今回のテーマは化学業界を語る上で外せない材料の一つ、樹脂です。
樹脂と一言で言っても、その種類は多岐に渡り種類ごとに性質も大きく異なるため理解が難しいこともあると思います。
そこでこの記事では、樹脂の基礎講座と題して、樹脂に関する情報を体系的にお届けします。
この記事を見れば、樹脂に関する基本的な知識がしっかり身に付きます。
動画で説明：樹脂とプラスチックについて解説【化学業界基礎講座】
動画で見たい方はこちらからどうぞ。
樹脂の由来と天然樹脂
初めに、そもそも樹脂とは何かを説明します。
樹脂というのは古くから松ヤニや漆など、樹木の樹液が固まったものを指します。
これらは天然樹脂と呼ばれます。
天然樹脂の用途
天然樹脂は塗料や滑り止め、ワックス、接着剤など様々な用途に使われてきました。
天然樹脂の欠点
天然樹脂は非常に有用な材料であるものの、生産できる量が限られているという欠点がありました。
そこで何とかして人工的に樹脂を作れないかという試行錯誤の末に開発されたのが合成樹脂です。
世界初の合成樹脂
世界初の合成樹脂と呼ばれているのが、フェノール樹脂です。
1907年にアメリカのベークランドがフェノール樹脂を工業化し、ベークライトという商標で発売しました。世界で初めての、動植物を原料としない人工合成樹脂の誕生になります。
合成樹脂の優位性：天然物との比較
樹脂普及の要因となったのがその有用性の高さです。
金属や石などと比べて軽いこと、天然物よりも加工が楽なこと。そして、割れにくく、長持ちし、手入れが楽。といった特徴が有用性の高さに繋がっています。
そして何よりもたくさん作れるというメリットが大きく、コストパフォーマンスの高さも相まって天然物よりも安価な樹脂製品が大量に普及したというわけです。
樹脂（＝合成樹脂）の基礎知識
樹脂とは何かがわかったところで、次に樹脂の基礎知識を説明していきます。
樹脂の構造単位：モノマーとポリマー
樹脂の構成要素としてモノマーとポリマーという用語があります。
モノマーは単量体、一つの分子のことを指します。「モノ」という単語が1つという意味を持つためですね。
一方で、ポリマーはモノマーを数百個単位以上結合させてできた高分子量体のことを指します。
「ポリ」という単語が沢山という意味を指すためです。
つまり、モノマーを反応させることによってポリマーが得られるというわけです。
モノマーとポリマーの例
モノマーとポリマーの例を3つあげます。
- モノマーにエチレンを反応させるとポリエチレンというポリマーになります。
ポリエチレンの用途としてはレジ袋が有名ですね。 - モノマーにスチレンを反応させるとポリスチレンというポリマーになります。
ポリスチレンの用途としては食品容器が有名ですね。 - モノマーにMMAを反応させるとPMMAというポリマーになります。
PMMAは透明性が高く、強度に優れているため水族館などの人工ガラスに使われています。
樹脂とポリマー
なお樹脂とポリマーの名称ですが、ポリマーの定義からすると天然樹脂も合成樹脂もポリマーのうちに入ります。
しかし、便宜上はポリマーと合成樹脂は同じものを指す名称として使われることが多いです。
本記事内でも、ポリマー＝合成樹脂という意味合いで呼びます。
ポリマーの分子量
ポリマーの性能を左右する指標の一つが分子量になります。
モノマーは分子量が一定であり、構造が違えば名前も違いますが、ポリマーは同じ名前であっても分子量に幅があります。これを分子量分布と言います。
そのため同じポリマーといっても全く同じものができるわけではなく、若干分子量が小さいものや大きいものが含まれています。
さらに、ポリマーは分子量によって性質や性能が異なることから、分子量の制御は各社の技術の一つになります。
分子量による性能差の例を挙げてみます。
ポリエチレンは、分子量が2万から30万のものは汎用プラスチックに分類されます。名称も、LDPE（低密度ポリエチレン）、HDPE（高密度ポリエチレン）と呼ばれます。
ところが分子量を大幅に高くして100万以上にすると、スーパーエンプラに分類されるようになり、金属部品の代わりになるレベルまで性能が上がります。
このように、分子量はポリマーにとって性能を左右する重要な値なのです。
樹脂の性状
樹脂の性状は目的に合わせて様々です。
樹脂単体で液状のものもありますが、大半の樹脂は固体です。
固体の樹脂は取り扱いやすいようにペレットや粉体などに加工されます。樹脂を液状にする必要がある場合は溶剤に溶かしたり、水に分散させたりします。
性状別・樹脂の主な用途
性状別で具体的に用途の説明をします。
「固体樹脂」は熱をかけて成形品や繊維などに加工されることが多いのに対し、「液体樹脂」は塗ったり貼ったりといった用途で使われます。具体的にはコーティング剤や塗料、接着剤などです。
