プラスチックとナノフィラー材：プラスチック材料の基礎知識（15）

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ナノコンポジットとは、プラスチックにナノメーターサイズ（1nm~100nm）の超微粒子を分散させた複合材料である。ナノフィラーを分散させた材料がフィラーナノコンポジットである。ナノフィラーにはクレー、シリカ、カーボンナノチューブ、ナノ炭酸カルシウムなどがある。

半径ｒの球状フィラーがそれぞれ単独で分散し、全体積が１の時、Ｖの割合で分散していると仮定する。また、フィラー間の距離ｄは一定であるとする。このように仮定したときのフィラー間の距離ｄと粒子の全表面積Ａは次式で示される¹⁾。

式（１）から分かるように、体積分率Ｖが一定の場合には粒子半径ｒを小さくすると粒子間距離ｄは比例的に小さくなる。また式（２）から分かるように、粒子半径rが小さくなると全表面積Ａは反比例して大きくなると理解できる。

例えば、半径が10μｍ（10⁴nm）の球状フィラーを10nmまで小さくしたとすると、半径の比は、以下である。

従って、粒子半径を1000分の1に小さくすると粒子間隔は1000分の１に小さくなり、表面積は1000倍に増大することになる。

このようにフィラーサイズをナノオーダーまで超微粒子化するとフィラー間隔が小さく、かつフィラーの表面積も大きくなるので少量の充填率でもフィラーの影響が大きくなる。そのためフィラーナノコンポジットにすると強度、耐熱性、ガスバリヤ性（注１）などが向上する。

ナノフィラーは超微粒子であるため粒子間の凝集力が大きい。そのため、通常のコンパウンディング法（注２）ではプラスチック中にナノフィラーを均一分散することは困難であるので、いろいろな分散法が開発されている。

無機フィラーである層状珪酸塩（粘土鉱物の１種）を用いたポリアミド６（PA6）フィラーナノコンポジットの製造法を例に説明する。層状珪酸塩は厚みが1nm、長径が数10nm～数100nmの板状結晶が層状に積み重なった構造をしており、全体としては厚み数μm、長径が数10nm～数100nmである。フィラーナノコンポジット成形材料を作るには層状珪酸塩の一枚一枚を剥離してポリアミド６（PA6）中に分散させなければならない。

製造法の例を図1に示す²⁾。

①層状珪酸塩を特殊化学処理して層間剥離しやすくする。

②化学処理した層状珪酸塩をPA6モノマー（εカプロラクタム）に分散させる。

③重合工程で層間剥離させてポリマー中に分散させてフィラーナノコンポジットを得る。

その他に特殊なコンパンディング法で溶融樹脂を層間に侵入させてナノ分散させる方法もある。

（次回へ続く）

注１：ガスを透過しにくい性質をガスバリヤ性という。食品包装用途では酸素ガスバリヤ性が求められる。
⁠注２：素材（ポリマー）とフィラーを混合した後、押出機を用いて溶融混錬して成形材料（ペレット）を製造する方法

１）中條澄著、ナノコンポジットの世界、p.21、工業調査会(2002)
⁠２）山下敦志、合成樹脂、43(3),p.43(1997)

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