高性能プラスチック
標準プラスチック、エンジニアリングプラスチック、高性能プラスチックの比較
エンジニアリングプラスチックよりも高い要件を満たすプラスチック

高性能プラスチックとは、標準（汎用）プラスチックやエンジニアリングプラスチックよりも高い要件を満たすプラスチックです。より高価で、使用量も少ないです。[1]

意味

高性能プラスチックは、主に温度安定性において標準プラスチックやエンジニアリングプラスチックと異なりますが、耐薬品性、機械的特性、生産量、価格においても異なります。

高性能プラスチックという用語には、高温プラスチック、高性能ポリマー、高性能熱可塑性プラスチック、ハイテクプラスチックなど、多くの同義語があります。高温プラスチックという名称は、その連続使用温度（CST）が定義上常に150℃を超えることから使用されています（ただし、上記のように、これが唯一の特徴ではありません）。

工学分野では両方の用語が同義語として使用されているため、「プラスチック」の代わりに「ポリマー」という用語がよく使用されます。

しかし、それほど強力でないプラスチックとの区別は時代とともに変化してきました。ナイロンやポリエチレンテレフタレートは当初強力なプラスチックと考えられていましたが、現在では普通のプラスチックとなっています。[2]

歴史

機械的特性および熱安定性の改善は、新しいプラスチックの研究において常に重要な目標であった。 1960 年代初頭以来、高性能プラスチックの開発は、航空宇宙および原子力技術における対応するニーズによって推進されてきた。[3]たとえばPPS、PESおよびPSUの合成経路は、1960 年代にPhilips、ICIおよびUnion Carbideによって開発された。市場参入は1970 年代初頭に行われた。重縮合によるPEEK (ICI)、 PEK (ICI) およびPEI (General Electric および GE)の製造は、1970 年代に開発された。PEKは 1972 年からRaychemによって提供されているが、求電子合成によって製造されていた。求電子合成は一般に、線状ポリマーに対する選択性が低いという欠点があり、攻撃的な反応物を使用するため、この製品は市場で短期間しか存続できなかった。このため、今日では高性能プラスチックの大部分は重縮合プロセスによって生産されている。[2]

重縮合による製造プロセスでは、出発原料の高純度が重要です。さらに、立体化学は一般的に所望の特性を達成する上で重要な役割を果たします。したがって、新しい高性能プラスチックの開発は、構成モノマーの開発と経済的な生産と密接に関連しています。[2]

特徴

高性能プラスチックは、標準プラスチックやエンジニアリングプラスチックよりも優れた機械的特性、高い化学的安定性、および/または高い熱安定性を備えているため、より高い要求を満たします。特に後者は加工が困難で、多くの場合特殊な機械が必要になります。ほとんどの高性能プラスチックは単一の特性（例えば熱安定性）のみを目的として利用されるのに対し、エンジニアリングプラスチックはより広範な特性にわたって中程度の性能を提供します。[1]その多様な用途には、流体チューブ、電線絶縁体、建築、光ファイバーなどがあります。[4]

高性能プラスチックは比較的高価です。1kgあたりの価格はPA46で5ドルからPEEKで100ドル程度です。平均値は1kgあたり15ドル弱です。[5]そのため、高性能プラスチックはエンジニアリングプラスチックの約3倍から20倍の価格となります。[2]生産設備への投資コスト、開発期間、そして高い流通コストは一定のままであるため、将来的に大幅な価格低下は期待できません。[5]

生産量は年間2万トンと非常に限られているため、高性能プラスチックの市場シェアはわずか1％程度です。[1] [3]

高性能ポリマーのうち、フッ素ポリマーは45%の市場シェア（主な代表例：PTFE）、硫黄含有芳香族ポリマーは20%の市場シェア（主にPPS）、芳香族ポリアリールエーテルおよびポリケトンは10%の市場シェア（主にPEEK）、液晶ポリマー（LCP）は6%の市場シェアを占めています。[5] [6]高性能プラスチックの最大の消費者は、電気・電子産業（41%）と自動車産業（24%）です。残りのすべての産業（化学産業を含む）のシェアは23%です。[5]

熱安定性

熱安定性は高性能プラスチックの重要な特性です。また、機械的特性も熱安定性と密接に関連しています。

標準的なプラスチックの特性を基にして、安定剤や強化材（ガラス繊維や炭素繊維など）の添加、あるいは重合度の向上によって機械的特性や熱的特性のいくつかの改善をすでに達成できる。さらなる改善は、脂肪族単位を芳香族単位に置換することによって達成できる。この方法により、最高130℃の動作温度が達成される。熱硬化性プラスチック（高性能プラスチックに属さない、上記参照）は、最高150℃で同様の温度安定性を示す。芳香族（例：フェニル）を酸素（ジフェニルエーテル基、例：PEEK）、硫黄（PESのジフェニルスルホン基、またはジフェニル基、例：PPS）、または窒素（PEIまたはPAIのイミド基）と結合させることにより、さらに高い使用温度を達成できる。結果として、動作温度はPESの場合は200℃、PEIまたはPAIの場合は260℃になる可能性がある。[7]