性能：ポリマーの複合化
樹脂を大きく発展させた技術がポリマーの複合化です。複合化には2種類あります。
- 共重合：異なるポリマー同士を化学的に結合させること
- ポリマーアロイ：異なるポリマーを混合して長所を引き出すこと
共重合とポリマーアロイをうまく使いこなしている代表例がABS樹脂です。
ABS樹脂は、アクリロニトリル・スチレン・ブタジエンの複合樹脂です。アクリロニトリルとスチレンを共重合させたAS樹脂に、ブタジエン樹脂をアロイ化させて作ります。
AS樹脂は、ポリスチレンの透明度を保ちながら、強度や耐薬品性を高めた樹脂になりますが、耐衝撃性に劣ります。そこにブタジエンをアロイ化させることで、耐衝撃性を向上させているのです。
ポリマーアロイは、共重合ができない材料の組み合わせでも可能なため、ポリマー設計の選択肢を飛躍的に広げてくれる技術になります。
樹脂とプラスチック
樹脂というと似たような言葉にプラスチックというものがあります。その違いは何でしょうか？
樹脂とプラスチックは日本工業規格（JIS）で明確に区別されています。
JISでは樹脂は素材そのもの。プラスチックは樹脂を使ってできた成形品のことを指しています。
用途別の生産数量
なお、古いJISではプラスチックの定義に成形品のことがより明確に定義されていました。
そこではゴム、塗料、接着剤などは除外すると書かれていましたが、実際に樹脂の用途別生産量を比較すると、プラスチック用途が飛び抜けて多いことがわかります。
そのため、樹脂を広く学ぶ上では、まずプラスチックを押さえておけばよいということになりますね。
熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂
プラスチックの種類として、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂があります。
熱可塑性樹脂
分子構造：ひもが絡まったような分子構造
熱：熱をかけるとチョコレートのように柔らかくなる。
また、下記が特徴になります。
- 熱をかけると柔らかくなるため、成形に失敗したものや破砕したものを再加工することが可能。
- 歩留まりが高くなりやすい。
- リサイクル性がある。
熱硬化性樹脂
分子構造：網目のような分子構造
熱：熱をかけてもクッキーのように形を変えることができません。
下記が特徴です。
- 成形の自由度が高い。
- 耐熱性・耐薬品性・接着性に優れている。
そのため基本は熱可塑性樹脂を使い、特殊な用途に熱硬化性樹脂を採用することが多いです。
エンジニアプラスチックについて
熱可塑性樹脂の熱に弱いという欠点を克服したものがエンジニアリングプラスチック、通称エンプラです。
エンプラは明確な定義がないものの、100度以上の耐熱性、耐久性、一定以上の強度を持つものは基本的にエンプラと呼ばれます。
さらにエンプラの中にもグレードがあり、より耐熱性が高いものをスーパーエンジニアリングプラスチック、通称スーパーエンプラと呼びます。
プラスチックと複合化：FRP
プラスチックに繊維を複合化させて性能を高めたものをFRPと呼びます。
FRPは繊維強化プラスチック、ファイバー・レインフォースド・プラスチックの頭文字を取ったものです。
FRPはプラスチックと比べて主に機械的強度が大幅に向上しています。
FRPに使われる代表的な強化繊維
FRPに使われる代表的な強化繊維には、ガラス繊維と炭素繊維の2つがあります。
ガラス繊維はコストの割に強化幅が大きいため、様々な耐久材に利用されています。
炭素繊維は「鉄より強くて軽い」というキャッチコピーのもと、航空機や風車のブレード、自動車用途などの分野で使われています。
樹脂種類の紹介
樹脂に関する基礎知識を一通り説明したところで、次はいよいよ樹脂の紹介です。
ここまでに紹介してきた性質で樹脂を分類すると、図の通りになります。
紹介は汎用プラスチック、エンプラ、スーパーエンプラ、熱硬化性樹脂、機能性樹脂の順に行います。
樹脂素材の紹介：汎用プラスチック
まずは汎用性プラスチックについてです。
今回紹介するのは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニルの4種類です。
これらは4大汎用樹脂と呼ばれ、汎用プラスチックの8割以上を占めます。
①ポリエチレン：PE（LOPE・HDPE）
まずはポリエチレンの紹介です。
ポリエチレンは、エチレンを原料として作られる樹脂です。
樹脂の代表格で、化学メーカーの景況感を表すエチレンの主用途となっています。
下記はポリエチレンの概要です。
特徴
