一部の高分子について燃焼挙動の科学的解析が進み、難燃剤の機能について明らかになっている。しかし大半の高分子材料と難燃剤については未解明である。明らかになっている高分子材料についても実火災でその様に熱分解している、という証明はできていない。
高分子の難燃化というテーマは科学的に研究を進めにくい分野である。燃焼は酸化が激しくなった現象として説明されるが、同時に高分子の熱分解も起きている。溶融も生じる。ゆえに実火災に有効な科学的な高分子難燃化手法という万能手法は存在しない。実火災に対しては、各種難燃化規格に通過するように難燃化「技術」で対応することになる。
高分子の難燃化手法には技術的に二つの戦略が存在する。１．溶融型と２．炭化型である。１は、高分子材料に着火したとたんに溶融を促進し、火を消す、という手法である。２は、燃焼面に耐熱性の高い炭化層を形成し火を消す方法である。
常温のLOIで見たときに、１の戦略では、２１以下でも自己消火性を示す材料を設計可能だが、２では必ずLOIを２１以上になるように設計しなければいけない。２についてはイントメッセント系の難燃剤が有効と言われている。
UL規格で見たときに、溶融物の存在が許されるときには、１の戦略もとれるが、許されないときには、２の戦略だけになる。すなわち、この戦略は規格と達成したいレベルで選択することになる。UL94-5Vレベルの高分子材料の設計を目指す場合には、効率的に炭化層を形成する材料設計が重要になる。
カテゴリー : 連載 高分子
pagetop
どのような高分子でも、高温度の空気中で燃える。これを科学的に示すには温度を変えて極限酸素指数（LOI）を測定すれば良い。ちなみに空気をLOIで示すと２１である。すなわちLOIとは酸素濃度を指数化したパラメーターで、空気には２１％の酸素が含まれているからLOIは２１となる。
LOIが２１以上の高分子材料は空気中では燃焼を続けることができないので自己消火性、すなわち自然と火が消える。２１以下の材料では、空気中で着火した場合に燃え続ける。このLOIを各温度雰囲気で測定すると、室温で２１以上の材料であっても、ある温度以上で２１以下になる点が存在する。
すなわち高分子材料は皆５００℃以上にも達する実火災で必ず燃えることがこの実験で分かってくる。これが分かってくると、高分子材料の不燃化などという技術テーマを企画したりしない。せいぜい難燃化である。材料に火がついても空気中で燃えにくければ、あるいは自己消火性を示せば、少なくとも火源とはならない。多くの電化製品や事務機、電子機器はこのような観点で設計されている。
高分子材料の難燃化に関する研究は１９６０年代から１９８０年代にかけて活発に行われた。しかし科学的な研究の結論は未だに出ていない。技術的な見通しは、技術者によりそれぞれのノウハウとしてまとまっている。科学と技術を厳密に意識しなければいけない分野の一つとして、この高分子の難燃化という分野がある。
科学的な研究が最も進んだ１９８０年前後には様々な評価技術が登場している。LOIもこの頃登場した。UL試験も同様の時期である。コーンカロリメーターが実験装置として販売されたのは１９８０年代末である。
カテゴリー : 連載 高分子
pagetop
瀬戸物市には規格外の商品が山のように売られていた。瀬戸物は重要な輸出品であり、この規格外の商品の売り上げが日本のセラミックス産業を支えている、と親から教えられた。子供の頃この説明を素直に納得したが、米を食べるのはアジアが主体であり、お茶碗が欧米にたくさん輸出されていると思えない。瀬戸物市には瀬戸物のフランス人形や高級そうな洋風の水差しや花瓶なども売られていたので、親はそれらを説明していたのだろう。
しかし、当時の我が家はそのような洋風の商品を買わずお茶碗探しがもっぱらなイベントであった。瀬戸物市の翌日は食卓がリニューアルされる。家族おそろいの新しいお茶碗やお皿で皆食卓を囲むのは、少し贅沢な気分だった。古いお茶碗やお皿は保存され、食卓に並んでいるものが割れるとそれらで補充された。昔の瀬戸物は割れやすかった、という印象がある。ところが１００円ショップの食器は割れる前に欠ける。
