射出成形の熱硬化性樹脂について
熱硬化性樹脂は熱や化学反応によって硬化するポリマー材料です。一度硬化すると加熱しても軟化せず、耐熱性や機械的強度に優れます。熱可塑性樹脂にはない耐熱性や難燃性を兼ね備えているため、近年は電気自動車の普及を背景にインバータのコンデンサ封止材やモーターコイル封止用、高電圧・高電流の絶縁部材などで需要が拡大しています。ここでは射出成形の熱硬化性樹脂について解説します。熱硬化性樹脂のメリット（耐熱性・耐燃性、機械的強度、電気絶縁性、化学耐性）およびデメリット（再加工が不可、成形時間の長期化、金型の摩耗）をはじめ、射出成形（インジェクション成形）で使用する熱硬化性樹脂の種類（フェノール樹脂 /PF、エポキシ樹脂/EP、メラミン樹脂/MF、尿素樹脂：ユリア樹脂/UF、不飽和ポリエステル樹脂 /UP、アルキド樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン/PUR、熱硬化性ポリイミド/PI）をご案内します。また、射出成形による熱硬化性樹脂の加工工程として金型（キャビティ）、加熱・溶融、充填・注入、冷却、硬化・固化、取り出しのそれぞれの内容をご紹介します。あわせて射出成形で熱硬化性樹脂を使用する際の成形条件としてシリンダー温度、スクリュー回転数、スクリュー背圧、射出圧力と射出時間、硬化温度と硬化時間に着目し、それぞれの適切な成形条件をご案内します。ほかにも熱硬化性樹脂を使用する射出成形以外の工法の中から圧縮成形とトランスファー成形について解説します。さらに射出成形で使用する熱硬化性樹脂以外の材料として熱可塑性樹脂についてご紹介します。
目次
射出成形材料の熱硬化性樹脂の特性
射出成形材料である熱硬化性樹脂の特性をご案内します。ここでは熱硬化性樹脂のメリットとして耐熱性・耐燃性、機械的強度、電気絶縁性、化学耐性について解説します。一方、デメリットとして再加工が不可、成形時間の長期化、金型の摩耗についてそれぞれの特性をご紹介します。
メリット
射出成形で熱硬化性樹脂を使用するメリットはさまざまですが、ここではその中から耐熱性・耐燃性、機械的強度、電気絶縁性、化学耐性に着目し、それぞれの特性をご紹介します。
耐熱性・耐燃性
熱硬化性樹脂は、高温環境でも形状を維持できる耐熱性・耐燃性を有しています。そのため射出成形によってエンジン周辺部品や電子機器の材料として使用されています。
機械的強度
熱硬化性樹脂は射出成形での硬化後、非常に強固となり機械的強度が高まります。あわせて衝撃や摩耗にも耐えるため、耐久性が求められるさまざまな製品に使用されています。
電気絶縁性
熱硬化性樹脂は電気絶縁性に優れます。特にフェノール樹脂やエポキシ樹脂は他の熱硬化性樹脂を上回る絶縁性を有しています。これらの特性を生かし、フェノール樹脂やエポキシ樹脂は射出成形によって電気部品や回路基板などに幅広く使用されています。
化学耐性
熱硬化性樹脂は化学薬品に対する耐性が高い特長があります。そのため、腐食環境下でも性能を発揮できるのが強みで、射出成形によって様々な製品に加工されています。自動車用のキャリパーピストンなどに使用される場合もあります。
デメリット
射出成形材料としての熱硬化性樹脂はさまざまなメリット、強みがある半面、デメリットもいくつかあります。ここではデメリットの中から、再加工が不可、成形時間の長期化、金型の摩耗に着目し、それぞれの特性をご紹介します。
再加工が不可
熱硬化性樹脂は一度硬化すると再加工が不可となります。硬化後は再び軟化しないため、廃棄時のリサイクルが困難になるのもデメリットです。そのためリサイクル可能な材料開発や、部品の長寿命化による廃棄物削減などが課題となっています。
