射出成形。 非晶質プラスチックと半結晶プラスチックを溶かす

24/7 日の射出成形プロセスを開発する際に考慮すべき変数は何百とあり、どれに焦点を当てるかを決めるのは難しいかもしれません。 しかし、ある変数をどこにランク付けしようとも、樹脂と部品が必要とするものにそれぞれが制御されない限り、プロセスは実行されないという事実があります。 均一性とは、単に溶融温度だけでなく、溶融の一貫性、つまり、渦巻きや筋、部分的に溶融していないペレットがないことを意味します。

ここで注目したいのは、非晶質樹脂と半結晶樹脂の間で溶融均一性を達成することの難しさです。 これらの樹脂の溶融は異なっており、加工者は溶融均一性を得るために、これらのポリマーがそれぞれどのように溶けるかを理解する必要があります。

通常、違いは部品内のポリマー鎖の異なる配列に関連します。 非晶質ポリマーでは、鎖はランダムです。つまり、特定の順序や配列がなく、絡まった糸のようなものです。

一貫した寸法と性能を求めるなら、溶融均一性が必要です。

「セミ」という接頭語は、半結晶部品のポリマー鎖がすべて結晶化していないことに着目して使用されています。 ある部品の中に、結晶性の領域とランダムな（非晶質の）鎖の配向の領域があるのです。 色、添加物、および冷却速度は、結晶化度の程度に影響し、それによって部品の寸法や特性が変わります。

加工するポリマーが半結晶であるか非晶であるかにかかわらず、一貫した部品の寸法と性能を得るためには、融液の均一性が必要です。 それぞれがどのように溶けるかを理解することで、加工者は加工をよりよくコントロールすることができます。

半結晶でも非晶でも、溶融には同じエネルギー源であるバレル、スクリュー、ヒーター バンドに依存します。 エネルギーの大部分（約80%）は、バレル壁に対するペレットの摩擦と、スクリューのトランジションゾーンでの圧縮から得られる。 残りのエネルギーは、バレルの周りにあるヒーターバンドから供給される。 このエネルギー伝達の仕組みは、非晶質樹脂も半結晶樹脂も同じである。

氷のように、半結晶樹脂は融点に達するまで軟化しない。

両者を区別する重要な要因は、それぞれを溶かすために必要なエネルギー量である。 ナイロン6のような半結晶性樹脂の1kgは、ABSのような非結晶性樹脂の1kgよりかなり多くのエネルギーを必要とします。 実際、ナイロンはABSの約2倍のエネルギー（約716BTU/kg対342BTU）を必要とするが、その処理温度はほぼ同じである。

さて、エネルギーの観点から、ナイロンとABSを溶かすために何をしなければならないかがわかりましたね。 しかし、もうひとつ、加工ライフを難しくする問題があります。 半結晶性樹脂は、融点に達するまで硬いままです。 氷を溶かすようなものです。 氷は、-10℃から-0.5℃まで温めても、硬さは大きく変わりません。 どちらの温度の氷の上に落ちても、硬さの違いを感じることはないだろう。 半結晶樹脂は、氷と同じように融点に達するまで軟化しない。 2つ目は、融解熱に打ち勝つために、つまり、規則正しい連鎖パターンを崩すために、もう1度エネルギーを投入しなければならないことです。 これは、融解のためのエネルギー障壁のようなものです。 この難しい状況を、スクリューとバレルはどのように処理しているのだろうか。 半結晶ペレットはホッパーからフィードスロートに流れ込み、スクリューのフィードセクションの深いフライトの間に落下する。 フィードセクションはペレットを前進させ、圧縮し、空気と一部の揮発性物質をホッパーから強制的に排出します（これはベントです）。

材料は次に移行または溶融ゾーンに達し、ここでスクリューのルート直径はバレル壁に対するペレットの圧縮を提供するために厚くテーパー状になります。 この圧縮は、バレル壁に対するペレットの摩擦とともに、ペレットにエネルギーを送り込み、温度を上昇させる。 問題は、すべての粒子がバレル壁とフライトの界面に到達するわけではなく、溶融に必要なエネルギーを得られるものとそうでないものがあることです。 固相破片が発生し、部分的に溶融していないペレットがトランジションゾーンやメータリングゾーンを通過してしまうのです。

非晶質樹脂は凍ったバターのように溶けます。

議論のために、液体カラーも実行していて、汎用スクリュー設計を使っているとします。 リキッドカラーはオイルキャリアを使用することが多いので、バレルに対するペレットの摩擦が低下し、その結果、溶融のためのエネルギー伝達が減少します。 これは本当に起こってほしいことなのでしょうか？ 液体カラーをオフにして、スクリューの回転時間が短くなりませんか？ L/D比が20:1の汎用スクリューでは、トランジションゾーンに5つのフライトしかありません。 これは、ショット容量の約40％より大きなショットサイズでは大きな問題となります。 よくバリアスクリューの使用を勧められますが、劣化して黒い斑点が多く出ることがあります。 溶融均一性のために設計されたスクリューを使用する方が良いでしょう。

非晶質樹脂は、溶融方法が異なります。 必要なエネルギーが大幅に少なく、溶けやすい。 凍ったバターのように溶ける。 室温の非晶質ペレットは硬いのですが、温まると柔らかくなり始めます。 さらにエネルギーをかけると、非晶質材料は成形に適した状態になるまで柔らかくなり続ける。 融点に達するまで硬いままではなく、融解熱に打ち勝つ必要がない。 溶けていないペレットは、タフィーやマシュマロのようなものです。 スクリューとバレルの間に挟まっても、スクリューやバレルに大きなダメージや摩耗を与えることなく、潰れることができます。 このように、非晶質樹脂は溶融プロセスにおいて、より寛容である。

一言でいうと、半結晶ペレットは非結晶ペレットに比べて均一に溶かすのが難しいのです。 汎用スクリューなら非結晶ペレットも処理できるかもしれませんが、ショットサイズが小さいうちは（バレル容量の20%以下）、大きいうちは（40%以上）、ほとんどの成形機で半結晶ペレットに問題があります。 私はバリア設計をお勧めしません。 その代わりに、最低でも20:1（ただし24:1が望ましい）のL/D比で溶融均一性を実現するスクリュー設計を指定してください。

ABOUT THE AUTHOR: John Bozzelliは、ミシガン州ミッドランドにあるInjection Molding Solutions (Scientific Molding)の創設者で、LIMSを含む射出成形業者へのトレーニングおよびコンサルティング・サービスを提供し、その他の専門分野にも取り組んでいます。 連絡先 [email protected]; scientificmolding.com.