ポリプロピレン（PP）の開発と自動車材料への応用
藤田 祐二１）Development of Polypropylene and Its Application to Automotive Parts
Yuji Fujita
Key Words: Material, Plastic, Composite Material / Polypropylene, Compounding, Injection Molding, Automotive Materials

２． ポリプロピレンの特徴と自動車部品への適用
国内にて生産されている乗用車の構成材料の統計は自動車工業会によると、2001 年時点で全重量に占めるプラスチックは約 8%、
その内 PP は半分の約 4%である 1)。 その後のデータは公開されてないが現時点での PP 化率は約 6%と更に利用域が拡大されたと推定される。 図１に自動車工業会データを基に推定した自動車構成材料の容積分率の推移を示す。 容積に占める PP の比率は約 2 割にまで増大しており、これが重要な構成素材として自動車の軽量化に寄与していることは明らかである。

100

IZODＩＺＯＤ衝撃強度（ＫＪｍ／ｍ）
Impact Strength （KJm/m2）

１． ま え が き
ポリプロピレン（PP）は最軽量のプラスチックであることに加え、優れた機械物性・成形加工性を有し、更にはリサイクル特性等の環境負荷の観点から生活関連材料から工業材料まで幅広く用いられている。 特に自動車材料としてはそれら特性を反映し多彩な用途で採用されている。 自動車材料としての用途拡大は PP
自体の分子構造制御技術の向上に加え、複合化技術、成形加工技術の向上に依存するところが多きい。 本報告では最近の技術成果を基に、その動向を解説する。

Exterior
RTPO
TPO
TPV

PC

Funcstar
M-PPE

High
ImpactMid.
Impact10

Module etc.
GF-PC

High
Stiff.

ABS

Interior

6-PA
POM
HIPS PET GF-ABS

Under Hood

GF-POM

Homo
PP

Lamp Housing
etc

GPPS

1100100010000

曲弾性率（ＭＰａ）
Flexural
Modulus （MPa）

Neat PPPP Compound

図 2 各種 PP 材料の物性マップと適用部品は制限されるが、立体規則性を向上させる高結晶化技術、重合過程でゴム成分を共重合した ICP（Impact Copolymer）技術の進展と共にその性能域を拡大している。 更にはコンパウンド技術の開発によりエンジニアリングプラスチックに匹敵する性能を達成し、長繊維 GF 強化 PP による金属代替モジュール部品 2)等の多くの部品に採用されるに至っている。

100

PP80

その他樹脂
ABS
ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝｴﾝﾌﾟﾗ
塩化ﾋﾞﾆﾙﾎﾟﾘｳﾚﾀﾝ
PP
その他
非鉄金属
鉄

容
積 60
分率
（vol%） 40
200

1973 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1997 2001
その他の密度=3と仮定
年 次

3. コストパフォーマンスの更なる追及
バンパーやインストルメンタルパネル等の大型 PP 部品は ICPにエラストマー、無機フィラー等を複合化した複合 PP が用いられており、そのコンパウンド（CP）過程でのコストを合理化する手法として図 3 に示す必要機能成分をマスターバッチ（MB）化し成形機に直接添加する手法（高機能 MB 工法）や PP プラントに直結した大型押出機にてコンパウンドするダイレクトインライン CP 工法、などのプロセスが実用化され成果を上げている 3)。
C3=

図１ 自動車を構成する全材料の容積比率

C3=+C2=

Conventional
Compounding

PP Powder
ICP Pellet

PP Plant

自動車分野の PP の成長の主要な背景は PP 自体の分子構造制御による高性能化に加え、複合化技術の進歩に依存するところが大きい。 図 2 には PP 単体、及び、各種複合 PP の剛性-衝撃強度マップと対応する自動車部品のイメージを示す。 純粋なPP（ホモ PP）の力学物性は中剛性-低衝撃強度でありその用途
2005 年 5 月 20 日 自動車技術会春季大会において発表
１） 日本ポリプロ株式会社 第一材料技術センター（510-0848 三重県四日市市東邦町１）

C3=

C3=+C2=CP PlantMB

PP Powder
RTPO Pellet

Functional
Talc MB SystemTalc
Elastomer
Additives
Pigment CP Pellet

Parts

Customer
Talc
Elastomer
Additives

PP Plant

Customer

Talc
Pigment
Add. etc.

