JP6066399B2 - 中空構造板の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性樹脂製の中空構造板の製造方法及び製造装置に関する。より詳しくは、中空凸部が複数成形された成形シートを用いて中空構造板を製造する技術に関する。

樹脂製の中空構造板は、軽量で、かつ耐薬品性、耐水性、断熱性、遮音性及び復元性に優れ、取り扱いも容易であることから、箱材や梱包材などの物流用途、壁や天井用のパネル材などの建築用途、更には、自動車用途などの幅広い分野に使用されている。特に、２枚の熱可塑性樹脂シートに突設された複数の中空凸部が突き合わされた状態で熱融着された構成の所謂ツインコーン（登録商標）タイプの中空構造板は、曲げ性能及び圧縮性能に優れることから、自動車内装材、物流資材及び建材など、様々な分野で使用されている。

一般に、ツインコーン（登録商標）タイプの中空構造板は、２枚の熱可塑性樹脂シートに突設された複数の中空凸部が突き合わされた状態で熱融着された中間体の両面に、熱可塑性樹脂などからなる表面材が積層された構成となっている（例えば、特許文献１，２参照）。また、ツインコーン（登録商標）タイプの中空構造板を製造する際は、特許文献１，２に記載されているように、先ず、減圧チャンバー内に２枚の熱可塑性樹脂シートを導入し、その中で複数のピンが突設された１対のローラーにより、各樹脂シートに複数の中空凸部を成形すると共に、その中空凸部同士を熱融着して中間体を得る。次に、得られた中間体の両面に、表面材を熱融着などの方法で積層して、中空構造板とする。

国際公開第２００３／０８０３２６号（特許第４２３１７９２号） 特開２００７−８３４０７号公報

しかしながら、前述した従来の中空構造板の製造方法には、温度条件や成形速度に制約があり、生産性を向上させることが難しいという問題点がある。また、この従来の中空構造板の製造方法は、一方の工程の条件を変更すると、他方の工程にも影響するため、条件調整が煩雑であり、作業性に劣るという問題点もある。

一方、熱可塑性樹脂シートに中空凸部を成形する工程と、中空凸部同士を突き合わせて熱融着する工程とを別工程で行うことにより、生産性及び作業性を向上させることが可能であるが、その場合、生産速度によっては表面材貼り合わせ後の表面の平滑性が損なわれることがある。この表面材貼り合わせ後の表面平滑性の低下は、特に、目付量が高い場合に発生しやすい。

そこで、本発明は、生産性及び作業性に優れ、かつ表面平滑性が良好な中空構造体を製造することが可能な中空構造板の製造方法及び製造装置を提供することを主目的とする。

本発明者は、前述した課題を解決するために鋭意実験検討を行った結果、表面材貼り合わせ後の表面の平滑性が低下したものは、中間体の中空凸部が成形されていない部分（ライナー部）で平滑性の低下が見られた。そこで、中間体のライナー部の平滑性が低下する原因について検討を行ったところ、生産速度を上げたことにより、中空凸部を真空成形する際の成形時間が短くなり、ライナー部に十分に成形しきれない箇所が発生することが確認された。このライナー部の成形斑は、特に成形時の流れ方向における中空凸部間で発生しやすいことがわかった。

そして、本発明者は、このような成形斑をなくすための方法について検討を行い、成形シートの成形に用いるローラーを、従来のピンローラーから凹ローラーに変更することにより、ライナー部の平坦性を確保できることを見出し、本発明に至った。

