ポリウレタン

概要

材料名	ポリウレタン
略記号	PU
英語名	Polyurethane
分類	ウレタン系樹脂、熱硬化・熱可塑・発泡体・エラストマー
構造・主成分	イソシアネートとポリオールの反応で得られるウレタン結合含有樹脂
主な用途	フォーム、塗料、接着剤、エラストマー、人工皮革、断熱材

ポリウレタンは、イソシアネートとポリオールの反応で得られるウレタン結合（－O－CO－N<)を持つ高分子化合物の総称である。
ジイソシアネート（OCN－R₁－NCO)と、ジオール（HO－R₂－OH)などの多価アルコールの重付加反応で得られる。
柔軟性、弾性、耐摩耗性、発泡性、接着性、断熱性が良い。
材料選定では、加水分解、黄変、耐熱性、溶剤影響は種類に依存。
用途、温度、荷重、薬品、成形方法に応じてグレードを選定する必要がある。

特徴

柔軟性、弾性、耐摩耗性、発泡性、接着性、断熱性が良い
加水分解、黄変、耐熱性、溶剤影響は種類に依存
グレード、充填材、共重合成分、硬化条件により物性が大きく変化する。
実使用では温度、湿度、応力、薬品接触時間を含めて評価する必要がある。

長所

柔軟性、弾性、耐摩耗性、発泡性、接着性、断熱性が良い
用途に応じたグレード展開がある。
金属、ガラス、汎用樹脂の代替材料として使える場合がある。

短所

加水分解、黄変、耐熱性、溶剤影響は種類に依存
高温、応力、薬品、吸水、添加剤の影響で性能が変化する。
量産前にはメーカー物性表と実使用条件での確認が必要である。

成形加工

ポリウレタンの加工性は種類とグレードにより異なる。熱可塑性樹脂では射出成形・押出成形が中心となり、熱硬化性樹脂では注型、圧縮、積層、硬化成形が中心となる。

加工方法	適性	主な製品例
射出成形	○	グレードにより成形部品、電気電子部品、機械部品に使用する
押出成形	○	シート、フィルム、チューブ、板材に使用する
圧縮・注型・硬化成形	△〜◎	熱硬化性樹脂や高粘度材料では主要加工法となる
切削加工	○	丸棒、板材、試作部品、治具に使用する

構造式

ウレタン結合−NHCOO−を含むセグメント構造。構造中の官能基、結晶性、架橋密度、芳香族骨格、充填材の有無により、耐熱性、耐薬品性、機械的性質、成形性が変化する。

種類

標準グレード

名称	標準ポリウレタン
構成	イソシアネートとポリオールの反応で得られるウレタン結合含有樹脂
特徴	柔軟性、弾性、耐摩耗性、発泡性、接着性、断熱性が良い
主な用途	フォーム、塗料、接着剤、エラストマー、人工皮革、断熱材

特徴

標準的な物性バランスを持つ。
汎用的な成形・加工用途に使いやすい。

強化・改質グレード

名称	強化・改質ポリウレタン
構成	ガラス繊維、炭素繊維、難燃剤、耐候剤、潤滑剤、共重合成分などで改質したグレード
特徴	剛性、耐熱性、耐候性、難燃性、摺動性、寸法安定性などを改善する
主な用途	電気電子部品、自動車部品、機械部品、構造部品、機能部材

特徴

標準グレードより特定性能を高めた材料である。
充填材により比重、成形収縮、異方性、耐薬品性が変化する。

代表的な物性値又は機械的性質

項目	代表値・範囲	備考
種類	熱可塑性PU、熱硬化性PU、発泡PU	物性は種類で大きく変化
密度	1.10～1.25 g/cm³	非発泡の代表値
引張強さ	20～70 MPa	TPUで高い
伸び	300～700 %	非常に弾性が高い
曲げ弾性率	10～1,000 MPa	軟質～硬質で大きく変化
硬さ	Shore A 60～95 / Shore D 30～75	エラストマー用途で重要
耐摩耗性	非常に良好	車輪、ローラー、靴底に使用
耐衝撃性	良好	低温でも比較的強い
ガラス転移温度 Tg	-50～-20 ℃程度	軟質セグメントに依存
融点・軟化温度	150～220 ℃程度	TPUの場合
連続使用温度	-30～80 ℃程度	耐熱グレードでは100℃前後
吸水率	0.5～2.0 %	ポリエーテル系は加水分解に比較的強い
耐油性	良好	鉱油・潤滑油に比較的強い
耐薬品性	中程度	強酸・強アルカリ・一部溶剤に弱い
電気絶縁性	良好	ケーブル被覆にも使用

耐薬品性

エステル系は加水分解注意。油・溶剤はタイプ依存。

溶剤	耐性	備考
水	○～◎	ポリエーテル系は特に良好
エタノール	○	短期接触は比較的安定
IPA（イソプロパノール）	○	軽微膨潤あり
メタノール	△	長期で劣化する場合あり
アセトン	×	膨潤・溶解しやすい
MEK	×	強く侵す
THF	×	TPUを溶解可能
DMF	×	PU溶剤として使用される
トルエン	△～×	膨潤しやすい
キシレン	△	長時間で膨潤
n-ヘキサン	◎	脂肪族炭化水素には比較的強い
ミネラルオイル	◎	耐油性良好
ガソリン	○	短期接触では安定
酢酸エチル	△～×	膨潤しやすい
強酸	×	加水分解・分解
強アルカリ	×	ウレタン結合が分解
芳香族溶剤	△〜×	膨潤、白化、クラックの可能性がある
油・燃料	○〜△	ポリアミド、POM、PBT、PPS、PEEKなどは比較的良好な場合が多い

