UHMWPE高分子ポリエチレン材料の検査上の問題点

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この投稿は、2018年7月28日07:54にliaifengによって最終的に編集されました。UHMWPE（超高分子量ポリエチレン）とは、分子が線形構造を持ち、優れた総合的な性能を有する熱可塑性プラスチックで、分子量は150万以上にも達します。密度が低く、優れた耐摩耗性、自己潤滑性、耐衝撃性、耐腐食性などを持っています。 UHMWPEは非常に高い分子量（HDPEの分子量は通常2～30万程度）を持つため、優れた使用性能を発揮します。また、価格が手頃で性能も優れている熱可塑性エンジニアリングプラスチックであり、さまざまなプラスチックの長所をほぼ兼ね備えています。一般のポリエチレンや他のエンジニアリングプラスチックでは比類のない、耐摩耗性、耐衝撃性、自己潤滑性、耐腐食性、衝撃エネルギー吸収性、耐低温性、衛生的で無毒、付着しにくい、吸水しにくい、密度が低いといった総合的な性能を有しています。実際、現在のところ、これほど多くの優れた特性を兼ね備えた単一の高分子材料は存在しない。 耐摩耗性 UHMWPEの耐摩耗性はプラスチックの中で最も優れており、一部の金属をも上回ります。他のエンジニアリングプラスチックと比較すると、UHMWPEのセメントスラリーによる摩耗指数はPA66の1/5、HEPEやPVCの1/10に過ぎません；金属と比べると、炭素鋼の1/7、真鍮の1/27である。このように高い耐摩耗性のため、一般的なプラスチックの摩耗試験法ではその耐摩耗度を測定することが難しく、そこで専用のモルタル摩耗試験装置が開発されました。UHMWPEの耐摩耗性は分子量に比例し、分子量が高いほど耐摩耗性が向上する。 耐衝撃性 UHMWPEの衝撃強度は、あらゆるエンジニアリングプラスチックの中でもトップクラスに位置し、その値は耐衝撃性PCの約2倍、ABSの5倍、POMやPBTPの10倍以上にもなります。衝撃耐性が非常に高く、通常の衝撃試験法では破壊させることが困難である。その衝撃強度は分子量の増加に伴って向上し、分子量150万で最大値に達した後、さらに分子量が上昇するにつれて徐々に低下する。注目すべきは、液体窒素中（-195℃）でも優れた衝撃強度を維持できる点であり、これは他のプラスチックにはない特性です。また、繰り返しの衝撃に対して表面硬度がより高い。 自己潤滑性を持つUHMWPEは、摩擦係数が極めて低い（0.05～0.11）ため、優れた自己潤滑性を有しています。表1は、UHMWPEと他のエンジニアリングプラスチックの摩擦係数の比較である。表1からわかるように、UHMWPEの動摩擦係数は、水潤滑条件下ではPA66およびPOMの1/2であり、無潤滑条件下ではプラスチックの中で自己潤滑性が最も優れるポリテトラフルオロエチレン（PTFE）に次いで小さい値を示す；滑動または回転の形で動作する際、鋼や真鍮に潤滑油を塗ったものよりも優れた潤滑性を示す。したがって、摩擦学の分野においてUHMWPEは、コストと性能の両面で非常に優れた摩擦材料として評価されています。 摩擦係数　名称　自己潤滑　水　潤滑油　UHMWPE　0.10～0.22　0.05～0.10　0.05～0.08　PTFE　0.04～0.25　0.04～0.08　0.04～0.05　PA66　0.15～0.40　0.14～0.19　0.06～0.11　POM　0.15～0.35　0.10～0.20　0.05～0.10　表1　UHMWPEと他の工業用プラスチックの摩擦係数の比較　耐薬品性　UHMWPEは優れた耐薬品性を有し、強い酸化性を持つ酸液を除き、一定の温度および濃度範囲内でさまざまな腐食性媒体（酸、アルカリ、塩）や有機媒体（芳香族溶剤を除く）に耐えることができる。 