赤外線ラジエーターを使った熱成形におけるガラス転移温度の制御

熱成形は、熱可塑性材料のプラスチックシートを柔らかくなるまで加熱し、特定の形状に成形する製造プロセスです。このプロセスは、食品包装、医療用トレイ、消費財の包装など梱包・包装材料の製造において非常に重要です。自動車産業では、熱成形プラスチックはダッシュボード、ドアパネル、インテリアトリムなどの部品に使用されています。また建築における窓の形材、パイプ、断熱材の製造にも使われています。さらに、熱成形プラスチックは、飲料ボトル、機能性靴フィルム、その他の日用品など、様々な消費財に使用されています。

熱成形プロセスは、熱可塑性樹脂シートが軟化して柔軟になるガラス転移温度（Tg）に達するまで加熱することから始まります。このステップは、材料を目的の形状に簡単に成形するために必要となります。赤外線ラジエーターは、効率的に加熱を制御できるため、この目的に使用されます。熱可塑性シートが柔らかくなったら、金型を使用して真空成形、圧空成形、機械成形などの方法で所望の形状に成形します。

各方法には特定の用途と利点がありますが、圧力または真空を加えて加熱したプラスチックを成形する点は共通しています。成形後、シートを冷却して形状を固化し、プラスチックの形状と構造的完全性を確実に保持する必要があります。冷却された部品は金型から取り外され、最終製品仕様を達成するために追加のトリミングや仕上げ処理が行われる場合があります。熱成形で一般的に使用される材料には、ポリエチレン（PE）、ポリプロピレン（PP）、ポリスチレン（PS）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）、ポリ塩化ビニル（PVC）などがあります。均一な加熱によりプラスチックシート全体が同じ柔軟性レベルに達することで不均一な成形が防げるため、最終製品の欠陥を回避するには温度の均一性を確保することが重要です。過剰に熱を加えることなく必要な柔軟性を実現するには、十分な熱浸透も不可欠です。

プラスチックがガラス転移温度（Tg）に達していることを確認するには、赤外線センサーが必要です。ただし、プラスチックの厚さは400µm未満であることが多く、プロセスには赤外線ヒーターを使用するため、温度監視が難しい場合があります。赤外線ヒーターは、指向性を持たせた赤外線放射を通じて非接触で熱またはエネルギーを伝えます。赤外線加熱プロセスをできるだけ効率的にするには、プラスチック材料の放射率を考慮し、IRエミッタが短波、中波、または長波のいずれの赤外線範囲で動作するかを決める必要があります。放射率は、材料、表面品質、波長、角度、および場合によっては適用される構成によって異なります。

赤外線ヒーター・赤外線ラジエーターの要件は、赤外線の波長や製品の素材によって異なります。ここでの課題は、同じ波長範囲で動作する赤外線センサーがヒートエミッタからの反射を拾う可能性があることです。さらに、薄いプラスチックフィルムは肉厚の薄い部品として成形され、一部の波長範囲では透過する場合があります。誤った波長感度を持つ赤外線温度センサーではプラスチックフィルムの赤外線を感知できない可能性があるため、このアプリケーションでの活用をさらに難しくさせます。

熱成形の温度制御：赤外線ラジエーターの役割とパイロメーターの波長範囲

赤外線ラジエーターは、制御された均一な加熱によって熱可塑性樹脂シートが必要なガラス転移温度(Tg)に到達することを管理するために使用されます。加熱プロセスを制御するには、加熱面の状態を理解することが極めて重要です。赤外線放射温度計(パイロメーター)は、成形前のプラスチックのガラス転移温度（Tg）を高速で直接的に監視します。赤外線ヒーター近傍での温度測定を行う際の注意点は、ヒーターが使用する同じ波長範囲での測定を避けることである。赤外線ヒーターとドライヤーは通常、近赤外線（NIR）と中赤外線（MIR）の波長帯で機能します。近赤外線（NIR）ヒーターは通常、0.75 ～ 1.5µmの範囲で動作し、急速加熱に最適な強力かつ集中的な熱を提供します。中赤外線（MIR）ヒーターは 1.5 ～ 5.0µmの範囲内で動作し、表面過熱と材料へのわずかな浸透によりバランスの取れた加熱を実現します。クロストークを避けるため、ほとんどの乾燥・加熱における温度測定では８ ～ 14µmの長波長（LT）範囲で測定するパイロメーターが利用されます。このようにヒーターの照射波長と温度測定センサーで異なる波長を使用することが最善な方法です。

薄いプラスチックフィルムの温度測定には、一部の波長で透過する問題が生じることがあります。このため、背後から透過してくる赤外線による影響を抑えられる正しい波長感度を持つセンサーを使用する必要があります。厚さ0.4mmを超えるプラスチックや着色フィルムは、放射率が0.9以上となるため、遠赤外(LWIR)の波長範囲（８ ～ 14µm）で簡単に測定できます。ただし、非常に薄いプラスチックフィルムはこのスペクトル範囲では透過してしまうため、測定には材料固有の吸収バンドに対応した狭帯域に感度を持つIRセンサーが必要です。

プラスチックの赤外線温度測定では、特定の波長帯域と温度範囲を考慮する必要があります。波長3.43µmのC-Hバンドは、50℃を超える温度で有効です（P3 > 50℃）。一方、波長7.95µmのC-Fエステルバンドは、０℃を超える温度に適しています（P7 > ０℃）。プラスチック材料が異なれば、これらの波長帯域に対する反応も異なります。ポリエチレン（PE）、ポリプロピレン（PP）、セロファン、およびポリスチレン（PS）は、3.43µmのC-Hバンドには感度がありますが、C-Fエステルバンドには感度がありません。アクリルやポリカーボネートなどの一部の素材は両方のバンドに反応します。ポリエステルは、10µmを超える厚さがある場合 C-Hバンドが有効であり、C-Fエステルバンドにも反応します。ポリ塩化ビニル（PVC）は両方の波長域に応答するため、広く赤外線温度測定アプリケーションで使用できます。

簡単に設置できサーマルショックに強いパイロメーターを使ったコスト効率の高い温度管理

CT LTセンサーは、食料品用の安価なプラスチック包装を製造する用途に使用されています。プラスチックフィルムは400µmより厚いため、長波長（LT）センサーで十分測定できます。包装メーカーでは、温度の不均一性を監視するために、複数のパイロメーターをラインに設置しています。温度の読み取り値が異なる場合、プログラマブルロジックコントローラー（PLC）は、アナログ入力経由で受信した温度データに基づいて赤外線ヒーターの電力を調整します。放射温度計は、寄生反射を避けるため赤外線ヒーターの横に設置されます。ここはプラスチックフィルムが最も高い温度に達する場所であり、周囲温度も高温となります。センサーはこの温度に耐える必要があります。

Optrisの放射温度計（パイロメーター）はサーマルショックに強く、急激な温度変動や放射熱（輻射熱）が近くにある環境でも信頼性の高い温度測定を行うことができ、この用途に適しています。Optrisは、既存の熱成形機へのセンサーの組込みを簡素化する様々なアクセサリを提供しています。これらのアクセサリには、取付けブラケットや調整可能なスタンド、窓材、保護・冷却ハウジングが含まれており、ユーザーは大幅な変更を加えることなく、赤外線温度測定システムを機械に簡単に組み込むことができます。さらに、センシングヘッドは制御回路ボックスから取り外すことができるため、複雑な機械セットアップでの設置とメンテナンスが容易になります。これにより、時間が節約できるだけでなく、設置コストも削減可能です。