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博
士
学
位
論
文
射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明と
実用化に向けた機械特性予測に関する研究
2015 年 3 月
指導教員：山部
昌
金沢工業大学大学院工学研究科 博士後期課程
機械工学専攻
柿 島
浩 徳
射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明と
実用化に向けた機械特性予測に関する研究
第 1 章 緒論
1-1 は じ め に
1-2 発 泡 成 形 に 関 す る 研 究 動 向
1-3 射 出 発 泡 成 形 に 関 す る 研 究 動 向
1-3-1 射 出 発 泡 成 形
1-3-2 成 形 不 良
1-4 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 材 料 特 性 予 測 の 現 状 と 課 題
1-5 研 究 目 的
参考文献
1
2
3
5
5
9
12
15
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
2-1 緒 言
2-2 可 視 化 観 察
2-2-1 実 験 方 法
2-2-2 可 視 化 観 察 の 結 果 と 考 察
2-3 ポ リ プ ロ ピ レ ン 以 外 の 樹 脂 を 使 用 し た 場 合
2-4 結 言
参考文献
29
30
31
31
32
36
39
第 3 章 発泡構造の均一化制御
3-1 緒 言
3-2 CO 2 が 亜 臨 界 の 場 合
3-3 CO 2 が 超 臨 界 の 場 合
3-4 結 言
参考文献
65
66
67
68
70
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
4-1 緒 言
4-2 等 価 介 在 物 法
4-3 発 泡 層 の 弾 性 率 予 測
4-4 リ ブ を 有 す る 成 形 品 の 曲 げ 荷 重 に 対 す る 変 位 予 測
4-5 結 言
参考文献
83
84
86
89
94
97
第5章
結論
119
第1章
緒 論
第 1 章 緒論
1-1
はじめに
現 在 ，我 々 の 日 常 生 活 に 高 分 子 材 料 は 必 要 不 可 欠 で あ り ，高 分 子 材 料 の 成
形 加 工 に よ っ て 得 ら れ た 製 品 は 身 の 回 り に 多 く 存 在 す る ．日 用 品 や 衣 類 だ け
で な く ，自 動 車 部 品 等 の 工 業 材 料 や 住 宅・建 築 に 使 用 さ れ る 構 造 材 料 ，歯 車
や 軸 受 等 の 機 械 材 料 ，電 化 製 品 等 の エ レ ク ト ロ ニ ク ス 分 野 に も ，高 分 子 材 料
は 進 出 を 遂 げ て い る ．高 分 子 材 料 は ，そ の 名 の 通 り ，見 た 目 で は な く ，分 子
レ ベ ル で 区 別 さ れ た も の で あ る ．高 分 子 材 料 は 化 合 物 ，即 ち 低 分 子 化 合 物 に
比 べ ，分 子 量 が 非 常 に 高 い ．低 分 子 化 合 物 の 分 子 量 は ，そ の 多 く は 100 を 中
心 と し て 10～ 1,000 の 範 囲 に あ る が ，高 分 子 の 分 子 量 は ，通 常 10,000 以 上 で
ある
1)
． 高 分 子 材 料 は ， 1920 年 代 に ド イ ツ の Staudinger 2) に よ り ， 高 分 子 と
い う 概 念 が 提 示 さ れ て 以 降 ，人 工 的 に 合 成 さ れ る よ う に な り ，今 日 の 全 盛 時
代を迎えている．
高 分 子 材 料 は ，表 1-1 の よ う に ，プ ラ ス チ ッ ク ，ゴ ム ，繊 維 ，塗 料 ，印 刷
イ ン キ 及 び 接 着 剤 に 大 別 さ れ る ．現 在 ，こ の 中 で 最 も 使 用 量 が 多 い の は プ ラ
ス チ ッ ク で あ り ，高 分 子 材 料 全 体 の 約 80%を 占 め る と さ れ て い る
3)-4)
．表 1-1
の よ う に ，プ ラ ス チ ッ ク は ，性 質 の 違 い か ら 熱 可 塑 性 樹 脂 と 熱 硬 化 性 樹 脂 に
分 類 さ れ る ．熱 可 塑 性 樹 脂 の 種 類 は 多 く ，使 用 量 も 圧 倒 的 に 多 い ．熱 可 塑 性
樹 脂 は ，そ の 種 類 が 多 く ，使 用 量 も 圧 倒 的 に 多 い ．さ ら に ，熱 を 加 え る と 溶
融 流 動 し て 可 塑 性 を 持 つ よ う に な り ，冷 却 に よ り 固 化 す る ．こ の よ う に ，熱
可 塑 性 樹 脂 は ，加 熱 に よ る 溶 融 ，冷 却 に よ る 固 化 の 工 程 が 繰 り 返 し 可 能 と な
る ．一 方 ，熱 硬 化 性 樹 脂 は ，常 温 で 流 動 性 を 持 っ て い る ，或 い は 加 熱 す る と
流 動 性 を 帯 び る 比 較 的 分 子 量 の 低 い 高 分 子 に ，触 媒 等 を 加 え て 加 熱 す る と 化
学 変 化 を 起 こ し て 硬 化 す る ．硬 化 し た 樹 脂 は ，再 度 加 熱 し て も 流 動 状 態 に は
な ら ず ，さ ら に 高 温 に 熱 す る と 分 解 す る ．こ の よ う に ，熱 硬 化 性 樹 脂 は ，熱
を加えても，軟化，溶融が不可逆的な変化を示す樹脂である
5)
．
ま た 近 年 ，他 の 異 種 材 料 と 組 み 合 わ せ ，新 た な 機 能 を 付 加 し た プ ラ ス チ ッ
ク の 開 発 が 進 ん で い る ．こ れ ら は 機 能 性 材 料 ，或 い は 複 合 材 料 と 呼 ば れ て お
り ，そ の 一 例 と し て ，炭 素 繊 維 や ガ ラ ス 繊 維 を 組 み 合 わ せ た 繊 維 強 化 プ ラ ス
1. Introduction
2
第 1 章 緒論
チ ッ ク （ Fiber Reinforced Plastics） が あ る ． さ ら に ， 今 後 ， 需 要 拡 大 が 期 待
さ れ て い る 複 合 材 料 の 1 つ に ，プ ラ ス チ ッ ク に 多 数 の 気 泡 を 生 成 さ せ た 発 泡
プ ラ ス チ ッ ク が あ る ．そ の 中 で 最 も 多 く 使 用 さ れ て い る の は ，一 般 的 に「 発
泡 ス チ ロ ー ル 」と 呼 ば れ て い る 発 泡 プ ラ ス チ ッ ク で あ る ．こ れ は ，ポ リ ス チ
レ ン に 微 細 な 気 泡 を 生 成 さ せ 硬 化 さ せ た 素 材 で あ り ，食 品 ト レ ー や 梱 包 材 と
し て 利 用 が 進 ん で い る ．ま た ，発 泡 プ ラ ス チ ッ ク の 成 形 加 工 に は ，発 泡 成 形
法 が あ る ．発 泡 成 形 法 は ，気 泡 を 生 成 さ せ る た め の ガ ス を 供 給 す る 物 質 で あ
る 発 泡 剤 を 使 用 し ，高 分 子 材 料 の 中 に 気 泡 を 分 散・固 定 化 さ せ る 成 形 法 で あ
る ．使 用 す る 発 泡 剤 の 詳 細 は 後 述 す る が ，物 理 発 泡 剤 と 化 学 発 泡 剤 に 大 別 さ
れ ， 最 近 で は ， 人 や 地 球 環 境 に や さ し い 超 臨 界 状 態 の 二 酸 化 炭 素 （ CO 2 ） や
窒 素（ N 2 ）も 多 く 使 用 さ れ て い る
6)
．発 泡 プ ラ ス チ ッ ク の 性 質 は ，高 分 子 材
料 の 種 類 や 気 泡 径 ，気 泡 の 形 状 に よ っ て 大 き く 異 な り ，用 途 に 応 じ て 設 計 さ
れる
7)
．こ の よ う に ，発 泡 プ ラ ス チ ッ ク は ，プ ラ ス チ ッ ク と 気 泡 の 複 合 材 料
で あ り ，様 々 な 機 能 が 付 加 さ れ て い る ．代 表 的 な 機 能 と し て ，軽 量 性 が 挙 げ
ら れ る ．例 え ば ，発 泡 プ ラ ス チ ッ ク を 自 動 車 部 品 に 適 用 す る こ と で ，部 品 の
軽 量 化 に よ っ て 燃 費 の 向 上 に 繋 が り ，環 境 負 荷 の 低 減 が 期 待 さ れ る ．そ の 他
の 機 能 と し て ，断 熱 性 ，衝 撃 吸 収 性 ，吸 音 性 が 挙 げ ら れ ，自 動 車 部 品 だ け で
なく，幅広い分野から注目を集めている
1-2
8)
．
発泡成形に関する研究動向
1980 年 代 初 期 に ，マ サ チ ュ ー セ ッ ツ 工 科 大 学 の N.P.Suh 教 授 ら に よ り ，マ
イクロセルラープラスチックと呼ばれる微細な気泡を有する発泡プラスチ
ッ ク が 提 案 さ れ て 以 来 ，発 泡 プ ラ ス チ ッ ク の 成 形 加 工 技 術 は 飛 躍 的 に 発 達 し
てきた
9)10)
．従 来 の 発 泡 成 形 法 は ，図 1-1 の よ う な バ ッ チ 式 発 泡 成 形 法
11)-13)
が主流であった．バッチ式発泡成形法の成形プロセスは，まず耐圧性の装
置・容 器 に 樹 脂 材 料 を 入 れ ，高 圧 下 に お い て ，発 泡 剤 と し て 使 用 す る 超 臨 界
状 態 の CO 2 を 樹 脂 材 料 に 含 浸 さ せ る ．次 に ，樹 脂 材 料 内 の 発 泡 剤 が 飽 和 に 達
した後，急激に減圧させることで，気泡が生成し，成長する．
1. Introduction
3
第 1 章 緒論
バ ッ チ 式 発 泡 成 形 法 に 関 す る 研 究 と し て ，新 保 ら
12)
は ，発 泡 成 形 品 の 曲 げ
強度特性が発泡に伴う気泡壁の分子配向によってなされるとの推定の下で，
材料にポリスチレンを使用した発泡成形品の曲げ強度向上について検討し
て い る ．気 泡 の 微 細 化 に 伴 い 気 泡 壁 の 表 面 積 が 増 加 し ，気 泡 壁 の 分 子 配 向 が
向 上 す る こ と に よ り ，発 泡 倍 率 な ら び に 応 力 集 中 か ら 推 定 さ れ る 曲 げ 強 度 よ
り も 高 く な る こ と を 明 ら か に し て い る ． さ ら に ， 厚 さ が 3mm， 4mm と 比 較
的 厚 み が 大 き い 発 泡 成 形 品 に お い て も ，気 泡 径 を 小 さ く し 気 泡 数 を 増 や す こ
とで，曲げ強度を向上できることを示している．志熊ら
14)
は，発泡温度を
150℃ ～ 160℃ に 設 定 し ，ポ リ プ ロ ピ レ ン を 高 圧 CO 2 に 5 時 間 含 浸 さ せ て 発 泡
成 形 品 を 得 て い る ． X 線 小 角 散 乱 法 （ SAXS） に よ っ て ， ポ リ プ ロ ピ レ ン の
結 晶 構 造 が 発 泡 成 形 品 の 微 細 構 造・発 泡 構 造 に 与 え る 影 響 を 明 ら か に し て い
る ．ま た ，伊 藤 ら
15)
は ，架 橋 構 造 を 有 す る ポ リ ス チ レ ン を 材 料 と し て 使 用 し ，
そ れ を オ ー ト ク レ ー ブ に 入 れ ， 100℃ ま で 加 熱 し た 後 ， CO 2 で 20MPa ま で 加
圧し，7 時間含浸させて発泡成形品を得ている．架橋構造を有するポリスチ
レ ン を 使 用 し た バ ッ チ 式 発 泡 プ ロ セ ス に よ る 発 泡 成 形 に お い て ，気 泡 の 有 無 ，
気 泡 の 大 き さ は ，架 橋 点 分 子 量（ M C ）及 び そ れ と 共 に 変 化 す る 表 面 張 力 に 密
接な関係があることを示している．
こ の よ う に ，バ ッ チ 式 発 泡 成 形 法 に 関 し て ，種 々 の 研 究 或 い は 検 討 が な さ
れ て い る ．圧 力 容 器 内 で 発 泡 剤 を 樹 脂 材 料 に 含 浸 さ せ ，減 圧 に よ り 気 泡 を 生
成させるバッチ式発泡成形法は，多くの工程が静的な状態で行われるため，
安 定 し て 微 細 発 泡 体 を 得 ら れ や す い ．さ ら に ，気 泡 径 や 気 泡 密 度 等 に 与 え る
制 御 因 子 も 少 な い た め ，最 適 条 件 を 求 め や す い こ と か ら ，微 細 発 泡 体 を 得 る
に は ，現 時 点 で は 最 適 な 方 法 で あ る と 言 わ れ て い る ．一 方 ，バ ッ チ 式 発 泡 成
形 法 に は ，発 泡 剤 を 樹 脂 材 料 に 含 浸 さ せ る 工 程 に 大 半 の 時 間 を 消 費 さ れ ，生
産 性 が 低 い ．発 泡 剤 を 含 浸 さ せ る 工 程 に 要 す る 時 間 は ，数 時 間 か ら ，形 状 や
材 質 に よ っ て は 数 日 を 要 す る こ と も あ る ．さ ら に ，生 産 性 を 上 げ る た め ，大
き な 圧 力 容 器 や 耐 圧 性 の 容 器 を 使 用 す る こ と と な る が ，発 泡 剤 を 高 圧 で 含 浸
さ せ る 工 程 に お け る 安 全 性 や 法 的 な 制 限 も 多 い ．こ れ ら に よ り ，バ ッ チ 式 発
1. Introduction
4
第 1 章 緒論
泡成形法が現在の市場を占める割合は非常に少ないのが現状である．
1-3
1-3-1
射出発泡成形に関する研究動向
射出発泡成形
バ ッ チ 式 発 泡 成 形 法 の 生 産 性 の 低 さ を 解 決 す る た め に ，現 在 で は 成 形 品 を
連 続 し て 得 ら れ る 成 形 法 が 注 目 さ れ て い る ．連 続 的 に 成 形 品 を 得 る 連 続 成 形
法 は ，工 場 の 生 産 ラ イ ン の よ う に 成 形 プ ロ セ ス が 直 列 と な っ て い る 成 形 法 で
あ る ．代 表 的 な 連 続 成 形 法 に は ，押 出 成 形 ，射 出 発 泡 成 形 等 が あ る ．押 出 成
形法は，主に電線，パイプやチューブ，シート等の成形に使用されている．
射 出 発 泡 成 形 は ，射 出 成 形 機 を 使 用 し ，発 泡 剤 を 混 合 し 溶 解 さ せ た 溶 融 樹 脂
を金型内に射出し，発泡成形品を連続的に得ることが可能な成形法である．
さ ら に ，同 一 形 状 の 製 品 ，或 い は 複 雑 形 状 の 製 品 を 短 時 間 に ，か つ 大 量 に 生
産することができるという射出成形法のメリットを取り入れた成形法であ
る ．そ の た め ，自 動 車 の バ ン パ ー や ダ ク ト ，内 部 の フ レ ー ム 等 の 複 雑 形 状 の
成 形 に 適 し て お り ，今 後 も 自 動 車 部 品 へ の 応 用 が 期 待 さ れ て い る ．射 出 発 泡
成 形 で は ，樹 脂 材 料 に は ，主 に 熱 可 塑 性 樹 脂 が 使 用 さ れ る ．ま た ，射 出 成 形
の 工 程 は ，「 溶 か す 」，「 流 す 」，「 固 め る 」 の 3 工 程 か ら な る が ， 射 出 発 泡 成
形 で は「 気 泡 が 生 成 す る 」，
「 気 泡 が 成 長 す る 」，
「 気 泡 の 成 長 が 停 止 す る 」と
いう工程が加わる
16)
．近 年 ，生 産 性 の 低 い バ ッ チ 式 発 泡 成 形 法 に 替 わ る 新 た
な 成 形 法 と し て ，射 出 発 泡 成 形 は 注 目 を 集 め る と と も に ，関 連 し た 研 究 が 盛
ん に 行 わ れ る よ う に な っ て き た ．さ ら に ，産 業 界 や 市 場 で も ，材 料 費 や 生 産
コ ス ト を 削 減 し ，製 品 の 加 工・組 立 工 程 数 を 低 減 可 能 で あ る こ と か ら ，納 期
やリードタイムの短縮に繋がると期待されている．
射 出 発 泡 成 形 に お い て ，発 泡 剤 は ，気 泡 を 生 成 す る た め の ガ ス を 供 給 す る
物 質 で あ り ，化 学 発 泡 剤 と 物 理 発 泡 剤 に 大 別 さ れ る ．発 泡 剤 に 化 学 発 泡 剤 を
使 用 し た 化 学 発 泡 法 で は ， ア ゾ ジ カ ル ボ ン ア ミ ド （ ADCA） や 重 曹 等 が 発 泡
剤 と し て 使 用 さ れ て い る ．化 学 発 泡 法 の 基 本 的 な 原 理 は ，文 字 通 り 樹 脂 材 料
と 発 泡 剤 の 化 学 反 応 に よ る も の で あ り ，熱 分 解 に よ り 発 生 す る ガ ス 成 分 が 気
1. Introduction
5
第 1 章 緒論
泡 と し て 生 成 し ，成 長 す る ．化 学 発 泡 剤 そ の も の は 粉 末 状 で あ る が ，実 際 の
成 形 で は ，ポ リ エ チ レ ン や ポ リ ス チ レ ン 等 の 熱 可 塑 性 樹 脂 に 混 合 し た マ ス タ
ー バ ッ チ と し て 使 用 さ れ る こ と も 多 い ．図 1-2 に ，ア ゾ ジ カ ル ボ ン ア ミ ド 系
の 化 学 発 泡 剤 の 熱 分 解 特 性 を 示 す ．図 1-2 は ，化 学 発 泡 剤 と し て ，ポ リ ス レ
ン EE25C（ 永 和 化 成 工 業 ）を 使 用 し ，あ る 温 度 下 に お け る 発 泡 剤 の 熱 分 解 特
性 を ガ ス 量 計 測 装 置（ 永 和 化 成 工 業 ）で 計 測 し た 結 果 で あ る ．な お ，ポ リ ス
レ ン EE25C は ， キ ャ リ ア レ ジ ン に ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し た マ ス タ ー バ ッ チ
で あ る ．図 1-2 か ら ，温 度 が 高 く な る ほ ど ，熱 分 解 に よ り ガ ス が 発 生 す る タ
イ ミ ン グ が 早 く な り ，発 生 す る ガ ス 量 も 多 い こ と が 確 認 で き る ．化 学 発 泡 法
の利点としては，特別な装置を必要とせずに成形できることが挙げられる ．
さ ら に ，気 泡 径 や 気 泡 含 有 率 等 の 発 泡 構 造 を 制 御 し や す い た め ，現 在 の 射 出
発 泡 成 形 で は 化 学 発 泡 法 が 主 流 と な っ て お り ，そ の 応 用 も 進 ん で い る ．一 方 ，
化 学 発 泡 法 の 欠 点 と し て は ，発 泡 剤 の 副 生 成 物 が 成 形 品 の 中 に 残 り ，そ れ が
樹 脂 本 来 の 性 質 を 変 化 さ せ る 可 能 性 が あ る こ と で あ る ．ま た ，副 生 成 物 が 製
品 の 使 用 中 に 溶 出 す る こ と に よ っ て ，人 体 へ の 影 響 や 機 械 特 性 の 変 化 等 が 懸
念される．
物 理 発 泡 剤 を 使 用 し た 物 理 発 泡 法 の 基 本 的 な 原 理 は ，ま ず 可 塑 化 工 程 に お
い て ，溶 融 状 態 の 樹 脂 材 料 に 発 泡 剤 を 混 練 し 溶 解 さ せ ，シ リ ン ダ 内 に ガ ス 成
分 が 均 一 に 溶 解 し た ポ リ マ ー 溶 液 を 生 成 さ せ る ．こ の 際 ，射 出 ノ ズ ル の 先 端
は ，遮 断 弁 に よ っ て 一 時 的 に 閉 鎖 し て ，圧 力 降 下 に よ る 先 端 で の 発 泡 を 抑 え
て い る ．次 い で ，射 出 工 程 で は ，射 出 ノ ズ ル の 遮 断 弁 が 一 気 に 解 放 さ れ ，大
気 圧 下 に 減 圧 さ れ る こ と に よ っ て ，樹 脂 材 料 に 溶 解 し て い た ガ ス 成 分 が 気 泡
と し て 生 成 し ，成 長 す る ．一 方 ，樹 脂 の 粘 度 が 上 昇 し た 成 形 品 の 表 層（ 金 型
と の 界 面 ）で は ，金 型 表 面 か ら 熱 が 奪 わ れ ，気 泡 が 生 成 で き な い 状 態 と な る ．
こ れ に よ り ，成 形 品 の 断 面 方 向 か ら み る と ，無 発 泡 ス キ ン 層 と 発 泡 層 に よ る
3 層構造が形成される
17)
．従 来 ，発 泡 剤 と し て ，ク ロ ロ フ ル オ ロ カ ー ボ ン や
フ ロ ン フ ル オ ロ カ ー ボ ン ，ブ タ ン 等 が 使 用 さ れ て い た ．し か し ，そ れ ら の 代
替 と し て ， 近 年 ， 地 球 環 境 へ の 負 荷 を 低 減 さ せ る 目 的 で CO 2 や N 2 が 注 目 を
1. Introduction
6
第 1 章 緒論
集 め て い る ． CO 2 や N 2 は 無 毒 性 で あ る こ と や ， 比 較 的 容 易 に 超 臨 界 状 態 に
す る こ と が 可 能 な た め ，CFC や フ ロ ン に 替 わ る 新 た な 発 泡 剤 と し て 期 待 さ れ
て い る ． CO 2 や N 2 は ， 低 温 で 超 臨 界 状 態 を 実 現 で き る た め ， 発 泡 剤 へ の 利
用に限らず，他分野において注目されている．
超 臨 界 状 態 の CO 2 や N 2 は ，超 臨 界 流 体 と 呼 ば れ て い る
18)-27)
．超 臨 界 流 体
が 日 本 で 組 織 的 ， 系 統 的 に 研 究 さ れ 始 め た の は ， 1980 年 代 初 め か ら で あ る ．
現 在 で は ，着 実 に 進 歩 を 遂 げ ，材 料 ，ナ ノ テ ク ノ ロ ジ ー ，エ ネ ル ギ ー ，バ イ
オ ，環 境 等 の 非 常 に 多 く の 分 野 ，か つ 次 世 代 を 担 う 重 要 な 分 野 に お け る 要 素
技 術 と し て 応 用 が 進 ん で い る ．物 質 は ，温 度 及 び 圧 力 の 条 件 に よ り ，固 体 －
液 体 － 気 体 の 3 つ の 状 態 を と る ．以 上 を ま と め て ，物 質 の 三 態 ，或 い は 三 相
と も 呼 ば れ て い る ． 図 1-3 に ， 一 例 と し て CO 2 の P-T 線 図 を 示 す
28)-30)
．気
体 － 液 体 の 境 界 線 は 蒸 気 圧 線 と 呼 ば れ ，三 重 点 か ら 始 ま り 臨 界 点 ま で 続 い て
い る ．こ の 臨 界 点 以 上 の 温 度 で は ，気 体 を 圧 縮 し て も 液 化 し な い こ と を 示 し
ており，臨界点以上の温度にある液体は超臨界流体と呼ばれている
31)-35)
．
一 般 に は ，臨 界 温 度（ T C ）だ け で な く ，臨 界 圧 力（ P C ）以 上 の 場 合 を 超 臨 界
状 態 と 呼 ぶ 場 合 が 多 い ．超 臨 界 流 体 は ，気 体 或 い は 液 体 の 区 別 が つ か な い 状
態 に あ り ，液 体 に 近 い 高 密 度（ 非 凝 縮 性 ）と ，気 体 に 近 い 高 拡 散 性・低 粘 性
を兼ね備えた特異な流体である
36)37)
．ま た ，超 臨 界 流 体 は 安 価 ，低 コ ス ト で
あ り ，人 や 地 球 環 境 に 無 害 で リ サ イ ク ル 性 も あ る こ と か ら ，様 々 な 分 野 で 工
業的に利用されている．
射 出 発 泡 成 形 に 超 臨 界 流 体 を 利 用 し た 研 究 と し て ，以 下 の よ う な 例 が あ る ．
佐藤ら
38)
は ，ポ リ マ ー 成 形 加 工 に お い て ，超 臨 界 流 体 の 利 用 技 術 を 促 進 す る
と と も に ，そ の 実 用 化 に 向 け た 支 援 ツ ー ル の 開 発 を 目 的 と し ，超 臨 界 流 体 が
ポリマーへ溶解する際の物性値測定及び推算について検討を行っているが，
支 援 ツ ー ル と し て の 射 出 成 形 シ ミ ュ レ ー タ 開 発 に は 至 っ て い な い ．菊 池 ら
39)
は ， CO 2 等 の 超 臨 界 流 体 を 利 用 し た 射 出 発 泡 成 形 に 対 応 し た 射 出 成 形 CAE
を 開 発 す る こ と を 目 的 と し ， CO 2 溶 解 に よ る 可 塑 化 効 果 を
Sanchez-Lacombe(S-L)状 態 式 に よ る 粘 度 推 算 方 法 を 使 用 し て 解 析 上 で 再 現 し
1. Introduction
7
第 1 章 緒論
て い る ． さ ら に ， 成 形 品 外 観 予 測 の た め ， PS+CO 2 の 試 験 平 板 を 使 用 し て 成
形 実 験 を 行 い ， 表 面 発 泡 と CO 2 注 入 率 （ 供 給 量 ）， 射 出 速 度 ， 樹 脂 温 度 の 関
係を考察している．
射 出 発 泡 成 形 に 関 す る 研 究 と し て ，山 田 ら
40)
は ，射 出 発 泡 成 形 に お け る 発
泡 構 造 の 生 成 機 構 を 明 ら か に す る た め ，成 形 中 に お け る 金 型 内 の 圧 力 状 態 を
把 握 し ，成 形 品 断 面 に お け る 気 泡 分 布 の 定 量 化 を 行 っ て い る ．定 量 化 に よ り
得られた気泡分布に基づいて成形品内部の発泡構造を層構造として抽出し，
成 形 品 位 置 及 び 成 形 条 件 の 変 化 に よ る 層 構 造 の 変 化 を 明 確 に 示 し て い る ．ま
た ，山 田 ら
41)
は ，段 差 形 状 を 有 す る 成 形 品 を 対 象 に ，段 差 部 領 域 に お け る 発
泡 構 造 及 び 段 差 部 底 面 に 対 向 す る 平 坦 面 の 表 面 状 態 を 明 ら か に し ，そ の 生 成
プ ロ セ ス に つ い て 検 討 し て い る ．Mahmoodi ら
42)
は ，射 出 発 泡 成 形 に お い て ，
あ る 圧 力 下 の 破 泡 現 象 に 着 目 し な が ら ，ガ ス が 充 填 さ れ た 溶 融 ポ リ マ ー 系 に
お い て ，独 立 し た 気 泡 が 非 等 温 状 態 で 球 状 に 成 長 し て い る と 仮 定 し ，そ の 成
長 を 理 論 的 に 予 測 し て い る ．さ ら に ，可 視 化 手 法 に よ り 非 等 温 条 件 下 の 気 泡
の 成 長 挙 動 を モ ニ タ ー し ，破 泡 現 象 は ，保 圧 と 気 泡 の 成 長 時 間 に 強 く 依 存 す
る こ と を 明 ら か に し て い る ．Yuan ら
43)
は ，樹 脂 材 料 に PA-6 を ベ ー ス と し た
ナ ノ 複 合 材 料 ，発 泡 剤 に 超 臨 界 状 態 の N 2 を 使 用 し た 射 出 発 泡 成 形 に お い て ，
成 形 の 利 点 と そ の 特 性 改 善 に つ い て 検 討 を 行 っ て い る ．こ れ に よ り ，ナ ノ 複
合材料を樹脂材料として使用した射出発泡成形品は，気泡径が微細となり，
均 一 な 気 泡 径 の 分 布 と な る こ と ， さ ら に は PA-6 を 樹 脂 材 料 と し た 射 出 発 泡
成形品に比べてより高い引張強度を有していることを明らかにしている．
射 出 発 泡 成 形 は ，連 続 的 に 成 形 品 を 得 る こ と が 可 能 で あ る こ と か ら ，バ ッ
チ 式 発 泡 成 形 法 に 替 わ る 新 た な 成 形 法 と し て ，現 在 の モ ノ づ く り に お い て 不
可 欠 で あ る ．し か し ，射 出 発 泡 成 形 で は ，得 ら れ る 成 形 品 の 品 質 レ ベ ル は 一
定 で は な く ，実 際 の 成 形 で は ，成 形 不 良 と 呼 ば れ る 不 良 ト ラ ブ ル が 発 生 す る ．
次 節 で は ，射 出 発 泡 成 形 に お け る 成 形 不 良 に 関 す る 研 究 動 向 に つ い て 記 述 す
る．
1. Introduction
8
第 1 章 緒論
1-3-2
成形不良
こ れ ま で 述 べ て き た 通 り ，射 出 発 泡 成 形 は 連 続 的 に 成 形 品 を 得 る こ と が 可
能 な た め ，現 在 の モ ノ づ く り に は 不 可 欠 な 成 形 法 で あ る ．一 方 で ，射 出 発 泡
成 形 で は ，得 ら れ る 成 形 品 の 品 質 レ ベ ル は 一 定 で は な く ，成 形 不 良 と 呼 ば れ
る 不 良 ト ラ ブ ル が 発 生 す る ．射 出 発 泡 成 形 で 発 生 す る 成 形 不 良 と し て ，ウ ェ
ル ド ラ イ ン に よ り 外 観 不 良 ，強 度 低 下 に 繋 が る も の ，ス ワ ー ル マ ー ク（ 銀 白
色 の 条 痕 ）に よ る 外 観 不 良 に 関 す る も の が あ る
44)
．ま た ，CO 2 を 発 泡 剤 に 使
用 し た 射 出 発 泡 成 形 で は ，標 準 的 な 成 形 条 件 で 成 形 を 行 う と ，図 1-4 の よ う
に同一の成形品で，微細な気泡が生成する領域（以下，領域①と定義する）
と 径 の 大 き い 気 泡 が 生 成 す る 領 域（ 以 下 ，領 域 ② と 定 義 す る ）の 2 種 類 の 発
泡 構 造 が 生 成 し ，気 泡 径 が 二 極 化 す る と い っ た 現 象 が み ら れ る ．こ れ は ，外
観 不 良 や 機 械 特 性 の バ ラ つ き に 繋 が り ，成 形 品 の 品 質 を 低 下 さ せ る 要 因 と な
っ て い る ． 図 1-4 は ， 各 領 域 に お け る 気 泡 径 分 布 を 計 測 し た 結 果 で あ る が ，
CO 2 の 供 給 圧 力 に よ っ て 生 成 す る 発 泡 構 造 に 差 異 が あ る こ と を 確 認 で き る ．
