ketaspire...ketaspire ® キータスパイア® peek デザインおよび加工ガイド/ 1 目次...

SPECIALTYPOLYMERS

キータスパイア® PEEKデザインおよび加工ガイド

KetaS

pire®

キータスパイア® PEEKデザインおよび加工ガイド / 1

目次

概要と主要特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

機能と価値の面でより多くの選択肢を提供するソルベイ製品 5キータスパイア®

PEEKの主要特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

キータスパイア®

PEEKのグレード . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

特性データ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

規制機関からの認証 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14食品との接触 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14ISO 10993. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14National Sanitation Foundation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14水との接触に関する国際規格 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14アンダーライターズラボラトリーズ . . . . . . . . . . . . . . . . . 14ASTM International . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14米軍規格 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

短期機械特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

ポアソン比 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

引張特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15繊維強化の影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17分子量の影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18温度の影響. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18応力-ひずみ曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

曲げ特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23試験方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23温度の影響. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

圧縮特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24圧縮強さ試験（ASTM D695）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24応力-ひずみ曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

圧縮弾性率試験（ASTM D695）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26圧縮強さ試験（ISO 604）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26圧縮弾性率試験（ISO 604）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

せん断特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27試験方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

衝撃特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28アイゾット衝撃強さ、ノッチ付き. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28アイゾット衝撃強さ、ノッチなし . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29落錘衝撃試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29計装衝撃試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

長期機械特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

クリープ特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30等時性曲線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30見かけのクリープ弾性率のグラフ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

疲労特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33設計に関する検討事項 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33疲労試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33キータスパイア® PEEKの試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34非強化 PEEK樹脂の引張疲労 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34炭素繊維強化キータスパイア®

PEEKの引張疲労 . . . . . . 34ガラス繊維強化キータスパイア®

PEEKの 160における引張疲労 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

温度の影響. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

耐熱性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35熱線膨張 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35測定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35熱線膨張係数の結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37設計指針 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37さまざまなデータ提供元から取得した熱線膨張係数の値の比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

荷重たわみ温度（HDT）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38ガラス転移温度（Tg）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39融点（Tm）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39熱伝導率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39比熱 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

熱安定性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40ヒートエージング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40試験手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

熱重量分析（TGA） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

燃焼特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43グローワイヤー試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43UL 94燃焼性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44水平燃焼試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4450W（20 mm）試験炎による垂直燃焼試験 . . . . . . . . . 44500 W（125 mm）試験炎による垂直燃焼試験 . . . . . . 44

酸素指数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45試験方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

民間航空機の試験. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45垂直燃焼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45煙濃度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45毒性ガス放出 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46発熱速度（OSU）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2 \ キータスパイア® PEEKデザインおよび加工ガイド

電気特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

絶縁破壊電圧および耐力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

体積抵抗率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

表面抵抗率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

誘電率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

誘電正接 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

UL 746A短期特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48高電圧低電流耐アーク性 - ASTM D495 . . . . . . . . . . . . . 48耐トラッキング指数（CTI） – ASTM D3638 . . . . . . . . . . . 49高電圧アークトラッキング速度（HVTR）. . . . . . . . . . . . . . 49ホットワイヤーイグニッション（HWI） - ASTM D3874 . . . 49高電流アーク着火性（HAI）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49高電圧アーク着火性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

耐環境性および耐薬品性 . . . . . . . . . . . . . . . . 51

耐薬品性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51浸漬試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51応力試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

輸送用流体に対する耐性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52航空機用流体 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Skydrol® LD-4油圧オイル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52ジェット燃料 Jet A/A-1（ASTM D1655）. . . . . . . . . . . 52

自動車用流体 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54自動車用トランスミッションオイル . . . . . . . . . . . . . . . 54自動車用ブレーキ液 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55モーターオイル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

石油・ガス流体に対する耐性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55試験手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

滅菌処理耐性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58ガンマ線照射 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58試験手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

電子ビーム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59試験手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

酸化エチレン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59試験手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

過酸化水素低温滅菌処理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59試験手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

スチームオートクレーブ処理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60試験手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

耐候性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61試験方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61外観および色 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61機械特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

吸水率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

耐摩耗性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

耐摩耗グレード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

概念. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

摩耗量と摩耗係数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65限界 PV値 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65摩擦係数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65摩擦を評価するためのスラストワッシャー試験片 . . . . . . . 66

耐摩耗性の測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67無潤滑試験. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67無潤滑の PV可変試験. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68潤滑試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

設計指針 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

機構設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72従来の応力-ひずみ式の使用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72設計計算の限界 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72たわみの計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72応力の計算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75強化繊維の配向に関する検討事項 . . . . . . . . . . . . . . . . . 76等しい剛性を持つ部品の設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76断面の厚みの変更. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

剛性を維持するためのリブの追加 . . . . . . . . . . . . . . . . . 77持続性荷重向けの設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77応力集中に関する検討事項 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

コンピューター支援エンジニアリング（CAE）. . . . . . . . . . . 78射出成形のシミュレーション . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78有限要素解析（FEA）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79射出成形と構造解析のシミュレーションの結合 . . . . . . . . 79

アセンブリーの設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79嵌め代または圧入 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79許容嵌め代の計算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80メカニカルファスナー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80セルフタッピングねじ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81トルク保持の向上 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81締付けトルク. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81引抜き力の計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82ねじ込みインサート. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82一体成形されたねじ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

スナップフィットを使用した設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82垂直片持ち梁の式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

テーパー付き片持ち梁の式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

射出成形用の設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84肉厚. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84肉厚の変動. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84抜き勾配 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84リブ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85肉盗み . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85ボス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86


加工. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

レオロジー特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

射出成形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89装置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89射出成形機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89型締め力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90スクリューの設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90ノズル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

金型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90金型鋼材 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90金型の種類. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

キャビティのレイアウト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91スライド機構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91スプルーとランナーシステム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92ホットランナーシステム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

成形収縮率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92ゲート処理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92ゲートの種類 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92ゲート位置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93ゲートの寸法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93ベント . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93抜き勾配 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94突き出しシステム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

熱管理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94スタート時の成形条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95乾燥. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95射出成形加工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95成形準備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95成形管理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

開始、シャットダウンおよびパージ . . . . . . . . . . . . . . . . 96シャットダウン手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96パージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

アニーリング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97再生材 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

押出し . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99材料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99装置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99乾燥機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99フィーダー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99押出機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99アダプターおよびダイ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99引取り装置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

スタート時の加工条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100乾燥. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100温度の設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100開始. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100シャットダウン. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100パージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

シートおよびフィルムの押出成形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

チューブの押出成形. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

異形押出成形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

フィラメント. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102ファインファイバー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

ワイヤー／ケーブルの押出成形. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105装置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105押出機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105ダイおよびクロスヘッドの設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . 105後処理用の装置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

加工. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106乾燥. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106温度の設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106開始. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106シャットダウン. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106パージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

圧縮成形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108材料選定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108装置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108縦型プレス機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108高負荷ミキサー. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108乾燥用オーブン. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109金型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109温度制御 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

圧縮成形加工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

二次加工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

接合 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111溶着. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111スピン溶着 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111振動溶着 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111超音波溶着. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112レーザー溶着 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

接着剤による接合 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113表面の前処理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113接着剤の選択 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

塗装およびマーキング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

真空金属蒸着およびメッキ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

結晶化度およびアニーリング. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114結晶構造の形成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114結晶化度の測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115結晶化度が特性に与える影響. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115製造した製品のアニーリング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116アニーリング手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

切削加工のガイドライン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117一般的なガイドライン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117工具. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117クーラント. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117チャッキングおよび部品の支持. . . . . . . . . . . . . . . . . 117予備切削および仕上げの切削加工 . . . . . . . . . . . . . . 117

押出成形した形状での強化繊維の配向 . . . . . . . . . . . . . 117応力除去あるいはアニーリング . . . . . . . . . . . . . . . . 118

切削加工パラメーター . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118ドリル加工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118旋盤加工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118のこ加工. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118フライス加工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

トラブルシューティング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

索引. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121


概要と主要特性

機能と価値の面でより多くの選択肢を提供するソルベイ製品キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）は、現在入手可能な半結晶性の熱可塑性樹脂のうち、最高クラスの機能を持つ製品の一つと見なされています。PEEKは比類なき特性を兼ね備えているので、キータスパイア® PEEKは非常に過酷な最終使用環境の一部で効果的な金属代替材料として使用できます。

キータスパイア® PEEKの製造には、ハイドロキノンと4,4’-ジフルオロベンゼフェノンの求核置換反応を使用します。繰り返し単位の構造を図 1.1に示します。

図 1.1 PEEKの化学構造

O

O

CO

n

PEEK分子の構造により、高付加価値特性の組合せが得られます。アリール基は弾性率、熱安定性、および難燃性を提供します。エーテル結合は強靭性および延性を提供します。ケトン結合は長期耐熱酸化性を提供します。

キータスパイア® PEEKの主要特性

• 傑出した耐薬品性（有機化合物、酸、およびアルカリ）

• 250以上の温度で高い機械強度

• 優れた耐摩耗性

• クラス最高の耐疲労性

• 沸騰水および過熱蒸気に対する優れた耐加水分解性

• 低吸水率による寸法安定性

• 高温および高周波数でのより優れた絶縁性と低損失

• 加工が容易

• 高純度

キータスパイア® PEEKのグレードキータスパイア® 樹脂には、幅広い用途や加工技術に適したさまざまなグレードが用意されています。

表 1.1 キータスパイア® PEEKのグレード

バージンパウダー

KT-820P 低メルトフロー

KT-880P 高メルトフロー

非強化

KT-820 NT 低メルトフロー、押出および射出成形向け

KT-851 NT 中メルトフロー、ワイヤー／ケーブル、モノフィラメント、薄肉フィルムの押出成形向け

KT-880 NT 高メルトフロー、射出成形向け

ガラス繊維強化

KT-820 GF30 BG20 低メルトフロー、30 %ガラス繊維

KT-880 GF30 BG20 高メルトフロー、30 %ガラス繊維

炭素繊維強化

KT-820 CF30 低メルトフロー、30 %炭素繊維

KT-880 CF30 高メルトフロー、30 %炭素繊維

耐摩耗

KT-820 SL10 低摩擦係数グレード

KT-820 SL30 潤滑、無潤滑環境で卓越した耐摩耗性

KT-820 SL45 潤滑環境で卓越した耐摩耗性

KT-880 FW30 高メルトフロー、潤滑、無潤滑環境で卓越した耐摩耗性


特性データ主要特性を SI単位で表 1.2～1.4に、US単位で表 1.5～1.7に示します。これらの表には物理特性、機械特性、熱特性、および燃焼特性が含まれます。電気特性は表 1.8に示します。代表的な特性データは、標準の試験片を準備し、慎重に制御した環境で試験を実施して得られたものです。

材料の特性は部品の設計にきわめて重要です。設計者は、最適な部品設計を行うために用途の要件と材料の特性を適合させる必要があります。標準の制御環境で測定された特性は完成品で観察されるものと同一ではありませんが、最終用途での性能の予測や材料の比較に使用できます。

完成部品にはウェルド、コーナー、また部品の強度を低下させるその他の部分が含まれることがあります。強度は、強化繊維の配向、相対結晶化度、および熱処理履歴（アニーリング）によって局所的に変化することもあります。したがって、試作品試験によって製品への材料の適合性を確認することを推奨します。

ポリマー材料の場合、機械特性が金属の場合よりも時間と温度に大きく依存します。場合によっては環境要因から大きな影響を受けます。ポリマー原料を使用して適切に設計を行うには、設計者は短期的な機械特性だけではなく、各用途の時間、温度、および環境の条件も考慮する必要があります。


表 1.2 キータスパイア® PEEK非強化樹脂の主要特性 (1)（SI単位）

特性単位KT-820

NTKT-851

NTKT-880

NT 試験方法

機械

引張強さ 50 mm/min MPa 95 96 100 ASTM D638

50 mm/min MPa 96 95 102 ISO 527-2/1A

引張弾性率 50 mm/min GPa 3.50 3.60 3.70 ASTM D638

1 mm/min GPa 3.83 3.85 4.00 ISO 527-2/1A

降伏時引張伸び 50 mm/min % 5.2 5.2 5.2 ASTM D638

50 mm/min % 4.9 4.8 5.0 ISO 527-2/1A

破断時引張伸び 50 mm/min % 20～30 20～30 10～20 ASTM D638

50 mm/min % 20～30 20～30 10～20 ISO 527-2/1A

曲げ強さ MPa 150 152 153 ASTM D790

MPa 121 112 134 ISO 178

曲げ弾性率 GPa 3.72 3.90 3.80 ASTM D790

GPa 3.70 3.62 3.90 ISO 178

圧縮強さ MPa 118 121 123 ASTM D695

MPa 130 132 142 ISO 604

アイゾット衝撃強度、ノッチ付き J/m 91 69 53 ASTM D256

kJ/m2 9.2 7.5 4.9 ISO 180

アイゾット衝撃強度、ノッチなし J/m NB(2) NB(2) NB(2) ASTM D4812

kJ/m2 NB(2) NB(2) NB(2) ISO 180

せん断強さ MPa 84 92 95 ASTM D732

ポアソン比 0.37 0.38 ASTM D638

熱

荷重たわみ温度 (3) 1.82 MPa 157 157 160 ASTM D648

ガラス転移温度 150 150 147 ASTM D3418

融点 340 340 343 ASTM D3418

熱線膨張係数、流れ方向 –50～50 ppm/ 43 43 50 ASTM E831

熱伝導率 W/m-K 0.24 0.24 0.25 ASTM E1530

比熱容量 200 kJ/kg- 2.15 1.95 1.93 DSC

燃焼性

1.6 mm V-0 UL 94

0.8 mm V-1 UL 94

酸素指数 % 36.8 ASTM D2863

一般

比重 1.30 1.30 1.30 ASTM D792

吸水率 24時間 % 0.1 0.1 0.1 ASTM D570

ロックウェル硬度 Mスケール 97 97 102 ASTM D785

メルトフロー 400、2.16 kg g/10 min 3 10 36 ASTM D1238

溶融粘度 400、1,000 s-1 kPa-s 0.44 0.38 0.15 ASTM D3835

成形収縮率、成形直後の流れ方向

3.2 x 12.7 x 127 mm % 1.1～1.3 1.1～1.3 1.4～1.6 ASTM D955

成形収縮率、成形直後の直角方向

3.2 x 12.7 x 127 mm % 1.3～1.5 1.3～1.5 1.5～1.7 ASTM D955

(1) 個々のロットの実際の特性値は、仕様値の範囲内で変動します。(2) NB = 破断なし(3) 200で 2時間アニーリング処理した厚み 3.2 mmの試験片で測定しました。


表 1.3 キータスパイア® PEEK強化樹脂の主要特性 (1)（SI単位）

ガラス繊維炭素繊維

特性単位

KT-820 GF30 BG20

KT-880 GF30 BG20

KT-820 CF30

KT-880 CF30 試験方法

機械

引張強さ 5 mm/min MPa 158 162 201 223 ASTM D638

5 mm/min MPa 165 174 217 218 ISO 527-2/1A

引張弾性率 5 mm/min GPa 10.5 10.8 19.7 20.9 ASTM D638

1 mm/min GPa 11.4 11.2 22.8 25.4 ISO 527-2/1A

破断時引張伸び 5 mm/min % 2.7 2.8 2.0 1.7 ASTM D638

5 mm/min % 2.7 2.8 2.0 1.7 ISO 527-2/1A

曲げ強さ MPa 271 260 317 321 ASTM D790

MPa 246 239 311 319 ISO 178

曲げ弾性率 GPa 10.3 10.5 17.5 17.9 ASTM D790

GPa 10.7 10.6 20.5 21.5 ISO 178

圧縮強さ MPa 169 183 173 188 ASTM D695

MPa 274 284 305 323 ISO 604

アイゾット衝撃強度、ノッチ付き J/m 107 96 69 64 ASTM D256

kJ/m2 12.8 10.9 10.3 8.5 ISO 180

アイゾット衝撃強度、ノッチなし J/m 960 850 750 640 ASTM D4812

kJ/m2 56 62 44 43 ISO 180

せん断強さ MPa 93 94 95 103 ASTM D732


熱

荷重たわみ温度 (2) 1.82 MPa 315 315 315 315 ASTM D648

ガラス転移温度 150 147 150 147 ASTM D3418

融点 340 343 340 343 ASTM D3418

熱線膨張係数、流れ方向 –50～50 ppm/ 17 19 5.2 6.7 ASTM E831

熱伝導率 W/m-K 0.29 0.30 0.37 0.37 ASTM E1530

比熱容量 200 kJ/kg- 1.73 1.70 1.62 1.81 DSC

燃焼性

1.6 mm V-0 V-0 V-0 V-0 UL 94

0.8 mm V-0 V-0 V-0 V-0 UL 94

一般

比重 1.53 1.53 1.41 1.41 ASTM D792

吸水率 24時間 % 0.1 0.1 0.1 0.1 ASTM D570

ロックウェル硬度 Mスケール 100 105 105 106 ASTM D785

メルトフロー 400、2.16 kg g/10 min 0.7 14 1.1 11 ASTM D1238

溶融粘度 400、1,000 s-1 kPa-s 0.85 0.35 0.92 0.45 ASTM D3835


3.2 x 12.7 x 127 mm % 0.2～0.4 0.1～0.3 0.0～0.2 0.0～0.2 ASTM D955


3.2 x 12.7 x 127 mm % 1.4～1.6 1.3～1.5 1.5～1.7 1.4～1.6 ASTM D955

(1) 個々のロットの実際の特性値は、仕様値の範囲内で変動します。(2) 200で 2時間アニーリング処理した厚み 3.2 mmの試験片で測定しました。


表 1.4 キータスパイア® PEEK耐摩耗性樹脂の主要特性 (1)（SI単位）

特性単位KT-820

SL10KT-820

SL30KT-820

SL45KT-880

FW30 試験方法

機械

引張強さ 5 mm/min MPa 88(2) 133 161 194 ASTM D638

5 mm/min MPa 150 197 180 ISO 527-2/1A

引張弾性率 5 mm/min GPa 3.6(2) 11.0 18.3 13.5 ASTM D638

1 mm/min GPa 14.4 25.3 16.0 ISO 527-2/1A

破断時引張伸び 5 mm/min % 60(2) 2.8 1.5 1.8 ASTM D638

5 mm/min % 60(2) 2.8 1.5 1.7 ISO 527-2/1A

曲げ強さ MPa 134 221 265 280 ASTM D790

MPa 218 273 260 ISO 178

曲げ弾性率 GPa 3.5 10.5 16.6 13.5 ASTM D790

GPa 14.9 24.1 13.2 ISO 178

圧縮強さ MPa 110 127 ASTM D695

MPa 191 269 ISO 604

アイゾット衝撃強度、ノッチ付き J/m 170 69 69 68 ASTM D256

kJ/m2 9.0 8.5 7.0 ISO 180

アイゾット衝撃強度、ノッチなし J/m NB(3) 530 530 530 ASTM D4812

kJ/m2 34 43 ISO 180

せん断強さ MPa 70 84 ASTM D732

熱

荷重たわみ温度 (4) 1.82 MPa 155 291 299 ASTM D648

ガラス転移温度 152 152 147 ASTM D3418

融点 342 342 343 ASTM D3418

熱線膨張係数、流れ方向 –50～50 ppm/ 22 17 ASTM E831

熱伝導率 W/m-K 0.40 0.36 ASTM E1530

比熱容量 200 kJ/kg- 1.84 1.67 DSC

燃焼性

1.6 mm V-0 UL 94

0.8 mm V-0 UL 94

一般

比重 1.35 1.45 1.50 1.45 ASTM D792

吸水率 24時間 % 0.10 0.14 0.03 ASTM D570

ロックウェル硬度 Mスケール 79.6 90.1 ASTM D785

メルトフロー 400、2.16 kg g/10 min 2.4 2.0 50(5) ASTM D1238

溶融粘度 400、1,000 s-1 kPa-s 0.17 0.27 0.38 ASTM D3835


3.2 x 12.7 x 127 mm % 1.2～1.4 0.1～0.3 0.0～0.2 ASTM D955


3.2 x 12.7 x 127 mm % 1.6～1.8 1.5～1.7 1.3～1.5 ASTM D955

(1) 個々のロットの実際の特性値は、仕様値の範囲内で変動します。(2) 50 mm/min(3) NB = 破断なし(4) 200で 2時間アニーリング処理した厚み 3.2 mmの試験片で測定しました。(5) 400、5.0 kg


表 1.5 キータスパイア® PEEK非強化樹脂の主要特性 (1)（US単位）

特性単位KT-820

NTKT-851

NTKT-880

NT 試験方法

機械

引張強さ 2 in./min kpsi 13.8 14.0 14.5 ASTM D638

2 in./min kpsi 13.9 13.8 14.8 ISO 527-2/1A

引張弾性率 2 in./min kpsi 510 530 530 ASTM D638

0.04 in./min kpsi 555 558 580 ISO 527-2/1A

降伏時引張伸び 2 in./min % 5.2 5.2 5.2 ASTM D638

2 in./min % 4.9 4.8 5.0 ISO 527-2/1A

破断時引張伸び 2 in./min % 20～30 20～30 10～20 ASTM D638

2 in./min % 20～30 20～30 10～20 ISO 527-2/1A

曲げ強さ kpsi 21.8 22.0 22.2 ASTM D790

kpsi 17.5 16.2 19.4 ISO 178

曲げ弾性率 kpsi 540 560 550 ASTM D790

kpsi 537 525 566 ISO 178

圧縮強さ kpsi 17.1 17.6 17.8 ASTM D695

kpsi 18.9 19.1 20.6 ISO 604

アイゾット衝撃強度、ノッチ付き ft-lb/in. 1.7 1.3 1.0 ASTM D256

ft-lb/in.2 4.4 3.6 2.4 ISO 180

アイゾット衝撃強度、ノッチなし ft-lb/in. NB(2) NB(2) NB(2) ASTM D4812

ft-lb/in.2 NB(2) NB(2) NB(2) ISO 180

せん断強さ kpsi 12.2 13.3 13.8 ASTM D732


熱

荷重たわみ温度 (3) 264 psi °F 315 315 320 ASTM D648

ガラス転移温度 °F 302 302 297 ASTM D3418

融点 °F 644 644 650 ASTM D3418

熱線膨張係数、流れ方向 –58～122 °F ppm/°F 24 24 28 ASTM E831

熱伝導率 Btu-in./h-ft2-°F 1.67 1.67 1.73 ASTM E1530

比熱容量 392 °F BTU/lb-°F 0.51 0.46 0.46 DSC

燃焼性

1/16 in. V-0 UL 94

1/32 in. V-1 UL 94

酸素指数 % 36.8 ASTM D2863

一般

比重 1.30 1.30 1.30 ASTM D792

吸水率 24時間 % 0.1 0.1 0.1 ASTM D570

ロックウェル硬度 Mスケール 97 97 102 ASTM D785

メルトフロー 400、2.16 kg g/10 min 3 10 36 ASTM D1238

溶融粘度 750°F、1000 s-1 poise 4,400 3,800 1,500 ASTM D3835


0.125 x 0.5 x 5 in. % 1.1～1.3 1.1～1.3 1.4～1.5 ASTM D955


0.125 x 0.5 x 5 in. % 1.3～1.5 1.3～1.5 1.5～1.7 ASTM D955

(1) 個々のロットの実際の特性値は、仕様値の範囲内で変動します。(2) NB = 破断なし(3) 392 °Fで 2時間アニーリング処理した厚み 1/8 in.の試験片で測定しました。


表 1.6 キータスパイア® PEEK強化樹脂の主要特性 (1)（US単位）

ガラス繊維炭素繊維

特性単位

KT-820 GF30 BG20

KT-880 GF30 BG20

KT-820 CF30

KT-880 CF30 試験方法

機械

引張強さ 0.2 in./min kpsi 22.8 23.5 29.1 32.4 ASTM D638

0.2 in./min kpsi 23.9 25.2 31.5 31.6 ISO 527-2/1A

引張弾性率 0.2 in./min kpsi 1,530 1,560 2,860 3,030 ASTM D638

0.04 in./min kpsi 1,650 1,620 3,310 3,680 ISO 527-2/1A

破断時引張伸び 0.2 in./min % 2.7 2.8 2.0 1.7 ASTM D638

0.2 in./min % 2.7 2.8 2.0 1.7 ISO 527-2/1A

曲げ強さ kpsi 39.3 37.7 46.0 46.5 ASTM D790

kpsi 35.7 34.7 45.1 46.3 ISO 178

曲げ弾性率 kpsi 1,488 1,530 2,540 2,590 ASTM D790

kpsi 1,550 1,540 2,970 3,120 ISO 178

圧縮強さ kpsi 24.5 26.6 25.1 27.3 ASTM D695

kpsi 39.7 41.2 44.2 46.8 ISO 604

アイゾット衝撃強度、ノッチ付き ft-lb/in. 2.0 1.8 1.3 1.2 ASTM D256

ft-lb/in.2 6.1 5.2 4.9 4.0 ISO 180

アイゾット衝撃強度、ノッチなし ft-lb/in. 18 16 14 12 ASTM D4812

ft-lb/in.2 27 30 21 20 ISO 180

せん断強さ kpsi 13.5 13.7 13.8 15.0 ASTM D732


熱

荷重たわみ温度 (2) 264 psi °F 599 599 599 599 ASTM D648

ガラス転移温度 °F 302 297 302 297 ASTM D3418

融点 °F 644 650 644 650 ASTM D3418

熱線膨張係数、流れ方向 –58～122 °F ppm/°F 9 10 2.9 3.7 ASTM E831

熱伝導率 Btu-in./h-ft 2-°F 2.01 2.08 2.57 2.57 ASTM E1530

比熱容量 392 °F BTU/lb-°F 0.41 0.41 0.39 0.43 DSC

燃焼性

1/16 in. V-0 V-0 V-0 V-0 UL 94

1/32 in. V-0 V-0 V-1 V-0 UL 94

一般

比重 1.53 1.53 1.41 1.41 ASTM D792

吸水率 24時間 % 0.1 0.1 0.1 0.1 ASTM D570

ロックウェル硬度 Mスケール 100 105 105 106 ASTM D785

メルトフロー 400、2.16 kg g/10 min 0.7 14 1.1 11 ASTM D1238

溶融粘度 750 °F、1,000 s -1 poise 8,500 3,500 9,200 4,500 ASTM D3835


0.125 x 0.5 x 5 in. % 0.2～0.4 0.1～0.3 0.0～0.2 0.0～0.2 ASTM D955


0.125 x 0.5 x 5 in. % 1.4～1.6 1.3～1.5 1.5～1.7 1.4～1.6 ASTM D955

(1) 個々のロットの実際の特性値は、仕様値の範囲内で変動します。(2) 392 °Fで 2時間アニーリング処理した厚み 1/8 in.の試験片で測定しました。


表 1.7 キータスパイア® PEEK耐摩耗性樹脂の主要特性 (1)（US単位）

特性単位KT-820

SL10KT-820

SL30KT-820

SL45KT-880

FW30 試験方法

機械

引張強さ 0.2 in./min kpsi 12.8(2) 19.3 23.4 28.1 ASTM D638

0.2 in./min kpsi 21.8 28.6 26.1 ISO 527-2/1A

引張弾性率 0.2 in./min kpsi 522(2) 1,590 2,660 1,960 ASTM D638

0.04 in./min kpsi 2,090 3,670 2,320 ISO 527-2/1A

破断時引張伸び 0.2 in./min % 60(2) 2.8 1.5 1.8 ASTM D638

0.2 in./min % 60(2) 2.8 1.5 1.7 ISO 527-2/1A

曲げ強さ kpsi 19.4 32.0 38.5 40.6 ASTM D790

kpsi 31.6 39.6 37.7 ISO 178

曲げ弾性率 kpsi 508 1,530 2,410 1,960 ASTM D790

kpsi 2,160 3,500 1,910 ISO 178

圧縮強さ kpsi 15.9 18.4 ASTM D695

kpsi 27.7 39.0 ISO 604

アイゾット衝撃強度、ノッチ付き ft-lb/in. 3.2 1.3 1.3 1.3 ASTM D256

ft-lb/in.2 4.3 4.0 3.3 ISO 180

アイゾット衝撃強度、ノッチなし ft-lb/in. NB(3) 10 10 9.8 ASTM D4812

ft-lb/in.2 16 20 ISO 180

せん断強さ kpsi 10.2 12.2 ASTM D732

熱

荷重たわみ温度 (4) 264 psi °F 311 556 571 ASTM D648

ガラス転移温度 °F 305 305 297 ASTM D3418

融点 °F 648 648 649 ASTM D3418

熱線膨張係数、流れ方向 –58～122 °F ppm/°F 12 9 ASTM E831

熱伝導率 Btu-in./h-ft2-°F 2.78 2.50

比熱容量 392 °F BTU/lb-°F 0.44 0.40 DSC

燃焼性

1/16 in. V-0 UL 94

1/32 in. V-0 UL 94

一般

比重 1.35 1.45 1.50 1.45 ASTM D792

吸水率 24時間 % 0.1 0.14 0.03 ASTM D570

ロックウェル硬度 Mスケール 79.6 90.1 ASTM D785

メルトフロー 400、2.16 kg g/10 min 2.4 2.0 50(5) ASTM D1238

溶融粘度 750°F、1000 s-1 poise 1,700 2,700 3,800 ASTM D3835


0.125 x 0.5 x 5 in. % 1.2～1.4 0.1～0.3 0.0～0.2 ASTM D955


0.125 x 0.5 x 5 in. % 1.6～1.8 1.5～0.7 1.3～0.5 ASTM D955

(1) 個々のロットの実際の特性値は、仕様値の範囲内で変動します。(2) 2.0 in./min(3) NB = 破断なし(4) 392 °Fで 2時間アニーリング処理した厚み 1/8 in.の試験片で測定しました。(5) 400、5.0 kg


表 1.8 キータスパイア® PEEK樹脂の電気特性 (1)

非強化ガラス繊維強化

特性単位KT-820

NTKT-851

NTKT-880

NT

KT-820 GF30 BG20

KT-880 GF30 BG20 試験方法

電気

体積抵抗率 ohm-cm 1.6 x 1017 2.5 x 1017 3.8 x 1017 1.9 x 1017 3.8 x 1017 ASTM D257

表面抵抗率 ohm > 1.9 x 1017 > 1.9 x 1017 > 1.9 x 1017 > 1.9 x 1017 > 1.9 x 1017 ASTM D257

絶縁耐力 ASTM D149

3 mm kV/mm 15.2 15.1 17.0 16.2

0.05 mm(2) kV/mm 197 197

誘電率 ASTM D150

60 Hz 3.06 3.10 3.44 3.53

103 Hz 3.10 3.01 3.44 3.53

106 Hz 3.05 3.07 3.41 3.49

誘電正接 ASTM D150

60 Hz 0.001 0.001 0.001 0.002

103 Hz 0.001 0.001 0.001 0.002

106 Hz 0.003 0.003 0.003 0.004

(1) 個々のロットの実際の特性値は、仕様値の範囲内で変動します。(2) 非晶性フィルム


規制機関からの認証

このセクションで概説するように、キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）樹脂は、複数の政府／認証機関の要件に適合しています。規制措置は継続的に行われる活動であるため、規制機関からの認証／認定が必要な特定用途の最新情報については、ソルベイの担当者にお問い合わせください。

食品との接触米国食品医薬品局（Food and Drug Administration）（FDA）

キータスパイア® PEEKは規制 21 CFR177.2415に適合しているため、食品と繰り返し接触する用途の品目またはその部品としての使用が FDAにより認可されています。

欧州委員会指令 No 10/2011

食品と接触することを意図するプラスチック素材および製品に関する委員会指令

キータスパイア® PEEKの一部のグレードは、これらの各規格に適合しています。特定のグレードの最新リストに関する情報は、ソルベイの担当者にお問い合わせください。

ISO 10993キータスパイア® PEEKの一部のグレードは ISO 10993の要件に適合しているため、クラス IIおよびクラス III医療機器での使用に一般に適しています。詳細については、ソルベイの担当者にお問い合わせください。

体液や組織に 24時間以上接触する埋め込み型医療機器で使用するための候補として検討できるのは、Solviva® 生体材料群製品の一部として指定されたソルベイ製品だけです。

National Sanitation FoundationNSF Internationalは、公衆衛生および安全に関する規格を策定する民間の非営利団体であり、その規格に適合する材料リストを提供しています。NSFの詳細については、NSFのWebサイト（www.nsf.org）をご覧ください。

NSF規格 51：食品機器の材料

キータスパイア® KT-880 NTは、最高使用温度 100でこの規格に適合する材料としてリストに記載されています。この規格には、乾燥固体、水溶性製品、酸性製品、乳製品、油脂、およびアルコール飲料の食品タイプがリストされています。リストに記載されている材料は、すべての食品タイプについて認証されています。

水との接触に関する国際規格認可は定期的に期限が切れるため、市場の需要によっては再認可を受けないこともあります。最新の認可状況については、ソルベイスペシャルティポリマーズの担当者にお問い合わせください。

英国水道条例

キータスパイア® KT-820 NTは、水質影響試験（BS 6920）に合格しています。飲料水と接触する用途に適しており、給水継手／材料一覧（Water Fittings and Materials Directory）のパート 2「材料」の項に掲載されています。また、この製品は冷水と温水（85 以下）両方で認定を受けています。

アンダーライターズラボラトリーズキータスパイア® PEEKの一部の市販グレードは、アンダーライターズラボラトリーズの Recognized Component Directoryに記載されています。最新のリストについては、 www. specialtypolymersdatasheets.comにアクセスし、対象のグレードの横にあるULアイコンをクリックしてください。

ASTM Internationalキータスパイア® PEEK樹脂は ASTM D4000の分類に適合しています。キータスパイア® PEEKの形状は ASTM D6262の分類に適合しています。

米軍規格キータスパイア® PEEKは、表 2.1に示すようにMil P-46183要件への適合認定を受けることができます。

表 2.1 Mil P-46183に適合するキータスパイア® PEEKのグレード

グレードタイプクラス

KT-820 I

KT-820 CF30 III 2

KT-820 GF30 II 3

KT-880 I

KT-880 CF30 III 2

KT-880 GF30 II 3


短期機械特性

材料サプライヤーは、設計者が材料を比較できるように、また設計対象の部品の材料選定に役立つように、代表的な機械特性をリストした製品データを提供しています。提供される値は、標準化された試験片を使用し、再現性と信頼性の高い結果が得られるように最適化された試験方法により測定したものです。一般に、これらのデータは類似した材料の比較に適していますが、設計エンジニアリングの計算に使用する場合は必ず、ひずみ速度、応力集中、環境の影響、エンドユーザー要件などの多くの要素を慎重に考慮してください。

機械特性を考慮する場合は、荷重の即時または短期的な効果、長期持続性荷重の効果、また繰り返しの荷重および除荷の効果がすべて重要です。さらに、周囲温度や化学的な環境が材料の機械特性に影響を与えることがあります。このセクションでは主に、荷重と温度の短期効果について説明します。

持続性荷重を受ける用途の場合、クリープも考慮する必要があります。クリープについては別のセクションで説明します。繰り返し荷重の場合は、疲労も制限要素となります。疲労データについては「長期機械特性」のセクションで示します。高温に長時間曝される用途の場合は、熱安定性を考慮します。熱安定性データについては「熱安定性」のセクションで示します。

このセクションで説明する特性は、ポアソン比、引張特性、曲げ特性、圧縮特性、およびせん断特性です。これらのすべての試験では、外部荷重に対する応答を測定します。これらは主に荷重を加える方法が異なります。

引張試験では、試験片の端をクランプし、クランプを引き離して試験片を引き伸ばします。曲げ試験では、試験片を二つの支持台の上に置いて中心に荷重を加え、試験片を曲げます。圧縮試験では、サンプルを並行なプレートの間にまっすぐに置き、荷重を加えてこれらのプレートを互いに押し合います。せん断試験では、中心に穴が空いたプレート上にサンプルを置き、その穴までサンプルを貫通するパンチを作成します。

ポアソン比ポアソン比（υ）は、比例限界内での横ひずみと縦ひずみの負の比です。これを説明するために、引張応力を受ける円筒形の試験片を考えます。試験片の長さが大きくなり、これと同時に直径が小さくなります。この場合は、ポアソン比は直径の変化を長さの変化で割って計算します。

ほとんどの材料のポアソン比の値は 0.0～0.5です。小さいひずみで弾力的に変形する、完全に非圧縮性の材料のポアソン比は厳密に 0.5になります。ほとんどの鋼材と剛性を有するポリマーをその設計限界内で使用すると、約 0.3の値を示します。ゴムのポアソン比は 0.5に近い値です。

ASTM試験法 D638を使用して、複数のグレードのキータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）のポアソン比を測定しました。タイプ 1の引張試験片を 5 mm/min のクロスヘッド速度で使用しました。試験の前に、試験片を ASTM D618に従って調整しました。得られた値を表 3.1に示します。

表 3.1 一部のキータスパイア® PEEKグレードのポアソン比

グレードポアソン比 (1)

KT-820 NT 0.37

KT-880 NT 0.38

KT-820 GF30 BG20 0.39

KT-820 CF30 0.45

(1) ポアソン比は、負荷応力に対する物体の応答を推定する有限要素解析（FEA）プログラムに必須の入力です。

引張特性一般にデータシートに記載される引張特性は、引張強さ、引張弾性率、および引張伸びです。延性材料では、降伏時引張強さに加えて破断時引張強さが記載されていることがあります。

引張特性は、試験片を試験機のクランプに固定し、クランプを指定速度で引き離して測定します。クランプを引き離すために必要な力を最小断面積で除した値が引張応力と定義されています。応力によって試験片が伸びます。この伸びの大きさを元の長さで除した値がひずみです。得られたひずみに対して負荷応力をプロットすると、図 3.1に似た曲線が得られます。非強化樹脂が延性を示すことが多いのに対し、繊維強化樹脂は脆性挙動を示します。


図 3.1 代表的な応力-ひずみ曲線

脆性延性

応力

ひずみ

応力-ひずみ曲線の最初の部分は特に興味を引きます。これを図3.2 に示します。この図から、特定の応力レベルまではひずみが応力に正比例することがわかります。この領域は「フック」領域と呼ばれ、この限界応力は比例限界として知られています。引張弾性率は、試験片に引張応力負荷を加えたときの応力-ひずみ曲線の傾きです。曲線の傾きの測定は難しく、試験を標準化して、試験結果の変動を削減するためのいくつかの方法が開発されています。一つの方法では、曲線に接するように描いた直線の傾きを使用し、別の方法では原点と任意に指定した特定のひずみレベルの間に描いた割線の傾きを使用します。今日では、ほとんどの引張試験機がコンピューター化されており、ソフトウェアが 0.05%および 0.25%ひずみにおける応力から接線係数を計算します。このセクションのすべての引張弾性率データは、試験機のソフトウェアで計算した接線係数です。

延性のある材料は破断の前に降伏現象を起こします。クランプの引き離しの開始時は、試験片を伸ばすために必要な応力または力は、伸びまたはひずみに正比例します。この領域では弾性変形をすると言われています。理想的には、荷重を除去すれば試験片が元の長さに戻ることになります。クランプの引き離しが進み、応力が増すにつれて、試験片はさらに大きく変形し、それ以上応力を加えなくても伸び続ける点に達します。変形が弾性から可塑性に変化しました。この時点で荷重を除去しても、試験片は元の寸法に戻りません。少なくとも変形の一部は永続的です。

図 3.2 引張弾性率の計算

応力

ひずみ

割線法

正接法

図 3.1に示すように、降伏応力または降伏時引張強さと一般に呼ばれる局所的な最大応力があります。この時点でのひずみは、一般に降伏時伸びと呼ばれます。クランプを引き離し続けると、破断が生じるまで試験片は伸び続けます。破断時引張応力は破断時引張強さと呼ばれ、対応するひずみは破断時伸びと呼ばれます。元の断面積を使用して応力を計算していることから、応力-ひずみ曲線の形状は多少変形しますが、実際の面積は試験片が伸びるにつれて小さくなります。

プラスチックの引張特性を測定するために一般に使用する試験方法、ASTM D638 または ISO 527では、降伏時引張応力または破断時引張応力のうち大きい方を引張強さと定義しています。これらの二つの試験法では同じ特性を測定しますが、使用する試験片と試験手順はわずかに異なります。試験法では、試験速度が、0.5～5分の試験時間内に破断を生じさせる最小の速度でなければならないことを指定しています。この基準を適用する場合、通常、延性材料（非強化グレード）は 50 mm/minで、ガラス繊維強化グレードは 5 mm/minで試験されます。試験の速度は結果に影響を与えるため、適切な速度を使用したことを確認してから材料を比較することが重要です。以下の表に、試験速度による差異を示します。

表 3.2には、低速でキータスパイア® KT-820 NTを試験した結果を示します。引張強さが低い一方、伸びが長くなります。これらの結果は、低いクロスヘッド速度で試験した延性材料に代表的なものです。

表 3.3に、各種のキータスパイア®グレードを ASTM D638とISO 527の両方で試験した引張強さの代表値を示します。表 3.4に、2種類の方法で試験した引張弾性率を示します。


表 3.2 キータスパイア® KT-820 NTの引張特性に対する引張速度の影響

試験速度

特性 50 mm/min 5 mm/min

引張強さ、MPa 94.9 89.1

破断時引張伸び、% 32 71

表 3.3 ASTM D638と ISO 527による引張強さの比較

引張強さASTM D638

MPaISO 527-2/1A

MPa

KT-820 NT 95 96

KT-851 NT 96 95

KT-880 NT 100 102

KT-820 GF30 BG20 158 165

KT-880 GF30 BG20 162 174

KT-820 CF30 201 217

KT-880 CF30 223 218

KT-820 SL30 133 150

KT-820 SL45 161 197

KT-880 FW30 194 180

表 3.4 ASTM D638と ISO 527による引張弾性率の比較

引張強さASTM D638

GPaISO 527-2/1A

kpsi

KT-820 NT 3.50(1) 3.83(2)

