硫酸バリウムは、重晶石とも呼ばれ、化学式BaSO4で表される無色、無臭、無毒性の無機化合物です。高密度、高白色度、優れた化学的安定性、そして酸・アルカリに対する耐性で知られています。また、水やほとんどの酸には不溶です。これらの特性から、硫酸バリウムは多くの産業分野で広く使用されています。特に、プラスチック改質やナイロン（PA）の改質において、硫酸バリウムは独自の利点を発揮します。
ナイロンは、優れた機械的特性、耐摩耗性、耐薬品性、自己潤滑性を備えたポリマーであり、多くの産業分野で広く応用されています。しかし、高い吸水性や寸法安定性の低さといった欠点により、その応用範囲は限られています。そのため、ナイロンの改質による性能向上は特に重要になっています。中性充填剤としての硫酸バリウムは、ナイロンの改質において、補強、強靭化、表面光沢の向上など、多様な役割を果たします。
強化効果
無機充填剤として、硫酸バリウムはナイロンの剛性（弾性率）と硬度を大幅に向上させることができます。ギアやベアリングなど、高い剛性が求められる産業部品に適しています。
実験結果によると、ナノ硫酸バリウムの含有量を増やすと、ナイロンの曲げ弾性率と引張弾性率の両方が向上することが示されています。特に、ナノ硫酸バリウムの質量分率が最適値（例えば3%）に達すると、ナイロンの機械的特性はピークに達します。この強化効果は、主に硫酸バリウムの固有の剛性とナイロンマトリックスとの良好な界面結合に起因します。
寸法安定性: 硫酸バリウムは、加工時または使用時の収縮や反りを軽減し、寸法精度を高めます。
熱変形温度（HDT）：ポリマー鎖の動きを制限することで熱安定性が向上し、自動車のエンジン部品などの高温環境でのナイロンの適用範囲が広がります。
強化効果
硫酸バリウムは、補強効果に加え、ナイロンの強靭化にも貢献します。ナノサイズの硫酸バリウム粒子がナイロンマトリックスと相互作用し、弾性遷移層を形成します。この層は界面応力を分散・吸収し、外部からの衝撃エネルギーを緩和することで、材料の強靭性を高めます。
ただし、硫酸バリウムの含有量が多すぎると粒子の凝集を引き起こし、性能が低下する可能性があることに注意することが重要です。
光沢の向上
硫酸バリウムは紫外線および赤外線の波長域で強力な光反射能力を持ち、プラスチック着色配合において高い輝度を発揮することができます。
適切な粒子径の硫酸バリウムをナイロンに充填することで、加工製品の表面光沢を大幅に向上させることができます。さらに、硫酸バリウムの屈折率はナイロンなどのポリマーとほぼ一致するため、添加顔料の明度と色調を維持するのに役立ちます。
実用化
実際には、硫酸バリウムは通常、ナノサイズで溶融混合によってナイロンに配合されます。この手法は、ナノ硫酸バリウムのサイズ効果、高い比表面積、そして強力な界面相互作用を活用します。その結果、硫酸バリウムの剛性、寸法安定性、耐熱性とナイロンの強靭性、加工性、誘電特性を兼ね備えた複合材料が実現し、卓越した総合性能を実現します。
硫酸バリウムは、ナイロン改質において、顕著な強化、強靭化、光沢向上など、複数の効果を発揮することが示されています。含有量と粒度分布を慎重に制御することで、メーカーはナイロンの機械的性能を最適化し、製品の耐久性と外観を向上させ、コストと性能のバランスを取り、特定の用途に合わせた配合をカスタマイズすることができ、ナイロンの潜在的な用途を大幅に拡大します。
Epic Powder Machinery – ジェットミルのエキスパート
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