熱可塑性プラスチックのレオロジーの基礎に飛び込む

レオロジーとは、¹⁷世紀後半にフックとニュートンが提唱した弾性と粘度の法則に根ざした、物質の流動と変形を研究する科学である。熱可塑性ポリマーの溶融物は、多数の物体を製造する現代の工業プロセスで広く使用されている。ポリマーが使用されるのは、溶融状態で複雑な形状に成形するのに比較的安価だからである。しかし、ポリマーが加工される際にどのように流動するかを理解する必要がある[1]。

ポリマーの流動挙動に影響を与える因子

ポリマーの流動特性には多くの要因が影響するため、レオロジーの特性評価を行うには複雑な材料です。流動挙動に影響を与える要因の例としては、処理温度、流動速度、滞留時間などが挙げられる。

さらに、ポリマーのレオロジー特性は液体と固体の中間にあります。このため、流動特性やその他の重要な特性の時間依存性が生じますが、そのいくつかを以下に説明します[1]。

ポリマーの重要なレオロジー特性

溶融粘度は温度に決定的に依存することがよく知られています。製造する部品がつや消し仕上げになるまで金型の温度を下げることで、プロセスエンジニアは、表面欠陥が顕在化することなくプロセスを実行できる最低温度（したがって最大樹脂粘度）を知ることができます。金型温度を下げることはエネルギーを節約し、サイクルタイムを短縮できるため、溶融粘度の温度依存性を理解することは非常に有用です。

ポリマーメルトは押出成形時にダイスウェルを 示すことが知られている。この現象は、ダイを出た後の押出物の直径の増加として現れます。ダイスウェルの量は、ダイの入口における材料の弾性変形量に関係する。さらに考慮すべき事実は、一定のスループットで材料を押し出す場合、ダイスウェル（より正確には押出し材のスウェル）の程度はダイスの長さに依存するということである。言い換えれば、ポリマー溶融物は、材料がダイスの入口で加えられた弾性変形を忘れるため、時間依存性を示し、材料がダイス内で過ごす時間が長いほどダイスウェルは小さくなります。

溶融弾性は、次のような他の多くのポリマープロセスにも重大な影響を及ぼします：

• ブロー成形では、ブロー成形品の肉厚は、金型が閉じられる前の押出し工程で発生した膨れの程度に左右されます。
• 真空成形や熱成形では、冷間成形金型に真空引きされる前に、ポリマーがたるまないように弾性を維持する必要があります。材料に十分な弾性がない場合、真空や圧力がかかる前に冷やされた金型に接触する可能性が高い[1]。

ポリマー溶融流動挙動の評価方法

ポリマーの加工特性は、加工されるコンパウンド中の潤滑剤、可塑剤、充填剤、その他の成分の濃度にも依存する。この簡単な紹介から、ポリマーの溶融流動挙動を適切に評価するには、高度で汎用性の高い装置が必要であることが理解できます。

レオロジストの観点からは、ポリマーの流動挙動は3つの要素に分けることができます：すなわち、対応する粘度によって特徴付けられるせん断流動および伸長流動と、弾性率またはうねり比の測定によって特徴付けられる弾性挙動である[1]。

適切な装置が鍵となる

材料を完全に特性評価するためには、温度およびせん断/伸長速度の範囲にわたってこれらのパラメータを抽出できる装置が必要です。最新の実験室用レオロジー試験装置は、Kinexus回転型レオメーターとRosandキャピラリレオメーターの2つに大別できます。さらに、示差走査熱量測定、動的粘弾性測定、熱機械分析などの熱分析装置も、材料特性に関する貴重な洞察を可能にします。

次回は、Kinexus回転型レオメータを使用した熱可塑性プラスチックの特性評価についてご紹介します。

ソース

[1] 回転型レオメーターとキャピラリー押出しレオメーターによるポリマーのレオロジー試験と物性測定 (azom.com)

この記事の原著者であるBob Marsh博士（Malvern Panalyticalの元社員）に感謝します！