20℃および80℃の80種類の有機溶剤に30日間浸漬しても、表面には何の異常も見られず、他の物理的性質もほとんど変化しなかった。 衝撃エネルギー吸収性 UHMWPEは優れた衝撃エネルギー吸収性を持ち、すべてのプラスチックの中で最も高い衝撃エネルギー吸収値を誇るため、騒音減衰性能が非常に良く、優れた消音効果を発揮します。 耐低温性 UHMWPEは優れた耐低温性を持ち、液体ヘリウム温度（-169℃）でも延性を保つため、原子力産業における耐低温部品として使用できる。 衛生的で無毒　UHMWPEは衛生的かつ無毒で、日本衛生協会の基準を完全に満たしており、米国食品医薬品局および米国農務省によっても認可されているため、食品や医薬品と接する用途に使用できます。 非粘着性のUHMWPE表面は吸着能力が非常に弱く、その抗粘着性はプラスチックの中で最も非粘着性に優れたPTFEに次ぐため、製品の表面は他の材料と容易には粘着しない。 吸水性が低い UHMWPEの吸水率は非常に低い；一般的に0.01％未満で、PA66の1％に過ぎないため、成形加工前に特別な乾燥処理は必要ありません。 密度　表2は、UHMWPEと他のエンジニアリングプラスチックの密度を比較したものです。表2からわかるように、UHMWPEの密度は他のすべてのエンジニアリングプラスチックよりも低く、一般的にPTFEより56％、POMより33％、PBTPより30％低いため、その製品は非常に軽量です。 名称　相対密度　UHMWPEの密度比より低い割合/％　PTFE　2.12　56　POM　1.41　33　PBTP　1.31　30　PC　1.20　22　PA　1.02〜1.14　8〜18　UHMWPE　0.94　　表2 UHMWPEと他のエンジニアリングプラスチックの密度比較　引張強度　UHMWPEは引張方向への配向に必要な構造特性を有しているため、比類のない超高い引張強度を持つ。そのため、ゲル紡糸法によって極めて高い弾性率および強度を有する繊維を製造することができ、その引張強度は3〜3.5GPa、引張弾性率は100〜125GPaにも達する；繊維の比強度は、これまでに商品化されてきたすべての繊維の中で最も高く、炭素繊維の4倍、鋼線の10倍、アラミド繊維の50％に相当する。 その他の特性として、UHMWPEは優れた電気絶縁性能を持ち、HDPEよりも優れた環境ストレスクラック抵抗性、そしてHDPEよりも高い疲労耐性およびr線耐性を有しています。 製造方法編　超高分子量ポリエチレンは、通常の高密度ポリエチレンを製造する方法において、工程条件を変更して分子量を制御することによって得ることができる。製造方法にはジグラー法、ソルベー法、溶液法がある。 ジグラー法　ジグラー法とは低圧重合法のことです。チタン酸四量体とアルキルアルミニウム（Gエチルアルミニウムまたはジエチルアルミニウム）を触媒とし、ヘプタンまたはガソリンを溶剤として、60～90℃および常圧の条件下で重合が行われる。反応装置には、一般に釜式反応器または立式塔型反応器が用いられる。タワー型反応器を使用する場合、タワーの底部には多層式の撹拌スクリューを設置する必要がある。 ジーグラー法の製造工程は、まず溶剤に懸濁させた触媒とエチレン原料を反応装置に送り込んで重合させる。この重合反応は発熱反応であるため、所定の反応温度まで冷却する必要がある。次に、重合生成物を触媒分解槽に移し、メタノールを加えて触媒を分解させる。最後にろ過・乾燥を行うことで、平均分子量が100万～500万のUHMWPE製品が得られる。 ソルベイ法 ソルベイ法は、フィリップス法で用いられる環状反応器と、マグネシウム化合物を担体とするジーグラー系の高効率触媒を組み合わせた新しい製造方法である。 