ポリスチレン

概要

項目内容
材料名ポリスチレン
略記号PS、GPPS、HIPS、SPS、EPS
IUPACpoly(1-phenylethene)
英語名Polystyrene
日本語名ポリスチレン、スチレン樹脂、スチロール樹脂、PS樹脂
分類熱可塑性樹脂、非晶性樹脂、スチレン系樹脂
プラスチック分類汎用プラスチック
化学式または代表構造(C8H8)n、−CH2−CH(C6H5)− の繰り返し構造
ポリスチレンの構造式
CAS No.9003-53-6
構造・主成分スチレンモノマーを重合した芳香族ビニル系ポリマーであり、主鎖にフェニル基を側鎖として持つ。
主な用途食品容器、透明ケース、日用品、家電部品、OA機器部品、包装材、発泡体、断熱材、ディスプレイ材、玩具、実験器具など

ポリスチレン(PS)は、スチレンを重合して得られる代表的な汎用プラスチックである。一般用ポリスチレン(GPPS)は非晶性で透明性、剛性、寸法安定性、電気絶縁性、成形加工性に優れる。成形収縮率が小さく、射出成形や押出成形で外観の良い成形品を得やすい。

一方で、GPPSは耐衝撃性が低く、割れやすい傾向がある。このため、ゴム成分を分散させて耐衝撃性を高めた高衝撃ポリスチレン(HIPS)が多く使用される。HIPSは不透明となるが、耐衝撃性、成形性、コストのバランスが良いため、家電部品、食品容器、シート、包装材などに広く用いられる。

また、発泡させたものは発泡ポリスチレン(EPS、XPS)として包装材、緩衝材、保冷箱、建築断熱材などに使用される。通常のPSは耐熱性、耐候性、耐溶剤性に制限があるため、実使用ではグレード、温度、荷重、応力、薬品濃度、接触時間、成形履歴を確認する必要がある。

特徴

長所
  • 透明性に優れ、GPPSでは高光沢で硬質な成形品を得やすい。
  • 射出成形、押出成形、熱成形などの加工性が良い。
  • 寸法安定性が良く、成形収縮率が小さい。
  • 電気絶縁性に優れ、体積抵抗率が高い。
  • 着色性、印刷性、接着性、二次加工性が比較的良い。
  • 発泡体では軽量性、断熱性、緩衝性に優れる。
  • HIPSではGPPSより耐衝撃性を高めやすい。
短所
  • GPPSは脆く、衝撃や落下で割れやすい。
  • 耐熱性は高くなく、熱変形や軟化に注意が必要である。
  • 芳香族炭化水素、ケトン、エステル、塩素系溶剤に弱い。
  • 屋外耐候性は高くなく、紫外線により黄変、脆化が起こる場合がある。
  • 可燃性であり、電気・電子用途では難燃グレードの検討が必要である。
  • 応力が残った成形品では、溶剤接触によりクラックが発生しやすい。
外観

GPPSは無色透明で光沢があり、硬質である。HIPSはゴム成分を含むため一般に乳白色から不透明であり、着色して使用されることが多い。発泡PSは白色発泡体として使用されることが多いが、着色品もある。

耐熱性

一般的なGPPS、HIPSの荷重たわみ温度はおおむね70〜100℃程度であり、高温荷重下では変形に注意が必要である。シンジオタクチックポリスチレン(SPS)は結晶性を持ち、通常のPSより耐熱性が高い特殊グレードである。

耐薬品性

水、希酸、希アルカリ、低級アルコールには比較的安定である。一方で、トルエン、キシレン、ベンゼン、アセトン、MEK、酢酸エチル、塩化メチレン、クロロホルムなどでは膨潤、軟化、溶解、応力割れを生じやすい。

加工性

溶融粘度が比較的低く、射出成形、押出成形、シート成形、真空成形に適する。吸水率が低いため、通常は厳密な予備乾燥を必要としない場合が多いが、外観用途や吸湿した材料では乾燥が有効である。