KT-851 NT 3.60(1) 3.85(2)

KT-880 NT 3.70(1) 4.00(2)

KT-820 GF30 BG20 10.5(3) 11.4(2)

KT-880 GF30 BG20 10.8(3) 11.2(2)

KT-820 CF30 19.7(3) 22.8(2)

KT-880 CF30 20.9(3) 25.4(2)

KT-820 SL30 11.0(3) 14.4(2)

KT-820 SL45 18.3(3) 25.3(2)

KT-880 FW30 13.5(3) 16.0(2)

(1) 試験速度：50 mm/min(2) 試験速度：1 mm/min(3) 試験速度：5 mm/min

表 3.3および表 3.4の値は、2種類の試験方法が比較可能な結果ではないこと、および材料選定時には同じ試験方法の値のみを比較すべきであることを示しています。

繊維強化の影響図 3.3に、非強化グレード、ガラス繊維強化グレードおよび炭素繊維強化グレードの室温における応力-ひずみ曲線を示します。

図 3.3 非強化グレードと繊維強化グレードの室温における応力-ひずみ曲線

応力

[ M

Pa

]

350

300

250

200

150

100

50

0

50 10 15 20ひずみ [ % ]

KT-820 CF30KT-820 GF30KT-820 NT

図 3.4は、強化繊維によって引張強さが大きくなることを示しています。

図 3.4 引張強さと繊維による強化

引張強さ

[ M

Pa

]

250

200

150

100

50

0KT-820 GF30KT-820 NT KT-820 CF30


繊維により強化されることで、引張弾性率が大きく上昇します。図 3.5に示すように、弾性率の上昇では炭素繊維はガラス繊維よりも効果的です。

延性の減少に伴って、強度と弾性率が上昇します。図 3.6に示すように、繊維強化グレードの破断時伸びは、繊維の伸びにより制限されます。

部品設計では、強化による特性の変化を考慮する必要があります。

図 3.5 引張弾性率と繊維による強化

引張弾性率

[ G

Pa

]

20

15

10

5

0KT-820 GF30KT-820 NT KT-820 CF30

図 3.6 引張伸びと繊維による強化

引張伸び率

[ %

]

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0KT-820 GF30KT-820 NT KT-820 CF30

分子量の影響繊維強化の他に、樹脂の分子量も引張特性に影響を及ぼすことがあります。低分子量グレードのキータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）はより短時間で結晶化し、高い結晶化度に達します。分子量の変化により観察される弾性率と降伏時伸びの変化はわずかですが、結晶化度の上昇により引張強さと弾性率がさらに高く、延性がより低くなります。

表 3.5は、KT-820 NT、KT-850 NT、KT-880 NTの順に分子量が減少するにつれて、引張強さと弾性率が上昇し、延性が低下することを示しています。

表 3.5 分子量の影響

分子量

高中低

特性キータスパイア®

KT-820 NTキータスパイア®


KT-880 NT

引張強さ MPa

95 96 100

引張弾性率 GPa

3.5 3.6 3.7

降伏時引張伸び %

5.2 5.2 5.2

破断時引張伸び %

25 25 15

温度の影響周囲温度が上昇すると、熱可塑性樹脂は軟化し、液体になります。キータスパイア® PEEKのような半結晶性樹脂では、ガラス転移温度（Tg）まで、温度の上昇と共に強度と弾性率がわずかに減少します。Tgでプラトー領域まで急速に低下し、融点（Tm）に達するまでこの領域で特性がほぼ一定に保たれます。多くの場合、半結晶性樹脂はそのガラス転移温度よりも高い周囲温度で使用できますが、融点よりも低い温度でなければなりません。半結晶性樹脂に繊維強化材を添加すると、Tgを超える温度においても強度と弾性率が保持されます。高温での引張強さの維持状態を図 3.7に示します。

温度による強度と弾性率の変化は、複数の温度で生成した応力-ひずみ曲線でも観察できます。


図 3.7 温度に対する引張強さ引張強さ

[ M

Pa

]

250

200

150

100

50

0

604020 12010080 180160140 200温度 [°C]

KT-820 NTKT-880 NTKT-820 GF30KT-880 GF30

KT-820 CF30KT-880 CF30KT-820 SL10KT-820 SL30KT-820 SL45

応力-ひずみ曲線一般に、引張特性データは、引張強さ、引張弾性率、伸びなどの表形式の固有のデータによって表されます。通常、これらのデータはほとんどの目的に適していますが、実際の応力-ひずみ曲線は、設計者が部品設計の実行可能性を評価する上で有効な、荷重に対する材料の応答に関する追加情報を提供します。

図 3.8～ 3.16に、複数の温度で生成された 9種類のキータスパイア® PEEKグレードの応力-ひずみ曲線を示します。試験温度が上昇すると、引張強さが下がります。曲線の最初の傾きが示す係数も小さくなります。これに対し、材料の軟化によって延性は大幅に上昇します。

図 3.8 キータスパイア® KT-820 NT

応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

120

100

80

60

40

20

00 20 6040 14012010080

23 °C100 °C150 °C200 °C


応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

120

100

80

60

40

20

00 20 6040 14012010080

23 °C100 °C150 °C200 °C

図 3.10 キータスパイア® KT-820 GF30

応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

180

160

140

120

100

80

60

40

20

020151050

23 °C100 °C150 °C200 °C


図 3.11 キータスパイア® KT-880 GF30応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

250

200

150

100

50

00 21 763 4 5

23 °C100 °C150 °C200 °C

図 3.12 キータスパイア® KT-820 CF30

応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

250

200

150

100

50

00 2 106 84

23 °C100 °C150 °C200 °C


応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

250

200

150

100

50

00 1 53 42

23 °C100 °C150 °C200 °C

図 3.14 キータスパイア® KT-820 SL10

応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

100

80

60

40

20

00 20 12010060 8040

23 °C100 °C150 °C200 °C


応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

160

140

120

100

80

60

40

20

00 2 106 84

23 °C100 °C150 °C200 °C


応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

0 1 53 42

23 °C100 °C150 °C200 °C


これらのデータは ASTM D638に従って生成しました。高温試験に使用する環境チャンバーの寸法により、サンプルの伸びは試験片の最初の長さの約 120%に制限されます。伸びがこの限界を超えたサンプルの試験は中止され、伸びが 120%の時点の値を報告しました。

表 3.6 一部のキータスパイア® PEEKグレードの高温時の引張特性

温度、キータスパイア®


KT-880 NTキータスパイア® KT-820 GF30

キータスパイア® KT-880 GF30

キータスパイア® KT-820 CF30


降伏時引張強さ、MPa

23 103 105

100 69 70

150 34 39

200 20

破断時引張強さ、MPa

23 76 69 175 197 209 234

100 48 46 126 147 152 179

150 43 44 77 95 91 112

200 26 28 44 58 57 68

引張弾性率、GPa

23 3.8 4.0 10.6 11.4 19.0 24.0

100 3.4 2.5 10.1 10.9 18.1 23.4

150 2.5 1.7 8.1 8.6 13.1 16.4

200 0.4 5.4

降伏時引張伸び、%

23 5.0 5.9

100 3.0 6.7

150 12.0 14.0

200 19.0

破断時引張伸び、%

23 17.0 19.0 3.2 2.8 2.2 1.6

100 52.0 45.0 3.0 2.7 2.6 1.7

150 120.0(1) 120.0(1) 4.4 3.6 4.2 2.5

200 120.0(1) 120.0(1) 8.6 6.0 9.4 4.4

(1) 120.0 = 試験機の限界


表 3.7 キータスパイア® PEEK耐摩耗性グレードの高温時の引張特性

温度、キータスパイア® KT-820 SL10

キータスパイア® KT-820 SL30

キータスパイア® KT-820 SL45

降伏時引張強さ、MPa

23 91

100 60

150 33

200

破断時引張強さ、MPa

23 77 139 173

100 51 104 130

150 43 66 81

200 25 40 47


23 2.7 13.4 22.5

100 2.7 12.5 21.4

150 1.9 9.7 15.7

200 0.3

降伏時引張伸び、%

23 6.4

100 4.0

150 18.0

200

破断時引張伸び、%

23 27.0 2.0 1.2

100 52.0 2.2 1.2

150 120.0(1) 4.8 2.1

200 120.0(1) 9.0 4.6

(1) 120.0 = 試験機の限界


曲げ特性プラスチック材料の強度および剛性を測定するには、いくつかの試験を使用します。これらの試験の目的は、さまざまなプラスチックを比較するための基準を提供し、実際の用途で荷重を加えたときの性能予測を支援することです。最も簡単な試験は曲げ特性試験で、この試験では、梁を 2点で支えてその中心に荷重を加え、梁のたわみまたは曲げをシミュレートします。

試験片は平らな長方形の試験片で、シートから容易に成形または切削加工できます。試験機には特殊なグリップや高度な伸縮計は必要ありません。試験では試験片を 2点で支え、破断するか、最大たわみに達するまで中心に荷重を加えます。

試験片が荷重を受けると、荷重が直接加わる試験片の部分が圧縮応力を受け、外側の面は引張応力を受けます。代表的な破壊様式は引張破壊であるため、曲げ強さが引張強さに似た値になると予想するかもしれません。ただし、圧縮できる部品は、一般に曲げ強さの値の方が高くなります。引張応力と圧縮応力の両方が関わっているため、この結果は材料の比較に最適です。引張強さと圧縮強さを個別に測定する他の試験もあります。これらの試験の値の方がエンジニアリングの目的にはより有効と考えられます。

試験方法プラスチック材料の曲げ特性を測定するための一般的な試験方法は、ASTM D790および ISO 178です。これらの試験は、非常に延性のある弾性率の低い材料には適していません。これは、指定の条件では、試験片が破断せず、支持台の間で実際に滑ることがあるからです。キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）のいくつかのグレードについて、両方の方法で試験を行い、結果を表 3.8に示します。

ASTM試験法 D790に従って曲げ試験に使用した試験片は、寸法が 127 x 12.7 x 3.2 mmの射出成形試験片です。支持点の距離は 50.8 mmで、これは必要な距離対深さの比、16：1に対応しています。試験速度は 1.35 mm/minです。サンプルが破断するまで、または 5 %のひずみ限界に達するまで荷重を加えます。試験機のソフトウェアにより、接線法で係数を計算します。破断時応力により強度を計算します。試験片が破断しない場合は、5 % のひずみで応力を計算します。

ISO 178の試験片は、ISO 527引張試験片から切り出した、寸法が 80 x 10 x 4 mmの試験片です。支持点の距離は 64 mmで、これは指定された距離対深さの比、16：1に対応しています。使用した試験速度は 2 mm/minです。一つの試験速度だけを使用したため、この規格の方法 Aに従っています。0.0025のひずみにおける応力と0.0005のひずみにおける応力の差を 0.002（0.0025と0.0005のひずみの差）で割ることで曲げ弾性率を計算します。破断時荷重から曲げ強さを計算します。サンプルが破断しない場合は、3.5 %のひずみで応力を計算します。

この二つの試験方法は基本的なアプローチは類似していますが、厳密には異なっているため、同じ試験方法で得られた値だけを比較する必要があります。

表 3.8 キータスパイア® PEEK の曲げ強さおよび曲げ弾性率

曲げ強さ MPa

曲げ弾性率 GPa

グレードASTM D790

ISO 178

ASTM D790

ISO 178

KT-820 NT 150 121 3.72 3.70

KT-851 NT 152 112 3.90 3.62

KT-880 NT 153 134 3.80 3.90

KT-820 GF30 BG20 271 246 10.3 10.7

KT-880 GF30 BG20 260 239 10.5 10.6

KT-820 CF30 317 311 17.5 20.5

KT-880 CF30 321 319 17.9 21.5

KT-820 SL10 134 3.50

KT-820 SL30 221 218 10.5 14.9

KT-820 SL45 265 273 16.6 24.1


温度の影響キータスパイア® KT-820 NTおよび KT-820 GF30 BG20の高温時の曲げ強さおよび曲げ弾性率を ASTM試験法 D790を使用して評価しました。結果を表 3.9、図 3.17および図 3.18に示します。

表 3.9 温度に対する曲げ特性

曲げ強さ MPa

曲げ弾性率 GPa

温度

KT-820 NT

KT-820 GF30 BG20

KT-820 NT

KT-820 GF30 BG20

23 150 271 3.72 10.3

100 112 210 3.44 9.34

150 56 136 2.35 6.60

200 13 61 0.32 2.26

図 3.17 温度に対する曲げ強さ

曲げ強さ

[MP

a]

300

250

200

150

100

50

00 10050 150 200

温度 [°C]

KT-820 NTKT-820 GF30 BG20

図 3.18 温度に対する曲げ弾性率

曲げ弾性率

[MP

a]

12,000

10,000

8,000

6,000

4,000

2,000

00 10050 150 200

温度 [°C]

KT-820 NTKT-820 GF30 BG20

圧縮特性多くの場合、圧縮試験は引張試験の逆の試験と考えられています。いずれの試験でも軸荷重を加えますが、引張試験では試験片が破断するまで引っ張るのに対し、圧縮試験では試験片が破断するか座屈するまで押します。均一の断面積を持つ試験片を平行なプレートの間に置き、降伏、破壊、または座屈が発生するまで力を加えます。

一般的に使用される圧縮試験方法は、ASTM D695と ISO 604の二つです。それらの大きな違いは、試験片と試験速度です。ASTM D695では通常、直円柱または直角柱の形状の標準試験片を使用します。強さ試験用の試験片の推奨寸法は 12.7 x 12.7 x 25.4 mm、弾性率試験用の試験片の推奨寸法は 12.7 x 12.7 x 50.8 mmです。熱可塑性樹脂を射出成形してこの厚みを持つ試験片を製作した場合、ウエルドや微小空隙などの内部欠陥を含まずに成形することは困難です。

ISO 604では、標準の ISO 527引張試験片を切削加工した試験片を使用します。この強さ試験用の試験片の寸法は 10 x 10 x 4 mm、弾性率試験用の試験片の寸法は 10 x 30 x 4 mmです。熱可塑性樹脂からこの試験片を成形することはかなり容易です。繊維強化グレードは繊維が流れ方向に向く傾向があり、これが結果に影響します。

荷重を試験片に加えると、それによるひずみは X方向に発生します。負荷板と試験片との間の摩擦により、上面と下面でひずみは発生せず、試験片は中心でのみ伸びます。試験片と負荷板の界面を潤滑することにより、よりよい結果が得られることが分かっています。ASTM D695では潤滑の使用が認められていないため、いずれの方法でも潤滑を使用していません。

圧縮強さ試験（ASTM D695）圧縮強さ試験は、ASTM D695に従って室温、100、160、および 200で行いました。使用した試験片は、寸法が 12.7 x 12.7 x 25.4 mmの射出成形した直角プリズムです。試験の前に、試験片を 200で 2時間アニーリング処理しました。アニーリング後に試験片を ASTM D618に従って調整しました。試験速度は 1.3 mm/minでした。荷重を断面積の初期値で割ることで応力を計算しました。クロスヘッドの位置を監視し、位置の変化を公称ひずみと見なしました。測定したクロスヘッド位置の変化を最初の試験片の高さで除算して、パーセントひずみを計算しました。

降伏点を超えるまで荷重を加えました。降伏点は、応力-ひずみダイアグラム上で、応力増加なしにひずみ増加が始まる点と定義されています。応力は通常この点で最大を示し、圧縮降伏強さとして報告されます。延性のある材料の応力は、そこからプラトー領域を経て、破壊が起こる前に急激に増大します。降伏応力と破壊応力を区別することは重要です。


応力-ひずみ曲線キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）のいくつかのグレードについて、圧縮応力対公称ひずみのプロットを図 3.19～3.24に示します。4つの異なる温度におけるこれらの材料の圧縮降伏強さを表 3.10 に示します。

図 3.19 キータスパイア® KT-820 NTの応力-ひずみ曲線

応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

140

120

100

80

60

40

20

0353020 25151050

23 °C100 °C150 °C200 °C

図 3.20 キータスパイア® KT-820 GF30の応力-ひずみ曲線

応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

180

160

140

120

100

80

60

40

20

020151050

23 °C100 °C150 °C200 °C

図 3.21 キータスパイア® KT-820 CF30の応力-ひずみ曲線

応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

180

160

140

120

100

80

60

40

20

02520151050

23 °C100 °C150 °C200 °C

図 3.22 キータスパイア® KT-820 SL10の応力-ひずみ曲線

応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

120

100

80

60

40

20

035302520151050

23 °C100 °C150 °C200 °C


応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

120

100

80

60

40

20

035302520151050

23 °C100 °C150 °C200 °C


応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

140

120

100

80

60

40

20

0302520151050

23 °C100 °C150 °C200 °C


表 3.10 さまざまな温度におけるキータスパイア® PEEKの圧縮降伏強さ

グレード

圧縮降伏強さ MPa

23 100 150 200

KT-820 NT 123 83.5 63.5 23.8

KT-820 GF30 BG20

168 120 80.2 36.6

KT-820 CF30 170 124 83.9 44.4

KT-820 SL10 114 76.1 55.0 22.3

KT-820 SL30 112 85.0 61.3 32.0

KT-820 SL45 128 100 71.0 39.1

圧縮弾性率試験（ASTM D695）圧縮弾性率を使用して、圧縮荷重を加えたときに発生する変形を予測することができます。ASTM D695 を使用して、複数のキータスパイア® PEEKグレードの圧縮弾性率を測定しました。使用した試験片は、寸法が 12.7 x 12.7 x 50.8 mmの射出成形した直角柱です。試験の前に、試験片を 200で 2時間アニーリング処理しました。アニーリング後に試験片を ASTM D618に従って調整しました。試験速度は 1.3 mm/minでした。ひずみをより正確に測定するために、線形可変差動変圧器（LVDT）を上下のプラテンに接続しました。降伏点まで試験を続け、降伏強さに加えて弾性率を取得しました。結果を表 3.11に示します。

表 3.11 キータスパイア® PEEKの圧縮特性（ASTM D695）

グレード圧縮弾性率

MPa圧縮降伏強さ

MPa

KT-820 NT 4,140 118

KT-851 NT 5,530 121

KT-880 NT 6,190 123

KT-820 GF30 BG20 7,340 169

KT-880 GF30 BG20 12,000 183

KT-820 CF30 13,960 173

KT-880 CF30 23,170 188

KT-820 SL30 8,250 110

KT-820 SL45 9,570 127

圧縮強さ試験（ISO 604）次に、ISO 604で試験しました。試験片は、ISO 527/AおよびISO 3167に規定された方法で、射出成形した引張試験片の中央部分から用意しました。強さ試験の試験片の寸法は 10 x 4 x 10 mmでした。試験前に試験片を 200で 2時間アニーリング処理し、その後 23、相対湿度 50%で 24時間以上調整しました。使用したクロスヘッド速度は 5 mm/minです。試験結果を表 3.12に示します。

圧縮弾性率試験（ISO 604）次に、ISO 604で試験しました。試験片は、ISO 527/AおよびISO 3167に規定された方法で、射出成形した引張試験片の中央部分から用意しました。強さ試験の試験片の寸法は 10 x 4 x 30 mmでした。試験前に試験片を 200で 2時間アニーリング処理し、その後 23、相対湿度 50%で 24時間以上調整しました。使用したクロスヘッド速度は 1 mm/minです。結果を表 3.12に示します。

表 3.12 キータスパイア® PEEKの圧縮特性（ISO 604）

グレード圧縮弾性率

MPa圧縮強さ

MPa

KT-820 NT 3,810 130

KT-850 NT 4,095 132

KT-880 NT 3,435 142

KT-820 GF30 10,590 274

KT-880 GF30 10,960 284

KT-820 CF30 22,320 305

KT-880 CF30 23,331 323

KT-820 SL30 13,300 191

KT-820 SL45 26,050 269

結論これら二つの試験方法の結果は異なります。非強化グレードではかなり近い値を示しますが、繊維強化グレードの強さと弾性率には差が見られます。図 3.25に示すように、ISO試験片から用意した試験片は、ASTMの直角柱から用意した試験片よりも強化繊維が高い配向性を有しています。ASTMの直角柱は、繊維の配向がよりランダムであるだけでなく、ウエルドが発生している可能性も高くなっています。


図 3.25 試験片内の繊維の配向

流れ

ゲート

ゲート

試験片

流れ方向に揃った繊維ISO 604

方向が揃っていない繊維の例ASTM D695

せん断特性せん断荷重を加えると、荷重下の材料が荷重が加わっていない材料を通り過ぎ、荷重の方向に滑ります。せん断強さは、せん断荷重下にある材料の耐降伏性または耐破壊性です。せん断強さは、移動平面が固定平面から完全に離れるように試験対象の試験片をせん断するために必要な最大荷重としても定義できます。実際の用途では、部品の最大応力がせん断応力となることが多いため、せん断強さの値は構造部品の設計に重要です。

試験方法ASTM試験法 D732に従って、キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）のせん断強さを測定しました。この試験は、試験片を貫通するパンチを強制的に作成することと、必要な荷重を監視することで構成されています。図 3.26に試験装置のダイアグラムを示します。

使用した試験片は、寸法が 51 x 51 x 3.2 mmのサイドゲート射出成形した平板です。直径 11 mmの穴を中心に開けました。パンチの 9.5 mmのねじ山付きピンに試験片をはめ、ワッシャーとナットで所定位置に締めて固定しました。パンチの外径は 25.37 mmで、治具の穴は 25.4 mmです。

試験片とパンチのアセンブリーを支持プレートの中心に置き、力を加えたときにたわみや滑りが発生しないように 4本のボルトで確実にクランプしました。

図 3.26 せん断試験装置の図

試験片

パンチ

穴

クランプ

ナットワッシャー

パンチ径 = 25.37 mm穴径 = 25.40 mm

クランプ

治具全体を試験機に置き、クロスヘッド速度 1.25 mm/minで試験片に荷重を加えました。試験片から25.4 mmの円板がくり抜かれるまで試験を続けました。パンチの周囲長と試験片の厚みの積で最大荷重を割り、せん断強さとして報告する最大応力を得ました。

結果せん断強さ試験の結果を表 3.13に示します。繊維による強化によって引張強さおよび曲げ強さが劇的に上昇しますが、せん断強さに同程度の影響はありません。最も考えられる理由は、せん断の方向に垂直な流れ方向に沿って繊維が配向していることです。

表 3.13 キータスパイア® PEEKのせん断強さ

グレード

せん断強さ

MPa

KT-820 NT 84

KT-851 NT 92

KT-880 NT 95

KT-820 GF30 BG20 93

KT-880 GF30 BG20 94

KT-820 CF30 95

KT-880 CF30 103

KT-820 SL30 70

KT-820 SL45 84


衝撃特性ポリマーは粘弾性を有するため、その特性は荷重を加える速度に依存します。荷重速度が高い場合、部品は衝撃荷重を受けると考えられます。

衝撃荷重の一般的な例は落下試験です。この試験では、プラスチック部品を既知の高さから、コンクリートの床などの硬い弾力のない表面に落とします。衝突時に放出されるエネルギーは、部品の質量と落下の高さの関数です。プラスチック部品が損傷を受けずに衝突する場合は、このエネルギーを吸収できるはずです。プラスチック部品のエネルギー吸収能力の解析と予測は困難です。これは、形状、サイズ、厚み、プラスチックのタイプがすべて変数だからです。

シャルピーやアイゾットなどの従来の試験方法により特性解析される強靱性は材料本来の特性ではなく、指定の形状に成形され、おそらく初期ノッチを使用して準備され、固有の制御条件下で試験された特定のサンプルに関連する属性です。これらの耐衝撃性試験方法は、さまざまな材料の相対的な耐衝撃性を測定するために有効な値を提供しますが、実際の部品に与えられる実際の衝撃にこれらの値を関連することは困難です。特定のエンドユースへの材料の適合性は、実際のまたはシミュレートした使用条件の下で製品を試作し、試験することにより確認する必要があります。

アイゾット衝撃強さ、ノッチ付きASTM試験法 D256には、プラスチックのノッチ付きアイゾット衝撃耐性を測定する手順が詳細に記載されています。この方法では、試験法 A が、ポリマー材料を比較するために最も広く採用されている方法の一つです。この試験では、半径 0.25 mm、深さ 2.5 mm、角度 45 °のノッチを切削加工した試験片を準備します。次に、図 3.27に示すように、ノッチ付き試験片に振り子を打ち付けます。衝撃後も振り子は揺れ続けますが、衝突によりエネルギーは小さくなっています。失われたエネルギーの量をアイゾット衝撃強さとして、J/m（梁の厚み）の単位で報告します。

図 3.27 アイゾット衝撃強さ、ノッチ付きの試験片

衝撃

振子試験片

万力の固定あご

万力の可動あご

ノッチ半径

試験片の幅は 3～12.7 mmに規定されています。試験片の幅には広い範囲が許容されていますが、この試験方法は、グループ内のすべての試験片が±0.13 mm以内の近い公称幅を持つことを規定しています。この試験方法には、試験片の幅が類似している場合にのみ材料の比較が可能であることが明記されています。このセクションのデータに使用した試験片の幅は 3.2 mmでした。

この特性の ISO試験法は ISO 180です。タイプ AのノッチはASTM D256試験法 Aのノッチに対応しています。試験片は主に幅と厚みが異なります。代表的な ISOの試験片が 4 x 10 mmであるのに対し、ASTM D256の試験片は3.2 x 12.7 mmです。ノッチ作成後の ISOの試験片の厚みが 8 mmであるのに対し、ノッチ作成後の ASTM D256の試験片の厚みは 10.16 mmです。

表 3.14 キータスパイア® PEEKのアイゾット衝撃強さ、ノッチ付きの値

ASTM D256 のアイゾット ISO 180/A

通常の計算値

オプションの計算値

グレード J/m kJ/m2 kJ/m2

KT-820 NT 91 9.0 9.2

KT-851 NT 69 6.8 7.5

KT-880 NT 53 5.2 4.9

KT-820 GF30 BG20

107 10.5 12.8

KT-880 GF30 BG20

69 6.8 10.9

KT-820 CF30 69 6.8 10.3

KT-880 CF30 64 6.3 8.5

KT-820 SL10 170 16.7

KT-820 SL30 69 6.8 9.0

KT-820 SL45 69 6.8 8.5


試験片を除く、これらの方法の主な違いは、結果の算出方法です。ASTM 試験法ではエネルギーを試験片の幅で割りますが、ISO 試験法ではエネルギーを厚みと幅で割ります。ISO試験の結果は通常、kJ/m2の単位を使用して報告します。ASTM D256では、kJ/m2の単位にするためのオプションの計算が許可されています。オプションの計算を含むキータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）のアイゾット衝撃強さ、ノッチ付きの値を表 3.14に示します。非強化グレードでは、分子量と耐衝撃性の間に明らかな相関があります。オプションの計算を使用すれば ASTMと ISOのデータが比較可能で、非強化グレードの両方の結果が近いと考えるかもしれません。しかし、両方の試験方法による強化グレードの結果には大きな差があります。材料を比較する目的では、同じ試験方法のデータのみを使用する必要があります。

アイゾット衝撃強さ、ノッチなし衝撃条件下の材料が破壊するには、亀裂が形成され、試験片全体に伝播する必要があります。ノッチ付きアイゾット試験ではノッチが亀裂のように機能し、試験では主に耐クラック伝播性を測定します。ノッチなしで試験を実施する場合は、最初に亀裂を形成し、これを伝播させる必要があります。実用的な耐衝撃性を予測するにはこの試験の方がノッチ付きアイゾット試験よりも優れていると感じるかもしれません。

ノッチなしアイゾット試験のASTM試験法はD4812です。これは、試験片にノッチがない点を除いて、ASTM D256に類似しています。ISO試験法は ISO 180/Uです。Uはノッチがないことを示します。

表 3.15 キータスパイア® PEEKのアイゾット衝撃強さ、ノッチなしの値

ASTM D4812 のアイゾット ISO 180/U

通常の計算値

オプションの計算値

グレード J/m kJ/m2 kJ/m2

KT-820 NT NB NB NB

KT-851 NT NB NB NB

KT-880 NT NB NB NB

KT-820 GF30 BG20

960 76 56

KT-880 GF30 BG20

850 67 62

KT-820 CF30 750 59 44

KT-880 CF30 640 50 43

KT-820 SL10 NB NB

KT-820 SL30 530 42 34

KT-820 SL45 530 42 43

NB = 破断なし

落錘衝撃試験プラスチックの耐衝撃性を評価する別の一般的な方法として、さまざまな高さから平坦なプラスチックパネルに特定形状の錘を落下させ、応答を観察する方法があります。硬質プラスチック用のASTM試験法には、D5420とD5628の二つがあります。これらの方法は詳細が非常に異なりますが、アプローチは類似しています。応力を集中させるように設計された物体を使用してプラスチックパネルに衝撃を与えます。衝撃のエネルギーは、衝撃を与える物体の高さと質量によって制御されます。質量を一定にして高さを変える方法と、高さを一定にして質量を変える方法の両方を示します。落下物の形状を変えて応力集中効果を評価することもできます。これらは材料の比較に役立つ実用的な試験です。主な欠点は、多数の試験片が必要なことと、結果が希望通りに再現されない可能性があることです。

計装衝撃試験落錘衝撃試験に荷重および変位センサーを加えると、衝撃破壊の発生に必要な荷重とエネルギーを定量化できます。ASTM 試験法 D3763にこの方法の詳細が記載されています。この試験を行うための装置と試験自体は、一般に Dynatup®（Instron Corporation 社の登録商標）と呼ばれますが、現在では他社も同様の装置を製造しています。

キータスパイア® PEEKの複数のグレードの耐衝撃性を ASTM D3763に従って評価しました。使用した試験片は、寸法が 102 x 102 x 3.2 mmの平板でした。試験片をしっかりとクランプに固定し、先端が直径 12.7 mmの半球状のプランジャで衝撃を加えます。試験速度は 146 m/minに設定しました。最大荷重、最大荷重におけるエネルギー、総エネルギーを記録しました。この材料の代表的な値を表 3.16 に示します。

表 3.16 キータスパイア® PEEKの突刺特性（Dynatup）

グレード最大荷重

N

最大荷重におけるエネルギー

J総エネルギー

J

KT-820 NT 6,640 55 76

KT-880 NT 6,515 48 68

KT-820 GF30 BG20

1,390 7.10 9.7

KT-880 CF30 1,680 7.81 9.2


長期機械特性

クリープ特性キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）を材料とするエンジニアリング部品を設計する場合、短期機械特性に加えて、応力や環境要因からの長期的な影響を考慮する必要があります。部品が長期に応力を受ける場合は、クリープを考慮する必要があります。応力が繰り返される場合は、疲労も考慮する必要があります。

材料が応力を受けると、即時ひずみが発生します。小さいひずみでは、このひずみは応力に比例し、該当する弾性率から計算できます。応力が長時間加わり続けると、追加されたひずみが観察されることがあります。この挙動はクリープと呼ばれ、さらに加わったひずみはクリープひずみと呼ばれます。

クリープは金属で観察されますが、この現象はプラスチックでより顕著です。プラスチックは弾性率が低いため、同じ応力レベルでは、ひずみの程度がより大きく、極限ひずみが発生する割合が高くなります。一般に、初期ひずみが極限ひずみに近いほど、高い可能性でクリープが大きくなります

持続性荷重向けに設計する場合は、弾性率ではなく、見かけのクリープ弾性率を変形の計算に使用しなければなりません。ポリマー材料は粘弾性を有するため、応力を加える方法がひずみの大きさ、ひいては弾性率に影響します。

一般に、金属にはすべての計算に使用される単一の弾性率があります。しかし、ポリマー材料には引張弾性率、圧縮弾性率、および曲げ弾性率があります。設計者は応力の加わり方を評価し、計算に適切な弾性率を使用する必要があります。さらに、弾性率はひずみ速度によってわずかに変化するため、材料を比較する場合はひずみ速度を同一にしなければなりません。

クリープを引張と圧縮の両方のモードで評価するのが理想的です。このセクションに示すデータは、ASTM D2990に従って引張モードで収集しました。使用した試験片は、ASTM D638タイプ 1 の引張試験片でした。試験前に、すべてのサンプルを 200で2時間アニーリング処理し、ASTM D618に従って調整しました。適切な大きさの静重量を使用して応力を加えました。試験片のひずみは、23および 120で電気機械式伸縮計を使用して測定しました。160および 200の試験では、非接触式ビデオ伸縮測定法を使用してひずみを測定しました。

図 4.1 23における等時性曲線

応力

[ M

Pa

]ひずみ [ % ]

1,000 時間100

80

60

40

20

02.01.51.00.50.0

KT-820 NTKT-820 CF30

等時性曲線クリープを測定するには、複数の温度で試験片に複数の応力レベルを加え、ひずみを経時的に監視します。複数の異なる方法で表示できる大量のデータが収集されます。最もシンプルな方法の一つとして、等時性曲線を使用する方法があります。等時性曲線を生成するには、選択した時間間隔で測定したひずみに対して応力をプロットします。このセクションの等時性曲線を使用して、荷重または応力を 1000時間加えたときに生じる伸びまたはひずみの大きさを推定することができます。

例えば、キータスパイア® KT-820 NTに室温で 20 MPaの応力を加えた場合を考えます。3,500 MPaの引張弾性率と20 MPaの応力から、即時ひずみは約 0.57%と推定されます。図 4.1から、20 MPaの応力を 1000時間加え続けると、約 0.65%のひずみが発生します。したがって、クリープによる追加のひずみは 0.08 % と予測されます。

このひずみを予測する別の方法として、このグレードの見かけの弾性率対時間のグラフを使用する方法があります（図 4.5）。1000時間後の時点における見かけの弾性率は約 3,300MPaです。20 MPaを 3,300 MPaで除算すると、約 0.61%のひずみが得られます。

すべてのポリマー材料と同様に、キータスパイア® PEEKの弾性率も温度が上昇すると低くなります。弾性率が低くなると、同一の応力で生じる即時ひずみが大きくなります。高温がクリープひずみに与える影響を図 4.2～4.4 に示します。


図 4.2 120における等時性曲線応力

[ M

Pa

]

ひずみ [ % ]

1,000 時間100

80

60

40

20

02.01.51.00.50.0



応力

[ M

Pa

]

1,000 時間50

40

30

20

10

0

ひずみ [ % ]2.01.51.00.50.0



応力

[ M

Pa

]

1,000 時間50

40

30

20

10

0

ひずみ [ % ]2.01.51.00.50.0

KT-820 CF30

見かけのクリープ弾性率のグラフ選択したキータスパイア® PEEKのグレードを、異なる温度、複数の応力レベルで測定しました。観察されたひずみから見かけの弾性率を計算し、応力を加えた時間に対してプロットしました。クリープひずみは、検討中の材料の応力レベル、温度、および時間による見かけの弾性率から推定することができます。結果を図4.5～4.11に示します。

すべての試験は、張力荷重を加えて引張り試験片で行いました。応力集中と荷重モードの影響は予測が困難なため、継続的に負荷がかかる部品を設計する場合は、試作品の試験を強くお勧めします。

図 4.5 23における KT-820 NT

時間 [時間]

4,500

4,000

3,500

3,000

2,50010,000100 1,0001010.10.01

見かけの弾性率

[ M

Pa

]

9.9 MPa19.7 MPa29.6 MPa39.4 MPa


図 4.6 120における KT-820 NT

5,000

4,500

4,000

3,500

3,000

2,500

2,000


[ M

Pa

]

時間 [時間]10,000100 1,0001010.10.01

5 MPa9 MPa12 MPa

図 4.7 160における KT-820 NT

1,000

800

600

400

200


[ M

Pa

]

時間 [時間]10,000100 1,0001010.10.01

2 MPa4 MPa6 MPa

図 4.8 23における KT-820 CF30


[ M

Pa

]

時間 [時間]

24,000

23,000

22,000

21,000

20,000

19,000

18,000

17,000

16,00010,000100 1,0001010.10.01

43.2 MPa64.7 MPa86.3 MPa

図 4.9 120における KT-820 CF30

24,000

22,000

20,000

18,000

16,000

14,000

12,000

10,000


[ M

Pa

]

時間 [時間]10,000100 1,0001010.10.01

25 MPa35 MPa45 MPa

図 4.10 160における KT-820 CF30

7,000

6,000

5,000

4,000

3,000

2,000


[ M

Pa

]

時間 [時間]10,000100 1,0001010.10.01

15 MPa25 MPa35 MPa

図 4.11 200における KT-820 CF30

5,000

4,500

4,000

3,500

3,000

2,500

2,000

1,500

1,000


[ M

Pa

]

時間 [時間]10,000100 1,0001010.10.01

15 MPa20 MPa25 MPa


疲労特性物体に応力を周期的に加えると、一般にその短期極限強度よりも低い応力レベルで破壊または破断が発生します。負荷および除荷を繰り返すことにより、物体に局所的な構造的損傷が生じて進行し、結果的に破壊が起こります。この破壊は、一般的に疲労破壊と呼ばれます。

疲労強さ（SN）は、一般に Nサイクル後に破断を生じさせる応力として定義されています。疲労データは、一般に S-Nダイアグラムまたは曲線で表され、破断までのサイクル数の対数に対して最大負荷応力をプロットしたものです。

特定レベルの繰り返し応力を無限サイクル加えても破断せずに耐える金属は、ごく少数しかないと考えられます。この応力レベルは、その材料の疲労限界または耐久限界と呼ばれます。多くの金属を含むほとんどの材料では、応力が低い場合でも、有限のサイクル数で破断が発生します。慣例では、107回のサイクルを耐える応力を実質的な疲労限界と見なします。これらの値に影響を与える幅広い試験方法があります。疲労特性の比較は、同等な試験方法を使用している場合にのみ行わなければなりません。

試験片、試験頻度、荷重モードおよび環境条件はいずれも疲労強さに影響を与えますが、疲労限界は常に材料の極限強度よりも小さくなります。参考情報として、ほとんどの鋼材の疲労限界はその極限引張強さの約 50%で、アルミニウムと銅の疲労限界はその極限引張強さの約 40%以下です。金属部品をプラスチック部品に置き換える設計では、用途において繰り返し荷重が加わる可能性を評価し、必要に応じて疲労限界を考慮する必要があります。

設計に関する検討事項繰り返し応力が加わる用途のわかりやすい例はギアです。駆動ギアが回転し、被駆動ギアを回転させると、それぞれの歯車に順番に応力が加わり、その後、再度噛み合うまでは応力は低い値かゼロになります。多くの用途では、繰り返し荷重が明確ではない疲労もあります。別の例として、回転シャフトをガイドするブッシング、振動を受ける部品、往復ポンプまたはコンプレッサーの部品などがあります。

繰り返し荷重が加わる部品を設計する場合は、疲労強さ要件を規定することをお勧めします。ただし、疲労強さ要件の解析は、次のように要素の数が多いため複雑です。

• 部品の形状

• 応力集中係数

• 荷重負荷速度

• 荷重負荷により生じる温度変化

• 荷重により誘発される応力のタイプ（引張、圧縮、せん断）

• 環境要因（化学薬品、放射線、温度）

• 残留応力

• 負荷サイクル

• 希望する部品寿命

CAEツールを使用すると、指定荷重により発生する有効応力の計算に役立ちます。得られた有効応力を S-N曲線と比較して、製品の疲労寿命を推定できます。

疲労試験疲労強さまたは疲労限界の測定方法として、広く認められている単一の方法というものはありません。さまざまな金属の疲労強さについて公開されているデータには、引張、圧縮、および曲げモードで得られた値が含まれます。他の重要な変数として、周波数／1秒あたりのサイクル数、荷重パターンまたは波形、最大応力と最小応力の比（R値）、温度などがあります。

このセクションで、強化繊維の配向と熱履歴が材料の機械特性に与える影響について後述します。疲労試験に使用される試験片にもこのような影響があるため、考慮する必要があります。

疲労試験における破壊は、局所的な損傷が進行した結果です。微小な亀裂が形成され、連続したサイクルによって成長し、最終的に破断が生じます。亀裂の形成と伝播は試験片のモルフォロジ―に大きく依存し、破断に至るサイクル数が変動します。

通常は、一般に破断が短時間で発生する極限強度に近い応力の試験を最初に行います。その後のサンプルでは応力レベルを徐々に下げ、各応力レベルで複数の試験片を試験します。しばしば、時間の制約によって破断が発生する前に試験は終了します。ランアウトと呼ばれるこれらの点は、いくつかのサイクルごとに、対応する最小応力値を示しているため有用です。疲労限界は、多数の応力値とそれによる破断サイクル数を片対数 S-N図にプロットして推定します。


キータスパイア® PEEKの試験このセクションでは、さまざまなグレードのキータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）に関する特定の試験プログラムを示します。この情報は決してすべてを網羅しているわけではありません。お客様のニーズについてはソルベイの担当者にお問い合わせください。

非強化 PEEK樹脂の引張疲労キータスパイア® KT-820 NTおよびキータスパイア® KT-880 NTを射出成形して、ASTM D638タイプ 1の寸法要件を満たす試験片を製作しました。試験片を 200で 2 時間アニーリング処理し、ASTM D618 に従って調整しました。引張モードで、正弦波荷重パターンを使用して試験片に繰り返し荷重を加えました。指定の試験応力はピーク応力でした。

低い応力はピーク応力の 5% でした（R = 0.05）。試験周波数は1 Hzでした。これは、試験片の自己加熱が発生しない十分な低さでした。複数の試験片を各応力レベルで試験し、破断サイクル数を記録しました。解釈を容易にするために、実験点に基づいて各材料の近似直線を外挿しました。得られた近似曲線を図 4.12にまとめます。この試験によると、これら両方のグレードの見かけの疲労限界は、極限引張強さの 75%を超えています。

炭素繊維強化キータスパイア® PEEKの引張疲労

キータスパイア® KT-820 CF30およびキータスパイア® KT-880 CF30を射出成形して、ASTM D638タイプ 1の寸法要件を満たす試験片を製作しました。試験片を 200で 2時間アニーリング処理し、ASTM D618 に従って調整しました。片振り引張モードで、正弦波荷重パターンを使用して試験片に繰り返し荷重を加えました。指定の試験応力はピーク応力でした。低い応力はピーク応力の 10 %でした（R = 0.1）。試験周波数は 2 Hzです。複数の試験片を各応力レベルで試験し、破損に至るサイクル数を記録しました。解釈を容易にするために、実験点に基づいて各材料について近似直線を外挿しました。得られた近似曲線を図 4.13にまとめます。この場合、これらの製品の疲労限界は、極限引張強さの 70 %を超えています。

