化学製品・高分子製品の基礎講座
4-3 樹脂添加剤
4-1で述べたようにプラスチック製品は、高分子だけから成っている訳ではありません。着色するために着色剤が加えられ、また発泡製品をつくるために発泡剤が加えられることは分かりやすい例です。そのほか、強度を高めるため、軟らかい製品をつくるため、酸素や紫外線による劣化を防止するため、燃えにくくするためなど様々な目的に沿って、色々な低分子の有機化合物や繊維状、粉末状などの無機化学品、高分子がプラスチックを成形する前に加えられます。これらの薬品・材料を樹脂添加剤(プラスチック添加剤)と呼びます。
量的に大きな樹脂添加剤には、充填材・補強材と可塑剤があります。充填材・補強材は、プラスチック製品の強度や耐熱性を向上させるために使われます。充填材・補強材としては、図に示すように布状、繊維状、粉状の製品が使われます。炭素繊維を航空機本体や翼に使っていることが最近話題になりますが、実は炭素繊維で強化したエポキシ樹脂を使っています。また家庭のお風呂や漁船、プレジャーボートなどにはガラス繊維で強化した不飽和ポリエステル樹脂がよく使われます。ポリプロピレン製のプランターや鉢が古くなると、粉をふいた状態になることがあります。プランターなどには、強度を高めるためにタルクや炭酸カルシウムのような粉状の充填材が加えられていますが、長い間炎天下で使っているうちに、表面のポリプロピレンが劣化し、充填材が表面に出てきてしまったためです。このほか、合成繊維やフィルムなどの高分子製品では透明性や光沢を消すために粉状の樹脂添加剤(酸化チタンなど)が使われることもあります。

可塑剤はもっぱら軟質塩化ビニル樹脂製品をつくるために大量に使われています。他のプラスチックにはあまり使われません。塩化ビニル樹脂は、単独では硬いプラスチックで、下水道管や雨樋、波板などによく使われます。塩化ビニル樹脂100部に対して可塑剤を40~100部と大量に加えると、農業用ビニールフィルム、ラップフィルム、合成皮革(レザー)、電線被覆などに使われる軟らかな製品が得られます。可塑剤には、フタル酸エステル(DOP、DIDPなど)が多く使われますが、食品用や耐寒用途には脂肪酸エステル(アジピン酸エステル、セバチン酸エステルなど)が、また難燃用途にはリン酸エステル(TCP、TOPなど)が使われます。
量的に少ない樹脂添加剤は、表に示すように多くの種類があります。このような樹脂添加剤は目的によって次の3つに大別できます。(1)成形加工性を改善する。(2)プラスチック製品としての性能・特性を発揮させる。(3)プラスチック製品の性能を改善する。
表タイトル
種類 | 働き | 製品 |
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滑剤・離型剤 | 溶融した樹脂の流動性や成形後の型離れ性を改善 | 高級アルコール系、金属石けん系、高級脂肪酸アマイド系 |
安定剤 | 成形加工中の加熱分解を防止 | 金属石けん(Ca塩、Ba塩、Pb塩、Zn塩)、有機スズ系 |
結晶核剤 | 透明性、機械特性、サイクルタイムの向上 | ソルビトール系、リン酸エステル金属塩 |
着色剤 | 製品に着色 | マスターバッチ、カラードコンパウンド、分散染料 |
発泡剤 | ガス発生により軽量、断熱、弾力、吸水などの製品をつくる | アゾ系(AIBN、ADCA)、ニトロソ系(DPT)、スルホニルヒドラジド゙系(OBSH) |
酸化防止剤 | 空気中の酸素、オゾンによる酸化防止 | フェノール系(BHT、BHA)、リン酸系(TPP) |
紫外線吸収剤 | 太陽光の紫外線による分解防止 | サリチル酸系、ベンゾフェノン系、ベンゾトリアゾール系 |
紫外線安定剤 | 紫外線吸収剤の働きを向上 | ヒンダードアミン系(HALS) |
帯電防止剤 | 帯電による危険・不快感・汚れ防止 | 界面活性剤 |
難燃剤 | 燃えにくくする | ハロゲン系(TBBA、塩素化パラフィン)、リン系(TCP)、無機系(水酸化物) |
防黴剤・抗菌剤 | カビや雑菌の繁殖防止(抗菌剤) | チオサルファイド銀錯体、バイナジン、プリベントール |
(1)には滑剤・離型剤、安定剤があります。滑剤・離型剤は、成形加工時に溶融した樹脂の流動性を改善します。また成形加工終了後、金型からプラスチック製品を取り出しやすくする効果もあります。ただし、滑剤・離型剤を加え過ぎると透明なプラスチック製品が時間経過とともに粉をふくことがあるので注意が必要です。安定剤は塩化ビニル樹脂のような成形加工時の熱安定性に不安のあるプラスチックによく使われます。熱分解によって発生する塩化水素を除く作用のある金属石けんがよく使われます。
