概要
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 材料名 | 熱可塑性エラストマー |
| 略記号 | TPE、TPEs。系統別にはTPS、TPO、TPV、TPU、TPEE、TPAなどと表記される。 |
| IUPAC | 熱可塑性エラストマーは単一化学物質ではなく、高分子材料群の総称であるため、一般的な単一IUPAC名は設定しにくい。代表的には、硬質セグメントと軟質セグメント、または熱可塑性樹脂相とゴム相からなる相分離型またはブレンド型高分子材料である。 |
| 英語名 | Thermoplastic Elastomer、Thermoplastic Elastomers |
| 日本語名 | 熱可塑性エラストマー、熱可塑性ゴム、サーモプラスチックエラストマー、TPE、TPE材料 |
| 分類 | エラストマー、熱可塑性樹脂、ゴム代替材料、軟質樹脂、機能性コンパウンド |
| プラスチック分類 | 一般にはプラスチックとゴムの中間に位置する熱可塑性エラストマーである。TPU、TPEE、TPAなどは用途によりエンジニアリング・エラストマーとして扱われる場合がある。 |
| 化学式または代表構造 | 単一の化学式はない。代表構造は、硬質セグメント-軟質セグメントのブロック共重合体、または熱可塑性樹脂相とゴム相の微細分散構造で表される。 |
| CAS No. | 材料群の総称であるため、TPE全体として一般的な単一CAS No.はない。個別材料ではSBS、SEBS、TPU、TPEE、TPA、EPDM/PP系TPVなどの構成樹脂ごとにCAS No.が存在する場合がある。 |
| 構造・主成分 | スチレン系ブロック共重合体、ポリオレフィンとゴムのブレンド、動的架橋ゴム、ポリウレタン、ポリエステル、ポリアミドなどを主成分とする。グレードにより可塑剤、プロセスオイル、フィラー、難燃剤、安定剤、摺動材などを含む。 |
| 主な用途 | 自動車内外装部品、グリップ、パッキン、チューブ、ホース、電線被覆、医療用チューブ、日用品、スポーツ用品、靴底、制振部品、軟質成形品、二色成形部品など。 |
熱可塑性エラストマー(TPE)は、常温付近ではゴム状の弾性を示し、加熱すると熱可塑性樹脂のように溶融成形できる材料群である。加硫ゴムのような硫黄加硫工程を必要とせず、射出成形、押出成形、ブロー成形、二色成形、リサイクル成形に対応しやすいことが特徴である。
TPEは単一材料ではなく、TPO、TPV、TPS、TPU、TPEE、TPAなどの総称である。材料系統により、耐油性、耐熱性、耐薬品性、圧縮永久ひずみ、低温柔軟性、耐摩耗性、接着性、硬度範囲が大きく異なる。
設計上は「TPE」と一括りにせず、スチレン系、オレフィン系、ウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系などの系統を確認する必要がある。実使用では、硬度、温度、薬品濃度、荷重、応力、圧縮率、使用時間、屋外曝露、食品接触、医療規格、難燃規格を含めて評価する必要がある。
特徴
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 長所 | ゴム状弾性と熱可塑性成形性を併せ持つ。加硫工程が不要で、成形サイクル短縮、リサイクル、二色成形、インサート成形、薄肉成形に対応しやすい。硬度範囲が広く、軟質PVCや加硫ゴムの代替として使用されることが多い。 |
| 短所 | 加硫ゴムと比較して、高温圧縮永久ひずみ、長期耐熱性、耐油性、耐溶剤性、クリープ性で劣る場合がある。オイルや可塑剤を含むグレードではブリード、移行、接着阻害、塗装不良に注意が必要である。 |