分類上の注意

PSは汎用プラスチックに分類される。GPPS、HIPS、EPS、XPS、SPSはいずれもポリスチレン系材料であるが、透明性、衝撃性、耐熱性、密度、用途が大きく異なるため、同一材料として単純比較しないことが重要である。

構造式

ポリスチレンの構造式
ポリスチレンの基本構造:−CH2−CH(C6H5)−
ポリスチレンの構造模式図
ポリスチレンの主鎖とフェニル基の模式図
項目内容
化学式の画像画像タグは使用せず、本文中では白黒構造式相当として −[CH2−CH(C6H5)]n− と表記する。フォント指定を行う場合は、サイト側CSSでMS Pゴシックを指定する。
代表的な構造単位−CH2−CH(C6H5)−
モノマーまたは構成単位スチレン:CH2=CH−C6H5
代表構造−[CH2−CH(Ph)]n−、Phはフェニル基を示す。
基本反応式n CH2=CH−C6H5 → −[CH2−CH(C6H5)]n

ポリスチレンは、ビニル基を持つスチレンモノマーの付加重合により得られる。主鎖は炭素−炭素結合からなり、側鎖にフェニル基を持つため、剛性、透明性、電気絶縁性に優れる一方、脆さや耐溶剤性の低さが生じやすい。

GPPSは一般にアタクチック構造を持つ非晶性樹脂である。HIPSはポリブタジエンなどのゴム粒子をPS相中に分散させた耐衝撃改質材料である。SPSはシンジオタクチック構造を持つ結晶性ポリスチレンであり、一般的なGPPS、HIPSとは耐熱性や耐薬品性が異なる。

種類

種類の名称主成分または特徴長所短所主な用途
GPPS一般用ポリスチレン。非晶性で透明な標準グレードである。透明性、剛性、光沢、成形性、寸法安定性が良い。衝撃に弱く、割れやすい。耐溶剤性、耐熱性に制限がある。透明ケース、食品容器、雑貨、文具、ディスプレイ部材、実験器具
HIPSゴム成分で耐衝撃性を改良した高衝撃ポリスチレンである。GPPSより割れにくく、成形性とコストのバランスが良い。透明性は低く、耐候性、耐溶剤性には注意が必要である。家電部品、食品トレー、冷蔵庫内装、包装シート、玩具、OA機器部品
耐熱PS分子量、共重合、配合により耐熱性を調整したPSである。標準PSより高温変形を抑えやすい。PC、PBT、PPSなどのエンプラほどの耐熱性はない。食品容器、熱成形シート、家電部品、包装材
難燃PS難燃剤を配合したPSまたはHIPSである。電気・電子用途で難燃性を付与しやすい。機械特性、流動性、外観、リサイクル性に影響する場合がある。電気機器筐体、OA機器部品、電装部品、難燃シート
EPSビーズ法発泡ポリスチレン。発泡倍率により密度を調整する。軽量、断熱性、緩衝性、成形自由度が良い。耐熱性、耐溶剤性、圧縮永久変形、燃焼性に注意が必要である。緩衝材、保冷箱、魚箱、包装材、建築断熱材
XPS押出発泡ポリスチレン。連続押出により板状発泡体を得る。断熱性、寸法安定性、圧縮強さに優れる。高温環境、溶剤接触、火気には注意が必要である。建築断熱材、土木断熱材、保冷用途、芯材
SPSシンジオタクチックポリスチレン。結晶性を持つ特殊PSである。通常PSより耐熱性、耐薬品性、寸法安定性に優れる。一般PSより高価であり、流通グレードや用途は限定される。電気・電子部品、耐熱部品、フィルム、コネクタ、精密部品
GF強化SPSSPSにガラス繊維を配合した強化グレードである。耐熱性、剛性、寸法安定性を高めやすい。透明性はなく、成形収縮の異方性、摩耗、外観に注意が必要である。耐熱電装部品、コネクタ、機構部品、精密成形部品