お茶碗の割れた思い出はあっても欠けた思い出は無い。すなわち１００円ショップのお茶碗は絵柄がきれいに揃っていても欠けやすい。これはお茶碗を成形するプロセスの違いが現れている。１００円ショップのお茶碗の見かけは瀬戸物市のお茶碗よりも良いが、力学物性は低下している、と思われる。ノリタケの森で買ってきた食器とぶつかると、必ず１００円ショップのお茶碗が欠ける。ノリタケブランドのお皿は規格外品でも丈夫である。
ノリタケブランドの製品でも一部は射出成形で製造されていると聞いた。ノリタケの森では職人が手作りで製品を製造する様子を見せているが、射出成型による製品もあるという。しかしノリタケブランドのついた食器で欠けやすい食器を見たことが無い。落としてもフローリングの床であれば割れにくい丈夫な製品で、さすがにノリタケブランドと感心したりするが、おそらく製造プロセスだけでなく原材料管理も異なるのであろう。
ノリタケブランドの製品の優秀さは、瀬戸物市の規格外品や１００円ショップの商品とは別次元である。それでは、これらの成形プロセスの違いがどこに現れるのか。おそらく成形された時のグリーン密度の均一性の違いが欠けやすさにつながっていると推定している。例えばノリタケブランドの製品の焼成前のグリーン密度は、その断面を肉眼で見ても分かるぐらいに緻密で均一である。
カテゴリー : 一般 連載 電気/電子材料
pagetop
便器などの衛生陶器やお茶碗などはセラミックスでできている。便器のような工業製品は、その製造方法が進歩したかと思っていたが、未だにスリップキャストが使用されているという。ただしその生産方法は変わっていないが、生産性は大きく進歩したと言われている。
お茶碗は、かつてロクロを使い作られていた。今は、射出成形で作られている。もっとも趣味性の高い高価なお茶碗は今でも手製だが、１００円ショップで販売されているお茶碗は二軸混練機で混練し、射出成形で成形されて、素焼き後絵付けし焼結プロセスでお茶碗としてできあがる。そのプロセスのほとんどがオートメーションである。
セラミックスの原料は陶土で、瀬戸物などは陶土がそのまま使われているという。すなわち材料費としては陶土の運賃程度であり、自動化されたプロセスによるコストダウンで１００円という格安な価格でお茶碗を製造できるのだ。
かつてお茶碗は高かった。子供の頃は製造プロセスのほとんどが自動化されていなかったので人件費の寄与が大きかった。また絵付けも現在のようなシール方式では無く手で絵柄を書いていたので、上手下手が子供にも分かった。瀬戸物市にはその出来損ないのお茶碗が縄で束にして売られていた。価格的にはちょうど１００円ショップのお茶碗のような感覚である。
毎年開催される瀬戸物市は、子供の頃、数少ない娯楽であった。ディズニーランドやサンリオピューロランドのようなテーマパークなどなく、さしずめ瀬戸物市は珍しいテーマパークのようなものだった。６個あるいは１２個でひとまとめにされて、その束が３００円や５００円、良いモノは１０００円で売られていた。
一つが１０円以下というばら売りの茶碗もあった。ただしばら売りの茶碗では、同じものを家族の人数だけ揃えるのに時間がかかったが、瀬戸物市の楽しみの一つであった。ビミョーに色の違う茶碗は良い方で、同じような配色で同じ絵柄のようだが、どう見ても同じに見えない茶碗の中から可能な限り同じように見える茶碗を８個捜すのである。楽しかった。
カテゴリー : 連載 電気/電子材料
pagetop
タイヤには３０以上の配合の異なる部材が使用されている。この商品に使用する大半のゴムは、昔からバンバリーでノンプロ練りを行い、ロールでプロ練りを行われてきた。しかし、このプロセスは効率が悪い。最近では、一部のゴムについて二軸混練機による混練が行われているという。
タイヤ以外のゴム製品では、今では圧倒的に二軸混練機によるゴムが多いという。熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）の普及でゴム製品の多くは射出成形で作られるようになった。さらにゴムを混練しながら架橋する動的架橋技術も進歩し、樹脂と複合化されたＴＰＥの一種ＴＰＶも汎用ゴムとして使われるようになった。
