プラスチック材料におけるクリープの理解と管理

プラスチックは産業界であらゆる用途に使われている。安くて軽いので、いろいろなものに使うことができる。しかし、他の素材と同じように、プラスチックにも問題がある。最大の問題のひとつは「クリープ」と呼ばれるものだ。プラスチック製品に一定の力や熱が加わると、クリープによって不具合が生じたり、動きが悪くなったりします。

この文章ではクリープについて詳しく説明する。エンジニアやデザイナーがクリープについてより深く理解し、その知識を業務に活用できるようになることを目的としています。この知識は、自動車部品や医療機器などの製品の信頼性と安全性を確保するために非常に重要です。また、クリープをさまざまなカテゴリーに分類し、その原因について考察し、クリープを修正する方法についてもお話しします。

プラスチック材料のクリープとは？

プラスチック材料におけるクリープとは、プラスチックに加わる応力、時間、温度に影響されやすい変形過程のことである。受胎弾性変形は、荷重を使用した初期段階で起こり、荷重を持ち上げるとすぐに元に戻る。一方、クリープは標準的な条件下でも進行する。プラスチックの場合、温度変化や機械的応力の影響を受けやすいため、この現象はより顕著である。

クリープは粘弾性材料で発生し、熱や応力によって時間の経過とともに連続的に変形が生じます。この挙動は、パイプ、構造部品、シール部材など、荷重がかかったり温度が変動したりする用途で特に顕著です。材料が伸びたり、たるんだり、反ったりする原因となります。したがって、このような環境下でプラスチック部品を安全に使用するためには、クリープを理解する必要があります。

なぜプラスチックにクリープが起こるのか？

プラスチックのクリープは、その挙動から生じ、粘弾性特性と関連している。粘弾性特性とは、材料が弾性固体であると同時に粘性液体のように振る舞うことを意味する。従来の材料は、荷重を受けると弾性変形する能力を発揮します。荷重が同じままであれば、時間の経過とともにさらにゆっくりと定常的に変形する能力は「悪質」とみなされる。この特殊な挙動は、応力の大きさ、一般的な環境温度、あるいはプラスチックの種類など、多くの要因に左右される。

クリープに影響する主な要因

1.ストレスレベル

プラスチック材料の応力の程度は、材料がクリープしやすい速度を決定する。プラスチック部品は、ある時点で応力レベルが高くなります。この応力によって分子鎖は互いに滑りやすくなり、分子結合が切れるのではなく、時間の経過とともに徐々に変形するようになる。その結果、最終的には急激でより大きな変形を引き起こす。例えば、プラスチック製のブラケットや梁に過度の力が加わると、中程度の荷重を受けたものよりもはるかに急速に垂れ下がったり伸びたりする。

材料の降伏強度は有限であるため、荷重が高レベルになるとクリープに対抗する能力は低下する。このシナリオでは、応力を管理する必要性が生じます。

応力はまた、衝突した内部分子鎖の生成の増加や、材料のさらなる緩やかなフロースルーにも影響する。このような分布は、プラスチック材料の構造強度の低下を引き起こすため、価値的には、しばらくすると破損する可能性が高い。

技術者は、応力集中を抑えるために荷重を分散させたり、部品の断面を大きくしたり、より耐性の高いプラスチックを選択したりするなどの対策を採用しています。応力とクリープの影響を意識することで、部品の構造的な破損に着目し、用途によってはすぐに変形しないプラスチックの使用が可能になります。

2.温度

クリープの重要な要因の一つは温度である。一般に熱は材料の剛性を低下させ、機械的応力下で変形しやすくする。温度が上昇すると、プラスチックの分子構造がより動きやすくなり、材料がより変形しやすくなります。

プラスチックは事実上、温度が上がると構造が変化する。分子構造と結合が圧縮され、分子が滑りやすくなる。この可動性の増加は、応力を正当に負荷する能力を低下させ、クリープが起こるまでの時間を短縮する。例えば、温水システムに使用されるプラスチックパイプは、常温の同様のパイプよりも垂れ下がる可能性が高い。

温度に対するクリープのレベルは、プラスチックの種類とその特性によって異なります。例えば 転移温度 (Tg) と融点がクリープ発生の可能性を決定する。例えばポリエテンはTgが低いため、適度な温度にさらされると変形してクリープを形成する。

