ポリメタクリルイミドフォーム

概要

項目	内容
材料名	ポリメタクリルイミドフォーム
略記号	PMIフォーム、PMI
IUPAC	単一の明確なIUPAC名は一般に用いられない。メタクリル酸系単位とメタクリロニトリル系単位から形成されるポリメタクリルイミド系架橋硬質発泡体として扱われる。
英語名	Polymethacrylimide Foam、PMI Foam
日本語名	ポリメタクリルイミドフォーム、ポリメタクリルイミド発泡体、PMI硬質フォーム
分類	架橋硬質発泡プラスチック、独立気泡構造、複合材料用コア材
プラスチック分類	高機能発泡材料、スーパーエンジニアリング・プラスチック系フォームとして扱われることがある。ただし、一般の射出成形用スーパーエンプラとは異なる。
化学式又は代表構造	メタクリルイミド環を含む架橋共重合体。工業材料は共重合組成及び架橋構造が一定でないため、単一分子式では表しにくい。
CAS No.	材料群として一意のCAS No.を割り当てにくい。製品SDSで確認する必要がある。
構造・主成分	メタクリル酸とメタクリロニトリル等から得られる前駆体共重合体を加熱し、環化・イミド化及び発泡させた架橋硬質フォームである。
主な用途	航空宇宙、自動車、鉄道、船舶、レドーム、アンテナ、医療機器、スポーツ用品、風力発電、CFRP・GFRPサンドイッチ構造のコア材。

ポリメタクリルイミドフォームは、PMIを骨格とする低密度の架橋硬質発泡体である。独立気泡構造を持ち、同等密度の一般的な硬質フォームと比較して圧縮強さ、せん断強さ、耐熱性及びクリープ圧縮特性に優れるため、主として繊維強化プラスチックのサンドイッチ構造用コア材に用いられる。

外観は白色又は淡色の板状フォームであることが多く、単体で荷重部品として用いるよりも、CFRP、GFRP、アルミニウム箔等の表皮材と接着又は一体成形して使用する場合が多い。切削加工、研削、穴あけ、熱成形が可能であり、オートクレーブ、RTM、VARTM、プリプレグ成形等の複合材料プロセスに適用できる。

物性は密度、セル径、熱処理、含水状態、試験方向、試験温度及びグレードにより大きく変化する。特に高温硬化工程、吸湿後のクリープ、表皮材との接着、局部圧縮及び衝撃損傷について、実部品条件で確認する必要がある。

特徴

区分	内容
長所	低密度で比強度・比剛性が高い。高温下での圧縮クリープが比較的小さく、複合材料の高温硬化工程に対応しやすい。独立気泡のため樹脂含浸量を抑えやすく、切削及び熱成形にも対応する。
短所	材料価格が高く、衝撃や局部集中荷重ではセル破壊を生じることがある。吸湿により寸法及びクリープ特性が変化し得る。単体では薄肉部の欠け、粉化、ねじ保持力不足に注意する。
外観	一般に白色から淡色の均一な硬質フォームである。セル径、表面粗さ及び色調はグレードにより異なる。
耐熱性	一般グレードでも複合材料の130℃級硬化工程に対応する製品があり、高耐熱グレードでは180～190℃級の硬化工程に対応する製品がある。Tgは代表的に約180～210℃である。
耐薬品性	水、希薄酸、希薄アルカリ、脂肪族炭化水素及び油類には比較的安定である場合が多い。一方、強極性溶剤、ケトン、塩素系溶剤、長時間の熱水又は強酸・強アルカリでは、膨潤、軟化、加水分解又は接着界面劣化を確認する必要がある。
加工性	切削、穴あけ、研削、打抜き、熱成形、接着及び複合材料との一体成形に適する。射出成形や溶融押出成形用ペレットとして扱う材料ではない。
分類上の注意	PMIフォームは芳香族ポリイミドフォームとは化学構造及び製造法が異なる。また、PMMA、PVCフォーム、PUフォームとも別材料である。

構造式

PMIフォームは、メタクリル酸系単位とメタクリロニトリル系単位を含む前駆体共重合体を加熱し、分子内又は分子間の環化反応によってメタクリルイミド環を形成した架橋発泡体である。工業製品は発泡剤、共重合組成、架橋度及びセル構造が異なるため、単一の完全な繰返し単位で表すことは困難である。

