論文

エポキシモールド機器の低炭素化に向けた植物油由来エポキシ樹脂の配合改良と長期信頼性評価■ 髙野裕基

Hiroki Takano■ 髙野裕基

Hiroki Takano■■髙大野竹 裕基
美佳

HirokiMika OhtakeTakano

東光高岳では持続可能な社会を構築するため，電力機器であるエポキシモールド機器の原料から，製造，使用，再資源化までのライフサイクル全体にわたる環境負荷低減を目指した取り組みを行っている。これまで，エポキシモールド機器の高性能化や成形プロセスの最適化などの面から低炭素化を推進してきた。本稿では，バイオマス資源である植物油をベースとしたエポキシ樹脂について，電力用モールド機器に適用する際の課題解決に向けた配合改良と，その長期信頼性評価の結果について紹介する。

1

はじめに持続可能な社会を構築するため，資源・エネルギーの機性資源で化石資源を除いたもの」と定義されている。
バイオマス資源の利用によるカーボンニュートラルの概念を図 1 に示す。バイオマス資源はその成長過程におい効率的利用や低炭素化への取り組みがこれまで以上に重て光合成を通じて大気中の CO2 を吸収する特性を持って要になっている。企業に求められる社会的責務も一層大いる。そのため，バイオマス資源を利用することは，CO2きくなり，持続可能な開発目標（SDGs）注 1）への取り組排出量の増加を抑制する効果が期待される。また，石油みが広がっている。

や鉱物等の枯渇資源とは異なり，繰り返し生産可能な再東光高岳では，環境負荷低減に繋がる開発を念頭に置

生資源であり，生産地域も限定されないという特長を有き，固体絶縁材料であるエポキシ樹脂の耐クラック性 注 2）する。バイオマス資源を活用した燃料や熱可塑性樹脂の向上などの高性能化に取り組み，エポキシモールド機器研究開発やその実用化が積極的に展開されている（2）。

への適用範囲拡大を推進してきた（1）。また，電力機器の環境負荷低減をライフサイクル全体で捉えると，①原料，②製造，③使用，④再資源化の各フェーズが挙げられる。エポキシモールド機器の場合，②は製造時の熱硬化プロセスの最適化による省エネルギー化，③は適宜修理によるリユースや省メンテナンスによって，すでに低炭素化が進められている。そのため，さらなる低炭素化にＣ
ＣＯ
Ｏ2 吸収

バイオマス
枯渇しない再生資源Ｃ
ＣＯ
Ｏ2 排出

は，①原料と④再資源化の面での取り組みが必要である。
①の原料面では，電力機器として必要な材料特性を有しつつ，環境にやさしいバイオマス資源の適用が望まれる。
④の再資源化面では，エポキシモールド機器が耐久性に優れる反面，リサイクル性に乏しいことから，有効なリバイオマス
廃棄プラスチック焼却処理

図 1 カーボンニュートラルの概念

サイクル技術の確立が望まれる。これら①と④は技術的一方，電力機器用エポキシ樹脂を含む熱硬化性樹脂

なハードルが高い課題ではあるものの，ライフサイクルは，熱可塑性樹脂に比べて機械強度や耐熱性などにお全体にわたり環境にやさしいエポキシモールド機器の実いて，高い性能が求められる用途に使用されることが現において必要かつ有効な取り組みである。

多い。このため，特性面における代替のハードルが高ライフサイクル全体にわたり環境にやさしいエポキシ

く，活発な取り組みがなされていない。しかし，石油由モールド機器の実現を目指した取り組みとして，①の原来の原料を使用することは，化石資源の消費とそれに伴料の低炭素化に着目する。本稿では，バイオマス資源でう CO2 排出を意味する。植物由来の原料へのシフトは，ある植物油をベースとしたエポキシ樹脂について，電力再生可能なリソースの利用促進と持続可能な生産プロセ用モールド機器に適用する際の課題解決に向けた配合改スへの移行を意味し，環境負荷低減に貢献する。

