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その他の耐熱試験
プラスチツ 材料砂寄動特性の 、 誠験法と評価締果 ノ 〈〉 安田 武夫＊ 表1 2．プラスチックの各種試験法（続き） JIS C4003による電気絶縁の耐熱クラスおよび耐熱性評価 適用範囲 電気製品の絶縁耐熱クラスおよび耐熱性評価に 耐熱クラス 電気絶縁の耐熱クラスは，その電気製晶を定格 負荷で運転したときに許容できる最高温度を基 ついて規定している。 2−6．その他の耐熱試験，規格等 （1）JISC40031〕 上記のJIS規格では電気機器に用いる絶縁材料を7 段階の耐熱区分に分けている。適用範囲としては電気 製品の絶縁の耐熱クラスおよび耐熱性評価について規 定レている。その概要を表1に示す。そして，この規 格で耐熱区分とそれに該当する代表的プラスチック材 に決める。 耐熱クラス 温度（℃〕 Y 90 A 105 120 130 155 180 200 220 250 E B 料を表2に示す。 F 2−7．温度変化に伴う機械的性質の変化 H 200 220 250 （1）］般的特性 すでに，機械的性質の項で述べたように，プラスチ ック材料の機械的な諸性質は周囲の温度の上昇ととも 250℃を超える温度は25℃間隔で増し，それに に変化する。たとえぱ，引張り，曲げ，圧縮などの強 対応する温度の数値で呼称する。 さや弾性率などは低下し，反対にひずみは増加する。 また，衝撃強さはある温度まではかえって増加の傾向 ｝Takeo YASUDA，安田ボリマーリサーチ研究所所長 〒螂一0082東京都杉並区久我山4−24−7 ・ ポリプチレンフタレート（GF〕 150 、 変性PPO（GF） 絶縁材料と絶縁 システムの区別 絶縁システムの定義が与えられており，’明確で 電気絶縁の耐熱 雰囲気，負荷などによる影響を考慮している。 性に及ぽす使用 条件の影響 絶縁材料および 絶縁システムの 選択および耐熱 クラスの指定 記 適切な絶縁材料および絶縁システムを選択する 責任は，その電気製品の製造業者にある。また 適切な使用経験に基づき，または適切な試験を 実施することによって，その絶縁の耐熱性を評 価し耐熱クラスを指定する責任も，電気製品の 製造業者にある。 ε 榊 縄 ある。また絶縁材料の組合せによる耐熱性へ及 ぽす影響についても考慮している。 ポリイミド（GF〕 100 生 霜 』 ．、 、 フェノール樹脂（GF〕 、一、． PH−9600 絶縁材料の耐熱 性評価方法 ＼、“ ジアリルフタ 、』 レート くGP） 50 ／＼ ポリカーボネート（GF〕 フェノール 樹脂（木粉〕 20 70 120 170 220 温度（℃） 絶縁材料の耐熱性評価方法としてIEC602161 1990を参照すること，また，耐熱グラフ，温度 指数，相対温度指数および半減温度幅の定義が 役立っことが述ぺられている。 電気絶縁の耐熱 クラスの指定 電気製晶における絶縁材料または絶縁システム が，適切な試験または適切な使用経験によって， 特定の用途において特定の温度で使用できるこ とが検証されたなら，上記の中から，適切な耐 熱クラスを指定できる。 