ないし３とした。
トーピードは厚さ０．５ミリメートルのものを３枚配置し、分割流路の厚さ方向の寸法を０．５ミリメートルに設定した。

（比較例）
上述の樹脂１ないし３について、トーピードのない従来のＴダイを用いて成形を行い、それぞれを比較例１ないし３とした。
各実施例及び比較例の結果を表１に示す。

各比較例においては、いずれもガスが発泡シートの表面から抜けることによる発泡不良や、Ｔダイから射出された後の膨脹に伴う波打ち現象等が発生し、平坦な発泡シートを成形することはできなかった（形成不可）。

一方、各実施例においては、いずれも発泡倍率が２．５で良好に発泡した、波打ち等のない平坦な発泡シートを成形することができた。成形された発泡シートの断面を見ると、上述のように厚さ方向の上下にスキン層が形成され、かつ内部に向かって気泡の径が徐々に大きくなる構造となっていた。

本発明のＴダイ１によれば、トーピード７Ａないし７Ｃによって、成形されるシートの厚さ方向に所望の寸法の複数の分割流路６Ａないし６Ｄを形成することができるので、各分割流路から射出された樹脂Ｒ１ないしＲ４において発泡倍率のばらつきが生じにくい。従って、成形可能な発泡倍率が低い等の、従来発泡シートを成形しにくかった樹脂であっても、良好に発泡シートを成形することができる。

また、高い混合比率でフィラー等が混合された樹脂であっても発泡シートを成形することができるので、難燃性や低い線膨張率が要求される建築資材等にも応用可能な発泡シートを成形することができる。

また、トーピード７Ａないし７Ｃのマニホールド部２側の端部がマニホールド部２の内部空間まで侵入しているので、樹脂Ｒが加熱部３に移動する前に樹脂の流れが整えられる。従って、マニホールド部２内で樹脂Ｒの乱流が発生しにくく、発泡シートを良好に成形することができる。

さらに、シートの厚さ方向の両端付近の分割流路６Ａ及び６Ｄを流れた樹脂Ｒ１及びＲ４は、冷却成形部４に移動後直ちに冷媒通路４Ｃを流れる冷媒によって冷却されるため、ほとんど発泡せずに硬化し、発泡シート１０の表面に滑らかなスキン層１０Ａが形成される。従って、スキン層１０Ａより厚さ方向内側の部分においては、スキン層１０Ａによって良好に圧力が保持されるので、良好な発泡が行われ、強度的にも問題のない発泡シートを成形することができる。

また、発泡シート１０の発泡工程はＴダイ１の冷却成形部４内ですべて終了するので、発泡シート１０が冷却成形部４から押出された際に、厚さ方向または幅方向にさらに膨脹することがない。従って、波打ちや凹凸の発生しない、平坦な発泡シートを成形することができる。

加えて、発泡シート成形部９がマニホールド部２に対して着脱自在であるので、樹脂流路の厚さ方向の寸法、トーピードの設置枚数、又は分割流路の厚さ方向の寸法が異なる複数の発泡シート成形部を予め作製し、成形する発泡シートに合わせて逐次付け替えることによって、１つのＴダイで多種類の樹脂かつ様々な厚みの発泡シートを成形することができる。
特に、厚手の発泡シートや高発泡倍率の発泡シートは、従来成形が極めて困難であったが、本発明のＴダイではトーピードを用いていくつでも分割流路を形成することができるので、発泡倍率のばらつきが少なく、物性の良好な厚手の発泡シートを容易に成形することが可能である。

続いて、本発明の第２実施形態に係る発泡シート製造装置について図９から図１１を参照して説明する。なお、上述の実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図９は、本実施形態の発泡シート製造装置２０を示す側面図である。発泡シート製造装置２０は、本発明のＴダイ２１と、成形された発泡シートを牽引するローラー（牽引部）２２とを備えて構成されている。

図１０はＴダイ２１の加熱部２３の正面図である。加熱部２３には、３枚のトーピード２４Ａ、２４Ｂ、及び２４Ｃが固定されている。また、加熱部２３の内部には、成形されるシートの厚さ方向と略並行に補強部材２５Ａ、２５Ｂ、及び２５Ｃがほぼ等間隔で配置固定されている。

補強部材２５Ａないし２５Ｃは、棒状または板状の部材であり、上下の端部が加熱部２３の上壁２３Ａ及び下壁２３Ｂにそれぞれ溶接等の手段で固定されている。各トーピード２４Ａないし２４Ｃは、第１実施形態のＴダイ１と同様に、幅方向の両端が、溶接等の手段によって、加熱部２３の側壁に固定され、さらに各補強部材２５Ａないし２５Ｃとの交点において各補強部材に固定されている。
トーピードと補強部材との固定は、溶接等によって行われてもよいし、補強部材に切り込みを設け、トーピードとかみ合わせることによって行われてもよい。また、補強部材の設置数や設置間隔も任意に設定されてよい。

ローラー２２は、成形された発泡シートの上側に配置された第１ローラー２２Ａと、下側に配置された第２ローラー２２Ｂとから構成され、Ｔダイ２１から押し出される発泡シートを摩擦力等によって保持しながら下流側に牽引する。ローラー２２の発泡シートに接触する面は、大きい摩擦力を発生させ、かつ発泡シートの表面を損傷しない、例えばシリコーンゴム等の素材で形成されるのが好ましい。