即ち、本発明に係る中空構造板の製造方法は、真空成形により、熱可塑性樹脂シートに錐台形状の中空凸部を複数成形して、成形シートを得る成形工程と、それぞれ別個に成形された２枚の成形シートを、その中空凸部同士を向き合わせて熱融着し、一体化する熱融着工程と、を有し、前記成形工程では、前記中空凸部に整合する逆錐台形状の凹部が複数形成された凹ローラーを使用して成形を行い、前記熱融着工程では、複数のピンが設けられた１組のローラーを使用し、前記ローラーのピンを各成形シートの前記中空凸部に開口側から挿入し、各中空凸部の頂点部分の少なくとも一部を内側から押圧する。
本発明の中空構造板の製造方法では、成形工程で凹ローラーを使用しているため、ライナー部は成形されず、熱可塑性樹脂シート自体の平滑性が維持される。このため、成形シートを熱融着して得た中間体に表面材を貼り合わせても、表面の平滑性は良好である。
この中空構造板の製造方法は、前記一体化する工程により得た中間体の両面に、表面材を積層する表面材積層工程を有していてもよい。
また、前記熱融着工程は大気中で行うこともできる。
更に、前記成形工程では、前記熱可塑性樹脂シートに前記中空凸部を千鳥状に成形してもよい。

本発明に係る中空構造板の製造装置は、減圧チャンバー内に複数の逆錐台形状凹部が形成された凹ローラーが回転可能に配置され、前記凹ローラーによって熱可塑性樹脂シートを真空成形して、錐台形状の中空凸部が複数成形された成形シートを作製する真空成形部と、複数のピンが設けられた１組のローラーを備え、前記真空成形部で成形された２枚の成形シートを、その中空凸部同士を向き合わせて熱融着し、一体化する熱融着部と、を有し、前記熱融着部では、前記ローラーのピンが各成形シートの前記中空凸部に開口側から挿入され、前記ピンにより各中空凸部の頂点部分の少なくとも一部が内側から押圧されるものである。
この中空構造板の製造装置では、前記熱融着部を開放系にすることができる。
また、前記凹ローラーには前記逆錐台形状凹部が千鳥状に形成されており、前記熱融着部の１組のローラーには前記ピンが千鳥状に設けられていてもよい。

本発明によれば、成形シートを成形する工程と、その中空凸部同士を熱融着する工程とを別工程とし、更に成形シート成形工程において凹ローラーを使用しているため、生産速度を上げても平滑性が低下しにくく、表面平滑性が良好な中空構造板が得られる。

本発明の実施形態の中空構造板の製造方法を示すフローチャート図である。 本発明の実施形態の中空構造板を製造する際に使用する製造装置の構成を模式的に示す図である。 シート成形工程で作製される成形シートの一形態を示す斜視図である。 シート成形工程で作製される成形シートの一形態を示す平面図及び側面図である。 図１に示す方法で製造される中空構造板の構成を模式的に示す断面図である。 図１に示す方法で製造される中空構造板の他の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態の中空構造板を製造する際に使用する製造装置の他の構成を模式的に示す図である。 シングルコーンタイプの中空構造板の構成を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付の図面を参照して、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

図１は本発明の実施形態に係る中空構造板の製造方法を示すフローチャート図であり、図２はその際使用する製造装置の構成を模式的に示す図である。また、図３及び図４はシート成形工程で作製される成形シートの一形態を示す斜視図であり、図５及び６は中空構造板の構成を模式的に示す断面図である。

図１に示すように本実施形態の中空構造板の製造方法においては、熱可塑性樹脂シートに錐台形状の中空凸部を複数成形するシート成形工程（ステップＳ１）と、ステップＳ１で作製した２枚の成形シートを、その中空凸部２ａを向かい合わせて熱融着する熱融着工程（ステップＳ２）と、をそれぞれ別工程で行う。また、必要に応じて、ステップＳ２で作製した中間体の両面に、表面材を積層する表面材積層工程（ステップＳ３）を行う。

［中空構造板の全体構成］
本実施形態の製造方法により得られる中空構造板は、錐台形状の中空凸部２ａが複数成形された２枚の成形シート２が、その中空凸部２ａ同士が向かい合う方向で重ね合わされて熱融着されており、その両面に表面材４などが積層されている。

