合成ポリマーは、多くの業界で部品や装置の製造によく使用される材料です。これらの材料は、天然物質を劣化させることが知られている環境ストレスに対する耐性があるため人気があります。この記事では、これらの合成材料の例として、熱可塑性ポリウレタンとシリコンについて説明します。
合成ポリマーとしてのTPUとシリコン
石油化学製品から抽出されます。場合によっては、これらの分子は再生可能な資源から得られます。
合成ポリマーは、熱可塑性プラスチックまたは熱硬化性プラスチックのいずれかです。熱可塑性プラスチックは簡単に複数回変形できますが、熱硬化性プラスチックは 1 回しか成形できません。この場合、TPU は熱可塑性プラスチックで、シリコンはエラストマーです。さらに、エラストマーは広く熱硬化性ポリマーと見なされています。
TPU（熱可塑性ポリウレタン）とは何ですか？
熱可塑性ポリウレタンは、エラストマーと熱可塑性の両方の性質を持ちます。つまり、ゴムとプラスチックの両方の特性を備えています。これらの特性により、TPU は弾力性と耐久性が求められる用途で信頼できます。このため、この素材は多くのメーカーから常に求められています。
TPU は非晶質または半結晶質のいずれかです。
- アモルファスTPU
アモルファスタイプの TPU は、柔らかさ、柔軟性、弾力性などの特徴があります。そのポリマー構造は分子のランダム性によって特徴付けられます。このランダムな構成により、材料のアモルファス構造が実現されます。
アモルファス TPU のランダムな配列により、この素材は柔らかく弾力性があります。これにより成形プロセスが容易になり、多くの部品に成形しやすくなります。この素材は、他の種類の TPU と比較して最も弾力性が高い素材の 1 つです。
この素材は柔らかいため、靴やスポーツ用具の製造に便利です。この用途では、アスリートが快適で安全な柔らかい素材を使えるようにするため、柔らかさが重要です。つまり、繊維産業はこの素材から大きな利益を得ることができます。
- 半結晶性TPU
アモルファス TPU と比較すると、半結晶性 TPU は耐久性と剛性がはるかに優れています。つまり、物理的耐久性が優れているということです。これらの特性は、結晶構造内の分子の配列によって支えられています。
剛性や耐久性などの特性により、この材料は耐久性が優先される用途で使用されます。これには自動車産業が含まれます。また、大型機械の外部部品の製造にも使用できます。
シリコンとは何ですか？
学名は シリコーン ポリシロキサンです。これは、材料が物質であり、シロキサンモノマーのポリマーであることを意味します。シロキサンは、分子構造内にシリコンと酸素原子でできた化合物です。
シリコンの重要な特徴の 1 つは、無機化合物であることです。つまり、そのポリマー構造は自然界には存在しない物質から作られています。無機元素は耐久性が高いことで知られており、これがシリコンが最も耐久性の高いゴムの 1 つである理由です。
シリコンは、液体、ゲル、ペースト、またはエラストマー (ゴム) として存在します。これらの各タイプのシリコンには、特定の使用例があります。また、ポリマーの分子構造の組成が異なる場合もあります。これは、化合物のグレーディング プロセスに役立つため重要です。そのため、接着剤、LSR など、さまざまなタイプのシリコンがあります。
TPU vs シリコン: 化学組成
これら 2 つの合成ポリマーの化学組成が欠けていると、詳細な記事とは言えません。化学組成は、材料を構成するモノマーによって示されます。これには、ポリマーの合成プロセスも含まれます。
TPU（熱可塑性ポリウレタン）の化学
TPU の最も基本的な形態は、分子構造にソフト セグメントとハード セグメントを含んでいます。各セグメントは、特定の要素または化合物で構成されます。この場合、ソフト セグメントはポリエーテルまたはポリアミドで作られ、ハード セグメントはポリブタジエンまたはポリエステルで作られています。
両方のセグメントは、TPU の特性において重要な役割を果たします。ハード セグメントは TPU に弾力性と剛性を与え、ソフト セグメントは材料の弾性係数を制御します。
素材のこの 2 つの特性 (硬度と弾性) のバランスをとるには、化合物の比率をチェックする必要があります。また、比率は、1 つの側面を制御するために適宜調整できます。たとえば、メーカーはポリブタジエンまたはポリエステルの比率を増やして、TPU をより硬くし、弾性を低くすることができます。これはすべて、素材の使用例によって異なります。
熱可塑性ポリウレタンはどのように合成されるのでしょうか?
