什麼是工程塑膠？

1. 塑膠：簡介

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。

當塑膠在溶劑中破裂或變質時，這是因為它們拉長的分子彼此分離。然而，構成典型塑膠的分子鏈的長度足以確保分子在普通使用條件下不會分離。
鏈狀聚合物的這些行為特性足以解釋塑膠最重要的特徵：

(1)其強度和硬度足以承受實際應用。
(2)它們在室溫下是固體。
(3) 在較高溫度下它們會熔化並且幾乎可以模製成任何形狀。

2、什麼是工程塑膠？

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.工程塑料的種類

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 概述了五種主要工程塑料。

上面的三個品種是結晶樹脂（參見第 2 列），按結晶度從最高到最低的順序列出。下面的兩個品種是非結晶樹脂。在所有通用工程塑料中，聚碳酸酯是唯一透明的非結晶樹脂。改質聚苯醚（PPE）雖然也是非結晶樹脂，但PPE很少單獨使用；相反，它通常用作聚合物合金材料（第 3 列）。純PPE耐熱性高，但難以成型複雜形狀；與聚苯乙烯等其他樹脂合金化可產生易於成型的材料，同時提供一系列理想的性能。

以下我們簡要回顧五種主要工程塑料的主要特點。

聚縮醛（POM）

在五種主要工程塑料中，聚縮醛具有最高的結晶度，確保了優異的耐磨性，使其成為齒輪、軸架和其他需要承受頻繁滑動運動的部件的理想材料。 POM 有兩種：均聚物和共聚物（第 3 列）。均聚物 POM 具有高熔點、優異的強度和剛性，而共聚物 POM 具有柔韌性，具有優異的耐熱降解性、耐化學性和耐候性。

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聚醯胺 (PA)

聚醯胺（PA）存在多種品種，其中最常用作結構材料的兩種通用工程塑料是PA6和PA66。 PA 是一種結晶樹脂，其中由於醯胺基團的存在而產生強大的分子間作用力，確保了優異的機械性能和耐溶劑性。最廣泛使用的聚醯胺樹脂牌號是在阻燃或耐熱等特定領域提供特別高性能的專用牌號，以及由玻璃纖維或其他填料製成的強度增強牌號。
除了通用工程塑料PA6和PA66外，還有許多專用品種的聚醯胺樹脂，包括PA612和PA12，它們含有較少的醯胺基團以減少吸水率； PA610和PA11，由植物源成分製成； PA4T、PA6T 和 PA9T，它們含有苯環以提高耐熱性。

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聚對苯二甲酸丁二醇酯 (PBT)

PBT是一種主鏈含有苯環的結晶樹脂，具有優異的機械性能和耐溶劑性。該材料還具有低吸水率、良好的尺寸穩定性和出色的電氣性能，並且易於改質以添加阻燃劑或纖維增強材料。這些特性使 PBT 成為汽車和電氣零件廣泛使用的材料選擇。

聚碳酸酯（PC）

聚碳酸酯（PC）是一種主鏈含有苯環的非結晶樹脂，是通用工程塑料中唯一透明的材料。 PC 用於製造鏡頭和其他光學元件，以及 DVD 等光學儲存媒體。 PC與ABS共混而成的合金材料具有優異的抗衝擊性和良好的成型性能，用於家電外殼等產品。

改質聚苯醚(m-PPE)

M-PPE是一種非結晶樹脂，在所有通用工程塑料中比重最低，是輕量化零件的良好選擇，有利於產品減重。 M-PPE耐熱性好，耐無機化學品性能好，尺寸精度高；由於PPE的阻燃性，也比較容易阻燃。如上所述，儘管 PPE 具有高耐熱性，但其較差的成型性能使得純 PPE 成為難以成型為複雜形狀的材料。因此，PPE 通常透過與聚苯乙烯或其他樹脂合金化來進行改性，以產生具有一系列其他所需性能的易於成型的材料。近年來，PPE 已與越來越多的非聚苯乙烯樹脂混合，以生產滿足各種需求的新型材料。術語 M-PPE 是「改性 PPE」的縮寫，旨在描述透過利用聚合物合金而變得特別易於使用的材料。

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5.工程塑料對環境的影響

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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第一欄：鏈狀聚合物的性能增強策略

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）。

增加側鏈以增加剛性的策略相對容易實施，因此可用於使通用塑膠的性能多樣化。然而，這種方法不影響主鏈的結構，因此對耐熱性的改善很小。

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：結晶度

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 欄：共聚物與聚合物合金

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：佐藤功技術室）

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