金属やセラミックスなどの無機材料開発では、結晶の理解が重要で同時に相図を理解していなければ、日々の開発業務で成果のレベルを上げることが難しい。
ところが高分子材料については、無機材料と異なり、「これ」を理解していなければ、という形式知の分野は無いのかもしれない。
ゴム会社で高純度ＳｉＣの事業を立ち上げ、無機材料の開発が技術者としてのキャリアとなったが、志半ばで写真会社に転職し、高分子材料技術者としての道を歩き始めた。
そして歩きながら感じたのは、無機材料開発と比較した時の難易度の高さだ。これは専門外だから難しいと感じたわけではない。
無機材料開発では、ある程度お決まりの手順が存在し、とりあえず獲得する必要のある形式知を身に着けておけば、現象の理解ができる。
しかし、高分子材料開発は、無機材料開発と少し勝手が異なる。お決まりの手順が無いのだ。これをお決まりの手順で開発を進めているといつしか新しい材料開発ができなくなる。
例えばゴムの配合開発では、お決まりの手順があるように見える。新入社員の3か月間、レオロジーの神様のような指導社員のご指導を受けたのだが、お決まりの手順とそうでない方法を指導された。
指導社員はお決まりの手順を説明しながら、この方法で新しい技術ができる、と言っている間は一人前ではない、と指導してくれた。そして現象観察に基づく臨機応変の開発ができなければ、新材料の創出は難しい、と。
無機材料技術者よりも高分子材料技術者としてのキャリアが長くなり、高分子材料技術者としてカオス混合技術を開発できた。
そしてつくづく思うのは、高分子材料技術者として一人前になるためには、かなり広範囲の「知」の蓄積が必要だということである。
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来週開催予定の無料セミナーについて。高分子の難燃化セミナーでは、概論を簡単に説明し、データ駆動型実験により難燃剤無添加で開発されたＵＬ９４－Ｖ２合格環境対応樹脂について解説予定である。
マテアリアルインフォマティクスが最近流行している。ＡＩを使って材料開発、というといかにも今時の手法に見えるが、多変量解析の活用やタグチメソッドもこの手法の一つであり、多変量解析であれば１９７０年代より開発に活用されてきた。
当方が初めて多変量解析で研究成果を出したのは、タイヤの軽量化技術であり、タイヤメーカー２０社の同一サイズのタイヤデータを主成分分析にかけ、各社の特徴を明確にし、さらに主成分得点などを活用し、予測される最軽量の重量見積もりやその時の構造の特徴を明らかにしている。
当時はマイコンが登場したばかりでインテルの８０８８やザイログのＺ８０評価キットが販売されていた。
また、シャープはＺ８０搭載パソコンの発売を開始したが、搭載メモリーは全部で４８Ｋバイトであり、それで多変量解析を行うならばＦ－ＤＯＳのセットが必要だった。
当方はパソコンではなくＩＢＭの大型コンピューター３０３３付属の統計パッケージを使用して成果を出している。
ゴム会社には大型コンピューターが2台あり、1台は先進のＰＯＳ用であり、1台は技術者に開放されていた。
しかし、データを入力すればすぐに結果が出るわけでなく、新入社員のデータは計算処理が後回しにされることが多く、翌日に計算結果を見ることもあった。
多変量解析の有用性について社会人スタートの時に理解することができたのは幸運だった。科学で不明確となりそうな開発では、データ駆動の実験に切り替えて成果を出すことができた。
これが科学が命よりも大切に思っているような研究者には、腹が立つような手法に見えたのかＦＤを壊されるような研究の妨害（隠蔽化の動きがあり、転職の決断をしている）を受けている。今はアカデミアが率先してそれをやろうというのだから時代の進歩だろう。
イムレラカトシュは、科学と非科学の境界は曖昧であり、時代によりそれは変わる、という名言を残している。これは名言であり、弊社の問題解決法のよりどころでもある。
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ポリエチルシリケートとフェノール樹脂をリアクティブブレンドにより、分子レベルで均一に混合された前駆体の合成を198２年に成功した。これを用いて、世界で初めて成功した、経済的な高純度ＳｉＣ合成実験では、電気炉の暴走が重要な役割を果たしている。
