序 章
プラスチックの材料特性を考えることの重要性

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プラスチックのメリット／デメリット

Point 1 様々な製品に利用されるプラスチック

衣類

日用品

包装・容器

家電・住宅設備

医療製造業

農業

水産業

乗用車

トラック

鉄道

航空機

Point 2 プラスチックのメリット／デメリット
メリット

デメリット

2

・形状の自由度が高い
・軽い・腐食しない・電気絶縁性・簡単に着色できる等・劣化する・材料特性が使用環境条件により変化しやすい・燃える・帯電する・環境負荷等

序章

Point 1

プラスチックの材料特性を考えることの重要性

様々な製品に利用されるプラスチック

普段あまり意識しないかもしれませんが、私たちはたくさんのプラスチック製品に囲まれて生活しています。周囲を見回してみると、衣類や日用品、容器、家電、住宅設備など、普段の生活に欠かせないあらゆる製品にプラスチックが使われていることに気がつきます。また、医療や製造業、農業、水産業などで利用される設備や機械、道具類でもプラスチックは欠かすことができない材料です。燃費向上が強く求められる輸送機器では、乾いた雑巾を絞るように軽量化が進められています。軽量化の代表的な方法が金属製品のプラスチック化です。乗用車やトラックでは内外装だけではなく、温度の高いエンジン周辺でもプラスチック製品の活用が増えています。ちなみに最新の航空機は重量の半分がプラスチックの複合材料です1）。私たちはもはやプラスチックなしの生活をすることが困難だといっても過言ではありません。ものづくりに携わる人は誰もが、工業材料としてのプラスチックについて、基礎的な知識を持っておく必要があるのです。

Point 2

プラスチックのメリット／デメリット

なぜこれほどまでにプラスチックが利用されるようになったのでしょうか。プ
ラスチックを使用するメリットを考えてみましょう。まず、形状の自由度が高く、複雑な製品を一体成形できることが挙げられます。一般に製品のコストは、部品点数を減らすほど低下していきます。複雑な形状でも一体成形できるプラスチッ
クを活用することにより、低コスト化に大きく貢献できます。また、プラスチッ
クは鉄鋼材料と比べて 1/8 程度の比重しかなく、圧倒的に軽い材料です。その他にも、腐食しない、電気絶縁性がある、簡単に着色できるなど、様々なメリットを持っています。
もちろんメリットばかりではありません。様々なデメリットがあります。まず、熱や紫外線などにより劣化しやすいことが挙げられます。劣化を完全に止めることはできないため、劣化による材料特性の変化を想定した設計が必要です。また、材料特性が使用環境条件により変化しやすいことも、不具合が多く生じる原因になっています。その他にも燃えやすいことや、帯電しやすい性質についても注意が必要です。近年、大きな問題になっているのが、プラスチックの環境負荷です。
プラスチックゴミの問題や原料のほとんどが化石資源であることが、解決すべき社会問題として注目されています。今後は環境負荷がより少ない方法でプラスチックを使用していくことが強く求められます。
1 ）BOEING https://www.boeing.com/commercial/787/by design/#/advanced composite use

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金属材料との違い①
材料特性の比較

Point 1 主な材料特性の比較
材料特性の例

汎用的なプラスチック
金属材料（鉄鋼材料1））と比べて…

比重（密度）

1/8 倍

材料強度（引張強さ）

1/10 倍剛性（縦弾性係数）

1/100 倍熱伝導率

1/100 倍

線膨張係数

10 倍

耐熱性（融点）プラスチック（PP）：170 ℃
鉄鋼材料（ステンレス鋼）：1400 ℃

Point 2 プラスチックの注意すべき材料特性

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材料特性の例

金属材料

プラスチック

温度特性

安定

室温からわずかの変化に反応

粘弾性特性

高温下のみで生じる

室温でも生じる

腐食

×（生じる）◯（生じない）劣化◯（生じない）×（生じる）

燃焼性◯（燃えない）×（燃える）

吸水性◯（吸水しない）

×（吸水する）序章

Point 1

プラスチックの材料特性を考えることの重要性

主な材料特性の比較

プラスチックと金属材料の主な材料特性の違いについて、汎用的なプラスチッ
クと金属材料（鉄鋼材料）を比較してみましょう。まず、比重はプラスチックの方がかなり小さく、鉄鋼材料の 1/8 程度しかありません。軽い製品にしたい場合、非常に魅力的な材料特性だといえます。反面、製品に触れたときにはどうしても安っぽく感じられることがあります。材料強度は鉄鋼材料のおよそ 1/10 で、とても弱い材料です。しかし、プラスチックは比重が小さいため、重さ当たりの材料強度（比強度）では、金属材料と大差はありません2）。繊維強化したプラスチッ
クではむしろプラスチックの方が大きな比強度を持つ場合があります。材料の変形のしにくさ、すなわち剛性は鉄鋼材料の方が圧倒的に大きく、プラスチックは鉄鋼材料の 1/100 しかありません。重さ当たりの剛性（比剛性）で比較しても、鉄鋼材料の方がかなり優れています2）。熱伝導率は鉄鋼材料のおよそ 1/100 です。
断熱性を持たせたい製品であれば、非常に優れた性能だということになりますが、内部に発熱部があるような場合だと、冷却が進まず問題になる可能性があります。
線膨張係数は鉄鋼材料の約 10 倍です。温度変化による膨張・収縮を考慮した使い方が必要です。耐熱性（融点）は、プラスチック（PP）が 170 ℃に対して、鉄鋼材料（ステンレス鋼）は 1400 ℃と、比較にならないぐらいの差があります。

