ポリマー用途と加工の種類から産業応用まで徹底解説

ポリマー用途と加工

ポリマーの種類と熱可塑性・熱硬化性の特性

 

ポリマーは加工特性に基づいて大きく熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂に分類されます。熱可塑性樹脂は加熱によって自由に形状を変えることができ、冷却すると再び硬化する性質を持っています。この特性は、熱可塑性樹脂の分子が長い紐のような構造で絡み合っており、熱によってこの絡み合いが解けるという性質に起因しています。何度も形状を変えることができるため、リサイクルに適しており、環境負荷の低減に貢献します。

 

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一方、熱硬化性樹脂は加熱によって硬化する特性を持ち、一旦成形されたら再び柔らかくすることはできません。分子構造が三次元または網状であり、自由な形状変化が制限されています。熱による変形がないため、耐熱性に優れ、接着性が高いという利点があります。代表的な熱硬化性ポリマーには、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などがあり、それぞれ耐熱性や機械的強度が求められる用途に使用されています。

 

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代表的な熱可塑性ポリマーには、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネートなどがあります。ポリエチレンは軽くて柔軟性があり、耐化学薬品性が高いため、ビニール袋やボトル、フィルム包装に広く利用されています。ポリプロピレンは高い耐熱性と耐化学薬品性を持ち、自動車部品、医療機器、食品容器などに多用されています。

 

参考）ポリマー加工
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ポリマーの射出成形と押出成形の加工技術

射出成形は、高圧で溶融したプラスチックを金型内に射出し、形状を作り出す成形方法です。プラスチックのペレットが加熱され、高圧で射出成形機の射出ノズルから射出されます。射出されたプラスチックは専用の金型内に充填され、冷却、硬化することで成形物を得ます。この方法は高い生産性と精度が特徴で、自動車部品や電子製品のケースなど、量産が求められる製品に広く利用されています。

 

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押出成形は、加熱されたプラスチックを加圧し、金型の形状に沿って連続的に押し出して成形する方法です。溶融したポリマーを押出機で押し出して成形するため、シートやパイプ、フィルムなど、連続的に長い製品を作るのに適しています。製品の長さが自由に調整できるという利点があり、繊維、棒、管、板、被覆電線などの生産に用いられています。

 

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射出成形と押出成形の大きな違いは、冷却方法にあります。射出成形は金型の内部で樹脂を冷却しますが、押出成形は押出機の加熱シリンダー内で加熱、融解された樹脂を金型から通過させ、その後、徐々に冷却します。射出成形では溶融したプラスチックがスクリューを経て高圧でノズルから金型に射出されるのに対し、押出成形では加熱溶融させたプラスチック樹脂をトコロテンのように押し出して連続的に成形します。

 

参考）押出成形と射出成形の違い
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ポリマーの産業用途における自動車・建設分野への応用

自動車産業では、ポリマー材料が広範に利用されています。特に、ポリプロピレンやポリウレタンなどのポリマーが、内装部品やシートフォームに使用されており、軽量化および燃費向上が実現されています。エンジニアリングプラスチック（エンプラ）は、エンジン部品や電装部品などに用いられ、その耐熱性や機械的強度が高く評価されています。軽量ポリマーが燃費と車体安全性の向上に役立っており、自動車の性能向上に不可欠な材料となっています。

 

参考）重合 (Polymerization) の技術と製造業での利…
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建設業におけるポリマーの利用は、非常に多岐にわたります。ポリ塩化ビニル（PVC）は、配管や窓枠、床材などに広く使用されており、その耐久性や防水性が求められています。エポキシ樹脂は、接着剤やコーティング材として使用され、高い接着力と耐薬品性が評価されています。建設材料として、地震に強い材料として需要が高まっており、ホモポリマーが建築材料での重要な役割を果たしています。

 

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電気電子産業においては、ポリマー材料が絶縁体やコンデンサフィルムなどに利用されています。ポリイミドフィルムはその高耐熱性と絶縁特性により、電子部品の差し込み材として使用されます。フレキシブルプリント基板（FPC）には、ポリエステルフィルムが広く採用されており、その柔軟性と加工性が求められています。半導体基板用材料として生産が拡大している液晶ポリマーは、スマートフォンなどに使用される電子部品の高機能・軽量化に貢献しています。

 

参考）https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000007.000057542.html
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ポリマーのブロー成形と回転成形の特殊加工技術

