熱可塑性高分子材料とポリマーブレンドの力学特性

2021年03月09日

ゴムタイムス社

*この記事はゴム・プラスチックの技術専門季刊誌「ポリマーTECH」に掲載されました。
*記事で使用している図・表はPDFで確認できます。

特集1 多様な要求に対応する樹脂添加剤・フィラー活用法

熱可塑性高分子材料とポリマーブレンドの力学特性

山形大学 高山哲生

1.はじめに

 熱可塑性高分子材料はその熱可塑性を利用した成形加工により多種多様な製品が生み出されている。熱可塑性とは材料に熱を加えることで可塑性を生み出す性質のことを指す。したがって熱可塑性高分子材料の成形加工には必ず熱の移動が存在する。材料に熱が加わると多くの材料が膨張し、熱が取り除かれると収縮する。つまり熱可塑性高分子材料で作製された成形品の内部には必ず成形加工時に受けた熱の移動により生じるひずみが残存する。このひずみは等方的に生じるため、ひずみ計などで観察することはできない。この考えを導入すると、熱可塑性高分子材料の降伏開始能力を理論的に説明することが可能となる。本稿では熱可塑性高分子材料とこれを2種類以上混合したポリマーブレンドを対象として、その成形加工温度と力学特性の関係について述べる。熱可塑性高分子材料の降伏開始応力を求める理論についてまず説明を行い、この理論から三点曲げ試験によって全ての弾性係数を求めることができることを示す。その後理論に基づいて求めた弾性係数、実験にて得られた降伏開始応力や破壊じん性に関してその成形加工温度依存性を理論と合わせて解説する。

2.熱可塑性高分子材料の力学特性

2.1 熱可塑性高分子材料の降伏開始条件1)
 材料の塑性変形はせん断変形によって生じる。したがって、塑性変形の開始である降伏開始に必要となる抵抗力はせん断変形開始応力と捉えることができ、この項ではこの抵抗力をせん断面で生じる摩擦力と考える。凝着説によれば、摩擦力は下記の式(1)で表される2)。
 ここで、Arは真の接触面積、τyは降伏せん断応力である。この理論ではArを1とおく。
 熱可塑性高分子材料の成形品の内部にはひずみが内在しており、このひずみによる残留応力からせん断面に対して垂直な応力成分を取り出して、これをσtとして下記の式(2)として表す。
 ここで、αは平均線膨張係数、ΔTは成形加工温度と試験温度の差分、εは縦弾性係数、θはせん断角である。アモントン・クーロンの法則によれば、摩擦力は下記の式(3)でも表すことができる2)。
 今、μは摩擦係数、Wは摩擦面に対して垂直方向に生じる力であり、本理論ではσtが該当する。この理論ではμを1とおく。
 したがって、式(3)を式(2)に代入し、式(1)と併せて考えるとせん断降伏開始応力を下記の式(4)で表すことができる。
 ここで、ミーゼスの降伏条件が適用できるとすると、一軸引張負荷で生じる降伏開始応力は下記の式(5)で表される。
 この式より、熱可塑性高分子材料の降伏開始応力にはΔTに由来する成形加工温度依存性が存在する事がわかる。上記の式(5)で説明した降伏開始応力はポアソン変形を伴う一軸引張負荷下における応力である。一般的には力学特性の評価は一軸引張試験にて行われ、負荷初期に得られる極大値が降伏応力と定義されている。この項で説明している降伏開始応力はせん断降伏変形が開始する応力であり、一軸引張試験で求められる降伏応力とは異なる。降伏開始応力を定量的に評価するためには三点曲げ試験を行い、曲げ降伏開始応力を求めることが有効である。三点曲げ負荷では負荷された領域に変形が集中するため、特にフラットワイズで試験した場合にはポアソン収縮は抑制され、純粋伸長変形となる。この場合、式(5)は下記の式(6)に変形できる。
 また、支点間距離が十分に広い条件で試験を行う場合、三点曲げ試験で求められた曲げ弾性率はポアソン収縮が拘束された純粋伸張変形における見かけの弾性率とみなすことができ、下記の式(7)で表される。
 ここで、υはポアソン比である。式(7)を式(6)に代入して、曲げ降伏開始応力は下記の式(8)と表される。
 一方で、式(6)を変形すると縦弾性係数を下記の式(9)として表すことができる。
 三点曲げ試験で求めた曲げ降伏開始応力と曲げ弾性率から式(8)に基づいてポアソン比を推定することができる。さらに求めたポアソン比と式(9)より縦弾性係数を推定することも可能となる。この理論により三点曲げ試験を行うことで二つの弾性係数を求められる。二つの弾性係数を求めることができれば他の弾性係数をすべて計算することができる。つまりは三点曲げ試験により全ての弾性係数を求めることができることになる。この後に紹介する材料の弾性係数はすべてこの方法で求めた値を用いる。

