プラスチック成形品の劣化・耐環境応力割れと評価法および対策とそのポイント

はじめに

プラスチック成形品は、その軽量性や加工のしやすさ、耐食性などから、多くの産業で利用されています。
しかし、その特性上、劣化や耐環境応力割れ（ESCR）といった問題が発生することがあります。
製造現場では、こうした問題を未然に防ぎ、品質を高めるための評価と対策が求められます。
今回は、プラスチック成形品の劣化と耐環境応力割れの評価法、及びそれらへの対策とそのポイントについて詳しく解説します。

プラスチック成形品の劣化

劣化の種類と原因

プラスチック成形品は、使用環境や時間の経過によりさまざまな劣化現象を起こします。
主な劣化の種類には、熱劣化、光劣化、化学的劣化、機械的劣化があります。

– 熱劣化：高温環境や熱の繰り返しによる分子構造の変化が原因です。
長時間の高温露光で、素材が硬化したり、脆化したりすることがあります。

– 光劣化：紫外線や高エネルギー光の影響で色褪せたり、表面がひび割れることがあります。
特に、屋外で使用されるプラスチックは紫外線防護剤を添加する必要があります。

– 化学的劣化：酸、アルカリ、有機溶剤による化学反応が原因で、構造の弱体化が進行します。
特定の化学物質との接触がある環境では、適切な耐薬品性を持つプラスチックの選択が求められます。

– 機械的劣化：繰り返し応力がかかることでの摩耗やクラックの発生です。
疲労による亀裂が進行し、破断に至ることもあります。

劣化の評価法

プラスチックの劣化を評価するための方法は多岐にわたります。
ここでは代表的な評価方法を紹介します。

– 熱老化試験：人工的に加熱し、劣化速度を短期間で評価する試験です。
通常は、TGA（熱重量分析）やDSC（示差走査熱量測定）を使用して分解温度や融点の変化を観察します。

– 光老化試験：人工紫外線を照射して、太陽光照射を模擬して劣化を評価する方法です。
QUVテスターなどを使用し、試料に光を照射しながら物理的な引張強度や色相の変化を測定します。

– 化学抵抗試験：特定の薬品や溶媒に対する耐性を評価します。
薬品耐性が要求される環境での使用を想定し、耐薬品性を確認する試験です。

– 機械的耐久試験：引張試験、圧縮試験、衝撃試験などにより機械的性質を評価します。
特に重要なのは耐疲労性で、クラックの進行具合を評価して寿命を予測します。

耐環境応力割れ（ESCR）の問題と評価

ESCR（Environmental Stress Cracking）とは

耐環境応力割れ（ESCR）は、プラスチックに特有の現象で、応力が加わった状態で特定の環境内にあると亀裂が進行する現象です。
この問題は、プラスチック製品の寿命を大幅に短縮したり、突発的な破壊を引き起こすことがあります。
ESCRは、主に内部応力と外部の化学薬品や溶媒との相互作用が原因で発生します。

ESCRの評価法

耐環境応力割れの評価では、製品が特定の環境条件下でどの程度耐えられるかを確認することが重要です。

– 応力暴露試験：応力を加加えて特定の化学薬品に暴露し、亀裂の進行具合を観察する方法です。
ASTM D1693などの標準的な試験法を用いて、割れ始めるまでの時間を評価します。

– 脆化試験：材料の脆性指数を測定することで、応力割れのリスクを予測します。
一般的には、繰り返し応力をかけてその応答を観察します。

– 繰り返し応力試験：動的荷重を加えて亀裂の発生および進展を評価します。
繰り返し応力に対する材料の耐性を評価することで、長期間にわたる使用に対する信頼性を検証します。

対策とそのポイント

プラスチック成形品の劣化や耐環境応力割れを防ぐためには、材料選定から設計、製造プロセスに至るまで、いくつかのポイントに注意が必要です。

材料選定

適切な材料選定は持続可能な製品設計の基本です。
劣化やESCRに対し耐性のある材料を選択することで、未然に問題を防ぐことが可能です。

– 耐熱性、耐光性、耐薬品性に優れた材料を選ぶ。
カスタムの樹脂コンパウンドやアロイを使用することも検討します。

– 添加剤の活用。
紫外線安定剤、酸化防止剤や充填材の添加によって特性を向上させることができます。

デザインと製造プロセス

製品の設計と製造プロセスも、耐久性向上に大きく関わります。

– 応力集中を避ける設計。
ゆるやかな曲線を使用したり、角の取れたデザインにすることで、応力集中を回避します。

– 正しい成形条件。
射出成形の場合、適切な温度、圧力、冷却時間を保持することが促進応力を低減します。

– 内部応力の解放。
アニール処理などを施すことで、成形時に生じた内部応力を和らげることが可能です。

運用環境を考慮した管理

使用環境の管理も、製品寿命を延ばす要因となります。

– 定期的なメンテナンス。
表面の洗浄や薬品の除去など、環境からの影響を最小限に抑えるメンテナンスが重要です。

– 使用条件の見直し。
過酷な環境での使用は避け、適切な条件下での運用を心掛けることが挙げられます。

まとめ

プラスチック成形品の劣化や耐環境応力割れへの対応は、製造現場での非常に重要な課題です。
適切な材料選定や設計から、劣化や亀裂を未然に防ぐことができます。
さらに、これらの問題に対する評価と対策をしっかりと行うことで、製品の長寿命化と信頼性の向上が実現できます。
製造業に携わる方々には、こうした知識を深め、より良い製品づくりを目指していただきたいと思います。