ポリカーボネート(PC)の特性と用途 耐衝撃性と透明性、加工性の高さ

By | 2014年10月21日
スポンサーリンク

ポリカーボネート(PC)の用途 耐衝撃性と加工性の高さ

ポリカーボネート(PC)、モノづくりやデザインの現場では略してポリカ、PCなどと言われているプラスチック素材。その最大の特長はプラスチック素材の中で最高度の耐衝撃性を持つことだ。

例えば、ポリカーボネート(PC)の耐衝撃性は、ABS樹脂の5倍、PVC(ポリ塩化ビニル、塩ビ)の10倍、ポリエチレンやアクリル樹脂の50倍にも達するほどの強さを持つ。ハンマーなどで強打しても割れることがない、非常に強い耐衝撃性を持っているのがポリカーボネート(PC)の最大の特長である。

さらにポリカーボネート(PC)は耐衝撃性以外にも優れた特性を持つ。耐候性や耐熱性にも優れた性質を持ち、長期間の使用や、外部での使用にも耐えうる性能が強みだ。また、ポリカーボネート(PC)はこうした物性以外にも、高い透明度を持っていることから、さまざまな製品の材料として注目される材料でもある。この高い物性と見た目の美しさから、ポリカーボネート(PC)は一般の工業製品から、軍事目的と幅広く使用されている。

また、高い物性を持つのと同時に、加工に優れているのもポリカーボネート(PC)が重宝される理由の一つ。伸縮性があり、多くのプラスチック成形に対応している。

たとえばポリカーボネート(PC)は、加工性の高さと耐久性の良さ、優れた透明性から、家電製品や日用品など、エンドユーザー向けの製品に多く使用されている。どれだけ使っても壊れにくい強度と、ユーザーを魅了する高いデザイン性を再現することが可能だからだ。日本でも大人気の代表的なスマートフォンiPhone(現在のiPhoneではなく、iPhone5)のボディなどにも使用された。

また、ポリカーボネート(PC)はカメラのボディや、双眼鏡などのボディもポリカーボネート(PC)が使われるケースが多い。カメラや双眼鏡は野外での使用が多いことから、落としても壊れない強い耐衝撃性と、頻繁に外気にさらされても耐えうる高い耐候性が求められる。更にカメラなどもボディのデザインと質感は重要で、こうした点からポリカーボネート(PC)は最適なプラスチック材料というわけだ。

このポリカーボネート(PC)がもつ、耐衝撃性と耐候性は野外での使用を想定した製品に幅広く使用される。たとえば戦闘機などのキャノピーや、自動車などのライトカバー、オートバイのヘルメットなどにも適応性がある。

こうした使用例はポリカーボネート(PC)の一部に過ぎない。他にも食器に使用されたり、筆記用具や文房具、メガネやサングラス、ゴーグルなど、透明性を活かした多くの製品の材料として使用されている。このようにポリカーボネート(PC)は、その優れた物性(耐衝撃性と透明性、加工の良さ)から、デザイン性が求められるエンドユーザー向け製品に始まり、野外での使用を想定した機能性の製品まで、さまざまな製品のプラスチック素材として重宝されている。

このようにポリカーボネート(PC)は優れた物性、美しい質感、使い勝手の良さといった3つの利点を備えており、その使用範囲は非常に多岐にわたっている。ここではポリカーボネート(PC)の物性を活かした、さまざまな使用実績や使い方をご紹介するとともにその特性についてご紹介したいと思う。

polycarbonate-1

polycarbonate-2

polycarbonate-3

polycarbonate-4

polycarbonate-5

ポリカーボネート(PC)の歴史

ポリカーボネート(PC)の開発はドイツの100年以上つづく化学工業製品メーカー、バイエル社が開発したプラスチック素材で、発見は1898年にミュンヘン大学のドイツ人科学者Alfred Einhornによって最初に発見されたが、長く商品化されていなかった材料である。その後1953年に、上記バイエル社が製品化に成功し「Makrolon』の商号で販売を開始した。ちなみに、バイエル社が開発に成功したわずか1週間後に、アメリカのゼネラル・エレクトロニクスで分岐ポリカーボネート(PC)を合成し、「Lexan」という名前で生産を開始した。日本での生産は1960年ごろから開始されている。