- 水よりも比重が軽い。
- 耐薬品性や防湿性、電気絶縁性、衛生性に優れている。
用途例
- 保存容器やコンテナなどの頑丈な容器。
- ポリ袋、ラップ、フィルム、繊維材料などの柔らかい素材。
さまざまなものに用いられます。
②ポリプロピレン：PP
次はポリプロピレン、PPです。
プロピレンを原料として作られます。汎用樹脂の中で比重が最も軽く、耐衝撃性に優れていることから様々な生活用品に使われています。
また産業用にも重宝されており、軽量素材という点から自動車用途に好適に利用されます。
ほかは、衛生面を重視する医療器具にも使われています。
③ポリスチレン：PS
3つ目はポリスチレンです。スチレンを原料として作られ、合成加工性や透明性に優れています。
ポリスチレンといえば製造時に発泡させて使う発泡スチロールが有名ですが、その透明性を生かして容器に使われることも多いです。
なおケミカルリサイクルの効率が高いことから、リサイクルが積極的に進められている樹脂の一つです。
④ポリ塩化ビニル（塩ビ）：PVC
4つ目はポリ塩化ビニル 、通称塩ビです。塩化ビニルを原料として作られる樹脂になります。
塩ビは、剛性や硬さなど機械的強度に優れるのに加えて、耐食性があるという特徴があります。
用途としては耐食性を活かした配管、耐久性を生かした合成皮革などがあります。
樹脂の紹介：エンジニアリングプラスチック
次にエンジニアリングプラスチック、通称エンプラの紹介です。
下記から、5大汎用エンプラと呼ばれる樹脂を説明していきます。
①ポリアミド：PA
エンプラの1つ目はポリアミドです。ナイロンという名前が有名ですね。
ポリアミドは構造により色々な種類がありますが、現在最も使用されているのが6ナイロン、PA6になります。
ポリアミドは基本的な機械的特性や耐薬品性が優れており、加工がしやすく、さまざまな性能を付与できることから、自動車用途や電気・電子機器を中心に幅広く使われています。
②ポリカーボネート（ポリカ）：PC
2つ目に紹介するのはポリカーボネート樹脂、通称ポリカです。
エンプラの中で唯一の透明樹脂であり、アクリル樹脂、ペット樹脂、ポリ塩化ビニルと並んで、4大透明樹脂の一つに数えられています。
さらに樹脂材料で最高クラスの耐衝撃性を持ち、耐久性はなんとガラスの200倍と言われています。そのため、レンズなどの光学部品や光記録媒体などに用いられます。
豆知識ですが、テカテカしているキャリーケースには大体ポリカが使われています。
③ポリブチレンテレフタレート：PBT
3つ目のエンプラはポリブチレンテレフタレート、PBTです。
似たような素材としては、ペットボトルのPETがとても有名です。
PETはポリエチレンテレフタレートの略で、エチレングリコールを原料の一部としています。
その一方、PBTはベンゼン環を有する結晶性樹脂で、機械的特性や耐薬品性に優れます。
PBTはPETと似た性質を示しますが、加工性に優れており、コストと他の性能のバランスが良いことから、多くの産業で用いられています。
特に、軽量化が求められる自動車の金属部品の代替としてよく活用されています。
④ポリアセタール
4つ目のエンプラはポリアセタール 、POMです。エンプラの中で最も機械的強度が高く、対摩耗性に優れているため、歯車や軸受のような駆動部品に使われています。
ポリプラスチック社の登録商標である「デルリン」と呼ばれることもあります。
⑤変性ポリフェニレンエーテル：m-PPE
5つ目のエンプラは変性ポリフェニレンエーテル、PPEです。
PPEは単体では加工性に乏しいため、ポリスチレンなど他の樹脂とアロイ化して使用します。
変性PPEは機械的特性のバランスが良く自己消火性も優れていることから、家電製品の機構部分や配線周りや自動車部品などに使われます。
樹脂の紹介：スーパーエンジニアリングプラスチック
次はスーパーエンジニアリングプラスチック、スーパーエンプラの紹介です。
スーパーエンプラは金属よりも加工がしやすく、軽いというメリットがあります。
また優れた耐熱性・難燃性と、共に金属素材にはないプラスチックの特長をさらに尖らせた樹脂となっており、適用範囲を拡げつつあります。
①芳香族ポリアミド
1つ目の材料は芳香族ポリアミドです。
エンプラで紹介したポリアミドの構造の一部を芳香族に置き換えることで、スーパーエンプラと呼ばれるまでに高強度と耐熱性を引き上げることができます。
スーパーエンプラの中でも特に汎用性とコストパフォーマンスが高く、幅広い用途で使われています。
なお、芳香族構造を完全に使うとアラミドと呼ばれ、防刃・防弾素材として有名なケブラーはパラ系アラミドを使用しています。
②ポリフェニレンサルファイド
2つ目の材料はポリフェニレンサルファイド、PPSです。