成形時間の長期化
熱硬化性樹脂は熱可塑性樹脂に比べ成形時間が長いというデメリットがあります。これは硬化のプロセスに時間を要するためで、結果として熱可塑性樹脂に比べ生産効率が低下する傾向があります。そのため熱硬化性樹脂をめぐっては、硬化時間の短縮化や新たな成形技術の応用が課題となっています。
金型の摩耗
熱硬化性樹脂は熱可塑性樹脂に比べ硬度が高いため、金型への負荷が大きくなります。そのため耐用ショット数は熱可塑性樹脂に比べ限定されます。対策としては耐摩耗性の高い金型材料を使用するのが効果的です。あわせて、熱硬化性樹脂を使用する金型は定期的なメンテナンスが熱可塑性樹脂に比べ重要となります。
射出成形（インジェクション成形）で使用する熱硬化性樹脂の種類
射出成形（インジェクション成形）で使用する熱硬化性樹脂の種類をご案内します。射出成形で使用する熱硬化性樹脂は主にフェノール樹脂（PF）とエポキシ樹脂（EP）などですが、ほかにもメラミン樹脂（MF）、尿素樹脂（ユリア樹脂、UF）、不飽和ポリエステル樹脂 （UP）、アルキド樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン（PUR）、熱硬化性ポリイミド、PI）などがあります。ここではフェノール樹脂（PF）、エポキシ樹脂（EP）、メラミン樹脂（MF）、尿素樹脂（ユリア樹脂、UF）、不飽和ポリエステル樹脂 （UP）、アルキド樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン（PUR）、熱硬化性ポリイミド（PI）のそれぞれの物質的特性をご紹介します。
フェノール樹脂（PF）
射出成形で使用する熱硬化性樹脂の種類のひとつ、フェノール樹脂（PF）は高温でも強度があるのが特長です。電気絶縁性や耐熱、断熱性に優れるほか、酸や溶剤、水に強く、安価であるため幅広く使用されています。着色しにくく、耐アルカリ性がないのも特長です。これらの特性を生かし、フェノール樹脂（PF）は電気部品などに射出成形で使用されています。
エポキシ樹脂（EP）
射出成形で使用する熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂（EP）は、絶縁性や耐アーク性、耐薬品性などがあります。金属やガラスとの相性が良いのも特長です。高価であるためフェノール樹脂と比べて使用機会は限定的ですが、プリント配線板や抵抗器・コンデンサの封止などの電子部品はエポキシ樹脂が使用されるケースが増えています。
メラミン樹脂（MF）
熱硬化性樹脂のひとつであるメラミン樹脂（MF）は傷がつきにくく色付けしやすいなどの特長があります。光沢があるのもメラミン樹脂の特長で、耐衝撃性や耐水性、電気絶縁性なども兼ね備えています。これらの特性を生かし、メラミン樹脂は食器類や電気器具、スイッチ類などに射出成形で加工されています。ただし、メラミン樹脂はひび割れしやすく、蒸気、熱水、強酸や強アルカリに弱く分解するので使用上の注意が必要です。
尿素樹脂（ユリア樹脂、UF）
熱硬化性樹脂のひとつ尿素樹脂（ユリア樹脂、UF）は電気絶縁性や耐アーク性に優れます。着色しやすく安価であるため、日用雑貨に広く使用されており、具体的には配線器具や照明器具、各種ボタンなどは尿素樹脂製が多く流通しています。麻雀牌や将棋の駒なども尿素樹脂が使用されています。蒸気、熱水、強酸や強アルカリに弱く、分解する特性もあります。
不飽和ポリエステル樹脂（UP）