ポリエーテルエーテルケトンのような高機能プラスチックは、他のプラスチックよりも熱に強い。

温度上昇を管理するには、製品設計に耐熱素材を使ったり、断熱材を増やしたりする方法がある。エンジニアはまた、動作環境温度がクリープを誘発しないようにします。

3.素材タイプ

プラスチックの種類によって分子構造に違いがある。ポリエチレン（PE）のようなポリマーは分子間力が弱く、Tgが低い。このような材料は、適度な温度で静的負荷をかけるとクリープを起こしやすくなります。ポリエチレンは長い直鎖状分子を持ち、互いにずれて徐々に変形します。

同じ理由から、ポリカーボネート（PC）のようなエンジニアリング・プラスチックは、一般的なプラスチックよりも分子構造が規則的で熱安定性が高いため、耐クリープ性に優れている。機械的特性はそのままに、長期間の高圧下、高温下でも安定性と堅牢性を維持する。したがって、このような材料は高圧縮用途に適している。

様々な種類のプラスチックが示すクリープ過程のバリエーションを考慮すれば、エンジニアは最適なプラスチックを容易に決定することができる。

クリープの測定

エンジニアはクリープをクリープ曲線で測定します。この曲線は、材料が通常の荷重によってどのように変化するかを示している。技術者はクリープ試験でこれらの曲線を得ます。クリープ試験とは、技術者が材料に一定の荷重または応力を加え、長期間にわたって一定の間隔でひずみを測定することです。時間は数時間、数日、数ヶ月に及びます。

このグラフはクリープの3つの段階を示している。第一段階（第一次段階）と呼ばれるものでは、材料は最初に素早く変形し始めますが、その後変形は安定します。第二段階（第二次段階）は、ゆっくりとした安定した変形速度が特徴です。そして最後の段階である第三段階では、変形が非常に速くなり、最終的に材料が破損する。

これらの曲線により、エンジニアや研究者は、長期間の使用後に材料がどのような性能を発揮するかを理解することができます。また、実際の使用条件下での材料の性能を推定し、様々な用途での材料の使用に関して正しい決定を下すための指針となります。

典型的なクリープ試験のステップ

クリープ試験には以下の工程が含まれる：

1.固定荷重を加える

この試験ではまず、材料の試験サンプルに一定の荷重をかけるか、材料の降伏強度のパーセンテージで応力をかけます。技術者は、サンプル全体に同様の圧力をかけるように正確に荷重をかけます。この荷重は、静的荷重に耐える、あるいは定常荷重に打ち勝つなど、材料が経験する可能性のある実際の荷重条件を表します。

2.ひずみの経時的モニタリング

荷重をかけた後、技術者は指定された時間にわたって材料の形状変化能力を頻繁にモニターする。このモニタリングは、数時間から数日から数週間にわたって行われます。技術者は試験中にひずみゲージを使用して、材料の形状のわずかな変化も監視します。

熱は試験環境におけるクリープの流れに影響するため、試験中は温度を一定に保ちます。この段階では、クリープの3段階にわたる変化を把握するため、材料の変形を定期的に測定します。

3.クリープ曲線の作成

技術者はデータを収集し、縦軸の時間軸とひずみ軸のグラフとして表示します。得られたクリープ曲線は、一定応力下での材料のクリープ挙動を明確に示しています。エンジニアはこの曲線から、第2段階でのクリープ速度や第3段階での破壊までの時間など、さまざまな特性を推測することができます。この挙動を理解することで、エンジニアや研究者は、その材料が長期的に期待に応え、建設、航空宇宙、自動車などの特定の用途に適しているかどうかを判断することができます。

クリープの実例

クリープの最も身近なケースは、プラスチックパイプである。クリープは、水道や灌漑用水路で水を運ぶパイプのプラスチックから発生する。これらのパイプは内部で水圧を受け、その圧力は一定であるため、材料には継続的な負荷がかかる。最終的にはパイプに圧力がかかり、補強材なしで伸びた部分で垂れ下がったり、形が変わったりする。例えば、ヒーターシステムなどの高温は、平均的な家庭の温度よりもずっと早く、パイプを伸びたり破損したりするところまで押し上げる。