図1各種樹脂成形品の曲げ強さの温度依存性 102 プラスチックス 表2絶縁材料の耐熱区分と使用される主要プラスチック材粋〕 絶縁の種 類 許容最高温度（℃） 絶縁の処理材料h〕 絶縁材料画〕 Y 90 アクリル系樹脂，ポリエチレン，ポリスチレン，塩化ビニル樹脂 セルロースアセテートフィルム，不飽和ポリエステル，エナメル線用ポリビニルホルマール A 105 E 120 B 130 F 155 H 180 セルロース系塗料 エポキシ樹脂，不飽和ポリエステル，アルキド樹脂 ガラスおよび石綿基材フェノール積層晶，無機質充損フェノール樹脂成形品，エナメル線用けい索樹脂およびポリエチレンテレフタレート エボキシ樹脂，不飽和ボリエステル，フェノール樹脂 ガラス，アスベスト，マイカを基材にし，耐熱性エポキシ樹脂や不飽和ポリエステルを用いたもの，エナメル線用ポリエステルイミド 耐熱性エポキシ樹脂および不飽和ポリエステル，変性けい索樹脂 ガラス，アスペスト，マイカを基材とし，けい素樹脂を用いたもの。エナメル線用ポリアミドおよびポリイミド けい素樹脂 ガラス，マイカを基材として，耐熱性けい素樹脂を用いたもの（225℃以下）。ポリテトラフルオロエチレン（250℃以下） C 耐熱性けい素樹脂（225℃以下〕 180以上 注a）詳細についてはJIS C4003参照。 b）巻線および機器の処理に使用されるもの。 を示すが，これもさらに温度がさらに上昇すれぱやは なり，機械的強さが低下するが，とくに衝撃に対して り低下してしまう。このほかではクリープ特性や疲れ 著しく弱くなり，低温脆化の傾向を示す。 特性などの長期間の荷重などを受ける機械的性質も温 このような低温時，とくに氷点以下の温度における 度の上昇につれて同様に低下する。 低抗性を耐寒性と呼ぶ。ことに硬質PVC，PPではこ 機械的性質の項で説明したものもあるかもしれない が，図1に各種エンプラ，熱硬化性樹脂の曲げ弾性率 耐寒性の測定方法の一つとして，一定寸法のシート の温度依存性を，図2，3にスーパーエンプラの引張強 状試験片を，ドライアイスなどに冷却’した低温度の浴 さ，曲げ弾性率の温度依存性を示す。 槽（通常，伝熱媒体は，エタノール，水などが用いら （2）耐寒性 れる）に浸し，アイゾット衝撃試験に似た方法で一定 の傾向が目立っ。 プラスチック材料の高温時における諸性質の抵抗性 の大きさの衝撃力を与えてこれを破壊し，その破壊し を耐熱性と呼んでいる。これとは反対に，周囲温度が たときの浴槽の温度（脆化温度）（℃）をもって耐寒性 常温より低下して，さらに氷点以下の低温度に達する を表す方法’（JIS K72ユ6■1肌2〕（プラスチックの脆化温 と，すべてのプラ’スチック材料は一様に伸びが小さく ×lOヨ 200 200 PAI（グラファイト繊維） ／PAI（ガラス繊維） PA1（グラファイト繊維） PPS （GF40） 150 ￡ ε 汕 超 誰 高 100 PPS ＾ 150 ど （GF40） ε 、 ＼＼ 薯議宗＼、’ 齢 掌 I00 瞳 、一一｝㌔、 ＞、＼〉 ・・1 ’漆、＼（無充填〕 50 ぐ、一 ＼ぐ、’・ PAI（ガラス繊維〕＼＼ 一i■i■1一一i1■一一i一一ふ 遡辺アミド＼＼＼＼ b 橿 50 、． 、 PA1（無掬 、、、．、二＼ ＼ ＼ 芳香族ポリアミド ー二’一・ 23 50 100 150 200 250 23 温 度（℃）＝ 温度（℃〕 図2スーパーエンプラの引張強さの温度依存性 図3 スーパーエンプラ’の曲げ弾性率’と温度 Vo1．52，No．3 50 100 150 200 250 103 表3プラスチックの燃焼試験 要 求 試験方法 A．各回のFlaming時間（F〕は10秒以下 B．5個の試験片合計のFは50秒以下 C．クランプまでFlamingあるいはGlowing（G〕しないこと 94V−0 D．下の綿を発火させないこと E．2回目のGは30秒以下 バーナ：長さ101．6mmx内径9．5mm ガス：メタンガス3，7MJ・m一ヨ 炎 長：ユ9．05mm 試験片：12．7xユ27x各厚み 熱処理1有（未処理もテスト） 試験数：5個 接炎時問：10秒を2回 試験片 A．