今日の急速に進化する産業環境において、プラスチック材料は、その優れた性能と幅広い用途により、不可欠なコンポーネントとなっています。これらは日常生活のいたるところに存在するだけでなく、ハイテク産業、医療機器、自動車製造、航空宇宙などの多くの分野で重要な役割を果たしています。材料科学の継続的な進歩に伴い、プラスチック材料の種類と性能はますます増加しており、エンジニアや設計者にはより多くの選択肢と課題が与えられています。特定の用途に対して無数のオプションから最適なプラスチック材料を選択する方法は、複雑かつ重要な問題となっています。この記事は、読者がプラスチック材料の基本特性、加工技術、性能要件、そしてそれらが最終製品のパフォーマンスとコストにどのような影響を与えるか。さまざまなプラスチック材料の化学的および物理的特性について説明し、さまざまな環境および用途条件下での性能を分析し、実践的な選択に関するアドバイスを提供します。プラスチック材料の選択プロセスを詳しく掘り下げることで、読者が製品の設計および開発段階で情報に基づいた意思決定を行い、製品の信頼性、耐久性、経済性を確保できるようにしたいと考えています。この序文に続いて、私たちは旅に乗り出します。プラスチック材料の世界に入り込み、その秘密を探り、その知識を実際の製品設計に応用する方法を学びます。あなたが経験豊富なエンジニアであろうと、材料科学分野の初心者であろうと、この記事が貴重な情報とインスピレーションを提供することを願っています。プラスチック材料選択の謎を解明する旅を一緒に始めましょう。
プラスチック材料の選択
現在までに 1 万種類以上の樹脂が報告されており、そのうち数千種類が工業的に生産されています。プラスチック材料の選択は、膨大な種類の樹脂の中から適切な種類を選択することです。ただし、すべての樹脂タイプが広く適用されているわけではありません。ここで言及するプラスチック材料の選択は任意ではなく、一般的に使用される樹脂タイプ内でフィルタリングされています。
プラスチック材料選択の原則:
I.プラスチック材料の適応性
• さまざまな材料の性能の比較。
• プラスチックの選択に適さない条件。
• プラスチックの選択に適した条件。
II.プラスチック製品の性能
プラスチック製品の使用条件：
a.プラスチック製品への機械的ストレス。
b. プラスチック製品の電気的特性。
c.プラスチック製品の寸法精度要件。
d. プラスチック製品の透過性要件。
e.プラスチック製品の透明性要件。
f.プラスチック製品の外観要件。
プラスチック製品の使用環境：
a. 周囲温度。
b. 周囲湿度。
c. メディアに連絡する。
d. 環境中の光、酸素、放射線。
III.プラスチックの加工性能
• プラスチックの加工性。
• プラスチックの加工コスト。
• プラスチック加工中に発生する廃棄物。
IV.プラスチック製品のコスト
• プラスチック原材料の価格。
• プラスチック製品の耐用年数。
• プラスチック製品のメンテナンス費用。
実際の選定プロセスでは、いくつかの樹脂は非常に似た特性を持っているため、選択が困難です。どの樹脂を選択するのがより適切であるかは、決定する前に多面的に検討し、秤量を繰り返す必要があります。そのため、プラスチック材料の選択は非常に複雑です。注意すべき点の 1 つは、さまざまな書籍や出版物から引用されているプラスチック材料の性能データは、特定の条件下で測定されたものであり、実際の作業条件とは大きく異なる場合があるということです。
材料の選択手順:
開発する製品の設計図に直面した場合、材料の選択は次の手順に従う必要があります。
• まず、プラスチック材料を使用して製品を製造できるかどうかを判断します。
• 第二に、プラスチック材料が製造に使用できると判断された場合、どのプラスチック材料を選択するかが次に考慮すべき要素になります。
製品精度に基づくプラスチック材料の選択:
精密グレードの利用可能なプラスチック材料の種類
1 なし
2 なし
3 PS、ABS、PMMA、PC、PSF、PPO、PF、AF、EP、UP、F4、UHMW、PE 30%GF強化プラスチック（30%GF強化プラスチックが最も精度が高い）
