転移温度（Tg）とは？
ガラス転移温度（Tg）とは、ポリマーが硬くガラス状の状態から、柔らかくゴム状の状態へ移行する温度です。Tgを超えると、ポリマーは柔軟になり、流動性を示すようになります。この温度を下回ると、より硬く、変形しにくくなります。
Tgに影響する要因
ポリマーのTgには、さまざまな要因が影響します。
分子量は重要な要因であり、分子量が大きいほどTgが高くなる傾向があります。分子間力も関係します。分子間力が強いほどポリマー鎖が動きにくくなり、Tgが上昇します。
可塑剤を加えると、Tgを下げることができます。ポリマー鎖同士が滑りやすくなるためです。一方、充填材を加えると動きが制限され、Tgが上昇する場合があります。熱履歴も影響します。ポリマーを何度も加熱・冷却すると、Tgが変化することがあります。
融点（Tm）とは？
ポリマーを加熱すると、結晶領域が固体から液体へと変化します。この融解は融点（Tm）で起こります。ポリマーの結晶構造や結合の強さが異なるため、Tmは材料によって異なります。結晶性ポリマーでは結晶構造がより規則的であるため、明確な融点を示します。
分子量と構造の影響
ポリマーの分子量は融点に大きく影響します。分子量の大きいポリマーは、通常Tmも高くなります。分子量が大きいほど鎖の絡み合いが増し、ポリマー鎖が動いて溶融しにくくなるためです。
分子構造も影響します。直鎖状ポリマーは鎖が密に並ぶため、分岐ポリマーより明確なTmを示す場合があります。結晶の完全性や鎖の配向もTmに影響し、配向が整うほど温度は高くなります。
TgとTmの違い
| 特性 | ガラス転移温度（Tg） | 融点（Tm） |
|---|---|---|
| 変化の種類 | 相変化を伴わない二次転移。物理的性質のみが変化 | 固体から液体への一次相転移 |
| 材料の種類 | 非晶性材料および半結晶性材料で発生 | 結晶性材料で発生 |
| 状態の変化 | 相を変えずにガラス状態からゴム状態へ移行 | 固相から液相へ移行 |
| 分子構造 | 分子配列に変化はなく、非晶状態を維持 | 結晶構造が完全に崩れる |
| 可逆性 | 完全に可逆な過程 | 可逆的な相変化 |
| 温度範囲 | 一般にTmより低い温度で発生 | 通常、Tgより高い |
| 影響要因 | – ポリマーの化学構造 – 分子量 – 可塑剤の含有量 – 柔軟性 |
– 圧力 – 化学結合 – 分子の形状と大きさ – 分子の充填状態 |
| 測定方法 | 通常、示差走査熱量測定で測定 | 特定の圧力（通常は標準圧力）で測定 |
| 産業上の重要性 | ポリマーの加工や用途において重要 | 材料選定や加工において重要 |
| 物理状態 | 材料は固体のまま、柔軟・ゴム状になる | 材料が完全に液体へ変化 |
| エネルギー変化 | 徐々に軟化する | 完全な相転移を伴う |
| 用途への影響 | 材料の柔軟性と加工条件を左右する | 材料の耐熱性と加工限界を左右する |
| 加熱速度への依存性 | 加熱速度の変化により影響を受けやすい | 加熱速度の変化による影響が比較的小さい |
TgとTmがポリマーの分類を決める仕組み
熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂：TgとTmは、これらの分類を見分ける手がかりになります。熱可塑性樹脂はTgとTmの両方を持ち、加熱すれば何度でも成形し直すことができます。一方、熱硬化性樹脂は高温で架橋し、冷却すると形状が固定されます。Tgはありますが、溶融しないため一般的なTmはありません。
結晶化度と特性：結晶化度の高いポリマーは明確で鋭いTmを示し、一般に機械的強度も高くなります。非晶成分が多いポリマーはTgが顕著で、柔軟性に優れる一方、構造剛性は低くなります。
金型製作におけるTgとTm
ガラス転移温度（Tg）と融点（Tm）は、射出成形および金型鋳造工程における重要なパラメーターです。加工条件と最終製品の品質に直接影響するためです。加工温度がTgを下回ると、ポリマーは硬く脆い状態のままになり、柔軟性が限られるうえ、成形中に破損するリスクが高まります。その結果、ひび割れや金型キャビティへの充填不足などの欠陥が生じ、成形品の品質が損なわれる可能性があります。
