| 材料名 | ポリブタジエン ポリブタジエンゴム |
|---|---|
| 略記号 | BR、PB、PBD |
| 英語名 | Polybutadiene、Butadiene Rubber |
| 分類 | 合成ゴム、ジエン系ゴム、熱硬化性エラストマー |
| 化学式 | (C4H6)n |
| 構造・主成分 | 1,3-ブタジエンの重合体であり、主にcis-1,4構造、trans-1,4構造、1,2-ビニル構造からなる。 |
| 主な用途 | タイヤ、靴底、防振ゴム、ベルト、ホース、ゴルフボール、HIPS改質材、ABS改質材、接着剤、シーラントである。 |
ポリブタジエンは、1,3-ブタジエンを重合して得られる代表的な合成ゴムである。低温柔軟性、反発弾性、耐摩耗性に優れ、タイヤ用ゴムや樹脂改質材として広く使用される。一方で、単独では引裂強さ、加工時の粘着性、耐候性、耐油性に課題があるため、天然ゴム、SBR、カーボンブラック、シリカ、老化防止剤などと併用されることが多い。
特徴
- ガラス転移温度が低く、低温柔軟性に優れる。
- 反発弾性が高く、発熱が少ない。
- 柔軟性に富む
- 低温特性に優れている
- 耐摩耗性に優れ、タイヤ、靴底、ベルト用途に適する。
- 高シスBRは反発弾性、耐摩耗性、低温特性に優れる。
- 1,2-ビニル含有量が高い液状BRは反応性、塗料・接着剤適性、樹脂改質性に優れる。
- 架橋剤で容易に耐熱性、耐候性、耐オゾン性を向上させることが出来る。
- 乳化重合法で作られたものは加工性に劣り、ABS樹脂の原料となる。
- 非極性炭化水素系ポリマーであり、水、酸、アルカリには比較的安定である。
- 芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素、ガソリン、鉱油では膨潤しやすい。
- 二重結合を含むため、酸素、オゾン、紫外線、熱により劣化しやすい。
- 加硫、充填材、可塑剤、老化防止剤により機械的性質と耐薬品性が大きく変化する。
長所
- 低温柔軟性が非常に良い。
- 反発弾性が高い。
- 耐摩耗性が良い。
- 発熱が少ない。
- 耐水性、電気絶縁性が良い。
- SBR、NR、IRなどとのブレンド適性が高い。
- 液状BRでは反応性可塑剤、樹脂改質剤、電気電子材料への応用が可能である。
短所
- 耐油性、耐燃料性は低い。
- 芳香族溶剤、塩素系溶剤、炭化水素系溶剤で膨潤しやすい。
- 単独では引裂強さ、引張強さ、加工粘着性が不足しやすい。
- 二重結合を含むため、オゾン、紫外線、酸化劣化に注意が必要である。
- 耐熱性はシリコーンゴム、フッ素ゴム、EPDMなどに劣る。
成形加工
ポリブタジエンは一般的な熱可塑性樹脂のように単独で射出成形する材料ではなく、混練、押出、カレンダー、圧縮成形、加硫成形によりゴム製品化する材料である。液状BRは塗料、接着剤、注型、樹脂改質、硬化反応系に使用される。
| 加工方法 | 適性 | 主な製品例 |
|---|---|---|
| 混練・配合 | ◎ | タイヤ用ゴム、工業用ゴム、カーボンブラック配合材 |
| 押出成形 | ○ | ホース、チューブ、ベルト、シール材 |
| カレンダー成形 | ○ | シート、ゴム引布、タイヤ部材 |
| 圧縮成形・加硫成形 | ◎ | 防振ゴム、パッキン、靴底、工業用ゴム部品 |
| 射出成形 | △ | ゴム射出成形機による加硫成形品 |
| 注型・硬化成形 | ○ | 液状BR系シーラント、接着剤、電気電子材料 |
| 切削加工 | △ | 加硫ゴム板、試作部品、簡易治具 |
構造式