バイエル社は1863年創業の化学工業と製薬会社を兼ねる企業で、解熱鎮痛薬で有名なアスピリンを製品化した企業としても有名だ。

このポリカーボネート(PC)は当初は高い耐衝撃性や透明性を活かして野外での窓ガラスなどに使用が開始されたが、すぐにその優れた特性は知れ渡り、2年後の1962年にはポリカーボネート(PC)性の哺乳瓶が登場した。その後もさまざまな製品開発に利用が開始され、今では年間31万トン(2012年度)も生産されているほどだ。

(※最近ではポリカーボネート(PC)の原材料であるビスフェノールAが健康に悪影響があるという指摘があることから、哺乳瓶の素材としては使用されなくなっているのが現状のよう)

ポリカーボネート(PC)の特性 長所と短所

ポリカーボネート(PC)は、上記で述べたように群を抜いた耐衝撃性を持つと同時に、耐候性や耐熱性にも優れた素材だ。また同時に高い透明性をもつことから、アクリル樹脂と同じ有機ガラスに分類されている。

アクリル樹脂は耐衝撃性がガラスの10倍から16倍であったが、ポリカーボネート(PC)の耐衝撃性はアクリル樹脂の約50倍。ハンマーで思いっきりぶったたいても壊れることがないほどで、プラスチック素材の中では圧倒的と言ってもいい耐衝撃性を誇る。また、透明性はアクリル樹脂にはやや劣るもののガラスに等しい光透過率を誇る。

アクリル樹脂は光を通す透過率がガラス以上の93%にも達するが、ポリカーボネート(PC)の光の透過率は85%から90%でほぼガラスと同等。こうした点からポリカーボネート(PC)もカメラのレンズなどの光学機器に使用される場合もある。また耐熱性や耐候性に優れ、環境変化がはなはだしい野外での使用にも最適だ。

こうしたことから、航空機のキャノピーなどにはアクリル樹脂と同様に使用できる。また、防弾用などのシールドとしても使用がされている。さらに耐熱性では高温でも低温でもどちらにも耐久力があり、電子レンジから冷蔵庫まで使用できる。こうした優れた耐熱性と透明性は食品用に使用される最大の理由だ。

この優れた機械的特性は、工具としての機能も果たせるほど。金属ではないプラスチック製のネジの材料としても馴染みの素材だ。その反面、薬品耐久性は悪く、アルカリ剤などで劣化してしまう。下記はポリカーボネート(PC)の長所と短所を列記したものだ。

ポリカーボネート(PC)の長所

  • 耐衝撃性:プラスチック素材の中で最高の耐衝撃性を誇る。その強さは防弾材料に使用されるほど。
  • 透明性:ガラスに等しい透明性を誇る。光の透過率は85%から90%ほど。
  • 耐熱性:優れた耐熱性を持ち幅広い温度環境下での使用に耐えうる。冷蔵庫や電子レンジなど食品用の容器としては最適な耐熱性を持っている。
  • 耐候性:難燃性に優れ、建築材や電気電子分野での使用も盛ん。野外での使用にも耐えうる。
  • 寸法精度:プラスチックの持つ成形収縮率が小さく、加工性が高い。ほとんどの成形方法に対応しており、寸法安定性にも優れている。また精密な成形も可能。
  • 軽量:ポリカーボネート(PC)はそのほかのプラスチック素材に比べて比較的軽いという特性を持つ。まさに軽くて丈夫なプラスチック素材だ。

