プラスチックの融点: さまざまな材料の融点

プラスチックは、包装や建設から電子機器や自動車まで、さまざまな業界で幅広く使用されていることで知られる多用途の素材です。さまざまな種類のプラスチックを区別する重要な特性の 1 つは融点であり、これはプラスチックの加工、耐久性、潜在的な用途に大きな影響を与えます。

融点とは何ですか？

融点は材料科学における重要な物理的特性であり、標準大気圧下で固体物質が固体状態から液体状態に変化する温度を指します。物質が融点に達すると、その内部の分子間力（ファンデルワールス力、水素結合、イオン結合など）が弱まり始め、分子が比較的自由に動くようになり、固体物質が徐々に液体に変化します。このプロセス中に、固体物質は固体状態の形状と剛性を失い始め、流体になります。

プラスチックの融点は何ですか?

プラスチックは、熱に対する反応に基づいて、大きく 2 つのカテゴリに分類できます。

a. 熱可塑性プラスチック:

• 定義： 熱可塑性プラスチックは加熱すると柔らかくなり、成形可能になり、何度も形を変えることができます。
• 融点： 熱可塑性プラスチックの融点は、その化学組成によって大きく異なります。たとえば、ポリエチレン (PE) は通常 115 ～ 135°C (239 ～ 275°F) で溶けますが、ポリプロピレン (PP) は 130 ～ 171°C (266 ～ 340°F) で溶けます。ポリアミド (ナイロン) などの高性能熱可塑性プラスチックの融点は 180 ～ 300°C (356 ～ 572°F) の範囲になります。
• プロパティ： 冷却されても固体状態を維持し、再溶解して再形成することでリサイクルできるため、環境に優しい製品です。

b. 熱硬化性プラスチック:

• 定義： 熱硬化性樹脂は加熱すると化学反応を起こし、不可逆的に硬化して硬い架橋構造を形成します。
• 動作： 熱可塑性樹脂とは異なり、熱硬化性樹脂は加熱しても溶けず、高温で分解または燃焼します。例としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などがあります。
• 硬化温度: 熱硬化性樹脂は、特定の樹脂と硬化プロセスに応じて、通常 100 ～ 200°C (212 ～ 392°F) の間で硬化します。

融点測定の原理

融点測定の基本原理は、結晶質が加熱によって固体から液体に変化する温度を観察することです。融点では、固体相と液体相は平衡状態にあり、蒸気圧は等しくなります。純粋な物質は通常、融点は固定されていますが、不純物が混ざった物質は融点範囲が広くなり、融点は低くなります。

融点測定は、固体有機化合物の純度を決定する重要な方法です。物質の融点または融点範囲を測定し、それを既知のデータと比較することで、物質の純度を評価できます。融点範囲が短いほど、化合物の純度が高くなります。この方法は、化学、製薬、材料科学などの分野で幅広く応用されています。

プラスチックの溶融特性

プラスチックの融解特性は分子配列によって決まります。分子が整然と配列した結晶性材料は、一定の融点を持ちます。対照的に、分子配列が無秩序な非晶質材料は、一定の融点を持たず、特定の点で融解するのではなく、加熱すると徐々に柔らかくなります。プラスチックは、非晶質タイプと結晶性タイプに分類されます。非晶質プラスチックは、一般的な処理条件下では完全に無秩序であり、非晶質材料に似た融解挙動を示します。

しかし、ポリエチレン (PE)、ポリプロピレン (PP)、ポリオキシメチレン (POM)、ポリアミド (PA6 および PA66)、PET、PBT などの結晶性プラスチックは、冷却および凝固中に結晶領域を形成します。結晶化度は冷却プロセスに大きく影響され、結晶化温度範囲内でゆっくり冷却すると結晶化度が高まり、急速に冷却すると逆の効果があります。したがって、これらの結晶性プラスチックの溶融プロセスは、結晶性材料の溶融プロセスに部分的に似ていますが、非晶質材料の特性も取り入れています。

プラスチック加熱プロセスにおける重要な温度と状態

プラスチックは加熱されると、ガラス状態、ゴム状態（高弾性）状態、粘性流動状態という 3 つの異なる状態を経ます。これらの遷移は、ガラス転移温度（Tg）、融点（Tm、流動温度とも呼ばれる、Tf）、分解温度（Td）という 4 つの主要な温度によって示されます。

ガラス状態のプラスチックは、室温または低温では分子の動きが Tg 未満で厳しく制限されるため、硬くて脆くなります。Tg を超えると、プラスチックはより柔軟なゴム状態に移行し、ポリマー鎖がエネルギーを得てより自由に動きます。この状態は、著しい弾力性と復元力が特徴です。

さらに温度が上昇すると、プラスチックは流動温度（Tf）で粘性流動状態に達します。ここで、プラスチックは高度に流動し、粘性液体に似た状態になります。この状態は、プラスチック加工技術にとって非常に重要です。 射出成形プラスチックは押し出し、射出、または圧縮によって成形されます。

