PVCは、あなたの成功を左右する素材です。非常にやりがいがある一方で、扱いは極めて困難です。極寒の環境下でも期待以上の品質の部品が必要なら、PVC射出成形が最適な解決策となるでしょう。
しかし、加工工程で適切な扱いをしないと、PVCは期待外れの結果をもたらします。PVC射出成形を成功させるための最適な戦略を理解するために、続きをお読みください。
PVC（ポリ塩化ビニル）とは何ですか？
約1世紀にわたり、塩化ビニルは塩素産業の廃棄物副産物とみなされていた。1926年、ウォルド・セモンは、高沸点溶剤中で塩化ビニルを扱っている際に、可塑化された塩化ビニルを発見した。
現在、PVCの大規模生産は、エチレンと塩素を反応させることによって行われている。この反応によって塩化ビニルモノマーが生成され、その後、熱と化学薬品を用いて可塑化される。
PVCは耐火性、耐薬品性に優れ、長期間の使用にも耐えることができます。しかし、 PVCの射出成形は難しい場合があります。この素材は温度変化に敏感で、金型腐食を引き起こす可能性があります。そのため、厳密な工程管理が必要となりますが、これについては後ほど詳しく説明します。
PVCの種類とグレード
PVCには主に硬質PVC（uPVC）と軟質PVC（PVC-p）の2種類があります。硬質PVCはパイプなどの剛性の高い用途に使用され、軟質PVCはガスケットやチューブなどに使用されます。
| PVC | 特性 | あなたが使用します |
| PVC-U（uPVC） | 非可塑性で硬質 | 水道管、窓枠、ドア |
| PVC-P（フレキシブル） | 可塑化され、柔らかい | ケーブル絶縁材および医療用チューブ |
| 塩素化PVC(CPVC) | 標準的なPVCよりも高温に強い | 防火用スプリンクラー |
| 配向ポリ塩化ビニル（PVC-O） | 強くて延性がある | 高圧水システム |
| 変性ポリ塩化ビニル（PVC-M） | 丈夫で、ひび割れしにくい | ガス管、工業用化学薬品配管 |
PVCのグレードはK値システムを用いており、各値の範囲によって、そのグレードの製造の容易さと主な用途が示される。
| K値の範囲 | グレードタイプ | 特性 | 用途 |
| K50 – K55 | Special | 加工が最も容易だが、機械的強度は低い。 | バッテリーセパレーター、混合樹脂。 |
| K57 – K60 | ロー | 高流動性、容易な融解性、低粘度。 | 射出成形、ブロー成形、および透明フィルム。 |
| K65 – K68 | 技法 | 強度と製造の容易さの完璧なバランス。 | 標準的なパイプ、窓枠、および一般的な用途。 |
| K70 – K75 | ハイ | 非常に高い強度を持つが、加工が最も難しい。 | 高圧配管、工業用床材、ケーブル絶縁材。 |
PVCの主な特徴と特性
PVCは不活性であるため、多くの用途において信頼性が高い。酸やアルカリにさらされても反応しない。
優れた誘電強度を持つため、優れた絶縁体となる。
PVCは熱伝導率が低い。そのため、人類が知る中で最も費用対効果が高く、かつ非常に効率的な断熱材の一つである。
電気や熱に対する保護性能に加え、非常に高い引張強度も備えています。素材自体は軽量でありながら、大きな機械的負荷にも耐えることができます。
PVCの利点
- 錆びたり腐ったりしないので、お金の節約になります。
- 軽量化に利用することで、エネルギーと労働コストを削減できます。
- 非多孔質であるため、医療や食品加工用途において衛生的に信頼できる。
- 石油市場の変動時でも供給が保証されている。なぜなら、これは100％石油由来ではないからだ（重量比で57％が塩）。
- PVCは完全にリサイクル可能です
デメリットと考慮事項
- PVCは高温に耐えられず、軟化します。
- PVCが加工中に過熱したり劣化したりすると、HClを放出することがあり、それがネジ、バレル、金型を腐食させる可能性がある。
- 長年にわたり高い機械的負荷を受け続けると、形状が変化する。
PVC射出成形のための設計ガイドライン