一方、Tmはポリマーを完全に溶融させるために必要な温度の上限を定め、材料が金型キャビティ内へ適切に流れ込むようにします。温度がTmを超えると、ポリマーが劣化または分解し、材料特性の低下や最終製品の欠陥につながるおそれがあります。
加工温度がTg付近、またはそれを超えると、材料特性は大きく変化することがあります。ポリマーはより柔軟になり、破損せずに変形しやすくなるため、流動性が向上し、複雑な形状の金型にも充填しやすくなります。ただし、高温によって熱酸化や分子鎖切断など新たな劣化メカニズムが生じ、成形品の機械的強度や熱安定性を含む全体的な品質に悪影響を及ぼす可能性もあります。
TgとTmの影響は加工温度にとどまらず、成形工程の冷却やサイクルタイムにも及びます。冷却中に温度がTgに近づくと、材料はゴム状態からガラス状態へ移行し、冷却速度やサイクルタイムに影響することがあります。冷却が速すぎると、最終製品に内部応力や反りが生じる可能性があります。一方、冷却時間を長くすると、半結晶性ポリマーの結晶化が進み、機械的特性が向上する場合があります。
また、TgとTmは加工中の熱伝導率、透明性、機械的性能など、さまざまな材料特性にも影響します。たとえば、Tgを超える温度で加工したポリマーは、成形中に加わる応力により適切に対応できるため、熱的・機械的特性が向上する傾向があります。最終製品が機械的負荷や熱サイクルにさらされる用途では、特に重要です。
TgとTmの影響を受ける重要な加工パラメーターには、射出速度、金型壁面温度、保圧、複合材料における繊維配向があります。材料を適切に流動させ、望ましい物理特性を保ち、安定した成形品品質を実現するには、これらのパラメーターを慎重に管理する必要があります。たとえば、ショートショットや過剰なバリなどの欠陥を防ぎながら金型を効果的に充填するには、最適な射出速度が必要です。
信頼性の観点からも、温度管理の重要性は明らかです。加工中にTgを超えると、脆性の増加や耐衝撃性の低下など、新たな故障メカニズムが生じ、成形品の電気的・機械的特性に悪影響を与える可能性があります。その結果、最終製品の長期的な信頼性や性能にも影響が及び、特に過酷な条件下で使用される用途では問題となります。
一般的なプラスチック射出成形材料のTg
以下の表に、各種プラスチック射出成形材料のガラス転移温度（Tg）を摂氏で示します。
| 材料 | Tg（°C） |
|---|---|
| 汎用ポリスチレン（GPPS） | 100 |
| 高密度ポリエチレン（HDPE） | -120 |
| 液晶ポリマー（LCP） | 120 |
| 液状シリコーンゴム（LSR） | -125 |
| ポリカーボネート（PC） | 145 |
| ポリエーテルエーテルケトン（PEEK） | 140 |
| ポリエーテルイミド（PEI） | 210 |
| ポリメチルメタクリレート（PMMA） | 90 |
| ポリプロピレン（アタクチック）（PP） | -20 |
| ポリフェニレンサルホン（PPSU） | 90 |
| ポリサルホン（PSU） | 190 |
| シンジオタクチックポリスチレン（SPS） | 100 |
一般的な射出成形材料のTm
| 材料 | Tm（°C） |
|---|---|
| ポリエチレン（PE） | 120-130 |
| ポリプロピレン（PP） | 160-170 |
| ポリ塩化ビニル（PVC） | 75-105 |
| ポリスチレン（PS） | 240 |
| ポリカーボネート（PC） | 260 |
| アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ABS） | 220-240 |
| ナイロン6（ポリアミド6） | 220 |
| ナイロン66（ポリアミド66） | 260 |
| ポリエーテルエーテルケトン（PEEK） | 343 |
| 液晶ポリマー（LCP） | 350-400 |
| 熱可塑性エラストマー（TPE） | 230-260 |
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