試作人基礎講座

材料解説シリーズ！！本日はPEEKについて解説します！
難削材の樹脂でもあるPEEKの特徴など解説していきますので是非ご覧ください♪

PEEKとは

PEEK（Polyetheretherketone：ポリエーテルエーテルケトン）は、1978年にイギリスのICI（Imperial Chemical Industries）社によって開発された熱可塑性樹脂の一種で、スーパーエンジニアリングプラスチックに分類される高機能材料です。
一般的なプラスチックとは一線を画す高い耐熱性・耐薬品性・機械的強度を備えており、金属に代わる次世代素材として注目を集めてきました。
PEEKの開発は、1970年代に急速に発展した航空宇宙産業や半導体産業、そして医療分野など、より過酷な環境下で機能する新しい材料が求められたことに端を発しています。
特に、従来使用されていた金属材料では対応しきれない「高温・高圧・高腐食」といった厳しい条件に対し、樹脂でありながら耐え得る性能を持つ素材としてPEEKは誕生しました。
PEEKの名前は、その分子構造を示しています。
「Polyether（ポリエーテル）」と「Ketone（ケトン）」の官能基が交互に配置される高分子構造を持ち、この構造によりPEEKは高い熱安定性と剛性、そして化学的な安定性を獲得しています。
また結晶性樹脂であるため、優れた寸法安定性を持つことも特長です。
結晶化度を調整することで、成形後の機械的特性にも変化を与えられるという点も重要です。
初期には主に欧米で高機能分野への適用が進みましたが、1990年代以降、医療機器や半導体製造装置、自動車の高性能部品など幅広い分野へと応用が拡大しました。
特に生体適合性やX線透過性が求められる医療分野において、PEEKはチタンやステンレスに代わる材料として高い評価を得ています。
日本では、帝人や三菱ガス化学、住友化学などの企業が輸入・販売・加工を行っており、近年では国内での射出成形や切削加工、医療用途向けの専用グレードなども普及しています。
このように、PEEKは単なる「高性能プラスチック」ではなく、社会の先端技術を支えるキーマテリアルとして確固たる地位を築いており、今後もその用途の幅はさらに広がると見込まれています。

分子構造とその特徴

PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）は、その優れた特性の多くを、独自の分子構造に由来しています。
PEEKの化学構造は、主鎖に芳香族環（ベンゼン環）を持ち、そこにエーテル結合（-O-）とケトン結合（-CO-）が交互に配列された高分子構造となっています。
この構造は「ポリエーテルエーテルケトン」という名称そのものであり、各構造要素がPEEKの特性に密接に関係しています。
まず、芳香族環（ベンゼン環）は剛直な構造をしており、分子全体に高い剛性を与えています。
この剛直性はPEEKの優れた機械的強度や寸法安定性、さらには高い耐熱性の要因となっています。
通常のポリオレフィン系樹脂やナイロンなどの柔らかい分子構造とは異なり、PEEKは分子レベルでの「骨格」が硬く、熱的・力学的外力に対して非常に強い抵抗を示します。
次に、エーテル結合（-O-）は分子鎖の柔軟性をある程度保つ働きをしており、これによりPEEKは完全な硬化構造にはならず、成形時における熱可塑性（溶融して加工できる性質）を維持しています。
この柔軟性の要素があることで、非常に高温な成形条件下でも破断や脆性破壊を起こしにくくなっています。
そしてケトン基（-CO-）は分子全体の極性を高め、耐薬品性や熱安定性の向上に寄与しています。
特にこのケトン基は分子鎖の安定性を大きく高め、加熱時の分解抵抗性に寄与します。
また、PEEKは結晶性樹脂であり、結晶化度は30〜35％程度が一般的です。
高い結晶性を持つことで、機械的強度、耐薬品性、耐摩耗性が一段と高まり、使用環境に対する信頼性も向上します。
このような分子構造のバランスによって、PEEKは以下のような特性を兼ね備えることができます。
・連続使用温度：250℃前後
・高い引張・曲げ強度
・優れた耐薬品性（酸・アルカリ・溶剤に対して安定）
・摩耗しにくく、自己潤滑性がある
・低い吸水率による寸法安定性
・電気絶縁性に優れる
また、PEEKは分子構造を改良した派生品（PEK、PEKKなど）も存在し、用途に応じてより高い耐熱性や成形性を持つ材料へとカスタマイズされています。
この分子構造の工学的な完成度の高さこそが、PEEKを「スーパーエンプラ」として他のエンプラや金属材料と一線を画す存在にしている最大の要因です。

