高分子材料のスクラッチ特性の定量評価
1. はじめに
高分子材料あるいはプラスチック成 形品の用途拡大にともない，成形品表 面の意匠性という観点から，耐傷つき 性（スクラッチ特性）の向上が重要な 課題となっている．また，成形品表面 に形成される傷が強度低下の要因とな り得るという観点においても，スク ラッチ特性は重要である．材料のスク ラッチ特性は，剛体ピンを試料に押し 付けながら，水平移動させるスクラッ チ試験により評価される（図 1）．こ れまで，スクラッチ特性は「一定荷重 試験」により評価されてきたが，2006 年にアメリカ材料試験協会（American Society for Testing Materials），2008 年に国際標準化機構（ISO）において
「 荷 重 増 加 試 験 」 が 標 準 化 さ れ た
（ASTM D7027-05，ISO 19252）．
2. 荷重増加型スクラッチ試験
（ISO/ASTM）
荷重増加型スクラッチ試験の主な特 長は，①スクラッチ特性を定量的に評 価できること，②スクラッチ挙動に及 ぼす荷重依存性を 1 回の試験で評価で きること，③少ない試験回数でスク ラッチ特性を評価できること，④スク ラッチ機構の解析に適していること，
などがある．
ISO/ASTM で は， 直 径 1mm の 球 状剛体ピンを用いて，スクラッチ速度 100mm/s で試験することが推奨され ている．その際，垂直荷重がスクラッ チ距離に対して線形的に増加される．
したがって，可視傷の開始点，スクラッ チ損傷形態が変化する点の垂直荷重を 用いて，材料のスクラッチ特性を定量 的に評価できる．また，スクラッチ試 験中の水平荷重を計測することによ り，スクラッチ抵抗の荷重依存性（ス クラッチ摩擦係数：下記参照）を評価 することができる．
ISO/ASTM に準拠した試験装置を 製造・販売しているメーカには，アメ リカの SMS 社（1），国内のカトーテッ ク（株）（2）がある．
3. 評価事例
3.1 スクラッチ特性の定量評価 荷重増加型スクラッチ試験後のスク ラッチ表面の画像処理／顕微鏡観察に より，傷発生荷重／スクラッチ損傷形 態転移荷重を定量的に評価できる．3 種類のポリプロピレン（PP）射出成 形品のスクラッチ特性に及ぼすスク ラッチ速度の影響を検討した結果（3）を 以下に紹介する．PP 成形品のスクラッ チ損傷形態は，低荷重側から，①うろ こ状模様（図 2），②可視傷，③切削
モードへと変化する．測定例として，
可視傷発生荷重とスクラッチ速度の関 係を図 3に示す．これより，スクラッ チ速度の増加にともない，傷発生荷重 が低下することがわかる．すなわち，
これは，スクラッチ速度が速いほど傷 が発生しやすいことを意味する．また，
3 種類の PP 成形品のスクラッチ特性 が定量的に評価できることもわかる．
うろこ状模様開始荷重および切削モー ドへの転移荷重においても，同様の解 析が可能である．
3.2 スクラッチ摩擦係数
スクラッチ試験中の垂直荷重および 水平荷重データを用いて，次式からス クラッチ摩擦係数（SCOF：Scratch Coefficient of Friction）を算出できる．
SCOF ＝水平荷重 / 垂直荷重 図 4に PP 成形品（図 3：PP-a）の スクラッチ摩擦係数のスクラッチ速度 依存性を示す．可視傷発生箇所に相当 するスクラッチ過程初期領域（スク ラッチ距離＜ 20mm）においては，ス クラッチ速度が速い場合，高いスク ラッチ摩擦係数が得られ，可視傷発生 荷重が低くなること（図 3）と対応し ている．スクラッチ摩擦係数は，表面 損傷形態と直接関連する物理量である ため，スクラッチ機構解明に役立つ．
4. おわりに
本稿では，2008 年に ISO において 標準化された高分子材料のスクラッチ 特性評価手法，および同手法を用いた 測定例を紹介した．比較的新しい評価 手法であるため，これまでに公開され ている評価データは限られているが，
同手法の優位性，および評価結果の信 頼性／再現性は確認されている．高分 子材料のスクラッチ特性に関する研究 が活発に行われ，高分子材料のスク ラッチ機構に関する理解が今後ますま す深まり，ひいては優れたスクラッチ 特性を有する新材料が開発されること を期待する．
（原稿受付 2009 年 9 月 14 日）
〔小滝雅也 京都工芸繊維大学〕
●文 献
（ 1 ）http://www.surfacemachines.com
（ 2 ）http://www.keskato.co.jp
（ 3 ）Aoki, N., Fujiwara, M. and Kotaki, M., Scratch Behavior of PP Injection Mold- ings, Asian Workshop on Polymer Pro- cessing,（2008-8）.
図１ スクラッチ試験略図 スクラッチ幅
スクラッチ速度 剛体ピン
垂直荷重 傷（スクラッチ）
試料
図 2 うろこ状模様（SEM 写真）
100 μm
0 20 40 60 80 100
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
10mm ／ s 100mm／ s
スクラッチ距離／（mm）
スクラッチ摩擦係数
100mm ／ s 10mm ／ s
図 4 スクラッチ摩擦係数のスクラッチ速度依 存性
0 2 4 6 8 10
1 10 100
スクラッチ速度（mm ／ s）
傷発生荷重（N）
● PP−a
○ PP−b
◆ PP−c
図 3 傷発生荷重とスクラッチ速度の関係
202 日本機械学会誌 2010.3 Vol.113No.1096
─ 62 ─