すなわち、最初の実験で設定された電気炉のプログラムで実現される温度条件では、未反応のシリカやカーボンが残存していたことが後日の実験で示されたからである。
最初の実験であったことや、その電気炉が納入されたばかりの新品であったことなどから、電気炉の扱いに手慣れた主任研究員の方が、実験条件のプログラムを電気炉に設定してくださった。
当方は、ただサンプルを電気炉にセットしただけで、運転開始もその主任研究員の方が操作された。しかし、ＳｉＣ化の反応が生じる温度に達した瞬間に電気炉が暴走し始めた。この欄で以前この詳細について述べている。
この結果、高純度ＳｉＣの合成に成功したわけだが、暴走という現象が安全上の問題として研究所で検討された。またそれが納入されたばかりの電気炉という理由で、検収作業の疑義の問題にまで及んだ。
すぐに、安全委員会による調査が行われたが、異常が見つからなかっただけでなく、科学的に全く同じ動作で電気炉を運転しても異常は発生せず、暴走原因を解明できなかった。
プログラム運転中に温度センサーに異常が起こればＰＩＤが正しく動作することも、また誤ってどこかボタンが押されたとしても電源が落ちる仕様だったので、何かエラーが発生したとしても今回の暴走のような事態に至らないことも確認された。
このような機械の暴走という異常は、それが再現されない場合に原因不明となってしまう。再現されて初めて科学的に原因を論じることが可能となる厄介な問題だ。
それをおそらく知っているのだろう。こともあろうに池袋で親子を横断歩道ではねた８９歳の老人は、機械の暴走を原因として自分に責任がないと言い出した。
自動車では、仮に制御不能となったとしても、危険を回避し事故を起こさないように努める責任が運転者にはある。
車が暴走したならば、あらゆる方法を駆使して「安全に」車を止める責任が運転者にはあり、ただブレーキを踏んでいただけという発言から、それを果たしていなかったことは状況から明らかだ。また、運転者自身それをよく理解しているはずだ。
当方は電気炉の暴走が始まった瞬間に主任研究員に言われ、1度限りの大切なチャンスの実験であったにもかかわらず、非常ボタンを押して電源を落とし暴走を止めることを優先した。すぐに温度が下がり始めたが、断熱材の効果でそれは緩やかだった。
主任研究員が実験室に到着し、再度電源を入れたときに偶然保持温度のプログラムラインに炉体温度が乗ったため、電気炉はプログラムコントロールされ冷却動作に入った。
翌日温度が下がった電気炉の中には、最適条件でＳｉＣ化された高純度ＳｉＣが合成されていた。それは電気炉の暴走でもなければ見つからない反応温度パターンだった。
この時得られた高純度ＳｉＣ粉末に対して2億４千万円の先行投資と研究所建設が決まっている。機械の偶然の暴走のおかげで幸運が訪れた。
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高分子材料で発生する品質問題の多くは、科学で正確に論じることが難しい場合が多い。また、正確に論じようとすると分析費用が嵩むので適当なところで妥協することになる。
品質問題が起きたときに、どこまで解析を行い対策を講じるのかは、大変難しい実務上の課題である。
一方、高分子材料の市場で発生する問題について、科学的にすべて解析可能と豪語する人について信用しない方が良い。
高分子材料を階層的にとらえた時に何が問題かさえも曖昧となるケースもあり、それでも具体的な品質問題として解決しなければいけない。
そのようなときに、間違った問題を科学的に正しく解かれても、品質問題を再発することにる。市場での品質問題というのは、科学的正しさよりも再発しないように解決することが一番重要である。
そのため、市場で品質問題が起きると、過去の事例との比較や他で起きていないかなどの調査から始めるのが一般的だが、故障に至る現場の状況調査が不明点の多さを理由に不十分となりがちである。
環境関係の法令整備が進んだので、製品における故障を素材レベルまでその素性をさかのぼることが容易となった。現場の状況調査では、高分子材料の生まれてから故障に至る履歴が重要である。
もし、破壊した状態ならばフラクトグラフィーは必須で、科学的ではないと批判されても現場情報をすべて盛り込んで仮の結論まで出しておくべきである。これは、高分子材料の市場における破壊を考察する重要なノウハウである。