PEEKの特性

耐熱性と連続使用温度

PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）は、数あるプラスチック材料の中でも極めて優れた耐熱性を持つ素材として知られています。
この特性は、PEEKの分子構造に由来するもので、特に芳香族環の存在が高い熱安定性を支えています。
PEEKの耐熱性能は、使用環境の過酷さに応じて材料を選定するうえでの重要な指標となっており、航空宇宙や自動車、医療機器、半導体装置といった高温環境下での利用において非常に重要な役割を果たします。
PEEKの耐熱性は、主に以下の指標で評価されます。

■ 連続使用温度（Continuous Use Temperature）

PEEKは、250℃前後の高温環境でも長時間にわたって機械的特性や寸法精度を維持することが可能です。
この「連続使用温度」は、樹脂が熱による劣化を受けずに安定して使用できる限界温度を示します。
たとえば、一般的なエンプラであるPOM（ポリアセタール）の連続使用温度が100〜120℃程度であるのに対し、PEEKはその倍以上の温度にも耐えることができます。

■ ガラス転移温度と融点

PEEKのガラス転移温度は約143℃、融点は約343℃に達します。
熱可塑性樹脂でありながら、このような高い融点を持つことから、PEEKは高温成形が可能であり、高温下でも結晶性を維持して構造体としての安定性を保ちます。
これにより、成形品は変形や軟化を起こしにくく、信頼性の高い構造部品として機能します。

■ 熱分解温度

PEEKの分解温度は約500℃と非常に高く、短時間の熱衝撃にも耐える能力を持っています。
たとえば、オートクレーブ（高圧蒸気滅菌器）による130〜135℃の高温高湿条件でも、PEEKは物理的変質や分解を起こさず、医療分野では再利用可能な器具に適しています。

■ 難燃性

PEEKは自己消火性があり、UL94規格でV-0等級を取得しています。
これは、火源を取り除いたあとに燃焼を継続しないという性能で、電気・電子機器の内部構造材や航空機の内装材として非常に重宝されます。
ハロゲン系難燃剤を使用せずとも高い耐燃性能を持っている点も環境対応素材として評価されています。

■ 耐熱劣化性

長期間高温環境にさらされても、PEEKは機械的強度の低下や酸化劣化が少ないという利点があります。
これは主鎖構造にある芳香族とケトン基が酸化に強く、加水分解にも耐えるためで、熱老化に対する信頼性の高さが認められています。

このような圧倒的な耐熱性能により、PEEKは他の樹脂では代替不可能な材料として、高温・高圧・多湿といった過酷な条件下での部品選定において選ばれ続けています。
特に「金属よりも軽く、樹脂よりも強い」といった性能バランスは、次世代の軽量化・高性能化を進める産業界において、大きな武器となっています。

耐薬品性と耐腐食性

PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）は、耐薬品性においても非常に優れた性能を持つ高機能プラスチックです。
PEEKが様々な産業分野、特に化学プラント、分析装置、医療機器、半導体製造装置などで広く採用されている理由の一つが、この「薬品に対する高い耐性」にあります。

■ 基本的な耐薬品性

PEEKは、強酸や強アルカリなどの一部を除くほとんどの化学薬品に対して高い耐性を示します。
たとえば、以下のような薬品に長時間曝されても、膨潤、脆化、分解といった劣化がほとんど見られません。
・有機溶剤（トルエン、アセトン、クロロホルムなど）
・燃料・油類（ガソリン、ディーゼル、潤滑油）
・酸（硫酸、塩酸、酢酸など、濃度と温度に依存）
・塩類（塩化ナトリウム、硝酸塩等の水溶液）
・水蒸気・温水（130～140℃程度まで）
PEEKの主鎖には芳香環・ケトン基・エーテル基が組み込まれており、これらの構造が非常に安定であるため、分子レベルで薬品との反応を受けにくい性質を持っています。
したがって、薬液の浸透や加水分解、酸化といった劣化が生じにくく、長期間にわたって安定した物性を保持します。