ここで、成形シート２の重ね合わせ構造は、特に限定されるものではなく、例えば図５に示す中空構造板１のように中空凸部２ａ同士が突き合わされている構造や、図６に示す中空構造板６のように中空凸部２ａが互い違いに対向配置された構造などを適用することができる。そして、図５に示す構造の中空構造板１では、各成形シート２の中空凸部２ａ同士が熱融着され、図６に示す構造の中空構造板６では、一方の成形シートの中空凸部が成形されていない部分（ライナー部２ｂ）に他方の成形シート２の中空凸部２ａが熱融着される。

また、中空構造板１，６の目付けも、特に限定されるものではないが、５００〜３５００ｇ／ｍ^２とすることが好ましい。中空構造板１，６の目付けが５０ｇ／ｍ^２未満の場合、成形シート２の厚さが薄くなりすぎて凸部２ａ側面がフィルム化し、強度や剛性が低下することがあり、また、目付けが３５００ｇ／ｍ^２を超えると、質量が増加し、用途によっては軽量性が損なわれることがあるからである。
［中空凸部２ａの構成］
本実施形態の製造方法により得られる中空構造板１，６では、成形シート２における開口部から仮想される水平面と中空凸部２ａとがなす角度（傾斜角）θが、４５°〜８０°であることが好ましい。傾斜角θが４５°未満の場合、表面材４との総接着面積が小さくなるため、得られた中空構造板１に荷重をかけた際に接着部が剥がれやすくなり、強度低下を招く。一方、傾斜角θが８０°を超えると、真空成形した際に、成形シート２の厚さが薄くなりすぎて中空凸部２ａ側面がフィルム化し、十分な強度が得られないことがある。

なお、傾斜角θは、５０°〜７０°であることがより好ましく、これにより、中間体３，７の剛性を高めると共に、中空構造板１としたときの強度を向上させることができる。また、中空凸部２ａの傾斜角θは一定でなくてもよく、中空凸部２ａが中心軸に対して非対称な形状であってもよい。

一方、中空凸部ａの先端部の直径は２〜４ｍｍとすることが好ましく、これにより、中空凸部２ａの数を所定の値以上にすることができるため、厚さ方向における圧縮強度を向上させることができる。また、中空凸部２ａの間隔は、１〜５ｍｍとすることが好ましい。中空凸部２ａの間隔が１ｍｍ未満の場合、賦形性が低下することがあり、また５ｍｍを超えると、単位面積あたりの中空凸部２ａの数が少なくなり、厚さ方向において十分な圧縮強度が得られないことがある。

更に、成形シート２における中空凸部２ａの高さは、３ｍｍ以上であることが好ましい。中空凸部２ａの高さが３ｍｍ未満の場合、中空構造板１，４１の各種用途において、その中空構造による有用性が低くなると共に、製造上の困難性も低下する。なお、中空凸部２ａの高さｈが１５ｍｍを超えると成形が難しくなるため、製造工程における成形性を考慮すると、中空凸部２ａの高さｈは１５ｍｍ以下であることが好ましい。

以下、本実施形態の中空構造板の製造方法における各工程について、図５に示す構造の中空構造板１を製造する場合を例にして説明する。

［ステップＳ１：シート成形工程］
シート成形工程では、真空成形により、熱可塑性樹脂シートの一方の面に錐台形状の中空凸部２ａを複数成形して、成形シート２を作製する。各中空凸部２ａの配置は、特に限定されるものではないが、例えば、図３及び図４に示すように千鳥状にすることができる。

また、成形シート２の材質は、熱可塑性樹脂であれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）及びポリカーボネート（ＰＣ）などを使用することができる。これらの熱可塑性樹脂の中でも、コスト、成形性及び物性の面から、特に、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、ホモポリプロピレン、ランダムポリプロピレン及びブロック状ポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂が好ましい。

更に、成形シート２を構成する熱可塑性樹脂には、タルク、マイカ及び炭酸カルシウムなどのフィラーや、ガラス繊維、アラミド繊維及び炭素繊維などのチョップドストランドが添加されていてもよい。これにより、中間体３の剛性を向上させることができる。更に、成形シート２を構成する熱可塑性樹脂には、難燃性、導電性、濡れ性、滑り性及び耐候性などを向上させるための改質剤、顔料などの着色剤が添加されていてもよい。なお、中間体３を構成する２枚の成形シート２は、通常、同じ材料で形成されるが、熱融着可能な範囲で相互に異なる材料で形成することもできる。