熱硬化性樹脂である不飽和ポリエステル樹脂（UP）は不飽和ポリエステルをスチレンなどの架橋性モノマーに溶解したものです。不飽和ポリエステル樹脂は硬化後、機械的性質、電気的性質、耐水性、耐熱性、耐薬品性などに優れます。樹脂の粘度が低く、強化繊維への含浸性にも優れ、種々の成形方法に対応可能です。硬化時に揮発性の副生成物が無いのも特長となります。
アルキド樹脂
熱硬化性樹脂であるアルキド樹脂は、主に塗料に使われ、射出成形では一般的ではありませんが、金属への密着性に優れ、防食性を向上する性能もあります。 耐屈曲性、耐衝撃性、耐摩耗性などの機械的物性に加え、塗膜が強靭で付着性、耐候性、光沢、保色性に優れるため、ツヤ出しなど外観用としての性能に優れています。 ます。耐水性、耐溶剤性、耐熱性も兼ね備えています。
シリコーン樹脂
熱硬化性樹脂であるシリコーン樹脂は、低温から高温（-100℃～250℃）までの使用に耐え、紫外線や酸素に強く、耐候性にも優れます。また、広い温度範囲や高い電気絶縁性に加え、表面張力が低く、水を弾き、他の物質が付着しにくいなど、撥水性と離型性も有しています。毒性が低く食品衛生法にも適合する製品があり、医療・食品分野でも使われるなど、安全性も高い物質です。
ポリウレタン（PUR）
ポリウレタンは弾力性やクッション性に優れた合成ゴムの一種で、熱硬化性と熱可塑性の両タイプがあります。建築材の断熱フォームやシューズのソール、衣類など、さまざまな成形加工法を用いて、幅広い分野で使用されている素材です。弾力性のほかにも柔軟性や機械的強度、耐摩耗性、耐薬品性、耐候性にも優れます。一方、耐熱性に弱く、高温多湿の環境下では劣化が早まるのに加え、加水分解などによって徐々に分解されます。また空気中の窒素、紫外線、熱、微生物などの影響で徐々に分解する場合があります。
熱硬化性ポリイミド（PI）
熱硬化性樹脂である熱硬化性ポリミイドは、強度や耐熱性を向上させた高性能のエンジニアリング・プラスチックです。さらに優れた特性を持つものはスーパー・エンジニアリング・プラスチック（スーパーエンプラ）となります。熱硬化性ポリイミドは、圧倒的な耐熱性に加えて優れた機械特性や耐薬品性、電気絶縁性などを備えています。寸法安定性にも優れ、外的要因などによる寸法の変化が起こりにくい樹脂素材で、熱膨張性の小ささと熱収縮率の低さも特徴のひとつです。
射出成形による熱硬化性樹脂の加工工程
射出成形による熱硬化性樹脂の加工工程をご案内します。熱硬化性樹脂の射出成形と熱可塑性樹脂の射出成形は、原理的にはほぼ同じで実際の工程もよく似ています。ただし、材料の温度コントロールの面で射出装置に違いがあります。具体的には熱硬化性樹脂の射出成形では、ノズルから射出される材料の温度は高い場合でも130℃ほどで、半溶融状態となります。これは、硬化反応が進み過ぎて急速に流動性を失い、金型に完全に充填できなくなるのを防ぐためで、その場合、加熱シリンダー内の材料は予熱されているのみとなります。ここでは射出成形による熱硬化性樹脂の加工工程として金型（キャビティ）、加熱・溶融、充填・注入、冷却、硬化・固化、取り出しのそれぞれの内容をご案内します。
金型（キャビティ）
熱硬化性樹脂の射出成形で使用する金型は、熱可塑性樹脂を加工する金型と同じもので、成形品を囲んで凸部と凹部に分割されます。凸部はコア（Core）、凹部をキャビティー（Cavity）と呼び、合わせたときの隙間に溶かしたプラスチック樹脂を射出、充填します。代表的な金型構造としてはピンゲートタイプ、サブマリンゲートタイプ、サイドゲートタイプがあります。ピンゲートタイプは製品とランナーが自動で別れて出てくるため、製品取り出し後にランナーを処理する必要がないのが特長です。サブマリンゲートのようにランナーカット時のカスが発生しないメリットもあります。サブマリンゲートタイプは、ピンゲートタイプ同様、製品とランナーが自動で別れて出てくるため、製品取り出し後にランナーを処理する必要がない上、金型がコンパクトで安く作れるのが特長です。ゲート跡が側面に小さく付きますが、凸にならずピンゲートより目立ちません。サイドゲートタイプはゲートが大きく作れるため圧力損失が少なく、流動性の悪い材料に適しています。また、射出ユニットから製品までの距離を短く取れるため、ランナー重量を軽くできるのも特長です。
