PEEK部品の発注——無充填・ガラス・炭素のグレード、結晶化度と耐熱の見方、代替材の判断

PEEK を指定する前に、その部品が PEEK を要る理由を書き出す

PEEK は、航空宇宙機器用の耐熱性樹脂として使われ、炭素繊維強化プラスチックの母材にも用いられている^[3]。一般の機械部品でも、熱や薬品、摩耗が問題になる部品の図面に出てくる。工学院大学の研究者による電気学会誌の解説（2020 年）は、長時間の耐熱性が 150 ℃ 以上のエンジニアリングプラスチックをスーパーエンジニアリングプラスチック（スーパーエンプラ）と呼び、汎用のエンプラより優れた耐熱性と機械的性質をもつが、高価なため量的には少ないと書いている。代表例として PPS、ポリイミド、ポリエーテルサルフォン、PEEK、フッ素樹脂を挙げている^[1]。

日本実験力学会の論文（2012 年）は、PEEK を結晶性で、現在使われている最高級の性能をもつ熱可塑性プラスチックと認められている材料と紹介し、耐熱性に加えて加工性もよく、高強度・高弾性率・耐摩耗性・耐疲労性・耐衝撃性などの機械的性質をもち、吸水性が低く、濃硫酸にのみ溶解する、と説明している^[3]。

性質がそろっている分、「とりあえず PEEK」と図面に書かれることもある。発注の側で最初にやるべきなのは、その部品が PEEK を要る理由が、温度なのか、薬品なのか、摩耗なのか、清浄度なのかを設計者と確かめることである。理由が一つに絞れれば、ほかの材料で足りるかどうかも比べられる。

結晶性の樹脂を並べると、PEEK の位置が分かる

前述の電気学会誌の解説は、代表的な熱可塑性プラスチックの融点・ガラス転移点・比重を表にまとめている。その中から、PEEK と、代わりの候補に挙がりやすい結晶性の樹脂を抜き出すと次のようになる^[1]。

表の値は 1 つの解説がまとめた代表値で、文献によって値が違うことがある。たとえば POM のガラス転移点は、別の論文では −85〜−75 ℃ とされている（POM の選び方を参照）。PTFE の −33 ℃ は表がガラス転移点として載せている値で、PTFE の寸法で問題になる室温付近の体積が変わる転移とは別のものである（PTFE 部品の発注を参照）。

この表は材料の位置を見るためのもので、融点やガラス転移点は使える温度ではない。同じ解説は、ガラス転移点を境に分子の運動の状態が変わり、さまざまな特性が急に変わると説明している^[1]。PEEK のガラス転移点が 143 ℃ ということは、その前後で剛性などが変わるということで、たとえば 150 ℃ を超えて荷重がかかる部品なら、その温度での性質を仕入先に確かめる必要がある。表のほかの材料が候補になるかどうかも、使う条件での性質で比べる。PPS の選び方はPPS 樹脂の選び方で、PTFE はPTFE 部品の発注で扱う。

グレードは「無充填・ガラス・炭素」で別の材料になる

PEEK の成形用・押出用材料の呼び方を定めた国際規格 ISO 23153-1（2020 年 3 月発行）は、PEEK のグレードを、溶融粘度または溶融体積流量、引張弾性率、引張強さの水準と、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。そのうえで、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、特定の用途や加工方法に必要なエンジニアリングデータ・性能データ・加工条件のデータはこの規格からは得られない、としている^[2]。

規格が呼び方に充填材・強化材の情報を含めていることから分かるように、無充填の PEEK と、ガラス繊維や炭素繊維を入れた PEEK は、性質の違う材料として扱う。後で紹介する論文でも、炭素繊維の含有率が上がるほど曲げの性質が変わっている^[3]。発注書には「PEEK」ではなく、充填材の種類と量、メーカーとグレードを書く。グレードを固定し、代替品を承認制にする進め方は樹脂のグレード指定と代替品の承認で扱った。

