昨日の続き。業務を引き継いで最初に試みたのは、PPSと６ナイロン、カーボンの３成分をバンバリーで練り上げるプロセスだった。
小型のバンバリーを製造販売している会社の設備を借りて、混練時間を工夫したり投入順序を工夫したりしてプロセス検討を行った。ここではゴム会社における新入社員時代の経験が生きた。
約３０年ぶりの作業だったので顔はカーボンで汚れ精神的にも疲れたが、幾つかうまくできたという実感のあるコンパウンドが得られた。
樹脂の混練など初めての経験だったが、混練しているときの感覚というものはゴムも樹脂も高分子材料という点で同じである。すなわち高分子材料は紐の塊ととらえると心眼を働かせることができる。
本当に心に描いた通りに混練が進行している、という科学的な保証はないが、与えられた時間が少ないので、自己責任で最もうまくゆく技術手段を用いて誠実真摯に最善を尽くす以外にない。
ゴム会社で事業が３０年近く続いている高純度SiCの技術を起業したときもそうであったが、組織で報われない仕事と分かっていても誠実真摯に取り組んだ時には思いがけない神がかった結果が出たりする。
人生で何度もそれを経験すると、科学的に考える余裕がある、ということは恵まれた環境にある技術者の特権で、そうではない道を歩かされている技術者は腐らず誠実真摯にKKDで一発勝負を行い、新しい科学の芽を出す楽しみに人生を賭ける、という考え方になる。
博打と同じようなヤクザな仕事のやり方だが、高分子材料には、そのようなやりかたでチャンスが生まれる可能性が、科学の時代と言われていても残っている。
ただし「誠実真摯なKKD」が重要であり、これを実行できないとSTAP細胞のような騒動になる。ニュースで公開された実験ノートなどの情報をみると、頭にノーベル賞がちらついていたようで、誠実真摯な業務遂行ではなかった。
せっかくSTAP細胞の芽を出せるチャンスに遭遇したのに誠実真摯に努力しなかったので自殺者まで出るような世界中を巻き込む大騒動になったのではないかと当方は事件をとらえている。
KKDといっても科学者として未熟な技術者がヤマカンで業務を行っていては神様にも見放される。やはりKKDで業務遂行する前にその業務の科学的知識を誠実真摯に学ぶことは大切だ。
科学的知識を身に着け、科学へKKDで挑戦したときに新技術の芽を見出すことができる。
樹脂のTm未満の温度領域において剪断流動で想像していたよりも混練が進むという発見と添加順序で混練状態が大きく変わる処方系という情報などが、バンバリーの作業で得られた。
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この欄で紹介したことがあるPPSと６ナイロンの相溶した中間転写ベルト用コンパウンドについてもう少し詳しく書く。
このコンパウンドを外部のメーカーから購入し、押出成形を検討していた仕事を２００５年に某部長から引き継いだ。その時の条件は、配合処方はそのままで業務を完成させてほしいという難題だった。
すなわちコンパウンドプロセスを検討する以外は、何もやるな、という希望である。その意図は明確で、表向きは商品化ステージであり、処方変更できない開発フェーズであるという理由であるが、これまでの業務をすべて正当化したまま業務を完成させろと言っているようなものだった。
失敗すれば引き継いだ自分が責任を負うことになる悲しい役回りである。サラリーマンの退職前にはこのような仕事が来たりする。
しかしこの業務はハッピーエンドで、当方に引き継ぎを申し出た部長はセンター長へ昇進し、当方は豊川の田舎における５年の単身赴任を終えて担当部長として東京へ戻ることができた、と過去に書いている。
この話で大切な点は、外部メーカーからコンパウンドを購入し中間転写ベルトを開発していた業務をそのままのスタイルで半年後に開発が成功している点である。
ただし開発に成功したときの外部メーカーは、６年間コンパウンドを供給してきたメーカーではなく、当方の所属した会社の子会社に代わっていた。
その子会社に樹脂の混練技術があったわけではなく、まったく基盤技術のない状態で、すなわち当方の知識だけでそこで樹脂専門メーカーより優れたコンパウンドを生産できるプロセスを開発できたのである。
