通商産業省　工業技術院
機械技術研究所
統括研究調査官室

射出成形ウィスカー強化ポリアミド樹脂の引張強度と引張疲労強度

機械研NEWS,1999,No.9より

概　要

新たに強化繊維の仲間入りをしつつあるウィスカーを用いた短繊維強化高分子系複合材料に関しての研究はあまり行われていない．本研究ではホウ酸アルミニウムウィスカー強化ポリアミド（ＰＡ）系複合材料を対象に，静的引張強度と引張疲労強度に及ぼすウィスカー含有率および採取部位の影響について，ウィスカーの配向性の観点から検討した．さらに，ウィスカーの強化効果について，ＣＦおよびＧＦ短繊維強化効果との相関性についても検討を加えた．

　ホウ酸アルミニウムウィスカー強化は比較的安価で高性能な複合材料が期待できる．ＣＦあるいはＧＦに比較すると，ウィスカーの寸法は１桁小さく，このため強化材として樹脂中に設計通り分散させることは非常に難しい．素材の選択のみでなく，強化繊維の配向性の検討が成形条件の決定，型およびゲート位置の決定など，成形すべてに関わり重要である．本研突成果は，複雑な形状の成形体に対する射出成形プロセス条件の最適化を進める上でも有用である．

添付図、写真の説明

試験片は１枚の成形板から３本を機械加工により採取し，採取部位の影響をウィスカーの配向性の観点から検討するため，板の両側部でゲートを含まない試験片(Specimen　a)によるデータと射出ゲート部分を含む試験片(Specimen　b)によるデータを別グループとして扱った．

材料毎の疲労実験結果の例．樹脂単体ではSpecimen　bの方がSpecimen　aよりもわずかながら高い．

材料毎の疲労実験結果の例．ウィスカー含有率が高くなるにしたがい，Specimen　aとSpecimen　bの差は大きくなり，しかもSpecimen　bで低い値になる．

上図(1)では，破断面に垂直なウィスカーの存在（ウィスカー端部が破断面上に突き出ている，あるいは抜けた穴がある）が認められる．強度の向上のためにはこのような破断面に垂直なウィスカーの存在が望まれる．

同(2)ではこのような破断面に垂直なウィスカーの存在は認められず，ほとんど破断面に平行なウィスカーのみである．

ウィスカー重量含有率０％（以下ＰＡ６６と表示)，同１５％（同ＰＡ６６-15)，同３０％（同ＰＡ６６-30)，同５０％（同ＰＡ６６-50）の４種類の射出成形板を用いた．

[発表者]

機械技術研究所 基礎技術部　材料物性研究室　古江治美

　　　　　　　　　Tel: 0298-61-7169, Fax: 0298-61-7167

機械技術研究所 統括研究調査官室　千阪文武／石塚一則

　　　　　　　　　Tel: 0298-61-7034, Fax: 0298-61-7033

　　　　　　　　　chisaka@mel.go.jp,ishizuka@mel.go.jp

射出成形ウィスカー強化ポリアミド樹脂の引張強度と引張疲労強度

機械研NEWS,1999,No.9より

[概要はこちら]

　熱可塑性プラスチックは強度，剛性，硬度の向上，あるいは寸法安定性の確保などの目的で短繊維強化される場合が多い．従来より，耐疲労設計のための指針を得る目的で，カーボン繊維（ＣＦ）あるいはガラス繊維（ＧＦ）を用いた射出成形熱可塑性樹脂の力学性能向上のための短繊維強化について，短繊維強化効果および疲労特性に及ぼす樹脂，強化繊維，応力比，繰返し速度等の影響を明らかにした．また，射出成形における短繊維の配向が疲労破壊メカニズムに寄与していることも示した．

　しかし，新たに強化繊維の仲間入りをしつつあるウィスカーを用いた短繊維強化高分子系複合材料に関しての研究はあまり行われていない．既に，基礎技術部材料物性研究室では茨城大学工学部システムエ学科と連携して，構造材料としての使用を念頭に，ホウ酸アルミニウムウィスカー強化樹脂（ポリアミド系，ポリカーボネート系，ポリオキシメチレン系）複合材料の力字特性の時間依存性，温度依存性などについて考察した^1,2,3)．本研究ではホウ酸アルミニウムウィスカー強化ポリアミド（ＰＡ）系複合材料を対象に，静的引張強度と引張疲労強度に及ぼすウィスカー含有率および採取部位の影響について，ウィスカーの配向性の観点から検討した．さらに，ウィスカーの強化効果について，ＣＦおよびＧＦ短繊維強化効果との相関性についても検討を加えた．