TPU の合成は 2 つのステップで行われます。ステップ 1 は重縮合と呼ばれ、その後に鎖延長が続きます。
最初のステップでは、 重縮合モノマーが反応してプレポリマーを形成します。TPU に使用されるモノマーは、通常、ジオールとジイソシアネートです。ジオールは 2 つのヒドロキシル基を持つ長鎖分子であり、ジイソシアネートは 2 つのイソシアネート基を持つ長鎖分子です。
ステップ 1 ではプレポリマーを形成します。これは特定の条件下でのモノマーの反応を伴います。この反応で使用される一般的なモノマーはジオールとジイソシアネートです。
ジオールにはヒドロキシル基が含まれており、長鎖分子です。これはポリマーを形成しやすいことを意味するため重要です。一方、ジイソシアネートにはイソシアネート基が含まれており、これも長鎖です。高品質のプレポリマーを得るには、これら 2 つの化合物は不純物のない高品質でなければなりません。
2 番目のステップでは、形成されたプレポリマーを鎖延長剤と反応させます。鎖延長剤の目的は、その名前が示すように、プレポリマーの鎖を延長することです。これは、ポリマーが通常、長鎖化合物であるためです。これにより、商業的に TPU として知られる長鎖ポリマーが形成されます。
シリコーンの化学
シロキサン化合物の重合は非常に簡単です。覚えておかなければならないのは、このタイプの重合技術は開環重合 (ROP) として知られているということです。このタイプの反応は、シクロシロキサンを線状シロキサンポリマーに変換します。
しかし、シリコンの魔法は硬化プロセス中に影響を受けます。材料の特性を引き出すために、ラテックスに混合される触媒、増強剤、その他の物質があります。これは非常に重要であり、材料を非常に耐久性のあるものにするものです。
シリコーンエラストマーの製造
ゴムの製造には、ヒドロシリル化と呼ばれるプロセスが使用されます。このプロセスでは、シリコンとハロゲン化水素の反応が行われます。これは、より高度な加水分解の一種です。このプロセスで使用される最も一般的なハロゲン化水素は、塩化水素または臭化水素です。
このヒドロシリル化反応によりシラノールが形成されます。その後、シラノールはアルコールと反応してシロキサンを形成します。シロキサンは、前述のように重合してポリシロキサンまたはシリコーンと呼ばれるポリマー化合物を生成するモノマーです。
TPU とシリコン: 特性と特徴
TPU とシリコンをポリマーとして比較すると、これらの材料を分子レベルで理解するのに役立ちます。これらの材料がどのように機能するかについての洞察が得られるため、これを行うことは非常に重要です。これらの比較を研究する最良の方法の 1 つは、これらの物質の特性を調べることです。
TPUの特性
TPU は、次のような幅広い特性を備えた多用途の素材です。
高い耐摩耗性
TPU の分子構造により、材料は耐久性に優れています。これは、高い耐摩耗性を持つ材料に必要な物理的特性です。耐摩耗性とは、繰り返しの摩耗によって生じる摩耗や裂傷に耐える能力です。これは主に、シールドやシーリング用途に使用されるコンポーネントで発生します。
材料の強度と剛性も耐摩耗性に影響します。ベースモノマーに含まれるウレタン分子がこの特性を高めます。そのため、TPU は摩擦が予想される用途にも耐えることができます。
低温性能
寒冷環境でも形状と構造を維持できる素材は、低温耐性があると言われています。つまり、これらの条件下でも、ほとんどの場合、剛性と柔軟性を維持できるということです。ほとんどのエラストマーと同様に、TPU にもこの能力があります。
ほとんどのゴムは低温状態では剛性を失い、脆く硬くなりますが、これは常温のゴムでは予想されないことです。これはほとんどの種類のプラスチックでは異なります。ただし、これはコンパウンドの製造プロセス中に変更できます。
高いせん断強度
耐衝撃性は、応力管理の結果です。応力とは、張力、摩擦、引っ張り、その他の要素すべてを指します。これらの条件下で変形しない材料は、せん断強度が高いと言われています。
高いせん断強度は、動きの多い用途に役立ちます。これは、材料が変化せずに長寿命を実現できるためです。これと TPU の摩擦抵抗が高いという事実が相まって、この材料は多くの用途に非常に適しています。
高弾性
ほとんどのエラストマーと同様に、TPU も弾性があります。弾性とは、伸びて変形せずに元の形状に戻る能力と定義されます。ほとんどのプラスチックは引っ張られると裂けてしまいます。これが TPU と他の種類のプラスチックの違いです。
