QuickValueわかりやすい物性特性ガイド

そうだね。材料の重さは密度や比重で表すんだけど、鈴木さんはこの2つの違いは分かるかな？

比重は、材料の密度を水の密度で割った比率のことなんだ。水より重い材料は比重が1より大きくなり、軽い材料は1より小さくなるよ。

そうだね。水に浮く軽い樹脂にはポリプロピレン（PP）やポリエチレン（PE）があるよ。

鋭いね。金属材料は一般に引張荷重試験しかやらないからね。でも、樹脂は引張と曲げの両方を測定するのが普通なんだよ。

曲げ荷重試験は引張荷重試験に比べて簡単で、装置も小型で済むからだよ。短冊状の試験片で手軽にできるから、工場での品質管理なんかに使いやすいんだ。樹脂なら短冊状の試験片は簡単に準備できるしね。

いや、曲げ強さは試験の性質上、見かけの数値が実際の材料の強さよりも大きな値になる傾向があるから、設計では精度の高い引張強さを使うべきなんだよ。

樹脂の物性表では引張弾性率という指標で載っているよ。同じ指標だけど、樹脂では引張弾性率という用語が使われるんだ。

そう。樹脂の引張強さは鉄鋼材料の約1/10。つまり、強度面よりも剛性面（変形のしにくさ）の方がはるかに性能が低いんだよ。だから、リブなどをうまく使って変形しにくい製品形状にする必要があるね。そのためには材料力学をうまく活用しないといけないよ。

よく気づいたね。樹脂では引張荷重試験で測定したヤング率を引張弾性率、曲げ荷重試験で測定したものを曲げ弾性率として区別しているんだよ。

理想的な条件なら同じになるはずなんだけど、実際には同じ樹脂でも少し違う値になることが多いんだ。

弾性率はごく小さな変形のときの値を測定するので、理想的な状態に近くて差が出にくいんだ。一方、強さは材料が壊れるほどの大きく変形を伴う状態の値だから、理想的な状態からずれて差が大きくなるんだよ。

その通り。厳密にいうと伸びではなく、引張荷重試験で破断するときの変形の割合（ひずみ）のことを示しているんだ。まあ、実務では単に伸びと呼ぶことも多いね。

よく気づいたね。それが樹脂での正式な呼び方なんだよ。

ねばり強いのが最大の特徴だね。大きく変形しても簡単には割れず、衝撃に強い材料が多いんだ。延性材料と呼ばれるよ。

ポリカーボネート（PC）やポリエチレン（PE）、ポリプロピレン（PP）などが代表例だね。PCは高い透明性と耐衝撃性を併せ持つ数少ない材料の一つで、警察が持っている透明な防護盾に使われているよ。

そうだね。アクリル樹脂（PMMA）やポリスチレン（PS）、ポリフェニレンサルファイド（PPS）などは脆い（もろい）性質があって、衝撃で割れやすいから用途には注意が必要だよ。このような材料は脆性材料と呼ばれるよ。

そうだね。樹脂を使う場合は、伸びの変化にも注意して壊れない製品にしないといけないよ。

衝撃強さは、製品を落としたりぶつけたりした時の、瞬間的な力に対する壊れにくさの性質のことだよ。ゆっくり力を加える引張強さとは別の特性なんだ。

その通り。樹脂は力をかけるスピードで特性が変わる性質があるから、ゆっくり引っ張る試験だけでは衝撃への強さはわからないんだよ。

ノッチというのは、試験片に入れた切れ込みのことだよ。ノッチがあると力が集中して壊れやすくなるんだ。ノッチを入れて試験をする場合と、入れずに試験をする場合があるので、樹脂同士を比較する際には、ノッチ「有・無」の条件を揃えて比較することが重要だよ。

引張荷重試験の破断伸びの大きさや、応力ーひずみ曲線が囲む面積からでも、衝撃への強さを評価できるよ。

その通り。ただし、実際の製品の衝撃強さは、温度や吸水率、分子量、製品の形状、さらには衝撃の加わり方など、様々な要因で変化するから、多角的な側面から検討する必要があるんだ。

