POM材料の基礎知識：ヤング率とポアソン比を徹底解説

2025年2月10日

「POM材料についてもっと知りたいけれど、ヤング率やポアソン比がどういうものか分からない……」そんな悩みを抱えている方は多いのではないでしょうか？そこで、私たちは「POM材料の基礎知識」ガイドを作成しました。

このガイドは、以下のような方にぴったりです。

POM材料って何？その特性について知りたい。
ヤング率やポアソン比の意味を理解したい。
POM材料の選定や使用において、これらの物理的特性がどのように影響するのかを学びたい。

POM（ポリオキシメチレン）材料は、耐久性や加工性に優れた特性を持ち、多くの産業で幅広く利用されています。しかし、その特性を深く理解するためには、ヤング率やポアソン比といった基礎知識が必要です。この文章では、POM材料の基礎から、これらの物理的特性がどのように関連しているのかを詳しく解説します。

これを読めば、POM材料についての理解が深まり、実際の応用にも自信を持って臨めるようになるでしょう。さあ、POM材料の世界に一歩踏み出してみませんか？

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1. POM材料　基礎知識　ヤング率　ポアソン比とは

1-1. POM材料の基本特性

POM（ポリオキシメチレン）樹脂は、優れた機械的特性を持ち、特に耐摩耗性と強度に優れたエンジニアリングプラスチックです。硬度が高く、摩擦係数が低いため、機械部品や精密部品に広く使用されています。その他の特性としては、低吸水性、優れた化学的安定性、良好な寸法安定性があり、湿度や水分の影響を受けにくいのが特徴です。このため、自動車部品や電子機器部品、精密機器の部品などに使用されています。

1-2. ヤング率の定義と重要性

ヤング率（Young’s Modulus）は、材料の剛性を表す物理的な定数で、材料がどれだけ変形しにくいかを示します。ヤング率が高いほど、外力が加わった際に材料は変形しにくくなります。POM材料の場合、ヤング率は約2.7〜3.2 GPa（ギガパスカル）であり、金属に比べると低いですが、軽量かつ剛性が求められる部品において十分な特性を発揮します。

ヤング率は以下の公式で表されます：
[
E = \frac{\text{応力}}{\text{ひずみ}}
]
ここで、応力は材料に加えられた力、ひずみは材料の変形量を指します。ヤング率が高い材料は、少ない力で大きく変形することが難しく、強度が高いと言えます。

1-3. ポアソン比の定義とその影響

ポアソン比（Poisson’s Ratio）は、材料が引張や圧縮などの力を受けたときに、材料の横方向のひずみと縦方向のひずみの比率を示す物理的な定数です。一般的に、ポアソン比は0から0.5の範囲に収まります。

POM材料のポアソン比はおおよそ0.35前後です。これは、材料が縦方向に引き伸ばされるとき、横方向には縮む傾向があり、その縮み具合を示しています。ポアソン比が高いほど、横方向の変形が大きくなります。

ポアソン比の影響としては、材料が力を受ける際の挙動に大きな関わりがあります。例えば、ポアソン比が高い材料は、圧縮に対してより柔軟に反応しますが、その分、変形量も大きくなるため、設計においては適切な材料選定が求められます。

2. POM材料のヤング率とポアソン比の具体的数値

2-1. POM材料のヤング率の数値

POM（ポリオキシメチレン）材料のヤング率は、通常約2.7〜3.2 GPa（ギガパスカル）程度です。この値は、POMが持つ剛性を示しており、比較的高い剛性を持つプラスチック材料として位置付けられています。金属材料に比べるとやや低いですが、軽量で高い強度を求められる用途には非常に適しています。

2-2. POM材料のポアソン比の数値

POM材料のポアソン比は、一般的に0.35程度とされています。この数値は、POMが力を受けたときの横方向の変形と縦方向の変形の比率を示しており、比較的バランスの取れた変形特性を持っています。ポアソン比が0.5に近い場合、材料は非常に柔軟で、横方向にも大きく変形しますが、POMの0.35という値は、引張や圧縮に対して適度な柔軟性を持ちながらも、強度を保つ特性が特徴です。

