高温環境に強いプラスチック材料の選定と加工法【業界技術者必見】

高温環境でプラスチック材料が直面する課題

プラスチックは軽量かつ加工が容易なため、機械部品から医療機器まで幅広い分野で利用されています。
しかし150℃を超える高温環境では、熱変形、酸化劣化、寸法安定性の低下といった課題が顕在化します。
さらに機械的強度の低下、連続使用時のクリープ、絶縁性能の劣化なども発生しやすく、金属代替を目指す際のハードルとなります。

熱変形（熱変形温度・ガラス転移点）の壁

一般的なエンジニアリングプラスチックは、ガラス転移点 Tg が120〜140℃付近にあり、この温度域を超えると剛性が急激に落ちます。
連続使用温度（UL RTI）を確認せずに採用すると、わずか数時間で形状が崩壊する恐れがあります。

酸化・加水分解など化学的劣化

高温下では分子鎖が活性化し、酸素や水分との反応速度が数十倍に上昇します。
耐熱グレードを謳う樹脂でも、密閉空間で蒸気や薬品と同時に暴露されるとクラックが発生する例が後を絶ちません。

高温環境に強いプラスチック材料の種類と特徴

ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）

連続使用温度は260℃、ピーク時300℃まで耐えます。
機械強度、耐薬品性、耐放射線性に優れ、半導体製造装置や航空宇宙で金属代替として実績があります。
ただし比重1.3と重めで、材料価格は一般樹脂の10〜20倍となります。

ポリフェニレンサルファイド（PPS）

ガラス転移点は90℃と低めですが、結晶性が高く連続使用温度は200〜220℃を確保します。
難燃性が自己消火レベルで、ねじ込みトルク保持力に優れるため、自動車の電装コネクタやポンプ部品で多数採用されています。

ポリイミド（PI）

400℃近い耐熱性を誇り、無潤滑状態でも優れた摺動特性を示します。
ただし成形収縮が大きく、湿度吸収による膨張も課題で、精密部品には乾燥工程と後焼きが必須です。

液晶ポリマー（LCP）

分子が棒状配向するため、150〜220℃でも高剛性を保ちます。
流動性が極めて高く、0.1mm以下の薄肉成形が可能で、スマートフォン用コネクタや車載レーダー基板向けに需要が急伸しています。

フッ素樹脂（PTFE・PFAなど）

連続使用温度は260℃前後、非粘着性と耐薬品性が突出しています。
一方で機械強度は低く、射出成形が困難なため、圧縮成形か押出成形が主流です。

高温用プラスチック材料を選定する5つのポイント

1. 連続使用温度とピーク温度

設計時は「連続」「短時間」の温度条件を分けることが肝心です。
PEEKのようにピーク300℃を許容しても、連続260℃を超えるとクリープが進行し寿命が短縮します。

2. 機械的荷重と形状制約

同じ耐熱樹脂でも、結晶性の高いPPSは剛性が上がる反面、衝撃に弱い傾向があります。
薄肉・長尺・ねじ込みなど用途別に曲げ弾性率、衝撃強度、クリープ率を総合判断します。

3. 化学環境（薬品・蒸気・酸化雰囲気）

半導体洗浄装置のように酸とフッ化水素を扱う場合、PEEKではクラックが生じる可能性があります。
フッ素樹脂か、PEEKにフッ素コーティングを施す二段構えが推奨されます。

4. 電気特性と誘電率

車載ミリ波レーダーでは、高温下でも低誘電率（εr）かつ低誘電正接（tanδ）が求められます。
LCPや改質PPSは200℃でなお2.9以下を維持し、基板材料として優位です。

5. コストとサプライチェーン

耐熱樹脂は汎用樹脂の10倍以上のコストが普通です。
初期試作は先述の5材料を比較し、量産段階で複合材や金属インサートとのハイブリッド化を検討する手法が費用対効果を高めます。

高温用プラスチックの主な加工法と最適化ポイント

射出成形

PEEKやPPSは射出成形可能ですが、溶融温度は350〜400℃に達し、通常の金型鋼では腐食や焼き付きが起こります。
ステンレスやニッケルメッキ金型、温調350℃対応のヒーターシステムが必須です。
ガス抜きやベント構造を最小0.01mmに設定し、分解ガスを逃がします。

押出・ブロー成形

PFAやLCPのパイプ・フィルム押出では、溶融粘度が低く薄肉化が容易です。
冷却水槽の温度を20℃台にすると内部応力が残るため、70℃前後の温水冷却で徐冷します。

圧縮成形（焼結）

PTFEは射出困難なため、粉末を金型に充填して200〜350℃で焼結します。
焼結速度が遅いと層間剥離が生じるため、10℃/h以上で昇温し、均熱時間を十分確保します。

機械加工

ポリイミドやPEEKの棒材は、金属旋盤で切削可能です。
ただし切削熱が200℃を超えると溶融摩耗が起こり、寸法精度が落ちます。
水溶性クーラントを併用し、刃先Rを0.2mm以内に保つと良好です。

3Dプリンティング（FDM・SLS）

PEEKとPEKKの高温FDMは、450℃対応ヘッドと150℃のビルドチャンバーが必要です。
プリント後に結晶化アニールを行うことで、曲げ強度が30％以上向上します。

表面処理・補強技術でさらなる耐熱性を確保

ガラス繊維・カーボン繊維強化

PPS-GF40など、40％ガラス繊維入りグレードは曲げ弾性率が3倍に向上します。
一方で熱膨張係数が低下し、金属インサートとの熱応力が増えるため、アンダーカットとR面取りで応力を分散します。

無機充填材コーティング

アルミナやシリカ粒子を表面にプラズマ溶射すると、表面硬度と放熱性が向上し、LEDモジュール基板で実績があります。

高温用プラスチック採用でよくある失敗事例と対策

ケース1：耐熱グレードなのに変形した

原因は連続使用温度の過信です。
260℃で運転するラインにPEEKを投入したが、実際の部品温度は摩擦熱で300℃を超えていました。
サーモグラフィで実温度を計測し、PEEK-CF30など高熱伝導グレードへ変更して解決しました。

ケース2：寸法精度が出ない

PIの成形後に無焼成で加工したため、後の熱サイクルで20μm以上膨張しました。
対策として二次焼成を200℃で4時間行い、吸水率を0.2％以下に抑えた結果、寸法変動は5μm以内に収まりました。

ケース3：化学薬品でクラック

PPSを硫酸ラインのバルブに使用したところ、数週間で応力割れが発生。
フッ素樹脂ライニングに変更し、補強リブで機械強度を補いました。

高温用プラスチック材料の今後の動向

自動車の電動化、宇宙開発、5G通信の進展により、200℃以上の環境で使用される電子部品が増加しています。
バイオ系スーパーエンプラやリサイクルPEEKなど、低環境負荷かつ高耐熱の開発が加速しています。
また、メタル複合化や無電解銅メッキによる放熱性向上技術が注目され、樹脂と金属のハイブリッド設計が主流になりつつあります。

まとめ

高温環境でのプラスチック材料選定には、連続使用温度だけでなく、機械荷重、化学環境、電気特性、コストといった多角的な視点が欠かせません。
PEEK、PPS、PI、LCP、PTFEは代表的な耐熱樹脂ですが、それぞれに長所短所があります。
射出成形から3Dプリンティングまで加工法を最適化し、繊維強化や表面処理で性能を底上げすることで、金属に匹敵する信頼性を獲得できます。
設計段階で物性データと実機温度測定を徹底し、失敗事例に学びながら最適な材料と加工条件を選定することが、製品寿命とコストを両立させる鍵となります。