ポリエチレン

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• 概要
• 特徴
• 構造式
• 種類・代表グレード
• 成形加工
• 代表的な物性値又は機械的性質
• 耐薬品性
• 製法
• 詳細な利用用途
• 関連材料との比較
• 代表的なメーカー
• 難燃性・法規制・注意点
• 関連キーワード

概要

ポリエチレンは、エチレン（CH₂＝CH₂）を単量体として付加重合させて得られる、最も生産量の多い汎用プラスチックの一つである。分子構造上は炭素と水素のみからなる単純な直鎖状・分岐状の脂肪族炭化水素であるが、重合方法・触媒・分子量・分岐度の違いによって密度が0.91～0.97 g/cm³程度まで幅広く変化し、これに応じて低密度ポリエチレン（LDPE）、直鎖状低密度ポリエチレン（LLDPE）、高密度ポリエチレン（HDPE）、超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）など、物性の異なる多数のグレードに分類される。一般に、密度が高いほど剛性・耐熱性・引張強さが高くなり、密度が低いほど柔軟性・透明性・ヒートシール性に優れる傾向がある。

化学的には非極性の飽和炭化水素であるため、水・酸・アルカリに対する耐薬品性に極めて優れる一方、無極性の有機溶剤（芳香族炭化水素、塩素系溶剤等）には条件により膨潤・浸透しやすい。電気絶縁性、耐寒性、耐衝撃性（低温下でも脆化しにくい）、衛生性、加工性に優れ、価格も比較的安価であることから、包装材料からパイプ、電線被覆、日用品、産業資材、医療用途（UHMWPEの人工関節摺動部材等）まで極めて広範囲に使用されている。

一方で、無極性であるがゆえに他材料との接着・印刷・塗装には表面処理（コロナ処理等）が必要であり、また熱変形温度が比較的低く、環境応力割れ（ESC）や紫外線劣化、クリープ変形といった設計上の注意点も存在する。実使用にあたっては、後述のグレード区分・物性値・耐薬品性データを踏まえ、荷重・温度・薬品接触条件・使用期間に応じたグレード選定と確認試験の実施が推奨される。

特徴

構造式

ポリエチレンはエチレンモノマーの付加重合により生成する。繰り返し単位は－(CH₂－CH₂)_n－であり、分岐の有無・頻度によってLDPE（分岐が多い）とHDPE・LLDPE（直鎖状に近い）に大別される。

代表的な構造単位

基本繰り返し単位：－(CH₂－CH₂)_n－（分子量に応じて n は数百～数万程度）

モノマーまたは構成単位

エチレン（CH₂＝CH₂、C₂H₄）を単量体とする単独重合体。LLDPEでは1-ブテン、1-ヘキセン、1-オクテンなどのα-オレフィンをコモノマーとして少量共重合させ、短鎖分岐を導入することで密度・物性を制御する。

共重合体や変性グレードがある場合の説明

エチレン－酢酸ビニル共重合体（EVA）、エチレン－エチルアクリレート共重合体（EEA）、エチレン－アクリル酸共重合体（EAA）、アイオノマー樹脂など、エチレンを主成分としつつ第二成分を共重合させた変性材料が多数存在する。また、シラン架橋・電子線架橋等により分子間に架橋構造を導入した架橋ポリエチレン（PEX／XLPE）は、耐熱性・耐クリープ性・耐環境応力割れ性を向上させたグレードとして、給湯配管・電線被覆等に用いられる。これらは基本骨格はポリエチレンと共通するが、物性は無変性のPEとは大きく異なるため、本ページの数値をそのまま適用しないよう注意する。

種類・代表グレード

代表グレード区分の目安：汎用射出成形グレード、汎用フィルム（インフレーション）グレード、高流動グレード（薄肉・高速成形向け）、耐環境応力割れグレード（ボトル・タンク向け高分子量品）、パイプ用グレード（PE80／PE100等の長期強度等級）、電線被覆用グレード、食品接触用途向けグレード、医療用途向けグレード（UHMWPE等）など。強化材を添加したグレード（GF強化PE、CF強化PE、タルク・炭酸カルシウム充填PE、導電性カーボン配合PEなど）は、非強化・標準グレードと物性を混在させず別表として扱う。

成形加工

成形条件の目安（射出成形・代表値）

成形条件はメーカー・グレード・成形機・製品形状によって異なるため、上表は一般的な目安である。実生産条件は各メーカーのテクニカルデータシートを確認すること。

代表的な物性値又は機械的性質

下表は非強化・無充填の標準グレードにおける代表値・代表範囲である。グレード、分子量、密度、試験片厚さ、試験温度により数値は変動するため、実設計では個別グレードのテクニカルデータシートで確認することが必須である。GF強化材・CF強化材等の改質グレードは別表として区分した。

物理的性質

引張・曲げ・衝撃特性

熱的性質

荷重たわみ温度（HDT）は試験荷重により大きく異なるため、必ず荷重条件（0.45 MPaまたは1.80 MPa）とあわせて評価すること。連続使用温度は熱老化・強度保持率・使用環境によって評価が異なるため一般的な目安である。

電気的性質（参考）

強化グレード（参考・非強化グレードとは区別）

耐薬品性

ポリエチレンは非極性の飽和炭化水素であるため、水・多くの酸・アルカリに対する耐薬品性は極めて良好である。一方、無極性溶剤（芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素、一部の塩素系溶剤、油類）に対しては、濃度・温度・接触時間・応力の有無によって膨潤・浸透・環境応力割れ（ESC）を生じる場合があるため、条件を特定した評価が必要である。

