超音波照射がポリスチレンの発泡成形に及ぼす影響
Effect of ultrasonic irradiation on the foamability of polystyrene（山形大）○（学）野川大樹，（正）Sathish K. Sukumaran,（正）杉本昌隆
Adequate control of cell diameter, cell distribution, and cell structure is necessary to obtain polymer foams withenhanced heat insulation, mechanical strength, energy absorption, weight reduction etc. While talc or similar
foaming nucleating agents have been used to reduce the cell size, uniform dispersion of nucleating agents ischallenging. Previous studies suggest that ultrasonic irradiation not only can increase the expansion ratio ofpolystyrene foams, but also lead to smaller cells. While the effect has been attributed to cavitation caused byultrasonic waves, the relationship is yet to be elucidated. Therefore, we investigated the effect of varying thedistance between the ultrasonic horn and the polymer sample on the resulting cell size distribution.
Keywords: Ultrasonic irradiation, Cell size distribution, Cavitation
1. 緒言

2-1. サンプル

プラスチックの発泡成形では、発泡核剤とし

ポ リ ス チ レ ン (PS,PS ジ ャ パ ン 社 製 , PS680,て超臨界二酸化炭素を用いた方法が実用化されMw=1.9×105)を用いた。試料をプレス成形機で長ており、自動車や住宅の断熱材などで広く応用さ 20 mm×高さ 20 mm×厚み 1 mm に成形した。

されている。また発泡体を更に微細化することで強度の低下を防ぎながら、断熱性や軽量化を2-2. 発泡実験実現できるため注目されている。そのため気泡発泡実験は、CO2 を使用したバッチ式発泡法で径やその分布、連続あるいは独立気泡などの気ある。含浸条件は、温度 40 ℃、圧力 15 MPa、含泡構造は、断熱性や力学強度、エネルギー吸収、浸時間 8 h で行った。減圧後すぐに、25軽量性などの機能の点から重要なパラメーターォーターバス中で周波数 28.5 kHz、出力 90 W のである。また、これまでタルクなどを発泡核剤と超音波照射を 30 s 行った後、70 ℃の水中で 30 sして用いた微細化が研究されているが、微細な発泡させ、その後直ちに水中で冷却固化し、発泡無機粒子を均一に分散させるのは困難である。

体を得た。得られた発泡体を破断し、断面を走査

Zhai ら1）

は発泡時に超音波を照射することで発℃のウ型電子顕微鏡（SEM）で観察した。気泡径を SEM泡倍率の向上と気泡径の微細化を報告している。

画像より測定した。気泡数密度(N)は以下の式よ

超音波によるキャビテーションの影響と考察さり求めた。

れているが、微細化との関係は詳細に理解され

3𝑛 2
𝐴𝑁=( )ていない。そこで、超音波の照射距離が発泡体の気泡構造及び気泡に与える影響をモルフォロジーより検討した。
2. 実験方法*Daiki Nogawa, Sathish K. Sukumaran,
Masataka Sugimoto
Graduate School of Organic Materials Science,
Yamagata University,
4-3-16 Jonan Yonezawa, Yamagata,992-8510, Japan
TEL:0238-26-3058, FAX:0238-26-3411
Email: sugimoto@yz.yamagata-u.ac.jp(2)

ここで、n は SEM 画像内の気泡数、A は SEM 画像内の面積である。また、気泡径のばらつきを評価するために変動係数(CV)を用いた。計算式を以下に示す。

αCV = d(1)ここで、は標準偏差、d は平均気泡径である。

2-2. 超音波照射条件

表 1 に y = 1.3 cm で超音波照射した気泡径デー

水温 25 ℃における周波数 28.5 kHz の超音波タ示す。微細化した領域である(a)と(c)の d はその波長は、5.2 cm になる。発振装置の軸上で超音

れぞれ 9.0 m、9.5 m であり、中央の(b)では d波ホーンからの距離を y とする。y = 1.3, 2.6, 3.9,が 17.9 m と d が半分近く小さくなり、N も約 85.2cm において発泡を行った。また、超音波発泡倍の差が出ることが明らかになった。(a) ~ (c)のにおける超音波照射時の実験条件を図 1 に示す。

CV はすべてほぼ同じ値を示しているため微細化が起こったとしても気泡のばらつきはないことがわかる。気泡が微細化した理由として水中での超音波照射によるエネルギーあるいはキャビテーションにより核生成が促進された可能性がある。気泡径が二様分布化した理由として狭いウォーターバス内で照射したことで反射を起こし複雑な波を形成し強め合う領域と弱め合う領域ができたのではないかと推測される。
図1の

図 1 超音波照射の模式図

ように湾曲状に出た理由として、進行波が水中を伝播する際の波の形通りに微細化したためと3. 実験結果および考察考えられる。

ここでは、顕著に領域が分かれた y = 1.3 cm の位置の発泡体断面の SEM 画像を図 2 に示す。

表 1 y = 1.3 cm で超音波照射した気泡径データ

超音波照射無しの発泡体では、d が 22.7m に対し、超音波照射すると図 2 の(a), (c)の領域のよう(a)(b)(c)9.017.99.518.72.315.60.210.230.22に d が 10m 以下に微細化することがわかった。
しかし(b)の領域では、(a), (c)に比べ大きな気泡を平均気泡径示した。照射無しに比べて d はやや小さいもの

d / mの(a), (c)と比べやや大きい領域が見られた。図 3

気泡数密度に図 2 の四角で囲んだ領域の拡大図 (Ⅰ)を示す。

N / cm3×108(a)ⅠxCVⅡ(b)

(c)

4. 結言
超音波照射することで微細化した領域と微細図 2 y = 1.3 cm で超音波照射発泡体の断面図化していない領域に分かれ、微細化した領域では、平均気泡径が 10 m 以下まで微細化した。

(Ⅰ)

今後は、超音波の可視化を行い、細かく距離を変(b)(a)化させさらなる検討を行う。
参考文献
1) Zhai et al., Polymer, 49, 2430-2434 (2008)

図 3 領域(Ⅰ)の拡大図