DMA（動的粘弾性測定）とは？E'・E''・tanδのグラフの読み方と樹脂部品設計への活かし方
DMA（動的粘弾性測定：Dynamic Mechanical Analysis）とは、材料に小さな周期的な変形（振動）を与え、返ってくる力の大きさと遅れから、材料の「硬さ（弾性）」と「ねばり（粘性）」を分けて測る試験です。温度を変えながら測ることで、樹脂が何℃でどれだけ柔らかくなるか、ガラス転移温度（Tg）はどこかを連続的に把握できます。
「常温では十分硬いのに、夏場の車内ではたわんでしまう」といった問題は、常温のカタログ値だけでは予測できません。この記事では、射出成形品の設計・製造に携わる立場から、次の点を解説します。
DMAで得られるE'・E''・tanδの意味
温度曲線のグラフの読み方と、Tgの3つの定義
測定条件によって結果が変わる理由
DSC・荷重たわみ温度・引張試験などとの使い分け
材料選定や製品設計への活かし方
DMA（動的粘弾性測定）とは
樹脂は「弾性」と「粘性」の両方を持っている
バネのような理想的な固体は、力を加えるとすぐに変形し、力を抜くと元に戻ります。これが弾性体です。
水あめやオイルは、力を加えるとゆっくり流れ、元の形には戻りません。これが粘性体です。
プラスチックはその中間で、一部はバネのように元に戻ろうとし、一部は遅れて変形します。この性質を粘弾性といいます。しかも、そのバランスは温度や変形の速さで大きく変わります。粘弾性の基礎は「樹脂の粘弾性について」でも解説しています。
DMAの原理：力の「遅れ」を測る
DMAでは、試験片に一定の周波数（例：1Hz）でごく小さな正弦波の変形を与え、そのとき生じる力（応力）を測ります。変形は材料を壊さない範囲に抑えます。
完全な弾性体では、変形と力は同じタイミングで変化します。樹脂では分子鎖の動きや内部摩擦のため、力の波形が変形に対して少しずれます。このずれを位相差（δ）といい、完全な弾性体では0°、完全な粘性体では90°になります。
力の大きさと位相差から、次の章で説明する3つの指標を計算します。測定方法は、JIS K 7244シリーズ（ISO 6721）やASTM D4065などで規定されています。
DMAで得られる3つの指標：E'・E''・tanδ
DMAの結果は、主に次の3つの値で表されます。引張や曲げのモードではE、せん断やねじりのモードではG（G'、G''）の記号を使います。
指標 | 意味 | 値が大きいと | 設計での使い方 |
貯蔵弾性率 E'（Pa） | 変形のエネルギーのうち、バネのように蓄えられて戻る成分 | 硬く、変形しにくい | 使用温度での剛性、たわみの見積もり |
損失弾性率 E''（Pa） | 変形のエネルギーのうち、内部摩擦で熱として失われる成分 | 分子の動き（緩和）が活発 | 転移・緩和が起きる温度の把握 |
損失正接 tanδ（無次元） | E''÷E'。弾性に対する粘性の割合 | 振動を吸収しやすい（減衰性が高い） | Tgの把握、制振・防音材の評価 |
式で表すと、応力の振幅をσ₀、ひずみの振幅をε₀、位相差をδとして次のようになります。
注意したいのは、tanδが大きいことが必ずしも「良い」とは限らない点です。振動を吸収したい部品でも、必要な剛性（E'）が保たれているかを合わせて確認します。弾性率と強度の違いは「用語解説：材料物性における「弾性率」と「強度」とは」をご覧ください。
DMAグラフの読み方
DMAの結果は、横軸を温度、縦軸をE'・E''（対数目盛り）とtanδにしたグラフで示されます。数値を一つ拾うだけでなく、曲線の形から材料の性格を読み取ることが大切です。
温度とE'の曲線：3つの領域
非晶性の樹脂を低温から昇温していくと、E'の曲線はおおむね次の3つの領域に分かれます。
ガラス状領域：E'が高く、温度が上がっても緩やかにしか下がりません。非強化の樹脂では、概ねGPa（10⁹Pa）オーダーです。