各回のFはいずれもが30秒以下 94V−1 ＼ 炎→ B．合計のFは250秒以下 C．，D．94V−Oと同じ バーナー一’ E．2回目のGは60秒以下 94HB 3048 1博L、 A．，B．，C．，E．は94V一ユと同じ 94V−2 丁 127 一ポ D．下の綿発火OK A．燃焼速度38−1mm・min−1以下 （試験片厚み3．05∼12．7mm） バーナ，ガス，試験片，熱処理については上記と同じ炎長： 燃焼速度76．2mm・min■1以下 （試験片厚み3．05mm以下） 標識線に炎が達したとき あるいは 25mm，試験数：3個，接炎時間：30秒あるいは25．4mmの 25，4 76，2 25．4 6．4 B．炎が102mmの標識線に達する前に消える 9．5 金網 ホ網 A．各試験片は接炎5回後FあるいはGが50秒以下 バーナ，ガス，熱処理は上記と同じ，試験数5個，炎長：127 B．滴下物がない mm（青色内炎38mm），接炎15秒接炎5秒休止を5サイク C．著しい破損がない 94−5V ル行う A法：試験片 上記と同等，左図参照 B法：試験片152×1．52×各厚み バーナを20℃に傾け，青色炎の先端を以下のように 当てる A試験片を垂直に，下端の角に B 〃 ，下端のふちに C ’ 〃 ，片面の中央に D試験片を水平に，下面の中央に E 〃 度試験方法））がある’。 2−8．燃焼性試験 自治体の法規制と業界や工業会その他の民間団体，企 業等の定めている各種窺制を加えるとその数はきわめ プラスチックは優れた物理的性質および化学的性質 て多数に上る。また，試験方法も多種多様であるが， を有して．いるために，一家電製品，電気・電子製品，自 プラスチックに関係するものは，電気用品安全法，IEC 孕車部吊・建材・電線等の各方面に使用され・その消 （国際電気標準会議），UL，CSA（CanadianStandard 費を増大している。その大部分が主．とレて炭素，水素， Asociation），’’ISO（国際標準化機構），MVSS（Moter 酸素等から・なる有機物で，I可燃性の材料である且〕。各種 Vihicle Standard Society＝アメリカの自動車規格）， の用途に応じて，火災を防いで，貴重な人命を守ると 危険物取締法などがある。 いう観点からプラスチジクの難燃化が図られている。 これらの規制で種々の燃焼試験法が採用されてお プラスチックの難燃性の法規制は電気・電子製品等 り，世界的にはISOが標準試験法を検討しているヨ〕。 の製品や部晶ごとに燃焼性の規格基準が設けられ，数 これらの燃焼性試験の大部分は所定条件下で試料の 多くの試験方法がある。・燃焼性に関する規制は国家， 燃焼性を比較し，その程度によりクラス分けする方法 104 プラスチックス が採られている。その代表的なものがUL94に規定さ 時間が3分以上か，燃焼長さが50mm以上に達するに れている燃焼試験法である4〕。 必要な最低の酸素濃度を決定し，次式により酸素指数 一方，燃焼できる最低の酸素濃度により，その燃焼 （OI）を求める。 性を表示する酸素指数法もある。ここでは，上記の2方 lO。〕 法を中心に説明する。 OI＝ ×100 〔02〕十〔N2〕 （1）UL94 ただし，lO・〕：酸素の流量（〃min） 水平燃焼試験94HB，垂直燃焼試験法94V，94−5V lN。〕：窒素の流量（〃min） の三つの方法があり，難燃性材料には94V，94−5Vが 適用される。その概要にっいて表3に示す5〕。 酸素指数が21より大きいプラスチックは，空気（酸 i）94HB： いことを示す。