高速・強衝撃で柔らかくなるプラスチック

世界初となるL/D=100の押出機を開発

ナノミセル型ポリマーアロイ作りにおいて最初の壁となったのは、押出機の独自開発でした。できるだけ長い時間をかけて材料同士を反応させ、せん断を繰り返して反応物を遊離するには、押出機そのものを長くせざるをえませんが、スクリューの軸が長くなり過ぎると重みで先端部分が垂れ下がってしまい、真っすぐ回転させられなくなってしまいます。

仕組みは従来通りの押出機であっても、それほど長いスクリュー長の押出機は世の中に存在していませんでした。数社の押出機メーカーに製作を依頼してもどこにも断られ、最終的に名乗りを挙げてくれた1社によって独自の押出機開発を進めることになりました。

従来のリアクティブプロセッシングでは、スクリュー長（L）をスクリュー径（D）で割ったL/Dの値が50未満（通常は30程度）であるのに対して、本プロジェクトでは世界で初めて「L/D=100」の二軸押出機を作り出しました。スクリューから軸受け、モーター部まで、全長約５ｍにもおよぶ押出機ではあるものの、懸案だった先端が下垂してしまう課題については、二軸押出機の中に樹脂を充填させると丁度スクリューが浮いている状態になることで解決。この二軸押出機は「L/D=100（百）」にちなみ「MOMOKO」と名づけられました。

完成したMOMOKOによる最初のポリマーアロイの材料は、硬い性質を持つナイロンと、それとは正反対の柔らかい性質を持つ反応性ゴム。相反する2つの素材を混ぜ合わせたときに起こりうる反応への期待と同時に、MOMOKOが正常に機能するかどうかの不安も大きかったそうです。

「2種類の原料を入れて混ぜ合わせれば白色の樹脂が出てくるはずですが、スクリューがまっすぐ回らなければスクリューの金属屑などの異物の混ざった黒い樹脂が出てくるかもしれない。それだけに、スムーズに押出機が稼働して、透明感のある綺麗な白色の樹脂が出てきたときにはかなり感動して、そこにいた全員から自然と拍手が沸き起こりました」（小林さん）

革新的な材料特性のメカニズムを分子レベルで解明

MOMOKO によってナノミセル型ポリマーアロイ製造は可能になりましたが、なぜ相反する特性が発現しうるのかは不明なままでした。そこで、次に取り組んだのがナノ構造でのメカニズムやモルフォロジー（アロイ化したときの高分子の混ざり具合）変化の解明です。

量産体制に向けたスケールアップ

革新的なナノミセル型ポリマーアロイ「衝撃吸収ナイロン」が誕生。様々な分野のユーザーに対してサンプル提供を行ったところ、注目度はかなり高く、多くの企業から自社製品に活用したいとの強い要望が寄せられました。

しかし、ラボ実験機であるMOMOKOでは量産には対応できないため、量産化に向けたスケールアップが、次の大きな課題となりました。ただし、MOMOKOと同じL/D=100で量産しようとすると、押出機の全長を10数mにしなければならず、とても現実的ではありません。コストなどの面から考えても、L/Dを汎用押出機と同程度まで短くしつつ、ナノミセルができるようモルフロォジーを制御する必要がありました。

先に解明したナノアロイ形成メカニズムでは、リアクティブプロセッシング時に界面で生成される反応物の界面密度を最密充填値以上に制御することが重要だと分かっています。しかも、密度や充填量、粒子の大きさ次第で、変形する（柔らかくなる）速度を制御できます。こういったナノ構造を制御する方法を確立しつつ、押出機スケールアップにつなげていきました。

山形大学の集中研で3人目の研究員となった化成品研究所樹脂研究室の秋田大さんは、「山形大学で製造能力5倍のMOMOKO2号機を制作し、サンプルの大量試作を可能としたことで、ユーザーワークを飛躍的に加速させることができました。そして、東レに戻ってからはL/Dの短い生産機での量産技術を確立しました。L/Dの短い押出機でもしっかりと樹脂を反応させること、また大型の生産機でも混練時の発熱を抑制すること、この2つを両立させることは難しいことでした」と話します。

「実はここがもっとも苦労した部分」と小林さんが語るように、目標としていた汎用押出機での生産を可能とするまでに約2年を要しました。そして、2011年度末に、年産5,000トン能力の商業生産設備での稼働開始にまで至りました。