樹脂の多くは水をはじくけれど、種類によっては水分を吸収するものがあるんだ。吸水率は、一定の条件で材料がどれくらい水を吸うかを割合（％）で示した数値だよ。

おせんべいをイメージするとわかりやすいよ。よく乾燥したおせんべいは硬くて強いけど、叩くとバリっと割れるよね。でも、水分を含んだ煎餅はフニャッと柔らかくなる代わりに、叩いても割れにくくなる。

いやいや、実は他にも色々と影響があるんだ。まず、水を吸った分だけ寸法が大きくなったり、重くなったりするよ。可動部品だと、干渉してトラブルを起こすことがある。また、吸水すると電気を流しやすくなるから、電気製品に使う場合は、漏電や火災のトラブルにつながる恐れがあるんだ。

その通り。ポリアミド（ナイロン）系のプラスチックの物性表には、完全に乾いた「乾燥時」のデータと、水を吸った「吸水時」のデータの両方が載っていることが多いんだ。実際の使用環境に合わせてデータを見極めることが大切だよ。

お、よく知っているね。温度が上がると伸びて、下がると縮む度合いのことだね。実は樹脂の設計において、この特性は超重要なんだ。

例えば、長さ100mmの部品の温度が10℃上がったときに伸びる量は、「線膨張係数（α） × 10℃ × 100mm」で計算できる。実は、樹脂は金属材料に比べてこの伸びが桁違いに大きいんだ。

部品が単独で自由に動けるならいいんだけど、樹脂と金属の部品をネジや接着剤などでガッチリ固定している製品では、大きなトラブルになりやすいんだ。

そうだね。しかも、機器のON/OFFや昼夜の寒暖差で温度変化が繰り返されると、この変形が何度もかかって熱疲労破壊を起こすこともあるから厄介なんだ。

設計上の工夫としては、完全に固定せず、伸縮を逃がせる構造にするのが望ましいね。材料の工夫なら、ガラス繊維などで強化すると線膨張係数が下がって金属材料に近づくよ。ただ、繊維の向きによって伸びやすさが変わる「異方性」が生じるから、そこには注意が必要だね。

その通り。ほとんどの樹脂は、この抵抗値が大きいものばかりなんだ。だから、電線の被覆材料や半導体封止材、コネクタなど、電気が流れてほしくない部位にたくさん使われているよ。

それが、そうではないんだよ。樹脂の電気絶縁性は、使う環境や製造の管理状態などによって低下してしまうことがあるんだ。

うん。温度が高くなったり、材料の劣化が進行したりすると抵抗率が下がるんだ。あと、ナイロン系（PA）樹脂のように水を吸いやすい材料は、吸水すると絶縁性が落ちてしまうんだよ。

そうなんだ。それに、電気が流れにくい（抵抗率が高い）ということは、逆にいうと静電気が逃げ場を失って溜まりやすい（帯電しやすい）ということでもあるんだ。

まさにそれ！倉庫に保管している製品がホコリを吸着して外観を損ねるトラブルがよくあるよ。また、静電気の影響で電子機器の誤作動や故障を引き起こすこともあるんだ。だから、帯電防止剤などを混ぜて、あえて電気を少し通しやすくするなどの対策が必要になることもあるんだよ。

おっと、それは樹脂設計でよくある「危険な勘違い」だよ。連続使用温度は、どんな条件でも使える温度という意味ではないんだ。

樹脂を長期間使用したときに、強度や剛性、電気特性といった性能が大きく損なわれずに維持できる目安の温度のことだよ。「この温度以下なら絶対に壊れない」という保証値ではなく、あくまで参考値に過ぎないんだ。

まさにその通り！「材料が何度まで耐えられるか」ではなく、「その温度で製品が長期に渡って要求を満たせるか」が本質なんだ。だから、この数値を誰が、どういう基準で定義したかによって、カタログの数値がバラバラになることもある。

