高耐熱プラスチックの加工法と耐熱性向上技術【業界向け】

高耐熱プラスチックの加工法と耐熱性向上技術【業界向け】

高耐熱プラスチックとは

高耐熱プラスチックとは、連続使用温度が150℃以上でも機械的特性を維持し、寸法変化や劣化が少ない高分子材料を指します。
金属代替として電気・電子、自動車、航空宇宙、医療機器など幅広い産業で活用されます。
一般樹脂より樹脂価格や加工難易度が高い一方、軽量化や部品点数削減によるコストメリットが期待できます。

代表的な高耐熱プラスチック

ポリイミド（PI）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリフェニレンサルファイド（PPS）、液晶ポリマー（LCP）、ポリエーテルイミド（PEI）、ポリスルホン（PSU）などが主流です。
耐熱ガラス転移温度Tgは180〜400℃と幅広く、自己潤滑性や耐薬品性、耐放射線性など素材ごとの特性が設計自由度を高めます。

主要材料別の特性と用途

ポリイミド（PI）

400℃近い耐熱性と優れた電気絶縁性を持ち、フレキシブルプリント基板、宇宙用断熱材、コンプレッサーバルブシートに採用されます。

ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）

Tg143℃、融点343℃、連続使用温度260℃が目安です。
耐薬品性と靱性のバランスが高く、医療インプラント、航空機エンジン部品、半導体搬送治具に利用されます。

ポリフェニレンサルファイド（PPS）

耐熱クリープ性と寸法安定性に優れ、自動車の水冷ポンプインペラ、コネクタハウジングに採用されています。

液晶ポリマー（LCP）

高流動性で薄肉部品の精密成形が可能です。
高速伝送対応5Gコネクタ、スマートフォンアンテナフレームに多用されます。

高耐熱プラスチックの加工法

高耐熱プラスチックは溶融粘度が高く、成形温度も250〜400℃に達します。
設備や金型、プロセス管理を最適化することで歩留まりを向上できます。

射出成形

量産性が高く複雑形状に適します。
PEEKではシリンダー温度360℃前後、金型温度160〜200℃が一般的です。
レジン乾燥を150℃以上で3時間以上行い、ガス抜きと保圧切替位置を最適化するとボイドやバリを抑制できます。

押出成形

パイプ、シート、被覆線を連続生産できます。
高耐熱材料ではシリンダー・ダイの温度分布を均一化し、冷却ゾーンを段階制御することで内応力を低減します。

ブロー成形

燃料タンクや薬液ボトル向けにPPS、PEEKを採用する例があります。
高耐熱樹脂は冷却速度が遅いため、外部冷却エアと金型水路の併用でサイクル短縮を図ります。

圧縮・トランスファー成形

ガラス繊維強化PI、カーボン繊維複合PEEKなどの熱硬化・半硬化プリプレグに適用されます。
加圧下での脱気とレジンフローの管理が積層欠陥を防ぎます。

切削加工

高精度が要求される航空宇宙部品や治具では丸棒・板材からの切削が多用されます。
高耐熱材料は熱伝導率が低いため工具摩耗が速く、ダイヤモンドコーティングエンドミルやエアブローによる冷却が効果的です。

3Dプリンティング（積層造形）

FDM方式ではPEEKやPEIフィラメントが主流です。
造形室220℃以上、ノズル410℃前後の高温環境に対応した装置が必要で、造形後のアニール処理で結晶化を進めると耐熱性が向上します。

耐熱性向上技術

フィラー強化

ガラス繊維、カーボンファイバー、無機シリカを40〜60wt%添加すると熱変形温度HDTが30〜60℃向上します。
一方で流動性低下や成形品外観への影響があるため、フィラー長さや配向を最適化します。

架橋・結晶化制御

PPSやPEEKでは高温アニールにより結晶度を高めることで耐熱クリープ性が向上します。
射出成形直後に200〜250℃で1〜2時間保持する方法が一般的です。

耐熱安定剤・難燃剤配合

リン系安定剤、臭素無機複合難燃剤の添加により熱酸化分解を抑え、UL94 V-0を満たしながら連続使用温度を引き上げます。

ナノ複合化

モンモリロナイトやシリカエアロゲルを数wt%分散させることで界面のナノバリア効果を得られ、Tg上昇やガス透過率低減に寄与します。
界面相溶化剤の選定が分散性向上の鍵です。

表面処理・コーティング

蒸着セラミックコーティングやプラズマ処理を施すと、表層の耐熱酸化性と赤外反射性が高まりワーク内部温度上昇を抑制できます。

設計・量産時の注意点

金型温度管理

高耐熱樹脂は固化速度が遅いため、金型温度を高めに設定しつつ均一にすることがヒケ・反り抑制に重要です。

吸湿・乾燥管理

PEIやPSUは吸湿性が高く、含水率0.02％以下に乾燥しないとシルバーストリークや機械特性低下が生じます。

残留応力の低減

高温アニールによるストレスリリーフ、ゲート位置の最適化でエージング後の寸法変化を抑えます。

評価試験

HDT、Tg測定、熱機械分析（TMA）、熱重量分析（TGA）を組み合わせて樹脂グレード間の比較を行い、要求仕様に合致するか検証します。

最新動向と今後の展望

電動車のパワーモジュールやオンボードチャージャーでは、高耐熱かつ難燃性を備えた絶縁部品の需要が拡大しています。
航空宇宙分野では金属置換による軽量化と部品一体化が進み、炭素繊維強化PEEK（CFR-PEEK）が適用範囲を広げています。
一方で高価格が普及の障壁となるため、リサイクル再生ペレットの品質安定化やグリーン溶媒法による低コスト合成が研究されています。
またサーキュラーエコノミーの潮流を受け、PEEK粉末のレーザー焼結3Dプリンティングとリサイクル粉末再利用率の向上が注目されています。

まとめ

高耐熱プラスチックは軽量性、耐薬品性、寸法安定性を兼ね備え、金属からの置換を加速させるキーマテリアルです。
加工時には高温設備や乾燥、アニール、フィラー配合の最適設計が不可欠であり、正しいプロセス管理が量産品質とコスト競争力を左右します。
今後は電動化・5G・宇宙開発など高温環境下での信頼性要求が一段と高まり、ナノ複合化や3Dプリンティングの進化が市場拡大のカギとなります。
素材選定から加工条件、耐熱性向上技術までを総合的に評価し、次世代製品の差別化に活用することが業界の競争優位につながります。