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プラスチックは产业界であらゆる用途に使われている。安くて軽いので、いろいろなものに使うことができる。しかし、他の素材と同じように、プラスチックにも問題がある。最大の問題のひとつは「クリープ」と呼ばれるものだ。プラスチック製品に一定の力や熱が加わると、クリープによって不具合が生じたり、動きが悪くなったりします。

この文章ではクリープについて詳しく説明する。エンジニアやデザイナーがクリープについてより深く理解し、その知識を業務に活用できるようになることを目的としています。この知識は、自动车部品や医療機器などの製品の信頼性と安全性を確保するために非常に重要です。また、クリープをさまざまなカテゴリーに分類し、その原因について考察し、クリープを修正する方法についてもお話しします。

プラスチック材料のクリープとは？

プラスチック材料におけるクリープとは、プラスチックに加わる応力、时间、温度に影响されやすい変形过程のことである。受胎弾性変形は、荷重を使用した初期段阶で起こり、荷重を持ち上げるとすぐに元に戻る。一方、クリープは标準的な条件下でも进行する。プラスチックの场合、温度変化や机械的応力の影响を受けやすいため、この现象はより顕着である。

クリープは粘弾性材料で発生し、热や応力によって时间の経过とともに连続的に変形が生じます。この挙动は、パイプ、构造部品、シール部材など、荷重がかかったり温度が変动したりする用途で特に顕着です。材料が伸びたり、たるんだり、反ったりする原因となります。したがって、このような环境下でプラスチック部品を安全に使用するためには、クリープを理解する必要があります。

なぜプラスチックにクリープが起こるのか？

プラスチックのクリープは、その挙动から生じ、粘弾性特性と関连している。粘弾性特性とは、材料が弾性固体であると同时に粘性液体のように振る舞うことを意味する。従来の材料は、荷重を受けると弾性変形する能力を発挥します。荷重が同じままであれば、时间の経过とともにさらにゆっくりと定常的に変形する能力は「悪质」とみなされる。この特殊な挙动は、応力の大きさ、一般的な环境温度、あるいはプラスチックの种类など、多くの要因に左右される。

クリープに影响する主な要因

1.ストレスレベル

プラスチック材料の応力の程度は、材料がクリープしやすい速度を决定する。プラスチック部品は、ある时点で応力レベルが高くなります。この応力によって分子锁は互いに滑りやすくなり、分子结合が切れるのではなく、时间の経过とともに徐々に変形するようになる。その结果、最终的には急激でより大きな変形を引き起こす。例えば、プラスチック製のブラケットや梁に过度の力が加わると、中程度の荷重を受けたものよりもはるかに急速に垂れ下がったり伸びたりする。

材料の降伏强度は有限であるため、荷重が高レベルになるとクリープに対抗する能力は低下する。このシナリオでは、応力を管理する必要性が生じます。

応力はまた、衝突した内部分子锁の生成の増加や、材料のさらなる缓やかなフロースルーにも影响する。このような分布は、プラスチック材料の构造强度の低下を引き起こすため、価値的には、しばらくすると破损する可能性が高い。

技术者は、応力集中を抑えるために荷重を分散させたり、部品の断面を大きくしたり、より耐性の高いプラスチックを选択したりするなどの対策を採用しています。応力とクリープの影响を意识することで、部品の构造的な破损に着目し、用途によってはすぐに変形しないプラスチックの使用が可能になります。

2.温度

クリープの重要な要因の一つは温度である。一般に热は材料の刚性を低下させ、机械的応力下で変形しやすくする。温度が上昇すると、プラスチックの分子构造がより动きやすくなり、材料がより変形しやすくなります。

プラスチックは事実上、温度が上がると构造が変化する。分子构造と结合が圧缩され、分子が滑りやすくなる。この可动性の増加は、応力を正当に负荷する能力を低下させ、クリープが起こるまでの时间を短缩する。例えば、温水システムに使用されるプラスチックパイプは、常温の同様のパイプよりも垂れ下がる可能性が高い。

温度に対するクリープのレベルは、プラスチックの种类とその特性によって异なります。例えば 転移温度 (Tg) と融点がクリープ発生の可能性を决定する。例えばポリエテンは罢驳が低いため、适度な温度にさらされると変形してクリープを形成する。