良とその長期信頼性評価の結果について報告する。

電力機器用エポキシ樹脂は，主にエポキシ主剤，硬化剤，石英等の充填材から構成される。石油由来原料のエ2

バイオマス資源による環境負荷低減

バイオマス資源とは一般に「再生可能な生物由来の有12

東光高岳技報 No.11 2024

ポキシ主剤をバイオマス素材へ代替することに主眼を置
き，植物油由来原料であるエポキシ化植物油をターゲットとした。エポキシ化植物油は，主に可塑剤や安定化剤

エポキシモールド機器の低炭素化に向けた植物油由来エポキシ樹脂の配合改良と長期信頼性評価論文などの用途に用いられる工業材料である。一般にはポリてそれぞれ 0％，5％，10％，20％の重量比で配合した。

塩化ビニル樹脂などの添加剤として使われる材料だが，なお，植物油由来エポキシ樹脂の硬化プロセス条件は，石油由来エポキシ樹脂と同様に，分子構造内にエポキシ徐冷を含めた成形時間が石油由来のエポキシ樹脂と同等基を持つことから，石油由来のエポキシ樹脂主剤の代替になるように調整した。の可能性が研究されてきた

耐クラック性は「JIS C 2105：2019 電気絶縁用無溶。

（3）剤液状レジン試験方法」における熱衝撃の試験方法を基3に，より厳しい条件となるよう独自に確立した液槽冷熱

 物油由来エポキシ樹脂の植製品適用における技術的課題

衝撃試験法（6） で評価した。本試験は鉄製のスプリングワッシャーを内蔵する樹脂試験片に熱衝撃を与え，ク筆者らは，バイオマス資源である植物油をベースとしラックの発生有無により耐クラック性能を評価するもの

たエポキシ化亜麻仁油をエポキシ主剤の代替とし，植物である。なお，この冷熱衝撃試験は大型の電力用モール

油由来エポキシ樹脂を開発した。これまでの検証で，植ド機器での冷熱衝撃試験結果と良好な相関関係を有して物油由来エポキシ樹脂は，電力用エポキシ樹脂に必要ないることが明らかになっている（6）。

電気特性，機械特性，熱特性について一定の性能を有していることを試験片レベルの評価で明らかにした

樹脂流動性は B 型粘度計を用いて，材料混合初期（4）。の粘度を測定した。曲げ強度および弾性率は「JIS K

しかし，製品適用においては，熱的性質が異なる金属や7171：2022 プラスチック─曲げ特性の求め方」に基づ

セラミックなどの内蔵物と一体成形するため，樹脂単体き，常温で測定した。の特性に加え，異種材料との適合性，特に他の部材をモールドした際の耐クラック性が重要となる。開発中の

4.2

結果および考察

植物油由来エポキシ樹脂は石油由来のエポキシ樹脂より各試験結果を表 1 に，初期粘度および曲げ強度とも耐クラック性に劣ることが分かっており，性能向上がPSQ 配合量の関係を図 2 に示す。なお，表中の耐ク課題であった。

ラック性は，現行の石油由来エポキシ樹脂と同等を耐クラック性を向上する手法として，充填材などの配合見直しや硬化プロセスの見直しを実施してきた。しかし，これらの対策は樹脂流動性の低下や硬化時間の増加など成形プロセス性が低下する傾向があり，耐クラッ

注 3）

ク性と成形プロセス性の両立が新たな課題となった。

「〇」，劣る場合を「×」と表記する。また，他の特性はPSQ 0 wt％の値を「1」と基準化して表記する。
耐クラック性は PSQ を 10 wt％以上配合することで，現行の石油由来エポキシ樹脂と同等の性能が得られた。
一方，樹脂流動性の指標である初期粘度は，PSQ 配合量の増加に伴い高くなる（樹脂流動性が悪化する）傾向