さ ら に ，図 1-4 か ら ，供 給 圧 力 が 15.0MPa の 条 件 で は ，領 域 ① が 成 形 品 の 大
半 を 占 め て お り ， CO 2 の 供 給 圧 力 が 7.0MPa の 条 件 で は ， 領 域 ② が 成 形 品 の
大 半 を 占 め て い る ．こ れ は ，成 形 に お い て ，各 領 域 の 気 泡 が 生 成 す る 要 因 や
メ カ ニ ズ ム が 異 な る た め で あ る と 考 え ら れ る ．そ こ で ，本 研 究 で は ，金 型 内
の可視化観察により，充填過程を観察した．さらに，観察の結果を踏まえ，
発泡構造の均一化制御を行った．
射 出 発 泡 成 形 に お け る 成 形 不 良 に 関 す る 研 究 と し て ，山 田 ら
45 )
は ，成 形 品
表 面 に 発 生 す る ス ワ ー ル マ ー ク を 抑 制 す る こ と を 目 的 と し ，射 出 発 泡 成 形 に
お け る 金 型 キ ャ ビ テ ィ の 表 面 温 度 及 び 冷 却 作 用 が ，成 形 品 表 面 に 与 え る 影 響
に つ い て 検 討 を 行 っ て い る ． 射 出 開 始 前 の 金 型 温 度 を ガ ラ ス 転 移 温 度 Tg 以
上 に 加 熱 す る と ，ス ワ ー ル マ ー ク が 消 失 す る こ と を 確 認 し て い る ．ま た ，山
田ら
46)
は ， 樹 脂 材 料 に 耐 衝 撃 ポ リ ス チ レ ン ， 発 泡 剤 に 超 臨 界 N2 を 使 用 し た
射 出 発 泡 成 形 に お い て ，障 害 ピ ン（ 流 動 障 害 物 ）後 方 に お け る ウ ェ ル ド ラ イ
ン 領 域 の 発 泡 構 造 を 成 形 品 の 断 面 観 察 に よ り 明 ら か に し て い る ．ウ ェ ル ド ラ
1. Introduction
9
第 1 章 緒論
イ ン は ，溶 融 樹 脂 の 流 動 が 合 わ さ る 箇 所 に 生 じ る 線 状 の も の で あ り ，外 観 不
良 や 強 度 低 下 に 繋 が る ．ま た ，透 明 な 汎 用 ポ リ ス チ レ ン を 樹 脂 材 料 と し て 使
用 し ，金 型 内 に お け る 充 填 過 程 の 動 的 な 可 視 化 観 察 を 行 い な が ら 発 泡 構 造 の
生 成 プ ロ セ ス を モ デ ル 的 に 提 示 し て い る ．長 谷 川 ら
47)
は ，金 型 内 に お け る 充
填 過 程 の 可 視 化 観 察 に よ り ，ス ワ ー ル マ ー ク の 発 生 に 与 え る 成 形 条 件 の 影 響
と そ の 発 生 メ カ ニ ズ ム を 明 ら か に す る と と も に ，ス ワ ー ル マ ー ク を 抑 制 可 能
な 成 形 条 件 を 提 案 し て い る ．流 動 中 に 生 成 し た 気 泡 が 金 型 に 触 れ ，破 泡 す る
こ と で ス ワ ー ル マ ー ク が 発 生 す る こ と を 明 ら か に し て お り ，そ の 発 生 に 最 も
影 響 を 与 え る 成 形 条 件 は 射 出 速 度 で あ る こ と を 示 し て い る ．し か し ，現 在 の
射 出 発 泡 成 形 に お い て ，同 一 の 成 形 品 で 異 な る 発 泡 構 造 が 生 成 す る 不 良 に 関
して，研究がなされている例はない．
成 形 加 工 技 術 の 分 野 や 成 形 加 工 対 象 の 相 違 に 関 わ ら ず ，全 て の モ ノ づ く り
の 基 本 に は ，『 現 象 を 正 確 に 理 解 す る こ と 』 が 最 も 重 要 な テ ー マ で あ る ． 成
形現象（成形プロセス）の解明は，成形不良対策にとどまらず，射出成形
CAE に よ る 予 測 技 術 の 確 立 を 先 導 す る と と も に ，新 規 成 形 技 術 の 開 発 等 の 基
盤 を な し て い る ．成 形 現 象 の 解 明 に ，可 視 化 技 術 及 び 各 種 計 測 技 術 が 果 た し
て き た 役 割 は 大 き く ，今 後 も さ ら な る 発 展 が 期 待 さ れ る
48)
．可 視 化 技 術 と は ，
そ の 言 葉 の 通 り ，「 見 え な い も の 」を「 見 え る よ う に す る 」技 術 ，つ ま り “見
え る 化 ”す る 技 術 で あ る ． 高 精 度 か つ 高 機 能 で ， 付 加 価 値 の 高 い 成 形 加 工 技
術 が 益 々 求 め ら れ て い る 昨 今 に お い て ，複 雑 な 成 形 現 象 を “見 え る 化 ”し ，正
確に現象を把握，定量化することが重要となっている．
射 出 成 形 法 で は ，樹 脂 材 料 を ホ ッ パ ー に 投 入 後 ，金 型 を 開 い て 成 形 品 と し
て 取 り 出 す ま で ，成 形 過 程 が 全 て 成 形 機 ，特 に シ リ ン ダ と 金 型 に 封 印 さ れ た
ブ ラ ッ ク ボ ッ ク ス の よ う な も の で あ る こ と か ら ，現 象 の 解 明 が 非 常 に 困 難 で
あ っ た ．し か し ，現 在 で は ，可 視 化 技 術 の 発 展 に よ り ，実 際 に 金 型 内 で 溶 融
樹 脂 が ど の よ う に 流 動 し て い る か ，或 い は ど の よ う に 固 化 す る の か 等 ，成 形
現象をより正確に把握できるようになってきた．
射 出 成 形 法 に お け る 可 視 化 観 察 に 関 す る 研 究 と し て ，ガ ラ ス 繊 維 等 を 使 用
1. Introduction
10
第 1 章 緒論
した繊維強化樹脂の射出成形法における繊維の配向挙動及び折損状況の観
察 に 関 す る も の や ， 射 出 成 形 CAE の 解 析 精 度 向 上 に 関 す る も の が あ る ． 内
田ら
49)
は ， 射 出 成 形 CAE に よ る そ り 解 析 精 度 の 向 上 に 向 け ， 透 明 性 の 高 い
ポ リ ス チ レ ン に ガ ラ ス 繊 維 を 混 練 し ，金 型 内 に お け る 樹 脂 の 流 動 挙 動 ，並 び
に 繊 維 の 配 向 挙 動 を 観 察 し ，繊 維 配 向 メ カ ニ ズ ム を 明 ら か に し て い る ．繊 維
配 向 は ，成 形 品 の 板 厚 方 向 で 異 な り ，射 出 速 度 の 変 化 に よ っ て ス キ ン 層 と コ
ア 層 付 近 に お け る 繊 維 配 向 が 変 化 す る こ と を 示 し て い る ．横 井 ら
50)
は ，ガ ラ
ス 繊 維 を 使 用 し た 射 出 成 形 法 に お い て ，安 定 し た 成 形 技 術 の 確 立 及 び 成 形 品
の 効 率 的 な 高 機 能 化 を 目 的 と し ，シ リ ン ダ 内 の 可 視 化 観 察 に よ り ，樹 脂 材 料
の 溶 融 及 び 可 塑 化 工 程 に お け る ガ ラ ス 繊 維 の 折 損 状 況 を 観 察 し て い る ．山 部
ら
51)
は ， 射 出 成 形 CAE の 解 析 精 度 向 上 を 目 的 と し ， 可 視 化 観 察 に よ っ て 金
型 内 の 樹 脂 流 動 を 観 察 し ， そ の 結 果 を CAE 解 析 に 反 映 す る こ と で ， 解 析 精
度 の 向 上 へ と 繋 げ て い る ．可 視 化 観 察 に よ り ，固 化 層 の 成 長 を 定 量 化 し ，そ
れを解析モデルに反映することで解析精度の向上が図られている．
一 方 ，射 出 発 泡 成 形 に お け る 可 視 化 観 察 に 関 す る 研 究 と し て ，以 下 の よ う
な報告がある．小松ら
52)
は ， 樹 脂 材 料 に 種 々 の 熱 可 塑 性 樹 脂 ， 発 泡 剤 に N2
を 使 用 し た 射 出 発 泡 成 形 に お い て ，金 型 内 に お け る 気 泡 の 生 成・成 長 挙 動 の
可 視 化 観 察 と ，樹 脂 表 面 温 度 と 圧 力 の 変 化 の モ ニ タ リ ン グ を 行 っ て い る ．樹
脂 材 料 に ポ リ カ ー ボ ネ ー ト を 使 用 し た 成 形 に お い て ，金 型 内 へ の 樹 脂 の 充 填
過程でフローフロントにおける微細な気泡が破泡しながら流動している様
子 が 観 察 さ れ て い る ． そ の 後 ， コ ア 層 で の 気 泡 生 成 ・ 成 長 が 射 出 開 後 5.68s
か ら 14.15s の 間 に 生 じ て ，そ の 際 に 樹 脂 温 度 が 169.8℃ か ら 102.9℃ ，樹 脂 圧
力 が 35.3MPa か ら 20.9MPa へ と 低 下 す る こ と を 明 ら か に し て い る ．ま た ，小
松ら
17)
は ， 樹 脂 材 料 に 3 種 類 の 熱 可 塑 性 樹 脂 ， 発 泡 剤 に N2 を 使 用 し た 射 出
発 泡 成 形 に お い て ，可 視 化 観 察 に よ っ て 金 型 内 の 発 泡 挙 動 を 解 明 し ，同 時 に
金 型 内 の 樹 脂 表 面 温 度 ，及 び 圧 力 を 計 測 し て い る ．金 型 内 圧 力 低 下 に よ り 発
泡 が 開 始 し ，溶 融 樹 脂 の 冷 却 に よ る 樹 脂 粘 度 の 上 昇 に よ り 気 泡 の 成 長 が 停 止
す る こ と を 明 ら か に し て い る ．さ ら に ，コ ア バ ッ ク 時 に 生 成 す る 気 泡 の サ イ
1. Introduction
11
第 1 章 緒論
ズ は ，初 期 段 階 で 生 成 す る 気 泡 よ り も 微 細 化 し ，気 泡 数 も 増 加 す る こ と を 示
し て い る ．し か し ，同 一 の 成 形 品 で 異 な る 発 泡 構 造 が 生 成 す る 不 良 に 対 し て ，
金 型 内 の 可 視 化 観 察 に よ っ て ，各 領 域 の 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム を 明 ら か に す る
と と も に ，そ の 結 果 に 基 づ い て 発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御 を 行 っ て い る 例 は な い
のが現状である．
1-4
数値シミュレーションによる材料特性予測の現状と課題
前 節 ま で は ，射 出 発 泡 成 形 に お け る 成 形 不 良 や 可 視 化 観 察 に よ る 成 形 現 象
の 解 明 に つ い て 記 述 し た ．本 節 で は ，射 出 発 泡 成 形 で 得 ら れ た 成 形 品 の 実 用
化 に 向 け ，実 製 品 の 設 計・開 発 分 野 に お い て ，非 常 に 重 要 な 位 置 づ け で あ る
数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 強 度 や 剛 性 等 の 材 料 特 性 予 測（ 以 下 ，機 械 特 性
予 測 と す る ）に つ い て 記 述 す る ．現 在 ，コ ン ピ ュ ー タ を は じ め と し た 情 報 機
器 の 急 速 な 機 能 や 性 能 の 向 上 に よ り ，従 来 で は 考 え ら れ な か っ た よ う な 分 野
に お け る コ ン ピ ュ ー タ の 利 用 が 進 ん で お り ，日 本 だ け で な く 世 界 の モ ノ づ く
り に 貢 献 し て い る ．射 出 発 泡 成 形 品 だ け で な く ，あ ら ゆ る 製 品 の 設 計・開 発
分 野 に お い て ，CAE（ Computer Aided Engineering）技 術 を 代 表 と す る コ ン ピ
ュータの利用が急速に拡大している
53)54)
． CAE 技 術 の 中 核 と な る 有 限 要 素
法 （ Finite Element Method, FEM） 55) の 基 礎 的 な 理 論 に 関 し て は ， 約 70 年 前
か ら 研 究 さ れ て お り ，そ の 基 礎 と な っ て い る 構 造 力 学 の 諸 理 論 は 100 年 以 上
前 に は 完 成 し て い る ．NASTRAN 等 の 商 用 ソ フ ト ウ ェ ア も 1960 年 代 か ら 1970
年 代 に ほ ぼ 出 揃 っ て お り ， CAE 技 術 は 50 年 を 超 え る 歴 史 を 有 し て い る ．
こ の 50 年 間 で ， 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り 予 測 で き る 現 象 は 飛 躍 的 に
広 が っ て き て お り ，大 規 模 な 構 造 計 算 も 可 能 と な っ て き て い る
56 )
．ま た ，計
算の対象も単純な梁の計算から複雑な構造物全体のシミュレーションが可
能 と な っ て い る ．さ ら に ，計 算 で き る 現 象 自 体 も ，当 初 弾 性 現 象 や 線 形 だ け
で あ っ た も の が 塑 性 現 象 や 粘 性 現 象 と 広 が っ て き て い る ．静 的 な 問 題 か ら 動
的 な 問 題 の 計 算 も 可 能 と な り ，構 造 解 析 だ け で な く ，流 体 解 析 や 電 磁 場 解 析
等 ， 解 析 の 種 類 も 多 い ． こ れ ら CAE 技 術 の 発 展 は ， ひ と え に コ ン ピ ュ ー タ
1. Introduction
12
第 1 章 緒論
の 高 性 能 化・低 価 格 化 に よ り 実 現 で き た と 言 え る で あ ろ う ．さ ら に ，射 出 成
形 法 に お け る 3 次 元 の 樹 脂 流 動 解 析 等 ，種 々 の 設 計・開 発 業 務 へ の 利 用 も 多
く な り ，CAE 技 術 へ の 期 待 は 年 々 高 ま っ て い る ．実 際 に ，製 品 の 設 計・開 発
業 務 で は ，試 作 回 数 の 低 減 ，開 発 期 間 の 短 縮 や コ ス ト 削 減 が 要 求 さ れ ，コ ン
ピ ュ ー タ を 利 用 し た CAE 技 術 は ， 実 務 上 の ツ ー ル と し て 利 用 さ れ 始 め て い
る ．特 に ，こ こ 数 年 ，構 造 解 析 の 分 野 で は 積 極 的 な 実 務 へ の 適 用 が 目 立 っ て
いる．
構 造 解 析 に お け る 解 析 手 法 の 代 表 と し て ，有 限 要 素 法 が 挙 げ ら れ る ．有 限
要 素 法 は ，材 料 や 機 械 ，構 造 物 の 変 形 や 強 度 ，剛 性 ，振 動 等 を 数 値 的 に 解 析
し ，予 測 す る 手 法 の 1 つ で あ る ．あ ら ゆ る 製 品 の 設 計・開 発 分 野 ，工 学 分 野
の 構 造 設 計 に 広 く 使 用 さ れ て い る ．1956 年 ，ボ ー イ ン グ 社 の 技 術 者 と そ の 共
同 研 究 者 ら に よ り ，航 空 機 の 翼 の 強 度・剛 性 計 算 の た め に 開 発 さ れ た 解 析 手
法 が ，今 日 の 有 限 要 素 法 の 始 ま り と さ れ て い る
57)
．有 限 要 素 法 の 特 徴 は ，そ
の 名 の 通 り ，物 体（ 解 析 対 象 ）を 有 限 個 数 の 要 素 と 呼 ぶ 小 さ な 領 域 に 分 割 す
る こ と に あ る ．さ ら に ，有 限 要 素 法 は ，要 素 毎 に 変 位 の 分 布 等 の 未 知 関 数 を
簡 単 な 関 数 で 表 現 し ，そ れ ら 簡 単 な 関 数 の 集 ま り と し て ，物 体 全 体 の 複 雑 な
挙動を近似的に求める方法である
58)
．さ ら に ，有 限 要 素 法 は ，コ ン ピ ュ ー タ
の 高 性 能 化・低 価 格 化 や 技 術 の 進 歩 に 伴 い ，製 品 の 設 計・開 発 に 携 わ る 者 に
とって益々身近で，かつ必要不可欠な解析手法となっている．
現 在 ，有 限 要 素 法 を 樹 脂 製 品 の 構 造 解 析 へ 適 用 し て い る 例 と し て ，FRP 等
の複合材料が挙げられる
59)
．こ こ 数 年 ，製 品 の 軽 量 化 と 高 強 度 化・高 剛 性 化
の 両 立 を 可 能 と し た ，比 強 度・比 剛 性 の 高 い 複 合 材 料 へ の ニ ー ズ が 急 速 に 高
ま っ て い る ．こ の よ う な 背 景 か ら ，樹 脂 材 料 に ガ ラ ス 繊 維 や 炭 素 繊 維 等 の 繊
維 を 混 合 し ，繊 維 強 化 さ せ た FRP を 材 料 と す る 製 品 が 増 加 傾 向 に あ る ．FRP
は ，航 空・宇 宙 分 野 か ら 自 動 車 部 品 ，或 い は 水 力・風 力 発 電 の 設 備 に 使 用 さ
れるプロペラファンやブレード等，多くの分野で利用されている．
ま た ，有 限 要 素 法 に よ る FRP の 構 造 解 析 に 関 す る 研 究 と し て ，以 下 の よ う
な 報 告 が あ る ．大 石 ら
1. Introduction
60)
は ，FRP 製 の プ ロ ペ ラ フ ァ ン を 対 象 に ，樹 脂 流 動 解
13
第 1 章 緒論
析 と 構 造 解 析 の 連 成 解 析 を 行 い ，繊 維 配 向 及 び 樹 脂 の 異 方 性 を 考 慮 し た 構 造
解 析 ， 強 度 評 価 を 行 っ て い る ． 汎 用 FEM 解 析 ソ フ ト を 使 用 し ， 過 渡 熱 解 析
で 流 動 解 析 を 代 用 し て 繊 維 配 向 を 考 慮 す る と と も に ，静 解 析 及 び 固 有 値 解 析
を行い，実測結果との比較により解析の妥当性を検討している．西宮ら
61)
は ，合 成 枕 木 と し て 鉄 道 分 野 を 中 心 に 広 く 使 用 さ れ て い る ，硬 質 発 泡 ウ レ タ
ン を ガ ラ ス 長 繊 維 で 補 強 し た 複 合 材 料 （ Fiber reinforced Foamed Urethane,
FFU）を 対 象 に ，合 理 的 な 設 計 手 法 の 確 立 を 目 的 と し ，材 料 試 験 に よ り 各 方
向 の 物 性 値 を 明 ら か に す る と と も に ， 適 切 に 評 価 可 能 な FEM 解 析 手 法 の 構
築 を 行 っ て い る ．FFU は ，繊 維 強 化 さ れ た 複 合 材 料 で あ り ，方 向 に よ っ て 弾
性 率 が 異 な る 異 方 性 材 料 で あ る ．FEM 解 析 の 結 果 と 実 験 結 果 は 良 好 に 一 致 す
る こ と を 示 し て お り ，構 築 し た 解 析 手 法 に よ っ て 材 料 に 応 じ て 様 々 な 形 状 の
FEM 解 析 を 精 度 良 く 行 う こ と が で き る と と も に ，設 計 の 合 理 化 に 応 用 で き る
ことを可能にしている．
射 出 発 泡 成 形 品 は ，板 厚 方 向 に 金 型 に よ る 冷 却 速 度 の 分 布 が 発 生 す る た め ，
流 動・固 化 の 過 程 で ス キ ン 層 と 発 泡 層 が 形 成 さ れ ，板 厚 方 向 に 多 層 構 造 を 形
成 す る ．ス キ ン 層 に は 気 泡 が 存 在 し な い た め ，機 械 特 性 の 予 測 は 容 易 で あ る ．
し か し ，樹 脂 と 気 泡 が 混 在 す る 発 泡 層 は 一 種 の 複 合 材 料 と 考 え ら れ る こ と か
ら ，図 1-5 の よ う な ミ ク ロ モ デ ル を 作 成 し て 有 限 要 素 法 に よ っ て 機 械 特 性 を
予 測 す る 場 合 ，要 素 数 や 節 点 数 は 膨 大 な も の と な り ，モ デ ル の 作 成 や メ ッ シ
ュ 生 成 に 膨 大 な 手 間 を 要 す る た め ，計 算 時 間 は 膨 大 と な る ．そ こ で ，本 研 究
で は ，等 価 介 在 物 法 に 着 目 し た ．等 価 介 在 物 法 は ，詳 細 は 後 述 す る が ，不 均
質 な 機 械 特 性 を 持 つ 介 在 物 を ，母 材 と 同 じ 弾 性 特 性 を 持 ち ，要 素 内 部 に 固 有
ひずみを有する領域に置き換えて機械特性を導く手法である
法 に よ る 機 械 特 性 予 測 に 関 す る 研 究 と し て ，山 本
63)
62)
．等 価 介 在 物
は ，等 価 介 在 物 法 に 基 づ
いて木質細胞壁における木材繊維の力学挙動をシミュレートすることで弾
性 構 成 式 を 導 出 し ，そ の 有 効 性 を 実 験 的 に 検 証 し て い る ．安 田 ら
64)
は ，等 価
介在物法により破壊靭性の気孔率依存性及び気孔形状依存性を定式化する
こ と で ，セ ラ ミ ッ ク ス の 破 壊 靭 性 に 及 ぼ す 組 織 の 影 響 に つ い て 検 討 し て い る ．
1. Introduction
14
第 1 章 緒論
し か し ，射 出 発 泡 成 形 品 の 機 械 特 性 予 測 に 対 し て ，等 価 介 在 物 法 が 適 用 さ れ
た報告はない．
1-5
研究目的
前 節 ま で に 述 べ て き た 通 り ，従 来 の 発 泡 成 形 法 と し て ，バ ッ チ 式 発 泡 成 形
法 が 主 流 で あ っ た が ，成 形 に 膨 大 な 時 間 を 要 す る た め 生 産 性 が 低 い ．こ こ 数
年 ，モ ノ づ く り の 現 場 で は ，製 品 品 質 を 向 上 さ せ な が ら 材 料 費 や 生 産 コ ス ト
を 削 減 し ，生 産 性 を 向 上 さ せ る こ と が 求 め ら れ て い る ．こ の よ う な 背 景 か ら ，
バ ッ チ 式 成 形 法 に 替 わ る 新 た な 成 形 法 と し て ，射 出 発 泡 成 形 が 注 目 を 集 め て
い る ．射 出 発 泡 成 形 は ，成 形 品 を 連 続 的 に 得 る こ と が 期 待 で き ，成 形 に 要 す
る 時 間 が 短 く ，同 一 形 状 の 製 品 を 短 時 間 か つ 大 量 に 生 産 す る こ と が 可 能 と さ
れている．
し か し ，射 出 発 泡 成 形 で も ，成 形 品 の 全 て が 良 品 で あ る と は 限 ら ず ，ス ワ
ー ル マ ー ク や ウ ェ ル ド ラ イ ン 等 の 成 形 不 良 が 発 生 す る ．さ ら に ，図 1-4 の よ
う に ，同 一 の 成 形 品 で 異 な る 発 泡 構 造 が 生 成 す る 成 形 不 良 が 発 生 し ，外 観 不
良 や 機 械 特 性 の バ ラ つ き に 繋 が る ．ま た ，発 泡 剤 に 使 用 し た CO 2 の 供 給 圧 力
（ シ リ ン ダ へ 供 給 す る 際 の 圧 力 ）に よ っ て ，同 一 の 成 形 品 で 各 領 域 の 発 泡 構
造 が 占 め る 割 合 が 異 な る ． よ っ て ， 本 研 究 で は ， CO 2 の 供 給 圧 力 に よ っ て ，
各 領 域 の 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム（ 気 泡 の 生 成 が 開 始 す る タ イ ミ ン グ ，気 泡 の 成
長 速 度 ）が 異 な る た め ，上 記 の 現 象 が 起 こ る と の 仮 説 を 立 て た ．こ の 仮 説 を
検 証 す る た め ，金 型 内 の 充 填 過 程 を 可 視 化 観 察 し ，可 視 化 観 察 の 結 果 に 基 づ
い て 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム を 明 ら か に す る ．以 上 の 検 討 を 通 し て ，同 一 の 成 形
品 で 異 な る 発 泡 構 造 が 生 成 す る 成 形 不 良 を 低 減 し な が ら ，発 泡 構 造 の 均 一 化
制御について検討する．
現 在 ，射 出 発 泡 成 形 品 は ，部 品 の 軽 量 化 に よ る 燃 費 の 向 上 が 期 待 で き る こ
と か ら ，今 後 は 主 に 自 動 車 部 品 へ の 応 用 が 期 待 さ れ て い る ．し か し ，成 形 品
の 実 用 化（ 実 製 品 へ の 応 用 ）を 考 慮 す る 場 合 ，試 作 回 数 を 減 ら し な が ら コ ス
ト を 削 減 し ，リ ー ド タ イ ム を 短 縮 す る こ と が 求 め ら れ る ．こ の た め ，数 値 シ
1. Introduction
15
第 1 章 緒論
ミュレーションによって射出発泡成形品の機械特性を事前に予測すること
が 重 要 と な る ．こ れ ま で ，機 械 特 性 を 予 測 す る 解 析 手 法 と し て ，有 限 要 素 法
に よ る も の が あ っ た ．し か し ，射 出 発 泡 成 形 品 に お い て ，樹 脂 と 気 泡 が 混 在
す る 発 泡 層 は 一 種 の 複 合 材 料 と 考 え ら れ る こ と か ら ，有 限 要 素 法 に よ り 解 析
を 行 う 場 合 ，要 素 数 や 節 点 数 が 膨 大 と な り ，多 く の 手 間 と 時 間 を 要 す る と い
っ た 課 題 が あ る ．そ こ で ，本 研 究 で は ，等 価 介 在 物 法 に 着 目 し ，樹 脂 と 気 泡
が 混 在 す る 発 泡 層 の 巨 視 的 な 応 力 と ひ ず み の 関 係 か ら 弾 性 率 を 予 測 し た ．さ
らに，成形品から作製した試験用サンプルを使用し，引張試験を実施した．
ま た ，予 測 し た 発 泡 層 の 弾 性 率 を も と に ，実 製 品 を 模 し た リ ブ を 有 す る 成 形
品のモデルで構造解析を行い，曲げ荷重に対する 変位を予測した．さらに，
リ ブ を 有 す る 成 形 品 で 曲 げ 試 験 を 実 施 し ，予 測 結 果 と 実 測 結 果 の 比 較 を 通 し
て ，射 出 発 泡 成 形 品 の 機 械 特 性 予 測 に 対 す る 等 価 介 在 物 法 の 妥 当 性 を 検 討 し
つつ，実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測手法の構築を試みる．
本論文は 5 章で構成されている．
第 1 章では，射出成形及び射出発泡成形の現状や問題点について述べた．
さ ら に ，射 出 発 泡 成 形 に お け る 成 形 不 良 ，可 視 化 観 察 に 関 す る 研 究 動 向 ，こ
こ 数 年 ，急 速 に 普 及 し て い る CAE，数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 機 械 特 性 予
測の現状や課題を抽出し，本論文の目的と意義を明確にした．
第 2 章 で は ，同 一 の 成 形 品 で 異 な る 発 泡 構 造 が 生 成 す る 成 形 不 良 に 対 し て ，
金 型 内 の 充 填 過 程 を 可 視 化 観 察 し ，観 察 の 結 果 に 基 づ い て 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ
ムを明らかにする．
第 3 章 で は ，第 2 章 で 明 ら か に し た 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム に 基 づ き ，同 一 の
成 形 品 で 異 な る 発 泡 構 造 が 生 成 す る 成 形 不 良 を 低 減 し な が ら ，領 域 ① 或 い は
領 域 ② の ど ち ら か を 優 先 的 に 生 成 さ せ ，発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御 に つ い て 検 討
する．
第 4 章 で は ，射 出 発 泡 成 形 品 の 実 製 品 へ の 応 用 を 考 慮 し ，機 械 特 性 予 測 手
法 の 構 築 を 試 み る こ と を 目 的 と し ，各 検 討 を 行 っ た ．ま ず ，樹 脂 と 気 泡 が 混
在 す る 発 泡 層 の 弾 性 率 を 等 価 介 在 物 法 に よ り 予 測 し ，引 張 試 験 の 実 測 結 果 と
1. Introduction
16
第 1 章 緒論
比 較 す る こ と で ，発 泡 層 の 弾 性 率 予 測 に 対 す る 等 価 介 在 物 法 の 妥 当 性 を 検 討
し た ．さ ら に ，予 測 し た 発 泡 層 の 弾 性 率 を も と に ，実 製 品 の 形 状 に 近 い リ ブ
を 有 す る 成 形 品 の 曲 げ 荷 重 に 対 す る 変 位 を 構 造 解 析 で 予 測 し た ．予 測 結 果 と
3 点曲げ試験の実測結果を比較することで，実製品により近い形状が近いも
のに拡張した射出発泡成形品の機械特性予測に対する等価介在物法の妥当
性を検討した．
第 5 章 は 本 論 文 の 総 括 で あ り ，第 2 章 か ら 第 4 章 ま で を ま と め る と と も に ，
今後の課題を明確化した．
1. Introduction
17
第 1 章 緒論
参考文献
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1. Introduction
21
第 1 章 緒論
Table1-1
Classification of synthetic polymer material.