ポリブタジエンは、1,3-ブタジエン CH2=CH-CH=CH2 の付加重合により得られる。代表的な繰返し構造は以下である。
cis-1,4構造
-[CH2-CH=CH-CH2]-n
trans-1,4構造
-[CH2-CH=CH-CH2]-n
1,2-ビニル構造
-[CH2-CH(CH=CH2)]-n
高シスBRはcis-1,4構造を多く含み、低温柔軟性と反発弾性に優れる。1,2-ビニル構造を多く含む液状BRは反応性が高く、硬化性樹脂、塗料、接着剤、電気電子材料に利用される。
種類
標準ポリブタジエンゴム
| 名称 | 標準BR |
|---|---|
| 構成 | 1,3-ブタジエンの重合体であり、cis-1,4、trans-1,4、1,2-ビニル構造を含む。 |
| 特徴 | 低温柔軟性、反発弾性、耐摩耗性に優れる。 |
| 主な用途 | タイヤ、靴底、ベルト、ホース、防振ゴムである。 |
特徴
- 汎用的なゴム配合に使用しやすい。
- SBR、NRとのブレンドで物性バランスを調整しやすい。
高シスポリブタジエンゴム
| 名称 | 高シスBR |
|---|---|
| 構成 | cis-1,4構造を多く含むポリブタジエンである。 |
| 特徴 | 反発弾性、耐摩耗性、低発熱性、低温特性に優れる。 |
| 主な用途 | タイヤトレッド、サイドウォール、ゴルフボール、防振ゴムである。 |
特徴
- タイヤ用途で重要な耐摩耗性と反発弾性に優れる。
- 加工性改善のため他ゴムとブレンドされることが多い。
低シス・中シスポリブタジエンゴム
| 名称 | 低シスBR、中シスBR |
|---|---|
| 構成 | cis-1,4含有量が高シスBRより低いポリブタジエンである。 |
| 特徴 | 加工性、配合自由度、樹脂改質用途での扱いやすさを重視する。 |
| 主な用途 | HIPS、ABS、ゴム改質、工業用ゴムである。 |
特徴
- 耐衝撃性改良剤として利用される。
- 樹脂中にゴム相を形成し、衝撃吸収性を付与する。
液状ポリブタジエン
| 名称 | 液状BR、液状ポリブタジエン |
|---|---|
| 構成 | 比較的低分子量のポリブタジエン又は官能基変性ポリブタジエンである。 |
| 特徴 | 反応性可塑剤、架橋性改質剤、疎水性付与剤として使用できる。 |
| 主な用途 | 接着剤、塗料、シーラント、電気電子材料、樹脂改質材である。 |
特徴
- 常温で液状のグレードがある。
- 水分に強く、低誘電性、疎水性、反応性を付与しやすい。
水素化ポリブタジエン
| 名称 | 水素化BR、水添ポリブタジエン |
|---|---|
| 構成 | ポリブタジエン中の二重結合を水素化して飽和構造に近づけた材料である。 |
| 特徴 | 耐熱性、耐酸化性、耐候性が改善される。 |
| 主な用途 | 電子材料、接着剤、シーラント、樹脂改質材である。 |
特徴
- 二重結合由来の劣化を抑えやすい。
- 通常BRより耐候性が改善される。
代表的な物性値又は機械的性質
| 項目 | 単位 | 標準BR | 高シスBR | 液状BR | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| 密度又は比重 | g/cm3 | 0.90〜0.93 | 0.90〜0.92 | 0.88〜0.92 | 非極性炭化水素系ポリマーとして低密度である。 |
| 引張強さ | MPa | 5〜18 | 8〜22 | 硬化物で2〜15 | 配合、補強材、加硫条件で大きく変化する。 |
| 破断伸び | % | 300〜800 | 350〜800 | 硬化物で100〜600 | ゴム弾性を示す。 |
