PBT樹脂の選び方——ガラス強化・難燃グレード、加水分解と乾燥、コネクタ部品で指定すること

「PBT-GF30」は、材料を決める書き方として足りない

PBT の成形用・押出用材料の呼び方は、国際規格 ISO 20028-1（熱可塑性ポリエステル材料の呼び方のシステム）が決めている。PET、PBT などのポリエステルを、粘度数と引張弾性率の水準、用途・加工方法、重要な性質、添加剤、着色剤、充填材・強化材の情報で区分する規格である^[1]。そのうえでこの規格は、同じ呼び方の材料が必ずしも同じ性能を示すとは限らず、設計に要るデータや成形条件のデータを提供するものではない、と書いている^[1]。

図面の材質欄によくある「PBT-GF30」は、ガラス繊維が 30 % 入った PBT という意味で、難燃剤の有無と種類、靭性を高める改質の有無、加水分解に強くした改質の有無は分からない。PBT はこうした改質でグレードが細かく分かれる材料なので、重要な部品はメーカーとグレードで固定し、変更を承認の対象にする。固定と承認の手順は樹脂のグレード指定と代替グレードの承認にまとめた。

結晶化のしかたで、寸法と強さが変わる

東レの平井陽による講座「成形材料（15）PBT 樹脂」（成形加工 14 巻、2002 年）は、PBT を射出成形するときにまず理解すべき特徴として結晶性を挙げている^[2]。結晶の部分と非晶の部分は密度が違うので、結晶化すると体積が変わる。講座は、非晶相の密度 1.28 g/cm³、結晶相の密度 1.404 g/cm³ から、通常の条件で成形した成形品の平均密度 1.31 g/cm³ では結晶化度が 28 % と計算できる、と例を示している^[2]。

同じ講座は、成形条件によって結晶化度が変わり、製品の寸法と強度に影響すること、金型に触れる表面は急に冷えて非晶部分の多いスキン層になり、その厚さが特に金型温度で変わることを説明している^[2]。発注側として押さえておきたいのは次の三つである。

1. 反り
結晶化度の高い成形品ほど反りが大きく、ガラス繊維を入れたものでは、流れの方向に並んだ繊維と結晶化で縮む樹脂の間に応力が生じて反る^[2]。

2. あとからの寸法変化
強化材を入れない PBT でも、固まったあとで高温にさらされると、結晶になっていなかった分子が結晶化して寸法が変わったり反ったりすることがある。講座は、寸法精度の要求が厳しい製品は成形後にアニール（熱処理）をして、使う環境での寸法変化を小さくする必要がある、としている^[2]。

3. 成形条件の固定
結晶化度は金型温度と冷却の速さで変わるので、量産の条件を決めたら、それを変える前に連絡をもらう取り決めにする。

寸法をどの状態で測るかは樹脂成形品の寸法公差の決め方で扱った。熱処理を入れる部品は、熱処理の後の寸法で受けることを決めておく。

最大の欠点は加水分解——乾燥と滞留を仕入先と決める

前述の講座は、PBT 樹脂の最大の欠点を耐湿熱加水分解特性としている^[2]。成形のときに注意すべき点として、水があると加水分解を起こしやすく、樹脂中の水分が高いと成形機の加熱筒での滞留中に重合度が下がる場合があるので、水分は 0.02 wt% 以下を推奨すると書いている^[2]。また、280 ℃以上では熱分解が速くなるので、金型に対して大きすぎる成形機で溶けた樹脂が長く滞留すると、重合度と衝撃強度が下がる、とも書いている^[2]。

この不具合のやっかいなところは、見た目に出にくいことである。近藤滋の解説「信頼性確保のためのポリエステル系樹脂の成形管理」（信頼性 18 巻、1996 年）は、PC・PET・PBT などのポリエステル系樹脂は成形温度が高いため、わずかな水分でも加水分解を起こし、限界の水分量が 0.05〜0.02 % と低いので、それを超えていても成形品の表面にシルバーストリークのような跡が出ないことがある、と説明している^[3]。加水分解して分子量が下がった成形品は、衝撃に弱くなり、破断面が光沢のある貝殻状のぜい性破壊になる^[3]。

同じ解説は、結晶性の高い PET や PBT は溶かす溶剤が特殊なものしかないので、分子量を直接測る代わりに MI（メルトインデックス）の値を求めて加水分解の程度を知ることができる、としている^[3]。発注側としては、次を仕入先と決めておくと確かめられる。

