結晶性プラスチックと非晶性プラスチックの特徴

熱可塑性プラスチックは結晶構造を持っているかいないかの違いにより、結晶性プラスチックと非晶性プラスチックの2つに分けられます。プラスチック製品を設計する上では、両者の性質の特徴を理解しておくことが重要です。

 

 

 

表.主な結晶性プラスチックと非晶性プラスチック

結晶性プラスチック PE  ポリエチレン
PP  ポリプロピレン
PA  ポリアミド(商品名:ナイロン)
POM  ポリアセタール(ポリオキシメチレン)
PET  ポリエチレンテレフタレート
PBT  ポリブチレンテレフタレート
PPS  ポリフェニレンスルフィド
(-サルファイド)
PEEK  ポリエーテルエーテルケトン
LCP  液晶ポリマー
PTFE  ポリテトラフルオロエチレン
(商品名:テフロン)
非晶性プラスチック PVC  ポリ塩化ビニル
PS  ポリスチレン
PMMA  ポリメタクリル酸メチル
(アクリル/メタクリル樹脂)
ABS  アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン
PC  ポリカーボネート
m-PPE  変性ポリフェニレンエーテル
PES(PESU)  ポリエーテルスルホン
PEI  ポリエーテルイミド
PAI  ポリアミドイミド

 

 

 

プラスチックはヒモのような長い高分子が集まって構成されています。その分子が規則正しく並んだ部分(結晶部分)を持つプラスチックを結晶性プラスチック、結晶部分を持たないプラスチックを非晶性プラスチックといいます。

 

 

 

 

 

結晶性プラスチックは結晶部分と非結晶部分の両方を持っており、結晶部分の比率のことを結晶化度といいます。結晶化度はプラスチックの種類や成形条件によって異なります。

 

 

結晶性プラスチックと非晶性プラスチックの主な特徴は次表の通りです。

 

 

表.結晶性プラスチックと非晶性プラスチックの特徴

  結晶性プラスチック  非晶性プラスチック
寸法精度 ×
(成形収縮率・異方性:大)

(成形収縮率・異方性:小)
耐薬品性 ×
塗装・接着性 ×
透明性 ×
温度特性 ガラス転移点、融点が存在 ガラス転移点のみ存在

 

 

それぞれについて見ていきましょう。

 

 

 

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<寸法精度>


結晶性プラスチック:× 

非晶性プラスチック:○ 

 

結晶部分は溶融すると体積が増え、固まるときに収縮して体積が減少します。したがって、結晶性プラスチックの方が非晶性プラスチックよりも成形収縮率が大きくなります。

 

 

表.主なプラスチックの成形収縮率(※1)

  成形収縮率(%)
結晶性プラスチック PE 1.5~4.0
PP 1.0~2.5
PA 1.0~2.2
POM 1.5~2.5
PBT 1.8~2.2
PPS 1.1~1.9
非晶性プラスチック PVC 0.2~0.7(硬質)
PS 0.4~0.7
PMMA 0.2~0.6
ABS 0.4~0.6
PC 0.5~0.7
m-PPE 0.5~0.7

 

 

同じ結晶性プラスチックでも、結晶化度が大きいほど成形収縮率は大きくなります。結晶化度は成形条件によって変化するため、成形条件の変化が成形収縮率のバラツキにつながります。また、成形時の溶融プラスチックの流れに沿って結晶化しやすいため、材料の性質に異方性を生じます。これらの理由により、結晶性プラスチックは非晶性プラスチックと比べて寸法精度が悪くなる傾向にあります。

 

 

 

<耐薬品性>


結晶性プラスチック:○ 

非晶性プラスチック:× 

 

結晶部分には薬品が入り込みづらいので、結晶性プラスチックの方が薬品に対して強い性質を持っています。その性質を生かしてPEやPPは薬品や洗剤などの容器として使用されています。一方、非晶性プラスチックは一般に耐薬品性がよくありません。一定以上のひずみ下で溶剤や薬品が付着したときに発生するソルベントクラック(ケミカルクラック)は、非晶性プラスチックで生じやすい現象です。私が長年携わった水回りのプラスチック製品では、最も頻繁に発生するトラブルの一つでした。

