接着・塗装された組立品における環境応力亀裂
重要ポイント
- 環境応力亀裂（ESC）は、応力と化学物質への曝露が同時に存在する場合に発生します。どちらか一方だけであれば通常は無害であり、そのため材料データシートからは予測できません。
- 組立工程は、その両方を生み出します。接着剤、溶剤、コーティング、そしてそれらを施工する際のクランプが、薬剤と応力を同時に持ち込みます。
- 影響を受けやすいのは非晶性ポリマーです。ポリカーボネート、ABS、アクリル、ポリスルホン、PPOは、半結晶性樹脂よりもはるかにこの形態で破損しやすい材料です。
- 成形時に残る残留応力は目に見えず、使用荷重より大きいことも少なくありません。アニーリングと偏光検査は、これを見つける低コストな手段です。
環境応力亀裂は、エンジニアリングチームが最も意表を突かれる破損モードです。プラスチックの通常の仕様決定の考え方が通用しないためです。材料は引張強度を満たしています。部品に加わる荷重は、その強度を大きく下回っています。接触する薬品も「適合」と記載されています。それでも組立品は、出荷から数週間後に、材料データシートの挙動とはまったく異なる脆性的な割れ方で亀裂が入ります。
その理由は、ESCが材料単独の特性ではないことにあります。ESCは、材料、応力状態、化学環境という三つの組み合わせの特性であり、仕様決定の工程では通常、この三つが別々に評価されています。
メカニズムの概要
引張応力を受けた非晶性ポリマーには、クレーズが形成されます。これは、引き伸ばされたポリマーのフィブリルが架橋する微細なボイド領域です。通常の条件では、クレーズはエネルギーを吸収し、ほとんど無害です。ここにポリマーと適切な溶解性の関係を持つ化学薬剤が加わると、薬剤がクレーズに浸透し、フィブリルを局所的に可塑化して、クレーズが亀裂へ進展するのに必要な応力を低下させます。ポリマーが溶解したり化学的に劣化したりするわけではないため、応力のかかっていない試料による従来の耐薬品性試験では何の問題も見つかりませんが、亀裂成長に対するエネルギー障壁はすでに崩れています。
ここから二つの帰結が導かれます。第一に、二つの要因はどちらも不可欠です。同じ薬品中にある無応力の部品も、清浄な空気中にある応力のかかった部品も、問題ありません。第二に、このプロセスは時間依存性であり、しきい値型です。そのため、部品が何か月も持ちこたえた後に破損することがあり、応力や濃度がわずかに増えただけで破損までの時間が桁違いに変わることがあります。
組立工程が原因になりやすい理由
接着、コーティング、加飾の各工程は、必要な二つの条件を同じ場所に供給することにきわめて効率的です。
- 溶剤。溶剤系の接着剤、プライマー、洗浄用ワイプ、インクは、化学薬剤をポリマーに直接接触させます。しかも接合部があるため、部品の中で最も応力の高い領域になることが少なくありません。
- 硬化収縮。接着剤やコーティングは硬化に伴って収縮します。硬い基材に接合された硬い膜は、その収縮を基材表面の引張応力として伝えます。そこはまさにクレーズが発生する場所です。
- 組立応力。圧入、スナップフィット、セルフタッピングねじ、硬化中のクランプ、熱膨張の不一致は、いずれも持続的な応力を与えます。使用荷重と異なり、これらは消えることがありません。
- 成形時の残留応力。多くの場合、すべての要因の中で最大であり、しかも目に見えません。部品は、使用時に加わるどの応力にも匹敵するか、それを上回る内部応力を抱えたまま金型から出てくることがあり、その応力はゲート付近、肉厚の変化部、ニットラインの近くに集中します。
応力の項を使用荷重だけと見なし、他の三つを無視する調査は、部品の荷重は限界内に十分収まっており、ESCは起こり得ないという結論に至ります。この結論が誤りであることは珍しくないため、毎回確認する価値があります。
見えない応力を見つける
残留応力の測定に、高度な装置は必要ありません。透明または半透明の部品を、直交させた偏光フィルターの間に置くと、応力分布を直接示す複屈折パターンが現れます。この手法は数分で済み、ゲート付近やニットラインに高い応力がかかっているかどうかをすぐに把握できます。不透明な部品では、定められた試薬に定められた時間だけ制御した条件で浸漬すると、応力のかかった領域に優先的にクレージングが生じ、定性的なマップが得られます。試料をガラス転移温度のすぐ下でアニーリングし、寸法変化を測定すれば、どれだけの応力が凍結されていたかを定量化できます。
残留応力が顕著であると確認された場合、是正措置は成形側の対応になります。金型温度を上げる、充填を遅くする、保圧を調整する、ゲート位置を変更する、急激な変化を避けるよう肉厚部を再設計する、場合によっては成形後にアニーリングを行う、といった対応です。これらは通常、材料を変更するより安価であり、市場対応のキャンペーンより必ず安く済みます。
化学薬剤への曝露を設計で排除する
薬剤が工程で持ち込まれる場合は、代替が可能なことが多いものの、十分に活用されていません。攻撃性の強い溶剤の代わりに無溶剤または水系の洗浄剤を使う、溶剤接合の代わりにUV硬化型やホットメルト型の接着剤を使う、低収縮の接着剤配合を選ぶ、特にポリカーボネートやアクリルについては、それらの基材でクレーズを生じないことが個別に確認された接着剤の化学系を選ぶ、といった方法です。