代表的な構成単位は、メタクリル酸由来のカルボキシル基とメタクリロニトリル由来のニトリル基を前駆体とし、加熱時に環化してイミド環を形成する。製品によっては共重合成分、架橋助剤、発泡剤、難燃成分又は電磁特性調整成分を含む。

種類・代表グレード

種類・グレード区分	主成分又は特徴	長所	短所	主な用途
標準・汎用	中程度のセル径、複数密度	加工性と機械特性のバランス	最高温度、最小セル径又は難燃性は専用グレードに劣る	一般産業、自動車、スポーツ、医療
航空宇宙用	品質管理、認証、耐熱性を重視	高い信頼性、プリプレグ・オートクレーブ適性	価格が高く、認証範囲の確認が必要	航空機構造、宇宙機器
高耐熱・熱処理	熱処理で高温圧縮特性を向上	180～190℃級の硬化工程に対応する製品がある	寸法、加工余裕及び保管条件の管理が必要	高温硬化CFRP、航空宇宙、自動車
微細セル	小さいセル径、平滑面	表面樹脂消費量が少なく、薄い表皮に適する	密度及び価格が上がる場合がある	レドーム、薄肉サンドイッチ、精密複合材
難燃	燃焼挙動を改善	鉄道・航空規格に対応する製品がある	等級は厚さ、密度、表皮及び試験規格に依存	鉄道、航空、船舶
高周波・レドーム	低誘電又は電磁特性調整	アンテナ透過性又は電磁吸収特性を設計可能	周波数、含水率、接着剤の影響が大きい	レドーム、アンテナ、ステルス構造

成形加工

加工方法	適性	理由・主な注意点
射出成形	×	架橋硬質フォーム板材であり、一般的な溶融射出成形には適さない。
押出成形	×	溶融押出用ペレットではない。
ブロー成形	×	中空溶融成形には適さない。
圧縮成形	△	単体の再溶融成形ではなく、表皮材との加圧一体成形に用いる。
真空成形	○	加熱軟化後の熱成形が可能。温度、加熱時間及び曲率半径を管理する。
圧空成形	○	熱成形グレードでは可能。セル潰れ及び局部過熱に注意する。
発泡成形	－	製造段階で発泡済みであり、ユーザー側で再発泡する材料ではない。
3Dプリント	×	一般的な積層造形材料ではない。
切削加工	◎	フライス、穴あけ、旋削、研削が可能。欠け、粉じん及び工具摩耗を管理する。
接着	◎	エポキシ、シアネートエステル等との複合化に適する。表面処理及び接着剤含浸量を確認する。
塗装・印刷	△	可能であるが、セル表面の吸い込み、プライマー及び溶剤攻撃性を確認する。
インサート成形	○	高密度インサートやポッティング材を併用し、局部圧縮を分散する。

代表的な加工条件

項目	単位	代表的な目安	注意点
予備乾燥	℃・h	50～80℃・数時間	吸湿状態、板厚及びメーカー指示に従う。高温過乾燥や反りを避ける。
熱成形温度	℃	160～200	グレード及び板厚依存。局部過熱、セル潰れ、表面割れを避ける。
最大硬化温度	℃	130～190	一般、熱処理、高耐熱グレードで異なる。荷重、時間及び圧力条件も確認する。
切削速度	－	中～高速	鋭利な工具、適切な集じん、支持治具を用いる。
接着剤塗布量	g/m²	グレード依存	切断セルへの樹脂吸い込みを考慮し、重量増加を管理する。
推奨肉厚	mm	設計依存	局部座屈、コアせん断、表皮座屈及びインサート周辺応力で決定する。

代表的な物性値又は機械的性質

次表は主として低密度から高密度の高耐熱PMIフォームの公開代表値を、比較用に同一項目へ整理したものである。標準比較値は密度約52 kg/m³級を基準としている。密度、熱処理、セル径及びグレードが異なる値を同一材料の固定値として扱ってはならない。