PVC製品の設計上の考慮事項
壁の厚さを均一に保ってください。PVCの場合、壁の厚みが不均一だと、内部にストレスがかかり、へこみが生じてしまいます。
部品の内角はすべて、少なくとも部品壁厚の25%の丸みを帯びさせてください。鋭角な角は見た目は良いかもしれませんが、PVC部品の構造強度を低下させます。
PVCは摩擦係数が高い素材です。擦り傷を防ぎたい場合は、少なくとも2～3度の十分な抜き勾配を設けてください。そうしないと、金型から部品を削り出すのに苦労することになるかもしれません。
壁を薄くするとコスト削減につながるため、財務状況は改善されます。しかし、PVCの場合はそうはいきません。PVCはせん断感受性が高いため、熱劣化や曲げ破壊のリスクがあります。壁を厚くして中空構造にし、内部にリブを追加する必要があります。
アンダーカットが狭すぎると材料がくっつきやすくなるため、避けてください。また、ヒケを防ぐため、リブの厚さは公称肉厚の50～60%にしてください。
PVC金型およびゲート設計
材料が無理なくスムーズに流れるように、幅広のゲートを使用してください。PVCの場合、狭いゲートによる高いせん断力は化学分解を引き起こし、腐食性を高めます。この場合、ピンゲートよりもファンゲートの方が適しています。
複雑な金型を1つ使う方が、単純な金型を5つ使うよりも最終的には安上がりです。複雑な部品を複数の金型に分割することで簡素化できるという考えは誤りです。
すべての部品を1つの金型に組み込むことで、人為的なミスやコストのかかる組み立て工程を排除できます。
表面に凹凸のあるPVC部品は、滑らかな仕上げの部品よりも優れています。凹凸があると表面が緩み、寸法安定性が向上します。意図的に微細な凹凸のある表面加工を施しましょう。これにより、射出圧力を低減でき、ひいては成形時の応力や反りを軽減できます。
前述のとおり、PVCは高温になると腐食性を持つようになります。高品質の鋼製金型（420またはS136）を使用しないと、腐食や錆によって投資が無駄になるリスクがあります。
金型内部に閉じ込められた空気は、PVC部品の表面を焼き焦がす可能性があります。しかし、各流路の終端付近に通気口を設けることで、ガスが排出され、不良率を低減できます。
PVC射出成形工程のステップバイステップガイド
ステップ1．材料の準備
乾燥のためとはいえ、PVCを長時間加熱してはいけません。吸湿性はありません。しかし、乾燥工程を完全に省略するのもいけません。素早く軽く乾燥させてください。
ステップ2．機械への材料供給
ホッパーには材料を半分まで詰めてください。そうしないと、材料の重みで材料の流れが妨げられてしまいます。機械には1時間に必要な量だけを供給してください。そうしないと、圧力が変動し、部品の品質も不安定になります。
ステップ3．溶解
加熱温度を上げても構いませんが、材料を水のように溶けるまで焦がすのは避けてください。高温になると、PVCは腐食性の酸を放出します。PVCの最適な溶融温度は160℃～190℃です。
樽からの熱よりも、せん断熱を多く使用してください。樽は樹脂の外側だけを加熱し、内側は加熱しないため、表面が焦げてしまいます。
ステップ4. 注入
PVCは冷えると動きが止まります。材料が溶けたらすぐに注入する必要があります。樹脂が収縮する前に隅々まで充填できるよう、素早く注入してください。注入圧力は70～150MPaを使用してください。
ステップ5. 保持する
材料が逆流したり収縮したりしないように、保持圧力をかける必要があります。射出圧力の50%から充填を開始してください。後で80%まで少し上げることができます。この工程を省略すると、部品の強度と寸法精度が低下します。
ステップ6．冷却と排出
成形品を型につけたまま、触っても冷たくなるまで放置することもできますが、それでは莫大な費用がかかります。そのため、成形品が固まって温かくなったらすぐに取り出す必要があります。
必要に応じて、金型の外側で水を入れた容器で冷却してください。これにより、機械稼働時間を半減させ、反りを防ぐことができます。
推奨されるPVC加工パラメータ