4.1

 合による耐クラック性と配成形プロセス性の改良
樹脂の配合および試験条件

耐クラック性の向上を目的に，有機・無機ハイブリッド材料であるポリシルセスキオキサン（以下，PSQ）の配合を検討した。PSQ は三官能性オルガノシラン化合物 注 4）から合成されたシリコーン樹脂であり，主鎖のシロキサン（Si-O-Si）結合による無機の特性と，側鎖の有表 1 PSQ 配合植物油由来エポキシ樹脂の特徴
PSQ
0 wt％

PSQ
5 wt％

PSQ
10 wt％

PSQ
20 wt％

耐クラック性××〇〇

初期粘度※

11.00

1.202.47

曲げ強度※

11.01

0.980.81

曲げ弾性率※

11.01

1.031.05※ PSQ 0 wt％の値を「1」と基準化して表記

機性官能基による有機の特性を兼ね備えた材料である。
することで，樹脂の機械強度の低下を抑えつつ弾性率を低減する効果（5）が確認され，耐クラック性の向上に寄与することが期待される。一方，成形プロセス性の指標の一つである樹脂流動性は，一般に耐クラック性と相反関係にある。そのため，PSQ 配合により樹脂流動性の低下が想定され，最適な添加量の把握が必要である。
エポキシ化亜麻仁油を主剤とし，硬化剤に酸無水物，充填材に溶融石英，促進剤に三級アミンを配合し，添加剤として PSQ を樹脂成分（主剤および硬化剤）に対し初期粘度※

筆者らの過去の検証では，PSQ をエポキシ樹脂中に配合

3.001.052.501.002.000.951.500.901.000.850.500510152025

曲げ強度※

40.80

PSQ配合量（wt%）
初期粘度

曲げ強度

※PSQ※0wt%の値を「1」と基準化して表記
PSQ 0 wt％の値を「1」と基準化して表記

図 2 初期粘度および曲げ強度と PSQ 配合量の関係
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13

論

文

エポキシモールド機器の低炭素化に向けた植物油由来エポキシ樹脂の配合改良と長期信頼性評価があり，20 wt％配合では 0 wt％に対して約 2.5 倍と顕植物油由来エポキシ樹脂の長期信頼性を把握するため，著に増加した。曲げ強度も PSQ 配合量増加に伴い低下

長期的な機械特性と吸水特性について，現行の石油由来する傾向があり，初期粘度と同様に，20 wt％配合ではエポキシ樹脂のデータと比較し，長期適用の可否を判断

0 wt％に対し曲げ強度の低下率が約 20％と顕著であっすることとした。なお，長期的な電気特性も重要な評価た。曲げ弾性率は PSQ 配合量増加に伴い，僅かに高く項目であるが，製品においては樹脂単体の絶縁性能よりなる傾向が認められた。

も異種材料との界面が放電のきっかけである弱点部と想今回，植物油由来エポキシ樹脂に PSQ を 10 wt％以上定されるため，実器もしくは実器を模擬した供試器によ配合することで，現行の石油由来エポキシ樹脂と同等レる評価が適していると判断した。したがって，今回の樹ベルまで耐クラック性が向上することを確認した。ただ脂単体の長期信頼性検証では省略した。

し，曲げ弾性率は PSQ 配合量増加に伴い，僅かに高くなる傾向があり，過去の検証とは異なる結果となった。そ5.1

長期的な機械特性のため，PSQ 配合による耐クラック性向上のメカニズム

植物油由来エポキシ樹脂の長期的な機械特性を把握すは解明されていないが，有機・無機ハイブリッド材料であるため，クリープ試験 注 5）を実施し，石油由来エポキシる PSQ の配合により樹脂が改質され，硬化収縮の低減樹脂と比較した。クリープ試験では，静的破壊強度に対や破壊靭性の向上に寄与したのではないかと考えられる。

