誘電特性

プラスチ・材粋砂膏動特性の
誠験法と評価締果
ノ
安田武夫＊
2．プラスチックの各種試験法（続き）
合，分子全体の真ん中にCがあってC−H結合が中心
のCに対して周囲から対称に向いている（図1）。正の
2−9、電気的性質
荷電の中心は分子の中心点にあり，正と負の両方の荷
2−9−1．電気的性質の試験評価法
電の中心が一致するので，メタンは双極子をもつ分子
（3）誘電特性
ではない，すなわち，極性がない。
絶縁物のことを誘電体と呼ぶことがある。絶縁物に
双極子の強さを示すのに双極子モーメント（dipole
電圧をかけると，それに対応して絶縁体内に正および
moment）が用いられる。双極子モーメントは，両端の
負の電荷が発生する。この現象を誘電現象という。絶
荷電量ε’と荷電の中心間の距離1との積ε’・／で表さ
縁体は，この絶縁現象を引き起こすのでこの名があ
る1〕。
誘電特性は，高周波機器で重要な意味をもっている。
特に情報化の発達が．ますます進展し，高周波領域の利
用がすすんでいく現代では非常に重要なものである。
使用するプラスチックが有極性であるか，無極性で
あるかにより大いに特性を異にするので，まず極性に
ついて簡単に解説し，ついで誘電特性について述べる
ことにする1〕。
①プラスチックの極性
れ，通常μで示す。メタンのC−Hのμは全体的に加え
合わせたものであるからゼロになる。同様にエタン
CH畠一CH。，プロパンCH富一CH。一CH宮などの双極子
モーメントも分子全体ではゼロである。このような分
子を無極性分子と呼ぶ。さきのH−C1のように分子分
極した分子は極性分子である。クロロホルムCH昌Clは
中心炭素原子の周りに4個の双極子が非対称について
いるので，全体として双極子モーメントをもつ。した
がって極性分子である。
プラスチックのうち，ポリエチレン，ポリプロピレ
たとえぱ，簡単な例としてHClについて考える。H
ン，ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）などは無極一
とClとはおのおの！個の電子を出し合ってH：Clの
性であり，ポリ塩化ビニルやポリ酢酸ビニルなどが有
形で樟合している（共有結合）。しかし，Hの有効核電
極性であることは，その分子構造から容易に理解でき
荷は十θ，Clの有効核電荷は十7εなので，Hとαの結
るであろう。
合に便われる2個の電子は，Clの方に強く引かれ，か
たよって存在する。その結果，Hの方はいくぶん十に，
Hδ＿
Clの方はいくぶん一に荷電することになる。したがっ
つ叶
て，H−C1分子はちょうど磁石のように両端にδ十と
δ■とをもつ双極子（dipole）の形となる。すなわち，
H−Clという分子は分極している（polarize）のであ
ぐ／鋳
る。これを分子分極とレ）う。
C−H，C＝Oなど異種分子でできた化学結合も同様
に分極している。しかし，メタン分子CH・を考えた場
｝Takeo YASUDA，安田ポリマーリサーチ研究所所長
〒168−0082東京都杉並区久我山4−24−7
Vo1．52，No．5
図1メタン（CH。〕の分子構造
δ一
79
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寸
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ト
o
o
㊦
H∼
oo
一
ところがこれを電場の中におく
と，電子の分布が偏ってきて（電
子分極），原子間の距離も変わっ
てくる（原子分極），双極子が電
場の方向に並ぼうとする配向分
分子に誘起される双極子を誘起
一
双極子と呼び，これに対して，
守
o∼
o「
o
N血
o
旧
寸
∼o
さきの永久分極を永久双極子と
呼ぶ。
プラスチックを無極性と有極
性に分類し，その代表電気的性
質を表1に示す。
②誘電率，誘電正接
誘電体を2個の電極にはさん
o
H
∼6
oo
o
o
oH
oV
o
o〉
一
LO
一
で直流電圧を加えると，さきに
述べたように，正負電荷の変位
や，双極子の配向分極により蓄
えられる電荷は，真空の場合よ
り増加する。単位電界において
真空または誘電体の単位体積中
に蓄えられるエネルギーの大き
さを表す量を誘電率（dielectric
COnStant），誘電体の誘電率と真
H H 一
o
o
N〈
o
o
o
誘電率と呼び，これをεで示
岨工o岨
H H H
血
①
寸
ρ
ト
岨
o
o
では，電子分極や原子分極のみ
（
訳
〕
軸
有極性プラスチックでは，双極
N籟N崖｝困帥喧
蟻鱒
稟禦
基づく分極を永久分極という。
極が起こってくる。このように，
LO
N
o
このように原子自体の性質に
H∼
蟻＞鯉＞〕）））
轡ミ轡ぐ怒一督H
と電流との関係
○つooo「