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高分子材料の難燃化技術について、２時間の無料セミナーを行う予定でいるが、テキストの購入をお勧めしたい。
もちろん無料セミナーなのでテキストの購入は義務ではないが、２時間という短時間では、十分な説明ができない。
例えば評価技術については、ＬＯＩとＵＬ94規格の簡単な説明程度しかできないので、テキスト付属の予備資料でセミナー後の独習が必要となる。
また、混練技術についても説明できないので、予備資料の独習が前提となる。ゆえにこの無料セミナーはテキストを購入していない聴講者にとって少しハードルは高いが、テキストが無くても難燃化技術の勘所はご理解いただけるように解説する。
以前2日間コースと1日コースで実施した評価結果では、2日間コースの方が評価が高かったので、二時間コースでは、何だこれ、という結果になるかもしれない。
しかし、形式知が少ない分野であり、経験知の伝承の重要性を感じており、２時間の無料セミナーを行うことにした。
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今月質問の多い高分子のブリードアウトについて、2時間の無料セミナーを開催する。通常6時間ほどの内容からポイントだけ取り出して解説する。
高分子初心者のためには、なぜ科学の結果と実務における結果が異なるのか、という視点で解説するので、材料開発の経験が無くても得るものがあると思っている。
二時間のセミナーだが、テキストは、補助資料として解説できなかった部分を添付するので購入する価値はあると思う。
さて、ブリードアウトを理解するためには、二つの重要なポイントがある。一つは溶解現象とは何か、他の一つは高分子の高次構造である。
ブリードアウトという現象は拡散現象であり、その理解は重要だが、実務では拡散現象よりも高分子の高次構造と溶解現象の理解が不可欠である。
これは、教科書に書かれている解説と少し異なる。しかし、実務でブリードアウトという現象を扱った経験から、この二つを十分に理解したうえで拡散現象の理解が重要だと思っている。
すなわち、拡散現象だけでブリードアウトが制御されているのであれば、品質問題の解決は容易である。しかし、現実は実験室の結果が市場で再現されない。
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下記予定で今月ＷＥＢ会議システムを用いた無料セミナーを予定しています。ご希望の方は弊社へお申し込みください。
10月19日（月）13時30分から15時30分 問題解決法
10月20日（火）13時30分から15時30分 高分子の難燃化技術
10月23日（金）13時30分から15時30分 高分子のブリードアウト
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昨日の続きになるが、水と油のように混ざり合わないものを混ぜようとしてもなかなかうまくゆかず、2相に分離するが、100℃ぐらいまで温度を上げてやると、油が少なければ油滴となって水の中に分散する様子を観察することができる。
すなわち、温度という因子は、それが高くなると物質が混ざり合うようにするような感覚に思えてくる。
温度が上がると水の分子運動が高くなるので、と説明すると教科書的になるが、混合のエントロピーの効果は、肉の煮込み料理を作ってみれば、教科書を読むよりも容易に理解できる。
男子厨房に入るべからず、は頭の固い昔の爺の考え方だが、男も料理をすべきである。率先して料理を行えばこのような物理現象を何度も観察できる機会に恵まれる。女性だけにそのような機会を独占させておくのはもったいない。
サラダドレッシングでも肉の煮込み料理でも100℃から室温まで冷却してくると、細かい油滴は連結して大きくなって相分離が明確になってくる。
この時油が少ないならば、大きな油滴が何粒もできるような状態になるが、水と油が同じような体積であると、水と油の二相に分離する。
少し難しい表現をすると、界面エネルギーが粗大化を支配する相分離では、このような体積割合の違いで共連結構造になったり粒子状構造になったりする。
もし、混ざり合わない（χが0でない時）ＡとＢ２種の高分子を無理やり分子レベルで均一に混ぜたとする。