して 50％～75％の範囲内で一定荷重を与え，破断までの時間を取得した。クリープ試験結果を平均値で整理し4.3

電力用モールド機器の試作検証

た特性比較を図 4 に示す。

ポキシ樹脂は，良好な耐クラック性や機械強度低下の影響が少ない特徴を有していることが確認できた。この樹脂を使用して，6 kV クラスの接地形計器用変圧器を試作した。試作品の写真を図 3 に示す。

試験荷重_静的破壊強度に対する割合

試験の結果，PSQ を 10 wt％配合した植物油由来エ75%70%
65%60%
植物油由来エポキシ樹脂_60℃植物油由来エポキシ樹脂_50℃

55%50%

石油由来エポキシ樹脂_60℃
石油由来エポキシ樹脂_50℃

1101001000

破断時間（h）

図4

クリープ特性比較（平均値）

図 4 より，植物油由来エポキシ樹脂のクリープ特性の傾きは，石油由来エポキシ樹脂と同程度であり，極端な図3

植物油由来エポキシ樹脂による実器試作品特性低下の傾向は見られなかった。しかし，破断までの時間を比較すると短い傾向であり，石油由来エポキシ樹

耐クラック性が不十分な樹脂配合では，内蔵物のコイ脂よりも劣ることが分かった。したがって，植物油由来

ル端部からクラックが発生したが，PSQ を 10 wt％配エポキシ樹脂は，初期性能として機械強度が石油由来の合した植物油由来エポキシ樹脂の試作品にはクラックのエポキシ樹脂よりも劣る点に加え，クリープ特性も劣る発生がなく，良好な外観であった。また，初期性能とし傾向であることを考慮した安全率の設定が必要といえる。て耐電圧試験，部分放電試験，絶縁抵抗試験を実施し，いずれも判定基準を満足する結果が得られた。耐クラッ5.2

長期的な吸水特性

ク性に関しては，気相の冷熱衝撃試験を試作品に対して植物油由来エポキシ樹脂の吸水のしやすさと吸水時の実施し，電力用モールド機器として良好な耐クラック性

機械強度への影響を，東光高岳のモールド機器に適用しを有していることも確認した。ている石油由来エポキシ樹脂 3 種と比較した。吸水条
件は 40℃ /85％環境下とし，各試験片を最長 1 ヶ月間

5

長期信頼性評価

静置し，重量変化から吸水率を測定した。吸水時の機械特性への影響については，初期，吸水 1 週間，1 ヶ月の電力用モールド機器には長期的な安定性が求められ，タイミングおよび 1 ヶ月吸水後に乾燥した試験片をそエポキシ樹脂自体にも長期的な安定性が必要とされる。

れぞれ用意し，曲げ強度残存率を評価した。各樹脂の吸14

東光高岳技報 No.11 2024

エポキシモールド機器の低炭素化に向けた植物油由来エポキシ樹脂の配合改良と長期信頼性評価

論

文

水時間と吸水率の関係を図 5 に，初期の曲げ強度に対なる改良が求められている。今後も，植物油由来エポキする吸水時の曲げ強度残存率を図 6 に示す。

シ樹脂の改良を重ね，高品質な電力機器の環境負荷低

図 5 より，植物油由来エポキシ樹脂は比較的吸水し減，安定供給，低コスト化を推進する。電力用モールドやすい傾向があるが，比較対象としている石油由来エ機器のリサイクル技術による資源循環も取り入れ，電力ポキシ樹脂の中で，最も吸水しやすい樹脂 B よりは吸用モールド機器のライフサイクル全体にわたる環境負荷水しにくいことが分かった。また，図 6 より，吸水時低減を追求することで，カーボンニュートラルなモノづの曲げ強度の低下率は比較的小さいことも明らかとなっくりに貢献していく。

た。さらに，一度吸水した後でも，乾燥後は曲げ強度が初期値まで回復することが分かり，石油由来エポキシ樹
脂と遜色のない吸水特性を有し，長期運用面で問題なく適用可能と判断した。
0.5