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工O［OLO
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一
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杣趾杣唖
図2 コンデンサ回路における電圧
一
的
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揮訳送8
80
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く
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，
空の誘電率の比を比誘電率とい
う。通常この比誘電率のことを
す。さきの無極性プラスチック
が起こるのためεは小さいが
子モーメントが加算されるので
εは大きくなる。
有極性プラスチックを交流電
場におき，周波数を次第に高く
していくと，交流電界では周期
プラスチックス
的に電界の方向が変わるので，分極
表2各種プラスチックのtanδと使用周波数
によって生じた双極子もこれに同調
プラスチック
tanδの値
してその方向を変化する。電場の周
期が遅い場合には，双極子の方向変
四ふっ化エチレン樹脂
ボリエチレン，ポリプロピレン，ポリ
が，周期が速くなると摩擦抵抗のた
スチレン，ポリイソブチレン，ポリブ
テン，ブタジェン
てくる。このとき加えられた電場の
エネルギーの一部は，分子の回転に
基づく摩擦抵抗等のため，熱エネル
ギーに変わりプラスチック自体の温
度を上昇させる。したがって，高周
波電場で誘電率の大きな絶縁体は，
大きなエネルギー損失を伴うことと
なるので，できるだけ誘電率の小さ
もっとも優れた高周波絶縁材料で
以下
化もこれに追随することができる
め双極子の運動は次第に遅れを生じ
使用周波数
2x10■’
500MHz以上で使用できる
3×10一一
300∼500MHz以下の
以下
周波数で使用
アニリン樹脂，ABS樹脂，AS樹脂，
ガラスファイバ充壊シリコーン樹脂，
ポリエーテル
100×10一’
1∼100MHzの
以下
周波数で使用
酢酸セルロース，三ふっ化塩化エチレ
ン樹脂，ポリエステル積層板，ジアリ
ルフタレート，シリコーンゴム，キシ
レン樹脂，ポリ塩化ビニル，フェノー
500x10■’
10MHz以下の
以下
周波数で使用
ル樹脂，ポリアセタール，ユリア樹脂，
ポリカーボネート
い無極性のものを使用することが望
ましい。
lO−1
さて図2のようなコンデンサ回路があり，これに交
番電圧亙を加えたとしよう。もし，このコンデンサが
ポリピニルフエノール樹脂
ホルマ＿ル■ ■ ユリア樹脂
1脇11：リ嚇㍍ロロ
理想的な性質をもつものとすると，電圧Eと電流ム
との位相差は90。で電力損失は起こらないが，実際の
誘電体内には，90。からδ角だけ遅れた電流∫が流れ
乱したがって電圧と同相の電流1、が存在することに
なりE・∫τの電力損失が起こる。すなわち，
lo■！
姑
目
ポリカーボネート ■エポキシ樹脂
■
ポリエチレン
テレフタレート■○ポリスルホン
■エボナイト（参考）
η7：亙・∫r＝1，・∫cosθ
餅
只
阜
冶・亙2・∫・ε・tanδ
鯛
総
．ポリイミド
■ポリアミド
■
．けい素樹脂
lO■ヨ
冶：比例定数 E：印加電圧！：周波数
ポリブタジエン
ε：誘電率 δ：損失角（tanδ＝誘電正接）
■ポリエチレン
■ポリスチレン
．ポリフェニレンオキニド
■ポリ四ふっ化エチレン
w：電力損失（誘電体損失という）
周波数が高くなるほど，また電界強さが強くなるほ
ど電力損失は大きくなり，これが熱となって誘電体の
1〇一’
る。〃はEや！が一定の場合には，ε・tanδに比例す
11・234567
る。ところが，εは普通のプラスチックでは2∼8程度
図3各種プラスチックの誘電特性
温度を上昇・絶縁性を低下させ，材料の劣化を促進す
であまり変わらないが，tanδの値は2xユO−4∼700x
1O■4の範囲で大きく変化する。
8 9
誘電率（ε）
ずれもこの原理を応用したものであるユ〕。
したがって，誘電体損失Wは主としてtanδの大小
表3に各種プラスチックの誘電特性を示す4〕。また，
で左右されることとなる。このtanδを誘電正接また
表4に主なプラスチックのマイクロ波への誘電特性を
’示す。この表はプラスチックを高周波関連機器に使用
は誘電体力率と呼んでいる。一般に図3に示すように
tanδの大きなものは，εが大きく，tanδの小さなもの
するときの参考になると思われる。
は，εが小さい。したがって高周波絶縁材料としては
また，図4，5に各種材料の誘電率（ε），誘電正接（tan
