なぜ一部のプラスチック製品が、強度、耐久性、そしてコスト効率において他の製品よりも優れているのか、不思議に思ったことはありませんか？その秘密は、多くの場合、ベースポリマー自体ではなく、機能性フィラーによる高度なプラスチック改質技術にあります。これらのミネラルパウダーを適切に選択して配合することで、材料特性を劇的に向上させながら、生産コストを削減することができます。
このシリーズの第1回では、一見普通の粉末がプラスチックを高性能材料へと変貌させる仕組みを紐解きます。広く使用されている炭酸カルシウムから、特殊なタルクやウォラストナイトまで、それぞれのフィラーがポリマー複合材料に独自の利点をもたらします。これらの「フィラーのオールスター」の背後にある科学を探り、より優れた、よりスマートなプラスチック製品の開発にどのように貢献しているかを探ります。
炭酸カルシウム
炭酸カルシウム（CaCO₃）は現在、最も広く使用されている粉末状の無機充填剤です。安価で、入手しやすく、無毒、無臭で、最高96%の白色度を有し、着色が容易で、優れた化学的安定性を備えています。また、乾燥しやすいため、多くのプラスチックに広く使用されています。充填剤の観点から、炭酸カルシウムは重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、活性炭酸カルシウムの3種類に分けられます。
重炭酸カルシウム
重質炭酸カルシウム（重質炭酸カルシウム）は、石灰石などの原料を機械的に粉砕、選別、分級、表面処理することで製造されます。粉砕方法の違いにより、乾式法重質炭酸カルシウム（商品名：ダブルフライトパウダー）と湿式法重質炭酸カルシウムに分類されます。機械的に粉砕されるため、粒子の形状は不定形で、粒径も様々です。平均粒径は1～10μmです。中でも50%は3μm以下です。密度は2.7～2.9g/cm³で、水にはほとんど溶けません。近年、粉砕技術（ジェットミル粉砕など）や分級技術の進歩により、粒子径が0.1μmという超微粒子重質炭酸カルシウムなど、より微細な製品も製造可能となっています。重質炭酸カルシウムは、PVCのコスト削減と寸法安定性向上のために広く使用されています。粘土と併用することで、弾力性と耐熱性が向上します。
軽質炭酸カルシウム
軽質炭酸カルシウム（軽質カルシウム）は、化学的に製造される炭酸カルシウムで、沈降炭酸カルシウムとも呼ばれます。粒子は主に紡錘形、針状、または柱状で、直径は1～10μmです。中でも80%は3μm未満で、密度は2.65g/cm³です。軽質炭酸カルシウムはポリオレフィンによく使用され、重質炭酸カルシウムと同様の用途で使用されます。より優れた補強効果と耐酸性を備えています。
活性炭酸カルシウム
活性炭酸カルシウムは、コロイド状炭酸カルシウムまたは改質炭酸カルシウムとも呼ばれ、日本では「白塩化（はくえんか）」と呼ばれています。軽質または重質炭酸カルシウム粉末の表面を表面処理剤（例えばステアリン酸、質量分率約3%）で改質して製造されます。白色で微細な軟質粉末で、密度は1.99～2.01 g/cm³です。活性炭酸カルシウムを充填したプラスチック製品は、一定の強度、滑らかな表面、良好な潤滑性、そして加工性を備えています。
炭酸カルシウムは粒子サイズによって次のように分類されます。
• 粒子径1～5μm：微粒子炭酸カルシウム
• 粒子径0.1～1μm：超微粒子炭酸カルシウム
• 粒子径0.02～0.1μm：超微粒子炭酸カルシウム
• 粒子径0.02μm以下：超微粒子炭酸カルシウム
現在、超微粒子炭酸カルシウムの製造には、主に連続噴霧炭化法と噴霧乾燥法（いわゆるダブルスプレー法）が採用されています。この方法は、炭酸カルシウムの見かけ上の凝集体を微細化し、均一な表面活性化を実現します。粒子径が0.005～0.02μmの場合、その強化効果はシリカに匹敵します。
タルクパウダー
タルクパウダー（3MgO·4SiO₂·H₂O）は、天然タルクを粉砕・精製して得られる含水ケイ酸マグネシウムを主成分としています。化学的性質が不活性で、滑らかな質感を持つ典型的な薄片状充填剤です。密度は2.7～2.8g/cm³です。タルクパウダーは、炭酸カルシウムに次いで広く使用されている充填剤です。プラスチック充填剤としては、製品の硬度、難燃性、耐酸性・耐アルカリ性、電気絶縁性、寸法安定性、耐クリープ性を向上させます。また、潤滑性も付与し、機械や金型の摩耗を軽減します。ただし、過剰に使用すると製品の溶接性に影響を及ぼす可能性があります。
タルク粉末は薄片状の構造をしており、プラスチック製品に高い剛性と低い異方性を付与するため、大型で平らな製品に適しています。タルク粉末は主にPPの結晶核剤として使用され、PPの球晶を微細化し、結晶性を高め、剛性を高めます。また、PVC、PE、PA、PCなどの樹脂にも使用でき、典型的な添加率は10%～40%です。タルク充填プラスチックの加工条件と設備は、炭酸カルシウム充填プラスチックと同様です。どちらも、押出成形、圧縮成形、射出成形、カレンダー成形によって加工でき、様々な種類のプラスチック製品を製造できます。タルク粉末は無毒で、接触する製品にも使用できます。 食べ物.
珪灰石
ウォラストナイト（CaSiO₃）は、炭酸カルシウムとタルク粉に次いで3番目に広く使用されている充填材です。天然ウォラストナイトはβ型ケイ酸カルシウムの化学構造を持ち、針状、棒状、粒状の粒子が混在していますが、針状粒子が主です。ウォラストナイトは白色結晶で、結晶水を含まず、吸湿性が低く、無毒性、熱膨張係数が低く、熱安定性が高く、化学的腐食や耐候性があり、優れた機械的・電気的特性を備えています。
ウォラストナイトの屈折率は1.62で、PVC化合物の屈折率に近いため、透明PVC製品の充填剤として好まれています。針状構造のため、ウォラストナイトはプラスチックに一定の補強効果をもたらし、高価なガラス繊維を部分的に代替することができます。PVC、PP、PE、PA、ポリエステル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの樹脂に使用でき、添加率は一般に40%未満です。シランカップリング剤による表面処理が一般的に施されています。
多用途の炭酸カルシウムから、強化材のタルクや珪灰石まで、これらの鉱物「パウダー」が、より強度が高くコスト効率の高いプラスチックを支える縁の下の力持ちであることをご紹介してきました。しかし、フィラーのラインナップはこれだけではありません！
パート2に続く…
エピックパウダーについて
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