加熱・溶融
熱硬化性樹脂の射出成形では、熱可塑性樹脂と同様、原材料の加熱・溶融が極めて重要な工程となります。加熱・溶融工程では、射出成形機内の加熱筒、いわゆるシリンダーに設置されたノズルヒーターやバンドヒーター、温度センサーを用いて、樹脂を溶融状態に溶かします。その際、原料メーカーが推奨する参考標準温度に基づき、ゾーンごとに温度設定が行われ、適切に原材料を溶融し、液状にすることが重要です。熱硬化性樹脂は熱可塑性樹脂と異なり、一度、可塑化するともとの状態には戻りませんので工程では細心の注意が必要です。
充填・注入
熱硬化性樹脂を使った射出成形における樹脂射出注入・充填は、加熱して溶融させたプラスチック材料を金型内へ高速で圧入し、流し込む工程です。この工程では、金型のスプール、ランナー、ゲートを経て溶融樹脂が製品の形状をした空洞、いわゆるキャビティに流し込まれます。注入・充填の際は、溶融樹脂の圧力で金型が開かないよう、金型を強力に閉じる力、いわゆる型締め力が製品のスペックに合わせて求められます。
冷却
熱硬化性樹脂を使った射出成形では、保圧、加圧したのち、冷却・固化され、製品が形作られます。射出成形において冷却は、金型内の高温の溶融プラスチックを効率的に冷やして固めるプロセスです。熱硬化性樹脂はその性質上、冷却後に再加熱しても軟化しない、つまりリサイクル不可なのが熱可塑性樹脂との根本的な違いです。金型内部には金型を冷やすための冷却水が流れており、この冷却水が金型から熱を奪うことで溶融プラスチックを冷やす仕組みになっています。冷却水が機能しなくなると、製品の厚い部分、肉厚の部分が冷えにくくなり、変形や寸法誤差の原因になるので要注意です。反対に冷却しすぎると金型内で製品が収縮しすぎてしまいます。結果、金型から抜きにくくなったり、外観不良につながるので、固まるまで適切な冷却時間を確保することが重要です。
硬化・固化
熱硬化性樹脂の射出成形では、加熱によって化学反応、いわゆる架橋が促進され、硬化・固化します。一方、熱可塑性樹脂では冷却による固化となりますが、どちらも溶融した樹脂が金型内で目的の形に固まるプロセスです。熱硬化性樹脂は前述のとおり、一度固まると、再加熱しても軟化することはありません。この特性は、成形工程で利用され、最初の加熱の際、プラスチックは流動し、圧力下で金型キャビティを満たし、その後、一定の形状とサイズに固まります。
取り出し
熱硬化性樹脂の射出成形では、熱可塑性樹脂と同様、金型から成型品を取り出す工程が最終工程となります。金型には成形品を金型から抜くために必要な勾配が設計されています。そのうえで取り出し方法はいくつかありますが、吸盤で成形品を吸い付けて取り出す吸着式やメカハンドで成形品を挟んで取り出す機械チャック式などがあります。ロボットを使った自動取り出しはいくつものメリットがあり、具体的には自動化することで生産性の向上や省人化・自動化、不良率の改善、段取り時間の短縮、作業者の安全確保などが図られます。一方、ロボットを使わない自動落下式もあります。
射出成形で熱硬化性樹脂を使用する際の成形条件