ポリカーボネート(PC)の短所

  • 耐薬品性:耐薬品性に弱い。アルカリ剤、溶剤で劣化する。
  • 高温高湿の環境には弱い。

エンジニアリングプラスチックに分類される材料

ポリカーボネート(PC)は、上記で述べてきたように一般的なプラスチック材料とは違い、エンジニアリングプラスチックに分類される材料である。エンジニアリングプラスチックとは、特に強度と耐熱性、耐久性に優れたプラスチックの種類のことを指し、ポリカーボネート(PC)はその中においても高い物性を持つ材料である。

一般的にエンジニアリングプラスチックに分類されるプラスチック素材は、100℃以上の高温環境において長時間さらされても、一定以上の強度(49MPa以上の引張強度、2.5GPa以上の曲げ弾性率)を持つ素材で、家電製品の筐体から、機械などの内部パーツまで様々な用途に使用される。

また、エンジニアリングプラスチックは汎用エンプラとスーパーエンジニアリングプラスチックの二種類に分類することが可能で、スーパーエンジニアリングプラスチックは、汎用エンプラに比べ、更に高温環境での利用が可能とされており、その温度は150℃以上とされている。ちなみにポリカーボネート(PC)は、汎用エンジニアリングプラスチックに分類される素材である。

ポリカーボネート(PC)の製法

ポリカーボネート(PC)は炭素と酸素と塩素の化合物であるホスゲンという分子と、ビスフェノールAという分子から構成されるプラスチック素材である。基本的な原料はこの2種類の分子から作られることになるが、製法は3種類で異なっており、作り方によって分子の密度などが異なる。また、ポリカーボネート(PC)にガラス繊維やABS樹脂など、その他の分子を配合することでより優れたプラスチック素材を作りだすこともできる。

ポリカーボネート(PC)の代表的用途と加工

ポリカーボネート(PC)の最大の特性の一つは、加工性の高さだと言える。プラスチックの基本的な成形方法である、射出成形や押出成形、真空成形やブロー成形など、ほとんどの成形方法に対応している。

また、最近では3Dプリンターの製法で代表的な、樹脂を溶かして積層する熱溶解積層法(FDM)の材料としても使用が開始されている。更に、ポリカーボネート(PC)は、加工性とともに、「見た目の美しさ」、「優れた物性」という特長を持ち、この3つの特長から、驚くほど用途が幅広い。ここでは代表的製品と成形方法をもとにポリカーボネート(PC)の特長をご紹介しよう。

スマートフォンのボディに使用。iPhone5Cの美しい仕上がり

ポリカーボネート(PC)の素材としての特長は、既にご紹介している通り、優れた物性(耐衝撃性など)と美しい見た目、更には加工のしやすさの3点である。こうしたポリカーボネート(PC)の特性は、きわめて汎用性が高く、エンジニアリングレベルだけではなく、見た目や質感、更には使い勝手が求められるエンドユース製品にも多用されている。その中で最も代表的な製品がスマートフォンのボディだ。ポリカーボネート(PC)をスマートフォンボディに取り入れた例として最も有名な存在がiPhone5Cだ。

現在はその後継モデルが登場しているため、iPhone5Cは販売は中止されているが、パステルカラー調の5色展開で話題を集め、これまでホワイトとブラックの2種類であったiPhoneの世界に新たなカラーバリエーションをもたらした。

また、金属成形で作られていたiPhoneにプラスチック成形を取り入れることで、美しさを保ちながら低価格化も果たした事例として高く評価されている。もともとアップルは初代iMac以降、MacBookなど、ボディの素材にポリカーボネートを多用するメーカーとして有名だ。

美しい鏡面のような光沢と、落としても壊れない耐衝撃性といったポリカーボネート(PC)の特性を家電製品のモノづくりに生かしている。このiPhone5Cのボディも、継ぎ目の無い一体成形のポリカーボネート(PC)が使用されている。それではiPhone5Cの美しい一体成形はどのように作られるのだろうか。

