機械材料の基礎：ポリアセタール

ポリアセタールは、化学名をポリオキシメチレンと言い、その英語名の頭文字をとってPOMという略称で広く知られる熱可塑性樹脂です。炭素と酸素が交互に結合した単純かつ強固な分子構造を持ち、汎用エンジニアリングプラスチックの五大樹脂の一つに数えられます。

金属に匹敵する機械的強度と優れた耐疲労性を持つことから「プラスチックの金属」という異名を持ち、歯車や軸受、ねじ、バネといった機械要素部品の材料として、現代の産業界において代替の利かない地位を確立しています。自動車のドアロック機構からファスナー、ライターの着火レバー、そしてプリンターの内部ギアに至るまで、私たちの生活はポリアセタール製の部品によって支えられています。

分子構造と結晶性の科学

ポリアセタールの基本骨格は、ホルムアルデヒドが重合してできたオキシメチレン基の連鎖です。この分子鎖は、極めて規則正しい配列を持っています。

高い結晶化度

ポリアセタールの最大の特徴は、その高い結晶性にあります。分子鎖が単純で立体的障害が少ないため、溶融状態から冷却されると、分子同士が急速かつ密に整列し、結晶化します。結晶化度はホモポリマーで70パーセントから80パーセント、コポリマーでも60パーセントから70パーセントに達します。この高い結晶化度が、ポリアセタールの高い剛性、硬度、そして優れた耐溶剤性を生み出す根源です。同時に、結晶部分と非結晶部分の屈折率の違いにより光が散乱するため、製品は乳白色の不透明な外観を呈します。

自己潤滑性の発現

分子構造が単純であり、極性が適度であるため、表面エネルギーが低く、平滑な表面を形成しやすい性質があります。これにより、他の物質との摩擦係数が低く、優れた自己潤滑性を示します。また、分子鎖の柔軟性が高いため、微視的な接触点において適度に変形し、摩耗を抑制します。この特性により、無潤滑すなわちオイルレスでの摺動部品としての適性が極めて高い材料となっています。

ホモポリマーとコポリマーの技術的差異

ポリアセタールには、製造プロセスと化学構造の違いにより、ホモポリマーとコポリマーという二つのタイプが存在します。これらは似て非なる材料であり、用途に応じて厳密に使い分けられます。

ホモポリマー

ホルムアルデヒドの単量体を重合させて作られる、オキシメチレン基のみで構成された重合体です。デュポン社のデルリンがその代表格です。分子鎖が完全に規則的であるため、結晶化度が極めて高く、機械的強度、剛性、耐疲労性に優れています。しかし、末端基が熱的に不安定であり、加熱するとそこから分解が始まる、いわゆるジッパー分解を起こしやすい欠点があります。そのため、無水酢酸などで末端をエステル化して封止する安定化処理、エンドキャッピングが必須となります。

コポリマー

トリオキサンを主モノマーとし、これにエチレンオキシドなどのコモノマーを少量共重合させたものです。セラニーズ社のジュラコンなどがこれに該当します。分子鎖の中に、熱的に安定な炭素－炭素結合がランダムに挿入されています。万が一、熱分解が始まっても、この炭素－炭素結合の部分で分解反応が停止するため、熱安定性が非常に高くなっています。結晶化度はホモポリマーより若干劣るため、強度はやや低いですが、成形加工時の熱安定性や、耐アルカリ性、長期的な耐久性に優れており、市場流通量の大半はこのコポリマーが占めています。

機械的特性とバネ特性

ポリアセタールが機械要素として重宝される最大の理由は、プラスチックでありながら、バネのような弾性回復力と、繰り返し荷重に耐える疲労強度を持っている点にあります。

クリープ特性と応力緩和

プラスチックに一定の荷重をかけ続けると、時間とともに変形が増大するクリープ現象が発生します。また、一定の変形を与え続けると、反発力が低下する応力緩和が発生します。ポリアセタールは、高い結晶性により分子鎖の滑りが抑制されているため、汎用プラスチックの中で最も優れた耐クリープ性を示します。これは、圧入部品やスナップフィット、樹脂バネとして長期間機能を維持するために不可欠な特性です。

疲労破壊への抵抗力

繰り返しの曲げや引張荷重がかかる環境において、ポリアセタールは卓越した耐久性を示します。金属材料と同様に疲労限度が存在し、ある一定以下の応力であれば、半永久的に破壊されません。この特性と自己潤滑性を併せ持つことが、プラスチック歯車やキーボードのスイッチ部品、ファスナーの開閉機構など、数百万回から数億回の作動が求められる部品に採用される理由です。

