エンプラの種類と特徴:エンジニアリングプラスチックの基礎知識1

エンジニアリングプラスチックの基礎知識

更新日:2016年9月7日(初回投稿)
著者:安田ポリマーリサーチ研究所 所長 安田 武夫

エンジニアリングプラスチック(以下、エンプラ)とは、機械的強度や耐熱性を向上させたプラスチックです。自動車部品や機械部品、電気・電子部品のような工業用途に使用されています。技術者の皆さんには身近な工業用素材なのではないでしょうか? 本連載では全8回で、エンプラの基礎知識を解説していきます。第1回は、エンプラの定義、汎用エンプラやスーパーエンプラの特徴を駆け足で見ていきます。

1. プラスチックとエンプラの違い

日本において、プラスチックの工業化が本格的に始まったのは、戦後1950年代のことです。プラスチックにはさまざまな種類があり、その分類は多岐にわたります。

 原料による分類
バイオマス系(再生可能な原料)と化石燃料系(再生不可能な原料)に分類されます。

 加熱時の挙動による分類
プラスチックは加熱により溶融し、成形が可能となります。成形し、冷却固化した後に再加熱すると溶融する「熱可塑性樹脂」と、加熱により三次元硬化し冷却後は再加熱しても溶融しない「熱硬化性樹脂」とに分類されます(図1)。

図1:化石燃料系プラスチックの分類

図1:化石燃料系プラスチックの分類

耐熱性、経済性などによる分類
熱可塑性樹脂は、耐熱性、機械的特性、経済性などにより、汎用熱可塑性樹脂、汎用エンプラ、スーパー(特殊)エンプラに分類されます。

結晶化度の差異による分類
結晶性樹脂、非晶性樹脂、液晶ポリマーに分類されます。

日本プラスチック工業連盟が発表したプラスチック原材料生産実績によると、2015年の日本のプラスチックの生産量1,084万トンのうち、エンプラ関連材料(PC(ポリカーボネート)、PA(ポリアミド)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、POM(ポリアセタール・ポリオキシメチレン)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、FR(フッ素樹脂))は86.6万トンと7.9%を占めています。内訳としては、PC(ポリカーボネート)が最多で29.4万トン、次いでPA(ポリアミド)が21.7万トン、以下PBT(ポリブチレンテレフタレート)18.9万トン、POM(ポリアセタール・ポリオキシメチレン)10.0万トン、PPS(ポリフェニレンサルファイド)3.9万トン、FR(フッ素樹脂)2.8万トンです。

2. エンプラの定義と歴史

元デュポン社の松島哲也氏(日本におけるエンプラのパイオニア。エンプラの本(旧エンプラ技術連絡会)など数多くの著書を執筆)によると、エンプラとは、自動車部品や機械部品、電気・電子部品のような工業用途に使用されるプラスチックであって、40MPa以上の引張強さ、100℃以上の(長期)耐熱性を持つもの、または耐熱性がさらに高く150℃でも長時間使用できるものと定義されています。

エンプラ系材料の第1号はPA66(ポリアミド66)です。1938年にアメリカのデュポン社が、繊維素材として工業化しました。続いて、1939年にドイツのIGファルベンが、PA6(ポリアミド6)を工業化しました。その後デュポン社は、1946年にFR(フッ素樹脂)のPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を、1953年にPET(ポリエチレンテレフタレート)を繊維として工業化しました。1953年には、PA66(ポリアミド66)が初めてエンプラとして使用されました(表1)。

