茨城県工業技術センター研究報告 第 43 号

高次構造解析によるプラスチック再利用成形加工技術の高度化に関する試験研究飯島義彦*

小松崎和久*

１. はじめに
近年，省資源・省エネルギーの観点から，リサイクルへの関心が高まっている。プラスチック製品の主要な成形法の一つである射出成形では，製品とともにスプルー・ランナーと呼ばれる端材が発生する。これら端材は，粉砕後，原料と混合して再利用されているが，その量は限られている。さらに，製品形状は年々複雑かつ薄肉化する傾向にあることから，発生する端材量は増加していくものと予想される。そこで，これらの端材をいかに有効利用できるかが重要な課題となる。
２. 目的
射出成形で発生する端材の再利用が一部に限られている理由は，成形時に熱やせん断応力の影響を受けた材料を用いることで，成形品の強度や衝撃性などの特性低下が懸念されるためである。そのため，再利用材を使用するにあたって，成形品の品質低下を極力抑制することが必要となる。
そこで本研究では，射出成形により繰り返しダメージを受けた成形品強度を高次構造の観点から評価を行った。高次構造とは，高分子の分子鎖の長さや分岐を表す一次構造に対して，結晶相の種類・結晶の大きさ・配列などを表すものであり，成形条件の違いにより，大きく変化することが報告されている 1,2)。
３. 実験方法
3.1 使用原料
原料には，汎用樹脂であるポリプロピレン(日本ポリプロ株式会社製ノバテック PP，以下 PP)を用いた。また，成形品の特性を向上させる目的で添加される結晶核剤に着目した。表 1 に使用した PP のグレードを示す。
なお，ペレット材を DSC（セイコーインスツル株式会社製 DSC6200）測定したところ，結晶核剤は，結晶核の生成を促進し，結晶化に至る時間が短縮することを確認した。

亮*

安藤

グレード

結晶核剤の有無

日本ポリプロMA1Bなし

株式会社

MA04A

あり

・・・・・・
購入ペレットn=0* 素材開発部門**先端技術部門***副センター長

成形粉砕材
n=１

粉砕材
n=5

繰り返し

成形
せん断・加熱せん断・加熱図 1 リサイクル材の作成方法

図 2 未使用材（右）とリサイクル材（左）3.3 成形品の結晶構造と引張特性射出成形において，樹脂が受ける加熱及びせん断によるダメージが，結晶構造及び強度特性に及ぼす影響を調査した。具体的には，射出成形機（ファナック株
式会社製α-S100iA）を用いて成形したダンベル試験片（図 3）に対し，Ｘ線回折装置（株式会社リガク製
SmartLab）により結晶化度を，万能試験機（株式会社島津製作所製オートグラフ AG-I）により引張弾性率を算出し，これらの値の相関関係を評価した。
なお，試験片は，未使用材「n0 材」と５回粉砕「n5材」を用い，結晶生成の影響が大きいと考えられるシリンダ温度と射出速度を変えた条件（表 2）にて成形した。また，引張試験は，速度 10mm/min，チャック間距離 115mm にて行った。
表 2 射出成形条件
条件

シリンダ金型

射出温度

温度

速度(℃)

(℃)

(mm/s)

405040150

保圧(MPa)200①2203024050②3.2 リサイクル材の作成
図 1 に示すように，箱形状の射出成形品をスプルーごと破砕し，得られた破砕材 100%を箱形状に射出成形して粉砕する作業を繰り返し行い，粉砕回数ごとのリサイクル材を作製した。１回粉砕したリサイクル材を「n1 材」，２回粉砕したリサイクル材を「n2 材」と定義し，「n5 材」まで作成した。（未使用材は，「n0材」となる。）

修志* 石渡 恭之** 小島 均***また，図 2 に示すように，原料が均一形状である「n0材」（右）に対し，粉砕材には形状・サイズともに大きなバラツキが生じた。

表 1 使用したポリプロピレン製造者

飯村

20030250
未使用材（n0 材）と５回粉砕材（n5 材）を用い，①，②の条件にて成形図 3 ダンベル試験片の外観

茨城県工業技術センター研究報告 第 43 号

50
引張応力 [MPa]結晶核材なし，n0，射出速度150mm/sa.u.

