高分子材料のエージング用オーブンを選択する際の重要な要素
市場には非常に多くの種類のオーブンが出回っています。これらのオーブンには、「エージングオーブン」「ラボ用オーブン」「乾燥オーブン」「加熱オーブン／加熱キャビネット」「ギヤーオーブン」など、さまざまな名称が付けられています。
残念ながら、これらの名称の一部は時に曖昧に使われることがあります。この文章では、さまざまなタイプのオーブンの違いを明確にし、なぜそれらを他のタイプのオーブンと混同してはならないのかをご説明したいと思います。本文の中心となるのは、高精度のエージングオーブンとその仕様についてです。
それぞれのタイプのオーブンには、それぞれの想定された用途において利点がありますが、別の用途には適していない場合があります。そのため、各オーブンの違いを理解し、自分の実際のニーズを正確に把握して、適切な試験用オーブンを選定することが非常に重要です。そうしなければ、自分の用途に適さないオーブンを選んでしまう可能性があります。
ギヤーオーブン
まずは、いわゆる「ギヤー式（エージング）オーブン」について簡単に説明しましょう。これは多くのメーカーによって使用されている表現ですが、問題なのは「ギヤーオーブン」という表現には国際的な標準規格が存在しないという点です。
つまり、各メーカーが自社のオーブンを「ギヤーオーブン」と自由に呼ぶことができるため、実際には仕様や最適な用途が大きく異なるオーブン同士を比較することになってしまいます。
オーブンのその他の名称について
これらのオーブンについて重要なのは、「どのような用途に最も適しているか」を必ず確認することです。これらのタイプのオーブンは、高分子材料のエージング試験用としては、たいてい適切な選択ではありません。使用すると、誤った試験結果を引き起こす可能性があります。
これらのオーブンについて重要なのは、「どのような用途に最も適しているか」を必ず確認することです。これらのタイプのオーブンは、高分子材料のエージング試験用としては、たいてい適切な選択ではありません。使用すると、誤った試験結果を引き起こす可能性があります。
エージングオーブン
「エージングオーブン」という表現は、標準化された用語であり、さまざまな機能に対して非常に明確な要件が定められています。これは、オーブンの性能を保証し、それによって試験結果の再現性（異なる実験室間でも）および信頼性を確保するためのものです。
高分子材料の熱劣化試験において、適切でないタイプのオーブンを使用すると再現性が低くなることは、実証済みの事実です。また、長年にわたる研究（ITP研究）を通じて、国際標準化委員会は、高分子材料の劣化試験に適したエージングオーブンの要件を策定しました。これにより、劣化試験の信頼性、再現性、および反復性が保証されます。これらの要件は、ISO 188などの規格や、それと技術的に同等の規格に示されています。
これらの研究の結果は、以下の管理の重要性を確認しました：
- 時間における温度変動
- 空間（オーブン内部）における温度ムラ
- オーブン内部の気流速度
- 空気の入れ替え率、そして当然ながらその存在の有無
エージング中にたった1℃の温度誤差があるだけで、試験時間に約10％の差が生じるというのは事実です。つまり、わずかな温度変動があるだけで、材料の寿命を正確に予測することが難しくなるということです。
ファンを使わない制御された気流速度と適切な空気の入れ替え率は、オーブン内の空気中に放出される材料の残留物を換気するために重要です。また、試料の周囲の空気中の酸素濃度を一定に保ち、材料が使用される実際の環境、つまり通常の大気にできるだけ近い状態を維持するためにも必要です。
オーブンの違い
市場にある代表的な2種類のオーブンの、高分子材料の適切なエージングに関わる重要なパラメータを比較すると、以下のようになります。
要件
オーブン
時間における温度精度
空間における温度精度
風速の指定
風向の指定
空気置換率の指定
追加温度センサーの有無
このように、新しいオーブンを研究室や会社で導入する際は、まずその用途をよく考えることが重要です。どの規格を使用するのか、また規格ごとに試験方法が異なり、それに伴ってオーブンの要件も大きく変わることを忘れてはいけません。これらを踏まえた上で、あなたの具体的なニーズに合った適切なタイプのオーブンを探し始める準備が整います。
どのオーブンにもそれぞれ利点がありますが、それはあくまで正しい用途で使われた場合に限ります。誤った用途で使われたり、本来の目的と混同されたりしてはいけません。
仕様をしっかり理解し、その仕様を満たすオーブン内部のエリアがどこかを把握することが重要です。場合によっては、エージング規格の要件を満たすのはオーブンの内部のほんの一部、例えば中央の小さなスペースだけであることがあります。これは、オーブンの全内部空間を使えないことを意味し、結果としてお金やスペースの無駄に感じられるかもしれません。
残念ながら、市場にはすべてのニーズを満たすオーブンは存在しません。異なる種類の試験には、それぞれ異なるタイプのオーブンが必要です。
しかし、まずは自分のニーズをしっかりと明確にし、その要件を満たすオーブンだけを選ぶようにすれば、最も適したオーブンを手に入れることができます。
セルエージングオーブンかキャビネットエージングオーブンか？
