On Ductile Fracture Mechanism under Tension in Semicrystalline Polymers

日常よく利用されているプラスチック材料を室温におい て一軸延伸させると,金属やコンクリートにはない高い延 伸性を示す.これらの材料の多くは,結晶性高分子であり, 結晶相と非晶相の規則的な混在,数ミクロンサイズの巨大な 高次構造の形成といった極めて複雑な階層構造を形成して いる.そして,このような材料に応力が付加されると,この 階層構造体の中でより大きな構造体から順次変形・崩壊し て行くこととなり,この過程が高延伸性の源となっている. 変形初期では,プラスチック材料も,見掛け上金属や無 機材料のようにフック則に従う弾性的応答を示す.その後, 塑性変形による降伏挙動が発現して応力は最大値(降伏点) を示し,ネックとよばれるくびれが突然に発現する.この ネックが応力一定下で試験片全体に伝播し,さらに延伸が 進むと応力は再び増加し(ひずみ硬化),最終的に破断に至 る.このネック発現は,カタストロフィー的な不連続な物 理現象であり,構造の大掛かりな相変態現象として取り扱 うことができる.上で述べた降伏やネッキングを伴ってひず み硬化領域で破壊する現象が延性破壊と呼ばれ,結果とし て破断直前の構造状態は延伸方向へ高度に配向した繊維構 造を形成することになる. ガラス状高分子や高度に配向結晶化させた高強度繊維は, 室温においても降伏現象を示すこと無くほとんど歪まず脆 性的に破壊する.この現象は,何らかの原因で応力の局所 的な集中によって起こる主鎖の切断,構造単位の破砕や崩 壊などのミクロな破壊現象がクレーズやクラックなどを引 き起こし,それらの周りでの応力集中によって,マクロな 破損へと進展していく(最弱リンク説 ).一方,所謂プラ スチックと呼ばれるポリプロピレン (PP)やポリエチレン (PE) に代表される結晶性高分子材料は,室温においては,上述 したように降伏やネッキングを経て破壊にいたるもので, 脆性破壊とはその発現メカニズムが大きく異なる.著者ら 3) が以前に PEの破断挙動を幅広く延伸速度と延伸温度を変化 させて調べたところ,Smithら が発見したゴムの破断挙 動と同様の破損包絡曲線を示すことがわかった.そこでは, 温度上昇とともに破断伸びは増大し,破断強度が減少する 高温領域と,破断伸びの減少とともに強度が増大する低温 領域に分けられ,破断面の電子顕微鏡像の観点からは,い ずれも降伏応力やネックは発現するものの前者が延性的で あるのに対して後者は脆性的であった.また,温度を上げ る効果と延伸速度を下げる効果は,重ね合わせることが可 能で,WLF式によって換算できることも分かった.無定形 なゴム材料と結晶性プラスチックである PEはともに同様の On Ductile Fracture Mechanism under Tension in Semicrystalline Polymers