これは６月末に参加した高分子自由討論会で勉強した結果であるが、ポリカーボネートという樹脂は高分子のからみあいが原因で面白い特性が観察されるという。T大O教授の講演であるが、当方も昨日紹介したいきさつがあり、ご発表といくつか一致するデータを持っていた。
この先生のご発表は実務に直結する話題が多く、高分子自由討論会の楽しみの一つである。発表内容含めここで書くわけにはいかないので、ご興味のある方は弊社へ問い合わせていただくか、来年度参加されてはいかが？まことに自由な討論会で楽しい。参加費も巷のセミナー費よりも安い。
さて、この先生のご発表を公開するわけにはいかないが、以下は受け売りであることを前提に読んでいただきたい。早い話が当方のこれまで悶々としていた問題を明快に解いてくださったその結果を当方の責任で書く。
まず、PCの難燃化について。一部のPCを除き、PCの難燃性は高く難燃剤を添加しなくとも自己消火性を示す。しかし、これがポリマーアロイになると難燃剤が必要になる。ところが混練条件により難燃性が変化するのである。PCマトリックスにおける難燃剤の分散状態が変わるため、と予想していたが、「なぜ」が分かっていなかった。
難燃剤の分散状態にPCの絡み合い密度が関係している可能性があり、混練条件によりそれが変化するため、と勝手な想像をしてみた。昨年行った実験結果を見てみると、その傾向が出ていた。この絡み合い密度の問題は難燃剤の分散状態に影響があるだけではない。
射出成形性にも影響がでる。これは極端なサンプル比較を行うとわかりやすい。例えばカオス混合を行ったPC/ABSと行わなかったPC/ABSでは、前者の方が射出成形のOWが広くなる。これは、粘弾性の周波数分散を見ても理解できるが、O教授の考察を拝借すれば見事に説明できる。
科学は技術開発で遭遇する現象を解明してくれる。科学において技術とは全く異なる実験の場で出されたデータとその考察を技術開発の現場で用いることができるのは、真理が一つという信頼があるからである。
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PC/ABSやPC/PET、PC/PSなどポリカーボネート（PC）系ポリマーアロイは、高い難燃性と力学物性、及び成形体の高品位な外観が得られるなどバランスがうまくとれた樹脂なので、テレビやオフィス機器はじめ電子機器の外装材として多くの分野で活用されている。
ところが射出成形体でエラーが多発しやすい材料でもある。現場ではPSに比較して射出成形条件のウィンドウが狭い問題や、力学物性ばらつきの問題などが指摘されている。単身赴任した５年間でもいくつかの問題に立ち会った。コンパウンドの製造工程におけるトラブルが主原因で起きた謎のケミカルアタック問題以外は、PCという高分子の根本的な問題だろうと思っている。
例えば、様々な混練条件で混練されたPCの熱分析を行うと、DSCで測定されたTgのプロファイルが変化する。Tgが二つ現れる場合もある。粘弾性特性も変化する。これがポリマーアロイになるとさらに複雑な変化となる。最も市販品ではそれなりに品質管理が成されているのでその変化は小さいが、例えばPCとABSをそれぞれのバージン樹脂を用いて混練してみると混練条件で力学物性は大きく変化する。
難燃剤などの添加剤を加えてゆくと射出成形性に影響が出てくる。こうした実験を行うとPC系のポリマーアロイが単なる混合物ではなく高い技術に基づき生産されている樹脂であると理解できる。そしてコンパウンディング技術の重要性を認識でき、二軸混練機の限界まで分かってくる。
謎のケミカルアタックの問題でPC/PSというポリマーアロイを提供しているメーカーの技術者と議論したら、手離れの良い樹脂だった、という発言が飛び出した。おそらく現場で起きるであろう様々なエラーなど考えずに開発を行ったと思われる。納入されたコンパウンドをカオス混合で混練しなおすとはるかに成形性が良くなったのだ。