薬剤が使用中に作用する場合（洗浄剤、日焼け止め、虫除け、燃料、隣接部品から溶出する可塑剤、医療現場の消毒剤など）の設計上の対応は、露出する表面の持続的な引張応力を下げること、接合部を曝露箇所から遠ざけること、または半結晶性材料へ切り替えることです。日焼け止めと手指消毒剤は特に注意が必要です。消費者向け製品や医療製品の市場不具合を絶え間なく引き起こしているにもかかわらず、当初の要求仕様書にほとんど記載されていないためです。
実際に予測できる試験
標準的な耐薬品性の一覧表は、無応力の試験片で作成されているため、ESCのリスクを系統的に過小評価します。意味のある試験では、応力と薬品を同時に加えます。曲げ試験片法では、規定のひずみを与えた試験片を薬剤にさらします。定荷重引張試験では、複数の応力レベルで破断までの時間を測定します。そして、実際の接着剤と実際のクランプを用いた組立済みの実部品での試験は、組立そのものによる応力の寄与を捉えられる唯一の方法です。
代用品ではなく、実際の使用時の薬品を使用してください。誰も仕様に入れていないが誰もが使っている薬品も含めます。ESCは温度とともに大きく加速するため、現実的な範囲で最も高い温度で試験してください。可能であれば、あらかじめ決めた時間で打ち切るのではなく、破損するまで試験を続けてください。部品が任意の期間を持ちこたえたと知ることより、余裕度を知ることのほうが価値があるためです。
現場での見分け方
ESCには、プラスチック部品が壊れる他の原因と区別できる特徴的な外観があります。通常は延性のある材料でも、破断は脆性的で、破断部に引き伸ばしや応力白化はほとんど、あるいはまったく見られません。亀裂の表面は、起点付近では通常なめらかでガラス状であり、亀裂が発生した鏡面状の領域を、亀裂が加速した粗い面が取り囲んでいることがよくあります。平行な複数の亀裂や、破断部付近の微細なクレーズのネットワークがよく見られますが、単純な過負荷破壊ではまず見られません。
発生位置も同様に診断の手がかりになります。ESCの亀裂は、引張応力が最も高く、かつ薬品が接触した場所から発生するため、ゲート、ニットライン、肉厚の変化部、インサートやねじボス周辺、そして接着線やコーティング端部のすぐ近くに集中します。接着剤ビードの縁から始まり部品内部へ進む亀裂は、ほぼ決定的な特徴です。
診断に疑いが残る場合、確認には再現試験を行います。同一ロットの無応力部品を用意し、既知のひずみを与え、疑わしい薬剤にさらして、同じ破面の外観が現れるかを確認します。現れれば、メカニズムは確定します。その後の是正措置（応力の低減、薬剤の変更、材料の変更）は、憶測ではなくコストに基づいて選べます。
関連記事
お困りですか？
The Sabreen Groupは、組立済みプラスチックにおける環境応力亀裂の診断と設計による排除について、独立した立場からエンジニアリング支援を提供しています。当社のエンジニアリングサービスチームは、メーカー各社のプロセス開発、材料の適格性評価、量産時のトラブルシューティングに取り組んでいます。お客様の用途についてご相談ください。
よくあるご質問
環境応力亀裂とは具体的に何ですか？
ESCとは、機械的応力と化学薬剤が同時に作用することで生じるポリマーの脆性的な割れです。そのときの応力レベルと薬剤濃度は、どちらか一方だけでは破損を起こさない程度です。薬剤はポリマーを化学的に侵すわけではなく、新しい表面を形成するのに必要なエネルギーを下げることで、クレージングと亀裂成長を加速させます。
最も影響を受けやすいプラスチックは何ですか？
影響を受けやすいのは非晶性熱可塑性樹脂で、ポリカーボネート、ABS、アクリル、ポリスチレン、ポリスルホン、変性PPOなどが該当します。ポリプロピレン、アセタール、ナイロン、PBTなどの半結晶性材料は、結晶領域がクレーズの進展を妨げるため、はるかに耐性が高くなります。ただし、過酷な条件下では影響を受けないわけではありません。
接着剤がストレスクラックの原因になることはありますか？
はい、よくあるメカニズムです。溶剤系の接着剤や洗浄剤は化学薬剤を直接供給し、反応系の未硬化成分が薬剤として作用することがあり、硬化収縮は応力を供給します。そのため、接合部は必要な二つの条件を同じ場所、同じ時点で生み出す可能性があります。接着されたポリカーボネートやアクリルの組立品がこの形態で破損しやすいのは、このためです。
成形品の残留応力はどのように検出しますか？
偏光を使うと、透明部品の応力パターンを直接確認できます。不透明な部品では、制御された試薬を用いた溶剤浸漬試験により、応力のかかった領域がクレージングとして現れます。試料をガラス転移温度以下でアニーリングして寸法を再測定すれば、凍結していた応力の大きさがわかります。この三つはいずれも、市場不具合に比べれば低コストです。
ESCはすぐに現れますか、それとも時間がたってから現れますか？
通常は時間がたってから現れ、そこが危険な点です。使用時の応力レベルでは、亀裂の発生まで数週間から数か月かかることがあり、部品は生産時のあらゆる試験に合格しながら、市場で破損します。お客様に先んじて問題を明らかにする確実な方法は、実際の使用時の薬品を用い、応力を加えた状態で行う加速試験だけです。
無料お見積もりのご依頼
スコット・サブリーン（Scott Sabreen）— 社長兼チーフエンジニア、30年以上の経験。お客様のアプリケーションと SABREEN のソリューションについて、無料・無償でご相談いただけます。最も難しい課題をぜひお寄せください。
電話: +1 972-820-6777