成形加工

加工方法適性主な製品例備考
射出成形透明ケース、家電部品、雑貨、容器、玩具、電気部品流動性が良く、外観成形に適する。残留応力によるクラックに注意する。
押出成形シート、フィルム、板、異形押出材、発泡板GPPS、HIPS、XPSで広く使用される。
ブロー成形特殊容器、軽量容器一般にはPE、PP、PETほど多くない。溶融強度調整が必要である。
圧縮成形発泡体、特殊成形品、試作部品一般的な量産成形では射出成形、押出成形が中心である。
真空成形食品トレー、包装容器、カバー、内装材、ディスプレイ材HIPSシート、GPPSシートで多用される。
発泡成形EPS成形品、緩衝材、保冷箱、断熱材発泡倍率、密度、融着状態により物性が大きく変わる。
切削加工試作部品、治具、模型、板材加工品割れ、欠け、熱による溶融、クラックに注意する。
接着・溶剤接着ケース、模型、ディスプレイ品、試作品溶剤により白化、クラックが起こる場合がある。
代表的な成形条件
項目単位GPPSHIPSSPS備考
乾燥温度60〜8060〜80100〜130通常PSは低吸水であるが、外観用途では乾燥が有効である。
乾燥時間時間1〜31〜33〜5材料状態、乾燥機、包装開封後の保管条件により調整する。
シリンダー温度180〜240180〜240280〜320グレード、流動性、金型構造により異なる。
金型温度30〜6030〜6080〜140SPSでは結晶化制御のため高めの金型温度が必要となる場合がある。
成形収縮率%0.2〜0.60.3〜0.70.4〜1.2GF強化品では流動方向と直角方向で差が出る。
注意点シルバー、クラック、焼けヒケ、ウェルド、外観ムラ結晶化、反り、乾燥不足実成形では成形機、金型、肉厚、滞留時間を確認する。

代表的な物性値又は機械的性質

項目単位GPPSHIPS耐熱PSSPSGF強化SPS備考
密度g/cm31.04〜1.061.03〜1.071.04〜1.071.03〜1.051.30〜1.55発泡PSでは発泡倍率により大幅に低下する。
引張強さMPa35〜6020〜3540〜6055〜7590〜160代表値であり、グレードにより異なる。
伸び%1〜320〜601〜52〜51〜3HIPSはゴム改質により伸びが大きい。
曲げ弾性率GPa2.8〜3.51.5〜2.52.8〜3.52.2〜3.06〜12GF強化品は高剛性である。
アイゾット衝撃強さkJ/m21〜35〜201〜52〜55〜12ノッチ付きの目安である。
荷重たわみ温度75〜9570〜9090〜105180〜230230〜260荷重条件により異なる。
融点またはガラス転移温度Tg 約95〜105Tg 約90〜105Tg 約100〜110Tm 約260〜275Tm 約260〜275通常PSは非晶性で明確な融点を持たない。
連続使用温度60〜8060〜8070〜90130〜170150〜180荷重、雰囲気、寿命設計により確認が必要である。
吸水率%0.03〜0.100.03〜0.100.03〜0.100.02〜0.060.03〜0.1024時間水中浸漬の目安であり、PA、PBT、PET、PUなどより吸水は小さい。
体積抵抗率Ω・cm1015以上1014〜10161015以上1015以上1013〜1015帯電防止グレードでは低下する。
難燃性UL94HB相当HB相当HB相当HB〜V-0相当品ありHB〜V-0相当品あり難燃グレードではV-2、V-0相当品がある。
酸素指数%約18〜19約18〜20約18〜20約18〜21配合により変化一般PSは燃えやすい材料である。

耐薬品性

ポリスチレンは水、低濃度の酸、低濃度のアルカリ、低級アルコールには比較的安定である。一方で、PSのSP値に近い芳香族炭化水素、ケトン、エステル、塩素系溶剤では膨潤、軟化、溶解を生じやすい。実使用では薬品名だけでなく、濃度、温度、応力、接触時間、成形品の残留応力を確認する必要がある。