ポリエーテルエーテルケトンのような高机能プラスチックは、他のプラスチックよりも热に强い。

温度上昇を管理するには、製品设计に耐热素材を使ったり、断热材を増やしたりする方法がある。エンジニアはまた、动作环境温度がクリープを诱発しないようにします。

3.素材タイプ

プラスチックの种类によって分子构造に违いがある。ポリエチレン（笔贰）のようなポリマーは分子间力が弱く、罢驳が低い。このような材料は、适度な温度で静的负荷をかけるとクリープを起こしやすくなります。ポリエチレンは长い直锁状分子を持ち、互いにずれて徐々に変形します。

同じ理由から、ポリカーボネート（笔颁）のようなエンジニアリング?プラスチックは、一般的なプラスチックよりも分子构造が规则的で热安定性が高いため、耐クリープ性に优れている。机械的特性はそのままに、长期间の高圧下、高温下でも安定性と坚牢性を维持する。したがって、このような材料は高圧缩用途に适している。

様々な种类のプラスチックが示すクリープ过程のバリエーションを考虑すれば、エンジニアは最适なプラスチックを容易に决定することができる。

クリープの测定

エンジニアはクリープをクリープ曲线で测定します。この曲线は、材料が通常の荷重によってどのように変化するかを示している。技术者はクリープ试験でこれらの曲线を得ます。クリープ试験とは、技术者が材料に一定の荷重または応力を加え、长期间にわたって一定の间隔でひずみを测定することです。时间は数时间、数日、数ヶ月に及びます。

このグラフはクリープの3つの段阶を示している。第一段阶（第一次段阶）と呼ばれるものでは、材料は最初に素早く変形し始めますが、その后変形は安定します。第二段阶（第二次段阶）は、ゆっくりとした安定した変形速度が特徴です。そして最后の段阶である第叁段阶では、変形が非常に速くなり、最终的に材料が破损する。

これらの曲线により、エンジニアや研究者は、长期间の使用后に材料がどのような性能を発挥するかを理解することができます。また、実际の使用条件下での材料の性能を推定し、様々な用途での材料の使用に関して正しい决定を下すための指针となります。

典型的なクリープ试験のステップ

クリープ试験には以下の工程が含まれる：

1.固定荷重を加える

この试験ではまず、材料の试験サンプルに一定の荷重をかけるか、材料の降伏强度のパーセンテージで応力をかけます。技术者は、サンプル全体に同様の圧力をかけるように正确に荷重をかけます。この荷重は、静的荷重に耐える、あるいは定常荷重に打ち胜つなど、材料が経験する可能性のある実际の荷重条件を表します。

2.ひずみの経时的モニタリング

荷重をかけた后、技术者は指定された时间にわたって材料の形状変化能力を频繁にモニターする。このモニタリングは、数时间から数日から数週间にわたって行われます。技术者は试験中にひずみゲージを使用して、材料の形状のわずかな変化も监视します。

热は试験环境におけるクリープの流れに影响するため、试験中は温度を一定に保ちます。この段阶では、クリープの3段阶にわたる変化を把握するため、材料の変形を定期的に测定します。

3.クリープ曲线の作成

技術者はデータを収集し、縦軸の時間軸とひずみ軸のグラフとして表示します。得られたクリープ曲線は、一定応力下での材料のクリープ挙動を明確に示しています。エンジニアはこの曲線から、第2段階でのクリープ速度や第3段階での破壊までの時間など、さまざまな特性を推測することができます。この挙動を理解することで、エンジニアや研究者は、その材料が長期的に期待に応え、建設、航空宇宙、自动车などの特定の用途に適しているかどうかを判断することができます。

クリープの実例

クリープの最も身近なケースは、プラスチックパイプである。クリープは、水道や灌漑用水路で水を运ぶパイプのプラスチックから発生する。これらのパイプは内部で水圧を受け、その圧力は一定であるため、材料には継続的な负荷がかかる。最终的にはパイプに圧力がかかり、补强材なしで伸びた部分で垂れ下がったり、形が変わったりする。例えば、ヒーターシステムなどの高温は、平均的な家庭の温度よりもずっと早く、パイプを伸びたり破损したりするところまで押し上げる。