ブロー成形は、ポリマーを溶融して金型に挿入し、高圧のガスで膨らませて成形する方法です。主にペットボトルやプラスチック容器の製造に使用され、中空製品の製造に特化しています。溶融樹脂の内側から空気を吹き込み、膨らませて成形するため、ボトルやタンクなどの中空形状の製品に適しています。ブロー成形は高速で大量生産が可能であり、飲料容器や洗剤ボトルなど、日常生活で広く使われる製品の製造に不可欠な技術です。

 

参考）回転成形法の強み - プラスチック製造のプロが解説します
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回転成形は、大型のブロー成形ともいえる成形方法です。粉末状の熱可塑性樹脂を金型内に入れ、加熱炉の中で360°回転させながら型の内面に材料を均等に溶融させ、冷却固化して成形品を得る方法です。金型を加熱しながら回転させることによって樹脂を金型のデザインに沿って付着させて成形します。回転成形ではペレットを0.5ミリ程の大きさまで粉砕して使い、大型なタンクや容器などの成形に利用されます。直径5メートルを超えるタンク製品も製造可能であり、大型製品の製造において優位性があります。

 

参考）プラスチックの成形方法｜教えて！ニックス　第6回 - ニック…
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熱成形は、シート状のポリマーを加熱し、柔らかくした状態で金型に押し当てて成形する方法です。薄いシートから立体的な製品を作るのに適しており、食品容器やトレイなどが該当します。表面加工方法としては、自然形成、コーティング、コロナ放電などがあり、フィルム表面に凝集構造を生成したり、別の材料をコーティングしたりすることで、機能性を向上させることができます。

 

参考）【連載】高分子材料と成形加工の基礎と応用から学ぶ、イノベーシ…
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ポリマーのエンジニアリングプラスチックと高性能用途

エンジニアリングプラスチック（エンプラ）とは、強度と耐熱性に優れたプラスチックの総称です。一般的には、耐熱性が100℃以上あり、強度が49MPa（500kgf/㎠）以上、曲げ弾性率が2.4GPa（24500kgf/㎠）以上を持つ高機能樹脂を指します。エンプラは一般的なプラスチック（汎用樹脂）より高い強度や耐熱性を持つ高性能樹脂として、金属よりも軽く、同じ形状を大量生産しやすい性質を持っています。

 

参考）エンジニアリングプラスチック（エンプラ）とは
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代表的なエンプラとして、ポリアミド（PA）があります。ホモポリマーは融点が高く、強度・剛性に優れ、コポリマーは柔軟で耐熱劣化性、耐薬品性、耐候性が優れています。POM樹脂は、プラスチックのなかで最も耐摩擦性が高いという特徴があり、摩擦係数が小さく、摩耗がほとんどありません。自己潤滑性が高く、特に金属との組み合わせで優れた性能を発揮します。

 

参考）POM樹脂とは？用途や特徴、長所・短所、加工方法などについて…
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液晶ポリマー（LCP）は高流動・高弾性率・低線膨張係数といった優れた特性から、小型・薄肉・微細形状の射出成形品に広く用いられます。耐熱性が高いため、成形品が200℃以上の高温環境にさらされる用途にも使用され、電子部品の軽薄・短小化が進んでいる今、フレキシブル配線基板も注目の用途です。需要の60％以上がコネクタですが、ほかにもパソコンや複写機など事務機器の内部構造部品、回転機器の軸受け、油圧機構のシールパッキングなど金属部品の代替えとしても使われています。

 

参考）LCP 薄肉射出成形品の熱間反り解析
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ポリマーの添加剤による特性改良と複合材料技術

ポリマーに添加剤を加えることで、強度、柔軟性、耐候性、紫外線耐性、耐熱性など、あらゆる特性を向上させることができます。主な添加剤としては、安定剤、可塑剤、充填剤、難燃剤などがあります。可塑剤は、高分子間の相互作用を断ち切って、分子同士を滑りやすくするものであり、粘度が下がると同時に、緩和時間が短くなり、ガラス転移点の低下や希釈効果により弾性率も低下します。

 

参考）ポリマー添加剤サプライヤー: 改質剤など - Wellt
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強化材が複合された樹脂は、強度や弾性率が高くなるのみならず、熱や吸水による寸法変化の低減、クリープ変形性の低減、荷重たわみ温度の向上など有用な特性が付与されます。炭素繊維やガラス繊維を混合することで、強靭で剛性の高いポリマーを作ることができます。ポリマー複合材料は、航空、航空宇宙、自動車、軍事、医療、農業、工業分野で優れた機械的性質、耐熱性、難燃性、耐衝撃性、耐腐食性により広く使用されています。

 

