高分子材料の成形体を製造するときにペレット状のコンパウンドが用いられる場合が多い。この時ペレット一粒一粒の組成が均一であっても成形体で品質故障が現れることがある。
射出成形体では目立たないが、押出成形やインフレーション成形で発生する。そこで故障部位をケミカル分析してみると組成が均一なので分析結果に現れず、原因不明となる。
ところが故障部位のレオロジーを測定してやると故障部位が他の部分と異なる特性であることを発見できる。
あるいは、結晶性樹脂ならば故障部位の結晶化度を測定することにより他の部位との差異を見出せるかもしれない。
このように組成が均一な原料を用いても、成形体を製造するときに原料を一度溶融させる必要があるので溶融が不均一だったと思われる品質故障が発生する。
溶融の不均一性であれば、成形時にダイに至るまでのシリンダーの中を均一にする努力をすれば解消できる、と考えて努力すると、努力が報われて、品質故障の発生頻度が下がる。
しかし、発生頻度が下がってもなかなかゼロにできない。このじれったさは、実際に経験してみないと分からない。
成膜されたPETフィルムを体育館に広げて１５名ほどの研究者で品質故障部位をマジックで印をつけてみた。ゼロにできたと思ってもどこかに数１０個は品質故障部位が見つかっただけでなく、ラインの検出器をすり抜けた部分も存在した。
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高分子材料の成形体を大別すると、射出成形に代表される材料へ圧力をかけて金型に押し出して注入し、さらに圧力をかけて固めて製造された成形体とフィルムのように金型から押出し、高い圧力をかけることなく成形された成形体に分かれる。
PETボトルはブロー成型と呼ばれる方法で、材料を膨らませて金型に押し付けるように成形して製造されるので、成形時に圧力がかかる成形法である。
すなわち、高分子材料の成形体には、押し出されて製造されただけの成形体と高い圧力がかけられて成形された成形体とがある。
押出成形でも一方向に延伸したり、縦と横に延伸（二軸延伸）されたり、して応力がかけられるので成形時に何らかの力が材料にかかっており、まったく材料に力をかけずに一定の形状で製造された成形体は無い。
このように高分子材料の成形体では、大なり小なり応力がかけられて成形されるので、その応力分布を均一にできない限り、どこかに歪が残る。
このような成形時の応力分布の不均一性以外に組成の不均一性が高分子材料の成形体には存在する。ゆえに品質管理技術が重要となるが、研究開発段階でこれを忘れている企業が多いのではないか。故田口玄一先生は、川下における品質のロバスト確保のために研究開発段階からタグチメソッドの使用を勧めていた。
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高分子の混練技術の難しさは、混練されたコンパウンドがどのような状態になれば完成したと言えるのか不明確だからである。そして不明確であることを理解していない技術者が多いのも問題である。
高性能加硫ゴムの混練では、バンバリーとロールが未だに用いられているが、この理由を理解している技術者も少ない。
そもそも二軸混練機があれば高分子の混練ができると安直に考えている人が多い。顔料の分散程度ならば、一軸混練機でもなんとかなるが、高性能のコンパウンドを混練したいならば、プロセシングの設計から始めなければいけない。
この時、そもそもプロセシングの設計とは何ぞや、と質問していては駄目である。ゴールである成形体の高次構造設計から始まり、それを実現するためのプロセスを設計することなのだが、このやり方は科学的に一つと決まっていない。
恐らく技術者の数だけその方法はあるのだろう。問題はそれが分からない、あるいは意識していない技術者が多いことだ。１５年以上前にPPS無端半導体ベルトを担当した時に頭ごなしに当方の見解を否定されたことがある。
科学的に何が正しい、と一義に決められない分野では、他の技術者の見解を大切にするのが正しい技術者の姿勢である、という理由で、その方は技術者ではなかった可能性が高い。