(2)には着色剤、発泡剤、結晶核剤があります。着色剤は、文字通りプラスチック製品を着色するために加えられます。成形加工時に粉状の顔料を直接使うと希望する色合いにするために少量の顔料を厳密に計量することが困難な上、顔料の飛散など取り扱いが面倒なので、プラスチック粒子(ペレット)に高濃度の顔料をあらかじめ練り込んだマスターバッチがよく使われます。発泡剤は、軽量、断熱・保温、柔軟、弾力、吸水などの性能をプラスチック製品にもたせるために使われます。熱分解によってガスを発生させるアゾ系製品(AIBN、ADCAなど)、ニトロソ系製品(DPTなど)、スルホニルヒドラジド系製品(OBSHなど)などが使われます。またポリスチレンでは、あらかじめ原料樹脂にブタンなどのガスを含ませたビーズ(ペレット)が販売されており、これを成形して発泡スチレン製品をつくります。気泡のつくり方には、連続気泡と独立気泡があります。連続気泡では吸水性、通気性、柔軟性に優れるプラスチック製品が得られます。クッションやスポンジに向く製品です。一方、独立気泡は、プラスチックの隔壁によって気泡が連続しないので、発泡ポリスチレンに見られるように、ある程度の剛直性、断熱性、衝撃吸収性、軽量・水浮揚性のあるプラスチック製品が得られます。また発泡倍率は数倍から50倍程度のものがよく使われます。一般に発泡倍率が大きいほどやわらかい発泡製品になります。結晶核剤は、造核剤とも呼ばれ、ポリプロピレンやPETのような結晶性樹脂で透明な成形品をつくりたい時によく使われます。微細な結晶を多数つくらせることによって結晶成長による不透明化を防止します。また寸法安定性や剛性の改善にも役立ちます。さらに結晶核剤は成形サイクルタイムの削減効果もあるので(1)で述べた成形加工性の改善にも役立ちます。
(3)には酸化防止剤、紫外線吸収剤・安定剤、帯電防止剤、難燃剤、防黴剤などがあります。酸化防止剤は、(1)の成形加工時の樹脂の酸化防止にも役立ちますが、プラスチック製品の寿命を決定する大きな要因である酸化防止を主目的とします。紫外線吸収剤・安定剤もプラスチック製品の耐久性を高めることを目的としています。プラスチックは電気絶縁性が高いために、帯電してほこりを吸着しやすく、プラスチック製品の表面が汚れてきます。帯電防止剤は主に界面活性剤で、プラスチック製品の表面の絶縁性を低下させる効果があります。難燃剤は可燃性物質が多いプラスチック製品の火災防止のために使われます。電気製品に使われるプラスチック製品は、法規制によって使用が義務づけられている場合があります。プラスチック製品の表面にはカビが生え、雑菌が繁殖することがあります。台所や風呂場などで、プラスチックの壁・天井やシーラントにしつこい黒カビや雑菌によるぬめりが発生することはよく経験します。これを防止する目的で、防黴剤や抗菌剤が使われます。
『化学製品・高分子製品の基礎講座』の目次
第1章 化学製品を理解するための基本
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1-1化学製品の構成モノタロウで販売している製品を化学の目から理解するための基礎講座です。
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1-2化学物質の名前化学製品の成分、すなわち化学物質の名前はカタカナが並んで訳がわからないと思っておられる方が多いと思います。
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1-3酸とアルカリ酸とアルカリは小学校、中学校、高校の理科で習っており、何を今さらと思われるかもしれません。
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1-4無機薬品の特徴と種類人工のものも含めると元素は110以上知られており、このうち安定に存在できる最大の元素は原子番号82、質量数208の鉛です。
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1-5有機薬品とモノマー医薬品、化粧品、洗剤、プラスチック製品など、私たちの身の回りにある化学製品の多くは有機化合物です。
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1-6有機溶剤の用途と種類有機溶剤の用途を表に整理して示します。まず化学物質を溶解するという、字義通りの用途自体にも様々な使い方がある上に、そのほかにも様々な用途があ
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1-7界面活性剤の用途と種類界面とは物質と物質の境のことです。気体と固体、気体と液体の境は、通常は固体や液体の表面と呼んでいますが、界面のひとつです。
第2章 化学製品の利用に当って留意すべき法規制
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2-1化学製品における事故防止関係の法規制化学製品には、燃えやすかったり、有毒であったりと、知らないで使うと危険な物質が使われていることがあります
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2-2有害化学物質の安全規制火を使うことによって人類は他の動物からの攻撃や寒さを防ぐことができるようになったばかりでなく、食生活はもちろん、道具づくりにおいても大きく進歩しました。
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2-3化学物質の効能と安全の両方を求める規制化学物質の安全規制法の中には、化学物質を使用するからには必要とする性能を確保し、なおかつ安全性を厳しく要求するものがあります。医薬品、農薬、肥料などへの規制です。
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2-4環境保全を目指す法規制環境保全対策には、身近な公害対策、ごみ処理、自然環境保護から、地球規模の環境対策まで様々なものがあります。
