ガラス繊維強化品の表面の白いモヤは繊維であり、乾燥では直らない

ガラス繊維強化品が白くモヤのかかった表面で出てくると、反射的に乾燥不足を疑いたくなります。しかしガラス繊維強化樹脂では、その反射はたいてい間違いです。白く見えているのはガラス繊維そのものです。繊維を隠すには薄すぎるスキン層から透けて見えているのであって、どれだけ乾燥させても消えません。

白い痕の見分け方については以前書きました — 拭き取れるか、そもそもガラス繊維強化か、乾燥は本当に行われたか。あのノートは、繊維が原因と確定し、それ以外が除外された時点で終わっています。本稿はそこから始まる分岐です。原因は繊維です。次はそれを表面の下に戻す必要があり、それを実現する条件が金型温度です。設定に手を伸ばす前に、理由を理解しておく価値があります。

なぜ繊維が浮くのか

溶融樹脂は、コップに水を注ぐようにキャビティを満たすわけではありません。ファウンテンフローで充填が進みます。流れの中心部の材料が最も速く、フローフロント（流動先端）に達すると外側へ、前方へと回り込み、噴水が折り返すように冷たい金型壁面へ押し付けられていきます。先端付近に乗っていたものは、そのまま表面へ回り込み、そこで固化します。

ガラス繊維強化樹脂では、先端付近に乗っているのが繊維です。ガラスとポリマーは同じようには流れません。密度が違い、せん断への応答も違うため、流れる間に少しずつ分離し、繊維が先頭側に寄っていきます。それをファウンテンフローが壁面へ回り込ませ、繊維は冷たい金属面に触れて、後ろの樹脂が覆いかぶさる前に固化します。本来なめらかな樹脂の層であるはずのスキン層が、繊維端が多数露出した状態になる — それが白いモヤ、すなわち繊維浮き（フローティングファイバー）として見えているものです。

界面の状態がこれを悪化させます。繊維とポリマーの結合が弱いと — 溶融粘度の低下も高せん断も、どちらも結合を弱めます — 繊維は樹脂の被覆を失いやすくなり、表面からより突き出た状態になります。つまり、溶融樹脂に強いせん断をかける条件こそが、最も多くの繊維を表面に露出させる条件だということです。

浮きやすい樹脂と浮きにくい樹脂

これは特定の樹脂に限った話ではありません。メカニズムは化学ではなく物理 — ファウンテンフローと密度差 — なので、短繊維ガラス強化の熱可塑性樹脂であればどれでも起こります。PA、PBT、PP、PC、PPS、POM。どれに短繊維のガラスを入れても、繊維は表面に出ようとします。樹脂によって変わるのは、その出ようとする強さです。

分かれ目は結晶性です。結晶性樹脂 — ナイロン、PBT、PP、POM、PPS — は冷える際の収縮が大きくなります。ポリマーが結晶として密に詰まり、内側へ引き込むためです。この収縮が樹脂を繊維から引き剥がし、繊維をより突き出た状態に残すので、結晶性グレードのほうが繊維浮きは悪化します。非晶性樹脂 — PC、ABS、PC/ABS — は収縮が小さく浮きも少ないのですが、光沢のある外観面を狙って選ばれることが多く、わずかな浮きがかえって目立つという面もあります。

浮きを押し上げる要因はほかに二つあります。ガラス繊維含有量が高いほど浮きは増えます。表面に出ようとする繊維の絶対量が増えるからで、30%品は15%品より不利です。そしてポリプロピレンは特殊なケースです。非極性のためガラスとポリマーの結合がそもそも弱く、繊維が被覆を失いやすい。ガラス繊維強化PPがほぼ必ず無水マレイン酸系の相溶化剤を含み、それでも浮きやすいのはこのためです。

実務上のポイントは、打ち手はどの樹脂でも同じ — まず金型温度 — だが、数値は同じではないということです。結晶性のナイロンと非晶性のポリカーボネートでは、きれいな表面に到達する金型温度が異なり、一方で通用する温度範囲がもう一方でも通用するとは限りません。