ガラス転移領域：分子鎖が動き始め、E'が急激に下がります。ここでE''とtanδがピークを示します。非晶性樹脂では、E'が2～3桁低下することもあります。
ゴム状領域：E'が低い水準で平坦になります。架橋していない熱可塑性樹脂では、さらに温度を上げると流れ始め、試験片の形が保てなくなります。熱硬化性樹脂やエラストマーでは平坦部が続き、その高さが架橋密度の目安になります。
設計のためにグラフを読むときは、次の順に確認すると分かりやすくなります。
製品の使用温度範囲（例：−30～85℃）をグラフ上に縦線で引く
その範囲のE'を読み、常温（23℃）の値に対して何％になるかを確認する
E'が下がり始める温度と、使用温度の上限との余裕を確認する
tanδのピークの位置・高さ・幅を、比較したい材料と見比べる
Tgは「どこで読むか」で値が変わる
DMAではTgの読み取り方が主に3つあり、同じデータでも値が異なります。一般に、低い順に「E'の低下開始点 ＜ E''のピーク ＜ tanδのピーク」となり、その差は材料や条件によって数℃から十数℃以上になることがあります。
読み取り方 | 位置 | 意味合い | 向いている用途 |
E'の低下開始点（外挿開始温度） | 3つの中で最も低温 | 剛性が下がり始める温度 | 構造部品の使用上限温度の検討（安全側） |
E''のピーク | 中間 | 分子運動によるエネルギー損失が最大 | 分子構造の議論、材料間の比較 |
tanδのピーク | 3つの中で最も高温 | 弾性に対する粘性の割合が最大 | 制振性の評価、文献値との比較 |
材料メーカーのデータや文献を比べるときは、どの定義のTgかを必ず確認してください。定義が違う値どうしを比べると、材料の優劣を誤って判断するおそれがあります。
結晶性樹脂と非晶性樹脂では曲線の形が違う
非晶性樹脂（PC、ABS、PMMAなど）：Tgを超えるとE'が大きく下がるため、Tg付近が実質的な使用上限になります。
結晶性樹脂（PP、PA、POM、PBTなど）：Tgを超えても結晶部分が骨格となり、E'は段階的に下がりながらも保たれます。融点に近づくと急激に低下します。Tgに当たるtanδのピークは、非晶性樹脂より小さく現れるのが一般的です。
このため、結晶性樹脂では「Tgを超えたから使えない」とは限りません。使用温度でのE'の値そのもので判断します。
ガラス繊維・吸水・熱履歴で曲線はどう変わるか
ガラス繊維（GF）強化：E'が全体に高くなり、特に結晶性樹脂ではTgより高温での剛性の保持が大きく改善します。ただし、流動方向と直角方向では繊維の向きが違うため、E'に差が出ます。繊維配向については「GF強化樹脂の「収縮」と「繊維配向」の関係」で解説しています。
吸水：ポリアミド（PA）などは水分を吸うと分子鎖が動きやすくなり、Tgが低温側にずれてE'も下がります。絶乾状態か調湿状態かで結果が大きく変わるため、測定前の状態調節を必ず記録します。
熱履歴・劣化：アニールやポストキュアで結晶化や硬化が進むと、E'やTgが変わります。劣化前後やリサイクル材と新材を同じ条件で測れば、変化を数値で比較できます。
測定条件で結果は変わる：周波数・昇温速度・測定モード
DMAの数値は、測定条件が違うとそのままは比較できません。特に次の4つが結果に影響します
条件 | 結果への影響 | 比較・設計での注意 |
周波数 | 周波数を上げると、分子の動きが追いつかず硬く振る舞うため、Tgは高温側にずれます | 1Hzがよく使われます。振動や衝撃を受ける部品では、実際の周波数帯との違いを意識します |
昇温速度 | 速いと試験片の内部の温度が追いつかず、見かけのTgが高く出ます | 一般に数℃/min程度で測定します。比較するデータは同じ昇温速度でそろえます |
測定モード | 引張・曲げ・せん断で、得られる弾性率の種類（EかGか）や絶対値が変わります | モードが違うデータどうしは、絶対値を比べないようにします |