ソルベイ法では、四塩化チタンを触媒とし、アルキルアルミニウム化合物などを活性化剤として用いる。触媒担体には、焼成して大孔を形成させたMgCl2またはMgClOHが多く使用される。この方法の特徴は、触媒を比表面積の大きい担体に吸着させ、結晶構造を展開させることで、ほとんどの遷移金属原子が重合活性中心として機能する点にあり、触媒効率は50～600kg/4Tioに達する。 重合反応は閉回路型の反応管内で行われ、外部には冷水ジャケットがあり、内部には高速タービン式撹拌器が設置されて触媒を均一にし、供給されるエチレンおよび密度を調整する共重合単量体と混合させる。反応温度は80～90℃、エチレン分圧は1.0MPa、反応時間は2～3時間。生成されたスラリーを遠心分離してフィルタープレートを得り、そのフィルタープレートに蒸気を吹き付けて残留溶剤を除去した後、気流乾燥を行うことで、平均分子量が150万～600万のUHMWPEを製造することができる。 溶液法では、Cr2O3を触媒とし、Al2O3-SiO2を担体として使用する。溶剤としてはC6アルカンを用い、ポリマーの融点よりも高い170～180℃で重合反応を行う。圧力は1.96～2.94MPaの範囲で制御される。次に、エチレンと少量の共重合単量体であるヘキセンを原料とし、重合反応時にエチレンおよびポリエチレンをいずれも溶剤に溶解させて均一な反応系を形成する。重合反応が終了した後は、フラッシュ蒸発によってエチレンを除去し、その後遠心分離、濃縮、冷却を経てポリマーを回収する。この方法により、平均分子量が100万以上のUHMWPEを製造することができる。 応用編 現在、UHMWPEは繊維、製紙、包装、輸送、印刷、化学、鉱業、石油、建設、電気、食品、医療、スポーツなどの分野で広く利用されており、通常兵器や船舶、自動車といった分野にも進出し始めています。今後は宇宙航空や原子力などの分野にも拡大される予定です。 耐摩耗性および耐衝撃性が求められる用途 1.1 繊維機械 繊維機械はUHMWPEが最も早くから利用されてきた分野であり、1958年にはすでに数社がUHMWPEを使って繊維機械の部品を製造していました。例えば、靭性材料の中でも最も耐久性に優れるとされる水牛革に代わって織機用のピンを作製したのですが、これは毎分40～180回という長期間にわたる振動や衝撃に耐えることができ、その寿命は水牛革製のピンの5～6倍にも達します。現在、海外では各織機に平均して約30点のUHMWPE製部品が使用されており、例えばシャトル投入装置、シャトル打撃棒、歯車、カップラー、スキャンバー、緩衝ブロック、シャフトリング、揺動後梁など、衝撃や摩耗に耐える部品です。 1.2、製紙機械 製紙機械はUHMWPEが応用される2番目の産業分野であり、約1960年に一部の木材切断機の搬送装置に初めてUHMWPE製の耐摩耗ストリップが取り付けられました。これによりベースプレートやチェーンが効果的に保護され、5年間ほど使用してもほとんど摩耗しませんでした。推定によると、耐摩耗ストリップの寿命はチェーンの寿命の2倍以上である。UHMWPEやステンレス鋼、メープル材、鋳造ポリウレタン、積層フェノール樹脂などの耐摩耗材料がすべて吸水箱のカバープレートとして使用されているが、重要なのはUHMWPE製カバープレートが吸水箱上のステンレス鋼製ワイヤーメッシュに対する抵抗力が**他の材料よりも低いという点であり、これにより高価なステンレス鋼製ワイヤーメッシュの使用寿命を延ばすことができるのである。今日、製紙業界で必要とされるUHMWPEの量は全体の10％を占めており、UHMWPEを用いて製紙機のスクレーパー、吸水タンクのカバープレート、圧縮部品、接続部などが製造されている；また、UHMWPEは製紙機械のシール軸棒、偏向輪、スクレーパー、フィルターなどの部品を製造するためにも使用される。 