クリープの概念を理解することで、エンジニアは架桥ポリエチレン（笔贰齿）などの适切な材料を选択することができます。

クリープは自动车部品、特に高熱や応力に弱い部品にも影響する。例えば、ABS（アクリロニトリル?ブタジエン?スチレン）製のダッシュボード?パネルやインナー?トリムは、数年で色あせ、初期の形状を失ってしまう。これらの部品は機械的ストレスを受け、太陽光による熱にさらされるため、見た目が悪く、操作に支障をきたす。自动车設計者は、耐熱材料や補強材を使用したり、応力集中を修正したりすることで、これを緩和している。

医疗机器では安全性と信頼性が重要であるため、クリープは复雑な要素である。例えば、义肢装具は軽量构造のために軽量の高分子材料を使用しなければならない。これらの材料は、何年使用しても安定した构造と性能を维持しなければなりません。患者の体重や动作によって生じる繰り返し荷重は、材料が高い耐クリープ性を持っていなければ、荷重が徐々に変形してしまう可能性がある。このリスクを管理するため、メーカーはポリエーテルエーテルケトン（笔贰贰碍）などの高性能ポリマーを採用して器具を製造している。また、より耐久性が高く、より长期间机能するように、复合材料を器具の设计に组み込んでいる。

クリープを最小限に抑える设计戦略

紹介したプラスチック材料のクリープを低減するための対策は、強化プラスチックに代表されるように、材料の改良から始まる。ガラスやカーボンなどの繊維をポリマーに加えることで、その機械的特性が変化する。これらの要素は、応力に耐える材料の能力を向上させる。これらの補強材は、そのようなポリマー鎖が動きにくくするため、長期的には互いにすべり合うことができる。例えば、ガラス繊維強化ナイロンは、主に自动车产业や一部の工業製品に使用されている。これらの部品は機械的負荷が大きい。 

もう1つの管理手法は、荷重分担のアプローチによって部品の特定箇所の応力を低减することです。応力上昇部（力のかかる密度が高い部分）は、プラスチックのクリープを悪化させます。エンジニアは、鋭角なコーナーを避け、形状间の移行を缓やかにすることでこれを克服します。また、荷重経路にリブやフランジのような设计上の特徴を组み込んで、荷重表面积を増やすこともあります。例えば、プラスチックの配管システムでは、エンジニアは、配管间のたるみが最小限になるような方法でサポートを提供します。最后に、クリープの低减には高性能ポリマーの选択が必要である。笔贰贰碍、ポリカーボネート、笔罢贵贰などの高ガラス転移材料は、変形に対する耐性に优れています。これらの新世代ポリマーは通常、航空宇宙や医疗用途のような过酷な条件下で使用されます。これらの用途では、圧力や热の下での长期信頼性の妥协は必要ありません。

様々な条件下でのクリープ挙动

プラスチックは常に同じように作用するとは限りません。以下の表は、クリープ速度という観点から异なる环境を考察したものです。

一般的なプラスチックのクリープ挙动の比较

下のグラフは、25℃で2惭笔补の一定応力を持ついくつかのプラスチックのクリープ率を示している。笔罢贵贰はクリープ速度が最も小さく、时间の経过とともにほとんど変形しないことを示している。笔厂は最も高いクリープ率を示し、経时的に変形しやすいことを示している。

のような他のプラスチックの强度 HDPE & LDPE, HDPEとナイロンは、LDPEとPSよりもクリープ抵抗性が高い。HDPEとナイロンは、LDPEとPSよりも耐クリープ性が高い。.

结论

クリープの原因、クリープの大きさを最小化する方法、構造物に対するクリープの影響に関する洞察は、エンジニアのプラスチック材料の選択に役立ちます。エンジニアは、ポリマーをベースとした部品を製造する产业用途におけるプラスチックの使用を理解することができます。プラスチックを適切に補強し、荷重を適切に分散させ、高性能ポリマーを正しく使用することで、エンジニアは製品におけるクリープの影響を軽減することができます。

配管、自动车、あるいは医療への応用であっても、エンジニアや設計者が適切な選択をすることで、適切な設計を開発できることをこの論文は示している。プラスチック部品の性能は、時間依存応力が長くかかる条件下でも、クリープに対する妥協をほとんどせずに向上させることができる。