Ａ分子とＢ分子の接触した界面エネルギを下げるよう（混ざり合わないＡとＢが一緒にいるのは居心地が悪いはずである）に、すなわち界面を少なくするように力が生まれそうだ、と気がつくはずだ。
相分離が始まると、ＡとＢの割合が変化、すなわち濃度変動を起こす。やがて許容できる、お互いに許しあえる濃度範囲で安定になる。しかし、最も安定なのは、Ａ相あるいはＢ相単独であるはず（χが0とならないので）で、最終的にはＡ相だけあるいはＢ相だけになる。
このような相分解様式をスピノーダル分解と呼ぶ。高分子の相分離で見つかっているのは、多くがスピノーダル分解でありその他の粘弾性相分離などよくわからない相分離形式もあるが少ない。
当方が驚いたのは、ＰＰＳと6ナイロンは一般の混練機で混練する限りは、少ない成分が島となる海島相分離するが、カオス混合を行うとこれが相溶し、急冷しても5年以上室温で相分離せず安定であったことだ。
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スピノーダル分解は高分子の相分離や濃度の高い合金でみられる一般的な相分離現象である。決して難解で特殊な分解機構ではない。言葉が難しいだけで、100回ほど唱えれば易しく見えてくるはずだ。
油（仮にＡ相と呼ぶ）と水（仮にＢ相と呼ぶ）に分離したサラダドレッシングを見つけたら振ってみてほしい。室温であれば、放置するとすぐに二相に相分離する。
玉ねぎその他がこのドレッシングに入っていても、少しなかったことにしてほしい。目の前のサラダドレッシングは、Ａ相とＢ相に分離している(層ではなく相という表現に慣れてほしい)、とみていただきたい。
どうしてもそのように見えない方は、実際に油と水を混ぜて透明な容器に入れて眺めていただきたい。Ａ相とＢ相の二相に分かれている現象を観察することができる。
１日眺めていてもそれらが自然と混ざり合うことは無い。分離していること、別々にいることが安定状態だからだ。だから強引に振って単一相にしようとしても二相に分かれる。
水と油は混ざり合うことが苦手なので、すなわち均一に単一相となることが不安定なので二相に分かれるという現象の説明は理解できるだろうか。人間関係の水と油の関係は理解できるが物理現象は理解できない、という方は、明日の説明を読まないでほしい。
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新素材を開発する手法として科学で説明できない現象を再現よく発揮できるように創りこむ手法がある。
その材料が科学で説明できない現象を再現よく引き起こしてくれれば、現象の研究を科学的に行い、材料に創りこまれた機能を科学的に説明できるようになる。
このようなことを大学で指導してほしいのだが、大学は科学を教える場なので難しい、とある先生が申されていたが、その先生は、科学技術というものを理解されていない。
科学技術には、科学で生み出された技術と科学に裏打ちされた技術の2種類が存在する。後者は創造の過程が科学的に少し怪しいけれど科学で説明できる技術である。
PPSにナイロンを分散して絶縁破壊を調べると、一般的な混練プロセスで調整された材料では、絶縁破壊電圧が１００Vとなるときがあるが、カオス混合を行った材料では、３００Vを超えることがある。
電子顕微鏡観察を行うと前者にはナイロンのドメインが観察されるが、後者では単相として観察される。ゆえに絶縁破壊電圧が高くなった、と納得できるが、もう少し研究する必要がある。
PPSにナイロンを相溶させてカーボンを１０％程度分散した材料でベルトを製造し誘電率を計測してびっくりした体験がある。負の誘電率を再現よく示したのだ。
残念ながら中間転写ベルトとしての性能が悪かったのでそれ以上の研究を行っていないが、同一組成なのに負の誘電率になったり正の誘電率になったりする。しかもそれをプロセスで制御できる、という冗談のような体験をした。
この体験については、目標とした製品性能が悪かったので十分な研究を行っていないが、もし若ければ、昼休み時間や定時後の時間を使って研究していただろう。
若い時の情熱は、お金に縛られないところが良い。不思議なことに爺になると若い時と同じようにお金にとらわれなくなるが、その時には体力がなくなって意欲が空回りする。若返りを目指して最近軽い運動を始めた。
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