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ゴム屋が一番びっくりするのは、樹脂屋のコンパウンドに対する考え方である。一言で表現すれば極めておおざっぱなのだ。ゴム屋は成形体の目標機能を実現できなければコンパウンド技術が未完成と捉えている。
しかし、樹脂屋はコンパウンドの分散混合さえ実現されておれば、それでコンパウンドの完成として満足している。それもペレット１個のほんの一部分の領域における分散状態で判断している。
押出成形でボツがあっても、押出機のフィルターワークが悪いからだという。その結果、小生が前任者から半導体無端ベルトの押出成形を引き継いだ時に押出機には、立派なフィルターがついていた。
前任者は、これはノウハウだから社外秘だという。恐らく完璧と思われるフィルターと思われたが、それでも正体不明のボツが発生していた。PETフィルム成膜で発生する目玉故障に近いボツだった。
原因が不明だが、コンパウンドが怪しい、と当方は疑っている。もう少し明確な事例として、半導体無端ベルトの周方向における抵抗ばらつきがある。
これは、パーコレーション転移のばらつきのために現れるので、コンパウンド段階でパーコレーション転移を制御し、安定化しておかない限り解決ができない問題である。
しかし、このような視点を素人だというのが樹脂屋である。組成で機能が決まる、などという間違った考え方をしている。高分子材料では、高次構造で機能が決まるので、コンパウンド段階で十分に高次構造を造りこんでおくのがゴム屋の作法であり思想である。
この辺りは、議論をしてもゴム屋と樹脂屋では議論が平行線となる。成形技術者は、コンパウンダーとしてどちらにコンパウンドの設計を依頼しますか？ゴム屋でも樹脂のコンパウンドを製造できます。
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ゴム会社の研究所においても混練に対する考え方が異なっていた。ゴムのコンパウンディングを現場においてバンバリーとロールで行う以上、研究開発段階もそのプロセスで行うべき、という考え方は少数派だった。
研究開発段階は、簡便なニーダーでコンパウンディングを行っても問題なし、という見解が主流だった。科学的にもっともらしく聞こえる蘊蓄をこねる研究者もいたが、当方は高分子のプロセス依存性が大きいことを考慮すると、簡便なニーダー使用に賛成しかねた。
ゴム屋の中でも５０年近く前このような状況だった。５０年近く前に二軸混練機の高性能化の技術開発が始まっているが、未だに高性能ゴムを製造したいならばバンバリーとロール混練のレベルまで二軸混練機１発でコンパウンディングは不可能である。
二軸混練機に、当方のカオス混合機をつけただけでもコンパウンドの性能は向上するが、バンバリーとロール混練のレベルまで上がっている自信は無い。
さて未だにバッチプロセスと連続プロセスでは、コンパウンディングにその性能差が存在するが、射出成型の用途では高いコンパウンディング性能が要求されないので、高性能化された二軸混練機で十分な混練ができると信じている樹脂屋は多い。
２０年近く前に、半導体無端ベルトの押出成形技術の開発を担当した時に、前任者から国内トップメーカーのコンパウンドだから完成度は高い、と言われた。しかし、そのコンパウンドを用いて半導体無端ベルトの押出成形を行うとパーコレーション転移によるばらつきが発生し、歩留まりが１０％前後となった。
この原因について、コンパウンドメーカーの技術者は、押出成形技術が未熟なためと説明してきた。さらに、コンパウンドは十分に分散混合されて技術として完成している、と主張していた。
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新入社員のテーマとして、当時最先端の樹脂補強ゴムを用いた防振ゴム用コンパウンドの開発をバンバリーとロール混練で行っている。
樹脂が海相でゴムが島相となったコンパウンドであるが、現在二軸混練機で動的加硫により製造される熱可塑性エラストマーとは圧縮永久歪や耐久性の点で大きな性能差が出るゴムを製造できる。
また、指導社員の指導で当方が開発し実用化されたコンパウンドは、ロール混練の条件でも物性が変化した極めて混練の難易度の高いコンパウンドである。