　ホウ酸アルミニウムウィスカー強化は比較的安価で高性能な複合材料が期待できる．ＣＦあるいはＧＦに比較すると，ウィスカーの寸法は１桁小さく，このため強化材として樹脂中に設計通り分散させることは非常に難しい．素材の選択のみでなく，強化繊維の配向性の検討が成形条件の決定，型およびゲート位置の決定など，成形すべてに関わり重要である．本研突成果は，複雑な形状の成形体に対する射出成形プロセス条件の最適化を進める上でも有用である．

２．実験材料および実験方法

　ホウ酸アルミニウムウィスカーは比重＝3.0，縦弾性係数＝392ＧＰａ，引張強度＝7.8ＧＰａといわれていて，繊維の直径はＣＦ，ＧＦに比較すると１桁小さく１μｍ前後である⁴⁾．樹脂との接着性も良く，樹脂中に材料設計通り分散させることおよび配向させることが出来れば高い性能が期待できる強化材である．

　実験材料はポリアミド樹脂(ＰＡ６６)をマトリックスとし，ホウ酸アルミニウムウィスカーを強化材として，ウィスカー重量含有率０％（以下ＰＡ６６と表示)，同１５％（同ＰＡ６６-15)，同３０％（同ＰＡ６６-30)，同５０％（同ＰＡ６６-50）の４種類の射出成形板を用いた．板の成形条件は成形温度(樹脂温度）が２５０℃，金型温度が１００℃，冷却時間が１７秒，射出時間が１０秒，射出圧力についてはＰＡ６６で７３ＭＰａ，ＰＡ６６−15で８０ＭＰa、ＰＡ６６−30でｌ３０ＭＰａ，ＰＡ６６-50で１３５ＭＰａである．

　試験片採取の詳細を図１に示す．試験片は１枚の成形板から３本を機械加工により採取し，採取部位の影響をウィスカーの配向性の観点から検討するため，板の両側部でゲートを含まない試験片(Specimen　a)によるデータと射出ゲート部分を含む試験片(Specimen　b)によるデータを別グループとして扱った．

　実験は２３±１℃，５０±５％ＲＨの恒温恒湿室内で行った．静的引張り試験は２ｍｍ/ｍin(ＰＡ６６-30およびＰＡ６６‐50)あるいは５ｍｍ/ｍin(ＰＡ６６-OおよびＰＡ６６-15)のクロスヘッド速度，引張り疲労実験は荷重制御，正弦波，１０Ｈｚ，Ｒ（＝最小繰返し応力／最大繰返し応力）＝0.1で行った．

３．実験結果および考察

　材料毎の疲労実験結果の例を図２と図３に示す．樹脂単体ではSpecimen　bの方がSpecimen　aよりもわずかながら高い．これは樹脂単体では高分子の配向あるいは結晶化の度合いなどが樹脂流速の早いと考えられるゲート延長領域で有効に作用していることによると考えられる．しかしウィスカー含有率が高くなるにしたがい，Specimen　aとSpecimen　bの差は大きくなり，しかもSpecimen　bで低い値になる．本研究に用いた材料を含めて短繊維強化射出成形材料の場合，一般的には出来る限り成形板の部位により強度に差が生じない成形条件を採用して成形される．それでもなお経験不足，調整不能などにより，部位による強度の差が生じる．通常，そのような差は短繊維の配向の結果から説明される．

