プラスチック材料に対する極低温の影響

極低温と高性能プラスチック

極低温学は、非常に低温での材料の生産と挙動の研究です。極低温環境は-150°C未満の温度を示します。多くの現代産業は、さまざまな用途で極低温を使用しています。これらのアプリケーションのいくつかには、極低温燃料、宇宙船のハードウェア、および医療および生物科学用の機械が含まれます。アプリケーションには、冷凍庫と磁気共鳴画像法（MRI）、粒子加速器、超伝導磁石などがあります。 CurbellPlastics®は最近、いくつかの一般的な高性能プラスチックに対する極低温の影響に関するキース・ヘクテル博士によるホワイトペーパーを発表しました。この記事では、ホワイトペーパーの要点のいくつかを簡単に要約します。

機械的特性

一般的に言えば、すべての材料は、極低温にさらされると、より高い硬度と剛性を示します。たとえば、PTFEの圧縮弾性率は、室温から20°K（-424°F）に冷却されると、100kpsiから900kpsiに増加します。ただし、極低温の材料はよりもろくなり、アイゾット衝撃強度と引張伸びが低くなります。引張伸びは、スナップする前に材料が圧力下でどれだけ曲がるかを表します。プラスチックはすでに多くの金属よりも折れやすい傾向があります。したがって、大きな圧力や衝撃を受ける極低温環境の設計でプラスチックを使用する場合は、特別な予防措置を講じる必要があります。

熱特性

極低温用途のプラスチック部品を設計するときは、プラスチックの高いCTEまたは熱膨張係数を考慮することが重要です。基本的に、プラスチックは、冷却すると他の材料よりも収縮し、加熱すると膨張する傾向があります。たとえば、材料が室温からほぼ0°Kに冷却されると、PTFEは2.2％収縮しますが、アルミニウムは0.5％未満収縮します。この収縮は、金属部品とプラスチック部品を密接に接触させたままにする必要があるアプリケーションで実際の問題を引き起こす可能性があります。ヘヒテルはまた、炭素繊維とガラス繊維を使用してこの収縮の問題を軽減できると指摘しています。

摩擦と摩耗

鋼の耐摩耗性を高めるために、1960年代から極低温処理または硬化が使用されてきました。同じ基本原則がプラスチックにも適用されます。一般的に言えば、材料が硬いほど、摩擦と摩耗は低くなります。ヘヒテルは、運動靴とドレスシューズの例を使用しています。運動靴は靴底が柔らかく、地面との摩擦が大きくなっています。プラスチックは温度が下がると硬くなり、摩擦が少なくなります。たとえば、プラスチックベアリングには、潤滑剤がなくても優れた耐摩耗性を示すという追加の利点があります。この特性は、極低温で特に重要です。多くのオイルやその他の潤滑剤は、これらの非常に低い温度では効果が低下する可能性があります。