最後に、分解温度 (Td) は、プラスチックが化学的に分解し始め、本来の物理的および化学的特性を失う点を示します。この温度を超えると、プラスチックは小さな分子に分解され、ガスやその他の分解生成物が放出される可能性があります。したがって、材料の損傷や有害物質の放出を防ぐために、Td を超えないようにすることが重要です。

融点 (Tm) は固定点ではなく、プラスチックがゴム状から粘性流動状態に遷移する範囲であることに注意することが重要です。この範囲の幅は、プラスチックの特定のタイプとその分子構造の複雑さによって異なります。

異なるプラスチックの溶融温度と金型温度の範囲

プラスチックの融点に影響を与える要因

プラスチックの融点は、その熱特性と挙動に影響を与えるさまざまな要因によって決まります。プラスチックの融点に影響を与える主な要因は次のとおりです。

ポリマーの化学構造

ポリマーの化学構造は、その融点に大きな影響を与えます。異なる分子組成を特徴とする異なるタイプのプラスチックは、それぞれ異なる融点を示します。

• 炭化水素含有量: 炭化水素基を多く含むプラスチックは、融点が高くなる傾向があります。たとえば、主に炭化水素鎖で構成されるポリエチレン (PE) は、さまざまな官能基を持つプラスチックに比べて融点が高くなります。
• 官能基: エステル、アミド、エーテル結合などのさまざまな官能基の存在により、融点が変化することがあります。ポリエステルやポリアミド (ナイロン) などのポリマーは、水素結合などの強い分子間力により、融点が高くなります。

結晶化度

プラスチック材料内の結晶化度も、その融点を決定する上で重要な役割を果たします。

• 結晶性プラスチック: 結晶性プラスチックは、分子が非常に規則正しく繰り返しパターンに配列されています。この規則的な配列により、材料の耐熱性が向上し、融点が高くなります。例としては、ポリプロピレン (PP) や高密度ポリエチレン (HDPE) などがあります。
• 非晶質プラスチック: 対照的に、非晶質プラスチックは分子配列がランダムであるため、融点が低くなります。ポリスチレン (PS) やポリ塩化ビニル (PVC) は非晶質プラスチックの例です。

成分の質量比

プラスチック内のさまざまな成分の組成と質量比は、その融点に影響を及ぼす可能性があります。

• 共重合体組成: ABS (アクリロニトリル ブタジエン スチレン) などの共重合体では、モノマー (アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン) の質量比が融点に直接影響します。これらの比率を調整することで、特定の用途に合わせて熱特性を調整できます。

添加剤

製造工程中に導入される添加剤によって、プラスチックの融点が変化することがあります。

• 熱安定剤: 熱安定剤などの添加剤は融点を上昇させ、材料の熱安定性を高め、高温用途に適したものにします。
• 可塑剤: 逆に、可塑剤は溶融温度を下げ、プラスチックの柔軟性と加工性を向上させることができます。
• 充填材と補強材: ガラス繊維や鉱物充填剤などの充填剤を添加すると、熱特性に影響を及ぼし、構造の完全性が向上することで融点が上昇することがあります。

プラスチックの融点の温度の重要性

プラスチックの融点は、プラスチックの製造と加工のさまざまな側面に大きく影響するため、非常に重要です。射出成形、押し出し成形、ブロー成形などの適切なプラスチック成形方法を決定するには、融点を理解することが不可欠です。融点を超えると、劣化、変形、プラスチック特性の望ましくない変化が生じる可能性があります。

製造および加工プロセスにおいて、溶融温度は適切なプロセスを選択する上で重要な要素です。プラスチックを特定の溶融温度まで加熱すると、固体から溶融状態に移行して成形できるようになります。この温度を超えると、材料の劣化、変形、強度の低下や望ましい性能の喪失などのプラスチック特性の変化が生じる可能性があります。

推奨される溶融温度範囲を管理し、それに従うことで、製造業者はこれらの問題を防ぎ、プラスチック製品の安定性と品質を確保できます。溶融温度は、プラスチック材料の製造および加工中に、望ましい特性、寸法精度、構造的完全性を実現するためのガイドラインとして機能します。

プラスチック金型の温度と溶融温度の適合性を向上させるにはどうすればよいでしょうか?

最適な部品品質を得るためには、金型温度と溶融温度がどのように連動するかを深く理解することが重要です。ほとんどの場合、低い溶融温度と高い金型温度を組み合わせると、最高のパフォーマンスが得られます。

残念ながら、多くのプラスチック射出成形オペレーターは、これら 2 つの重要なコンポーネントを効果的に管理する技術スキルを欠いています。多くの場合、溶融温度を上げることが樹脂粘度を下げる唯一の方法であると誤って信じています。

ただし、溶融温度が高すぎると、樹脂の分解、冷却期間の延長、エネルギー消費の増加につながる可能性があります。冷却サイクルの延長による生産性の低下を補うために、メーカーは意図せず金型温度を下げることがあります。この方法では、生産性はいくらか回復しますが、溶融温度が高く金型温度が低いために部品の特性が損なわれ、部品の品質が一定しなくなることがよくあります。

プラスチックの融点はその用途にどのような影響を与えますか?