一般に自消性といわれるプラスチック 5”×1／2”×1／8”の試験片の一端を保持して水平に は，酸素指数が27以上であるとされている。このよう 保ち，所定の位置に標線を引く。そして，試験片の先 に酸素指数法は，任意の材料でも燃焼性をすべて数値 端に所定のバーナーを用いた所定の炎を30秒問当て によって表示でき，異種材料問の比較が容易であると 素含率21％）中で燃えにくく，小さいものは燃えやす て取り去り，標線問の燃焼時間を測定する。 いう特徴をもつが，有炎滴下物による他の物質への延 判定基準は表3に示したとおりである。 焼効果についてはまったく測定できず，また，実火災 ii）94V： との相関が明確でないという欠点をもつ。 験片を垂直に立て，滴下燃焼性粒による発火の判定の このような酸素指数であるが，燃焼性に？いて数値 で表せる特徴値であることには変わりはない。 ために，外科用脱脂綿を真下に置き，試験片下端に着 図5は主なプラスチックの酸素指数を示したもので 5”×1／2”xユ／2”以下（厚みは変えること可能）の試 火後有炎燃焼時間を測定する。それが終わった後すぐ にまた10秒問炎をあてて取り去り，有炎および無炎燃 焼時間を測定し，表3の要求水準に照らして判定する。 iii）94−5V UL規格でもっとも厳しい難燃規格である。前号の 最終表に示すような大型の試験片を長い炎を使用し試 ある5〕。この図から以下のことがいえる。 i）分子の骨格が直鎖状の炭素一炭索結合で構成さ れ，しかも炭化水素やそれに酸素が加わったポリオレ フィン（PEやPP），POM，ポリメチルメタクリレー テト（PMMA）などは，酸素指数は低い値のものが多 い。 験を行う。この試験の評価方法は，表3に示したが， ii）芳香族が直鎖に入ったPCをはじめとするエン この表が作成された後にこの試験により合格したもの 、プラ系のボリマーは比較的酸素指数が高い。とくに， で，穴が空いたものは・94−5VB，穴が空かなかったも 直鎖中の芳香族基の濃度が高い耐熱性のスーパーエン のは94−5VAと判定が二通りになった。 プラの酸素指数は高く，ほとんどの材料が前項で述べ プラスチックそのものの燃焼性は，各材料で共通と たUL規格では94V−Oである。 恩われる。したがって，材料そのものでも難燃性を示 しかし，芳香族が側鎖に入ったポリスチレン等の酸 すものもある。スーパーエンプラの多くが94V−Oの 難燃性を示す。しかし，現在市場で使用されている多 素指数は，これと比べると低く，ポリオレフィンと同 くのプラスチックは，その用途に応じて難燃剤を処方 iii）分子内に窒素やハロゲン系元素が入ったポリマ 等である。 したものが多い。 この試験法とは直接関係ないが，従来難燃剤は，臭 素系難燃剤が多く使用されてきた。しかし，環境問題 圧力計 点火器 ＼、 圧力調整バルブ／ で最近ではノンハロゲン系難燃剤の検討が盛んである ／ ガラス管 ことをここでは付記しておく。 試験片 酸 試料ホルダ 素圧力計 、 （2）酸索指数法（JIS K7201）一19酬 （酸素指数法 にによる高分子材料の燃焼試験方法） 金網 図4に示すような試験装置を用い，試験片を試料ホ ルダーに垂直に取付け，酸素，窒素混合ガスを流しな がら試験片の上端に点火する。着火後，点火器の炎を ガラスビーズ 窒圧力調整バルブ 素 取り去り，ただちに燃焼時間と燃焼長さの測定を開始 する。酸素濃度を変化させて何回か試験を行い，燃焼 VoL52，No．