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2-5化学製品における表示規制商品の購買者に正しい商品情報、しかも最低限必要不可欠な内容を伝えるために、様々な法律によって表示規制が行われています。
第3章 化学製品の基本
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3-1農薬の特徴と分類様々な化学製品について、その製品を理解するための基本知識を説明します。
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3-2化学肥料の特徴と分類田畑では育てた農作物が持ち出されるため、植物に必要な養分の自然循環ができません。
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3-3洗剤の特徴と分類洗剤は、図のように家庭用、業務用、工業用に分けられます。
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3-4塗料の特徴と分類塗料は、ものの表面を覆うことによって表面を保護し、また美観を与える化学製品です。
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3-5接着剤の特徴と分類接着剤は、ものの表面にくっついて、ものとものとを接合させる化学製品です。
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3-6印刷用化学品の特徴と分類ヨーロッパの歴史において中世から近世への開幕の主役は、羅針盤、火薬、紙と印刷でした。
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3-7染料・顔料の特徴と分類染料も顔料も色を付けるために使われる化学製品です。
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3-8試薬の特徴と分類試薬とは文字どおり「試験研究用薬品」のことです。
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3-9殺菌剤・消毒剤・抗菌剤の特徴と分類人間の目に見えない細菌、カビ、ウイルスなどは、食中毒や伝染病などの原因になる可能性があり、その対策は人類にとって長年の課題でした。
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3-10香料・消臭剤・脱臭剤の特徴と分類空気中を漂ってきた化学物質の分子が鼻の奥の嗅粘膜に溶け込んで嗅細胞が電気信号を発し、これが脳に伝達されて「におい」を感じます。
第4章 高分子製品を理解するための基本
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4-1高分子製品の構成高分子は、包装材料、日用品雑貨、衣料などの身の回り品から器具・機械の部品、土木建築材料、さらには漁船・プレジャーボート、航空機本体や翼のような大型製品にまで広く使われています。
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4-2高分子成形加工法多くの高分子製品は、フィルム・袋、繊維、シート、カップ・トレイなどの容器、管、板、部品などに成形加工されて使われます。
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4-3樹脂添加剤4-1で述べたようにプラスチック製品は、高分子だけから成っている訳ではありません。着色するために着色剤が加えられ、また発泡製品をつくるために発泡剤が加えられることは分かりやすい例です。
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4-4ゴム薬品4-5で説明しますが、ゴムの成形加工製品には加熱すると再度溶融するゴムと、加熱してももはや溶融も軟化もしないゴムがあります。
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4-5熱可塑性高分子、熱硬化性高分子すでに4-2で簡単に説明しましたが、高分子には熱可塑性高分子と熱硬化性高分子があります。
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4-6高分子材料に期待される特性第4章の冒頭で述べたように合成高分子が現在のように幅広く使われるようになったのは20世紀後半からです。人類は文明の始まる以前から天然高分子を大量に使ってきました。
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4-7強度金属、セメント、ガラス、セラミックス、木材、高分子製品など様々な材料の力学的性質を比較する場合、強度(つよさ)は最も基本となる指標です。
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4-8耐熱性、耐寒性4-2で説明しましたように高分子は、その熱挙動や分子構造から熱硬化性高分子と熱可塑性高分子に分類できます。