それはプラスチック成形の王様と言える射出成形で作られている。射出成形は金型に高熱で溶かした樹脂を押し込み、冷却してカタチにする成形方法。最大の特長は、量産できるうえに、美しい精密な仕上がりを表現することが可能な点だ。その分、射出成形は金型の設計と製造にかかるコストは高く、プラスチックの温度コントロールにはそれなりの技術が求められる。だがiPhoneのように一定数の販売量が見込める製品であれば極めて効果的な製法だと言える。

iPhone5Cの場合は、射出成形でポリカーボネート(PC)のボディを成形した後、スピーカーや音量などのボタンを取り付ける穴をあけている。この穴あけにはCNCミリング加工が施されるが、ポリカーボネート(PC)で成形されたボディはこの穴あけ作業で回りのプラスチックが破損しない強度を保っている。

まさにボディの美しい仕上がりを完成させるためには最適な強度特性を備えていると言えるだろう。このようにポリカーボネート(PC)はデザイン性を再現するだけの強度と柔軟性を持つ優れた素材で、エンドユーザー向け製品の製造には最適なプラスチック素材言える。

因みにポリカーボネート(PC)をスマートフォンのボディに使用しているメーカーはアップル以外に、ノキアやサムスンなどがあげられる。実はこの2社はアップルよりも早くポリカーボネート(PC)をスマートフォンボディに取り入れ、ノキアは2011年のNokia N9に取り入れたのが始まり。また、サムスンは、2012年にGalaxy S IIIのバッテリーカバーでポリカーボネート(PC)を使用し、その後Galaxyシリーズのボディにも採用を行った。

このようにスマートフォンのボディに使用される事例が、ポリカーボネート(PC)の3つの特長、優れた物性、見た目の美しさ、加工のしやすさを際立たせているものはないといえるだろう。

polycarbonate-6

ポリカーボネート(PC)板。室内・室外で建築用カバーとしての用途

ポリカーボネート(PC)の最大の特長の一つが、優れた耐衝撃性と、透明性だ。この二つの特性から、ポリカーボネート(PC)を板材として使用し、カバーやシートとして使用する製品が幅広く利用されている。因みに、重複になるが、ポリカーボネート(PC)の耐衝撃性は、ABS樹脂の5倍、PVC(ポリ塩化ビニル、塩ビ)の10倍、ポリエチレンやアクリル樹脂の50倍、ガラスの200倍にも達するといわれている。また、そのほかの素材と比べて、割れにくく、保護カバーや、セキュリティ用カバーなどで、最も重宝されるプラスチック材料だ。

たとえば、ポリカーボネート(PC)板が使用されているものとして、室内では銀行の窓口のテラー窓や、パーテーションの壁、室外では温室の壁や天井板、カーポートやバルコニー、更にはテラスの屋根材など、優れた耐衝撃性と耐候性が活かされ活用されている。最近ではDIY用の材料として、ポリカーボネート(PC)板も販売されている。

ポリカーボネート(PC)の透過性を活かした製品。レンズ、ガラス、カバー

ポリカーボネート(PC)のもう一つの特長として高い透過性があげられる。ポリカーボネート(PC)はアクリル樹脂などとともにガラスの代替品として使用されるケースも多い。ガラスやアクリルほどの光透過性はないが、透明性を保ったまま、耐衝撃性と耐久性を備えることから、レンズやガラス、カバ―として重宝される。

透過性と耐久性、両方の特長が供えたポリカーボネート(PC)の使用例として代表的なのが、戦闘機の窓や、自動車のヘッドライトカバーなどでの使用だ。たとえば、ロッキードマーチンなどでは、戦闘機であるF-22のコックピットのキャノビーにポリカーボネート(PC)を採用している。

更にポリカーボネート(PC)がレンズやカバーとして利用される要因の一つが紫外線から保護する特性があることが大きい。この耐候性や耐紫外線性の機能から使われる製品として代表的なものが、自動車用ヘッドライトレンズ、照明レンズ、サングラス 、眼鏡、スイミングゴーグル、スキューバーダイビングマスク、ヘルメットなどが挙げられる。また、ゴルフ場のカートのような小型電動車両のウィンドスクリーンもポリカーボネート(PC)だ。

