環境応力亀裂

環境応力亀裂

要点

• ESCが起きるには、応力と化学物質の両方が同時に必要で、どちらか一方だけでは破損しません。
• 使用中のプラスチック部品の破損の単一の原因として最大であると広く言われています。
• 化学物質がポリマーを化学的に侵す必要はありません。応力のない部品では無害な物質が多くあります。
• 最も影響を受けやすいのは非晶性ポリマーで、特にポリカーボネートとABSが顕著です。

環境応力亀裂

環境応力亀裂（ESC）は、機械的応力と化学物質との接触が組み合わさって作用することで、ポリマーが脆性破壊する現象で、応力の大きさも化学物質の濃度も、それぞれ単独では無害な水準で起こります。この破損は化学的ではなく物理的なもので、ポリマーに大きな劣化は生じません。だからこそ原因の見落としが起こりやすくなります。

化学物質はポリマー表面に浸透して応力のかかる領域を可塑化し、局所的なクレーズ（微細亀裂）への抵抗を低下させます。クレーズが発生して合体し亀裂となり、材料は本来延性であるにもかかわらず、部品は脆性的に破損します。破損した部品を分析すると、ポリマーが完全に仕様の範囲内であることも多く、ESCの破損が材料不良だと繰り返し誤診断される原因となっています。

3つの要件

3つのうち1つでも取り除けば、破損は起こりません。これがあらゆる予防策の実際的な根拠であり、通常は応力への対処が最も安価です。

ポリマー別の感受性

加飾・マーキングで問題となる理由

ESCは、成形後の工程でまさに繰り返し起こる、見過ごされがちなリスクです。これらの工程は応力と化学物質の両方を持ち込むためです。

• レーザーマーキングは、成形時の残留応力に加えて局所的な熱応力を与えます。ポリカーボネートやアクリルでは、クレーズがマーキングの直後ではなく数時間から数日後に現れることがあり、機械の前で検査に合格した部品が次のシフトで破損することがあります。
• インク、接着剤、プライマー、およびそれらの溶剤は、応力のかかった表面に直接塗布される化学物質です。碁盤目密着試験に合格しても、使用中にインクが亀裂の起点になるかどうかは分かりません。
• 加飾前の洗浄工程はしばしば原因となります。イソプロパノールは接着前の標準的な拭き取りですが、ABSやアクリルに対するESCを起こす物質としてもよく知られています。
• ゲート、ウェルドライン、リブの根元をまたいでマーキングすると、残留応力が集中するまさにその場所に熱が加わります。
• 組立時のひずみが重なります。問題なく加飾された部品でも、スナップフィットやねじ止めで組み立てると、不足していた応力が組立によって加わるため、亀裂が入ることがあります。

予防と試験

• 残留応力を低減してください。用途に応じてアニールを行い、ゲート位置と冷却を最適化し、鋭い内角を避けます。3つの手段のうち、通常は最も安価です。
• 部品が接触するすべての化学物質をスクリーニングしてください。意図したものだけでなく、洗浄剤、ハンドクリーム、潤滑剤、隣接部品から移行する可塑剤も対象です。
• 平らな試験片ではなく、応力をかけた状態で試験してください。これは最もよくある試験上の誤りです。曲げ短冊法や楕円治具法は、化学物質への暴露中に既知のひずみを与えるもので、両者の相互作用が現れる唯一の方法です。ASTM D543は耐薬品性を、ASTM D1693は従来からのポリエチレンのESCR試験法を対象としています。
• プロセス開発中に残留応力を明らかにするため、溶剤応力試験を用いてください。管理された暴露により、応力集中が市場での破損に至る前に、クレーズとして可視化されます。
• 時間を置いて検査してください。クレーズは部品がセルを離れた後に発生することが多いため、適格性確認に24時間以上後の再検査を組み込みます。

ESC破損の見分け方

調査の際は、材料試験だけで結論を出さないようにしてください。ESCの調査では、応力状態と化学物質への暴露履歴を合わせて再構築する必要があります。材料データだけを見ても、特に問題のない結果になるためです。

関連用語と参考情報

• ポリカーボネート
• 密着不良
• 故障解析とエンジニアリングサービス
• プラスチックのレーザーマーキングソリューション
• 促進劣化試験

実運用での活用

The Sabreen Groupは、故障解析、環境応力亀裂の調査、材料適合性のスクリーニングについて、独立した立場でエンジニアリング支援を提供しています。プロセスの仕様策定、材料の適格性確認、生産上の問題のトラブルシューティングなど、当社のエンジニアリングサービスチームがお手伝いします。お客様の用途について、ぜひお問い合わせください。

よくある質問

環境応力亀裂の原因は何ですか？

感受性のあるポリマーに、引張応力と化学物質が同時に存在することです。関係する水準では、どちらか一方だけでは破損しないため、ESCは見落とされやすくなります。応力は設計限界の範囲内で、化学物質も材料のデータシートで適合とされているものだからです。クレーズへの抵抗を低下させるのは、両者の相互作用です。

故障解析で材料が仕様の範囲内と判定されることが多いのはなぜですか？

ESCは化学的ではなく物理的な破損だからです。化学物質は、ポリマーを大きく劣化させることなく、応力のかかった領域を可塑化してクレーズを促進するため、破損した部品を試験しても、分子量、組成、機械的特性がすべて正常となります。この結果から、材料は問題なく荷重が過大だったという誤った結論に至ることがよくあります。

最も影響を受けやすいプラスチックはどれですか？

非晶性ポリマー、特にポリスチレン、アクリル、ABS、ポリカーボネートです。ポリプロピレンなどの半結晶性ポリマーは、結晶領域が化学物質の浸透を妨げるため、耐性が高くなります。PPSやPEEKのような高温用の芳香族ポリマーは非常に耐性が高く、コストが高くても過酷な化学環境向けに指定される理由の一つとなっています。

ESC耐性はどのように試験すべきですか？

応力をかけた状態で行います。応力のない平らな試験片を薬品に浸す試験は、調べようとしている相互作用そのものを取り除くため、ほぼ確実に合格してしまい、最もよくある誤りです。曲げ短冊法や楕円治具法は、暴露中に既知のひずみを与えます。ASTM D543は耐薬品性を、ASTM D1693は従来からのポリエチレンの試験法を対象としています。洗浄剤を含め、部品が実際に接触するすべての化学物質をスクリーニングしてください。

レーザーマーキングは応力亀裂を引き起こしますか？

引き起こす一因となりえます。成形時の残留応力に局所的な熱応力が加わるためで、特にポリカーボネートやアクリルで、また、応力がすでに集中しているゲート、ウェルドライン、リブの根元をマークがまたぐ場合に顕著です。クレーズは機械の前ではなく数時間から数日後に現れることが多いため、適格性確認では、直後の目視確認に頼らず、時間を置いた再検査を含めてください。

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