PBTエンジニアリングプラスチック改質の研究状況と応用

PBT PBTは、テレフタル酸（PTA）またはジメチルテレフタレート（DMT）と1,4-ブタンジオール（BDO）を重縮合反応で製造する結晶性直鎖飽和ポリエステルの一種で、優れた機械的性質を有し、対称的な分子構造により緻密な積層を実現し、結晶性が高く、低温でも結晶化が速いという特徴があります。優れた機械的性質に加え、対称的な分子構造により緻密な積層を実現し、結晶性が高く、低温でも結晶化が速いという特徴があります。PBT部品の加工はフロー成形が容易で、成形サイクルが短く、生産コストを削減できます。また、PBTは耐湿性、耐摩耗性、耐油性などの優れた特性を持ち、クリープも小さいという特徴があります。

PBTは結晶性部分と非結晶性部分を含むため、他の物質を添加することで容易に改質できます。しかし、PBTは燃えやすい性質があり、冷媒と接触すると小分子が析出したり、誘電特性が不十分な薄肉部品では反りなどの欠陥が発生しやすいなどの問題があり、その用途は限られています。純粋なPBT樹脂の性能不足を補うため、PBT樹脂の改質に関する研究が進められてきました。

1. PBTエンジニアリングプラスチック押出機の改良研究の現状

近年、関連企業は様々な用途の新技術・新製品を開発し、PBTエンジニアリングプラスチックは高性能、高機能、多様化の方向へと進んでいます。産業界のニーズに応えるため、PBTの機能性を高める改質技術が市場から高く評価されています。現在、国内外では主に共重合改質、無機物充填改質、ナノ複合技術、ブレンド改質などの手法がPBTの総合的な性能向上に活用されています。PBT材料の改質に関する研究は、主に高強度、高難燃性、低反り性、低沈殿性、低誘電性などに焦点を当てています。

機械的性質

純粋なPBT樹脂は引張強度、曲げ強度、曲げ弾性率が低いため、工業分野では広く利用できず、機械特性を向上させるための改良が必要です。ガラス繊維は、適用性が強く、充填プロセスが簡単で、コストが低いなどの利点があります。PBTにガラス繊維を添加することで、PBT樹脂本来の利点が発揮され、PBT製品の引張強度、曲げ強度、ノッチ付き衝撃強度が大幅に向上します。

ガラス繊維に加えて、他の繊維を導入することでPBTの機械的特性を向上させることができます。Zeng Demingらは、ショートカット玄武岩を用いてPBT樹脂の強度を向上させました。玄武岩はカップリング剤として作用することでPBTとの相溶性を高め、PBT複合材料の機械的特性を効果的に向上させます。

難燃性

純粋なPBT造粒機の垂直燃焼グレードはHBレベルにしか達せず、燃焼しやすく、燃焼が連続的に滴下し、炎が燃え広がりやすいため、自動車、電子機器、繊維などの用途は限られています。PBTの難燃化には、ハロゲン系難燃剤と非ハロゲン系難燃剤がよく添加されます。ハロゲン系難燃剤は燃焼時にハロゲン化水素を含む有毒ガスを放出し、人体や生態環境に有害です。そのため、一部のハロゲン系難燃剤は欧州連合（EU）で使用禁止となっています。PBTの難燃化には、主にリン系難燃剤と無機系難燃剤が使用されています。

無機系難燃剤を改質する場合、含有量が多すぎると材料の機械的特性が低下しますが、リン系難燃剤にはこの欠点がなく、低煙、低毒性、高い難燃性を備えています。リン系難燃剤は通常、窒素含有化合物と相乗効果を発揮し、より効率的な難燃システムを実現します。リン系難燃剤は燃焼過程で無水リン酸を生成し、可燃物を脱水炭化させます。炭素層は熱伝導を低下させ、可燃性ガスの生成を遅らせたり防止したりします。また、加熱後に無水リン酸は溶融物を形成し、可燃物の表面を覆い、可燃性ガスの放出を妨げます。

反り変形

PBT材料は分子の相対滑りが容易で、配向や結晶化が起こりやすいため、材料の収縮が大きく、PBT部品、特に薄肉部品に反り変形を引き起こします。ガラス繊維強化PBTの場合、異方性を持つガラス繊維が添加されているため、射出成形時に材料の方向によって収縮率が異なるため、部品の反り変形が大きくなり、プラスチック製品の表面品質や取り付け性能に影響を与えるだけでなく、プラスチックの強度にも影響を与えます。

PBT部品の反り変形については、部品の形状改善に加え、金型設計や成形プロセスパラメータの調整によってもPBT材料の反り変形を抑制できます。近年、PBT材料の反り変形は主に無機充填と金の混合によって改善されています。無機充填には、単独無機充填とガラス繊維との複合充填があり、充填に使用される無機材料としては、主にタルク、マイカ、ウォラストナイト、ガラスビーズ、カオリン、硫酸カルシウムウィスカーなどがあります。

降水性能

PBT材料は製造工程で原料が完全に反応しないため、小分子やオリゴマーなどが生成され、未改質のPBT材料で作られた製品は特定の条件下で沈殿物を形成し、部品の性能に影響を与えます。冷蔵庫のコンプレッサー内部のサイレンサー、モーターコイルスケルトン、エアコンの断熱スケルトンなどにPBT材料が使用される場合、特殊な作業条件により、冷媒チューブに溶解した冷媒（フロン、ジクロロジフルオロジクロロメタン）中の多数の小分子が沈殿し、冷媒チューブを詰まらせやすく、冷凍不良を引き起こします。

PBTは、主に樹脂自体の低分子双性イオンと、それに含まれる微量の添加剤を沈殿させます。ガラス繊維と高粘度樹脂を使用し、一定量の吸着剤を充填することで、PBTの沈殿量を低減できます。現在、PBTの沈殿改質には、主に無機多孔質材料への吸着剤の添加、およびブロッキング剤、鎖延長剤、1,4-シクロヘキサンジメタノール（CHDM）などの化学的方法が用いられています。

誘電特性

PBT材料は、集積回路や電磁シールドなどの応用分野において、信号伝送速度、信号損失などの誘電特性において重要な役割を果たしています。近年、絶縁材料の誘電特性に対する要求はより厳しくなり、絶縁樹脂材料の誘電率は2.8を超えないことが求められています。純粋なPBT材料の誘電特性は通信の要求を満たすことができないため、低誘電率、低誘電損失のPBT材料の開発は大きな意義を持っています。

現在、PBTの誘電特性は主に低誘電率共重合体の充填・ブレンドによって改良されており、一般的に使用されている充填剤としてはポリテトラフルオロエチレン粉末と中空ガラスビーズが挙げられます。カーボンナノチューブもPBT材料の誘電特性に一定のプラス効果をもたらしますが、添加量が多すぎると材料の誘電率と誘電損失が増加します。

電気自動車の急速な発展に伴い、高電圧送電コネクタ材料に対する絶縁強度の要求は高まっています。PBTは耐アーク性に優れ、高速成形が容易であるものの、絶縁強度が低いため、電気自動車の高電圧送電には適していません。PBTの絶縁特性を導体クラスやセラミックフィラーで改良することで、材料の絶縁強度を向上させ、電気自動車の安全性を確保しています。