CD、DVD、ブルーレイディスク

ポリカーボネート(PC)が使用されている製品として意外と知られていない存在がCDやDVD、ブルーレイディスクなどのデータストレージとしての利用である。CDやDVD、ブルーレイディスクなどは、片面はデータを書き込むための鏡面仕上げであるが、もう片面は金属スタンパーに、ポリカーボネート(PC)を射出成型することによって製造される。

雑貨・家庭用品などさまざま

これまでご紹介してきた用途はポリカーボネート(PC)が使用されている製品のほんの一部に過ぎない。これ以外にもポリカーボネート(PC)は、その優れた物性、美しい見た目、加工性の良さから、ありとあらゆるものに使用されている。もちろん雑貨や家庭用品などでも多用されており、哺乳瓶や食器にはじまり、コンピュータのケース、おもちゃ、文房具、ネームプレート、医療機器、工業用部品など、さまざまだ。

3Dプリンターとポリカーボネート(PC)

高い物性とさまざまな加工に対応したポリカーボネート(PC)。この最強のプラスチック素材も3Dプリンターでの使用が開始されている。開始されていると言っても3Dプリンターの材料は圧倒的にABS樹脂とPLA樹脂が多く、まだその普及はわずかしかなされていない。

基本的なプラスチックの3Dプリントは、樹脂を溶かして積み上げて成形するFDM熱溶解積層法になるが、この製法に対応する材料として、ポリカーボネート(PC)が登場してきている。今回は、熱溶解積層法(FDM)に対応するポリカーボネート(PC)フィラメントの現状についてご紹介しよう。

ポリカーボネート(PC)が熱溶解積層法(FDM)3Dプリンターで使用される場合には基本的に二つのパターンが存在する。第一が、熱溶解積層法(FDM)の開発元として知られるストラタシス社が独自開発したもの。第二が、特許失効によって熱溶解積層法(FDM)3Dプリンターは、様々な廉価版が登場しているが、この廉価版に対応したフィラメント材料としてのポリカーボネート(PC)である。

ストラタシスの高性能3Dプリンターに対応しているポリカーボネート(PC)

第一にご紹介するのが、熱溶解積層法(FDM)の開発元として、さまざまな熱可塑性樹脂のフィラメント材料を提供しているストラタシスのポリカーボネート(PC)である。ストラタシスは、FDM 熱溶解積層法専用の材料として様々な熱可塑性樹脂を開発してきている。最も代表的な存在がABS樹脂とPLA樹脂だが、ストラタシスのハイエンドモデルでは、これ以外に、ABSの耐久性に耐候性も加わったASA樹脂や、スーパーエンジニアリングプラスチックに分類されるULTEMなど、最終品もデジタルデータから作ることができるレベルの材料を提供している。

中でもポリカーボネート(PC)は3種類のラインナップを持ち、通常のポリカーボネート(PC)から、ポリカーボネート(PC)の強度と耐熱性に、ABSの柔軟性を加えたPC-ABSという材料、更に、生体適合性を持ち、医療機器や食品包装などにも対応したPC-ISOという3つのポリカーボネート(PC)を備えている。

こうしたポリカーボネート(PC)材料は、ストラタシス社が提供するFDM 3DプリンターであるFortus 360mc、 400mc、900mc、の3つの3Dプリンターで使うことができる。このFortusシリーズはそれぞれグレードに差があるが、一言でいうと最終品レベルの精密で高精細なパーツを1個単位でつくることができる高性能な3Dプリンターだ。

これまでポリカーボネート(PC)はあくまでも金型を使用した量産加工でしか使用できない素材であったが、このストラタシスの発明により、ポリカーボネート(PC)の優れた物性を持つプロダクトを1個単位から生産できる。