Use
Thermoplastic
Type
Polyethylene, Polypropylene, Polystyrene
Polyvinyl chloride, Nylon, etc.
Plastics
Thermosetting
Phenolic resin, Melamine resin, Epoxy resin, etc.
Natural rubber, Styrene-butadiene rubber
Rubber
Butadiene rubber, Isoprene rubber, Nitrile rubber
Chloroprene rubber, Acrylic rubber, etc.
Nylon fiber, Acrylic fiber, Polyester fiber
Fiber
Aramid fiber, Polyethylene fiber, etc.
Paint, Print-ink
Unsaturated polyester, Epoxy-ester paints, etc.
Adhesive
Emulsion type, Aqueous-solution type, etc.
1. Introduction
22
第 1 章 緒論
Fig.1-1
1. Introduction
Batch foaming process.
23
第 1 章 緒論
Fig.1-2
Thermal decomposition characteristics of the chemical foaming agent.
1. Introduction
24
第 1 章 緒論
Fig.1-3
1. Introduction
State diagram of CO 2 .
25
第 1 章 緒論
Fig.1-4
1. Introduction
Generation of non-uniform foam structure.
26
第 1 章 緒論
Fig.1-5
1. Introduction
Micro-model of foam layer.
27
第 1 章 緒論
1. Introduction
28
第2章
射出発泡成形における
気泡生成メカニズムの解明
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
2-1
緒言
射 出 発 泡 成 形 は ，樹 脂 に 多 数 の 気 泡 を 生 成 さ せ る こ と で ，優 れ た 断 熱 性 や
耐 衝 撃 性 を 付 与 す る こ と が 可 能 で あ る ．ま た 気 泡 の 体 積 分 だ け 軽 量 化 が 可 能
で あ り ，使 用 す る 材 料 を 削 減 で き る た め ，地 球 環 境 へ の 負 荷 が 少 な く ，コ ス
ト 削 減 も 期 待 で き る ．従 来 ，発 泡 成 形 は ，バ ッ チ 式 発 泡 成 形 法 に よ る も の が
主流であった
1)2)
．しかし，この成形方法は，成形に要する時間が長く，生
産 性 が 低 い こ と か ら ，成 形 サ イ ク ル が 早 く 生 産 性 に も 優 れ る 射 出 発 泡 成 形 が
注 目 さ れ て い る ．さ ら に ，昨 今 で は ，地 球 環 境 へ の 負 荷 を よ り 低 減 さ せ る こ
と を 目 的 と し ， 超 臨 界 状 態 に あ る CO 2 や N 2 を 発 泡 剤 に 使 用 し た 射 出 発 泡 成
形がある
3)4)
． CO 2 は 圧 力 7.4MPa， 温 度 31.0℃ の 臨 界 点 以 上 で ， 気 体 と 液 体
が 混 合 さ れ た 状 態 と な り ，気 体 の よ う な 高 い 拡 散 性 と 液 体 並 み の 溶 解 性 を 持
ち 合 わ せ た 超 臨 界 流 体 に な る ．超 臨 界 流 体 は 安 価 で あ り ，人 体 や 地 球 環 境 に
や さ し く ，リ サ イ ク ル 性 も あ る こ と か ら ，自 動 車 産 業 や 医 療 分 野 で 工 業 的 に
利用されている
5)
．
し か し ，CO 2 を 発 泡 剤 に 使 用 し た 射 出 発 泡 成 形 で は ，標 準 的 な 成 形 条 件 で
成 形 を 行 う と ，図 1-4 の よ う に ，同 一 の 成 形 品 で 微 細 な 気 泡 が 占 め る 領 域（ 以
下 ，領 域 ① ）と 径 の 大 き い 気 泡 が 占 め る 領 域（ 以 下 ，領 域 ② ）が 生 成 し ，気
泡径が二極化する現象がみられる
6)7)
．これは，外観不良や機械特性のバラ
つ き に 繋 が り ， 成 形 品 の 品 質 を 低 下 さ せ る 要 因 と な っ て い る ． さ ら に ， CO 2
の供給圧力によって生成する発泡構造に差異があり，供給圧力が高い場合
（ 以 下 ，超 臨 界 ）は 領 域 ① が 広 く ，領 域 ② が 狭 い ．一 方 ，供 給 圧 力 が 低 い 場
合（ 以 下 ，亜 臨 界 ）は そ の 逆 で あ る ．こ れ は 成 形 に お い て ，各 領 域 に お け る
気泡生成メカニズム（気泡の生成が開始するタイミング，気泡の成長速度）
が異なるためであると考えられる．
超 臨 界 流 体 を 発 泡 剤 に 使 用 し た 射 出 発 泡 成 形 に 関 し て ，山 田 ら
8)
は ，金 型
内 に お け る 気 泡 の 生 成 プ ロ セ ス を 解 明 す る た め ，金 型 内 の キ ャ ビ テ ィ 面 圧 力
分 布 を 計 測 し ，型 内 圧 力 と 成 形 品 内 に お け る 発 泡 状 況 の 関 係 に つ い て 検 討 し
て い る ．ま た 山 田 ら
9)
は ，障 害 ピ ン 後 方 に お け る ウ ェ ル ド 部 の 発 泡 構 造 の 生
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
30
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
成 過 程 を 可 視 化 す る と と も に 圧 力 計 測 を 行 い ，成 形 品 の 発 泡 構 造 を 観 察 す る
こ と で ，ウ ェ ル ド 部 に お け る 発 泡 構 造 の 生 成 機 構 を 明 ら か に し て い る ．し か
し ，図 1-4 の よ う な 同 一 の 成 形 品 で 異 な る 発 泡 構 造 が 生 成 す る 現 象 に 対 し て ，
各領域における気泡生成メカニズムの解明について検討された例はない．
そ こ で 本 研 究 で は ， 以 下 の 検 討 を 行 っ た ． 図 1-4 の よ う に ， CO 2 が 超 臨 界
の 条 件 で は 領 域 ① が 成 形 品 の 大 部 分 を 占 め ，亜 臨 界 の 条 件 で は 領 域 ② が 成 形
品 の 大 部 分 を 占 め る 現 象 が 報 告 さ れ て い る ．各 領 域 に お け る 気 泡 生 成 の 要 因 ，
及 び メ カ ニ ズ ム を 解 明 す る た め ，金 型 内 に お け る 充 填 過 程 の 可 視 化 観 察 を 行
った．
2-2
2-2-1
可視化観察
実験方法
各 領 域 に お け る 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム を 明 ら か に す る た め ，CO 2 を 発 泡 剤 に
使 用 し た 射 出 発 泡 成 形 に お い て ，金 型 内 可 視 化 手 法 に よ り 充 填 過 程 の 観 察 を
行 っ た ． 成 形 は ， 型 締 力 180 ト ン の 電 動 サ ー ボ 射 出 成 形 機 （ Si-180Ⅲ ， 東 洋
機 械 金 属 ）を 使 用 し ，表 2-1 で 示 し た 成 形 条 件 で 行 っ た ．材 料 は ，溶 融 時 に
透 明 性 が 高 く ，金 型 キ ャ ビ テ ィ 内 の 気 泡 を 容 易 に 観 察 で き る ポ リ プ ロ ピ レ ン
（ プ ラ イ ム ポ リ マ ー ）を 使 用 し た ．図 2-1 に CO 2 の 供 給 方 法 ，図 2-2 に 成 形
品 の 形 状 を 示 す ．CO 2 は ，超 臨 界 炭 酸 ガ ス 供 給 装 置（ タ ク ミ ナ ）を 使 用 し 供
給 し た ． CO 2 は ， 供 給 装 置 か ら 圧 力 セ ン サ （ Swagelok） を 介 し て ， 成 形 機 で
供 給 信 号 を 入 れ る と 同 時 に 計 量 開 始 の タ イ ミ ン グ で バ ル ブ が 開 き ，シ リ ン ダ
内へ供給される．
可視化観察は，高速度カメラ（キーエンス）を用いてフレームレート
250frame/s で 行 っ た ． 観 察 位 置 は 図 2-2 に 示 す 成 形 品 の Gate 部 と Middle 部
の 2 箇 所 で あ り ，各 位 置 で 図 2-3 の よ う な 可 視 化 用 金 型 を 用 い て 定 点 観 察 を
行 っ た ．図 2-3 に 示 し た 可 視 化 用 金 型 は ，金 型 側 面 か ら 鏡 を 利 用 し て 取 り 入
れ た 光 で 金 型 内 を 照 射 し ，高 速 度 カ メ ラ の 焦 点 を 光 の 照 射 位 置 に 合 わ せ て 撮
影する仕組みとなっている．
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
31
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
2-2-2
可視化観察の結果と考察
可 視 化 観 察 で 得 ら れ た 結 果 の 一 例 と し て ，CO 2 が 超 臨 界 の 条 件（ 15.0MPa）
に お け る ，成 形 品 Gate 部 の 充 填 過 程 を 図 2-4 に 示 す ．図 2-4 か ら ，領 域 ① は ，
樹 脂 が 金 型 に 充 填 さ れ た 直 後 か ら 既 に 生 成 し て い る こ と が 分 か る ．ま た ，樹
脂 の 充 填 が 完 了 し ，樹 脂 の 流 動 が 完 全 に 停 止 し た 後 に 径 の 大 き い 気 泡 が 生 成
し て お り ，領 域 ② が 生 成 す る こ と が 分 か っ た ．さ ら に ，可 視 化 観 察 よ り 明 ら
か と な っ た 充 填 過 程 の 模 式 図 を 図 2-5 に 示 す ． 図 2-5 は ， 金 型 に 樹 脂 が 充 填
さ れ て か ら ，樹 脂 の 充 填 が 完 了 す る ま で の 充 填 過 程 を 示 し た も の で あ り ，上
図 は CO 2 が 亜 臨 界 の 条 件 （ 7.0MPa） で あ り ， 下 図 は CO 2 が 超 臨 界 の 条 件
（ 15.0MPa） で あ る ． 図 2-5 か ら ， CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 ， 亜 臨 界 の 条 件 と も
に ，フ ロ ー フ ロ ン ト に は 微 細 な 気 泡 が 生 成 す る 領 域 ① が 生 成 さ れ る こ と が 分
か る ．さ ら に ，図 2-5 か ら ，領 域 ① が 通 過 し た 後 に ，未 発 泡 領 域 が 続 い た 状
態で樹脂が充填されている状況にあると推測される．
こ の 結 果 を 受 け ，樹 脂 が 射 出 さ れ る（ ノ ズ ル か ら 解 放 さ れ る ）際 ，急 激 に
樹 脂 の 圧 力 が 降 下 す る こ と で 気 泡 が 多 く 生 成 す る と と も に ，樹 脂 温 度 が 低 下
し た と 考 え ら れ る ．そ こ で ，CO 2 が 超 臨 界 と 亜 臨 界 の 条 件 に お い て ，ノ ズ ル
か ら 樹 脂 が 解 放 さ れ た 後 の 金 型 内 に お け る 流 動 中 の 樹 脂 温 度 を 計 測 し ，樹 脂
温度と粘度の関係が気泡生成メカニズムに与える影響を考察した．成形は，
ポ リ プ ロ ピ レ ン を 使 用 し ，表 2-1 で 示 し た 条 件 で 行 っ た ．金 型 内 の 樹 脂 温 度
は ， 成 形 品 Gate 部 に 温 度 セ ン サ （ 双 葉 電 子 工 業 ） を 設 置 し 計 測 し た ． 使 用
し た 温 度 セ ン サ は 放 射 温 度 計 で あ り ，樹 脂 か ら 放 射 さ れ る 赤 外 線 を 電 気 信 号
に 変 換 し ，樹 脂 温 度 と し て 表 示 さ れ る 仕 組 み と な っ て い る ．さ ら に ，サ ン プ
リ ン グ 周 期 が 1ms（ 0.001s） の 高 速 応 答 性 を 実 現 し て お り ， 金 型 内 で 刻 一 刻
と 変 化 す る 樹 脂 温 度 の 変 化 に 追 従 で き る 応 答 性 を 有 し て い る ．ま た ，計 測 で
は ， 温 度 計 測 ア ン プ （ 双 葉 電 子 工 業 ） を 使 用 し ， こ れ は 100℃ あ た り 1V の
電 圧 を 出 力 す る 仕 様 と な っ て い る ．金 型 内 に お け る 樹 脂 の 表 面 温 度 を 計 測 す
る 際 ，一 般 的 に 黒 色 塗 料 を 混 合 す る が ，本 研 究 で は 敢 え て 透 明 性 の 高 い 樹 脂
を使用した．ここで，気泡の生成・成長は，成形品の板厚方向からみれば，
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
32
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
樹脂表面ではなく主に樹脂内部，つまりコア層で起きていると考えられる．
し た が っ て ，当 初 は 樹 脂 内 部 の 温 度 を 計 測 す る 予 定 で あ っ た が ，金 型 の 仕 様
上 困 難 で あ っ た た め ，敢 え て 透 明 性 の 高 い 樹 脂 を 使 用 し ，樹 脂 表 面 の 温 度 を
樹脂内部の温度として計測を行った．
図 2-6 に ， 金 型 内 の 樹 脂 温 度 を 計 測 し た 結 果 を 示 す ． 図 2-6 に お い て ， 横
軸 は 充 填 時 間 で あ り ，縦 軸 は 樹 脂 温 度 で あ る ．CO 2 が 超 臨 界 と 亜 臨 界 の 条 件
に 併 せ ， CO 2 を 供 給 し て い な い 条 件 の 樹 脂 温 度 も 計 測 し た ． さ ら に ， 図 2-6
に お け る 最 大 樹 脂 温 度 と CO 2 の 供 給 圧 力 の 関 係 を 図 2-7 に 示 す ．最 大 樹 脂 温
度 と は ，温 度 セ ン サ を フ ロ ー フ ロ ン ト が 通 過 し た 時 の 樹 脂 温 度 で あ る ．図 2-7
か ら ，CO 2 の 供 給 圧 力 を 高 く す る に つ れ ，樹 脂 温 度 の 低 下 が 大 き く な る こ と
を 確 認 し た ．ま た ，図 2-8 に ，射 出 時 に お け る ノ ズ ル 圧 を 計 測 し た 結 果 を 示
す ．さ ら に ，図 2-8 に ，射 出 時 に お い て ，樹 脂 が ノ ズ ル か ら 解 放 さ れ る 際 に
微 細 な 気 泡 が 生 成 す る 様 子 を 表 現 し た 模 式 図 を 併 せ て 示 す ． な お ，“ ノ ズ ル
圧 ”は 射 出 ノ ズ ル 内 の 樹 脂 圧 力 で あ り ，射 出 ノ ズ ル に 取 り 付 け た 圧 力 セ ン サ
（ 日 本 ダ イ ニ ス コ ）で 計 測 し た ．こ こ で 使 用 し た 圧 力 セ ン サ は ，ノ ズ ル 部 で
溶 融 状 態 に あ る 樹 脂 に ，先 端 部 の ダ イ ア フ ラ ム が 直 接 接 触 し て 圧 力 を 計 測 す
る セ ン サ で あ る ．ま た ，一 般 的 な 射 出 成 形 に お い て 溶 融 状 態 に あ る 樹 脂 の 圧
力 を 計 測 す る の に 最 適 な セ ン サ で あ り ， 先 端 部 の 最 大 温 度 は 400℃ ま で 対 応
し て い る ． 図 2-8 の よ う に ， CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ， 亜 臨 界 の 条 件 に 比 べ
て ，時 間 に 対 す る 圧 力 変 化 が 大 き い こ と が 分 か り ，急 激 な 圧 力 降 下 が 起 き て
い る こ と が 明 ら か と な っ た ．こ の 急 激 な 圧 力 降 下 に よ り ，図 2-7 で 示 し た よ
う に ，CO 2 の 供 給 圧 力 を 高 く す る に つ れ ，樹 脂 温 度 の 低 下 が 大 き く な っ た と
推 測 さ れ る ． 以 上 の こ と か ら ， 図 2-4 及 び 図 2-5 に お い て ， CO 2 が 超 臨 界 の
条 件 で フ ロ ー フ ロ ン ト に 微 細 な 気 泡 が 多 く 生 成 す る の は ，射 出 時 の 急 激 な 圧
力 降 下 に よ り ，フ ロ ー フ ロ ン ト に 気 泡 が 多 く 生 成 し ，CO 2 の 断 熱 膨 張 に よ る
温 度 の 低 下 と と も に 粘 度 が 高 く な る こ と で ，気 泡 の 成 長 が 抑 制 さ れ る た め で
あると考えられる．
こ こ で ，射 出 ノ ズ ル 及 び シ リ ン ダ 内 に お け る ポ リ プ ロ ピ レ ン に 対 す る CO 2
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
33
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
の 溶 解 に 着 目 し ，ポ リ プ ロ ピ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 と 気 泡 生 成 の 関 係 を 明
ら か に す る た め ，ポ リ プ ロ ピ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 を 評 価 し た ．材 料 に
ペ レ ッ ト 状 の ポ リ プ ロ ピ レ ン を 使 用 し ，発 泡 剤 で あ る CO 2 と ポ リ プ ロ ピ レ ン
を 圧 力 容 器 内 に お い て 一 定 の 圧 力 ，温 度 下 で 平 衡 状 態 に し ，CO 2 が ポ リ プ ロ
ピ レ ン に ど れ だ け 溶 解 す る か ，ポ リ プ ロ ピ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 を 評 価
し た ．溶 解 度 の 評 価 は ， 図 2-9 の よ う な 装 置 で 行 っ た ．溶 解 圧 力 は 成 形 時 と
同 様 ， 亜 臨 界 の 条 件 （ 7.0MPa） と 超 臨 界 の 条 件 （ 15.0MPa） と し ， 溶 解 温 度
は 恒 温 槽（ ア ズ ワ ン ）で 40℃ に 保 ち ，溶 解 時 間 は 2 時 間 と し た ．圧 力 容 器 か
ら ポ リ プ ロ ピ レ ン を 取 り 出 す と ，時 間 経 過 に よ り ポ リ プ ロ ピ レ ン に 溶 解 し た
CO 2 が 抜 け ，質 量 が 変 化 す る た め ，材 料 を 取 り 出 し て か ら 1 時 間 経 過 す る ま
で の 質 量 変 化 を 電 子 天 秤（ ザ ル ト リ ウ ス ）で 計 測 し た ．ま た ，実 際 の 成 形 で
は ， 射 出 ノ ズ ル 内 ， 及 び シ リ ン ダ 内 の 樹 脂 温 度 は 200℃ で あ り ， 樹 脂 は 溶 融
状 態 に あ り ，溶 融 状 態 に あ る 樹 脂 に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 を 定 量 的 に 評 価 す る
こ と は ，現 状 で は 困 難 で あ る ．そ こ で ，本 研 究 で は ，図 2-9 の よ う な 装 置 を
使用し，簡易的に溶解度の評価を行った．
図 2-10 に ， 溶 解 度 を 評 価 し た 結 果 を 示 す ． 図 2-10 は ， ポ リ プ ロ ピ レ ン か
ら CO 2 が 抜 け た 量 を 計 測 し た 結 果 で あ り ，横 軸 は 時 間 ，縦 軸 は ポ リ プ ロ ピ レ
ン か ら CO 2 が 抜 け た 量 で あ る ．な お ，こ の ポ リ プ ロ ピ レ ン か ら CO 2 が 抜 け た
量 を ポ リ プ ロ ピ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 と し ，圧 力 容 器 か ら ポ リ プ ロ ピ レ
ン を 取 り 出 し た 瞬 間 の 時 刻 を 0 分 と し た ．さ ら に ，同 様 の 計 測 を 1 条 件 に つ
き 3 回 行 い ，5 分 毎 の ポ リ プ ロ ピ レ ン か ら CO 2 が 抜 け た 量 を 平 均 し た ．図 2-10
か ら ， CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 （ 15.0MPa） で は ， 亜 臨 界 の 条 件 （ 7.0MPa） に 比
べ て ，1 時 間 経 過 時 の CO 2 が ポ リ プ ロ ピ レ ン か ら 抜 け た 量 が 大 き い こ と を 確
認 で き る ．こ れ は ，CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ，ポ リ プ ロ ピ レ ン か ら CO 2 が 抜
け た 量 が 多 い ，つ ま り ポ リ プ ロ ピ レ ン に 溶 解 し た CO 2 の 量 が 多 く ，ポ リ プ ロ
ピ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 が 大 き い こ と を 示 し て い る ．さ ら に ，射 出 ノ ズ
ル 内 ，及 び シ リ ン ダ 内 に お い て も ，ポ リ プ ロ ピ レ ン に CO 2 が よ り 多 く 溶 解 し ，
気 泡 が 生 成 し や す い 状 態 に な っ た と 推 測 さ れ る ．以 上 の こ と か ら ，CO 2 が 超
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
34
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
臨 界 の 条 件 で は ，射 出 ノ ズ ル ，シ リ ン ダ 内 に お け る ポ リ プ ロ ピ レ ン に 対 す る
CO 2 の 溶 解 度 が 大 き く ， 気 泡 が 生 成 し や す い 状 態 に な っ た ． さ ら に ， 図 2-8
に示したように，射出時の急激な圧力降下に伴う樹脂温度の低下によって，
気泡の成長が抑制され，微細な気泡が多く生成したと推測される．
ま た ，図 2-11 に ，図 2-6 で 示 し た 金 型 内 の 最 大 樹 脂 温 度 付 近 に お け る 充 填
時 間 と 樹 脂 温 度 の 関 係 を 示 す ．図 2-11 か ら ，フ ロ ー フ ロ ン ト が 成 形 品 の Gate
部 に 設 置 し た 温 度 セ ン サ を 通 過 し た 後 ，つ ま り 最 大 樹 脂 温 度 に 達 し た 後 ，樹
脂 温 度 が 再 度 上 昇 し て い る こ と が 分 か る ． こ れ は ， 図 2-4 及 び 図 2-5 に 示 し
た 可 視 化 観 察 の 結 果 か ら も 確 認 で き る よ う に ， 成 形 品 の Gate 部 に お い て ，
微 細 な 気 泡 が フ ロ ー フ ロ ン ト に 多 く 生 成 し た 領 域 ① が 流 動 し た 後 ，未 発 泡 の
領 域（ 気 泡 の 生 成・成 長 が 抑 制 さ れ た 領 域 ）が 流 動 し て い る た め で あ る と 考
え ら れ る ．金 型 内 に お け る 樹 脂 の 流 動 抵 抗 に よ り 樹 脂 圧 力 が 上 昇 し ，気 泡 の
生 成・成 長 が 抑 制 さ れ ，未 発 泡 の 領 域 が 流 動 し た た め ，樹 脂 温 度 が 再 度 上 昇
したと考えられる．
ま た ， 図 2-4 及 び 図 2-5 の よ う に ， 樹 脂 の 金 型 へ の 充 填 が 完 了 し た 後 ， 冷
却 過 程 で 径 の 大 き い 気 泡 が 生 成 し ，領 域 ② が 生 成 す る こ と が 分 か っ た ．な お ，
領 域 ② の 生 成 に 関 し て は ，CO 2 の 供 給 圧 力 に よ ら ず ，全 て の 条 件 で 確 認 さ れ
た ．こ れ は ，充 填 完 了 後 の 冷 却 過 程 に お い て ，樹 脂 温 度 の 低 下 に 伴 う 樹 脂 圧
力 の 降 下 が 影 響 し て い る の で は な い か と 考 え ら れ る ．そ こ で ，金 型 内 の 樹 脂
圧 力 を 計 測 し ，領 域 ② の 生 成 に 与 え る 樹 脂 圧 力 の 影 響 を 調 べ た ．樹 脂 圧 力 の
計 測 は ，圧 電 式 の 圧 力 セ ン サ（ 日 本 キ ス ラ ー ）を 使 用 し て 行 っ た ．使 用 し た
圧 力 セ ン サ は ，セ ン サ の 先 端 が 直 接 ，金 型 内 の 樹 脂 に 接 触 し て 圧 力 を 測 定 す
る 仕 組 み と な っ て い る ．金 型 内 の 樹 脂 圧 力 が セ ン サ に 加 わ る と ，圧 電 効 果 に
よ り 電 荷 が 発 生 す る ．発 生 し た 電 荷 は ，加 わ っ た 圧 力 に 正 比 例 す る た め ，計
測 し た 電 荷 を ア ン プ に よ っ て 電 圧 に 変 換 す る こ と で ，金 型 内 の 樹 脂 圧 力 を 計
測 す る ．な お ，サ ン プ リ ン グ 周 期 は 10ms（ 0.01s）と し た ．図 2-12 に ，金 型
内 の 樹 脂 圧 力 を 計 測 し た 結 果 を 示 す ．横 軸 は 充 填 時 間 [s]で あ り ，縦 軸 は 金 型
内 の 樹 脂 圧 力 [MPa]で あ る ．ま た ，図 2-13 に ，領 域 ② に お け る 径 の 大 き い 気
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
35
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
泡 が 生 成 す る メ カ ニ ズ ム を 示 す ． 図 2-12 か ら ， 樹 脂 の 充 填 完 了 後 ， 金 型 内
の 樹 脂 圧 力 は 最 大 に 達 し た 後 ，つ ま り 最 大 充 填 圧 力 に 達 し た 後 ，時 間 の 変 化
に 伴 っ て 降 下 し 続 け て い る こ と が 確 認 で き る ．こ れ は ，樹 脂 が ノ ズ ル か ら 解
放 さ れ る 際 ，気 泡 と し て 生 成 し な か っ た CO 2 は ，樹 脂 に 溶 解 し た ま ま 金 型 へ
射 出 充 填 さ れ る ． さ ら に ， 図 2-13 の よ う に ， 樹 脂 の 充 填 が 完 了 し た 後 の 冷
却過程において，樹脂が冷却固化されるとともに，樹脂温度の低下に伴い ，
さ ら に は 時 間 の 変 化 に 伴 っ て 樹 脂 圧 力 が 降 下 し 続 け る こ と で ，径 の 大 き い 気
泡が徐々に生成し，領域②の生成に繋がったと推測される．
2-3
ポリプロピレン以外の樹脂を使用した場合
前 節 ま で は ，樹 脂 に ポ リ プ ロ ピ レ ン を 使 用 し ，各 検 討 を 進 め て き た ．し か
し ，理 論 展 開 の 拡 大 に 向 け ，応 用 性 の あ る 手 法 と し て ま と め る こ と を 目 的 と
