事例で学ぶ!プラスチック加工における事故原因を検証するための重要なポイント

プラスチック成形品に関するさまざまな事故を回避するためには、その原料となる合成樹脂の種類と特性、プラスチック成形品が使われる環境や使用期間を知った上で、最適な合成樹脂と加工方法を選択することが重要です。 この記事では、プラスチック加工における事故を解析する際の大事なポイント具体例を用いた仮説についてお話します。

事故を解析する際の大事なポイント

事故の原因究明から対策までの流れを5つのステップに分け、各ステップの概要と重要なポイントを見ていきましょう。

製品の事故解析の一般的な流れ <図1>製品の事故解析の一般的な流れ

ステップ1 発生した事故の現象を把握する

事故が発生したら、事故の状況をできるだけ正確に把握することが第一歩です。
その際、主なポイントとなるのが、事故品の「製造時期」、事故の「発生地域」、そして、事故品の「使用環境」と「原料の保管環境」です。特に使用環境の確認は極めて重要です。

(1)製造時期

例えば、PETボトルなどに使われている熱可塑性樹脂であるポリエチレンテレフタレート(PET)の場合、乾燥状態での成形加工が不可欠です。
しかしながら、空調設備が整った環境でも、梅雨時など湿度の多い時期には、工場施設内に湿気が入ることで、成形中にPETが加水分解して不良品が発生するといった例がよく見受けられます。

(2)発生地域

事故が発生した地域における、温度、湿度、日照時間や、大気環境がどのようになっているか把握する必要があります。金属材料が一般的な生活環境下の気温や湿度の変化に強い一方で、合成樹脂は比較的に変形が起こりやすくなります。また、日照時間が長い地域においては、紫外線による劣化も無視することができません。

(3)使用環境

把握すべき点は、使用期間、温度、オイル・溶剤の有無、オゾンの有無、酸・アルカリ・金属接触の有無です。これらはいずれもプラスチック成形品の劣化、破裂に関係するため、入念な調査が不可欠です。

(4)原料の保管環境

合成樹脂、合成樹脂に配合する各種添加剤はいずれも、空気や湿気に長期間さらされることで品質が低下します。熱可塑性樹脂で、汎用エンプラとして生産量が最も高いポリカーボネイト(PC)や、透明性・耐候性に優れ、高速道路の防音シートなどに多用されるメタクリル樹脂(PMMA)は非結晶性樹脂においては、有機溶剤の種類によってソルベントクラック(※)などのトラブルが起こることも知られているため、有機溶剤にさらされる環境で使われる場合、注意が必要です。

ステップ2 事故原因の仮設を立てる

事故の発生状況を把握したら、事故原因を推定し仮説を立てます。 仮説を立てる際には分析ツールや解析ツールを用いたり、また、製品を過酷な条件の下におき、本来長期間で起こる劣化現象を短期間で起こさせ、劣化現象の再現を図る「加速再現実験」なども実施します。また、過去に発生した類似事例や経験則等も仮説を立てる際に重要となります。

ステップ3 事故原因の仮説を検証する

(2)で立てた仮説を検証するために、製品についてほとんどすべての仕様を再検討します。 原料の再選定や保管方法、プラスチック成形品の設計や、成形方法を改めて検討しなおします。

ステップ4 対策を実施する

事故の原因を特定し、仮説を検証することで対策が固まったら、実験を行い問題がないことを確認します。

ステップ5 生産再開。過去事例として知識化、共有化する

(1)~(4)までを行い、事故のメカニズムと対策までを完全に理解すること、ようやく生産を再開することができます。そして、これまでの調査結果や講じた対策はすべて記録に残し、過去の事例として知識化、共有化し、今後に生かすことも忘れてはなりません。

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プラスチック成形品には、原料となる合成樹脂の保存過程、成形品の成形過程、使用過程などあらゆる過程の中に、事故が発生する要因が潜んでいます。事故が発生してしまった場合には、以上のような手順と解析手法に基づき、原因を究明するとともに、再発防止に向けて、調査結果や講じた対策の記録とその知識化、共有化が重要です。

しかし、仮説検証には多くの実験が必要となり、サンプル手配だけでも大変な場合があります。 実験を行う際の規格試験片やカスタマイズが必要な試験片をお探しの場合に相談できる加工業者をご紹介します。

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事例 プラスチック事故の仮説と検証方法

<図2>

事故の原因究明から対策までの流れを5つのステップに分け、各ステップの概要と重要なポイントを見ていきましょう。

仮説1 成形工程で樹脂が分解し、強度が低下した

コップに飲み物を入れた際に、持ち手が取れてしまった場合、分解の要因としては、酸素などが存在しない状態の中で強く加熱することによって起こる熱分解、原料となる合成樹脂と水との反応によって起こる加水分解、他の樹脂の混合による熱分解の主に3点が考えられます。

【検証方法】

平均分子量測定(粘土法、GPC法)、熱分解性評価(DSC(示差走査熱量測定))、TG法(熱重量測定))、混入樹脂の分析(赤外分光分析法)、MFR測定などがあります。

GPC法とはゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)を使った分析法で、合成樹脂など高分子の分子量分布および平均分子量を求めることができます。また、TG法(熱重量測定)では、測定試料(サンプル)の酸化、熱分解、脱水などの重量変化、耐熱性の評価や反応速度の分析に利用することができます。一方、MFR測定とは、メトロフローレイト(MFR)を測定することです。MFRは溶融樹脂の流動性の大きさのことで、この値から分子量の大きさを推定することができます。GPC法に比べ測定が簡便なため、熱可塑性樹脂の品質管理のための典型的なインデックスです。

仮説2 分子配向が影響した

容器部分に一様にヒビが入っている場合、分子配向によって配向に直角方向に弱く割れたという仮説です。合成樹脂は成形加工を行う際、延伸することで各種特性を獲得します。その際の延伸温度や速度の違いが、プラスチック成形品の特性に影響を与えます。また、脆弱性の要因にもなります。したがって、延伸によって生じる分子の配向性を評価することが重要です。

【検証方法】

強さの異方性の測定、加熱収縮率測定、偏光ラマン測定などがあります。例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)の場合、偏光ラマン測定により分子配向性を評価できます。偏光ラマン測定とは、照射レーザーやラマン散乱の偏光方向を変えて測定することで、分子配向の方向などを評価できる測定法です。

仮説3 残留応力により割れた

未使用のまま保管していたのに、持ち手が割れていた場合、合成樹脂を射出成形する際には、その過程で、成形品内部に応力が発生し残存します。それが残留応力です。残留応力は成形品の性能や耐久性に影響するため、それを把握することは極めて重要です。残留応力による割れとしては、ストレスクラックやソルベントクラック現象があります。

【検証方法】

溶剤浸漬法や試片切削法による残留応力測定があります。付着物のソルベントクラック試験も有用です。 溶剤浸漬法は、特定の応力によりプラスチック成形品にクラックを発生させる薬品にプラスチック成形品を浸漬し、クラックの発生状況を観察することで、残留応力レベルを測定する方法です。一方、付着物のソルベントクラック試験とは、種々の薬品や溶剤、油と残留応力との相互作用によってプラスチック成形品の表面にクラックが発生するか否かを調べ、薬品に対する強度を評価するというものです。

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この記事で取り上げているのは、プラスチック成形品に関する事故のいくつかの典型例とその仮説、仮説の検証方法の一例です。
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