CP Plant

PP Plant

Direct InIn-Line
CP Process

Parts

Pigment
CP Pellet

Customer

図 3 合理化コンパウンデイングプロセス

近年、この二つの工法を組み合わせることにより、更なるコストダウンを達成しながら要求特性を確保する効率的な手法が開発された。 バンパー材の重要な特性として表面外観がある。 流
動性の悪い樹脂では金型内での異常流動に起因して表面にトラシマ状のフローマーク（図 4）等の不良が発生する。 完全塗装仕様のバンパーであればある程度許容されるが、（部分）非塗装仕様であれば問題となる。

これらの大型ブロー成形を可能にするために成形時のドローダウンを抑制する必要がある。 そのために PP としては比較的欠点である溶融張力の向上が必要とされたが PP 分子設計・複合化技術の向上によりそれを達成し採用に至っている。 図 7 にその溶融特性を示すように、溶融時の張力が向上された PP が用いられている。

溶融張力

大型ブローグレード

通常のPP

図 4 PP バンパーの外観不良の例
バンパー材のような大型グレードは生産効率の観点からグレード統合が進み、塗装、非塗装タイプのバンパーも同一の複合PP 材料で成形されることが多い。 従って、材料の外観は非塗装仕様に合わせるのが一般的であり、高外観を達成するためには複合 PP の設計上コストアップにせざるを得ない問題があった。
この矛盾を克服するために基本材料を塗装仕様の低コスト材にし、非塗装仕様への対応は外観改良 PP 成分を濃縮したを成分を MB として極少量射出成形時の添加し外観を改良する手法が確立された。 これにより、必要特性を確保しつつコストダウンが達成された 4)。 図 5 に以上のプロセスの概念図を示す。
コスト

外観向上成分

ゴム・フィラー等

MFR
図 7 大型ブロー用 PP の溶融特性
フェンダー・バックドアなどの外板部品は自動車の軽量化のための更なるターゲット部品であり、古くは 80 年代よりエンジアリッ
グプラスチックを主体とした幾つかの実績が知られているが、近年、幾つかの PP 採用事例が見られるようになった 5) 6)。 外板に要求される性能には部品間の隙間品質を向上する必要があるが、金属に比較して線膨張係数が高いプラスチックではそれが困難である。 よって、未だ本格採用には至ってはいないものの、通常の PP の線膨張係数の約半分にまで低減させた新規 PP がバックドア構成部品に採用されるなど今後の展開が期待される。

従来バンパー材：高エッセンス濃縮
新規バンパー材：低合理化PP＋完全塗装

成形時MB添加部分
塗装

非塗装

図 5 合理化バンパー成形プロセスの概念
4. 新規用途の拡大（複合）PP の高性能化に従い新たな部品への展開も広がっている。 自動車用の PP 部品の多くは射出成形にて成形されているが、効率的に大型部品を成形する手法としてブロー成形法の活用も進んでいる。 採用事例としてトランクルーム内のデッキボード、また、乗用車ではないがトラックターのルーフ部材の例を図6 に示す。

（a)

(b)

1.3m x 1.7m

図 6 ブロー成形部品 (a)デッキボード、(b)トラックタールーフ

5. グローバル供給性
国内自動車メーカの海外進出に伴い自動車用 PP 材料も世界同一品質が要求されている。 自社海外 PP プラントを持たない
日本ポリプロ㈱では従来、調達可能な海外 PP をベースに複合化技術にて国内材と同一性能を目指していたが、真の意味でのグローバル同一品質の観点では問題があった。 これに対し、近年では自社 PP 製造プロセスの海外ライセンシング展開に伴い、国内自動車用と同一構造のベース PP を確保し、これを用いた真のグルーバル自動車材を確立中である。 （図 8 参照）

JapanConventional
or Special PP

Oversea

Local
PP

External
Talc
RubberDifferent Quality
High Cost

JPP Global PP
Global PP
Licensed by JPP

One Time Qualification
Globally Same Mold DesignGood Cost Performance

図 8 自動車用グローバル PP のコンセプト

6． 新規・基盤研究の進展
自動車分野に限らず、PP の高性能・高機能による新規用途開発のために、触媒・重合、構造・メカニズム解析面からの研究も進んでいる。 以下にそのいくつかの例を示すが、このようなアプローチからの成果も今後期待できる。