し ， ポ リ プ ロ ピ レ ン 以 外 の 樹 脂 と し て ポ リ ス チ レ ン （ PS ジ ャ パ ン ） を 使 用
し て 同 様 の 検 討 を 進 め る ．こ こ で ，ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し た の は ，熱 可 塑 性
樹 脂 の う ち ，ポ リ プ ロ ピ レ ン と 同 様 に 価 格 が 安 く ，生 産 量 が 多 い た め で あ る ．
ま た ，ポ リ ス チ レ ン は ，ポ リ プ ロ ピ レ ン と 同 様 ，成 形 性 に 優 れ て い る こ と か
ら 射 出 成 形 で 使 用 さ れ る こ と が 多 く ，工 業 製 品 に 広 く 利 用 さ れ て い る ．ポ リ
ス チ レ ン と ポ リ プ ロ ピ レ ン で 大 き く 異 な る の は ，前 者 は 非 晶 性 樹 脂 に 属 す る
の に 対 し ，後 者 は 結 晶 性 樹 脂 に 属 す る こ と で あ る ．高 分 子 の 配 列 状 態 に よ っ
て 結 晶 性 樹 脂 と 非 晶 性 樹 脂 に 分 類 さ れ る が ，高 分 子 が 規 則 正 し く 配 列 す る 状
態 は 結 晶 状 態 ，高 分 子 が 糸 玉 状 に な っ た り 絡 ま っ た り し て 存 在 す る 状 態 は 非
晶 状 態 と 呼 ば れ る ．こ の よ う に 高 分 子 の 配 列 状 態 が 異 な れ ば ，そ の 特 徴 も 異
な り ，実 際 に 製 品 と し て 利 用 さ れ る 分 野 や 用 途 も 異 な る ．一 般 的 に ，結 晶 性
樹 脂 は 透 明 に な り に く い ，機 械 的 特 性（ 強 度 や 剛 性 ）や 耐 薬 品 性 に 優 れ る と
い っ た 特 徴 が あ る ．一 方 ，非 晶 性 樹 脂 は ，無 色 透 明 で あ り ，耐 衝 撃 性 に 優 れ
る と い っ た 特 徴 が あ る ．こ の よ う に ，価 格 が 安 く ，生 産 量 が 多 く ，射 出 成 形
で も 使 用 さ れ る 機 会 が 多 い と い っ た 共 通 し た 特 徴 を 有 す る 一 方 ，そ の 特 徴 や
利 用 さ れ る 分 野 ，用 途 が 異 な る 2 種 類 の 樹 脂 を 使 用 し て 検 討 を 進 め ，理 論 展
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
36
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
開の拡大を目的とし，応用性のある手法としてまとめる．
ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し ，ポ リ プ ロ ピ レ ン を 使 用 し た 場 合 と 同 様 の 成 形 を 行
っ た と こ ろ ， 図 2-14 の よ う に ， 同 一 の 成 形 品 で 異 な る 発 泡 構 造 が 生 成 し ，
気 泡 径 が 二 極 化 し て い る こ と を 確 認 し た ．ま ず ，ポ リ プ ロ ピ レ ン を 使 用 し た
場 合 と 同 様 に ，CO 2 が 超 臨 界 と 亜 臨 界 の 条 件 に お い て ，ノ ズ ル か ら 樹 脂 が 解
放 さ れ た 後 の 金 型 内 に お け る 樹 脂 温 度 を 計 測 し ，樹 脂 温 度 と 粘 度 の 関 係 が 気
泡 生 成 メ カ ニ ズ ム に 与 え る 影 響 を 考 察 し た ．成 形 は ，樹 脂 に ポ リ ス チ レ ン を
使 用 し ，表 2-2 で 示 し た 条 件 で 行 っ た ．さ ら に ，金 型 内 に お け る 樹 脂 温 度 の
計 測 は ，ポ リ プ ロ ピ レ ン を 使 用 し た 場 合 と 同 様 の 方 法 で 行 っ た ．図 2-15 に ，
金 型 内 の 樹 脂 温 度 を 計 測 し た 結 果 を 示 す ．図 2-6 に お い て ，横 軸 は 充 填 時 間
で あ り ， 縦 軸 は 樹 脂 温 度 で あ る ． CO 2 が 超 臨 界 と 亜 臨 界 の 条 件 に 併 せ ， CO 2
を 供 給 し て い な い 条 件 の 樹 脂 温 度 も 計 測 し た ． さ ら に ， 図 2-15 に お け る 最
大 樹 脂 温 度 と CO 2 の 供 給 圧 力 の 関 係 を 図 2-16 に 示 す ． 最 大 樹 脂 温 度 と は ，
温 度 セ ン サ を フ ロ ー フ ロ ン ト が 通 過 し た 時 の 樹 脂 温 度 で あ る ．図 2-16 か ら ，
ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し た 場 合 で も ，CO 2 の 供 給 圧 力 を 高 く す る に つ れ ，樹 脂
温度の低下が大きくなることを確認した．
ま た ， 図 2-17 に ， ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し た 場 合 に お い て ， 射 出 時 に お け
る ノ ズ ル 圧 を 計 測 し た 結 果 を 示 す ． さ ら に ， 図 2-17 に ， 射 出 時 に お い て ，
樹脂がノズルから解放される際に微細な気泡が生成する様子を表現した模
式 図 を 併 せ て 示 す ．な お ，ノ ズ ル 圧（ 射 出 ノ ズ ル 内 の 樹 脂 圧 力 ）は ，ポ リ プ
ロ ピ レ ン を 使 用 し た 場 合 と 同 様 の 方 法 で 計 測 し た ． 図 2-17 よ う に ， ポ リ ス
チ レ ン を 使 用 し た 場 合 で も ，CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ，亜 臨 界 の 条 件 に 比 べ
て ，時 間 に 対 す る 圧 力 変 化 が 大 き い こ と が 明 ら か と な っ た ．さ ら に ，図 2-18
に ，ポ リ ス チ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 を 評 価 し た 結 果 を 示 す ．図 2-18 は ，
ポ リ ス チ レ ン か ら CO 2 が 抜 け た 量 を 計 測 し た 結 果 で あ り ，横 軸 は 時 間 ，縦 軸
は ポ リ ス チ レ ン か ら CO 2 が 抜 け た 量 で あ る ． な お ， こ の ポ リ ス チ レ ン か ら
CO 2 が 抜 け た 量 を ポ リ ス チ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 と し ，圧 力 容 器 か ら ポ
リスチレンを取り出した瞬間の時刻を 0 分とした．さらに，同様の計測を 1
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
37
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
条 件 に つ き 3 回 行 い ，5 分 毎 の ポ リ ス チ レ ン か ら CO 2 が 抜 け た 量 を 平 均 し た ．
図 2-18 か ら ，ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し た 場 合 に お い て も ，CO 2 が 超 臨 界 の 条 件
で は ，亜 臨 界 の 条 件 に 比 べ て ，1 時 間 経 過 時 に お け る CO 2 が ポ リ プ ロ ピ レ ン
か ら 抜 け た 量 が 多 い こ と を 確 認 で き る ． こ れ は ， CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ，
ポ リ ス チ レ ン か ら CO 2 が 抜 け た 量 が 多 く ，ポ リ ス チ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解
度 が 大 き い こ と を 示 し て い る ．こ の こ と か ら ，射 出 ノ ズ ル 内 ，及 び シ リ ン ダ
内 に お い て も ，ポ リ ス チ レ ン に CO 2 が よ り 多 く 溶 解 し ，気 泡 が 生 成 し や す い
状態になったと推測される．
以 上 の こ と か ら ， 図 2-14 の よ う に ， ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し た 場 合 で も ，
フ ロ ー フ ロ ン ト に 微 細 な 気 泡 が 多 く 生 成 す る の は ，射 出 ノ ズ ル ，シ リ ン ダ 内
に お け る ポ リ ス チ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 が 大 き く な り ，気 泡 が 生 成 し や
す い 状 態 に な っ た ．さ ら に ，射 出 時 の 急 激 な 圧 力 降 下 に よ り ，フ ロ ー フ ロ ン
ト に 気 泡 が 多 く 生 成 し ，CO 2 の 断 熱 膨 張 に よ る 温 度 の 低 下 と と も に 粘 度 が 高
くなることで，気泡の成長が抑制されるためであると考えられる．
ま た ， 図 2-14 か ら ， ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し た 場 合 で も ， 径 の 大 き い 気 泡
が 生 成 し ，領 域 ② が 生 成 す る こ と を 確 認 で き る ．こ れ は ，ポ リ プ ロ ピ レ ン を
使 用 し た 場 合 と 同 様 に ，充 填 完 了 後 の 冷 却 過 程 に お い て ，樹 脂 温 度 の 低 下 に
伴 う 樹 脂 圧 力 の 降 下 が 領 域 ② の 生 成 に 影 響 を 与 え て い る と 考 え ら れ る ．そ こ
で ，金 型 内 の 樹 脂 圧 力 を 計 測 し ，領 域 ② の 生 成 に 与 え る 樹 脂 圧 力 の 影 響 を 調
べた．樹脂圧力の計測は，ポリプロピレンを使用した場合と同様に行った．
図 2-19 に ， 金 型 内 の 樹 脂 圧 力 を 計 測 し た 結 果 を 示 す ． 横 軸 は 充 填 時 間 [s]で
あ り ，縦 軸 は 金 型 内 の 樹 脂 圧 力 [MPa]で あ る ．図 2-19 か ら ，樹 脂 の 充 填 完 了
後 ，金 型 内 の 樹 脂 圧 力 は 降 下 す る こ と が 分 か る ．こ れ は ，ポ リ プ ロ ピ レ ン を
使 用 し た 場 合 と 同 様 ，樹 脂 が ノ ズ ル か ら 解 放 さ れ る 際 ，気 泡 と し て 生 成 し な
か っ た CO 2 は ，樹 脂 に 溶 解 し た ま ま 金 型 へ 射 出 充 填 さ れ る ．さ ら に ，図 2-13
の よ う に ，樹 脂 の 充 填 が 完 了 し た 後 の 冷 却 過 程 に お い て ，樹 脂 が 冷 却 固 化 さ
れ る と と も に ，樹 脂 温 度 の 低 下 に 伴 い 樹 脂 圧 力 が 降 下 す る こ と で ，径 の 大 き
い 気 泡 が 生 成 し ， 領 域 ② が 生 成 し た と 推 測 さ れ る ． 図 2-19 か ら ， 充 填 完 了
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
38
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
時 に お い て 金 型 内 の 樹 脂 圧 力 が 最 大 に 達 し た 瞬 間 か ら 0.5～ 1.0 秒 後 に か け
て ，樹 脂 圧 力 が 急 激 に 降 下 し て お り ，時 間 に 対 す る 金 型 内 に お け る 樹 脂 圧 力
の 変 化 が ， 図 2-17 で 示 し た 射 出 時 に お け る ノ ズ ル 圧 の そ れ よ り も 大 き い こ
と が 分 か っ た ． こ れ は ， 図 2-20 の よ う に ， ポ リ ス チ レ ン の 粘 度 は ポ リ プ ロ
ピ レ ン に 比 べ て 高 く ，金 型 内 に お け る 充 填 完 了 時 の 樹 脂 圧 力 ，つ ま り 最 大 充
填 圧 力 が 高 い こ と が 影 響 を 与 え て い る と 考 え ら れ る ． ま た ， 図 2-19 か ら ，
最 大 充 填 圧 力 に 達 し て か ら 時 間 の 変 化 に 伴 い ，樹 脂 が 冷 却 固 化 さ れ る と と も
に ，樹 脂 圧 力 が 降 下 し 続 け て い る こ と が 確 認 で き る ．し た が っ て ，ポ リ ス チ
レ ン を 使 用 し た 場 合 ，ポ リ プ ロ ピ レ ン に 比 べ て 粘 度 が 高 い た め に 最 大 充 填 圧
力 が 高 く な り ，時 間 に 対 す る 圧 力 変 化 は 大 き く な る ．し か し ，最 大 充 填 圧 力
に 達 し た 後 ，樹 脂 が 冷 却 固 化 さ れ る と と も に ，樹 脂 圧 力 が 降 下 し 続 け る た め ，
径の大きい気泡が徐々に生成し，領域②の生成に繋がったと推測される．
以 上 の こ と か ら ，気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム の 解 明 に お い て ，理 論 展 開 の 拡 大 を
目 的 と し ，樹 脂 の 特 徴 や 製 品 と し て 利 用 さ れ る 分 野 ，用 途 が 異 な る ポ リ ス チ
レ ン を 使 用 し た 場 合 で も ，ポ リ プ ロ ピ レ ン を 使 用 し た 場 合 と 同 様 の 結 果 が 得
られ，応用性のある手法としてまとめることができた．
2-4
結言
本 研 究 で は ，CO 2 を 発 泡 剤 と し て 使 用 し た 射 出 発 泡 成 形 で は ，同 一 の 成 形
品 で 異 な る 発 泡 構 造 が 生 成 し ，発 泡 構 造 が 不 均 一 に な り ，外 観 不 良 ，剛 性 や
強 度 の バ ラ つ き に 繋 が る と い っ た 課 題 が あ る ．こ の 現 象 に つ い て ，本 研 究 で
は ，発 泡 剤 と し て 使 用 し た CO 2 の 供 給 圧 力 に よ り 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム が 異 な
る た め で あ る と の 仮 説 を 立 て た ．こ れ を 検 証 す る た め ，金 型 内 の 充 填 過 程 を
可 視 化 観 察 す る こ と で ，気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム を 解 明 し た ．そ の 結 果 ，以 下 の
ことが明らかとなった．
1) 可 視 化 観 察 に よ り ， CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ， 樹 脂 が 金 型 に 充 填 さ れ た
直後から，フローフロントに微細な気泡が多く存在する領域①が既に生
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
39
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
成 し て い る こ と を 確 認 し た ． こ れ は ， CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ， 樹 脂 が
射出される際，急激な圧力降下により気泡が多く生成し，樹脂温度が低
下して粘度が高くなることで，気泡の成長が抑制される．これにより，
フローフロントに微細な気泡が多く生成し，領域①が生成することが分
かった．
2) 成 形 品 の Gate 部 に お い て ，フ ロ ー フ ロ ン ト に 生 成 し た 領 域 ① が 流 動 し た
後，未発泡の領域（気泡の生成・成長が抑制された領域）が流動してい
ることが分かった．これは，樹脂の流動抵抗により樹脂圧力が上昇し，
気泡の生成・成長が抑制され，未発泡の領域が流動 し，最大樹脂温度に
達した後，樹脂温度が再度上昇するためであることが明らかとなった．
3) 射 出 ノ ズ ル 内 ， 及 び シ リ ン ダ 内 に お け る 樹 脂 に 対 す る CO 2 の 溶 解 に 着 目
し ， 樹 脂 に 対 す る CO 2 の 溶 解 と 気 泡 生 成 の 関 係 を 明 ら か に す る た め ， 樹
脂 に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 を 評 価 し た ． 圧 力 容 器 か ら ポ リ プ ロ ピ レ ン を 取
り 出 し て か ら ， 時 間 経 過 に よ り ポ リ プ ロ ピ レ ン か ら 抜 け る CO 2 の 量 を 計
測 し ，こ れ を ポ リ プ ロ ピ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 と し て 評 価 を 行 っ た ．
CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ， 亜 臨 界 の 条 件 に 比 べ て ， 圧 力 容 器 か ら 樹 脂 を
取 り 出 し て か ら 1 時 間 経 過 時 に お け る ポ リ プ ロ ピ レ ン か ら 抜 け る CO 2 の
量 が 多 い こ と が 明 ら か と な っ た ．し た が っ て ，CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ，
ポ リ プ ロ ピ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 が 大 き い こ と が 明 ら か と な り ， 射
出 ノ ズ ル ， シ リ ン ダ 内 に お け る ポ リ プ ロ ピ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 が
大きく，気泡が生成しやすい状態になることが分かった．さらに，樹脂
に 対 す る CO 2 の 溶 解 は 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム と 密 接 な 関 係 が あ る こ と を 明
らかにした．
4) 領 域 ② の 生 成 に 関 し て ， 充 填 完 了 後 の 冷 却 過 程 に お け る 樹 脂 温 度 の 低 下
に伴う樹脂圧力の降下が，領域②の生成に与える影響を明らかにするた
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
40
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
め，金型内の樹脂圧力を計測した．その結果，樹脂がノズルから解放さ
れ る 際 に 気 泡 と し て 生 成 し な か っ た CO 2 は ， 樹 脂 に 溶 解 し た ま ま 金 型 へ
射出充填される．さらに，充填完了後，最大充填圧力に達した後の冷却
過程において，時間の変化に伴って樹脂圧力が降下し続けるため，樹脂
温度が高い状態にあるコア層では，径の大きい気泡が徐々に生成し，領
域②が生成したことが明らかとなった．
5) 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム の 解 明 に お い て ， 理 論 展 開 の 拡 大 を 目 的 と し ， 樹 脂
の特徴や製品として利用される分野，用途が異なるポリスチレンを使用
し，ポリプロピレンを使用した場合と同様の検討を行った．樹脂にポリ
スチレンを使用した場合でも，ポリプロピレンを使用した場合と同様の
結果が得られ，応用性のある手法としてまとめることができた．
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
41
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
参考文献
1) 新 保 實 ， 中 野 晋 ， 三 澤 章 博 ： 成 形 加 工 第 22 巻 第 9 号 ， 519(2010)
2) 新 保 實 ， 小 沢 道 秀 ， 西 野 広 平 ， 三 澤 章 博 ： 成 形 加 工 第 23 巻 第 11 号 ，
685(2011)
3) 山 田 岳 大 ， 村 田 泰 彦 ， 横 井 秀 俊 ： 成 形 加 工 第 21 巻 第 10 号 ， 633(2009)
4) 山 田 岳 大 ， 小 熊 広 之 ， 村 田 泰 彦 ， 横 井 秀 俊 ： 埼 玉 県 産 業 技 術 総 合 セ ン タ
ー 研 究 報 告 第 8 巻 ， 73～ 77(2010)
5) 福 田 順 平 ，近 藤 英 一 ：日 本 機 械 学 会 関 東 支 部 第 11 期 総 会 講 演 会 講 演 論 文
集 ， 277(2005)
6) 浦 野 陽 平 ， 瀬 戸 雅 宏 ， 山 部 昌 ： 成 形 加 工 シ ン ポ ジ ア ’13， 87～ 88(2013)
7) 柿 島 浩 徳 ， 瀬 戸 雅 宏 ， 田 中 宏 明 ， 山 部 昌 ： 成 形 加 工 ’14， 289～ 290(2014)
8) 山 田 岳 大 ，村 田 泰 彦 ，横 井 秀 俊：埼 玉 県 産 業 技 術 総 合 セ ン タ ー 研 究 報 告 第
5 巻 ， 126～ 130(2007)
9) 山 田 岳 大 ， 小 熊 広 之 ， 横 井 秀 俊 ， 村 田 泰 彦 ： 埼 玉 県 産 業 技 術 総 合 セ ン タ
ー 研 究 報 告 第 10 巻 ， 21～ 25(2012)
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
42
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Table2-1
Molding conditions (Visualization of cell generation mechanism).
Resin temperature [℃ ]
200
Injection speed [mm/s]
10.0
Back pressure [MPa]
20.0
Mold temperature [℃ ]
50.0
Cooling time [s]
20.0
Supplying pressure of CO 2 [MPa]
7.0, 15.0
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
43
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-1
Supplying process of CO 2 .
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
44
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-2
Cavity shape and observation area.
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
45
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-3
Visualization mold.
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
46
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-4
Visualization of cell generation mechanism
(CO 2 15.0MPa – Supercritical, Gate).
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
47
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-5
Visualization of cell generation mechanism
(CO 2 7.0MPa and CO 2 15.0MPa, Pattern diagram).
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
48
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-6
Resin temperature in the mold (polypropylene).
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
49
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-7
Peak resin temperature in the mold (Polypropylene).
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
50
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-8
Cell generation mechanism (Polypropylene,
Fine cell in “Area ① ”, Change of nozzle pressure at injection) .
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
51
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-9
Evaluation of solubility.
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
52
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-10
Evaluation of impregnation characteristics (Polypropylene).
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
53
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
(Ⅰ ) Supplying pressure of CO 2 : Subcritical-7.0MPa
(Ⅱ ) Supplying pressure of CO 2 : Supercritical-15.0MPa
Fig.2-11
Relationship between filling time and resin temperature in the mold
(Polypropylene).
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
54
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Completion of filling
Fig.2-12
Resin pressure in the mold
(Polypropylene, Resin pressure drop after completion of filling ).
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
55
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-13
Cell generation mechanism (Coarse cell in “Area ② ”,
Resin pressure drop after completion of filling).