1. 乾燥条件と、成形直前の水分の管理値
材料メーカーの推奨値に合わせ、記録を残してもらう。

2. 成形機の大きさと滞留
部品に対して大きすぎる成形機を使わないこと、条件変更の連絡。

3. 加水分解の確かめ方
初回や条件変更のときに、ペレットと成形品の MFR（溶けたときの流れやすさ）を比べる、といった方法と判定の目安。

PBT と PET の違いを数字で見る

PBT と PET は同じテレフタル酸系のポリエステルで、使い分けの相談がよく出る。手元で確かめられた資料の数字を並べると次のとおりである。

結晶化の速さは成形のしやすさに直結する。平井の講座は、PBT は融点から 15 ℃冷やした温度で結晶化が進むが、PET は 50 ℃近く冷やしてから結晶化が進むので、PBT のほうが固まるのが速く、短い冷却時間で金型から取り出せる、と説明している^[2]。成形サイクルを短くしたい射出成形品では、この違いが材料を選ぶときの判断材料の一つになる。

東レの田中・中沢の報告（繊維学会誌 43 巻、1987 年）は、中性の液中での加水分解の活性化エネルギーが PBT で 21 kcal/mol と PET の 27 kcal/mol よりやや低いこと、アルカリ中では PBT の重量減少が PET より小さいことを報告している^[4]。近藤の解説は、加水分解への強さは PC と PET がほぼ同程度で、PBT はやや良い、としている^[3]。条件によって見え方が変わるので、どちらが加水分解に強いかを一言で決めず、使う温度と湿度で確かめる。PET の使い分けはPET 樹脂の選び方で扱う。

コネクタ・リレー・ブレーカーで、合うグレードが違う

前述の平井の講座は、PBT は電気電子分野の割合が高く、コネクタ、リレースイッチなどの小型部品に使われ、難燃グレードは難燃剤によって特性が大きく変わるので、求める性能に合うグレードが必要だ、としている。そのうえで用途ごとの要求を次のように挙げている^[2]。

コネクタ
ピンを圧入するので、靭性のあるタイプが必要。

リレー・ケース類
流動性がよく、成形時に発生するガスが少ないグレードが適当。

家庭用配電ブレーカー
トラッキング特性（汚れた表面に電圧がかかり炭化した導電路ができる現象への強さ）に優れた材料が適当。

同じ講座は、講座の筆者の会社が出しているハロゲンを含まない難燃グレードを紹介し、その靭性は同社のハロゲン系のタイプより劣るとしている^[2]。あるメーカーの自社グレードについての記述で、すべてのグレードに当てはまるとは限らない。難燃剤の種類を変えると、靭性・発生ガス・耐トラッキング性が一緒に動く。「ハロゲンフリーにしてほしい」と頼むなら、圧入や耐トラッキング性の要求が変わらず満たせるかを、候補のグレードで確かめる。難燃等級と肉厚の関係、赤りん系の難燃剤を使った PBT が水分で強度を落とす例はUL94 V-0 対応の樹脂選定と肉厚設計で扱っている。

薬品と熱の見方

平井の講座の耐薬品性の表（非強化の一般タイプを室温で 6 か月浸けたもの）に付けた説明では、PBT は結晶性樹脂で耐薬品性は非晶性樹脂より高く、オイル・ガソリン類には非常に強い。酸には強いがアルカリではやや強度の低下が見られ、フェノールには 5 % 溶液でも膨潤する、としている^[2]。洗浄液や冷却液に触れる部品なら、液の種類と温度を仕入先に伝える。

熱については、同じ講座が、130 ℃以下の通常の使用範囲では熱分解は起きず、通常の温度での主な劣化は加水分解による重合度の低下と考えられる、と書いている。寿命は加水分解の速さを求めたうえで高温の促進試験から推定でき、講座の図の例では 20 ℃での寿命を 121 ℃で評価したデータの約 5,000 倍と見積もっている^[2]。この倍率は講座が示した材料での一例で、ほかのグレードにそのまま当てはめない。

データシートの荷重たわみ温度は、使える温度の上限ではない。JIS K 7191-1 は、荷重条件などが実際の使用条件と違うので、結果は必ずしも使用可能な最高温度を示さず、最終製品の性能予測に用いてはならない、としている^[6]。長く熱にさらす部品では、JIS K 7226 の温度指数（所定期間、通常 20,000 時間で特性が終点に達する温度）の考え方で、どの特性を何 % まで下がったところで見た値かを確かめる^[5]。耐熱の数字の読み分けは、PPS 樹脂の選び方でも整理した。

