溶融粘度特性、流動性

Fig.6.9　メルトフローレイト

MFRは、シリンダー（加熱筒）内で溶融させた試料に、一定の重りをかけオリフィスより押出す試料の吐出量（標線間）を10分間あたりの重量（単位：g/10分）に換算して表す流動性の指標です。（Fig.6.9）同一のシリンダー温度および荷重条件であれば、MFRの値が高い材料ほど流動性が良いことを示しています。
ただし、通常PPSはせん断速度（または時間）によって変化する非ニュートン流体であるため、射出成形のように成形条件や成形品形状により見掛けのせん断速度が大きく変化する場合は成形時の流動性とMFRの関係が一致しない場合があります。その場合、次項に記載するキャピラリーレオメーターによる溶融粘度測定が有効です。

Fig.6.10　キャピラリーレオメーター

キャピラリーレオメーターは、MFRと同様にシリンダー内で溶融させた試料をキャピラリー（毛細管）を通して押出す試験方法です。MFRと異なるのは単位時間あたりの樹脂重量ではなく、溶融粘度（単位：Pa･sec）として求めることができる点です。キャピラリーレオメーターは模式図（Fig.6.10）に示す通り、一定速度のピストンで溶融樹脂を押出した際の荷重をロードセルによって検出し、式6.2～6.5に従い溶融粘度を求めます。また、非ニュートン流体であるPPSはピストンの速度（せん断速度）によって検出荷重（せん断応力）が変化するため、ピストン速度を任意に変更することにより溶融粘度のせん断速度依存性を求めることができます。但し、計算により求めたせん断速度は、キャピラリー壁における真のせん断速度（またはせん断応力）ではなく見掛けのせん断速度（またはせん断応力）と呼ばれています。CAE解析で用いる場合は、バーグレー補正やラビノビッチ補正などにより真値に補正して解析精度を向上させています。なお、本技術資料では特に記載がなければ未補正のせん断速度及びせん断応力を扱っています。

Fig.6.11 せん断速度依存性（320℃、L/D＝40/1）
Fig.6.12 温度依存性（L/D＝40/1、せん断速度：608/sec）

一般的に、溶融粘度のせん断速度依存性は、広い範囲の特性を示すため両対数グラフで表されます。PPSは、せん断速度に依存して溶融粘度が変化し、特にせん断速度の増加に伴い溶融粘度が低下することから擬塑性流体に分類されます。
Fｉｇ.6.11はトレリナ™のガラス繊維強化PPSの溶融粘度とせん断速度の関係を示しています。せん断速度依存性の傾きはポリマー構造や添加剤種など様々な複合要因によりますが、特にPPSでは架橋型PPSとリニア型PPSによってせん断速度依存性の傾きに違いが生じます。架橋型PPSはせん断速度に対して感度が高く傾きが大きいのに対して、リニア型PPSは傾きが小さい傾向を示します。
また、溶融粘度は温度依存性があることから、温度上昇に伴い溶融粘度は低下します。(Fig.6.12)　射出成形では、射出速度を速くすることにより金型への充填性が向上することがあります。この理由には、高せん断速度にて粘度低下が起こる（せん断速度依存性）ことに加えて、せん断発熱による樹脂温度の上昇（温度依存性）も影響していると考えられます。溶融粘度特性を用いて流動性を判断する場合は、成形方法や形状に合わせて適切なせん断速度範囲を確認する必要がありますが、射出成形においては、おおよそ100～1000(/sec)の領域が流動性の一つの目安となります。