繊維を戻す成形条件

この問題の下地は樹脂で決まりますが、どれだけの繊維が表面で固化して残るかは成形機側で決まります。まず動かすべきは金型温度です。

金型壁面が熱ければ、表面のスキン層は一瞬長く溶融状態を保ちます。その一瞬のあいだに、固化した先端の後ろにいる樹脂が前へ流れて繊維の上を覆い、露出したまま固めるのではなく樹脂リッチ層の下に埋めることができます。ガラス繊維強化ナイロンでの実用範囲はおよそ80〜120°Cで、繊維浮きが問題となる部品ならその範囲の上限側に置くべきです。下限側ではありません。これが単独で最も効果の大きい変更であり、同時に、金型を熱くするとサイクルが延びるという理由で現場が飛ばしがちな変更でもあります。

二番目の打ち手は射出速度で、直感とは逆に働きます。充填が速いほど、フローフロントが壁面で固化に費やす時間が短くなり、樹脂が覆う前に固定される繊維が減ります。また、そもそも繊維とポリマーを分離させる両者の相対的な滑りも小さくなります。

樹脂温度は補助的に効きます。ガラス繊維強化ナイロンはおよそ270〜300°Cで成形され、高め側なら樹脂の流動性が保たれて繊維を覆いやすくなります。ただし上限があります。上げすぎればせん断と熱が繊維と樹脂の結合を劣化させ — 先ほどの界面の問題です — 流動で得たものを界面で失います。射出圧力はこれらの樹脂ではもともと高く、75〜100 MPa程度になりますが、これはガラスが粘度を上げることの結果であって、表面のための打ち手ではありません。

成形条件で届かないとき

成形条件の範囲では足りない場合もあります。肉厚が薄い、流動長が長い、あるいは外観仕様が厳しく妥協の余地がない。そうなると、対策は成形機の外へ移ります。

先に来るのは材料側です。コンパウンドメーカーは同じ樹脂の低浮きグレード・外観改良グレードを販売しており、違いはたいてい、繊維と樹脂の界面結合を改善するカップリング処方 — シラン処理や、無水マレイン酸グラフトの相溶化剤 — にあります。繊維表面の樹脂被覆を保持しやすくする処方です。標準グレードが成形条件をどう振っても浮くなら、同じ樹脂・同じガラス繊維含有量の外観改良グレードへ切り替えるほうが、ショットごとに戦い続けるより安くつきます。

金型側は高くつく答えです。ヒート&クール（急速加熱冷却）成形は、充填中にキャビティ表面を通常の金型温度よりはるかに高く加熱して流動経路全体でスキン層を溶融状態に保ち、その後、離型のために冷却します。繊維浮きにもウェルドラインの白化にも最も完全な対策ですが、型費とサイクルの両方で最も高くつきます。そこまでいかない手として、艶消しやシボ（梨地）仕上げがあります。繊維の浮き自体は止まりませんが、反射を散らすことで白いモヤが外観不良として目立たなくなります。ガラス繊維強化部品の多くが最初からシボ指定になっているのはこのためです。

要点

繊維浮きは、繊維が原因と確定した後は、もう診断の問題ではありません。手順の問題です。まず金型温度を範囲の上限側へ上げます — これで大半は解決します。次に射出速度を上げます。樹脂温度は少し上げてもかまいませんが、結合を劣化させる領域までは踏み込みません。成形条件の範囲を使い切ったら樹脂の外観改良グレードへ移り、それでも駄目なときに初めてヒート&クールの金型か、防げないものを隠すシボへ進みます。この順序が重要なのは、後の手ほどコストが上がるからです。そして大半の部品は、最初の一手から先へ進む必要すらありません。

Mold Doctorは不良の写真と成形条件から、考えられる原因と調整すべき項目を推定します。樹脂がガラス繊維強化であることを伝えれば、白い表面は「乾燥不足」ではなく「繊維浮き」として読まれ、金型温度が本来あるべきリストの最上位に置かれます。