什么是工程塑料？

1. 塑料：简介

Engineering plasticsエンジニアリングプラスチックとは、強度と耐熱性に優れたプラスチックの総称です。数値上だと一般的には、耐熱性が100℃以上あり、強度が49MPa（500kgf/㎠）以上、曲げ弾性率が2.4GPa（24500kgf/㎠）以上を持つ高機能樹脂を指します。

エンジニアリングプラスチックを知るにはプラスチックのことをまず知る必要があります。プラスチックは「鎖状高分子」という化学構造を持った物質です。chain polymers図１に示すように炭素原子が1,000個以上鎖状につながっており、炭素鎖は柔らかく、比較的自由に動くことが出来ます。ただし、分子が長くお互いに絡まっており、常温では単独分子が離れることはありません。high高温になると分子の動きが活発になり、やがて隣同士の分子の規制が効かなくなり、勝手に動き出します。高温になるとプラスチックが融け出すのはこのためです。

当塑料在溶剂中破裂或变质时，这是因为它们拉长的分子彼此分离。然而，构成典型塑料的分子链的长度足以确保分子在普通使用条件下不会分离。
链状聚合物的这些行为特性足以解释塑料最重要的特征：

(1)其强度和硬度足以承受实际应用。
(2)它们在室温下是固体。
(3) 在较高温度下它们会熔化并可以模制成几乎任何形状。

2、什么是工程塑料？

エンジニアリングプラスチックengineering plastics（エンプラと略して言われることが多い、以下エンプラと略記する）はプラスチックの中で、特に高性能なものを言います。高温になっても溶融しにくく、溶剤に侵されにくくするためには、分子鎖を動きにくくする必要があります。そのための方法はコラム1に示すようにいろいろありますが、エンプラでは主に鎖の中に炭素以外の原子（図2ではXとして示している）を入れることが一般的です。C-X結合はC-C結合より分子運動が起きにくく、融解温度が高くなります。原子ではありませんが、ベンゼン環を入れることで運動抑制効果はさらに大きくなります。

C-X bonds suppress molecular motion more than C-C bonds, increasing melting temperatures; inserting benzene rings instead of single atoms yields even greater motion-suppressing effects.

3、工程塑料的种类

エンプラの中で特に広く使われているものをgeneral-purpose汎用エンプラと言い、five major engineering plastics.主要な5種類は5大エンプラと言われます。
さらに性能を向上させるには主にベンゼン環の力を借りる必要はあります。主鎖のベンゼン環が密度をあげ、特に耐熱性などを向上させたエンプラをスーパーエンプラと言うことがあります。super engineering plastics.

エンプラ、スーパーエンプラの分類・種類や、プラスチックの特徴についてさらに学びたい場合は、CAE解析の基本「第2回　プラスチックCAEのポイント」もご参照ください。Foundations of CAE Analysis, and specifically in Volume 2: Basic Aspects of Plastic CAE.

四、五大工程塑料概述

表 1 概述了五种主要工程塑料。

上面的三个品种是结晶树脂（参见第 2 列），按结晶度从最高到最低的顺序列出。下面的两个品种是非结晶树脂。在所有通用工程塑料中，聚碳酸酯是唯一透明的非结晶树脂。改性聚苯醚（PPE）虽然也是非结晶树脂，但PPE很少单独使用；相反，它通常用作聚合物合金材料（第 3 栏）。纯PPE耐热性高，但难以成型复杂形状；与聚苯乙烯等其他树脂合金化可产生易于成型的材料，同时提供一系列理想的性能。

下面我们简要回顾一下五种主要工程塑料的主要特点。

聚缩醛（POM）

在五种主要工程塑料中，聚缩醛具有最高的结晶度，确保了优异的耐磨性，使其成为齿轮、轴架和其他需要承受频繁滑动运动的部件的理想材料。 POM 有两种类型：均聚物和共聚物（第 3 列）。均聚物 POM 具有高熔点、优异的强度和刚性，而共聚物 POM 具有柔韧性，具有优异的耐热降解性、耐化学性和耐候性。

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聚酰胺 (PA)

聚酰胺（PA）存在多种品种，其中最常用作结构材料的两种通用工程塑料是PA6和PA66。 PA 是一种结晶树脂，其中由于酰胺基团的存在而产生强大的分子间作用力，确保了优异的机械性能和耐溶剂性。最广泛使用的聚酰胺树脂牌号是在阻燃或耐热等特定领域提供特别高性能的专用牌号，以及由玻璃纤维或其他填料制成的强度增强牌号。
除了通用工程塑料PA6和PA66外，还有许多专用品种的聚酰胺树脂，包括PA612和PA12，它们含有较少的酰胺基团以减少吸水率； PA610和PA11，由植物源成分制成； PA4T、PA6T 和 PA9T，它们含有苯环以提高耐热性。

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聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PBT)

PBT是一种主链含有苯环的结晶树脂，具有优异的机械性能和耐溶剂性。该材料还具有低吸水率、良好的尺寸稳定性和出色的电性能，并且易于改性以添加阻燃剂或纤维增强材料。这些特性使 PBT 成为汽车和电气部件广泛使用的材料选择。