高分子材料では、プロセシングというものをよく理解しているとこのようなあっと驚く開発が可能である。ただし、あっと驚くような開発では周囲の同意が得られないので仕事は自然な流れになるような、周囲から歓迎されるような、それでいて報われない大変な苦労を重ねた。
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加硫ゴムの混練プロセスを簡単に説明すると、バンバリーを用いるノンプロ練プロセスとロール混練によるプロ練プロセスとなる。
実際のプロセスでは、バンバリーにかける前にロール混練を行ったり、ロール混練をニーダーと組み合わせたりとゴム種により複雑なプロセスが組まれたりする。
またバンバリーの混練時間は５分から長くても１０分だが、ロール混練では３０分以上の時間を費やす場合もある。
このように混練時間だけを見ると二軸混練プロセスによる樹脂の混練時間が如何に短いか分かっていただけると思う。
昨日ポリオレフィンの混練時間とその変化について行った実験を紹介したのは、このように同じ高分子材料でありながらゴム業界と樹脂業界では混練時間に対する感覚に大きな違いがあり、樹脂の改質においてプロセシングをもう少し検討すべき、と思っているからだ。
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樹脂材料の混練では二軸混練機が多く用いられている。しかし二軸混練機を１pass用いた混練では十分な樹脂の混練を実現できていない、ということに気がついている技術者は少ない。
色材や各種老化防止剤などの添加剤を分散する目的ではそれほど問題にならない。仮に色材の分散状態が不完全であれば、スクリューセグメントや回転数などを変更して修正可能である。
ただしこれも見かけ上対策できたように見えるだけである。何も問題が起きなければこの不完全性は実務上忘れ去られてしまうが、そのコンパウンドが押出成形で用いられたときにボツや色むらとしてその問題が突然現れたりする。
あるポリオレフィン樹脂でバッチ式混練を行い、Ｔｇで観察されるエンタルピー変化をモニターしたところ３０分以上の混練でようやく一定値となるようになった。しかし実際の二軸混練機で樹脂が混錬される時間はせいぜい１０分未満である。
加硫ゴムの混練を経験しているとこの１０分未満の混練が如何に短い時間であるかを理解できるが、樹脂の混練しか行ったことのない人はこの混練時間の問題に無頓着である。
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高分子材料の力学物性においてプロセシングの影響は大きいが、経験的にセラミックスほどではないと思っている。
しかし、退職直前に開発したPETボトルのリサイクル材が８０％を占める材料は当方が開発したカオス混合装置を用いなければ転写性の良好なコンパウンドを製造できない、という極めてプロセス依存性の大きな樹脂だった。
また、力学物性以外に難燃性もカオス混合装置を取り付けていない二軸混練機ではどのようなスクリューセグメントでも良好な成形体を実現できるコンパウンドを製造できなかった。
この原因はコンパウンドのレオロジーを計測して明らかになったが、カオス混合装置を通過したコンパウンドではポリカーボネートに近い粘弾性特性を示したのに対し、二軸混練機だけで混練されたコンパウンドはPETの粘弾性特性そのものだった。
すなわち異なる混練プロセスで同じ組成の樹脂でも粘弾性特性が大きく変化する場合ではプロセス依存性が大きくなる。
退職直前に開発したリサイクル材を８０％含むPET樹脂の残り２０％には５種類の樹脂が添加されており、難燃剤は添加していない。難燃剤は無添加であるがUL９４試験のV2に合格する難燃性樹脂である。
またその力学物性は、PC/ABSの弾性率より１０％前後低い物性で電子写真機の内装材として使用可能で、転写性はＰＣ／ＡＢＳよりも優れウェルドの発生がほとんど見られなかった。
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高分子材料もセラミックス材料もその材料の混合および成形プロセスの履歴がその力学物性に影響を与える点で、プロセシングと材料物性が切っても切れない関係にある。
しかしこの視点で書かれた教科書に出会えない。教科書が無いので技術者はその経験を伝承する必要があり、そのシステムが完備しているメーカーは技術の基盤がしっかりしていることになる。