結晶化度で、強さもクリープも変わる

PEEK を選ぶときに見落としやすいのが、結晶化度（結晶の部分の割合）である。前述の日本実験力学会の論文は、炭素繊維の体積含有率を 0・16・24% に変え、さらに 300 ℃ で保持する時間を変えて結晶化度を 34・38・42% に調整した材料で、曲げとクリープ（一定の荷重で変形が時間とともに進む現象）を調べている。結晶化度は 300 ℃ での保持時間とともに増え、480 分以上でほぼ一定の約 42% に近づいた。炭素繊維入りの PEEK は、樹脂だけの PEEK より結晶化の進む速度が遅かった^[3]。

結果として、結晶化度が上がるほど曲げ応力と曲げ弾性率が上がった。クリープについても、材料の活性化エネルギーが繊維の含有率と結晶化度の上昇に伴って直線的に増えたと報告している^[3]。同じ論文は、クリープはガラス転移点以上で見られる現象だが、ガラス転移点以下でも程度の違いはあるが同じように観察され、構造材としての長期の信頼性の点で把握が必要だ、とも書いている^[3]。

発注側として読めることは、PEEK は同じグレードでも、成形や熱処理の熱の履歴で性質が変わるということである。射出成形の部品でも、棒や板から削る部品でも、成形や熱処理の熱の履歴が違えば結晶化度が変わりうる。荷重が長くかかる部品、寸法が効く部品では、成形条件や素材の状態を変える場合の事前の承認を取り決め、必要なら結晶化度の測り方（論文では JIS K 7121 に準拠した示差走査熱量測定で求めている^[3]）と許容範囲を相談する。

耐熱の判断は、荷重たわみ温度ではなく温度指数で

データシートには荷重たわみ温度が載っているが、その試験方法の規格 JIS K 7191-1 は、この値が部品を使える最高温度を表すとは限らないと注意している。理由は、試験での加熱の速さや荷重のかけ方が、実際の使い方と違うからである。そのうえで、試験で得たデータを製品の性能の予測には使わないこと、とはっきり書いている^[4]。

長期の熱劣化を見るなら、JIS K 7226（ISO 2578）の温度指数を使う。所定期間（通常 20,000 時間）で特性が決めた終点（初期値の 50% がよく使われる）に達する温度が温度指数（TI）で、参照材料と同じ手順で比べて求めたものが相対温度指数（RTI）である^[5]。温度指数は、どの特性で求めたかで値が変わる。仕入先から耐熱の数字が出てきたら、それが荷重たわみ温度なのか、温度指数なのか、温度指数ならどの特性・どの厚さの値なのかを確かめる。

医療・食品・半導体などの用途で指定すること

医療機器の体内に入る部品に使う場合は、ASTM F2026（2023 年）が、外科用インプラントに使う PEEK ポリマーの要件と試験方法を定めている。この規格はバージンの形（ペレット、顆粒、粉末、積層造形用のフィラメント）と成形した形の PEEK を対象にし、着色剤・充填材・加工助剤などの添加剤を含む材料、PEEK を含むブレンド、再生材には適用しないとしている^[6]。工業用のグレードをそのまま転用できるものではなく、規格に合った材料と、その証明が最終の部品までつながるかを最初に確かめる。

食品に触れる部品なら、食品衛生法の器具・容器包装の規制に合っているかを確かめる。確かめ方は食品に触れる部材の調達で扱った。半導体製造装置などで清浄度が問われる部品なら、要る清浄度の基準と測り方、加工後の洗浄・包装を取り決める。

代替材を考えるときの順序

PEEK は高価な材料である^[1]。仕入先から代替材を提案されたとき、あるいはこちらから費用を下げたいときは、次の順で考えると判断の根拠が残る。これは規格の手順ではなく、発注側の実務としての提案である。

