狭い円環状空隙に溶融プラスチックを流入させた場合の凝固特性

This paper deals with solidification and flow characteristics of high-density polyethylene plastics as polymer plastics in a narrow annular cavity cooled on an inner circular tube. The experiments are carried out with various parameters (plastics temperature, flow velocity of the plastics and cooling surface temperature). The obtained results show that the solidification layer formation of polymer plastics is affected by flow behavior and viscosity of molten polymer plastics. The useful dimensionless equations for predicting the amount of polymer plastics and the time of finishing the injection of the polymer plastics into the cavity are derived as a function of Reynolds number, cooling temperature ratio and Stefan number.

一般に、家電製品、自動車部品に多用されているプラスチック製品の大部分は、生産性の良さや複雑な形状のものが容易に成形できる特徴を有する射出成形法により作られている。射出成形法は、その成形プロセスにおいて、高温・高圧のプラスチックを急冷して成形するために、充填不良、”そり”、”ひけ”などの問題がしばしば起こるようである。近年、これらの諸問題の解決として、コンピュータを利用した数値シミュレーション手法により、流動プラスチックの凝固特性を予想する各種解析の試みがなされている。しかしながら、狭い空間でのプラスチックの流動、凝固現象の詳細な把握は十分になされていない現状にある。平井らは、二次元矩形ダクト内の流動プラスチックの凝固過程を、最初に冷却面上に形成されるスキン層と流動停止に伴って成長するコア層の凝固に分類し、特にスキン層の凝固現象が成形品の変形に大きな影響を与えることを数値計算により解明している。一方、黒崎らは、矩形キャビティ状金型内のプラスチック凝固に伴う残留応力をレーザー光照射によるプラスチック固-液相間の複雑屈折を利用した方法により測定し、金型内のプラスチックに発生する様々な応力関係を解明した。さらに吉井・金田は、近赤外光弾性法によるプラスチック成形品の残留応力の測定により、金型内のプラスチックの流動と冷却条件が、その成形品の性質に大きく影響を及ぼすことを明らかにしている。このように従来の研究において、金型内での高圧高温状態における成形物の残留応力解明に焦点を絞ったものが大部分であり、最も基本的な流動プラスチック樹脂の凝固現象を伝熱学的そして流体力学的立場より検討したものは少ないようである。本研究は、2重円管間に形成される狭い円環状空隙に、溶融プラスチックを下部より流動させ、円筒内壁より冷却させた場合の凝固現象を、流動凝固挙動の可視化観察、圧力変化そして凝固位置および凝固量の実測結果より解明するものである。本実験においては、大気圧より少し高い低圧力状態で溶融プラスチックを押込み低速流動を行うことにより、時間とともに徐々に冷却面近傍でのスキン凝固層の形成およびコア凝固層の成長の基本的挙動を明らかにするものである。従って本研究で取り上げられる低圧成形は一般に行われている高圧高速成形の際に発生する流動プラスチック樹脂の摩擦熱の発生は伴わないものである。本研究は、狭い空隙での流動凝固現象を基礎的に把握しようとするもので、実験パラメータとして溶融プラスチックの押込圧力、温度、流速そして冷却面温度を取り上げてある。最終的には、円環状空隙に流入するプラスチック量と流入完了に至るまでの時間を種々の無次元量にて整理した無次元式を提案するものである。

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