機械産業には欠かせない！ 熱硬化性樹脂とは？
プラスチックと言ってもその種類は多岐に渡りますが、今回は熱を加える事で化学反応を起こして硬化する熱硬化性樹脂にスポットを当ててみましょう。一度固まってしまえば、再加熱をしても元に戻らない熱硬化性樹脂は、高い耐熱性と、曲げや歪みなどの変形に強いという特徴があります。その特性から機械産業の発展に欠かせない存在である熱硬化性樹脂は、現在でも成長産業である半導体やエレクトロニクス関連を中心に、自動車産業などの輸送機関連、宇宙工学機器や医療機器といった優れた機能性を求められる分野で大活躍していますが、一般用途としてキッチン用品や塗料、接着剤などにも多用されています。炭素繊維やガラス繊維を混ぜ込んだCFRP・GFRPのベース材にもなる熱硬化性樹脂は、軽量かつ高強度な点から代替金属としても注目を集める素材です。
熱硬化性樹脂の種類と使用用途
フェノール樹脂 (PF)
1907年、ベルギー人化学者レオ・ベークランドによって、世界初の合成高分子プラスチックとして誕生したフェノール樹脂。開発者が設立した社名からベークライトとも呼ばれるこの樹脂は、その誕生から長年機械産業の発展を支えてきただけでなく、古くは時計やジュエリーにも使用されていました。
優れた耐熱性や難燃性、耐薬品性、耐久性、電気絶縁性を持つフェノール樹脂は、現在でも自動車部品や工業部品、医療機器や半導体、電気回路など、機能性を求められる用途で活躍している熱硬化性樹脂の代表的な存在です。身近なところでは、その難燃性、耐熱性の高さから鍋などの取っ手に使用されている他、接着性を活かした塗料や接着剤としても活用されています。寸法安定性にも優れるので、加工しやすいのもフェノール樹脂のメリットです。一方、高硬度である反面、衝撃には弱く、耐アルカリ性も低めです。また、樹脂自体に色味があるので着色がしにくい点も用途によっては不向きになります。
エポキシ樹脂(EP)
フェノール樹脂と並び、熱硬化性樹脂の代表的な存在であるエポキシ樹脂は、優れた電気絶縁性から電化製品や電子基板に活用され、エレクトロニクス産業には欠かせない樹脂です。また、耐水性、耐薬品性、耐食性も高いため、塗料やコーティング剤としても幅広く使用されている他、接着性にも優れるため、一般用途から専門性の高い産業・工業用の接着剤としても使用されます。
単体では硬化せず、硬化剤と混ぜる事で硬化するエポキシ樹脂は、硬化剤の種類によって、硬化条件や物性が変化するため、非常にフレキシブルな素材と言えるでしょう。炭素繊維やガラス繊維を混ぜ込んだ高機能素材であるGFRPやCFRPのベース樹脂としてもメジャーな存在であり、近年は光造型の3Dプリンターの原料としても活用されています。意外なところではその透明性の高さから、システムキッチンにも採用されています。
耐熱性や耐候性も高く、多用性のあるエポキシ樹脂ですが、反面紫外線に弱く、白く劣化してしまうため、太陽光に当たるものには表面塗装が必要になる点、靭性が低いため、用途によってはそれを補う添加剤が必要になる事、低温下での硬化が遅いのがデメリットになります。
メラミン樹脂(MF) 耐熱性や耐摩耗性、耐水性に優れた特性を持つメラミン樹脂は、傷が付きにくく壊れにくいという耐久性の高さから食器等に使用され、メラミン食器として親しまれています。学校給食や食堂、病院などで一度は目にした事があるでしょう。比較的安価で大量生産に向いている事、光沢があり着色もしやすい点も食器や雑貨などの日用品に向いている特性です。光沢があり傷が付きにくい事から家具や建築物の化粧板や、家電や自動車の塗料としても活用されています。またメラミン樹脂を発泡成形したメラミンフォームは、掃除用スポンジとして一般家庭にも広く浸透しています。またこのメラミンフォームは高い吸音性から、スタジオ等の防音材としても使用されている他、難燃性、耐熱性等の熱特性から断熱材としても使用され、建材だけでなく、飛行機や自動車にも採用されています。日用品のイメージが強いメラミン樹脂ですが、家屋の外装や木工用の接着剤としても用いられています。
耐久性は高いものの、ひび割れが起きやすく熱水や酸に弱いという弱点があります。
尿素樹脂（ユリア樹脂、UF）