　短繊維のような針状の充填材を含む粘弾性流体の流れおよびその凍結は型形状，樹脂および繊維の性状，射出の圧力・温度，型の温度などが複雑に影響する．従って，十分な予測は未だ不可能である．成型品の表面では固化しやすく，中心部では固化が遅れる．反面，表面からの距離が離れるほど流速は早くなり，表面近くほどせん断速度は大きい．これらのことにより，表面近くでは流れに平行な繊維配向が認められるのに対し，中心部，中央部では繊維はランダムな配向あるいは流れに垂直の配向を示す傾向さえも認められている⁵⁾．図４に示す疲労破断面の走査電子顕微鏡写真はこのような概略的理解を裏付ける試験片内部のウィスカーの配向を示している．図４(1)はSpesimen　aの疲労破断面の走査電子顕微鏡写真であって，破断面に垂直なウィスカーの存在（ウィスカー端部が破断面上に突き出ている，あるいは抜けた穴がある）が認められる．強度の向上のためにはこのような破断面に垂直なウィスカーの存在が望まれる．同(2)ではこのような破断面に垂直なウィスカーの存在は認められず，ほとんど破断面に平行なウィスカーのみである．これは射出樹脂の流れに垂直なウィスカーの存在を意味し,強度の向上にはあまり寄与していないと考えられる．破断面全体が全く同様の形態というわけではないが，このような差違が両者の強度の相違に対応している．

　繰返し速度１０Ｈｚ程度の引張疲労実験では，疲労限を示さない材料について，それに代わる代表値として１０⁶回の引張疲労強度が用いられる．疲労実験結果から，図５に各材料毎の１０⁶回の引張疲労強度を求めて，各材料の静的引張強度とともに示した．材料毎およびゲートの有無によるグループ分けにより，静的引張強度（σt）と１０⁶回引張疲労強度（σf）に良い相関が認められる．また，本実験範囲内でのﾄﾞσf／σtはおおよそ一定値0.50±0.03の範囲であった．

　短繊維強化効果の一考察として，表１に今回の疲労実験結果に加え，同じ実験条件で得られた短繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の結果をまとめた．ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ)系⁶⁾とポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）系⁷⁾ではゲートの形状がＰＡ系とは異なりシート状のものなので，おおよそ本文のSpecimen　aに相当すると考えてよい．ＰＥＳ系については樹脂単体の疲労強度は高くないものの，疲労強度に関する強化効果（表１中のσr,f／σn,fが高い）はかなり認められる．しかし，ＰＥＥＫ系のように非常に疲労強度の優れる樹脂系では，短繊維強化による効果はＰＥＳ系と同様には期待されず，σf／σtについては樹脂単体よりも低下するＧＦ(20)／ＰＥＥＫの例もある．ＰＡ系は両者の中間とみることができる．

４．まとめ

　射出成形ウィスカー強化ＰＡ系の静的引張強度と引張疲労強度が射出ゲート位置に依存して，試験片採取部位により差のあること，その差違はウィスカーの配向性の結果として説明できることを示した．ウィスカー強化樹脂複合材料の破壊メカニズムと短繊維の配向性に関してさらに検討を進めたい．

　走査電子顕微鏡写真は電子顕微鏡室の斉藤慶子氏に，射出成形と材料特性の関係に関しては物質工学工業技術研究所の北野武氏にご助力，ご助言をいただいてものである．

「参考文献」

１）増田，野田，古江，“ウィスカー強化プラスチックの応力緩和特性”，第２７回ＦＲＰシンポジウム講演論文集，pp.119−122,1998.3.18．

２）増田，野田，古江，“ウィスカー強化プラスチックの引張強度の速度依存性”，第２６回ＦＲＰシンホジウム講演論文集，pp.296-299,1997.3.14．

３）増田，斉藤，古江，王，“ウィスカー強化プラスチックの粘弾性特性”，第２５回ＦＲＰシンポジウム講演論文集，pp.281-284,1996.3.19.

４）アルボレックス技術資料ー基礎編−，四国化成工業Ｋ．Ｋ．(1992）

５）実用プラスチック成形加工事典，実用プラスチック成形加工事典編集委員会編，産業調査会(1997），”繊維配向シミュレーション”,pp.164-168

６）古江，野中，”短繊維強化ポリエーテﾉﾚサルホンの引張疲労特性に及ぼす平均応力の影響”，材料,Vol.45,No.1,pp.72-78(1996)

７）古江，野中，橋村，”短繊維強化ポリエーテﾉﾚケトンの引張疲労特性に及ぼす平均応力の影響”，材料,Vol.46,No.10,pp.1197-1203(1997)