それはガラス充填ですか、それともガラス強化ですか？

数ヶ月前、私はアセタールホモポリマーとコポリマーの特性を比較する記事を書きました。その記事で、ガラス繊維はアセタール共重合体に「結合」（結合）できるが、ホモポリマーには結合できないと述べました。その結果、ガラス繊維を共重合体に入れることの利点はより大きくなりました。実は、私は注意を払っていませんでしたが、アセタールホモポリマーの主要サプライヤーの1つが、実際のガラス強化アセタールホモポリマーをいくつか紹介しました。

FILLED VS.強化アセタール

表1は、未充填のアセタールホモポリマーの特性プロファイルと、典型的な20％のガラス充填グレード、および繊維がポリマーマトリックスに結合している10％と25％のガラスを含む新しいグレードを示しています。強度の違いは非常に明白であり、これはガラス充填材料とガラス強化材料の違いの優れた例として役立ちます。この違いは他のいくつかのポリマーにも存在するため、これについては詳細に説明する価値があります。

それは繊維から始まります。これらはアスペクト比と呼ばれるものがあるため、通常のフィラーよりもパフォーマンスが大幅に向上します。繊維では、これは長さと直径の比率です。アスペクト比が大きいほど、特性が向上します。 1980年代の長繊維強化材の導入は、ペレットの開始繊維長を2〜3 mmから11〜12 mmに増やすことにより、この原理を利用するように設計されました。

最新の長ガラスコンパウンドが導入される前は、実際には繊維長が6 mm（1/4インチ）の長繊維材料が提供されていましたが、新しいコンパウンドは「濡れ」または表面を最大化する方法で製造されました。ポリマーと個々のガラス繊維の間の接触。アスペクト比を改善するもう1つの方法は、ウィスカーと呼ばれる、通常の長さで直径が小さい繊維を使用することです。

ポリマー配合に使用されるガラス繊維の表面は、通常、ポリマーのガラスへの接着を改善するために処理またはサイジングされます。異なるサイジングは、異なるポリマーに最適です。しかし、場合によっては、ポリマーと繊維の間に最適な結合を生成するには、適切なサイジングでさえ十分ではありません。ガラス繊維は、ポリマーが機械的過負荷を受け始めたときに材料にかかる応力を管理することで強度を高めるため、この結合は重要です。繊維はポリマーマトリックスよりも強力であるため、コンパウンド全体の強度が向上します。ただし、ポリマーとガラス繊維の結合が弱い場合、荷重の伝達は効率的ではなく、ガラスの利点は実現されません。

ガラス繊維が良好な結合なしにポリマーに単に加えられる場合、材料はガラスで満たされます。相間の結合が最適である場合、材料はガラスで補強されています。表1に示すように、違いは重要です。

ガラスを充填したアセタールの強度は未充填の材料の強度よりも低くなりますが、強化された材料は常に強力であることに注意してください。実際、10％のガラス強化グレードは35％以上の強度があり、20％のガラス充填グレードとほぼ同じ剛性であると同時に重量を5％削減します。これは、より良い最終結果を達成するために同じ成分をより効率的に使用する優れた例です。

化学カップリングの進歩

ポリプロピレンは、ガラス繊維を添加するプロセスが進化したもう1つのポリマーです。オリジナルの素材はガラスで埋められただけでした。 PPは無極性ポリマーであり、ガラス繊維を含め、何も付着していません。しかし、1970年代後半から1980年代初頭にかけて、一部のサプライヤーは化学カップリングと呼ばれるプロセスに取り組み始めました。これには、極性を導入するためにポリプロピレンバックボーンの化学的性質を微調整することが含まれていました。この極性により、ポリマーとガラス繊維間の結合が改善され、表2に示すタイプの特性改善がもたらされました。

この開発により、一部のエンジニアリング熱可塑性プラスチックと競合する可能性のある材料として、PPの新しい市場が生まれました。エンドユーザーがこの可能性を限界まで押し上げると、化学結合の改善により追加の機能強化が行われました。これらの改善はデータシートでは必ずしも明らかではありませんが、疲労やクリープなどのメカニズムを含む長期的なアプリケーションでより優れたパフォーマンスを生み出しました。強度と剛性が10％向上しても、誰もが注目するわけではありませんが、短期間の特性がこのように向上すると、製品の疲労寿命が2倍になる可能性があります。

PVCも同様の一連の改善を経ており、カップリングテクノロジーにより、ガラス充填材料よりもガラス強化材料の性能が向上しています。

特定の環境での長期的なパフォーマンスは、ポリマーとガラス繊維の結合方法を変更することによっても改善できます。 PPSコンパウンドは、ほとんどの場合、かなりの量のガラス繊維とともに販売されています。 PPSの利点の1つは、優れた耐薬品性を備えていることです。また、水が塩素処理されている場合でも、非常に優れた耐薬品性を備えているのはお湯です。アセタール、ナイロン、熱可塑性ポリエステルなどの他の多くのエンジニアリング材料は、PPSが非常によく持ちこたえる一方で、高温多湿の環境で加水分解します。

しかし、高温の水性環境でガラス強化PPSを使用した初期の頃、材料は不可解な初期の故障を示しました。故障した部品の評価では、ポリマーが熱湯によって損傷を受けていない一方で、ポリマーとガラスの間の結合が破壊されていることが示されました。インターフェースが弱くなると、部品は構造的完全性を失い、故障しました。新しいカップリングテクノロジーがこの問題を解決しました。

ガラス繊維を含むポリマーの性能を向上させるために操作できる変数は他にもあります。ガラス繊維の組成は、これらの変数の1つです。ポリマーコンパウンドに使用されるガラス繊維の大部分は、Eガラスとして知られています。これは、ガラスの特定の化学的性質を示し、特定の一連の特性を伴います。ただし、ポリマーマトリックスにさまざまな特性を与えることができる他のガラス化学物質が利用可能ですが、通常、追加費用の価値があるとは考えられないコストがかかります。

もう1つの興味深い変数は、グラスファイバーの形状です。ほとんどのガラス繊維の断面形状は円形です。 1990年代には、二葉または三葉の断面を持つガラス繊維を使用して、いくつかの興味深い研究が行われました。これにより、ガラス繊維とポリマーマトリックス間の接触表面積が増加し、機械的性能にいくつかの興味深い改善がもたらされました。ただし、これは、カーペット業界で弾力性を高め、特定の光学効果を生み出すためにこれらの構成が使用されているにもかかわらず、コストパフォーマンスのバランスが魅力的であるとは見なされなかったプロパティ改善への道でもありました。

しかし、典型的な材料配合の領域内でさえ、バルク組成は重要ですが、材料が組み立てられ、相互に接続される方法は、性能、特に長期性能に大きな影響を与えることを理解することが重要です。最近、自動車業界では、パフォーマンスを維持しながら軽量化することに最近注目が集まっているため、これは覚えておくべき重要な原則です。

作者について

Michael Sepeは、アリゾナ州セドナを拠点とする独立した材料および加工コンサルタントであり、北米、ヨーロッパ、およびアジアにクライアントを抱えています。彼はプラスチック業界で35年以上の経験があり、材料の選択、製造可能性の設計、プロセスの最適化、トラブルシューティング、および故障分析でクライアントを支援しています。連絡先：（928）203-0408•[email protected]。