EP押出成形時の溶融破断を防ぐ方法

はじめに

溶融破断とは、押出成形時にせん断速度が臨界閾値を超えると、ポリマー溶融体が表面不安定性を生じる現象を指します。これにより、押出材の表面が粗くなり、「サメ肌」、凹凸、竹のような模様、あるいは螺旋状の歪みといった変形が現れます。 メルトフラクチャーは、製品の品質や生産効率に深刻な影響を及ぼす可能性があります。

classic のレオロジー装置であるキャピラリーレオメーターを使用することで、さまざまな材料について、幅広いせん断速度および温度範囲にわたる溶融破断現象の調査が可能になります。

そこで、本研究では、NETZSCH 社のRosand RH10キャピラリーレオメーター（図1）を用いて、ポリエチレン（PE）材料におけるメルトフラクチャーに対する温度の影響、ダイの入口角度、およびダイの長径比について体系的に調査しました。 本研究は、実際の生産における PE 加工技術の指針となり、溶融破断の発生を防止し、それによって PE 製品の生産効率と品質を向上させることを目的としています。

測定条件および試験方法

測定条件を表1にまとめた。

表1：測定条件

左側のバレルの下にダイを取り付け、温度が安定するのを待った後、PEペレットをバレルにゆっくりと投入し、1 MPaまで予備加圧した後、5分間一定温度で予熱した。 その後、装置は設定されたせん断速度表に従って自動的に試験を実施し、溶融圧力、せん断粘度、および温度の情報を記録した。

試験結果と考察

PEの溶融破断現象に対する加工温度の影響

図2は、異なる温度条件下におけるPE試料の見かけのせん断^粘度¹と見かけの^{せん断速度²}の関係曲線を示している。図に示すように、すべての温度条件下において、PE試料の見かけのせん断粘度はせん断速度の増加に伴い徐々に減少し、一般的なせん断減粘挙動を示している。 これは、キャピラリーダイ内のせん断力によってPE分子鎖間の絡みが解かれ、分子間相互作用が弱まることで、結果として見かけのせん断粘度が低下するためである。 さらに、温度が上昇すると、PE溶融体の自由体積が拡大し、鎖セグメントの可動性が高まり、分子間力が弱まる。その結果、PE溶融体の流動性が増加する。したがって、同じ見かけのせん断速度であれば、PE試料の見かけのせん断粘度は温度の上昇に伴い減少する。

¹見かけのせん断^粘度は、流場や入口の影響を補正せずに直接算出されたせん断粘度である。

²見かけのせん断速度^とは、流場による補正を行わないで直接算出されたせん断速度のことである。

図3は、異なる温度およびせん断速度でキャピラリーダイから押出されたPE溶融体の表面形態を示す写真である。図からわかるように、比較的低いせん断速度（300 s⁻¹以下）では、PE押出成形品の表面は比較的滑らかなままである。 しかし、せん断速度が増加するにつれて、押出物の表面に不規則な変動が現れ始める。具体的には、200°Cにおいて、せん断速度300 s⁻¹でPE押出物に溶融破断が生じる。 温度を220°Cに上げると、溶融破壊の発生における臨界見かけせん断速度は500 s⁻¹まで上昇する。さらに温度を250°Cまで上げると、溶融破壊の発生は見かけせん断速度が800 s⁻¹に達するまで遅延する。

この挙動は、高温下における分子鎖の熱運動の増大に起因すると考えられ、これが外部からのせん断力によって生じる配向や絡み解けの効果を打ち消す。温度が上昇するにつれて、分子鎖の運動が活発化することで、溶融破断が発生するために必要な臨界せん断速度が上昇する。 したがって、十分な溶融強度が維持されている限り、押出成形時の加工温度を上げることで、PE製品の表面品質を効果的に向上させることができる。

PE製品の溶融破断現象に対するダイ入口角度の影響

図4は、220°Cにおいて、異なる入口角を持つキャピラリーダイを通じ、様々なせん断速度で押出されたPE溶融体の表面形態を示している。図に示すように、見かけのせん断速度が低い場合（500 ^s⁻¹以下）、押出物の表面は比較的滑らかなままである。 しかし、せん断速度が増加するにつれて、表面に不規則な変動が現れ始める。具体的には、ダイ入口角が180°の場合、見かけのせん断速度が500 ^s⁻¹になると溶融破断が生じる。

対照的に、入口角が90°のダイを使用した場合、溶融破断の発生に必要な臨界見かけせん断速度は800 s⁻¹に増加する。 この現象は、ポリマーがバレルから入口角の小さいダイへ流れ込む際に、溶融流線が急激に収縮し、著しい伸長流成分が生じることに起因すると考えられる。高速伸長下では、PEの分子鎖が高度に配向し、ダイ出口後の弾性回復が促進される。その結果、ダイスウェルが増大する。 同時に、引張応力の集中により、溶融破断が容易に誘発される。したがって、ダイの入口角度を小さくすることは、より滑らかなPE製品の製造に寄与する。

ダイの長さ対直径比がPEの溶融破断現象に及ぼす影響――より滑らかなPE製品の製造への寄与

図5は、異なる長径比（L/D）を持つキャピラリーダイを通じ、様々な見かけのせん断速度で押出されたPE溶融体の表面形態を示す写真である。 図からわかるように、比較的低い見かけのせん断速度（300 ^s-1 以下）では、PE 押出成形品の表面は滑らかなままです。しかし、せん断速度が増加するにつれて、不規則な変動が現れ始めます。 具体的には、L/D 比が 8:1 の場合、見かけのせん断速度 300 ^s-1 で溶融破断が発生します。 対照的に、L/D 比が 16:1 または 32:1 の場合、溶融破壊が始まる臨界せん断速度は 500 ^s-1 まで上昇します。

しかし、せん断速度 500 ^s-1 における押出物の形態の拡大画像を観察すると、L/D 比 32:1 で製造された押出物の表面は、L/D 比 16:1 で製造されたものよりも滑らかであることがわかる。 この挙動は、ダイの L/D 比が小さいほど、キャピラリー内の PE 分子鎖の緩和時間が短くなることに起因しています。その結果、流動中に蓄積された弾性エネルギーが完全に解放されず、溶融物が破断しやすくなります。 したがって、ダイのL/D比を調整することも、PE製品の表面品質を向上させるための有効な方法となり得る。

結論

本研究では、NETZSCH 社製のRosand RH10キャピラリーレオメーターを用いて、さまざまな温度、ダイ入口角度、およびダイの長さ対直径比条件下で、異なるせん断速度におけるポリエチレン（PE）押出成形品の形態変化を調査した。ある臨界せん断速度の閾値以下では、押出成形品の表面は滑らかであった。 せん断速度がこの臨界値を超えると、PE押出成形品の表面は粗くなり、メルトフラクチャーが発生した。加工温度の上昇、ダイ入口角の縮小、およびダイの長径比の拡大はいずれも、メルトフラクチャー現象の抑制に寄与することが観察された。 さらに、PE押出成形品の表面形態は離散的なせん断速度値でのみ調査されたため、溶融破断の発生における臨界せん断速度を正確に決定するには、「溶融破断試験」モードを用いたより詳細な調査が推奨される。