薬品・溶剤分類評価備考
塩酸酸類希塩酸では比較的安定である。高温、長時間では確認が必要である。
硫酸酸類○〜△希硫酸では比較的安定であるが、濃硫酸や高温では劣化に注意する。
酢酸酸類○〜△濃度や温度により影響を受ける場合がある。
水酸化ナトリウムアルカリ類低濃度、常温では比較的安定である。
水酸化カリウムアルカリ類高温、高濃度では確認が必要である。
エタノール低級アルコール類○〜△短時間では比較的安定であるが、応力下ではクラックに注意する。
IPA低級アルコール類○〜△洗浄用途では残留応力、接触時間を確認する。
メタノール低級アルコール類○〜△常温短時間では比較的安定である。
グリセリン高級アルコール類一般に影響は小さいが、添加剤抽出には注意する。
MMB高級アルコール類・グリコールエーテル類条件により膨潤や応力割れの可能性がある。
トルエン芳香族炭化水素類×膨潤、軟化、溶解を生じやすい。
キシレン芳香族炭化水素類×PSを強く侵しやすい。
ベンゼン芳香族炭化水素類×溶解性が高く、実用上は不適である。
ヘキサン脂肪族炭化水素類△〜○芳香族溶剤より影響は小さいが、長時間接触では確認が必要である。
シクロヘキサン脂肪族炭化水素類膨潤や応力割れに注意する。
アセトンケトン×表面を侵し、軟化やクラックを生じやすい。
MEKケトン×溶解、膨潤を生じやすい。
酢酸エチルエステル×膨潤、軟化、溶解に注意する。
酢酸ブチルエステル×塗装溶剤接触では応力割れを起こしやすい。
塩化メチレン塩素系溶剤×PSを強く侵し、溶解する。
クロロホルム塩素系溶剤×溶解性が高い。
水・温水常温水では安定である。
温水水・温水○〜△高温では変形、寸法変化、応力割れに注意する。
鉱物油○〜△油種、添加剤、温度により確認が必要である。
ガソリン燃料・油×芳香族成分を含むため膨潤、軟化を生じやすい。
SP値(溶解度パラメータ)
材料代表的なSP値 δ
MPa1/2
備考
ポリスチレン約18.5〜19.0芳香族炭化水素、ケトン、エステル、塩素系溶剤に近く、膨潤・溶解しやすい。

SP値は溶解・膨潤の傾向を推定する目安であるが、耐薬品性をSP値だけで判断することはできない。実際には結晶性、分子量、配合、添加剤、成形応力、温度、濃度、接触時間、薬品の混合状態が影響する。

溶解性の目安
SP値差溶解・膨潤の目安判定
0〜2膨潤・軟化しやすい×
2〜5条件により膨潤する
5〜8短時間接触では比較的安定
8以上溶解・膨潤しにくい
SP値から見た耐溶剤性

ポリスチレンの代表SP値を18.7 MPa1/2として、代表的な溶剤とのSP値差を整理すると以下のようになる。評価はSP値差を中心とした目安であり、実際の耐薬品性試験を代替するものではない。

薬品名SP値
MPa1/2
PSとの差評価備考
トルエン約18.2約0.5×溶解・膨潤しやすい。
酢酸エチル約18.6約0.1×軟化、クラックに注意する。
MEK約19.0約0.3×強い影響を受ける。
アセトン約19.9約1.2×表面荒れ、白化、割れを生じやすい。
塩化メチレン約20.2約1.5×溶解性が高い。
シクロヘキサン約16.8約1.9△〜×条件により膨潤する。
ヘキサン約14.9約3.8長時間接触では確認が必要である。
IPA約23.5約4.8○〜△応力下ではクラックに注意する。
エタノール約26.0約7.3短時間接触では比較的安定である。
約47.9約29.2常温水では安定である。

評価基準:◎非常に良好、○概ね良好、△注意が必要、×不適

製法

工程内容
原料主原料はスチレンモノマーである。スチレンは一般にエチルベンゼンの脱水素により製造される。
重合方法塊状重合、懸濁重合、溶液重合、乳化重合などが用いられる。GPPSでは塊状重合や懸濁重合が用いられることが多い。
HIPSの製造ポリブタジエンなどのゴム成分をスチレン中に溶解・分散させ、重合中に相分離とグラフト化を進めてゴム粒子を形成する。
SPSの製造メタロセン系触媒などを用いて、シンジオタクチック立体規則性を持つポリスチレンを製造する。
ペレット化やコンパウンド重合後、未反応モノマーを除去し、安定剤、滑剤、着色剤、難燃剤、帯電防止剤、ゴム改質材、ガラス繊維などを配合してペレット化する。
添加剤・充填材・強化材耐熱性、難燃性、帯電防止性、耐衝撃性、摺動性、成形性、食品接触適合性などを目的に各種添加剤が用いられる。
代表的な反応式