表1:各種エンプラの工業化の歴史
上市時期 材料名 メーカー名(国名)
1938 PA66(ポリアミド66) (繊維として) DuPont(アメリカ)
1939  PA66(ポリアミド6) (同上) IG(ドイツ)
1946  PTFE(ポリテトラフルオロエチレン) DuPont(アメリカ)
1952 PA66(ポリアミド66) (成形材料として) DuPont(アメリカ)
1953 PET(ポリエチレンテレフタレート) (同上) DuPont(アメリカ)
1958 POM(ポリアセタール・ポリオキメチレン) DuPont(アメリカ)
1958 PC(ポリカーボネート) Bayer(ドイツ)
1961 POM(コポリマー) Celanese(アメリカ)
1964 PI(ポリイミド) DuPont(アメリカ)
1965 PPE(ポリフェニレンエーテル) GE(アメリカ)
1966 PSU(ポリスルフォン) UCC(アメリカ)
1966 GF-PET(GF強化PET) 帝人(日本)
1967 m-PPE(変性ポリフェニレンエーテル) GE(アメリカ)
1970 PBT(ポリブチレンテレフタレート) Celanese(アメリカ)
1971 PAI(ポリアミドイミド) AMOCO(アメリカ)
1972 PPS(ポリフェニレンスルファイド) Phillips Petroleum(アメリカ)
1972 PAR(ポリアリレート) ユニチカ(日本)
1972 PES(ポリエーテルスルフォン) ICI(イギリス)
1972 PEN(ポリエチレンナフタレート) 帝人(日本)
1980 PEEK(ポリエーテルエーテルケトン) ICI(イギリス)
1982 PEI(ポリエーテルイミド) GE(アメリカ)
1984 LCP(液晶ポリマー) Dartoco(アメリカ)
1986 PEK(ポリエーテルケトン) ICI(イギリス)
1987 TPI(熱可塑性ポリイミド) 三井化学(日本)
1989 PA6T(ポリアミド6T) 三井化学(日本)
1990 PA46(ポリアミド46) DSM(オランダ)
1996 SPS(シンジオタクチックポリスチレン) 出光興産(日本)
1999 PA9T(ポリアミド9T) クラレ(日本)

その後1958年から1970年の間に、代表的な汎用エンプラであるPOM(ポリアセタール・ポリオキシメチレン)、PC(ポリカーボネート)、m-PPE(変性ポリフェニレンエーテル)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)が工業化されました。スーパーエンプラは、1946年のPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、1964年のPI(ポリイミド)に始まり、1970年代から2000年にかけて次々と工業化されました。当初は、これらの材料のほとんどが欧米メーカーで開発されました。最近では、日本でも多くのエンプラが開発されています。

3. 汎用エンプラ、スーパーエンプラの特徴

汎用エンプラ
汎用エンプラのうち、代表的な7種類の特徴を一覧表にまとめました。比較のために、汎用熱可塑性樹脂のPP(ポリプロピレン)とABS樹脂も併記しています(表2)。

表2:汎用エンプラの特徴一覧
  汎用プラスチック  汎用エンプラ
PP ABS PC  PA6 PA66 POM m-PPE PBT 強化PET
軽量性
成形性
成形収縮率
吸水性 × ×
耐煮沸水性 × × ×
低温特性
強じん性
耐クリープ性
耐溶剤性 ×
耐候性 × × ×
難燃性  ×
電気特性 
耐摩擦摩耗性 
容積コスト 
:特に優れる  :優れる  △:あまり良好でない  ×:劣る
各種プラスチックの略号と正式名称
PP:ポリプロピレン、ABS樹脂:(アクリロニトリル・スチレン・ブタジエン共重合樹脂)、
PC:ポリカーボネ―ト、PA6:ポリアミド6、PA66:ポリアミド66、POM:ポリアセタール、
m-PPE:変性ポリフェニレンエーテル、PBT:ポリブチレンテレフタレート、
強化PET:強化ポリエチレンテレフタレート
  • 非晶性樹脂のPC(ポリカーボネート)は優れた透明性を示します。一方、ポリマーアロイ(複数のポリマーを混合させて、新しい特性を持たせること。エンプラの材料開発の一つ。)であるm-PPE(変性ポリフェニレンエーテル)は不透明です。非晶性樹脂のPC(ポリカーボネート)、m-PPE(変性ポリフェニレンエーテル)は寸法特性、強じん性に優れています。
  • 結晶性のPA(ポリアミド)、POM(ポリアセタール・ポリオキシメチレン)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、強化PET(強化ポリエチレンテレフタレート)は、耐溶剤性、耐摩擦・摩耗性に優れています。
  • 非強化品の比重は、m-PPE(変性ポリフェニレンエーテル)が1.0台、PA(ポリアミド)が1.1台、PC(ポリカーボネート)が1.2台、PBT(ポリブチレンテレフタレート)が1.3台、POM(ポリアセタール・ポリオキシメチレン)が1.4台です。
  • PA(ポリアミド)は化学構造上、吸水性が大きく、吸水により、寸法、物性が大きく変化します。エステル結合を有するPBT(ポリブチレンテレフタレート)、強化PET(強化ポリエチレンテレフタレート)、PC(ポリカーボネート)は、耐煮沸水性、耐アルカリ性に注意する必要があります。
  • 汎用エンプラは物性、特に耐熱性、機械的特性において、汎用熱可塑性樹脂より優れるため、価格的には割高です。
参考資料1:汎用エンプラの物性一覧・非強化タイプ
  物性(単位) ナイロン6 ナイロン66 POM PBT PC m-PPE




