พลาสติกวิศวกรรมคืออะไร?

1. พลาสติก: บทนำโดยย่อ

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。

เมื่อพลาสติกแตกหรือเสื่อมสภาพในตัวทำละลาย อาจเป็นเพราะโมเลกุลที่ยืดออกของพวกมันถูกแยกออกจากกัน อย่างไรก็ตาม ความยาวของสายโซ่โมเลกุลที่ประกอบด้วยพลาสติกทั่วไปก็เพียงพอแล้วเพื่อให้แน่ใจว่าโมเลกุลจะไม่แยกออกจากกันภายใต้สภาวะการใช้งานปกติ
คุณสมบัติเชิงพฤติกรรมของพอลิเมอร์แบบโซ่เพียงพอที่จะอธิบายคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของพลาสติกได้:

(1) ความแข็งแรงและความแข็งเพียงพอที่จะทนทานต่อการใช้งานจริง
(2) เป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง
(3) ที่อุณหภูมิสูงขึ้น พวกมันจะละลายและสามารถขึ้นรูปได้เกือบทุกรูปทรง

2. พลาสติกวิศวกรรมคืออะไร?

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. ประเภทของพลาสติกวิศวกรรม

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. ภาพรวมของพลาสติกวิศวกรรมหลักห้าชนิด

ตารางที่ 1 นำเสนอภาพรวมของพลาสติกวิศวกรรมหลัก 5 ชนิด

สามสายพันธุ์บนคือเรซินแบบผลึก (ดูคอลัมน์ 2) เรียงตามลำดับจากความเป็นผลึกสูงสุดไปต่ำสุด สองสายพันธุ์ล่างเป็นเรซินที่ไม่เป็นผลึก ในบรรดาพลาสติกวิศวกรรมเอนกประสงค์ทั้งหมด โพลีคาร์บอเนตเป็นเรซินชนิดเดียวที่ไม่มีผลึกโปร่งใส แม้ว่าโพลีฟีนลีนอีเทอร์ที่ผ่านการดัดแปลง (PPE) จะเป็นเรซินที่ไม่ใช่ผลึกเช่นกัน แต่ PPE ก็ไม่ค่อยได้ใช้ในการแยกเดี่ยว โดยทั่วไปจะใช้เป็นวัสดุโลหะผสมโพลีเมอร์แทน (คอลัมน์ 3) Pure PPE มีความต้านทานความร้อนสูง แต่ขึ้นรูปเป็นรูปทรงที่ซับซ้อนได้ยาก การผสมกับเรซินอื่นๆ เช่น โพลีสไตรีน จะทำให้ได้วัสดุที่สามารถขึ้นรูปได้ง่ายแต่ก็มีคุณสมบัติที่ต้องการหลายประการ

ในส่วนต่อไปนี้ เราจะสำรวจคุณสมบัติหลักๆ ของพลาสติกวิศวกรรมหลักทั้ง 5 ชนิดโดยย่อ

โพลีอะซีทัล (POM)

ในบรรดาพลาสติกวิศวกรรมหลัก 5 ชนิด โพลีอะซีตัลมีความเป็นผลึกสูงที่สุด ทำให้มั่นใจได้ถึงความทนทานต่อการเสียดสีที่ดีเยี่ยม ทำให้เป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับเกียร์ ที่ยึดเพลา และส่วนประกอบอื่นๆ ที่จำเป็นต่อการทนทานต่อการเคลื่อนที่เลื่อนบ่อยครั้ง POM มีอยู่สองประเภท: โฮโมโพลีเมอร์และโคโพลีเมอร์ (คอลัมน์ 3) Homopolymer POM มีจุดหลอมเหลวสูง มีความแข็งแรงและความแข็งแกร่งเป็นเลิศ ในขณะที่ Copolymer POM มีความยืดหยุ่นและให้ความต้านทานที่ดีเยี่ยมต่อการย่อยสลายที่เกิดจากความร้อน ทนต่อสารเคมี และทนต่อสภาพอากาศ

→ คลิกที่นี่เพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับโพลีอะซีทัลเรซิน TENAC™ ของ Asahi Kasei

โพลีเอไมด์ (PA)

โพลีเอไมด์ (PA) มีอยู่ในหลายสายพันธุ์ โดยพลาสติกวิศวกรรมเอนกประสงค์ 2 ชนิดที่ใช้กันมากที่สุดเป็นวัสดุโครงสร้างคือ PA6 และ PA66 PA เป็นเรซินแบบผลึกซึ่งมีแรงระหว่างโมเลกุลที่แข็งแกร่งซึ่งได้มาจากการมีกลุ่มเอไมด์ ทำให้มั่นใจในคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยมและความต้านทานต่อตัวทำละลาย ในบรรดาเกรดโพลีเอไมด์เรซินที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด ได้แก่เกรดพิเศษที่ให้ประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษในพื้นที่เฉพาะ เช่น การหน่วงการติดไฟหรือความต้านทานความร้อน รวมถึงเกรดเสริมความแข็งแรงที่ทำจากใยแก้วหรือสารตัวเติมอื่นๆ
นอกจากพลาสติกวิศวกรรมเอนกประสงค์ PA6 และ PA66 แล้ว ยังมีโพลีเอไมด์เรซินเฉพาะทางอีกหลายสายพันธุ์ รวมถึง PA612 และ PA12 ซึ่งมีกลุ่มเอไมด์น้อยกว่าเพื่อลดการดูดซึมน้ำ PA610 และ PA11 ซึ่งทำจากส่วนผสมจากพืช และ PA4T, PA6T และ PA9T ซึ่งมีวงแหวนเบนซีนเพื่อเพิ่มความต้านทานความร้อน