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）

ポリウレタンのSP値はグレード、結晶化度、架橋密度、充填材により変動する。溶解性はSP値だけでなく、温度、応力、薬品濃度、接触時間で判断する必要がある。

種類	SP値 (MPa^1/2)	特徴
ポリエステル系PU	20～23	極性が高く耐油性良好
ポリエーテル系PU	18～21	柔軟性・耐水性良好
TPU（熱可塑性PU）	19～23	グレード差が大きい

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	SP値 (MPa^1/2)	影響	耐性	備考
水	47.9	ほぼ影響なし	◎	ポリエーテル系PUは特に良好
メタノール	29.7	軽度膨潤	△	長期で劣化あり
エタノール	26.0	軽度膨潤	○	短期接触は安定
IPA（イソプロパノール）	23.5	やや膨潤	△	比較的使用可能
アセトン	19.9	強膨潤・溶解	×	PUのSP値に近い
MEK	19.0	強膨潤・溶解	×	強い侵食性
THF	18.6	溶解	×	TPU溶剤として使用
DMF	24.8	溶解	×	代表的PU溶剤
NMP	23.1	溶解	×	高極性溶剤
酢酸エチル	18.2	膨潤	△～×	長時間接触注意
トルエン	18.2	膨潤	△～×	軟化しやすい
キシレン	18.0	膨潤	△	長期接触注意
ベンゼン	18.8	膨潤	△～×	芳香族に弱い
n-ヘキサン	14.9	ほぼ影響なし	◎	脂肪族炭化水素に強い
ミネラルオイル	15～16	ほぼ影響なし	◎	耐油性良好
ガソリン	14～16	軽度膨潤	○	短期接触は安定
強酸	–	分解	×	ウレタン結合切断
強アルカリ	–	加水分解	×	特にエステル系PUに悪影響

ポリウレタン（PU）の代表SP値：18～23 MPa^1/2（種類による）

◎：非常に良好　 ○：良好　 △：注意　 ×：不適

実務上の注意

SP値は溶解・膨潤予測の一次判断であり、耐久性そのものではない。
成形残留応力がある場合は、短時間の薬品接触でもクラックが発生する場合がある。
最終判断は実使用条件での浸漬試験、応力負荷試験、温度サイクル試験で行う。

製法

ポリオールとイソシアネートを反応させて硬化・発泡・成形。

化学式のR₁とR₂が直鎖状の炭化水素（メチレン基4～8個のもの）は、合成繊維となる。
R₂が直鎖状化合物（ポリエステル、ポリエーテルなど）でR₁が芳香族化合物の場合には、合成ゴム（ウレタンゴム）にある。
R_1、R₂を種々変えることで、発砲体や接着剤、塗料などに使用される。
発泡体の原料として使用されているものは、飽和ポリエステル（ポリエーテルポリオール）と、トリレンジイソシアネートなどが用いられ、反応過程で発生する炭酸ガスによって発泡させる。
ポリエステル（ポリエーテル）の構造により、または添加剤を加えることによって、硬質発泡体も得られる。
断熱材として、車両、建築方面に利用されている。
イソシアヌル酸のポリウレタンは難燃である。
非発泡の硬質ポリウレタンには透明の硬度の高い注型法などで成形されたものもある。

詳細な利用用途

代表用途

フォーム
塗料
接着剤
エラストマー
人工皮革
断熱材

工業用途

電気電子部品
自動車部品
機械部品
耐熱・耐薬品部材
フィルム、シート、塗料、接着、複合材用途

比較材料	違い	選定ポイント
PVC	ポリウレタンはPVCとは耐熱性、成形性、耐薬品性、価格帯が異なる	難燃・低コストならPVC、高機能用途なら対象材料を検討する
PC	PCは透明性と耐衝撃性に優れる	透明防護用途ではPC、高耐薬品・高耐熱用途では他材料を検討する
PBT	PBTは成形性と電気特性に優れる	電装部品ではPBT、より高耐熱用途ではスーパーエンプラを選ぶ
PEEK	PEEKは高耐熱・高耐薬品の代表材料である	最高性能が必要ならPEEK、コスト重視なら汎用エンプラを検討する

代表的なメーカー

メーカー	代表的な製品・商品名	備考
BASF	代表グレード又は関連製品	詳細はメーカー技術資料で確認する
Covestro	代表グレード又は関連製品	詳細はメーカー技術資料で確認する
Dow	代表グレード又は関連製品	詳細はメーカー技術資料で確認する
三井化学	代表グレード又は関連製品	詳細はメーカー技術資料で確認する
東ソー	代表グレード又は関連製品	詳細はメーカー技術資料で確認する