番外編1:樹脂製品やセラミック製品における熱処理

熱処理入門では、鋼を中心とした金属の熱処理を解説していますが、熱処理は金属に限った加工ではありません。例えばプラスチックのような樹脂製品、加熱によって焼き固めたセラミック製品にも熱処理は欠かせません。こちらでは、金属以外の分野で活用されている熱処理として、樹脂製品のアニーリングやアフターベーキング、セラミック製品の焼結などをご紹介します。

樹脂製品について

樹脂製品の特性

樹脂製品の特性

加工がしやすく、低コストで生産できる樹脂製品は、自動車のバンパーや内装部品、家電製品の各種部品、電装部品のコネクタ・端子、飲料用のペットボトルなど、さまざまな場所で活用されています。樹脂製品には、ポリエチレンやポリプロピレン、塩化ビニル樹脂、ABS樹脂、ポリカーボネート、エポキシ樹脂などの種類がありますが、特性から見ると「熱硬化性樹脂」と「熱可塑性樹脂」に分けることができます。ここでは、「熱硬化性樹脂」と「熱可塑性樹脂」の2つの特性についてご説明します。

熱硬化性樹脂とは

熱硬化性樹脂は、加熱することで軟化し、さらに加熱を続けると化学反応によって硬化する樹脂です。硬化後は、再加熱しても変形・溶解しないのでコンセントやブレーカーなどの電気部品によく利用されます。

熱硬化性樹脂

熱硬化性プラスチックは、陶器のように焼く前の粘土は柔らかいため自由に形を変えられます。しかし一度加熱し硬化すると、再加熱しても柔らかくならないため、再利用することはできません。

主な熱硬化性樹脂の特徴
  • 耐熱性に優れる
  • 耐燃性に優れる
  • 耐久性に優れる
  • 耐水性に優れる
  • 耐薬品性に優れる
  • 滴下しない(溶解しない)
  • 機械的な強度に優れる(硬い)
主な熱硬化樹脂の材料
  • フェノール樹脂(PF)
  • エポキシ樹脂(EP)
  • メラミン樹脂(MF)
  • シリコン樹脂(SI)
  • 不飽和ポリエステル樹脂(PDAP)
  • ポリウレタン樹脂(PUR)

熱可塑性樹脂とは

熱可塑性樹脂は、加熱することで軟化し、冷却することで硬化する樹脂です。熱だけではなく溶媒(有機溶剤)でも溶解する特性があり、耐熱性や耐薬品性は熱硬化性樹脂に劣りますが、成形しやすいというメリットがあります。そのため幅広く利用されています。

熱可塑性樹脂

熱可塑性樹脂は、氷のように一度固まっても加熱することで柔らかくなり、冷ますと硬化するため、様々な形で再利用することができます。

主な熱可塑性樹脂の特徴
  • 成形速度が速い
  • 生産コストが抑えられる
  • 再成形できる
主な熱可塑性樹脂の材料
  • ABS樹脂
  • AS樹脂
  • アクリル(PMMA)
  • ポリアミド(PA)
  • ポリエチレン(PE)
  • ポリエチレンテレフタレート(PET)
  • ポリカーボネート(PC)
  • ポリプロピレン(PVC)

樹脂製品の成形方法と問題点

樹脂製品は、一般的に「射出(インジェクション)成形」「圧縮(コンプレッション)成形」「トランスファー成形」などの方法で製造されます。熱可塑性樹脂は、高い圧力をかけて成形し、その状態で冷却して硬化させるので歪みが残ってしまいます。これを残留応力と呼び、強度低下や耐久性の低下、寸法のばらつき、後加工での割れ(クラック)などの原因になります。これらを避けるために樹脂製品では熱処理を加えます。

樹脂製品の熱処理

樹脂製品の熱処理には、残留応力を除去する「アニーリング(アニール処理)」と、硬化を促進して寸法安定性を高める「アフターベーキング」などがあります。

アニーリング(アニール処理)

アニーリングとは、熱可塑性樹脂の成形品の残留応力を取り除くために、成形後に行う熱処理です。成形後に電気炉や熱風乾燥機で一定温度に保ち、一定時間加熱し、徐々に常温まで下げることで残留応力を除去し、変形や割れ(クラック)を防ぎます。

未処理品
未処理品
アニール品
アニール品

アフターベーキング

アフターベーキングとは、熱硬化樹脂の成形品の硬化を進めるために行う熱処理です。熱を加えることで硬化する熱硬化樹脂の特性を活かし、一般的な製品であれば120〜150度で数時間もしくは数十時間加熱。加熱時間は製品の形状や肉厚によって変わりますが、熱を加えることで樹脂の硬化状態を促進し、寸法安定性を高めます。

寸法精度
寸法精度

セラミック製品について

セラミック製品の熱処理

セラミック製品の熱処理

セラミックに欠かせない製造工程に「焼結(焼成、焼き締め)」です。セラミックは、加熱することで粉末から個体の焼結体に変化し、一般的に加熱温度が高いほど硬くなるという性質を持っています。この焼結工程によって気孔率や熱伝導性、物質に対する耐性や透光性などの特性も変化するので、熱処理の基本でもある温度・時間・雰囲気が非常に重要です。この焼結も熱処理の一種となります。

焼結 A水分やバインダー成分が除去されて原料粒子が近づく B原料粒子同士が結合してさらに収縮する

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