1.3 包装機械 UHMWPEの耐摩耗性の高さ、低い摩擦係数、および非粘着性により、包装機械においては一部の金属や他のプラスチックよりも適しており、リン青銅やフッ素樹脂の代用として使用できる。 UHMWPEを改質フッ素プラスチックに代わってガイドレールや搬送装置のスライダーソケット、固定板などに使用することで、**設備投資コストを削減できるだけでなく、使用寿命も10～50倍に延ばすことができます。 ある液体洗剤製造ライン装置にあるタイミングスターウォッチは、従来の積層熱硬化性プラスチックに代わってUHMWPEを使用したことで、以前は摩耗しやすく、瓶に傷がつきやすく、軟化しやすかったという問題が解決された。**予備部品費用も削減されており、UHMWPE製のタイミングスクリューも多くの瓶詰めラインで標準部品として使用されている。 欧州の大手ビール会社が、UHMWPEを使用して約1.6kmの長さの板材式のボトルコンベヤーを製造しました。これはブリンジングブロンズ製のコンベヤーよりも何倍も耐久性に優れています。 海外のある自動車組立工場の搬送ラインで、チェーンが駆動輪を動かし、カートを鋼板搬送プラットフォーム上で移動させているが、チェーンと鋼板の摩擦により、チェーンは非常に容易に損傷する。UHMWPE板を鋼板に代わって使用することで、摩耗が**低下し、同時に動力消費も減少します。 1.4、一般機械 UHMWPEは優れた耐摩耗性と耐衝撃性を持つため、機械製造業界で広く利用されており、各種の歯車、カム、インペラ、ローラー、滑車、軸受、軸受け、シールリング、削り軸、ガスケット、シールパッド、弾性カップリング、ネジなどの機械部品を製造することができる。 自己潤滑性と非粘着性を主な特徴とする用途 2.1、材料の貯蔵・輸送 UHMWPEは、石炭、セメント、石灰、鉱石粉、塩、穀物などの粉状材料を収容するためのホッパーやサイロ、スライドチャネルの内張りとして使用できる。優れた自己潤滑性と非粘着性により、これらの粉状材料が貯蔵・輸送用機器に付着することがなく、安定した輸送が可能となる。 石炭、鉱石粉、穀物などのホッパーは、かつてはステンレス製のライニングを使用して箱詰めで輸送されていたが、現在ではUHMWPEライニングが採用されている。長期にわたって使用することで発熱現象を軽減でき、宝鋼が鉱石を輸送するために使用しているホッパーもUHMWPEを採用しており、従来の金属材料を使用した場合と比べて使用寿命が10～50倍に延びる。UHMWPEを使用したホッパーのライニングは施工が容易でコストも低いため、大型発電所の石炭輸送用ホッパーにもUHMWPEライニングが採用されています。 採炭場の石炭溜めはUHMWPEで製造されており、傾斜角を低減することで採掘量を向上させることができる。40万トンの石炭を輸送しても材槽の交換が不要で、マグネシウム合金製の流材槽と比べて使用寿命は2倍になる。 UHMWPEは流砂などの固体輸送用パイプとして使用され、鋼管と比べて寿命が18倍延び、コストは1/25に低下します。また、ナイロン管と比べても寿命が3倍延び、コストは1/8に低下します。輸送時の管内抵抗は金属管より25％低く、**輸送効率が向上します。 スライド溝、ショベル、鉱石車両の内張りなどに従来の金属材料を使用する場合、寒く湿った天候では物質が金属に凍着してしまいますが、UHMWPEを使用すればそうならず、その結果**荷降ろし時間が短縮されます。バルクキャリアのダンプファンネルにUHMWPE板を内張りすることで、平均的な荷降ろし時間は元の16～20時間から8時間に短縮された。 