評価基準：◎＝一般的な条件で影響が小さい、○＝概ね使用可能であるが条件確認が必要、△＝膨潤・軟化・強度低下・応力割れ等に注意、×＝溶解・著しい膨潤・劣化のおそれが高い。上表はグレード・温度・濃度・接触時間・応力の有無により結果が変動する代表的な目安であり、実使用前には必ず対象グレードでの浸漬試験・応力下での環境応力割れ試験を推奨する。

環境応力割れ（ESC）に関する注意

HDPEを中心に、界面活性剤・アルコール類・洗剤等の存在下で、残留応力や外部荷重が加わった状態で微細なクラックが進展する環境応力割れ（Environmental Stress Cracking）が知られている。耐ESC性は分子量・密度・コモノマー種類により異なり、ボトル・タンク等の応力が持続的にかかる用途では耐ESCグレードの選定、成形残留応力の低減、ノッチ・鋭角形状の回避が重要である。

SP値（溶解度パラメータ）

ポリエチレンの溶解度パラメータ（SP値、δ）は、代表値としてδ ≈ 16.0 MPa^1/2（約7.8～8.1 (cal/cm³)^1/2）程度とされる。非極性の飽和炭化水素であるため、水素結合項・極性項がほぼゼロに近く、SP値のみからは無極性溶剤に対する挙動を過小評価しやすい点に注意が必要である。SP値差が大きくても、分子構造・結晶化度・応力の有無によって実際の耐薬品性は変化するため、SP値はあくまで一次スクリーニングの目安として用い、最終判断は実際の浸漬試験・環境応力割れ試験で確認することが望ましい。

溶解性の目安

SP値から見た耐溶剤性

評価基準：◎非常に良好、○概ね良好、△注意が必要、×不適。SP値差はあくまで簡易評価の目安であり、四塩化炭素の例のように、分子サイズ・形状や特異的な相互作用によりSP値差だけでは説明できない事例も存在するため、実際の耐薬品性判断はSP値と併せて浸漬試験等の実測データを参照すること。

製法

原料

主原料はナフサの熱分解等により得られるエチレン（C₂H₄）である。LLDPE等では1-ブテン、1-ヘキセン、1-オクテンといったα-オレフィンをコモノマーとして少量共重合させる。

重合方法

ポリエチレンの製法は大きく高圧法と中低圧法に分かれる。高圧ラジカル重合法（約150～300 MPa、約150～300℃、有機過酸化物等を開始剤とするラジカル重合）は主にLDPEの製造に用いられる。中低圧法は、チーグラー・ナッタ触媒やフィリップス触媒（酸化クロム系）、あるいはメタロセン触媒を用いた配位重合（気相法・スラリー法・溶液法等、数MPa以下、80～100℃前後）により、HDPE・LLDPE・UHMWPEなどが製造される。触媒・反応条件・コモノマー種類の組み合わせにより、密度・分子量分布・分岐構造が制御され、多様なグレードが作り分けられる。

代表的な反応式（模式）

n CH₂＝CH₂　－（触媒・熱・圧力）－▶　－(CH₂－CH₂)_n－

上記は代表的な反応経路を模式的に示したものであり、実際の反応機構は製法（ラジカル重合／配位重合）により異なる。一般化が困難なため、あくまで代表的な反応経路として示す。

ペレット化・コンパウンド

重合後のパウダー状樹脂は、酸化防止剤、中和剤（触媒残渣中和用）、滑剤、必要に応じて顔料・難燃剤・帯電防止剤等の添加剤とともに押出機で溶融混練され、水中カット方式等によりペレット化される。ペレット化後、粒径・メルトフローレート（MFR）・密度等の品質検査を経て出荷される。

添加剤・充填材・強化材

酸化防止剤（フェノール系・ホスファイト系）、紫外線吸収剤・光安定剤（屋外用途）、滑剤、帯電防止剤、顔料（カーボンブラック等、耐候グレードに配合）、難燃剤（ハロゲン系・非ハロゲン系）、ガラス繊維・タルク・炭酸カルシウム等の充填材・強化材が、用途に応じて配合される。

詳細な利用用途

用途別選定の目安

評価は材料群としての一般的な適性であり、実使用ではグレード、荷重、温度、薬品接触、湿度、使用期間、法規制を必ず確認すること。

関連材料との比較

代表的なメーカー

上記は実在が確認できる主要メーカー・ブランドの代表例であり、記載は網羅的なものではない。取扱いグレードは各社の最新テクニカルデータシートで確認すること。

難燃性・法規制・注意点

燃焼性・難燃性

UL認証グレードの結果と一般材料の推定難燃性は混同しないこと。難燃性が必要な用途では、必ず個別グレードの認証書・試験成績書を確認する。

法規制・認証（確認可能な範囲の一般的傾向）

規制適合はメーカー・グレード・色・添加剤・製造拠点・用途・接触条件によって異なる。材料名だけで適合を断定せず、「一般に対応可能」「適合グレードが存在する」「個別グレードの証明書確認が必要」を区別して取り扱うこと。

劣化・故障モードと注意点

推奨確認試験

実使用にあたっては、対象グレード・使用条件（温度、濃度、荷重、応力、湿度、接触時間、繰返し回数等）を確認したうえで、必要に応じて次のような試験の実施を推奨する。実薬品浸漬試験、応力負荷下での環境応力割れ試験（ASTM D1693等）、高温高湿試験、紫外線促進耐候試験、クリープ試験、疲労試験、燃料透過試験、寸法変化測定、実成形試験、実部品での耐久試験。

関連キーワード

• ポリプロピレン（PP）
• エチレン酢酸ビニル共重合体（EVA）
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