| 外観 | 自然色は乳白色、半透明、白色、淡黄色、または黒色である。コンパウンド設計により着色品、透明品、マット品、難燃品、導電品、摺動品がある。 |
| 耐熱性 | 一般的なTPSやTPOは中程度である。TPV、TPU、TPEE、TPAでは比較的高い耐熱性を示すグレードがある。連続使用温度はおおむね60~150℃程度が目安であるが、系統と硬度により大きく異なる。 |
| 耐薬品性 | 酸・アルカリには比較的安定な系統が多いが、芳香族炭化水素、塩素系溶剤、ケトン、エステル、燃料油、潤滑油に対する挙動は材料系統により大きく異なる。SP値、結晶性、架橋状態、添加油、可塑剤、接触温度を併せて判断する必要がある。 |
| 加工性 | 射出成形、押出成形、二色成形、ブロー成形、カレンダー成形、フィルム成形に対応するグレードがある。TPU、TPEE、TPAでは吸湿乾燥が重要であり、乾燥不足では発泡、銀条、物性低下、加水分解を生じやすい。 |
| 分類上の注意 | TPEは「材料名」ではなく「材料群」である。TPS、TPO、TPV、TPU、TPEE、TPAでは主鎖構造、相構造、物性、耐薬品性、法規制対応が異なるため、材料選定では必ず系統名とグレード名を確認する。 |
長所
- 加硫ゴムに近い柔軟性、弾性、触感を付与しやすい。
- 熱可塑性樹脂と同様に、射出成形や押出成形で量産しやすい。
- スクラップ材の再利用、ランナーリサイクル、二色成形に対応しやすい。
- 硬度、反発弾性、耐油性、耐摩耗性、耐候性をグレードで調整しやすい。
- 軟質PVCの代替として、可塑剤移行やハロゲン低減を目的に使用されることがある。
短所
- 高温下の圧縮永久ひずみは、加硫ゴムより不利な場合がある。
- 芳香族溶剤、塩素系溶剤、燃料、油類で膨潤・軟化するグレードがある。
- 硬度が低いグレードでは、クリープ、摩耗、べたつき、ブリードに注意が必要である。
- TPU、TPEE、TPAでは吸湿、加水分解、成形乾燥不足による物性低下に注意する。
- 食品、医療、電気用途では、添加剤、オイル、難燃剤、着色剤の法規制確認が必要である。
構造式
熱可塑性エラストマーは総称であるため、単一の構造式では表せない。代表的には、硬質セグメントが物理架橋点として働き、軟質セグメントがゴム弾性を担うブロック共重合体、または熱可塑性樹脂相中にゴム相が分散した多相構造で表される。
代表的な構造単位
| 系統 | 代表構造 | 説明 |
|---|---|---|
| TPS | ポリスチレンブロック-ゴム状ブロック-ポリスチレンブロック | SBS、SIS、SEBS、SEPSなどが代表例である。ポリスチレン相が物理架橋点となる。 |
| TPO | PPまたはPE相+EPR/EPDM系ゴム相 | ポリオレフィン樹脂とゴム成分のブレンドまたは重合系材料である。 |
| TPV | PP相+動的架橋EPDMゴム相 | 溶融混練中にゴム相を架橋させた材料であり、TPOより圧縮永久ひずみや耐熱性が向上する場合がある。 |
| TPU | -O-CO-NH-R-NH-CO-O-R’- | ウレタン結合を含むブロック共重合体である。ポリエステル系、ポリエーテル系、ポリカーボネート系がある。 |
| TPEE | ポリエステル硬質セグメント+ポリエーテルまたはポリエステル軟質セグメント | 耐熱性、耐油性、屈曲疲労性に優れるグレードがある。 |
| TPA | ポリアミド硬質セグメント+ポリエーテルまたはポリエステル軟質セグメント | 柔軟性と耐油性、低温特性、耐摩耗性を両立しやすい。 |
モノマーまたは構成単位