tanδの値をみて選択するとよい。表2にプラスチッ
クの種類とtanδの値をあげ，適切な周波数を示した。
スが非常に高く，比較的大きなものはPVC，アセチル
しかし，この誘電体損失による発熱を逆に利用したも
δ）を示すgεはプラスチックの中ではシアノセルロー
のとしてに誘電加熱がある。塩化ビニルの接着に用い
セルロース，フェノール箪脂，ユリア樹脂，メラミン
樹脂である。プラスチック以外の材料ではチタン磁器
られている高周波ミシンや調理用電子レンジ等は，い
が大きい。
Vol．52，No．5
81
tanδでは，フェノール
樹脂，ユリア樹脂，メラミ
表3各種プラスチックの誘電特性
’、 u − 1■
周波数（Hz）
℃
ポリマー名
フェノールーホルムアルデヒド
25∼27
57
88
25
79
フェノールーアニリンー
ホルムアルデヒド
メラミンーホルムアルデヒド
24∼28
57
88
24
80
尿素一ホルムアルデヒド
ボリアミド
25
25
84
26
27
78
22
25
25
ナイロン66
ナイロン610
セルロースアセテート
セルロースナイトレート
メチルセルロース
エチルセルロース
シリコン樹脂
ポリエチレン
一12
23
25
25
23
84
25
22
100
25
85
ポリイソブチレン
ポリ塩化ビニル
ボリ塩化ビニルデン＆塩化ビニル
ポリクロロトリフロロエチレン
ポリテトラフルオロエチレン
（テフロン）
ポリビニルアルコールアセテート
；
ポリビニルアセテート
ポリアクリレート
（Lucite）
26∼27
スチレン共重合体
ポリエステル
アルキド樹脂
アルキドイソシアネート発泡体
Plaskon，clayi1led
Plaskon，91assilled
エポキシ樹脂
1x1O拮
1×10畠
4．45∼5．05
4．1∼4．5
6，35
4．90
4，5
8．5
5．2
4．7
4．50
4．75
4．31
4．51
4．11
4．35
6．0∼6．90
5．82∼6．20
4．90
ユ1．8
6．0
5．5
6．7
6．0
5．2
7．8
6．8
■
3．75
3．30
3．33
3．14
4，4
ユ1．2
3．50∼4．48
3．28∼3．90
6．2
5．2
5．7
4．3
3．09
3．Oユ
2．90
3．82
2．33
2．26
2．23
4．55（1x104）
正接の温度変化の要因にプ
ラスチックそのものの誘電
分散と導電率の温度変化等
があり，これらの要因が複
雑に関連したためであ
る5〕。
一
3．18
4．40
2．48
2．82
2，1
2．1
2．1
比誘電率は，プラスチック
2．04
2．04
一
’
一
の化学構造で極性を有する
5．2
7．8
ユ00
ユo
3．2
図7，8に比誘電率と誘電
2．36
正接の周波数特性を示す。
ものほど大きいが，周波数
が大きくなると値は小さく
2．54
2．67
2．85
2．50
2．58
2．59
2．55
2．54
2．55∼2．95
2．55∼2．80
2．55∼2．77
度特性同様プラスチックの
3．22∼4．3
3．12∼4，0
2．94∼2．98
種類により，複雑な動きを
3．02∼3．12
2．86∼2．92
3．5
3．1
2．9
2．63
2．63
2．72
25
25
25
25
ものがある。これは，誘電
4．65
4．94
2．76
88
25
80
25
25
のと極大値や極小値を示す
3．4
6．8
3．3
す。プラスチックにより，
3．05∼3．40
7，5
2．35
2．26
2．23
の誘電正接の温度特性を示
3．0
5．2
3．79∼3．82
示す4〕。
図6に各種プラスチック
単調増加または減少するも
6，6
2．37
2．26
2．23
スなどが比較的大きな値を
3．16
8．4
3．79∼3．91
ン樹脂，不飽和ポリエステ
ル樹脂，PVC，PVDC，
PMMA，アセチルセルロー
5．5∼5．55
5．40
6．95
一12
23
8ユ
ポリスチレン
1×10；
5．15∼8．61
2．84
3．45
2．54∼2．56
2．54∼2．56
2．54
1．223
1．2ユ8
5．26
5．04
4，92
4．73
1．20
4−77
4，50
3．52∼3．62
3，32∼3−35
3．63∼3．67
なり，構造の相違による変
化も少なくなる。誘電正接
俸，比誘電率と比べると温
示す4〕。
1‘ 。’ ＾＾＾＾ ’■＾＾＾、、
（J．S．Salamone：Polymeric Materials Encyclopedia，p，8949．CRC Press（1996））
表4主なプラスチヅク材料のマイクロ波誘電特性（空洞共振法）（狩C，10GHz）
表4主なプラスチック材料のマイクロ波誘電符性（空洞共振法H〃し，⊥U uHZ」
材料
材料
充撰材，充填量
誘電率
誘電正接
エポキシ樹脂
Eガラス，60wt％ ’