聚碳酸酯（PC）

聚碳酸酯（PC）是一种主链含有苯环的非结晶树脂，是通用工程塑料中唯一透明的材料。 PC 用于制造镜头和其他光学元件，以及 DVD 等光学存储介质。 PC与ABS共混而成的合金材料具有优异的抗冲击性和良好的成型性能，用于家电外壳等产品。

改性聚苯醚(m-PPE)

M-PPE是一种非结晶树脂，在所有通用工程塑料中比重最低，是轻量化部件的良好选择，有利于产品减重。 M-PPE耐热性好，耐无机化学品性能好，尺寸精度高；由于PPE的阻燃性，也比较容易阻燃。如上所述，尽管 PPE 具有高耐热性，但其较差的成型性能使得纯 PPE 成为难以成型为复杂形状的材料。因此，PPE 通常通过与聚苯乙烯或其他树脂合金化来进行改性，以产生具有一系列其他所需性能的易于成型的材料。近年来，PPE 已与越来越多的非聚苯乙烯树脂混合，生产出满足各种需求的新型材料。术语 M-PPE 是“改性 PPE”的缩写，旨在描述通过利用聚合物合金而变得特别易于使用的材料。

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5、工程塑料对环境的影响

エンプラは汎用プラスチックに比べ、同じ性能のものを作る場合に使用量が少なくてすみ、また主鎖に炭素以外の元素を入れることは使用後焼却されたとき、発生する温暖化ガスの量が少ないことに繋がります。
また、原料のアルコール、カルボン酸、フェノール、アミン、アミドなどは植物成分だったり、植物成分から容易に合成できるものがあり、脱化石資源化しやすい面もあります。single-use plastics例えば、ポリアミド11やポリアミド610の原料であるひまし油は植物由来です。また、ポリアセタールの原料であるホルマリンは植物成分から発酵法で生産できるメタノールを酸化させることにより得ることもできます。
エンプラの用途においては、工業製品に使われることが多く、汎用プラスチックの主用途であるワンウェイユースは少ないことも特徴です。halved
地球環境問題が深刻化しており、エンプラの利用にあたっても環境負荷軽減を考えなければなりません。エンプラの製法、使用法を配慮した上で使用量の削減と長寿命化が重要となります。例えば、製品寿命が2倍に伸びれば、使用時から廃棄における環境負荷が半分になったと言うことができます。多くの材料が高性能化、長寿命化を競っていることは環境負荷削減と言う視点からも好ましいと考えます。

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第一栏：链状聚合物的性能增强策略

プラスチックの強度、耐薬品性、耐熱性などの性能を向上させることは、「分子を動きにくくする」と言い変えても大きな間違いではありません。restricting the motion of molecules例えば、shape deformation変形するということは隣同士の分子の動態位置が変わるということです。「割れる」「融ける」rupturing, melting,「溶ける」dissolvingなどの現象は隣合っている分子同士が離れることです。これらの現象を起きにくくするためには、「分子を動きにくく」suppressing molecular motionすれば良いのです。これにはいくつかの方法がありますが、主なものを表2に列挙しました。

表2に示したよう、高性能化するには、individual分子自体の運動を抑制すること、分子間の動きをけん制すること、の2つがあります。前者の基本となるポイントは分子鎖の長さです。intermolecular分子鎖が長くなると、length隣接する分子がお互いの動きを抑制するため、性能が向上します。さらに性能を向上させるには、主鎖に炭素以外の元素やベンゼン環を入れて分子鎖を剛直にする方法（図2参照）と、側鎖を大きくして分子運動を抑制する方法とがあります。主鎖を改変すると耐熱性が向上します。エンプラは例外なくこの方法が採られています（表2、3参照）。

增大侧链以增加刚性的策略相对容易实施，因此可用于使通用塑料的性能多样化。然而，这种方法不影响主链的结构，因此对耐热性的改善很小。

もう一つの「分子間力を高める」にはstrengthening intermolecular forces隣同士の分子が離れにくくする方法で、crystallization規則正しく並べて「結晶化」する方法と分子構造を工夫し、分子間の親和性を高める方法とがあります。

第 2 列：结晶度

鎖状高分子は伸びきると、図3に示すようにジグザグな配置をとります。この状態の分子に他の分子が近づくと、ある距離を置いたところで最も安定な伸びきった状態になります。これが繰り返されると伸びきった鎖が規則正しく並んだ状態を作ります（図3参照）。これが結晶です。crystal.結晶は非結晶な状態に比べ安定で密度が高くなります。分子間力も高いため、耐熱性、機械的性質などが高くなります。
並びやすい分子構造を持っている高分子だけが結晶を作ります。このような材料から出来たプラスチックを「結晶性プラスチック」と言います。crystalline plastics.一方、結晶を作らないプラスチックは「非晶性プラスチック」と言います。non-crystalline plastics.

第 3 栏：共聚物和聚合物合金

プラスチックXとプラスチックYとを混ぜて、中庸の性質の材料を作ることは広く行われています。copolymerization,その方法は図4に示すよう、2つあります。一つはX、Y両成分を分子内で混ぜるやり方で、これを共重合と言い、出来たものをコポリマーと言います。copolymers分子鎖を単一の成分だけで構成したものはホモポリマーと言われます。homopolymers.
もう一つのやり方は、別々に作った分子を後で混ぜる方法でポリマーアロイと言います。polymer alloyこれは金属の合金（alloy）にちなんだ呼び方です。

 

（作者：佐藤功技术室）

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