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その他の耐熱試験

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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
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