ゴム会社では製造現場とタイヤ開発現場の両者にそのシステムが存在したが、残念ながら研究所には無かった。指導社員がその理由を教えてくれたが、もっともな理由だった。
技術の伝承システムが研究所に存在していなかったので、研究所の技術者は指導社員の力量でその後の技術者人生が決まってしまうところがあった。当方は技術者として優秀な指導社員に指導されて幸運だった。
その指導社員が最初に指導してくださった重要なことは、ゴムのプロセシングは実際に体験してみないと理解できない、ということだった。
これはゴムに限らず樹脂もそうである。またセラミックスに至っては教科書の説明だけではまともなプロセスを組み立てることが難しい。
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樹脂技術の専門家と話していると面白い。混練技術に対する考え方が二軸混練機に束縛されているのだ。その結果フィラーの分散を進めるためにはL/Dを４０以上にする以外、すなわち二軸混練機を長く設計する以外にプロセス設計のアイデアが湧かない。
ウトラッキーはなかなかのアイデアマンで伸長流動装置を完成させている。日本で２０００年ごろに行われた高分子精密制御プロジェクトではL/Dが６０以上の二軸混練機とともにこの伸長流動装置も研究されたが普及していない。
この時同時に高速剪断装置もプロジェクトで検討されている。東工大の中浜先生がリーダーとなって進められたプロジェクトで、技術の視点ではどうかと思われた内容だが科学の視点で成果が出ていると当方は評価していたが世間では酷評されたプロジェクトだった。
この時、ナノ分散を実現する技術として伸長流動が注目されてプロジェクトの内容が決まったようだが、ナノ分散に限界があると言われていた剪断流動も同時に検討しているあたりは学者の手堅さだ。
酷評されたプロジェクトだったが当方は科学的プロジェクトとして大成功だったと思っている。ナノ分散を実現するために伸長流動を重視すると設備を大きく設計しなければいけなくなり、ナノ分散に限界があると思われた剪断流動では実用化できないほどの高速回転でナノ分散を実現できることが分かったのである。
ただこの成果ではそのまま実用化できないので酷評されたのだが、科学の真理としてこの成果は大変なことなのである。当方はこの成果報告会を聞き、カオス混合以外にナノ分散を実用化する方法はない、と確信できた。
当方の技術を審査した審査員もそうだが自分が納得できない成果は評価しないという狭い了見の科学を重視する研究者が多い。技術的成果や科学的成果が認められるならばそれを正しく評価すべきである。
科学的成果ではあたりまえの成果しか出ないので評価が難しいのかもしれない。また技術的成果で科学の香りのしない、あっと驚くためゴロー式発明では評価するのが恥ずかしくなるのかもしれない。PPAPの爆発的ヒットを昨年から溜息をつきながら眺めている。
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ポリカーボネートなどの光学的に透明な樹脂へポリアクリロニトリル樹脂球やシリコーン球を２－３％添加してＬＥＤ電球に用いられる光散乱樹脂（電球の白く光っている部分）を製造する。２０年以上まえに特許は公開されており、誰でもこの材料を製造することが可能である。
しかし、難燃性の光散乱樹脂となると、まだ生きている特許が多数あるのでどこでも製造できるわけではない。光散乱樹脂の難燃化で難しいのは、難燃剤の添加により光透過性が悪くなることである。ゆえに用いる難燃剤に制約があり、特許もその点に着眼した発明となる。
難燃性光散乱樹脂の技術開発は、まだ科学的に技術開発可能だが、熱伝導性光散乱樹脂になってくると、科学的にその達成手段が難しくなる。
なぜなら、熱伝導性を実現するためには、熱伝導性粒子をパーコレーション転移が起きるぐらい添加しなければいけない。すなわち微粒子を２０ｖｏｌ%前後は添加しなければならず、そこまで微粒子を添加すると樹脂の光透過性は無くなり、光散乱樹脂の機能は消失する。
熱伝導性と光散乱性を同時に樹脂に賦与する方法は、公知の情報から科学的に導き出すことは不可能で、技術の問題として扱い初めて解くことができる。すなわち、この二律背反問題は技術で解決する。一度技術で解決できると、その解明を科学で行うことが可能となる。
