工具の通販モノタロウ 化学製品・高分子製品の基礎講座 エンジニアリングプラスチック

化学製品・高分子製品の基礎講座

私たちは、あらゆるところで多種多様な「化学製品」に囲まれています。 それらの化学製品、あるいは化学物質について、知っておくべきこととは何か。 本連載では、製品の成分や仕様説明に記載されている化学物質、高分子材料について理解できるよう、 化学製品の基礎知識をご紹介していきます。
第5章 主要な高分子材料の種類と特長

5-7 エンジニアリングプラスチック

5-1から5-4で説明した汎用プラスチック(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル)は耐熱性がおおむね100℃以下であるのに対して、耐熱性が100℃以上で、しかも強度が高い熱可塑性プラスチックをエンジニアリングプラスチックと言います。その中でもさらに耐熱性が150℃以上のプラスチックをスーパーエンジニアリングプラスチック(特殊エンジニアリングプラスチック)と呼びます。スーパーエンジニアリングプラスチックについては5-14で述べ、ここではエンジニアリングプラスチックについて説明します。

エンジニアリングプラスチックの中でも、5-5で述べたガラス強化PETとポリブチレンフタレートPBT、5-6で説明したナイロンPAに加えて、ポリカーボネートPC、ポリアセタールPOM、変性ポリフェニレンエーテル(変性PPE)の6つを汎用エンジニアリングプラスチック(長たらしいので汎用エンプラと略します)と呼びます。

汎用エンジニアリングプラスチック

エンジニアリングプラスチックは、1956年にデュポン社がポリアセタールを工業化した際に初めて使った名称です。それまではもっぱら金属でつくられていた機械部品を金属に代わってつくりうるプラスチックという意味で生まれた言葉です。金属に代わるには一定の強度と耐熱性が必要ですが、プラスチックがその域に達することはなかなか困難です。しかし、熱可塑性プラスチックの強みである軽量性(比重の小ささ)と成形加工性の良さ(デザインの自由度、一体成形の可能性、成形速さ)、防錆性などが強力なバックアップになり、少しずつ金属を代替してきました。そのようなエンジニアリングプラスチックらしい用途としては、自動車部品、電気電子部品、歯車のような一般機械部品、椅子のキャスターやヘルメットのような一般器具部品まで幅広くあります。エンプラは金属に代わるプラスチックの新用途を開拓する一方で、しばらくするとユーザーからのコストダウン要請のためにABS樹脂やガラス繊維強化PPなど価格の安い汎用プラスチックから追い上げられるという運命にあります。

4-8、4-9で説明したようにプラスチックには結晶性プラスチックと非晶性プラスチックがあります。汎用エンプラのうち、ガラス繊維強化PET、PBT、PA、POMが結晶性プラスチックで、PCと変性PPEが非晶性プラスチックです。結晶性の汎用エンプラはガラス転移点を越えても結晶部分によって強度が保たれるので融点近くの温度まで使用できるものが多いのに対して、非晶性プラスチックはガラス転移点を超えると分子鎖が動き出すので強度が一気に低下します。PCや変性PPEのガラス転移点はほぼ150℃で、この温度はちょうど汎用エンプラの耐熱性の限界温度に相当します。一方、結晶性汎用エンプラの融点は220℃から290℃と汎用プラスチック(110℃~220℃)に比べてかなり高くなり、成形温度も高くなります。それに加えて金型内において結晶化が十分に進むように金型温度を一定時間保つなどの配慮が欠かせません。十分に結晶化が進まないと、期待した強度や耐熱性が得られないことがあります。

それでは、PET、PA以外の汎用エンプラについて個々に説明します。ポリアセタールPOMはすでに説明したようにエンジニアリングプラスチックという概念を生み出したプラスチックです。ホルムアルデヒドHCHOを重合した-CH20-という単位が連結した簡単な分子構造から成りますが、エチレンオキサイドなどを共重合して-CH2CH2O-の構造も加えたコポリマーが工業的には多くつくられています。ポリアセタールは末端の-CH2OH基を残すと、ここからジッパーが開くように解重合してしまうので末端をアセチル化やメトキシ化するなどの末端安定化処置が必要です。POMは融点180℃の結晶性プラスチックで、溶融物の流動性が良く、結晶化速度も速く、結晶化度もナイロンやポリエステルに比べて著しく高いので射出成形に適したエンプラです。強度が高く強靭で、しかも耐摩耗性、摺動特性、耐薬品性に優れるので歯車、軸受けなどの機械部品に加えて椅子のキャスター、衣服のファスナーなど身の回りでもよく見かけます。これらの分野ではナイロンと競合していますが、寸法安定性ではPOMの方が優れています。注意すべき点は、(1)酸に弱いこと、(2)難燃性を強く要求される用途には向かないことです。

ポリカーボネートPCは、1980年代から急激に成長し、現在では汎用エンプラのなかでは最大の生産量となりました。成長の原因は、(1)PCが衝撃に対して非常に強いこと、(2)透明性が高いこと、(3)耐候性が高いことです。金づちで叩いても割れないと言われるほどに耐衝撃性が高く、米国などでは防犯用に窓ガラスに使われています。日本では住宅のカーポートの紫色などに着色した透明屋根や警察機動隊の透明な盾としてよく見かけます。また透明性、割れにくさ、寸法安定性、低吸湿性を生かしてCDやDVDの基板に使われ、非常に身近なエンプラになっています。透明なプラスチックとしては古くからメタクリル樹脂とポリスチレンがありましたが、PCはこれらのプラスチックを凌ぐ性能を持っています。最近はメタクリル樹脂に代わって自動車ランプのヘッドカバーにもよく使われています。また、PCとABS樹脂のアロイはOA機器、電気電子部品、一般機器部品に広く使われています。注意すべき点は一定荷重に長時間放置するとクラックが発生しやすいことです。また、有機溶剤やガソリン・潤滑油によってもクラックが入りやすいので、そのようなものに触れる用途は避ける必要があります。

ポリブチレンフタレートPBTは、PETと同じポリエステルですが、結晶化速度がPETより大きく射出成形に向いています。PETと同様にガラス繊維強化による効果が大きく強化PBTが主流です。変性EPRとのアロイは耐衝撃性が大きく向上し、またPCとのアロイはPCの長所の耐衝撃性の高さを生かしながら、短所である耐薬品性の低さを改善します。PBTは電気電子部品(コネクタ、ソケット、スイッチなど)に使われ、また有機溶剤やガソリンなどに強いので自動車部品にも使われています。

変性ポリフェニレンエーテルPPEはバランスの取れた性能を持つ汎用エンプラです。変性という意味は、ポリフェニレンエーテルに耐衝撃性ポリスチレンHIPSをアロイ化しているということです。ポリフェニレンエーテルだけでは成形加工性が悪く、アロイ化によって優秀なエンプラに生まれ変わりました。汎用エンプラの中では成形収縮率が小さく、寸法安定性に優れています。電気特性、耐衝撃性の良さを生かして日用品雑貨から電気電子部品、精密機械部品に広く使われています。注意すべきは、PCと同じく耐溶剤性、耐薬品性が悪いことです。

執筆: 日本化学会フェロー 田島 慶三

『化学製品・高分子製品の基礎講座』の目次

第1章 化学製品を理解するための基本

第2章 化学製品の利用に当って留意すべき法規制

第3章 化学製品の基本

第4章 高分子製品を理解するための基本

第5章 主要な高分子材料の種類と特長

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