ガラス繊維強化キータスパイア® PEEKの 160におけ

る引張疲労キータスパイア® KT-820 GF30を、ASTM D638タイプ 1の要件を満たす試験片に成形しました。試験片を 200で 2時間アニーリング処理し、ASTM D618に従って調整しました。周囲温度 160、正弦波荷重パターンを使用する引張モードで、試験片に繰り返し荷重を加えました。指定の試験応力はピーク応力でした。低い応力はピーク応力の 10% でした（R = 0.1）。試験周波数は 2 Hzです。複数の試験片を各応力レベルで試験し、破損に至るサイクル数を記録しました。解釈を容易にするために、実験点に基づいて近似直線を外挿しました。得られた近似曲線を図4.14に示します。

図 4.12 23における非強化キータスパイア® PEEKの疲労

応力

[ M

Pa

]

破損に至るサイクル数

120

110

100

90

80

70

60107106105104103102

KT-880 NTKT-820 NT

図 4.13 23における炭素繊維強化キータスパイア® PEEKの疲労

応力

[ M

Pa

]

220

200

180

160

140

120

100

破損に至るサイクル数107106105104103102

KT-880 CF30KT-820 CF30

図 4.14 160におけるガラス繊維強化キータスパイア® PEEKの引張疲労

応力

[ M

Pa

]

60

55

50

45

40

35

30

破損に至るサイクル数107106105104103102


温度の影響

耐熱性耐熱性には、材料の温度が変化した結果として発生するすべての変化が含まれます。このセクションでは、キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）の寸法変化（熱線膨張係数）、荷重たわみ温度（HDT）、転移温度（Tg および Tm）、熱伝導率、および比熱容量について説明します。

機械特性の変化は、機械特性のセクションで説明します。高温への長期曝露については、熱安定性のセクションで説明します。結晶化度の変化については、結晶化度およびアニーリングのセクションで説明します。溶融ポリマーの特性については、加工に関するセクションで説明します。

熱線膨張ほとんどの物体は、熱を吸収し、温度が上がると大きくなります。寸法変化の大きさは材料の特性と温度範囲に依存します。熱膨張は、体積の変化を測定することで、または一方向の直線寸法の変化を測定することで特性解析できます。体積膨張により圧力-体積-温度（PVT）ダイアグラムが得られ、線膨張試験により熱線膨張係数（CLTE）が得られます。熱膨張係数が異なる材料を使用してアセンブリーを作成すると、アセンブリーの温度が変化したときに応力が発生します。アセンブリーに繰り返しの熱サイクルが加わる場合は、疲労を考慮する必要があります。熱膨張の差が大きい場合、アセンブリーが大きい温度変化に曝されると、寸法公差が厳しい嵌合部品の嵌合やコーティング剤の密着性に影響が出ることもあります。

定義図 5.1に示すように、熱線膨張係数（αまたは CLTE）は温度の変化に対する長さの変化の比です。これは、温度の上昇に伴う固体の膨張速度の測定値です。係数 αが既知の場合、温度をTFまで上げたときのひずみのないまっすぐな試験片の長さの変化は次の式で計算できます。

Δ L = α L ( TF − TO )

Δ L：変化した長さL：元の長さα：熱線膨張係数（CLTE）TF：最終温度TO：初期温度

図 5.1 熱線膨張係数の計算

寸法変化

温度

Δ L

Δ LΔ T

Δ T

T1 T2

測定熱膨張係数を求めるには、試験片の温度を変化させながら、試験片の直線寸法を正確に測定する必要があります。一つの一般的な方法として、ガラス質のシリカロッドとチューブを使用する方法があります。試験片をチューブ内に置き、ロッドを付けてゲージに接続します。この手法はディラトメトリー（膨張率測定）と呼ばれ、ASTM試験法 D696および E228の基礎です。これよりも新しい方法では、熱機械分析装置と呼ばれる装置を使用します。この装置内で、試験片と接触させたプローブを、寸法変化を測定する直線運動センサーに接続します。ASTM試験法 E831および ISO試験法 11359は、熱機械分析装置（TMA）を使用した熱線膨張係数の測定方法を規定しています。

このセクションに記載されたデータは、図 5.2に示すように、約12 x 12 x 3 mmの射出成形した引張試験片から切り出した試験片を使用し、ASTM E831に従って収集しました。材料の流れの方向の膨張を、材料の流れに直角な方向の膨張と比較できるように、試験片の向きを記録しました。


図 5.2 熱線膨張係数の試験片

CLTEの試験片ゲート

流れ

TMA の出力は寸法変化と温度データです。データをプロットすると、図 5.3と類似したグラフが得られます。このプロットは二つの試験を示しています。一つは流れ方向に向けられた試験片、もう一つはそれと直角方向に向けられた別の試験片を使用した試験です。

図 5.1 に示すように、熱線膨張係数（CLTE）は温度範囲における寸法変化対温度直線の傾きです。この図では、表 5.1に示す複数の範囲で熱線膨張係数を計算しました。

表 5.1のデータは複数の概念を示しています。任意の温度範囲で熱線膨張係数を計算して、温度に対する熱線膨張係数の変化を視覚化することができます。熱線膨張係数を通常よりも狭い温度範囲で計算しました。熱線膨張係数は温度によって変化します。約 150までは徐々に大きくなり、ここで急速に増大します。この急速な変化は、ポリマーのガラス転移温度（Tg）に達したことを示します。これは非強化グレードで、流れ方向の熱線膨張係数は、流れ方向に垂直な熱線膨張係数にきわめて類似しています。

強化繊維をポリマーに添加すると、熱線膨張係数が劇的に変化します。繊維は加熱してもポリマーほど膨張しません。また、サンプルを形成すると、繊維は流れ方向に向く傾向があります。図 5.4に、炭素繊維を 30%含む強化グレードである KT-880 CF30について、温度に対する寸法変化のプロット（流れ方向と直角方向の両方）を示します。

流れ方向では、熱膨張は繊維による制約を受けます。直角方向では、熱膨張は非強化ポリマーと非常に類似しています。実際の成形品では、強化繊維の配向がこれほど高いレベルで揃うことはめったにありません。測定または予測によって強化繊維の配向がわかっている場合は、マイクロメカニクスを使用して任意の方向の熱線膨張係数を測定することができます。マイクロメカニクスの説明については、設計指針のセクションを参照してください。熱線膨張係数を実際に使う場合には、上記の両方向の中間値を採用することが多くなっています。

表 5.1 キータスパイア® KT-880 NTの熱線膨張係数

温度 1

温度 2

熱線膨張係数（流れ方向）

µm/m

熱線膨張係数（直角方向）

µm/m

–50 –25 41.8 42.2

–25 0 45.6 45.4

0 25 46.1 47.5

25 50 49.5 49.2

50 75 51.1 52.4

75 100 53.4 54.4

100 125 54.3 54.9

125 150 70.4 70.2

150 175 112.4 112.9

175 200 115.3 119.6

図 5.3 キータスパイア® KT-880 NT寸法変化

[μm

]

200

150

100

50

00 50 100 150 200

温度 [°C]

流れ方向直角方向


0 50 100 150 200温度 [°C]

寸法変化

[μm

]

200

175

150

125

100

75

50

25

0

流れ方向直角方向


熱線膨張係数の結果ASTM E831に従って測定したさまざまなキータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）グレードと一般的ないくつかの金属の熱線膨張係数（α）を表 5.2に示します。これらの値は、200で 2時間アニーリング処理した、前述の標準試験片を使用して測定しました。

図 5.1に示すように、熱線膨張係数は、寸法変化-温度の曲線の傾きから計算します。熱線膨張係数は複数の温度範囲で計算でき、温度によって異なります。表 5.2に、周囲温度未満から樹脂の Tg

を超える温度までの 5つの温度範囲におけるデータを示します。これにより、予測される使用温度範囲に近い値を選択できます。

設計指針これらの値は、準備／試験手順が同一の材料同士の比較に最も有効です。実際の用途で、強化用充填材の方向が純粋に流れ方向または直角方向になるように製造されるものはほとんどありません。ほとんどの成形部品では、一部の領域ではポリマーが流れ方向に向き、他の領域では流れの直角方向に向いています。その結果、熱膨張の大きさは、表に示す両方向の中間値になることがほとんどです。クリアランスと許容誤差では、温度による膨張を考慮する必要があります。

アセンブリーを設計する場合は、表 5.2の値が材料選定に役立ちます。熱線膨張係数が異なる材料でアセンブリーが構成されている場合、これらの値を FEAの計算に使用して、使用中に発生する可能性が高い熱応力を推定できます。実際のまたはシミュレートした使用条件下での試作品試験を推奨します。

さまざまなデータ提供元から取得した熱線膨張係数の値の比較試験方法と試験片の形状が熱線膨張係数の値に影響を与えるため、比較できるのは試験方法と試験片の形状が同じ値に限ります。このセクションでは、試験方法と試験片の違いによるばらつきの理由について説明します。

試験方法

ディラトメトリー（膨張率測定）および TMA 測定は方法論が本質的に異なるので別個のものです。TMA 試験方法には、ASTM E831と ISO 11359-2の二つがあります。ASTM E831には、ISO 11359-2が関連する試験方法であると記載されていますが、技術的な詳細は大きく異なります。このコメントは、ASTM E831の結果を ISO 11359-2の結果と直接比較できないことを示します。

この分析では、非常に小さい寸法変化の正確な測定に加えて、正確な温度測定も必要です。試験片の温度を測定する熱電対は試験片に近い位置にありますが、接触はしていません。この結果、加熱および冷却速度の影響を受けるわずかな差が生じます。この差は、厚みの異なる試験片を比較する場合にさらに重要になります。

表 5.2 熱線膨張係数

温度範囲

（単位：μm/m）

–50～0 0～50 50～100 100～150 150～200

流れ方向直角方向流れ方向直角方向流れ方向直角方向流れ方向直角方向流れ方向直角方向

非強化樹脂

KT-820 NT 35 45 40 49 44 54 46 58 119 109

KT-880 NT 41 41 44 47 47 50 50 54 97 109

ガラス繊維強化樹脂

KT-820 GF30 19 42 20 42 20 46 21 37 15 101

KT-880 GF30 23 48 23 50 19 68 18 80 23 133

炭素繊維強化樹脂

KT-820 CF30 9 40 9 40 9 44 6 46 14 93

KT-880 CF30 8 46 8 47 8 51 6 74 9 116

耐摩耗グレード

KT-820 SL10 42 60 45 59 46 64 94 127

KT-820 SL30 18 32 19 35 22 37 24 37 26 38

KT-820 SL45 14 39 14 45 17 50 20 57 14 104

一般金属（比較のための文献データ）

亜鉛合金 27

アルミニウム合金 A-360 21

ステンレス鋼 17

炭素鋼 11


部品の厚み

熱膨張はすべての方向で発生するため、厚みの異なる試験片は、長さ方向と幅方向で測定した場合に結果が異なります。また、厚い部品内の熱の流れと温度勾配により熱線膨張係数が大きく、または小さくなることがあります。

温度範囲および相変化

一般的に、金属の熱膨張の挙動は使用温度範囲で均一です。ただし、図 5.3に示すように、ポリマー材料の挙動は温度によって異なります。一般的に、ポリマー材料はガラス転移温度（Tg）未満の温度よりも、それより高い温度で膨張係数が高く、Tg近傍でのその挙動は非線形です。非晶性プラスチックでは一般的に、流れ方向の熱線膨張係数はほとんど変動しませんが、半結晶性材料の膨張は、直角方向、つまり流れを横切る方向よりも流れ方向の方がわずかに小さくなる傾向があります。その差はわずかです。

前述したように、熱線膨張係数の値は、計算に選択した温度範囲によって異なります。ASTM試験法 E831では使用する温度範囲を指定していません。異なるデータ提供元の値を比較する場合は、温度範囲が類似していることを確認してください。

加工パラメーター

結晶化度は熱線膨張係数の測定値に影響を与えることがありますが、成形または押出成形条件はその結晶化度に影響を与えることがあります。金型温度および冷却速度は、おそらく最も影響が大きいパラメーターです。

強化材

ガラス繊維、炭素繊維、また正のアスペクト比を有するその他の強化充填材は、熱線膨張係数に異方性を与えます。多くの場合、繊維は流れ方向に向き、ガラスおよび炭素繊維強化材の熱線膨張係数はポリマーよりも低いため、膨張係数は直角方向よりも流れ方向の方が一般に小さくなります。図 5.4に、30%炭素繊維強化グレードの熱線膨張係数を示します。もちろん現実には、流れ方向と直角方向のいずれかの熱線膨張係数のみを適用できる部品はありません。

荷重たわみ温度（HDT）荷重たわみ温度により、材料の実際の熱限界が予測されます。最も一般的に使用される試験法は ASTM D648です。長方形の断面を持つ試験片を二つの支持台の上にエッジワイズに置きます。中央に荷重を加え、試験片のたわみが指定量になるまで温度を上げます。たわみが発生する温度が、荷重たわみ温度（HDT）です。

ASTM D648では、長さ 127 mm、高さ 13 mm、幅 3～13 mmの試験片を規定しています。方法Ａでは 101.6 mm、方法 Bでは 100.0 mm離れた支持点に試験片を載せます。外表面応力が0.45 MPaまたは 1.8 MPaになるように、試験片に錘で荷重を加えます。アセンブリーを下げて液槽に入れ、たわみ計器をゼロに設定します。2/minの一定速度で液体の温度を上げます。垂直たわみが指定された終点、0.25 mmに達するまで、垂直たわみを監視します。この温度を荷重たわみ温度（HDT）として記録し、報告します。

ISO 75試験法、第 1部および第 2部ではいくつかの重要な部分が ASTM D648と異なりますが、同様の結果が得られます。試験片は、断面が長方形で、寸法が 80 x 10 x 4 mmの試験片です。試験片は、ISO 527引張り試験片の中心部分から作成できます。D648のようにエッジワイズ方向ではなく、フラットワイズで試験片を試験します。支持点の距離は 64 mmです。同一の外表面応力、1.8 MPaまたは 0.45 MPaが規定されています。この方法には、これよりも高い外表面応力、8 MPaも含まれます。このセクションのすべてのデータは、1.8 MPaを使用して収集したものです。終点のたわみを試験片の厚みから計算したところ、4 mmの試験片で0.34 mmになりました。このような違いはありますが、通常は ISO 75の結果は ASTM D648 の結果に非常に類似しています。

いずれの試験でも、実際に、負荷応力が 0.45 MPaの場合は試験材料の曲げ弾性率が約 240 MPaになるとき、1.8 MPaの場合は 965 MPaになるときの温度を測定しています。

表 5.3に示した荷重たわみ温度は、1.8 MPaの応力を使用してASTM D648に従って測定したものです。3.2 mmの試験片を200で 2時間アニーリング処理しました。


表 5.3 キータスパイア® PEEKの荷重たわみ温度、ガラス転移温度および融点

グレード荷重たわみ温度

ガラス転移温度

融点

KT-820 NT 157(1) 150 340

KT-851 NT 157 150 340

KT-880 NT 160(2) 147 343

KT-820 GF30 BG20

315 150 340

KT-880 GF30 BG20

315 147 343

KT-820 CF30 315 150 340

KT-880 CF30 315 147 343

KT-820 SL10 155

KT-820 SL30 291 152 342

KT-820 SL45 299 152 342

(1) ISO 75Afでは 159(2) ISO 75Afでは 161

ガラス転移温度（Tg）ほとんどのポリマーにはガラス状態とゴム状態の二つの状態が存在します。ガラス状態では、分子の移動は原子の振動と、主鎖および側鎖に添ったいくつかの原子の運動に制限されています。ゴム状態では、セグメントの運動として屈曲とコイル状態からの巻き戻しが可能で、これらの運動により弾性的になり、さらにはポリマーの流動性に関わる分子全体の並進運動も現れます。材料がガラス状態からゴム状態に変化する温度はガラス転移温度（Tg）と定義されています。この温度でいくつかの基本的な変化が生じるため、この温度は重要です。この変化には、ポリマーの自由体積、屈折率、エンタルピー、比熱の変化などが含まれます。

示差走査熱量測定（DSC）を使用する ASTM D3418に従って、ガラス転移温度を測定しました。試験は、試験片の加熱（加熱速度は制御）、および基準材料と試験片材料との、それぞれのエネルギー変化に起因する熱入力の差の連続的なモニタリングで構成されています。

試験片に予備熱サイクルを与え、冷却し、もう一度試験しました。2回目の加熱で、Tgを、熱容量が変化するポイントの中点の温度として取得しました。

融点（Tm）結晶の融点（Tm）とは、ポリマーが結晶または半結晶状態から完全な非晶性状態に転移する温度です。この温度も ASTM D3418 に従って、通常はガラス転移温度を取得する手順の最後に測定します。この温度も 2回目の加熱から測定します。

表 5.3に、選択したキータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）のグレードにおける荷重たわみ温度、ガラス転移温度、融点を示します。

熱伝導率一般に、ポリマーは熱の不良導体です。ポリマーは断熱手段であるため、多くの用途ではこれは望ましい特性です。

多数の熱伝導率測定法が開発されてきました。これらは遷移状態における方法と定常状態における方法の二つのグループに分類できます。遷移状態における方法では、通常はニードルプローブを使用します。これは温度が時間とともに変化する状況で最適です。定常状態の手法の方が正確です。ASTM E1530「Evaluating the Resistance to Thermal Transmission of Material by the Guarded Heat Flow Meter Technique」は定常状態の手法であり、この手法を使用して、このセクションの熱伝導率データを収集しました。

試験片と熱流計を、異なる温度に制御された二つの平らなプレート間に置きます。試験片とプレートを確実に接触させるために、プレートと試験片を重ねたものに規定の荷重を加えます。定常状態で、熱流計の出力に加えてプレート間の温度差をプレートに埋め込まれたセンサーで測定します。出力電圧は試験片の熱流量に比例します。比例係数は、あらかじめ熱抵抗が既知の材料で較正を行って取得してあります。

熱伝導率が最も低い材料は非強化樹脂です。ガラス繊維はポリマーよりも熱伝導率が高いため、ガラス充填コンパウンドは非強化樹脂よりも高い熱伝導率を持っています。同様に、炭素繊維はガラス繊維よりも熱伝導率が高いため、炭素繊維強化グレードの方が非強化またはガラス充填グレードよりも熱伝導率が高くなります。炭素繊維強化グレードの熱伝導率の増加量は、強化繊維の向きが原因で、予想ほどは大きくはなりません。繊維のほとんどは流れ方向に向きます。これは、平板の厚みを横切る試験方向に垂直な方向です。特定の熱伝導率が必要な用途では、試作品試験を行う必要があります。

複数のキータスパイア® PEEKグレードの熱伝導率を表 5.4に示します。


表 5.4 キータスパイア® PEEKの熱伝導率

グレード W/m-K

KT-820 NT 0.24

KT-851 NT 0.24

KT-880 NT 0.25

KT-820 GF30 BG20 0.29

KT-880 GF30 BG20 0.30

KT-820 CF30 0.37

KT-880 CF30 0.37

KT-820 SL30 0.40

KT-820 SL45 0.36

比熱比熱は、単位質量の温度を 1変化させるために必要な熱量と定義されています。比熱は、ASTM E1269の勧告に従って、示差走査熱量測定（DSC）を使用して測定しました。試験は、対象の温度範囲内の制御された周囲環境で、制御された速度で材料を加熱することにより行います。材料のエネルギー変化によって生じる、材料および基準材料に流れ込む熱の差を継続的に監視し、記録します。

キータスパイア® PEEKの複数グレードの比熱容量の値を表 5.5に示します。

表 5.5 キータスパイア® PEEKの比熱容量

グレード

200

kJ/kg-

KT-820 NT 2.15

KT-851 NT 1.95

KT-880 NT 1.93

KT-820 GF30 BG20 1.73

KT-880 GF30 BG20 1.70

KT-820 CF30 1.62

KT-880 CF30 1.81

KT-820 SL30 1.84

KT-820 SL45 1.67

熱安定性ほとんどすべてのポリマー材料は、高温に長時間置くと一部の性能特性が失われます。特性変化の一部は熱酸化劣化の結果生じるものですが、すべての特性変化の原因が酸化劣化というわけではありません。ポリマー相の変化には、高温に置いただけで発生するものもあります。熱安定性を評価する一般的な方法として、ヒートエージングと熱重量分析（TGA）の二つの方法があります。

ヒートエージング熱酸化安定性によって一部のポリマーの許容長期使用温度が制限されます。キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）の特性に対するこれらの長期的な影響を評価するために、複数の高温帯に設定した循環式オーブン内に成形した試験片を置きました。試験片を一定時間間隔でオーブンから取り出し、室温で試験しました。

試験手順キータスパイア® PEEKの特性に対する長期ヒートエージングの影響を評価するために、ASTM D638タイプ 1および ASTM D256の寸法要件を満たす試験片を複数のキータスパイア® PEEKグレードから成形しました。成形した試験片を 180、200および 220の循環式オーブン内に置きました。試験片を一定時間間隔でオーブンから取り出し、室温で ASTM D638 に従って引張特性を、ASTM D256 に従ってアイゾッド耐衝撃性を試験しました。

結果キータスパイア® PEEKは熱安定性に非常に優れています。多くの樹脂が軟化し変形する温度で 8,000時間経過した後でも、PEEKはほとんど変化しません。表 5.6にエージング後の試験結果を示します。表中の比較参照値は、エージングを行わず、アニーリング処理だけを行った場合の値です。図では、これらは 23における値として示しています。アニーリングは 200で 2時間行いました。

図 5.5に、8,000時間後の引張強さをエージング温度の関数として示します。最も高いエージング温度でも、引張強さの低下は見られません。

図 5.6に、8,000時間後の引張弾性率をエージング温度の関数として示します。引張弾性率は本質的に、エージングにより変化しません。

引張伸びに対するエージングの影響を図 5.7に示します。180および 200での 8,000時間のエージングは、伸びにほとんど影響しません。220の場合は、伸びが約 20%減少しました。

図 5.8に、アイゾッド衝撃強さに対するヒートエージングの影響を示します。このグラフは、ノッチ付きアイゾッド衝撃強さが少し減少するものの実用的な強靭性は維持されることを示します。


表 5.6 キータスパイア® KT-820 NTのヒートエージングの結果

エージング時間（時間）

エージング温度 0（コントロール） 2,000 5,000 8,000

引張強さ、MPa

180 101 102 100 103

200 101 103 103 103

220 101 104 105 109


180 3.97 3.91 3.90 3.95

200 3.97 3.98 4.00 3.96

220 3.97 4.06 4.06 4.11

引張伸び率、%

180 20 17 21 18

200 20 19 20 19

220 20 19 19 16

アイゾット衝撃強さ、J/m

180 101 101 85 91

200 101 101 80 80

220 101 91 64 53

図 5.5 8,000時間後の引張強さ

引張強さ

[ M

Pa

]

ヒートエージング温度 [°C]

120

110

100

90

80

22020018020

23の値は、アニーリングを行い、エージングしていない対照試験片を示す

図 5.6 8,000時間後の引張弾性率

引張弾性率

[ G

Pa

]

10

8

6

4

2

0

ヒートエージング温度 [°C]22020018020


図 5.7 8,000時間後の引張伸び

引張伸び率

[ %

]

ヒートエージング温度 [°C]

40

30

20

10

022020018020


図 5.8 8,000時間後のアイゾッド衝撃強さ

アイゾット衝撃強さ

[ J/

m ]

120

100

80

60

40

20

0

アイゾット衝撃強さ

[ ft-lb/in ]

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

ヒートエージング温度 [°C]22020018020



熱重量分析（TGA）熱重量分析は、小さい試験材料サンプルの温度を一定速度で上げながら、その重量を監視することで行います。雰囲気を制御し、試験は、空気や窒素などの不活性雰囲気中で行います。

機器は、通常は高精度天秤とサンプルを載せる皿（通常は白金製）で構成されています。温度を正確に測定するための熱電対を備えた電気加熱式小型オーブンにサンプルを入れます。分析の出力は重量対温度のプロットです。

キータスパイア® PEEKのKT-820 NTおよびKT-880 NTのグレードを、窒素と空気の両方の雰囲気内で分析しました。TGA曲線を図 5.9～5.12に示します。重量の減少が発生した温度を表 5.7に示します。このデータは、キータスパイア® PEEKが、材料の加工温度、または予測される使用温度よりも大幅に高い温度まで熱的に安定していることを示します。

図 5.9 空気中の KT-820の TGA

温度 [°C]

100

80

60

40

20

08000

質量

[ %

]

600400200

図 5.10 空気中の KT-880の TGA

温度 [°C]

100

80

60

40

20

08000

質量

[ %

]

600400200

図 5.11 窒素中の KT-820の TGA

温度 [°C]

100

80

60

40

20

08000

質量

[ %

]

600400200

図 5.12 窒素中の KT-880の TGA

温度 [°C]

100

80

60

40

20

08000

質量

[ %

]

600400200

表 5.7 TGAの結果

重量減少 %

温度、

KT-820 NT KT-880 NT

空気窒素空気窒素

1 513 523 518 534

2 536 530 537 542

5 551 542 550 552

10 559 551 557 559


燃焼特性空気の存在下でキータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）のようなポリマー材料に接炎させると、ある程度の燃焼が発生します。燃焼の程度と特性は、材料、着火源、雰囲気によって異なります。燃焼挙動を評価するためにさまざまな試験が開発されてきました。このセクションで報告するデータには、グローワイヤー、UL 94、酸素指数、および FAA 25.853試験の結果が含まれます。

グローワイヤー試験グローワイヤー試験では、電気加熱ワイヤーによるプラスチック絶縁材料の相対的な耐着火性を測定します。この試験では、不完全な、または過負荷状態での操作時に、露出した通電中の導体が絶縁体に接触したときの条件をシミュレートしています。この試験は UL 746A、セクション 34の一部ですが、IEC試験法60695-2-12、-13を参照します。

グローワイヤー試験装置は、肉厚ニッケル-クロム抵抗線ループ、熱電対、およびサンプル取付けブラケットで構成されます。試験中に電流はニッケル-クロム抵抗線ループを流れ、あらかじめ設定された温度に達します。ここでサンプルをワイヤーに 30秒間接触させます。サンプルを離した後、サンプルに炎や赤熱が観察されない場合、またはそれらが観察されても 30秒後に自己消火する場合は、サンプルは合格と評価されます。

この試験は、一つまたは複数の推奨温度、および必要な肉厚に適用できます。推奨する温度は、550、650、750、850、960です。厚みは、通常は設計または装置の要件により指定されています。グローワイヤー温度が高い場合や肉厚の薄い箇所では、着火を抑えるのが非常に困難です。

グローワイヤー着火温度（GWIT）は、3回の連続した試験で材料が着火しないグローワイヤー先端の最高温度よりも25高い温度（）として定義されています。

グローワイヤー燃焼温度（GWFI）は、3回の連続した試験で、試験片の発炎または赤熱がグローワイヤーを外してから 30秒以内に消え、燃焼落下物または粒子による着火の痕跡がない最高温度（）と定義されています。

表 5.8 キータスパイア® PEEKのグローワイヤー燃焼性

グレード厚み mm GWIT GWFI

KT-820 0.75 850 960

1.5 825 960

3.0 850 960

KT-880 0.75 825 960

1.5 825 960

3.0 850 960

KT-820 GF30 0.75 825 960

1.5 825 960

3.0 850 960

KT-880 GF30 0.75 825 960

1.5 825 960

3.0 850 960

KT-820 SL30 1.5 825 960

3.0 900 960


UL 94燃焼性アンダーライターズラボラトリーズにより確立された UL 94燃焼性規格は、プラスチック材料を耐燃焼性により分類できる体系です。プラスチック材料に与えられる燃焼性の評価は、実験室内で正確にコントロールされた条件下での熱および炎に対する材料の反応によって決まり、特定の用途での燃焼性に関する承認の暫定的な指標になります。熱および炎に対する熱可塑性樹脂の実際の反応は、その材料を使用した製品のサイズ、形状、エンドユーザーの使用法などの要素によって異なります。さらに、着火の容易さ、燃焼速度、炎の広がり、燃料の存在の有無、燃焼の激しさ、および燃焼生成物など、製品を実際に使用する場面での特性が、材料の燃焼性に影響を与えます。

3つの主要な試験方法は、UL 94規格の水平燃焼試験、50W（20 mm）試験炎による垂直燃焼試験、500W（125 mm）試験炎による垂直燃焼試験です。

水平燃焼試験94HBによる分類の評価では、射出成形された試験片は長さ125 mm、幅 13 mm、希望する評価の最小の厚みに制限されます。サンプルを水平位置にクランプし、試験片のクランプされていない側の端に 45°の角度で 30秒間、または試験片の端から 25 mmの事前に印を付けたラインに燃焼の先端が達するまで、20 mmの青炎を接炎させます。炎を離した後、燃焼の先端が 25 mmのラインから事前に印を付けた 100 mmのラインに移動するまでの燃焼の速度を計算します。少なくとも 3つの試験片をこの方法で試験します。プラスチックは、厚みが 3 mmを超える試験片で 40 mm/min、または厚み 3 mm未満の試験片で75 mm/minの燃焼速度を超えない場合、HBの評価を取得します。この格付けは、100 mmの基準マークまで燃焼しない製品にも適用されます。

50W（20 mm）試験炎による垂直燃焼試験材料は、垂直位置にクランプされたサンプルの燃焼から得られた結果に基づいて V-0、V-1、または V-2に分類できます。50W（20 mm）試験炎による垂直燃焼試験は HB試験よりも過酷で、長さ 125 mm、幅 13 mm、希望する評価の最小の厚み（通常は0.8 mmまたは 1.57 mm）のサンプルで行います。サンプルを垂直位置にクランプし、クランプした試験片の下端に高さ 20 mmの青炎を接炎します。10秒間接炎した後、炎を離します。試験片の燃焼が停止した場合は、さらに 10秒間接炎させた後離します。合計で 5つの試験片をこの方法で試験します。

表 5.9に、この試験での材料の分類基準を示します。

表 5.9 ULによる材料の V-0、V-1、または V-2の分類基準

基準の条件 V-0 V-1 V-2

個々の試験片の残炎時間（t1または t2）

≤ 10s ≤ 30s ≤ 30s

設定されたすべての条件の全残炎時間（5つの試験片の t1 + t2）

≤ 50s ≤ 250s ≤ 250s

2回目の接炎後の個々の試験片の残炎時間 + 残じん時間（t2 + t3）

≤ 30s ≤ 60s ≤ 60s

各試験片の保持クランプ位置までの残炎または残じん

なしなしなし

発炎物質または落下物による標識用綿の着火

なしなしあり

500 W（125 mm）試験炎による垂直燃焼試験500 W（125 mm）試験炎による垂直燃焼試験で確立された燃焼性の要件を満たす材料は 5VAまたは 5VBと評価されます。この試験は、説明する 3つの中で最も厳しい試験です。この試験に使用する成形した試験片の寸法は、50 W（20 mm）試験炎による垂直燃焼試験に使用したものと同じです。さらに、平板の寸法は 150 mm x 150 mmで、その用途に必要な最小および最大の厚みでなければなりません。試験片を垂直位置に保持し、高さ125 mmの炎を 5秒間接炎して 5秒間離す操作を 5回繰り返します。平板を水平姿勢でクランプし、試験片について説明したものと同じ燃焼時間を使用して、125 mmの高さの炎を下面に20°の角度で接炎します。表 5.10に、5VAまたは 5VBの評価を取得するために満たす必要のある基準を示します。

公開時のキータスパイア® PEEKグレードの UL 94による評価を表 5.11に示します。これらの評価は ULが提供するもので、変更されることがあります。現在の評価については、ULのウェブサイトをご覧ください。

表 5.10 ULによる材料の 5VAまたは 5VBの分類基準

基準の条件 5VA 5VB

5回目の接炎後の個々の試験片の残炎時間 + 残じん時間

≤ 60s ≤ 60s

いずれかの試験片からの発炎物質または落下物による標識用綿の発火

なしなし

いずれかの平板試験片の溶け落ち（穴）なしあり


表 5.11 キータスパイア® PEEKの UL94の等級

グレード厚み、mm UL94 の等級

KT-820 NT 1.6 V-0

0.8 V-1

KT-820 GF30 BG20 1.6 V-0

0.8 V-0

KT-880 GF30 BG20 1.6 V-0

0.8 V-0

KT-820 CF30 1.6 V-0

0.8 V-0

KT-880 CF30 1.6 V-0

0.8 V-0

KT-820 SL30 1.6 V-0

0.8 V-0

酸素指数ASTM D2863では、酸素指数は、この試験方法で規定された条件下で室温（開始時）における材料の発炎燃焼を維持できる、酸素と窒素の混合物中の酸素の最小濃度（体積パーセント）として定義されています。一般に空気には約 21% の酸素が含まれるため、酸素指数が 21よりも明らかに大きい材料は難燃性と見なされます。

試験方法酸素指数の値は、ASTM試験法 D2863に従い、寸法が長さ 70～150 mm、幅 6.5 mm、厚み 3.2 mmのタイプ IVの試験片を使用して測定しました。手順 A では上端面に着火します。試験方法には、類似した試験片と厚みを使用した結果に限り比較可能と記載されています。また、タイプ IVの試験片が最終的には販売停止となり、ISO 527引張り試験片の中心部分から得られるタイプ Iの試験片を使用できることについても記載があります。

結果キータスパイア® KT-820 NTの酸素指数は 36.8です。この値は、同一の試験片および厚みを使用して得られた値とだけ比較してください。

民間航空機の試験連邦航空局（Federal Aviation Administration）（FAA）は航空機の安全規制を行っており、航空機内装部品に使用する部品の燃焼性に関する規制を出しています。該当する規制は FAR 25.853です。この規制の適合性認証専用の試験方法が CFRタイトル 14の付録 Fに記載されています（このセクションでは以降、付録 Fと記載）。

キータスパイア® PEEKは、航空機メーカーによって民間航空機向けの部品要件を満たすと見なされているため、FAR 25.853および一部の民間航空機メーカーの仕様に適合することを示す目的で、付録 Fに従って試験を実施してきました。該当する試験は、垂直燃焼、煙濃度、毒性ガス放出、および発熱性です。

垂直燃焼この試験の詳細は、付録 Fのパート 1に規定されています。垂直試験片をバーナーの炎に 60秒間接炎させます。炎を離し、接炎時間、延焼長、落下物の発炎時間（発炎した場合）を記録します。使用した試験片の寸法は 76 x 305 x 2 mmでした。

結果を表 5.12に示します。一部の内装パネルの延焼長要件は6インチ未満、他の一部の部品の要件は 8インチ未満です。試験を行ったキータスパイア® グレードの延焼長は 2インチ以下で、要件を十分に満たしました。

表 5.12 キータスパイア® PEEKの垂直燃焼

グレード燃焼時間

sec燃焼長インチ

最長の燃焼粒子

sec 評価

KT-820 NT 0 1.5 なし合格

KT-820 GF30 0 2.0 なし合格

KT-880 NT NR NR NR NR

KT-880 GF30 0 1.3 なし合格

KT-880 CF30 0 1.4 なし合格

NR = 推奨しない

煙濃度この試験は付録 FのパートVに記載されています。試験はASTM E662の燃焼モードに従って実施します。試験チャンバーは米国国家標準局（NBS）で開発され、1967年に初めて記載されました。多くの場合、この試験とチャンバーは NBS煙濃度試験およびチャンバーと呼ばれます。特有光学煙密度の最大許容値は、4分で 200です。

この試験では、絶縁セラミックチューブ内部に取り付けた電気加熱式の放射エネルギー源を使用します。この試験方法では厚みが最大 25 mmの試験片を使用できます。使用した試験片は、公称寸法が 76 x 76 x 2 mmの正方形でした。試験片ホルダーが試験片の端を覆うため、露出部分は 65 x 65 mmです。6管式バーナーを使用して、試験片の露出部分の下端に一列の火炎を接炎します。垂直の光路を使用して、光透過率を光度計で測定します。測定した光透過率から特有光学煙密度を計算します。得られた値は試験片の厚みと試験片アセンブリーに固有のもので、比較は類似した試験片の間のみで有効です。


材料ごとに 3つの試験片を試験しました。表 5.13に示した値はこの 3つの値の平均値です。

表 5.13 キータスパイア® PEEKの煙濃度

グレードDs

1.5 Min.Ds

4.0 Min.Ds

最大値Dmaxの時間評価

KT-820 NT 0 2 2 3.1 合格

KT-880 NT 1 2 2 2.3 合格

KT-820 GF30 1 1 2 3.4 合格

KT-880 GF30 0 2 2 3.4 合格

KT-880 CF30 1 2 2 2.2 合格

毒性ガス放出毒性ガス放出の測定と制御についての記述は FAR 25.853にはありません。ただし、主要航空機メーカー 2社が毒性ガス放出の測定試験を確立しています。いずれの試験でも、煙濃度試験時に NBS煙チャンバーで生成されたガスを使用します。燃焼モードで 4分後に放出されたガスを収集し、6種類の毒性物質を調べます。

キータスパイア® PEEKの毒性ガス試験の結果を表 5.14に示します。すべての値は、主要航空機メーカーが指定した限界を大きく下回っています。

表 5.14 キータスパイア® PEEKの毒性ガス試験の結果

グレード HCN CONO/NO2 SO2 HF HCl

KT-820 NT < 1 25 1 < 1 < 1 < 1

KT-880 NT < 1 50 1 < 1 < 1 < 1

KT-880 GF30 < 1 25 1 < 1 < 1 < 1

KT-880 CF30 < 1 25 1 < 1 < 1 < 1

KT-820 GF30 < 1 90 2 < 1 < 1 < 1

KT-820 GF30 < 1 90 2 < 1 < 1 < 1

発熱速度（OSU）OSU（オハイオ州立大学発熱試験）発熱速度の試験は、付録 Fのパート IVに記載されています。FAR 25.283への適合要件は、平均合計発熱量が 65 kW-min/m2 を超えず、平均ピーク発熱速度が 65 kW/m2 を超えないことです。

したがって、試験方法は次のようにまとめることができます。一定量の空気が通過する環境チャンバーに試験片を導入します。3.5 W/cm2 の熱流束を生成するように放射熱源を調整します。試験片を垂直に置き、導点火により燃焼を開始します。チャンバーから排出される燃焼生成物を監視し、発熱速度を計算します。

この装置は ASTM E906の発熱装置の改変版です。使用した試験片の公称サイズは 150 x 150 x 2 mmで、材料ごとに 3つの試験片を試験しました。

表 5.15の結果は、キータスパイア® PEEK強化グレードが一貫して要件に適合することを示します。

表 5.15 キータスパイア® PEEKの OSU発熱試験の結果

グレード総発熱量

kW-min/m2ピーク発熱速度

kW/m2 評価

KT-820 NT NR NR

KT-880 NT NR NR

KT-880 GF30 0 50 合格

KT-880 CF30 0 15 合格

KT-820 GF30 4 33 合格

NR = 推奨しない


電気特性

熱可塑性樹脂の多くの用途では、樹脂の電気絶縁体としての機能を活用していますが、静電荷の散逸機能が望ましい場合もあります。ほとんどのベースポリマーは電気絶縁体ですが、添加剤を使用して幅広い電気特性を持たせることができます。電気用途での材料の特定の性能を測定するために多様な試験が開発されています。一般的な試験の一部をここで簡単に説明します。

絶縁破壊電圧および耐力絶縁耐力は、材料が絶縁破壊なしに高電圧に耐える能力の尺度です。これは、二つの電極の間に試験片を置き、絶縁破壊が発生するまで印加電圧を上げることで測定します。このセクションのデータは、ASTM試験法 D149、方法 A（短時間法）を使用し、電圧上昇速度 500 V/sで取得したものです。絶縁耐力は、破壊電圧を試験片の厚みで割ることで計算し、kV/mmで表します。結果は kV/mmで報告されますが、絶縁耐力は厚みの線形関数にはなりません。さらに、水分含量と温度も結果に影響を与えます。したがって、さまざまな材料のデータは、サンプルの厚み、水分含量、および試験温度が等しい場合にのみ比較が可能です。

国際電気標準会議（IEC）試験法 60243は、本質的には等価の方法です。

複数のキータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）グレードの絶縁耐力を表 6.1に示します。厚みの影響が明らかに見られ、厚みが 3 mm から 0.05 mmに減少すると、10倍以上増大します。

表 6.1 キータスパイア® PEEKの絶縁耐力

グレード厚み mm

絶縁耐力 kV/mm

KT-820 NT 3.2 15.2

KT-820 NT 0.05 197

KT-851 0.05 197

KT-880 NT 3.2 15.1

KT-820 GF30 BG20 3.2 17.0

KT-880 GF30 BG20 3.2 16.2

体積抵抗率材料の体積抵抗率は、材料の単位立方体の電気抵抗と定義されています。体積抵抗率が大きい材料は、絶縁部品としてより効果的です。使用した試験方法は、高絶縁材料に適した ASTM D257 でした。絶縁抵抗は印加電圧と帯電時間によって異なります。このセクションのデータには、印加電圧 500 VDC、帯電時間 60秒間の標準条件を使用しました。

炭素繊維強化グレードはこの方法では試験を行いませんでした。これは、これらのグレードが中程度の導電性を持っており、このタイプの材料には別の試験方法が指定されているからです。

体積抵抗率は、特に温度と湿度の変化の影響を受けます。異なる材料のデータは、水分含量と温度が等しい場合にのみ比較が可能です。抵抗が 108 Ωcmを超える材料は絶縁体と見なされ、103～108 Ωcmの材料は半導体です。