2-3. 他のプラスチック材料との比較

POMのヤング率やポアソン比は、他のプラスチック材料と比較すると、特に耐摩耗性や機械的強度を重視する場面で優れた特性を発揮します。

ABS樹脂: ヤング率が約2.3 GPa、ポアソン比は0.33〜0.34と比較的低いため、POMよりも柔軟性があります。ABSは衝撃に強いが、摩擦に対してはPOMの方が優れています。
ナイロン（PA）: ヤング率は2.5〜3.5 GPa、ポアソン比は0.34程度で、POMと非常に近い特性を持っていますが、ナイロンは吸湿性が高いため、湿気環境下での性能がPOMに劣ることがあります。
ポリカーボネート（PC）: ヤング率は約2.3 GPa、ポアソン比は0.37であり、POMよりもやや低いですが、透明性や衝撃吸収性に優れています。

これらと比較すると、POMは強度と耐摩耗性を重視した使用環境に適した素材です。

3. 応力と変形の関係

3-1. 応力とは何か

応力は、材料に外部から力が加わることによって生じる内部の力を指します。単位面積あたりにかかる力として定義され、通常、パスカル（Pa）やメガパスカル（MPa）などで表されます。応力は材料に与える力の大きさを示し、変形の度合いを決定する重要な要素です。応力には主に引張応力、圧縮応力、せん断応力があり、材料が受ける外的な力の種類によって異なる反応を示します。

3-2. 変形のメカニズム

変形は、材料が外部からの応力を受けて形状を変える現象です。変形のメカニズムには、弾性変形と塑性変形があります。

弾性変形: 応力が材料の弾性限界内で作用する場合、材料は元の形状に戻ります。この変形は一時的なもので、応力を除去すると材料は元に戻ります。
塑性変形: 応力が材料の弾性限界を超えると、材料は永久的な変形を受け、元の形状には戻りません。これは、材料の構造が変化し、不可逆的な変形が進むことによります。

変形は材料の内部構造によって異なり、金属やプラスチックなど異なる材料で挙動が異なるため、設計においては材料ごとの特性を理解しておくことが重要です。

3-3. ポアソン比の計算方法と実例

ポアソン比は、材料が伸びたときに横方向にどれだけ縮むかを示す比率です。計算方法は次の通りです：

[
\text{ポアソン比} (\nu) = – \frac{\Delta d / d}{\Delta l / l}
]

ここで、

(\Delta d) は横方向の変形量
(d) は横方向の元の長さ
(\Delta l) は縦方向の変形量
(l) は縦方向の元の長さ

例えば、ある材料に引張り力を加え、縦方向に10mmの変形（(\Delta l = 10 \, \text{mm})）、横方向に1mmの変形（(\Delta d = 1 \, \text{mm})）が観察されたとします。元の長さが縦横ともに100mmの場合、ポアソン比は次のように計算されます：

[
\nu = – \frac{1 \, \text{mm} / 100 \, \text{mm}}{10 \, \text{mm} / 100 \, \text{mm}} = – \frac{0.01}{0.1} = 0.1
]

このように、ポアソン比が0.1ということは、材料の縦方向に10mmの変形があった場合、横方向に1mmの縮みが発生することを意味します。ポアソン比が高いほど、横方向の変形が大きくなることを示しています。

4. 樹脂流動解析に必要な材料データ

4-1. POM材料の流動特性

POM（ポリアセタール）樹脂は、その優れた機械的特性と耐摩耗性により、多くの工業用途で使用されます。樹脂流動解析を行う際に必要なPOM材料の流動特性は、以下の要素に関連しています：

粘度: POMの粘度は、温度やせん断速度に依存し、成形中の流動特性に大きく影響を与えます。温度が高いほど粘度は低下し、流動性が増しますが、冷却過程では逆に粘度が上昇します。
流動指数: POM樹脂は、加工条件に応じて流動性が変化します。流動指数は、この変化を定量的に表すもので、流動解析において重要なパラメータです。流動指数が高いほど、材料は高温で流動しやすくなります。
溶融温度: POMの溶融温度は通常、180〜230°Cの範囲で、成形における温度管理は流動性に直接影響します。溶融温度が適切でないと、材料が適切に流れず、欠陥を引き起こす可能性があります。
収縮率: 成形後に冷却されると、POMは収縮します。この収縮率のデータは、金型設計や製品の寸法精度を決定するために必要です。

