化学製品・高分子製品の基礎講座
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。鎖状分子構造で熱可塑性のプレポリマーと、それらを架橋して網目状構造をつくり上げる硬化剤の役割分担がはっきりしています。この点は、前節で説明したポリウレタンとは同じ熱硬化性高分子でも網目状分子構造のつくり方が異なります。しかし、重合が完了したペレットを購入して成形加工だけ行えばよい汎用樹脂と異なって、エポキシ樹脂は成形加工や塗装・接着を行いたい利用者自身がプレポリマーと硬化剤を混合し、重合・硬化を完了させなければならないので、この点はポリウレタンと同じです。


プレポリマーとしては、図に示したビスフェノールA型がもっとも汎用的に使われています。ビスフェノール系の中でもビスフェノールF型はA型より低粘度の液状プレポリマーになります。難燃性を付与したいときは芳香環に臭素を導入したビスフェノールAが使われます。ビスフェノール系プレポリマーはビスフェノールとエピクロロヒドリンをアルカリ存在下で重縮合させてつくられます。重合度xは0から十数個程度です。このほか耐熱性、耐薬品性、電気特性に優れたノボラック系プレポリマーが半導体封止材料用途によく使われます。
硬化剤は非常に種類が多く、またプレポリマーの重合度によって硬化剤の最適な配合量も異なり、硬化条件も変わります。この点は注意が必要です。とくにプレポリマーとの反応性が高い硬化剤(ポリエチレンテトラミンなど)は、プレポリマーと混合後、成形や塗装・接着を行える時間(ポットライフ、可使時間)が短くなります。
エポキシ樹脂の一般的な性能は、機械的強度が高く、硬化反応が重付加なので成形収縮が小さく、寸法安定性がよいことが挙げられます。また、耐熱性、耐水性、耐薬品性に優れ、さらに電気特性も優れるので電気・電子材料用途によく使われます。さらにエポキシ樹脂はポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素樹脂、ケイ素樹脂以外のプラスチックはもちろん、金属でも、ガラスでも、陶磁器、木材、コンクリートでも何でも使える優秀な塗料、接着剤です。最大の欠点はコストが高いことです。また弾性がなく、黄変しやすいことにも注意が必要です。
塗料・接着剤は、エポキシ樹脂が市場にデビューした1950年代当初から注目された用途です。エポキシ塗料による塗膜は強靭で耐水性、耐薬品性に優れるので、防錆・下塗り塗料として圧倒的な強みをもっています。身近なところでは缶詰や飲料缶の内面塗装によく使われています。食品による錆を防ぐだけでなく、食品や飲料に金属臭が付くことを防いでいます。このほか薬品タンク、ドラム缶、化学機器、配管などの塗装に、また船舶や建築物の防錆塗装にも使われます。自動車の下塗り塗料としてよく使われ、電着塗装されます。
接着剤としては、エポキシ樹脂の接着力の強さに加えて、樹脂自体の強度の高さから構造用接着剤という分野を開拓しました。構造用接着剤は溶接やリベットによる金属の接合に代わって使える接着剤という意味です。アルミニウム板に対しては、リベットによる接合よりも強い接着ができます。このため溶接やリベット接合、あるいはボルトナットで接合していた作業を接着に置き換えることを可能にし、機械産業をはじめ、様々な組み立て加工産業分野の作業効率の改善に大きく貢献してきました。
このほか、コンクリート構造物のひび割れ補修やエポキシ樹脂コンクリート(骨材を混合したエポキシ樹脂)による欠損部の補修など建築土木用途にもエポキシ樹脂は使われています。
このほか、コンクリート構造物のひび割れ補修やエポキシ樹脂コンクリート(骨材を混合したエポキシ樹脂)による欠損部の補修など建築土木用途にもエポキシ樹脂は使われています。
ガラス繊維だけでなく、炭素繊維を強化材料としたエポキシ樹脂は、構造用複合材料として近年注目されています。パイプ、タンク、耐圧容器はもちろん、航空機の構造材料として今や胴体から翼、床まですべてこの複合材料が使われるまでになりました。風力発電用の羽根も大きな成形品です。軽量で、しかも強度が高い材料として金属を代替してきました。次の注目用途は自動車です。自動車は燃費改善のために一層の軽量化が求められています。電気自動車の普及のためには、車体の軽量化がさらに必要です。このため炭素繊維とエポキシ樹脂の複合材料に期待が寄せられています。しかし課題はエポキシ樹脂のコスト低下です。
『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。