IEC試験法 60093は本質的には等価の試験方法で、電極の形状、印加電圧、帯電時間、水分含量、および温度が等しい場合に比較可能な結果を提供します。

複数のキータスパイア® PEEKグレードの体積抵抗率および表面抵抗率を表 6.2に示します。

表 6.2 キータスパイア® PEEK の体積抵抗率および表面抵抗率

グレード体積抵抗率

Ωcm表面抵抗率

Ω

KT-820 NT 1.6 x 1017 > 1.9 x 1017

KT-851 NT 2.5 x 1017 > 1.9 x 1017

KT-880 NT 3.8 x 1017 > 1.9 x 1017

KT-820 GF30 BG20 1.9 x 1017 > 1.9 x 1017

KT-880 GF30 BG20 3.8 x 1017 > 1.9 x 1017


表面抵抗率材料の表面抵抗率は、試験片の表面に置いた二つの電極間の電気抵抗です。体積抵抗率に使用したものと同じ試験方法、ASTM D257 を表面抵抗率にも使用します。材料に 500 VDCの電圧を1分間印加し、材料の表面を通る電流を測定します。実際にはある有限厚の材料に電流が通っていますが、この厚みは測定不可能なため、この特性は近似測定値です。表面抵抗率は表面の汚染物質の影響を受けるため、基本的な材料特性とは見なされません。この試験のデータは、表面漏れ電流が問題になる用途に使用する材料の比較に最適です。

前述のように、IEC試験法 60093は本質的には等価の試験方法で、電極の形状、印加電圧、帯電時間、水分含量、および温度が等しい場合に比較可能な結果が得られます。

誘電率絶縁材料は、以下の全く異なる二つの目的で使用されます。第一は部品を支えて互いに絶縁する目的であり、第二は誘電体として機能させる目的です。材料の誘電率すなわち比誘電率は、試験材料を絶縁体として使用しているコンデンサーと、絶縁体ではなく真空を使用した同じコンデンサーの電気容量の比と定義されています。最初の目的では誘電率が低い方が好まれます。第二の目的では、高い誘電率によってキャパシターを物理的に小さくすることができます。

誘電率の測定は ASTM D150に従って行いました。厚みが約3.1 mmの試験片の電気容量とAC抵抗を測定しました。試験は複数の周波数で行います。誘電率は温度または水分含量が増えるにつれ急激に変化することがわかっているため、異なる材料のデータは、水分含量と温度が等しい場合にのみ比較が可能です。

試験法 IEC 60250は ASTM D150に非常に類似しており、電極のタイプ、電極の形状、および電気容量の測定装置が同一の場合は、類似した結果が得られるはずです。

誘電正接誘電正接（損失正接またはタンデルタとも呼ばれる）は、誘電損失、または交流電流が絶縁材でエネルギーを失ったときの散逸エネルギーの尺度です。一般に、低い誘電正接は優れた絶縁材料に相当するため、好ましいものとされています。

絶縁耐力に使用したものと同じ ASTM試験法 D150を誘電正接に使用します。この場合も複数の周波数で測定します。この場合も、IEC 60250が等価の試験方法と考えられます。

汚染物質、試験周波数、温度、および湿度が誘電正接に影響を与えることがあります。室温で測定した複数のキータスパイア® PEEKグレードの誘電率および誘電正接を表 6.3に示します。

表 6.3 キータスパイア® PEEKの誘電率および誘電正接

グレード周波数誘電率誘電正接

KT-820 NT 60 Hz 3.06 0.001

103 Hz 3.10 0.001

106 Hz 3.05 0.003

KT-880 NT 60 Hz 3.10 0.001

103 Hz 3.01 0.001

106 Hz 3.07 0.003

KT-820 GF30 BG20 60 Hz 3.44 0.001

103 Hz 3.44 0.001

106 Hz 3.41 0.003

KT-880 GF30 BG20 60 Hz 3.53 0.002

103 Hz 3.53 0.002

106 Hz 3.49 0.004

UL 746A短期特性アンダーライターズラボラトリーズ（UL）規格 746A「Standard for Polymeric Materials Short-Term Property Evaluations」には特定の電気特性が含まれます。これらの特性の多くは「パフォーマンスレベルカテゴリー」（PLC）で報告されます。UL は、特性ごとに試験結果の範囲と対応するパフォーマンスレベルカテゴリーを指定しています。望ましい、または最高の性能には PLC 0が割り当てられます。したがって、PLCの数値が小さいほど、その試験での性能が高いことを示します。特性と割り当てられた PLC について次のセクションで説明します。キータスパイア® PEEKの値とPLCを表 6.10に示します。

高電圧低電流耐アーク性 - ASTM D495この試験では、徐々に過酷になる指定のテストシーケンスで12,500 Vのアークを発生させ、導電路またはトラックの形成により材料表面の 2本のタングステン棒電極間が導通するまでの時間を秒単位で測定します。この試験の目的は、高い電圧と、通常は0.1 A未満に制限された電流で作動する交流電流回路での使用条件を模擬的に再現することです。表 6.4に、耐アーク性と、ULによって割り当てられたパフォーマンスレベルカテゴリーの関係を示します。


表 6.4 高電圧低電流耐アーク性のパフォーマンスレベルカテゴリー（PLC）

値の範囲、sec

割り当てられた PLC≥ <

420 0

360 420 1

300 360 2

240 300 3

180 240 4

120 180 5

60 120 6

0 60 7

耐トラッキング指数（CTI） – ASTM D3638耐トラッキング指数は、30秒ごとに 1滴の速度で電解質を 50滴滴下したときに永続的な炭化導電路を形成する電圧と定義されています。この試験では、トラッキングに対する絶縁材料の感受性を測定します。表 6.5に、得られた電圧とPLCの関係を示します。

表 6.5 耐トラッキング指数のパフォーマンスレベルカテゴリー

値の範囲、V

割り当てられた PLC≥ <

600 X 0

400 600 1

250 400 2

175 250 3

100 175 4

0 100 5

高電圧アークトラッキング速度（HVTR）この試験では、絶縁材料が高電圧低電流アークを繰り返し受けたときに、その材料表面に目視可能な炭化導電路（トラック）がどの程度容易に形成されるかを測定します。高電圧アークトラッキングの値は、標準化された試験条件下で材料の表面に導電路が生成される速度（mm/min単位）です。この試験では高圧電源の誤動作をシミュレートします。得られた値が低いほど性能が優れていることを意味します。表 6.6に、HVTRの値および対応するPLCを示します。

表 6.6 高電圧アークトラッキング速度のパフォーマンスレベルカテゴリー

値の範囲、mm/min

割り当てられた PLC> ≤

0 10 0

10 25.4 1

25.4 80 2

80 150 3

150 4

ホットワイヤーイグニッション（HWI） - ASTM D3874この試験では、電気加熱したワイヤーによる着火に対するプラスチック材料の相対的な耐性を測定します。指定の条件下で試験片の一部にヒーターワイヤーを巻き付け、0.26 W/mmの線出力密度でワイヤーに電流を流します。着火が起きるまで電流を一定に維持し、着火までの時間を記録します。

特定の動作または誤動作条件下では、部品は異常に熱くなります。このような過熱部品が絶縁材料に密着していると、絶縁材料が着火することがあります。この試験の目的は、このような条件下での絶縁材料の相対的な耐着火性を確認することです。表 6.7に、ホットワイヤーイグニッション時間と割り当てられた PLCを示します。

表 6.7 ホットワイヤーイグニッションのパフォーマンスレベルカテゴリー

値の範囲、sec

割り当てられた PLC< ≥

120 0

120 60 1

60 30 2

30 15 3

15 7 4

7 0 5

高電流アーク着火性（HAI）この試験では、アークを発生した電源による着火に対する絶縁材料の相対的な耐性を測定します。特定の条件下では、絶縁材料がアークの近くに置かれることがあります。アークの強度や継続時間の条件が厳しい場合は、絶縁材料が着火することがあります。この試験では、着火するか穴が形成されるまでに必要な材料表面での 240 V、32.5 Aのアークの回数を測定します。電極間の距離を 254 mm/secの速度で広げます。アークの最大使用回数は 200です。


表 6.10 キータスパイア® PEEKの UL 746Aの特性値とパフォーマンスレベルカテゴリー

キータスパイア® のグレード最小厚み、mm

HWI sec（PLC）

HAI sec（PLC）

CTI （PLC）

HVTR mm/min（PLC）

HVLCAR D495 sec（PLC）

KT-820 0.75 63（1） 143（1）

0.87 （1）（1）

1.5 72（1） 150（1）

3.0 93（1） 119（1）（4） 123.9（3） 115.4（6）

KT-850 0.75 （3）（1）

0.85 （3）（1）

1.5 （1）（1）

3.0 （1）（1）（4）（3）（6）

KT-880 0.75 19（3） 112（1）

0.85 （3）（1）

1.5 61（1） 116（1）

3.0 113（1） 70（1）（4） 122.8 118.8（6）

KT-820 GF30 0.75 138（2） 12（4）

0.83 （2）（4）

1.5 55（2） 7（4）

3.0 108（1） 8（4）（4） 201.7（4） 98.4（6）

KT-880 GF30 0.75 40（2） 3（4）

0.85 （2）（4）

1.5 59（2） 5（4）

3.0 105（1） 8（4）（4） 188.9（4） 98.4（6）

KT-820 SL10 0.75 （2）（2）

1.5 （1）（2）

3.0 （0）（2）

KT-820 SL30 0.75 36（2） 43（2）

1.5 89（1） 41（2）

3.0 127（0） 33（2）

表 6.8 高電流アーク着火性のパフォーマンスレベルカテゴリー

着火までに必要なアークの数の平均

割り当てられた PLC< >

120 0

120 60 1

60 30 2

30 15 3

15 7 4

7 0 5

この試験では、アーク近傍にある絶縁材料の性能を測定します。

表 6.8に、高電流アーク着火性の値と、ULによって割り当てられたパフォーマンスレベルカテゴリーの関係を示します。

高電圧アーク着火性この試験では、高電圧低電流アークに材料が曝されたときの材料の耐着火性、または目に見える炭化導電路がどの程度容易に形成されるのかを測定します。高電圧アークの発生は、着火まで、試験片が焼けて穴が空くまで、または 5分間継続します。着火した場合は、着火までの時間を報告します。着火しない場合は、300を超える値を報告します。

着火までの平均時間とパフォーマンスレベルカテゴリーとの関係を表 6.9に示します。

表 6.9 高電圧アーク着火性のパフォーマンスレベルカテゴリー

着火までの平均時間、sec

割り当てられた PLC< >

300 0

300 120 1

120 30 2

30 0 3


耐環境性および耐薬品性

キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）には、多様な化学薬品や最終使用環境との適合性があり、市販されているうちで耐薬品性が非常に高い樹脂の一つと見なされています。この特長と傑出した安定性により、この製品は、航空機関連、自動車、化学プロセス、医療、石油・ガス、電気／電子部品、エネルギー、その他の産業用途に魅力的な材料です。

このセクションには、この製品の幅広い耐薬品性および耐環境性を確認する複数の試験プログラムの結果をまとめています。試験の溶媒や手段として、有機溶剤、酸および塩基、工業用流体、航空機用流体、自動車用流体、複数の滅菌処理法（ガンマ線照射からオートクレーブ処理まで）、促進屋外耐候性試験などが含まれます。

耐薬品性キータスパイア® PEEK は優れた耐薬品性を有し、多くの一般的な試薬や産業固有の流体に適合します。化学薬品との適合性を、応力を加えた条件と加えない条件の両方で評価しました。

表 7.1 適合性評価システム

A 優ほとんど、またはまったく影響なし

B 良大きな特性の損失なし

C 可いくつかのマイナスの影響あり、一部の有効な特性を保持

D 不可重大な影響または破断あり

浸漬試験応力なしで化学薬品との適合性を評価するために、ASTM D638 タイプ 1 に準拠した引張り試験片を計量し、室温で流体に 30日間浸漬しました。30日後に、試験片をこの環境から取り出し、洗い流し、拭き、再度計量しました。試験片を ASTM D618に従って調整し、引張強さおよび伸びを測定し、浸漬しない場合の値と比較しました。外観の変化も記録しました。

表 7.2に示した応力なしの試験結果は、この製品が、室温で試験対象のすべての試薬に対して傑出した耐薬品性を有することを示しています。

表 7.2 無応力時の室温におけるキータスパイア® KT-820 NTの適合性

環境重量変化

%降伏時引張強さの保持率

%弾性率の保持率

% 評価

水性酸および塩基

塩酸、37 % 0.26 99 101 A

硝酸、10% 0.27 99 99 A

硝酸、30 % 0.25 100 100 A

硫酸、20 % 0.27 99 102 A

硫酸、50 % 0.03 101 99 A

水酸化カリウム、45 % 0.03 101 101 A

有機溶剤

アセトン 0.02 101 101 A

シクロヘキサン 0.01 101 100 A

エタノール 0.10 103 105 A

酢酸エチル - 0.03 100 100 A

塩化メチレン 1.37 94 100 A

メチルエチルケトン - 0.04 101 99 A

トルエン 0.01 99 98 A

1,1,1-トリクロロエタン - 0.01 101 98 A

工業用流体

Dexron III 自動車用トランスミッションオイル 0.31 95 97 A

ブレーキ液（DOT 3） - 0.11 95 97 A

SAFE-CORを加えた CaCl3かん水 0.00 95 97 A

モーターオイル（10W-30） 0.09 95 97 A


応力試験一部のプラスチック材料は、応力を加えると化学薬品の攻撃に対する感応性が上がります。この現象は、成形条件による高い残留応力を持つポリマーや、使用時に高い応力を受けるポリマーで頻繁に問題になります。この評価の応力レベルは、通常成形で生じるものよりも大幅に高くなります。

キータスパイア® PEEKの耐薬品性に対する外部付加応力の影響を評価するために、図 7.1に示す半径可変のひずみ治具を使用しました。この治具には、治具上の位置とその点における曲率半径を関連付ける番号が付いています。治具上の番号と試験片の厚みを使用して、任意の点におけるひずみを計算できます。材料のひずみと引張弾性率から対応する応力を計算できます。

図 7.1 半径可変の治具

試験の前に、試験片を 200で 2時間アニーリング処理しました。試験片を治具にクランプし、そのアセンブリーを試験溶液に 24時間浸漬しました。1時間後と24時間後に、強い照明と高い倍率を使用してクレージングを検査しました。この試験に使用した試験片の寸法は 127 x 12.7 x 3.2 mmでした。

この試験片では、この治具で使用可能な最大ひずみは 2 %です。クレージングが観察されなかった場合は、臨界ひずみが 2%より大きいと判断しました。これは、事実上、試薬による応力割れが発生しないということを意味します。

クレージングが観察された場合は、クレージングが発生した治具上の最も小さい数字を記録します。この値と試験片の厚みから、付加されたひずみを計算し、臨界ひずみと定義しました。そのひずみと弾性率から発生した臨界応力を計算しました。その臨界ひずみよりも小さいひずみではクレージングは観察されません。

この試験の結果を表 7.3 に示します。

輸送用流体に対する耐性キータスパイア® PEEKと、輸送産業で使用されるさまざまな流体との適合性を評価し、特定の最終使用要件への適合を確認しました。これらの評価の結果をこのセクションに示します。明らかにわかるように、対象のすべての流体とすべての PEEKグレードを網羅しているわけではありません。一般に、キータスパイア® PEEKは、指定の条件下で試験した輸送用流体では劣化しませんでした。他の流体との適合性や他のグレードについては、ソルベイの担当者にお問い合わせください。

航空機用流体

Skydrol® LD-4油圧オイルキータスパイア® PEEKとSkydrol® LD-4リン酸エステル油圧オイルとの適合性は、民間航空機プロトコルを使用して確認しました。試験結果を表 7.4に示します。いずれのキータスパイア® PEEKグレードにも、Skydrol® LD-4への曝露による悪影響はなく、したがって Skydrol® LD-4と適合性があると見なすことができます。

試験手順

射出成形した ASTM D638タイプⅠ試験片を Skydrol® LD-4に 7日間室温で浸漬することで、引張特性を試験しました。7日後にサンプルを取り出し、水で洗い流してタオルで乾燥させ、ASTM D618に従って調整した後、ASTM D638に従って引張強さと引張弾性率を試験しました。

127 x 12.7 x 3.2 mmの射出成形した試験片を使用して曲げ特性も同様に評価し、ASTM D790に従って強度と弾性率を試験しました。

応力下での耐薬品性は、アニーリング処理していない 127 x 12.7 x 3.2 mmの試験片を半径 127 mmの治具にクランプして確認しました。試験片の表面に綿棒で Skydrol® LD-4油圧オイルを塗布しました。1時間後、および 2時間後にオイルの塗布を繰り返しました。24時間後に試験片の割れ、亀裂、膨潤を目視検査しました。

ジェット燃料 Jet A/A-1（ASTM D1655）キータスパイア® PEEKとジェット燃料 Jet A/A-1との適合性は、民間航空機プロトコルを使用して確認しました。表 7.5に試験結果を示します。試験したいずれのキータスパイア® PEEKグレードにも、ジェット燃料 Jet A/A-1への曝露による悪影響はなく、したがって室温でジェット燃料 Jet A/A-1と適合性があると見なすことができます。


表 7.3 応力下のキータスパイア® KT-820 NTの化学適合性

薬品臨界ひずみ

%臨界応力

MPa

有機溶剤

アセトン 1.03(1) 38

シクロヘキサン > 2 影響なし > 73

エタノール > 2 影響なし > 73

酢酸エチル 0.97 35

塩化メチレン > 2 影響なし > 73

メチルエチルケトン 1.03(1) 38

トルエン 1.03(1) 38

1,1,1-トリクロロエタン > 2 影響なし > 73

水性酸および塩基

硫酸、20 % > 2 影響なし > 73

硫酸、50 % > 2 影響なし > 73

塩酸、37 % > 2 影響なし > 73

水酸化カリウム、45 % > 2 影響なし > 73

(1) 表面に軽いクレージングのみ

表 7.4 キータスパイア® PEEKと Skydrol® LD-4の適合性

キータスパイア® KT-820 NT



BG20


BG20キータスパイア® KT-880 CF30

特性コントロール曝露

コントロール曝露




引張強さ MPa

96 94 96 96 165 165 186 185 238 241

引張弾性率 GPa

3.73 3.78 3.83 3.85 10.8 10.9 11.2 11.3 23.9 23.8

曲げ強さ MPa

148 152 156 159 265 270 282 287 349 349

曲げ弾性率 MPa

3.79 3.92 3.88 4.02 10.0 10.3 10.5 10.6 20.2 20.2

応力下での耐薬品性影響なし影響なし影響なし影響なし影響なし

表 7.5 キータスパイア® PEEKとジェット燃料 Jet A/A-1との適合性



キータスパイア® KT-820

GF30 BG20


GF30 BG20キータスパイア® KT-880 CF30

特性コントロール

曝露コントロール




曝露

引張強さ MPa

96 95 96 96 165 164 186 185 238 240

引張弾性率 GPa

3.73 3.76 3.83 3.88 10.8 10.8 11.2 11.3 23.9 23.8

曲げ強さ MPa

148 150 156 159 265 271 282 285 349 347

曲げ弾性率 MPa

3.79 3.89 3.88 4.01 10.0 10.2 10.5 10.6 20.2 20.1

応力下での耐薬品性影響なし影響なし影響なし影響なし影響なし


表 7.6 ATFに浸漬したキータスパイア® KT-820 NT

時間

特性 0 500 1,000 2,000 3,000

降伏時引張強さ MPa

99 104 104 103 105


5.2 4.8 4.8 4.8 4.8

破断時引張強さ MPa

77 77 78 76 79

破断時公称ひずみ %

19 14 13 14 16

引張弾性率 GPa

3.7 3.7 3.7 3.8 3.8

曲げ強さ MPa

154 165 165 161 165

曲げ弾性率 GPa

3.8 4.1 4.1 3.9 4.0

試験手順

射出成形した ASTM D638タイプⅠ試験片をジェット燃料に 7日間室温で浸漬することで、引張特性を試験しました。7日後にサンプルを取り出し、水で洗い流してタオルで乾燥させ、ASTM D618に従って調整した後、ASTM D638に従って引張強さと引張弾性率を試験しました。

127 x 12.7 x 3.2 mmの射出成形した試験片を使用して曲げ特性も同様に評価し、ASTM D790に従って強度と弾性率を試験しました。

応力下での耐薬品性は、アニーリング処理していない 127 x 12.7 x 3.2 mmの試験片を半径 127 mmの治具にクランプして確認しました。試験片の表面に綿棒でジェット燃料 A/A-1を塗布しました。1時間後、および 2時間後にオイルの塗布を繰り返しました。24時間後に試験片の割れ、亀裂、膨潤を目視検査しました。

自動車用流体

自動車用トランスミッションオイルキータスパイア® PEEKと自動車用トランスミッションオイル（ATF）の長期高温適合性を、Dexron® VI ATFを 150で使用して評価しました。キータスパイア® KT-820 NTおよび KT-820 CF30を評価しました。結果を表 7.6および 7.7に示します。データの確認により、いずれのキータスパイア® PEEK グレードも、150で 3000時間（125日間）トランスミッションオイルに浸漬しても劣化しないことがわかりました。

表 7.7 ATFに浸漬したキータスパイア® KT-820 CF30

時間

特性 0 500 1,000 2,000 3,000


212 217 216 218 218

破断時公称ひずみ %

2.2 2.0 2.0 2.0 2.0

引張弾性率 GPa

19.4 19.8 19.6 19.9 19.6

曲げ強さ MPa

320 318 319 309 321

曲げ弾性率 GPa

17.4 17.8 18.1 17.1 18.2

試験手順

127 x 12.7 x 3.2 mmの射出成形した試験片とASTM D638のタイプ Iに準拠し、射出成形した試験片を Chrysan Industries社の Dexron® VI ATFに浸漬しました。浸漬の前に、試験片を150で 3.5時間アニーリング処理しました。この流体を 150まで加熱し、指定された時間が経過するまで温度を 150 ± 5で制御しました。500 時間後に流体を室温まで冷却し、試験片を取り出しました。次に流体を再加熱し、流体の温度が設定点に達したときに時計を再びスタートしました。このプロセスを 1,000時間後および 2,000時間後に繰り返しました。3,000時間後に流体を再び室温まで冷却し、残りのサンプルを取り出しました。

時間間隔ごとに試験片をタオルで拭き、ASTM D618 に従って調整しました。引張特性は ASTM試験法 D638を使用して測定しました。試験特性の試験時に、伸びの値が比較的小さい場合は伸縮計を使用しました。一部のサンプルの伸びが伸縮計の能力を超えたため、クロスヘッドの分離によって伸びの値を取得しました。このような場合は、値を破断時みかけひずみとして示します。

曲げ特性は ASTM試験法 D790を使用して測定しました。一部の試験片の質量と厚みを測定して、流体の吸収を調べました。

浸漬したサンプルから得られた値を、浸漬していないサンプルの値と比較しました。


自動車用ブレーキ液キータスパイア® KT-880 NTおよび KT-880 CF30 PEEKと自動車用ブレーキ液との適合性を、Hydraulan® 404 DOT 4ブレーキ液を使用して 150で評価しました。結果を表 7.8および 7.9に示します。3,000時間後、キータスパイア® PEEK樹脂の機械特性に劣化はありません。

表 7.8 ブレーキ液に浸漬したキータスパイア® KT-880 NT

時間

特性 0 1,000 2,000 3,000

降伏時引張強さ MPa

106 108 107 101


5.5 4.6 4.2 3.9


85 76 72 82


11 12 15 12

引張弾性率 GPa

4.0 4.2 4.3 4.2

曲げ強さ MPa

122 131 132 129

曲げ弾性率 GPa

3.7 3.9 3.9 3.8

アイゾット衝撃強さ、ノッチ付き kJ/m2

6.4 4.6 4.4 4.8

表 7.9 ブレーキ液に浸漬したキータスパイア® KT-880 CF30

時間

特性 0 1,000 2,000 3,000


227 227 230 223


1.5 1.5 1.4 1.4

引張弾性率 GPa

21.6 21.6 22.3 23.4

曲げ強さ MPa

322 317 309 312

曲げ弾性率 GPa

18.4 19.4 19.7 19.1

アイゾット衝撃強さ、ノッチ付き kJ/m2

6.2 5.9 5.7 5.8

試験手順

キータスパイア® PEEKと自動車用ブレーキ液との適合性を評価するために、Hydraulan® 404 DOT 4ブレーキ液を使用した試験プログラムを実行しました。ISO試験法 527の寸法に準拠した試験片を流体に浸漬し、この流体を 150まで加熱しました。1,000時間後に流体を室温まで冷却し、試験片を取り出してタオルで拭き、ISO試験法 527を使用して引張特性を、ISO試験法 178を

使用して曲げ特性を、ISO試験法 180を使用して衝撃特性を試験しました。試験片の計量と測定も行いました。得られたデータを、ブレーキ液に浸漬していないサンプルから得られたデータと比較しました。次に流体を 150まで再加熱し、ここで計時を再開しました。2,000時間後に流体を再び室温まで冷却し、試験片を取り出して試験しました。次に流体を再加熱して、その後 1,000時間保持し、ここで流体を冷却して残っている試験片を取り出しました。

モーターオイル165におけるキータスパイア® KT-820 NT PEEKと代表的なモーターオイルとの適合性を 1,000時間の浸漬によって評価しました。表 7.10に示した結果は、PEEKが曝露によって劣化しないことを示しています。

表 7.10 モーターオイルに浸漬したキータスパイア® KT-820 NT

時間

特性 0 500 1,000


75 75 73


32 17 15

曲げ強さ MPa

116 124 127

曲げ弾性率 GPa

3.6 3.7 3.7

シャルピー、ノッチ付き 23、kJ/m2

5.7 5.9 5.9

シャルピー、ノッチ付き -40、kJ/m2

6.0 6.4 5.4

試験手順

選択したモーターオイルは Exxon-Mobil 5W-30 SM/GF4でした。ISO 527に準拠した試験片をモーターオイルに浸漬し、温度を 165まで上げました。試験時間は 1,000時間でした。サンプルを定期的に取り出し、機械特性を室温で測定しました。引張特性は ISO 527、曲げ特性は ISO 178、シャルピー衝撃強さはISO 179にそれぞれ従って試験しました。

石油・ガス流体に対する耐性石油・ガス産業の用途はポリマーにとって課題の多いものです。多くの場合、油井で発生する流体やガスには腐食性があり、化学的に活性が高く、毒性や引火性があり、高温で圧力がかかっています。この業界では多くの場合、ピストンリング、シール、バックアップ構造、バルブプレート、バルブシートなどのシーリング部品にポリマーを使用します。また、この業界で機械または電気的用途に使用されるポリマーは、このような過酷な環境に曝されることが多くあります。キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）は傑出した熱安定性、耐薬品性、および機械特性を有するため、石油・ガス関連の用途に適切な候補材料です。

多くの場合、発生する流体およびガスには高濃度の硫化水素（H2S）が含まれ、これらの特徴はサワーと呼ばれます。硫化水素がほとんど、またはまったく含まれない同じストリームはスイートと見なされます。


世界の炭化水素産出地域の多くがサワーなので、近年、サワーサービスで使用するポリマーの性能を理解する必要性が増加しました。サワーガスの再注入に関連する環境および安全規制への準拠に加え、生産の増加やメンテナンスコストの削減がますます重要になっています。

試験手順Norwegian Oil Industry Association が他の団体と協力して、油田環境で使用する非金属製シーリング材料の認定規格 NORSOK M-710を確立しました。この規格は、石油・ガス産業で、油田用途で使用するポリマー材料のスクリーニングと選択に広く使用されています。この規格は、試験手順と認定基準を規定しています。ベースライン基準の設定に加えて、使用寿命をアレニウスの式から求めることを提案しています。

Materials Engineering Research Laboratory Limited社（イギリス、ハートフォードシャー州ヒッチン）は、キータスパイア® PEEKを含むさまざまな材料に対するサワー環境の影響に関する長期的な調査（MERL JIP SOUR2）を完了しました。

この調査の目的は、NORSOK M-710規格の要件よりも過酷なさらに長期の試験を実施することであったため、試験条件を変更しました。この規格で指定された有機流体成分は、体積比で 70 %のヘプタン、20 %のシクロヘキサン、10 %のトルエンが含まれる混合物です。この混合物は一般に NORSOKオイルと呼ばれ、シミュレート生産流体の 60%として使用しました。指定されている水性流体成分は蒸留水です。このプログラムの水性成分は15%の塩が含まれる水であり、シミュレート生産流体の 10%として使用しました。最後の成分であるガス相は、サワーサービスの場合、3%の二酸化炭素、2%の H2S、95%のメタンと規定されています。このプログラムでは H2S を 20 % まで上げ、二酸化炭素とメタンの混合物の代わりに、残りの成分として窒素を使用しました。このプログラムで使用したスイートサービスのガス成分は窒素だけでした。スイート条件とサワー条件のいずれでも、シミュレート生産流体は 60 %の NORSOKオイル、10 %の水相、30 %のガス相で構成されていました。M-710プロトコルでは、100 barの圧力が要件です。このプログラムは 20～30 barの圧力で実施しました。

キータスパイア® KT-820 NTおよびキータスパイア® KT-820 CF30を射出成形して、ASTM D638タイプ 1の寸法要件を満たす試験片を製作しました。曝露する前にこれらの試験片の計量と測定を行いました。代表的なサンプルの引張特性を測定してから、残りの試験片を 170、200および 215で、スイートとサワーの両方のシミュレート生産流体内でエージングさせました。170におけるエージングを約 1年間続け、これよりも高い温度でのエージングは 45日間行いました。いずれの場合も、試験片を定義された時間間隔で取り出し、室温まで冷却し、計量、計測し、ASTM D638 に従って引張特性を試験しました。

結果キータスパイア® KT-820 NTおよび KT-820 CF30は、20%のH2S、170のスイートおよびサワー環境で堅牢な性能を示しました。200および 215のサワー環境でも同様の挙動が観察されました。

試験中に測定した重量および体積の変化を表 7.11に示します。この変化はM-710の許容最大値 5%を下回ります。170に維持したスイートとサワーの両方のシミュレート生産流体中でエージングさせた後のキータスパイア® KT-820 NTの引張強さを図7.2に示します。図 7.3および 7.4に、それぞれ引張伸びと引張弾性率についての情報を示します。図 7.5～7.7に、同様のエージング後の KT-820 CF30の引張強さ、伸びおよび弾性率を示します。

図 7.8～7.10に、サワー環境でエージングを 200および215で行った後の KT-820 NTの引張特性を示します。

化学的エージングが不十分だったため、このデータでは、統計的に有効な使用寿命の予測はできませんでした。特性の経時的な低下を示す負の傾きは、この材料ではすべての温度において確立できず、使用寿命を外挿するためのアレニウス法は高い信頼性で適用することはできませんでした。170でのエージングに基づく線形回帰は、これらの材料が高いサワー環境で堅牢な性能を提供することを示しています。最初の特性の 50%に達するまでの予測時間は 5～17年です。

結論キータスパイア® KT-820 NTおよび KT-820 CF30は、濃度20%の H2S、170のスイートおよびサワー環境で安定した性能を示します。これらの製品は、説明した試験環境でのサワーエージングで NORSOK M-710の認定基準を満たします。キータスパイア® PEEKの特性が十分に低下しなかったため、使用寿命の予測はできません。アレニウス式は、劣化と、時間、温度との明確な関係が試験中に示される場合にのみ有効です。


表 7.11 エージング後の重量および体積変化

シミュレート生産流体のタイプ

温度

KT-820 NT

KT-820 CF 30

体積変化、%

スイート 170 4.1 3.1

サワー 170 4.5 3.0

サワー 200 4.3 2.5

サワー 215 4.5 3.6

重量変化、%

サワー 200 3.4 2.4

サワー 215 3.4 2.9

図 7.2 170で浸漬後の KT-820 NTの引張強さ (1)

引張強さ

[ M

Pa

]

曝露期間 [時間]

110

105

100

95

9010,0006,000 8,0004,0002,0000

スイートサワー

(1) 試験速度：50 mm/min

図 7.3 170で浸漬後の KT-820 NTの引張伸び率 (1)

引張伸び率

[ %

]


30

25

20

15

10

5

010,0006,000 8,0004,0002,0000



図 7.4 170で浸漬後の KT-820 NTの引張弾性率 (1)

引張弾性率

[ G

Pa

]

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0


10,0006,000 8,0004,0002,0000



図 7.5 170で浸漬後の KT-820 CF30の引張強さ (1)

引張強さ

[ M

Pa

]

220

210

200

190

180

170

160


10,0006,000 8,0004,0002,0000



図 7.6 170で浸漬後の KT-820 CF30の引張伸び率 (1)

引張伸び率

[ %

]

2.4

2.2

2.0

1.8

1.6

1.4

1.2

1.0


10,0006,000 8,0004,0002,0000




図 7.7 170で浸漬後の KT-820 CF30の引張弾性率 (1) 引張弾性率

[ G

Pa

]

21

20

19

18

17

16


10,0006,000 8,0004,0002,0000



図 7.8 サワー環境で高温エージング後の KT-820 NTの引張強さ (1)

引張強さ

[ M

Pa

]

105

100

95

90

85


1,000600 8004002000

200 °C215 °C

(1) 200の試験片を速度 5 mm/minで試験 215の試験片を速度 50 mm/minで試験

図 7.9 サワー環境で高温エージング後の KT-820 NTの引張伸び率 (1)

引張伸び率

[ %

]

80

70

60

50

40

30

20

10

0

曝露期間 [時間]1,000600 8004002000

200 °C215 °C


図 7.10 サワー環境で高温エージング後の KT-820 NTの引張弾性率 (1)

引張弾性率

[ G

Pa

]

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0


1,000600 8004002000

200 °C215 °C


滅菌処理耐性複数のキータスパイア®PEEKグレードについて、さまざまな滅菌処理技術への適合性を試験しました。いずれの試験でも、PEEKを複数の滅菌処理または高濃度の滅菌薬品に曝露し、繰り返し使用での適合性を確認しました。確認した技術は、ガンマ線照射、電子ビーム（EB滅菌）、酸化エチレン、過酸化水素ガスプラズマ、スチームオートクレーブ処理などです。これらのどの技術によっても、試験したグレードの特性が大きく損なわれることはありませんでした。キータスパイア® PEEKは、一般的なすべての滅菌処理法と適合性があると見なすことができます。

ガンマ線照射ガンマ線照射は有効な低温滅菌法です。ガンマ線処理は非常に信頼性が高い手法で、深く浸透するため、どの部分も確実に無菌状態になります。

ガンマ線は、コバルト 60やセシウム 137などの放射性物質から放出されます。必要な照射量を吸収するまで、滅菌対象の製品を放射線源の近くに置きます。

キータスパイア® PEEKの KT-820 NTおよび KT-880 NTの二つのグレードについて、ガンマ線滅菌処理との適合性を評価しました。射出成形したサンプルを、受託滅菌の専門業者に送りました。一部のサンプルは 20 kGyを吸収するまで、別のサンプルは 40 kGyを吸収するまでガンマ線照射しました。曝露したサンプルの特性を測定し、曝露していないサンプルと比較しました。40 kGyを照射したサンプルの結果を表 7.12に示します。いずれのグレードとも、特性の保持に優れていました。Dynatup衝撃試験の結果は、ガンマ線照射滅菌が要求される用途では KT-820 NTがより優れた選択肢であることを示します。


表 7.12 40 kGyのガンマ線照射後の特性保持

特性キータスパイア®


KT-880 NT

引張強さ 98.5 % 98.6 %

破断時引張伸び 101 % 101 %

引張弾性率 99 % 97 %

Dynatup最大荷重 98 % 68 %

Dynatup最大エネルギー 96 % 49 %

Dynatup総エネルギー 97 % 49 %

表 7.13 キータスパイア® KT-880 NTの機械特性に対する電子ビーム照射の影響

電子ビームの線量

特性 0 kGy 240 kGy 480 kGy

引張強さ MPa

103 103 102

引張弾性率 GPa

3.92 3.97 3.96


5.6 5.8 5.7


31 17 17

試験手順照射後に、サンプルを ASTM D618に従って調整し、ASTM D638に従って引張特性を測定しました。計装衝撃試験（Dynatup）を ASTM D3763に従って行いました。

電子ビーム電子ビーム滅菌処理は、一般に EB滅菌と呼ばれ、使い捨て医療機器の滅菌処理法として商業的に成功した技術です。電子ビームはガンマ線照射と同じメカニズムで滅菌し、照射量の要件も類似しています。キータスパイア® KT-880 NTの電子ビーム耐性の評価結果を表 7.13に示します。滅菌処理の代表的な照射量は25 kGyで、この試験は通常の照射量で約 10～20回行いました。このような高い照射量レベルでも、PEEKは基本的に影響を受けませんでした。最大照射量での破断時引張伸びは低下しましたが、それでも延性域内にあり、測定した他の特性に変化はありませんでした。

試験手順ASTM D638タイプ 1に準拠する試験片を、照射量 240 kGyおよび 480 kGyの電子ビーム照射で処理しました。照射後にサンプルを ASTM D618に従って調整し、ASTM試験法 D638、クロスヘッド速度 50 mm/minを使用して試験しました。

酸化エチレン酸化エチレン滅菌処理は一般に、光学部品や電子部品など、60より高い温度の影響を受けやすい物体の滅菌に使用します。酸化エチレンは、微生物の DNAを破壊して微生物の繁殖を防ぐアルキル化剤です。既知のウイルス、細菌、および細菌胞子などの菌類をすべて死滅させることができます。ただし、高い引火性、毒性および発癌性があります。キータスパイア® KT-880 NTのサンプルを 100サイクルの酸化エチレン（ETO）滅菌処理に曝露し、定期的に取り出してその耐性を評価しました。結果を表 7.14に示します。100サイクル後の特性は、曝露していないサンプルと基本的に同一です。

表 7.14 キータスパイア® KT-880 NTに対する酸化エチレンの影響

特性コントロール 100 サイクル後

引張強さ、MPa 101 102

降伏時引張伸び、% 6 6

引張弾性率、GPa 3.8 3.9

試験手順ASTM D638タイプ 1に準拠した試験サンプルと、100 x 100 x 3 mmの平板を滅菌処理しました。ETO滅菌処理の条件は、ETO濃度 883 mg/L、温度 55、曝露時間 60分間、相対湿度70 %、エアレーション時間 60分間です。所定のサイクル数後、サンプルを取り出し、室温まで冷却し、ASTM D618に従って調整しました。引張特性は ASTM D638に従って試験しました。衝撃試験は ASTM D3763に従って行いました。

過酸化水素低温滅菌処理もう一つの低温滅菌処理の方法として過酸化水素ガスがあります。このプロセスでは、濃縮過酸化水素水溶液（H2O2）を気化させ、製品を置いた排気チャンバーに注入します。このガスはチャンバー中に拡散し、すべての表面を滅菌処理します。エアレーションが不要なため、最後の排気ステップの後に製品を直ちに使用できます。

キータスパイア® PEEK の非強化 KT-880 NT、ガラス繊維強化 KT-880 GF30、および炭素繊維強化 KT-880 CF30の 3つのグレードを試験しました。評価の結果を表 7.15にまとめます。試験したキータスパイア®のどのグレードも、200サイクル後に特性の劣化を示しませんでした。確認された唯一の変化はサンプルの色です。この実験の詳細については、www.SolvaySpecialtyPolymers.comをご覧ください。


表 7.15 過酸化水素ガスプラズマの影響


キータスパイア® KT-820 GF30 BG20


特性 0 サイクル 200 サイクル 0 サイクル 200 サイクル 0 サイクル 200 サイクル

引張強さ、MPa 102 103 170 172 239 234

引張弾性率、GPa 3.9 3.9 10.7 10.8 25.2 24.5

破断時の引張伸び率、% 19 16 3.0 3.0 1.6 1.6

曲げ強さ、MPa 154 158 269 272 346 329

曲げ弾性率、MPa 3.9 4.0 10.1 10.4 20.3 21.5

Dynatup衝撃

最大荷重、N 6,420 6,134 1,390 1,530 1,680 1,710

総エネルギー、J 70 66 9.7 10 9.2 10

色差 - ∆ E 2.6 6 1.45

試験手順各グレードについて、ASTM D638タイプ 1に準拠する射出成形の引張試験片、ASTM D790に準拠する 127 x 12.7 x 3.2 mmの試験片、および 100 x 100 x 3 mmの平板をガスプラズマ滅菌処理のために装置メーカーに送りました。

滅菌処理は、STERRAD® 100NX® 滅菌処理システムのガスプラズマ過酸化水素滅菌処理で行いました。それぞれのサンプルの周りに最大限の滅菌照射を行うために、サンプルは縦に置き、互いに離しました。次に、用意したトレーをポリプロピレン CSRラップで二重に包みました。これを装着したトレーを STERRAD® 100NX® 滅菌処理チャンバーの両方の棚に置き、標準のサイクルを使用して処理しました。

サイクル間に約 30分以上の休みを挟み、25サイクル、100サイクルおよび 200サイクルで試験サンプルを処理しました。10サイクルごとに、糸くずの出ない、脱イオン水で湿らせた布でサンプルを拭き、乾燥させてから処理を続けました。

サンプルを戻し、ジョージア州アルファレッタにあるソルベイの試験ラボで機械特性試験を行いました。試験の前に、ASTM D618に従ってサンプルを調整しました。引張特性は ASTM D638、曲げ特性はASTM D790、衝撃強さはASTM D3763にそれぞれ従って試験しました。

スチームオートクレーブ処理スチームオートクレーブ処理は、高速で信頼性が高く、低コストの滅菌処理方法です。表 7.16に、1,000 サイクルのスチームオートクレーブ処理がキータスパイア® KT-820 NTおよび KT-880 NTに与える影響を示します。引張強さ、引張弾性率および耐衝撃性は、1,000サイクルの滅菌処理後も低下しません。