プロセス依存性の大きい難解なコンパウンドであったが、混練条件さえ再現できれば、樹脂とゴムの複合材料でありながら、圧縮永久歪が小さく耐久性の高い高性能ゴムを製造できた。
研究開発段階でバンバリーとロール混練プロセスを用いていたので、実用化の障壁は低く容易だった。久しぶりの研究所のアウトプットとなったが、なぜか開発グループは解散となった。
人生で本格的に混練を勉強したのは、この開発を担当した３か月間だけである。しかし、指導社員が熱心な方で、毎朝９時から１２時まで混練の座学を行い、午後開発実務というスケジュールを組んでくださった。
３か月間ダッシュポットとバネのモデルと格闘しながら剪断流動と伸長流動の特徴はじめカオス混合まで習得できた。今レオロジーをダッシュポットとバネで説明されなくなったが、技術的ツールと捉えると現象理解には便利に使える。
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動的加硫技術が開発されたので、ゴムの一部は二軸混練機でも製造されるようになったが、高性能ゴムは、未だにバンバリーとロールによるバッチプロセスを用いて混練される。
シリコーンゴムでも、LIMS はスタティックミキサーで製造されるが、ミラブルタイプはロールあるいはニーダーによるバッチ式で混練される場合が多い。
ところが樹脂材料は、その登場時から単軸押出機あるいは二軸混練機などの連続式自動混練機が使用される。樹脂材料をバッチプロセスで処理をしてはいけない、というルールは無い。
それどころか、樹脂材料でも高性能なコンパウンドを得たいならば、ロールを用いて混練すればよい。１５年以上前、PPS半導体無端ベルト用のコンパウンドは、良い結果をとりあえず得たかったのでニーダーで混練している。
また、高性能パルプ樹脂複合材料のパイロットプラントは、バンバリーとロール混練で立ち上げている。プロセスコストがかかってもバッチプロセスは連続式プロセスよりも高性能コンパウンドを製造できる、という理由で、難易度の高いコンパウンドを混練したい時には試してみる価値がある。
ただし、ロール混練は危険作業に属するので、それなりの訓練と、設備については信頼できるメーカーを選ぶ必要がある。小平製作所は、創業時からロール混練機を扱っている老舗の一つであり、実験機では安全対策が他社よりも充実している。
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高分子材料の耐久劣化試験で化学的因子についてアーレニウスプロットが良く用いられる。また、物理的因子については、時間温度換算則が用いられる。
科学に問い、答えを得る方法としてセミナーが多数行われている。弊社もこの手のセミナーでその手法を簡単に説明し紹介しているが、弊社のセミナーではこの方法で予測し、問題が発生した時の事例を中心に講義している。
その理由は簡単で、６時間もかけて例えばアーレニウスプロットの手法を説明しても実務に役立たないからである。実務で問題となるのは、これらの科学的予測法で予測しても品質の初期故障が引き起こされることだ。
それゆえ、科学的な予測手法よりも、その対策となる技術的手法を事例とともに解説している。例えばN社フィルムカメラの裏蓋フックがクリープ破壊した事例も説明しているので、N社の技術者にはぜひ当方のセミナーに参加していただきたいものである。
N社ファンの老人をニコ爺というそうだが、シェアが３位になったと言っても老人にN社のファンは多い。品質問題にあっても、C社やS社から魅力的なミラーレス一眼が出てもZ7を買ってしまうニコ爺の性をN社は大切にしていただきたい。
子供のころからペンタックスを愛用してきてもそのあこがれから、いつかは高価なN社のカメラをと思っている老人のカメラファンは少なからずいる。モーレツに働いたご褒美としてF100を購入しそれが防湿庫に保管していて壊れたのだ。
壊れたフックのフラクトグラフィーを行い、N社の技術者がクリープの破壊寿命予測を科学的に行っている様子を想像した。