射出成形で熱硬化性樹脂を使用する際の成形条件について解説します。射出成形で熱硬化性樹脂を成型するには、シリンダー温度、スクリュー回転数、スクリュー背圧、射出圧力と射出時間、硬化温度と硬化時間などが密接に関係します。ここではシリンダー温度、スクリュー（スクリュウ）回転数、スクリュー（スクリュウ）背圧、射出圧力と射出時間、硬化温度と硬化時間のそれぞれの条件について詳しくご紹介します。
シリンダー温度
射出成形で熱硬化性樹脂を加工する際のシリンダー温度は、滞留した材料の早期硬化を防ぐため低めに設定することが重要です。あわせてシリンダー後部から前部にかけて徐々に高くなるように温度勾配をつける必要があります。一般にノズル部、シリンダ前部、後部のそれぞれを別々に温度制御できるようになっているので適切な設定が求められます。
スクリュー回転数
射出成形で熱硬化性樹脂を加工する際のスクリュー回転数は、高いほど計量時間は短くて済みます。ただし、摩擦熱の発生により材料温度が高くなり早期硬化を招く恐れがあるので要注意です。そのため通常50pm程度に低くおさえ、シリンダ壁からの伝熱で温度制御できるような設定が必要となります。
スクリュー背圧
射出成形で熱硬化性樹脂を加工する際のスクリュー背圧は、スクリューの圧縮比が1程度に設定されているため、そのままの状態では毎回の可塑化量にバラツキが出てしまいます。したがって計量を確実に行うためスクリューに背圧をかけますが、一般にその値は数十万Pa程度が適当です。あまり高い背圧をかけると、ノズルから材料が押出される、いわゆる鼻たれ現象を起こすので要注意です。
射出圧力と射出時間
射出成形で熱硬化性樹脂を加工する際の射出圧力は、金型充てんには一般に100MPa近い高圧を必要とします。しかし、金型内では摩擦熱の発生により材料温度が急上昇するので流動性が増し、バリが出る場合があります。このため、射出直後より低圧（保圧）への切替えが必要です。また、高圧高速で金型内に充てんされた場合、成形材料中の木粉やガラス繊維などの繊維質充てん材が配向し、寸法安定性、機械的性質などに悪影響を及ぼす場合があるので要注意です。こうした配向現象は、ゲート断面積が小さいほど、また、射出圧力や射出速度が大きいほど著しくなります。したがってその軽減のため、成形条件ばかりでなく金型の設計や成形品のデザインにも十分注意を払う必要があります。
硬化温度と硬化時間
射出成形で熱硬化性樹脂を加工する際の硬化温度（金型温度）と硬化時間は、密接に関係しており、硬化温度に合せて硬化時間を設定するのが基本です。ただし、成形材料により適切な硬化温度範囲があるので、その範囲内に設定する必要があります。一方、成形品の厚みも硬化時間に影響しますが、熱硬化性プラスチックでは発熱反応の影響もあり、成形品の厚みが増してもそれほど硬化時間を長くとる必要はありません。
熱硬化性樹脂を使用する射出成形以外の工法
熱硬化性樹脂を使用する射出成形以外の工法をご紹介します。熱硬化性樹脂を使用する射出成形以外の工法は、圧縮成形やトランスファー成形が一般的です。ここでは圧縮成形とトランスファー成形のそれぞれの技術的特性をご紹介します。
圧縮成形
圧縮成形は、熱硬化性樹脂を主に使用する成型法です。代表的な材料としては、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂などを使用します。圧縮成形では流動性のある熱硬化性樹脂を金型に入れたのち、圧力を加えて金型内に充填させます。金型内は、キャビティと呼ばれる材料を成形するための隙間があり、充填した材料に圧力をかけることで目的の形状にします。ここから金型の温度を200℃程度まで加熱し、熱硬化性樹脂を固めて成形します。
トランスファー成形