表 7.16 蒸気滅菌の影響



サイクル

特性 0 1,000 0 1,000

降伏時引張強さ、MPa 96 103 103 108

降伏時伸び、% 5.5 4.8 6.0 5.1

破断時の引張伸び率、% 15 13 14 16

引張弾性率、GPa 3.8 3.9 3.9 4.0

Dynatup衝撃

最大荷重、N 6,640 6,740 6,610 5,920

最大荷重におけるエネルギー、J

55 56 48 43

総エネルギー、J 76 76 66 63

試験手順ASTM D638タイプ 1に準拠した射出成形した引張り試験片と、寸法が 100 x 100 x 3 mmの平板を、表 7.17に示す条件でスチームオートクレーブ滅菌処理しました。250、500および 1,000サイクルの滅菌処理後にサンプルを取り出しました。試験の前に、ASTM D618に従ってサンプルを調整しました。引張特性はASTM D638に従って試験しました。衝撃試験は ASTM D3763に従って行いました。


表 7.17 スチームオートクレーブ滅菌処理の条件

装置 Amsco® Century® Sterilizer SV-136H

サイクルプレ真空

温度 134

圧力 2.1～2.3 bar

真空 686 mm Hg

滅菌処理時間 18 分／サイクル

乾燥時間 10 分／サイクル

調整時間 5 分／サイクル

合計時間 33 分／サイクル

耐候性ほとんどの材料は屋外天候での長期曝露による影響を受けます。太陽光のような高レベルの紫外線照射に対する曝露の影響を、キセノンアーク灯を使用した Atlas社の水冷式耐候性試験機を使用して評価しました。

試験方法ASTM D638 タイプ 1に準拠した試験片および色測定用の平板を Ci4000 Xenon Weather-Ometer®に最大 8,000時間曝露します。平板の寸法は 50 x 75 x 2 mmでした。

曝露は ASTM G155のサイクル 1に従って行いました。サイクル1は、ブラックパネル温度 63の光に対する 102分間の曝露の後、18分間の光と散水が続きます。昼光フィルターを使用して、地上での太陽光への曝露条件を模擬的に作成しました。昼光フィルターを使用したときのキセノンアークのスペクトルパワー分布の仕様を表 7.18に示します。キセノンアーク照射レベルは、波長340 nmで0.35 W/m2·nmでした。試験片を定期的に取り出し、ASTM試験法 D638に従って、引張強さ、引張弾性率、および引張伸び率を試験しました。BYK Gardner 分光光度計を使用し、ASTM E1164 に従って、試験片の外観と色の目視確認も行いました。

表 7.18 昼光フィルターによるキセノンアークの UVスペクトルパワー分布

スペクトルバンドパス波長 l nm

最小割合 %

最大割合 %

l < 290 0.15

290 ≤ l ≤ 320 2.6 7.9

320 ≤ l ≤ 360 28.3 40.0

360 ≤ l ≤ 400 54.2 67.5

結果

外観および色色の測定を表 7.19に示します。ここに示したパラメーターは CIE（国際照明委員会）の規格に従っています。L値は明度スケール上の位置を示します。正のΔLはサンプルの明度が高くなったことを示します。aの値は赤／緑軸上の位置を示し、正のΔaは赤色が強いことを示します。bの値は黄／青軸上の位置を示し正のΔ bは黄色が強いことを示します。ΔEは、ΔLの二乗 +Δaの二乗 +Δbの二乗の和の平方根です。ΔEが非常に低い、つまり2未満の場合は、二つの色が一致しているか非常に近いことを示します。大きいΔEの値は色差が大きいことを示します。

表 7.19の値は、3つのキータスパイア® PEEKグレードのすべてで色が大幅に変化したことを示します。このデータは、試験片の色が黄変し、より暗くなったことを示しています。さらに、目視検査で光沢の喪失が見られました。

表 7.19 8,000時間曝露した後の色の変化

パラメーターキータスパイア®

KT-820


GF30


CF30

初期値 L 70.0 65.3 34.5

Δ L - 4.6 - 1.0 - 5.6

初期値 a 3.2 4.1 0.2

Δ a 7.4 5.7 0.3

初期値 b 15.1 13.9 -2.1

Δ b 23.0 23.5 4.2

Δ E 24.6 24.2 7.0

機械特性キータスパイア® KT-820は延性ポリマーであり、曝露前に引張強さを試験した試験片は、破断の前に降伏現象が発生しました。曝露後、ほとんどの試験片が降伏する前に破断し、これは延性が失われたことを示します。キータスパイア® KT-880 GF30およびKT-880 CF30は繊維強化グレードであるため、破断前に降伏点はありません。図 7.11に、天候条件への曝露による破断時引張強さの変化を示します。曝露により強度が低下しました。非強化グレードが最大の低下を示しました。いずれの場合でも低下量の多くが最初の 1,000時間で発生し、その後の曝露での強度低下はごくわずかです。


図 7.11 破断時引張強さ破断時引張強さ

[ M

Pa

]

250

200

150

100

50

08,0006,0004,0002,0000


KT-820KT-880 GF30KT-880 CF30

図 7.12 引張弾性率

引張弾性率

[ G

Pa

]


25

20

15

10

5

08,0006,0004,0002,0000

KT-820KT-880 GF30KT-880 CF30

紫外線照射への曝露による引張弾性率の変化を図 7.12に示します。全体的に、引張弾性率は最長 8,000時間の曝露でも影響を受けません。

キータスパイア® KT-820は、図 7.13に示すように曝露によって破断時伸び率が小さくなります。繊維強化グレードの曝露前の伸びは、繊維強化により小さい値になります。これらのグレードでは、曝露による伸び率の低下はほとんど起こりません。引張強さと同様に、低下量の多くが最初の 1,000時間で発生し、その後の曝露での低下は起こりません。繊維強化グレードは伸び率の低下を示さないため、繊維が紫外線からポリマーを保護していると考えられます。

図 7.13 破断時引張伸び

破断時引張伸び

[ %

]


18

17

2

1

8,0006,0004,0002,0000

KT-820KT-880 GF30KT-880 CF30

結論キータスパイア® PEEKはウェザーメーター試験の影響を受けます。主な影響は、黄変、表面光沢の減少、および延性の低下です。繊維強化グレードの強度と伸び率の低下は非常に小さいのですが、外観の変化が現れます。

直射日光に曝露する用途では、非強化グレード製の部品を黒色に塗装するか、着色することを推奨します。曝露後の外観が重要な要素である場合、繊維強化グレード製の部品を塗装できます。


吸水率水分はあらゆる場所に存在するため、材料の特性に対する水分の影響に関する知識は、最終使用要件を満たす設計を行う上で非常に重要です。基本的に金属の機械特性は、水への短期的な曝露による影響は受けませんが、プラスチックの反応はポリマー化学によって大きく異なります。ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）樹脂は水分をあまり吸収せず、吸収した水分も樹脂の機械特性にはほとんど影響しません。

キータスパイア® PEEKの吸水量を測定するために、質量を測定した 3.2 x 12.7 x 127 mmの試験片を室温で脱イオン水に浸漬しました。1週間ごとに一部の試験片を取り出し、質量を測定しました。質量変化は吸水によるものとし、パーセント値を計算しました。図 7.14に非強化 PEEKの質量変化、図 7.15に 30 %ガラス繊維強化 PEEKの質量変化を示します。

スチームオートクレーブの試験は、キータスパイア® PEEKの特性が 1,000サイクルの高温加圧蒸気の影響を受けないことを示しています。

得られたデータは、材料がキータスパイア® PEEKの設計では、高温に曝露する場合でも吸水を考慮する必要がないことを示しています。

図 7.14 キータスパイア® KT-820 NTの吸水率

浸漬時間 [時間]

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.008,0000

重量変化

[ %

]

6,0004,0002,000

図 7.15 キータスパイア® KT-820 GF30の吸水率

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.008,0000

重量変化

[ %

]

6,0004,0002,000浸漬時間 [時間]


耐摩耗性

高い機械的負荷、高温、および化学的に過酷な環境では、機能部品は摩耗することもあります。この摩耗は、金属、セラミック、およびプラスチック製の部品の表面が相互に擦れあうことにより発生します。

キータスパイア® PEEKは、表面に摩耗が発生する用途、特に圧縮負荷が存在する用途で選択されます。その理由は、製品の優れた耐クリープ性、低い熱膨張係数、自己潤滑性（摩擦係数が低い）、高い圧縮強さと圧縮弾性率、および高温で機械特性を保持する性能を備えているからです。

耐摩耗性が重要と考えられる代表的な用途として、滑り軸受、スラストワッシャー、シールリング、ベーン、バルブシート、ブッシング、摩耗パッドがあります。PEEKは、これらやその他の用途における潤滑、無潤滑、およびに極限的な低潤滑状態での使用で、優れた耐摩耗性を示します。

耐摩耗グレードソルベイは、さまざなな最終使用条件で機能を発揮する各種のキータスパイア® PEEK耐摩耗グレードを提供しています（表8.1）。これらの製品の多くが、無潤滑および潤滑の最終用途に適しています。特殊な耐摩耗性グレードも提供しています。

複数の要因が製品の選定に影響します。PEEKは一般的に、高温、化学薬品、および疲労に対する優れた耐性と寸法安定性が要求される用途向けに選定されます。引張り、曲げ、または圧縮強さの特性も重要な場合があります。

一部のキータスパイア® PEEKグレードの圧縮強さを図 8.1に示します。特筆すべきは KT-820 CF30で、強さが最大である一方、摩擦係数は最小ではありません。

樹脂の機械特性は温度とともに変化し、摩耗界面で非常な高温が発生することがあるので、材料選定時には最終用途での使用条件を考慮する必要があります。PEEKは荷重たわみ温度が高いため（特に強化グレード）、高温で卓越した耐摩耗性を示します。

溶融加工方法も検討する必要があります。低メルトフローの KT-820ベースの製品の場合、押出および射出成形が適しています。高メルトフローの KT-880ベースの製品は、射出成形のみを行うべきであり、複雑な部品や薄肉部品の成形に最適です。

表 8.1 キータスパイア® PEEK耐摩耗グレード

グレード* 説明射出成形品の用途

KT-820 NT KT-880 NT

非強化低負荷または潤滑の用途

KT-820 GF30 KT-880 GF30

ガラス繊維強化機械的強度が要求される低摩耗、潤滑の用途。無潤滑では非推奨

KT-820 CF30 KT-880 CF30

炭素繊維強化より優れた機械的強度が要求される低摩耗、潤滑の用途。無潤滑では非推奨

KT-820 SL10 PTFE強化高い潤滑性と強靭性、潤滑

KT-820 SL30 KT-880 SL30

炭素繊維、グラファイト、および PTFE強化

良好な耐摩耗性、無潤滑および潤滑

KT-820 SL45 炭素繊維、PTFE強化良好な耐摩耗性、潤滑、高圧力、低速度

KT-880 FW30 炭素繊維、PTFE強化強度と耐摩耗性の最適なバランスを持つ特殊配合

* KT-820低フロー、KT-880高フロー

図 8.1：キータスパイア® PEEK耐摩耗性グレードの圧縮強さ

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

圧縮強さ

[ M

Pa

]

KT-82

0 SL1

0

KT-82

0 NT

KT-82

0 GF3

0

KT-82

0 CF3

0

KT-82

0 SL3

0

KT-88

0 SL3

0

KT-82

0 SL4

5

KT-88

0 FW

30

概念二つの固体面が相互に擦れ合うときは常に、ある程度の摩耗が発生します。摺動面を相互に押し合わせる力（Ｐ）と摺動速度（Ｖ）が、摩耗の発生率に影響します。一般的に、圧力と速度の積（PV）が報告されていますが、各種材料の適合性を理解するには、圧力と速度のそれぞれの値が重要です。

キータスパイア® PEEK デザインおよび加工ガイド / 65

速度と圧力は独立変数として考える必要があります。高速条件は摩擦面の局所加熱（ホットスポット）を発生しやすく、これにより機械特性が大幅に低下する可能性があります。高負荷は高い圧力を発生し、これによりクリープと摩耗が発生します。クリープと摩耗が発生する範囲は、使用温度によって決まります。

摩擦挙動と耐摩耗性は複雑な項目です。これらは、対向面の速度、圧力、組成、硬度、表面形状、および接触形状、さらに潤滑タイプや流量など、多くの変数の影響を受けます。したがって、実際の使用条件をできるだけ正確に模した条件で、試験を実施することを推奨します。

摩耗量と摩耗係数多くの場合、摩耗挙動は摩耗係数と摩耗量の両方を使用して説明されます。

摩耗量は通常、所定の圧力、速度および時間当たりの厚みの減少として表され、マニュアルまたは試験中の寸法変化を調べるセンサーにより計測します。摩耗量は、次の経験式により、圧力、速度と時間の関数として表すことができます。

摩耗量 = K × P × V × T

K：所定の Pおよび Vでの摩耗係数P：摺動面の圧力V：摺動面の速度T：時間

摩耗係数は、特定の圧力と速度の条件で正規化した単位時間当たりの比摩耗量です。

摩耗係数 = 摩耗量P x V x T

これらの式は、摩耗が圧力と速度に直接比例することを示します。これは、摩耗係数が一定である場合に真です。ポリマー材料の場合、摩耗係数は圧力と速度とともに変化するため、この式は特定の Pおよび V、また特定の予測使用期間における摩耗深さを計算するときに有用です。

限界 PV値系内部の圧力または速度を増加すると、摩擦が増加し、その後に熱が発生します。ポリマー材料の特性は温度で異なるため、摺動するポリマー材料の性能を予測するときには、圧力と速度の積（PV）を調べると便利です。圧力と速度を変化させて試験した、摺動するポリマー材料の代表的な挙動を図 8.2に示します。

低～中の PVでは、摩耗は小さくなります。ただし、PVが高くなると、摩耗が急速に進みます。この移行が発生する PV値を一般的に「限界 PV値」と呼びます。摩擦熱により、材料の限界 PV値を超えて動作する軸受は急速に摩耗し、耐熱性を超える温度まで過熱して溶融することがあります。PV曲線は通常、速度と荷重の一方を一定に保ち、もう一方の変数を変化させて、特定の速度または荷重について作成します。

図 8.2：材料の摩耗量は圧力と速度の積（PV）の関数

摩耗量

PV

限界PV値

摩擦係数摩擦係数は、二つの物体の間の摩擦力と、それらの物体を押し付け合う力の比を表す無次元数です。静摩擦係数は、二つの静止物体の間で運動を開始するために必要な力と、それらの物体を押し付け合う力の比です。動摩擦係数は、同様な系の安定した運動を維持するために必要な力として定義されます。回転運動の場合、摩擦係数は次の式で表されます。

摩擦力 = トルク試験片の半径

摩擦係数 = 摩擦力半径

加えた力( )

摩擦係数は系の特性であり、接触する両方の材料に関連します。これは材料固有の特性ではないため、複数の材料を比較する場合、同一条件で測定を行う必要があります。摩擦係数の値は、摺動に対する抵抗がどの程度あるか、また摩擦熱がどの程度発生するかの参考になります。発生熱量が致命的な局所破壊の原因になり、系のエネルギー要件に影響を及ぼす可能性があるかどうかの予測に役立つことがあります。

一般的に、一定速度の系で圧力を増加すると、摩擦係数は減少します。運動の維持に必要なトルクは、圧力の上昇よりも低い割合で上昇します。この挙動を図 8.3に示します。


図 8.3：圧力の増加による摩擦係数の変化摩擦係数

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.000 400200 600 1,000 1,400800 1,6001,200

圧力 [ psi ]

2種類の材料が存在する系の摩擦係数を減少するために、潤滑を使用できます。この場合、潤滑により両方の摩擦係数が減少し、材料間の摩耗が減少し、消費エネルギーが減少することがあります。図 8.4のストライベック曲線は、摩擦（ここでは摩耗率と摩擦係数で表す）が、潤滑油の粘度と回転速度の積を系の荷重で除算した無次元数の関数として変化することを示します。多くの用途では潤滑油が系内を循環するので、系の設計、特に流路を最適化することで、完全な流体潤滑を実現し、摩擦を低減することができます。

摩擦を評価するためのスラストワッシャー試験片高速摩耗挙動の評価には、複数の構成を使用できます。一般的な試験装置の形状は、ピンオンディスク、ブロックオンリング、ブッシングとスラストワッシャーです。スラストワッシャーの構成は、試験中に摩耗接触の面積が変化しないため、他の方法よりも優れた点がいくつかあります。

スラストワッシャーの場合の摺動速度（vsliding）を計算するには、通常、平均直径を使用して回転あたりの長さを求めます。

vsliding = vrotating × π × OD + ID2

Vsliding：摺動速度Vrotating：回転速度OD：スラストワッシャーの外径ID：スラストワッシャーの内径

系の圧力（P）を計算するために、合計荷重（I）を摺動面積で除算します。圧力（P）と面積（A）は、次の式を使用して計算します。

P = lA

A = π – πOD( )2

2 ID( )2

2

オイル溝を使用する潤滑系では、オイル溝を除いて真の圧力を計算する必要があります。

図 8.4：二つの液体潤滑面間の摩擦の変化を示すストライベック曲線

摩耗率

摩擦係数

境界潤滑混合潤滑流体潤滑

Z = 動粘度N = シャフトの回転速度P = 荷重

ZNP


耐摩耗性の測定相対的な耐摩耗性を評価するために、さまざまな方法があります。多くの独立変数があるため、異なる方法の間に相関はほとんどありません。共通の試験方法と試験条件を使用することにより、有意義な材料比較ができます。

無潤滑試験図 8.5に示す構成の手動滑り軸受試験装置を使用して、キータスパイア® KT-820 SL30の無潤滑試験を実施しました。回転、研磨、その他の摩耗メカニズムと比較して、滑り摩耗を適用する試験を規定している試験法 ASTM D3702を使用しました。試験片は射出成形した円板で、切削加工により図 8.6に示す最終形状に前処理しました。試験片が接触する対向物は、1018冷間圧延軟鋼製で、表面粗さRaが 14～18マイクロインチの固定ワッシャーです。試験は、潤滑オイルが存在しない室温条件で実施しました。

表面の不規則性を取り除くために、スラストワッシャー試験片を20時間慣らしてから、各試験片を指定の速度と圧力で 20時間試験しました。スラストワッシャー円板上の等距離の 4点で試験の前後に高さを測定し、平均摩耗深さ（単位：mm）を報告しました。この平均摩耗深さを使用して計算した摩耗量と摩耗係数を表 8.2に示します。KT-820 SL30を二通りの異なる条件で試験し、両方ともPV値が 25,000に達しました。これら二つの試験中に測定した摩擦係数を表 8.3に示します。

図 8.5：無潤滑試験のスラストワッシャー試験装置と試験片の構成

X回転スピンドル(駆動ピンとボールシートを含む）

回転側試験片ホルダー

試験片

スチールワッシャー

固定側試験片ホルダー

トルク荷重

図 8.6：スラストワッシャー試験片

表 8.2 無潤滑条件、PV値 25,000で測定した KT-820 SL30の摩耗係数と摩耗率

圧力、速度

特性単位 500 psi、50 fpm（3,447 kPa、0.254 m/s）

31.25 psi、800 fpm（215 kPa、4.064 m/s）試験方法

摩耗係数 10– 8 m3/Nm 151 63 ASTM D3702

10– 10 in.3min/ft-lb-hr 75 32

摩耗率 10– 6 m/hr 4.8 2.0 ASTM D3702

10– 5 in/hr 19 8.0

表 8.3 無潤滑条件、PV値 25,000で測定した KT-820 SL30の摩擦係数

圧力、速度摩擦係数、無潤滑試験方法

500 psi、50 fpm（3,447 kPa、0.254 m/s） 0.27 ASTM D3702

31.25 psi、800 fpm（215 kPa、4.064 m/s） 0.33 ASTM D3702


無潤滑の PV可変試験この改良試験方法は、複数の圧力と速度の条件でより効率的に材料を選別する目的で考案されました。この ASTM試験法の改変版では、多数の条件でデータを収集できるだけでなく、限界 PV値の推定もできます。この実験的な方法が ASTM D3702規格に含まれていない点に注意する必要があります。この手順では、ASTM D3702に従って、図 8.5に示すように試験片の前処理と装置の設定を行いました。ASTMの試験方法と同様に、適切な速度を選択しました。圧力と速度の組み合わせが試験する圧力と速度の範囲に適するような、初期圧力を選択しました。5時間の初期慣らしでこの条件を使用しました。速度を一定にして、5時間ごとに圧力を設定量だけ段階的に増加しました。表面温度、摩耗、および摩擦係数を測定しました。摩耗の測定値は、線形可変差動変圧器（LVDT）、およびマニュアルで収集しました。スラストワッシャー試験片の破壊点で限界 PV値を推定しました。

この試験片も射出成形した円板で、切削加工により図 8.6に示す最終形状に前処理しました。試験片が接触する対向物は、1018冷間圧延軟鋼製で、表面粗さRaが 14～18マイクロインチの固定ワッシャーです。試験は、潤滑オイルが存在しない室温条件で実施しました。

図 8.7に、測定した摩耗率を、速度 2.03 m/sでの圧力の関数として示します。このグラフは、非強化キータスパイア® PEEKの耐摩耗性が最も低く、強化グレードよりも低い圧力で摩耗が急速に進むことを示します。ガラス繊維強化グレードはより高い耐摩耗性を示しますが、中程度の圧力で破壊します。炭素繊維強化キータスパイア® PEEKは破壊への耐性を示しましたが、高い圧力で高い摩耗率を示しました。特殊配合の耐摩耗グレード KT-820 SL30および KT-880 FW30は、広い圧力範囲にわたって低い摩耗を示します。

図 8.7：無潤滑条件、400 fpmで測定した摩耗率と圧力の関係

120

100

80

60

40

20

0

摩耗率

[ μm

/hr ]

PV [ psi-fpm ]75.00050.00025.00020.00015.000

KT-820 NTKT-820 GF30KT-820 CF30KT-820 SL30KT-880 FW30

系の温度は、摩擦熱により圧力と共に増加しました。この温度が材料の熱機械性能を超えると、破壊が発生します。非強化キータスパイア® PEEKは、他の材料よりも低い圧力と速度の組み合わせで破壊しました。炭素繊維強化グレードが過酷な条件に耐えられる理由の一つは、その放熱性です。また、炭素繊維は配合の弾性率を大幅に上昇させるため、熱機械性能も大幅に上昇させます。図 8.8に、摩耗率が劇的に増加する限界 PV値で達した、試験片の表面温度を示します。

図 8.8：限界 PV値での試験片の表面温度

300

250

200

150

100

50

0

試験片の表面温度

[°C

]

KT-820NT

KT-820GF30

KT-820CF30

KT-880FW30

KT-820SL30

圧力と速度は独立変数として考える必要があります。前述した試験は、一定速度で収集したデータを示しています。異なる速度では、摩擦熱、クリープ、または過大な摩耗のうち支配的な破壊メカニズムが変化して、材料の堅牢性の順位が変化する可能性があります。

各製品について、試験全体で測定した摩擦係数を図 8.9に示します。非強化キータスパイア® PEEKが最大の摩擦係数を示す一方、ガラス繊維強化グレードと炭素繊維強化グレードは比較的近い値を示しました。KT-880 FW30の摩擦係数は大幅に低く、圧力の増加と共にわずかに減少しました。KT-820 SL30の値は、圧力を増加しても変化しませんでした。


図 8.9：無潤滑条件、400 fpmで測定した摩擦係数と圧力の関係

摩擦係数

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.00 25.000 40.000 70.00055.000

PV [ psi-fpm ]

KT-820 NTKT-820 GF30KT-820 CF30KT-880 FW30KT-820 SL30

同じデータセットを使用して、これらの条件で試験した材料の限界 PV値を推定しました。表 8.4は、耐摩耗性を強化するに従って限界 PV値が上昇することを示します。

表 8.4 無潤滑条件、可変 PV試験に基づいて推定した限界 PV値

グレード限界 PV値

KT-820 NT 50,000

KT-820 GF30 50,000

KT-820 CF30 知見なし*

KT-820 SL30 > 100,000

KT-880 FW30 > 100,000

* これらの試験片は加熱で破壊しませんでしたが、ほぼ完全に摩耗しました

この可変 PV試験は、複数の圧力と速度の条件で効率的に材料を選別する目的で考案されました。この ASTM試験法の改変版では、多数の条件でデータを収集できるだけでなく、限界 PV値の推定もできます。この試験方法では、耐摩耗性グレードが高い強度と低い摩擦係数を持ち、非強化グレードや一般的な強化グレードよりも高い圧力に耐え、制御不可の摩耗が発生しないことが示されました。この実験的な方法が ASTM D3702規格に含まれていない点に注意する必要があります。

潤滑試験図 8.5に示す構成の手動滑り軸受試験装置を使用し、ASTM D3702に従って、KT-820 SL30および KT-820 SL45の潤滑試験を実施しました。この試験は、150の Dexron® 3自動車用トランスミッションオイル（ATF）の液槽を使用して実施しました。

この試験片は射出成形した円板で、切削加工により図 8.10に示す最終形状に前処理しました。試験片が接触する対向物は、1018冷間圧延軟鋼製で、表面粗さRaが 14～18マイクロインチの固定ワッシャーです。速度 75 fpm（0.38 m/s）、圧力1,000 psi（6,896 kPa）で試験を実施しました。得られた PV値は75,000でした。表面の不規則性を取り除くために、スラストワッシャー試験片を 20時間慣らしました。その後、各試験片を指定の速度と圧力で 20時間試験しました。スラストワッシャー円板上の等距離の 4点で試験の前後に高さを測定し、平均摩耗深さ（単位：mm）を報告しました。この平均摩耗深さを使用して計算した摩耗率と摩耗係数を表 8.5に示します。

KT-820 SL30とKT-820 SL45のいずれも、PV値 75,000ではごくわずかな摩耗を示しました。

表 8.5 150の Dexron® 3 ATF液槽、1,000 psi、 75 fpmで試験した摩耗性能

特性単位KT-820

SL30KT-820

SL45 試験方法

摩耗係数 10– 8 m3/Nm 11 5.8 ASTM D3702

10– 10 in.3min/ ft-lb-hr

5.5 2.9

摩耗率 10– 6 m/hr 1.1 0.55 ASTM D3702

10– 5 in/hr 4.2 2.2

KT-820 SL30を使用し、PV値 500,000の近傍で同様の試験を実施しました。この試験の圧力は 1.94 MPa（282 psi）、速度は 8.9 m/s（1,770 fpm）でした。図 8.10に示す試験片は、直径50 mm、潤滑溝を 26本持つスラストワッシャーです。循環オイルシステムにより、温度制御されたオイルが試験片ホルダーの底部に流れ込み、対向面を通って上昇し、試験片の内径から外径にわたって拡がり、試験片と対向面の間に入ります。オイルが冷却効果を及ぼさないように、オイル流量 0.2 l/minを選択し、飛沫潤滑の条件を模擬的に再現しました。

試験片が接触する対向物は、1018冷間圧延軟鋼製で、表面粗さRaが 14～18マイクロインチの固定ワッシャーです。

図 8.10：潤滑溝を持つスラストワッシャー試験片

この系は、0.2 l/minで循環するDexron® 3 ATFで潤滑し、90に保持しました。この試験期間は 100時間で、25時間ごとに試験片を取り外して測定しました。

図 8.11に、実際に測定された試験片の摩耗を示します。報告された摩耗の値は、スラストワッシャーの 9か所の測定値の平均です。これらの測定値から、摩耗率と総摩耗を計算しました。データは、圧力と速度の積が非常に大きい場合でも慣らし期間後の摩耗率がわずかであることを示しています。


図 8.11： 90の Dexron® 3 ATF、282 psi、 1,770 fpmで試験した KT-820 SL30の摩耗

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

摩耗

[ μm

]

摩耗率

[ μm/hr ]

試験時間100755025

摩耗総摩耗摩耗率

この試験中、熱電対を対向面に配置して系の温度を測定しました。図 8.12のデータは、摩擦熱により、周囲温度よりも約 40高い温度で系の温度が平衡に達していることを示しています。

図 8.12： 100時間の潤滑摩耗試験*で KT-820 SL30が達した平衡温度

温度

[°C

]

140

120

100

80

60

40

20

00 2010 30 40 60 80 9050 10070

時間 [ hrs ]

試験片チャンバー

* 90の Dexron® 3 ATFの流量 0.2 l/min、圧力 282 psi、速度 1,770 fpm

スラストワッシャー試験片で測定したトルクから摩擦係数を計算しました（図 8.13）。ある程度の変動はあるものの、摩擦係数は時間と共にわずかに減少する傾向を示しています。

図 8.13： 100時間の潤滑摩耗試験*で KT-820 SL30の摩擦係数に対する時間の影響

摩擦係数

0.08

0.07

0.06

0.05

0.04

0.03

0.02

0.01

0.000 10 20 40 50 60 70 80 90 10030

時間 [ hrs ]

摩擦係数直線近似（COF）

* 90の Dexron® 3 ATFの流量 0.2 l/min、圧力 282 psi、速度 1,770 fpm

耐摩耗性の良いキータスパイア® PEEK製品を使用すると、OEMおよびそのサプライヤーは、高 PV値の条件、高い機械的負荷、高温、および高活性の化学薬品環境に耐える新しい技術を開発できます。適切な材料を選定し、また適切な部品とシステムの設計を行うには、システムのすべての詳細を考慮することが非常に重要です。この章で説明した変数だけでなく、摩擦挙動は、対向面の材料、形状、および潤滑のタイプと流量の影響を受けます。したがって、目的の最終使用条件にできるだけ近い条件で、データを作成して性能を評価することが重要です。


設計指針

このセクションでは、キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）を使用して、用途でのコスト／パフォーマンス要件を満たす部品を設計するときに役立つ基本的な設計指針、および一般的な推奨事項を示します。組み立て、温度変化、環境要因、時間（クリープに関連する）によって生じる応力の影響に関するガイドラインを示します。

キータスパイア® PEEKのような超高機能性樹脂は、優れた機械特性と耐熱性、また高い比強度を有しているため、金属からプラスチックに転換するときの候補として最適です。多くの用途で、軽量化には摩擦の減少、使用エネルギーの減少、アセンブリーに対する動的応力の低下、システムコストの削減など、多くの利点があります。

材料効率の概念は、比強度と弾性率を計算することで説明できます。比強度は、材料の強度をその密度で割ったもので、荷重を支えるために必要な材料の重量に相関付けることができます。表9.1に、複数の一般的な金属と選択したキータスパイア® PEEKグレードの比強度および弾性率を示し、図 9.1に比強度データのグラフを示します。比強度を使用して、荷重を支えるために必要な材料の重量を比較することができます。例えば、キータスパイア® KT-880 GF30の比強度は 106 kNm/kgで、炭素鋼の比強度は 35 kNm/kgです。これは、同等な強度を持つ PEEK部品の重量が炭素鋼部品の約 1∕3になることを意味します。

金属から樹脂への転換に成功するためには、金属とプラスチックの違いや、射出成形の設計の柔軟性を理解することを強く推奨します。

図 9.1 比強度

KT-820 CF30

亜鉛 ZA8

ステンレス鋼 301

KT-880 GF30

KT-820 NT

KT-880 NT

炭素鋼 1018

マグネシウム AE42-F

アルミニウム 2011-T6

アルミニウム 380

0 20 40 60 80 100 120 140 160比強度 [ kNm/kg ]

プラスチックを使用する設計は、金属よりも複雑に思われることがあります。しかし、プラスチックを使用することで、製品の多様性、変換処理、また溶着、挿入、印刷、塗装、金属蒸着といった二次加工が可能になり、設計者はこれまでになく自由に設計ができるようになります。

設計者は、PEEK材料が提供する多機能性や設計の自由度を活用せずに、金属部品の寸法をそのまま使用して PEEK部品を製造する傾向があります。この方法では、実用に適さない設計になったり、製造が困難な部品や、材料の性能を最大に発揮しない部品が製造されることがあります。

表 9.1 一般的な金属とキータスパイア® PEEKの比強度および弾性率

材料

密度引張強さ比強度引張弾性率比弾性率

g/cm3 MPa kNm/kg GPa MNm/kg

アルミニウム 2011-T6 2.83 270 95 70.0 24.7

アルミニウム 380 2.76 159 58 71.0 25.7

マグネシウム AE42-F 1.80 145 81 45.0 25.0

炭素鋼 1018 7.87 275 35 205.0 26.0

ステンレス鋼 301 8.03 205 26 212.0 26.4

亜鉛 ZA8 6.30 290 46 86.0 13.7

キータスパイア® PEEK

KT-820 NT 1.30 95 73 3.5 2.7

KT-880 NT 1.30 100 77 3.7 2.8

KT-880 GF30 1.53 162 106 10.8 7.1

KT-820 CF30 1.41 201 143 19.7 14.0


以降のセクションでは、機構設計とプラスチックを使用した設計に関連する応力解析の分野について、金属とプラスチックを比較し、プラスチックだけに固有の要素を示しながら説明します。

機構設計従来の応力およびたわみを表現する式を使用することから部品設計が始まります。キータスパイア® 樹脂の機構設計の計算は、任意の工業材料で使用するものに類似しています。ただし、すべてのプラスチックと同様に、使用する解析は材料の粘弾性特性を反映していなければなりません。さらに、材料特性は、ひずみ速度、温度、および化学環境、または繊維強化プラスチックでは強化繊維の配向によって異なることがあります。したがって、解析は、予想されるすべての使用条件に適したものでなければなりません。例えば、長期にわたって荷重に耐えることが使用条件に含まれる場合は、短期的な弾性率ではなく、見かけの弾性率またはクリープ弾性率を使用する必要があります。荷重が繰り返され、長期にわたる場合は、設計寿命における疲労強さが制限要素になります。

あらゆる部品設計解析の最初のステップは、部品に加わる負荷の決定と、その結果生じる応力および変形またはひずみの計算です。負荷は外部から加えられることも、温度変化や組み立てによる応力から生じることもあります。

外部から加わる荷重の例として、滅菌トレイに加わる医療機器の重量があります。組み立て荷重の例として、エンジンにボルトで留めるときのハウジングフランジへの荷重、またはベアリングが押し込まれるときのプーリーのハブへの荷重などがあります。熱誘発応力は、アセンブリーの温度が上がり、プラスチック部品の寸法の変化が、その部品を接続している金属よりも多少大きい場合に発生します。

従来の応力-ひずみ式の使用従来の式を使用するには、次の単純化した仮定が必要です

• 部品を一つまたは複数の単純な構造として解析できる

• 材料を線形弾性と等方性を持つものと見なすことができる

• 荷重が、短時間に徐々に加わる単一の集中した、または分散した静負荷である

• 部品の残留応力または成形による応力が小さい

特定の状況にこれらのすべての仮定が厳密に当てはまることはありませんが、従来の式は解析の出発点となります。設計者は、仮定を単純化した影響を考慮して解析を変更することができます。

ビーム曲げモデルを使用してさまざまな部品を解析できます。図9.2に、選択した特定の梁の最大応力とたわみの式を示します。

最大応力（σ）は、中立面から最も離れた梁の表面で発生し、次の式で求められます。

M：曲げモーメント、Nmc：中立軸からの距離、mI：慣性モーメント、m4

Z： Ic

= 断面係数、m3

McI

MZ

σ = =

図 9.3に、いくつかの一般的な断面の断面積（A）、慣性モーメント（I）、中立軸からの距離（c）、および断面係数（Z）を示します。他の断面や形状については、応力解析ハンドブックを参照するか、有限要素解析を採用することができます。

設計計算の限界応力計算では、従来の機構設計式の使用が出発点として有効ですが、これらの解析では一部の重要な要素が十分に考慮されません。ポリマー材料の粘弾性挙動によって、たわみが低い場合などに一部の設計式の使用が制限されます。多くの場合、最大応力の計算には単純化された過程が多数含まれており、これにより、結果の信頼性が低下することがあります。

また、設計の耐衝撃性は、破壊せずに衝撃エネルギーを吸収する能力に直接関連しています。設計がエネルギーを吸収する能力を予測するのは困難です。さらに、エネルギー吸収要件を満たしていても、実際に使用できるエンジニアリングポリマーの強靱性定数がないことがあります。決まった形状であっても、ラボ試験の結果は衝撃試験の種類と速度によって異なります。したがって、設計で得られた耐衝撃性は、試作部品の衝撃を試験することで確認する必要があります。

同様に、疲労試験の結果も、試験で選択したサイクル速度、試験の動力学、使用する試験片によって異なります。したがって、疲労試験の結果は、疲労が発生する用途での材料の性能に関する大まかな目安として使用してください。

たわみの計算提案された部品設計のたわみを従来の式を使用して計算するには、弾性係数の値が必要です。適切な値を使用することが重要です。この値は、その用途で使用が予想される温度および湿度、またはそれに近い温度および湿度における材料の弾性率を表していなければなりません。詳細については、ソルベイの担当者にお問い合わせください。


図 9.2 最大応力およびたわみを表現する式

Y

L

F（全荷重）

YL

F（全荷重） F（全荷重）

L

Y

F

L Y

½ L

F

L Y

F

YL

σ = FL8Z

（中心位置）

（中心位置）

Y = 5FL3 384EI

σ = FL4Z

（荷重位置）

（荷重位置）

Y = FL3 48EI

σ = FL8Z

（支持位置）

（荷重位置）

Y = 5FL3 192EI

σ = FL2Z

（支持位置）

（支持位置）

Y = FL3 8EI

σ = FLZ

（支持位置）

（荷重位置）

Y = FL3 8EI

σ = FL1Z

（支持位置）

（中心位置）

Y = 5FL3 384EI

単純支持梁中央集中荷重

両端固定中央集中荷重

両端固定均等分布荷重

片持ち梁（一端固定）均等分布荷重

片持ち梁（一端固定）自由端に集中荷重

単純支持梁均等分布荷重


図 9.3 選択した断面の面積とモーメント方程式

d

b

c

na

A = bd

dc =

2

bd3

12I =

Z =bd2

6

c

d

b

s

h

t

na

A = bd – h (b – t )

dc =

2

bd3 – h3 (b – t )12

I =

Z =bd3 – h3 (b – t )

6d

dna

c

dc =

2

πd4

64I =

Z =πd3

32

A = πd2

4hs

b

td

c

na

A = bd – h (b – t )

bc =

2

2sb3 + ht3

12I =

Z =2sb3 + ht3

6b

dodina

c

doc =2

A = π ( do

2 – di2 )

4

I =π ( do

4 – di4 )

64

Z =π ( do

4 – di4 )

32do

b1

b2

d1

d2

na

c

A = ( b1d1 – b2d2 )

d1c =2

( b1d13 – b2d2

3 )12

I =

Z =( b1d1

3 – b2d23 )

6d1

na

cd

bs

h

t

A = bs + ht

c = d –d2t + s2 ( b – t )

2 ( bs + ht )

tc3 + b ( d – c )3 – ( b – t ) ( d – c – s )3

3I =

Z =Ic

nat

hs

c

d

b

A = bd – h (b – t )

c = b –2b2s + ht2

2A

2b3s + ht3

3I = – A ( b – c )2

Z =Ic

矩形 I 字ビーム

円形 H 字ビーム

チューブ中抜き矩形

T 字ビームまたはリブ U 字ビーム


応力の計算設計者は、最大応力を計算した後、この値を引張強さ、圧縮強さ、またはせん断強さなどの材料の適切な特性と比較します。比較は、用途の要件に合わせた温度と湿度で行わなければなりません。

図 9.2および 9.3の式の使用方法を説明するために次の例を示します。

ここで選択した例は、図 9.4に示す、一端が固定され、自由端に荷重が集中している片持ち梁です。

図 9.4 例に使用した梁

L = 100 mm

F = 1 Kg 断面

y

25 mm

6 mm

図 9.2から、矩形断面を持つ片持ち梁のたわみは次の式で求められます。

FL3Y =

3EI

Y：たわみ

F：梁の自由端にかかる力

L：片持ち梁の長さ

E：梁の材料の弾性率

I：梁の慣性モーメント

図 9.3から、矩形断面の慣性モーメントは次の式で表されます。

bd3I =

12

I：慣性モーメント

b：梁の幅

d：梁の厚み

図 9.4に示す梁では次のようになります。

25 × 63慣性モーメント =

12 = 450 mm4

たわみを計算するには、E の値、つまり弾性率が必要です。この場合は、荷重を加えると梁が曲がるため、最も適切な弾性率は曲げ弾性率になります。キータスパイア® PEEKグレードの曲げ弾性率の値は、主要特性の表か、ソルベイスペシャルティポリマーズのWebサイトの製品データシートに記載されています。各グレードについて二つの曲げ弾性率の値が記載されています。一つは ASTM D790に従った試験で得られた値、もう一つはISO 178に従った試験で得られた値です。これらの試験方法では同じ特性を測定していますが、詳細の一部が異なるため、得られた値は同一ではありません。この例では、ISO 178で得られた値を選択しました。

この例では、流動性の高い非強化グレード、KT-880 NTの室温におけるたわみを計算します。

ISO 178 による曲げ弾性率の値は 3.90 GPa です。自由端の荷重を 1 kgと仮定すると、力は 9.8 Nになります。たわみの式にこれらの値を代入すると、次の値が得られます。

( kg × 9.8 )( 0.1 m )3Y = 3( 3.90 GPa )( 450 mm4 )

= 1.86 mm

ガラス繊維強化グレードと炭素繊維強化グレードの係数を使用して計算を繰り返し、たわみを表 9.2 に示します。

表 9.2 片持ち梁に 1 kgの荷重を加えたときのたわみ

キータスパイア® のグレード

ISO 178による曲げ弾性率 GPa

たわみ mm

KT-880 NT 3.90 1.86

KT-880 GF30 BG20 10.6 0.68

KT-880 CF30 21.5 0.32

表 9.2は、計算で得られたたわみの値が曲げ弾性率に反比例することを示します。曲げ弾性率が最大の CF30グレードは、この荷重によるたわみが最小であり、言い換えると最大の剛性を有します。

前述のように、プラスチック材料の特性は測定時の温度の関数になります。高温での挙動に関する指針を提供するために、キータスパイア® PEEKの弾性率を複数の温度で測定しました。これらの弾性率を使用して、高温におけるたわみを計算できます。

この例では、キータスパイア®の KT-820 NTおよび KT-820 GF30 BG20のグレードを選択し、ASTM D790を使用して得られた曲げ弾性率の値を使用しました。


