熱可塑性エラストマー

熱可塑性エラストマー

重要ポイント

• TPEはゴムのような性質を持ちながら熱可塑性樹脂として加工できるため、成形、押出、再粉砕が可能です。
• 硬化や加硫の工程が不要で、プロセスから1工程を丸ごと省けます。
• オーバーモールドや二色成形に適しており、他の材料と容易にブレンドして感触や強度を調整できます。
• 表面エネルギーが低く印刷や接着が難しいため、通常は前処理または専用配合のインクが必要です。

熱可塑性エラストマー（TPE）

熱可塑性エラストマーは、使用時には加硫ゴムのように振る舞い、加工時には熱可塑性樹脂として扱えるポリマーです。射出成形、押出成形、再粉砕、リサイクルが可能で、不可逆的な硬化工程がありません。この特性は二相構造に由来します。常温では物理的な架橋点として働く硬質ドメインと、弾性を担う柔らかく柔軟なセグメントで構成され、加熱すると硬質ドメインが軟化して流動し、冷却すると再形成されます。

主なTPEファミリー

硬さはファミリー全体でおおよそショアA 20からショアD 70にわたるため、仕様の検討は通常、必要な硬さと使用温度から始め、その後に化学系統を絞り込みます。

熱可塑性エラストマーのレーザーマーキング

TPEは、きれいにマーキングするのが難しい材料の1つです。その理由は、TPEが有用である理由から直接導かれます。

• 融点と軟化点が低い。マークを形成できる温度と、表面が溶融・変形する温度の間の余裕が狭くなります。熱が過剰になると、鮮明なマークではなく、にじんだ光沢のある凹みになります。
• 弾性回復。材料が変形して元に戻るため、深さに頼る彫刻では輪郭が甘くなります。コントラストによるマーキングの方が適した方法です。
• ポリオレフィン系グレードは1064 nmの吸収が乏しい。TPOや多くのTPE-Sグレードは脂肪族で、ポリプロピレンのように振る舞うため、ファイバーレーザーでマーキングするにはレーザー添加剤が必要です。
• カーボンブラックの配合。多くのTPEは黒色のため、暗色の炭化マークは見えません。判読できるのは、通常、MOPAレーザーなどの短パルスレーザーで作る発泡による明るいマークだけです。

実際には、短いパルス、低い平均出力、高いマーキング速度、つまりエネルギーを素早く与えて蓄積する熱を抑えることで、最良の結果が得られます。

接着、印刷、表面処理

オレフィン系TPEはポリプロピレンと同様に表面エネルギーが低く、通常は約29～31 mN/mで、前処理なしではインク、接着剤、コーティングが乗りません。大気圧プラズマと火炎プラズマのどちらも実用的な範囲まで引き上げられますが、柔らかい表面には、硬質の成形品が許容する条件より穏やかな設定が必要です。TPUやコポリエステルのグレードは極性が高く、一般に接着や印刷が容易です。

オーバーモールド品ではさらに考慮すべき点があります。TPEと硬質基材との密着は、表面処理ではなく両者の化学的相溶性で決まります。TPE-Sはスチレン系と、TPUはポリカーボネートやABSと、TPOはポリオレフィンとよく接着します。相性の悪い組み合わせは、加工条件にかかわらず界面で剥離します。

TPEの表面処理の選択肢

TPEは、低い表面エネルギー、移行性のある添加剤、柔らかく熱に敏感な表面を併せ持つため、硬質ポリマーでは有効な前処理のいくつかが使えないか、扱いが複雑になります。実際の比較は次のとおりです。

どの方法を選んでも、処理から接着までの間隔は、他のどのポリマーファミリーよりTPEで重要です。オイルや可塑剤がすぐに表面へ移行するため、硬質ポリオレフィンなら数日持つ活性化が、ここでは数時間しか持たないことがあります。