このシート成形工程は、例えば、図２に示すように、減圧チャンバー１１内に、中空凸部２ａに整合する逆錐台形状の凹部１２ａが複数形成された凹ローラー１２が、回転可能に配置されている真空成形装置（真空成形部１０）により実施することができる。凹ローラー１２における凹部１２ａの配置は、特に限定されるものではないが、例えば成形シート２に中空凸部２ａを千鳥状に設ける場合は、凹部１２ａも千鳥状に形成される。

また、真空成形装置（真空成形部１０）の凹ローラー１２には、少なくとも凹部１２ａの底部に熱可塑性樹脂シート５を吸引保持するための吸引孔が設けられている。これにより、熱可塑性樹脂シート５を効果的に凹部１２ａに沿わせ、所望の形状に短時間で斑なく成形することができる。

また、真空成形装置（真空成形部１０）には、中空凸部２ａが成形された成形シート２を、強制的に冷却する冷却機構が設けられていることが好ましい。このように、真空成形後の成形シートを強制的に冷却することにより、溶融状態の熱可塑性樹脂シート５を真空成形し、成形シート２の状態で固化させるために必要な時間を短縮することができ、生産速度を高めることが可能となる。そして、真空成形装置（真空成形部１０）内で成形シート２を強制的に冷却する方法としては、例えば、オイルや水などの冷媒を循環させることにより凹ローラー１２を冷却する方法、風冷装置や微細ミスト発生機などにより成形シート２を冷却する方法などを適用することができる。

ここで、凹ローラー１２の温度は、特に限定されるものではなく、熱可塑性樹脂シート５を構成する樹脂の種類などに応じて適宜設定することができるが、１０〜５０℃が好適である。これにより、成形シート２の固化状態をより良好なものにすることができる。

この装置を使用して、中間体３を作製する際は、先ず、ダイ１３から、溶融状態の熱可塑性樹脂シート５を押し出す。又は、前述した溶融状態の熱可塑性樹脂シート５を押し出す代わりに、既にシート化された熱可塑性樹脂シートを加熱し、溶融状態にして送り出してもよい。そして、これら熱可塑性樹脂シート５は、凹ローラー１２に吸引保持され、凹部１２ａに対応する形状の中空錐台状の凸部２ａが成形されて、成形シート２となる。

その際、熱可塑性樹脂シート５の厚さは、特に限定されるものではないが、０．２〜２．０ｍｍであることが好ましい。熱可塑性樹脂シート５の厚さが０．２ｍｍ未満の場合、得られる成形シート２の物性が十分でないことがある。また、熱可塑性樹脂シート５の厚さが２．０ｍｍよりも厚いと、真空成形により凸部２ａを成形することが困難になることがある。

［ステップＳ２：熱融着工程］
熱融着工程では、前述したシート成形工程で作製した２枚の成形シート２を、その中空凸部２ａ同士を向かい合わせて熱融着し、一体化する。この熱融着工程は、例えば、図２に示すように、表面に複数のピン２１ａが複数突設されている１組のピンローラー２１が、回転軸が相互に平行になるように配置されている熱融着部２０により実施することができる。

その場合、各ピンローラー２１のピン２１ａをそれぞれ成形シート２の中空凸部２ａに挿入し、ピン２１ａにより各中空凸部２ａの頂点部分の少なくとも一部を内側から押圧することにより、２枚の成形シートの中空凸部２ａを熱融着して、一体化する。これにより、２枚の成形シート２からなる中間体３が得られる。

