What are engineering plastics?  

1. Plastics: A brief introduction

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。

When plastics rupture or deteriorate in solvents, it is because their elongated molecules become separated from each other. However, the length of the molecular chains comprising typical plastics is sufficient to ensure that molecules tend not to separate under ordinary usage conditions.
These behavioral properties of chain polymers suffice to explain the most important features of plastics:

(1) Their strength and hardness are sufficient to withstand practical applications.  
(2) They are solids at room temperature.  
(3) At higher temperatures they melt and can be molded into nearly any shape.  

2. What are engineering plastics?

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. Types of engineering plastics

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.

4. Overview of the five major engineering plastics  

Table 1 presents an overview of the five major engineering plastics.

The upper three varieties are crystalline resins (see Column 2), listed in order from highest to lowest crystallinity. The lower two varieties are non-crystalline resins. Among all general-purpose engineering plastics, polycarbonate is the only transparent non-crystalline resin. Although modified polyphenylene ether (PPE) is also non-crystalline resin, PPE is rarely used in isolation; instead, it is typically used as a polymer alloy material (Column 3). Pure PPE features high heat resistance, but is difficult to form into complex shapes; alloying with other resins such as polystyrene yields materials that are readily formable while offering a range of desirable properties. 

In what follows, we briefly survey key features of the five major engineering plastics.  

Polyacetal (POM）

Of the five major engineering plastics, polyacetal has the highest crystallinity, ensuring excellent abrasion resistance that makes it an ideal material for gears, axle mounts, and other components required to withstand frequent sliding motion. POM exists in two varieties: homopolymer and copolymer (Column 3). Homopolymer POM has a high melting point and excellent strength and rigidity, while copolymer POM is flexible and offers excellent resistance to heat-induced degradation, chemical resistance, and weather resistance.

→ Click here for more information on Asahi Kasei's TENAC™ polyacetal resins

Polyamide (PA)

Polyamide (PA) exists in many varieties, of which the two general-purpose engineering plastics most commonly used as structural materials are PA6 and PA66. PA is a crystalline resin in which strong intermolecular forces, derived from the presence of amide groups, ensure excellent mechanical properties and resistance to solvents. Among the most widely used grades of polyamide resins are specialized grades offering particularly high performance in specific areas such as flame retardance or heat resistance, as well as strength-reinforced grades made with glass fibers or other fillers.  
In addition to the general-purpose engineering plastics PA6 and PA66, there exist many specialized varieties of polyamide resins, including PA612 and PA12, which incorporate fewer amide groups to reduce water absorption; PA610 and PA11, which are made from plant-derived ingredients; and PA4T, PA6T, and PA9T, which incorporate benzene rings to increase heat resistance.  

→Click here for more information on Asahi Kasei's LEONA™ polyamide resins 

Polybutylene terephthalate (PBT)  

PBT, a crystalline resin whose primary chains contain benzene rings, offers excellent mechanical properties and resistance to solvents. This material also features low water absorption, good dimensional stability, and outstanding electrical properties, and is easily modified to add flame retardance or fiber reinforcement. These characteristics make PBT a widely-used choice of material for automotive and electrical components.  

Polycarbonate (PC)  

Polycarbonate (PC), a non-crystalline resin whose primary chains contain benzene rings, is the only transparent material among the general-purpose engineering plastics. PC is used to make lenses and other optical components, as well as optical storage media such as DVDs. Alloy materials formed by blending PC with ABS feature excellent impact resistance and good formation properties and are used for products such as home-appliance housings.  

Modified polyphenylene ether(m-PPE)  

M-PPE is a non-crystalline resin boasting the lowest specific gravity of all general-purpose engineering plastics, making it a good choice for lightweight components to facilitate product weight reduction. M-PPE features good heat resistance, good resistance to inorganic chemicals, and high dimensional precision; it is also relatively easy to make flame-retardant due to the combustion-resistance of PPE. Although, as noted above, PPE features high heat resistance, its poor moldability properties make pure PPE a difficult material to form into complex shapes. For this reason, PPE is often modified by alloying with polystyrene or other resins to yield easily-formable materials boasting a range of other desirable properties. In recent years, PPE has been blended with an increasingly broad variety of non-polystyrene resins to yield novel materials addressing a diverse spectrum of needs. The term M-PPE, short for "modified PPE," is intended to describe materials made especially easy to use by exploiting polymer alloys.  

→Click here for more information on Asahi Kasei's XYRON™ modified polyphenylene ether resins  

 

5. The environmental impact of engineering plastics 

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。

→Click here to learn more about The Role of Asahi Kasei Engineering Plastics in Achieving Carbon Neutrality

Column 1: Performance-enhancement strategies for chain-shaped polymers  

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）。

The strategy of enlarging side chains to increase rigidity is relatively easy to implement and is thus used to diversify the properties of general-purpose plastics. However, this approach does not affect the structure of primary chains, and thus yields minimal improvement in heat resistance.  

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。

Column 2: Crystallinity  

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.

Column 3: Copolymers and polymer alloys  

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。

 

(Written by Isao Sato, Isao Sato Technical Office)

Asahi Kasei is dedicated to providing a full-fledged grade lineup of engineering-plastic products—and to exploiting our unique technological expertise to improve product performance. Please contact us to ask any questions, discuss any concerns, and request samples.