試験片 | 寸法のばらつき、成形品からの切り出し位置・方向、残留応力、含水率で値が変わります | 切り出し位置と方向、状態調節を記録します |
成形品は、ゲートからの距離や肉厚によって配向や結晶化の状態が違います。切り出す場所で結果が変わる理由は「射出成形品の物性が場所によって変わるのは何故か？」で紹介しています。
代表的な測定モードと向いている試料
モード | 向いている試料 |
引張 | フィルム、繊維、薄い板 |
3点曲げ・両持ち曲げ | 剛性の高い樹脂板、GF強化材 |
片持ち曲げ | 樹脂板全般。低温から転移領域まで幅広く測りやすい |
せん断 | ゴム、エラストマー、柔らかい材料 |
圧縮 | 発泡体、柔らかいブロック状の試料 |
DMAと他の試験の違い
DMAの強みは、剛性の温度変化を「連続的な曲線」で得られることです。一方、強度や長期的な変形は測れないため、他の試験と組み合わせて使います。
試験 | 測るもの | 試料の状態 | 得られる主な値 | 使う場面 |
DMA | 微小な振動に対する応答 | 固体 | E'・E''・tanδの温度曲線、Tg | 剛性の温度依存性、材料間の比較 |
DSC（示差走査熱量測定） | 熱の出入り | 固体～溶融 | Tg、融点、結晶化温度、結晶化度 | 材料の同定、成形条件・結晶化の検討 |
TMA（熱機械分析） | 寸法の変化 | 固体 | 線膨張係数、軟化温度 | 異材との組み合わせ、寸法設計 |
荷重たわみ温度（HDT） | 一定荷重下で所定量たわむ温度 | 固体 | 1つの温度（0.45MPa・1.80MPa荷重など） | カタログでの耐熱性の簡易比較 |
引張・曲げ試験 | 破壊までの強さと伸び | 固体 | 強度、弾性率、破断ひずみ | 強度設計（温度ごとに別の試験が必要） |
クリープ試験 | 一定荷重での長期的な変形 | 固体 | 時間と変形量の関係 | ネジ締結部や常時荷重がかかる部品 |
粘度測定（細管式・回転式） | 溶融樹脂の流れにくさ | 溶融 | せん断粘度の温度・せん断速度依存性 | 流動解析の材料データ、充填性の検討 |
HDTはカタログで比べやすい一方、「その温度まで安全に使える」という意味ではありません。使用温度での剛性がどれだけ残るかは、DMAの曲線で確認すると判断しやすくなります。
DMAの適用範囲と限界
DMAは便利な手法ですが、次のようなことは直接は分かりません。
溶融樹脂の流れやすさ：DMAは主に固体状態の試験です。射出成形での充填性に関わる溶融粘度は、粘度測定で評価します。詳しくは「溶融樹脂粘度測定法の概念」「CAE：樹脂粘度測定」をご覧ください。
強度や破壊：DMAは壊さない小さな変形で測るため、割れる応力や伸びは分かりません。
長時間の荷重による変形：数十時間から数年の変形は、クリープ試験で評価します。「用語解説：樹脂成形品におけるクリープとは」もあわせてご覧ください。
製品そのものの挙動：試験片の結果であり、製品の形状、肉厚、配向、残留応力は含まれません。製品としての判断には、構造解析や実物評価と組み合わせます。
射出成形・製品設計での活用事例
事例1：高温環境での部品のたわみを見積もる
車内や発熱する装置の内部で使う部品では、常温の弾性率だけで設計すると、高温時のたわみを小さく見積もってしまいます。
たとえば片持ちはりの先端に荷重がかかる場合、たわみは弾性率に反比例します（弾性変形の範囲での近似）
DMAで使用温度のE'が常温の半分だと分かれば、同じ荷重でもたわみはおよそ2倍になると見積もれます。引張や曲げ試験を温度ごとに繰り返さなくても、1回の測定で使用温度範囲全体の影響を把握できるのがDMAの利点です。
ただし、DMAのE'は小さな振動で測った値で、静的な曲げ弾性率とは必ずしも一致しません。設計値に使うときは、温度による「変化の割合」を主に参考にし、常温の静的試験値と組み合わせるのが実務的です。電子レンジ容器の変形を例にした耐熱性の考え方は「プラスチック容器はなぜ電子レンジで変形するのか？」でも解説しています。