ここで使用するピンローラー２１のピン２１ａは、中空凸部２ａに挿入可能な形状であれば、真空成形部１０の凹ローラー１２の凹部１２ａに対応する形状である必要はなく、円錐台形状や角錐台形状に限らず、棒状や柱状などでもよい。更に、熱融着部２０のピンローラー２１の回転速度は、中空凸部２ａに対するピン２１ａの嵌め込みやすさなどの観点から、真空成形部１０の凹ローラー１２の回転速度と同じか、少し早くすることが望ましい。

なお、熱融着部２０には、ピンローラー２１の他に、成形シート２を加熱するための加熱治具２２や、成形シート２の中空凸部２ａとピンローラー２１のピン２１ａとの嵌合を補助する押さえローラー２３などを設けることができる。ここで、加熱治具２２は、接触方式及び非接触方式のいずれでもよく、例えば熱風発生器、遠赤外線ヒーター、ハロゲンヒーターなどを使用することができる。この熱融着部２０は、減圧チャンバー内に設けられていてもよいが、開放系とすることもできる。このように熱融着工程を、大気中で実施可能とすることにより、設備を簡略化することができるため、作業性が向上する。

また、本実施形態の中空構造板の製造方法では、中空凸部２ａを熱融着する前に各成形シート２を予備加熱してもよい。成形シート２の予備加熱温度は、成形シート２の材質に応じて適宜設定することができ、例えばポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）などのポリオレフィン系樹脂の場合は、３０〜１５０℃とすることができる。なお、予備加熱の方法は、特に限定されるものではないが、例えば、熱融着部２０の手前に加熱槽３０を設ける方法などが挙げられる。

［ステップＳ３：表面材積層工程］
表面材積層工程では、前述した熱融着工程で作製した中間体３の片面又は両面に、表面材４を積層する。ここで使用する表面材４としては、前述した成形シート２と同様に、熱可塑性樹脂シートを使用することができる。その材質は、熱可塑性樹脂であれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）及びポリカーボネート（ＰＣ）などを使用することができる。また、表面材４の厚さは、特に限定されるものではなく、中間体３の厚さ及び中空構造板１の厚さに応じて適宜設定することができる。

この表面材積層工程は、例えば、１組のローラーが、その回転軸が相互に平行になるように所定の間隔をあけて配置されている装置により実施することができる。この装置を使用して、表面材４を積層する際は、先ず、ダイから溶融状態の表面材シートを押し出したり、既にシート化された表面材シートを溶融状態にして送り出したりする。そして、ラミネート用のローラーによって加熱加圧され、予熱装置によって予熱された中間体３を、この溶融状態の２枚の表面材シートで挟み込むようにして、中間体３に表面材４を熱融着する。その後、表面材４が積層された中空構造板１を、空冷、冷却ロール及び冷却装置などによって冷却する。

なお、本実施形態の中空構造板１は、表面材４の上に、更に、熱可塑性樹脂シートやその他の材料を積層することができる。その積層材料としては、熱可塑性樹脂シート以外に、例えば熱硬化性樹脂シート、発泡シート、紙、織布、不織布、金属板、金属メッシュ体、金属酸化物板などが挙げられる。また、積層方法は、特に限定されるものではなく、例えば、熱融着、超音波融着、接着剤による接着、ラミネートなどの公知の方法を適用することができる。

また、図２では、シート成形工程と、熱融着工程とを、同一ライン上で連続的に行う例を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらを別ラインで行うこともできる。具体的には、ステップＳ１のシート成形工程で得られた成形シート２を、一旦巻き取るなどした後に、別途ステップＳ２の熱融着工程を実施するなどのオフラインで、非連続的に行ってもよい。

逆に、熱融着工程（熱融着部２０）の距離を近づけて、連続して行うこともできる。図７は本実施形態の中空構造板を製造する際に使用する製造装置の他の構成を模式的に示す図である。具体的には、図７に示すように、凹ローラー１２の近傍にピンローラー２１を配置することも可能である。これにより、成形直後の収縮が少ない状態（例えば収縮率０．５％以下）で、成形シート２の中空凸部２ａに、ピンローラー２１のピン２１ａを挿入することが可能となるため、中空構造板の生産安定性が向上し、更に、加熱槽３０も不要となる。