クリープの概念を理解することで、エンジニアは架橋ポリエチレン（PEX）などの適切な材料を選択することができます。

クリープは自動車部品、特に高熱や応力に弱い部品にも影響する。例えば、ABS（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）製のダッシュボード・パネルやインナー・トリムは、数年で色あせ、初期の形状を失ってしまう。これらの部品は機械的ストレスを受け、太陽光による熱にさらされるため、見た目が悪く、操作に支障をきたす。自動車設計者は、耐熱材料や補強材を使用したり、応力集中を修正したりすることで、これを緩和している。

医療機器では安全性と信頼性が重要であるため、クリープは複雑な要素である。例えば、義肢装具は軽量構造のために軽量の高分子材料を使用しなければならない。これらの材料は、何年使用しても安定した構造と性能を維持しなければなりません。患者の体重や動作によって生じる繰り返し荷重は、材料が高い耐クリープ性を持っていなければ、荷重が徐々に変形してしまう可能性がある。このリスクを管理するため、メーカーはポリエーテルエーテルケトン（PEEK）などの高性能ポリマーを採用して器具を製造している。また、より耐久性が高く、より長期間機能するように、複合材料を器具の設計に組み込んでいる。

クリープを最小限に抑える設計戦略

紹介したプラスチック材料のクリープを低減するための対策は、強化プラスチックに代表されるように、材料の改良から始まる。ガラスやカーボンなどの繊維をポリマーに加えることで、その機械的特性が変化する。これらの要素は、応力に耐える材料の能力を向上させる。これらの補強材は、そのようなポリマー鎖が動きにくくするため、長期的には互いにすべり合うことができる。例えば、ガラス繊維強化ナイロンは、主に自動車産業や一部の工業製品に使用されている。これらの部品は機械的負荷が大きい。 

もう1つの管理手法は、荷重分担のアプローチによって部品の特定箇所の応力を低減することです。応力上昇部（力のかかる密度が高い部分）は、プラスチックのクリープを悪化させます。エンジニアは、鋭角なコーナーを避け、形状間の移行を緩やかにすることでこれを克服します。また、荷重経路にリブやフランジのような設計上の特徴を組み込んで、荷重表面積を増やすこともあります。例えば、プラスチックの配管システムでは、エンジニアは、配管間のたるみが最小限になるような方法でサポートを提供します。最後に、クリープの低減には高性能ポリマーの選択が必要である。PEEK、ポリカーボネート、PTFEなどの高ガラス転移材料は、変形に対する耐性に優れています。これらの新世代ポリマーは通常、航空宇宙や医療用途のような過酷な条件下で使用されます。これらの用途では、圧力や熱の下での長期信頼性の妥協は必要ありません。

様々な条件下でのクリープ挙動

プラスチックは常に同じように作用するとは限りません。以下の表は、クリープ速度という観点から異なる環境を考察したものです。

一般的なプラスチックのクリープ挙動の比較

下のグラフは、25℃で2MPaの一定応力を持ついくつかのプラスチックのクリープ率を示している。PTFEはクリープ速度が最も小さく、時間の経過とともにほとんど変形しないことを示している。PSは最も高いクリープ率を示し、経時的に変形しやすいことを示している。

のような他のプラスチックの強度 HDPE & LDPE, HDPEとナイロンは、LDPEとPSよりもクリープ抵抗性が高い。HDPEとナイロンは、LDPEとPSよりも耐クリープ性が高い。.

結論

クリープの原因、クリープの大きさを最小化する方法、構造物に対するクリープの影響に関する洞察は、エンジニアのプラスチック材料の選択に役立ちます。エンジニアは、ポリマーをベースとした部品を製造する産業用途におけるプラスチックの使用を理解することができます。プラスチックを適切に補強し、荷重を適切に分散させ、高性能ポリマーを正しく使用することで、エンジニアは製品におけるクリープの影響を軽減することができます。

配管、自動車、あるいは医療への応用であっても、エンジニアや設計者が適切な選択をすることで、適切な設計を開発できることをこの論文は示している。プラスチック部品の性能は、時間依存応力が長くかかる条件下でも、クリープに対する妥協をほとんどせずに向上させることができる。