項目	単位	比較用代表値	代表範囲	試験規格	材料状態・条件	備考
密度	kg/m³	52	52～205	ISO 845	23℃、代表的HERO系	密度番号と実密度は一致しない場合がある。
比重	－	0.052	0.052～0.205	密度換算	23℃	発泡体の見掛け比重。
圧縮強さ	MPa	0.6	0.6～7.1	ISO 844	23℃	密度52～205 kg/m³級の代表範囲。
圧縮弾性率	MPa	32	32～180	ISO 844	23℃	発泡体としての値。
引張強さ	MPa	2.6	2.6～12.3	ISO 527-2	23℃	密度依存性が大きい。
引張弾性率	MPa	82	82～389	ISO 527-2	23℃	GPaでは0.082～0.389。
引張破断伸び	%	8.0	8.0～10.8	ISO 527-2	23℃	グレード及び方向に依存。
せん断強さ	MPa	0.7	0.7～5.2	DIN 53294	23℃	サンドイッチ設計で重要。
せん断弾性率	MPa	22	22～109	DIN 53294	23℃	面材、接着層及び厚さと併せて設計する。
最大せん断ひずみ	%	7.0	7.0～7.2	DIN 53294	23℃	代表値。
ガラス転移温度	℃	200	200～207	メーカー法	乾燥状態	高耐熱HERO系の代表値。低温側グレードは約180℃級もある。
線膨張係数	10⁻⁵/K	3.8	3.72～4.26	メーカー法	乾燥状態	密度及び方向で変動する。
連続使用温度	℃	データなし	グレード依存	－	荷重・寿命依存	Tg又は硬化可能温度を連続使用温度として扱わない。
吸水率・24時間	%	データなし	グレード依存	－	23℃水中	独立気泡でも切断面及びイミド基への拡散吸湿がある。
熱伝導率	W/(m・K)	データなし	密度依存	－	平均温度依存	製品データで確認する。
体積抵抗率	Ω・cm	データなし	グレード依存	－	乾燥状態	電磁吸収グレードと低誘電グレードを区別する。

比較用評価スコア

評価項目	スコア	評価理由
引張強度	3	発泡体としては高いが、バルク樹脂の絶対強度とは比較しない。
剛性	4	低密度に対する比剛性が高く、サンドイッチ構造で有利である。
衝撃強度	3	靭性グレードはあるが、局部衝撃でセル破壊を生じ得る。
耐熱性	5	高温硬化複合材料工程に対応する代表的コア材である。
耐薬品性	3	多くの燃料・油に対応するが、強極性溶剤と熱水には確認が必要。
寸法安定性	4	高温圧縮クリープに優れるが、吸湿及び熱履歴の影響を受ける。
低吸水性	3	独立気泡で液体浸入は少ないが、イミド基への拡散吸湿がある。
難燃性	3	難燃グレードは存在するが、材料群全体のUL 94等級ではない。
成形加工性	3	切削・熱成形は良好であるが、溶融成形には適さない。
切削加工性	5	NC加工、穴あけ、研削等に適する。
リサイクル性	1	架橋発泡体であり、再溶融マテリアルリサイクルは困難。
価格優位性	1	高性能コア材であり、一般発泡体より高価格である。

耐薬品性

以下はPMIフォーム単体の一般的な一次評価である。実部品では、表皮材、接着剤、プライマー、切断面、残留応力及び高温硬化履歴が耐薬品性を左右する。濃度、温度、接触時間及び応力が異なる条件へそのまま外挿しない。