上記のように構成された発泡シート製造装置２０の使用時の動作について説明する。
図１１に示すように、第１実施形態と同様に、供給パイプＰから発泡剤が混合された樹脂Ｒがマニホールド部２に供給され、各トーピード２４Ａないし２４Ｃによって分割されながら加熱部２３に向かって移動する。

このとき、加熱部２３内の第１樹脂流路２６は、第１実施形態の第１樹脂流路６と同様に厚さ方向に分割されるだけでなく、図１０に示すように、厚さ方向に略平行に配置固定された補強部材２５Ａないし２５Ｃによって、幅方向にも分割される。すなわち、樹脂Ｒは、格子状に分割された複数の分割流路を通って加熱部２３に移動する。
各トーピードには、樹脂Ｒによって大きな圧力が加えられるが、各トーピードは、幅方向両端に加えて、各補強部材２５Ａないし２５Ｃにも固定されているので、加熱部２３から外れる等の事態の発生が抑制される。

Ｔダイ２１内で発泡を終え、外部に押し出された発泡シート２７は、第１ローラー２２Ａと第２ローラー２２Ｂとによって挟持され、図１１における矢印Ｆの方向に牽引される。このローラー２２による牽引と、供給パイプＰからの樹脂Ｒの押し出しとを調節することによって、樹脂Ｒの発泡倍率がより好適に制御される。例えば、同一の樹脂吐出量に対してローラーによる引き取り速度を上げると、発泡シートの単位長さあたりの樹脂量が減少するので、発泡によりシートの厚みを維持できれば、製造される発泡シートの比重を軽くすることができる。

本実施形態の発泡シート製造装置２０によれば、第１樹脂流路２６内に配置されたトーピード２４Ａないし２４Ｃが、幅方向の両端だけでなく、補強部材２５Ａないし２５Ｃを介しても固定される。従って、樹脂Ｒを押し出す大きな圧力によっても脱落することはなく、各分割流路の厚さ方向の寸法も安定して保持されて、発泡倍率が好適に制御される。

また、樹脂Ｒ及び発泡シート２７は、供給パイプＰからの樹脂押し出しの圧力に加えて、ローラー２２による牽引力も受けるため、より好適に樹脂Ｒの発泡倍率が制御されて、高品質の発泡シートを成形することができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

本発明の第１実施形態のＴダイを示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線における断面図である。 発泡シート成形時の同Ｔダイを示す断面図である。 発泡シート成形時の同Ｔダイを示す断面図である。 発泡シート成形時の同Ｔダイを示す断面図である。 発泡シート成形時の同Ｔダイを示す断面図である。 発泡シート成形時の同Ｔダイを示す断面図である。 同Ｔダイを用いて成形された発泡シートの断面図である。 本発明の第２実施形態のシート製造装置の構成を示す図である。 同シート製造装置の加熱部を示す正面図である。 発泡シート成形時の同シート製造装置を示す図である。

符号の説明

１、２１ Ｔダイ
２ マニホールド部
３、２３ 加熱部
３Ｃ 熱媒流路
４ 冷却成形部
４Ｃ 冷媒流路
５ 断熱部材
６、２６ 第１樹脂流路（樹脂流路）
７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ トーピード（樹脂流路分割部材）
８ 第２樹脂流路（成形空間）
１０、２７ 発泡シート
２０ 発泡シート製造装置
２２ ローラー（牽引部）
２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ 補強部材

Claims (4)

1. 熱可塑性樹脂を成形して発泡シートを製造するためのＴダイであって、
   内部に前記熱可塑性樹脂が供給されるマニホールド部と、
   内部に前記熱可塑性樹脂が流れる樹脂流路を有して前記マニホールド部の下流側に取付けられ、前記樹脂流路の周囲の壁面に前記樹脂流路を加熱する熱媒用の流路を有する加熱部と、
   前記加熱部の前記樹脂流路内に、前記発泡シートの厚さ方向に直交するように固定された板状の樹脂流路分割部材と、
   内部に前記熱可塑性樹脂の成形空間を有して前記加熱部の下流側に取付けられ、前記成形空間の周囲の壁面に前記成形空間を冷却する冷媒用の流路を有する冷却成形部と、
   前記加熱部と前記冷却成形部との間に配置された断熱部材と、
   を備えるＴダイと、
   前記冷却成形部の下流側に配置され、前記発泡シートを下流側に牽引する牽引部と、
   を備え、
   前記牽引部は、前記発泡シートを巻き取るローラーを有して構成されていることを特徴とする発泡シート製造装置。
2. 前記樹脂流路分割部材は、前記マニホールド部の内部まで進入していることを特徴とする請求項１に記載の発泡シート製造装置。
3. 前記加熱部内に、前記発泡シートの厚さ方向に平行に配置固定され、前記樹脂流路分割部材が固定されて前記樹脂流路分割部材を補強する補強部材をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の発泡シート製造装置。
4. 前記加熱部、前記断熱部材、及び前記冷却成形部は一体に構成されており、前記マニホールド部に対して着脱自在であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発泡シート製造装置。

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