射出成形熱硬化性プラスチックの加工
熱硬化性プラスチック射出成形では、スクリューまたはプランジャーを使用してポリマーを加熱バレル (120 ～ 260°F) に押し込み、粘度を下げてから加熱金型 (300 ～ 450°F) に注入します。材料が金型に充填されると、加圧されます。この時点で化学架橋が起こり、ポリマーが硬化します。硬い (つまり硬化した) 製品は熱いうちに金型から取り出すことができ、再成形または再溶解することはできません。
射出成形装置には、金型を閉じるための油圧駆動のクランプ装置と、材料を搬送できる射出装置があります。ほとんどの熱硬化性プラスチックは、粒状またはフレーク状で使用され、重力ホッパーによってスクリュー射出装置に供給できます。ポリエステルバルクモールディングコンパウンド（ビーエムシー）を処理する場合、それは"パン生地"送りピストンを使用して材料をねじ溝に押し込みます。
このプロセスで処理されるポリマーは、（量の順に）フェノール類、ポリエステル ビーエムシー、メラミン、エポキシ類、尿素ホルムアルデヒドプラスチック、ビニルエステルポリマー、ジアリルフタレート（ダップ）です。
ほとんどの熱硬化性樹脂には、コストを削減したり、低収縮、強度、または特殊な特性を改善したりするために、大量の充填剤 (重量で最大 70%) が含まれています。一般的な充填剤には、ガラス繊維、鉱物繊維、粘土、木質繊維、カーボン ブラックなどがあります。これらの充填剤は研磨性が非常に高く、加工装置で克服しなければならない高粘度を生成します。
処理
熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂はどちらも、加熱すると粘度が低下します。しかし、熱硬化性樹脂の粘度は、化学架橋反応により、時間と温度とともに増加します。これらの効果の複合的な結果、時間と温度に対する粘度の U 字型曲線が生まれます。熱硬化性樹脂の射出成形の目標は、材料を金型の形状に成形するために必要な圧力が最も低いため、最も低い粘度領域で金型充填操作を完了することです。これにより、ポリマーの繊維への損傷も最小限に抑えられます。
射出成形プロセスでは、スクリューを使用して加熱されたバレルに材料を通します。バレルの周囲にはジャケット内の水または油が循環します。スクリューは材料の種類ごとに設計され、わずかに圧縮されて空気が除去され、材料が加熱されて低粘度になります。ほとんどの熱硬化性材料は、このプロセスで非常によく流れます。
材料を金型に入れる操作は、スクリューの回転を止め、油圧でスクリューを高速で押し進め、可塑化された低粘度材料を金型に押し込むことです。この急速な流れにより、金型キャビティを 0.5 秒以内に充填する必要があり、圧力は 193MPa に達しなければなりません。金型キャビティが充填されると、材料の高速流動によりより大きな摩擦熱が発生し、化学反応が加速されます。
金型キャビティが充填されると、射出圧力は 34.5 ～ 68.9 MPa の保持圧力まで低下します。この保持圧力は材料に対して 5 ～ 10 秒間維持され、その後圧力が解放され、次のサイクルの可塑化フェーズが始まります。
材料は硬化するまで熱い金型に入れられ、その後クランプ装置が開かれて製品が取り出されます。製品は取り出したばかりのときは、少し硬化しておらず、少し柔らかい場合があります。製品内部に保持された熱を利用して、取り出し後 1 ～ 2 分以内に最終的な硬化が完了します。熱硬化性製品の製造サイクル全体は、製品の厚さと原材料の種類に応じて 10 ～ 120 秒です。
製品の品質と再現性を向上させるために、さまざまな専門技術が使用されています。一部の熱硬化性ポリマーは加熱時にガスを発生するため、金型が部分的に充填された後に減圧操作が行われることがよくあります。このステップでは、金型を少し開いてガスを逃がし、その後すぐに閉じて残りの材料を注入します。
射出成形では、伸縮式メンブレンキャビティとメンブレンコアを備えた金型を使用することで、強度、寸法制御、表面状態（外観）が向上します。射出成形中に金型を 1/8 ～ 1/2 インチ開き、金型を閉じるときと同じようにすばやく圧縮できます。