■ 酸・アルカリに対する耐性

PEEKは一般的な酸性や塩基性の溶液に対して優れた耐性を持っていますが、例外的に「濃硫酸」や「濃硝酸」などの強酸、高温での「強アルカリ（水酸化ナトリウムなど）」には注意が必要です。
これらは、長時間接触すると分解を引き起こす可能性があります。
しかし、これらの化学薬品は金属や他の樹脂に対しても同様に攻撃性が高いため、PEEKの耐薬品性が依然として非常に高いレベルにあることは間違いありません。

■ 耐腐食性の観点からの優位性

金属材料は酸・塩類・湿潤環境下で腐食やサビが生じることが多く、長期使用においては腐食防止のためのコーティングやメンテナンスが必要です。
一方、PEEKは樹脂であるため金属腐食とは無縁であり、塩水や海水、酸性雨などにも強く、屋外や湿潤な環境でも安定した性能を維持できます。
これにより、機器の信頼性が向上し、保守コストを大幅に削減することが可能になります。

■ 半導体・医療分野での活用事例

PEEKの耐薬品性は、特に薬品洗浄や滅菌処理を繰り返す必要のある分野で重宝されます。
たとえば、半導体製造装置では、有機溶剤や酸・アルカリによるウェーハ洗浄にPEEK製パーツが使用されます。
医療分野では、滅菌時の消毒液やオートクレーブの高温高湿環境にも耐える点が評価され、再利用可能な手術器具や内視鏡部品などへの採用が進んでいます。

■ 耐薬品性試験の実績

各種の耐薬品性データは、PEEK製造メーカー（例：ビクトレックス社、Solvay社、三菱ガス化学など）によって詳細に提供されており、濃度・温度・時間別に評価結果がまとめられています。
これにより、設計者や材料選定者は、使用環境に応じた適切なグレードや形状を選ぶことが可能です。
以上のように、PEEKは非常に広範囲な薬品環境において使用できる高信頼性材料であり、「耐薬品性」と「耐腐食性」が求められる現場において他材料と一線を画す選定理由となっています。

機械的強度と耐摩耗性

PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）は、スーパーエンジニアリングプラスチックの中でも特に高い機械的特性を誇る材料です。
高温環境や薬品中などの過酷な条件下でも、金属の代替となるほどの引張強度・剛性・耐摩耗性を維持できるため、さまざまな分野で「構造用プラスチック」として採用されています。

■ 引張強度・弾性率の特長

PEEKの引張強度はおおよそ90〜100MPa、引張弾性率は約3.6GPaと、一般的なエンジニアリングプラスチック（例えばナイロン：引張強度50MPa前後）と比較しても、圧倒的に高い性能を有しています。
加えて、使用温度が高くなるにつれて性能が著しく劣化するプラスチックが多い中、PEEKは200℃以上の高温下でも機械的強度を大きく損なうことなく使用できる点が特長です。
また、耐衝撃性にも優れ、ある程度の靭性を持ち合わせているため、破壊されにくい構造体としても高評価を得ています。

■ 耐摩耗性と摺動特性

PEEKは耐摩耗性に優れた素材であり、ベアリング、ブッシュ、ギア、スライダーなど、摺動や接触を伴うパーツにおいて広く使用されています。
自己潤滑性も有しており、無給油での運転が可能なことから、潤滑油が使えない医療・食品分野、あるいは高真空環境での機械部品などにも最適です。
特に、グレードによっては耐摩耗性をさらに向上させるために、以下のような充填材が加えられることがあります。
・グラスファイバー充填PEEK（30% GF）：剛性が大幅に向上し、クリープ特性や寸法安定性も良好。
・カーボンファイバー充填PEEK（30% CF）：非常に高い剛性と導電性を持ち、摺動部材として最適。
・PTFE＋グラファイト＋CF充填PEEK（「耐摩耗グレード」）：摩擦係数が著しく低くなり、長寿命化が期待できる。
このような充填材との複合化により、用途に応じた強化が可能であり、汎用プラスチックや金属にはない柔軟な材料設計ができます。