引張強さ (MPa) 82(38*1) 83(55*1) 66 55 61 66
引張破断伸び (%) 140(>200*1) 60(>200*1) 50 >200 110 60
曲げ強さ (MPa) 105(50*1) 115(70*1) 91 81 92 90
曲げ弾性率 (GPa) 2.6 2.9(1.6*1) 2.7 2.4 2.2 2.5
アイゾット衝撃値 (J/m) 44(690*1) 54(690*1) 69 44 930 264
ロックウェル硬度 R120 R120 R115 R119 R120 R118
テーバー摩耗 (mg/103回転) 7 7 14 13 13 20
摩擦抵抗(対鋼) (-) 0.14 0.14 0.15 0.13 0.33 0.33



質 
融点 (℃) 224 260 180 224    
荷重たわみ温度 (℃) 65 80 110 60 135 129
線膨張係数 (10-5×1/℃) 9 9 10 9 5.6 6




体積固有抵抗 (Ω・cm) 1015(1012*1) 1015(1012*1) 1014 1016 4×1016 1016
絶縁破壊強さ (kV/mm) 20(4~5*1) 23(13~14*1) 20 17 16 20
誘電率 (-) 4~5(15*1) 3(15*1) 4 3.2 2.9 3
耐アーク性 (sec) 180~190
(同*1)
180~190
(同*1
 240 180 120 75


比重 (g/cm3) 1.14 1.14 1.41 1.31 1.2 1.05
吸水率 (%) 3.5 2.8 0.22 0.1 0.15 0.07
燃焼性(UL94)   V-2 V-2 HB HB V-2 HB
注:*1:吸湿時の物性
参考資料2:汎用エンプラの物性一覧・GF強化タイプ
  物性(単位) ナイロン6 ナイロン66 POM PBT PET PC m-PPE




引張強さ (MPa)  150(100*1) 175(130*1) 130 135 150 130  115
引張破断伸び (%) 4(5*1) 7('*1) 3 5.5 2.5 5.5 5
曲げ強さ (MPa) 220(130*1) 250(180*1) 200 180 200 180 140
曲げ弾性率 (GPa) 8(4.5*1) 9(5.8*1) 9.3 9.3 9.3 7 7
アイゾット衝撃値 (J/m) 88(170*1) 93(140*1) 88 88 115 160 120
ロックウェル硬度 R121(R113*1) R120(R115*1) M75 R120 M95 R120 M93
テーバー摩耗 (mg/103回転) 14 24 40 25 24 33 35
摩擦抵抗(対鋼) (-) 0.35 0.4 0.15 0.15   0.4 0.3