結晶核材なし，n0，射出速度250mm/s
0401101301520２θ[°]結晶核材なし，n0，シリンダ温度220℃
結晶核材あり，n0，シリンダ温度220℃

25

結晶核材なし，n5，射出速度150mm/s

30

結晶核材あり，n5，射出速度150mm/s

0101101011130

結晶核材なし，n0，射出速度50mm/s

20β3004.2 引張特性
図 5 に引張試験により得られた応力－ひずみ線図を，図 6 に引張弾性率を示す。
同一成形条件における引張強さ（最大引張応力）を比較すると，結晶核材を含むリサイクル材が大きな値を示したが，伸びは小さかった。
また，荷重負荷初期における変形のしづらさの指標である引張弾性率は，リサイクル材で結晶核材を添加したものの方が大きく，成形条件によって増加あるいは減少傾向が見られたが，成形条件よりも結晶核材の有無による影響が大きい結果となった。

40４. 結果と考察
4.1Ⅹ線回折
図 4 に射出速度を変えた場合のＸ線回折測定結果を示す。結晶核材を含まないものは全ての成形条件において，結晶核材を含むものは射出速度が大きい条件において，2θ≒17°付近にβ晶の回折線が検出されたが，回折線高さは成形条件により大きな差が見られた。
β晶は，強い流動場において成長が誘起されるとの報
告 3)がなされていることから，β晶の回折線高さの差は，試験片表層付近のせん断応力が成形条件によって大きく異なるためだと考えられる。また，β晶の生成は，結晶核材の導入により抑制されることが確認された。

0.000.050.10
引張ひずみ [mm/mm](a)結晶核材なし，n0 材

0.150.20

図 5 成形条件と応力－ひずみ線図の関係
結晶核材あり，n0，射出速度50mm/s
3000

結晶核材あり，n0，射出速度150mm/s

2500

a.u.

結晶核材あり，n0，射出速度250mm/s
04020２θ[°]

11006025302000

核材なし(n0)核材あり(n0)
核材なし(n5)核材あり(n5)500(b)結晶核材あり，n0 材

1500

1513-1111 041

引張弾性率101301000

β300

[MPa]

1100

結晶核材なし，n5，射出速度50mm/s

190

結晶核材なし，n5，射出速度150mm/s
結晶核材なし，n5，射出速度250mm/s

230
[℃]

240

250(a)シリンダ温度と引張弾性率の関係

20２θ[°]

2500

111

2530(c)結晶核材なし，n5 材

2000

1513-1041

1500

111

引張弾性率 [MPa]13010210220
シリンダ温度3000

1100401000

a.u.

β300200

核材なし(n0)核材あり(n0)
核材なし(n5)核材あり(n5)500

結晶核材あり，n5，射出速度50mm/s
結晶核材あり，n5，射出速度150mm/s

0a.u.

結晶核材あり，n5，射出速度250mm/s
0040110β 300101513013-1
111 04120２θ[°](d)結晶核材あり，n5 材
図 4 Ｘ線回折測定結果

50100150200
射出速度 [mm/s]

250(b)射出速度と引張弾性率の関係
11025

図 6 射出成形条件と引張弾性率の関係

06030300

606570α晶 結晶化度 (%)

75

結晶核材なし(n0)結晶核材あり(n0)結晶核材なし(n5)結晶核材あり(n5)55504.3 結晶化度
図 7 にＸ線回折結果から算出した全結晶化度と成形条件の関係を示す。
結晶核材を含まない PP の結晶化度は，シリンダ温度の上昇にともない小さくなったが，結晶核材を含む PPの結晶化度は，シリンダ温度の上昇にともない大きくなる傾向が見られた。また，結晶化度と射出速度の関係では，いずれの材料においても，射出速度の増加にともない結晶化度増加の傾向が見られた。今回のシリンダ温度，射出速度の範囲における結晶化度の割合は約 64～77%であった。

80

茨城県工業技術センター研究報告 第 43 号

190

200210220
ｼﾘﾝﾀﾞ温度(℃)

230240250250300200210220
ｼﾘﾝﾀﾞ温度(℃)

6560
55

230

24050

19070

α晶 結晶化度 (%)

75
70
65

結晶化度 (%)

60

結晶核材なし(n0)結晶核材あり(n0)結晶核材なし(n5)結晶核材あり(n5)5550

結晶核材なし(n0)結晶核材あり(n0)結晶核材なし(n5)結晶核材あり(n5)

75

80

80

(a)シリンダ温度とα晶

250050100(a)シリンダ温度と結晶化度

150200
射出速度(mm/s)(b)射出速度とα晶結晶核材なし(n0)結晶核材あり(n0)結晶核材なし(n5)結晶核材あり(n5)257050100

150200
射出速度(mm/s)

1015

β晶 結晶化度
250

300

55055

結晶核材なし(n0)結晶核材あり(n0)結晶核材なし(n5)結晶核材あり(n5)020(%)