PPSは単体では非常に脆いため、強化繊維と併用されることがほとんどです。
PPSはベンゼン環に硫黄が結合しているため、耐熱性に加えて難燃性に優れます。
その性質を活かして自動車のエンジン周りや電子機器向けに使用されたり、タフな耐溶剤性や耐薬品性を活かして、水回りの材料に使われます。
③ポリエーテルエーテルケトン：PEEK
3つ目の材料はポリエーテルエーテルケトン、PEEKです。
先端分野を支える重要材料であり、スーパーエンプラの代表格とも言われます。
熱可塑性樹脂で最高クラスの耐熱性を持ち、そのほかの物性も優れることから需要が増えています。
しかし、生産コストが非常に高いということもあり、信頼性が特に要求される部材に適用されています。
④ポリテトラフルオロエチレン：PTFE
4つ目の材料はポリテトラフルオロエチレン、PTFEです。
一般的にはテフロンという商標の方が有名です。
PTFEはフッ素原子の特性を色濃く発揮する樹脂であり、高い耐熱性を持ちながら耐寒性も強いほか、滑り性、耐薬品性、絶縁性、耐候性など、ユニークな特性を同時に持つため重宝されています。
その他のスーパーエンプラ
その他にもスーパーエンプラは様々な種類があります。
一例をあげますと、ポリフェニルスルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリメチルペンテンなどです。
新たなスーパーエンプラが開発されることで、プラスチックの活躍の場がどんどん広がっています。
樹脂素材の紹介：熱硬化性樹脂
熱可塑性樹脂の次は、熱硬化性樹脂の紹介です。
熱硬化性樹脂も様々な種類がありますが、本記事ではその中から代表して2つ取り上げます。
①フェノール樹脂
まず取り上げるのは冒頭でも紹介したキングオブ合成樹脂こと、フェノール樹脂です。
高い電気絶縁性に加えて耐熱性、断熱性もあり、総じてタフな樹脂といえます。
フェノール樹脂は世界初の樹脂とはいえ、まだまだ信頼性が必要な部材に採用されています。
一例をあげると、機械やその周辺部材、住居用の建材などです。
②エポキシ樹脂
続いてはエポキシ樹脂です。
エポキシ樹脂は耐久性に優れるのはもちろんのこと、カスタマイズ性が高く取り回しもよいため、様々な用途に用いられています。
特に、寸法安定性と接着性が高いことから、接着剤や各種バインダー（結合材）などに用いられています。
その信頼性の高さから、半導体封止剤としても使われており、デファクトスタンダードの材料として位置付けられています。
樹脂の紹介：機能性樹脂
次は機能性樹脂についての説明です。
機能性樹脂の素材：アクリル樹脂
機能性樹脂を語る上で外せない樹脂として、アクリル樹脂があります。
アクリル樹脂は透明性が高い樹脂ガラスのイメージを持たれがちですが、設計の自由度が非常に高いため、物性コントロールや機能性付与がしやすい特徴があり、そのため機能性樹脂に使用されています。
また、アクリル樹脂は基本的には熱可塑性樹脂に分類されますが、設計次第では熱硬化性樹脂にもできるユニークな樹脂でもあります。
機能性樹脂①吸水性樹脂
1つ目の材料は吸水性樹脂です。
その名の通り水を吸う機能を持つ樹脂で、自重の100倍から1000倍もの水を保持できます。
代表的な構造はポリアクリル酸ナトリウム。なので、アクリル樹脂の一種になります。
用途としては紙おむつが有名ですが、土壌の改質に使われたり、血液凝固剤として医療用に使われたりもします。
機能性樹脂②感光性樹脂
次に紹介する材料は感光性樹脂です。
光を照射することで反応が進行する樹脂で、熱で反応させる樹脂よりもエネルギー総量を抑えられるため、環境に優しい樹脂として注目が集まっています。
硬化につかう光はUV、紫外線が多いです。
感光性樹脂は色々な用途に応用されていますが、花形の用途としてはフォトレジストですね。
機能性樹脂③生分解性樹脂
最後に紹介するのは、生分解性樹脂です。
生分解性樹脂は今現在、注目が集まっています。
近年、マイクロプラスチックなどの環境問題が指摘される中、通常の合成樹脂は生分解性が非常に低くなっています。
そこで、自然環境中で分解する生分解性樹脂に注目が集まったというわけです。
ただし生分解性樹脂はポリ乳酸に代表されるように耐久性が低くなっています。
そのため、性能や耐久性の向上をするべく近年盛んに研究されています。
そんな生分解性樹脂の中で近年注目されているのが、「PHBH」です。
PHBHは海水分解性をもちながら石油樹脂に匹敵する性能を持っており、カネカが世界で初めて量産化に成功しました。
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