薬品名	濃度	温度	接触時間	接触条件	評価	主な劣化形態	備考
水	100%	23℃	24～168 h	無応力浸漬	○	吸湿、質量増加	独立気泡でも切断面及び高湿度下では拡散吸湿する。
温水	100%	60～80℃	24～168 h	無応力浸漬	△	吸湿、可塑化、クリープ低下	長期寸法変化と接着界面を確認する。
塩酸	5～10%	23℃	24 h	無応力	○	表面変化の可能性	濃度、温度及び時間を上げる場合は要試験。
硫酸	5～10%	23℃	24 h	無応力	○	表面変化の可能性	濃硫酸及び高温は避ける。
酢酸	5～10%	23℃	24 h	無応力	△	膨潤、接着劣化	有機酸濃度と温度を確認する。
水酸化ナトリウム	5～10%	23℃	24 h	無応力	○	加水分解の可能性	高温・高濃度・長時間では△。
エタノール	100%	23℃	24 h	無応力	○	軽微な吸収、接着層影響	表皮材及び接着剤を含む実部品で確認する。
IPA	100%	23℃	24 h	無応力	○	軽微な吸収	洗浄後の乾燥条件を確認する。
グリセリン	100%	23℃	24 h	無応力	○	表面残留	高温長時間では確認が必要。
アセトン	100%	23℃	短時間	無応力	△	膨潤、軟化、接着層攻撃	長時間浸漬及び応力下では避ける。
MEK	100%	23℃	短時間	無応力	△	膨潤、軟化	洗浄用途は短時間でも実測する。
酢酸エチル	100%	23℃	短時間	無応力	△	膨潤、接着劣化	表皮・接着剤を含めて評価する。
トルエン	100%	23℃	24 h	無応力	△	膨潤、軟化	長期又は高温では不適となる可能性。
ヘキサン	100%	23℃	24 h	無応力	○	軽微な膨潤	グレード差を確認する。
ジクロロメタン	100%	23℃	短時間	無応力	×	著しい膨潤、損傷	使用を避ける。
潤滑油	原液	23～80℃	168 h	無応力	○	吸油、接着層影響	油種、添加剤及び温度で確認する。
ジェット燃料	原液	23～70℃	168 h	無応力	○	吸収、界面変化	航空用途では規格燃料と実構造で評価する。
次亜塩素酸Na	0.05～0.1%	23℃	24 h	無応力	△	酸化、変色	繰返し洗浄及び高温では劣化を確認する。

SP値（溶解度パラメータ）

PMIフォームは架橋共重合体であり、単一の確定SP値は一般化しにくい。前駆体組成、イミド化率及び架橋度を考慮した参考値として、δ＝約21～23 MPa^1/2程度の極性材料域に位置すると推測されるが、これは確定値ではない。比較機能では「参考値・信頼度D」として扱い、耐薬品性の最終判定には使用しない。

溶解性の目安

SP値差 Δδ	溶解・膨潤の目安	判定
0～2	膨潤・軟化しやすい	×
2～5	条件により膨潤する	△
5～8	短時間接触では比較的安定	○
8以上	溶解・膨潤しにくい	◎

SP値から見た耐溶剤性

溶剤	SP値 MPa^1/2	PMIとの差の目安	一次評価	注意点
アセトン	19.9	約0～2	×	SP値上は近く、膨潤・軟化に注意。
MEK	19.0	約1～3	△～×	グレード及び架橋度に依存。
酢酸エチル	18.6	約2～4	△	短時間接触でも要確認。
トルエン	18.2	約3～5	△	物理膨潤及び接着界面への影響を確認。
IPA	23.5	約2～5	○～△	実使用では含水率、温度及び時間に依存。
エタノール	26.0	約5～8	○	短時間では比較的安定な場合が多い。
ヘキサン	14.9	約6～9	○～◎	非極性溶剤であるが長期吸収を確認。
水	47.9	20以上	◎*	SP差は大きいが、イミド基への吸湿は別機構で起こる。

SP値差は物理的な溶解・膨潤傾向の一次指標にすぎない。PMIフォームでは架橋構造、独立気泡、吸湿、加水分解、酸化、セル破壊、接着剤への溶剤攻撃及び応力下での界面剥離を同時に評価する必要がある。

製法

代表的には、メタクリル酸とメタクリロニトリルをラジカル共重合して板状又はブロック状の前駆体を形成し、加熱によってイミド化と発泡を進行させる。発泡剤、開始剤、架橋設計及び温度履歴を制御することにより、密度、セル径、圧縮特性及び耐熱性を調整する。

発泡後は熱処理、寸法安定化、板厚加工及び品質検査を行い、必要に応じてNC加工、熱成形、表面シール、接着剤塗布又はプリプレグとの一体成形を行う。一般の熱可塑性樹脂のようなペレット化及び再溶融成形は行わない。