TPU の弾性は、主に化合物の分子構造によって左右されます。また、分子の架橋は材料の弾性率に大きな役割を果たします。そのため、TPU は弾性が求められる用途で非常に役立ちます。
透明性
TPU で作られたものを見たことがあれば、その素材の透明性に気づいたかもしれません。TPU のいくつかのバリエーションは、設計上透明になっています。これは、化合物の製造プロセス中に気泡が加えられることで発生します。ほとんどの場合、素材は通常半透明で、ある程度の光が通過します。
耐油・耐グリース性
油やグリースは多くの物質を破壊する原因となります。しかし、TPU はこれらの化合物の有害な影響に対処できるように設計されています。
油やグリースの最も有害な側面は表面張力の低下です。これらの化合物は TPU のポリマー鎖を分解して表面を侵食します。これにより、さまざまな用途で多くの事故が発生する可能性があります。
さらに、油やガスに対する耐性があるのは、化合物が疎水性を持っているためです。これはウレタン骨格によるものです。ご存知のとおり、油と水は混ざりません。したがって、TPU は撥水性によって自らを保護するため、油が TPU を損傷することはありません。
シリコンの特性
それでは、シリコンの一般的な機械的特性と化学的特性を見てみましょう。TPU の特性と比較して、類似点や相違点があるかどうかを確認してください。
高弾性
すべてのゴムと同様に、シリコンは非常に弾力性があります。さらに、シリコンは最も弾力性のあるゴムの 1 つです。これは、シリコンの弾性率が 0.0167 GPa であるためです。この数値がいかに大きいかは、GPA がギガパスカル (10 億単位) の略語であることがわかります。
高い弾性係数を持つシリコンは、ガスケットやシールの製造などの用途で非常に信頼性があります。これらの用途では、コンポーネントがストレスに耐えられるようにするために、特性として弾性が必要です。この特性が適用されるすべての用途を思い浮かべてください。
高い機械的耐性
物質が変形、圧縮永久歪み、その他の外力に耐えられる場合、その物質は高い機械的耐性を持つと言われます。これはほとんどの種類のシリコンに見られ、シリコンが過酷な環境で使用される理由を説明しています。たとえば、 シリコンOリング 抵抗に耐えられるほど強くなるには、機械的な抵抗が必要です。
優れた耐薬品性
軍隊はシリコン素材の主な消費者の 1 つです。特に海軍は、機器にシリコンベースの O リングとシールを使用しています。これは、この素材が水中の化学物質によって損傷されないためです。耐久性のある部品が求められる化学工場でも同じことが言えます。
低熱伝導率
熱伝導性に関しては、シリコンも主要な材料として使用されています。熱伝導性が低いということは、材料が熱をある領域から別の領域に伝達できないことを意味します。言い換えれば、熱を逃がすことができません。これが、シリコンがキッチン用品の製造に使用される理由です。これは、化合物の断熱特性によるものです。
低毒性
毒性のある合成ポリマーは数多くありますが、シリコンはそのうちの 1 つではありません。毒性とは、人命や環境全般に脅威となる異物が存在することを意味します。毒性があれば、シリコンは医療業界でこれほど信頼されることはありません。
優れた熱安定性
熱安定性と熱伝導率を混同しないでください。これらはそれぞれ特定の意味を持つ異なる特性です。熱安定性とは、熱のレベルに関係なく変化しない能力です。つまり、シリコンは低温と高温の両方の条件で化学的および物理的特性を維持します。
TPU とシリコン: 分類とグレード
TPU とシリコンは、いくつかの要因に基づいてさまざまなカテゴリに分類できます。ほとんどの場合、ポリマー構造が使用されます。他のケースでは、カテゴリは硬化や加硫方法などの外部要因によって影響を受けます。これらの一般的なグレードとタイプを学びましょう。
TPUの分類
TPU には主に 2 つのタイプがあります。1 つはポリエステル ベースのもので、もう 1 つはポリエーテル ベースのものです。その違いを学びましょう。
ポリエステルベースのTPU
名前からわかるように、ポリエステルベースの TPU は分子構造にポリエステル骨格を含んでいます。化合物のその他の要素は、製造プロセスで使用される鎖延長剤から得られます。
ポリエステルベースの TPU の特徴の 1 つは、全体的な機械的特性です。これらの物質は非常に硬いため、多くの用途に適しています。これには、自動車産業や航空宇宙産業が含まれます。