| 硬さ | Shore A | 35〜80 | 35〜75 | 硬化物で20〜80 | 配合により調整される。 |
| 反発弾性 | % | 50〜75 | 60〜85 | 硬化物で40〜75 | 高シスBRで特に高い。 |
| ガラス転移温度 Tg | ℃ | -95〜-80 | -110〜-95 | -90〜-50 | 1,2-ビニル量が増えると高くなる傾向である。 |
| 耐熱性 | ℃ | 70〜100 | 70〜100 | 硬化系で80〜150 | 酸化劣化、加硫系、老化防止剤に依存する。 |
| 耐寒性 | ℃ | -70以下 | -80以下 | -40〜-80 | 低温柔軟性に優れる。 |
| 耐摩耗性 | なし | ○〜◎ | ◎ | △〜○ | タイヤ、靴底用途で重要な特性である。 |
| 耐油性 | なし | ×〜△ | ×〜△ | ×〜△ | 鉱油、燃料油では膨潤しやすい。 |
| 吸水率 | % | 0.01〜0.1 | 0.01〜0.1 | 0.01〜0.1 | 疎水性で吸水は少ない。 |
| 体積固有抵抗 | Ω・cm | 1014〜1016 | 1014〜1016 | 1013〜1016 | 配合剤、カーボンブラック量で大きく変化する。 |
耐薬品性
ポリブタジエンは非極性炭化水素系ゴムであり、水、希酸、希アルカリには比較的安定である。一方で、トルエン、キシレン、ヘキサン、ガソリン、鉱油、塩素系溶剤では膨潤しやすい。二重結合を含むため、酸化剤、オゾン、紫外線、熱酸化にも注意が必要である。
| 薬品・溶剤 | 耐性 | 備考 |
|---|---|---|
| 水 | ◎ | 疎水性で吸水が少なく、常温では安定である。 |
| 弱酸 | ○ | 常温・低濃度では比較的安定である。 |
| 強酸 | △〜× | 酸化性酸では劣化、硬化、ひび割れに注意が必要である。 |
| 弱アルカリ | ○ | 常温では比較的安定である。 |
| 強アルカリ | ○〜△ | 高温・長時間では配合剤や加硫系への影響を確認する必要がある。 |
| アルコール | ○ | エタノール、IPAでは比較的安定である。 |
| ケトン | △ | アセトン、MEKでは膨潤や物性低下の可能性がある。 |
| エステル | △〜× | 酢酸エチルなどでは膨潤しやすい。 |
| 芳香族炭化水素 | × | トルエン、キシレン、ベンゼンで著しく膨潤しやすい。 |
| 脂肪族炭化水素 | × | ヘキサン、シクロヘキサン、ガソリンで膨潤しやすい。 |
| 塩素系溶剤 | × | ジクロロメタン、クロロホルム、トリクロロエチレンで膨潤・溶解に注意が必要である。 |
| 鉱物油・燃料油 | ×〜△ | 耐油ゴムではないため、長時間接触には不適である。 |
| オゾン・紫外線 | ×〜△ | 二重結合由来の劣化、クラックに注意が必要である。 |
更に詳しくはプラスチックの耐薬品性一覧表を参照
SP値（溶解度パラメータ）
| 項目 | SP値（δ） MPa1/2 | 備考 |
|---|---|---|
| 標準ポリブタジエンゴム | 16.8〜17.6 | 非極性ゴムであり、炭化水素系溶剤に膨潤しやすい。 |
| 高シスポリブタジエンゴム | 16.7〜17.4 | 低温柔軟性と反発弾性に優れるが、耐油性は低い。 |
| 低シス・中シスポリブタジエンゴム | 17.0〜17.8 | 樹脂改質用途に使用され、芳香族溶剤で膨潤しやすい。 |
| 1,2-ビニル高含有ポリブタジエン | 17.5〜18.5 | ビニル量が多いほど極性寄与がやや増え、硬化反応性が高い。 |
| 液状ポリブタジエン | 16.5〜18.0 | 分子量、官能基、ビニル量により変動する。 |
