【技術解説】発泡スチロールの「泡」を見てみましょう！

パナ・ケミカルの技術顧問を務めさせて頂いています技術士の本堀です。まだまだ暑い日が続きますね。

さて、発泡スチロールという素材は実に面白いものでありまして、軽量で、断熱性や耐衝撃性、耐水性などに優れるため、食品包装から断熱材、建材など我々の身の回りの様々な製品に利用されています。

おまけにそのほとんどが空気であるため、「省資源」という環境調和性も有しています。

例えば、卸売市場などでよく利用されている50倍に発泡された魚箱においては、製品の体積の約98％が空気という事になり、使用されているポリスチレン原料はわずか2％に過ぎません。

まさに発泡スチロールとは、ポリスチレンで空気を「泡」という形で固定した素材であり、この空気を含む泡に由来する性質こそが軽量性や断熱性、耐衝撃性という事になります。

しかし、「泡」といいましても、発泡スチロールをじっと眺めただけでは、泡なんか全く見えませんよね。

それは発泡スチロールを形成している泡が非常に小さいためなのです。

そこで今回は、実体顕微鏡を用いて発泡スチロールの小さな泡の構造を観察してみたいと思います。

一口に発泡スチロールと言いましても様々なタイプがありまして、基本的には下図に示す様に製法・用途の異なる3種類に大きく分類されます。

まず魚箱などに使われている発泡スチロールである「ビーズ法発泡スチロール（Expanded Polystyrene : EPS）」を見てみましょう。

EPSの成形法としては、まず揮発性の高いブタンなどに含侵したポリスチレンのビーズ（含侵ビーズ）を予備発泡させて、所定の発泡倍率を有する予備発泡ビーズを作ります。

発泡直後の予備発泡ビーズは気泡が不安定な状態にありますので、気泡内に大気中の空気を侵入させて安定化させるため、サイロ内で5～6時間熟成させます。

そして、安定化した予備発泡ビーズを金型に充填した後、115～125℃の水蒸気で予備発泡ビーズが軟化するまで加熱して、再膨張と融着を行って形を付与（成形）します。離形後、乾燥室において、60℃で乾燥を行うことでEPS製の魚箱が完成します。

この魚箱の表面を実体顕微鏡で見てみますと、下図の様になります。

10倍拡大の写真では、予備発泡ビーズが再膨張によって隣同士が溶着している様子が分かります。溶着している部分には多少の隙間が残っており、魚箱に外力が掛かったとしても、この隙間やビーズが変形する（ひずむ）事で、エネルギーを吸収する事が可能となります。

更に20倍や40倍拡大の写真を見てみますと、予備発泡ビーズの内部にもビーズの発泡によって形成された小さな泡を見る事ができます。

この写真を見て頂くと、発泡スチロールは本当に空気が詰まった泡の集まりである事がお解り頂けるものだと思います。

気体である空気の熱伝導性は固体であるプラスチックよりも低いため、発泡成形する事で断熱性が発現されます。

当然、この小さな泡も変形する事で外力を吸収する事が出来る訳で、EPS製魚箱の耐衝撃性はこの泡の存在にも大きく依存しています。

つまり、EPSにおいては、予備発泡ビーズ内の“小さな泡”と、これが多数集まって形成された予備発泡ビーズ由来の“大きな泡”の2段構造になっているのです。

次に押出発泡成形により製造される「ポリスチレンペーパー（Polystyrene Paper：PSP）」と「押出ポリスチレン（Extruded Polystyrene：XPS）」について見てみましょう。

いずれの方法もポリスチレンに発泡剤を添加し、押出成形時に発泡させる手法です。

PSPは食品トレーなどに利用されていますが、これは押出発泡成形されたシート状のPSPを真空成形するなどにより賦形されています。

PSP製トレーの表面を実体顕微鏡で見てみますと、下図の様になります。

EPSの場合と異なり、小さな歪んだ円形の気泡が多数集まっています。これは、原料のポリスチレンに添加された発泡剤（低沸点の脂肪族炭化水素）が押出過程で膨化し、ランダムに泡が成長したものです。

もう一つ、PSP製品の泡を見てみましょう。下図は、工作用の極薄（2㎜）のPSPシートの表面を実体顕微鏡で見てみたものです。

トレーの泡と異なり、縦長の泡が無数に形成されています。これは、極薄のシートのため、押出機に付属したダイ（口金）から押し出される際に摩擦抵抗を受けて押出方向に泡が引っ張られ、押出方向に沿って縦長に伸ばされたためです。

この製品では泡がキレイに配置しているので品質上問題は無いのですが、薄手の発泡シートを押出発泡成形する際には、泡に過度の抵抗が掛かると、形成された泡が壊れてしまい、結果的に機械的強度が低下してしまうなどの品質ムラが生じる事がありますので、注意が必要です。

次にXPSの例として、異形押出発泡成形により製造された建材の表面を実体顕微鏡で観察した結果を下図に示します。

建材向けのXPS成形材は、他の発泡スチロールに比べて発泡倍率が低く、2～5倍程度に設定されています。

そのため、ポリスチレンの中に“球形の空孔”が所々見られるという感じです。

これは泡の変形による耐衝撃性を稼ぐというよりも、材料中に空気を入れる事で軽量化を目指すというもので、先に取り上げたEPSやPSPとは目的が異なります。

発泡倍率によって発現する物性も異なる訳で、用途に応じた材料設計が比較的容易である事も発泡成形の大きな魅力です。

さて、ここまで色々な発泡スチロールの「泡」を見て参りましたが、最後に泡を消し去る、つまり減容処理をするとどの様に泡が変化するのか見ておきましょう。

発泡スチロールのマテリアルリサイクルにおいては、破砕や溶融といった操作により、発泡スチロール中の「泡」を破壊する事で空気を追い出してポリスチレンと空気を分離し、インゴットやペレットを成形しています。

そこで、EPS製魚箱を摩擦熱利用型減容処理法により減容した直後のポリスチレン減容物の断面を実態実体顕微鏡で観察してみました。

摩擦熱利用型減容処理においては、回転盤に粗破砕した発泡スチロール片を導き、摩擦により生じた熱によりポリスチレンを軟化し、摩擦におけるせん断作用によって軟化した発泡スチロールから空気を追い出すという事が行われています。

実体顕微鏡観察の結果を見ますと、減容物内部には空孔は見られず、減容処理において発泡スチロール内部に存在していた空気は追い出された事が分かります。

今回は、実態顕微鏡を用いて、発泡スチロールの「泡」を観察してみました。

少しでも見方を変えてみると、今まで見えていなかったものが見えるかもしれませんね。