参考）https://www.mdpi.com/2073-4360/15/3/712
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相溶化剤の主な作用は、界面張力を低減して分散粒子径を微細化したり、分散粒径を均一化したり、分散構造を安定化したり、界面接着力を向上させたり、界面相の厚みを増大させたりすることです。非相溶系の分散構造の制御技術は、ポリマーアロイの主たる開発といえます。リサイクルPA6/PPブレンドに鎖延長剤、相溶化剤、短炭素繊維強化を組み合わせることで、機械的および熱的性能を向上させることができ、廃棄ポリマーのリサイクルを通じて新しい材料を開発することができます。

 

参考）https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11901141/
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ポリマーの医療用途における生体適合性と応用展開

医療分野では、生体適合性プラスチックが医療用チューブ、インプラント、滅菌包装に欠かせません。優れた血液適合性を有し、タンパク質や微生物の吸着を抑制する生体適合性ポリマーが開発されており、医療機器用コーティング剤、難水溶性医薬可溶化剤などの用途を想定しています。血小板非活性、補体非活性、非溶血性といった特性により、抗凝固剤を加えなくても長時間、血液を凝固させません。

 

参考）生体適合性ポリマー
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医療グレードの高性能生体適合性ポリマーとして、PEEK-CLASSIX™ポリマーがあり、30日未満の血液あるいは組織接触を要する用途に適しています。天然ポリマーは生体適合性、生分解性、無毒性、豊富な入手可能性により、プラスチックの代替品として広く探求されています。天然ポリマーには多糖類（アルギン酸、ヒアルロン酸、デンプンなど）、タンパク質（コラーゲン、シルク、フィブリンなど）、バクテリア性ポリエステルなどがあり、薬物送達のキャリア、組織工学、幹細胞形態形成、創傷治癒、再生医療、食品包装などの分野ですでに応用されています。

 

参考）https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11055061/
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ポリマー添加剤の中には、PPに適切な添加剤を使用することで、耐衝撃性や透明性、耐候性、流動性などの特性を向上させることができるものがあります。例えば、PPにハイブラー®を添加することで、柔軟性や透明性を向上させることができ、特に医療用チューブや医療用バッグなどの用途に適しています。形状記憶ポリマーは、医療用デバイス（血管ステントなど）、家庭用品、航空機や自動車部品、高温環境での使用が求められる機器、衣料品、パッケージング材料、センサー技術、ドラッグデリバリーシステムなど、多様な用途で応用されています。

 

参考）ポリマーの剛性を高める方法とその応用 - POM×フライス加…
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ポリマーのリサイクル技術と鉱物資源回収への応用

ポリマーは鉱物および金属加工において、高温・常温プロセスの両方で、新規応用を含めて使用されています。クリーンな石炭生産、鉄鋼生産、鉄鉱石ペレット化、鉄合金製造、マンガン加工、電子廃棄物処理、炭素隔離などの用途が議論されています。レアメタルを捕集するために金属配位ユニットと親水性ユニットを持つポリマーを合成し、レアアースに対して親和性が高い低分子の抽出剤を用いて高分子吸着材を開発する研究が進められています。

 

参考）https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6416741/
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液晶ポリマー（LCP）のリサイクルでは、製造難易度が高く、各企業とも海外への技術情報漏洩を防ぐため、ロス品となった場合には産業廃棄物として処理されていましたが、二軸押出機を導入することでペレット化し、再資源化を実現する事業が経済産業省の「廃プラスチックの資源循環高度化事業」に採択されました。LCPフィルムを再資源化することで、焼却処分によって排出されていた二酸化炭素を削減でき、石油から精製される正規原料の代替として再生プラスチック原料を使用することにより、化石原料の新規使用量を削減することにつながります。
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マテリアルリサイクルとは、使用済みプラスチックを機械的にリサイクルする方法で、粉砕、洗浄、造粒などの工程を経て再利用できる形に加工する技術です。熱可塑性樹脂は何度も形状を変えることができるため、リサイクルに適しており、環境負荷の低減に貢献します。ケミカルリサイクルとして、ポリオレフィン様マルチブロックポリマーを構築し、エラストマーからプラストマー、プラスチックまで広範な機械的特性を示す化学的にリサイクル可能なポリオレフィン様材料を創製する研究も進められています。

 

参考）ポリマーとは？ 樹脂・プラスチックとの違いや種類についてご紹…
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アントンパール社のポリマー加工の最適化に関する解説（原材料の特性評価からプロセス条件の最適化まで）
富士フイルム和光純薬のポリマー材料解説（種類別の特性と用途について詳しく説明）
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