そうだね。ただ、表のRTIはあくまで引張強さだけを示しているので、耐衝撃性や電気特性など、その他の特性については、この値からはわからないよ。

見ている現象がかなり違う指標だよ。連続使用温度が樹脂の「長期的な耐熱性」の目安であるのに対して、荷重たわみ温度は「短期的な耐熱性」を示す指標なんだ。

いい質問だね。設計する時って、普通は常温での硬さ（ヤング率）を使って計算して、部品の厚みやリブの形状を決めるよね？

ところが樹脂は、温度が上がると徐々に硬さが低下していくんだ。荷重たわみ温度は、まさにその「元々持っていた硬さが、規定の割合まで低下してしまう温度」を示しているんだよ。

その通り！だから、高温環境下で使うなら、荷重たわみ温度が高い樹脂を選んだ方がいいよ。

それはよくある勘違いだよ。荷重たわみ温度はあくまで「短期的な温度と硬さの関係」だけを見ているので、強度や長期的な劣化、その他の特性については全く考慮されていないからね。

そうだね。だから、異なる材料を比較するときは「A法同士」「B法同士」で条件を揃えないと、間違った判断をしてしまうことになるよ。

とても重要な視点だね。樹脂は主に炭素、水素、酸素からできているから、よく燃えるんだ。工業材料としては大きな欠点だね。だから、樹脂の燃えにくさ（難燃性）を評価する指標がたくさんあるんだよ。

うん。例えば、燃え続けるのに必要な酸素の割合を見る酸素指数（OI）や、自動車や鉄道、建築などそれぞれの業界で使用される規格など、非常にたくさんあるよ。その中でも最も広く用いられているのが、UL94という燃焼性試験の規格なんだ。

樹脂が燃える時、ドロドロに溶けて火のついた樹脂がポタポタと落ちることがある。もしこれが、下の基板や配線、ホコリなどに落ちたらどうなると思う？

その通り！だから滴下物の影響までチェックするUL94が広く使われているんだよ。

そう。吊るした試験片を下からバーナーであぶって、自己消火性や滴下物で下の綿が着火するかどうかなどを判定するんだ。

フッ素樹脂のように元々燃えにくいものや、難燃剤を配合してV-0をクリアしたグレードなど色々あるから、用途に合わせて選定していくとよいよ。

屋外環境はプラスチックにとって非常に過酷だからね。耐候性のよい樹脂を選ばないといけないね。

樹脂は紫外線で劣化しやすいけど、屋外では他の要因でも劣化が進行するんだ。だから、紫外線だけじゃなく、雨や雪、湿度、温度などの影響も総合的に考慮した「耐候性」という概念で考えるんだよ。

その通り。特に紫外線は「自動酸化反応」という現象を引き起こして、劣化を進行させる。そこに雨水や熱などの影響も加わることで、強度や外観など、色々な特性が低下していくんだ。

実はそこが厄介なところでね。耐候性は引張強さや荷重たわみ温度のように、物性表に明確な数値として載ることはほとんどないんだ。

それが、そう簡単ではないんだよ。試験機で使われる光源（キセノンランプやカーボンアークランプなど）の種類や、設定温度・湿度によって、劣化の進み方は全く変わってくるからね。

だからこそ、自社製品が実際に使われる環境と評価したい特性（外観なのか、強度なのかを明確にして、そのデータを材料メーカーから入手したり、自分たちで測定したりすることが大事だよ。

樹脂の強度が低下したり、もろくなったりするよ。また、白化などの外観不良も透明部品や外観部品ではよく問題になるよ。

絶対に知っておくべきなのが、エステル結合やアミド結合といった特定の分子構造を持つ樹脂は、アルカリ溶液によって加水分解が急激に進行するということだよ。

水分と反応して分子の鎖が切断される現象だよ。特にポリカーボネート（PC）やPETなどは、アルカリ環境下だとこの加水分解が一気に加速して、ボロボロになってしまうんだ。