| 水素化ポリブタジエン | 16.0〜17.2 | 飽和炭化水素性が強く、耐酸化性、耐候性が改善される。 |
溶解性の目安
| Δδ | 挙動 |
|---|---|
| 0〜2 | 溶解しやすい |
| 2〜5 | 膨潤・軟化 |
| 5以上 | 溶解しにくい |
SP値から見た耐溶剤性
| 溶剤 | 溶剤のSP値 MPa1/2 | BRとのSP値差 | 耐溶剤性 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 水 | 47.9 | 約30.7 | ◎ | SP値差が非常に大きく、疎水性BRには浸透しにくい。 |
| メタノール | 29.7 | 約12.5 | ○ | SP値差が大きく、常温短期では比較的安定である。 |
| エタノール | 26.0 | 約8.8 | ○ | 膨潤は比較的小さいが、配合剤抽出に注意する。 |
| IPA | 23.5 | 約6.3 | ○〜△ | 短期では使用可能な場合が多いが、長時間接触は確認が必要である。 |
| アセトン | 20.3 | 約3.1 | △ | SP値差が小さく、膨潤や配合剤抽出の可能性がある。 |
| MEK | 19.0 | 約1.8 | △〜× | 膨潤しやすく、長時間接触には不適である。 |
| 酢酸エチル | 18.6 | 約1.4 | × | SP値が近く、膨潤・軟化に注意が必要である。 |
| THF | 18.5 | 約1.3 | × | BRを強く膨潤させる可能性が高い。 |
| トルエン | 18.2 | 約1.0 | × | SP値が近く、著しい膨潤が起こりやすい。 |
| キシレン | 18.0 | 約0.8 | × | 芳香族炭化水素であり、BRには不適である。 |
| ベンゼン | 18.8 | 約1.6 | × | 膨潤・溶解性が高く、使用を避けるべきである。 |
| ヘキサン | 14.9 | 約2.3 | × | 非極性炭化水素であり、SP値差だけでなく相溶性が高いため膨潤しやすい。 |
| シクロヘキサン | 16.8 | 約0.4 | × | SP値が極めて近く、強い膨潤が起こりやすい。 |
| ガソリン | 約14〜16 | 約1.2〜3.2 | × | 炭化水素混合物であり、耐油・耐燃料用途には不適である。 |
| 鉱物油 | 約15〜17 | 約0.2〜2.2 | ×〜△ | 長時間接触で膨潤しやすい。 |
※本表は標準ポリブタジエンゴムのSP値中央値17.2 MPa1/2を基準としている。
評価基準：◎：非常に良好 ○：概ね良好 △：注意が必要 ×：不適
特に注意する溶剤：トルエン、キシレン、ベンゼン、シクロヘキサン、ヘキサン、ガソリン、鉱物油、塩素系溶剤、THF、酢酸エチルは膨潤・軟化・配合剤抽出が起こりやすいため注意が必要である。
製法
ポリブタジエンは、1,3-ブタジエンモノマーとして重合を行い製造する。工業的には溶液重合が多く、触媒によりcis-1,4、trans-1,4、1,2-ビニル構造の割合を制御する。
溶液重合法ではニッケル系、コバルト系、チタン系やアルキルリチウム触媒が使われ、触媒の種類によりミクロ構造が変化する。
1,4付加重合すると、ポリブタジエンゴムとなる。
基本反応式
n CH2=CH-CH=CH2 → -[CH2-CH=CH-CH2]-n
代表的な製法
- チーグラー・ナッタ触媒による溶液重合である。
- コバルト系、ニッケル系、ネオジム系触媒により高シスBRを製造する。
- リビングアニオン重合により分子量、分子量分布、官能基を制御した液状BRを製造する。
