改質リサイクルプラスチックの強度を試験する方法をご存知ですか?

改質プラスチックとは、充填、混合、強化などの方法に基づいて改質プラスチック製品を加工し、難燃性、強度、耐衝撃性、靭性などの性能を向上させた汎用プラスチックとエンジニアリングプラスチックを指します。

今日、改質プラスチックは国民生活においてますます重要な役割を果たしており、特に自動車や家電製品分野ではかけがえのない役割を果たしています。改質プラスチック技術プラスチックの強靭性は、製品の用途において材料の強靭性が決定的な役割を果たすことが多いため、学界と産業界の両方で研究され、注力されてきました。この記事では、リサイクル情報ステーションがプラスチックの強靭性についていくつか解説します。

材料が硬いほど変形しにくくなり、材料が延性が高いほど変形しやすくなります。

靭性は、剛性とは対照的に、物体の変形しやすさを反映する特性です。材料の剛性が高いほど変形しにくく、延性が高いほど変形しやすくなります。

一般的に、剛性が大きいほど、材料の硬度、引張強度、引張弾性率（ヤング率）、曲げ強度、曲げ弾性率は大きくなります。逆に、靭性が大きいほど、破断伸びおよび衝撃強度は大きくなります。

衝撃強度とは、試験片または部品が衝撃に耐える強度であり、試験片が破断するまでに吸収されるエネルギー量として広く定義されることが多い。衝撃強度は、試験片の形状、試験方法、試験片の状態によって異なる値を示すため、基本的な材料特性として分類することはできない。

異なる衝撃試験方法から得られた結果は比較できません。

衝撃試験方法は多様であり、試験温度に基づいて、室温衝撃、低温衝撃、高温衝撃の3種類に分類されます。試験片の応力状態に基づいて、曲げ衝撃（単純梁および片持ち梁衝撃）、引張衝撃、ねじり衝撃、せん断衝撃に分類されます。また、使用するエネルギーと衝撃回数に基づいて、大エネルギー衝撃と小エネルギー衝撃試験を複数回に分けて実施することもできます。材料や用途によって衝撃試験方法が異なる場合があり、結果も異なるため、比較することはできません。

プラスチックの強化のメカニズムとそれに影響を与える要因を分析し、まとめます。
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1. 銀縞せん断帯理論

ゴム強化プラスチックの混合システムでは、ゴム粒子の役割は 2 つあります。
一方で、応力集中の中心として作用し、マトリックス内に多数の銀線とせん断帯を誘発します。
一方、銀パターンの発達は、破壊的な亀裂に発展することなく、時間内に終了するように制御されます。

銀縞の端部の応力場は、銀縞を終端させるせん断帯を誘起する可能性があります。また、せん断帯に銀粒子が伸びる際に、その発達を阻害します。材料に応力が加わる際に、大量の銀化とせん断帯が生成・発達することで、大量のエネルギーが消費され、結果として材料の靭性が向上します。銀化はマクロ的には応力白化現象として現れ、せん断帯は微細なネッキングを伴い、その形状はプラスチック基材によって異なります。

例えば、HIPSマトリックスの靭性は小さく、銀粒子状で、応力白化が見られます。銀粒子の体積は増加しますが、横寸法は基本的に変化せず、張力で微細ネックが発生しません。強化PVCでは、マトリックスの靭性が大きく、降伏は主にせん断帯によって引き起こされ、微細ネックが発生し、応力白化は発生しません。HIPS / PPOでは、銀粒子状で、せん断帯がかなりの割合を占め、微細ネックと応力白化現象が同時に発生します。

2. プラスチックの強化効果に影響を与える要因

（１）マトリックス樹脂の特性に関する研究により、マトリックス樹脂の靭性を向上させることが強化プラスチックの強化効果の向上につながり、マトリックス樹脂の靭性の向上は以下の手段によって達成できることが示された。

ベース樹脂の分子量を高め、分子量分布を狭くすることで、結晶化の有無、結晶度、結晶サイズ、結晶形状を制御することで靭性を向上させます。例えば、PPに核剤を添加することで結晶化速度を高め、結晶粒径を微細化することで破壊靭性を向上させます。

（２）強化剤の特性と使用量

A. 強化剤の分散相粒子径の影響 – エラストマー強化プラスチックの場合、エラストマーの分散相粒子径の最適値はベース樹脂の特性によって異なります。例えば、HIPSにおけるゴム粒子径の最適値は0.8～1.3μm、ABSにおける最適粒子径は約0.3μm、PVC改質ABSにおける最適粒子径は約0.1μmです。
B. 強化剤の投与量の影響 - 添加する強化剤の量には最適値があり、これは粒子間隔パラメータに関連しています。
C. 強化剤のガラス転移温度の影響 - 一般的に、エラストマーのガラス転移温度が低いほど、強化効果は高くなります。
D. 強化剤とマトリックス樹脂の界面強度の影響 - 強化効果に対する界面結合強度の影響はシステムによって異なります。
E. エラストマー強化剤構造の影響 - エラストマーの種類、架橋度などに関連します。

（3）二相間の結合が良好であれば、二相間の応力伝達が効果的に行われ、エネルギー消費量も減少するため、マクロプラスチックの全体的な性能が向上し、特に衝撃強度の向上が最も顕著です。グラフト共重合とブロック共重合は、二相間の結合力を高める典型的な方法ですが、その違いは、グラフト共重合はHIPSとABS、ブロック共重合はSBSとポリウレタンのように、化学合成によって化学的に結合する点にあります。

強化剤を用いてプラスチックを強化する方法は、物理的な混合法ですが、原理は同じです。理想的な混合システムとは、2つの成分が部分的に相溶性を持ち、それぞれが相溶性を持つ状態、そして相間に界面層が存在する状態です。界面層では、2つのポリマー分子鎖が拡散し、明確な濃度勾配が形成されます。これにより、混合成分間の相溶性が向上し、良好な結合力が得られます。さらに、界面拡散を促進し、界面層の厚さを増加させます。これが、プラスチックの強化とポリマーアロイの製造における重要な技術、すなわちポリマー相溶性技術です。