1) メタロセン PP
ポリオレフィンの重合触媒として近年メタロセン触媒の開発が進んでいる。 この触媒は従来からあるチーグラー・ナッタ触媒に比較し、構造が制御された均一ポリマー構造を高効率にて重合できる利点があり、ポリエチレンやオレフィン系ゴムの分野で広く実用化されている。 PP の分野での実用化は遅れてはいるが、図 9に示した分子量、組成のコントロール性を生かし、クリーン性が要求される食品用途等の分野での市場開発が進んでいる 7)。 今
後、自動車材料の分野に関してもその展開が期待されている。
従来触媒（ZN）〜ClClCl

分子量分布・・・広い
共重合組成分布・・・広い

このような形態観察技術の向上は今後開発されるべくナノ構造を制御した新しい PP 系材料の開発に有効に活用されると期待される。

CH3ED
Ti

図 11 PP 結晶の 3 次元観察結果

メタロセン触媒

TiCln/MgCl2〜AlR3

触媒
構造3D(Al-O)nMAO

メタロセン
分子量分布・・・狭い共重合組成分布・・・狭い

ポリマー
構造

プロピレン
エチレン

4) 植物樹脂との複合化
PP はリサイクル性に優れ、低比重であることに加え図 12 に示すように LCA の観点からも優れた特性を有する材料であることが知られている。
62)

耐傷付き性の向上
インストルメンタルパネルや各種トリム類等、PP 複合材は内装材用途にも多く用いられているが内装材に求められる性能として耐傷付き性がある。 複合 PP の耐傷付き性の改良は従来多くの検討がなされ配合設計技術は確立されているが、その理論的な解明は必ずしもなされていた訳ではなかった。 傷付き性を定量的に評価する装置が ASTM 法として新たに開発された 8)のを契機に理論的なメカニズム解析研究が進み、新たな耐傷付き性 PPの開発に貢献している。 図 10 にそれら研究の例を示す 9)。

(c)

（ａ）
（ｂ）

(d)

図 10 (a)ASTM 連続加重式傷試験機、(b)傷形状の 2 値化、(c)
傷形状の 3D 定量化、(d)CAE による解析
3) 形態観察技術の向上
電子顕微鏡によるポリマー構造の観察は材料設計のための有力なツールであるが観察が 2 次元的であり、3 次元的な物性や機能の理解のためには制限があった。 近年、TEM トモグラフィー
技術の進歩と共に PP 系材料においても 3 次元での微細構造の情報が得られるようになった。 図 11 は PP 結晶構造の観察結果であるが、PP 結晶の構成単位であるラメラ晶の 3 次元構造が明確に観察される 10)。

CO2原単位 (Kg-CO2/Kg)

図 9 従来 PP とメタロセン PP の差異

化学経済研究所によるLCA値3ｱﾙﾐPC5POM

42PBT

3PA6 PETPSABS2銅1現状
PLA

PP1将来

鉄PVC

HDPE

00

Ｂｉｏｒｅｆｉｎｅｒｙ（究極？）0.8

11.23密度 (g/cm )1.4

密度1.6（g/cm3）

224466881010密度 (g/cm3)

図 12 各種材料の密度と CO2 原単位
しかしながらその原料が石油由来のナフサであることより、石油に依存しない材料の自動車材料への可能性が検討されている。
ポリ乳酸、ポリブチレンサクシネート（PBS）等の植物由来樹脂はその最も近い樹脂として知られているが成形性、力学物性に劣り問題が多い。
PP との複合化によりその欠点を解消する有効な手法として PPをスキン、植物由来樹脂をコアにするサンドイッチ成形を利用した検討が進んでいる 11)。 PP と PBS とのサンドイッチ成形において両ポリマー間は親和性に乏しいため界面強度の向上が必要である。 コア部分を PP とアロイ化し、更にそのモルフォロジーを成形時のレオロジー制御にて最適化することにより界面強度を向上させた成形体を得ることができた。 図 13 にその構造模式図とTEM 観察写真を示す。 この成形体は単純なアロイに比較し、耐加水分解性などの利点が多い。
5) ケモインフォマテック手法の利用
自動車用の PP 多くは PP、エラストマー、無機フィラー等を複合化させた複合 PP であるが、用途毎、自動車メーカ毎に要求特性が異なるカスタマーメイドのグレードであることが多い。 更に、自動車のモデルチェンジにも対応し、コストも含めた要求特性が都度進化され、迅速な材料開発が要求される分野である。

