はじめに
ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）は、その優れた熱安定性、機械的強度、および耐薬品性により、過酷な条件が求められるエンジニアリング用途で広く使用されている高性能熱可塑性樹脂です。 エンシンガー社が製造する「TECAPEEK® ナチュラル」やガラス繊維強化タイプの「TECAPEEK® GF30 ナチュラル」（図1）などの市販グレードは、特定の用途に合わせて材料の性能を調整するために広く採用されています。
TECAPEEK® ナチュラルは、密度が約 1.31 g/cm³ の無充填 PEEK グレードであるのに対し、TECAPEEK® GF30 ナチュラルは 30% のガラス繊維を含み、密度は約 1.53 g/cm³ です。 どちらの材料も、約 250～260°C の長期使用温度に対応しており、報告されている熱伝導率は、TECAPEEK® ナチュラルが約 0.29 W/(m·K)、TECAPEEK® GF30 ナチュラルが約 0.30 W/(m·K) です [2, 3]。
本アプリケーションノートでは、NETZSCH （TCT 716 Lambda ）製のガード付き熱流計（GHFM）およびNETZSCH （LFA 717 HyperFlash® ）製のフラッシュアナライザー（LFA）を用いて、-10°C～250°Cの温度範囲におけるTECAPEEK® ナチュラルおよびTECAPEEK® GF30 ナチュラルの熱伝導率を評価しました。 試験対象の材料は、Ensinger社から市販品として提供されたものであり、実用上の用途との直接的な関連性が確保されています。この温度範囲は、熱伝達特性が放熱や部品の信頼性に影響を与える航空宇宙、自動車、電気工学、化学処理などの業界における一般的な使用条件を反映しています。 本アプリケーションノートで提示する実験データは、市販材料に関する独立したデータを提供するものであり、そのようなデータが入手できない場合に、設計上の意思決定を支援するものです。
実験的
GHFM法は、熱伝導率を直接かつ定常状態で測定する手法であり、平衡条件下における熱伝達を簡便に評価することができます。 対照的に、LFAは過渡現象を測定する手法であり、材料内を熱が伝播する速度を表す熱拡散率（α）を測定する。この手法を用いて熱伝導率（λ）を求めるには、測定された熱拡散率に、別途決定された比熱容量（比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp）および密度（ρ）を組み合わせる。この関係式は次のように表される：
λ = α ·比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp· p
この組み合わせたアプローチにより、直接測定された熱伝導率と計算された熱伝導率の相互検証が可能となり、測定結果に対する信頼性が高まります。
比熱容量は、NETZSCH 社製DSC 300（Caliris® ）差分走査熱量計（DSC）を用いて決定し、温度依存性の密度は、NETZSCH 社製402（Expedis® ）熱膨張計（DIL）による熱膨張測定から得られました。
測定は、ガラス転移領域を含む一般的な使用条件における挙動を把握するため、-10°C～250°Cの温度範囲で行われました。
結果と考察
LFA に基づく熱伝導率の計算に用いるため、TECAPEEK® ナチュラルおよび TECAPEEK® GF30 ナチュラルの温度依存性比熱容量（比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp）を測定した（図 2）。 全温度範囲において、無充填材料は、無機繊維による比熱の寄与が低いため、ガラス繊維強化材料よりも高い Cp 値を示しています。 どちらの材料も明確なガラス転移を示しており、TECAPEEK® ナチュラルは 157°C 付近で中間点に達するのに対し、TECAPEEK® GF30 ナチュラルは 152°C と、中間点がわずかに低くなっています。 PEEK のガラス転移挙動は、温度変調型DSC を用いて監視することもできます [4]。
拡散係数の計算における試料の厚さの補正、および熱伝導率の測定における密度の補正を行うため、TECAPEEK® ナチュラルおよびTECAPEEK® GF30 ナチュラルの温度依存性の熱膨張を測定しました（図3）。しかし、これらのデータをさらに分析することで、材料の挙動に関する貴重な知見も得られます。 ガラス転移温度（Tg）付近では、鎖の可動性が高まることで熱膨張係数が大きくなり、膨張が顕著に増加することが観察されます。ガラス繊維強化材料では、膨張は繊維の配向、微細構造、および加工履歴に起因する異方性の影響を強く受け、その結果、繊維の方向に依存した挙動を示します [5]。
GHFM および LFA から得られた熱伝導率の測定値は、全温度範囲にわたって高い一致を示しており、どちらの材料も温度とともに熱伝導率が増加しています（図 4）。 TECAPEEK® GF30 ナチュラルは、TECAPEEK® ナチュラルよりも一貫して高い熱伝導率を示しており、これはガラス繊維によって熱伝達経路が改善されたことに起因すると考えられます。
本研究で得られた熱伝導率の結果は、NETZSCH のアプリケーションノート327 [5] で報告された結果とも、特に絶対値および温度依存性の傾向の両方において良好な一致を示している。アプリケーションノート327では、適切な比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp値と密度の入力値を使用した場合、GHFMによる直接測定とLFAによる間接計算で求めた熱伝導率の間に密接な相関が認められる。 同様に、本研究においても、全温度範囲にわたってGHFMとLFAの結果の間に優れた整合性が認められ、その偏差は一般的な実験不確かさの範囲内に収まっている。全体として、本研究と先行研究との間に見られる密接な整合性は、GHFM法およびLFA法の信頼性を裏付けるとともに、これらの手法が無充填およびガラス繊維強化PEEKシステムの双方に適用可能であることを実証している。
概要
TECAPEEK® ナチュラルおよびTECAPEEK® GF30 ナチュラルの熱伝導率は、ガード付き熱流計（GHFM）およびレーザーフラッシュ分析（LFA）を用いて、-10°C～250°Cの温度範囲で評価された。 その結果、両材料とも熱伝導率は温度の上昇とともに増加することが示され、TECAPEEK® GF30 ナチュラルは、ガラス繊維補強による熱伝達の向上により、より高い熱伝導率を示した。GHFMとLFAの結果が強く一致していること、およびNETZSCH の過去の研究結果と整合していることは、熱特性評価におけるこれらの手法の信頼性を裏付けている。