2.2 ‌熱可塑性高分子材料の力学特性に関する成形加工温度依存性1)
 射出成形された熱可塑性高分子材料の縦弾性係数およびポアソン比の成形加工温度依存性を図1に示す。ここでは、非晶性高分子材料として汎用ポリスチレン(PS)、結晶性高分子材料としてポリプロピレン(PP)およびポリアミド6(PA6)の結果を示す。PSについては成形品を105℃、50時間の条件で熱処理した結果をAnnealed PSとして併せて示した。成形加工温度が増加するに従い、縦弾性係数が低下する傾向を示している。また、熱処理の有無で比較すると熱処理を施すことで縦弾性係数は低下しており、成形加工温度依存性が弱まる傾向にあった。このことは縦弾性係数に関する成形加工温度依存性には熱処理で緩和される分子配向の影響が含まれていることを示唆している。
 ポアソン比に関しては成形加工温度の増加に伴い増加する傾向を示した。また、熱処理の有無で比較すると熱処理を施すことでポアソン比は増加しており、成形加工温度依存性が弱まる傾向にあった。このことはポアソン比に関する成形加工温度依存性には熱処理で緩和される分子配向の影響が含まれていることを示唆している。PPのポアソン比は他の三つの材料と比べて高い値を示した。これはPPのガラス転移温度が室温より低く、室温ではゴム状態で存在するためと考えられる。完全なゴム状態であればポアソン比は0.5に限りなく近づくが、PPの場合は結晶構造が存在するため、これがポアソン収縮の妨げになり、0.5より低い値になっていると考えられる。
 図2に式(5)を用いて求めた降伏開始応力の成形加工温度依存性を示す。熱処理を施していないPSの降伏開始応力は成形加工温度の増加に伴い、減少する傾向を示した。このことは降伏開始応力の成形加工温度依存性は熱処理で緩和される分子配向の影響が大きいことを示唆している。一方で結晶構造を有するPPやPA6の降伏開始応力は成形加工温度依存性がほとんど見られなかった。
 今まで述べた傾向は高分子材料のじん性にどのような影響を与えるだろうか。ここでは一軸引張試験で得られる破断ひずみとノッチ付き衝撃試験で得られる臨界エネルギー解放率の成形加工温度依存性を紹介する。
 図3に一軸引張試験より得られたPPの公称応力-真ひずみ曲線を示す3)。成形加工温度が増加すると負荷初期の極大点である降伏応力は低下し、破断ひずみは増加した。これは成形加工温度が増加するとポアソン比が増加することが一因であると考えられる。ポアソン収縮を伴う一軸伸長変形ではひずみの増加に伴い体積が膨張する。ポアソン比が小さいほど膨張する速度が高くなるため、小さいひずみで成形品内部にボイドを形成しやすくなる。形成されたボイドは応力集中源となり、また隣り合うボイドと合一することでき裂に発展し不安定破壊に至る。つまり、ポアソン比が大きくなるということは一軸引張負荷による体積膨張を抑える事に繋がる。これは不安定破壊を起こすために必要なひずみが多くなることになり、結果として破断ひずみが大きくなると考えられる。
 図4にノッチ付き衝撃試験より得られた臨界エネルギー解放率の成形加工温度依存性を示す。ここではPPとPSの結果を示す。PSの臨界エネルギー解放率は成形加工温度の増加に依存せず一定値を取るのに対して、PPのそれは成形加工温度が増加するに従い、増加する傾向を示している。線形破壊力学によれば臨界エネルギー解放率は下記の式(10)で表わされる。
 ここで、Kcは応力拡大係数であり、き裂開口変位をδとして下記の式(11)で表す。
 図5に式(10)を用いて求めた臨界エネルギー解放率と図4で示した実験結果の比較を示す。ここで、

全文:約8393文字

関連キーワード:

技術セミナーのご案内

ゴムタイムス主催セミナー