例えば、納入された樹脂で外装材を成形すると、部位により４０％以上の強度のばらつきが生じるが、混練しなおしたコンパウンドでは１５％程度のばらつきに収まった。明らかにコンパウンドの混練不足であることがわかる。このコンパウンドについて謎のケミカルアタックの問題が起きたときにはコンパウンディングの現場でエラーがあったことも判明した。ところがエラーが無いときでも射出成形体の各部位において力学物性がばらついていることも調査してわかった。
５年間の単身赴任で学んだのはコンパウンディングメーカーの不誠実さである。射出成形現場で問題が起きたときに協力する姿勢を見せてくれるのだが、根本的問題解決をしない。謎のケミカルアタックの問題では現場監査を強引に行って解決できた問題である。PC系のポリマーアロイではないが中間転写ベルトの問題解決では予定外のコンパウンド工場を建てるところまでやらなければならなくなった。
コストの問題もあると思うが、PCという樹脂の複雑さを理解してコンパウンドメーカーは対応して欲しい。もし対応できなければ弊社に相談していただくと問題解決のお手伝いをいたします。
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高熱伝導性高分子を微粒子分散系高分子として材料設計するときに、パーコレーション転移だけを考えているとうまく材料設計ができない。しかしその現象にはパーコレーションは関係している。複合材料の力学物性にもパーコレーションは関係しているが、その様子は電気抵抗測定の結果のように明確に観察されない。
微粒子分散系高分子において、微粒子の分散状態を科学的に論ずる場合には、クラスター生成を確率で取り扱うパーコレーションが科学の世界では一般的である。もう昔のような混合則で議論していては時代遅れである。
技術の世界では、現象をシミュレートするのにパーコレーションだろうが混合則だろうがかまわない。もし、ある微粒子分散系高分子にうまくフィットする混合則の式が見つかれば、それを用いて材料設計を行えば良い。現場の不良を考察するときには電卓を活用するが、そのようなときに混合則は便利である。
プロセスに異常があり、微粒子の添加量にエラーが生じているかどうか混合則で結論を出すことができる。技術では、機能が重要であり、微粒子のクラスター生成を議論することが目的ではない。このあたりを勘違いして大騒動になったのは、理研のSTAP細胞である。
STAP細胞を技術として扱っておれば、あのような結末にならなかった。もし技術として扱っていたならば、繰り返し再現性が上がるまで発表を控えただろうと思われる。STAP現象から再現性よく機能を取り出す手段が見つからなければ、STAP細胞ができないことは技術者ならばすぐに理解でき、実験をそのために計画する。
科学の研究を行っているのか技術開発を行っているのか自分の行為を明確に認識して取り組まなければ良い結果が生まれないのは高熱伝導性高分子の開発の場合も同様である。技術開発をやっているつもりで、パーコレーション理論にうまく合わないから、といって研究に取り組んでみるのは「時間とお金」があるならば良いことかもしれない。
しかし、パーコレーション理論にうまく合わない現象としてあきらめ、技術として試行錯誤で取り組むのも技術者ならば間違いではない。もしSTAP細胞についてそのように技術として取り組み技術として完成してから発表していたなら、あのような大騒動にならなかったろう。
技術開発の現場で面白い現象に遭遇すると科学の世界に目を奪われたりするが、そこをぐっとこらえて技術開発ができるようになりたいと思っている。科学の世界は技術開発が終わってからの楽しみにするようなストイックな技術者でありたい、と努力してきた。
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高分子は絶縁体であるとともに熱を伝えにくい材料でもある。ゆえに高分子を熱の良導体にするには、半導体高分子の設計と類似しているが、微粒子を分散することになる。
面白いのはパーコレーション転移と同様の現象が現れることである。しかし、半導体材料を設計するときとその現象の様子は少し異なる。エレクトロンとフォノンでは性質が異なるためだが、これも教科書にうまく説明されていない。