質 
融点 (℃) 224 263 180 224 255    
荷重たわみ温度 (℃) 215 249 163 215 210 148 145
線膨張係数 (10-5×1/℃) 3 3 6 3 4 1.9 2.5




体積固有抵抗 (Ω・cm) 1015(1012*1) 1015(1012*1) 1014 1016 1016 4×1016 1017
絶縁破壊強さ (kV/mm) 4~6(10*1) 18(17*1) 22 20 23 24 21
誘電率 (-) 4(15*1) 3.5(15*1) 5 3.4 4 3.3 3
耐アーク性 (sec) 30~140(同*1) 110(110*1) 136 130 120 120 107


比重 (g/cm3) 1.36 1.37 1.59 1.53 1.56 1.42 1.3
吸水率 (%) 2.4 2 0.15 0.07 0.05 0.15 0.06
燃焼性(UL94)   HB HB HB HB HB V-2 HB
  備考 GF30%  GF30% GF25% GF30% GF30% GF30% GF30%
注:*1:吸湿時の物性

スーパーエンプラ
スーパー(特殊)エンプラのうち、代表的な10種類の特徴を一覧表にまとめました。比較のために、汎用エンプラのPC(ポリカーボネート)とPA6(ポリアミド6)も併記しています(表3)。

表3:スーパーエンプラの特徴一覧
  汎用エンプラ  スーパーエンプラ
PC PA6 FR PPS LCP PAR PSU PES PEEK PEI PAI TPI
軽量性 △~×
成形性 × × × × ×
成形収縮率
吸水性 ×
耐煮沸水性
低温特性
強じん性
耐クリープ性 △~
耐溶剤性 ×
耐候性
難燃性 
電気特性 
耐摩擦摩耗性 
容積コスト  △~× × × × × ×
:特に優れる  :優れる  △:あまり良好でない  ×:劣る
各種プラスチックの略号と正式名称
PC:ポリカーボネ―ト、PA6:ポリアミド、FR:フッ素樹脂、
PPS:ポリフェニレンスルフィド、LCP:液晶ポリマー、PAR:ポリアリレート、
PSU:ポリスルフォン、PES:ポリエーテルスルホン、 PEEK:ポリエーテルエーテルケトン、
PEI:ポリエーテルイミド、PAI:ポリアミドイミド、PEI:熱可塑性ポリイミド、
なお、FR(フッ素樹脂)は種類が多いので幅で示した。
  • 非晶性樹脂のPAR(ポリアリレート)、PSU(ポリスルフォン)、PES(ポリエーテルスルフォン)、PEI(ポリエーテルイミド)は透明性で、強じん性、寸法安定性に優れています。
  • 結晶性のPPS(ポリフェニレンサルファイド)、FR(フッ素樹脂)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、LCP(液晶ポリマー)は、耐溶剤性、耐摩擦・摩耗性に優れています。
  • 非強化品の比重は、PAR(ポリアリレート)、PSU(ポリスルフォン)、PEI(ポリエーテルイミド)が2台、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PES(ポリエーテルスルフォン)、TPI(熱可塑性ポリイミド)が1.3台、PAI(ポリアミドイミド)が1.4台、FR(フッ素樹脂)では2.0を超えるものもあります。
  • 化学構造の関係でエステル結合を持つPAR(ポリアリレート)は耐煮沸水性と、耐アルカリ性に注意する必要があります。また、SO基をもつPSU(ポリスルフォン)、PES(ポリエーテルスルフォン)などは耐煮沸水性に非常に優れる一方、耐候性に劣ります。
  • 成形性ではLCP(液晶ポリマー)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)などが優れます。
  • 表3の各種材料の全般的傾向として、右に行くほど耐熱性が上昇し、各種特性も非常に優れており、「◎」の項目が多くなります。しかし、成形条件は右に行くほど厳しくなり、材料価格も高くなります。
  • スーパーエンプラは、汎用エンプラより、さらに割高です。
参考資料3:フッ素樹脂以外のスーパーエンジニアリンプラスチックの物性一覧・非強化タイプ
  物性(単位) PPS PA9T PA46 PAR LCP PSU PES PEEK PEI PAI TPI