- 硬質PVCの場合は溶融温度を160℃～190℃、軟質PVCの場合は140℃～190℃に保つ。
- 軟質PVCの場合は70～100MPa、硬質PVCの場合は100～150MPaの射出圧力が必要です。
- 軟質PVCの成形に最適な温度は20℃～50℃、硬質PVCの成形に最適な温度は40℃～60℃です。
- 射出速度は20～50mm/秒とする。
課題とトラブルシューティング
黒い斑点
材料の推奨温度範囲内であることを確認してください。また、ネジとランナーに詰まりがないことを確認してください。常に清潔でよく磨かれた型を使用してください。樹脂が隠れなければ、燃焼しません。
PVC射出成形における黒点の発生に対するその他の有効な解決策：
- サイクルタイムを短縮
- 給餌ゾーンの温度を下げる
- 背圧を800～1000psi以内に保ってください。
弱い溶接線
2本の流線が交わる箇所に傷跡が形成されますが、この溶接線が予想以上に脆い場合は、ゲートの位置を調整して、流線が部品のより厚い部分で交わるようにする必要があります。温度を上げようとすると、PVCの結合が弱まるだけなので、温度を上げないでください。
シンクマーク
ヒケは、最も厚いリブやボスを使用した箇所に発生します。ヒケを解消するには、より適切なパッキング／保持圧力や保持時間が必要となる場合があり、リブと壁の厚みを薄くするなど、部品設計の修正が必要となることもあります。
シンク跡を防ぐには、以下の方法もあります。
- リブとボスが公称肉厚の60%を超えないようにする
- 厚い部分をコアリングする
- 応力集中を防ぐために、十分な半径を使用する
ゆがみ
PVC部品が反る場合、最も可能性の高い原因は急速な冷却です。冷却が速すぎると、部品の外側の層が固化する一方で、中心部は溶融状態のままになります。これにより収縮率に差が生じ、後に反りが発生します。
しかし、圧力変動も考慮する必要があります。圧力が一定でない場合、材料が収縮する際に空洞を完全に満たすことができません。
PVCの反りを防ぐその他の方法としては、以下のようなものがあります。
- ゲートを最も厚い部分に設置する
- リブとガセットを追加して壁の強度を向上させる
- 最も厚い部分を押す排出ピンを使用する
金型接着
材料の劣化や過剰な型締め力により、部品が金型に固着することがあります。PVCはせん断に弱いため、他の樹脂よりも固着しやすい傾向があります。解決策としては、以下のものが挙げられます。
- バレルまたは金型の温度を下げる
- 過剰充填を防ぐため、保持圧力を下げてください。
- 部品が完全に固まるように冷却時間を長くする
- より広いドラフト角度を使用する
- シリコーン系離型剤を使用する
PVC射出成形の産業用途
化学プラント
PVC射出成形は、化学処理装置の完全性を維持するために必要なバルブや継手を製造する。これらの部品は、酸、塩基、アルコールに対して耐性がある。
電気絶縁
電気、自動車、建設業界では、複雑な絶縁課題を解決するためにPVC射出成形への依存度が高まっています。PVCは低コストで、非常に高い絶縁耐力を持っています。以下のような製品の製造に使用されます。
- ジャンクションボックス
- パイプ継手
- 電線管継手
- ケーブルコネクタと保護カバー
- 内部パネルとダッシュボード
医療機器
PVC射出成形は、細菌が潜むことのない非多孔性部品を製造できます。抗菌添加剤を材料に添加することで、微生物の増殖に対して恒久的な耐性を持たせることができます。これにより、生体適合性および医療機器部品の製造において信頼性の高い材料となります。
- 透析用チューブとコネクタ
- 血液バッグおよび血液成分
- 医療用ポンプチューブ
- 人工呼吸器の付属品と呼吸用マスク
- カテーテル用コネクタ
海洋探査
PVCは海水による腐食に強く、化学物質や紫外線への長時間の暴露にも耐えることができます。そのため、PVC射出成形は以下のような製品の製造において重要です。
- 海洋石油・ガス探査用継手、
- 海洋センサー
- 沿岸研究機器
産業機械