具体的な現象として、高分子に電気抵抗が低い微粒子を分散すれば、その導電性に応じて、微粒子分散系高分子材料の抵抗が下がる。しかし、熱伝導性樹脂の場合には、いくら熱伝導性が低い粒子を添加しても、その微粒子の熱伝導性に見合うほど樹脂の熱伝導率が下がらないのだ。
この現象に初めて接するとパーコレーションのいたずらか、と考えてしまう。しかしそれだけではない。電子伝導はトンネル効果のおかげで微粒子が多少離れていても起きるが、伝熱では微粒子の不連続点で極端に伝わりにくくなるのだ。
その結果、熱伝導率が異なる微粒子を集めてきて添加量と熱伝導率の関係をプロットすると、皆同じ曲線にのってしまう。ゆえに効率よく熱伝導樹脂を設計したいなら、科学的に考えるよりも技術的に考えた方が良いアイデアが出てくる。実際に特許なども公開されており、この分野の特許は読んでいると少し面白い。
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（昨日からの続き）５回を２回に減らして手柄を立てた作業者にコツを尋ねたら、油のようなものが浮いているのを見つけてひしゃくですくう作業だが、うまくやれば１回で済む。しかし５回やれと指示されていたので心配だから、ややてかりのある部分を２回目にすくって終わってみた。その時、特にエラーが発生しなかったので、なぜ５回もやっていたのかと疑問に思った、と怪しい説明が返ってきた。
そして、ある日こっそりと作業そのものをやめたところ規格外になったので、２回に減らす提案をした、とのこと。製造手順書を守らない作業者の問題が気がかりに思えたが、最初にひしゃくですくわれる油のようなものを分析したのか、と係長に尋ねてみた。すると、技術センターに技術が無いので分析してもそれが何だったのかわからなかった、仕方がないので製造部で意志決定しデータを揃え社内の品質会議に提案した、と係長は胸をはって回答していた。
昔開発されたラテックスの製造現場で何が起きているのか興味があったので、その時１回目にひしゃくですくわれた、てかりの多い材料を持ち帰り解析を行ったところ原因がわかった（この部分は当方のノウハウであり、ご興味ある方は問い合わせて欲しい）。単純に組成分析をしても答えは出ないが、ひしゃく作業に意味があるならばそれなりの解析を行うと答えが見つかるのである。ただ解析手法については非科学的発想から出た手法である。
この場合科学的に考える人は、まず組成分析を行う。これは科学的に正しいかもしれない。しかし、当方は技術的発想で考えだした科学的な解析手法をとってみた。そしたら現象をそれなりに説明できる妥当な答えが見つかったのである。この経験から、当方の担当しているラテックスも同じことが起きているのでは、と考え、ひしゃく作業を製造手順書に加えることにした。
但し、２回では不安だった。しかし５回にしても製造現場で昔のラテックス同様に２回にされたら大変である。昔開発されたラテックスが、なぜ２回のひしゃく作業で生産が安定になっているのか不思議ではあるが、２回で問題が起きないならば３回と決めて、この重要な作業の回数を変更前には必ず開発部門の担当者に相談のこと、と付け加えることにした。
３回という数値に科学的根拠など無かった。しかし昔開発されたラテックスと同様の現象が起きているならば、技術的な視点で最低２回はひしゃく作業が必要と考え、安全圏の３回とした。このひしゃく作業を加えた製造手順書で現場の係長から同意が得られたので、コストダウンを現場の成果にして良いことを伝え、開発部門へ提案されたテーマを取り下げてもらった。
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（昨日の続き）結局２週間駐在して観察したが、エラーは一度も起きなかったので、テーマを採用しない方針を製造部長に納得いただいたが、当方が帰ったとたんにエラーが発生したと製造部長から電話がかかってきた。
仕方がないのでひしゃく作業を書き入れた品質規格書を持参し、製造手順を一部修正することで対応して欲しい、とお願いした。この時今だからいえるが、少し誠実でない対応をした。２週間駐在し現場の問題を把握した、それでこのひしゃく作業を取り入れたので品質問題は必ず収まる、と説明したのだ。