■ クリープ抵抗性と長期荷重耐性

PEEKは高温下でも優れたクリープ抵抗性を示します。
クリープとは、一定の荷重をかけ続けた際に時間とともに生じる変形のことですが、PEEKはこの変形が非常に小さいため、精密な寸法を保ちたい機械部品にも安心して使用できます。
金属のように剛性が高いだけでなく、長期間の安定性が求められる設計に非常に向いています。

■ 応力集中への耐性

PEEKは高い剛性を持つ一方で、脆性破壊を起こしにくい性質も併せ持っています。
これは、ある程度の延性（伸び）と靱性（割れにくさ）があるためで、応力集中が起きるような形状（例えば、薄肉のコーナー部や穴の周囲）においても、割れや欠けが起こりにくいというメリットがあります。

■ 加工後の寸法安定性

切削加工や成形品において、PEEKは極めて優れた寸法安定性を示します。
吸水率が低いため、湿度の変化によって膨張・収縮を起こすことも少なく、高精度が求められる機構部品、金型用パーツ、電子機器の構成部材などにおいて信頼性の高い素材として採用されています。

このようにPEEKは、ただ硬いだけでなく、摩耗しにくく、長期間の使用でも寸法変化や破損が起きにくいという「実用レベルでの強さ」を備えており、機械的負荷の高い現場での材料選定において非常に魅力的な存在となっています。

電気特性と絶縁性

PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）は、機械的・熱的特性に加えて、電気特性や絶縁性にも非常に優れた性質を持っています。
このため、電子・電気機器分野、半導体製造装置、高周波部品、医療機器の絶縁パーツなど、電気的な性能が重要な用途においても積極的に活用されています。

■ 優れた絶縁性

PEEKは非常に高い絶縁抵抗を持つ材料であり、乾燥状態においては10¹⁶Ω・cm以上の体積抵抗率を示します。
これは、PEEKが電子をほとんど通さない、非常に優れた絶縁体であることを意味しています。
電気絶縁材としての性能は、一般的なエンプラ（ポリカーボネートやPBTなど）と比較しても群を抜いており、電圧が加わる環境下でも絶縁破壊が起こりにくいのが特徴です。
さらに、吸水率が非常に低いため（0.1%未満）、高湿度環境下でも絶縁性の低下が起こりにくく、安定した絶縁性能を長期間維持できます。

■ 誘電特性

PEEKの誘電率（比誘電率）は、周波数によって若干異なりますが、常温・1MHzで約3.2～3.3と比較的低い値を示します。
また、誘電正接（tan δ）は0.003〜0.004と非常に小さく、信号の損失が少ない材料であることが分かります。
これにより、PEEKは高周波の信号を扱う電子機器や、高速デジタル通信が必要な部品に適した材料としても評価されています。
この低損失特性により、RF（無線周波）用途や高精度なセンサー・測定機器などにおける基板や構造材、絶縁スペーサーとしての使用が可能です。

■ 絶縁破壊電圧

PEEKの絶縁破壊電圧は厚みに依存しますが、例えば1mm厚のシートで約20〜25kV/mm程度と非常に高く、電力機器や電子モジュールなどでの使用にも耐えうる性能を持っています。
これは、薄肉であっても高電圧に耐える絶縁部材が設計可能であることを示しており、装置の小型化・高密度化にも貢献します。

■ 表面抵抗とリーク電流の抑制

PEEKは静電気の帯電を防止するため、導電性グレード（カーボン充填など）も提供されています。
これにより、帯電防止が求められる電子デバイスの搬送部品や、クリーンルーム内での微粒子発生を抑えるための治具部品としての利用も拡大しています。
標準グレードのPEEKは静電気を帯びやすいという特性があるため、静電気障害を避ける必要がある環境では、導電性PEEKや帯電防止PEEK（体積抵抗率が10⁶〜10⁹Ω・cm程度のもの）を選定することで、電子機器との誤作動を回避できます。