→ คลิกที่นี่เพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรซินโพลีเอไมด์ LEONA™ ของ Asahi Kasei

โพลีบิวทิลีนเทเรฟทาเลต (PBT)

PBT ซึ่งเป็นเรซินแบบผลึกซึ่งมีสายโซ่ปฐมภูมิประกอบด้วยวงแหวนเบนซีน มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยมและทนทานต่อตัวทำละลาย วัสดุนี้ยังมีคุณสมบัติการดูดซึมน้ำต่ำ ความคงตัวของขนาดที่ดี และคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่โดดเด่น และปรับเปลี่ยนได้ง่ายเพื่อเพิ่มการหน่วงการติดไฟหรือการเสริมเส้นใย คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้ PBT เป็นตัวเลือกวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับชิ้นส่วนยานยนต์และอุปกรณ์ไฟฟ้า

โพลีคาร์บอเนต (พีซี)

โพลีคาร์บอเนต (PC) ซึ่งเป็นเรซินที่ไม่เป็นผลึกซึ่งมีสายโซ่หลักประกอบด้วยวงแหวนเบนซีน เป็นวัสดุโปร่งใสชนิดเดียวในบรรดาพลาสติกวิศวกรรมเอนกประสงค์ พีซีใช้ในการผลิตเลนส์และส่วนประกอบทางแสงอื่นๆ รวมถึงสื่อจัดเก็บข้อมูลแบบออปติคอล เช่น ดีวีดี วัสดุโลหะผสมที่เกิดขึ้นจากการผสม PC กับ ABS มีคุณสมบัติต้านทานแรงกระแทกได้ดีเยี่ยมและมีคุณสมบัติในการขึ้นรูปที่ดี และใช้สำหรับผลิตภัณฑ์ เช่น ตัวเครื่องเครื่องใช้ในบ้าน

โพลีฟีนลีนอีเทอร์ดัดแปลง (m-PPE)

M-PPE เป็นเรซินที่ไม่เป็นผลึกซึ่งมีความถ่วงจำเพาะต่ำที่สุดเมื่อเทียบกับพลาสติกวิศวกรรมเอนกประสงค์ทั้งหมด ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับส่วนประกอบที่มีน้ำหนักเบาเพื่อช่วยลดน้ำหนักของผลิตภัณฑ์ M-PPE มีคุณสมบัติทนความร้อนได้ดี ทนทานต่อสารเคมีอนินทรีย์ได้ดี และมีความแม่นยำด้านมิติสูง นอกจากนี้ยังค่อนข้างง่ายที่จะทำให้สารหน่วงไฟเนื่องจาก PPE มีความทนทานต่อการเผาไหม้ แม้ว่าตามที่ระบุไว้ข้างต้น PPE มีความต้านทานความร้อนสูง แต่คุณสมบัติการขึ้นรูปได้ต่ำทำให้ PPE บริสุทธิ์เป็นวัสดุที่ยากต่อการขึ้นรูปเป็นรูปทรงที่ซับซ้อน ด้วยเหตุนี้ PPE จึงมักถูกดัดแปลงโดยการผสมกับโพลีสไตรีนหรือเรซินอื่นๆ เพื่อให้ได้วัสดุที่ขึ้นรูปได้ง่ายและมีคุณสมบัติที่ต้องการอื่นๆ มากมาย ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา PPE ได้รับการผสมเข้ากับเรซินที่ไม่ใช่โพลีสไตรีนที่หลากหลายมากขึ้น เพื่อให้ได้วัสดุใหม่ที่ตอบสนองความต้องการที่หลากหลาย คำว่า M-PPE ย่อมาจาก "modified PPE" มีจุดมุ่งหมายเพื่ออธิบายวัสดุที่ใช้งานง่ายเป็นพิเศษโดยใช้โลหะผสมโพลีเมอร์

→ คลิกที่นี่เพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรซินโพลีฟีนลีนอีเทอร์ดัดแปลง XYRON™ ของ Asahi Kasei

 

5. ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของพลาสติกวิศวกรรม

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。

→ คลิกที่นี่เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับบทบาทของพลาสติกวิศวกรรม Asahi Kasei ในการบรรลุความเป็นกลางคาร์บอน

คอลัมน์ 1: กลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับโพลีเมอร์ที่มีรูปร่างเป็นโซ่

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）。

กลยุทธ์ในการขยายโซ่ด้านข้างเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งนั้นค่อนข้างง่ายต่อการนำไปใช้ และดังนั้นจึงถูกนำมาใช้ในการกระจายคุณสมบัติของพลาสติกเอนกประสงค์ อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ไม่ส่งผลกระทบต่อโครงสร้างของโซ่หลัก และทำให้ความต้านทานความร้อนดีขึ้นเพียงเล็กน้อย

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。

คอลัมน์ 2: ความเป็นผลึก

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.

คอลัมน์ 3: โคโพลีเมอร์และโลหะผสมโพลีเมอร์

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。

 

(เขียนโดย Isao Sato สำนักงานเทคนิค Isao Sato)

Asahi Kasei ทุ่มเทในการจัดหากลุ่มผลิตภัณฑ์พลาสติกวิศวกรรมเกรดเต็มรูปแบบ และใช้ประโยชน์จากความเชี่ยวชาญทางเทคโนโลยีอันเป็นเอกลักษณ์ของเราเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ โปรด ติดต่อเรา เพื่อถามคำถาม หารือเกี่ยวกับข้อกังวล และขอตัวอย่าง