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
56
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-14
Generation of non-uniform foam structure (Polystyrene).
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
57
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Table2-2
Molding conditions (Polystyrene).
Resin temperature [℃]
220
Injection speed [mm/s]
20.0
Back pressure [MPa]
6.0
14.0
Mold temperature [℃]
50.0
Cooling time [s]
30.0
Supplying pressure of CO 2 [MPa]
7.0
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
15.0
58
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-15
Resin temperature in the mold (Polystyrene).
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
59
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-16
Peak resin temperature in the mold (Polystyrene).
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
60
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-17
Cell generation mechanism (Polystyrene,
Fine cell in “Area ① ”, Change of nozzle pressure at injection) .
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
61
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Fig.2-18
Evaluation of impregnation characteristics (Polystyrene).
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
62
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
Completion of filling
Fig.2-19
Resin pressure in the mold
(Polystyrene, Resin pressure drop after completion of filling).
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
63
第 2 章 射出発泡成形における気泡生成メカニズムの解明
(Ⅰ ) Polypropylene
(Ⅱ ) Polystyrene
Fig.2-20
Viscosity (Polypropylene, Polystyrene)
2. Elucidation of the cell generation mechanism in injection foam molding
64
第3章
発泡構造の均一化制御
第 3 章 発泡構造の均一化制御
3-1
緒言
CO 2 を 発 泡 剤 に 使 用 し た 射 出 発 泡 成 形 で は ，標 準 的 な 成 形 条 件 で 成 形 を 行
う と ，図 1-4 の よ う に ，同 一 の 成 形 品 で 微 細 な 気 泡 が 占 め る 領 域 ① と 径 の 大
き い 気 泡 が 占 め る 領 域 ② の 2 種 類 の 発 泡 構 造 が 生 成 し ，気 泡 径 が 二 極 化 す る
現象がみられる
1)2)
．こ れ は ，射 出 発 泡 成 形 に お け る 成 形 不 良 の 1 つ で あ り ，
外 観 不 良 や 機 械 特 性 の バ ラ つ き に 繋 が り ，成 形 品 の 品 質 を 低 下 さ せ る 要 因 と
なっている．
射 出 発 泡 成 形 に 関 す る 研 究 と し て ，山 田 ら 3) は ，樹 脂 に 汎 用 ポ リ ス チ レ ン ，
発 泡 剤 に 超 臨 界 N2 を 使 用 し た 射 出 発 泡 成 形 に お い て ， 溶 融 樹 脂 の 流 動 か ら
冷 却 過 程 に お け る 発 泡 状 況 の 可 視 化 観 察 を 行 っ て い る ．気 泡 分 布 に 基 づ い て
成 形 品 内 部 の 発 泡 構 造 を 層 構 造 と し て 抽 出 し ，可 視 化 観 察 に よ り 層 構 造 の 形
成 機 構 に つ い て 検 討 し て い る ．流 動 過 程 で は ，微 細 な 気 泡 が コ ア 層 付 近 を 流
動 し て い る こ と ，圧 縮 過 程 に お い て 気 泡 が 一 旦 消 失 し ，そ の 後 の 減 圧 過 程 で
は，再び気泡が生成して成長することを確認している．また，山田ら
4)
は，
金型キャビティ壁面近傍のせん断流れ場における発泡挙動を動的に可視化
し ，ス キ ン 層 と 発 泡 層 の 境 界 領 域 に 多 数 生 成 す る 扁 平 化 し た 径 の 大 き な 気 泡
の 生 成 プ ロ セ ス を 明 ら か に し て い る ．可 視 化 観 察 に よ り ，金 型 キ ャ ビ テ ィ 側
面 近 傍 で は ，気 泡 同 士 の 合 一 が 生 じ て ，径 の 大 き な 気 泡 が 順 次 移 動 す る こ と
が 確 認 さ れ た ．さ ら に ，気 泡 径 が 大 き く な る に 伴 っ て 気 泡 の 表 面 積 も 拡 大 す
る た め ，気 泡 同 士 が 接 触 す る 頻 度 が 増 加 し ，気 泡 の 成 長 が 促 進 さ れ る と 考 察
し て い る ．し か し ，同 一 の 成 形 品 で 異 な る 発 泡 構 造 が 生 成 す る 不 良 に 対 し て ，
気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム の 解 明 に 基 づ き ，発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御 を 行 っ て い る 例
はないのが現状である．
前 章 で は ，金 型 内 の 可 視 化 観 察 に 基 づ い て ，図 1-4 に お け る 領 域 ① 及 び 領
域 ② に つ い て ，各 領 域 に お け る 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム は 異 な る こ と が 明 ら か と
な っ た ．ま た ，CO 2 の 供 給 圧 力 に よ っ て 生 成 す る 発 泡 構 造 に 差 異 が あ り ，CO 2
が 超 臨 界 の 条 件 で は 領 域 ① が 広 く ，領 域 ② が 狭 い ．一 方 ，CO 2 が 亜 臨 界 の 条
件 で は そ の 逆 で あ る ．こ こ で ，成 形 品 の 実 用 化 を 考 慮 す る と ，例 え ば 衝 撃 吸
3. Uniforming of the foam structure
66
第 3 章 発泡構造の均一化制御
収 性 が 要 求 さ れ る 場 合 ，微 細 な 気 泡 が 生 成 す る 領 域 ① で 均 一 化 制 御 を 行 う こ
と が 望 ま し い ．一 方 ，化 粧 品 の 容 器 や ケ ー ス に 応 用 さ れ る 際 な ど ，径 の 大 き
い 気 泡 を 水 玉 模 様 と す る 等 ，意 匠 性 が 求 め ら れ る 場 合 で は ，径 の 大 き い 気 泡
が 生 成 す る 領 域 ② で 均 一 化 制 御 す る こ と が 望 ま し い ．し た が っ て ，本 章 で は ，
応 用 さ れ る 分 野 や 用 途 に 応 じ て ，発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御 を 行 う た め ，CO 2 が
超 臨 界 と 亜 臨 界 の 各 条 件 に お い て ，領 域 ① 或 い は 領 域 ② の ど ち ら か を 優 先 的
に生成させることで発泡構造の均一化制御を行った．
3-2
CO 2 が 亜 臨 界 の 場 合
CO 2 が 亜 臨 界 の 条 件 で は ， 図 1-4 か ら 領 域 ② が 成 形 品 の 大 部 分 を 占 め て い
る こ と が 分 か る ．さ ら に ，可 視 化 観 察 に よ り ，金 型 へ の 樹 脂 の 充 填 が 完 了 し ，
樹 脂 の 流 動 が 完 全 に 停 止 し た 後 に 径 の 大 き い 気 泡 が 生 成 す る こ と で ，領 域 ②
が 生 成 す る こ と を 確 認 し た ．こ れ を 受 け ，本 研 究 で は ，過 充 填（ 樹 脂 の 計 量
値 を 多 く 設 定 す る ）に よ り 領 域 ② を 優 先 的 に 生 成 さ せ る こ と で ，領 域 ② で 発
泡 構 造 の 均 一 化 制 御 が 実 現 で き る と 考 え た ．こ こ で ，樹 脂 の 計 量 値 と は ，金
型 キ ャ ビ テ ィ の 容 積 に 相 当 す る 樹 脂 の 量 で あ り ，シ リ ン ダ 内 の 体 積 を 計 測 す
る こ と で ，計 量 値 と し て 表 示 し て い る ．こ れ を 検 証 す る た め ，標 準 条 件（ ジ
ャ ス ト パ ッ ク ）よ り も 樹 脂 の 計 量 値 を 多 く 設 定 し て 金 型 へ 充 填 す る 樹 脂 の 量
を 増 や し ，可 視 化 観 察 に よ り 樹 脂 の 流 動 挙 動 ，及 び 領 域 ② の 生 成 メ カ ニ ズ ム
を 観 察 し た ．図 3-1 は ，可 視 化 観 察 の 結 果 で あ り ，金 型 へ 充 填 さ れ た 樹 脂 の
流 動 挙 動 及 び 領 域 ② の 生 成 メ カ ニ ズ ム を 示 し た も の で あ る ．な お ，本 来 は 成
形 品 の End 部 で 上 記 の 観 察 を 行 う 予 定 で あ っ た が ，金 型 の 構 造 上 ，高 速 度 カ
メ ラ を 設 置 で き な か っ た ．そ こ で ，図 2-2 に 示 し た 成 形 品 の キ ャ ビ テ ィ 容 積
を 縮 小 し ， Middle 部 を End 部 と 想 定 し て 観 察 を 行 っ た ．
図 3-1 か ら ，過 充 填 に よ り 微 細 な 気 泡 が 生 成 す る 領 域 ① が 潰 さ れ る こ と が
分 か る ．さ ら に ，図 2-5 と 同 様 に ，樹 脂 の 流 動 が 停 止 し た 後 ，径 の 大 き い 気
泡 が 生 成 し ，領 域 ② が 生 成 す る こ と を 確 認 し た ．図 3-2 に ，領 域 ② で 発 泡 構
造 の 均 一 化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 に お い て ， そ の 外 観 と ， 成 形 品 の Gate 部 及
3. Uniforming of the foam structure
67
第 3 章 発泡構造の均一化制御
び End 部 に お け る 気 泡 径 の 分 布 を 示 す ．こ こ で ，気 泡 径 分 布 の 算 出 方 法 に つ
い て 補 足 し て お く ．領 域 ② で 生 成 す る 気 泡 は ，そ の 平 均 径 が 2,000～ 3,000μm
と 非 常 に 大 き い た め ，成 形 品 の 断 面 で は な く ，平 面 方 向（ 図 3-2 に 示 し た 成
形 品 外 観 の 撮 影 方 向 ）か ら デ ジ タ ル マ イ ク ロ ス コ ー プ（ キ ー エ ン ス ）で 撮 影
を 行 い ，気 泡 の 円 相 当 径 を 計 測 し て 平 均 気 泡 径 を 算 出 し た ．な お ，計 測 し た
気 泡 数 は ，各 箇 所 で 60 と し た ．図 3-2 か ら ，End 部 に お い て 領 域 ① は 確 認 さ
れ ず ， Gate 部 と End 部 で 平 均 気 泡 径 が 約 270μm の 差 が あ る も の の ， 気 泡 径
分 布 に 関 し て は ，ほ ぼ 同 じ 傾 向 が 得 ら れ る こ と が 分 か り ，領 域 ② で 発 泡 構 造
の均一化制御が可能であることを明らかにした．
さ ら に ，理 論 展 開 の 拡 大 を 目 的 と し ，樹 脂 の 特 徴 や 製 品 と し て 利 用 さ れ る
分 野 ，用 途 が 異 な る ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し ，ポ リ プ ロ ピ レ ン を 使 用 し た 場 合
と 同 様 の 検 討 を 行 っ た ．図 3-3 に ，材 料 に ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し ，同 様 の 検
討 を 行 っ た 結 果 を 示 す ．図 3-3 か ら ，材 料 に ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し た 場 合 で
も ，径 の 大 き い 気 泡 が 生 成 す る 領 域 ② で ，発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御 が 可 能 で あ
る こ と が 明 ら か と な っ た ．以 上 の 検 討 に よ り ，CO 2 が 亜 臨 界 の 条 件 で は ，過
充 填 に よ り 領 域 ② を 優 先 的 に 生 成 さ せ る こ と で ，発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御 が 可
能であることが明らかとなった．
3-3
CO 2 が 超 臨 界 の 場 合
CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ， 図 1-4 か ら 微 細 な 気 泡 が 多 く 生 成 す る 領 域 ① が
成 形 品 の 大 部 分 を 占 め て い る こ と が 分 か る ．さ ら に ，可 視 化 観 察 に よ り ，CO 2
が 超 臨 界 の 条 件 で は ，樹 脂 が CO 2 と 溶 解 し や す い た め ，微 細 な 気 泡 が 多 く 生
成 す る と 考 え ら れ ，領 域 ① は 樹 脂 の 流 動 と と も に 生 成 し て い る こ と が 分 か っ
た ．こ れ を 受 け ，CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ，領 域 ① で 均 一 な 発 泡 構 造 を 実 現
し よ う と 考 え た ．そ こ で ，表 2-1 の 成 形 条 件 に お い て ，背 圧 を 20.0MPa か ら
16.0MPa に 変 更 し ，CO 2 の 供 給 圧 力 15.0MPa と の 圧 力 差 を 小 さ く し た ．こ こ
で ，背 圧 に つ い て 補 足 す る ．図 3-4 の よ う に ，ス ク リ ュ ー の 回 転 に よ る 混 錬
に よ っ て ，射 出 ノ ズ ル へ 樹 脂 が 運 ば れ る ．徐 々 に 樹 脂 が 運 ば れ る と ，射 出 ノ
3. Uniforming of the foam structure
68
第 3 章 発泡構造の均一化制御
ズ ル 付 近 に 滞 留 し た 樹 脂 に 押 さ れ る こ と で ，ス ク リ ュ ー が 後 退 す る 現 象 が み
ら れ る ．こ の ス ク リ ュ ー が 後 退 し な い よ う ，ス ク リ ュ ー を 後 方 か ら 押 す 力 が
背 圧 で あ る ． 表 2-1 の 成 形 条 件 に お い て ， 背 圧 を 変 更 し ， 表 3-1 の 成 形 条 件
で成形を行った．
さ ら に ，成 形 品 外 観 を 観 察 す る と と も に ，発 泡 構 造 の 観 察 と 成 形 品 の Gate
部 及 び End 部 に お け る 気 泡 径 の 評 価 を 行 っ た ．気 泡 径 の 評 価 は ，気 泡 構 造 の
観 察 で 得 ら れ た 断 面 写 真 に 二 値 化 処 理 を 施 し ，円 相 当 径 を 計 測 し て 各 箇 所 に
お け る 平 均 気 泡 径 を 算 出 し た ．こ こ で ，背 圧 を CO 2 の 供 給 圧 力 15.0MPa 以 下
に 設 定 す る と ，樹 脂 と CO 2 が 混 練 せ ず に ス ク リ ュ ー が 後 退 す る 現 象 が 見 ら れ ，
充 填 不 良（ シ ョ ー ト シ ョ ッ ト ）が 発 生 し た ．し た が っ て ，背 圧 は CO 2 の 供 給
圧 力 よ り も 高 く 設 定 し て 成 形 を 行 う 必 要 が あ り ，表 3-1 の よ う な 成 形 条 件 と
し た ． 図 3-5 に ， 成 形 品 の 写 真 ， 及 び 成 形 品 の Gate 部 と End 部 に お け る 発
泡 構 造（ 断 面 写 真 ）を 示 す ．さ ら に ，図 3-6 に ，領 域 ① で 発 泡 構 造 の 均 一 化
制 御 を 行 っ た 成 形 品 に お い て ， 成 形 品 の Gate 部 と End 部 に お け る 平 均 気 泡
径 及 び 気 泡 径 分 布 ， 発 泡 構 造 を 示 す ． な お ， 計 測 し た 気 泡 数 は 各 箇 所 で 200
と し た ．図 3-5 に 示 し た 成 形 品 の 写 真 か ら ，Gate 部 と End 部 に お い て ，均 一
に 発 泡 構 造 が 生 成 し て い る こ と が 確 認 で き る ．さ ら に ，図 3-6 か ら も ，成 形
品 の Gate 部 と End 部 に お け る 平 均 気 泡 径 は 約 50μm～ 60μm で あ り ， 微 細 な
気 泡 が 生 成 し て い る こ と が 分 か り ，気 泡 径 分 布 も 各 箇 所 で ほ ぼ 同 じ 傾 向 で あ
ることが分かった．
こ こ で ，樹 脂 に 対 す る CO 2 の 供 給 量 は ，ス ク リ ュ ー 軸 方 向 の 圧 力 分 布 を 考
慮した場合，背圧には直接影響されないと考えられる．そこで，背圧を
20.0MPa か ら 16.0MPa に 変 更 し ，供 給 圧 力 と の 圧 力 差 を 小 さ く し て 成 形 を 行
っ た ．同 時 に ，射 出 時 の ノ ズ ル 圧 を 計 測 す る 際 に 使 用 し た 圧 力 セ ン サ（ 日 本
ダ イ ニ ス コ ）で ，CO 2 供 給 部 に お け る シ リ ン ダ 内 の 樹 脂 圧 力 を 計 測 し た ．CO 2
供 給 部 に つ い て は ， 図 3-4 を 参 照 さ れ た い ． CO 2 供 給 部 に お け る 樹 脂 圧 力 を
計 測 し た 結 果 ，背 圧 が 20.0MPa の 条 件 で は ，CO 2 の 供 給 圧 力 は 14.3MPa，供
給 部 の 樹 脂 圧 力 は 17.3MPa で あ っ た ．さ ら に ，こ の 時 ，成 形 品 内 部 に 気 泡 が
3. Uniforming of the foam structure
69
第 3 章 発泡構造の均一化制御
生 成 し な い こ と を 確 認 し た ．一 方 ，背 圧 が 16.0MPa の 条 件 で は ，CO 2 の 供 給
圧 力 は 15.3MPa， 供 給 部 の 樹 脂 圧 力 は 14.8MPa で あ っ た ．
以 上 の こ と か ら ，背 圧 を 変 更 す る こ と で ，CO 2 供 給 部 の 樹 脂 圧 力 は 相 対 的
に 変 化 す る こ と が 明 ら か と な っ た ． さ ら に ， 背 圧 を 20MPa か ら 16.0MPa に
変 更 し ，背 圧 と CO 2 の 供 給 圧 力 の 圧 力 差 を 小 さ く し た 場 合 ，供 給 圧 力 が CO 2
供 給 部 の 樹 脂 圧 力 よ り も 高 く な り ， 図 3-4 に お け る 供 給 部 に お い て ， CO 2 が
樹 脂 に よ り 溶 解 し や す く な っ た と 考 え ら れ る ．な お ，背 圧 を 変 更 し な い 場 合 ，
CO 2 供 給 部 に お け る 樹 脂 圧 力 が CO 2 の 供 給 圧 力 よ り 高 い 状 態 と な り ，CO 2 が
樹 脂 に 溶 解 し に く い 状 態 に な っ た と 考 え ら れ る ．こ の よ う に ，背 圧 を 変 更 し ，
背 圧 と CO 2 の 供 給 圧 力 の 圧 力 差 を 小 さ く す る こ と で ，CO 2 供 給 部 に お け る 樹
脂 圧 力 が 相 対 的 に 変 化 し ，CO 2 が 樹 脂 に よ り 溶 解 し や す い 状 態 と な り ，微 細
な気泡が多数生成したと推測される．
さ ら に ，理 論 展 開 の 拡 大 を 目 的 と し ，材 料 に ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し ，同 様
の 検 討 を 行 っ た ．図 3-7 に 示 し た 成 形 品 の 写 真 か ら ，材 料 に ポ リ ス チ レ ン を
使 用 し た 場 合 で も ，Gate 部 と End 部 に お い て ，均 一 に 発 泡 構 造 が 生 成 し て い
る こ と が 確 認 で き る ． 図 3-8 か ら も ， 成 形 品 の Gate 部 と End 部 に お け る 平
均 気 泡 径 は 約 40μ m～ 60μ m で あ り ，微 細 な 気 泡 が 生 成 し て い る こ と が 分 か
っ た ．し た が っ て ，材 料 に ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し た 場 合 で も ，ポ リ プ ロ ピ レ
ン と 同 様 に 発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御 が 可 能 で あ る こ と が 明 ら か と な っ た ．以 上
の 検 討 に よ り ，CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ，背 圧 を 変 更 し て CO 2 の 供 給 圧 力 と
の 差 を 小 さ く す る こ と で ，CO 2 供 給 部 の 樹 脂 圧 力 は 相 対 的 に 変 化 し ，領 域 ①
で発泡構造の均一化制御が可能であることが明らかとなった．
3-4
結言
前 章 で は ，CO 2 を 発 泡 剤 と し て 使 用 し た 射 出 発 泡 成 形 に お い て ，金 型 内 の
可 視 化 観 察 に 基 づ き ，図 1-4 に お け る 領 域 ① 及 び 領 域 ② に つ い て ，各 領 域 が
生成するメカニズムが異なることを明らかにした．これを受け，本章では，
CO 2 が 超 臨 界 と 亜 臨 界 の 各 条 件 に お い て ， 発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御 を 行 っ た ．
3. Uniforming of the foam structure
70
第 3 章 発泡構造の均一化制御
1) CO 2 が 亜 臨 界 の 条 件 で は ， 図 3-9 の よ う に ， 成 形 品 の End 部 に お い て ，
微細な気泡が多く生成する領域①を過充填により潰すことで，領域②を
優先的に生成させることが可能であり，樹脂の流動が停止した後に生成
する径の大きい気泡が存在する領域②で，発泡構造の均一化制御を実現
できることが明らかとなった．
2) CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ， 図 3-9 の よ う に ， 背 圧 を 変 更 し て CO 2 の 供 給
圧 力 と の 差 を 小 さ く す る こ と で ， CO 2 供 給 部 に お け る 樹 脂 圧 力 は 相 対 的
に 変 化 す る こ と を 確 認 し た ． こ れ に よ り ， CO 2 の 供 給 圧 力 が CO 2 供 給 部
に お け る 樹 脂 圧 力 よ り も 高 い 状 態 と な り ， CO 2 が 樹 脂 に よ り 溶 解 し や す
くなったことで，微細な気泡が多く生成し，領域①で発泡構造の均一化
制 御 を 実 現 で き る こ と が 分 か っ た ． 以 上 の よ う に ， CO 2 の 供 給 圧 力 を コ
ントロールすることで，気泡径の異なる成形品が得られ，発泡構造を均
一化制御できることを明らかにした．
3) 発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御 に お い て ， 前 章 と 同 様 ， 理 論 展 開 の 拡 大 を 目 的 と
し，樹脂の特徴や製品として利用される分野，用途が異なるポリスチレ
ンを使用し，ポリプロピレンを使用した場合と同様の検討を行った．樹
脂にポリスチレンを使用した場合でも，ポリプロピレンを使用した場合
と同様に発泡構造の均一化制御が可能であることが明らかとなり，応用
性のある手法としてまとめることができた．
3. Uniforming of the foam structure
71
第 3 章 発泡構造の均一化制御
参考文献
1) 浦 野 陽 平 ， 瀬 戸 雅 宏 ， 山 部 昌 ： 成 形 加 工 シ ン ポ ジ ア ’13， 87～ 88(2013)
2) 柿 島 浩 徳 ， 瀬 戸 雅 宏 ， 田 中 宏 明 ， 山 部 昌 ： 成 形 加 工 ’14， 289～ 290(2014)
3) 山 田 岳 大 ， 村 田 泰 彦 ， 横 井 秀 俊 ： 成 形 加 工 シ ン ポ ジ ア ’05， 51(2005)
4) 山 田 岳 大 ， 横 井 秀 俊 ： 成 形 加 工 ’14， 255(2014)
3. Uniforming of the foam structure
72
第 3 章 発泡構造の均一化制御
Fig.3-1
Crushing fine cells by overfilling and generation of coarse cell s
(Generation mechanism of “Area ② ”).
3. Uniforming of the foam structure
73
第 3 章 発泡構造の均一化制御
Fig.3-2
Uniforming of the foam structure
(Polypropylene, Subcritical－ “Area ② ”).
3. Uniforming of the foam structure
74
第 3 章 発泡構造の均一化制御
Fig.3-3
Uniforming of the foam structure
(Polystyrene, Subcritical－ “Area ② ”).
3. Uniforming of the foam structure
75
第 3 章 発泡構造の均一化制御
Table3-1
Molding conditions
(Uniforming of the foam structure, Supercritical － “Area ① ”).
Resin temperature [℃ ]
200
Injection speed [mm/s]
10.0
Back pressure [MPa]
16.0
Mold temperature [℃ ]
50.0
Cooling time [s]
20.0
Supplying pressure of CO 2 [MPa]
15.0
3. Uniforming of the foam structure
76
第 3 章 発泡構造の均一化制御
Fig.3-4
Back pressure and supply position of CO 2 .
3. Uniforming of the foam structure
77
第 3 章 発泡構造の均一化制御
Fig.3-5
Molded article and the foam structure - Polypropylene
(Uniforming of the foam structure, Supercritical － “Area ① ”).
3. Uniforming of the foam structure
78
第 3 章 発泡構造の均一化制御
Fig.3-6
Uniforming of the foam structure - Polypropylene
(Supercritical－ “Area ① ”).
3. Uniforming of the foam structure
79
第 3 章 発泡構造の均一化制御
Fig.3-7
Molded article and the foam structure - Polystyrene
(Uniforming of the foam structure, Supercritical － “Area ① ”).
3. Uniforming of the foam structure
80
第 3 章 発泡構造の均一化制御
Fig.3-8
Uniforming of the foam structure - Polystyrene
(Supercritical－ “Area ① ”).
3. Uniforming of the foam structure
81
第 3 章 発泡構造の均一化制御
Fig.3-9
Uniforming of the foam structure
(Control of the foam structure, Pattern diagram).