高分子の一軸クリープ破壊挙動の推定にLarson-MillerのパラメーターKを速度論的根拠に基づくありがたいパラメーターとして用いているしたり顔のN社技術者の顔まで見えてきた。
しかし、１９６０年前後の線形破壊力学の成果で高分子材料の破壊を完璧に説明できないという理由で非線形破壊力学が１９８０年代に登場し、それがまだ完成していない。
さらに１９７０年頃に志ある材料メーカーからクリープ破壊速度が成形体密度の０．０２程度の誤差で２倍になる問題を学会報告し、WEBに技術報告書として公開している。
この報告書を読むと、たとえ科学的にクリープ破壊寿命を予測できても安心できないことがすぐに理解できるのだ。また、科学的な予測は必要十分条件となっていないことに注意する必要がある。
セラミックスのような応力がかかってもその歪が小さい場合にクリープ破壊寿命が必要十分条件に近くなるが、高分子材料のようにクリープで歪が大きくなってから破壊する材料については、歪が大きくなった時に破壊に与える因子について吟味する必要がある。詳しくはセミナーで説明する。
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高分子材料の耐久予測技術は未完成のままである。金属やセラミックスでは、破壊力学が有益な情報を提供してくれる。しかし、高分子材料では非線形破壊力学が提案されてから進歩していない。
このあたりを正しく理解されている技術者は少ない。その結果として、ハイアマチュアカメラとして知られたN社のF100の裏蓋フックが防湿庫で自然に壊れてしまうような出来事が起きる。
このF100の裏蓋フックの破壊はショックだった。システムを揃えるのに50万円以上かかった、というケチな理由からではない。
ほんの少し注意深い実験をN社の技術者がしていたならば防げたからである。この「ほんの少し注意深い実験」とは、機能に着目した実験である。
これを行わず、クリープ破壊寿命予測から材料設計していた可能性が高い。フックの破壊は、破面観察から典型的なクリープ破壊と考えられる。
金属では実験による寿命予測式がそれなりの信頼性を築いてきた歴史があるが、高分子材料では、40年前から懐疑的にみられている形式知だ。
問題はこのような形式知が未だ修正されず、高価な専門家向け教科書に掲載されていることだ。1970年に材料メーカーから密度が0.02高くなるとクリープ破壊応力が約2倍となる実験結果が報告され、WEBに公開されている。
このレポートの意味するところは、密度が0.02下がっただけでクリープ破壊応力が半分になるということだ。
F100の裏蓋フックの密度の基準がどのようであったかは知らないが、クリープ破壊強度から寿命予測を行う方法は良く用いられるが、このような問題があることに目が向けられていない。
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高分子材料の寿命予測にアーレニウスプロットや時間温度換算則は大切な知識だが、これらが経験知であることを知っておくことは重要である。
アーレニウスプロットは反応速度論で利用されているので形式知と勘違いされている人がいるが、寿命予測に用いるときには、経験知と捉えた方が良い。
科学の問題についてトランスサイエンスという言葉が５０年近く前に物理学者の言葉として生まれている。福島原発の問題が起きたときに、日本でこの言葉が一時注目された。
「科学に問うことはできるが、科学で答えることができない問題」という意味だが、高分子材料の寿命予測は、まさにトランスサイエンスと呼んでよい問題だ。
このような考え方に対して異を唱える人がいるので、ここではこれ以上書かないが、有料のセミナーでは、時間温度換算則の問題も含め説明している。
しかし、一度痛い目にあうと高分子材料の寿命予測に関して慎重になる。例えば「最高の品質で社会に貢献」という社是のゴム会社に入社した時に、「科学でタイヤはできない。技術でタイヤを造る」とCTOに教えられた。
写真会社で単身赴任するや否や、まさにこのCTOの教えを活かす出来事に遭遇したので迷うことなく火消を行っている。
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