2.2 農業・建設機械 UHMWPEは自己潤滑性に優れており、土がその表面で容易に滑り、粘着することがない。また、衝撃耐性や耐摩耗性にも優れているため、農業や建設機械の部品製造に適している。コンバインのスライドプレート、プラウの外側シール板、土取り機のスクレーパー、掘削機のショベルの内側シール、ダンプトラックの車体内部のシールなどに使用することで、作業効率を大幅に向上させ、エネルギー消費を削減できる。 2.3 文房具 UHMWPEの自己潤滑性、耐摩耗性、耐寒性を活かし、スケートやスキー板のボードに使用される。欧米では主にUHMWPEを用いて製造されている；UHMWPEでスキーコースを覆う（層厚20mm）ことで、スケートボードの最高速度は110km/hに達する。 日本の三井石油化学が製造したUHMWPE製のスケートリンクは、1975年に鹿児島県で一般公開され、その建設費用は通常のスケートリンクの1/4でした。 耐腐食性と不吸水性を主な特徴とする用途として、UHMWPEは優れた化学的安定性と不吸水性を持っており、各種溶液を貯蔵するための容器の内張り材や、フロート、受水槽、ガソリンタンク、農薬用容器、また太陽光発電装置用の排水容器など、さまざまな大型包装容器として利用される。これもUHMWPEが現在、最も広く応用されている分野の一つです。 UHMWPE容器は優れた落下衝撃強度を持っています。容器に20kgの水を入れ、高所から厚さ10mmの鉄板に落下させた場合、通常のポリエチレン製容器の破壊高さは9m程度ですが、UHMWPE製容器では15m以上にも達します。 衛生的で無毒性であることを主な特徴とする応用 4.1、食品・飲料業界 UHMWPEは、食品業界で求められる無毒性、耐水性、および非粘着性を備えている。食品と直接接触してもよい材料として指定されています。ビール、清涼飲料水、調味料などの搬送ラインに使用できます。物品を輸送する際に、ボトルなどの破損を防ぎ、騒音を低減し、コンベヤーベルトや搬送スクリューなどの摩耗を軽減できるほか、電力消費も削減できます。また、肉類や牛乳、お菓子や漬物、パン製品の生産設備の部品としても使用されます。 4.2、医療分野　UHMWPEは優れた生理的無反応性と適応性を持っており、アメリカ食品医薬品局や農務省の承認を受けて、心臓弁や整形外科用部品、人工関節、避妊用インプラントなど、医薬品や人体と接する分野での臨床使用が可能であり、理想的な医療用高分子材料です。UHMWPEで作られた肩甲骨と金属製の大腿骨からなる人工股関節は、PTFEよりも耐摩耗性と安全性に優れている。現在、世界中で数十万人がこの種の人工関節の置換手術を受けています。 その他の性能の応用 5.1、耐低温性の応用 UHMWPEは優れた耐低温性能を持ち、さまざまな冷凍機械に利用できるほか、原子力産業における耐低温部品としても使用可能であり、低温超伝導分野では理想的な絶縁材料となります。UHMWPEは放射線に対して優れた遮蔽効果を持つため、原子力発電所の遮蔽板として使用できる。 5.2、電気絶縁性能の応用 UHMWPEは電気絶縁性能に優れており、特に誘電損失正接値が低いため、メッキ槽やローラー、また高周波・超高周波帯域で使用される絶縁子、絶縁トレイ、ケーブル管、ショートサーキットブレーカー、ケーブル端子、その他の電気機器の製造に利用できる。 欠点の編集：他の工程プラスチックと比較して、UHMWPEは耐熱性、剛性、硬度が低いが、「充填」や「架橋」といった方法によって改善することができる；耐熱性について見ると、UHMWPEの融点（136℃）は通常のポリエチレンとほぼ同じですが、分子量が大きく融解粘度も高いため、加工が困難です。 問題です：高分子ポリエチレン材料の性能や分子量はどのようにして検査するのか、また検査基準とは何でしょうか？