ポリオレフィンとフィルム押出成形入門
ポリオレフィンは、エチレンやプロピレンなどのオレフィンモノマーから合成される高分子材料の一種で、世界で最も広く生産・利用されているプラスチックです。その普及は、低コスト、優れた加工性、卓越した化学安定性、そしてカスタマイズ可能な物理的特性など、優れた特性の組み合わせに起因しています。ポリオレフィンの多様な用途の中でも、フィルム製品は極めて重要な位置を占めており、食品包装、農業用被覆材、工業用包装、医療・衛生用品、そして日用品において重要な役割を果たしています。フィルム製造に使用される最も一般的なポリオレフィン樹脂には、直鎖状低密度ポリエチレン（LLDPE）、低密度ポリエチレン（LDPE）、高密度ポリエチレン（HDPE）を含むポリエチレン（PE）とポリプロピレン（PP）があります。
ポリオレフィンフィルムの製造は主に押出技術に依存しており、インフレーションフィルム押出とキャストフィルム押出の 2 つの中核プロセスがあります。
1. インフレーションフィルム押出プロセス
インフレーションフィルム押出法は、ポリオレフィンフィルムを製造する最も一般的な方法の一つです。基本原理は、溶融ポリマーを環状ダイを通して垂直上方に押し出し、薄肉の管状パリソンを形成することです。次に、このパリソン内部に圧縮空気を導入することで、パリソンはダイの直径よりもはるかに大きな直径を持つバブルに膨張します。バブルは上昇するにつれて、外部のエアリングによって強制的に冷却・固化されます。冷却されたバブルは、一連のニップローラー（多くの場合、コラプシングフレームまたはAフレーム経由）によってコラプシングされ、その後、トラクションローラーによって引き伸ばされてロールに巻き取られます。インフレーションフィルムプロセスでは、通常、二軸配向のフィルムが生成されます。つまり、引張強度、引き裂き強度、衝撃強度など、機械方向（MD）と横方向（TD）の両方において、良好なバランスの機械的特性を示します。フィルムの厚さと機械的特性は、ブローアップ比（BUR – バブル径とダイ径の比）とドローダウン比（DDR – 巻き取り速度と押し出し速度の比）を調整することによって制御できます。
2. キャストフィルム押出プロセス
キャストフィルム押出成形は、ポリオレフィンフィルムの重要な製造プロセスの一つであり、特に優れた光学特性（高透明度、高光沢など）と優れた厚さ均一性が求められるフィルムの製造に適しています。このプロセスでは、溶融ポリマーが平坦なスロット型Tダイを通して水平に押し出され、均一な溶融ウェブを形成します。このウェブは、1本または複数の高速内部冷却チルロールの表面に急速に引き寄せられます。溶融物は、冷却ロール表面に接触するとすぐに固化します。キャストフィルムは、一般的に優れた光学特性、柔らかな感触、そして良好なヒートシール性を備えています。ダイリップギャップ、チルロール温度、回転速度を正確に制御することで、フィルムの厚さと表面品質を正確に制御できます。
ポリオレフィンフィルム押出における6つの課題
押出技術は成熟しているにもかかわらず、ポリオレフィンフィルムの実生産において、特に高出力、高効率、薄肉化、そして新しい高性能樹脂の使用を目指す際に、メーカーはしばしば一連の加工上の困難に直面します。これらの問題は生産安定性に影響を与えるだけでなく、最終製品の品質とコストに直接影響を及ぼします。主な課題は以下のとおりです。
1. メルトフラクチャー（シャークスキン）：これはポリオレフィンフィルムの押出成形において最も一般的な欠陥の一つです。肉眼では、フィルム表面に周期的な横波や不規則な粗面として現れ、ひどい場合にはより顕著な歪みが生じます。メルトフラクチャーは主に、ダイから排出されるポリマー溶融体のせん断速度が臨界値を超え、ダイ壁とバルク溶融体の間でスティックスリップ振動を引き起こした場合、またはダイ出口における伸長応力が溶融強度を超えた場合に発生します。この欠陥は、フィルムの光学特性（透明性、光沢度）や表面平滑性を著しく損なうだけでなく、機械特性やバリア特性も低下させる可能性があります。
2. ダイドロール／ダイビルドアップ：ダイリップエッジまたはダイキャビティ内に、ポリマー分解生成物、低分子量成分、分散不良の添加剤（例：顔料、帯電防止剤、スリップ剤）、または樹脂ゲルが徐々に蓄積することを指します。これらの堆積物は製造中に剥離し、フィルム表面を汚染し、ゲル、筋、傷などの欠陥を引き起こし、製品の外観と品質に影響を与えます。深刻なケースでは、ダイビルドアップがダイ出口を塞ぎ、厚みのばらつきやフィルムの破れを引き起こし、最終的にはダイ洗浄のために生産ラインを停止せざるを得なくなる可能性があり、生産効率の大幅な低下と原材料の無駄につながります。