1. 要る理由を一つずつ挙げる
使う温度と時間、荷重、触れる薬品、摩耗、清浄度、難燃性、電気的性質。

2. 理由ごとに、代替候補の性質を同じ条件のデータで比べる
荷重たわみ温度どうしではなく、温度指数や、使う温度での強さ・クリープで比べる^[4][5]。

3. 実際の部品で確かめる
データシートの値は試験片の値で、成形品や削り出し品の性質は熱の履歴で変わる^[3]。

4. 切り替えの範囲を記録する
品番・材料・グレード・切り替え時期を決め、図面か購買仕様書を改訂してから切り替える。

発注書に書くこと（PEEK 部品）

1. 材料
メーカーとグレード。充填材の種類と量（無充填・ガラス繊維・炭素繊維・摺動向けなど）。

2. 素材の形と作り方
射出成形か、棒・板からの削り出しか。削り出しなら、素材の板・棒の種類。

3. 使う条件
温度と時間、荷重、触れる薬品、摩耗の相手。耐熱は温度指数の値と、それを求めた特性。

4. 用途の規格・証明
医療（ASTM F2026 など^[6]）、食品、清浄度の要求。

5. 変更の承認
材料・成形条件・素材・生産場所を変える場合は事前に承認を得ること。

6. 成績書の提出
材料のロットの記録と、取り決めた試験項目の成績書を納入時に出すこと。

受入で確かめること

注文したグレードの材料が使われたことを、材料のロットの記録や成績書で確かめる。成績書では、取り決めた試験項目の値が載っているかを見る。充填材入りのグレードは、色や外観で無充填と見分けられることもあるが、それに頼らず記録で確かめる。初回は寸法を決めた温度で測り、荷重が長くかかる部品は、実際の温度・荷重での確認結果を承認の記録に残す。樹脂部品の寸法の測り方は樹脂成形品の寸法公差の指定で扱った。

よくある質問

PEEK の荷重たわみ温度が高いので、200 ℃ で使えますか

荷重たわみ温度だけでは判断できない。試験方法の規格が、使用可能な最高温度を示すものではないとしている^[4]。ガラス転移点（代表値 143 ℃^[1]）を超える温度で荷重がかかるなら、その温度での強さとクリープを確かめ、長期なら温度指数で判断する^[5]。

同じグレードなのに、仕入先によって削った部品の剛性が違うと言われました

PEEK は熱の履歴で結晶化度が変わり、結晶化度が上がるほど曲げ応力と曲げ弾性率が上がることが報告されている^[3]。素材の板・棒の作り方や、成形条件の違いを確かめる。

医療機器の部品に、工業用の PEEK を使えますか

体内に入る部品向けの ASTM F2026 は、添加剤を含む材料やブレンド、再生材を対象にしていない^[6]。用途の規制と規格を確かめ、それに合った材料と証明の流れを最初に決める。

まとめ

PEEK は代表値でガラス転移点 143 ℃・融点 343 ℃ の結晶性のスーパーエンプラで、高価なため、まず部品が PEEK を要る理由を書き出す。同じ呼び方でも同じ性能とは限らないので、充填材の種類と量、メーカーとグレードまで指定する。熱の履歴で結晶化度が変わり、それで曲げの強さやクリープが変わるので、素材の作り方や成形条件の変更は承認の対象にする。耐熱は荷重たわみ温度でなく、使う条件と温度指数で判断する。医療・食品・清浄度の用途では、それに合った材料と証明を最初に決める。

同じ束では、滑りと摩耗に使う樹脂を超高分子量ポリエチレンの選び方で、透明な板をアクリル板の規格と発注で扱う。

出典・参考資料

1. 西谷要介「電気・電子用途のエンジニアリングプラスチック」電気学会誌 140 巻 1 号（電気学会／2020 年）
2. ISO 23153-1:2020 Plastics — Polyetheretherketone (PEEK) moulding and extrusion materials — Part 1: Designation system and basis for specifications（国際標準化機構（ISO）／2020 年 3 月）
3. 坂井建宣・川畑有紀子・宗宮詮「炭素繊維強化 PEEK の繊維体積含有率および樹脂の結晶化度を考慮したクリープ解析」実験力学 12 巻 2 号（日本実験力学会／2012 年）
4. 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）
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. ASTM F2026-23 Standard Specification for Polyetheretherketone (PEEK) Polymers for Surgical Implant Applications（ASTM International／2023 年）

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