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塗料報知新聞社の『塗布と塗膜』2025年2月号～11月号にわたり「塗料から機能性コーティングへ」をテーマに全４回の連載を行ってきた。ここでは新たに「JIS K7317の開発物語」として、機能性ハードコート開発時に直面するハードコートの硬さの尺度に関し、一石を投じた新しいJIS「プラスチック-機能性フィルムの引っかき硬さの求め方」(JIS K7317)の開発にフォーカスして話をさせていただきたいと思う。

なお、第1回「高分子と塗料」、第2回「ハードコート概論」、第３回「機能性フィルムについて考える」のコンテンツは、上部【資料ダウンロード】よりPDFで無料にてダウンロードできるので、ご興味ある方はそちらも閲覧して欲しい。

著者：佐熊範和【東京都立産業研究センター】

「JIS K7317の開発物語」コンテンツ

1)物質の硬さを考える 
2)引っかき硬度を考える 
3)鉛筆ひっかき硬度を考える 
4)フィルム表面硬さについて

1)物質の硬さを考える 

古の先達たちは、ものの表面の硬さについて、真剣に考え、用途、対象物、時代に応じてさまざまな表現方法にて表してきた。それは、取引上、生産上、学問上の理由であったからかもしれないし、損得の上での必要性であったかもしれない。

なじみの深いものから、1.モース硬度(MH)、2.鉛筆引っかき硬度、3.ビッカース硬度、4.ショア硬度、5.ペンデュラム硬度、と簡単にいくつか名前は出てくる。1.は硬度の代名詞みたいな存在で、2.は塗膜の硬さを語る上では外せない。これら2つは、我々は「relative硬度」と呼んで非常に身近だ。3.は押し込み硬度として、硬めの材料を扱う場合に必ず出てくるもの。近年では塗膜のような薄膜で低硬度のものまでも測定範疇に入る機器が出現、塗膜硬度の数値化にも貢献している。4.のショア硬度は、弾性変形する塗膜素材に対しても使用され、5.のペンデュラム硬度は振り子と試験片との接触によるエネルギー損失で表現され、ISOにも規格化されている非破壊測定が可能な硬度測定方法である1)。

表1にモースの硬度表を、図1にモース硬度スケール例と引っかき試験の様子を載せる。19世紀初頭にドイツのモースにより考案された鉱物の引っかききずに対する強さ(きずつきにくさ)を10種の基準となる鉱物を用いて1(min.)から10(max.)の10段階で示した尺度である。MH1はMH2できずがつく、MH2はMH3できずがつく、・・・MH10はなにものでもきずがつかない。Unknownの鉱物はどの範疇に属するのかで表面硬さを順番付けしているのである。Primitiveであるが、最も現実的な方法であると言える。

表1　モース硬度表

図1　モース硬度スケールとひっかき試験

図2は、モースの硬度をビッカース硬度で表現しなおしたグラフである。見てわかるように、モース硬度の間隔はきずつき硬さ的には等間隔ではなく、特にMH9(ガーメット)とMH10(ダイヤモンド)ではその引っかき硬さにおおきな隔たりがあることがわかる。その隔たりを埋め、15段階の数値で表した尺度が「修正モース硬度」(新モース硬度)である。
表2は人類が開発してきた硬さの測定技術の主要な進展を、原理、測定方法、開発目的に応じて時系列にまとめたものである。

図2　モース硬度とビッカース硬度

表2　硬さ測定技術の時系列概要と特性

硬さとは、材料の表面が、より硬い物体によって変形させられたり、傷つけられたりすることに対する抵抗力の度合いを示す、機械的な性質の一つである。表2に示されるとおり、硬さの測定方法にはさまざまな種類があり、大きく分けて以下の3つに分類される。

1. 押し込み硬さ：ブリネル硬さ、ビッカース硬さ、ロックウェル硬さ、ヌープ硬さ
硬い圧子を材料の表面に押し込み、そのとき生じるくぼみ（永久変形）の大きさから硬さを評価する方法(静的測定法)で主に金属材料の硬さ測定に用いられる

2. 引っかき硬さ：モース硬さ、鉛筆引っかき硬さ
材料を引っかき、表面に傷がつくかどうかで硬さを評価する方法

3. 反発硬さ：ショア硬さ、リープ硬さ重りを材料表面に落下させ、そのときの反発の高さから硬さを評価する方法で動的測定法

20世紀の後半には、複数の硬さ測定を1台の装置で実行できる「ユニバーサル硬度計」の概念が構想され、超微小硬度計、ナノインデンテーション法を利用したマルテンス硬度など荷重及び変位のリアル測定から得られるヒステリシス曲線より硬度だけでなく、ヤング率なども同時に測定できるようになった(ISO14577)。

図3は現在、工業的に使用されているいろいろな材料の表面硬さをビッカース硬度で換算し、1元化したものである2)。図中の「塗膜」、「ハードコート」は筆者が超微小硬度計で測定した各種塗膜(溶剤型1液、2液、無溶剤2液、3液系、水性1液、2液系材料)、ハイブリッド系機能性ハードコートのマルテンス硬度値をビッカース硬度に換算したものを載せた。ガラスには届かないものの、ハードコートの材料的存在位置を示している。

図3　いろいろな材料の表面の硬さ

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2)引っかき硬度を考える