 

 

 

<塗装・接着性>


結晶性プラスチック:× 

非晶性プラスチック:○ 

 

結晶性プラスチックは耐薬品性が高い一方で、塗装や接着には向いていません。接着剤の容器がPE製であることを考えればよく分かるのではないでしょうか。結晶性プラスチックに塗装や接着をする際には、多くの場合プライマー塗工やコロナ放電などの前処理が必要です。

 

 

 

<透明性>


結晶性プラスチック:× 

非晶性プラスチック:○ 

 

結晶部分と非結晶部分では光の屈折率が異なるため、両方の構造を持つ結晶性プラスチックは不透明になります。結晶部分を持たない非晶性プラスチックは一般に透明です。透明素材として有名なPMMA(アクリル)はその代表例です。非晶性プラスチックでも配合剤などの影響で透明ではないものもあります。

 

結晶化度は成形時の冷却速度を速くすると小さくなる性質があります。結晶性プラスチックであるPETボトルが透明なのは、成形時に急冷して結晶化度を小さくしているためです。

 

 

 

<温度特性>


結晶性プラスチック:ガラス転移点、融点が存在 

非晶性プラスチック:ガラス転移点のみ存在 

 

 

 非結晶部分の物性が大きく変化する温度をガラス転移点(Tg)、結晶部分が流動するようになる温度を融点(Tm)といいます。結晶部分と非結晶部分の両方を持つ結晶性プラスチックはガラス転移点と融点の両方を、結晶部分のない非晶性プラスチックはガラス転移点のみを持ちます。

 

 

 

ガラス転移点および融点付近において材料の性質が大きく変化するため、プラスチック選定の際には十分に考慮する必要があります。以下の表は主なプラスチックのガラス転移点と融点です。

 

 

表.主なプラスチックのガラス転移点および融点(※2)

  ガラス転移点 Tg
(℃)
融点 Tm
(℃)
結晶性プラスチック PE -120~-20 110 ~ 125(LDPE)
125 ~ 135(HDPE)
PP -20~0 165 ~ 175
PA 50 215 ~ 225(PA6)
255 ~ 265(PA66)
POM -60 ~ -50  170 ~ 180
PET 70  270
PBT 40 ~ 50  220 ~ 230
PPS 90  285
非晶性プラスチック PVC 70 ~ 80  ―
PS 90 ~ 100  ―
PMMA 100  ―
ABS 110  ―
PC 150  ―

 

 

PPが低温で脆くなることがよく知られていますが、それは冷凍庫内部ぐらいの温度がガラス転移点となっているため、実際に体感したことのある人が多いからでしょう。

 

 

※1、2
同じ材料でもグレードや配合剤、成形条件等により大きな違いがある。
値は各材料の非強化・標準グレード品について、下記文献のデータを参考に筆者が整理した。

 

材料メーカー公開の物性値 
・横田 健二 『高分子を学ぼう―高分子材料入門』
・プラスチック成形加工学会 (編集) 『図解 プラスチック成形材料』
・有方 広洋  『プラスチック成形加工基礎と実務―射出成形から二次加工まで』
・江坂 明 、 柿本 雅明(監修) 『耐熱性高分子電子材料の展開』
・本間 精一  『プラスチック材料大全』
・Steve Lampman 『Characterization and Failure Analysis of Plastics』
・M.V. Titow 『PVC Technology』
・Charles A. Harper 『Handbook of Plastic Processes』
・W. Birley 『Plastics Materials: Properties and Applications』
・George Wypych 『Handbook of Polymers』

 

 

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【参考文献】
高野菊雄 『プラスチック材料の選び方・使い方』 工業調査会
本間精一 『プラスチック材料大全』 日刊工業新聞社
舊橋 章 『製品開発に役立つプラスチック材料入門』 日刊工業新聞社

 

 

 

最終更新 2017年9月26日

 

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