PA4種、塩素化ポリエーテル、HPVCなど
5 POM、PP、HDPEなど
6 SPVC、LDPE、LLDPEなど
プラスチック製品の耐熱性を測定する指標：
一般的に使用される指標は、熱たわみ温度、マーチン耐熱温度、ビカット軟化点であり、熱たわみ温度が最も一般的に使用されます。
一般的なプラスチック（未改質）の耐熱性能：
材質 熱たわみ温度 ビカット軟化点 マーチン耐熱温度
HDPE 80℃ 120℃ -
LDPE 50℃ 95℃ -
EVA - 64℃ -
PP 102℃ 110℃ -
PS 85℃ 105℃ -
PMMA 100℃ 120℃ -
PTFE 260℃ 110℃ -
ABS 86℃ 160℃ 75℃
PSF 185℃ 180℃ 150℃
ポム 98℃ 141℃ 55℃
パソコン 134℃ 153℃ 112℃
PA6 58℃ 180℃ 48℃
PA66 60℃ 217℃ 50℃
PA1010 55℃ 159℃ 44℃
PET 70℃～80℃
PBT 66℃ 177℃ 49℃
PPS 240℃～102℃
PPO 172℃～110℃
PI 360℃ 300℃ -
LCP 315℃ - -
耐熱プラスチックを選択するための原則:
• 耐熱性のレベルを考慮してください。
a.コストが増加する可能性があるため、高すぎるものを選択せずに、耐熱性要件を満たす。
b. できれば変性一般プラスチックを使用してください。耐熱プラスチックは主に特殊プラスチックに属しますが、高価です。一般プラスチックは比較的安価です。
c. 耐熱性変化率の大きい一般プラスチックを使用することが望ましい。
• 耐熱性の環境要因を考慮します。
a.瞬間的および長期的な耐熱性。
b.乾燥および湿熱耐性。
c.中程度の腐食に対する耐性。
d.酸素および無酸素耐熱性。
e.負荷および無負荷時の耐熱性。
プラスチックの耐熱改質：
充填耐熱性の変更:
有機材料を除くほとんどの無機鉱物フィラーは、プラスチックの耐熱温度を大幅に向上させることができます。一般的な耐熱フィラーには、炭酸カルシウム、タルク、シリカ、マイカ、焼成粘土、アルミナ、アスベストなどがあります。粒子サイズが小さいほど、フィラーが多ければ多いほど、改質効果が高くなります。
• ナノフィラー:
• 5% ナノモンモリロナイトを充填した PA6、熱たわみ温度を 70°C から 150°C に上昇させることができます。
• PA6 には 10% のナノ海泡石が充填されており、熱たわみ温度は 70°C から 160°C まで上昇します。
• PA6 に 5% 合成雲母を充填し、熱たわみ温度を 70°C から 145°C まで上げることができます。
• 従来のフィラー:
• 30% タルクを充填した PBT は、熱たわみ温度を 55°C から 150°C に上げることができます。
• PBT に 30% マイカを充填し、熱たわみ温度を 55°C から 162°C まで上げることができます。
強化耐熱改質：
プラスチックの耐熱性を高めるには、充填よりも強化改質がより効果的です。一般的な耐熱繊維には、主にアスベスト繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、ウィスカー、ポリなどが含まれます。
• 耐熱性を向上させるために 30% のガラス繊維で強化された結晶性樹脂:
• PBT の熱たわみ温度は 66°C から 210°C に上昇します。
• PET の熱たわみ温度は 98°C から 238°C に上昇します。
• PP の熱たわみ温度は 102°C から 149°C に上昇します。
• HDPE の熱たわみ温度は 49°C から 127°C に上昇します。
• PA6 の熱たわみ温度は 70°C から 215°C に上昇します。
• PA66 の熱たわみ温度は 71°C から 255°C に上昇します。
• POM の熱たわみ温度は 110°C から 163°C に上昇します。
• PEEK の熱たわみ温度は 230°C から 310°C に上昇します。
• 耐熱性を向上させるために 30% のガラス繊維で強化されたアモルファス樹脂:
• PS の熱たわみ温度は 93°C から 104°C に上昇します。