ポリエーテル系TPU
エーテルは、アルキルまたはアリール基に酸素が結合した化合物です。ポリエーテル TPU の骨格は、ポリエーテルとポリオール鎖延長剤でできています。これにより、この材料はさまざまな点で非常に耐久性に優れています。
詳しく調べてみると、ポリエーテル系とポリエステル系の TPU はそれほど違いがないことがわかります。どちらも似たような構造を共有していますが、ある程度は互いに異なります。これは、2 種類の TPU を考慮して選択するのに役立つため重要です。
シリコーンエラストマーの種類
シリコンは、特定のパラメータに従って分類することもできます。これは、製造元または顧客の仕様によって異なります。また、独自の特殊グレードもあり、その組成は製造元のみが知っています。
- メチルシリコーン（ポリジメチルシロキサン）: メチルシリコーンは多くの分野で非常に一般的です。これらの材料の重要な指標の 1 つは、高い疎水性、つまり水をはじく性質です。それでも、高温に耐えることができます。このタイプのシリコーンは、基本的なシリコーンと見なすことができます。
- ビニルシリコーン: ビニル基は、ほとんどの化合物において官能基とみなされます。このタイプのシリコーンでは、これらのビニル基が材料の加水分解に対する耐性を高めます。その結果、ビニルシリコーンはメチルシリコーンに比べて湿度や高熱に対する耐性がはるかに高くなります。
- フルオロシリコーン: フルオロエラストマーについて聞いたことがありますか? これはフッ素化された骨格を持つ合成エラストマーです。フッ素は多くの化学物質で繁殖することが知られており、そのため高性能エラストマーの製造に理想的な要素です。そのため、このタイプのシリコーンは優れた化学的および物理的特性を備えています。
- アミノシリコーン: アミノシリコーンの特徴の一つは、素材に触れた時の感触です。触ると柔らかく感じますが、剛性に欠けるわけではありません。このため、繊維業界では高機能な衣類の製造に使用されています。
- フェニルシリコーン: フェニルシリコーンの主な特徴は、硬化プロセスで分子が形成するリング状の構造です。ベンゼン環に似ています。もちろん、これは分子骨格のフェニル基によって促進されます。
上記のすべてのタイプのシリコンは、信頼できるシリコン製造業者から簡単に入手できます。覚えておいていただきたいのは、各タイプはそれぞれ特性がわずかに異なるということです。どちらかといえば、特定の特性を持つように作られているので、意図した使用ケースに基づいて選択するのに役立ちます。
TPU とシリコン: 類似点と相違点の比較
TPU とシリコンを比較するもう 1 つのポイントは、類似点と相違点です。言い換えれば、これらの材料はどの程度類似しているか、または異なっているかということです。これを行うには、主にこれらの材料の機械的および化学的特性に依存します。
TPUとシリコンの類似点
まずは類似点から見ていきましょう。ご覧のとおり、2 つの化合物には多くの類似点があります。その一部を以下に示します。
汎用性
汎用性とは、さまざまな条件に適応する能力です。ほとんどの場合、これは材料がさまざまな用途に使用できることを意味するため、不可欠です。汎用性の高い材料は、リサイクルされた状態でより高い価値を持つため、需要も高くなっています。
ポリマーの性質
これらの材料のポリマーの性質は、何らかの関連があります。一方では、どちらも合成材料です。また、どちらも無機物です。これらの特性は、いくつかの材料の製造に不可欠であることが証明されています。
耐摩耗性
TPU とシリコンはどちらも耐摩耗性に優れています。これらのポリマー化合物を構成するモノマーには、この特性を向上させる特殊な要素が含まれています。耐摩耗性は、これらの化合物の用途を広げる重要な特性です。
プロパティ
シリコンと TPU の特性は完全には一致しません。ただし、両者は特性によって識別できるため、類似点が生じます。また、ほとんどのポリマーと同様に、どちらも化学的および物理的特性を備えています。これは、ストレス要因に耐えられる材料を選択するのに役立つため、製造において不可欠です。
TPUとシリコンの違い
TPU とシリコンの違いは昼と夜ほどです。言い換えれば、物理的にも化学的にも簡単に識別できます。これらの違いには次のようなものがあります。
処理方法
シリコンは、射出成形、圧縮成形など、非常に特殊な方法で製造されます。ある程度、同じ方法を使用して TPU コンポーネントを製造できます。
