モノマーや他の原料によるポリマー合成プロセスは、注意深くコントロールする必要があり、これによりポリマーの化学的性質や構造が変化します。触媒構造や反応条件が最終的なポリマーの分子量や分子量分布を特定します。これは加工性だけでなく、最終用途に対する適性にも影響を与えます。
分析技術は、ポリマーの基本研究を強化し、品質管理/品質保証に関連する材料特性を提供し、これにより、ポリマーが最終用途の複数のパラメータを適切に組み合わせてポリマーを開発し、製造できるようにします。
機器とテストパラメータ
材料強度
- ヤング率、降伏応力、最大降伏強度、ブレーキの伸長
- 疲労と耐久性、SN曲線
- 強度対温度
最終組み立て品の強度
- 屈曲、曲げ、破壊の破壊点
- 疲労と耐久性、SN曲線
- 強度対温度
分析事例 – ポリマーの特性評価と加工
基本的なレベルとして、熱可塑性プラスチック加工の主なステップは、次の3つの基本的なプロセスに分けることができます。
- 樹脂を溶かし/柔らかくするために加熱
- 最終形状に変形
- 製品を冷却してリリース
これらの3つのステップは、生産パラメータの詳細が異なる場合でも、射出成形、押出、熱成形、フィルムブロー成形など、様々なポリマー加工技術に適用できます。ここでは、ポリマー加工の各ステージにおいて一般的に直面する主な質問について詳細を確認し、ポリマーの特性評価技術により提供される知見で回答を説明します。
この樹脂の加工温度はどうなっているでしょうか？
ポリマーが柔らかくなり溶ける温度はポリマー加工に関連する基本的な材料特性です。押出、射出成形、フィルムブロー成形のプロセスの最初のステップの1つとして、樹脂のペレットが融点を過ぎた後に定期的に加熱されます。熱成形、ブロー成形では、完全に溶かさずに柔らかくするために、樹脂はガラス転移温度を超えるように加熱されます。固体の樹脂ペレット（低エネルギーの状態）から柔らかいペレットあるいは完全に溶けているペレット（高エネルギーの状態）へのこの変換には、エネルギーの投入が必要で、これは示差走査熱量測定（DSC）を利用して測定されます。
DSCの試験では、温度が一定の割合で上昇させながら、サンプルの熱流をモニターします。溶融やガラス転移などの熱転移が吸熱イベントとして現れます。ここでは、高エネルギーの状態に移行するに伴い、材料が熱を吸収します。またこの結果は、アモルファス状態と半結晶状態の間に明確な違いがあるポリマーの形態に関する情報を明らかにします。DSC試験の最初の熱サイクルでは、アモルファス材料は溶融せずにガラス転移を示しますが、半結晶性のポリマーはシャープで明確な溶融ピークを示します。融点とガラス転移温度は各ポリマー固有のものであるため、この情報を使用して、加工前に生成される原料の品質をすばやく評価できます。
この樹脂はどのように分解されるのでしょうか？
押出、射出成形、ブロー成形など、一般的な熱可塑性プラスチック加工技術では、容易に加工するために樹脂を融点より高い温度で加熱する必要があります。しかし、温度の上昇により生じることのある樹脂の劣化を回避するために、加工温度を注意深くコントロールすることは重要です。ポリマーの場合、劣化の開始は、大幅なお重量減少（通常は>5%）が開始する温度として特定できこの減少は、熱重量分析装置（TGA）で測定できます。
ポリマーの熱分析の際、TGA試験はDSC試験前に定期的に行われます。TGAの結果が、この後行われる試験に対して温度の上限を確立できるためです。TGAの結果は加工の劣化方法を特定できるだけでなく、存在するベースのポリマー、可塑剤、充填剤の量など、樹脂の主要成分の組成も定量的に明らかにします。TGA実験中に生成されるオフガスをさらに分析して、分解生成物の化学的同一性に関する知見を得ることができます。この種の発生ガス分析（EGA）は、リアルタイムのTGAデータをFTIRやGC-MSの結果と組み合わせているため、特に優れています
TGAの結果から、次の質問に回答してください：
- 原料の評価：この樹脂はどの温度で分解するでしょうか？分解プロファイルはどのようなものでしょうか？
- 加工：樹脂のこのバッチには揮発性物質が含まれていますか？加工後にオフガスは発生しますか？
- 不良分析：よい部品と悪い部品に充填剤の含有量または分解のプロファイルの違いはありますか？
- 使用済製品のリサイクル：熱分解中に、最大の重量減少はどの温度で発生するでしょうか？リサイクル樹脂のこのバッチにどのような汚染物質が存在しますか？
関連する適用に関する注意：
この樹脂は、加工中と最終使用時において、どの程度の安定していますか？