かつてバンバリーとロールで混練し、長時間かけて加硫と成形を行うのがゴムのプロセスであったが、１９９０年以降ＴＰＥの普及により、その多くが二軸混練機と射出成形によるプロセスで製造されるゴムに置き換えられた。
バンバリーとロール、そして長時間の加硫工程で製造されるゴムが無くなってしまうのか、という心配（？）はいらない。このプロセスの違いに大きな性能差が生まれるからである。すなわち、いくら動的加硫の技術が進歩してもＴＰＶは、バンバリーとロールで混練された樹脂補強ゴムの物性に勝てない。
新入社員のテーマで樹脂補強ゴムの開発を行ったことをかつてこの欄で書いた。そこも合わせて読んで頂きたいが、耐久疲労試験では、製造プロセスの影響が大きく現れる。すなわち厳しい運動性能が要求される分野では将来もバンバリーとロール混練によるゴムが使用されてゆくと思っている。このようなローテクのゴムの話も未来技術研究所（ www.miragiken.com ）で扱う予定だが、高分子のプロセシングの問題については、まだ研究すべき事がたくさん残っている。
ところが混練に関して書かれている書物では、分散混合と分配混合で混練は進行し、といかにも混練の技術を簡単にモデル化できそうな書き方がされている。確かに混合はそれで問題解決するかもしれないが、混練の「練り」の部分については、未だ解決されていない部分で、そこを詳しく論じた書物が無い。
カテゴリー : 連載 高分子
pagetop
100-500kg/h程度の吐出量の二軸混練機は、中古市場に豊富である。さらに１０００万円前後と格安である。但し中国ではこの値段よりも安くて新品が買える。おそらく中古機を購入するよりも中国から輸入した方が安上がりかもしれない。
中古機を購入するときの注意として、その道の専門家に依頼した方が良い。すなわち中古機の値段は水物である。たまたま量産機として手頃なKOBELCOマークの二軸混練機を見つけた。倉庫にあった吐出量が３０ｋｇ／ｈ前後の混練機と同年代の機械であり、比較的新しかった。しかし、配電盤はホコリをかぶっておりそのまま使用すると危険な状態であった。
業者に試作依頼をしたところ、動作確認はできるが試作はだめだ、と言われた。動作確認のため部下を出張させたが、その動作確認も事前に確認した配電盤の状況から不可能であった。モーター等は壊れていないようで、ジョイント部も含めサビの発生がなく、恐らく問題ないと思われたので価格交渉を行ったところ、２０００万円に跳ね上がった。
新品が一億円前後の品物なので２０００万円でも安いと思ったが、動作確認もできずに値段が二倍に上がったのである。完全に足下を見られた。一度この場を引き下がり、根津にある中小企業に相談し、交渉してもらった。そしたら３０００万円だという。さらにすでにお客さんの予約があるから、３０００万円でダメなら売らない、と言われたという。
当方は予約をしていないので、とりあえず購入を諦めかけたが、後日会社へ電話がかかってきた。他のお客さんの引き合いがあるから、早く結論を出せ、と言われた。このような駆け引きはしたくなかったが、もう不要になった、と応えた。１０００万円が１ケ月以内に３０００万円である。
結局ほとぼりが冷めた頃に、他の業者にお願いしてその機械を見に行ってもらったら買い手がつかずテント倉庫に放置されていたという。そして、二軸混練機と配電盤以外にサイドフィーダーとストランドカッタ－をつけて２０００万円と言われたという。
カテゴリー : 連載 高分子
pagetop
たまたま倉庫で見つけた小型の二軸混練機のスクリューセグメントは伸張流動が注目される１０年以上前の古い設計であった。すなわちニーディングディスクとロータの組み合わせ部分がスクリューに二カ所存在し、剪断混練を行うのにちょうど適したセグメント配置になっていた。