詳細な利用用途

分野	代表用途	適性	選定理由・注意点
航空宇宙	翼、フラップ、レドーム、フェアリング、着陸装置扉	◎	高比強度、高耐熱、オートクレーブ適性。認証グレード、FST及び衝撃損傷を確認する。
自動車	CFRPルーフ、モノコック、外板、構造補強	◎	軽量化と高温短時間硬化に有利。量産コスト、接着及びクラッシュ特性を確認する。
鉄道・船舶	内外装パネル、床、構造サンドイッチ	○	軽量、高剛性。難燃、発煙、吸水及び修理性を確認する。
電気・電子	アンテナ、レドーム、高周波構造	◎	低誘電又は電磁特性調整グレードがある。周波数と含水率を管理する。
医療	画像診断装置、患者テーブル、支持構造	○	X線透過性、軽量、高剛性。生体接触認証は個別グレードで確認する。
スポーツ	ラケット、自転車、レーシング部品	◎	軽量、高剛性、形状自由度。局部衝撃と修理性を確認する。
風力発電	ブレード局部コア、補強部	○	疲労と軽量化に有利。コスト、接着、吸湿及び大型加工性を確認する。
一般機械	治具、軽量構造、複合材金型補助	○	切削性と寸法安定性に優れる。摩耗面やねじ部はインサートが必要。

寸法精度・設計特性

サンドイッチ構造では、表皮の引張・圧縮、コアのせん断、局部座屈、表皮しわ及び接着界面剥離を分けて設計する。
短時間の圧縮強さを、そのまま高温長期の許容応力として使用しない。温度、湿度、時間及び安全率を含むクリープ設計が必要である。
ボルト、ねじ、圧入及びインサート部では、高密度ポッティング材又は局部補強材を用いて面圧を分散する。
吸湿及び熱履歴による寸法変化を考慮し、切削後から接着までの保管湿度と乾燥条件を管理する。

品質・加工不良

不良	主な材料側要因	主な加工条件側要因	主な対策
セル潰れ	密度不足、耐熱グレード不適	加熱温度又は圧力が高い、滞留が長い	高耐熱グレード選定、温度・圧力・時間の実測
反り	吸湿差、板厚差、残留応力	片面加熱、非対称積層、冷却不均一	両面均一加熱、対称積層、治具冷却
接着剤吸い込み	粗大セル、切断面露出	低粘度樹脂、過剰含浸	微細セル、表面シール、塗布量管理
剥離	表面汚染、吸湿	接着剤選定不良、硬化不足	乾燥、清浄化、適正プライマー、硬化履歴管理
加工欠け	低密度、粗大セル	鈍い工具、高送り、支持不足	工具条件最適化、裏当て、集じん
寸法不良	吸湿、熱処理不足	加工後の温湿度変化	調湿、アニール又は安定化後に仕上げ加工

注意点・劣化及び故障モード

劣化現象	主な原因	発生しやすい条件	外観又は性能への影響	予防策	推奨確認試験
吸湿・可塑化	高湿度、温水、切断面露出	高温高湿、長期保管	寸法変化、クリープ低下	乾燥保管、表面シール、使用前乾燥	高温高湿試験、吸水率、圧縮クリープ
局部圧壊	集中荷重、締結部、治具荷重	ボルト、インサート、薄い表皮	凹み、剥離、永久変形	高密度インサート、荷重分散板、局部補強	局部圧縮、プルアウト、実締結試験
コアせん断破壊	面内せん断応力、接着不良	曲げ荷重、衝撃、疲労	斜め割れ、剛性低下	適正密度、接着管理、コア厚設計	ASTM C273相当、疲労試験
表皮剥離	接着剤不足、汚染、熱膨張差	高温硬化、湿熱、衝撃	層間剥離、座屈	表面清浄化、接着剤量管理、剥離強度確認	ドラムピール、モードI/II、超音波探傷
熱変形・セル潰れ	過大温度、圧力、滞留時間	オートクレーブ、熱成形	厚さ減少、反り、強度低下	高耐熱グレード選定、温度圧力履歴管理	熱圧縮クリープ、工程再現試験
溶剤膨潤	ケトン、塩素系溶剤、強極性溶剤	洗浄、塗装、接着剤塗布	軟化、膨潤、接着不良	低攻撃性溶剤、短時間接触、実薬品確認	浸漬、質量・寸法・強度保持率
加工欠け・粉じん	鈍い工具、支持不足、高送り	薄肉切削、穴あけ端部	欠け、セル破損、表面粗れ	鋭利工具、裏当て、集じん、条件最適化	試作加工、表面粗さ、顕微鏡観察