以上詳述したように、本実施形態の中空構造板の製造方法では、シート成形工程と、熱融着工程とを、別工程で行っているため、各工程で、温度条件や成形速度を自由に設定することができ、生産性が向上する。また、一方の工程の条件を変更しても、他方の工程にも影響しないため、条件の設定や変更がしやすく、作業性も向上する。

更に、シート成形工程において凹ローラーを使用しているため、中空凸部間のライナー部２ｂは成形されず、熱可塑性樹脂シート自体の平滑性が維持される。これにより、生産速度を上げて成形時間を短くしても中間体表面の平滑性が低下しにくくなるため、表面平滑性が良好な中空構造板が得られる。

なお、図２及び図７では、図５に示す構造の中空構造板１を製造するための装置構成を示しているが、ピンローラー２１の位置を変更することにより、図６に示す構造の中空構造板１を製造することが可能であり、その場合も、同様の効果が得られる。

また、本実施形態で採用した凹ローラーを使用した成形シートの製造手法は、図８に示すようなシングルコーンタイプの中空構造板８を製造する場合にも適用することができ、その場合も、生産速度を上げて成形時間を短くしても中間体表面の平滑性が低下しにくく、表面平滑性が良好な中空構造板が得られる。

１、６ 中空構造板
２ 成形シート
２ａ 凸部
２ｂ ライナー部
３、７ 中間体
４ 表面材
５ 熱可塑性樹脂シート
１０ 真空成形部
１１ 減圧チャンバー
１２ 凹ローラー
１２ａ 凹部
２１ ピンローラー
２１ａ ピン
２３ 押さえローラー
１３ ダイ
２０ 熱融着部
２２ 加熱治具
３０ 加熱槽

Claims (7)

1. 真空成形により、複数の逆錐台形状の凹部が形成された凹ローラーを使用し、熱可塑性樹脂シートに前記逆錐台形状の凹部に整合する錐台形状の中空凸部を複数成形して、成形シートを作製する真空成形工程と、
   前記真空成形工程でそれぞれ別個に成形された２枚の成形シートを、その中空凸部同士を向き合わせて熱融着し、一体化する熱融着工程と、を有し、
   前記熱融着工程では、複数のピンが設けられた１組のピンローラーを使用し、前記ピンローラーのピンを各成形シートの前記中空凸部に開口側から挿入し、前記ピンにより各中空凸部の頂点部分の少なくとも一部を内側から押圧する中空構造板の製造方法。
2. 更に、前記一体化する工程により得た中間体の両面に、表面材を積層する表面材積層工程を有することを特徴とする請求項１に記載の中空構造板の製造方法。
3. 前記熱融着工程を大気中で行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の中空構造板の製造方法。
4. 前記成形工程では、前記熱可塑性樹脂シートに前記中空凸部を千鳥状に成形することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の中空構造板の製造方法。
5. 減圧チャンバー内に複数の逆錐台形状の凹部が形成された凹ローラーが回転可能に配置され、前記凹ローラーによって熱可塑性樹脂シートを真空成形して、錐台形状の中空凸部が複数成形された成形シートを作製する真空成形部と、
   複数のピンが設けられた１組のピンローラーを備え、前記真空成形部で成形された２枚の成形シートを、その中空凸部同士を向き合わせて熱融着し、一体化する熱融着部と、を有し、
   前記熱融着部では、前記ピンローラーのピンが各成形シートの前記中空凸部に開口側から挿入され、前記ピンにより各中空凸部の頂点部分の少なくとも一部が内側から押圧される中空構造板の製造装置。
6. 前記熱融着部は、開放系であることを特徴とする請求項５に記載の中空構造板の製造装置。
7. 前記凹ローラーには前記逆錐台形状の凹部が千鳥状に形成されており、前記熱融着部の１組のピンローラーには前記ピンが千鳥状に設けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載の中空構造板の製造装置。