製造現場には何も問題は無かった。ただ、２週間の駐在中に時間があったので、現場にあったほかのラテックスの製造手順書を読んでいて、初期に開発されたラテックスの製造手順書にひしゃく作業を見つけたのだ。しかし、２０年近く前の技術で、このひしゃく作業がどのような目的で行われているのか正しく知っている作業者はいなかった。また、開発報告書も保管されていなかった。
製造の係長に、どうでもよいひしゃく作業を省略したら作業効率が上がるのではないか、と尋ねたら、当方は現場を知らないからだめだ、と叱られた。その作業で微量成分を処理しているのだという。しかし、実際の作業を見る限り、完全に除去できているのか分からない作業である。
製造の係長は、昔手順書には５回やれと書かれていたのを２回まで減らすことに成功した、と自慢げに付け加えてきた。なぜ０にしないのか、と尋ねたら、微量成分を理由にした同じ答えが返ってきた。見るからに怪しい作業であるが、現場の作業者は慎重にひしゃくで２回すくう作業を行っている。防護マスクをつけているので息を止めているのかどうかは不明だが、防護めがねの奥の目つきから、それが理解できた。（明日へ続く）
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これは自慢話になってしまうかもしれないが、昨日のひしゃく作業については、マネージャーとして現場で意志決定し、ただそれだけで問題解決した事例である。開発された技術を製造現場へ移管するときの移管作業は慎重に行わなければ痛い目に遭う。
昨日の話で４－５回に１回不良品が発生する、と書いたのは正確ではなく、正しくは、生産立ち上げ時には、２－３回に１回だったのが、４－５回に１回、と変化した現象である。おそらく放っておけばエラーはなくなるのではないか、と思ったぐらいである。
最初にエラーが発生したときに、開発をやり直すかどうか、品質会議でもめた。しかし、田口先生に直接ご指導を頂いたロバストの高い技術である、と言って会議をしのいだ。２回目にエラーが発生し、開催された品質会議では、前回は２回だったのが、今回は３回成功した後のエラーであり、現場でミスが発生したのでは、と押し切った。
しかし、その後もエラーが発生し、廃棄に伴う費用が、製造原価を押し上げる問題となり、製造部門から、重要コストダウンテーマと名前を変えて、開発へテーマ依頼してきた。このような科学的に解明が難しいテーマを引き受けると大変である。また、タグチメソッドで最適化していたために実験室でエラーの再現ができないので因子を見つけることができない。
テーマを引き受ける前に、現場を見させて欲しい、と申し出て、自ら現場観察を繰り返した。不思議なことに生産立ち上げ時には２－３回だったのが、５回続けて生産してもエラーが発生しないこともある。製造部長に何も問題ないではないか、と言ったら、いや、３－４回の頻度だから明日は必ずエラーが出る、と主張した。ところが翌日の生産状況を観察したところ、製造部長の主張むなしく、エラーは発生しなかった。(明日に続く)
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機能性微粒子を高分子に分散して機能性高分子とする手法は、昔から高分子の機能性をあげるためによく使われてきた手法である。例えば絶縁体である高分子に導電性の高いカーボン微粒子を分散した半導体高分子や、熱伝導性が無機材料の１／１００以下という高分子にAlNやSiCなどの熱伝導性の高い粒子を分散し熱伝導性高分子を開発したりする。
この時の数値シミュレーションの手法として混合則が１９９０年前後まで使用されてきた。社会人をスタートした１９７９年に購入した複合材料の教科書に書かれていた材料物性の予測式もすべてこの混合則から導かれた式だった。当時の複合材料系の科学論文で考察に使用されていた式も混合則だった。
一方数学者の間では、パーコレーションの理論が古くから議論され、１９８０年頃にはスタウファーによる学生向けの著書も出版されている。当方もこの教科書に触発され、１９８０年中頃にはパーコレーションと混合則の両方を使用し、LATTICE Cを用いてプログラム開発を試み、転職してしばらく暇なときにそれを完成した。