難燃性・法規制

項目	一般的な位置付け	実務上の確認事項
UL 94	材料群全体の一律等級は設定できない。	密度、厚さ、色、表皮、接着剤を含む認証グレード及びULファイルを確認する。
航空燃焼規格	FAR 25.853の60秒垂直燃焼に対応する専用グレードが存在する。	対象グレード、厚さ、積層構成及び証明書を確認する。
RoHS・REACH	一般に対応可能な製品がある。	添加剤、難燃剤、製造拠点及び最新SVHCを含む個別適合証明を確認する。
FDA・食品衛生	材料群として食品接触適合を断定できない。	食品接触用途向け個別グレード及び使用条件を確認する。
ISO 10993・USP Class VI	医療機器用途実績はあるが、材料群全体の認証ではない。	生体接触区分、滅菌法、抽出条件及び個別証明書を確認する。
PFAS関連	PMI主骨格はフッ素樹脂ではない。	助剤、表面処理、接着剤及び複合材全体に含まれるPFASを確認する。

環境・リサイクル性・供給性

項目	評価	内容
熱可塑性／熱硬化性	架橋発泡体	加熱で再溶融しにくく、熱硬化性材料に近いリサイクル挙動を示す。
マテリアルリサイクル	低い	端材の粉砕充填材化等は可能性があるが、一般的な再溶融再生には適さない。
サーマルリサイクル	条件付き	窒素を含むため、燃焼ガス処理及び地域法規を確認する。
再生材利用	限定的	航空宇宙等の高信頼用途ではトレーサビリティと性能保証が課題となる。
価格区分	極めて高価格	一般発泡体より高価であり、比性能、工程短縮及び重量低減で採用判断する。
国内入手性	限定流通	専門商社又はメーカー窓口経由が中心。板厚、密度及び最小購入量を確認する。
供給形態	板材、ブロック、加工品	NC加工済み形状、熱成形品又は複合材コアとして供給される場合がある。

比較材料	特徴	ポリメタクリルイミドフォームとの違い
発泡ポリウレタン	低熱伝導率、広い密度範囲、比較的低コスト	PMIは高温圧縮、比強度及び高温硬化工程で有利。PUは断熱性と価格で有利。
PVCフォーム	汎用構造コア、難燃性、加工性	PMIは耐熱性と比強度で優れるが高価格。PVCフォームは船舶等で普及。
発泡ポリスチレン	極めて軽量、安価、断熱性	PMIは構造強度、耐熱性及び複合材料工程で大幅に優れる。
発泡ポリエチレン	柔軟、耐水、緩衝性	PMIは硬質構造コア、PEフォームは緩衝・シール用途向け。
発泡ポリプロピレン	繰返し衝撃吸収、軽量、成形性	PMIは高剛性・高耐熱、EPPは衝撃回復性と量産成形で有利。
PMMA	透明、耐候性、非発泡アクリル樹脂	PMIはイミド環を含む架橋発泡体であり、PMMAとは構造、密度及び用途が異なる。
ポリイミド	極めて高い耐熱性、フィルム・成形品	PMIは軽量構造コア、芳香族PIは高温絶縁・摺動用途が中心。
ポリエーテルイミド	熱可塑性、高耐熱、射出・押出成形	PMIは発泡コア材、PEIはバルク成形品用スーパーエンプラ。

代表的なメーカー

メーカー	代表製品・ブランド	概要
Evonik Operations GmbH	ROHACELL®	PMI硬質フォームの主要メーカーである。IG-F、A、HE、HERO、WF、RIMA、RIST、XT、S、HF、EC等のグレードを展開する。
ダイセル・エボニック株式会社	ROHACELL®	日本国内でEvonik製ROHACELL®を取り扱う。用途、密度、セル径及び硬化温度に応じた選定支援を行う。