表 9.3 材料と温度の関数としてのたわみ

温度

曲げ弾性率 GPa

たわみ mm

KT-820 NT

23 3.77 1.93

100 3.44 2.11

150 2.35 3.09

200 0.32 22.69

KT-820 GF30 BG20

23 10.0 0.73

100 9.34 0.78

150 6.60 1.10

200 2.26 3.21

この計算結果を表 9.3に示します。非強化キータスパイア® PEEK樹脂は、温度が 150を超える時点まで厳しいたわみに対する耐性を示しています。200でのたわみの計算値は、剛性が大きく失われることを示しています。これにより、200における応力が大きい用途には非強化グレードが適さないことがわかります。ただし、ガラス繊維強化グレードは 200でも厳しいたわみに耐え続けます。

強化繊維の配向に関する検討事項プラスチック、特に充填強化したプラスチックを使用して設計する場合は、充填材と強化用繊維がプラスチックの機械特性に与える影響を設計者が認識しておく必要があります。充填強化したプラスチックの加工では、繊維、つまり高アスペクト比を持つ充填材の配向が流れの方向と平行になる傾向があります。

部品の設計と加工は相互に関連しているため、設計者は部品のどの部分がどの向きになるのか、また特性がどのような影響を受けるのかを考慮しなければなりません。収縮、強度、剛性、熱線膨張係数は、繊維のアスペクト比（繊維の長さと直径の比）と強化繊維の配向の度合いによって異なります。強化繊維の向きに垂直な方向では、繊維は強化材というよりも充填材として機能します。

ポリマーを成形すると、コアピンの周りにプラスチック溶融液が流れる場合など、溶融物の先端同士がぶつかる場所（一般にウェルドと呼ばれる）があります。しかし、プラスチック内に強化材が存在する場合、プラスチックがウェルドを越えることはほとんどありません。このため、ウェルドには強化ポリマーほどの強度はありません。場合によっては、母材ポリマー自体よりも強度が低くなることもあります。強化プラスチックを使用して部品を設計する場合は、このような要素も考慮する必要があります。

等しい剛性を持つ部品の設計金属部品をプラスチック部品に置き換えるときに、金属部品の剛性の保持を設計者が望む場合があります。表 9.1 から、記載した金属の弾性率がポリマーの弾性率よりも大幅に高いことがわかります。ポリマーのグレードや金属によって異なりますが、金属の弾性率は、室温でポリマーの弾性率の 2～20倍になります。温度が上昇するとポリマーの弾性率は低下しますが、金属の弾性率は基本的には一定のため、この比はさらに大きくなります。

構造力学によると、部品のたわみは弾性率に反比例します。つまり、同一設計では、プラスチック部品のたわみは金属部品のたわみよりも大きくなります。必然的に、弾性率の差をどうにかして、たわみを同一にする必要があります。部品の形状を変えて弾性率の差を補正するのは容易です。リブは部品の剛性を高める非常に経済的な方法です。つまり、構造材としての用途に合わせてプラスチック部品を設計し直すことが重要です。

弾性係数が異なる材料であっても、一つの金属を別の材料で置き換えるときに部品の剛性を保持するための二つのきわめて単純な方法があります。

第一の方法は、断面の厚みを大きくして剛性を与えることです。第二の方法は、リブを追加して剛性を上げることです。各アプローチの例を次に挙げます。

断面の厚みの変更図 9.2のたわみを表す式を見直すと、たわみは常に荷重と長さに比例し、弾性係数と慣性モーメントに反比例しています。

例えば、両端を均等分布荷重で固定すると、たわみは次のように求められます。

FL3Y =

384EI

したがって、二つの異なる材料を使用する際に剛性を同一にするには、たわみを次のように等しくします。

FL3 = Y =

384EIFL3

384EI金属プラスチック


荷重と長さは変わらず同一にするため、FL3 は定数になります。式の両側から定数を取り除くと、次のようになります。

式 1 [ EI ] 金属 = [ EI ] プラスチック

金属部品が弾性係数 E = 45 GPa のマグネシウムで、その代替として選択した熱可塑性樹脂が弾性係数 19.7 GPa のキータスパイア® KT-820 CF30 の場合、負荷時のたわみを等しく維持するために慣性モーメントを大きくする必要があります。慣性モーメントを大きくするには、厚みを大きくするかリブを追加します。式 1に E の値を代入すると、次のようになります。

( 45 × 109 ) I 金属 = ( 19.7 × 109 ) Iキータスパイア® PEEK

たわみを等しくするには、I を 2.28 倍する必要があります。

長方形の断面の慣性モーメントは次のようになります。

bd3I =

12

b は断面の幅、d は断面の厚みで、式に代入して必要な厚みを求めると、次のようになります。

2.28 d3 金属 = d3 キータスパイア® PEEK

元の金属部品の d が 2.54 mm の場合、キータスパイア® PEEKの必要な厚みは次の式で求められます。

3D =

d = 3.34 mm

2.28( 2.54 )3

たわみを等しくするには、厚みを約 32 % 大きくする必要があります。ただし、次のセクションで説明するように、リブを使用して慣性モーメントを効果的に上げる方法があります。

剛性を維持するためのリブの追加直前のセクションでは、キータスパイア® KT-820 CF30 の成形部品で金属部品を置き換える場合、厚みが 2.54 mm のマグネシウム部品と等しい剛性を得るには、キータスパイア部品の厚みを3.34 mm にする必要があることがわかりました。

キータスパイア® PEEK の設計にリブを組み込むと、肉厚と重量を非常に効果的に削減しつつ、マグネシウム部品と等しい剛性を得ることができます。

この実例として、新しいリブ設計によって慣性モーメント（I）を厚み 3.34 mm のプレート設計の慣性モーメントと等しくすることができます。同じ材料であるキータスパイア® KT-820 CF30 を選択すると、いずれの場合でも弾性係数は 19.7 GPa のままなので、リブ付き設計の慣性モーメントがプレート設計と等しい場合、両方の部品のたわみおよび剛性は等しくなります。

図 9.3 からリブ付き断面の I を選択します。断面の幅“b”が両方で同一と仮定すると、Iリブは Iプレート以上でなければなりません。

断面の幅 “b” = 25.4 mm を代入すると、条件を満たすリブ付き構造の慣性モーメントを計算できます。

プレート設計の慣性モーメントは次のようになります。

bh3Iプレート = = = 86.9 mm4

1225.4 × ( 34 )3

12

図 9.5 に示す例のリブ設計を選択し、計算を行うと慣性モーメントは次のようになります。

Iリブ = 1379 mm-4

図 9.5 リブ設計の例

1.9 mm

12.7 mm

2.54 mm

25.4 mm

25.4 mm ごとにリブを配置することで、慣性モーメントは約 17倍になります。設計者はリブの高さとリブの幅に加えて、数と間隔を変更することができます。

持続性荷重向けの設計ここまでの応力-ひずみ計算と例では、即時の応力-ひずみ応答を、つまり短期特性を扱ってきました。対象の部品が長期に亘って、または高温で持続性荷重に耐える必要がある場合は、見かけの（クリープ）弾性率の値を使用して、発生する可能性があるさらなるひずみと部品のたわみを考慮する必要があります。


応力集中に関する検討事項従来の機構設計で部品を設計すると、応力集中が原因で、予測よりも早期にまたは大幅に低い応力で破壊が起きてしまうことがあります。応力集中は、シャープコーナー、穴の周り、または他の部品形状特性で発生することがあります。衝撃および疲労が生じる状況では、特に応力集中が起こりやすくなります。

シャープコーナーを最小限に抑えることで応力集中が減少し、構造強度の高い部品が得られます。

応力集中の問題を回避するために、コーナーの内側半径を少なくとも標準肉厚の半分にしなければなりません。最小フィレット半径は、0.4 mmと考えてください。

図 9.6に、コーナーの内側半径が応力集中係数に与える影響を示します。例えば、公称肉厚が 2 mmでコーナーの内側半径が0.5 mmの場合、厚みに対する半径の比率は 0.25になり、応力集中係数は 2を超えます。xの応力は部品に 2x以上の影響を与えます。

図 9.6 コーナーの内側の応力集中

応力集中係数

2.6

2.4

2.2

2.0

1.8

1.6

1.4

1.2

1.00.40.0 0.2 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

半径/厚みの比

均一の肉厚を維持するには、外角の半径が内角の半径と肉厚の合計に等しくなければなりません。

コンピューター支援エンジニアリング（CAE）設計者は射出成形が提供する柔軟性を活用して、複雑な構造体と機能を持つプラスチック部品を開発できます。最新のCADツールを使用すると、実際の試作品を作成するのではなく、部品の仮想モデルを作成して柔軟性を実現できます。CAEツールによって、射出成形シミュレーションや機械応力解析など、各種の数値シミュレーションをこれらの仮想試作品で実行する能力が加わります。

CAEを使用してプラスチック部品を設計すると、ポリマーをより効率的に使用し、成形性を上げ、完成品の性能を向上させることができます。開発時間の短縮によってコストの削減が達成できます。設計効率が上がると、製造コストの低い低コスト部品が得られます。

ポリマー業界向けの基本的な CAEパッケージには、有限要素解析（FEA）による射出成形および構造解析シミュレーションが含まれます。より複雑なケース向けには、FEAで予測した強化繊維の向きを使用することで、充填強化したポリマーの射出成形と構造解析シミュレーションとのギャップを埋めることができるソフトウェアがあります。これを用いると、さまざまな成形オプション（ゲートの位置、射出時間など）が完成品の機械的挙動に与える影響をシミュレートでき、数値モデルの精度をさらに向上することができます。

射出成形のシミュレーション射出成形ソフトウェアをプラスチック部品で使用することは、多くのメーカーやサプライヤーで標準になっています。金型の設計と作成を行う前に、こうしたソフトウェアを用いて充填や冷却に関する知識を得ます。ソフトウェアを使用することで、ゲートの位置、ウェルドの配置、エアトラップ、強化繊維の向きを評価できます。また、部品を充填するために必要な射出圧の予測に加えて、部品の成形性と部品の品質に影響を与えるその他の重要な問題を予測することもできます。

流動解析によって得られる結果で最も一般的なものの中には、プラスチックの流動性対時間（充填パターン）、部品の充填に必要な圧力（圧力プロファイル）、ウェルドの位置、強化繊維の向きがあります。多くの場合、結晶化度、冷却、および強化繊維の向きの影響を組み込んだそり解析も実行します。このタイプの解析では、温度、充填効率、収縮データ、強化繊維の向きなどの成形加工の多くの重要な側面を考慮し、最終的に成形部品の完成時の寸法と形状を予測できます。

射出成形加工のシミュレーションには、熱力学、流体力学、熱伝達などの複雑な式が含まれることを認識しておくことが重要です。解析は、いくつもの仮定と簡略化に基づいて行います。そのようなシミュレーションから得られる精度の予測を向上させ、信頼性を高めるために、シミュレーションの結果と実験による証明とを相関付けることを推奨します。


有限要素解析（FEA）FEA を使用した機構シミュレーションでは、特定の使用条件下の部品の応力とひずみを予測します。教科書の公式を使用して複雑な部品の機械的応答を計算するには多くの制限があります。

FEAは、特定状況での構造解析モデルの構築から成り立っています。このプロセスでは、次のようなさまざまなデータに関する情報を入手できなければなりません。

• 解析対象の部品の CADモデル

• 材料特性：温度、水分含量、荷重のタイムスケール（準静的、長期、動的）を考慮した、選択したポリマー材料の機械的挙動モデル。使用温度が高温の場合には熱膨張に関する情報も考慮

• 固定点、接触面積など、シミュレートするテストケースの境界条件

• 力、モーメント、温度場などの負荷

プラスチック部品の材料特性は成形加工によって大きく異なります。充填強化したポリマーでは、ポリマーが流れるときの強化繊維の向きによって成形部品の異方性という機械特性が生じます。しかし、そのような部品の従来の機構解析アプローチは、材料特性が部品内で等方性（すべての箇所、すべての方向で同一）であるといった仮定に基づくものです。このシミュレーションで一般に得られる引張データは、標準化された成形引張り試験片を使用して生成されたものです。実際に、これらの成形引張り試験片は非常に良好な強化繊維の配向を示すため、試験方向に添って好ましい機械特性が得られます。

この引張データをそのまま使用し、実際の成形部品について等方性の挙動を定義すると、通常は機械的応答を過大評価することになります。したがって、等方性の数値シミュレーション用に、試験で得られた公開されている引張り応力-ひずみ曲線に 0.7に近い係数で重み付けすることが一般的です。充填強化したポリマーでは、等方性の仮定と重み係数の選択は任意で、部品のタイプ、射出加工パラメーター、材料の式によって大きく異なります。

材料の挙動に関連するその他の重要な側面は、線形弾性の仮定が有効か、非線形材料モデルが必要かといった材料モデルの選択です。これはポリマーと試験条件によって大きく異なります。例えば、低温および低ひずみで使用される高度に充填強化したポリマーは、通常は線形の応力-ひずみ応答を示します。この場合は線形弾性 FEAの実行で十分であり、さまざまな設計オプションをすばやく評価できます。ただし、高温または高含水量条件の非強化グレードの材料では、応力-ひずみ曲線が徐々に非線形になることが容易に観察できます。通常これは、低ひずみかつ低応力の狭い範囲に限って線形弾性の仮定が有効であることを示します。この場合は、非線形性（弾塑性など）の取り込みにより材料のさらに正確なモデリングが可能な非線形 FEA パッケージの使用を推奨します。このパッケージは、一般に使用される短期の準静的シミュレーションに対応します。

さらに複雑なシミュレーションでは、クリープ（長期の変形）や、衝撃または落下試験などの急な荷重に対するひずみ速度に依存する応答なども含めることができます。通常、非線形シミュレーションパッケージは、成形部品のポリマーの挙動をより正確に表すことのできる材料モデルを提供します。

射出成形と構造解析のシミュレーションの結合均質化の規則に基づく新しい高度なマクロメカニカルシミュレーションソフトウェアは、等方性という機構仮定に代わる興味深いモデルを提供します。これらのツールでは、射出成形シミュレーションから FEAパッケージに強化繊維の配向のデータをインポートできます。このソフトウェアでは、この強化繊維の配向のデータを使用して異方性非線形挙動モデルを定義できます。この技術を使用するには、さまざまな配向の実際の試験片とリバースエンジニアリング技術に基づいた、特定の材料の適切な特性解析を実行する必要があります。データへのアクセスとシミュレーションの支援については、ソルベイの担当者にお問い合わせください。

アセンブリーの設計嵌め代または圧入二つの部品の組み立てに使用できる最も経済的な方法は圧入です。結合部は、シャフトをその直径よりも小さい直径を持つ穴に押し込むことで作成します。穴とシャフトの直径の違いは嵌め代と呼ばれます。接合を維持する力は、主にシャフトの挿入によって生成されるハブのフープ応力により生じるシャフトへの圧縮応力です。シャフトの圧縮応力が接合を維持する程度は、シャフトの相対弾性率とハブの材料に関係します。ポリマー材料の見かけの弾性率は経時的に小さくなるため、締まり嵌めを維持する応力は、クリープと同様に時間の経過とともに小さくなります。


許容嵌め代の計算シャフトとハブの間の許容嵌め代は、次の一般式を使用して求めることができます。

I = SdDs

FF + υh

Eh

1 – υs

Es +

また、形状係数 Fは次の式で求められます。

I：嵌め代Sd：許容応力Dh：ハブの内径Ds：シャフトの外径Eh：ハブ材料の弾性率Es：シャフト材料の弾性率υh：ハブ材料のポアソン比υs：シャフト材料のポアソン比F：形状係数

F =

1 + Dh

Ds 2

1 – Dh

Ds 2

シャフトとハブが同じ樹脂グレードで作成されている場合は、次のようになります。

Eh = ES = E

嵌め代は次の式で表されます。

FF + 1 Ds E

SdI =

ハブがキータスパイア® PEEKで、シャフトが金属で製作されている場合は、嵌め代は次の式で表されます。

Eh

F + υh

FSd Ds I =

異なる材料で圧入が使用されている場合は、熱膨張の違いによって二つの嵌合部品の嵌め代が増減します。この結果、接合強度に影響を与える応力が増減します。

圧入によってクリープまたは応力が経時的に弱まることがあります。この結果、アセンブリーの保持力が減少します。したがって、予測される動作条件下でのアセンブリーの試験を強く推奨します。

図 9.7 メカニカルファスナーの設計

ボルトを締めると大きな曲げ応力が発生する

わずかに遊びを持つボスの付加により、ボスが接触すると応力が圧縮応力になる

標準ねじは締付けにより大きな応力が発生する

肩付きねじは締付け時の応力を制限する

不適切適切

ねじヘッドのくさび効果により大きな応力が生じる

さらねじ

平底にすることによりくさび効果による応力を避ける

トラスねじ、ナベねじ

メカニカルファスナーメカニカルファスナーは、異なる材料を接合するための経済的な方法です。ファスナーは、スクリュー、ボルト、ナット、ロックワッシャー、ロックナットなど、射出成形されたプラスチック部品に頻繁に使用されています。金属製のメカニカルファスナーを使用する場合は、適切な設計指針を使用して、組み立てるプラスチック部品に過度の応力が加わらないようにする必要があります。

アセンブリーの応力が高くなるのを防ぐには、トルクドライバーでメカニカルファスナーの締め具合を制御するのが最もわかりやすい手順です。フィールドアセンブリーのようにトルクを制御できない場合は、段付きねじでプラスチック部品の圧縮を制限します。その他の方法として、フランジヘッドねじ、大きいワッシャーまたは段付きワッシャーの使用があります。図 9.7に、メカニカルファスナーを使用する場合に好まれるいくつかの設計を示します。


図 9.8 セルフタッピングねじのボスの設計

半径1 mm

ボス径 > = 2 x ピッチ直径

ピッチ直径

セルフタッピングねじプラスチックで使用する一般的なタイプのメカニカルファスナーはセルフタッピングねじです。セルフタッピングねじは、プラスチックへの挿入時にねじ山を刻むか形成します。このため、内側のねじを成形することも、ねじ山の形状をねじ切るための切削加工による二次加工も不要になります。主なタイプは盛り上げとねじ切りです。

プラスチック材料の弾性係数は、用途に最も適したセルフタッピングねじのタイプを決定するときに重要な役割を果たします。ほとんどの非強化樹脂など、弾性率が 3.0 GPa未満のプラスチック材料には盛り上げねじが最適です。これは、プラスチックには、亀裂やせん断を生じさせずに変形できる十分な延性があるからです。ガラス繊維強化グレードおよび無機充填グレードでは、ねじ切りねじが好まれます。

最適なストリップアウトトルクを得るには、ボスの穴の直径がねじのピッチの直径に等しくなければなりません。ボスの外径は穴の直径の 2倍または 3倍でなければならず、ボスの高さは、ボスの厚みの 2倍を超えていなければなりません。

図 9.8に、セルフタッピングねじで使用する基本的なボスの設計を示します。

ストリッピングや応力の高いアセンブリーを避けるために、アセンブリーラインにはトルクドライバーを使用しなければなりません。

トルク保持の向上クリープによるトルクの損失を最小限に抑えるために、次の方法でねじ頭の下の圧縮応力を減少させます。

• ねじ頭の直径を大きくする

• 直径の大きいフラットワッシャーを使用する

• クランプトルクを小さくする

• スプリングまたはスパイラルワッシャーを使用する

• プラスチック部品に加わる応力を下げるために段付きボルトを使用する

• 金属製のブッシングを使用する

図 9.9 ねじ取り付け時に発生するトルク

トルク

ねじ込み深さ

ねじ盛り上げトルク

ねじ頭が固定された材料と接触

ねじ込みトルク

ストリッピングトルク

締め付け荷重

締付けトルク図 9.9 に、ねじの貫通の関数としてトルクが変化する様子を示します。締付けトルクは、特定の用途に合わせて推奨する取り付けトルクです。ねじ山を完全に噛み合わせ、締付け荷重を生成するための十分な大きさが必要ですが、ねじ山を破損させるトルク（ストリッピングトルクと呼ばれる）よりも小さくなければなりません。

最適な締付けトルクの値は、次の式を使用して、平均締めトルクと平均ストリッピングトルクから計算できます。

TT：締付けトルクTD：平均ねじ込みトルクTS：平均ストリッピングトルク

21

23

TT = TD + 21

Ts

一部のセルフタッピングねじはプラスチック専用に設計されており、これらのねじは締めトルクとストリッピングトルクの差が、金属用に設計された代表的なねじよりもかなり大きいという利点があります。これらの専用ファスナーによって自動組み立ての安全係数をさらに大きくできます。


図 9.10 超音波インサート用のボス設計

インサート径

ボス径 = 2 x インサート径

t0.7 t

引抜き力の計算接合部の強度を表す数値として、ねじの引抜き力を使用します。引抜き力は次の式を使用して予測できます。

F：引抜き力S：せん断強さD：ピッチ径L：ねじの噛み合わせ長さ

F = πSDL

組み立てと分解を繰り返して行う必要がある場合、または予想される場合は、セルフタッピングねじの代わりにねじ込み金属インサートを使用する必要があります。

ねじ込みインサートねじ込み金属インサートを使用することで、プラスチック部品に永続的な金属製のねじ山を付けられます。これにはさまざまな寸法とタイプがあります。インサートは、通常は内径がインサート用に設計されている成形ボスに取り付けられます。最も一般的に使用される金属インサートは、二次加工で部品内に一体成形されるか、超音波により配置されます。一体成形インサートの場合は、インサートが金型内に置かれ、その周りにプラスチックが射出されます。インサートの周りのプラスチックが冷却されると、応力が生じます。この応力を下げるために、金型の温度までインサートを加熱します。

超音波インサートは、超音波溶着機によって生成される高周波振動でプラスチックを溶融することで、プラスチックに押し込まれます。超音波溶着では、取り付けるときに金属インサートの周りの材料を溶融し、インサートとプラスチックの間に、通常は強く、比較的応力の小さい結合を形成します。

図 9.10に、キータスパイア® PEEK樹脂に推奨するインサートとボスの設計を示します。

図 9.11 片持ち梁タイプのスナップフィット

d

LY

b

一体成形されたねじ金属の代わりにプラスチック材料を使用する際の利点の一つに、ねじ山を部品に直接成形できる点があります。この結果、金属部品ではねじ山を形成するために必要な二次加工が不要になり、一体成形されたねじは外部にも内部にも作成できます。内側のねじの場合は、ある種の回転コアまたは折り畳み式コアが必要です。外部ねじは、金型のパーティング面がねじ山に垂直であれば、さらに容易に形成できます。

スナップフィットを使用した設計プラスチックでのスナップフィットの使用は非常に一般的です。すべてのスナップフィット設計では、プラスチックは、嵌合部品上に設計された嵌め代を通り過ぎるときに片持ち梁のスプリングのようにたわまなくてはなりません。たわむアームが嵌め代を通り過ぎると、通常の曲がらない、応力のない位置に戻ります。通常の設計では、部品を追加せずに組立を単純にするため、嵌合部品に噛み合って固定される片持ち梁上に段差や突起が付けられてきました。これを図 9.11に示します。

挿入するには、各片持ち梁のアームが “Y”の距離だけたわむ必要があります。適切なスナップ設計の鍵は、使用する材料のひずみ／応力限界を超えないことです。延性があり、弾性率が低いプラスチックに使用されてきたスナップフィット設計は、高度に強化された非常に硬いプラスチックにはおそらく適していません。

剛性に優れた材料では、片持ち梁の長さを伸ばすか、嵌め代たわみ “Y”を小さくすることができます。「ストップ」を追加すると、組み立て時の片持ち梁の過剰なたわみを防止できます。


図 9.12 自由端に荷重が集中する片持ち梁

F

YL

垂直片持ち梁の式垂直片持ち梁の最大たわみおよび最大ひずみの相関関係は、次のように計算されます。図 9.2から片持ち梁を選択し、図面は図9.12を再掲します。最大応力は次の式で表されます。

FLσ = Z

梁は矩形断面のため、次のようになります。

bd3I =

12

bd2Z = および

6

したがって、

FLdσ = 2I

梁のたわみ Y は次の式で求められます。

FL3Y =

3EI

表 9.4 片持ち梁スナップフィットのひずみの推奨値

キータスパイア® のグレード

1回組み立ての最大設計ひずみ

%

反復組み立ての最大設計ひずみ

%

KT-820 NT 5.0 3.0

KT-880 NT 5.0 3.0

KT-820 GF30 2.0 1.5

KT-880 GF30 2.0 1.5

KT-820 CF30 1.5 1.0

KT-880 CF30 1.2 1.0

たわみを表現する式を解いて Fを求めると、ビームのたわみに必要な力を次のように計算できます。

式 1

3YEIF = L3

弾性係数 Eは次のように定義されています。

σE = したがってεσε = E

これを片持ち梁の応力の式に代入すると、次のようになります。

式 2

FLdε = 2EI

式 1を式 2のＦに代入すると、ひずみとたわみの関係が導き出されます。

式 3

3Ydε = 2L2

この式を使用すると、設計者は設計の最大たわみから必要なひずみを計算できます。表 9.4に、複数のキータスパイア® PEEK樹脂グレードの最大ひずみの推奨値をまとめます。

適切なキータスパイア® 樹脂のグレードを選択したら、基本的な式を使用して片持ち梁を必要量だけたわませるために必要な荷重Fを求めることができます。

片持ち梁スナップフィットでは、応力およびひずみは片持ち梁の根元部分で最大になり、荷重が加わる先端に行くにつれ比例して小さくなります。実際に、任意の点における応力とひずみは、異なる L（荷重から固定端までの距離）を代入することで計算できます。したがって、片持ち梁の厚みが固定端から先端に向かって徐々に小さくなる場合は、梁は高い最大応力を受けることなく、厚み一定の片持ち梁よりも大きくたわむことができます。この方法で材料の能力を最大限に引き出すことができます。


図 9.13 テーパー付き梁を使用したスナップフィット設計

Y最大h0

hL

L

図 9.14 テーパー付き梁の比例定数（K）

比例限界

[ K

]

2.4

2.2

2.0

1.8

1.6

1.4

1.2

1.00.40.3 0.5 0.6 0.7 0.8 1.00.9

hL：hOの比

テーパー付き片持ち梁の式図 9.13 に示すテーパー付き設計では、hL は自由端における厚みです。テーパー付き梁設計の比例定数の値、Kは図 9.14に記載されています。最大ひずみは次のように計算できます。

式 4

3Yh0ε = 2L2K

たとえば、梁の厚みをその固定端の厚みの半分まで徐々に小さくした場合、hL対 h0の比は 0.5になり、Kは（図 9.14から）1.6になります。したがって、最大ひずみと対応する応力は、Kの逆数 0.625の倍数になります。ひずみは、たわみが等しい厚み一定の片持ち梁設計よりも約 40 %小さくなります。

射出成形用の設計キータスパイア® PEEK樹脂は、多くの用途で射出成形加工により製造されます。用途の性能要件を満たすように部品を設計したエンジニアは、部品設計には成形性に影響を与える可能性を持つ要素があることも考慮しなければなりません。これらの要素として肉厚および肉厚変化、抜き勾配、リブ、ボス、肉盗みなどがあります。設計者は、部品作成用の金型を作成する前に、これらの要素が成形性に与える影響を考慮しなければなりません。

肉厚一般に、部品は予測される荷重を支持できる十分な構造強度を持ち、たわみを基準の設計限界内に維持し、十分な流動性を提供し、燃焼性と衝撃の要件を満たす最小の厚みで設計しなければなりません。このように設計された部品は重量が最小限になり、したがって材料コストが最小になり、成形サイクルが最短になります。

肉厚の変動均一の肉厚を持つ部品設計は、射出成形加工に最適です。このような設計では成形による応力が最小限に抑えられ、部品表面にひけが発生する可能性が軽減され、成形部品にボイドが生じる可能性がなくなります。しかし、構造、外観、抜き勾配を考慮するとさまざまな肉厚が必要です。壁断面の厚みを変化させる必要がある場合、設計者は、図 9.15に示すテーパー付き設計や滑らかな設計など、勾配が滑らかになるように気を配る必要があります。

勾配が急であると冷却状態の差異や乱流が生じ、外観や寸法安定性に問題が発生することがあります。急勾配によって応力集中が生じることもあり、これが荷重や衝撃が加わる部品の性能に悪い影響を与えることがあります。

抜き勾配金型から部品を剥離するときに役立つように、通常は部品はテーパー付きで設計されます。テーパーによって、金型が動き始めると直ちにクリアランスが発生するため、部品を金型のキャビティから取り出すことができます。図 9.16に示すように、一般にテーパーはドラフトと呼ばれ、テーパーの大きさは抜き勾配と呼ばれます。


図 9.15 肉厚変化

シャープ

テーパー付き

なだらか

不可

良

最良

図 9.16 抜き勾配 - 金型の離型のための設計

抜き勾配

図 9.17 抜き勾配 - 推奨するリブの設計

½ ～ 1½°の抜き

t

t = 0.6T

T

R = > 0.8 mm

部品が金型から容易に外れるように、十分な抜き勾配を持たせる必要があります。一般に、キータスパイア® 樹脂の場合、内側と外側の壁にそれぞれ 0.5～1°の抜き勾配を設定しなければなりません。ただし、一部の特殊なケースでは、これよりも小さい 1 ∕ 8～1 ∕ 4°の抜き勾配が、金型表面の引き磨き処理を施したうえで使用されてきました。

深絞り、またはコアが使用されている場合は、これよりも大きい抜き勾配を使用する必要があります。シボ加工の場合、各側壁の抜き勾配の要件が、シボの深さ 0.025 mm ごとに最小で 1°ずつ大きくなります。

リブ部品設計の剛性は、リブを適切に設計して配置することにより、厚肉を作成せずに大きくすることができます。適切なリブの設計により肉厚を小さくすることができます。この結果、材料と重量を削減し、成形サイクルを短縮することができます。また、部品表面のひけや部品内部のボイドのような成形の問題につながる厚肉部もなくすことができます。正しく配置されたリブは内部ランナーとしても機能し、成形時のプラスチックのメルトフローにも役立ちます。

一般に、リブの設計には次のガイドラインを使用する必要があります。リブの根元部分の厚みは、隣接する壁の厚みの 60 % を超えてはなりません。リブが化粧面の裏にある場合、幅はできる限り薄くしなければなりません。外観よりも構造が重要な箇所が成形部品にある場合は、リブが外側壁面肉厚の 75 %、または100 % にもなることが頻繁にあります。リブは、側壁、ボス、取り付けパッドなどの他の構造部にできる限り滑らかに接続しなければなりません。部品に複数のリブがある場合は、高さと幅を一定にする必要はなく、多くの場合は部品の応力分布に合わせます。すべてのリブは側壁ごとに 1/2°以上の抜き勾配が必要であり、応力集中とひけを軽減するために、根元部分の半径が 0.8 mm 以上でなければなりません。

図 9.17 に、推奨するリブの寸法の関係を示します。

肉盗み適切な設計指針には部品全体で均一の肉厚が指定されているはずです。部品内に厚い部分があることで成形サイクルが長くなり、部品の表面にひけが発生し、部品内部にボイドが生じ、成形による応力が増加することがあります。

厚い部分は、肉盗みによって均一の肉厚を提供しなければなりません。射出成形を単純に経済的にするために、コアは金型の型開きに平行でなければなりません。他の方向にコアを配置すると、通常はある種のスライド機構や、マニュアルで出し入れする入れ子を作成する必要があります。

キャビティ内に延びるコアは高い圧力を受けます。直径が1.5 mm を超える片止めコア（支えられていないコア）では、コアの長さは直径の 3 倍を超えてはならず、直径が 1.5 mm 未満の片止めコアの長さは直径の 2 倍を超えてはなりません。貫通コア

（金型の反対側にはまり込んだ、または反対側で止まるコア）では、これらの推奨値を 2 倍にします。すべてのコアに抜き勾配を追加し、突き出しを最適化するためにすべての金型を引き磨きしなければなりません。


ボスボスは、部品の基準面からの突出物で、最終的に取り付け点または固定点として使用します。ボスの設計は、主にその部品での役割によって異なります。穴付きボスは、圧入、セルフタッピングねじ、超音波インサートに使用できます。これらは、いずれもボスの壁に応力を加えます。

一般的なガイドラインとして、構造上の懸念が外観の要件よりも優先される場合を除き、ボスの外径は穴の内径の 2倍でなければならず、ボスの根元部分の肉厚は、部品の肉厚の 60 %を超えてはなりません。図 9.18にこれらのガイドラインを示します。

ボスに加わるその他の力が、ボスを経由して基準面まで伝わることがあります。このため、強度を与えて応力集中を軽減するために、ボスの根元部分には肉厚の 25 %の最小半径が必要です。ボスの周りにガセットプレート支持を使用することで、または適切に設計したリブを使用して近くの壁に接続することで、ボスの強度をさらに上げることができます。ボスはリブと同様の手法で設計してください。表面のひけや部品内部のボイドの発生を防ぐために、厚い部分は避けてください。

図 9.18 ボスの設計 - 一般的なガイドライン

I.D.

O.D.

O.D. = 2 × I.D.

0.3 T T


加工

レオロジー特性キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）のような熱可塑性樹脂材料を使用する製造では、多くの場合、材料を溶解し、冷却場所となる金型またはダイに材料を流し込むための力を加える必要があります。基本的なレオロジーデータを製造業者および設計者に提供するために、さまざまなグレードのキータスパイア® PEEKの粘度を、温度とせん断速度を変えて測定しました。ASTM試験法 D3835に従い、300秒の溶融時間を使用して、LCRキャピラリーレオメーターでデータを収集しました。

結果を表 10.1および図 10.1～10.9に示します。


粘度

[ P

a-s

]

せん断速度 [ sec-1 ]

2,000

1,000800600

400

200

10010,0001,000100

370 °C385 °C400 °C

表 10.1 キータスパイア® PEEKの粘度対せん断速度

見かけ粘度、Pa-s（Poise = Pa-s x 10）

グレードせん断速度、sec-1 370 385 400KT-820 NT 100 1,310 1,184 1,127

1,000 556 500 464

10,000 234 202 186

KT-880 NT 100 347 294 248

1,000 220 189 161

10,000 86 78 74

KT-820 GF30 100 2,712 2,528 2,210

1,000 1,451 930 761

10,000 956 604 253

KT-880 GF30 100 966 791 671

1,000 426 367 324

10,000 193 162 129

KT-820 CF30 100 3,053 2,333

1,000 1,517 1,010

10,000 744 528

KT-880 CF30 100 1,109 900 734

1,000 490 410 364

10,000 233 157 129

KT-820 SL10 100 650 545

1,000 259 193

10,000 115 80

KT-820 SL30 100 1,461 1,164

1,000 472 358

10,000 329 196

KT-820 SL45 100 1,988 1,670

1,000 571 450

10,000 223 185



500400

300

200

10080

6050


10,0001,000100

粘度

[ P

a-s

]

370 °C385 °C400 °C


3,000

2,000

1,000800

600

400

200


10,0001,000100

粘度

[ P

a-s

]

370 °C385 °C400 °C


1,000800

600

400

200

100


10,0001,000100

粘度

[ P

a-s

]

370 °C385 °C400 °C


3,000

4,000

2,000

1,000

800

600500


10,0001,000100

粘度

[ P

a-s

]

385 °C400 °C


粘度

[ P

a-s

]


2,000

1,000800600

400

200

10010,0001,000100

370 °C385 °C400 °C


1,000800600

100806050

400

200


10,0001,000100

粘度

[ P

a-s

]

370 °C385 °C




10,0001,000100

粘度

[ P

a-s

]

2,000

1,000800600

400

200

100

370 °C385 °C


3,0002,000

1,000800600

1008060

400

200


10,0001,000100

粘度

[ P

a-s

]

370 °C385 °C

射出成形熱可塑性樹脂から製品を製造するための基本的な加工の一つに射出成形があります。プラスチックペレットを、プラスチックが溶融するにつれて後退する回転スクリューを内部に備えたシリンダー内で溶融させます。次に、スクリューを前方に動かし、溶けたプラスチックを金型に射出します。プラスチックが凝固してキャビティの形状になります。ここで可動側プレートを後退させることで金型が開き、製品が金型から突き出されます。原理は単純ですが、高品質の製品を一貫して製造するためには慎重な制御が必要な多くのパラメーターがあります。このセクションでは、キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）の射出成形を確実に行うための指針を提供します。

装置

射出成形機キータスパイア® 樹脂は、従来の射出成形機で容易に加工できます。この成形機は、加工温度要件（射出ユニットで最大 385、金型で最大 205）を達成し、維持できる必要があります。成形機は、スクリュー位置を監視するリニアトランスデューサを備えていなければならず、速度／位置プロファイルによって射出を制御できなければなりません。成形機は、高速射出のために最大で240 bar の射出圧を生成できなければなりません。

図 10.10 射出成形機の構成図

ホッパードライヤー固定プラテン

タイロッド（4）ヒーター

インラインスクリュー可動プラテン

型締めシリンダー

シリンダーノズル金型

射出ユニット型締めユニット

ねじの回転モーターとギア

熱媒体ホース

逆止バルブスクリューラムシリンダー断熱板


型締め力キータスパイア® 樹脂の加工には比較的高い圧力が必要なため、成形機の型締め力は 30 t/cm2 以上でなければなりません。推奨される最小型締め力を求めるには、ランナーシステムを含めて、パーティング面での投影キャビティの面積を計算し、推奨係数を乗じます。型締め力が不十分な場合は、パーティング面にバリが発生することがあります。

スクリューの設計汎用タイプのスクリューを使用する必要があります。L/D は 18～25：1、圧縮比は 2.5～3.5：1 でなければなりません。また、射出時にポリマーがフライトを超えて流れ戻ることを防ぐスライドチェックリングを備えていなければなりません。フライトはフィード部、圧縮部、計量部で等間隔に配置されている必要があり、スクリューのフィード部端でのフライトの深さは 6 mm 以上でなければなりません。ボール式チェックバルブや高混練エレメントは推奨しません。

スクリューは、高温運転に適した CPM9V のような合金で製造し、ロックウェル C 硬度が 50～55 になるように硬化処理する必要があります。キータスパイア® 樹脂は鋼材を腐食しないため、特殊な合金、塗装、メッキは不要です。

ノズル逆テーパーの付いた一般用途のノズルチップを推奨します。ノズル開口部の直径は、スプルーブッシュの直径よりもわずかに小さくする必要がありますが、3 mm 未満にしてはなりません。ノズルシャットオフ機構は推奨しません。断熱ノズルチップはスプルーブッシュへの熱損失を防ぎ、ノズルの固化の問題を解決できます。これは熱伝導性（炭素繊維強化）グレードで特に有効です。

金型

金型鋼材キータスパイア® 樹脂は加工温度が高いため、S-7 や H-13（または等価の）などの適切な金型鋼材を推奨します。最小ロックウェル C 硬度が 50 になるように金型を硬化処理する必要があります。キータスパイア® 樹脂は腐食性がないため、特殊な塗装やメッキは不要です。

金型の種類二枚構成金型が最も一般的です。キャビティは、金型が開いたときに成形された部品が金型の可動側に残るように、部品のほとんどの部分が可動側で成形されるように配置しなければなりません。二枚構成金型では、エッジ、ダイアフラム、またはトンネルゲートを使用できます。

図 10.11 逆テーパー付きノズル

2 ～ 3°

バンドヒーター

図 10.12 二枚構成金型

上部クランププレートハウジング

ピンプレート

突き出しプレート

キャビティ

スプループラーピン

支持プレート

ガイドピンとブッシング

位置決めリングスプルーブッシュ

コア

突き出しピン

コアリテーナーキャビティリテーナー

三枚構成金型はこれよりも多少複雑ですが、自動ゲートカットなどの複数の利点を持ち、一つのキャビティ内に複数のゲートを配置できることから、大きく薄い部品の充填が容易になります。

図 10.13 三枚構成金型

上部クランププレートハウジング

ピンプレート

突き出しプレート

キャビティ

支持プレート

サッカーピン

拡張ノズル

コア

突き出しピン

ガイドピンとブッシング

ストリッパープレート

ランナープレートコアリテーナーキャビティリテーナー


三枚構成金型を使用すると、ランナーを固定側プレートと中間プレートの間に形成し、キャビティを中間プレートと可動側プレートの間に配置できます。金型が開くとランナーがキャビティから離れるため、個別に扱うことができます。通常、固定側プレートには、突き出し時に固定側プレートにランナーを維持するための「サッカー」ピン（ランナーシステムのアンダーカット）が含まれ、金型が開いた後に突き出しプレートでランナーを取り出します。

ランナーの質量を最小限に抑えるために中間プレートはできる限り薄くしなければなりませんが、熱管理用の加熱／冷却ラインを使用できる程度の厚みは必要です。

キャビティのレイアウトマルチキャビティ金型は、すべてのキャビティが同じ速度で充填されるようにバランスが取れていなければなりません。スプルーから各キャビティへの距離が同一になるように、すべてのキャビティが金型内に均等な間隔で配置されていなければなりません。

図 10.14 バランスが取れていない

図 10.15 バランスが取れている

「ファミリー」金型（複数の異なるサイズのキャビティが組み込まれた金型）は推奨しません。これは、均等に充填されず、許容できない部品が得られることがあるからです。

スライド機構部品設計で、金型が開く方向に対し垂直方向に細部が組み込まれている場合は、スライドを使用する必要があります。スライドは部品の突き出し前に後退させなければなりません。スライドの後退は、油圧によって、または図 10.16に示すように、スライドに対向するプレート上に取り付けられた傾斜ピンを使用して行うことができます。金型が閉じると、ピンがスライドと噛み合い、所定位置に移動させます。金型が開くと、ピンはスライドから引き抜かれ、スライドを成形部品から離します。型締め力を上げるために、両側に正の角度を付けたブロックを組み込む必要があります。スライドが動きすぎて金型に損傷を与えないように、止め金具を使用する必要があります。

キータスパイア® PEEKの金型は、一般に 170を超える温度で使用されます。操作時のクリアランスを設定する場合は、金型とスライドの熱膨張を考慮しなければなりません。スライドは常温では自由に移動できますが、使用温度では膨張し、結合します。