安定剤やその他添加剤は、加工中や最終使用の状態で発生する環境上の影響による劣化を防ぐため、樹脂に添加されることがよくあります。これらの添加剤には、酸化防止剤、脱酸素剤、熱安定剤や紫外線安定剤、難燃剤が含まれ、加工中や製品使用中にポリマーの意図している特性が維持されるようになっています。安定剤は本質的に、高温や紫外線にさらされたときに、犠牲になるもので、これらにより徐々に消費されます。安定剤が完全に使い果たされると、ポリマーの特性は急速に劣化し始めます。
安定剤の性能は、DSCの酸化誘導時間（OIT）分析を通じて評価できます。この等温試験で、DSCのパージガスが窒素から酸素に切り替えられ、安定剤が消費される環境が提供されます。ポリマーの劣化が始まると、熱流信号が増え始め、時間がOITとして記録されます。
DSCの温度ランプを使用して、ポリマーの安定性に関連する測定値である酸化開始時間（OOT）を測定することもできます。OITとOOTの両方の試験は、高圧DSCを使用して実行できます。安定剤の消費を加速化することにより試験時間が短縮されます。
OITとOOTの結果から、次の質問に回答してください：
- 原料の評価：この樹脂はそのまま加工できますか？安定性を向上するために酸化防止剤は必要ですか？
- 不良分析：この部品は、最終用途の条件に適した十分なレベルの酸化防止剤ですか？
- 使用済製品のリサイクル：PCRのこのバッチを安定化し、加工するために、どの程度の量の酸化防止剤が必要でしょうか？
関連する適用に関する注意：
この樹脂はどのように流れるでしょうか？
ポリマーの溶融の粘度と粘弾性挙動は、射出成形や押出成形技術を使用してポリマーを加工する際に、重要な役割を担っています。基本的なレベルにおいて、粘度は材料流動に対する内部抵抗を示しています。粘度の高い樹脂は流動が遅く、鋳型を充填するのに時間がかかるため、サイクル時間が長くなり、ショートショットのような欠陥が生じる可能性があります。結果として、加工時の安定性を確保しバッチ間のばらつきを排除するために、樹脂の粘度を測定し注意深くコントロールすることは非常に重要です。
ポリマーの溶融に関して、粘度プロファイルはせん断速度としても知られる変形速度に依存します。押出成形や射出成形の加工の際に生じる高いせん断速度では、粘度曲線はべき乗則領域でずり流動化の挙動を現します。せん断速度が増加すると、粘度が低下します。せん断速度の依存性は、ポリマーの分子量分布と分岐の程度による影響を受けます。
高いせん断速度は加工条件に関連があり、低いせん断速度の粘度の測定は樹脂の分子構造を明らかにするために不可欠です。最初のニュートンプラトーのゼロせん断粘度は、樹脂の分子量と直接相関し、回転レオメータを使用して測定できます。
粘弾性は分子量/分子量分布とどのように関連しているでしょうか？
回転レオメータにおける振動試験は、幅広い時間スケールにおける小さな変形を通じて、ポリマーの構造を分析することにより、ポリマーの粘弾性特性について、価値ある知見を提供します。結果により、ポリマーの貯蔵弾性率（G’）、損失弾性率（G”）、複素粘度（η*）が振動周波数の関数として提供されます。ポリマーの緩和のダイナミクスをよりよく理解するために、使用できます。これらのパラメータは、樹脂の分子量、分子量分布、長鎖分岐構造により大きな影響を受けます。メルトフローインデクサまたはキャピラリーレオロジと比べて、回転レオロジーの試験による粘弾性プロファイルは、加工の際に問題を引き起こす可能性のある高分子量のコンタミネーションの存在に非常に敏感です。
回転レオメータの粘度と粘弾性の測定について次の質問に回答してください：
- 原料の評価：粘弾性プロファイルは、樹脂の分子量/分子量分布におけるバッチ間のばらつきによりどのような影響を受けるでしょうか？
- 加工性：樹脂は、製造プロセスに関連するすべてのせん断速度で、適切な粘度があるでしょうか？
- 使用済：使用済製品のリサイクル：リサイクル樹脂におけるコンタミネーションとMWのばらつきは、加工にどのような影響を与えるでしょうか？
関連する適用に関する注意：
この樹脂にはブロー成形のための充分な溶融強度がありますか？
ブロー成形、フィルムブロー、熱成形、紡糸などの製造プロセスでは、伸長変形のポリマー融解への適用が行われます。変形プロセスは、風船や風船ガムを球状に膨らます様子と似ています。製品が無事に製造されるかどうかは、ポリマーが溶かされ、破損したり崩壊したりすることなく大きく変形できるかどうかにより決まります。そして、これは伸長粘度により定量的に説明することができます。
せん断粘度と比べて、伸長粘度の測定は分子構造に非常に敏感です。 長鎖分岐（LCB）の度合いが高いポリマーは、伸長変形の際にひずみ硬化の影響が現れます。特に速度が速くなった場合に、これは顕著です。 この挙動は、拡張プロセス中に高い溶融強度を示します。これにより、泡を安定化し、崩壊を防いだり、薄い繊維が壊れるのを避けることができます。 これとは対照的に、線形の形態の（分岐のない）ポリマーは、加工がうまくいかないことがよくあります。