発注書に書くこと（PBT 樹脂部品）

以下は規格の要求ではなく、発注側の実務としての提案である。

1. 材料
メーカーとグレード。グレードで固定しない場合は、強化材の種類と量、難燃の有無と種類、要る性質の値と試験方法。

2. 用途の要求
圧入の有無、耐トラッキング性の区分、難燃等級と厚さ。

3. 使う環境
温度と湿度、時間、触れる液。屋外や高湿の環境かどうか。

4. 成形の管理
乾燥条件と水分の管理値、成形機と滞留時間、金型温度。変更する前の連絡。

5. 熱処理
アニールの要否と、その後の寸法で受けること。

6. 加水分解の確認
初回・条件変更時に MFR を比べる、などの方法と判定の目安。

7. 成績書
材料のロット、寸法、取り決めた試験の結果。

受入で確かめること

初回の受入では、材料のロットの記録から注文どおりのグレードが使われたことを確かめ、寸法・反り・外観を見る。加水分解は外観に出にくいので^[3]、取り決めた MFR の比較や、圧入・落下など部品の使い方に近い確認の結果を出してもらう。量産に入ってからは、乾燥と成形条件の記録を定期的に見せてもらい、条件が動いていないかを確かめる。量産前に何を出してもらうかは量産前に仕入先に何を出させて承認するかで扱った。

よくある質問

成形品の外観がきれいなら、加水分解は起きていないと考えてよいですか

考えないほうがよい。ポリエステル系樹脂は、限界の水分量を超えていても表面にシルバーストリークが出ないことがあると説明されている^[3]。MFR の比較など、取り決めた方法で確かめる。

PBT と PET はどちらを選べばよいですか

PBT は PET より固まるのが速く、短い冷却時間で金型から取り出せる^[2]。冷却時間を短くしたい射出成形品ではこの点が判断材料になる。ボトル・フィルム・シートの材料としての PET は別の記事で扱う。加水分解への強さは条件で見え方が変わるので^[3][4]、使う温度と湿度で確かめる。

ハロゲンフリーの難燃グレードに替えても大丈夫ですか

難燃剤の種類で特性が大きく変わる。あるメーカーの講座では、自社のハロゲンを含まない難燃グレードの靭性がハロゲン系より劣るとしている^[2]。圧入・耐トラッキング性・難燃等級を候補のグレードで確かめてから替える。

まとめ

PBT 樹脂は結晶化が速く、ガラス強化と難燃化がしやすいので電装部品に広く使われるが、最大の欠点は加水分解で、乾燥や滞留が足りないと外観に出ないまま割れやすくなる。「PBT-GF30」とだけ書かず、メーカーとグレード、用途の要求（圧入・耐トラッキング・難燃）、成形の管理と加水分解の確かめ方を決める。寸法精度の厳しい部品は結晶化による反りと後からの寸法変化を前提に、アニールと受ける状態を決める。耐熱は荷重たわみ温度でなく、使う温度・時間と温度指数で見る。

同じ束では、PBT と同じポリエステルの PET をPET 樹脂の選び方で、基板の材料をガラエポ（FR-4）の発注で扱う。摺動部品の樹脂はPOM の選び方で扱っている。

出典・参考資料

1. ISO 20028-1:2019 Plastics — Thermoplastic polyester (TP) moulding and extrusion materials — Part 1: Designation system and basis for specifications（国際標準化機構（ISO）／エストニア標準化機関の規格目録で概要を閲覧）
2. 平井陽「講座『成形材料』（15）PBT 樹脂」成形加工 14 巻 6 号（プラスチック成形加工学会／2002 年）
3. 近藤滋「信頼性確保のためのポリエステル系樹脂の成形管理」信頼性 18 巻 6 号（日本信頼性学会／1996 年）
4. 田中三千彦・中沢俊二「ポリ（1,4-ブチレンテレフタレート）の熱および加水分解特性」繊維学会誌 43 巻 7 号（繊維学会／1987 年）
5. JIS K 7226:1998 プラスチック－長期熱暴露後の時間－温度限界の求め方（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／1998 年 11 月 20 日制定）
6. JIS K 7191-1:2015 プラスチック－荷重たわみ温度の求め方－第1部：通則（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2015 年 11 月 20 日改正）

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