外部のコンパウンドメーカーは伸張流動重視のスクリューセグメントでＰＰＳと６ナイロン、及びカーボンを混練していた。そのためカーボンの凝集粒子は細かくなり、その大きさは不揃いで樹脂の中に分散した高次構造となっていた。特許にも書いたが、同じ組成のコンパウンドを剪断混練すると、大きさの揃ったカーボンの凝集粒子が均一に分散した高次構造の材料ができる。
すなわち公知の説明であるが、剪断流動でカーボンを分散するとその分散粒径はある粒径までしか到達せずナノオーダーレベルまで分散ができないが、伸張流動を行うとフィラーをナノ粒径まで分散できると言われている。だから、２０００年以降伸張流動重視の混練の考え方が普及した。外部のコンパウンドメーカーもそのような技術思想でコンパウンドの混練を行っていた。
教科書には伸張流動の分散効率の高さが説明されているが、ことカーボンに関しては剪断流動の効率が高いように思われる。ただし凝集粒子の大きさを小さくできないが、均一の大きさの弱い凝集状態で全体に均一に分散した方が良い結果の得られる場合がある。すなわちパーコレーション転移を制御して１０の９乗Ωｃｍという中途半端な抵抗を実現したい時である。
カーボンの体積固有抵抗は１Ωｃｍ前後なので、そのまま分散制御を行うと、パーコレーション転移が急峻に生じる。しかし、これを弱い凝集体の粒子にして、その粒子の体積固有抵抗が１０の４乗Ωｃｍ程度にすると、絶縁体の樹脂に分散し、その複合材料の体積固有抵抗を１０の９乗Ωｃｍでも安定に創り出すことができる。
たまたま使われなくなって倉庫で何年も眠っていた二軸混練機が頭に描いていた理想的な混練機だった。ただしＬ／Ｄは４０程度なので少し短いのが心配だったが剪断流動の効率の高さで無事目的を達成することができた。さすがＫＯＢＥＬＣＯマークである。ただ、これでは吐出量が小さいので量産ができない。
カテゴリー : 連載 高分子
pagetop
神戸製鋼所が本格的に二軸混練機の開発を始めたのは、Ｆａｒｒｅｌ社から技術供与を受けた１９７０年頃と聞いている。１９８０年代前半にはＬ／Ｄの大きいＬＣＭシリーズを開発している。
このＬＣＭは混練部が３つの領域を持つ３翼の断面のロータ型スクリューで構成されている。最初にフルフライトの送り部、次に順送りと逆送りロータを有する混練部、ロータ部の末端には再び混練部がある。
以上は営業担当から昔受けた説明であるが、神戸製鋼所のロータは、剪断混練を行うときに重要なスクリューセグメントである。世界的ブランドのコペリオンではロータは大きなピッチのスクリューエレメントとして考えられているのか、神戸製鋼のそれと比較すると見劣りがする。
コペリオンでは、ロータよりもニーディングディスクに力を入れているようで、工場にはダブルフライトのニーディングディスクや昔懐かしいおにぎり型の三条ネジのニーディングディスク、およびそれらの特殊型が多数置いてあった。
ロータとニーディングディスクどちらが良いのかは混練物に依存するかもしれないが、神戸製鋼のロータの混練性能は高い。コペリオン社ではダブルフライトニーディングディスクは、チップクリアランスを大きくすることによってディスクチップ間における材料への過度の剪断応力を減少させ、チップ通過量を増大させて均一な混合物を得るように工夫したセグメントである。類似のセグメントに可塑化時における剪断応力のピークを避ける目的で考案されたシングルフライトのニーディングディスクがある。
コペリオン社には神戸製鋼のように特徴あるロータセグメントは無いが、様々な形状のニーディングディスクがあり、これらを組み合わせて樹脂材料の混練に最適なスクリューセグメントを決められるようになっている。ややマニアックな話になったが、この約３０年間の二軸混練機の進歩をスクリューセグメントの紹介で示した。スクリューセグメントの考え方は各社各様なのである。
カテゴリー : 連載 高分子
pagetop
二軸混練機の世界的なブランドは、おそらくコペリオンだろう。中国の南京にあるコペリオンの工場を見学したが、さすが世界的メーカーと思える工場だったが、神戸製鋼所ほどの感動は無かった。
