熱可塑性エラストマー（TPE）におけるHFFR分散の最適化
作成日 02.04
TPEは、ケーブルカバー、ガジェット、自動車部品などに広く使用されています。これは、柔軟性があり、触感が良く、加工しやすいからです。しかし、燃えにくいTPEを作ることは依然として困難です。従来の製造方法では、TPEの強度や成形しやすさに影響が出る可能性があります。
安全規制を満たすために、ハロゲンフリー難燃剤の使用が増えていますが、その効果はTPEへの配合の均一性に依存します。このブログでは、なぜ配合が難しいのか、なぜそれが考慮すべき点なのか、そして燃えにくいTPEで最適な配合を得る方法について説明します。
標準的なTPEはなぜ難燃化が難しいのか？
TPEは、ポリオレフィンや柔軟性を与える多くのオイルを含む素材で作られているため、燃えやすい性質があります。これらの素材は速く、激しく燃焼します。企業が燃えにくいTPEプラスチックを作ろうとすると、次のような問題に直面します。
- 添加剤が大量に必要：火災安全評価を得るためには、難燃剤を大量に添加する必要があります。時には総量の30％または40％を超えることもあります。これにより、基本的なTPE材料の挙動が大きく変化します。
- 材料が弱くなる：固体難燃剤を多く添加すると、TPEは弱くなり、伸びが悪くなります。柔軟な感触を失い、硬くなります。
- 成形が困難：多くの添加剤を加えると、TPEは溶融時に厚くなり、押し出し成形が困難になります。これにより、製造速度が低下し、機械の摩耗が早まります。
- 表面の問題：難燃剤が適切に混合されていない場合、表面に移動して白い粉末や粗い感触を引き起こす可能性があります。
- 固結：多くの難燃性粉末は水のように、または表面に多くのエネルギーを持っているため、互いにくっつきます。これらの塊は、亀裂が始まり、火が入る可能性のある弱点となります。
TPEにおいて良好なHFFR分散が必須である理由
分散とは、プラスチック全体に難燃性粒子が均一に分布していることを指します。難燃性TPEでこれを正しく行うと、プラスチックの外観が良くなるだけでなく、性能も大幅に向上します。
1. 信頼できる防火安全性
火災は最も容易な方法で広がります。TPEケーブル被覆に混合不良による弱点がある場合、炎はその弱点を素早く燃え広がります。均一分散は、製品のあらゆる微細部分が同じように火災と戦う準備ができていることを意味し、厳しい耐火試験の合格を容易にします。
2. 機械的完全性の維持
HFFR粒子が微細かつ均一に分散されると、ポリマー鎖の動きへの干渉が少なくなります。これにより、材料は高い伸び率と柔軟性を維持できます。適切に分散された混合物は、充電ケーブルやウェアラブル技術のような一般消費者向け製品にとって重要な、より滑らかな表面仕上げにつながります。
3. 加工性の向上
微細分散は、溶融物の内部摩擦を低減します。これにより、より安定した押出圧力と完成部品の一貫した寸法が得られ、製造中のスクラップ率が低減します。
難燃性TPEにおけるHFFR分散の最適化方法
完璧な配合を実現するには、適切な化学と適切な機械的プロセスの組み合わせが必要です。主要メーカーが難燃性TPEプラスチック配合を最適化する方法を以下に示します。
1. 適切なHFFRシステムの選択
すべてのHFFR添加剤が同じように作られているわけではありません。従来の金属水酸化物（例：ジエチルホスフィン酸アルミニウム（ADP）または水酸化マグネシウム（MDH））は、大量の添加が必要です。
- リン・窒素系：現代の配合では、しばしばポリリン酸アンモニウム（APP）またはピロリン酸ピペラジンと次亜リン酸アルミニウムを組み合わせて使用します。これらの膨張性システムは、より効率的に保護的な「チャー」層を形成するため、低い添加量で機能します。
- 相乗効果ブレンド：異なる種類のHFFRを組み合わせることで相乗効果を生み出し、高い難燃性を維持しながら添加剤の総量を低く抑えることができます。
2. 適合性とカップリングの改善
HFFR添加剤は無機物であることが多く、TPEは有機物であるため、自然に反発し合います。
- カップリング剤：シランまたはチタン酸カップリング剤を使用すると、フィラーとポリマーの間のギャップを化学的に架橋できます。これにより、HFFRがTPEマトリックスに「接着」されます。
- 表面改質：多くのハイエンドHFFRサプライヤーは現在、「プレコート」または「表面処理済み」の粉末を提供しています。これらの処理は粒子の表面張力を低下させ、混合段階での凝集（アグロメレーション）を防ぎます。
3. 高度なコンパウンディング技術
材料の「調理」方法は、レシピそのものと同じくらい重要です。
- マスターバッチ対粉末：HFFRをプレ分散マスターバッチの形で添加する方が、未処理の粉末を添加するよりも効果的な場合が多いです。マスターバッチはすでに高せん断混合プロセスを経ているため、粒子が分離されていることが保証されます。
- スクリュー構成：二軸押出成形では、TPEを劣化させるほどの熱を発生させることなくHFFRクラスターを分解するのに十分なせん断力を提供するために、特定のニーディングブロックでスクリュー設計を最適化する必要があります。
- 温度制御：正確な温度ゾーンは、コンパウンディング段階中に難燃剤が早期に分解するのを防ぎます。
最適化された難燃性TPEの利点
HFFRコンパウンドを適切に調整すると、非常に優れた難燃性TPEが得られ、あらゆる要件を満たします。
- 安全に使用可能：UL94 V-0に合格し、煙の発生が少ないため、電気機器内部や電車・バスなどに必要とされています。
- 長持ちする：この素材は伸縮性を保ち、分解しにくいため、屋外や高温の場所でも長持ちします。
- 外観の美しさ：製品は、添加剤の塊による「ピット」の外観なしに、マットまたは光沢のある仕上がり（金型による）になります。
- グローバル市場へのアクセス：低ハロゲンおよびハロゲンフリー製品は、環境安全が主要な購買ドライバーである欧州および北米市場への参入に不可欠です。
分散が実際に良好かどうかを確認する方法
材料がどの程度よく混合されているかを確認する主な方法は3つあります。
- SEM分析：走査型電子顕微鏡を使用して、材料の拡大図を見ることができます。これにより、微細な粒子が凝集しているかどうかを確認できます。
- 引張試験：材料を伸ばしたときに予想よりも早く破損する場合、混合がうまくいっていない可能性があります。
- 表面検査：材料の表面を見るだけで多くのことがわかります。斑点や粗い領域が見られる場合、混合がうまくいかなかったことを意味する可能性があります。
結論
適切な混合を実現することは、優れた難燃性TPEを製造するための鍵となります。そのためには、さまざまな化学物質がどのように連携するか、すべてがどの程度よく混合されるか、そして混合プロセスの精度を考慮することが重要です。これにより、TPE特有の柔軟性を失うことなく、その自然な燃焼性を排除することができます。
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