n CH2=CH−C6H5 → −[CH2−CH(C6H5)]n

工程の概要
  • スチレンモノマーを精製する。
  • 開始剤または触媒を用いて重合を行う。
  • GPPSでは透明性、分子量、流動性を制御する。
  • HIPSではゴム粒子径、ゴム含有量、グラフト状態を制御する。
  • 必要に応じて難燃剤、帯電防止剤、着色剤、滑剤、強化材を混練する。
  • 押出機で溶融混練し、ストランドカットまたはアンダーウォーターカットによりペレット化する。

詳細な利用用途

用途分野主な用途使用される主なグレード選定上の注意点
自動車内装部品、カバー、軽量部材、発泡芯材、包装トレーHIPS、難燃HIPS、発泡PS、SPS耐熱性、耐候性、VOC、アウトガス、難燃性を確認する。
電気・電子筐体、絶縁部品、スイッチ周辺、OA機器部品、コネクタ周辺部品HIPS、難燃PS、SPS、GF強化SPSUL94、CTI、耐熱性、寸法安定性、難燃剤規制を確認する。
機械部品軽負荷カバー、ケース、試作部品、治具、模型GPPS、HIPS、SPS衝撃、摺動、摩耗、応力割れには注意が必要である。
医療・理化学シャーレ、試験管、培養容器、ディスポーザブル部品、透明ケースGPPS、医療対応PS滅菌方法、溶出、薬品接触、透明性、規格適合性を確認する。
食品機械・食品包装食品トレー、カップ、蓋材、容器、保冷箱、包装材GPPS、HIPS、EPS、耐熱PS食品衛生、耐油性、耐熱性、電子レンジ適性、スチレン残留を確認する。
建築・設備断熱材、保温材、装飾材、芯材、模型材EPS、XPS、難燃発泡PS火気、難燃性、圧縮強さ、吸水性、長期寸法安定性を確認する。
包装・物流緩衝材、保護材、箱、トレー、輸送用発泡体EPS、HIPS、GPPS衝撃吸収、圧縮強さ、静電気、リサイクル性を確認する。
日用品・雑貨文具、ケース、玩具、収納用品、ディスプレイ品GPPS、HIPS割れ、耐候性、溶剤接触、燃焼性に注意する。
用途別選定の目安
用途推奨グレード理由注意点
透明ケースGPPS透明性、光沢、成形性が良い。衝撃割れ、溶剤クラックに注意する。
食品トレーHIPS、GPPSシート押出、真空成形に適する。耐熱性、食品接触適合性を確認する。
筐体HIPS、難燃HIPS耐衝撃性と成形性のバランスが良い。難燃性、耐候性、耐熱性を確認する。
フィルム・シートGPPS、HIPS、SPS押出成形、二次成形に適する。脆さ、白化、熱収縮に注意する。
コネクタ周辺SPS、GF強化SPS耐熱性、寸法安定性、電気特性が良い。一般PSとは成形温度が大きく異なる。
断熱材EPS、XPS軽量で断熱性が高い。火気、溶剤、長期圧縮荷重に注意する。
法規制・適合確認
項目確認内容
RoHS電気・電子用途では、特定有害物質、難燃剤、顔料、添加剤の適合を確認する。
REACHEU向け用途ではSVHC、添加剤、難燃剤、着色剤の登録・制限を確認する。
食品衛生食品容器、トレー、カップでは食品接触適合グレードを選定する。
FDA米国向け食品接触用途ではFDA適合グレードの確認が必要である。
医療用途生体適合性、滅菌方法、抽出物、溶出物、薬液接触を確認する。
難燃規格電気・電子部品ではUL94、GWIT、CTIなど要求規格に応じたグレードを選定する。
注意点
  • GPPSは脆性破壊しやすく、落下衝撃や薄肉部ではHIPS、ABS、PCなどとの比較が必要である。
  • 成形品に残留応力があると、アルコール、油、溶剤、洗浄剤で応力割れが起こる場合がある。
  • 芳香族溶剤、ケトン、エステル、塩素系溶剤はPSを侵しやすい。
  • 発泡PSは溶剤、火気、高温、長期圧縮荷重に注意する。
  • 難燃グレードでは添加剤による物性、外観、法規制、リサイクル性への影響を確認する。
  • 食品接触、医療、電気・電子用途では、グレードごとの規格適合を必ず確認する。
  • 高温使用では熱変形、熱劣化、アウトガス、寸法変化を確認する。

