ウレタン樹脂とは
ウレタン樹脂とはイソシアネート基を有する化合物と水酸基を有する化合物の重付加反応により生成される高分子の総称です。結合部位はウレタン結合（図1）と呼ばれ、一般的には、ジイソシアネートとポリオールを重付加させて生成します。
略称記号としては、プラスチックの場合はPUが、ゴムの場合はUが使用されます。ウレタン樹脂は抗張力、耐摩耗性や耐油性、耐薬品性に優れるため、塗料やコーティング剤にも応用されています。ただし、加水分解や紫外線などにより、徐々に劣化する欠点も併せ持っています。
図1. ウレタンの構造式
ウレタン樹脂の使用用途
ウレタン樹脂は、汎用性が高いため身近な生活用品から工業用品まで、幅広い用途で使用されています。身近な製品例では、衣類や車のバンパー部、工業用途では防音材や接着剤などが挙げられます。
また、高い柔軟性を活かしてスポーツシューズの靴底にも利用されており、我々の生活に欠かせない樹脂の一つです。本素材は、もともとは天然ゴムの代替品として利用されてきた歴史があります。そのためゴムの特徴である高い弾性や引張強度を活かした用途開発が進められています。
ウレタン樹脂の特徴
ウレタン樹脂は、柔軟性や耐衝撃性、抗張力、耐薬品性などに優れていますが、3年ほどで劣化が進行していきます。このように多くの特性を有している一方で、製造方法によって特性が大きく変わります。
劣化の原因としては、酸素、オゾン、光、熱などの様々な因子、水との反応による加水分解、微生物による分解などのように多岐に渡ります。また、ポリウレタンはその特徴として、製造方法によりその物性を変化させることができます。そのため、その使用用途に応じて様々な種類のウレタン樹脂が存在します。その代表例は以下の通りです。
1. フォーム系
フォーム系とは発泡剤を加えて重合することで、樹脂内に空気を取り込ませたウレタン樹脂のことです。本素材は軟質ウレタンフォームと硬質ウレタンフォームに分けられ、前者はクッション性、耐久性に優れ軽量なことから自動車の座席などに使われています。後者は断熱性に優れるため、冷蔵庫、冷凍庫、エアコンなどの断熱材に用いられています。
ウレタンフォームの製造方法のうち、スラブ成型やモールド成型、ラミネート成型などは大規模な製造装置が必要になります。一方でスプレー発砲法は断熱が必要な箇所にその場で混合し発泡させることができるため、手軽に扱えます。
2. 非フォーム系
非フォーム系はスポーツシューズなどに使われるエラストマ、つまり、ゴム弾性を有するウレタン樹脂がその代表例です。このような特性のウレタン樹脂は高い伸縮性を持つため、スポーツウェアやスラックスなどに使用されます。
ウレタン樹脂のその他情報
1. ウレタン樹脂の環境残留性とリサイクルについて
ウレタン樹脂は優れた断熱性を有する事から、冷蔵庫、冷凍庫、クーラーなどの断熱材として幅広く用いられています。ただし、その化学的特性からリサイクルや後処理が難しいという問題もあり、研究が進められている分野です。
なお、分解とリサイクルの技術としては既に確立されており、その例としては熱分解法、加水分解法、グリコール分解法、アンモニア分解法、アミン分解法などがあげられますが、分解効率やコスト面などで解決すべき問題が残されているのが現状です。
2. ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂の違い
図2. ウレタン樹脂・アクリル樹脂・エポキシ樹脂の構造の違い
これらの3種類の用語は、いずれも樹脂という単語が含まれるせいか、混同して使用される場合も多いのですが、全く異なる素材を意味します。
ウレタン樹脂とは、本記事の冒頭で解説したように、ウレタン結合を有する重合体の総称です。一方でエポキシ樹脂とは、分子の末端に反応性に富んだエポキシ環を有する熱硬化性樹脂を意味します。
また、アクリル樹脂は、アクリル酸およびその誘導体の重合体、共重合体です。つまり、その構造や化学的性質の違いにより、厳密にその意味が定義づけられているため、その用法には注意が必要です。
3. 接着剤でのウレタン樹脂の位置づけ
接着剤には両面テープやシーミングテープなどの固形状の接着剤と、塗布された接着剤が圧着し、硬化して接着効果を発揮できる液体状の接着剤があります。
液体状の接着剤の種類は、接着方法から、乾燥固化型と反応硬化型の大きく２種類に分類できます。乾燥固化型は、接着剤に含まれる水分、もしくは溶剤が揮発する事により接着します。一方で反応硬化型は、接着剤に含まれる成分が化学反応でおこる硬化を利用した接着剤です。
反応硬化型はさらに二種類に分類できます。主剤と硬化剤で硬化をおこすエポキシ樹脂系と、空気中の水分で硬化をおこすウレタン樹脂系です。その中でもウレタン樹脂系接着剤は高い密着性と、素早い接着が可能なことから万能性能であり、一般の幅広い用途で使用されます。
4. ウレタン樹脂を使用したフロアコーティング剤
フロアコーティング剤は水性系と油性系の二種類に分類できます。もともとウレタン樹脂を使用したコーティング剤も水性系と油性系に分かれていました。しかし、油性系には安全面に疑問があったことから、現在は一般的に水性系を意味します。
水性ウレタンコーティング剤はガラスコーティング、シリコンコーティングなどの油性系フロアコーティング剤に比べて耐久性が低いことが特徴です。しかし、価格が低コストで仕上げられる特徴も持ち合わせています。そのため他のフロアコーティング剤と比べても、水性ウレタンコーティング剤が多く選ばれます。
水性ウレタンコーティング剤を選ぶメリットは、硬化の速さから速乾性に優れていることや、シンナーのような揮発臭がなく、ほぼ無臭であることです。また、ほとんどのフローリングの材質に適合するため、種類を選ばずに使用できます。
一方でデメリットとしては、ウレタン樹脂の弱点ともいえる、経年劣化が挙げられます。水性ウレタンコーティング剤の耐久年数は10年以下がほとんどです。しかし、前述のメリットに加えて安全性、手軽さも優れていることから水性ウレタンコーティング剤は、現在でも人気のコーティング剤として選ばれています。
参考文献
https://i-maker.jp/blog/polyurethane-8450.html
https://www.fujigomu.co.jp/whats_urethane/
https://www.toli.co.jp/product_adhesive/pdf/gijutu02.pdf
http://www.bousyoku.com/publics/index/49/
https://isamu-f.com/glue/
https://belcasa.jp/wb-urethane-5merrit/
https://www.jstage.jst.go.jp/article/adhesion/40/6/40_6-4/_pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/networkpolymer1996/23/4/23_188/_pdf/-char/ja
三省堂 新化学小事典