引張強さ (MPa) 81 90 100 69 205 70 84 105 105 192 92
引張破断伸び (%) 8 15 >40 40 3 50
~100
40
~80
22 60 15 90
曲げ強さ (MPa) 132 120 120 80 212*1 1.6 129 174 164 244 137
曲げ弾性率 (GPa) 3.9 3 2.9 2.1 14.7*1 2.7 2.55 4.1 3.43 5 2.9
アイゾット衝撃値 (J/m) 4 20   225 431 69 85 63 49 142 88
ロックウェル硬度   R118   R125 D66 M69 R120 M99 M109 E86 R129
テーバー摩耗 (mg/103回転)                 10    
摩擦抵抗(対鋼) (-)                      



質 
融点 (℃) 278 306 295         343      
荷重たわみ温度 (℃) >260 135 160 177 174 190 203 156 210 278 238
線膨張係数 (10-5×1/℃) 2.4
/2.9
  8 0.6/0.6 -0.1
/7.1
0.57
/0.57
5.5
/5.7
4.7 506 3.1 5.5
/5.5




体積固有抵抗 (Ω・cm) 1014 1016 1015
1014

1018

1016
1015
1016
1016
1017
1019
~1020
絶縁破壊強さ (kV/mm) 30   25 46 43 17     28 23.6  
誘電率 (-) 3.5   4 3 3.4 3.1   3.2 3.15 4.2 3.2
耐アーク性 (sec)         137   70   128    


比重 (g/cm3) 1.34 1.14 1.18 1.21 1.4 1.24 1.37 1.3 1.27 1.42 1.33
吸水率 (%) 0.02 2.6 3.6 0.26 0.08 0.3 0.43 0.5 0.25 0.33 0.34
燃焼性(UL94)   V-0 HB
相当
  V-0 V-0 HB~
V-0
V-0 V-0 V-0 V-0 V-0
  備考           Ⅱ型            
 *1:厚み 1.6mm
参考資料4:スーパーエンジニアリンプラスチックの物性一覧・GF強化タイプ
  物性(単位) PPS PA6T PA9T PA46 PAR LCP PSU PES PEEK PEI PAI TPI




引張強さ (MPa) 158 170 190 200 140 210 108 140 156 170 205 165
引張破断伸び (%) 1.9 3 4 4 3.5 2.2 2 3 1.9  3 7 3
曲げ強さ (MPa) 245 260 260 300 201 308
(*1)
154 190 220 230 338 241
曲げ弾性率 (GPa) 13.3 10 9 9 8.2 19.6
(*1)
7.6 8.4 9.7 9.02 11.7 9.5
アイゾット衝撃値 (J/m) 11 80 100   78 137 69 81 94 108 79 118
ロックウェル硬度 R120 M110 R122   R121 M84 M86 R134 M103 M114 E94 R128
テーバー摩耗 (mg/103回転) 45                      
摩擦抵抗(対鋼) (-)  0.22                      



質 
融点 (℃) 282  310 306 295          343      
荷重たわみ温度 (℃) >260 300 270 >285 177 230 181 216 315 212 282 245
線膨張係数 (10-5×1/℃) 2.9
/3.4
2.4
/5.0
  2 0.5
/0.6
0.6
/6.1
1.9
/4.9
2.3
/4.3
2.2 2 1.6 1.7
/5.3




体積固有抵抗 (Ω・cm) 1014 1016 1016 1015 1014
1016

1016
1014 1016 1016
1017
 
絶縁破壊強さ (kV/mm) 24     30 30 39 19     25 32.6  
誘電率 (-) 3.2      4 3.6 3.8 3   3.7 3.5 4.4 3.7
耐アーク性 (sec)         60  137 120 120
~180
  85    