実は、この指標さえ見ておけば大丈夫というような便利な指標はないんだよ。

だから樹脂を選定する際には、影響を受けるアルカリ性薬品を特定し、実際の使用環境条件を十分に考慮して検証することが重要なんだよ。

金属のように赤く錆びることはないから安心…と思ったら大間違いだよ。樹脂の中には酸に弱いものがあるんだ。

酸性に強い樹脂、弱い樹脂があるからね。酸性薬品の容器などに使われているのは、酸に比較的強い樹脂だよ。

ほとんどのスーパーエンジニアリングプラスチック、ポリプロピレン（PP）、ポリエチレン（PE）、ポリ塩化ビニル（PVC）なんかが酸によく耐えるよ。

機械部品でよく使われるナイロン（PA）系、ポリアセタール（POM）だね。酸によるトラブルの話をよく聞くよ。

スーパーエンジニアリングプラスチックはとても酸に強いけど、硝酸や濃硫酸などの「酸化性の酸」では問題になることがあるから注意が必要だよ。

そうだね。あと、これは酸だけではなく、耐薬品性を考えるときはいつも注意しないといけないんだけど、薬品の影響は酸そのものだけではないんだ。

一つの方法としては、市場実績のある樹脂を選ぶことだね。同じような使用環境条件で使われている製品を調べてみると、だいたい特定の樹脂に集約されているよ。長い歴史の中でたくさんのトラブルを経験しながら特定の樹脂が選ばれてきたんだ。一から全部自分でやろうと思うと大変だよ。

全く違うものだよ。酸やアルカリが化学反応で樹脂の分子構造を攻撃してくるのに対して、溶剤は「他の物質を溶かす性質を持った液体」のことを指すんだ。

広い意味では水も溶剤だけど、製造業で単に溶剤といったら、有機化合物でできた有機溶剤を指すことが多いね。アルコールやアセトン、シンナーなんかが洗浄や脱脂によく使われるよ。

現場によって呼び方は色々だからね。ただ、アルコールといっても種類は多いし、アルコール以外の溶剤を使う可能性もある。樹脂は溶剤でダメージを受けやすいから、何を使うのかしっかり確認した方がいいよ。

難しく考えなくても大丈夫。一般に似ている物質同士は混じり合いやすいといわれているんだけど、性質が似ているかどうかを示す指標の一つなんだ。樹脂と溶剤のSP値が近い場合、溶剤が樹脂内部に浸透して、膨張したり溶けたりしてしまうんだ。結果として寸法が変化したり、強度が落ちたりするよ。

まさにそれだね。PSとアセトンはSP値が比較的近いから、注意しないといけない組合わせだ。

これは、樹脂にひずみ（応力）が生じた状態で、薬品類が付着すると、通常時の材料強度からは考えられないほど小さな力でクラックが生じてしまう現象なんだ。

ソルベントとは溶剤のことだから、溶剤で発生しやすい現象ではあるよ。でも溶剤以外の油や塗料、洗剤、化粧品などでも起きるんだ。樹脂と溶剤（薬品）の組合わせによって、起きやすさが全然違うから、しっかり確認する必要があるよ。

ABSやポリカーボネート（PC）のような非晶性樹脂は特に発生しやすいよ。ネジやボルトなどの締結部分、金属部品の圧入部分など、力がかかっている場合は要注意だ。あと、成形時の残留応力をしっかり除去しておかないと、薬品がかかった部分が割れてしまうことがあるよ。

そうだね。プラスチックのkg単価は高いね。 でも、比重の違いを忘れていないかな。 つまり、プラスチックは金属に比べて圧倒的に軽いからね。

そう。同じ体積で比べると、安い材料もあることが分かるね。 だからkg単価だけで判断しないのが大事なんだよ。

そうだね。軽さや摺動性ならMCナイロン。金属にはない透明性が欲しければPC、というふうに、求める機能とコストが比較しやすいね。

そうだね。でもPEEKのような機能性材料は、代替対象となる金属材料もそれなりに高価なものになる。この場合は青銅のCAC406だね。 気軽に使える材料ではないけれど、例えば、銅合金が不利になるような、アンモニア雰囲気や薬液洗浄まわりのような条件下では有力候補になる。 使用環境、寿命、保全費まで含めたトータルコストで考えるのがポイントだよ。