3. 高い押出圧力と変動：特定の条件下では、特に高粘度樹脂の処理時やダイギャップが狭い場合、押出システム内（特に押出機ヘッドとダイ）の圧力が過度に高くなることがあります。高圧はエネルギー消費量を増加させるだけでなく、機器（スクリュー、バレル、ダイなど）の寿命や安全性にもリスクをもたらします。さらに、押出圧力の不安定な変動は、溶融樹脂の吐出量に直接的なばらつきをもたらし、フィルムの厚みの不均一化につながります。
4. スループットの制限：メルトフラクチャーやダイビルドアップなどの問題を防止または軽減するために、メーカーは押出機のスクリュー回転数を下げざるを得ないことが多く、その結果、生産ラインの生産量が制限されます。これは生産効率と製品単価の製造コストに直接影響し、大規模かつ低コストのフィルムに対する市場の需要を満たすことが困難になります。
5. 厚み制御の難しさ：メルトフローの不安定性、ダイ全体の温度分布の不均一性、ダイの堆積は、いずれもフィルムの厚み（横方向と縦方向の両方）のばらつきにつながる可能性があります。これは、フィルムのその後の加工性能と最終用途特性に影響を与えます。
6. 樹脂切り替えの難しさ：異なる種類やグレードのポリオレフィン樹脂を切り替える場合、あるいはカラーマスターバッチを変更する場合、前回の成形時に残った材料を押出機とダイから完全に除去することが困難な場合が多くあります。その結果、新旧の材料が混ざり合い、移行材料が発生し、切り替え時間が長くなり、スクラップ率が増加します。
これらの一般的な加工上の課題は、ポリオレフィンフィルムメーカーによる製品品質と生産効率の向上に向けた取り組みを制約し、新素材や高度な加工技術の導入を阻む要因となっています。したがって、これらの課題を克服するための効果的な解決策を模索することは、ポリオレフィンフィルム押出業界全体の持続的かつ健全な発展にとって不可欠です。
ポリオレフィンフィルム押出プロセス向けソリューション：ポリマー加工助剤（PPA）
ポリマー加工助剤 (PPA) は機能性添加剤であり、その主な価値は、押し出し成形時のポリマー溶融体のレオロジー挙動を改善し、装置表面との相互作用を修正することにあります。これにより、さまざまな加工上の困難を克服し、生産効率と製品品質を向上させます。
1. フッ素ポリマーベースのPPA
化学構造と特性：現在最も広く使用され、技術的に成熟しており、効果が実証されているPPAのクラスです。これらは通常、フッ化ビニリデン（VDF）、ヘキサフルオロプロピレン（HFP）、テトラフルオロエチレン（TFE）などのフルオロオレフィンモノマーをベースとしたホモポリマーまたはコポリマーであり、フルオロエラストマーが最も代表的です。これらのPPAの分子鎖は、高結合エネルギー、低極性のCF結合を多く含み、独特の物理化学的特性、すなわち極めて低い表面エネルギー（ポリテトラフルオロエチレン/テフロン®に類似）、優れた熱安定性、化学的不活性を付与します。重要な点として、フルオロポリマーPPAは一般に、非極性ポリオレフィンマトリックス（PE、PPなど）との相溶性が低いことが挙げられます。この非相溶性は、PPAが金型の金属表面に効果的に移行し、そこで動的潤滑コーティングを形成するための重要な前提条件です。
代表製品：フッ素樹脂PPAの世界市場における主要ブランドとしては、Chemours社のViton™ FreeFlow™シリーズや3M社のDynamar™シリーズなどが挙げられ、これらは大きな市場シェアを占めています。さらに、Arkema社（Kynar®シリーズ）やSolvay社（Tecnoflon®）の特定のフッ素樹脂グレードも、PPA配合物として、あるいはPPA配合物の主要成分として使用されています。
化学構造と特性：このクラスのPPAの主な有効成分は、ポリシロキサン（一般にシリコーンと呼ばれる）です。ポリシロキサン骨格は、ケイ素原子と酸素原子が交互に配列した構造（-Si-O-）で、ケイ素原子には有機基（典型的にはメチル基）が結合しています。この独特な分子構造により、シリコーン材料は表面張力が非常に低く、優れた熱安定性、優れた柔軟性、そして多くの物質に対する非粘着性を備えています。フッ素系PPAと同様に、シリコーン系PPAは加工装置の金属表面に浸透して潤滑層を形成することで機能します。
用途特性：ポリオレフィンフィルム押出成形分野ではフッ素系PPAが主流ですが、シリコーン系PPAは、特定の用途シナリオや特定の樹脂系との組み合わせにおいて、独自の利点を発揮したり、相乗効果を生み出したりする可能性があります。例えば、極めて低い摩擦係数が求められる用途や、最終製品に特定の表面特性が求められる用途において、シリコーン系PPAが検討される可能性があります。
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投稿日時: 2025年5月15日