3. Uniforming of the foam structure
82
第4章
実用化に向けた
射出発泡成形品の機械特性予測
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
4-1
緒言
前 章 で は ，CO 2 を 用 い た 射 出 発 泡 成 形 に お い て ，同 一 の 成 形 品 で 異 な る 発
泡 構 造 が 生 成 す る 成 形 不 良 に 対 し ，金 型 内 可 視 化 手 法 に よ り 気 泡 生 成 メ カ ニ
ズ ム の 観 察 を 行 い ，各 領 域 の 気 泡 生 成 に 与 え る 要 因 を 明 ら か に す る と と も に ，
発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御 を 行 っ た ．CO 2 が 亜 臨 界 の 条 件 で は ，成 形 品 の End 部
に お い て ，微 細 な 気 泡 が 多 く 生 成 す る 領 域 ① を 過 充 填 に よ り 潰 す こ と で ，樹
脂の流動が停止した後に生成する径の大きい気泡が存在する領域 ②で発泡
構 造 の 均 一 化 制 御 を 実 現 で き る こ と が 分 か っ た ．一 方 ，CO 2 が 超 臨 界 の 条 件
で は ，背 圧 を 変 更 し て CO 2 の 供 給 圧 力 と の 差 を 小 さ く す る こ と で ，CO 2 供 給
部 の 樹 脂 圧 力 は 相 対 的 に 変 化 す る こ と を 確 認 し た ．さ ら に ，こ れ に よ り 樹 脂
に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 が 大 き く な り ，CO 2 が 樹 脂 に よ り 溶 解 し や す く な っ た
こ と で ，微 細 な 気 泡 が 多 数 生 成 し ，領 域 ① で 発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御 を 実 現 で
きることが分かった．
前章において，発泡構造の均一化制御によって得られた成形品の実用化，
つ ま り 実 製 品 へ の 応 用 を 考 慮 す る 場 合 ，機 械 特 性 を 事 前 に 予 測 す る こ と が 重
要 で あ る ．実 製 品 の 設 計 に お い て ，必 要 不 可 欠 と な っ て い る の が 数 値 シ ミ ュ
レ ー シ ョ ン で あ る ．製 品 が 有 す る 剛 性 や 機 械 的 強 度 等 の 巨 視 的 な 機 械 特 性 を
事 前 に 予 測 し ，そ の 結 果 を も と に 構 造 解 析 を 行 う こ と で ，試 作 回 数 を 減 ら す
こ と が 可 能 な た め ，リ ー ド タ イ ム の 短 縮 や コ ス ト 削 減 が 期 待 さ れ る ．射 出 発
泡 成 形 品 は ，成 形 過 程 に お い て ，板 厚 方 向 に 金 型 に よ る 冷 却 速 度 の 分 布 が 発
生 す る た め ，流 動・固 化 の 過 程 で ス キ ン 層 と 発 泡 層 が 形 成 さ れ ，板 厚 方 向 に
多 層 構 造 を 形 成 す る ．こ の ス キ ン 層 に は 気 泡 が 存 在 し な い た め ，応 力 と ひ ず
み の 関 係 等 の 機 械 特 性 を 予 測 す る こ と は 容 易 で あ る ．し か し ，樹 脂 と 気 泡 が
混 在 す る 発 泡 層 は 一 種 の 複 合 材 料 と 考 え る こ と が で き る た め ，図 1-5 の よ う
なミクロモデルを作成して有限要素法により巨視的な機械特性を予測する
場 合 ，要 素 数 や 節 点 数 は 膨 大 な も の と な り ，モ デ ル の 作 成 や メ ッ シ ュ 生 成 に
膨大な時間と手間を要するといった課題がある．
そ こ で ，本 研 究 で は 等 価 介 在 物 法 と 呼 ば れ る 数 値 解 析 手 法 に 着 目 し た ．な
4. prediction of mechanical properties for practical realization
84
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
お ，等 価 介 在 物 法 の 概 要 及 び 定 式 化 は 3-2 節 に 記 述 し た ．こ こ で ，等 価 介 在
物 法 に 関 す る 研 究 に つ い て ，山 本
1)
は ，等 価 介 在 物 法 に 基 づ い て 木 質 細 胞 壁
における木材繊維の力学挙動をシミュレートすることで弾性構成式を導出
し ，そ の 有 効 性 を 実 験 的 に 検 証 し て い る ．安 田 ら
2)
は ，等 価 介 在 物 法 に よ り
破 壊 靭 性 の 気 孔 率 依 存 性 及 び 気 孔 形 状 依 存 性 を 定 式 化 す る こ と で ，セ ラ ミ ッ
ク ス の 破 壊 靭 性 に 及 ぼ す 組 織 の 影 響 に つ い て 検 討 し て い る ．し か し ，射 出 発
泡 成 形 品 の 巨 視 的 な 機 械 特 性 予 測 に 対 し て ，等 価 介 在 物 法 が 適 用 さ れ た 研 究
報告は少ない．
本 研 究 で は ，射 出 発 泡 成 形 品 を 応 用 し た 実 製 品 の 予 測 手 法 の 構 築 を 試 み る
こ と を 目 的 と し ，射 出 発 泡 成 形 品 の 巨 視 的 な 機 械 特 性 予 測 に 対 す る 等 価 介 在
物 法 の 妥 当 性 を 検 討 し た ．ま ず ，等 価 介 在 物 法 を 適 用 し ，発 泡 層 の 巨 視 的 な
応 力 と ひ ず み の 関 係 か ら 弾 性 率 を 予 測 し た ．さ ら に ，成 形 品 か ら 作 製 し た 試
験 用 サ ン プ ル を 使 用 し ，引 張 試 験 を 実 施 し ，予 測 結 果 と 試 験 結 果 を 比 較 し た ．
ま た ，複 合 材 料 の 一 種 と 考 え る こ と の で き る 発 泡 層 を 図 1-5 の よ う に 忠 実 に
モ デ ル 化 し ，メ ッ シ ュ 生 成 を 行 う 場 合 ，要 素 数 や 節 点 数 が 膨 大 と な る こ と か
ら ，よ り 端 的 に 巨 視 的 な 機 械 特 性 を 求 め る 手 法 と し て ，古 典 的 な 基 本 法 則 で
ある複合則がある
3)
．よ っ て ，本 研 究 で は ，射 出 発 泡 成 形 品 の 実 製 品 へ の 応
用 を 考 慮 し ，機 械 特 性 予 測 手 法 の 構 築 を 試 み る こ と を 目 的 と し ，各 検 討 を 行
っ た ．ま ず ，樹 脂 と 気 泡 が 混 在 す る 発 泡 層 の 弾 性 率 を 等 価 介 在 物 法 に よ り 予
測 し ，引 張 試 験 の 実 測 結 果 と 比 較 す る こ と で ，発 泡 層 の 弾 性 率 予 測 に 対 す る
等 価 介 在 物 法 の 妥 当 性 を 検 討 し た ．さ ら に ，予 測 し た 発 泡 層 の 弾 性 率 を も と
に ，実 製 品 の 形 状 に 近 い リ ブ を 有 す る 成 形 品 の 曲 げ 荷 重 に 対 す る 変 位 を 構 造
解 析 で 予 測 し た ．予 測 結 果 と 3 点 曲 げ 試 験 の 実 測 結 果 を 比 較 す る こ と で ，実
製品により近い形状が近いものに拡張した射出発泡成形品の機械特性予測
に対する等価介在物法の妥当性を検討した．
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
85
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
4-2
等価介在物法
樹 脂 と 気 泡 が 混 在 す る 発 泡 層 の 巨 視 的 な 応 力 と ひ ず み の 関 係 を 予 測 し ，弾
性 率 を 算 出 す る 際 に 導 入 し た 等 価 介 在 物 法 に つ い て 記 述 す る ．等 価 介 在 物 法
は Eshelby 4) に よ っ て 証 明 さ れ ，こ の 理 論 を も と に 森・田 中
5)
は ，複 合 材 料 の
巨 視 的 な 機 械 特 性（ 平 均 弾 性 テ ン ソ ル ）を 得 る 手 法 を 導 き ，弾 塑 性 領 域 ま で
拡 張 し た ．こ こ で は ，発 泡 層 の 巨 視 的 な 応 力 と ひ ず み の 関 係 を 導 く た め ，森・
田中のアプローチをもとに等価介在物法の定式化を行った
6)-9)
．
不 均 質 な 機 械 特 性 を 持 つ 介 在 物 が 多 く 含 ま れ て い る 複 合 材 料 に お い て ，介
在 物 に よ る 乱 れ を 算 定 す る た め ， 図 4-1 の よ う に 平 均 ひ ず み
が発生する
母 材 に 介 在 物 を 1 個 だ け 加 え て み る と ，母 材 中 ，介 在 物 中 の 応 力 と ひ ず み の
関 係 は そ れ ぞ れ 式（ 4-1），式（ 4-2）の よ う に 表 現 で き る ．な お ，C M は 母 材 ，
C I は 介 在 物 の 弾 性 係 数（ 弾 性 テ ン ソ ル ）で あ り ，変 形 状 態 に か か わ ら ず 一 定
で あ る ． ま た 添 え 字 は そ れ ぞ れ M： 母 材 ， I： 介 在 物 を 意 味 す る ． ま た ，〈 〉
は 平 均 量 で あ り ， 式 （ 4-2） に お け る
は乱されたひずみである．実際は，
不 均 質 な 機 械 特 性 を 持 つ 介 在 物 中 の 応 力 と ひ ず み の 関 係 は 式 （ 4-2） で 表 現
さ れ る が ，こ の 不 均 質 な 機 械 特 性 を 持 つ 介 在 物 を 1 個 の 等 価 介 在 物 で 置 き 換
え る と ， 式 （ 4-2） は 式 （ 4-3） の よ う に 表 現 で き る ．
（ 4-1）
（ 4-2）
（ 4-3）
以上のような置き換えに基づいた解析手法が等価介在物法であり，
は
問 題 の 等 価 性 を 保 証 す る た め に 導 入 さ れ た 固 有 ひ ず み（ Eigen-strain）で あ る
10)
．固 有 ひ ず み は 周 囲 に 拘 束 が な い 場 合 ，内 部 に 応 力 を 伴 わ な い 変 形（ 例 え
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
86
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
ば ，熱 ひ ず み ，塑 性 ひ ず み 等 ）と 定 義 さ れ て い る
11)
．こ の よ う に 等 価 介 在 物
法 は ，不 均 質 な 機 械 特 性 を 持 つ 介 在 物 を ，母 材 と 同 じ 弾 性 特 性 を 持 ち ，内 部
に固有ひずみを有する領域に置き換えて等価な応力場を考慮して適切な固
有 ひ ず み を 求 め ，巨 視 的 な 応 力 と ひ ず み の 関 係 を 導 く 手 法 で あ る
に 等 価 介 在 物 法 の 概 念 図 ， 図 4-3 に イ メ ー ジ 図 を 示 す
13)
12)
．図 4-2
．
こ こ で ， 固 有 ひ ず み 場 と ひ ず み の 乱 れ 成 分 を 関 連 付 け る た め ， Eshelby に
よって，乱されたひずみ
と固有ひずみ
の 関 係 が 式 （ 4-4） の よ う に 定
義 さ れ て い る ． Eshelby は ， 図 4-4 の よ う に 無 限 体 の 母 材 の 中 に ， 少 な く と
も 1 個の楕円形状の不均質な機械特性を持つ介在物の領域 Ω が存在しており，
そ の 混 合 物 体 に は 無 限 遠 方 点 で 一 定 の 応 力 σ が 作 用 し て い る 場 合 ，式（ 4-4）
で も 表 さ れ る よ う に ，介 在 物 の 領 域 Ω 中 の ひ ず み は 一 様 で あ る こ と を 証 明 し
た
14)
．式（ 4-4）に お い て ，S は 介 在 物 中 の Eshelby テ ン ソ ル と 呼 ば れ ，介 在
物 の 形 状（ 半 径 比 ）と 母 材 の ポ ア ソ ン 比 に 依 存 し ，そ の 大 き さ に は 依 存 し な
い定数である．なお，介在物の形状は楕円体または球体としている
15)
．
以 上 の こ と か ら ，複 合 材 料 の 巨 視 的 な 応 力 と ひ ず み の 関 係 を 導 く た め に は ，
等 価 介 在 物 法 で は ，置 き 換 え に よ っ て 導 入 さ れ た 介 在 物 の 固 有 ひ ず み
を
求 め る こ と が 必 要 と な る ．式（ 4-3）及 び 式（ 4-4）か ら ，乱 さ れ た ひ ず み
を 消 去 す る と 式（ 4-5）の よ う に な り ，介 在 物 の 固 有 ひ ず み
は ，式（ 4-6）
で 表 さ れ る ． ま た ， 介 在 物 中 の 局 所 的 な 応 力 は 式 （ 4-7） の よ う に な る ． な
お ， 式 （ 4-5） 及 び 式 （ 4-7） に お け る I は ， 4 階 の 単 位 テ ン ソ ル で あ る ．
こ こ で ，複 合 材 料 の 機 械 特 性 に 関 す る 古 典 的 な 複 合 則
16)17)
に よ り ，複 合 材
料 の 巨 視 的 な 応 力 と ひ ず み を 式（ 4-8），式（ 4-9）の よ う に 体 積 平 均 で 定 義 す
る ． ま た ， 式 （ 4-1） と 式 （ 4-2） か ら ， 巨 視 的 な ひ ず み は 式 （ 4-10） の よ う
にも表現できる．なお， と は巨視的な応力とひずみであり，f は介在物の
含 有 率 で あ る ． 式 （ 4-6） ～ 式 （ 4-8）， 式 （ 4-10） か ら ，
物の固有ひずみ
及び
，介在
を 消 去 す る と ， 式 （ 4-11） の よ う な 関 係 が 得 ら れ る ． よ
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
87
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
っ て ，式（ 4-12）の よ う に ，巨 視 的 な 平 均 弾 性 テ ン ソ ル を
と定義すれば，
式（ 4-11）は 式（ 4-13）の よ う に 表 現 さ れ ，Eshelby の テ ン ソ ル S が 与 え ら れ
れ ば ，複 合 材 料（ 発 泡 層 ）の 巨 視 的 な 応 力 と ひ ず み の 関 係 を 導 く こ と が で き
る．
（ 4-4）
（ 4-5）
（ 4-6）
（ 4-7）
（ 4-8）
（ 4-9）
（ 4-10）
（ 4-11）
（ 4-12）
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
88
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
（ 4-13）
4-3
発泡層の弾性率予測
本 研 究 で は ，射 出 発 泡 成 形 品 を 応 用 し た 実 製 品 の 予 測 手 法 の 構 築 を 行 う こ
と を 目 的 と し ，そ の 巨 視 的 な 機 械 特 性 を 予 測 す る 際 に 導 入 し た 等 価 介 在 物 法
の 妥 当 性 を 検 討 し た ．こ こ で は ，等 価 介 在 物 法 に よ り 発 泡 層 の 巨 視 的 な 応 力
と ひ ず み の 関 係 を 予 測 し ，弾 性 率 を 算 出 し た ．さ ら に 等 価 介 在 物 法 の 妥 当 性
を検討するため，引張試験を実施し，予測結果と試験結果を比較した．
こ こ で ，成 形 品 の 発 泡 構 造 は ，成 形 プ ロ セ ス に よ っ て 左 右 さ れ ，機 械 特 性
に も 大 き な 影 響 を 与 え て お り ，発 泡 構 造 を 定 量 的 に 評 価 す る こ と が 重 要 で あ
る ．さ ら に ，前 節 で 述 べ た 等 価 介 在 物 法 の 理 論 で も 分 か る よ う に ，発 泡 構 造 ，
特に気泡含有率の定量化は発泡層の巨視的な機械特性を予測する上で重要
で あ る ．そ こ で 本 研 究 で は ，成 形 品 の 発 泡 構 造 と し て ，発 泡 層 の 気 泡 含 有 率
を 定 量 化 し た ．気 泡 含 有 率 は ，発 泡 層 の 断 面 写 真 に お い て ，気 泡 が 占 め る 面
積 と 任 意 の 断 面 積 の 比（ 以 下 ，面 積 比 ）か ら 算 出 し た ．な お ，面 積 比 は ，発
泡 層 の 断 面 写 真 に 二 値 化 処 理 を 施 し ，画 像 処 理 ソ フ ト（ ニ コ ン ）に よ っ て 算
出 し た ．こ こ で は ，こ の 面 積 比 に 基 づ く 気 泡 含 有 率 の 算 出 方 法 に つ い て 記 述
す る ．ま ず ，図 4-5 の よ う な 一 辺 が 長 さ a の 立 方 体 に ，気 泡 の モ デ ル が 内 接
し て い る と 仮 定 す る ．な お ，気 泡 の モ デ ル は ，完 全 な 球 体 と す る ．図 4-5 は
2 次 元 モ デ ル と な っ て い る が ， 本 来 は 奥 行 き （ 長 さ a） が あ る 3 次 元 モ デ ル
で あ る ． 図 4-5（ a） は 立 方 体 に 気 泡 が 1 個 ， 図 4-5（ b） は 気 泡 が 8 個 ， 図
4-5（ c） は 気 泡 が 27 個 そ れ ぞ れ 内 接 し て い る ． こ こ で ， 気 泡 含 有 率 と 面 積
比 の 間 に は “あ る 関 係 ”が 存 在 す る ，つ ま り 両 者 の 間 に 数 値 的 な 比 率 の よ う な
も の が あ る の で は な い か と 考 え た ．こ の 比 率 を 図 4-5 に 示 し た モ デ ル を 使 用
し ，気 泡（ 球 体 ）の 断 面 積 A と 体 積 V の 比 か ら 算 出 し た ．図 4-5（ a）の よ う
に 立 方 体 に 気 泡 が 1 個 だ け 内 接 す る 場 合 に お い て ， 気 泡 の 断 面 積 Aa と 体 積
V a は ， 式 （ 4-14） と 式 （ 4-15） の よ う に 表 さ れ る ．
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
89
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
（ 4-14）
（ 4-15）
同 様 に ，図 4-5（ b）の よ う に 立 方 体 に 気 泡 が 8 個 内 接 す る 場 合 に お け る 気
泡 の 断 面 積 A b と 体 積 V b は ， 式 （ 4-16） と 式 （ 4-17） の よ う に な る ．
（ 4-16）
（ 4-17）
さ ら に ， 図 4-5（ c） の よ う に 立 方 体 に 気 泡 が 27 個 内 接 す る 場 合 に お け る
気 泡 の 断 面 積 A c と 体 積 V c は ， 式 （ 4-18） と 式 （ 4-19） の よ う に な る ．
（ 4-18）
（ 4-19）
（ 4-20）
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
90
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
ここで，各々の場合における気泡の断面積と体積の比を求めると，式
（ 4-20）の よ う に な る ．な お ， 立 方 体 の 一 辺 の 長 さ a は 1 と し た ．し た が っ
て ，式（ 4-20）に 示 し た 比 率 が 気 泡 含 有 率 と 面 積 比 の 間 に 存 在 す る 比 率 で あ
る と 考 え ら れ る ．以 上 の 方 法 で ，各 条 件 に お け る 発 泡 層 の 気 泡 含 有 率 を 定 量
化 し た と こ ろ ，CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で ，微 細 な 気 泡 が 生 成 す る 領 域 ① で 均 一
化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 は 25.8%で あ っ た ． ま た ， CO 2 が 亜 臨 界 の 条 件 で ， 径
の 大 き い 気 泡 が 生 成 す る 領 域 ② で 均 一 化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 は 14.6%で あ っ
た．
図 4-6 に ， 本 研 究 に お け る 射 出 発 泡 成 形 品 の 機 械 特 性 予 測 の 流 れ を 示 す ．
前 節 で 述 べ た 等 価 介 在 物 法 の 定 式 化 を も と に ，機 械 特 性 値 計 算 ソ フ ト ウ ェ ア
DIGIMAT-MF（ e-Xstream engineering）を 使 用 し ，発 泡 層 の 巨 視 的 な 応 力 と ひ
ずみの関係を予測して弾性率を算出した．機械特性値計算ソフトウェア
DIGIMAT-MF は 等 価 介 在 物 法 の 理 論 を ベ ー ス と し ，樹 脂 と 介 在 物 の 機 械 特 性
や 介 在 物 の 気 泡 含 有 率 を 入 力 条 件 と す る こ と で ，複 合 材 料 の 応 力 と ひ ず み の
関 係 を 巨 視 的 に 予 測 可 能 な ソ フ ト ウ ェ ア で あ る ．本 研 究 で は ，平 板 形 状 の 発
泡 層 を 模 し た モ デ ル が 一 軸 方 向 に 引 張 荷 重 を 受 け て い る 場 合 を 想 定 し ，発 泡
層 の 巨 視 的 な 応 力 と ひ ず み の 関 係 を 予 測 し た ． PP の 機 械 特 性 と し て 密 度 ，
弾 性 率 及 び ポ ア ソ ン 比 を 採 用 し ，ポ ア ソ ン 比 は 0.4 と し た ．さ ら に ，PP の 入
力 条 件 と し て ， 密 度 は 0.90g/cm 3 と し ， 弾 性 率 に は CO 2 を 供 給 し な い 条 件 の
も の （ Solid 成 形 品 ， 引 張 試 験 で 計 測 ） を 使 用 し た ． ま た 従 来 ， 複 合 材 料 と
して代表的な繊維強化樹脂の巨視的な機械特性を等価介在物法により予測
するにあたって，繊維フィラー等の介在物の機械特性や気泡含有率，形状，
配向分布が入力条件として用いられていた
18)
．し か し ，本 研 究 で は 射 出 発 泡
成 形 品 を 対 象 と し て お り ，樹 脂 と 気 泡 が 混 在 す る 発 泡 層 は 一 種 の 複 合 材 料 と
し て 考 え ら れ る ．そ の た め 介 在 物 を 気 泡 と し ，そ の 機 械 特 性 は 0 に 限 り な く
近 い も の と し ，配 向 分 布 も 生 じ て い な い も の と し た ．さ ら に ，気 泡 の 大 き さ
は考慮せず，その形状はアスペクト比を持たない完全な球体と仮定した．
以上の予測結果と比較を行うため，引張試験を実施した． 引張試験は，n
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
91
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
数 を 3 と し て ， 図 4-7 で 示 し た 成 形 品 の 中 央 部 か ら 100mm×20mm の も の を
切 り 出 し ，ス キ ン 層 を サ ン ド ペ ー パ ー で 除 去 し て 発 泡 層 の み の 試 験 片 で 実 施
し た ．試 験 は ，万 能 試 験 機（ オ ー ト グ ラ フ AG-1，島 津 製 作 所 ）を 使 用 し て ，
一 般 的 な 引 張 試 験 に 使 用 さ れ る つ か み 具（ チ ャ ッ ク ）で 試 験 片 を 固 定 し ，試
験 速 度 5mm/min で 実 施 し た ． ひ ず み は ， ひ ず み ゲ ー ジ を 試 験 片 の 中 央 に 取
り 付 け て 計 測 を 行 っ た ． ま た ， CO 2 を 供 給 し て い な い 条 件 （ Solid 成 形 品 ）
に つ い て も ，発 泡 層 は 形 成 さ れ て い な い と し ，同 様 に 弾 性 率 を 求 め た ．こ こ
で ， 領 域 ② で 均 一 化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 は ， 図 3-2 か ら 確 認 で き る よ う に ，
径 の 大 き い 気 泡 が 成 形 品 に 分 布 し て い る ．そ こ で ，微 細 な 気 泡 が 存 在 す る 領
域 ① で 均 一 化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 と 同 様 に ，ひ ず み ゲ ー ジ で 局 所 的 な 変 形 を
捉 え る の で は な く ，引 張 荷 重 に 対 す る 大 き な 変 形 を 捉 え ら れ る よ う ，変 位 計
（ 東 京 測 器 ）と 動 ひ ず み 測 定 器（ 東 京 測 器 ）を 使 用 し て 試 験 を 行 っ た ．ま た ，
領域②で均一化制御を行った成形品に関しては，n 数を 8 として試験を行っ
た．
図 4-8 に ，微 細 な 気 泡 が 生 成 す る 領 域 ① で 均 一 化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 に つ
い て ，各 条 件 の 弾 性 率 を 示 す ．ま た ，図 4-9 に ，径 の 大 き い 気 泡 が 生 成 す る
領 域 ② で 均 一 化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 に つ い て ，各 条 件 の 弾 性 率 を 示 す ．な お ，
図 4-8，図 4-9 に お い て ，横 軸 は 条 件 項 目 ，縦 軸 は 弾 性 率 [MPa]で あ り ，Solid
成 形 品 も 併 せ て 示 し た ．さ ら に ，複 合 材 料 の 一 種 と 考 え る こ と が で き る 発 泡
層 を 均 質 材 料 と 考 え ，式（ 4-21）に 示 す 古 典 的 な 複 合 則 で 発 泡 層 の 弾 性 率 を
推 定 し た ．な お ，式（ 4-21）に お い て ，気 泡 の 弾 性 率 C C は 考 慮 せ ず ，C f oa m ：
発 泡 層 の 弾 性 率 ， f： 気 泡 含 有 率 ， C M ： PP の 弾 性 率 で あ る ．
（ 4-21）
図 4-8 か ら ，領 域 ① で 均 一 化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 に つ い て ，等 価 介 在 物 法
の 理 論 を も と に 発 泡 層 の 弾 性 率 を 予 測 し た 場 合 ，複 合 則 を 適 用 し た 場 合 に 比
べ て ，試 験 結 果 と 良 好 な 一 致 を 示 す こ と が 分 か っ た ．一 方 ，図 4-9 か ら ，領
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
92
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
域 ② で 均 一 化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 に つ い て ，当 初 は 気 泡 含 有 率 を 14.6%と 定
量 化 し て い た ． こ こ で ， 図 4-10 に ， 領 域 ② で 均 一 化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 に
つ い て ，引 張 試 験 後 に お け る 試 験 片 の 画 像（ 4 条 件 ）を 示 す ． な お ，図 4-10
に お い て ，黒 線 は 変 位 計 の 取 り 付 け 箇 所 で あ る（ 2 線 間 の 距 離 は 30mm）．領
域 ② で 均 一 化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 に つ い て ，発 泡 層 の 弾 性 率 予 測 を 等 価 介 在
物 法 に よ り 予 測 す る 場 合 ， 図 4-10 に お け る 最 も 変 形 が 大 き い と 考 え ら れ る
