ポリプロピレン（PP）の品質管理、および欠陥品解析による商品廃棄を効果的に防ぐ方法

温度安定性や1/100mm精度の寸法安定性、UV耐性など、非常に特殊な特性を持つプラスチック部品またはフィルムが必要ですか？それ以外の場合は、意図した目的に使用できませんか？しかし、どのようにしてすべての要件が満たされているかどうかを確認し、さらに、どのように障害を分析できますか？そのような質問が管理されている場合にのみ、拒否の数を恒久的に減らすことができます。 NETZSCH Analysing＆Testingは、この目的のためにさまざまな熱分析法を提供します。

はじめに
ポリプロピレン（PP）は、電池のセパレータフィルムのような薄膜を製造するためによく使用される原料です。この実験では、PPフィルム処理中に発生する問題解決のために開始されました。特定バッチのPP顆粒から製造された製品は壊れやすく、その他バッチから製造された製品は良質でした。実験の目的は、この背景にある理由を見つけることであり、さらに重要なことは、PP顆粒の信頼できるQCの方法を設定することでした。理想的には、このQCメソッドは基本的なDSCまたはTGAで実行されます。

実験条件

サンプル
複数の「合格」サンプル（以下、OKサンプル）と「不合格」サンプル（以下、NOKサンプル）を用いました。

融解/冷却試験
使用機器：DSC 214 Polyma

サンプルを室温（RT）から200 Kまで10 K/minで加熱し、次に-10 K/minでRTまで冷却した後、10 K/minで200 °Cまで2回加熱しました。（雰囲気：N2、サンプルサイズ：約10 mg）

さらに、OITテストサンプルを実行しました。サンプルを10 K/minでN2中でRTから200°Cに加熱し、200°Cで5分間等温に保ちました。その後、大気をO2に切り替え、切り替え点から酸化開始までの時間を記録しました。（サンプルサイズ：約10 mg）

熱分解試験
使用機器：TGA 209 F3 Tarsus

サンプルをN2中で10 K / minでRTから800°Cに加熱しました。（サンプルサイズ：約10 mg）

結果、および考察

1. 欠陥品の解析

1.1. 融解挙動
最初のステップとして、すべてのサンプルの融解挙動を比較して、不純物、つまり他のポリマー成分があるかどうかを確認しました。図1に示すように、約169°CでのPPの主要な融解ピークとともに、148°Cでの小さな吸熱ピークがいくつかのDSC曲線で見られます。これは、2番目のポリマー成分または添加剤が原因である可能性があります。ただし、この小さなピークはOKサンプルとNOKサンプルの両方で検出できるため、このような差をQCの対象とすることはできません。

図1: OKおよびNOKサンプルの融解（2回目の加熱）

1.2. 熱分解挙動
不純物の存在を確認するために、TGA熱分解結果を図2で比較しました。OKサンプルとNOKサンプルの両方で100％の重量損失が見られ、熱分解手順全体で明らかな違いはありませんでした。

図2. OKおよびNOKサンプルの熱分解

1.3. 酸化誘導時間の比較
ポリマー材料の「脆さ」は、異なる安定化材料の結果である可能性があります。ポリマーの安定化に関する情報は、OIT測定によって区別できます。したがって、これらのサンプルでは異なるOITが予想されました。この結果は、QCのしきい値として使用できます。しかし、図3に示すように、OKサンプルとNOKサンプルの間に有意なOITの違いはありませんでした。

図3. OKおよびNOKサンプルのOITテスト

1.4. 結晶化挙動

図4. OKおよびNOKサンプルの結晶化（冷却）曲線

PPフィルムの製造プロセスには、PP顆粒の溶融と押出プロセスが含まれます。結晶化を誘導するために、冷却手順が行われています。結晶化挙動も最終製品の品質に影響する要因になる可能性があるため、冷却曲線を比較しました。図4に示すように、OKサンプルとNOKサンプルの結晶化挙動に大きな違いが見られます。まず、OKサンプルの結晶化の開始（〜115°C）は、NOKサンプルの結晶化（〜119°C）よりもはるかに低いです。これは、NOKサンプルがより簡単に結晶化することを意味します。さらに、NOKサンプルのDSCピークの右側の傾斜は、OKサンプルの傾斜よりも急であるように見えます。これは、NOKサンプルもOKサンプルよりも速く結晶化することを意味します。

1.5. 欠陥品解析の概要
上記の測定に基づき、「脆性膜」の問題は、おそらく原料の結晶化挙動の違いによるものと推測できます。より容易に結晶化する（より高い開始）、またはより速く結晶化する（より急な勾配）原料の場合、製品フィルムはより簡単に壊れます。結晶化の違いは、核生成剤、微粒子などに関する含有量の違いによって生じる可能性があります。

2. 品質管理基準
上記の結論に基づいて、QC基準は結晶化挙動に焦点を合わせることができます。より簡単な解決策は、結晶化開始温度をQCしきい値として使用することです。ただし、これには（オペレータによる）手動評価が必要であり、「理想的ではない」結晶化ピークおよびベースラインの場合には重大な問題が発生する可能性があります。さらに、開始温度は、結晶化挙動に関する状況全体を反映することはできません。より包括的な方法で結晶化の挙動を比較するために、Proteusソフトウェアでは「Identify」という理想的な機能を提供しています。

Identifyを使用すると、OKサンプルの冷却曲線からデータベースを構築できます。次に、ソフトウェアはこれらをサンプルの冷却曲線と比較し、「合格」か「不合格」かを判断できます。この場合、識別データベースに3つのOKサンプルの冷却曲線を含むクラスを作成しました。もちろん、実際の運用では、より信頼性の高いクラスを構築するために、より多くの曲線が推奨されます。

図5. OKおよびNOKサンプルの結晶化（冷却）曲線

図6と図7に示すように、OKおよびNOKサンプルの冷却曲線とクラスの類似性を計算することができます。 OKサンプルの場合の類似性は99％以上、NOKサンプルの場合の類似性は99％未満になります。

図6. NOKサンプルとクラスの類似性

図7. OKサンプルとクラスの類似性

したがって、この場合類似性のしきい値を99％に設定するのが妥当です。つまり、冷却曲線が99％を超えるOKクラスと類似している場合、サンプルは「QCパス」と見なすことができます。実際、識別機能はこのQCチェックを自動的に実行する機能を提供します。

図8. Identifyで適切なQCしきい値（類似性しきい値）を定義する

図9. Identifyによる自動QCチェック

結論

これらの一連のDSCおよびTGA測定は、不合格製品の原因を見つけることを目的に実施されました。 PPフィルムの品質は、PP顆粒の結晶化挙動に依存することが見いだされました。今回の結果から、DSC冷却曲線の結晶化開始温度を単純なQCメソッドとして使用することが確認されました。さらに、Proteusソフトウェアの「Identify」機能を利用して、サンプルのDSC冷却曲線を合格品の冷却曲線と比較することにより、より包括的で信頼性の高いソリューションを実現できます。Identifyでは、サンプルカーブとクラスの類似性を計算し、事前に定義されたQCしきい値を介してQC結果を自動的に表示できます。

https://ta-netzsch.com/how-quality-control-and-failure-analysis-of-pp-effectively-prevent-scrapping-of-goods

この記事はNETZSCH Thermal Analysis Blogを翻訳・一部改変したものを掲載しています。