関連材料との比較

比較材料特徴対象材料との違い
ABS樹脂耐衝撃性、外観性、塗装性、めっき性のバランスが良いスチレン系樹脂である。PSより耐衝撃性に優れるが、透明性は一般に低い。筐体用途ではABSが選ばれやすい。
AS樹脂アクリロニトリルとスチレンの共重合体であり、透明性、耐薬品性、硬さに優れる。PSより耐薬品性と耐熱性を高めやすいが、衝撃性には注意が必要である。
アクリル樹脂高透明性、高光沢、耐候性、表面硬度に優れる透明樹脂である。PSより透明性、耐候性、表面硬度に優れるが、一般にコストは高い。
ポリカーボネート透明性、耐衝撃性、耐熱性に優れるエンジニアリングプラスチックである。PCはPSより大幅に耐衝撃性と耐熱性が高いが、成形温度、コスト、耐薬品性の確認が必要である。
ポリ塩化ビニル難燃性、耐薬品性、耐候性に優れ、硬質から軟質まで幅広い。PSは透明性と成形性に優れるが、PVCは難燃性と耐薬品性で有利な場合が多い。
ポリプロピレン軽量で耐薬品性、耐熱性、ヒンジ性に優れるポリオレフィンである。PPはPSより耐薬品性、軽量性、耐疲労性に優れるが、PSは剛性、透明性、寸法安定性が良い。
PETG樹脂透明性、耐衝撃性、熱成形性に優れる非晶性ポリエステルである。PETGはPSより割れにくく、透明容器やシート用途で代替候補となる。高温水や薬品には確認が必要である。
発泡ポリスチレンPSを発泡させた軽量材料であり、断熱性、緩衝性に優れる。樹脂成分はPSであるが、材料体積の大部分が空気であり、密度、圧縮特性、断熱性が大きく異なる。

代表的なメーカー

メーカー代表製品・ブランド概要
PSジャパン株式会社PSJ-POLYSTYRENE日本国内の代表的なポリスチレンメーカーであり、GPPS、HIPSなど各種PS材料を展開している。
東洋スチレン株式会社トーヨースチロール、Toyo Styrolポリスチレン樹脂を展開する国内メーカーであり、包装、家電、食品容器、シート用途などに供給している。
DIC株式会社代表例:DICスチロール系材料、PS関連材料スチレン系樹脂、機能性材料、コンパウンド関連で実績を持つ化学メーカーである。製品名や供給範囲は時期により確認が必要である。
INEOS StyrolutionStyrolution PS、Styrolux、Styroflexなどスチレン系樹脂を広く展開するグローバルメーカーであり、PS、ABS、SAN、特殊スチレン系材料を供給している。
TrinseoSTYRON、STYRON A-TECHなどポリスチレン、ABS、PC、ラテックスなどを展開する材料メーカーである。
SABICPS、HIPS系グレード汎用樹脂、エンプラ、化学品を展開するグローバルメーカーであり、地域によりPS系材料を供給している。
Chi Mei CorporationPOLYREX、PH、その他PS系グレードABS、SAN、PS、PMMAなどのスチレン系材料を展開する台湾の大手メーカーである。
LG ChemGPPS、HIPS系グレード汎用樹脂、エンジニアリングプラスチック、化学品を展開する韓国の大手化学メーカーである。

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