ポリイミド樹脂部品の発注——焼結品・熱可塑性・熱硬化型の違いと、耐熱を温度×時間で書く

この記事は、軸受・ブッシュ・スラストワッシャー・シールリング・絶縁部品・治具など、ブロックや成形品から作るポリイミド樹脂の部品を扱う。フレキシブル基板などに使うポリイミドフィルムや、半導体の層間絶縁膜、複合材料の母材には深入りしない。ベスペルは全芳香族ポリイミドの成形品の商標として知られる名前で、この記事では一般名で書く。プラスチックの記号を定めた JIS K 6899-1 は、PI を「ポリイミド」、PAI を「ポリアミドイミド」の略語として載せている^[6]。

「ポリイミド」は作り方の違う材料の総称

高分子学会誌の解説（1990 年）は、当初開発されたポリイミドは不溶不融で成形加工性に劣ったと書く。そのうえで、ピロメリット酸系の全芳香族ポリイミドは不溶不融のため、フィルムはイミド化前のポリアミック酸の状態で成形し、機械部品などは焼結法で成形すること、ベンゾフェノンテトラカルボン酸系には熱可塑性のものがあること、溶融性を付けた変性ポリイミドとしてポリエーテルイミドやポリアミドイミドが開発されたこと、加工性と耐熱性を兼ねる付加型（熱硬化型）のポリイミドとしてビスマレイミド系などがあり、圧縮成形やトランスファ成形ができることを書いている^[1]。

熱硬化性ポリイミドについての 1994 年の解説は、熱硬化性ポリイミドを反応性の末端基によって PMR ポリイミド・アセチレン末端ポリイミド・ビスマレイミドの 3 つの型に分け、低分子量・低粘度の原料から作るため相当する熱可塑性ポリマーより加工が容易で、200〜400 ℃の高温特性を持つ、と書いている^[2]。1991 年の繊維学会誌の解説は、従来のポリイミドがほとんど溶融流動性を示さなかったのに対し、一般のエンジニアリングプラスチックと同じように射出成形・押出成形できる熱可塑性ポリイミドが開発され、ガラス転移温度 250 ℃と紹介している^[5]。

購買の立場で押さえるのは、「ポリイミド」と書いた図面だけでは、焼結した素材から削り出す部品なのか、射出成形品なのか、熱硬化型の成形品なのかが決まらない、という点である。作り方が違えば、金型の要否、最小ロット、価格、耐熱の水準がすべて変わる。溶融成形できる変性ポリイミドの PEI はPEI 樹脂の発注で別に扱った。

PAI は成形後の熱処理が要る

1991 年の解説は、PAI は非晶性樹脂だが、成形後にキュアしてイミド化反応を完結させる点が他のエンジニアリングプラスチックと異なると書き、高耐熱・耐クリープ・耐摩擦摩耗を生かした紙分離爪・ギヤ・ブッシング・スラストワッシャーなどを用途に挙げている^[5]。ポリイミドの代わりに PAI を提案されたら、成形後の熱処理の工程と条件が仕入先の側で管理されているかを確かめる（当方の提案）。

耐熱は「温度」と「時間」と「雰囲気」で決まる

エレクトロニクス実装学会誌の講座（2001 年）は、実用上の高分子材料の耐熱性は、高温で長時間使っても特性が変わらないこと（長期耐熱性）と、高温まで短時間特性が変わらないこと（短期耐熱性）のように、温度と時間の関数として表されると説明している。代表的な全芳香族ポリイミドについて、ガラス転移点がおよそ 410 ℃、空気中で 450 ℃までは熱分解しないこと、同じ化学構造の成形品は荷重たわみ温度（DT）が 360 ℃、UL の相対温度指数が 280 ℃であることを示している。UL の相対温度指数は 10 万時間（11 年 5 か月）の特性評価に耐える温度と規定されている、とも書いている^[3]。同じ講座が示すフィルムの耐熱寿命を写す^[3]。

