プラスチックの成形加工性とは?

新規プラスチック素材あるいは組成物の開発において、その性能評価基準として様々な物理的・化学的パラメータが重視されるが、最も軽視され易いのが成形加工性である。研究開始から長年を経て社外求評段階に至り、そこでユーザーから指摘されて初めて気が付くケースが後を絶たない。プラスチックが有用であるためには、その潜在的な性能がいかに優れていても、一定の生産性/コストを満足する成形加工条件・時間内で目標とする一定レベルの性能・機能を発現しなければ用をなさない。 　本講では、一見捉えどころのないプラスチックの成形加工性を、実際の成形加工現場に即して、その分子論的基礎と共に分かり易く解説する。ここでは最も高度な材料設計/成形加工技術が求められる結晶性高分子のポリ乳酸 (PLA) を代表例として、その結晶化挙動等に関する基礎的知見をベースに、成形加工性をさらに向上させるための具体的な添加剤処方箋についても論及する。これまで産学両分野で約30年間、ポリ乳酸を中心とする生分解性プラスチックの理想の化学構造と高性能・高機能化材料設計/成形加工技術を求め、基礎・応用研究から技術・事業開発までを世界に先駆け成し遂げた講師による渾身のセミナーである。

1. はじめに: 科学と技術の狭間で
   1. 固と全体の問題
      1. 自然農法主宰者、福岡正信の呟きに耳を傾ける
      2. アカデミアの世界では
   2. 線形科学から非線形科学へ
   3. 終生の挑戦者として
      • 究極の高性能・高機能化材料設計と成形加工技術を求めて
2. 熱可塑性プラスチック (特に結晶性高分子) の成形加工性とは
   1. 成形加工の物理的意味
      • 溶融体の室温下への冷却固化・賦形過程におけるガラス化又は結晶化
   2. 各種成形加工法と成形加工性支配因子
      1. 溶融押出過程
         • 溶融粘度
         • 溶融張力⇔分子量
         • 架橋密度依存性
      2. 高粘度
         • 押出成形 (フィルム、シート)
         • 発泡成形
         • ダイレクト・ブロー成形
      3. 中粘度
         • 繊維
         • 射出成形
      4. 低粘度
         • スパンボンド
         • メルトブローン
         • 薄肉射出成形
      5. 冷却固化過程
         • Tg又は結晶化速度⇔冷却速度
         • 変形速度依存性
      6. 室温
      7. 室温下への冷却だけでガラス化 ⇒ Tg
      8. Tg<室温の場合
         • 室温下への冷却過程で結晶化が必須 ⇒ 結晶化速度:
   3. 成形加工性改良添加剤
      1. 溶融押出過程
         • 溶融粘度
         • 溶融張力調整剤
      2. 増粘剤
         • エポキシ基含有反応性改質剤
         • 架橋剤 (有機過酸化物)
      3. 流動性改良剤、粘度低減剤
         • ポリグリセリン脂肪酸エステル (界面活性剤)
      4. 冷却固化過程
         • 結晶化促進剤 (第3,4章で詳述)
      5. 不透明耐熱化
         • 分散型造核剤
         • 結晶化速度促進剤
      6. 透明耐熱化
         • 溶解型造核剤
         • 結晶化速度促進剤
   4. 成形加工法
      1. 押出成形
         • 繊維・不織布
         • フィルム・シート
      2. 射出成形
      3. サーモフォーミング
         • 熱盤成形
         • 真空・圧空成形
      4. 発泡成形
         • 押出発泡
         • ビーズ発泡
      5. ブロー成形
         • ダイレクト・ブロー
         • インジェクション・ブロー
3. 結晶性高分子の結晶化挙動と成形加工性
   1. 成形加工工程における結晶化の分類
      1. Melt Crystallization (メルトから室温下への降温冷却過程における結晶化)
         • 押出成形
         • 射出成形
         • ダイレクト・ブロー成形
      2. Cold Crystallization (室温からの加熱昇温過程における結晶化)
         • 真空・圧空成形
         • 発泡成形
         • インジェクション・ブロー成形
   2. 等温結晶化挙動
      1. 結晶化速度式G=G0exp ( – ED/RT – KTm/RT (Tm – T) の物理的意味
      2. 第一項:セグメントの拡散過程
         • 温度と正の相関
      3. 第二項:核形成過程
         • 温度と負の相関
      4. 最も結晶化速度の速い結晶化温度Tc (Tg < Tc
      5. 結晶化速度パラメータ
         • ts, t1/2, te, kの算出法
   3. 非等温結晶化
      • 冷却速度が結晶化温度や結晶化度に及ぼす影響
   4. 結晶化速度を支配する因子
      1. 一次構造
         • 共重合比
      2. 分子量
      3. 造核剤や結晶化促進剤
   5. 結晶化速度が遅い場合に顕在化する問題点
      1. 冷却・固化未達
         • Tg<室温の場合、ゴム状態のままで粘着感残留
      2. 耐熱性不足:低い熱変形温度
      3. 力学的特性
         • 低強度、低弾性率
      4. 寸法安定性不良
         • 高い熱収縮率
      5. 成形サイクル
         • 遅延
      6. 二次結晶化
         • 室温放置下での経時変化 (形状、物性)
   6. ケース・スタディ
      • 微生物ポリエステル (PHA) 系
        • 最も古い歴史と豊富な研究実績を誇る微生物ポリエステル系 (β – オキシ酸の重縮合体) が、これまで世界中の数多くの一流企業が参入と撤退を繰り返し、40年後の今日でも未だ本格的に事業化されない理由とは?
4. 成形加工性改良添加剤
   • 代表例として、ポリグリセリン脂肪酸エステル (PGFE)
1. 基本特性
   • 疎水性高分子系界面活性剤
2. 一次構造の分子設計
   • 重合度
   • 脂肪酸炭素数
   • エステル化度
3. マルチ機能改質剤としてのPGFE
   1. 分散安定剤
      • 固体フィラー分散性向上効果
   2. 流動性改良剤
      • 溶融粘度、混錬・押出しトルク低減効果
   3. 可塑剤・耐衝撃性改良剤
      • 可塑化・耐衝撃性向上効果
   4. 結晶化促進剤
      • 耐熱性 (透明耐熱性を含む) 向上効果
4. ポリ乳酸 (PLA) 成形品への応用事例 (Tg, Tmは不変)
   1. 射出成形と真空成形
      • 耐熱性と耐衝撃性、成形加工性の同時改良
   2. 真空成形における透明耐熱化の潜在的可能性
• 質疑応答