図 10.16 角度付きピンのスライドの図

金型

スライド

開いた状態

閉めた状態

閉めているとき

スライドが移動


スプルーとランナーシステムスプルーブッシュのノズル端でのスプルーの直径は、ノズル開口部よりもわずかに大きくなければなりません。スプルーには、パーティング面に対して少なくとも 2°の正のテーパーがなければなりません。アンダーカットまたは「スプループラー」を可動側プレートのスプルーとは反対側に配置し、金型が開いたときにスプルーが固定側プレートから確実に離れるようにしなければなりません。

完全円形断面ランナーは最も効率的ですが、台形断面ランナーも優れた機能を備えており、加工がより容易です。シングルキャビティ金型では、ランナーの断面積がスプルーの根元部分の面積と同一でなければなりません。マルチキャビティ金型では、二次ランナーの合計面積が一次ランナーの面積に等しくなるように、個々の二次（および三次）ランナーの断面積を小さくしなければなりません。この結果、各ランナーの分割部分でポリマーの速度が維持されます。金型の可動側プレートに保持されるように、ランナーには保持機能を組み込まなければなりません。これは長いランナーで特に重要です。また、ランナーと成形部品が同時に突き出されるように、ランナーには突き出しピンも必要です。

ホットランナーシステムホットランナーシステムにより材料効率が向上しますが、金型のコストが上昇し、複雑になります。マルチホットランナーシステムのドロップごとに独自のコントローラが必要です。特に繊維強化樹脂ではシャットオフバルブは推奨しません。半結晶性材料用に設計されたドロップを指定しなければなりません。

成形収縮率成形部品の寸法は通常、その金型のキャビティの寸法よりも小さくなります。これは、溶融ポリマーと固体ポリマーの密度の差、および熱膨張による寸法の差によるものです。金型と成形部品の寸法の差は、一般に成形収縮率と呼ばれます。成形収縮率を測定するために、公称寸法が 3.2 x 127 x 12.7 mm のエンドゲート試験片を成形し、測定しました。この寸法を室温における金型の寸法と比較しました。得られた成形収縮率の値を表 10.2に示します。

実際の部品の収縮率は、形状と流動パターンによって異なります。非強化グレードは等方性に近い収縮（すべての方向で等しい収縮）を示しますが、繊維強化グレードは、繊維の向きにより異方性収縮を示します。繊維は、流れの方向に揃う傾向があり、その結果、その方向の収縮が小さくなります。

図 10.17 流れ方向によって異なる収縮

低い収縮

流れ

高い収縮

適切なキャビティ寸法を決定するには、希望の部品の寸法に成形収縮率を適用します。実際の部品では、通常は流れ方向と直角方向が組み合わされているため、実際の収縮率は二つの間の値になります。最初の鋼材寸法を「鋼材の安全率」の分余裕を残してカットすることを推奨します。つまり、キャビティ寸法を予測される最終寸法よりもわずかに小さくカットし、コアを予測よりもわずかに大きくカットします。この金型をサンプルとして使用し、成形した部品を測定して、最終的な金型の調整を行うことができます。

表 10.2 キータスパイア® PEEKの成形収縮率

成形収縮率、%

グレード流れ方向直角方向

KT-820 NT 1.1～1.3 1.3～1.5

KT-851 NT 1.1～1.3 1.3～1.5

KT-880 NT 1.4～1.6 1.5～1.7

KT-820 GF30 BG20 0.2～0.4 1.4～1.6

KT-880 GF30 BG20 0.1～0.3 1.3～1.5

KT-820 CF30 0.0～0.2 1.5～1.7

KT-880 CF30 0.0～0.2 1.4～1.6

KT-820 SL10 1.2～1.4 1.6～1.8

KT-820 SL30 0.1～0.3 1.5～1.7

KT-820 SL45 0.0～0.2 1.3～1.5

ゲート処理

ゲートの種類サイドゲートは一般的で、通常は問題は発生しませんが、ゲートカットのために成形後の処理が必要です。ランナーを離れやすくするために、ゲート内の部品と接する部分にわずかなアンダーカットを入れることができます。この結果、境界面にノッチが作成されてクリーンな分割が可能になり、ゲートの痕跡が部品から延びることを防止できます。設計上可能であれば、ゲートを部品内部にわずかに凹ませることもできます。効率的な交換と修理のためにゲートインサートの使用を提案します。


図 10.18 サイドゲート

樹脂の流れ

金型の鋼材

ゲート

キャビティ完全円形断面ランナーの半分

図 10.19 トンネルゲート

パーティング面

突き出しピン

α

トンネルまたは「サブマリン」ゲートを使用すると、射出点をパーティング面から離し、自動ゲートカットにできます。

図 10.19に示すように、ゲートの角度（α）は、非強化材料ではパーティング面に垂直な面から 30°を、強化グレードでは 25°を超えてはなりません。ゲートインサートも推奨します。

ゲート位置ゲートは、材料が厚い部分から薄い部分に流れるように、通常は部品の最も厚い部分に配置します。ゲート位置を決めるときに考慮が必要なその他の要素として、外観の要件、ウエルドの位置、流動長の要件などがあります。

充填解析ソフトウェアを使用すると、適切なゲート位置の決定に役立ちます。

ゲートの寸法ゲートの寸法は、一般にゲートを配置する壁肉厚の 30～50%ですが、0.5 mm未満になってはなりません。最高の効率が得られるのは円形ゲートですが、長方形のゲートが非常に一般的です。金型全体を取り外さずにゲートの変更や交換が容易にできるように、ゲートインサートの使用を提案します。充填解析ソフトウェアはゲートの寸法の最適化に役立ちます。

ベント金型内にベントを配置すると、樹脂の充填時にキャビティ内の空気を逃がすことができます。ベントが不十分な場合は、部品の焼けや金型鋼材上にデポジットが発生することがあります。ベントはパーティング面の少なくとも 25 % に、特に、最後に充填される領域であるゲート位置の反対側に配置する必要があります。ベントは、ウェルドが予想される場所にも配置する必要があります。ランナーにもベントを配置しなければなりません。ベントは突き出しピンに追加することもできます。

スタート時のベント寸法として、深さ 0.04 mm、幅 1.25 mm以上が適しています。ベントランドは長さ 1 mm、深さ 2.5 mmで、金型の端まで延長している導気溝に開口していなければなりません。

色が濃い材料では焼けの観察が困難なため、色の薄い（黒以外）材料を加工し、部品の焼けや目に見えるウェルドラインを観察して、金型にベントが正しく配置されていることを確認するのが有効です。焼けがある場合は、ベントを追加する必要があります。

図 10.20 ベント

深さ幅

ベント導気溝

ランド長


抜き勾配部品を金型のキャビティから容易に突き出せるように、パーティング面に垂直な壁をわずかに傾ける必要があります。これは「抜き勾配」と呼ばれます。ポリマーは外側の壁からは収縮して離れますが、コアに向かって収縮し下がるため、外側の壁よりも内側の部品に大きいドラフトが必要です。内側の表面（コア）には 1°のドラフトが、外側の表面には 0.5°のドラフトが必要です。

図 10.21 抜き勾配の説明

固定可動

コアスプルー

突き出しピン

突き出しピン

½°の抜き勾配

½°の抜き勾配

1°の抜き勾配

1°の抜き勾配

表 10.3 抜き勾配

抜き勾配 0.5° 抜き勾配 1°

引き抜き深さ寸法偏差寸法偏差

mm mm mm

6 0.05 0.10

12 0.10 0.21

18 0.16 0.31

24 0.21 0.42

30 0.26 0.52

その他の引き抜き深さ値に 0.00873 を掛ける

値に 0.01745 を掛ける

場合によっては、抜き勾配の要件が部品の機能や寸法公差の要件と矛盾することがあります。これは、深絞りの円形の形状品で多発します。たとえば、肉厚が 12 mmの壁に、パーティング面に垂直な直径 25 mmの穴を設ける場合、通常は 1°のテーパーが必要です。抜き勾配を 1°にするには、直径を 0.42 mm増加する必要があります。表 10.3に示した 1°の抜き勾配の値を 2倍にする必要があります。これは、両側にこの偏差を追加する必要があるからです。これが貫通穴の場合は、二つの短いコアを使用することで抜き勾配を最小限にすることができます。金型の両側にコアを配置すると、引き抜き深さを効果的に半分にすることができます。したがって、各コアの抜き代は両側に 0.10 mmずつとなり、直径の合計は 0.20 mm大きくなります。

突き出しシステムほとんどの部品は、標準の突き出しピンシステムを使用して突き出すことができます。突き出しピンは部品の周りに均等に配置し、突き出しピンの接触面の合計面積は部品の面積の 5%以上でなければなりません。また、突き出しピンは部品を金型から「引き出す」のではなく「押し出す」ため、キャビティの最も深い部分にも配置する必要があります。突き出しピンの直径は、突き出し時の部品の変形を最小限に抑えるために、できる限り大きくしなければなりません。

薄肉部品では、平らな「ブレード」突き出しを使用して、突き出しの表面積を大きくすることができます。ストリッパープレートを使用して、突き出しピンに対応するための表面積がほとんどない部品を突き出すこともできます。

薄肉チューブなど、パーティング面に平行な表面積よりも垂直な表面積の方が大きい部品では、金型を開ける前にコアを引き出すことが望ましい場合があります。

熱管理キータスパイア® PEEKは高温で加工する必要があるため、金型温度を制御するために最大使用温度 260の熱媒体が必要です。部品を充填するための十分な流動性を保ち、さらに材料の最適な結晶化度を確保できる高い金型温度が必要です。低い金型温度で生成された部品は最適な結晶化度レベルに達することができず、耐薬品性、強度、寸法安定性が低くなります。

適切な金型温度を得るために発熱体を使用することは推奨しません。ポリマーは 350を越える温度で金型に射出されます。これを 200未満まで冷却して凝固させる必要があります。熱を取り除く熱媒体がないと、金型温度は上昇を続けます。すばやく開始できるように電気ヒーターを循環油とともに使用することもできますが、熱媒体を循環することが非常に重要です。

加熱／冷却流路を金型全体に均一に、できれば効率的な熱伝導を促進するように、キャビティの近くに配置する必要があります。コアピンなど、冷却流路が現実的でない領域では、熱伝導性が高い（ベリリウム銅）ピンをピンに挿入し、効率的な熱伝導を促進します。

熱管理システムの負荷を軽減し、さらに成形機の油圧系を保護するために、金型とプラテンの間に断熱材を使用することを強く推奨します。


乾燥キータスパイア® 樹脂は加工の前に適切に乾燥させなければなりません。キータスパイア® PEEKの加工に推奨する最大水分レベルは 0.1%（1,000 ppm）です。水分レベルは従来の減量測定器を使用して確認できます。この分析の試験条件は、200で 10分間、または水分がそれ以上発生しなくなるまでのいずれかです。

露点が-40の除湿乾燥機を推奨します。通常は 150で 4時間の乾燥で十分ですが、空気中の湿気をさらに吸収している樹脂は乾燥時間を追加する必要があります。

製造環境では、乾燥システムは妥当な乾燥時間を考えてそれに相当するサイズである必要があります。乾燥機内での滞留時間を計算するには、乾燥機の容量を 1 時間に製造される部品の重量で割ります。

射出成形加工射出成形加工は複数の段階に分けることができます。各段階には、安定して高品質の部品を製造するロバスト性の高い成形を維持するために必要な特定の主要なパラメーターと制御があります。これらの段階は次のとおりです。

1. 射出：金型が閉じた後に高圧を加え、スクリューを前進させて、シリンダーからスプルーとランナーを通じてポリマーを部品に射出します。ポリマーは、比較的温度の低いキャビティに入ると直ちに固化し始めるため、ポリマーをすばやく、ただし制御された速度で射出する必要があります。この段階は、スクリューの順方向の速度とスクリュー位置によって制御され、射出ではキャビティの 95～98 %に充填する必要があります。

2. 充填および保圧：この段階で圧力は低下します。キャビティの残りの部分に充填し、金型のキャビティ内でポリマーを加圧します。ポリマーは温度が下がると収縮するため、この操作は重要です。この段階の圧力が不十分な場合は、内部の気泡、亀裂、ひけ、または高い成形ひずみが生じることがあります。

3. スクリュー計量および冷却：金型で部品が冷却されている間、スクリューが回転して次の射出のための装填の準備をします。軽くせん断を与え、均質な溶融を確保するために、中程度の背圧を使用します。

4. 型開きと部品の突き出し：変形しないで突き出せるほど十分に部品が冷却されたら、金型が開き、部品が突き出され、サイクルが反復されます。

成形準備新しい金型の使用を開始する場合は、次の手順を使用してロバスト性の高い成形加工を確立することができます。この手順は、既存の加工のトラブルシューティングにも使用できます。

1. 金型とシリンダーの温度を、表 10.4に示すスタート時の推奨成形条件に設定します。

2. 乾燥させた樹脂をホッパーに入れ、「空打ち」パージします。接触温度計を使用して溶融温度を確認します。目標溶融温度に達するように、必要に応じて調整します。

3. 切替位置を 0に設定し、保圧をオフにし、射出速度を希望の速度に設定して射出圧を最大に設定します。ショットサイズを予想よりも低い値に設定し、ショートショットの成形を開始します。

スタート時の成形条件

表 10.4 キータスパイア® PEEKのスタート時の成形条件

パラメーター非強化グレード繊維強化グレード

金型温度、 177～204 177～204

後部温度、 354 365

中部温度、 365 371

前部温度、 371 377

ノズル温度、 374 382(1)

射出速度中～高速、5～10 cm/sec 中速、2.5～7.5 cm/sec

射出圧射出速度に達するまでに十分な圧力射出速度に達するまでに十分な圧力

保圧切替位置における圧力の 50～70% 切替位置における圧力の 50～70%

背圧、bar 35 20

スクリュー回転数 75～100 rpm 75～100 rpm

(1) CFおよび SLグレードは熱伝導率が高いため、ノズルの固化を防止するために、これよりも高いノズル温度が必要な場合があります。


4. 部品がほぼいっぱいに（約 95～98 %）充填されるまでショットサイズを徐々に上げます。最大圧に達していないこと、射出速度を達成できることを確認します。こうした確認は、設定された射出速度に達していることを数学的に確認すると同時に、射出速度を達成するための実際の圧力を監視することによって可能です。ショットサイズを射出速度で割り、実際の充填時間と比較します。たとえば、ショットサイズが 100単位で射出速度の設定が 50単位／秒の場合、充填時間は厳密に 2.0秒でなければなりません。射出圧が最大に達すると、加工機械の射出速度は設定値に到達しません。射出圧が最大値よりも低くなるまで射出速度の設定を下げます。

5. 部品の充填を完了するために必要な追加のショット容量を予測し、許容クッション量を確保します。フルショット位置まで量を追加し、切替点をその値に設定します。たとえば、100の設定で部品の 98%がクッションなしで充填されるときに、20を加えることで充填が完了し、クッションが提供されると予測される場合は、フルショット位置を 120に設定し、切替点を 20に設定します。

6. 保圧を切替位置の射出圧の 50%に設定します。成形部品を観察し、クッションが維持されていることを確認します。必要に応じてフルショットと切替位置を調整します。バリを発生させずに最大の部品重量を達成できるように保圧と時間を増加します。

7. 許容されるクッションを維持しながら、切替位置での滑らかな射出と保圧への切替を確実に行うために必要な調整を行います。

成形管理許容される部品を生成するための射出成形条件が確立されたら、この成形管理を確定させて反復生産が確実に行われるようにし、許容できない部品が成形される前に切迫した変化を警告するアラームを設定する必要があります。成形機の 3つのパラメーターを監視して、成形加工が許容できない条件になっている場合、またはそのような条件に近づいている場合に警告を発生することができます。

1. 充填時間：このパラメーターは速度によって制御されるため、充填時間（フルショットから切替位置までの時間）は常に一定でなければなりません。充填時間に違いがある場合、成形機が速度で制御されておらず、圧力で制限されていることを示します。

2. 最終的なクッション量：保圧終了時のスクリューの最終的な位置は、金型のキャビティに射出されたポリマーの量を示すことから、完全に一定でなければなりません。

3. 切替位置における圧力：射出段階は速度と位置によって制御されるため、射出速度に達するまでに必要な圧力（切替位置での圧力）はポリマーの粘度に関連します。ポリマー粘度が急激に変化した場合は、ポリマーか成形機のいずれかに問題があることを示しています。

前兆として圧力のわずかな変動がありますが、平均の 10 %を越える変動があればアラームを鳴らす必要があります。通常、10%の圧力変動は、充填時間や最終的なクッション量を変化させるには十分な量ではないため、成形機は原則的に、欠陥部品が成形される恐れありとしてアラームを鳴らします。よく見られる問題のトラブルシューティングの指針を表 10.5に示します。問題が解消されない場合は、ソルベイの担当者にお問い合わせください。

開始、シャットダウンおよびパージ熱安定性の低いポリマーを加工していた場合は、それまでのすべてのポリマーを完全にパージしてから、これらの樹脂を加工しなければなりません。これは、シリンダーを中程度の温度まで上げ、前の材料が完全になくなるまでパージすることにより段階的に実行できます。シリンダーを空にし、シリンダー温度を加工温度まで上げます。適切な加工温度に達したら、クリーンな排出物が得られるまでキータスパイア® PEEKでパージします。

シャットダウン手順成形中にシャットダウンが必要になった場合は、特定の予防措置が必要です。樹脂を成形温度で長時間そのままの状態にしておくことはよくありません。シャットダウンが短時間の場合は（1時間以下）、シリンダーを空にして、再開する前に何回かパージショットを行います。数時間シャットダウンする場合は、シリンダー温度を 338以下に下げる必要があります。加工を再開する前に、シリンダーを通常の加工温度まで加熱し、樹脂でパージする必要があります。

シャットダウン時間が長くなる場合は、樹脂のシリンダーを空にし、シリンダーヒーターをオフにし、成形機を室温まで冷却します。翌日の開始時には、シリンダーを適切な加工温度まで加熱して、クリーンな排出物が得られるまでキータスパイア® PEEKでパージします。


パージパージ材料は、キータスパイア® PEEKの加工温度で安定していなければなりません。適切なパージコンパウンドが市販されています。

パージ材料から生じた煙を取り除くために適切な換気が必要です。シリンダーから樹脂を空にして、パージ材料の供給を開始します。排出物に樹脂が見られなくなるまでパージします。シリンダー温度をパージ材料の通常の加工温度まで下げ、数ショット分のパージを続けます。シリンダーを空にし、自然に冷却します。

アニーリング通常、成形後のアニーリングは不要ですが、成形による応力を下げ、結晶化度を上げるので、アニーリングは特定の部品または用途に有効です。キータスパイア® PEEKから製造した部品をアニーリングするには、200に設定した循環式オーブンに部品を 2～4時間入れます。アニーリング手順が完了したら、部品を自然に冷却します。熱い部品を急冷しないでください。

再生材許容されている場合は、特性に対する影響が無視できる程度で最大 25 % のレベルまで再生材を使用できます。再生材を使用する場合は、次の点を考慮する必要があります。

• 汚染：使用するのはクリーンなスプルー、ランナー、および不合格部品に限ります。材料パージ、焼けのある部品、これ以外にも目視で欠陥が認められる部品は使用しないでください。

• サイズによる分類：再生材が未使用ペレットと同じサイズになるように、粉砕した材料をサイズで分類しなければなりません。大きすぎる、または小さい（埃程度の）部品は適切なサイズの粒子とは溶融が異なり、加工の問題が発生することがあります。

• 乾燥：再生材は乾燥させる必要があります。できれば再生材は成形直後に消費します。ただし、成形から長時間が経過した場合は、材料が水分を吸収するため、未使用ペレットの推奨手順と同じ乾燥手順を行う必要があります。

• ブレンド：再生材は、均一に加工できるように未使用ペレットと完全にブレンドしなければなりません。

• 一貫した量の使用：一貫した量の再生材を使用することが適切です。日によって再生材のレベルが異なると、プロセスのばらつきが生じることがあります。

再生材を使用する場合は、立上げ検査および試験用に再生材が含まれる部品を提出することを推奨します。


表 10.5 射出成形のトラブルシューティング

問題問題の原因推奨する解決方法

脆い部品材料の劣化シリンダー温度を下げる

滞留時間を短くする（場合によっては小さい成形機が必要）

スクリュー回転数を下げる

成形による応力シリンダー温度を上げる

冷却時間を延ばす

金型温度を上げる

焼け不十分なベントベントの深さを大きくする

問題の領域にベントを追加する

射出速度を下げる

バリ型締め力が低すぎる型締め力を上げる（場合によっては大きい成形機が必要）


ショートショット材料の射出が不十分ショットサイズを上げる

射出圧を上げる


射出速度／充填速度を上げる

ボイド不十分な圧力射出速度を上げる

保圧を上げる

保持時間を延ばす

切替位置を下げる

ゲート面積を大きくする

そり／ひずみ不十分／不均一な冷却冷却時間を延ばす



肉厚を均一にする

部品または金型の設計ゲート位置を変更する


押出しキータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）樹脂は、高温半結晶性材料の加工に適した標準的な押出装置を使用して、さまざまな形状に容易に押出成形することができます。押出成形加工を使用して、フィルム、シート、単純な異形品、複雑な異形品、および中空異形品を製造することができます。

材料押出成形専用として複数のグレードのキータスパイア® PEEKが開発されました。繊維強化グレードや耐摩耗グレードなどの高粘度グレードは、断面の大きい製品の製造に適しています。薄い異形品やフィルムは、通常は低粘度または中粘度の非強化グレードで製造できます。充填強化グレードは通常、押出成形して薄い異形品やフィルムにすることはありません。

装置すべての押出成形加工には、近似した装置に加えて、押出成形された製品に応じて押出成形品を取扱うための後処理の方法が必要です。

乾燥機キータスパイア® 樹脂は押出成形の前に乾燥させなければなりません。押出成形は低圧での加圧成形加工のため、水分含量を200 ppm（0.02%）未満にする必要があります。この水分含量要件を達成するには、-40の露点で 150の温度を維持できる除湿乾燥機が必要です。除湿ホッパー乾燥機または除湿オーブンを使用できます。

フィーダーほとんどの場合は、従来のフラッドフィーディング（押出機上方のホッパーに樹脂を直接入れる）を使用します。小さい異形品できわめて厳しい寸法公差が求められる場合などは、スターブフィーディングを使用できます。この方法では、重量フィーダーを使用して、高回転数で動作する押出機に供給する樹脂をゆっくりと計量します。この方法を大きい押出機で使用し、押出機のシリンダーでの滞留時間を最小限に抑えることもできます。

押出機一般的な押出機はキータスパイア® PEEKの加工に適しています。最高温度 450で稼働する必要があるため、この稼働温度に適した材料で製作されていなければなりません。押出機のサイズは、希望の押出成形品の断面積に適したものでなければなりません。

二軸押出機を使用すると寸法公差を向上させることができますが、通常は短軸押出機を使用します。短軸押出機は、長さ対直径（L/D）の比が 24～30：1のスクリューを備えていなければなりません。圧縮比、つまり供給部のフライト深さを計量部のフライト深さで除算した値は 2.5：1と3.5：1の間の値でなければなりません。

スクリューには、供給部、圧縮部、計量部の 3つの部分が必要です。各部分には同じ数のフライトが必要で、供給部のフライトの深さは 6 mm以上でなければなりません。スクリューとシリンダーライナーは、Xaloy® X-800 または CPM® 9V® 金型鋼材など、最高450の温度での使用に適した材料で構成されていなければなりません。

図 10.22 押出機のスクリューの図

供給部溝深さ

フライト長

駆動軸フライト溝ルート

圧縮部計量部溝深さ

ピッチ先端角度後縁前縁

図 10.23 アダプターの設計

不良良

ランドランド

アダプターおよびダイアダプターとダイは、AISI S7または H13鋼材や同等の材料など、キータスパイア® PEEKの加工温度での使用に適した材料で製作されていなければならず、またロックウェル硬度が HRC50以上になるように焼入れする必要があります。キータスパイア® PEEK は腐食性がないため、特殊な合金やコーティングは不要です。

アダプターとダイは、図 10.23 に示すようにポリマーが滑らかに流れるように設計されていなければなりません。シャープコーナーや段差があると、ポリマーが流れずに熱劣化する流動性の低い部分が発生します。一般に、アダプターの入口からダイの出口までの流路の断面積は徐々に小さくなっていなければなりません。ダイのランド長（ダイの出口の断面積が一定の部分の長さ）は、押出成形品の最も厚い寸法の 10倍でなければなりません。断面積が非常に大きい異形品の場合は、短いランド長を使用できます。

ダイについてのこの他の考察は各セクションで行います。


引取り装置押出成形される異形品の種類に応じて、押出成形品の形成や形状維持のため、さまざまなタイプの装置が必要です。この装置には、フィルムや薄膜のカレンダーロールやチューブの真空キャリブレーター、異形品の治具などがあります。これらの方法については該当するセクションで説明します。

スタート時の加工条件

乾燥キータスパイア® 樹脂は加工の前に乾燥させなければなりません。これを行うには、150の温度で-40の露点を維持する除湿オーブンに4時間以上入れます。水分含量の測定値は200 ppm（0.02%）以下でなければなりません。押出成形は低圧の加圧成形加工のため、樹脂が適切に乾燥されていないと押出成形品に気泡が含まれることがあります。

温度の設定

表 10.6 スタート時の温度

部分温度

押出機後部（供給部） 365

押出機中部 375

押出機前部 385

アダプター 380

ダイ 385

開始クリーンな押出機で開始することが非常に重要です。他のほとんどのポリマーは、キータスパイア® PEEKの加工温度で急速に劣化し、黒い点が発生します。加工の前に完全に分解してクリーニングすることを推奨します。

加工温度に達したら、すべての構成要素が確実に均一に加熱されるように、1時間以上待つことを推奨します。

加工を開始するには、材料をホッパーに加え、スクリューの速度を低～中程度に設定します。ダイからポリマーが出始めるまで、ダイの圧力と押出機のトルクを観察します。過剰な圧力またはトルクが観察された場合は、必要に応じてスクリュー回転数を下げ、温度を上げます。ダイの過剰な圧力は、ダイ、アダプター、押出機の前部の温度が低いことを示します。スクリューの過剰なトルクは、押出機の後部（供給部）および中部の温度が低いことを示します。

可能であれば接触温度計で溶融温度を測定します。通常は、380～385の目標樹脂温度が望まれます。表 10.7は、押出に関する一般的な問題のトラブルシューティングガイドです。詳細についてはソルベイの担当者にお問い合わせください。

シャットダウン製造中にシャットダウンが必要になった場合は、特定の予防措置が必要です。樹脂をその温度で 20分以上そのままの状態にしておくことはよくありません。

加工の最後に、押出機への材料の流れを遮断します。材料がダイから流れ出なくなるまでスクリューの回転を続けます。押出機のスクリューを停止します。運転を再開する準備ができたら、排出物がクリーンになるまでパージします。

パージ薄膜ダイを除き、ほとんどの押出成形加工ではダイを付けたままパージができます。薄膜を製造する場合、原則としてパージの前にダイを取り外すことを推奨します。

パージ材料は、キータスパイア® PEEKの押出成形に使用する高温で安定していなければなりません。ポリサルホン、ポリエーテルイミド、および高粘度高密度ポリエチレン（HDPE）などの材料を使用できます。パージ材料から生じた煙を取り除くために適切な換気が必要です。PEEK樹脂をシリンダーから空にして、パージ材料の供給を開始します。排出物に PEEK樹脂が見られなくなるまでパージします。シリンダー温度をパージ材料の通常の加工温度まで下げ、パージを続けます。シリンダーを空にして、自然に冷却します。


図 10.26 チューブダイ

ダイのハウジング

ダイのセンタリングねじ

マンドレルまたはピン

トーピード

スパイダースパイダー脚部断面

圧縮空気

ダイリング

ヒーター

樹脂の流れ

チューブの押出成形高温、半結晶性樹脂の加工用に設計された一般的な押出成形装置を使用して、キータスパイア® PEEK樹脂からチューブを製造できます。

チューブの押出成形用の金型には、図 10.26に示すように内径を形成するマンドレルまたはピンが接続されたスパイダープレートと、ピンを覆うダイが含まれます。

押出成形ダイのドローダウン比（DDR）は 1.1～1.3：1でなければならず、小さい比を大きく厚いチューブに、高い比を薄く小さいチューブに使用します。ドローダウンバランス（DDB）は 1.0～1.1：1でなければなりません。

押出成形されたチューブは、ダイの出口に非常に近い場所にある水冷式真空キャリブレーターでサイズ調整されます。キャリブレーター内でチューブが急速に冷却されるため、後処理としてアニーリングを推奨します。これは、200に設定したオーブンで、後工程として、またはインラインで実行することができます。チューブは希望の長さに切断することも、薄肉チューブの場合のようにコイル状に巻くこともできます。

シートおよびフィルムの押出成形非強化キータスパイア® PEEKグレードは、薄膜またはシートに押出成形できます。0.025 mmまでの薄いフィルムが製造されています。従来のほとんどのダイを使用できます。ダイの設計では、図 10.24に示すコートハンガー形状を使用します。目安として、ダイのランド長（厚みが一定の距離）は完成したフィルム厚の 10倍でなければなりません。

薄膜を製造する場合、押出機とアダプターの間にブレーカープレートとスクリーンを使用することを推奨します。ブレーカープレートは、流れが滑らかになるように面取りされていなければなりません。一般的なスクリーンパックでは、60～200メッシュのスクリーンを一つ以上使用し、20メッシュなどの粗いスクリーンでサポートされます。

ダイの開口部は希望する完成品の厚みに非常に近く、わずかに大きくなければなりません。フィルムは通常、ロール間のクリアランスを目的のフィルム厚に設定した 3本ロールスタックを通して送られます。完全に結晶化したフィルムを製造するには、ロールの温度を 170 ～200に設定する必要があります。

図 10.24 コートハンガー型のフィルムダイの概念図、下部ダイプレート

ダイ入口圧縮部

ダイランド

分配路

図 10.25 代表的な 3本ロールスタック

減速機

ホッパー

シリンダー

モーター

供給口

ダイ

3本ロールスタック

冷却部ニップロール

巻取機


図 10.27 代表的な異形押出成形のダイ

樹脂の流れ

異形押出成形ロッドおよび板材の素材だけでなく、複雑な形状の異形品をキータスパイア® PEEKから押出成形できます。一般に、断面の厚みは 50 mmに制限されています。これよりも断面積の大きい異形押出成形もできますが、亀裂や内部の気泡が生じやすくなります。

異形品のダイの設計は単純でなければならず、材料がダイに留まり、劣化する可能性があるデッドスポットがあってはなりません。ダイ内部の溶融流路の断面積は、ダイの入口から出口に向かって、連続的に一律に小さくなっていなければなりません。ダイのランド長（ダイの出口の断面積が一定の部分の長さ）は、異形品の最も厚い断面の 10 倍でなければなりません。代表的な異形品ダイを図 10.27に示します。

ダイの温度制御は、押出成形速度と同様に、異形押出成形には非常に重要です。押出成形品の温度は、ダイの出口にあるポリマーの融点よりもわずかに低くなければなりません。そうであれば押出成形品はその形状を維持できます。押出成形速度は、押出成形品がダイから固体形状で流れ出ることができるように、しかしダイ内部で固化しないように調整しなければなりません。押出成形品が溶融形状でダイから出ると、押出成形速度が遅くなり、ダイ温度が下がります。スリップスティック状態であっても同様の結果になります。

後処理で使用する装置は異形品の特性によって異なります。ロッドや板材などの単純な異形品は、異形品よりもわずかに大きいサイズの金属形成チャンバー内部で単に徐々に冷却することができます。冷却チャンバーの長さは、異形品の断面の 20倍以上でなければなりません。複雑な異形品には、異形品が正しい形状と寸法を維持できるように整形治具が必要です。治具を使用すると、低速の均一の冷却が可能になります。

ほとんどの異形品は、後工程でプラーにより押出機から引き出されます。プラーの速度は、異形品を完全に形成できる十分な圧力をダイで維持するように調整しなければなりません。断面積の大きい異形品では、プラーは実際にはブレーキとして機能するため、押出機に機械的に固定されていなければなりません。異形品は、プラーの後ろの鋸で希望の長さに切断できます。

フィラメントフィラメントは、非強化キータスパイア® 樹脂を使用して押出成形できます。直径が0.125～2.5 mmのフィラメントを製造するには、目的のフィラメント直径の 1.1～1.3倍の出口直径を持つダイから引き出します。押出成形品は溶融状態でダイから引き出し、引き取って希望の直径にする必要があります。フィラメントは、最適な結晶化度を得るためにできれば空冷することを推奨します。

ファインファイバーキータスパイア® PEEKを使用して、直径がわずか 12 μm（2.5 デニール）のファイバーの製造に成功しています。ファイバーの紡糸には、一定の圧力を多穴ダイに提供する溶融ポンプを備えた押出機が必要です。ゴデットロールと呼ばれる回転シリンダーを使用してダイから押出物を引き出し、引き取ってこのファイバーを希望の直径にします。図 10.28に示すように、ファイバーを後続のゴデットロールでさらに引き取るだけではなく、リールに巻き取る前に 200のゴデットロール温度でアニーリング処理することもできます。押出成形後の引き取りとアニーリング手順の割合によって、引張特性と延性のバランスが決まります。

図 10.28 ファイバースピン加工

巻取機ゴデットロール

繊維

紡糸口金

押出機

溶融ポンプホッパー


表 10.7 押出成形のトラブルシューティングガイド

問題考えられる原因解決策

押出機から材料がでないホッパー供給口のブリッジ（供給口に材料が張付き）

ホッパー供給口のジャケットを冷やす

供給口のクーラント流路をクリーニングする

完全なスクリューのブリッジ（供給部での溶融）

シリンダー供給部の加熱域を 350まで冷却するか、必要に応じてさらに温度を下げる


圧縮比が 2.5～3.5：1で、供給部の深さが 6 mm以上の計量タイプのスクリューを選択する

シリンダー供給部の加熱域のコントローラをキャリブレーションする

押出機に過大な駆動力が必要になる

シリンダー供給部の加熱域の温度が低すぎる

シリンダー供給部の加熱域の温度を上げる

圧縮部のシリンダー温度が低すぎるシリンダー中部の温度を上げる

溶融温度が低すぎるすべてのシリンダー温度を上げる

スクリュー回転数を上げ、せん断を上げる

サージングスクリューの設計計量部があり、圧縮比が 2.5～3.5：1で供給部の長さが 25%以上の滑らかに変化するスクリューを選択する

部品的なスクリューのブリッジホッパー供給口のジャケットを冷やす

押出機の駆動力の変動駆動力の性能を確認する

引取ユニットの変動ベルトのグリップを確認する

引取ユニットで機械的および電気的な誤動作を確認する

溶融物中の気泡スクリューの部分的なブリッジによる供給量の制限（空気の封入）


過剰な水分樹脂を乾燥させる

溶融温度を下げる

ホッパーにカバーをする

ホッパーに窒素パージを使用する

原料樹脂、マスターバッチ、再生材を除湿乾燥機内で乾燥する

表面の欠陥エアギャップへの水のはねはねを取り除く、またははねを遮蔽する

冷却槽をダイから離す

クエンチ水の気泡クエンチ水の循環を改善する

汚れ、伸びた気泡（粗い表面）過剰な水分樹脂を乾燥させる

表面に光沢がない樹脂の溶融粘度が高すぎる溶融粘度が低い樹脂を選択する

溶融温度が低すぎる溶融温度を上げる

エアギャップが短いエアギャップを大きくする

寸法の制御が不十分サージング前述の「サージング」のセクションを参照

ひずみ冷却が不十分温度が低いクエンチ水を使用する

クエンチ水を効率的に循環させる

水冷リングの使用を検討する

溶融温度を下げる


表 10.7 押出成形のトラブルシューティングガイド（続き）

問題考えられる原因解決策

ウェルド強度が不十分直前の樹脂のパージが不十分可変速度パージ手順を使用する

効果的なパージが可能になるように流線形にする


インラインスパイダーダイの設計が不十分スパイダー設計を流線形にする

ダイの設計が不十分ダイのランド長を大きくする

過剰な収縮過剰なドローダウン断面比ドローダウンを下げる


樹脂の溶融粘度が高すぎる溶融粘度が低い樹脂を選択する

劣化樹脂の過剰な滞留押出機の吐出を増加する

アダプターとダイの流路を流線形にする

シャットダウン手順が不十分シャットダウンの前に温度を下げる

パージして分解物を除去する

過熱温度制御システムを確認する

熱に対する感応性が高い直前の樹脂のパージが不十分前述の「パージ」のセクションを参照

炭化物による黒点樹脂の過剰な滞留アダプターとダイの流路を流線形にする

装置の汚れ押出機／アダプター／ダイをクリーニングする

高温でのシャットダウンを避ける

過熱温度制御システムを確認する


図 10.29 代表的なワイヤー押出成形装置

引き出し

予熱真空

押出機

クロスヘッド

冷却槽

スパークテスター

キャプスタン

巻き取り

ワイヤー／ケーブルの押出成形キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）樹脂は、標準の押出成形装置と半結晶性材料に適した加工条件を使用して、ワイヤーやケーブルに容易に押出成形できます。キータスパイア® KT-851 は、ワイヤーコーティングの押出成形専用に設計されました。このグレードは、優れた溶融強度を持つ一方、非常に薄い 0.025 mmのコーティングに加工できます。

装置

押出機キータスパイア® PEEK樹脂は、450の温度で稼働できるように設計、製作された従来の押出成形装置で加工することができます。二軸押出機を使用すると寸法公差を向上させることができますが、通常は単軸押出機が使用されます。

適する単軸押出機の代表的な長さと直径の比（L/D）は 24～30：1 で、スクリューの圧縮比は 2.5～3.0：1です。スクリューは通常、1 ∕ 3供給部、1 ∕ 3圧縮部、1 ∕ 3計量部の 3つの部分で構成されます。供給部のフライトの深さは 6 mm以上でなければなりません。

背圧の生成に役立つスクリーンパック付きのブレーカープレートを使用する必要があります。ブレーカープレートの穴は、流れが滑らかになるように面取りされていなければなりません。スクリーンパックは、通常は不純物または汚染物質を除去するために使用します。適切なスクリーンは 100～200メッシュで、ブレーカープレート側に 20メッシュのサポートスクリーンを備えたものです。材料に過剰な圧力やせん断が生じるほどスクリーンを細かくしてはなりません。

アダプターとダイは、S7または H13鋼材などの適切な材料で構成し、適切に硬化処理しなければなりません。アダプターとダイは、デッドスポットを避けるために流線形にしなければなりません。

ダイおよびクロスヘッドの設計ワイヤーコーティングには圧力（図 10.30）またはスリーブ（図10.31）押出成形ダイを使用できます。

圧力押出成形は、基材の外部に形状が含まれるコーティングに、または複数のワイヤーをコーティングして絶縁体によって分離しなければならない場合に適しています。圧力押出成形では、ダイの開口部が希望の製品形状と同じでなければなりません。

図 10.30 圧力ダイの図

ダイ

ワイヤー

マンドレル

樹脂

樹脂

ダイの開口部がコーティングするワイヤーよりも大きいスリーブ押出成形の方が一般的です。スリーブ押出成形では圧力押出成形よりも薄いコーティングが可能で、一般により均一な絶縁が得られます。

図 10.31 スリーブダイの図

チップマンドレル

ダイ

ワイヤー

樹脂

樹脂

ドローダウン比

ダイの開口部の寸法を決めるには、ドローダウン比（DDR）を使用します。DDRは次の式で計算します。

D：ダイの径D：チップの径O：被覆ワイヤーの外径I：裸ワイヤーの径

D2 − T2DDR =

O2 − I2


図 10.32 スリーブダイのドローダウン比

T D

O I

ドローダウン比 4：1～10：1がキータスパイア® PEEK樹脂に適切です。これよりも高い比は非常に薄い絶縁被膜に適しています。

後処理用の装置通常は冷却槽を使用して、巻き取り前のコーティング済みワイヤーから過剰な熱を除去します。適切なポリマー結晶化度を得るには、クロスヘッドと冷却槽の水槽の間に、押出成形速度に応じて 1～2 mのエアギャップを設けることを推奨します。

成形の不具合をオペレーターに通知する、アラーム付きインラインスパークテスターが便利です。

加工

乾燥キータスパイア® PEEK樹脂は、加工の前に水分含量が 200 ppm未満になるまで乾燥しなければなりません。露点を-40に維持できる除湿オーブンまたは除湿乾燥機で 4時間以上 150で乾燥すると、適切に加工できるレベルまで樹脂が乾燥します。

温度の設定スタート時の温度の設定を表 10.8 に示します。装置と条件に応じてわずかな変更が必要な場合があります。

表 10.8 スタート時の温度

押出機後部（供給部） 365

押出機中部 375

押出機前部 385

アダプター 380

ダイ 385

ワイヤーの予熱

通常は、押出成形の直前にワイヤーを予熱することを推奨します。予熱によってワイヤーがクリーニングされるだけではなく、ワイヤーへの断熱性が向上し、十分なポリマー結晶化度が得られます。ワイヤーの予熱温度は使用する導体によって異なりますが、通常は 125～200の温度で適切な結果が得られます。

開始クリーンな成形機で開始することを推奨します。熱安定性の低いポリマーをこれらの樹脂の前に加工している場合は、直前のポリマーを完全にパージすることが非常に重要です。これは、シリンダーを段階的に中程度の温度まで上げ、前の材料が完全になくなるまで、高粘度高密度ポリエチレン（HDPE）または市販のパージコンパウンドを使用してパージすることにより実行できます。シリンダーを空にし、シリンダー温度を加工温度まで上げます。適切な加工温度に達したら、クリーンな排出物が得られるまでキータスパイア® PEEKでパージします。

シャットダウン製造中にシャットダウンが必要になった場合は、特定の予防措置が必要です。樹脂をその温度で長時間（20分以上）そのままの状態にしておくことは推奨しません。加工の最後に、押出機への材料の流れを遮断します。材料がダイから流れ出なくなるまでスクリューをオンにしておきます。押出機のスクリューを停止します。再稼働する準備ができたら、排出物がクリーンになるまでパージします。

