フィラーは生産コストを削減し、利益率を高めるだけでなく、耐熱性、耐腐食性、表面硬度、強度、耐摩耗性、難燃性、断熱性といった特性をある程度向上させます。プラスチックでは、ガラス繊維、炭酸カルシウム、ガラスミクロスフェア、ケイ酸塩鉱物、二酸化チタンなどのフィラーが一般的に使用されています。
ガラス繊維
ガラス繊維はエンジニアリングプラスチックに広く使用されている充填材です。主成分は二酸化ケイ素とその他の金属酸化物です。国際的に主流の生産方法は、タンク炉延伸法です。ガラス繊維は、ガラス中のアルカリ含有量に基づいて、無アルカリガラス繊維、中アルカリガラス繊維、高アルカリガラス繊維に分類されます。エンジニアリングプラスチックには、主に無アルカリチョップドガラス繊維と無撚長ガラス繊維が使用されています。ガラス繊維を添加することで、エンジニアリングプラスチックは以下のような変化を遂げます。
利点:
剛性と硬度の向上: ガラス繊維を添加すると、プラスチックの強度と剛性が向上します。
耐熱性と熱たわみ温度の向上：例えば、ナイロンにガラス繊維を添加すると、熱たわみ温度が少なくとも30℃上昇します。一般的に、ガラス繊維強化ナイロンは220℃以上の温度に耐えることができます。
その他の利点としては、寸法安定性の向上と収縮の低減、反り変形の低減、クリープの低減、吸湿性の低減などが挙げられます。
デメリット:
製品の弾性率を高めると、靭性が低下する可能性があります。ウィック効果により難燃性に悪影響を与え、難燃システムの機能に悪影響を与え、その効果を低下させます。また、露出したガラス繊維は、プラスチック製品の表面光沢を低下させる可能性があります。
ガラス繊維の長さは材料の脆さに直接影響します。加工不良な短繊維は衝撃強度を低下させる可能性がありますが、加工不良な長繊維は衝撃強度を向上させる可能性があります。脆さを最小限に抑えるには、適切な繊維長を選択することが重要です。
製品中の繊維含有量も重要です。業界標準では、製品の用途に応じて、15%、25%、30%、50%などの整数パーセンテージが一般的に使用されます。
最適な機械的特性と表面効果を実現するには、繊維の直径、長さ、改質時の表面処理、繊維含有量を慎重に考慮する必要があります。
炭酸カルシウム
炭酸カルシウム製品は、重質炭酸カルシウムと軽質炭酸カルシウムに分けられます。重質炭酸カルシウム（GCCと略記）は、天然の方解石、石灰石、チョーク、貝殻などを機械的に粉砕して製造されます。「重質」と呼ばれるのは、軽質炭酸カルシウムに比べて沈降量が少ないためです。現在、GCCの工業生産には、乾式法と湿式法の2つのプロセスがあります。乾式法は、湿式法に比べてコスト効率が高く、幅広い用途に使用できる製品です。
軽質炭酸カルシウム（PCCまたは沈降炭酸カルシウム）は、石灰石などの原料を焼成して石灰（主に酸化カルシウムと二酸化炭素）を生成することで製造されます。この石灰を水和させて石灰乳（主に水酸化カルシウム）を生成し、これを二酸化炭素で炭酸化させることで炭酸カルシウムを沈殿させます。最後に、脱水、乾燥、粉砕して製造されます。あるいは、炭酸ナトリウムと塩化カルシウムの複分解反応によって炭酸カルシウム沈殿物を生成させ、これを脱水、乾燥、粉砕することによっても製造されます。
炭酸カルシウムは、PPの強化と強靭化に使用された最も古い無機充填剤の一つです。ミクロンサイズの炭酸カルシウムは、長年にわたり主要な用途として使用されてきました。研究によると、炭酸カルシウムを添加するとPPの衝撃強度は向上しますが、引張強度は低下することが示されています。軽質炭酸カルシウムは衝撃強度と降伏強度の両方を向上させることができ、ステアリン酸処理したPCCはより良い結果を示しています。チタン酸カップリング剤処理した炭酸カルシウムは、PPの衝撃強度を大幅に向上させます。
ナノサイズの炭酸カルシウムの登場により、ナノCaCO₃はPPの強化と強靭化を同時に実現し、ミクロンサイズの炭酸カルシウムよりも優れた強化効果を発揮することが明らかになりました。研究によると、ナノCaCO₃の形態は複合材料の機械的特性に大きな影響を与えることが示されています。立方晶ナノCaCO₃は衝撃性能を向上させ、繊維状ナノCaCO₃は引張特性を向上させます。また、ナノCaCO₃はPPの球晶を微細化し、β結晶の形成を促進します。