箇所，つまり破断箇所付近の気泡含有率を定量化する必要があると考えた．
そ こ で ，試 験 片 に お い て ，黒 線 で 囲 ま れ た 範 囲 ，つ ま り 変 位 計 を 取 り 付 け た
箇 所 に あ た る 範 囲 の 気 泡 含 有 率 を 再 度 定 量 化 す る と 22.5%で あ っ た ．こ れ は ，
変位計を取り付けた箇所にあたる範囲の中で破断が生じた 8 条件中，6 条件
の 試 験 片 に お い て ，気 泡 含 有 率 を 定 量 化 し た 平 均 で あ る ．ま た ，図 4-9 に 示
し た “ EIM” の 条 件 は ， 以 上 を も と に ， 等 価 介 在 物 法 に よ り 発 泡 層 の 弾 性 率
を 予 測 し た 結 果 で あ る ．図 4-9 か ら ，領 域 ② で 均 一 化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 に
つ い て ，領 域 ① で 均 一 化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 と 同 様 ，等 価 介 在 物 法 の 理 論 を
も と に 発 泡 層 の 弾 性 率 を 予 測 し た 場 合 ，複 合 則 を 適 用 し た 場 合 に 比 べ て ，試
験結果と良好な一致を示すことが分かった．
こ こ で ，射 出 発 泡 成 形 に は ，第 1 章 で も 述 べ た よ う に ，CO 2 を 発 泡 剤 と し
て 使 用 し た 物 理 発 泡 法 の ほ か ，化 学 発 泡 剤 を 使 用 し た 化 学 発 泡 法 が あ る ．図
4-11 に ，化 学 発 泡 法 に よ り 得 ら れ た 成 形 品 の 発 泡 構 造 を 示 す ．こ れ は ，材 料
に ポ リ プ ロ ピ レ ン ， 化 学 発 泡 剤 と し て ， ポ リ ス レ ン EE25C（ 永 和 化 成 工 業 ）
を 使 用 し ，発 泡 剤 の 混 合 量 を 変 化 さ せ な が ら ，表 4-1 の 成 形 条 件 で 行 っ た 成
形 に よ り 得 ら れ た 成 形 品 の 発 泡 構 造 で あ る ．成 形 で は ，コ ア バ ッ ク 成 形 法 を
採 用 し て お り ，こ れ は 樹 脂 を 金 型 に 充 填 し た 後 ，成 形 機 で 設 定 し た 量 だ け 金
型 を 開 き ，圧 力 変 化 に よ っ て 気 泡 の 生 成 ，成 長 を 促 す 手 法 で あ る ．一 般 的 に ，
化 学 発 泡 法 で 成 形 を 行 う と ，CO 2 を 発 泡 剤 と し て 使 用 し た 物 理 発 泡 法 に 比 べ
て ， 得 ら れ る 気 泡 含 有 率 の 範 囲 が 広 い と さ れ て い る ． 図 4-11 か ら も ， 化 学
発 泡 法 に よ っ て 得 ら れ た 各 条 件 の 成 形 品 に お い て ，気 泡 含 有 率 を 定 量 化 す る
と ， 最 も 化 学 発 泡 剤 の 混 合 量 が 少 な い 1.0wt%の 条 件 で も 40%を 超 え ， 気 泡
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
93
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
含有率が比較的多いことが分かった．
以 上 を も と に ，領 域 ① 及 び 領 域 ② の 各 条 件 で 均 一 化 制 御 を 行 っ た 成 形 品 と
同 様 に ，各 条 件 の 成 形 品 に お け る 発 泡 層 の 弾 性 率 を 等 価 介 在 物 法 に よ り 予 測
し ，引 張 試 験 の 結 果 と 比 較 し た ．図 4-12 に ，図 4-8 及 び 図 4-9 で 示 し た 結 果
を 含 む ，気 泡 含 有 率 と 発 泡 層 の 弾 性 率 の 関 係 を 示 す ．な お ，横 軸 は 気 泡 含 有
率 ，縦 軸 に 発 泡 層 の 弾 性 率 で あ る ．図 4-12 か ら ，気 泡 含 有 率 が 多 く な る と ，
等 価 介 在 物 法 に よ る 発 泡 層 の 弾 性 率 を 予 測 す る に あ た り ，手 法 の 限 界 が あ る
こ と が 分 か っ た ．気 泡 含 有 率 が 20%～ 30%と 少 な い 条 件 で は ，等 価 介 在 物 法
に よ り 予 測 し た 発 泡 層 の 弾 性 率 は ，引 張 試 験 の 結 果 と 良 好 な 一 致 を 示 す の に
対 し ，気 泡 含 有 率 が 多 い 条 件 で は ，両 者 の 結 果 に 差 異 が あ る こ と が 明 ら か と
な っ た ．発 泡 層 の 弾 性 率 を 予 測 す る に あ た り ，構 築 を 試 み た 予 測 手 法 の 適 用
範 囲 は ，次 節 で 述 べ る 実 製 品 を 模 し た 解 析 モ デ ル を 使 用 し た 構 造 解 析 の 結 果
を 踏 ま え て 考 察 す る ．こ の よ う に ，気 泡 含 有 率 が 多 く な る と ，予 測 結 果 と 引
張 試 験 の 結 果 に 差 異 が あ る の は ，気 泡 含 有 率 が 多 く な る に 伴 い ，気 泡 数 も 多
く な る と 考 え ら れ ，引 張 方 向 の 荷 重 を 受 け る こ と に よ っ て 変 形 す る 際 に 生 ず
る気泡同士の相互作用によるものだと推測される．気泡含有率が多くなり，
気 泡 数 が 多 く な る こ と で ，気 泡 と 気 泡 の 距 離 が 小 さ く な り ，変 形 に よ る 気 泡
同 士 の 干 渉 が 起 こ り や す く な る と 考 え ら れ る ．等 価 介 在 物 法 で は ，樹 脂 で あ
る 母 材 と 気 泡（ 介 在 物 ）の 相 互 作 用 は 考 慮 し て い る も の の ，気 泡 同 士 の 相 互
作 用 は 考 慮 し て い な い ．以 上 の こ と か ら ，気 泡 含 有 率 が 多 い 場 合 ，等 価 介 在
物 法 に よ り 予 測 し た 結 果 と 引 張 試 験 の 結 果 に 差 異 が あ る の は ，介 在 物 で あ る
気 泡 同 士 の 相 互 作 用 に よ る も の で あ り ，等 価 介 在 物 法 で は ，気 泡 同 士 の 相 互
作用は考慮していないためであると推測される．
4-4
リブを有する成形品の曲げ荷重に対する変位予測
前 節 で は ，等 価 介 在 物 法 に よ り 樹 脂 と 気 泡 が 混 在 す る 発 泡 層 の 弾 性 率 を 予
測 し た ． こ こ で は ， 予 測 し た 発 泡 層 の 弾 性 率 を も と に ， 図 4-13 の よ う な リ
ブ を 有 す る 実 製 品 を 模 し た 成 形 品（ ス キ ン 層 を 含 む ）の 曲 げ 荷 重 に 対 す る 変
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
94
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
位を予測した．バンパー等の自動車部品に射出発泡成形品を適用する場合，
リ ブ や ボ ス ，コ ー ナ ー 等 の 複 雑 な 形 状 の も の が 多 い ．さ ら に ，自 動 車 部 品 は
使 用 環 境 に よ っ て 異 な る が ，外 力 に よ っ て 引 張 や 曲 げ ，ね じ り ，座 屈 等 の 変
形 が 生 じ る ．よ っ て 射 出 発 泡 成 形 品 が 実 用 化 さ れ る た め に は ，外 力 に 対 す る
変 形 の 予 測 精 度 が 重 要 と な る ．そ こ で 本 研 究 で は ，リ ブ を 有 す る 成 形 品 が 曲
げ 荷 重 を 受 け て い る こ と を 想 定 し ，構 造 解 析 に よ り 曲 げ 荷 重 に 対 す る 変 位 の
予測を行った．さらに，3 点曲げ試験を実施し，予測結果との比較により構
築 を 試 み た 予 測 手 法 の 妥 当 性 を 検 討 し た ．ま た ，前 節 で は 気 泡 含 有 率 と 発 泡
層 の 弾 性 率 の 関 係 に つ い て 検 討 を 行 っ た が ，こ こ で は 気 泡 含 有 率 と 曲 げ 荷 重
に対する成形品の変位の関係について検討を行う．
構 造 解 析 は ，構 造 解 析 ソ フ ト ウ ェ ア ANSYS 15.0 を 使 用 し ，図 4-14 の よ う
な 解 析 モ デ ル で 実 施 し た ． 図 4-14 に 示 し た 解 析 モ デ ル は ， 図 4-13 で 示 し た
成 形 品 の 1/4 モ デ ル で あ り ，要 素 数 は 17,820，節 点 数 は 24,098 で あ る ．ま た ，
図 4-15 に ， 荷 重 条 件 と 拘 束 条 件 を 示 す ． 図 4-15 の よ う に ， 円 筒 状 の 負 荷 治
具 （ 円 部 の 半 径 は 10.0mm） を 解 析 モ デ ル に 接 触 さ せ ， 負 荷 治 具 は 剛 体 ， 拘
束 条 件 は 完 全 拘 束 と し た ．支 点 間 の 距 離 は 100mm と し ，荷 重 条 件 は ，図 4-15
中 に 示 す 箇 所（ 支 点 ）に 42.0N の 荷 重 を 作 用 さ せ た ．ス キ ン 層 の 機 械 特 性 に
は ， Solid 成 形 品 の 弾 性 率 を 使 用 し た ． ま た ， 発 泡 層 の 機 械 特 性 に は ， 前 節
と 同 様 の 方 法 で 等 価 介 在 物 法 に よ り 予 測 し た 発 泡 層 の 弾 性 率 を 使 用 し た ．図
4-16 に ， 構 造 解 析 で 得 ら れ た 変 形 図 を 示 す ． 同 図 に お い て Y 方 向 の 変 位 を
曲げ荷重に対する成形品の変位として評価を行った．
3 点 曲 げ 試 験 は ， 万 能 試 験 機 UH-100kN（ 島 津 製 作 所 ） を 使 用 し ， 試 験 速
度 5mm/min で 実 施 し た ． 図 4-17 に ， 気 泡 含 有 率 と 曲 げ 荷 重 に 対 す る 成 形 品
の変位の関係と併せ，構造解析の結果と 3 点曲げ試験の結果を示す．なお，
横 軸 は 気 泡 含 有 率 ， 縦 軸 は 曲 げ 荷 重 に 対 す る 成 形 品 の 変 位 で あ る ． 図 4-17
か ら ， 曲 げ 試 験 の 結 果 に つ い て ， 気 泡 含 有 率 が 0%の 条 件 か ら 30.9%の 条 件
に か け て ，変 位 が 一 旦 大 き く な る ．し か し ，気 泡 含 有 率 が 30.9%か ら 徐 々 に
多 く な る と ， 変 位 が 小 さ く な る 傾 向 が み ら れ た ． こ こ で ， 図 4-18 に ， 気 泡
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
95
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
含 有 率 と ス キ ン 層 の 厚 み の 関 係 を 示 す ．同 図 か ら ，気 泡 含 有 率 が 多 く な る と ，
スキン層の厚みが大きくなることが分かる．成形を行う際，気泡含有率が
36.7%と 41.4%の 条 件 で は ， コ ア バ ッ ク 遅 延 時 間 を 設 定 し た ． こ の コ ア バ ッ
ク 遅 延 時 間 と は ，金 型 へ の 樹 脂 の 充 填 が 完 了 し た 瞬 間 か ら ，金 型 を 開 く ま で
の 時 間 で あ る ． 気 泡 含 有 率 が 36.7%と 41.4%の 条 件 で は ， コ ア バ ッ ク 量 が 他
2 条 件 よ り も そ れ ぞ れ 0.5mm か ら 1.0mm 程 度 多 く 設 定 し て お り ， 気 泡 が 成
長 し す ぎ て し ま い ，バ リ が 発 生 し た ．こ の た め ，気 泡 含 有 率 が 36.7%と 41.4%
の 条 件 で は ，コ ア バ ッ ク 遅 延 時 間 を 設 定 し ，気 泡 が 生 成 し て 成 長 す る ま で の
間にスキン層を生成させ，バリを抑制しながら成形を行った．このように，
コ ア バ ッ ク 遅 延 時 間 を 設 定 す る こ と で ，設 定 し て い な い 条 件 よ り も ス キ ン 層
が 生 成 す る 時 間 が 長 く な り ，結 果 と し て ス キ ン 層 の 厚 み が 大 き く な っ た と 考
え ら れ る ． し た が っ て ， 図 4-18 の よ う に ， 気 泡 含 有 率 が 多 い 条 件 で は ， コ
ア バ ッ ク 遅 延 時 間 を 設 定 す る こ と で ス キ ン 層 の 厚 み が 大 き く な り ，曲 げ 荷 重
に対して変形しにくくなったため，変位が小さくなったと推測される．
こ こ で ，構 造 解 析 で は ，一 般 的 に 解 析 結 果 と 実 測 結 果 の 誤 差 が 10.0%以 下
で あ れ ば ， 十 分 に 予 測 手 法 が 適 用 可 能 で あ る と さ れ て い る ． 図 4-17 か ら ，
Solid 成 形 品 （ 気 泡 含 有 率 は 0%） を 含 め ， 気 泡 含 有 率 が 20%～ 30%の 条 件 で
は ，構 造 解 析 の 結 果 と 3 点 曲 げ 試 験 の 結 果 が 良 好 な 一 致 を 示 す こ と が 分 か っ
た ． さ ら に ，気 泡 含 有 率 が 30.9%の 条 件 で は ，解 析 結 果 と 実 測 結 果 の 誤 差 が
9.96%で あ っ た ． こ の 結 果 か ら ， 実 製 品 に 形 状 が よ り 近 い 射 出 発 泡 成 形 品 の
機械特性予測に対して，両端にリブを有する成形品という一例ではあるが，
解 析 結 果 と 実 験 結 果 の 一 致 を 確 認 で き た ．ま た ，気 泡 含 有 率 が 30.9%よ り も
多 い 条 件 で は ，構 造 解 析 の 結 果 と 実 測 結 果 の 誤 差 が 10.0%よ り も 大 き く な り ，
予 測 手 法 の 適 用 は 困 難 で あ る こ と が 分 か っ た ．気 泡 含 有 率 が 多 い 条 件 で 解 析
結 果 と 実 測 結 果 に 差 異 が あ る の は ，気 泡 含 有 率 が 多 く な る と 気 泡 数 も 多 く な
り ，気 泡 同 士 の 相 互 作 用 起 き や す く な る と 考 え ら れ る ．さ ら に ，等 価 介 在 物
法 に よ り 発 泡 層 の 弾 性 率 を 予 測 す る 際 ，気 泡 同 士 の 相 互 作 用 を 考 慮 し て い な
い た め ，気 泡 含 有 率 が 多 い 条 件 で 解 析 結 果 と 実 測 結 果 に 差 異 が あ る と 考 え ら
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
96
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
れ る ．以 上 の こ と か ら ，構 造 解 析 で リ ブ を 有 す る 成 形 品 の 曲 げ 荷 重 に 対 す る
変 位 を 予 測 す る に あ た り ，気 泡 含 有 率 が 30.9%前 後 で ，構 築 を 試 み た 予 測 手
法 に 限 界 が あ る こ と が 明 ら か と な っ た ．さ ら に ，CO 2 を 発 泡 剤 と し て 使 用 し
た 射 出 発 泡 成 形 で は ，本 研 究 の 成 形 条 件 で 成 形 を 行 っ た 場 合 ，気 泡 含 有 率 が
20%～ 30%と な り ， 実 製 品 を 模 し た リ ブ を 有 す る 成 形 品 の 曲 げ 荷 重 に 対 す る
変 位 を 予 測 す る に あ た り ，構 築 を 試 み た 予 測 手 法 は 十 分 に 適 用 可 能 で あ る と
考えられる．
4-5
結言
前 章 に お い て ，発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御 に よ っ て 得 ら れ た 射 出 発 泡 成 形 品 の
実 製 品 へ の 応 用 を 考 慮 す る 場 合 ，機 械 特 性 を 事 前 に 予 測 す る こ と が 重 要 で あ
る ．本 章 で は ，射 出 発 泡 成 形 品 の 実 製 品 へ の 応 用 を 考 慮 し ，機 械 特 性 予 測 手
法 の 構 築 を 試 み る こ と を 目 的 と し ，各 検 討 を 行 っ た ．ま ず ，樹 脂 と 気 泡 が 混
在 す る 発 泡 層 の 弾 性 率 を 等 価 介 在 物 法 に よ り 予 測 し ，引 張 試 験 の 実 測 結 果 と
比 較 す る こ と で ，発 泡 層 の 弾 性 率 予 測 に 対 す る 等 価 介 在 物 法 の 妥 当 性 を 検 討
し た ．さ ら に ，予 測 し た 発 泡 層 の 弾 性 率 を も と に ，実 製 品 の 形 状 に 近 い リ ブ
を 有 す る 成 形 品 の 曲 げ 荷 重 に 対 す る 変 位 を 構 造 解 析 で 予 測 し た ．予 測 結 果 と
3 点曲げ試験の実測結果を比較することで，実製品により近い形状が近いも
のに拡張した射出発泡成形品の機械特性予測に対する等価介在物法の妥当
性を検討した．
1) 射 出 発 泡 成 形 品 の 実 用 化 に 向 け ， 等 価 介 在 物 法 に よ り 発 泡 層 の 巨 視 的 な
弾性率を算出した．さらに，等価介在物法の妥当性を検討するため，引
張試験を実施し，予測結果と試験結果を比較した．これにより， 等価介
在物法による発泡層の弾性率を予測するにあたり，気泡含有率によって
解 析 精 度 に 差 が あ る こ と が 明 ら か と な っ た ． 気 泡 含 有 率 が 20%～ 30%と
少ない条件では，等価介在物法により予測した発泡層の弾性率は，引張
試験の結果と良好な一致を示す．一方，気泡含有率が多い条件では，両
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
97
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
者の結果に差異があることが明らかとなった．
2) 気 泡 含 有 率 が 多 い 条 件 で は ， 気 泡 含 有 率 が 多 く な る に 伴 い ， 気 泡 数 も 多
くなる．気泡数が多くなると，引張方向の荷重を受けることによって変
形する際，介在物である気泡同士の相互作用が起きやすくなる．したが
って，気泡含有率が多い場合，等価介在物法により予測した結果と引張
試験の結果に差異があるのは，等価介在物法では，気泡同士の相互作用
は考慮していないためであることが分かった．
3) リ ブ を 有 す る 成 形 品 の 曲 げ 荷 重 に 対 す る 変 位 を 構 造 解 析 で 予 測 す る に あ
たり，等価介在物法により発泡層の弾性率を予測する場合と同様， 気泡
含 有 率 が 30.9%前 後 で ， 構 築 を 試 み た 予 測 手 法 に 限 界 が あ る こ と が 分 か
っ た ． 気 泡 含 有 率 が 30.9%以 下 の 条 件 で あ れ ば ， 構 造 解 析 の 結 果 と 実 測
結 果 の 誤 差 が 10.0%以 下 と な る こ と が 明 ら か と な り ，気 泡 含 有 率 が 30.9%
よ り も 多 い 条 件 で は 両 者 の 誤 差 が 10%よ り も 大 き く な る こ と が 明 ら か と
なった．
4) 以 上 よ り ， 成 形 品 の 形 状 を 実 製 品 に 近 い も の へ と 拡 張 し た 射 出 発 泡 成 形
品の機械特性予測において，両端にリブを有する成形品という一例では
あるが，構造解析の結果と実測結果の一致を確認できた．したがって，
CO 2 を 発 泡 剤 と し て 使 用 し た 射 出 発 泡 成 形 （ 物 理 発 泡 法 ） で は ， 本 研 究
の 成 形 条 件 で 成 形 を 行 っ た 場 合 ， 気 泡 含 有 率 が 20%～ 30%と な り ， 実 製
品を模したリブを有する成形品の曲げ荷重に対する 変位を予測するにあ
たり，構築を試みた予測手法は適用可能であることを確認した．この結
果を踏まえ，発泡層の弾性率を予測するにあたり，構築を試みた予測手
法 の 適 用 範 囲 は 気 泡 含 有 率 が 30.9%以 下 で あ る と 考 え ら れ る ． ま た ， 今
後は，リブ形状だけでなく，成形品の適用数を増やして予測手法を構築
していく必要があると考えられる．
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
98
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
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4. Prediction of mechanical properties for practical realization
99
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-1
Addition of heterogeneous inclusions.
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
100
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-2
Conceptual diagram of the Equivalent inclusion method .
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
101
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-3
Schematic view of the Equivalent inclusion method.
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
102
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-4
Tensor of Eshelby.
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
103
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-5
Calculation of volume fraction.
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
104
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-6
Flow of analysis.
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
105
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-7
Cavity shape.
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
106
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-8
Predicted results and measured results of tension test
(Young’s modulus of foam layer, Area① ).
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
107
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-9
Predicted results and measured results of tension test
(Young’s modulus of foam layer, Area② ).
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
108
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
(Ⅰ ) Condition 1～ 2
(Ⅱ ) Condition 7～ 8
Fig.4-10
Samples after tension test.
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
109
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-11
Foam structure (Chemical foaming method).
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
110
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Table4-1
Molding conditions (Chemical foaming method).
Resin temperature [℃ ]
200
Mold temperature [℃ ]
30
Cooling time [sec]
50
Core back [mm]
1.5
Foaming agent [wt%]
1.0, 1.5, 2.0, 2.5
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
111
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-12
Relationship between volume fraction of cell and Young’s modulus
(Foam layer).
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
112
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-13
Cavity shape (Ribs, Structural analysis).
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
113
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-14
Structural analysis model
(Volume fraction of cell : 36.7%, 1/4 model).
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
114
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-15
Load conditions and restraint conditions (1/4 model).
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
115
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-16
Deformation diagram of the structural analysis model and
Y-direction displacement (Volume fraction of cell : 36.7%).
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
116
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-17
Relationship between volume fraction of cell and displacement
of molded article (Comparing of the structural analysis results
with the 3-point bending test results).
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
117
第 4 章 実用化に向けた射出発泡成形品の機械特性予測
Fig.4-18
Relationship between volume fraction of cell
and thickness of skin layer.
