プラスチックの基礎知識

プラスチックの起源

英語の「Plastics」や「Plastic」は、ギリシャ語の「plastics」に由来しており、「成形」や「発展」を意味します。.

プラスチックという名称は、その素材が持つ「自由に形を変えられる」という特性から名付けられました。.

プラスチックの分類

1. 用途分野による分類

(1) 汎用プラスチック：非構造材料としてのみ使用可能で、生産量が多く、価格が比較的安く、性能は標準的で、多くのメーカーが製造しています。.

(2) エンジニアリングプラスチック：優れた機械的特性、電気的特性、耐熱性、耐薬品性、寸法安定性、加工性などを備え、構造材料として使用可能です。.

(3) 汎用エンジニアリングプラスチックと特殊エンジニアリングプラスチックに分けられます。後者はより高性能ですが、生産量が少なく、メーカーも限られており、販売価格も高価です。.

1. 物理的・化学的性質によるプラスチックの分類：

(1) 熱可塑性プラスチック：加工過程において、一般的に物理的な体積変化のみが生じます。つまり、特定の温度範囲内で加熱して軟化させ、冷却して硬化させる工程を繰り返すことができるプラスチックです。（代表例：ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ABS、SAN、ナイロン、ポリオキシメチレン、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリメタクリレート、ポリウレタン、ポリエチレンテレフタレート）

(2) 熱硬化性プラスチック：加工中に化学変化が生じます。加熱すると軟化し、ある程度の可塑性を持ちますが、さらに加熱を続けると樹脂が硬化して形状が固定されます。一度硬化すると、一般的に再成形はできず、粉砕して充填剤として使用することしかできません。.

熱可塑性プラスチックは、結晶性プラスチックと非晶性プラスチックに分類されます。

• プラスチックの用途：結晶性プラスチック：フィルム、洗濯機部品、ギア、パイプ、安全ヘルメット、繊維製品、スキー靴の本体
• 非晶性プラスチック：テレビ筐体、事務用品、パイプ、プレート、プロファイル、ファンブレード、携帯電話
• 熱硬化性プラスチック：包装材、接着剤、トレイ、ビリヤードの球、浴槽など.
• エラストマー（熱可塑性エラストマー）：フォーム材、ベルト、ロープ、フィルム、ボウリングの球など（エラストマーも熱可塑性プラスチックの一種です）
• 結晶性材料と非晶性材料は、分子構造の違いによって区別されます。.

(1) 結晶性プラスチック：PA、PP、PE、POM、PBT、PET、PPO;

(2) 非晶性プラスチック：PC、ABS、PS、PVC、PMMA.

結晶性プラスチックには明確な融点があり、固体状態では分子が規則正しく配列しています。規則正しく配列した領域を「結晶領域」、無秩序な領域を「非晶領域」と呼び、結晶領域の割合を「結晶化度」と呼びます。一般的に、結晶化度が80%以上のポリマーを結晶性プラスチックと呼びます。.

結晶化に影響を与える要因

(1) ポリマー鎖の構造：対称性が良く、分岐が少ないか全くなく、側鎖が小さく、分子間力が大きいポリマーは、互いに接近しやすく、結晶化しやすい傾向があります。.

(2) 温度：ポリマーは無秩序なコイル状態から成長する結晶の表面へと移動します。金型温度が高いほど、ポリマーの流動性が高まり、結晶化が促進されます。.

(3) 圧力：冷却過程で外力が加わると、ポリマーの結晶化が促進されます。そのため、製造時に射出圧力や保圧を上げることで、結晶性プラスチックの結晶化度を制御できます。.

(4) 核剤：低温は核生成を早めますが、結晶の成長を遅らせるため、この矛盾を解消するために成形材料に核剤を添加し、高い金型温度で迅速に結晶化させます。.

結晶化がプラスチックの特性に与える影響

(1) 機械的特性：結晶化によりプラスチックは脆くなり（衝撃強度の低下）、強靭性は増しますが、延性は低下します。.