粘り強さとタフネス

引張強度は高いものの、衝撃強度はポリカーボネートなどに比べると劣ります。特にノッチ（切り欠き）がある場合、そこに応力が集中して脆性破壊を起こしやすい、ノッチ感度が高い材料です。したがって、設計時にはコーナーに十分なアール（丸み）を設け、応力集中を避ける形状設計が強く推奨されます。

トライボロジーと摩耗メカニズム

歯車や軸受として使用されるポリアセタールにおいて、摩擦・摩耗特性は最も重要な評価項目です。

相手材との相性

ポリアセタールは、鋼やアルミニウムなどの金属材料に対して低い摩擦係数を示します。さらに、ポリアセタール同士の摺動においても、焼き付きや凝着を起こしにくいという特異な性質を持っています。一般に、同種材料同士の摩擦は凝着摩耗を起こしやすいためタブーとされますが、ポリアセタールは結晶性が高く表面が硬いため、凝着が起こりにくいのです。ただし、高荷重・高速条件では発熱により表面が溶融する危険があるため、異種材料あるいは潤滑グレードの選定が必要です。

転写膜の形成

摺動初期において、ポリアセタールの表層が微量に摩耗し、相手材の表面に薄い膜となって付着することがあります。これを転写膜と呼びます。この膜が形成されると、実質的にポリアセタール同士の摩擦となり、摩擦係数が安定し、相手材の摩耗を防ぐ効果を発揮します。

摺動音の問題

ポリアセタール同士、あるいはABS樹脂などと擦れ合う際に、キシミ音と呼ばれる不快な高周波音が発生することがあります。これはスティックスリップ現象に起因します。これを防ぐために、PTFE（テフロン）やシリコーンオイル、特殊なワックスを配合した摺動グレードが多数開発されており、静音性が求められるAV機器や自動車内装部品に使用されています。

熱的・化学的特性

ポリアセタールの耐熱性と耐薬品性は、その化学構造に依存しています。

耐熱性と熱分解

融点はホモポリマーで約175度、コポリマーで約165度です。熱変形温度も高く、短時間であれば融点近くまで形状を維持できます。しかし、連続使用温度は摂氏80度から100度程度が目安となります。これを超えると、空気中の酸素による酸化劣化や、熱による分子鎖の切断が進行します。特に注意すべきは、加工時や火災時の熱分解です。ポリアセタールが燃焼あるいは分解すると、原料であるホルムアルデヒドガスが発生します。これは強い刺激臭と毒性を持つため、成形現場での換気は重要です。

耐薬品性と環境応力亀裂

有機溶剤に対しては極めて強く、ガソリン、潤滑油、アルコールなどにはほとんど侵されません。常温でポリアセタールを溶かす溶剤は存在しないと言われています。一方で、強酸に対しては弱く、分子鎖が酸加水分解されてボロボロになります。また、コポリマーは耐アルカリ性に優れますが、ホモポリマーはアルカリによっても劣化する場合があります。界面活性剤や油がついた状態で応力がかかると割れる環境応力亀裂（ソルベントクラック）に対しては、結晶性樹脂であるため非常に強い耐性を持っています。

成形加工の技術的要点

ポリアセタールは射出成形が容易な材料ですが、その高い結晶性に由来する特有の難しさがあります。

大きな成形収縮率

溶融状態から固体になるとき、結晶化によって体積が大幅に減少します。その収縮率は約2.0パーセントにも達し、非晶性樹脂の0.5パーセント程度と比較して非常に大きいです。このため、金型設計時にはこの収縮を見込んだ寸法補正が必要です。また、成形条件（樹脂温度、金型温度、保圧）によって収縮率が変動しやすいため、精密な寸法管理には高度な成形技術が求められます。

ヒケとボイド

厚肉の成形品では、表面が凹むヒケや、内部に空洞ができるボイドが発生しやすくなります。内部の樹脂がゆっくり冷えて結晶化し、体積が収縮する際、先に固まった表面層に引っ張られることで発生します。これを防ぐには、製品肉厚を可能な限り均一にし、リブやボスなどの裏面形状を工夫する設計上の配慮が不可欠です。

クリーニングとパージ

成形機の中にポリアセタールが長時間滞留すると、熱分解を起こしてガス化し、最悪の場合はシリンダー内で爆発的に圧力が上昇する危険があります。また、難燃剤入りの樹脂やPVC（塩化ビニル）などと混ざると、化学反応で分解が促進されることがあります。したがって、材料替えの際には、ポリエチレンなどのパージ材を用いてシリンダー内を完全に洗浄することが鉄則です。