パーコレーションの理論も混合則も科学の世界で生まれた高分子の微粒子分散系を議論するための考え方である。しかし、科学では真理は一つなので、今高分子の微粒子分散系を議論するときに混合則を持ち出す人はいなくなった。
ただ実務で材料物性を見積もるためにちょいと計算したりするときには混合則は重宝する。パーコレーションをシミュレートするソフトウェアを持っていても、電卓をたたいて答えを出せる混合則は、今となっては非科学的ではあるが微粒子分散系高分子材料の技術開発における便利なツールである。
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二種類以上の高分子を混練するときにはコンパチビライザーが使用される。また微粒子を高分子に分散するときには、微粒子表面をカップリング剤などで処理して高分子に添加する。これは、現在のコンパウンド技術の常識の一つである。
これらの技術は、高分子の混練で組成物を製造するときに分散不良を解決したり、高次構造の緻密化を行う技術手段として知られているが、プロセシングだけでこれらを実現しようという試みはあまりされていない。
χパラメーターやSP値の考え方が普及しているからと思われるが、この考え方が新しいプロセシング技術の開発を阻害しているように思われるのは当方の偏見だろうか。コンパチビライザーやカップリング剤の技術に反対しているのではない。これらの手法をさらに効果的に発揮するためにも新しいプロセシング技術の開発は重要である。
例えば、AとB二種類の高分子を混練するときにABというコポリマーを数％添加して混練すると高次構造は細かくなり、コンパチビライザーの効果を確かめることができる。しかし、カオス混合をこの系に用いるとさらに高次構造は細かくなる。混練後急冷すれば相容状態で維持することも可能である。
高分子の組み合わせにより、コンパチビライザーを用いなくてもAとB二種類の高分子を相容させることがこのプロセスでは可能で、それを実現した透明なストランドを見ると、コンパチビライザーの働きよりもプロセシングの効果が大きいことを理解できる。添加剤や表面処理剤の開発と同じようにプロセシングの開発も高分子材料分野では重要である。
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セラミックスとは、熱で焼き固めたもの、という意味の言葉が由来であり、材料を高温度で加工する技術に特徴がある。ゴムや樹脂の温度レベルではない。金属やセラミックス、ゴム、樹脂など材料開発をすべて経験してみると、温度の重要性を身にしみて理解できる。
セラミックスを高純度化したいときにどうするのか。高純度の原料を使用すればよい、という解答になる。原料がセラミックスの場合にはどうする？というように、実はセラミックスの高純度化技術というのは難易度の高い技術なのである。また必要とされる純度により、技術手段も変化する。一般的な話をするのも難しくなる。
例えばSiCという地球上に存在しないセラミックスを例に高純度化技術を説明すると、昇華法か、原材料の高純度化法という二つに大別される。昇華法はSiCウェハーにも利用されているが、２０００℃以上の高温度で行われるプロセスでエネルギーコストがかかる方法である。
原材料の高純度化では、ケイ素源と炭素源の材料を高純度化することになるが、この時ケイ素源は比較的安価に高純度材料が手に入る。炭素源で高純度原料というと有機物を使うことになる。有機物から炭素がどれだけ得られるのかその割合によりコストは大きく左右される。
SiCの高純度粉体（例えば９９．９９９９％程度の純度）を得ようとしたときに、安価なSiCインゴットから高純度化を行った方が良いのか、原料に有機物を使用した方が良いのかは難しい問題で、使用量が少量ですでに工程が存在するならば、前者が経済的であるが、新たに量産工程を作るのであれば、後者が容易で経済的に有利である。このプロセスで３０年近く事業が続いており、実績のある方法だ。
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