■ 電子材料としての信頼性

PEEKは、耐熱性・寸法安定性・機械強度・絶縁性という特性を高次元で兼ね備えており、これにより基板ホルダー、ICトレイ、絶縁スリーブ、精密スペーサーなど、電子部品の周辺で使用される材料として高い信頼性を発揮します。
しかも、難燃性（UL94 V-0）も有するため、発火リスクのある電子回路周辺でも安心して使用可能です。

このように、PEEKは電気的に非常に安定した特性を持ち、高信頼性・高性能が求められる電気電子分野においても優れた絶縁材料として利用されています。

航空宇宙分野での応用

航空宇宙分野は、極端な温度変化、高い振動、厳しい腐食環境、軽量化要求といった、あらゆる過酷条件が同時に存在する特殊な領域です。
こうした環境下において、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）は金属や従来のプラスチックに代わる次世代材料として、高く評価され、実際の航空機・宇宙機器に多数採用されています。

■ 軽量化による燃費・性能向上

航空機や宇宙機器では、「軽さ」は命題の一つです。
機体の質量がわずか1kg軽くなるだけでも燃料消費やコストに大きな影響を与えるため、金属部品を可能な限り樹脂へと置き換える努力が続けられてきました。
PEEKはアルミやチタンに比べて重量が約1/6～1/2と非常に軽いため、構造部材の軽量化に大きく寄与します。
それでいて、機械的強度や寸法安定性に優れているため、エンジン周辺部やキャビン内装、電子機器ハウジングなど、力のかかる箇所にも安心して使用できます。

■ 高温環境での寸法・物性安定性

航空機エンジン周辺や宇宙空間では、数百度という高温にさらされる場面が珍しくありません。
PEEKは連続使用温度が約260℃と極めて高く、さらに短時間であれば300℃を超える温度にも耐えることができます。
また、熱膨張係数が低いため、金属とのハイブリッド構造にしても熱変形によるズレやひび割れが生じにくいという利点もあります。
さらに、宇宙空間における極低温（-100℃以下）でも脆くならず、広範囲な温度域で安定した機械特性を維持することが、PEEKを宇宙機器向けに適した材料としている要因です。

■ 耐薬品性・耐湿性による信頼性向上

航空宇宙機器では、燃料・作動油・洗浄液などの化学物質への暴露が日常的です。
PEEKはそれらに対して非常に強い耐性を持っており、長期運用において劣化のリスクが低いため、保守性・信頼性の観点でも高く評価されています。
また、湿度や結露に対する吸湿性も極めて低いため、電子機器の封止材や断熱部品、配線絶縁材としても最適です。

■ 難燃性・低煙性・低毒性の材料要件への適合

航空機に使用される材料は、火災時に有害なガスを発生させない「低発煙性」「低毒性」「自己消火性」が求められます。
PEEKはUL94 V-0の難燃性を有し、燃焼時にハロゲン系ガスなどの有毒ガスをほとんど発生させないため、航空機の客室や電子制御システム周辺における採用が進んでいます。
このため、PEEKは「FAA（米連邦航空局）」や「EASA（欧州航空安全局）」などの航空用材料規格にも適合するグレードが整備されています。

■ 実際の適用例

航空宇宙分野におけるPEEKの使用例として、以下のような部品があります。
・エンジン周辺の配管継手、ガスケット、ベアリング
・機内配線の絶縁チューブや結束具
・電子機器の筐体、絶縁スリーブ
・内装材のカバー、ハウジング部品
・衛星構造体の一部（軽量化と断熱目的）
特に炭素繊維強化PEEK（CF-PEEK）は、航空宇宙産業での「金属代替材」として注目されており、FEM設計（有限要素解析）によって複雑な応力分布にも対応した部品が成形可能です。

このようにPEEKは、航空宇宙という極限環境においてもその特性をいかんなく発揮し、信頼性・軽量性・高性能を同時に満たす重要な材料として位置付けられています。

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