4. Prediction of mechanical properties for practical realization
118
第5章
結 論
第 5 章 結論
従 来 の 発 泡 成 形 法 と し て ，バ ッ チ 式 発 泡 成 形 法 が 主 流 で あ っ た が ，成 形 に
膨大な時間を要するため生産性が低い．ここ数年，モノづくりの現場では，
製 品 品 質 を 向 上 さ せ な が ら 材 料 費 や 生 産 コ ス ト を 削 減 し ，生 産 性 を 向 上 さ せ
る こ と が 求 め ら れ て い る ．こ の よ う な 背 景 か ら ，バ ッ チ 式 成 形 法 に 替 わ る 新
た な 成 形 法 と し て ，射 出 発 泡 成 形 が 注 目 を 集 め て い る ．射 出 発 泡 成 形 は ，成
形 に 要 す る 時 間 が 短 く ，同 一 形 状 の 製 品 を 短 時 間 か つ 大 量 に 生 産 す る こ と が
可能である．
し か し ，射 出 発 泡 成 形 で は ，標 準 的 な 成 形 条 件 で 成 形 を 行 う と ，同 一 の 成
形 品 で 異 な る 発 泡 構 造 が 生 成 し ，発 泡 構 造 が 不 均 一 に な り ，外 観 不 良 ，剛 性
や 強 度 の バ ラ つ き に 繋 が る と い っ た 課 題 が あ る ．こ の 現 象 に つ い て ，本 研 究
で は ，発 泡 剤 に 使 用 し た CO 2 の 供 給 圧 力 に よ り 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム（ 気 泡 の
生 成 が 開 始 す る タ イ ミ ン グ ，気 泡 の 成 長 速 度 ）が 異 な る た め で あ る と の 仮 説
を 立 て た ．こ れ を 検 証 す る た め ，金 型 内 の 充 填 過 程 を 可 視 化 観 察 す る こ と で ，
気泡生成メカニズムを解明した．
1) 可 視 化 観 察 に よ り ， CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ， 樹 脂 が 金 型 に 充 填 さ れ た
直後から，フローフロントに微細な気泡が多く存在する領域①が既に生
成 し て い る こ と を 確 認 し た ． こ れ は ， CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ， 樹 脂 が
射出される際，急激な圧力降下により気泡が多く生成し，樹脂温度が低
下して粘度が高くなることで，気泡の成長が抑制される．これにより，
フローフロントに微細な気泡が多く生成し，領域①が生成することが分
かった．
2) 成 形 品 の Gate 部 に お い て ，フ ロ ー フ ロ ン ト に 生 成 し た 領 域 ① が 流 動 し た
後，未発泡の領域（気泡の生成・成長が抑制された領域）が流動してい
ることが分かった．これは，樹脂の流動抵抗により樹脂圧力が上昇し，
気泡の生成・成長が抑制され，未発泡の領域が流動 し，最大樹脂温度に
達した後，樹脂温度が再度上昇するためであることが明らかとなった．
5. Conclusion
120
第 5 章 結論
3) 射 出 ノ ズ ル ，及 び シ リ ン ダ 内 に お け る 樹 脂 に 対 す る CO 2 の 溶 解 に 着 目 し ，
樹 脂 に 対 す る CO 2 の 溶 解 と 気 泡 生 成 の 関 係 を 明 ら か に す る た め ， 樹 脂 に
対 す る CO 2 の 溶 解 度 を 評 価 し た ． 圧 力 容 器 か ら ポ リ プ ロ ピ レ ン を 取 り 出
し て か ら ，時 間 経 過 に よ り ポ リ プ ロ ピ レ ン か ら 抜 け る CO 2 の 量 を 計 測 し ，
こ れ を ポ リ プ ロ ピ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 と し て 評 価 を 行 っ た ． CO 2
が超臨界の条件では，亜臨界の条件に比べて，圧力容器から樹脂を取り
出 し て か ら 1 時 間 経 過 時 に お け る ポ リ プ ロ ピ レ ン か ら 抜 け る CO 2 の 量 が
多 い こ と が 明 ら か と な っ た ． し た が っ て ， CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ， ポ
リ プ ロ ピ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 が 大 き い こ と が 明 ら か と な り ， 射 出
ノ ズ ル ， シ リ ン ダ 内 に お け る ポ リ プ ロ ピ レ ン に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 が 大
きく，気泡が生成しやすい状態になることが分かった．さらに，樹脂に
対 す る CO 2 の 溶 解 は ， 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム と 密 接 な 関 係 が あ る こ と が 明
らかとなった．
4) 領 域 ② の 生 成 に 関 し て ， 充 填 完 了 後 の 冷 却 過 程 に お け る 樹 脂 温 度 の 低 下
に伴う樹脂圧力の降下が，領域②の生成に与える影響を明らかにするた
め，金型内の樹脂圧力を計測した．その結果，樹脂がノズルから解放さ
れ る 際 に 気 泡 と し て 生 成 し な か っ た CO 2 は ， 樹 脂 に 溶 解 し た ま ま 金 型 へ
射出充填される．さらに，充填完了後，最大充填圧力に達した後の冷却
過程において，時間の変化に伴って樹脂圧力が降下し続けるため，樹脂
温度が高い状態にあるコア層では，径の大きい気泡が徐々に生成し，領
域②が生成したことが明らかとなった．
5) 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム の 解 明 に お い て ， 理 論 展 開 の 拡 大 を 目 的 と し ， 樹 脂
の特徴や製品として利用される分野，用途が異なるポリスチレンを使用
し，ポリプロピレンを使用した場合と同様の検討を行った．樹脂にポリ
スチレンを使用した場合でも，ポリプロピレンを使用した場合と同様の
結果が得られ，応用性のある手法としてまとめることができた．
5. Conclusion
121
第 5 章 結論
第 2 章 で 述 べ た よ う に ， CO 2 を 発 泡 剤 に 使 用 し た 射 出 発 泡 成 形 に お い て ，
金 型 内 の 可 視 化 観 察 に 基 づ き ，領 域 ① 及 び 領 域 ② に つ い て ，各 領 域 が 生 成 す
る メ カ ニ ズ ム が 異 な る こ と を 明 ら か に し た ． こ れ を 受 け ， 第 3 章 で は ， CO 2
が 超 臨 界 と 亜 臨 界 の 各 条 件 に お い て ，領 域 ① 或 い は 領 域 ② の ど ち ら か を 優 先
的に生成させ，発泡構造の均一化制御を行った．
1) CO 2 が 亜 臨 界 の 条 件 で は ， 成 形 品 の End 部 に お い て ， 微 細 な 気 泡 が 多 く
生成する領域①を過充填により潰すことで，領域②を優先的に生成させ
ることが可能であり，樹脂の流動が停止した後に生成する径の大きい気
泡が存在する領域②で，発泡構造の均一化制御を実現できることが明ら
かとなった．
2) CO 2 が 超 臨 界 の 条 件 で は ， 背 圧 を 変 更 し て CO 2 の 供 給 圧 力 と の 差 を 小 さ
く す る こ と で ， CO 2 供 給 部 に お け る 樹 脂 圧 力 は 相 対 的 に 変 化 す る こ と を
確 認 し た ． こ れ に よ り ， CO 2 の 供 給 圧 力 が CO 2 供 給 部 に お け る 樹 脂 圧 力
よ り も 高 い 状 態 と な り ， CO 2 が 樹 脂 に よ り 溶 解 し や す く な っ た こ と で ，
微細な気泡が多く生成し，領域①で発泡構造の均一化制御を実現できる
こ と が 分 か っ た ． 以 上 の よ う に ， CO 2 の 供 給 圧 力 を コ ン ト ロ ー ル す る こ
とで，気泡径の異なる成形品が得られ，発泡構造を均一化制御できるこ
とが分かった．
3) 発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御 に お い て ， 第 2 章 と 同 様 ， 理 論 展 開 の 拡 大 を 目 的
とし，樹脂の特徴や製品として利用される分野，用途が異なるポリスチ
レンを使用し，ポリプロピレンを使用した場合と同様の検討を行った．
樹脂にポリスチレンを使用した場合でも，ポリプロピレンを使用した場
合と同様に発泡構造の均一化制御が可能であることが明らかとなり，応
用性のある手法としてまとめることができた．
5. Conclusion
122
第 5 章 結論
第 4 章 で 述 べ た よ う に ，射 出 発 泡 成 形 品 は ，軽 量 化 に よ る 燃 費 向 上 が 期 待
で き る こ と か ら ，今 後 は 主 に 自 動 車 部 品 へ の 利 用 が 期 待 さ れ て い る ．し か し ，
実製品への応用を考慮した場合，試作回数を減らしながらコストを削減し，
リ ー ド タ イ ム を 短 縮 す る こ と が 求 め ら れ る ．こ の た め ，数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ
ンによって射出発泡成形品の剛性や弾性率等の機械特性を事前に予測する
ことが重要となる．
そ こ で ，第 4 章 で 述 べ た よ う に ，射 出 発 泡 成 形 品 の 実 製 品 へ の 応 用 を 考 慮
し ，機 械 特 性 予 測 手 法 の 構 築 を 試 み る こ と を 目 的 と し ，各 検 討 を 行 っ た ．ま
ず ，樹 脂 と 気 泡 が 混 在 す る 発 泡 層 の 弾 性 率 を 等 価 介 在 物 法 に よ り 予 測 し ，引
張 試 験 の 実 測 結 果 と 比 較 す る こ と で ，発 泡 層 の 弾 性 率 予 測 に 対 す る 等 価 介 在
物 法 の 妥 当 性 を 検 討 し た ．さ ら に ，予 測 し た 発 泡 層 の 弾 性 率 を も と に ，実 製
品の形状に近いリブを有する成形品の曲げ荷重に対する変位を構造解析で
予 測 し た ．予 測 結 果 と 3 点 曲 げ 試 験 の 実 測 結 果 を 比 較 す る こ と で ，実 製 品 に
より近い形状が近いもへと拡張した射出発泡成形品の機械特性予測に対す
る等価介在物法の妥当性を検討した．
1) 射 出 発 泡 成 形 品 の 実 用 化 に 向 け ， 等 価 介 在 物 法 に よ り 発 泡 層 の 巨 視 的 な
弾性率を算出した．さらに，等価介在物法の妥当性を検討するため，引
張試験を実施し，予測結果と試験結果を比較した．これにより， 等価介
在物法による発泡層の弾性率を予測するにあたり，気泡含有率によって
解 析 精 度 に 差 が あ る こ と が 明 ら か と な っ た ． 気 泡 含 有 率 が 20%～ 30%と
少ない条件では，等価介在物法により予測した発泡層の弾性率は，引張
試験の結果と良好な一致を示す．一方，気泡含有率が多い条件では，両
者の結果に差異があることが明らかとなった．
2) 気 泡 含 有 率 が 多 い 条 件 で は ， 気 泡 含 有 率 が 多 く な る に 伴 い ， 気 泡 数 も 多
くなる．気泡数が多くなると，引張方向の荷重を受けることによって変
形する際，介在物である気泡同士の相互作用が起きやすくなる．したが
5. Conclusion
123
第 5 章 結論
って，気泡含有率が多い場合，等価介在物法により予測した結果と引張
試験の結果に差異があるのは，等価介在物法では，気泡同士の相互作用
は考慮していないためであることが分かった．
3) リ ブ を 有 す る 成 形 品 の 曲 げ 荷 重 に 対 す る 変 位 を 構 造 解 析 で 予 測 す る に あ
たり，等価介在物法により発泡層の弾性率を予測する場合と同様， 気泡
含 有 率 が 30.9%前 後 で ， 構 築 を 試 み た 予 測 手 法 に 限 界 が あ る こ と が 分 か
っ た ． 気 泡 含 有 率 が 30.9%以 下 の 条 件 で あ れ ば ， 構 造 解 析 の 結 果 と 実 測
結 果 の 誤 差 が 10.0%以 下 と な る こ と が 明 ら か と な り ，気 泡 含 有 率 が 30.9%
よ り も 多 い 条 件 で は 両 者 の 誤 差 が 10%よ り も 大 き く な る こ と が 明 ら か と
なった．
4) 以 上 よ り ， 成 形 品 の 形 状 を 実 製 品 に 近 い も の へ と 拡 張 し た 射 出 発 泡 成 形
品の機械特性予測において，両端にリブを有する成形品という一例では
あるが，構造解析の結果と実測結果の一致を確認できた．したがって，
CO 2 を 発 泡 剤 と し て 使 用 し た 射 出 発 泡 成 形 （ 物 理 発 泡 法 ） で は ， 本 研 究
の 成 形 条 件 で 成 形 を 行 っ た 場 合 ， 気 泡 含 有 率 が 20%～ 30%と な り ， 実 製
品を模したリブを有する成形品の曲げ荷重に対する変位を予測するにあ
たり，構築を試みた予測手法は適用可能であることを確認した．この結
果を踏まえ，発泡層の弾性率を予測するにあたり，構築を試みた予測手
法 の 適 用 範 囲 は 気 泡 含 有 率 が 30.9%以 下 で あ る と 考 え ら れ る ． ま た ， 今
後は，リブ形状だけでなく，成形品の適用数を増やして予測手法を構築
していく必要があると考えられる．
以 上 の こ と か ら ，CO 2 を 発 泡 剤 に 使 用 し た 射 出 発 泡 成 形（ 物 理 発 泡 法 ）に
お い て ，同 一 の 成 形 品 で 異 な る 発 泡 構 造 が 生 成 す る と い っ た 成 形 不 良 に 対 し
て ，金 型 内 の 可 視 化 観 察 を 行 い ，各 領 域 に お け る 気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム を 解 明
し た ．さ ら に ，微 細 な 気 泡 が 生 成 す る 領 域 ① ，或 い は 径 の 大 き い 気 泡 が 生 成
5. Conclusion
124
第 5 章 結論
す る 領 域 ② の ど ち ら か を 優 先 的 に 生 成 さ せ る こ と で ，発 泡 構 造 の 均 一 化 制 御
を 行 っ た ．ま た ，ポ リ プ ロ ピ レ ン と は 樹 脂 の 特 徴 や 製 品 と し て 利 用 さ れ る 分
野 ，用 途 が 異 な る ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し ，気 泡 生 成 メ カ ニ ズ ム の 解 明 を 行 っ
た ．樹 脂 に ポ リ ス チ レ ン を 使 用 し た 場 合 で も ，ポ リ プ ロ ピ レ ン を 使 用 し た 場
合と同様の結果が得られ，応用性のある手法としてまとめることができた．
射 出 発 泡 成 形 品 の 実 用 化 に 向 け ，成 形 品 の 発 泡 構 造 に 基 づ い て 気 泡 含 有 率
を 定 量 化 し ，等 価 介 在 物 法 に よ り 射 出 発 泡 成 形 品 に お け る 発 泡 層 の 弾 性 率 を
予 測 し た ．引 張 試 験 の 実 測 結 果 と の 比 較 を 通 し て ，等 価 介 在 物 法 の 妥 当 性 を
検 討 し た ．ま た ，等 価 介 在 物 法 に よ り 予 測 し た 発 泡 層 の 弾 性 率 を も と に ，実
製品を模したリブを有する射出発泡成形品の曲げ荷重に対する変位を予測
し た ． 3 点 曲 げ 試 験 の 実 測 結 果 と の 比 較 を 通 し て ， 気 泡 含 有 率 が 30.9%前 後
で ，構 築 を 試 み た 予 測 手 法 に 限 界 が あ る こ と を 明 ら か に し た ．さ ら に ，気 泡
含 有 率 が 30.9%以 下 の 条 件 で あ れ ば ， 構 造 解 析 の 結 果 と 実 測 結 果 の 誤 差 が
10.0%以 下 と な る こ と が 分 か っ た ．
以 上 に よ り ，成 形 品 の 形 状 を 実 製 品 に 近 い も の へ と 拡 張 し た 射 出 発 泡 成 形
品 の 機 械 特 性 予 測 に お い て ，両 端 に リ ブ を 有 す る 成 形 品 と い う 一 例 で は あ る
が ，構 造 解 析 の 結 果 と 実 測 結 果 の 一 致 を 確 認 で き た ．し た が っ て ， CO 2 を 発
泡 剤 と し て 使 用 し た 射 出 発 泡 成 形（ 物 理 発 泡 法 ）で は ，本 研 究 の 成 形 条 件 で
成 形 を 行 っ た 場 合 ，気 泡 含 有 率 が 20%～ 30%と な り ，実 製 品 を 模 し た リ ブ を
有 す る 成 形 品 の 曲 げ 荷 重 に 対 す る 変 位 を 予 測 す る に あ た り ，構 築 を 試 み た 予
測 手 法 は 適 用 可 能 で あ る こ と を 確 認 し た ．こ の 結 果 を 踏 ま え ，発 泡 層 の 弾 性
率を予測するにあたり，構築を試みた予測手法の適用範囲は気泡含有率が
30.9%以 下 で あ る と 考 え ら れ る ．今 後 の 展 望 と し て は ，リ ブ 形 状 だ け で な く ，
成形品の適用数を増やして予測手法を構築していく必要があると考えられ
る．
5. Conclusion
125
研究業績
学 術 論 文 ～ Academic papers～
1. 柿 島 浩 徳 ，瀬 戸 雅 宏 ，山 部 昌：『 超 臨 界 流 体 に よ る 熱 可 塑 性 エ ラ ス ト マ ー
の 射 出 発 泡 成 形 に 関 す る 研 究 』，成 形 加 工 第 25 巻 第 12 号 ，PP.585～ 591，
2013
2. 柿 島 浩 徳 ，木 島 秀 彌 ，神 吉 康 文 ，瀬 戸 雅 宏 ，山 部 昌：『 射 出 発 泡 成 形 品 の
材 料 特 性 予 測 に 対 す る 等 価 介 在 物 法 の 妥 当 性 検 討 』， 成 形 加 工 第 27 巻
第 1 号 ， PP.32～ 39， 2015
3. 柿 島 浩 徳 ，浦 野 陽 平 ，瀬 戸 雅 宏 ，山 部 昌：『 射 出 発 泡 成 形 に お け る 気 泡 生
成 プ ロ セ ス の 可 視 化 観 察 』， 成 形 加 工 （ 査 読 終 了 ， 掲 載 決 定 ）
学 術 講 演 会 ～ Academic societies～
1. 柿 島 浩 徳 ，木 島 秀 彌 ，神 吉 康 文 ，瀬 戸 雅 宏 ，山 部 昌：『 均 質 化 法 に よ る 発
泡 プ ラ ス チ ッ ク の 物 性 予 測 に 関 す る 研 究 』， プ ラ ス チ ッ ク 成 形 加 工 学 会
第 23 回 年 次 大 会 ， PP.413～ 414， 2012
2. 柿 島 浩 徳 ，瀬 戸 雅 宏 ，山 部 昌：『 熱 可 塑 性 エ ラ ス ト マ ー の 射 出 発 泡 成 形 に
関 す る 研 究 』，プ ラ ス チ ッ ク 成 形 加 工 学 会 第 20 回 秋 季 大 会 ，PP.23～ 24，
2012
3. 柿 島 浩 徳 ，瀬 戸 雅 宏 ，山 部 昌：『 均 質 化 法 お よ び 微 視 構 造 の 最 適 化 に よ る
発 泡 プ ラ ス チ ッ ク の 剛 性 予 測 』，プ ラ ス チ ッ ク 成 形 加 工 学 会 第 24 回 年 次
大 会 ， PP.177～ 178， 2013
4. 柿 島 浩 徳 ，瀬 戸 雅 宏 ，山 部 昌：『 ガ ラ ス 繊 維 強 化 樹 脂 の 射 出 発 泡 成 形 に よ
る 曲 げ 強 度 向 上 と 軽 量 化 に 関 す る 研 究 』， プ ラ ス チ ッ ク 成 形 加 工 学 会 第
21 回 秋 季 大 会 ， PP.281～ 282， 2013
5. 柿 島 浩 徳 ，瀬 戸 雅 宏 ，田 中 宏 明 ，山 部 昌：『 射 出 発 泡 成 形 に お け る 気 泡 生
成 プ ロ セ ス の 可 視 化 観 察 』，プ ラ ス チ ッ ク 成 形 加 工 学 会 第 25 回 年 次 大 会 ，
PP.289～ 290， 2014
6. 柿 島 浩 徳 ，瀬 戸 雅 宏 ，田 中 宏 明 ，山 部 昌：『 射 出 発 泡 成 形 に お け る 気 泡 生
Research achievements
126
研究業績
成 に 与 え る 型 内 樹 脂 流 動 挙 動 の 影 響 』，プ ラ ス チ ッ ク 成 形 加 工 学 会 第 22
回 秋 季 大 会 ， PP.187～ 188， 2014
Research achievements
127
謝辞
謝 辞 ～ Acknowledgements～
本 論 文 は ，著 者 が 金 沢 工 業 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 機 械 工 学 専 攻 博 士 後 期 課
程在籍中に山部 昌教授の下に行った研究をまとめたものである．
山 部 教 授 よ り 賜 っ た 終 始 変 わ ら ぬ 懇 切 丁 寧 な ご 指 導 ，ご 鞭 撻 に 心 よ り 御 礼
申し上げます．6 年前，同研究室に配属になり，先生の下で研究を始めた当
初 ，高 分 子 材 料 の 知 識 に つ い て 乏 し い 著 者 に 対 し ，そ の 基 礎 か ら 懇 切 丁 寧 に ，
分 か り や す く 教 え て い た だ き ま し た ．さ ら に ，研 究 の 進 め 方 や 考 え 方 ，研 究
者 の 心 構 え を 時 に は 厳 し く ，時 に は 優 し く ご 指 導 い た だ き ま し た こ と ，深 く
感 謝 い た し ま す ．ま た ，学 会 発 表 や イ ン タ ー ン シ ッ プ な ど 貴 重 な 体 験 を さ せ
ていただき，今後の著者の人生においても特別なものであったと思 います．
研 究 以 外 に 関 し ま し て は ，私 を 含 め 学 生 全 員 に 非 常 に 近 い 距 離 で い た だ き ま
し た お か げ で ，飲 み 会 や 納 会 な ど で は 楽 し い 時 間 を 過 ご す こ と が で き ま し た ．
こ の 6 年 間 ，先 生 に は ご 迷 惑 や ご 心 配 を か け て ば か り だ っ た と 思 い ま す ．大
変申し訳ない気持ちで一杯です．この 6 年間で先生からご指導いただいた
数 々 は ，今 後 の 私 に と っ て ，大 き な 糧 と な る と 確 信 し て お り ま す ．厚 く 御 礼
申し上げます．
高野 則之教授には，本論文の副査を引き受けていただき，様々な点でア
ド バ イ ス を し て い た だ き ま し た ．大 変 お 忙 し い 中 ，幾 度 と な く デ ィ ス カ ッ シ
ョ ン の 時 間 を 設 け て い た だ き ，論 文 の 細 部 に わ た っ て 鋭 い ご 指 摘 や 的 確 な ご
助 言 を い た だ き ま し た ．先 生 の ご 指 摘 や ご 助 言 に よ り ，本 論 文 の オ リ ジ ナ リ
ティーをよりクリアにすることができました．厚く御礼申し上げます．
中田 政之教授には，本論文の副査を引き受けていただき，特に機械特性
予 測 に 関 し ま し て ，鋭 い ご 指 摘 や 的 確 な ご 助 言 を い た だ き ま し た ．ま た ，大
変お忙しい中，ディスカッションの時間を設けていただきました．さらに，
先 生 に は も の づ く り 研 究 所 ま で 出 向 い て い た だ き ，的 確 な ご 助 言 を い た だ い
た こ と も ご ざ い ま し た ．先 生 の ご 助 言 に よ り ，本 論 文 の 完 成 度 が 飛 躍 的 に 高
まりました．厚く御礼申し上げます．
Acknowledgements
128
謝辞
金原 勲教授には，本論文の副査を引き受けていただき，特に本論文にお
け る 等 価 介 在 物 法 の 位 置 付 け に 関 し ま し て ，ご 指 摘 を い た だ き ま し た ．大 変
お 忙 し い に も か か わ ら ず ，研 究 会 や 公 聴 会 に 参 加 し て い た だ き ，専 攻 内 審 査
で は コ メ ン ト を い た だ き ま し た ．先 生 の ご 指 摘 に よ り ，本 論 文 の 目 的 を よ り
クリアにすることができました．厚く御礼申し上げます．
東北大学大学院工学研究科付属超臨界溶媒工学研究センター の佐藤 善之
准教授には，大変お忙しい中，本論文の副査を引き受けていただきました．
研 究 会 や 公 聴 会 に も ，遠 方 よ り 参 加 し て い た だ き ま し た ．深 く 感 謝 い た し ま
す ．佐 藤 先 生 に は ，超 臨 界 流 体 技 術 の パ イ オ ニ ア と し て ，貴 重 な ご 意 見 を 賜
り ま し た ．ま た ，平 成 26 年 9 月 に は ，お 忙 し い 中 ，同 セ ン タ ー の 猪 俣 宏 教
授 と と も に 研 究 会 を 開 催 し て い た だ き ま し た ．猪 俣 先 生 と と も に ，鋭 い ご 指
摘と的確なご助言をいただきましたこと，心より感謝申し上げます． また，
佐 藤 先 生 に は ，幾 度 と な く ，論 文 の 細 部 に わ た っ て ご 指 摘 い た だ き ，特 に 樹
脂 に 対 す る CO 2 の 溶 解 度 と 気 泡 生 成 の 関 係 に 関 し ま し て ，的 確 な ご 助 言 を い
た だ き ま し た ．さ ら に ，先 生 の ご 助 言 に よ り ，本 論 文 の 核 と も い え る 気 泡 生
成 メ カ ニ ズ ム の 解 明 に 関 し ま し て ，よ り 深 い 考 察 が で き た と と も に ，多 く の
課題や疑問をクリアにすることができました．厚く御礼申し上げます．
瀬戸 雅宏講師には，著者が 6 年前に山部研究室に配属となってから，解
析 や 実 験 に 幾 度 と な く 立 ち 会 っ て い た だ き ，そ の 都 度 的 確 な ご 助 言 と ご 指 摘
を い た だ き ま し た ．研 究 以 外 で も 気 さ く に 声 を か け て い た だ い た り ，気 に か
けていただいたり，あらゆる場面で著者をサポートしてくれました．また，
瀬 戸 氏 に は 山 部 先 生 と 同 様 に ，こ の 6 年 間 ，ご 迷 惑 や ご 心 配 を か け て ば か り
だ っ た と 思 い ま す ．大 変 申 し 訳 な い 気 持 ち で 一 杯 で す ．こ の 6 年 間 で 瀬 戸 氏
からご指導いただいた数々，特に研究の進め方や研究に対する考え方など，
今 後 の 私 に と っ て ，大 き な 糧 と な る と 確 信 し て お り ま す ．厚 く 御 礼 申 し 上 げ
ます．
（ 株 ）ユ ー イ ー エ ス・ソ フ ト ウ ェ ア・ア ジ ア の 木 島 秀 彌 氏 ，神 吉 康 文 氏
に は ，イ ン タ ー ン シ ッ プ の 受 け 入 れ 先 と し て ご 快 諾 い た だ き ，シ ミ ュ レ ー シ
Acknowledgements
129
謝辞
ョ ン に 関 し て 様 々 な 提 案 や 技 術 的 な ア ド バ イ ス を し て い た だ き ，公 私 と も に
お 付 き 合 い を さ せ て い た だ き ま し た ．木 島 氏 ，神 吉 氏 は ，大 変 お 忙 し い に も
か か わ ら ず ，約 1 ヶ 月 半 の 長 期 間 に わ た り ，著 者 を 快 く 受 け 入 れ て く だ さ り ，
大 変 多 く の こ と を ご 指 導 ，ご 教 授 し て い た だ き ま し た ．ま た ，イ ン タ ー ン シ
ッ プ 以 外 で も ，研 究 が 滞 り ，行 き 詰 ま っ た 際 に は ，懇 切 丁 寧 な ご 指 導 と ，的
確 な ご 助 言 を い た だ き ま し た ．木 島 氏 ，神 吉 氏 よ り 賜 っ た 数 々 の ご 助 言 に よ
り ，本 論 文 に お け る 等 価 介 在 物 法 の 理 論 を は じ め ，シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 全 般 に
わ た り 理 解 を 深 め る こ と が で き た と 思 い ま す ．厚 く 御 礼 申 し 上 げ ま す ．さ ら
に ，神 吉 氏 に は 年 始 と い う 大 変 お 忙 し い 中 ，遠 方 よ り 出 向 い て い た だ き ，等
価 介 在 物 法 の 理 論 に 関 し ま し て ，長 時 間 に わ た っ て ご 指 導 し て い た だ く こ と
も ご ざ い ま し た ．多 く の 貴 重 な ご 意 見 を い た だ き ，深 く 感 謝 い た し ま す ．ま
た ，木 島 氏 ，神 吉 氏 に は ，幾 度 と な く 飲 み 会 を 開 催 し て い た だ き ，美 味 し い
お 酒 と 美 味 し い お 料 理 を 存 分 に 味 わ い な が ら ，楽 し い 時 間 を 過 ご す こ と が で
きました．心より感謝申し上げます．
永和化成工業（株）の中島 充晴氏には，インターンシップの受け入れ先
と し て ご 快 諾 い た だ き ，化 学 発 泡 剤 や 発 泡 成 形 に 関 し て 様 々 な ご 指 導 ，ご 鞭
撻 を し て い た だ き ま し た ．中 島 氏 を は じ め ，永 和 化 成 工 業（ 株 ）の 社 員 の 方 々
は ，大 変 お 忙 し い に も か か わ ら ず ，約 1 ヶ 月 半 の 長 期 間 に わ た り ，著 者 を 快
く 受 け 入 れ て い た だ き ま し た ．さ ら に は ，大 変 多 く の こ と を ご 指 導 ，ご 教 授
し て い た だ き ま し た ．発 泡 剤 が ど こ で ，ど の よ う に 作 ら れ ，ど の よ う に 出 荷
さ れ る の か ，自 身 の 目 で 直 接 見 て 学 ぶ こ と が で き た の は ，著 者 に と っ て 大 変
貴 重 な 経 験 で あ っ た と 思 い ま す ．さ ら に ，社 宅 や 昼 食 を ご 用 意 ，ご 準 備 し て
い た だ き ，中 島 氏 に は 発 泡 剤 の 工 場 を 細 部 に わ た っ て ご 説 明 し て い た だ き ま
し た ．深 く 感 謝 申 し 上 げ ま す ．永 和 化 成 工 業（ 株 ）で の 貴 重 な 経 験 は ，今 後
の私にとって大きな糧となると思います．厚く御礼申し上げます．
田中 宏明氏には，特に成形実験を行う上で，あらゆる場面でサポートし
て い た だ き ま し た ．本 研 究 の メ イ ン テ ー マ で あ る 射 出 発 泡 成 形 に 関 す る 結 果
や デ ー タ を 取 得 し ，ま と め る こ と が で き た の は ，田 中 氏 の お か げ と 言 っ て も
Acknowledgements
130
謝辞
過 言 で は あ り ま せ ん ．厚 く 御 礼 申 し 上 げ ま す ．ま た ，廊 下 で す れ 違 っ た 際 に
は ，研 究 や 実 験 の 進 捗 に つ い て 声 を か け て く だ さ り ，幾 度 と な く 気 に か け て
い た だ き ま し た ．さ ら に は ，研 究 以 外 で も ，共 通 の 趣 味 で あ る 釣 り の 話 で 盛
り 上 が る な ど ，飲 み 会 や 納 会 で も 楽 し い 時 間 を 過 ご す こ と が で き ま し た ．心
より感謝申し上げます．
鈴木 享氏には，研究の面では画像解析に関して的確なご助言を賜り，夜
遅 く ま で 画 像 解 析 の 作 業 に 付 き 添 っ て い た だ い た こ と も ご ざ い ま し た ．深 く
感 謝 い た し ま す ． ま た ， PC に ト ラ ブ ル が 起 き た 際 に は ， 快 く 相 談 に 乗 っ て
くださり，サポートしていただきました．厚く御礼申し上げます．
高 崎 祐 子 氏 に は ，6 年 前 に 山 部 研 究 室 が 配 属 と な っ て か ら ，様 々 な 面 で お
世 話 に な り ま し た ．特 に ，研 究 以 外 の 事 務 的 な 面 や 精 神 面 で サ ポ ー ト し て い
た だ い た よ う に 思 い ま す ．す れ 違 う た び に 気 さ く に 声 を か け て く だ さ り ，楽
し い 時 間 を 過 ご す こ と が で き ま し た ．さ ら に ，公 聴 会 直 前 や ，論 文 の 執 筆 や
研究が佳境になってきた時期には，温かい激励のお言葉をかけてくださり，
大変励みになりました．心より感謝申し上げます．
こ れ ま で ，非 常 に 多 く の 方 々 に 支 え ら れ た か ら こ そ ，こ こ ま で 歩 ん で く る
こ と が で き ま し た ．さ ら に ，一 つ の 研 究 を 成 し 得 た こ と を 心 か ら 嬉 し く ，大
変幸せに思っております．厚く御礼申し上げます．著者が唯一誇れるのは，
周 囲 に 素 晴 ら し い 方 々 が 多 く い ら っ し ゃ る こ と ，そ の よ う な 素 晴 ら し い 方 々
に 囲 ま れ ，こ れ ま で の 道 を 歩 ん で こ れ た こ と で す ．今 後 も ，人 と の つ な が り
を 大 切 に し ，“ 人 に 感 謝 す る ” 気 持 ち を 常 に 持 ち な が ら ， こ れ か ら の 道 を 歩
んでいきたいと思います．
最 後 に な り ま す が ，経 済 面 や 精 神 面 に お い て ，全 面 的 に サ ポ ー ト し て い た
だ い た 両 親 に 心 よ り 御 礼 申 し 上 げ ま す ．ま た ，こ こ で は 名 前 を 挙 げ る こ と の
で き な か っ た 方 々 ，山 部 研 究 室 に 配 属 と な っ て か ら の 6 年 間 で 出 会 っ た 全 て
の 方 々 ，著 者 の 研 究 に 携 わ っ て い た だ い た 全 て の 皆 様 に 深 く 感 謝 の 意 を 表 し ，
謝辞とさせていただきます．
Acknowledgements
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