TPU の加工はシリコンよりも困難です。その理由の 1 つは、各材料のポリマーの種類です。熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂は、熱にさらされた場合の特性と動作がまったく異なります。熱硬化性樹脂は溶けませんが、熱可塑性樹脂は熱にさらされると簡単に分解します。
処理の容易さ
また、製造のしやすさに基づいて、これら 2 つの材料を比較することもできます。TPU はシリコンよりも加工が難しいことで知られています。これは、TPU が一般に熱可塑性であるため、技術者が熱で破壊しないように注意する必要があるためです。
さらに、TPU はシリコンよりも粘度が高いため、成形プロセス中に金型を流れる際に問題が生じます。これらの問題が、TPU の加工がゴムよりもはるかに難しい理由です。
素材の品質
素材の品質はあなたにとって最も重要です。つまり、ほとんどの決定を下すときに、常に素材の品質を考慮する必要があります。
シリコンと TPU は、並べて比較すると材質が異なります。ゴムとプラスチックは同じ材質ではありません。しかし、広い範囲で比較すると、それほど大きな違いはないことがわかります。
寿命
寿命とは、材料が製造された日からその特性をすべて失うまでの期間です。これは、これらの化合物を指すときに使用される定義です。
シリコンは TPU よりも寿命が長いです。シリコンは紫外線から保護され、耐候性があるため、ほとんどの環境で長持ちします。TPU はシリコンよりも早く分解する傾向があるため、同じことは言えません。
アプリケーション
多くの用途における材料の選択は、いくつかの要因に基づいています。シリコンと TPU は多くの要件を満たしますが、化合物の最終的な選択は、多くの外部要因によって左右される可能性があります。たとえば、シリコンはエラストマーですが、TPU は熱硬化性です。
シリコンの用途は非常にニッチで特殊です。これらは、使用事例に関する多くの情報を収集した後に慎重に選択された用途です。その一部を以下に示します。
- 医療機器: シリコンは、医療用インプラント、レンズ、カテーテル、その他の生体適合性インサートの製造に使用されます。
- 家庭用品: 家庭にはシリコン製の製品がたくさんあります。キッチン用品、家電製品のシーラント、 子供と大人のためのおもちゃこれらのおもちゃのほとんどは、シリコンの無毒な性質を利用しています。
- 自動車用途: シリコーンのような強力なゴムがなければ自動車産業は崩壊するでしょう。シリコーンは製造に使用されます。 ガスケット, ホース, アザラシ、 等々。
追加の関連アプリケーション
- 携帯ケース
- 時計バンド
- キーボードカバー
- 水筒
- まな板
- ナンバープレートフレーム
一方、TPU にはさまざまな要因に基づいて指定された使用例があります。たとえば、素材の耐久性により、履物、スポーツ用品、そしてある程度は自動車部品に最適です。
TPU とシリコン: どちらを検討すべきでしょうか?
シリコンと TPU のどちらを選ぶかというジレンマに直面したとき、最適な素材を見つけるためのガイドマップが必要です。この記事を読んだことで、2 つの素材についてより深く理解できるようになりました。しかし、ジレンマは依然として存在する可能性があります。
考慮すべき重要なポイントの 1 つは、意図された使用事例の仕様です。どのような特性が求められているのでしょうか。これらの特性の一部は重複していることを理解し、ここではかなり注意する必要があります。したがって、特定の化学物質に対する耐性などのニッチな要件に従ってください。
直接的な答えはないだろう どれを検討すべきか。 しかし、適切な考慮をすれば、ジレンマを乗り越えて正しい選択をすることができます。仕事に適した材料が見つかるという保証があるため、これは重要です。
結論
熱可塑性ポリウレタンとシリコンは、非常に信頼性の高い合成ポリマーであることが証明されています。ポリマーの需要が高まるにつれて、これらの材料は需要を満たすために製造され続けるでしょう。次のプロジェクトでこれらを使用する予定がある場合、これらについてよりよく理解できるのは有利です。
その他のリソース:
シリコンとポリカーボネート – 出典: LEGENDAY
シリコンは有毒か – 出典: LEGENDAY
EPDM 対 シリコン – 出典: LEGENDAY
シリコンとアクリルの屋根コーティング – 出典: LEGENDAY
シリコンはゴム、エラストマー、それともポリマーですか? – 出典: LEGENDAY