Compatibilizer

2nd PP

2nd PP
Compatibilizer

PP MFR30

三菱化学㈱グループ全体の総合窓口である自動車関連事業推進センターとともに、部品評価・設計を支援するカストマーラボの活用やプラスチック素材を駆使した将来の自動車のコンセプトなどの提案も行っている（図 16）。 以上のような観点からの活動も新しい自動車材料・部品の開発に向け継続したい。

PBS
PBS

図 13 PP/PBS サンドイッチ成形体のモルフォロジー
ケモインフォマテック手法は PLS 法等を用い、目的変数、従属変数間の相互予測を可能とする手法であるが、複合 PP の材料設定への利用が可能である 12)。 複合 PP 材料の設計は過去からの経験・知見に依存することが多いが、これを利用することによりその効率が大幅に向上する 13)。 図 14 にその概念図を、図 15には複合 PP の代表的な物性値の予測値と実測値の相関を示す。
説明変数
配合設計データChemishに装備されたChemishに装備されたPLS法によるモデリング
PLS法によるモデリングデータの活用

物性予測ソフト

目的変数
基礎物性値

配合予測ソフト

新規の材料設計に活用

図 14 ケモインフォマテック手法のプロセス
曲げ弾性率（MPa）

2000

1800

IZOD/23℃ (KJ/m2)

70

BP

60
BP

IP

予測値
予測値

予測値

予測値

IP

50

1600
1400

40

物性値Ａ

12001000

物性値Ｃ30201000

1200

1400

1600

1800

実測値
実測値

2000

2200

20

引張り伸び（％）

500

IP

物性値Ｂ

1000

予測値
予測値

予測値
予測値

2006070BPIP8300

4050
実測値
実測値
IZOD/-30℃ (KJ/m2)

10BP

400

301264

物性値Ｄ

200100

実測値
200
300
実測値

400

500

024

実測値
6実測値

81012

図 15 ケモインフォマテック手法による予測値と実測の相関7. 今後の展望
コストパフォーマンス、環境特性のメリットより、自動車材料分野での PP の利用は今後も求められ続けると考えられる。 これからは既存の自動車部品のコストパフォーマンスを向上させるだけでなく、新たな機能の付与や新規の部品への展開を可能にすべく成形加工技術も組み合わせた開発が望まれ、前章で述べた基盤研究の展開が望まれる。
新たな材料・工法を用いた自動車部品の設計という観点からは材料メーカのみならず、自動車・部品メーカ殿とのコラボレーションが必要であるが、材料メーカとしてもその議論に応え提案できるべく設備面も含めた機能拡充が必要である。 このような動きは近年多くの素材メーカにても盛んであるが、日本ポリプロ㈱では

図 16 化学が変える未来の車＜引用文献＞
１） 安田, JETI, 50(2), 35(2002)
２） 吉田、庄野、小川、川本、田中、栃岡、マツダ技法, 20,103(2003)
３） 藤田、未来材料, 5, 9 (2005)
４） 若松、大西、佐藤、早乙女、寺田他、自動車技術会春期大会 (2007)
Polymotive March/April Page08〜09 (2007)６） 尾谷、素形材、11, 2 (2004)
７） 金井、高分子、53, 796 (2004)
８） J. Chu, C. Xiang, H. J. Sue, R. Hollis, Polym. Eng. Sci., 40,944 (2000)
９） 藤原、伊藤、残華、宮坂、藤田、横溝、H. J. Sue, 成形加工学会秋期大会 (2007)１０） H. Matsumoto, Y. Fujita and H. Sano, Preprint ofInternational Symposium on Polymer Crystallization(ISPC07), 2007
１１） Y. Fujita, T. Yoshida, H. Sano, M. Kotaki, Y. Hamada,
Preprint of ANTEC2007 (2007)
１２） 植村、荒川、船津、J. Computer Added Chem., 7, 69 (2006)
１３） 増田、東京大学俯瞰環境工学、公開シンポジウム講演要旨集 (2008)５）