6560

結晶化度 (%)

307580

図 8 成形条件と全結晶化度に占めるα晶の割合

0(b)射出速度と結晶化度

190200210

図 7 成形条件と結晶化度の関係

220
ｼﾘﾝﾀﾞ温度(℃)

230240

250

250

300

10152025

結晶核材なし(n0)結晶核材あり(n0)結晶核材なし(n5)結晶核材あり(n5)05β晶 結晶化度 (%)

図 8 にＸ線回折結果から算出した全結晶化度に占めるα晶の割合と成形条件の関係を示す。
シリンダ温度，射出速度を変えたいずれの場合も，α晶の結晶化度は，結晶増核材の有無による２つの領域に分かれ，結晶核材を含むもののα晶の結晶化度は，含まないものに比べ高かった。α晶の結晶化の範囲は，結晶核材を含むもので約 66～72%，含まないもので約 53～63%の範囲であった。
図 9 に同様にＸ線回折結果から算出した全結晶化度に占めるβ晶の割合と成形条件の関係を示す。シリンダ温度，射出速度を変えたいずれの場合も，β晶の結晶化度は，結晶核材を含まないものの方が大きかった。
結晶核材を含むものは，β晶が形成されないか，形成されても約 6%であり，含まないものでも約 5～23%とα晶に比べ結晶化度は小さかった。

30(a)シリンダ温度とβ晶

050100150200
射出速度(mm/s)(b)射出速度とβ晶
図 9 成形条件と全結晶化度に占めるβ晶の割合

茨城県工業技術センター研究報告 第 43 号

1000

15002000

引張弾性率 [MPa]2500

30004.4 結晶化度と引張弾性率
図 10 に結晶化度と引張弾性率の関係を示す。図10(a)に示すように，全結晶化度と引張弾性率の関係をプロットしたところ,明確な相関関係は認められなかった。
次に，全結晶化率に占めるα晶の割合を求め，引張弾性率との関係をプロット（図 10(b)）したところ，α晶の割合が増すにつれ引張弾性率も増加する傾向が見られた。反対に，全結晶化率に占めるβ晶の割合と引張弾性率との関係（図 10(c)）では，β晶の割合が増すにつれ引張弾性率は減少する傾向が見られた。なお，図 10 中のプロット点には，表 2 の条件にて成形した PP（結晶核材を含むもの含まないもの）全ての測定値を用いている。

50556065
全結晶化度707580[%]1) 成形条件によりβ晶の回折線高さに大きな差が生じた。これは，試験片表層付近のせん断応力の違いによるためだと考えられる。また，β晶の生成は，結晶核材導入の影響により抑制されることが確認された。
2) 結晶核材を含む PP の引張強度は，結晶核材を含まない PP に比べ，大きかった。
また，リサイクル材の引張強度は，未使用材に比べ大きかったが，伸びは大幅に小さかった。
また，引張弾性率は，結晶核材を含んだリサイクル材料が最も大きかった。
3) 結晶化度と引張弾性率の関係において，全結晶化率に占めるα晶の割合が増すにつれ，引張弾性率は増加する傾向が見られた。反対に，全結晶化率に占めるβ晶の割合が増すにつれ，引張弾性率は減少する傾向が見られた。
今年度は，汎用樹脂である PP の結晶核剤に注目し，結晶化度と引張特性の関係を評価した。
来年度も引き続き，高次構造解析を用いた評価を行うとともに，リサイクル材の熱分析，衝撃試験等を加え，再利用材の使用時の劣化要因の検討を行う予定である。

2500

6. 参考文献
1) 邱 建 輝 . 高 分 子 論 文 集 (1995),vol.52,No.7,pp.
445-4512) 水 野 渡 . 日 本 機 械 学 会 論 文 集 .A 編 (2001),67(658),pp.1017-1023
3) 仲 村 佳 代 . 高 分 子 論 文 集 (2009),66(10),pp.
470-4742000

y = 59.542x - 1923.9
R² = 0.6298

1500
1000

引張弾性率

[MPa]

3000

(a)全結晶化度と引張弾性率の関係

5. まとめ成形条件が成形品の結晶構造に与える影響について検討を行い，以下の知見を得た。

505560α晶

6570
結晶化度 [%]

7580

2500
2000

引張弾性率

1500

y = -49.219x + 2144.3
R² = 0.5511

1000

[MPa]

3000

(b)α晶率と引張弾性率の関係0510
β晶 結晶化度 [%]15(c)β晶率と引張弾性率の関係
図 10 結晶化度と引張弾性率の関係

20