パージパージ材料は、キータスパイア® PEEKの加工温度で安定していなければなりません。適切なパージコンパウンドが市販されています。パージ材料から生じた煙を取り除くために適切な換気が必要です。PEEK樹脂のシリンダーを空にして、パージ材料の供給を開始します。排出物に PEEK樹脂が見られなくなるまでパージします。シリンダー温度をパージ材料の通常の加工温度まで下げ、パージを続けます。シリンダーを空にし、自然に冷却します。


表 10.9 ワイヤー／ケーブルのトラブルシューティング

問題原因方法

表面外観が不良溶融温度が低いシリンダー温度およびヘッド温度を上げるせん断の高いスクリューを使用する

メルトフラクチャーシリンダー温度およびヘッド温度を上げる小さいドローダウン比を使用する押出成形速度を下げる

押出成形の外径が小さすぎるライン速度を下げる押出機の回転数を上げる小さいダイに変更する（小さいダイスウェルで運転する）

ダイの充填が不適切小さいサイズのダイを使用する

気泡コンパウンドが湿っている材料を乾燥する、交換する

カラーマスターバッチが湿っている材料を乾燥する、交換する

溶融温度が高すぎる（材料の分解）

シリンダー温度を下げるせん断の低いスクリューを使用する加熱／冷却装置を確認する

高い収縮ドローダウン比が高すぎるドローダウン比を下げる

押出被覆のサージング押出機の背圧が不十分スクリーンパックを増やす

スクリュー回転数が高すぎるスクリュー回転数を下げる

被覆表面の気泡前述の「気泡」を参照

ダイの目ヤニポリマーがダイに張付くよく研磨されたダイを使用するダイ温度を調整する

高いモーター電流不十分なモーター定格モーターをアップグレードする

間違ったスクリュー設計せん断／圧縮の低い設計を使用する

スクリーンパックが細かすぎる一部のスクリーンを取り除く

ヘッドの設計に制限があるヘッドの設計を変更する

材料が硬すぎる温度プロファイルを上げるバンドヒーター／熱電対を確認するメルトフローインデックスが高い材料を使用する


圧縮成形キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）樹脂は、射出成形または押出成形加工で容易に製造できます。これらの加工には金型やダイの設備投資が必要ですが、多数の成形品や大量の押出異形品を製造するには非常に経済的です。少数の部品のみを製造する場合や、それらの加工が実用的ではない大きな形状を製作する場合、圧縮成形が低コストの有用な代替方法です。通常、射出成形は肉厚が 15 mm以下の部品に限られます。押出成形は通常、厚みが 75 mm未満の異形品に限られます。圧縮成形加工は、金型のサイズと使用できるプレス性能の制限のみを受けます。

圧縮成形した素材を経済的に切削加工して、部品や試作品を少量製造できます。最終的に射出成形する部品の試作に圧縮成形を使用することが、金型の試作コストを削減する経済的な方法である場合があります。ただし、圧縮成形部品の特性は、射出成形部品とは多少異なります。

圧縮成形した素材を切削加工した成形品の機械特性は、多くの理由から射出成形で製造した同じ成形品とは異なります。圧縮成形した形状は通常、射出成形品よりも高い結晶化度を持ちます。非強化樹脂では、結晶化度が高いほど、弾性率と引張強さが高くなり、延性がわずかに低くなります。

強化用繊維を含む材料を圧縮成形した素材は通常、同様の射出成形品の 50%の機械特性を示します。この原因の一つは、射出成形加工で高いせん断と分散が得られるからです。繊維の種類と配向も、機械特性に影響します。電気抵抗や耐薬品性など、その他の特性は、本質的に射出成形品に近い値になります。圧縮成形した形状を切削して得られた試作品を評価するときには、注意してこれらの変数を検討する必要があります。

石油・ガス産業で使用される大型シールリングは、一般的に圧縮成形した形状を切削加工して提供され、かなり大量に使用される用途の一例です。

材料選定ソルベイは、圧縮成形向けにキータスパイア® KT-820Pおよびキータスパイア® KT-820FPの二つの製品を提供しています。KT-820Pは、高分子量 PEEKの粗粒パウダーです。KT-820FPは、同じポリマーのファインパウダーです。非強化 PEEK素材の製造の場合、KT-820Pは KT-820FPよりも低コストで、かさ密度が高くなっています。かさ密度が高いと必要な事前充填量が少なくて済むので、一部の成形では便利です。

圧縮成形の利点の一つは、カスタムブレンドを製造できることです。添加剤または強化材を使用する場合、粒径の小さい KT-820FPの方が、添加剤の分散に優れます。

粒子状の添加剤を加える場合、粒径が 100 μm以下の添加剤で最適な分散が得られます。ガラス繊維や炭素繊維などの繊維充填材を加える場合、繊維を粉砕すると最高の分散が得られるだけでなく、高い強度と剛性も示します。

装置

縦型プレス機適する縦型油圧プレス機は、型締め圧力が最大 350 barの性能を持つものです。プレス機は、金型を取り付けるための十分な間隔（開いた状態）が必要です。この間隔は通常、完成品の高さの2倍より大きい値です。プレス機は、400に達する加熱性能を持つ上下プラテンを装備していなければなりません。加熱プラテンを装備していない場合、カートリッジヒーターまたはバンドヒーターで金型を加熱できます。加熱性能は、金型を容易に加熱するために十分な出力でなければなりません。

高負荷ミキサー添加剤を樹脂に配合する場合、均一な分散を得るために高負荷ミキサーを使用する必要があります。添加剤は吸湿性である場合があるので、成形前に混合パウダーを乾燥させる必要があります。ミキサーの種類と性能、および添加剤のレベルによって、混合時間は異なります。圧縮成形加工ではせん断が発生しないので、成形前に均質な混合物を得ることが重要です。


乾燥用オーブンキータスパイア® PEEKの吸湿性が非常に高いわけではありませんが、成形前に樹脂や混合パウダーを乾燥させると、樹脂や添加剤に含まれる水分が取り除かれます。除湿オーブンのトレイに載せて 175で 4時間乾燥させると十分です。オーブン内でのパウダーの飛散を防止するには、小さい穴を開けたアルミニウムホイルシートでトレイを覆います。乾燥用オーブンから取り出した樹脂はすぐに成形プレス機に移動する必要があります。

金型金型は、ロックウェル硬度 50Rc以上に硬化処理した H13や S7などの熱間鋼で製作する必要があります。金型には、割れや変形を起こさずに圧縮成形の高圧に耐えられるだけの十分な重量と厚みが必要です。

金型の可動部分のクリアランスは、成形品の取り出しが容易である一方、金型部品間への溶融樹脂の流れ込み（バリ）を防止できるように十分狭くなければなりません。代表的なクリアランスは0.05 mmです。

大量製造の場合、金型を上下のプラテンに取り付け、加熱要素と冷却路を金型鋼材に組み込むことができます。押出ピンを下側のプラテンに取り付けることができます。

少量製造の場合、鋼製リングと2本のピストンをそのリングにはめ合わせた単純なピストン／リング金型を使用できます。成形品は 2本のピストンの間で成形されます。成形時に圧力を樹脂に加えるために、2本のピストンと成形品の合計高さはリングの高さより大きくなければなりません。

温度制御キータスパイア® PEEKの圧縮成形には、400の高い温度が必要です。この温度を実現するには、電気ヒーターが不可欠です。金型内やプレス機のプラテンの溝にカートリッジ式ヒーターを配置することも、ピストン／リング金型の外周にバンドヒーターを巻き付けることもできます。伝熱効率の観点から、金型の高さが幅より大きい場合はバンドヒーターを巻き付けることを推奨します。

金型の幅が高さより大きい場合は、プレス機の加熱プラテンを使用するのが最も効果的です。

金型やプレス機のプラテンの溝に送風すると、すばやく冷却できます。熱媒体の使用は推奨しません。熱媒体により危険な状況が発生するおそれがあり、また成形品に熱衝撃が加えられて高い応力や割れが発生する可能性があるからです。


図 10.33 ピストン／リング金型

ピストン

ピストン

リングリング

図 10.34 縦長の金型にはバンドヒーターが必要

バンドヒーター

加熱プラテン

加熱プラテン

図 10.35 横長の金型にはプラテン加熱を使用可

加熱プラテン

加熱プラテン

圧縮成形加工1. はじめにすべての部品を室温にし、金型をクリーニングしてから組み立てます。樹脂と接触するすべての面に離型剤を塗布します。この離型剤は、成形加工中に到達する温度で安定しなければなりません。

2. 樹脂、または樹脂／添加剤の混合物を 175で 4時間乾燥させます。

3. 乾燥した樹脂を金型に入れます。所定の体積を持つ部品の成形に必要な樹脂の重量を求めるには、部品の体積に樹脂の密度を乗じます。非強化キータスパイア® PEEKの密度は1.30 g/ccです。樹脂と添加剤の混合物を使用する場合の充填量は通常、試行錯誤して決定します。パウダーのかさ密度が低いために、低圧で金型を閉めてパウダーを充填してから、金型を開けてさらにパウダーを追加しなければならないことがあります。

4. 金型ヒーターを 400に設定し、ヒーターのスイッチをオンにします。金型に低圧（約 17～20 bar）を加えます。アセンブリー全体が設定温度に達するまで待ちます。設定温度に達したことは、ステップ 3で樹脂の中心に配置した使い捨ての熱電対で調べることができます。内部温度を監視して、設定温度に達するまでの所要時間を記録して、その後の成形サイクルで使用できます。

5. 装置全体が 400に達したら、全プレス圧を加えてヒーターをオフにします。樹脂が金型部品の間から流れ出る場合は、流出が止まるまで圧力を下げます。

6. 圧力を保持し、アセンブリーが 150以下に下がるまで待ってから、金型を開けて成形品を取り出します。空気を使用して冷却速度を上げることができます。

7. 冷却により、材料は金属よりも大きく収縮し、金型から容易に取り出すことができます。ただし、材料がピストンとリングの間の隙間に入り込んだ場合、またはピストンが曲がった場合、圧入プレスまたはその他の工具を使用して、ピストンをリングから押し出さなければならないことがあります。


二次加工

接合キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）成形部品を含むアセンブリーを製作することが望ましいことが多々あります。ファスナー、圧入、スナップフィットを利用したメカニカルアセンブリー技術を使用できますが、これらについては別のドキュメントで説明します。このセクションでは、熱可塑性溶着または接着剤による接合を使用した部品の接合について説明します。

キータスパイア® PEEK の熱可塑性を活用して、溶着し、接合する表面を熱軟化させ、圧着して冷却することで、部品を接合できます。

溶着溶着加工は接着表面の加熱とは異なります。キータスパイア® PEEK は融点が高いため、溶着には他のプラスチックよりも多くのエネルギーが必要です。キータスパイア® PEEK に適した一般的な溶着技術には、スピン溶着、振動溶着、超音波溶着、レーザー溶着などがあります。ホットプレート溶着および赤外線溶着は、キータスパイア® PEEK の高い融点では難しいため、推奨しません。すべての溶着操作では、ある形態のエネルギーを使用して、希望の境界面でポリマーを溶融させます。次にそのエネルギーを取り除き、ポリマーを冷却して、二つの部分を接合します。適切に設計して実行すれば、ポリマー強度と同等の接着強度を溶着によって得ることができます。繊維強化グレードでも、最大接着強度は非強化ポリマーと等しくなります。これは、強化用繊維には十分な流動性がないため、溶着部に入り込まないからです。

スピン溶着スピン溶着加工では、一つの部品を固定し、もう一方の部品を高速で回転させて圧力を加えることで摩擦熱を発生させます。発生したこの摩擦熱が接合面を溶融します。次に、圧力を維持しながら回転を止めます。部品が冷却すると、接合部が凝固します。スピン溶着の主要なパラメーターは、線速度、圧力および時間です。

溶着加工中に一部の溶融ポリマーが押し出されて、ウェルドにバリが発生することがあります。これは、ポリマーが溶融し始めたときに圧力を下げることで最小限に抑えることができます。スピン溶着は、ウェルドに対して軸対称の部品に適しています。

図 11.1 代表的なスピン溶着接合部の設計

B

20°

C

T

L

T

R

I

T

B

T：肉厚B = 1.5 × TC（クリアランス） = ～0.1 mm R（半径） = ～1.3 mmL（導入部） = 0.5～1.0 mmI（嵌め代） = 0.25～0.51 mm

図 11.2 代表的な振動溶着の接合部

バリトラップ歯

溝

保持ショルダ

振動溶着振動溶着加工は複雑なアセンブリーの接合に使用できます。溶着するアセンブリーごとに治具を設計し、製造する必要があります。この加工では、一つの部品を固定し、もう一つの部品を 240 Hz

（非常に大きい部品では 120 Hz）で振動させながら圧力を加えます。振動によって境界面に摩擦熱が発生し、ポリマーを溶融させます。溶融したら振動を停止し、ポリマーが凝固するまで圧力を維持します。振動溶着加工の主要な加工パラメーターは、振動の振幅、振動段階での圧力、振動段階の後（「保持」段階）の圧力および時間、一つの部品に対するもう一つの部品の垂直変位（周波数は固定）です。代表的な振動溶着接合を図 11.2 に示します。


超音波溶着超音波溶着は振動溶着と似ていますが、振動の周波数が通常は 20～40 kHz と大幅に高く、振動の振幅が通常は 60～100 µm と大幅に小さい点が異なります。溶着する部品を所定位置にしっかりとクランプして圧力を加えた状態で、ソノトロードまたはホーンを通じてエネルギーを境界面に伝えます。

超音波溶着用のいくつかの一般的な接合設計を図 11.3～11.5 に示します。共通の要素は、エネルギーディレクターと呼ばれる先端が尖った形状です。

キータスパイア® PEEKのような高融点の半結晶性樹脂の場合、エネルギーディレクターの接合設計では最適な結果が得られないことがあります。エネルギーディレクターから流れた溶融材料が、隣接する界面と融合する前に再凝固することがあります。図 11.6に示したような、せん断接合が可能な形状の場合は、この方法の方が強い接合が得られます。この設計では、溶融前に接触している狭い領域を溶融させ、続いて部品を圧縮させながらその鉛直壁に沿って制御された嵌め代を溶融させます。

図 11.3 突合せ接ぎ

W

W/8 W/64

図 11.4 ステップジョイント

W

W/8

図 11.5 蟻継ぎ

W

W/8

W/8 + 0.010"

図 11.6 せん断接合

導入部1 mm

嵌め代2 mm


レーザー溶着レーザー溶着は、幅広い用途でのプラスチックの接合方法として一般的になりました。この加工には、次のように数多くの魅力的な特長があります。

• 速度および効率

• 清浄性（振動溶着や超音波溶着のように破片が発生しない）

• 接着剤などの消耗品を使わない

• 感応性の高い部品に損傷を与える振動がない

• 接着強度が高い

• 気密封止が可能

• レーザー装置は複数の用途に使用できる

レーザー溶着は、通常はレーザー照射に対する反応が異なる二つの材料を接合します。一つの材料は基本的にレーザーを透過し（透過性材料）、もう一つの材料はエネルギーを吸収して溶融します（吸収性材料）。レーザーエネルギーによって吸収性部品の温度が融点まで上がると溶着が起こります。熱は伝導によって透過性部品に伝わります。この部品が溶融した時点でレーザーエネルギーを取り除くと、材料が冷却されて強い接合が形成されます。

図 11.7 レーザー溶着加工

A B C D

A：レーザーエネルギーが上の層を通過し、下の材料に吸収される

B：溶融材料の熱が上の層に伝わるC：両方の層から溶融プールが形成されるD：温度が下がると溶融プールが凝固し、

高強度の溶着部が形成される

ナチュラル色（NT）グレードのキータスパイア® PEEK は、厚み1.5 mm までレーザーを透過し、黒（BK）グレードは吸収します。

接着剤による接合キータスパイア® PEEK は、さまざまな接着剤を使用してそれ自体に、または他の基材に接着することができます。推奨する接着剤は、目的の接着強度、アセンブリーの使用温度、使用する化学的環境によって異なります。

達成できる接着強度は、使用する接着剤のタイプと表面の前処理方法によって異なります。

表面の前処理接合する表面はグリースや油などの汚染がないだけでなく、クリーンで乾燥している必要があります。射出成形で一般に使用される離型スプレーは避ける必要があります。

少なくともイソプロピルアルコールなどの溶剤を使用して表面をクリーニングし、完全に乾燥しなければなりません。表面改質を加えることで、未処理の表面よりも接着強度が大幅に向上します。図 11.8 に示すように、機械的研磨に加えてクロム酸、レーザーおよびプラズマエッチングによっても接着強度を向上することができます。

図 11.8 表面の前処理と接着強度

0 42 6 8 10相対接着強度

プラズマエッチング

レーザーエッチング

クロム酸エッチング

機械的研磨

未処理

接着剤の選択シアノアクリレート接着剤は一般に、使いやすい一成分系で、接着強度が優れています。この接着剤の最大使用温度は約 120であるため、高温用途には適していません。

200まで使用可能なエポキシ系接着剤もあります。エポキシ接着剤は、通常は使用の直前に混合する二成分系です。

一般に、エポキシ接着剤はシアノアクリレートよりも接着強度が低くなります。キータスパイア® PEEK 用の接着剤を選択する場合は、接着する基材、使用温度、化学的環境を指定して接着剤メーカーに問い合わせることを推奨します。


塗装およびマーキングキータスパイア® PEEKから製造された成形品は、プラスチックに一般に使用する方法で塗装、印刷、マーキングができます。塗装は、太陽光などの紫外線照射から保護するために一般に使用されます。

密着性は、使用直前のプラズマ処理など、表面の活性化によって大幅に向上します。

キータスパイア® PEEKの成形品には、レーザーによりコントラストの高いマーキングを行うこともできます。ナチュラル色の材料では、淡褐色からほぼ黒色まで、レーザーの強度に応じたマーキングが可能です。黒色製品では、マーキングは灰色から白色です。

真空金属蒸着およびメッキ真空金属蒸着では、真空チャンバー内で金属を蒸発させ基材上に凝結させます。キータスパイア® PEEKの成形品には、従来の方法で真空金属蒸着ができます。金属析出物の層はきわめて薄いため、良好な表面外観（クリーンで欠陥がないこと）が必要です。したがって、金属蒸着の前にベースコートを使用して表面を改善することができます。

キータスパイア® PEEKの成形品は、従来の方法で無電解メッキもできます。

結晶化度およびアニーリングキータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）は半結晶性樹脂と見なされています。つまり、図 11.9に示すように、平衡状態で高配向の高結晶性領域で整列しているポリマー鎖と、ランダムな非晶性配置をとるポリマー鎖があります。キータスパイア® PEEKには、分子量の異なる高流動性、中流動性、および低流動性グレードが用意されています。結晶化度の最大値と結晶化速度は、30～50%の結晶範囲で分子量に反比例して変化します。

PEEKの望ましい特性の多くは、その半結晶性によるものです。最適な結晶化度に達していないキータスパイア® PEEKの成形品は、熱曝露によって機械特性、耐薬品性、および寸法安定性が低下することがあります。

図 11.9 結晶性領域と非晶性領域

高分子結晶性領域非晶性領域

結晶構造の形成ポリマーを加工する場合、ポリマーは溶融状態を経て金型に入れられるか、押出成形ダイに通されます。その後、冷却されて固体の製品または形状になります。溶融状態では、整然とした結晶構造は基本的にありません。ポリマーが冷却されると結晶構造が形成され始めます。ポリマー鎖が整列して結晶構造になるには、ポリマー鎖が可動性を持つことが必要で、可動性はポリマーの温度に直接関連しています。

図 11.10に、冷却速度が遅いときに結晶化度が最大になることを示します。射出成形部品の場合、冷却速度を制御する主要な要素は金型温度と断面の厚みです。結晶化度を最大にするには、ポリマーをゆっくりと冷却することが重要です。金型温度の推奨範囲は 177～200です。ポリマーの冷却速度が速すぎると、ポリマーの一部が非晶性段階で固化することがあります。成形部品の断面の厚みにばらつきがある場合は、最も薄い断面は厚い断面よりも相対結晶化度が低くなります。製造した製品で最適な結晶化度を達成するには、「標準成形条件」を参照してください。


図 11.10 冷却速度による結晶化度の制御結晶化度

冷却速度

結晶化度の測定製造した成形品の結晶化度の範囲を推定するには、いくつかの分析方法があります。これらの方法には、密度測定、示差走査熱量測定（DSC）、X 線回折（XRD）、赤外分光法、核磁気共鳴（NMR）などがあります。測定値は使用した方法によって異なるため、結晶化度を報告するときには使用した方法を示す必要があります。

一般に使用される DSC 法は ASTM E793 です。この試験では、ポリマーサンプルを機器に入れ、加熱しながら熱流を継続的に監視し記録します。DSC からの出力は熱流 vs. 温度のプロットです。温度を制御した一定の速度で上げます。温度が上昇すると、ポリマー鎖が可動性を持つようになり、他の結晶可能領域でも整列します。この状態になると熱が発生し、機器によって発熱ピークが記録されます。ピークの面積を計算するように機器をキャリブレーションします。この面積は J/g 単位で表します。温度が上昇し続けると、サンプル内のすべての結晶の吸熱溶融により第 2 のピークが現れます。機器はこのピークの面積も計算し、J/g で表します。

図 11.11 に代表的な DSC プロットを示します。発熱ピークと吸熱ピークを使用して、相対的な結晶化度を計算します。175の発熱ピークは、サンプル内の結晶の形成によるものです。325の吸熱ピークは、すべての結晶の溶融によるものです。吸熱ピークが発熱ピークよりも大きい理由は、吸熱ピークに、当初の製造時と DSC 試験時の両方で形成されたすべての結晶を溶融するエネルギーの合計が含まれるからです。

相対結晶化度を求めるには、溶融による吸熱から結晶化による発熱を差し引き、溶融による吸熱で除算します。

= 最適結晶化度の 90%42.9 – 4.242.9

図 11.11 DSC プロットの例

熱流

[ W

/g ]

温度 [°C]

0.0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0400250 300 350100 150 200500

167.35 °C4.2 J/g

175.46 °C325.77 °C42.9 J/g

346.36 °C

結晶化度 90%

サンプルがすべて結晶化した場合、175にピークは現れません。一般に、最大結晶化度の 90% でほとんどの用途に適します。肉厚にばらつきがある部品では、結晶化度試験用のサンプルを最も薄い部分から取ることを推奨します。最も薄い部分は最も速く冷却し、そのために結晶化度が低くなる可能性があります。

部品を目視確認することもできます。主観的ですが、このような確認でおよその結晶化度をすばやく知ることもできます。一般に、結晶の境界面での光の散乱は不透明な（灰色または黄褐色）外観を与えます。特にエッジ、コーナー、薄い部材の茶色の外観は、結晶化度が最適な状態にないことを示します。通常は、非常に薄い部材の透明性は、部品が非晶性であることも示します。

キータスパイア® PEEK を銅線の上に押出成形すると、外観がピンク色に見えることがあります。これは実際にはポリマーの色ではなく、透明な樹脂を通じて見える銅線の色です。薄肉押出成形チューブは透明な外観を示すことがあります。これらの視覚的な指標が現れた場合は、該当する加工ガイドで推奨するパラメーターの調整方法を確認してください。

結晶化度が特性に与える影響最大の結晶化度を得るには加工工程が重要であることを示すために、簡単な実験を行いました。キータスパイア® KT-820 NTを ASTM D638 タイプ 1 の寸法（ただし厚み 1.6 mm）の引張試験片に成形しました。金型温度を、推奨温度よりかなり低い温度から、推奨温度までの範囲で変化させました。相対結晶化度をDSC によって、引張特性を ASTM D638 に従って測定しました。さらに、本書の「耐環境性および耐薬品性」のセクションに示した応力下での耐薬品性の手法を使用して、サンプルを調べました。活性が高いことがわかっているため、薬品としてメチルエチルケトン（MEK）を選択しました。


低い金型温度で成形したサンプルは、推奨金型温度で成形したサンプルよりも、成形品の引張強さが約 5～10%低く、弾性率が約 10～15%低くなりました。サンプルの外観は結晶化していることを示しましたが、DSCにより、相対結晶化度がわずか約 70 %であることがわかりました。これらのサンプルは、推奨金型温度で成形した部品の臨界ひずみの約 50%でMEKによるクレージングも示しました。

推奨金型温度で成形したサンプルもある程度のクレージングを示しましたが、ひずみが大きいときのみです。

次に、サンプルのアニーリングを 200で 2時間行いました。推奨金型温度で成形し、DSCで相対結晶化度が 100%を示したサンプルでも、アニーリングで特性が大幅に変化しました。引張強さは約 5～10%上昇し、引張弾性率は約 10～20 %上昇しました。最終的な伸びは約 50 %低下しました。アニーリング処理したサンプルは、クレージング耐性も大幅に向上しました。実際に、この試験片の厚みで放物曲線ひずみ試験の最大ひずみにおいてクレージングは見られませんでした。

この実験に使用した試験片は一般的な成形部品よりも大幅に薄いため、観察された変化は一般的な成形部品よりも大きいと考えられます。

製造した製品のアニーリングほとんどの場合、キータスパイア® PEEKから製造した成形品のアニーリングは不要であり、推奨しません。特定の状況では、製造後のアニーリング手順によっていくつかのメリットがもたらされる場合があります。

射出成形品の結晶化度が低いことが外観または DSCからわかった場合は、アニーリングによって結晶化度を上げることができます。初期の製造段階で最適な結晶化度を達成し、この追加の操作を行わない方を推奨します。アニーリングによって材料の弾性率や強度をわずかに向上できますが、延性は低下することがあります。

高い残留応力は、それが切削加工によるものでも成形によるものでも、アニーリングによって緩和されることがあります。場合によっては、素材から得た部品やニアネット成形された部品を切削加工すると、そりやひずみが生じることがあります。切削加工の前にアニーリングすると、そりやひずみの量をゼロまたは軽減できます。一部の射出成形部品はそる傾向があるため、治具内でのアニーリングが有効です。

アニーリング手順によって望まない結果が発生することもあります。製品の寸法変化や収縮がさらに進むことがあります。結晶領域は非晶性領域よりも配向性が高いため、体積が小さくなります。このため、アニーリングによって多少の収縮が発生します。さらに、部品の中に面の厚みが等しくない箇所がある場合、この収縮が不均一に発生し、部品のそりやひずみが生じることがあります。この場合は、ひずみを防ぐために、アニーリング中に部品を治具に入れる必要があります。


製品のアニーリングを決定する前に、これらの要素を慎重に検討してください。多数の成形品をアニーリング処理する場合は、最初に数個だけをアニーリングして、望まない結果が生じないかどうかを確認することを推奨します。

アニーリング手順厚みが 10 mm未満のほとんどの射出成形品では、200、2～4時間のアニーリングで十分です。±5で温度を均一に維持できる循環式オーブンを予熱しておき、製品を入れます。製品をオーブン内に、空気流を妨げないように並べます。製品を重ねる必要がある場合は、すべての製品が均一に加熱されるように空気流が確保されていること、また最上部の製品の重量で最下部の製品がひずまないことの確認が重要です。

指定時間後にオーブンをオフにして、オーブン内で製品を周囲温度までゆっくりと冷却します。アニーリング後に製品の検査と試験を行い、目的の結果が得られたことを確認します。押出成形したロッドなどの大きい断面を持つ製品は、200でさらに長時間アニーリング処理する必要があります。希望の結果に達するまでのアニーリング時間は、通常は実験によって確認します。

ワイヤー／ケーブルや薄肉チューブの押出成形などの連続加工を対象としたインラインアニーリングも実施できます。使用温度は200です。アニーリングチャンバーの長さは、樹脂の厚みと押出成形ライン速度によって異なりますが、常に現実的なわけではありません。

切削加工のガイドライン概要素材の切削加工による部品の製造は、製造量が少ないために射出成形が高コストになる場合に射出成形の代わりに使用できる経済的な方法です。射出成形ラインを組む以前の保証試験用の試作部品は、多くの場合切削加工で製造されます。キータスパイア® ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）の素材は、さまざまなグレードとサイズで複数の成形業者が提供しています。

また、射出成形部品を切削加工することで、金型に組込めない細部を追加したり、従来の射出成形よりも小さい寸法公差を達成したりすることができます。

一般的なガイドラインこのセクションの情報は、高機能ポリマーの切削加工に馴染みのないユーザー向けのスタート時の情報として提供しています。これらの推奨事項はあらゆる状況に対しての最適な条件ではありません。一般に、軟鋼やアルミニウムの切削加工に通常使用する工具や技術は、キータスパイア® PEEKでの使用に適しています。

工具外面が研磨された押込工具形状を推奨します。非強化グレードで生産量が少ない場合は表面を研磨したカーバイド工具で十分ですが、この工具は非常に短期間で切れ味を失います。ガラス繊維または炭素繊維が含まれるグレードで、生産量が多い場合は、ダイヤモンドコーティングまたは多結晶工具を推奨します。

クーラント破片の除去と樹脂および工具の熱管理に役立つように、水性または油性クーラントの使用を推奨します。これらのポリマーは熱伝導率が低く、熱膨張が大きいため、過酷な切削加工では樹脂が過熱し、部品の冷却時に寸法の問題が発生することがあります。

チャッキングおよび部品の支持樹脂を支えるには、クランプで最小限の圧力を使用します。過剰な圧力を加えると変形することがあります。切削ツールによるたわみを防止するために、薄い部材は十分に支えます。また、部品の厚みが小さくなるに従って、浅い切り込み深さを使用します。

予備切削および仕上げの切削加工キータスパイア® PEEKの素材は、かなり速い速度で粗切りができます。仕上げの切削は少しずつ行う必要があります。大きい穴の切削加工を行う場合、パイロット穴によって穴の中心を確実に合わせ、最終的な切削をまっすぐに行うことができます。

押出成形した形状での強化繊維の配向切削加工が可能な多くの素材は、押出成形によって作成されます。繊維強化ポリマーを押出成形すると、繊維は押出成形または切削の方向に整列する傾向があります。図 11.12に示すように、機械特性は、直角方向の特性よりも押出方向の特性の方が大幅に高くなります。繊維強化グレードから作成した押出成形素材を切削加工する場合は、押出成形の方向による特性のばらつきを認識することが重要です。射出成形の前に試験用の試作品を作成する場合は、この要素を考慮する必要があります。

成形部品は流れの方向により一部の特性がばらつくことがありますが、変動は押出成形素材よりも大幅に小さくなります。射出成形部品の強化繊維の配向の方が大幅にランダムで、特性は、切削加工した部品の流れ方向と直角方向の間になります。可能であれば、部品の機械的要件を、素材の配向とその結果として生じる特性のばらつきの面から考慮してください。


図 11.12 強化繊維の配向が強度に影響を与える

高強度

中強度

押出方向

低強度

応力除去あるいはアニーリング素材は製造時に応力が除去されますが、切削加工によって応力が誘発されることがあり、この結果、寸法の安定性や機械特性が低下することがあります。このような応力が発生した場合は、応力除去（アニーリング）手順によって結果を向上できることがあります。この手順はグレードと形状によって大きく異なるため、詳細についてはソルベイの技術担当者にお問い合わせください。

切削加工パラメーター

ドリル加工キータスパイア® PEEKは断熱材であり、ドリル加工時にはこの点を考慮する必要があります。

直径の小さい穴 - 25 mm未満

切り端を取り除くために頻繁に引出す高速ツイストドリルを使用します。

直径の大きい穴

低速スパイラルドリルを使用します。直径が最大 12 mmのパイロット穴を開けることを推奨します。スタート時のドリル加工のパラメーターを表 11.1に示します。

表 11.1 ドリル加工のパラメーター

穴の直径 mm

送り速度 mm/rev

1～6 0.05～0.13

6～25 0.10～0.20

> 25 0.20～0.30

旋盤加工旋盤加工速度と送りは、非強化グレードと繊維強化グレードでは異なります。推奨するスタート時の条件を表 11.2に示します。

表 11.2 旋盤加工のパラメーター

材料速度

m/min送り速度 mm/rev

非強化 150～275 0.25～0.38

繊維強化 150～215 0.10～0.18

のこ加工のこ加工の推奨値を表 11.3に示します。

表 11.3 のこ加工のパラメーター

樹脂の厚み mm

ピッチ歯数 /in.

バンド速度 m/min

12～25 6～8 1,070

25～76 3 900

> 76 3 760

フライス加工図 11.13 に示すように、下向きフライス削りを従来のフライス削りよりも推奨します。推奨するスタート時のパラメーターを、正面フライス削りについては表 11.4に、面フライス削りについては表11.5に示します。

図 10.13 推奨する下向き削り

カッターの回転カッターの回転

下向き削りテーブルの移動

上向き削り

表 11.4 正面フライス削りおよび立て削り

直径 mm

切り込み深さ mm

速度 m/min

送り mm/歯

6 6 80～135 0.05

12 6 80～135 0.08

18 6 80～135 0.13

25 6 80～135 0.20

6 1.3 90～150 0.02

12 1.3 90～150 0.05

18 1.3 90～150 0.10


表 11.5 面フライス削り

切り込み深さ mm

速度 m/min

送り mm/歯

3.0 150～215 0.50

1.5 150～215 0.13

トラブルシューティングトラブルシューティングの推奨事項を表 11.6に示します。詳細についてはソルベイの担当者にお問い合わせください。

表 11.6 トラブルシューティング

問題考えられる原因

ドリル加工

穴が傾いているドリルが適切に研がれていないクリアランスが不十分

表面の溶融ドリルの種類が間違っている送りが遅すぎるドリルが鋭利でない

欠け送りが速すぎるクリアランスが多すぎるすくいが多すぎる

旋盤加工

表面の溶融工具が鋭利でない側面のクリアランスが不十分送りが遅すぎるスピンドルが速すぎる

仕上げが粗い送りが速すぎる工具のノーズ半径が不十分逃げ角が間違っている

亀裂または欠け工具の正のすくいが高すぎる急な切削工具が鋭利でない

がたつくノーズ半径が大きすぎる工具がしっかりと取り付けられていない材料が十分に支えられていない切り込み深さが大きすぎる


索引

あ圧縮成形加工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110アセンブリーの設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79アダプターおよびダイ . . . . . . . . . . . . . . . . . 99圧縮成形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108圧縮強さ試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24圧縮特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24後処理用の装置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106アニーリング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97アニーリング手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117アンダーライターズラボラトリーズ . . . . . . . . . . . 14

い異形押出成形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102一体成形されたねじ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82一般的なガイドライン . . . . . . . . . . . . . . . . 117

え煙濃度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

お応力集中に関する検討事項. . . . . . . . . . . . . . . 78応力除去あるいはアニーリング . . . . . . . . . . . . 118応力の計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75応力 -ひずみ曲線 . . . . . . . . . . . . . . . . . 19, 25押出機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99, 105押出成形した形状での強化繊維の向き . . . . . . . . 117温度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18温度制御 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109温度の影響 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23, 35温度の設定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100, 106

か外観および色 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61開始. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100, 106加工. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87, 106荷重たわみ温度（HDT） . . . . . . . . . . . . . . . . 38型締め力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90金型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90, 109金型鋼材 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90金型の種類 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90ガラス転移温度（Tg）. . . . . . . . . . . . . . . . . . 39乾燥. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95, 100, 106乾燥機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99乾燥用オーブン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109ガンマ線照射 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

きキータスパイア ® PEEK グレード . . . . . . . . . . . . 5キータスパイア ® PEEKの試験 . . . . . . . . . . . . . 34キータスパイア ® PEEK の主要特性 . . . . . . . . . . 5機械特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61規制機関からの認証 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13キャビティのレイアウト. . . . . . . . . . . . . . . . . 91吸水率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63強化繊維の向きに関する検討事項 . . . . . . . . . . . 76

くクーラント . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117クリープ特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30グローワイヤー試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

け計装衝撃試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29ゲート位置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93ゲート処理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92ゲートの種類 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92結晶化度が特性に与える影響. . . . . . . . . . . . . 115結晶化度およびアニーリング . . . . . . . . . . . . . 114結晶化度の測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115結晶構造の形成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114限界 PV値 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

こ工具. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117航空機用流体 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52剛性を維持するためのリブの追加 . . . . . . . . . . . 77高電圧アーク着火性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50高電圧アークトラッキング速度（HVTR） . . . . . . . . . 49高電圧低電流耐アーク性 - ASTM D495 . . . . . . . . 48高電流アーク着火性（HAI） . . . . . . . . . . . . . . . 49高負荷ミキサー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108コンピュータ支援エンジニアリング（CAE） . . . . . . . 78

さ材料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99材料選定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108さまざまなデータ提供元から取得した熱線膨張係数の値の比較 . . . . . . . . . . . . . . 37

酸化エチレン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59


しシートおよびフィルムの押出成形 . . . . . . . . . . . 101ジェット燃料 A/A-1（ASTM D1655） . . . . . . . . . . 52試験方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23持続性荷重向けの設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . 77自動車用トランスミッションオイル . . . . . . . . . . . 54自動車用ブレーキ液 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55自動車用流体 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54射出成形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89射出成形加工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95射出成形機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89射出成形と機構シミュレーションの結合 . . . . . . . . . 79射出成形のシミュレーション . . . . . . . . . . . . . . 78射出成形用の設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84シャットダウン . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100, 106従来の応力 -ひずみ式の使用 . . . . . . . . . . . . . 72潤滑試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69食品との接触 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14真空金属蒸着およびメッキ . . . . . . . . . . . . . . 114浸漬試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51振動溶着 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

す垂直燃焼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45垂直燃焼試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44水平燃焼試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44スクリューの設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90スタート時の加工条件 . . . . . . . . . . . . . . . . 100スタート時の成形条件 . . . . . . . . . . . . . . . . . 95スチームオートクレーブ処理 . . . . . . . . . . . . . . 60スナップフィットを使用した設計 . . . . . . . . . . . . 82スピン溶着 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111スプルーとランナー . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92スライド機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

せ成形収縮率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92製造した製品のアニーリング . . . . . . . . . . . . . 116石油・ガス流体に対する耐性 . . . . . . . . . . . . . . 55絶縁破壊電圧および耐力 . . . . . . . . . . . . . . . . 47設計計算の限界 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72設計指針 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37, 71設計に関する検討事項 . . . . . . . . . . . . . . . . . 33接合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111切削加工のガイドライン . . . . . . . . . . . . . . . 117切削加工パラメータ . . . . . . . . . . . . . . . . . 118接着剤による接合 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113接着剤の選択 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113セルフタッピングねじ . . . . . . . . . . . . . . . . . 81繊維による強化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17せん断特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

そ装置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89, 99, 105, 108

たダイおよびクロスヘッドの設計 . . . . . . . . . . . . 105耐環境性および耐薬品性 . . . . . . . . . . . . . . . . 51耐候性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61衝撃特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28体積抵抗率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47耐トラッキング指数（CTI） – ASTM D3638 . . . . . . . 49耐熱性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35耐摩耗グレード . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64耐摩耗性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64耐摩耗性の測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67耐薬品性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51縦型プレス機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108たわみの計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72短期機械特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15断面の厚みの変更 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

ちチャッキングおよび部品の支持 . . . . . . . . . . . . 117チューブの押出成形 . . . . . . . . . . . . . . . . . 101超音波溶着 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112長期機械特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

つ突き出しシステム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

てテーパー付き片持ち梁の式 . . . . . . . . . . . . . . . 84電気特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47電子ビーム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

と等時性曲線 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30毒性ガス放出 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46特性データ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6塗装およびマーキング . . . . . . . . . . . . . . . . 114ドラフト（抜き）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94トラブルシューティング . . . . . . . . . . . . . . . . 119トラブルシューティング、ワイヤー／ケーブル . . . . . 107ドリル加工. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118トルクの保持の向上 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81トルクを上げる. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

に肉厚. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84肉厚の変動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84肉盗み . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85二次加工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

ぬ抜き勾配 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84


ねねじ込みインサート . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82熱安定性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41熱管理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94熱重量分析（TGA）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41熱線膨張 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35熱線膨張係数の結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37熱伝導率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39燃焼特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

ののこ加工. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118ノズル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

はパージ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100, 106発熱速度（OSU）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46嵌め代または圧入 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

ひヒートエージング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40引取り装置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100引き抜き力の計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82非強化 PEEK樹脂の引張疲労 . . . . . . . . . . . . . 34引張特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15等しい剛性を持つ部品の設計 . . . . . . . . . . . . . 76比熱 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40表面抵抗率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48表面の前処理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113疲労試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33疲労特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

ふファインファイバー . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102フィーダー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99フィラメント . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102フライス加工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118分子量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

へ米軍用規格 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14ベント . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

ほボス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86ホットランナーシステム. . . . . . . . . . . . . . . . . 92ホットワイヤーイグニッション（HWI） - ASTM D3874 . . 49

ま曲げ特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22摩擦係数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65摩擦を評価するためのスラストワッシャー試験片 . . . . 66摩耗量と摩耗係数 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

み見掛けのまたはクリープ弾性率のグラフ. . . . . . . . . 31民間航空機の試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

む無潤滑試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67無潤滑の PV可変試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

めメカニカルファスナー . . . . . . . . . . . . . . . . . 80滅菌処理耐性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

もモーターオイル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

ゆ有限要素解析（FEA）. . . . . . . . . . . . . . . . . . 79融点（Tm）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39誘電正接 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48誘電率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48輸送用流体に対する耐性 . . . . . . . . . . . . . . . . 52

よ溶着. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111予備切削および仕上げの切削加工 . . . . . . . . . . 117

りリブ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

れレーザー溶着 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113レオロジー特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

わワイヤー／ケーブルの押出成形. . . . . . . . . . . . 105

アルファベット

AASTM International . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

IInternational Water Contact Standards . . . . . . . . 14ISO 10993 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

NNational Sanitation Foundation . . . . . . . . . . . . 14

SSkydrol® LD-4油圧オイル . . . . . . . . . . . . . . . 52

UUL 746A短期特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

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