KOBELCOは高性能高品質の信頼のブランドである。セラミックスのHIP装置からタイヤに使われている大型プレス装置、そして二軸混練機までこの会社で作られる製品は、デザインはともかく性能は世界一だと思う。特にPRする義理は無いが、CIP装置始め二軸混練機までサラリーマン時代にこのブランドの装置を使って成果を出す事ができた当方にとっては、信頼のブランドである。但し高価である。
中間転写ベルトの開発ではPPSと６ナイロンを相溶させる混練技術が必要であった。最初外部のコンパウンドメーカーにアイデアを実行してもらおうと思ったら馬鹿にされた。お客さんを馬鹿にする失礼な会社だけでなく新しい技術の提案を受け入れないので将来の見込み無しと判断して黙って自前開発を行い、高性能コンパウンドを生産できる工場を立ち上げた。そして外部から性能の悪いコンパウンドを購入するのを辞めた。
混練技術の実情を見ると、昨日まで塗布技術をやっていた人間が打ち合わせに出てきて混練技術について講釈をしだしたら、その道３０年の技術者はカチンときても仕方がないことだろうと今から思えば同情できる。当方はお客さんという思いがあったので遠慮無く技術アイデアを述べさせてもらったが、ことごとく否定され挙げ句の果て素人は黙っとれ、となった。
その道３０年の技術者は、１９８０年以降の急激に技術が進歩した最前線で戦ってきたのである。もう少し当方がその点をおもんばかって謙虚にお願いをすれば、土日のサービス業務や徹夜する苦労などしなくても済んだ。自業自得であった。
ただ、この苦労も今は楽しい思い出となっている。その思い出の中で、最初に倉庫からKOBELCOマークの小型混練機を見つけ、その中古機と同じシリーズで大型のKTXシリーズを中古市場から部下が探し出してきた感動は、今でも忘れない。豊川には小型のKTX、東京に大型のKTXを置き、黙々と実験を行った。KOBELCO製品を２台も短期にお金をそれほどかけず入手できたのは大変幸福であった。
カテゴリー : 連載 高分子
pagetop
混練技術の連載を書くつもりは無かったが、台風情報の台風を見ていたら一軸混練機に見えてきた。そして意外と多い混練機に対する誤解を思い出した。
二軸混練機がかなり昔から存在した、と思っている人が多いが、少なくとも今日のような大容量を混練できる高性能な装置が生まれたのは、１９８０年以降である。第二次世界大戦以前に存在したのは押出機で混練能力は低い。もし１９８０年以前の混練機があったならそれでポリマーアロイを混練しようと思わない方が良い。みかけはできても高性能化は難しい。
このあたりを混練技術の奥深さを分かっていない人に理解させるのは難しい。とにかくスクリューが二本ついてて、高分子を二種類投入すれば混ざって出てくる、それだけで安心している人がいる。最先端の混練技術ではナノオーダーの制御までできるのである。また、自由体積の制御もやろうと思えばできる。一応ゴム業界のレベルの混練技術らしき練りができるようになったのは２０００年以降である。
２０００年頃に国研で高分子精密制御プロジェクトが推進された。終了したときに何も成果が出なかった、という陰口を聞いたが、それはとんでもない誤解である。当方はこのプロジェクトに関わっていなかったが成果報告会を聞きに行っていたから成果を理解できた。
その会場では悪い評判が多かったが、このプロジェクトでは技術者が２１世紀の高分子材料開発でやらなければいけない事が具体化された、と思っている。そのような結論は無かったが、成果報告会を聞いていて思った。
批判が多かったのはL/Dの大変大きな二軸混練機を作ったことである。伸張流動を重視したスクリュー設計でナノオーダーまでの制御が可能といわれた（注）。ウトラッキーの伸張流動装置も検討された。また、剪断流動の極限を追究した高速混練機も開発された。
それらは直接産業界に応用されることは無かったが、基礎データあるいは考え方は重要で、２００５年に単身赴任して中間転写ベルトの開発を行うときに大変役だった。無駄な研究を行わなくても確実な技術イメージを描くことができた。
（注）伸張流動を活用して分散混合を進めようとすると大変長い二軸混練機が必要なのである。
カテゴリー : 連載 高分子
pagetop