トランスファー成形は、プランジャー内でいったん加熱して軟化させた材料を狭い材料の通り道、いわゆるゲート・スプルー・ランナーなどから加熱されたキャビティの中に押し込んで、金型内で硬化させる成型方法で、主に熱硬化性樹脂の成形に使用されます。トランスファー成形は圧縮成形および射出成形と比べ、注入時にランナーやゲート部で摩擦熱によって発熱するため、硬化時間が短いのがメリットです。また、均一硬化により寸法精度の高い製品ができるのに加え、軟化した材料が注入されるのでインサートを痛めません。さらにバリが薄く、仕上げが簡単かつ多数個取りが容易で、肉厚の成形品や複雑な形状の製品も比較的容易に成形できるなどの特長があります。
射出成形で使用する熱硬化性樹脂以外の材料－熱可塑性樹脂
射出成形以外で使用する熱硬化性樹脂以外の材料として熱可塑性樹脂について解説します。射出成形では熱硬化性樹脂よりも熱可塑性樹脂が使用されるケースが多くを占めます。三光ライト工業ではポリプロピレン（PP）やポリエチレン（PE）、ABS（アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン共重合合成樹脂の総称）、アクリル樹脂（メタクリル酸メチルエステル：PMMA）などを使用しています。ここでは、ポリプロピレン（PP）、ポリエチレン（PE）、ABS（アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン共重合合成樹脂の総称）、アクリル樹脂（メタクリル酸メチルエステル：PMMA）それぞれの特性をご紹介します。
ポリプロピレン（PP）
射出成形材料のひとつ、ポリプロピレン（PP）は汎用樹脂の中で、最高の耐熱性を誇るのに加え、強度が高く、耐薬品（酸、アルカリを含む）性に優れ、吸湿性が無いといった特長も兼ね備えています。ポリプロピレンはこれらの特性を生かし文具、紙幣、自動車部品、包装材料、繊維製品、プラスチック部品、種々の容器、実験器具、スピーカーのコーンなど幅広い用途で使用されています。
ポリエチレン（PE）
射出成形材料のひとつ、ポリエチレン（PE）は、安価で加工性が極めて高いプラスチック原料で、全プラスチックの内、使用量のシェアはトップクラスです。 射出成形のほかにもブロー成形、インフレーション成形など様々な方法で加工され、日用品から工業品まで幅広く使用されています。
ABS（アクリロニトリル、ブタジエン、スチレン共重合合成樹脂の総称）
射出成形材料のひとつ、ABSはアクリロニトリル（Acrylonitrile）、ブタジエン（Butadiene）、スチレン（Styren）共重合合成樹脂の総称です。ABSは熱可塑性でグレードにより耐熱温度は70～100℃まで上がります。車の部品やカーナビ、電化製品、プラモデルなどに幅広く使用されています。
アクリル樹脂（メタクリル酸メチルエステル：PMMA）
射出成形材料のひとつ、アクリル樹脂（PMMA）は耐衝撃性、透明性、加工性、耐候性などに優れ、光学部品関係では眼鏡用プラスチックレンズ、コンタクトレンズ、光学レンズ、プリズム、照明部品、電気・電子部品では照光用キートップ、バックライトパネル、携帯電話用導光板、自動車部品ではメーターカバーやテールランプ、ヘッドランプカバーなど様々な製品に使用されています。
射出成形は三光ライト工業にお任せください
射出成形以外は三光ライト工業にお任せください。弊社は射出成形のみならず真空成形にも対応可能なほか、2色成形、LIM成形といった特殊技術も得意としています。なお弊社はプレス金型には対応しておりません。材料のペレット、金型のガス抜きなどプラスチック成形のことであれば何でも弊社にご相談ください。ご連絡お待ちしています。
