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プラスチックの強度「圧縮強度・引張強度・曲げ強度」素材のワンポイント講座


弊社で切削加工に用いる樹脂(プラスチック)には様々な性質があります。
一般的によく知られている特性として絶縁であること、耐薬品、軽いなど様々なメリットがあります。
工業部品としては広く使用されていますが、金属材料と比べると強度はおおよそ1/10程度です。
また金属が数百度で使用できる反面、高機能プラスチックを覗いておおよそ100度前後で物性変化があるなど耐熱性でどうしてもやや見劣りする点があります。
よく課題となる樹脂(プラスチック)の強さですが、一概に説明はできません。
例えば先ほどの耐熱性も強さの一つですし、耐摩耗性も強さの一つです。

今回は樹脂(プラスチック)の強度を金属と比較する参考として紹介させて頂きます。
樹脂(プラスチック)強度は主に3つの側面から説明されます。

圧縮強度
材料を一定方向より圧力(圧縮荷重)を加えたときに、材料が破壊されるまでどの程度の力まで耐えうるかを表します。
チョコレートを指で押して割れるときの力と言えば想像しやすいかもしれません。
一般的に硬い材料は脆さがあります。
熱硬化性樹脂であるベークライトやエポキシガラスはこの強度試験を行った際に破壊されますが、比較的靭性のある熱可塑性樹脂の場合、ある一定以上の力を加えると変形が起こります。
こういった樹脂の場合、圧縮強度としての数値は、変形が生じた力を数値化するか、何パーセント以上変形の生じた力を数値化する場合があります。
詳しくは各メーカーカタログで確認できますが、詳しくは弊社までお問い合わせください。
圧縮強度に優れた材質としては、ベークライトやエポキシガラスのような熱硬化性樹脂があります。
なお、ここでいう強度は機械的強度とはまた異なります。

引張強度
材料を一定方向に引っ張ったときに、どれだけ伸びたか(どれだけ応力が発生するか)、または破壊されるときの力を数値化したものです。
ゴムをイメージして頂ければわかりやすいですが、両側から引っ張った際に伸びる力ともとに戻る力が発生します。
引っ張り続けるとやがて千切れるように、もとに戻ろうとする力には限界があります。こういった際の力を数値化したものが引張強度となります。
引張強度に優れた材質はナイロン系の樹脂が挙げられます。

曲げ強度
板が曲がる方向に対して荷重を加えたときに、亀裂あるいは破壊されるときの力を数値化したものです。
引張強度と同じようにある方向に曲げていくともとに戻ろうとする応力が発生します。しかしいずれ割れや破壊されてしまいます。
こちらもチョコレートのような板をイメージして頂ければ分かりやすいかと思います。
曲げ強度に優れた材質はポリカーボネートや塩ビが挙げられます。
なお、テフロンや高分子ポリエチレンについては曲がる方向に力を加えると曲がりきってしまいますので、使用環境には注意が必要です。

上記の樹脂(プラスチック)強度の測定数値は変形あるいは破壊が生じた数値となるので、実際の使用環境はそれ以下の負荷である必要があります。
これらの強度試験の単位にはMPa(メガパスカル)やkgf/㎠を用います。Pa(パスカル)とは単位平方メートルあたりの荷重を表します。
ちなみM(メガ)という単位は10の6乗となります。

また、参考までに強度試験には他にも耐衝撃試験や、クリープ試験、疲労試験、ねじり試験など用途に応じてさまざまな試験が行われています。
中でもよく衝撃試験で耳にするアイゾット衝撃試験(JIS K 7110 ISO180)とシャルピー衝撃試験(JIS K 7111-1 ISO179-1)に少し紹介してみたいと思います。

アイゾット衝撃試験とは
試験に用いられる切り欠きを作った試験片の片側のみを固定して、その反対側よりハンマーで衝撃を与えて破壊されるときの衝撃を数値化する試験のことです。

シャルピー衝撃試験とは
試験に用いられる切り欠きを作った試験片の両端を支えて、背面よりハンマーで衝撃を与えて破壊された時の衝撃を数値化する試験のことです。

なお上記の試験に用いられる試験片もJIS規格によって大きさが定められています。
JIS K7110 4.0±0.2×10.0±0.2×80.0±2 残り幅8.0±0.2 (単位m)
JIS K7111-1 4.0±0.2×10.0±0.2×80.0±2 残り幅8.0±0.2 (単位m)

これらの衝撃試験で比較的高い数値の樹脂(プラスチック)としては、ポリカーボネートやABSが挙げられます。
熱硬化性樹脂であるエポキシガラスやベークライトはこの試験データーでも衝撃に弱い測定結果となっています。

最適材料を検討するには、単に強度が強いものとメーカーに伝えるよりは、使用方法をできるだけ詳しくお聞かせいただいた方が適した材料を提案しやすいかと思います。
もし材質選定でお困りの際は弊社担当までお問い合わせ頂ければと思います。

樹脂加工・プラスチック加工は湯本電機にお任せ下さい。
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