この重要な性能の違いは、従来の流量測定では適切に検出されていません。伸長粘度の測定は、伸長粘度アクセサリ（EVA）を使用して、回転レオメーターで簡単に行うことができます。
伸長粘度の測定について、次の質問に回答してください：
- 加工性：この樹脂の溶融強度はどのくらいですか？泡は破裂する前にどのぐらいの伸長に耐えることができるでしょうか？
- 使用済：リサイクル樹脂のこのバッチに対して、加工パラメータを変更する必要がありますか？リサイクル樹脂のこのバッチをフィルムに加工するために必要な添加物はどのよう
加工条件により、どのように製品の結晶性に影響が出るでしょうか？
ポリエチレン（PE）、ポリプロピレン（PP）、ポリエチレンテレフタラート（PET）のような半結晶性の熱可塑性プラスチックは、パッケージング材料を含む幅広い用途で広く使われています。半結晶性のポリマーの形態は、無秩序のアモルファス領域の間に散在する局所的に秩序化された結晶領域の存在が特徴です。これらの結晶性ドメインが構造内に存在するため、強度、摩耗性能、耐薬品性が向上するなど、希望通りの最終用途の特性が得られます。しかし高い結晶度により、製品が脆くなったり、光学的透明度が下がったり、反りや縮みの欠陥が生じる可能性があるため、製品に必要な結晶化度を実現するには加工条件を注意深くコントロールすることが重要です。
結晶化は、アモルファスの高エネルギー構造を組織化された低エネルギーの固体結晶構造に変換するプロセスです。この転移はエネルギー放出し、これは示差走査熱量測定（DSC）を発熱ピークとして使用することにより、正確に測定できます。DSCの試験は、通常「加熱-冷却-加熱」サイクルで構成される3つの特徴的なステップにより、実行されます。最初の熱サイクルでは、受け取った材料を評価し材料に均一で明確な熱履歴を与えます。
融解すると、DSC曲線の冷却サイクルにより、結晶化に関する情報-結晶化の開始温度や終了温度、結晶化速度の概要-が提供されます結晶化速度論への追加の知見については、より詳細な等温試験で確認できます。結晶化の量と速度は、核形成剤を意図的に添加することによりコントロールできます。しかし、結晶化速度は、核形成剤として機能する可能性のあるリサイクル樹脂の染料、着色剤、汚染物質の影響を受けることもあります。結晶化度は製品の性能に直接影響を及ぼすため、結晶化度を注意深く測定し、コントロールすることは、最終用途での製品の不具合を避けるために重要です。
DSCの結果から、次の質問に回答してください：
- 加工：必要な結晶化度を実現するためにはどのくらいの冷却速度が必要でしょうか？核形成剤は必要でしょうか？
- 使用済製品：PCRで作られた製品の結晶化度を、未使用の材料から作られたものと一致させることはできますか？
関連する適用に関する注意：
製品の性能についておしえてください
最終用途のアプリケーションおける条件での製品の性能を理解することにより、製品の製造やプロセスの最適化に役立ちます。また、トラブルシューティングや不良分析で重要な役割を担うこともできます。プラスチックの製品の場合、機械的特性が最終用途の製品の性能に密接な関係があり、これは材料の弾性率に関する情報を提供する様々な機械試験の技術を組み合わせることにより、評価することができます。変形のタイプによっては、追加の情報や知見も得ることができます。
- 単調試験：加えられた荷重下での破損に対する一方向の変形-荷重が増加する条件下での材料試験（応力-ひずみ曲線など）。
- 疲労試験：繰り返しの荷重による損傷と不具合を理解-サイクルが増加する条件下での試験材料と完成品（S/N曲線など）。
- 動的機械分析（DMA）： 温度と変形の頻度の関数として、固体の粘弾性特性の研究（ガラス転移温度（Tg）、時間-温度スーパーポジション（TTS）など）。
DMA試験では、曲げ、圧縮、引張変形下での固体試験片の機械的特性の温度依存性を測定します。これは、貯蔵弾性率（G’）、損失弾性率（G”）、tan(δ)（ダンピングファクター）を通じて、材料の粘弾性特性に関する定量的な情報を提供します。ポリマー試料片が加熱されると、これらの機械的パラメータに反映される転移が生じます。DMAは、温度の上昇によって引き起こされる局所的なポリマーモビリティの微小な変化を検出するため、ガラス転移とβ転移の温度を測定するために使用できる最も感度の高い技術の1つです。
DMAの結果から、次の質問に回答してください：
- 加工：樹脂のこのバッチは、混和性を実現するために、均一にブレンドされましたか？
- 製品の性能：この製品には、意図された最終用途の環境条件（温度、相対湿度）において、適切な機械的強度/剛性があるでしょうか？
- 使用済：リサイクル樹脂で製造された製品の機械的特性は、未使用樹脂で製造された製品のものと一致していますか？