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4-9透明性物質に光が入った時に可視光すべてを吸収して熱に変換する場合には透明になりません。金属が不透明なのはこれに該当します。
第5章 主要な高分子材料の種類と特長
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5-1ポリエチレンポリエチレンは、世界においても、日本においても、最も生産量・消費量の多い高分子材料です。
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5-2ポリプロピレンポリプロピレンPPは、プロピレンCH2=CH-CH3というガス状炭化水素を重合した高分子です。
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5-3スチレン系樹脂スチレン系樹脂はスチレンC6H5-CH=CH2を主成分とするプラスチックです。主要なスチレン系樹脂にはポリスチレン、AS樹脂(SAN)、ABS樹脂があります。
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5-4ポリ塩化ビニルポリ塩化ビニルは塩化ビニルを主成分とするプラスチックです。塩化ビニル単独のポリマーが圧倒的に多くを占めますが、加工性や性能などを改善することを目的に酢酸ビニルやアクリロニトリルと共重合させたコポリマーも少量つくられています。
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5-5PET繊維・樹脂(A-PETも)ポリ塩化ビニルは塩化ビニルを主成分とするプラスチックです。塩化ビニル単独のポリマーが圧倒的に多くを占めますが、加工性や性能などを改善することを目的に酢酸ビニルやアクリロニトリルと共重合させたコポリマーも少量つくられています。
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5-6ナイロン繊維・樹脂ナイロンは1939年に最初の合成繊維としてアメリカのデュポン社によって工業化され、大成功を収めたので、合成繊維の王座をすでにポリエステル繊維に奪われたとは言え、現在でも合成繊維の代名詞になるほど有名です。
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5-7エンジニアリングプラスチック5-1から5-4で説明した汎用プラスチック(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)は耐熱性がおおむね100℃以下であるのに対して、耐熱性が100℃以上で、しかも強度が高い熱可塑性プラスチックをエンジニアリングプラスチックと言います。
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5-8ポリウレタンポリウレタンはウレタン結合-NHCOO-をもつ高分子です。ウレタン結合はイソシアネート(-NCO)という非常に反応性の高い化合物群とアルコール(-OH)の反応によって生成します。
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5-9エポキシ樹脂エポキシ樹脂は、図に示すように高分子の両末端にエポキシ基をもつプレポリマーと硬化剤(ポリアミン、酸無水物、ポリアミドなど)を反応させて生成する網目状の分子構造をもつ熱硬化性高分子です。
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5-10アクリル樹脂(PMMA,アクリル繊維、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル)アクリル樹脂と呼ばれる高分子は、図に示す広義のアクリル系ポリマー全体を指すこともありますし、ポリアクリル酸エステルだけ、あるいはメタクリル樹脂だけを指すこともあります。
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5-11フッ素樹脂、ケイ素樹脂(含むシリコーンオイル)フッ素樹脂、ケイ素樹脂はともに1940年代前半に米国で工業化された古い高分子材料です。
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5-12汎用合成ゴムゴムはエラストマー(弾性体)とも呼ばれ、常温で著しく大きな弾性をもつ物質の総称です。
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5-13特殊合成ゴム特殊ゴムは、すべての非ジエン系ゴムとジエン系ゴムのうちブチルゴム(IIR)、ニトリルゴム(NBR)、クロロプレンゴム(CR)が該当します。
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5-14その他の高分子材料(熱可塑性ゴム、スーパーエンプラ、機能性高分子)高分子材料には、今まで紹介した高分子以外にも多数あります。その中で、大くくりして重要なものを最後に3つ紹介します。