多用途の合成素材であるプラスチックは、日常生活のさまざまな側面に欠かせないものです。ここでは、融点がいくつかの主要産業におけるプラスチックの使用にどのような影響を与えるかを詳しく見ていきます。また、さらに 2 つの分野についても詳しく説明します。

建設業

建設業界では、プラスチックの融点によって、さまざまな建築材料や部品への使用が決まります。ポリ塩化ビニル (PVC) やポリエチレン (PE) などの高融点プラスチックは、高温や高圧に耐えられるため、パイプや継手に使用されます。

断熱材やその他の構造部品には、発泡ポリスチレン (EPS) などの材料が使用されています。これらのプラスチックは断熱性に優れ、さまざまな形状に成形しやすいため、エネルギー効率の高い建物の設計に最適です。

パッケージングアプリケーション

包装の分野では、プラスチックの融点は、さまざまな保管環境への適合性を決定する上で重要な役割を果たします。低密度ポリエチレン (LDPE) などの融点の低いプラスチックは、冷凍食品など低温で保管される品物の包装に最適です。これらのプラスチックは、低温条件下でも柔軟性を保ち、割れにくくなっています。

熱い飲み物など、高温で保管するパッケージには、ポリプロピレン (PP) などの融点の高いプラスチックが適しています。これらの材料は変形することなく高温に耐えることができるため、パッケージ内容物の安全性と完全性が確保されます。

電子デバイス

エレクトロニクス業界では、プラスチックの融点はリサイクルと性能の両方にとって重要です。ポリスチレン (PS) などの融点の低いプラスチックは、簡単にリサイクルできるケースや部品の製造によく使用されます。

一方、ポリイミドなどの融点の高いプラスチックは、高い動作温度に耐える必要のある回路基板や部品の製造に不可欠です。これらの材料は、電子機器にとって極めて重要な熱安定性と耐久性を備えています。

医療機器

医療分野では、さまざまな機器や器具の製造にプラスチックが広く使用されています。ポリ塩化ビニル (PVC) などの融点が低いプラスチックは、リサイクル可能な再利用可能な医療機器の製造に適しています。

外科用器具のように滅菌と高い耐久性が求められる機器には、融点の高いプラスチックが好まれます。ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) などの材料は、劣化することなく滅菌処理に耐えることができるため、患者の安全と機器の寿命が確保されます。

消費財

プラスチックの融点も、消費財の生産に大きな影響を与えます。ポリエチレン (PE) などの融点の低いプラスチックは、コスト効率が良く、加工が容易なため、手頃な価格の家庭用品や玩具の製造によく使用されます。

対照的に、高級キッチン用品などの高級消費財では、ポリカーボネート (PC) などの融点の高いプラスチックがよく使用されます。これらの素材は耐久性と耐熱性が高く、頻繁に使用したり熱にさらされたりする製品に最適です。

織物産業

繊維産業では、プラスチック繊維の融点は、布地や衣類の製造に極めて重要です。ポリエステルなどの比較的融点の高いプラスチックは、高温での繰り返しの洗濯や乾燥に耐えられる、耐久性がありシワになりにくい布地の製造に使用されます。

耐火衣類などの特殊な用途には、アラミド繊維（ケブラーなど）などの素材が使用されています。これらの繊維は融点が非常に高く、熱や炎に対する優れた保護機能を備えています。

自動車および航空宇宙産業

自動車および航空宇宙分野では、高い耐久性と耐熱性の両方を備えた材料が求められています。高融点のプラスチックは、車体や航空機の胴体などの荷重支持部品の製造に不可欠です。ポリエーテルエーテルケトン (PEEK) などの高性能プラスチックは、劣化することなく大きな機械的ストレスと高温に耐えることができます。

ロケットエンジン部品などの極めて高温の用途には、ポリエーテルイミド (PEI) などの材料が使用されます。これらのプラスチックは、このような厳しい環境で必要とされる耐熱性と機械的強度を備えています。

まとめ：

融点に基づいて適切なプラスチックを理解して選択することで、製造業者は製品の機能を最適化し、さまざまな用途の特定の要求を満たすことができます。

At ボーイ当社は、さまざまな業界に対応するトップクラスの射出成形サービスの提供を専門としています。当社の高度な射出成形機と革新的な技術により、あらゆる製品において優れた精度と一貫性を保証します。

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陳福泉

この記事は、BOYI チームのエンジニアによって執筆されました。Fuquan Chen は、ラピッドプロトタイピング、金型製造、プラスチック射出成形の分野で 20 年の経験を持つプロのエンジニア兼技術専門家です。