事例2：スナップフィット・ヒンジの材料選定
何度も開閉するヒンジや、はめ込みのスナップフィットでは、使用温度での剛性が変わると、嵌合の力や戻りの強さが変わります。低温で硬くなりすぎて割れないか、高温で柔らかくなりすぎて外れないかを、E'の曲線で事前に確かめられます。樹脂のばね特性については「洗濯ばさみや容器のフタはなぜ何度も開閉できるのか？」で紹介しています。
事例3：成形条件と不良要因の検討
取り出し時の変形：金型温度付近でのE'が低い材料は、突き出しの力で変形しやすくなります。金型温度や冷却時間を決める際の根拠の一つになります。
材料の変更・リサイクル材の導入：旧材料と新材料を同じ条件で測れば、常温のカタログ値では見えない高温側の差を確認できます。
市場不具合の調査：変形や割れが起きた製品と正常品を比べると、吸水、劣化、結晶化の違いなど、原因を絞り込む手がかりになります。
よくある質問
Q1. tanδのピーク温度はTgと同じですか？
DMAではTgの定義の一つとして使われますが、E'の低下開始点やE''のピークより高い値になるのが一般的です。どの定義かをそろえて比較してください。
Q2. DMAとDSCで求めたTgが違うのはなぜですか？
DSCは熱の出入り、DMAは力学的な応答を測っており、測っている現象が異なるためです。さらにDMAは周波数や昇温速度の影響も受けます。値のずれは異常ではなく、測定法と条件を併記することが大切です。
Q3. 荷重たわみ温度（HDT）とDMAはどう使い分けますか？
HDTはカタログでの簡易比較に向いた1点の値です。使用温度での剛性がどれだけ残るかを知りたい場合は、連続的な曲線が得られるDMAが向いています。
Q4. DMAで溶融樹脂の流れやすさは分かりますか？
直接は分かりません。DMAは主に固体の試験です。射出成形での充填性に関わる溶融粘度は、細管式や回転式の粘度測定で評価します。
Q5. 周波数1Hzの値は実際の使用環境に当てはまりますか？
材料どうしの比較には有効です。ただし、振動や衝撃を受ける部品では、周波数が高いほど材料は硬く振る舞います。逆に長時間の荷重では、より柔らかく振る舞うため、クリープ試験を併用します。
Q6. 試験片は射出成形品から切り出してもよいですか？
可能です。ただし、切り出す位置や方向で配向や結晶化の状態が異なるため、位置と方向を記録してください。製品に近い状態を評価できる利点がある一方、標準試験片の値とはそのまま比較できません。
Q7. E'が何MPaあれば十分かは、どう判断しますか？
一律の基準はありません。部品に求められるたわみの許容量から必要な剛性を計算し、使用温度のE'と照らし合わせて判断します。形状の工夫（リブや肉厚）で補える場合もあるため、構造解析とあわせて検討するのが確実です。
まとめ
DMAは、樹脂の硬さとねばりを温度の関数として連続的に測れる試験です。設計に活かすためのポイントは次の4つです。
使用温度範囲のE'を読み、常温に対してどれだけ下がるかを確認する
Tgはどの定義（E'の低下開始点・E''のピーク・tanδのピーク）の値かをそろえて比較する
周波数・昇温速度・測定モード・試験片の条件をそろえて比較する
溶融時の流動性、強度、長期の変形は、それぞれ粘度測定、引張・曲げ試験、クリープ試験と組み合わせて判断する
常温のカタログ値だけでは見えない「高温での弱さ」を事前に把握できることが、DMAを使う最大の利点です。
関連記事
材料選定・構造解析のご相談
三光合成では、樹脂部品の設計から金型製作、量産成形まで一貫して対応しています。「高温環境で使える材料を選びたい」「使用温度でのたわみを事前に確かめたい」といったご相談は、流動解析・構造解析も含めてお気軽にお問い合わせください。
コメント