製品の使われ方を明確にせずに、品質の高い製品を設計することは困難です。特に合成樹脂材料は、環境条件に対する安定性も低いため、製品の使われ方の見極めが非常に重要です。合成樹脂材料が原因の製品不具合は非常に多く発生していますが、その多くが使われ方の抽出不足と、合成樹脂材料の環境条件に対する不安定性に起因します。合成樹脂材料を使った製品において、製品の使われ方を見極めることの重要性を理解して下さい。見極めのキーワードは、耐熱性・耐熱温度・耐衝撃性・機械的強度・耐摩耗性・耐水性などです。
「5大汎用プラスチック」と呼ばれるPVC（ポリ塩化ビニル）・PE（ポリエチレン）・PS（ポリスチレン）・PP（ポリプロピレン）・ABSや、「5大エンプラ」と呼ばれるPA（ポリアミド）・PC（ポリカーボネート）・ポリエステル（PBT,PET）・POM（ポリアセタール）・変性PPE（変性ポリフェニレンエーテル）など、一般に広く使われている合成樹脂ですが、上手に使いこなすためには、合成樹脂材料の性質をよく理解することが重要です。その中でも応力とひずみの関係は、最も重要で基本的な性質の一つです。基本的に材料が弾性変形することを材料力学では前提にしていますが、設計を行う上では合成樹脂材料の弾性変形範囲は非常に狭いので注意を要します。弾性変形以外の部分も含めて、応力-ひずみ曲線は材料の性質を分かりやすく示すために用いられます。応力はStress、ひずみはStrainなので、S-S曲線とも呼ばれます。詳細は、解説記事：プラスチックの強度設計とは、曲げ弾性率・ヤング率を参照。
1. 樹脂とは
合成樹脂は石油を主な原料として作られ、天然樹脂と区別してプラスチックと呼ばれ広い分野で使用されており、エンジニアリングプラスチック、熱可塑性プラスチックなどが今日の日常生活においても多大な貢献をしています。プラスチックは室温から200℃程度の範囲で、粘性と粘弾性の両方の性質を示し、複雑な振る舞いをします。特に熱可塑性樹脂は、この温度範囲で液体から固体へと容易に形態変化をします。このような特性から、3次元形状の複雑な成形品も射出成形などで作ることが出来ます。プラスチックは、現在世界中で最も多く使用されている樹脂材料です。使われていないモノを見つけることが困難なくらいプラスチックは我々の生活の中に浸透しています。「小型化」「薄型化」「軽量化」「省電力化」「機能・性能の高度化」および「低コスト化」などの要素が、今後の製品には強く要求されてきます。
使われていないモノを見つけることが困難なくらいプラスチックは我々の生活の中に浸透しています。「小型化」「薄型化」「軽量化」「省電力化」「機能・性能の高度化」および「低コスト化」などの要素が、今後の製品には強く要求されてきます。
製品要件を整理して設計を行い市場要求に応えなければなりません。製品設計に当たっては、プラスチック材料、金型、成形加工、単体の偏った知識では対応できません。これらの基礎知識を持ち、全体のバランスを図ることが重要です。
2. 樹脂の分類
合成樹脂・プラスチックは、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂に分けられます。
熱硬化性樹脂は、熱硬化性を持つ合成樹脂の総称のことをいい、尿素樹脂、メラニン樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステルなどがあります。熱硬化性樹脂の成形では、成形材料を金型に投入した後で、150℃以上で加熱します。材料はすぐに溶けてしまい、液状になりますが、その後は加熱による化学反応で固化させて、固体の製品になります。加工後は溶媒に溶けず再度加熱しても軟化することがありません。
つまり、熱加工で二度と形状を変化させることができない素材の樹脂となっています。加熱することで、重合を起こして高分子の網目構造を形成し、硬化するのです。それぞれの種類ごとに素材としての特徴がありますが、金属とは別の素材として注目されており、新しい素材として可能性を追求しています。
成形方法ですが熱硬化性樹脂には、トランスファー成形、射出成形、注型成形、圧縮成形、積層成形などがあります。詳細は、解説記事：熱硬化性樹脂とは？を参照。
3. 樹脂とプラスチックの違い
欧米では、合成ゴム、合成繊維、接着剤なども広く樹脂・プラスチックの仲間として取り扱われるのが一般的です。日本では、樹脂・プラスチックは熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂のことを言い、弾性材料である合成ゴム、接着剤などは樹脂・プラスチックとして扱わないことになっています。ゴムのような弾性材料をエラストマーといいますが、ゴムのような弾性をもつ樹脂・プラスチックもつくられるようになってきて、分類が複雑です。また、合成繊維や接着剤も樹脂材料として重要な役割を果たすようになっていきました。
4. 樹脂の不思議解明
「樹脂」といえば、天然樹脂のことを指します。松やにやウルシなどの樹木からとれる脂のことを樹脂といいます。しかし有機化学が発達してからは天然樹脂に似た性質を持つ物質が石油や植物繊維などの原料から化学合成されるようになりました。
そこで、天然樹脂と合成樹脂を区分けして、化学的に作られたものを「合成樹脂」と呼んで区別するようになりました。合成樹脂にも、ポリウレタン(PUR)・ポリエチレン (PE)・ポリプロピレン (PP)などとても多くの種類があります。
そもそも「プラスチック」 (plastic) とは、本来「やわらかくて形を変えやすい物質」という意味の英単語とのことです。一般的には「合成樹脂」と同じ意味で使われることが多いわけですが、学術的には意味が変わってくるので注意が必要です。
次に、金属とプラスチックの違いについてです。最初に電気絶縁性が挙げられます。ほとんどのプラスチックは、良好な絶縁体であり、使用環境や温度に拘らず、安定的にその特性を発揮しますので、様々な絶縁部品の製作が可能で...
耐薬品性においても、一般的に薬品に弱いと思われがちなプラスチックですが、特定のプラスチックは、優れた耐薬品性を誇ります。例えば、フッ素コーティングなどで有名なテフロンなどは、酸化して錆びる事もなく、酸・アルカリどちらの溶剤に対しても優れた安定性を保ちます。
この様に錆が出ず、金属部品が非常に弱い腐食環境においてもプラスチックは劣化しにくいので、金属部品と比較してメンテナンスコストの削減というメリットがあります。
金属とプラスチックの違いで決定的な違いとして、重量を挙げる事が出来ます。プラスチック全般の平均的な重さを１とすると、鉄や銅などはおよそ８～９倍、軽量なイメージのあるアルミでも約２倍の重さがあります。この比重の違いにより、既存の金属部品を、同形状のプラスチック部品に変更することが可能ならば、機器全体の軽量化、省エネルギー効果が見込めます。
この様に、合成樹脂材料を使った製品において、製品の使われ方を見極めることが重要です。