4．3
O．015
PTFE
2．1
0．0002
LCP
LCP
PP
2．17
O．0002
2．44
PS
S−PS
S−PS
APO
ガラス，30wt％
充損材，充填量
誘電率
誘電正接
2．79
O．0019
3．37
O．O040
PEI
3．1
0．O063
0．OO02
PEEK
3．1
O，0022
2．42
O．0003
PEEP
3．4
0．0027
3．1
O．0047
BTレジン
3．4
O．0037
2．27
O．0001
ガラス，30wt％
Dガラス，40wt％
Dガラス，55wt％
APO：アモルファスポリォレフィン，S−PS lシンジオタクチックポリスチレン，LCP1液晶ポリマー，BTレジン1架橋型ポリイミド
プラスチックス
82
o
↑ ×
昌｝
o
主箪
ち勾
一 ■
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冒8Q
〕へ
句；、
畠水×
1ト
o
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〉
図
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o
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ト仲・、Kト水心
8
9
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∼
昌
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Hη o’
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l□□l1書11111己㌧彗11茎1婁婁1
N
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慕蜜駅蜜聖艘帥回』“田八八八峠杜ミ“くo曽KMミい伸鶉賄K
一3牌
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錯へ
鯉ら
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旧 ×
1ト
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縄
ψ
寸
○ 図
l㌻llll㌻享1111音1∴㌻∵
卜H、削、心H圏鞘＜く穴弔祭糾芙H祭洛茶ト余｛義1。沸k水ト、心Kト水．、
Vo1．52，No．5
83
2
1
10−1
5
レ樹脂いoヨ〕
loヨ）
5
ポキシ樹脂
10］）
鞘 2
H1o−1
漣
P日S｛60〕
糾
鯉
瀧
エボキシ
樹脂
2
■＼、
鞘10■！
PMMA
PC
H 5
鯛
瀧 2
瀧5
2
フェノール描‡脂
5
2
101■
PVC
PES
PE
10■，
PC（5
5
10■ヨ
5
PTF1…く105〕
2
PS（l01皿）
2
O12345678
10■’
温度（℃）
一50050100150200
Phenol：Bakelite BM一ユ20（46％Woo“our〕
PMMA＝Lucite HM−119（Du Pont〕
Phenol：Bake1ite BM−120（46％Woo“our〕
PS ：Po1ystylene（Sheet Stock）
PMMA一：Lucite HM−1ユ9（Du Pont）
PTFE ：Teflon
PS
PVC ：Geon2046（30％DOPコンパウンド〕
PC ＝パンライト（帝人）
PES ：VICTREX200P（ICI〕
PPS ：RYTON R−4（Phi1lips）
PTFE
PVC
PES
PPS
各種プラスチックの
誘電正接の周波数特性（樹脂は図7と同一）
Polystylene（Sheet Stock〕
：Te伺on
：Geon2046（30％DOPコンパウンド〕
：VICTREX200P（ICD
RYTON R−4（PhiHips〕
図6各種プラスチックの
図7斉種プラスチックの
誘電正接の温度特性
比透電率の周波数特性
84
109−o∫パ∫：Hz）
図8
Epoxy＝Ar訂1dite Casting Resin Type B
PE ：Polyethylene．A−3305（Du Pont〕
Epoxy：Ara1dite Casting Resin Type B
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011
109m∫（∫：Hz〕
（〕内の数値は測定周波数（Hz〕
（測定温度1室温〕
10’
プラスチックス

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