樹脂A樹脂B樹脂C

植物油由来エポキシ樹脂

吸水率（％）

0.40.30.20.10110100

1000

吸水時間（ｈ）

図5

曲げ強度残存率（％）

120

各樹脂の吸水時間と吸水率の関係

樹脂A樹脂B

樹脂C

植物油由来エポキシ樹脂

10080（1） 山 下 太 郎， 熊 谷 美 佳， 渡 邉 滋， 大 塚 尊 裕， 浦 辺 修
一：「電力機器用エポキシ樹脂の耐サーマルショック性向上」，マテリアルライフ学会誌，Vol.23，No.1，pp.33-40（2011）（2） 松岡克守，古郡弘：「カーボンニュートラル実現に向けた材料技術の現在」工業材料，第 71 巻第 3 号，pp.241（2023）（3） 宇山浩：「植物油脂を用いるバイオプラスチックの開発動向」，オレオサイエンス，第 14 巻第 3 号，pp.117122（2014）（4） 大竹美佳，山下太郎，平野一美：「環境負荷低減を目的とした植物油由来エポキシ樹脂の電力用モールド機器への適用性検討」，東光電気技報，No.18，pp.38-41（2013）（5）「電力用エポキシ樹脂のナノコンポジット化による特性向上の取り組み」，東光高岳技報，No.4，p.59（2017）（6） 山 下太郎，大竹美佳，大塚尊裕：「高分子における劣化・破壊現象の写真・データ事例集」，技術情報協会（2014）
■語句説明

60

40
20
0

1週間後

初期

図6

1ヶ月後

1ヶ月後+乾燥

各樹脂の吸水時の曲げ強度残存率以上より，植物油由来エポキシ樹脂は長期的な機械特性の面では石油由来エポキシ樹脂よりも劣るため，留意しなければならない。吸水性は石油由来エポキシ樹脂と同等の性能を持つことから，従来と同環境での適用が可能といえる。

6

■参考文献

おわりに環境にやさしい電力用モールド機器を目指した研究として，植物由来材料の選定，各種配合と硬化物特性の関係把握，電力用モールド機器への適用に向けた課題解
決，バイオマス資源である植物油をベースとしたエポキシ樹脂の実器試作・評価，さらに長期信頼性評価まで実施し，電力用モールド機器への適用の見込みを得た。
技術的なハードルを一つ一つクリアにしてきたが，製品適用に向けてはコスト低減も課題の一つであり，さら

注 1） 持続可能な開発目標（SDGs）：2015 年 9 月の国連サミットで採択され，国連加盟 193 ヶ国が 2016 年から 2030 年の 15 年間で達成するために掲げた開発目
標。17 の大きな目標と，それらを達成するための具体的な 169 のターゲットで構成されている。SDGs
は「Sustainable Development Goals」の略称。
注 2） 耐クラック性：成形品に生じる割れへの耐性のこと。
耐クラック性が悪いと，樹脂の硬化や温度変化に伴う収縮により，成形品に割れが生じる恐れがある。
注 3） 成 形プロセス性：製造工程上のものの作りやすさのこと。本稿では，樹脂の流動性低下による成形不良を問題としている。
注 4） 三 官能性オルガノシラン化合物：ケイ素（Si）と有機基が結びついた「シラン」と呼ばれる化学物質の一種で，三つの反応可能な部分を有する特徴的な化合物のこと。様々な素材を強力に結びつける効果があり，接着剤やシーリング材などに使われている。
注 5） ク リープ試験：材料の耐久性や寿命を把握するために実施する試験。樹脂材料は，一定の負荷をかけ続けると徐々に変形し，最終的には破壊に至る。この現象をクリープと呼び，クリープ試験では試験片に長時間一定の負荷をかけ，変形挙動や破壊までの時間を測定する。

大竹美佳

戦略技術研究所 技術開発センター
材料技術グループ 所属

東光高岳技報 No.11 202415