比重 (g/cm3) 1.57 1.42 1.37 1.4 1.41 1.62 1.49 1.6 1.51 1.53 1.61 1.56
吸水率 (%) 0.02 0.3 1.7 2.5 0.6 0.05 0.1 0.3 0.11 0.16 0.24 0.23
燃焼性(UL94)   V-0 HB HB   HB V-0 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0
  備考   GF30% GF30% GF30% GF30% GF30% GF30%
Ⅱ型
GF30% GF30% GF30% GF30% GF30% GF30%
*1:厚み 1.6mm
参考資料5:各種フッ素樹脂の物性一覧表
     (引用:日本弗素樹脂工業会 ふっ素樹脂特性表1ふっ素樹脂特性表2
  物性(単位) PTFE FEP PFA PCTFE ETFE ECTFE PVDF PVF




引張強さ (MPa) 20~35 20~35 20~30 31~41 38~42 41~48 30~70 82
引張破断伸び (%) 200
~400
300
~350
200
~400
80
~250
300
~400
200
~300
200
~370
140
圧縮強さ (MPa) 10~15 15~20 14~19 31~51 40~50 35~40 32~74  
曲げ弾性率 (GPa) 0.53
~0.58
0.54
~0.64
0.55
~0.67
1.23
~1.79
0.90
~1.20
0.66
~0.69
0.60
~1.99
 
アイゾット衝撃値 (J/m) 150
~160
破壊せず 破壊せず 135
~145
破壊せず 破壊せず 160
~375
 
ロックウェル硬さ (R-スケール) R20 R50 R50 R80 R50 R50 R93
~116
 
ショア硬さ (D-スケール) D50~55 D62~66 D60~65 D75~80 D67~78 D53~57 D64~70  
動摩擦抵抗係数 (0.69MPa、3m/min) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.4 0.4 0.4  



質 
融点 (℃) 327 310 260 220 270 245 151
~178
203
荷重たわみ温度 (℃) 55 47 50 90 74 77 100  
最高使用温度 (℃) 260 260 200 120 150 150 150 100
線膨張係数 (10-5×1/℃) 10 12 9 6 6 8 16  




体積固有抵抗 (Ω・cm) >1018 >1018 >1018 >1018 >1017 >1015 >1015 >1013
絶縁破壊強さ (kV/mm) 19 20 22 22 16 20 11  
誘電率 (-) 2.1 2.1 2.1 2.6 2.6 2.6 8.4 8.4
耐アーク性 (sec) >300 >300 >300 >300 75 18 60  


比重 (g/cm3) 2.13
~2.20
2.12
~2.17
2.15
~2.17
2.10
~2.20
1.73
~1.74
1.68
~1.69
1.75
~1.78
1.33
吸水率 (%) 0.01 0.01 0.01 0.01 0.03 0.01 0.03  
燃焼性(UL94)   V-0 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0  
  備考                 フィルムのみ
各種フッ素樹脂の名称と化学構造式は以下の通りである。
PTFE:ポリテトラフルオロエチレン -(CF2-CF2)n-、
FEP:テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体 -(CF2-CF2)m-(CF2-CFCF3)n- 、
FPA:テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体-(CF2-CF2)m-(CF2-CFORf)n- 、
PCTFE: ポリクロロトリフルオロエチレン -(CF2-CFCl) n- 、
ETFE:テトラフルオロエチレン-エチレン共重合体 -(CF2-CF2)m-(CH2-CH2)n-、
ECTFE:クロロトリフルオロエチレン-エチレン共重合体 -(CF2-CFCl) m-(CH2-CH2)n- 、
PVDF:ポリビニリデンフルオライド -(CF2-CH2)n 、PVF:ポリビニルフルオライド -(CHF-CH2)n

いかがでしたか? 今回は、プラスチックの分類と、エンプラの定義と歴史、また汎用エンプラとスーパーエンプラの特徴について解説しました。次回は、最近のエンプラ技術動向を解説します。お楽しみに!