Point 2

プラスチックの注意すべき材料特性

金属材料ではほとんど気にする必要がなくても、プラスチックでは十分注意しておかないと、大きな不具合につながるような材料特性があります。例えば、温度特性です。金属材料は一般に高い融点を持っており、室温から 10〜20 ℃程度上昇しても、材料特性にほとんど変化はありません。一方、プラスチックは融点が低く、わずかの温度上昇に材料特性が敏感に反応してしまいます。クリープや応力緩和を起こす粘弾性特性は金属材料も持っていますが、数百℃以上の高温下でのみ生じます。一方、プラスチックは室温でも粘弾性特性の影響が現れます。プ
ラスチックは腐食しないものの、劣化というやっかいな現象が起きます（金属材料はその反対）。また、通常、金属材料は燃えませんが、プラスチックは燃えます。
金属材料は水を吸収しませんが、プラスチックは吸収します。プラスチック特有の材料特性について学ぶことの重要性が理解できるのではないでしょうか。
1 ）鉄系の金属材料のこと。1 2（P14）参照。
2）「図解！わかりやすーい強度設計実務入門」（日刊工業新聞社）P108 参照

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金属材料との違い②
材料特性の決定プロセス

Point 1 材料特性の決定プロセス（金属材料）
金属材料メーカー

加工メーカー

製品

材料メーカーから出荷された時点で材料特性が決定＜JISの例＞
SS400（一般構造用圧延鋼材）

基本的な材料特性が下限値として保証されていることが多い

引張強さの下限値が400 MPa

Point 2 材料特性の決定プロセス（プラスチック）
プラスチック
材料メーカー

コンパウンドメーカー

成形加工メーカー

製品

ペレット配合剤
プラスチック材料メーカーから出荷された後にも材料特性が変わる＜物性表の値の例＞
ABS汎用グレード：引張強さ40 MPa

配合剤
成形条件
金型仕様
製品形状
一般に材料特性の下限値は保証されていない
引張強さの代表値1）が40 MPa（保証値ではない）

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序章

Point 1

プラスチックの材料特性を考えることの重要性

材料特性の決定プロセス（金属材料）

材料特性が製造段階のいつ決まるのか、そのプロセスはプラスチックと金属材料で大きな違いがあります。一般に金属材料は材料メーカーが生産した板材や棒材などを、加工メーカーが材料成分に手を加えることなく加工します。材料メー
カーから製品までの間に材料特性が変化する要因は少なく、材料特性は材料メーカーから出荷された時点でほぼ決定します2）。したがって、材料メーカーが材料特性を十分に管理することができれば、製品になった状態の材料特性も管理できることになります。そのため、金属材料の多くは引張強さなど基本的な材料特性を下限値として保証しています。例えば JIS で規定された一般構造用圧延鋼材である SS4003）は、記号末尾の 400 が引張強さの下限値 400 MPa を表しています。

Point 2材料特性の決定プロセス（プラスチック）

プラスチックの材料特性が決定するまでのプロセスは、金属材料と大きく異なります。プラスチックの材料特性は、材料メーカーから出荷された後にも変わることが普通です。PP や ABS といったプラスチックのペレットを製造するのが材料メーカーです。設計時に材料特性を確認するために使う物性表4）は、材料メーカーがこのペレットを試験片に加工し、材料特性を評価して作成されています。
コンパウンドメーカーは材料メーカーから購入したペレットに配合剤を加え、付加価値を上げて成形加工メーカーに販売します。ここで何がどれくらい配合されるのかによって、材料特性は物性表の値から大きく変化します。成形加工メーカ
ーは材料メーカーから直接ペレットを買うこともあれば、コンパウンドメーカーから入手することもあります。また、成形加工メーカーで新たに配合剤を加えることもあります。さらに、成形条件や金型仕様、製品形状により、材料特性が変化するのもプラスチックの大きな特徴です。したがって、材料メーカーが材料特性をしっかり管理したとしても、製品になった状態の材料特性を保証することは困難です。プラスチックの場合、物性表の値はあくでも代表値であり保証値ではないことに注意が必要です。
1 ）データ全体の分布の様子を 1 つの値で示したもの。平均値、中央値、最頻値などを代表値とすることが多いが、実際に何を採用するのかについて明確に決まっているわけではない。
2 ）熱処理等を行う場合、材料特性は変化する。
3 ）JIS G3101：2020 「一般構造用圧延鋼材」
4 ）3 1（P48）参照

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