オーバーモールドと二色成形の検討事項

量産されるTPEの大半は硬質基材にオーバーモールドされるため、接着強度は表面の問題である前に成形の問題です。

• 化学的相溶性が接着を左右します。スチレン系グレードはポリスチレンやABSとよく接着し、TPVはポリプロピレンと接着します。相溶しない基材と組み合わせても、得られるのは良くて機械的な噛み合わせにすぎず、相性の悪い組み合わせを前処理するより、接着できるグレードを指定する方がはるかに低コストです。
• 二次射出時の基材温度は、接着した部品と剥がれる部品を分ける決め手になることが多くあります。冷えたインサートでは、TPEのグレードにかかわらず接着が不十分です。
• 接合部が構造的な役割を持つ場合は、それでも機械的なロックを設計してください。貫通穴、アンダーカット、ダブテールは、不十分な化学的接着では支えきれない荷重を受け持ちます。
• 離型剤が代表的な汚染源です。オーバーモールド品では、硬質インサートに使われた離型剤が界面での密着不良の最も一般的な原因であり、上流工程に由来するため見落とされやすい点です。

TPEのマーキング、印刷、接着のトラブルシューティング

関連用語と参考情報

• プラスチックレーザーマーキングソリューション
• ポリマーの表面前処理
• ポリウレタン
• 半結晶性熱可塑性樹脂の接着のベストプラクティス
• 密着不良

生産現場での活用

The Sabreen Groupは、熱可塑性エラストマーのマーキング、接着、前処理について中立の立場でエンジニアリング支援を提供しています。プロセスの選定、材料の適格性評価、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。ご相談はお問い合わせからお寄せください。

よくあるご質問

熱可塑性エラストマーとは何ですか？

ゴムの弾性と熱可塑性樹脂の加工性を併せ持つポリマーの一種です。TPEは従来のエラストマーと同様に伸びて元の形に戻りますが、他の熱可塑性樹脂と同様に成形、押出、再利用ができるため、廃棄物を削減できます。

TPEは従来のゴムとどう違いますか？

従来のゴムは、不可逆的な化学工程である硬化（加硫）が必要です。TPEには不要なため、再加工でき、再粉砕材も再利用できます。そのため、硬質基材へのオーバーモールドや二色成形にも適しています。

TPEは主にどこで使われていますか？

ソフトタッチのグリップ、シールやガスケット、医療用チューブや機器部品、自動車の内外装部品、履物のソールやスポーツ用品、民生用電子機器や柔軟なエンクロージャのほか、玩具、工具、家庭用品にも使われています。

TPEは印刷や接着が難しいですか？

一般に難しいです。他の低表面エネルギーポリマーと同様に、疎水性で自然には濡れにくく、インクや接着剤が密着しにくくなります。通常は、表面前処理または専用配合の柔軟なインクが必要です。

TPE部品にレーザーマーキングはできますか？

可能ですが、多くのポリマーと同様に、近赤外線の吸収がほとんどありません。高コントラストのマーキングを可能にするのは、材料に配合するレーザー感応性添加剤であり、短パルスのMOPAレーザーは柔らかい基材の熱損傷を避けるのに役立ちます。

密着して見えたインクが数週間後に剥がれるのはなぜですか？

通常は移行が原因です。エラストマー中のオイルや可塑剤が時間とともに表面へ移動してインク層に入り込み、部品が検査に合格した後で界面を弱めます。問題の原因は母材にあるため、表面処理では解決しません。低移行性のグレード、または可塑化された基材向けに配合されたインクを指定してください。

成形したTPE部品にはどの表面処理が適していますか？

通常、インラインでは大気圧プラズマが最良の選択肢で、選択的な処理が可能でロボットに搭載でき、熱負荷も小さくなります。低圧の低温ガスプラズマは最も持続性のある活性化が得られ、オーバーモールド品の陰になる形状にも届きますが、バッチ処理に限られます。火炎は熱負荷で柔らかい表面が変形するおそれがあるため慎重な制御が必要で、コロナはウェブ（フィルム・シート）向けの処理であり、成形品には対応しません。

オーバーモールドの接着強度を実際に決めるものは何ですか？

TPEと基材の化学的相溶性、および二次射出時の基材温度で、いずれも表面処理を検討する前の要素です。スチレン系グレードはポリスチレンやABSと、TPVはポリプロピレンと接着し、相性の悪い組み合わせでは良くて機械的な噛み合わせにとどまります。硬質インサートの離型剤が最も一般的な汚染源で、上流工程に由来するため見落とされやすくなります。

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