耐熱性・耐寒性プラスチック

高温条件で使用する場合、ガラス転移温度(Tg)、結晶融解温度(Tm)などの特定の物理的特性が、機械的挙動と耐久性に大きく影響します。

ガラス転移点(Tg)

プラスチックを構成する高分子が、「ガラス」のように硬いが脆さのある状態から「水あめ」のように柔軟性がありゴム様の粘性を有する状態へと変化する温度のことをいいます。横軸に温度、縦軸にプラスチックの弾性率をとって、プラスチックの温度特性をプロットしたのが、次の二つのグラフです。左側が非晶性樹脂、右側が結晶性樹脂の例になります。

• 非晶性樹脂：
  ガラス転移点(Tg)を超えると機械的な強度が急激に低下する現象を示すプラスチックとして定義されます。PEIやPPSUなどの透明なプラスチックがこの樹脂の分類に入ります。
  
  
• 結晶性樹脂：
  ガラス転移点(Tg)を超えても、一定レベルの機械強度を維持します。結晶性樹脂の内部では、結晶化している部分と結晶化していない部分(非晶部分)が混在していて、ガラス転移点(Tg)を超えると結晶化していない部分は非晶性樹脂と同じように急激に機械的な強度が低下しますが、結晶化している部分はそのままの構造を保っているため、一定レベルの機械強度が維持されます。PEEK、PVDF、PPSなどがこの樹脂の分類に入ります。

融点(Tm)

非晶性樹脂にはなく、結晶性樹脂のみにあります。氷が溶けて水になるように、物質が溶融する温度です。融点を超えると、結晶構造が壊れ、硬い固体の状態から液体の状態へと変化します。そのため、機械特性は一気に低下します。PEEK樹脂を例にとると、ガラス転移点(Tg)：143℃、融点(Tm)：343℃になります。

熱変形温度(荷重撓み温度)

熱変形温度(HDT)とは、温度変化に伴うプラスチックの対応能力を示すもので、荷重撓み温度(DTUL)ともいいます。熱変形温度とは、一定の曲げストレスを与えた状態で温度を上昇させたときに変形量が一定レベルを超える温度のことです。熱変形温度は、プラスチック素材そのものを特徴づけるものではありませんが、プラスチック素材間の比較のために用いられることの多い指標です。

熱変形温度を考慮する際には、プラスチック製品・部品の加工方法に留意する必要があります。なぜならば、射出成形で試験片を作成して得られた値と、切削加工用の押出成形品から切削加工した試験片の間で値が異なるからです。

一般的に以下の理由によるものとして、説明されています。

• 異なる製造技術が適用されているから(射出成形と押出成形など)
• ポリマー単体、あるいはポリマー同士の高次構造が異なるから(結晶化度、結晶構造など)
• 試験片を調製する加工法の影響が存在するから(射出成形と切削加工など)

線膨張係数(CLTE)

線膨張係数とは、温度の上昇あるいは下降といった温度変化に伴う物質の膨張･収縮を、試験片の長さの変化を測定することで求める値です。

プラスチックは、その化学構造に起因して、金属よりもはるかに大きな線膨張係数を有します。線膨張係数は、以下の場合に考慮する必要があります。

• 厳格な寸法精度が要求される製品･部品
• 大きな温度変動幅
• 金属との複合部品

プラスチックの線膨張係数は、ガラス繊維や炭素繊維の繊維状強化剤を添加することで大きく低下させることができます。この方法を選択することで、アルミニウム程度の線膨張係数に近づけることができます。