• PC の熱たわみ温度は 132°C から 143°C に上昇します。
• AS の熱たわみ温度は 90°C から 105°C に上昇します。
• ABS の熱たわみ温度は 83°C から 110°C に上昇します。
• PSF の熱たわみ温度は 174°C から 182°C に上昇します。
• MPPO の熱たわみ温度は 130°C から 155°C に上昇します。
プラスチック配合耐熱改質
プラスチックの耐熱性を高めるブレンドとは、耐熱性の低い樹脂に耐熱性の高い樹脂を配合し、耐熱性を高めることです。耐熱性の向上は耐熱性改質剤の添加ほどではありませんが、素材本来の特性を大きく損なうことなく、耐熱性を高めます。
• ABS/PC: 熱たわみ温度を 93°C から 125°C に上げることができます。
• ABS/PSF(20%): 熱たわみ温度は 115°C に達する可能性があります。
• HDPE/PC(20%):ビカット軟化点を 124°C から 146°C に上げることができます。
• PP/CaCo3/EP: 熱たわみ温度を 102°C から 150°C に上げることができます。
プラスチック架橋耐熱改質
耐熱性を向上させるためにプラスチックを架橋することは、耐熱パイプやケーブルによく使用されます。
• HDPE:シラン架橋処理後、熱たわみ温度を元の 70°C から 90 ～ 110°C に上昇させることができます。
• PVC: 架橋後、熱たわみ温度は元の 65°C から 105°C に上昇します。
透明プラスチックの特別な選択
I.日常使用の透明素材:
・透明フィルム：包装用にはPE、PP、PS、PVC、PET等が使用され、農業用にはPE、PVC、PET等が使用されます。
• 透明シートおよびパネル: PP、PVC、PET、PMMA、PC などを使用します。
• 透明チューブ: PVC、PA などを使用します。
・透明ボトル：PVC、PET、PP、PS、PC等を使用。
II.照明器具の材料:
主にランプシェード、一般的に使用されるPS、改造PS、AS、PMMA、およびPCとして使用されます。
III.光学機器材料:
• ハードレンズボディ:主に CR-39 と JD を使用します。
• コンタクトレンズ:HEMA が一般的に使用されます。
IV. ガラス状の材料:
• 自動車用ガラス:PMMA と PC が一般的に使用されます。
・建築用ガラス：PVFとPETがよく使われます。
V.太陽エネルギー材料:
一般的に使用されるPMMA、PC、GF-UP、FEP、PVF、SIなど。
VI.光ファイバー素材:
コア層にはPMMAまたはPCが使用され、クラッド層にはフルオロオレフィンポリマー、フッ素化メチルメタクリレートタイプが使用されます。
VII.CD 素材:
一般的に使用されるPCおよびPMMA。
VIII.透明封止材料:
表面硬化PMMA、FEP、EVA、EMA、PVBなど
ハウジングの用途に合わせた具体的な材質の選択
• テレビの筐体:
• 小型サイズ: 変性 PP。
• 中サイズ: 変性 PP、HIPS、ABS、および PVC/ABS 合金。
・大型サイズ：ABS。
• 冷蔵庫のドアライナーとインナーライナー:
• 一般的に HIPS ボード、ABS ボード、および HIPS/ABS 複合ボードを使用します。
• 現在、ABS が主な材料であり、改良された HIPS を使用しているのはハイアール冷蔵庫のみです。
• 洗濯機:
・インナーバケットとカバーは主にPPを使用し、少量にPVC/ABS合金を使用します。
• エアコン:
・強化ABS、AS、PPを使用。
• 電動ファン:
• ABS、AS、GPPS を使用します。
• 掃除機:
・ABS、HIPS、変性PPを使用。
• 鉄：
・非耐熱性:変性PP。
・耐熱性：ABS、PC、PA、PBTなど。
• 電子レンジと炊飯器：
・非耐熱性：変性PP、ABS。
・耐熱性：PES、PEEK、PPS、LCP等。
• ラジオ、テープレコーダー、ビデオレコーダー:
• ABS、HIPSなどを使用してください。
• 電話:
• ABS、HIPS、変性PP、PVC/ABSなどを使用してください。