重工業用途において、振動は厄介な問題であり、機器の効率と寿命を阻害する最大の敵です。幸いなことに、PVC射出成形は、材料の粘弾性特性を利用して、振動減衰に必要な部品を製造することができます。部品の例としては、以下のようなものがあります。
- 機械脚と水平調整マウント
- モーターやポンプ用のボビンピン
- 緩衝材、パッド、バンパー
- 産業用筐体のケーシングおよびパネル
PVCプラスチックの代替となる可能性のある素材
熱可塑性エラストマー（TPE）
- TPEは機器のハンドルやガスケットに最適です。
- PVCとは異なり、低温でも柔軟性を保つ。
- 可塑剤を必要としない
熱可塑性ポリウレタン (TPU)
- TPUは、医療用チューブ、自動車用ガスケット、ソフトタッチグリップなどに使用されています。
- 柔軟性、耐久性、耐摩耗性に優れています。
- PVCよりも大きな荷重に耐えることができる
エチレンプロピレンジエンモノマー（EPDM）
- 熱、紫外線、オゾンへの長時間の暴露にも耐える
- HVAC用シールや自動車用ガスケットに最適です。
- 振動減衰と電気絶縁に最適
シリコーン（液状シリコーンゴム – LSR）
- LSR 氷点下から高温（-50℃～200℃）までの温度に耐えることができる。
- 圧縮されても元に戻る
- 主に医療やヘルスケア分野で活用されるが、その他にも無数の用途がある。
天然ゴム（加硫ゴム）
- 天然ゴムはPVCよりも内部エネルギー吸収能力が高い。
- 圧縮されても元の形に戻る
- 主な用途としては、振動減衰部品や医療機器などが挙げられる。
PVC射出成形におけるベストプラクティスとは何ですか？
十分に研磨された、またはクロムメッキされたステンレス鋼製の金型と、圧縮率の低いネジを使用してください。これにより、機械が化学腐食によって損傷するのを防ぎ、金型の腐食も防止できます。
各ゾーンに温度制御装置を設置してください。材料をドラム缶内に長時間放置しないでください。これはポリマー鎖の分解を防ぐのに役立ちます。
毎回の運転後には、機械内部を徹底的に洗浄してください。PVCを高温のバレル内に放置すると炭化が起こり、次の運転時に黒い斑点が発生する原因となります。
スクリューの回転速度を30～60RPMに下げてください。PVCは摩擦熱に敏感です。スクリューの回転速度が高すぎると、PVCは金型に入る前に劣化してしまいます。
結論
PVC射出成形は、電気絶縁材、振動減衰材、医療機器などにおいて非常に有用です。しかし、加工温度範囲が狭いという欠点があります。高品質な製品を得るためには、適切なPVCグレードを選択し、最適な流動性を考慮した設計を行い、厳密な温度管理を行う必要があります。
よくあるご質問
PVCは温度変化に非常に敏感です。わずかに温度が高くなると、樹脂が劣化し、金型内部で腐食性の酸を放出する可能性があります。
はい。PVC加工中に発生する塩酸は、標準的なネジやバレルを腐食させる可能性があるからです。
軟質PVCは、可塑剤を用いて柔らかく延性のある素材に加工されています。ガスケットや柔らかい防振パッドなど、柔軟性が求められる用途に使用されます。硬質PVCは硬く、可塑剤は含まれていません。パイプや継手など、強度と靭性が求められる用途に使用されます。
ソース
- uPVCおよびPVC-Pのメーカー向け加工ガイド： https://www.researchgate.net/publication/237732382_Manufacturing_and_Processing_of_PVC
- PVCの射出成形： https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-009-5614-8_15
- PVC射出成形： https://www.fictiv.com/articles/pvc-injection-molding
- PVC射出成形ガイドライン： https://www.scribd.com/document/604692444/PVC-Injection-Molding-Guidelines