ガラス繊維、フィラー、ポリエステル不飽和樹脂で作られた一体成形コンパウンドは、射出成形を完了するために、機械に追加の専用装置を装備することができます。ピストンフィーダーは、強制的に供給するためにバレルに接続され、2つの異なる方法で操作できます。1つは、材料を混合および加熱しながら前方に押し出す従来の往復スクリューです。これには、スクリューの端にチェックバルブが必要です。材料の粘度は非常に低いため、材料がスクリュースレッドに逆流するのを防ぎます。もう1つの方法は、プランジャーまたはピストンを使用して材料を金型キャビティに押し込むことです。プランジャーは、重量の22％を超えるガラス繊維を含む材料によく使用されます。これは、繊維へのダメージが少なく、より高い強度も得られるためです。
熱硬化性プラスチック成形に最初に使用された別のプロセス方法は、圧縮成形とトランスファー成形です。これらと比較して、射出成形の利点と欠点は次のとおりです。
圧縮成形と比較した射出成形の利点は、成形サイクルが速い（2 ～ 3 倍）、プロセスの自動化、製品変更の減少、人件費の削減、生産能力の高さです。
圧縮成形と比較した射出成形の欠点は、設備と金型への投資額が高いことです。一方、圧縮成形では、より高い製品強度とより優れた表面仕上げが得られます。
ダイカストの利点は、一般的に射出成形と圧縮成形の中間です。
装置
熱硬化性プラスチックの射出成形用の装置を選択する際の重要な要素には、金型締め付け装置の容量と射出成形能力、制御システムとバレル温度が含まれます。
トン単位の締め付け圧力による型締め装置の選択は、製品の投影成形面積と流路に基づいて行う必要があります。必要なトン数は、成形品の複雑さと使用する原材料に応じて、1.5～5t/in2です。装置のサイズは30～3,000tで、最も一般的な装置は100～600tです。鋼板の厚さと機械の剛性は非常に重要です。射出成形時の曲げ変形を最小限に抑え、オーバーフローの除去を困難にします。
機械の射出能力は、金型を充填するために必要な最大射出圧力と、キャビティおよびフロー チャネル システム内の材料の容量に基づいて分析する必要があります。必要な射出圧力は、ポリエステル一体成形コンパウンドの 96.5 MPa から、一部の特殊フェノール プラスチックの 207 MPa までの範囲です。機械の射出能力は、理論上の容量 (射出されるスクリューまたはピストンの面積にストロークを掛けたもの) で示されることがよくあります。
一般的に、設備の能力は、設備が生産できる製品の容積の 85% で決定されます。設備がポリスチレンの生産能力で示されている場合、部品重量による生産能力を決定する際には、ポリスチレンと熱硬化性プラスチックとの密度の違いを考慮する必要があります。
現在普及している制御システムはコンピュータ制御であり、射出速度、クランプ装置の負荷、プロセス操作プログラム、金型へのサイドモールドコアの移動、エジェクタ装置の作業サイクル、バレルと金型の温度制御などを選択できます。特定の金型と特定の原材料の供給を順番に設定して記録する方法は、プロセスに多数の変数があるため、非常に価値があります。
バレルの温度は、バレルを覆うジャケットを流れる温水によって制御されます。金型の温度制御は、プラグインヒーターによって行われるのが最も一般的ですが、蒸気または循環する高温オイルによって行うこともできます。
均一な製品を得るためには、金型温度を高度に制御することが最も重要です。
一般的な機器オプションには、一体成形コンパウンド用のフィーダー、クイックチェンジ金型システム、急速射出用の油圧液リザーバー、金型スライド用の油圧システムに接続されたサイドコア、ロボットピックアップシステム、各成形サイクル中に生成されるフラッシュを除去するエアジェットなどがあります。
ポリマーの粘度が低いため、パーティング ライン上では薄いフィルム状に流れ出ます。そのため、完成した熱硬化性プラスチックは、バリを除去するためにトリミングする必要が生じることがよくあります。成形部品のバリ除去は、多くの場合、部品を転がしたり、高速プラスチック ペレットが脆いバリ層を叩き落とす装置に部品を通したりして行われます。
アプリケーション
射出成形によって製造される熱硬化性材料の主な市場には以下が含まれます。
自動車産業：エンジン部品、ヘッドライトリフレクター、ブレーキ部品。
電気産業: 回路ブレーカー、スイッチハウジング、コイルフォーマー。
家庭用電化製品: パンオーブンプレート、コーヒーメーカーベース、モーター整流子、モーターハウジング、ゴミ処理ハウジング。
その他：電動工具ハウジング、ランプハウジング、ガス流量計、食器。