- 重合後、未反応モノマー除去、凝固、乾燥、ベール化を行う。
- 必要に応じて水素化、エポキシ化、水酸基末端化、アクリレート変性などを行う。
詳細な利用用途
| 用途分野 | 使用例 | 採用理由 |
|---|---|---|
| タイヤ | トレッド、サイドウォール、カーカス周辺部材 | 耐摩耗性、反発弾性、低発熱性、低温特性に優れるためである。 |
| 靴・スポーツ用品 | 靴底、ゴルフボール、スポーツ用ゴム部品 | 高反発、耐摩耗、低温柔軟性を活用する。 |
| 工業用ゴム | ベルト、ホース、防振ゴム、ロール、パッキン | 柔軟性、弾性、耐摩耗性が必要な用途に適する。 |
| 樹脂改質 | HIPS、ABS、耐衝撃性樹脂 | ゴム相により衝撃エネルギーを吸収する。 |
| 接着剤・シーラント | 液状BR系接着剤、弾性シーラント | 低温柔軟性、疎水性、反応性を付与できる。 |
| 電気電子材料 | 低誘電材料、銅張積層板、封止・絶縁材料 | 炭化水素系構造により低吸水、低誘電化しやすい。 |
| 塗料・コーティング | 防水塗料、樹脂改質塗料、硬化性コーティング | 疎水性、柔軟性、密着性改良に用いられる。 |
関連材料との比較
| 比較材料 | 特徴 | ポリブタジエンとの違い | 関連リンク |
|---|---|---|---|
| 天然ゴム | 高強度、高引裂性、高弾性を持つ天然由来ゴムである。 | BRより引裂強さと加工粘着性に優れるが、耐摩耗性や低温反発は配合により異なる。 | 天然ゴム |
| SBR | スチレンとブタジエンの共重合ゴムである。 | BRより加工性と物性バランスに優れ、タイヤ用途で併用される。 | SBR |
| IR | イソプレンゴムであり、天然ゴムに近い構造を持つ。 | BRより引裂強さ、加工性が良い場合がある。 | イソプレンゴム |
| EPDM | エチレン、プロピレン、ジエンの共重合ゴムである。 | BRより耐候性、耐オゾン性、耐熱老化性に優れるが、耐油性は低い。 | EPDM |
| NBR | アクリロニトリルとブタジエンの共重合ゴムである。 | BRより耐油性、耐燃料性に優れるが、低温柔軟性はAN量に依存する。 | NBR |
| ABS樹脂 | アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンからなる耐衝撃性樹脂である。 | BRはABS中のゴム相として衝撃改良に寄与する。 | ABS樹脂 |
| HIPS | ポリスチレンをゴム改質した耐衝撃性材料である。 | BRはHIPSの耐衝撃改良成分として使用される。 | HIPS |
代表的なメーカー
| メーカー | 代表製品・材料 | 特徴 |
|---|---|---|
| UBEエラストマー | UBEPOL BR | 高シスBRを中心に、タイヤ、工業用ゴム用途に展開する。 |
| 日本曹達 | NISSO-PB | 液状ポリブタジエン、官能基変性ポリブタジエン、水素化ポリブタジエンを展開する。 |
| JSR | BR系合成ゴム | タイヤ、工業用ゴム、樹脂改質用途向けの合成ゴムを扱う。 |
| ENEOSマテリアル | BR系合成ゴム | SBR、BRなどの合成ゴム材料を展開する。 |
| Kuraray | 液状ポリブタジエン系材料 | 液状ゴム、反応性可塑剤、ゴム・樹脂改質用途に展開する。 |
| Arlanxeo | Buna CB、Taktene | 高シスBR、低シスBRなどをタイヤ、工業用ゴム用途に展開する。 |
| Synthos | BR系合成ゴム | 欧州系の合成ゴムメーカーであり、タイヤ用途向けBRを扱う。 |