石油由来の原料を使用する樹脂に対し、尿素を原料とするため、熱硬化性樹脂の中でもリーズナブルなユリア樹脂。塗料や接着剤、繊維の加工に使用される他、耐トラッキング性や耐アーク性に優れるため、照明器具の部品やコンセント等にも使用されています。安価で着色がしやすく、表面硬度が高く光沢性もある事から、ボタンや容器のキャップなどの雑貨や日用品、象牙の代用品として麻雀牌などにも用いられます。
成形品の原料として広く活用されている一方、耐水性や耐衝撃性は低めで、ひび割れもしやすいという弱点があります。
不飽和ポリエステル樹脂 (UP)
電気絶縁性、耐薬品性、耐熱性に優れる不飽和ポリエステル樹脂は、ガラス繊維を強化したGFRPに使用される事が多い樹脂です。耐腐食性、難燃性が高く、引張や曲げ、衝撃にも強いため、浴槽や浄化槽、タンクやプールなどの水回りの設備に使用されているほか、自動車や船舶の外装部品、スノーボードやサーフボード、スキー板などのスポーツ用品まで幅広く使用されています。特に自動車産業では、軽量かつ強度の高い不飽和ポリエステル樹脂は、燃費向上に大きく貢献しているだけでなく、パテや接着剤として、自動車の補修にも活用されています。成形のしやすさもメリットです。酸には強いですが、アルカリには弱い特性があります。
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アルキド樹脂
耐候性、耐薬品性、難燃性、耐摩耗性に優れたアルキド樹脂の主要用途は塗料になります。着色性に優れ、光沢もある事からワニスやエナメルの原料にもなっています。塗料として使用した場合、塗膜が硬く、変色が少ないというメリットがあります。耐候性の高さから保護剤や仕上剤としても活用され、また接着剤としても使用されています。他のポリマーとの適合性に優れた汎用性と、比較的低コストな点、金属への密着性の高さもアルキド樹脂の特徴になります。
シリコーン樹脂
分子の結合状態によって、ゴム状からオイル状、硬度のあるものからエラストマー状のものまで、幅広い形状にできるシリコーン樹脂。撥水性が高く、耐油、耐熱、耐酸化性にも優れたシリコーン樹脂は、非毒性や低汚染、耐薬品性等の安全性の高さから医療器具や化粧品等、シビアな安全性を求めるものに使用されています。また、柔軟で離型性に優れ、耐熱性も高い事から製菓の型などの調理器具、レンジで使用できる食器等キッチン用品にもシリコーン樹脂は多用されています。200℃以上の高温から－100℃の低温まで耐えうる熱安定性から、厳しい環境下で使用される機械部品にも使用されます。電気絶縁性も高いため、電子機器等の絶縁材、ケーブルなどの被覆材としても採用されています。
優れた特性を持ち、多彩な形状を持つシリコーン樹脂ですが、引裂き・引張強度、耐摩耗性については若干弱いのがデメリットになります。
ポリウレタン(PUR)
ストレッチ性が高く、ウレタンゴムとも呼ばれるポリウレタン樹脂。弾性や耐摩耗性に優れ、耐衝撃性も高いポリウレタンは、成形方法によって軟質から硬質まで種類が豊富で、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂双方に分類される事もあり、その使用用途は多岐に渡ります。
熱硬化性ポリウレタンの主な使用用途は、製紙や製鉄のロール材やコンベアーベルト、パッキンなどの工業部品、キャスターやタイヤなどの車輪部分、OA機器の機械部品などです。
耐薬品性や耐油性にも優れ、硬軟自在で成形方法も多彩なポリウレタンは、使い勝手が良い樹脂である一方、環境の影響を受けやすく、何もしなくとも少しずつ劣化が進んでしまうというデメリットもあります。
熱硬化性ポリイミド(PI)
ポリウレタンと同じく熱可塑性と熱硬化性の種類があるポリイミドは、極めて優れた強度と耐熱性を誇る樹脂です。-196℃から300℃ という広範囲の温度でも物性変化が少なく、機械特性、電気絶縁性、耐薬品性にも優れます。熱硬化性ポリイミドの場合、その特性を活かしてコーティング剤やフィルムの基材として使用されています。また加工性も良好なため、飛行機のエンジンや機体、液晶ディスプレイなどの産業機器や原子力関連機器、宇宙船や人工衛星といった航空宇宙関連など、幅広い分野で活躍しています。機能性樹脂として優れた特性を持つスーパー樹脂である熱可塑性ポリイミドですが、高強度ゆえに柔軟性には欠けるため、耐衝撃性では若干劣る点が数少ない弱点になります。
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