これまでも述べてきたように、ポリカーボネート(PC)は優れた物性と、透明性、光沢感などから、極めて汎用性が高いプラスチック素材だ。とりわけデザイン性を再現するための素材としてうってつけの特性を持っている。そのポリカーボネート(PC)が金型で高額な費用をかけることなく3Dプリンターで使用することができれば、より多くの製品開発に結び付けることが可能だ。

ポリカーボネート(PC)

ストラタシスのポリカーボネート(PC)材料

デスクトップ3Dプリンター用フィラメント材料としてのポリカーボネート(PC)

お次にデスクトップレベルの3Dプリンター用フィラメント材料としてのポリカーボネート(PC)をご紹介しよう。前述した通り、熱溶解積層法(FDM)の特許が失効することにより、その特許技術を利用し数多くの廉価版が登場してきている。こうした廉価版の多くはデスクトップタイプといわれるもので、材料であるフィラメント材料の開発も汎用的なものが開発されつつある。

熱溶解積層法(FDM)は、金型で扱われるものと同じ熱可塑性樹脂を使える点が特長であり、高温のノズルで糸状の材料を溶かし、積み上げて冷却して物体にする製法をとる。そのため従来の金型で利用されていた様々な熱可塑性樹脂が、フィラメント材料として対応しつつある。ポリカーボネート(PC)の3Dプリンタ―用フィラメント材料もそんな新たに登場しつつある材料である。

3Dプリンター用フィラメント材料は開発が盛んになりつつあるため、新メーカーが続々と登場しているため、代表的なメーカーとして、Polymakerをご紹介しよう。Polymakerはアメリカ、ヨーロッパ、中国に拠点を持ち、日本でも展開する3Dプリントフィラメントメーカーだが、ポリカーボネート(PC)フィラメントの開発では、ハイテクポリマー材料のリーディングカンパニーCovestro社と提携して行っている。

既に2種類のポリカーボネート(PC)フィラメントを発売しており、通常のポリカーボネート(PC)の物性を再現したPC-Plus、そしてPC-Plusの物性を更に強化し、エンジニアリングレベルの造形をデスクトップ3Dプリンターで実現する性能を備えたPC-MAXの2種類である。

特にPC-Plusの強化版、PC-MAXは、これまでご紹介してきたようなポリカーボネート(PC)が持つ、耐衝撃性、耐久性、高靭性、耐溶剤性を持ち、3Dプリント時における安定性も実現した3Dプリントフィラメント材料として注目される。

ポリカーボネート(PC)

Polymakerが開発したデスクトップ3Dプリンター用フィラメント材料PC-MAX

まとめ 機能性とデザイン性の両立ができる素材

ポリカーボネート(PC)は工業用だけではなく、エンドユーザー向けのさまざまな製品まで、非常に幅広く、最も多用される素材の一つと言っていいだろう。その最大の要因が、「優れた物性(耐衝撃性や耐熱性、強度、耐候性など)」、「美しい見た目(光沢や透明性など)」「加工性の高さ(金型成型から切削、3Dプリントまで)」の3つの特長に起因する。

こうしたポリカーボネート(PC)が持つさまざまな特性や特長を知ることで、ものづくりや製品開発の幅が驚くほど広がるだろう。まさに機能性とデザイン性を両立するのに最適なプラスチック材料だと言える。また、最近では、ポリカーボネート(PC)が3Dプリンター用の材料として適応しつつあり、多額のコストがかかる金型を製作しなくても、プロトタイプレベルで手軽に扱うことができるようになりつつある。

こうしたポリカーボネート(PC)のような優れた材料が、ダイレクト製造へ適合することは、新製品開発を容易いし、ものづくりへのチャレンジを加速させることにつながるだろう。ポリカーボネート(PC)は、今後ますます使用範囲が拡大することが期待される。

プラスチックの特性と用途についてはこちらもどうぞ

プラスチックの加工についてはこちらもどうぞ

スポンサーリンク