表は特定の全芳香族ポリイミドのフィルムについての値で、部品の材料や形がちがえば同じではない^[3]。先に挙げた成形品の UL 相対温度指数 280 ℃と、この表のフィルムの耐熱寿命（275 ℃で 1 年）は、試料（成形品かフィルムか）も、評価の基準（10 万時間の特性評価に耐える温度か、空気中で寿命が尽きるまでの時間か）も違うので、数字どうしを直接比べない^[3]。それでも読み取れることは大きい。同じ材料でも、温度が 25 ℃上がるだけで寿命が年単位から月単位に縮み、空気があるかないかで寿命が大きく変わる。「耐熱 300 ℃」とだけ書いた要求は、300 ℃に何時間置くのか、空気中か不活性ガス中かが抜けていると、仕入先は答えようがない。

長期の耐熱の求め方を定めた JIS K 7226 は、ここでいう耐熱性は試験片にほかの作用や応力を除いた状態で空気中で行う試験についての用語で、異なる環境や応力の下での耐熱性を評価するには異なる試験方法が必要だ、と書いている^[7]。荷重のかかる軸受や、油・薬液の中で使う部品では、空気中の耐熱の数字だけで判断できない。使う環境と荷重を伝え、その条件での確かめを取り決める。

摺動部品は充てん材の種類と強度の両方を見る

成形加工学会誌の論文（1992 年）は、熱可塑性ポリイミドに PTFE・グラファイト・チタン酸カリウムウィスカーを充てんした複合材料の摩擦・摩耗を調べている。PTFE とグラファイトを充てんしたものは、摩擦係数の平均値が 0.181〜0.239 程度で無充てんの 1/1.5〜1/2.1、限界 pv 値が 1.5〜4.0 MPa・m/s で無充てんの 1.2〜3.2 倍以上だったと報告している^[4]。一方で、無充てんの曲げ強さ 135 MPa に対し、充てんした複合材料は 44〜112 MPa 程度で、無充てんより小さかった^[4]。

同じ論文は成形の条件にも触れている。この熱可塑性ポリイミドを圧縮成形したとき、加熱温度 420 ℃以下・成形圧力 9.5 MPa 以下では未溶融の部分が残り、460 ℃以上では表面が炭化したとみられる変色が出たため、425〜450 ℃・10〜40 MPa を成形可能な範囲と推定している^[4]。成形できる条件の幅が狭く、仕入先の工程管理で品質が左右される材料だということである。

軸受やワッシャーのような摺動部品を発注するなら、充てん材の種類と量を指定し、摩擦・摩耗の要求（相手材・面圧・速度）と、強度の要求（荷重・衝撃）を両方書く（当方の提案）。摩耗を減らすための充てん材が強度を下げることがあるので、片方だけで材料を選ばない。

削り出し部品の注意

焼結法で作る全芳香族ポリイミドの部品は^[1]、素材のブロックや丸棒から削り出して作ることが多い。樹脂の切削部品の寸法公差や仕上げの指定は樹脂の切削加工品の発注にまとめた。素材の段階でどの種類・どの充てん材かは、素材メーカーの成績書で確かめる。部品の加工者が素材を別の銘柄に替えると、見た目は同じでも耐熱や摺動の性質が変わる。素材の銘柄の変更を承認の対象にしておく。

価格と代替の判断

1990 年の解説は、ポリイミドは多くの優れた特性をもつが、高価なことも実用上の大きな障害になっていると書いている^[1]。1994 年の解説は、熱硬化性の PMR-15 について、原料の一つに発がん性の疑いのある物質を使うことによる健康と安全性の懸念を、欠点の一つとして挙げている^[2]。材料の選択には、性能と価格だけでなく、含有物質や製造工程の安全の観点も入りうる。

代替を考えるときの順序は、①要る温度・時間・雰囲気、②荷重と摺動の条件、③作り方（削り出しか成形か）を並べ、PEEK・PAI・PEI などと比べることである。PEEK との比べ方はPEEK 部品の発注、PTFE との比べ方はPTFE 部品の発注を参照してほしい。