ご存じの通り、新しいオーブンを研究室に導入する際の第一歩は、使用する規格や試験方法に合った正しいタイプのオーブンを選ぶことです。その点が決まったら、次の決断が待っています。キャビネットオーブンにするか、セルオーブンにするか、どちらを選ぶべきでしょうか？
ここでは、それぞれの違いを理解するためのポイントをいくつかご紹介します。これらのポイントの中にはエラストコン社のオーブンにのみ当てはまるものもありますが、他のメーカーのオーブンにも応用できるものもあります。
槽内容積
100 × 300 mm
50 ～ 120 ℓ
ダンベル形状などの
サンプルの測定
製品の測定
槽内全体の温度精度
風速
空気置換率
空気流量計で調整可能
各セルを個別に制御可能
空気流量計で調整可能
または工場出荷時に選択可能
温度制御数
各セルで温度が設定できるため
それぞれ独立のオーブン
同時に測定できる材料数
お互いに干渉する可能性があるため
同じ空間で異なる
乱気流オプション
セルの底に
エアースターラーを設置可能
EB26には乱気流と
より高風速を可能にするカルーセル
高分子の劣化に関する情報
耐久性試験
高分子材料の耐久性は、環境要因の複合的な影響と、製品の使用によって生じる機械的応力の両方によって左右されます。
影響要因
高分子材料の開発初期から、熱、日光、大気中の酸素、そして一般的な湿度などの要因がゴムの劣化を加速させることはよく知られていました。また、機械的荷重、侵食、不純物、微生物、その他の特殊な影響は、材料の用途に応じて発生します。
加速劣化試験
通常、実際の環境条件での試験結果を待つ時間はありません。実際の自然劣化結果が得られるまでには、何十年もかかることもあります。
したがって、加速劣化試験が用いられます。これは、自然劣化を引き起こす要因を強化することを意味します。加速劣化は、砂漠や熱帯雨林などの屋外環境でも、オーブンや気候試験室、ウェザリングシミュレーターなどの屋内環境でも行われます。
残念ながら、この加速劣化試験は適切な慎重な分析なしに行われることが多いです。劣化プロセスが過度に加速され、材料が文字通り「焼き過ぎ」られてしまいます。その結果、加速された劣化過程は自然な劣化過程とはまったく異なるものとなり、実際の耐久性の予測を誤る原因となります。
劣化プロセスの考え方
まず、機能環境を慎重に分析し、それぞれの用途において最も重要な劣化要因を特定する必要があります。利用可能な知見をもとに、どの程度まで劣化を加速させられるかを判断します。しかし、利用できる知識や事実は、最大許容加速度を正確に決定したり、試験結果を実際の使用環境下での年数に正確に換算したりするには、ほとんどの場合不十分です。
したがって、加速は適度に行い、経験則に基づいて進める必要があります。耐久性試験を真剣に実施する場合は、長期間の試験（1年程度も珍しくありません）を覚悟しなければなりません。
正確な結果を得るためには、早く結果を出すよりも、じっくり時間をかけて待つ方が確実に良いと言えます。
劣化プロセスで覚えておくべきこと
すべての劣化プロセスにおいて、特に重要なのは一定の温度を保つことであり、場合によっては空気中の相対湿度を一定に保つことも重要です。これは、化学反応の速度が温度が10℃上昇するごとにおおよそ2倍になるためであり、劣化はほとんどの場合化学反応だからです。
通常、許容される最高の温度偏差は±1℃です。すべてのエージング試験において、特に長期間の試験（場合によっては1年以上に及ぶこともあります）では、試験全体を通じて温度が許容範囲内で維持されていることを確実にすることが非常に重要です。
もうひとつ重要な要素は、空気の流れです。エージングプロセスの間に、空気中の酸素が消費され、劣化生成物が発生します。試験の再現性を確保するためには、酸素濃度を一定に保ち、劣化生成物を適切に換気する必要があります。
これらの要件を満たすために、空気は1時間あたり3回から10回程度入れ替わる必要があります（他の仕様が適用される場合もあります）。そのため、装置には空気供給装置と流量計が備えられていなければなりません。また、空気の速度も低く保つ必要があります。そうしないと、酸化速度が上がり、可塑剤や酸化防止剤が換気によって失われてしまう可能性があります。
高分子の劣化
ゴム材料は時間の経過とともに劣化すると、通常は剛性が増し、伸び率が減少します。例えば、天然ゴムのように酸化されやすい材料は、長時間の劣化で柔らかくなることもあります。ゴム材料が劣化する際には、以下のような反応が起こります。
- 酸化劣化：酸素によって引き起こされ、ポリマー鎖に切断が生じる反応。
- 熱劣化：ポリマー鎖内の熱運動によって引き起こされ、ポリマー鎖に切断が生じる反応。
- 追加架橋反応：硬化剤の残留物によって引き起こされる。硫黄含有量の高い硬化システムでは、多硫化物結合や二硫化物結合が切断され、新たに二硫化物や非硫化物タイプの架橋が形成されることがある。
劣化による高分子材料の変化は、いくつかの物性試験によって評価できます。ゴム材料における劣化の影響を調べる最も一般的な方法は、引張試験を行い、硬さの変化を測定することです。劣化の総合的な影響は、主に破断伸びの減少として顕著に現れます。追加架橋の影響は、硬さの増加や引張強度の向上として最も明らかになります。