このあたりの手順はiPS細胞と似ている。科学でまともに扱うと生きている間にヤマナカファクターは見つからないと思われたので、非科学的方法で見出し、その後科学的にその機構を解析し応用技術の開発を研究者は盛んに進めている。
当方も非科学的方法で熱伝導性光散乱樹脂をあっと驚くタメゴロ―方式で作ってみた。そこそこのモノが出来上がったが、まだ完璧ではない。それでも一応光散乱性能と光透過性があり、さわるとひんやりと感じる程度の熱伝導性がある。まだ改良の余地があるのでその努力をしているが、従来の技術と全く異なるコンセプトで機能を実現している。
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パーコレーションの性質を知るには、真球が高分子中で分散し添加量の増加とともにクラスターが増加する様子をコンピューター上でシミュレーションすると勉強になる。
数学ではボンド問題やサイト問題、あるいは次元の問題など細かいところが重要になるが、高分子材料物性では大雑把な変化を頭に描くことが重要になってくる。そのためにコンピューター上で勉強するとよい。
この時凝集粒子すなわちあらかじめ一定量の粒子でクラスターが生成している状態のドメインを分散させてパーコレーション転移を考察すると面白い。実はPPS－６ナイロン系中間転写ベルトの開発はこの考え方がプラント立ち上げ成功のために重要だった。
あらかじめパーコレーションが生じているドメインを高分子に分散してそのパーコレーションを制御する技術、Wパーコレーションと名付けてもよい技術アイデアが、混練プロセス開発過程で生まれた。
カオス混合プロセスもこの特殊なパーコレーション転移制御技術に寄与しているわけで、思い描いた通りの高次構造が得られた時にはびっくりした。一応それを狙ってプロセスデザインを行ったのだが、無駄な実験をすることなくきれいな結果が得られた。
プラント建設も初めて二軸混練の研究開発をはじめて２ケ月後に中古機を購入してスタートしている。木下藤吉郎の一夜城と同じようなトリックを使い成功している。
ちなみにこの時PPSとカーボンはTm以下で混練している。またスクリューセグメントには剪断力を効かせたかったのでローターを２ケ所使っている。そのためモーターにはかなり負荷をかけた混練方法となるはずだったが、意外にもトルクが低く開発を始めてすぐに成功を確信した。
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高分子材料で観察されるパーコレーション転移の現象も混練条件と関わり合いがある。パーコレーションは数学分野で古くから議論されていたが材料分野では１９８０年代まで複合則で現象を説明するのが常識だった。１９９０年代の学会の討論でも複合則は一部残っていた。
１９７９年にゴム会社で出会った指導社員は数学分野に秀でた人でパーコレーションの考え方を伝授してくださった。しかしゴム会社社内では複合則を用いた考え方が主流で研究部門でもパーコレーションを当時知っていた材料技術者は指導社員だけだった。
電子写真用の帯電ローラゴム開発で導電性が上がりすぎる問題が発端となりパーコレーションが研究所で重要視されるようになっていった。電気粘性流体のテーマもそれに一役買った。なぜならそれは電気粘性流体の機能発現で観察される現象そのもので、電場をかけたときにクラスターが生成する様子はまさにパーコレーション転移だったからだ。
その後写真会社に転職し、暇な時間を活用してパーコレーション転移のシミュレーションプログラムをC言語で作り、酸化錫ゾル帯電防止層の開発に使用した。そしてパーコレーション転移のクラスターが破壊する様子（後日説明する）など部下が日本化学会で講演し講演賞を受賞している。
今フィラー分散系高分子材料についてパーコレーションの考え方が常識となっているが、パーコレーションが数学者の間で議論されてから混合則にとって代わるまで２０年近く時間がかかっている。フィラーによるクラスター生成はバインダーである高分子の性質に直接影響を受けるが、プロセス因子も同じぐらいに影響する。意外とこのあたりの勘所を理解していない人が多い。
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