ガラスマイクロスフィア
ガラスマイクロスフィアは、中実と中空の両方を含む新しいタイプのケイ酸塩材料です。通常、粒径0.5～5mmのガラスビーズはファインビーズ、0.4mm未満のガラスビーズはマイクロビーズと呼ばれます。マイクロビーズは、フライアッシュから抽出された軽量の球状粒子であるフライアッシュガラスマイクロスフィアなど、様々な原料から得られます。主成分は二酸化ケイ素で、その他様々な金属酸化物が含まれています。フライアッシュガラスマイクロスフィアは、耐熱性、低熱伝導性などの利点を有しています。プラスチックの充填剤として使用すると、耐摩耗性、耐圧縮性、難燃性が向上します。独特の球形形状により加工流動性が向上し、滑らかな表面は製品の光沢を高め、汚れの付着を軽減します。
ガラスマイクロスフィアは、PPの強化と強靭化に広く使用されています。研究によると、ガラスマイクロスフィアの含有量が増加すると、単軸および二軸押出PP/ガラスマイクロスフィア複合材料の引張弾性率、曲げ強度、弾性率は直線的に増加しますが、降伏強度はわずかに低下します。破壊ひずみは含有量が少ない場合は向上しますが、含有量が多い場合は急激に低下します。単軸および二軸押出材料の衝撃強度は、ガラスマイクロスフィアの含有量が一定範囲内であれば向上し、増加します。単軸押出材料の衝撃強度は、二軸押出材料の衝撃強度よりもわずかに高くなります。ガラスマイクロスフィアの粒子サイズは、PP/ガラスマイクロスフィア複合材料の靭性に大きな影響を与えます。
ケイ酸塩鉱物
最も広く使用され研究されているケイ酸塩鉱物には、タルク、モンモリロナイト (MMT)、ウォラストナイトなどがあり、アタパルジャイトとゼオライトもかなりの注目を集めています。
タルクとMMTは層状ケイ酸塩鉱物です。タルクはシート状構造を持つマグネシウムケイ酸塩鉱物です。一般的に、粒子が細かいほど分散性が向上し、材料の熱変形温度と表面平滑性が向上します。MMTは層間間隔が広く、インターカレーション法によるPP複合材料の製造によく使用されます。MMTはPPマトリックス内に良好なインターカレーション構造を形成し、耐衝撃性と寸法安定性を向上させます。
アタパルジャイト（ATP）は鎖状層状珪酸塩です。天然の一次元ナノ材料である珪酸塩鉱物で、針状または短繊維状の単結晶を基本構造単位としています。ATPはポリプロピレンとマイクロレベルのフィラーとナノレベルの強化材の両方で複合化することができ、材料の機械的特性を向上させます。この新しいタイプの粘土短繊維は、一般的なガラス繊維強化樹脂の欠点である流動性の悪さ、外観の粗さ、加工設備の摩耗の激しさを克服しており、開発価値が非常に高いです。
ウォラストナイトは単鎖珪酸塩鉱物で、通常はシート状、放射状、または繊維状の集合体として存在します。研究によると、ウォラストナイトを充填したプラスチックは、機械的特性を向上させるだけでなく、ガラス繊維の代替としてコストを削減できることが示されています。しかし、充填剤の含有量が増えると複合材料の硬度が上昇し、加工設備に著しい摩耗を引き起こします。
ゼオライトは骨格珪酸塩鉱物です。その豊富な細孔構造は機能性粒子の吸着・担持を可能にし、高機能ポリプロピレン複合材料の製造を可能にし、製品価値の向上に貢献します。そのため、PP/ゼオライト機能性複合材料の開発は大きな可能性を秘めており、現在、研究のホットスポットとなっています。
二酸化チタン
二酸化チタンの化学組成はTiO₂です。結晶構造によってルチル型とアナターゼ型に分けられます。ルチル型は最も安定した結晶構造で、緻密な構造をしており、アナターゼ型よりも硬度、耐候性、耐チョーキング性に優れています。また、大気中の様々な化学物質に対して安定しており、水に不溶性で、耐熱性にも優れています。二酸化チタンを添加することで、製品の白色度が向上するだけでなく、紫外線によるダメージを軽減し、ポリプロピレンの光老化耐性が向上します。さらに、製品の剛性、硬度、耐摩耗性も向上します。しかし、PPやPAなどの結晶性材料との相溶性が低いため、相溶性を向上させるための改質が必要です。
エピックパウダー
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