(2) 光学的特性：結晶化により、結晶領域と非晶領域の界面で光散乱が発生するため、プラスチックは不透明になります。球晶のサイズを一定程度小さくすることで、強度が増す（粒界欠陥の減少）だけでなく、透明性も向上します（球晶サイズが光の波長より小さくなると散乱が発生しなくなるため）。.

(3) 熱的特性：結晶性プラスチックは、温度が上昇しても高弾性状態にはならず、融点（TM）に達すると粘流状態になります。そのため、結晶性プラスチックの使用温度範囲は、Tg（ガラス転移温度）からTM（融点）までとなります。.

(4) 耐溶剤性、透過性など：結晶成分がより密に配置されるため、これらの特性が向上します。.

射出成形機および金型における結晶性プラスチックの取り扱い

(5) 結晶性プラスチックは、融解時に結晶格子を破壊するために多くのエネルギーを必要とするため、固体から溶融状態へ変換する際により多くの熱量を投入する必要があります。そのため、射出成形機の可塑化能力を大きくし、最大射出容量もそれに応じて大きくする必要があります。.

(6) 結晶性プラスチックの融点範囲は狭いです。ノズル温度が低下した際にゴム状の結晶がノズルを詰まらせるのを防ぐため、ノズルの口径を適切に拡大し、ノズル温度を独立して制御できる加熱リングを設置する必要があります。.

(7) 金型温度は結晶化度に大きな影響を与えるため、成形中の金型温度を均一に保つために、金型内にできるだけ多くの水管（冷却回路）を配置する必要があります。.

(8) 結晶化過程で大きな体積収縮が発生するため、成形収縮率が大きくなります。したがって、金型設計時には成形収縮率を慎重に考慮する必要があります。.

(9) 顕著な異方性と大きな内部応力が発生するため、金型設計においてゲートの位置とサイズ、補強リブの位置とサイズに注意を払う必要があります。そうしないと反り変形が発生しやすく、成形条件の調整だけで改善するのは非常に困難です。.

(10) 結晶化度はプラスチック部品の肉厚に関連しています。肉厚部は冷却が遅いため結晶化度が高く、収縮が大きくなり、ヒケやボイドが発生しやすくなります。そのため、金型設計時にはプラスチック部品の肉厚制御に注意を払う必要があります。.

結晶性プラスチックの成形プロセス

(1) 冷却中に放出される熱量が大きいため、十分に冷却する必要があります。高い金型温度で成形する場合は、冷却時間の制御に注意してください。.

(2) 溶融状態と固体状態の比重差が大きいため、成形収縮が大きく、ヒケやボイドが発生しやすくなります。保圧の設定には十分注意してください。.

(3) 金型温度が低い場合、冷却が速く、結晶化度は低くなり、収縮率は小さく、透明度は高くなります。結晶化度はプラスチック成形品の肉厚に関係します。プラスチック成形品の肉厚が大きい場合、冷却が遅く、結晶化度は高くなり、収縮率は大きく、物理的特性は良好になります。したがって、結晶性プラスチックの金型温度は要件に従って制御する必要があります。.

(4) 異方性が顕著で、内部応力が大きくなります。未結晶の分子は脱型後も結晶化を続ける傾向があります。これらはエネルギーが不均衡な状態にあり、変形や反りが発生しやすくなります。材料温度を適切に上げ、金型温度を中程度に上げる必要があります。射出圧力と射出速度も同様です。.

後処理の違い

(1) 結晶性プラスチックの表面は滑りやすく、塗装やクロムメッキができません。表面の装飾は困難です。現在塗装されている色は長持ちせず、簡単に剥がれ落ちてしまいます。例えば、包装袋へのスプレー、印刷、着色を行う場合、一般的に高電流の電子コロナ放電を使用して色を印刷しますが、長持ちせず、適切な接着剤を見つけることも困難です。.

(2) 非晶性プラスチックの表面は、インク、クロムメッキ、スプレーコーティングなどの他の分子を吸収できます。そのため、一般的な製品の筐体、時計ケース、テレビケースなどは非晶性プラスチックで作られており、装飾が容易で剥がれにくいという特徴があります。.