これらの流動特性を考慮することで、成形の精度や効率を高めることができます。

4-2. 流動解析におけるデータの活用法

樹脂流動解析は、材料が金型内を流れる様子をシミュレーションするために用いられます。POM材料を使用する場合、以下のデータを活用することで、より精度の高い解析が可能です：

粘度曲線: さまざまな温度やせん断速度における粘度を示すデータを活用することで、成形中の流動特性を予測できます。これにより、適切な温度設定や金型設計が可能になります。
流動速度と圧力: 材料が金型内を流れる速度や圧力のデータは、流動解析の結果として出力されます。これにより、冷却ラインの設計や成形サイクルの最適化が行えます。
冷却プロファイル: 成形後の冷却過程における温度分布データを使って、冷却時間や金型設計の調整を行います。冷却の均一性を保つことは、製品の品質向上に直結します。
収縮率の計算: POM材料の収縮率データを流動解析に組み込むことで、最終的な製品の寸法精度を高めることができます。これにより、金型設計時に必要な補正を行うことができます。

これらの材料データを活用することで、流動解析は単なるシミュレーションにとどまらず、製品設計や成形プロセスの最適化に役立つ貴重な情報を提供します。

5. POM材選定時の考慮すべき特性

5-1. 強度と剛性のバランス

POM（ポリアセタール）樹脂は、優れた強度と剛性を提供しますが、特に設計時に考慮すべきポイントは、強度と剛性のバランスです。POMは強度が高いだけでなく、比較的低い密度と優れた耐摩耗性を持っているため、機械的な負荷がかかる部品に適しています。しかし、過剰に強度や剛性を求めすぎると、逆に脆くなってしまう場合もあるため、用途に応じて適切なバランスを取ることが重要です。

強度と剛性が必要な場合、特に構造部品や機械部品では、POMの強度を最大限に引き出すための設計が求められます。逆に、柔軟性が求められる部品には、強度と剛性を若干抑える選択が有効です。このバランスを取るためには、使用するPOMのグレードや成形方法の選定が重要な要素となります。

5-2. 耐熱性と耐薬品性

POM樹脂は、耐熱性が良好ですが、特定の条件下で劣化する可能性もあります。POMの耐熱温度は約90〜100°C程度であり、熱環境で使用する場合には、この範囲を超えないようにする必要があります。高温環境においても安定した性能を発揮させるためには、POMの耐熱性に特化したグレードを選定することが推奨されます。

また、POMは耐薬品性が非常に高い素材であり、多くの化学薬品や溶剤に耐性があります。酸やアルカリにも強いですが、酸化剤や強酸には注意が必要です。耐薬品性を重視する用途では、POM樹脂を選択することで、化学的な腐食に対する耐性を確保できますが、使用する環境に応じて、耐薬品性の特性を詳細に確認することが重要です。

5-3. 他の材料との比較ポイント

POMは、他の樹脂材料と比較して、機械的特性、耐摩耗性、加工性において優れた性能を持っていますが、すべての用途において最適な選択肢であるとは限りません。以下に、他の材料との比較ポイントを挙げてみます：

ナイロン（PA）との比較: ナイロンは、POMに比べて吸湿性が高く、湿度の影響を受けやすいですが、衝撃強度が高い特性を持っています。湿気が関与しない環境ではPOMが優れていますが、湿気を多く含む環境ではナイロンが選ばれることが多いです。
ポリカーボネート（PC）との比較: ポリカーボネートは、POMよりも高い耐衝撃性を持ち、透明性を提供するため、視認性が求められる部品に適しています。しかし、POMはポリカーボネートよりも耐摩耗性が高く、機械部品には適しています。
ポリプロピレン（PP）との比較: ポリプロピレンはコストが安く、化学的に安定しているため、汎用的な用途に使用されますが、POMのような高い機械的特性は持ちません。高耐摩耗性や強度が求められる用途にはPOMの方が適しています。

このように、POMは他の材料と比較して優れた特性を持つ一方で、特定の条件下では他の素材の方が適している場合もあるため、用途に応じた材料選定が重要です。