発注書と仕様書に書くこと

ここからは規格の要求ではなく、発注する側としての提案である。

1. 種類と作り方
全芳香族（焼結素材からの削り出し）、熱可塑性（射出・押出成形）、熱硬化型、PAI のどれか^[1][5]。素材・樹脂の銘柄と充てん材。

2. 熱の条件
使用温度と、その温度に置かれる時間（連続・断続・ピーク）、雰囲気（空気・不活性ガス・油中など）^[3][7]。

3. 摺動・荷重
相手材・面圧・速度、荷重と衝撃^[4]。

4. 変更の承認
素材・樹脂の銘柄、充てん材、成形後の熱処理条件の変更は事前に承認とする。

受け入れるときに確かめること

初回は、素材の成績書で種類・銘柄・充てん材が注文どおりかを確かめる。削り出し部品なら、どの素材のロットから削ったかを追えるようにしておく。摺動部品は、取り決めた相手材・条件での摩耗の確認結果を求める。熱の条件が厳しい部品は、取り決めた温度・時間・雰囲気での確認結果を見る。熱可塑性ポリイミドや PAI の成形品は、成形条件や成形後の熱処理の条件が変わっていないかを、量産に入ってからも確かめる^[4][5]。

注文書の書き方の例

決まった様式はない。発注側として書いておきたい内容を一つの例にまとめる。

「材質：全芳香族ポリイミド（焼結素材、素材メーカー銘柄 ○○、グラファイト ○ % 入り）からの削り出し。用途：装置内のスラストワッシャー（相手材 ○○、面圧 ○ MPa、すべり速度 ○ m/s、無潤滑）。使用温度：空気中で常用 ○ ℃（連続）、ピーク ○ ℃（1 回 ○ 分、1 日 ○ 回）。初回納入時に素材の成績書を提出すること。素材の銘柄・充てん材の変更は事前に連絡し承認を得ること。」

よくある質問

「耐熱 300 ℃のポリイミド」で発注できますか

できるとは言えない。ポリイミドの耐熱寿命は温度と時間で大きく変わり、空気中か不活性雰囲気かでも違う^[3]。300 ℃に置く時間と雰囲気を書く。

摺動グレードにすれば強度も上がりますか

上がるとは限らない。熱可塑性ポリイミドに PTFE・グラファイトなどを充てんすると摩擦・摩耗は下がったが、曲げ強さは無充てんより小さかった^[4]。荷重の要求も一緒に書く。

ポリイミドの成形品を射出成形で量産できますか

種類による。全芳香族のポリイミドは不溶不融で、機械部品は焼結法で作るとされる^[1]。射出成形できるのは熱可塑性ポリイミドや PEI などの変性ポリイミドで^[1][5]、耐熱の水準は同じではない。

まとめ

ポリイミドの部品は、全芳香族の焼結品、熱可塑性の成形品、熱硬化型、PAI など、作り方の違う材料の総称で、耐熱の水準も違う。耐熱は温度と時間と雰囲気の組合せで決まり、空気中の耐熱の数字は荷重や薬液の中での使用をそのまま表さない。摺動部品では充てん材で摩擦・摩耗が下がる一方で強度が下がることがある。発注では種類と作り方、熱の条件、摺動と荷重の条件を書き、素材や銘柄、熱処理条件の変更を承認の対象にする。

同じ束では、LCP（液晶ポリマー）、PSU・PPSU、クロロプレンゴム（CR）の発注も扱う。

出典・参考資料

1. 井上和夫「ポリイミド系樹脂」高分子 39 巻 2 号（高分子学会／1990 年）
2. Ruth H. Pater「熱硬化性ポリイミド」繊維学会誌 50 巻 3 号（繊維学会／1994 年）
3. 今井淑夫「ポリイミドの構造と物性」エレクトロニクス実装学会誌 4 巻 7 号（エレクトロニクス実装学会／2001 年）
4. 関口勇・山口章三郎「熱可塑性ポリイミドのトライボロジー特性に及ぼす充填材の効果について」成形加工 4 巻 12 号（プラスチック成形加工学会／1992 年）
5. 伊東克彦「スーパーエンプラと新用途」繊維学会誌 47 巻 5 号（繊維学会／1991 年）
6. JIS K 6899-1:2015 プラスチック－記号及び略語－第 1 部：基本ポリマー及びその特性（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2015 年 2 月 20 日改正・2024 年 10 月 21 日確認）
7. 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・2023 年 10 月 20 日確認）

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