3 図4酸素指数法燃焼試験装置 ユ05 10 20 30 ’40 50 60％ 表4各種ポリマーの引火点と発火温度 ポリオキシメチレン l l ポリメチルメタクリレー l l 物質名 ポリオレフイン｛PE，PP） ボリエチレン 引火点 発火温度 （℃〕 （℃） 341 349 570 AS ポリプロピレン ボリスチレン ポリテトラフルオロエチレン ポリ塩化ビニル 391 ポリ塩化ビニリデン 532 532 488∼496 ポリスチレン （粒 状〕 345∼360 296 ボリスチレン （発泡体） 346 491 スチレンーアクリロニトリル共重合体 366 454 スチレンーメタクリル酸メチル共重合体 326 485 280∼300 450∼462 560 BS． ポリカーボ不一 ■ ポリスチレン ナイロン66 ポリフェニレンオキサ イド ボリサルホン 芳香1集ポリェス「ル（V・。t・） ポリエーテルサルホン lXyda・） ポリふっ化ピニリデン ポリ塩化ビニル ポリエーテルイミド （ULTEM） ポリフェニレンサルファイド ポリ塩化ピニリデン ポリ三ふっ化塩化エチレンポリ四ふっ化エチレン 5コ ポリメタクリル酸メチル アクリル繊維 一 ■ 530 454 491 硝酸セルロース ユ41 141 酢酸セルロース 305 475 エチルセルロース ボリアミド6 291 296 421 424 532 ポリアミド6−6 （繊維〕 ■ フェノール樹脂 （ガラス繊縫横層〕 520∼540 571∼580 メラミン樹脂 （ガラス繊維積層） 不飽和ボリエステル（ガラス繊維横層） 475∼500 346∼399 623∼645 10 20 30 40 50 60％〉95％ 酸素指数く％） けい素樹脂 （ガラス繊維穣層） 490∼527 3ユO 550∼564 416 260∼300 400∼450 図5各種プラスチックめ酸素指数 硬質ポリウレタン 木 材 483∼488 〔Hilad，F1ammability Hand Book，3rd ed．（1982）から転載〕 一の酸素指数は高い。とくに，ポリエチレン中のすべ ての水素原子がふっ素に置換した形態のPTFEの酸 く参考文献〉 素指数は，95％を越え，ほとんど純粋な酸素中でなけ れぱ燃えないほど高い値を示している。 ユ〕JIS C4003（電気絶縁の耐熱クラスおよび耐熱性評価） （3）その他の燃焼試験 2）JIS K7216■1朋0（プラスチックの脆化温度試験方法〕 前述したように，プラスチックの種類と用途に対応 し，各種の試験方法に規定されている。たとえば，JISA 3）「新・エンプラの本」工業用熱可塑性樹脂技術連絡会 1993 年4月改訂版発行 4〕UL94資料 ユ322には建築用薄物材料の難燃性試験方法が，また， 5〕「高分子材料の試験法と評価」高分子学会編 昭和55年培風 JIS A95ユユにはポ・リスチレンフォームの保温用材燃 館発行 焼試験方法が規定されている。これらはいずれも炎を 用いて着火し・試料の燃え方をみるものであるが，着 火方法，評価方法がそれぞれ異なり，適用範囲も限定 されており相互比較ができない。 6〕JIS K720ユ■1o05（酸素指数法による高分子材料の燃焼試験方 法〕 7）「プラスチック成形加エデータブック」，p．34，（社〕日本塑性 加工学会編 日刊工業新聞社昭和63年3月25日初版第1 刷発行 （4）各種ポリマーの引火点と発火点 今回の記事の最後に燃焼に大きな関係をもつ各種ポ リマーの引火点，発火点を表4に紹介する。 プラスチック試料を一定条件下で徐々に加熱し生成 した可燃性混合気体に火炎を近づけた．ときに，燃焼す □… ・・口 る最低温度を引火点といい，また，外部炎がなくても 燃焼し始める温度を発火点という。これらの温度は， 着火性や燃焼性の目安となるのでここで紹介した。 次回からは電気的性質について述べる。 106 プラスチックス