芳香族ユニットの導入による温度安定性の向上は、ポリマーの温度安定性が熱分解に対する耐性と酸化耐性によって決定されるという事実によるものです。熱分解は主に統計的な 鎖切断によって起こり、脱重合と低分子量化合物の除去はわずかな役割しか果たしません。

ポリマーの熱酸化劣化は、単なる熱劣化よりも低い温度で始まります。どちらのタイプの劣化もラジカル機構によって進行します。[8]芳香族は、フリーラジカルが芳香族のπシステムを介して非局在化し安定化されるため、両方のタイプの劣化に対して優れた保護を提供します。このようにして、熱安定性は大幅に向上します。例えば、ポリ(p-フェニレン)は芳香族のみで構成され、500℃を超える温度でも非常に安定しています。一方、鎖の剛性が高いため、加工が困難です。加工性と安定性のバランスをとるために、柔軟なユニット（例： O、S、C(CH 3 )）を鎖に組み込むことができます。また、芳香族は、比較的剛性の高いユニット（例： SO 2、CO ）に置き換えることもできます。これらの異なる要素を混合することで、それぞれ異なる特性を持つ多様な高性能プラスチックが生まれます。[2]

実際には、フッ素ポリマー（炭化水素の水素原子がフッ素原子に置き換えられたポリマー）を使用することで、最大耐熱性（約260℃）が得られます。[7]その中で、PTFEは65～70%で最大の市場シェアを占めています。[6]しかし、フッ素含有ポリマーは機械的特性が低い（強度と剛性が低い、荷重下でのクリープが強い）ため、建築材料としては適していません。[7]

結晶度

高性能プラスチックは、他のポリマーと同様に、非晶質ポリマーと半結晶性ポリマーに分けられます。例えば、ポリサルフォン（PSU）、ポリエーテルサルフォン（PES）、ポリエーテルイミド（PEI）は非晶質ですが、ポリフェニレンサルファイド（PPS）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリエーテルケトン（PEK）は半結晶性です。

結晶性ポリマー（特に充填剤で強化されたもの）は、ガラス転移温度（T g ）を超える温度でも使用できます。これは、半結晶性ポリマーがガラス転移温度（T g ）に加えて、結晶融点（T m ）も有するためです。結晶融点は通常、それよりもはるかに高くなります。例えば、PEEKのT gは143 °Cですが、250 °C（連続使用温度 = 250 °C）まで使用できます。半結晶性ポリマーのもう一つの利点は、化学物質に対する高い耐性です。PEEKは、水性酸、アルカリ、有機溶剤に対して高い耐性を持っています。[2]

参考文献

  1. ^ abc ハンス・ゲオルク、エリアス (2009)。マクロモレキューレ、バンド 4: Anwendungen von Polymeren (第 6 版)。ワインハイム: ワイリー-VCH。ISBN 978-3-5272-9962-1。 Makromoleküle、p. 298、 Googleブックス
  2. ^ abcdef パーカー、デイビッド;ジャン・バスシンク。ファン・デ・グランペル、ヘンドリック・T.ウィートリー、ゲイリー・W.ドルフ、エルンスト・ウルリッヒ。オストリンニング、エドガー。ラインキング、クラウス。シューベルト、フランク。ユンガー、オリバー（2012 年 4 月）。 「ポリマー、高温」。ウルマンの工業化学百科事典。土井：10.1002/14356007.a21_449.pub3。ISBN 978-3-527-30673-2。
  3. ^ ab カイザー、ヴォルフガング (2006)。Kunststoffchemie für Ingenieure: Von der Synthese bis zur Anwendung (2 ed.)。ワインハイム：カール・ハンザー。ISBN 978-3-446-43047-1。 クンストシュトフケミー、p. 439、 Google ブックスで
  4. ^ 「フッ素ポリマーチューブの様々な用途とバリエーション」Fluorotherm、2015年10月15日。
  5. ^ abcd "KIweb.de Kunststoff 情報" . 2014 年 1 月 24 日に取得。
  6. ^ ab ケイム、ヴィルヘルム (2006). Kunststoffe: Synthese、Herstellungsverfahren、Apparaturen (第 1 版)。ワインハイム: ワイリー-VCH。ISBN 3-5273-1582-9。 クンストシュトフケミー、p. 214、 Google ブックスで
  7. ^ abc ウォルター・ヘレリッヒ;ギュンター・ハーシュ;アーウィン・バウア (2010)。Werkstoff-Führer Kunststoffe:Eigenschaften、Prüfungen、Kennwerte (10 版)。ミュンヘン：カール・ハンザー・フェルラーク。ISBN 978-3-446-42436-4。 工作員総統、p. 1、 Googleブックスで
  8. ^ ゴットフリート・W・エーレンシュタイン;ソーニャ・ポングラッツ (2007)。Beständigkeit von Kunststoffen (6 版)。ミュンヘン：カール・ハンザー・フェルラーク。ISBN 978-3-446-21851-2。 クンストシュトフェンのベストテンディッヒケイト、p. 38-47、 Google ブックスにて
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