TPSではスチレン、ブタジエン、イソプレン、水添ジエン成分などが構成単位となる。TPOとTPVではプロピレン、エチレン、EPDM系ゴム成分が主に用いられる。TPUではジイソシアネート、ポリオール、鎖延長剤が使用される。TPEEでは芳香族ジカルボン酸またはそのエステル、ジオール、ポリエーテルグリコールなどが使用される。TPAではポリアミド形成成分とポリエーテルジオールなどが構成単位となる。
共重合体や変性グレード
TPEは多くの場合、共重合、ブレンド、動的架橋、オイル展開、フィラー充填、難燃化、摺動化、導電化、接着性付与、食品接触対応、医療用途対応などで設計される。特に低硬度グレードではプロセスオイルの種類と添加量が物性、耐薬品性、移行性、臭気、アウトガスに影響する。
種類
| 種類の名称 | 主成分または特徴 | 長所 | 短所 | 主な用途 |
|---|---|---|---|---|
| TPS スチレン系TPE |
SBS、SIS、SEBS、SEPSなどのスチレン系ブロック共重合体 | 柔軟性、触感、透明性、加工性、低温特性に優れるグレードが多い。 | 芳香族溶剤、油類、高温圧縮永久ひずみに注意が必要である。 | グリップ、日用品、粘着剤、医療チューブ、軟質成形品 |
| TPO オレフィン系TPE |
PP、PE、EPR、EPDM系ゴムのブレンドまたは重合系材料 | 軽量、耐候性、耐水性、耐酸・耐アルカリ性、リサイクル性に優れる。 | 耐油性、耐燃料性、芳香族溶剤耐性、接着性に課題が出やすい。 | 自動車内外装、バンパー、内装表皮、建材、防水シート |
| TPV 動的架橋TPE |
PP相に動的架橋EPDMゴム相を微細分散させた材料 | TPOより圧縮永久ひずみ、耐熱性、耐候性に優れる場合がある。 | 完全な加硫ゴムほどの耐熱・耐油性は得られない場合がある。 | ウェザーストリップ、シール、パッキン、ホース、グロメット |
| TPU 熱可塑性ポリウレタン |
ウレタン結合を有するブロック共重合体 | 耐摩耗性、機械強度、反発弾性、耐油性に優れるグレードがある。 | 吸湿、加水分解、ケトン・エステル・DMF系溶剤、成形乾燥不足に注意する。 | ホース、チューブ、靴底、ベルト、キャスター、フィルム、医療部材 |
| TPEE 熱可塑性ポリエステルエラストマー |
ポリエステル硬質セグメントとポリエーテルまたはポリエステル軟質セグメント | 耐熱性、耐油性、屈曲疲労性、反発弾性に優れる。 | 高温高湿、温水、アルカリ、加水分解条件に注意が必要である。 | 自動車ブーツ、チューブ、ギア、電線被覆、機械部品 |
| TPA ポリアミド系TPE |
ポリアミド硬質セグメントとポリエーテルまたはポリエステル軟質セグメント | 耐油性、低温柔軟性、耐摩耗性、機械強度のバランスに優れる。 | 吸水、寸法変化、成形乾燥、酸・アルカリ・加水分解条件に注意する。 | チューブ、ホース、スポーツ用品、電線被覆、機械部品 |
| PVC系TPE | PVCを主成分とする軟質熱可塑性材料 | 難燃性、柔軟性、成形性、コストバランスに優れる。 | 可塑剤移行、ハロゲン、熱安定剤、廃棄・燃焼時の扱いに注意する。 | 電線被覆、ホース、シート、日用品、建材 |
成形加工
TPEは多くのグレードで熱可塑性樹脂と同様に成形できるが、硬度、分子量、オイル量、フィラー量、吸湿性、熱安定性により成形条件が大きく異なる。特にTPU、TPEE、TPAでは乾燥管理が重要である。
| 加工方法 | 適性 | 備考 |
|---|---|---|
| 射出成形 | ◎ | 最も一般的である。二色成形、インサート成形、薄肉成形、グリップ成形に適する。金型温度とゲート設計により外観、バリ、離型性が変化する。 |
| 押出成形 | ◎ | チューブ、ホース、電線被覆、シート、フィルムに使用される。メルト強度と冷却条件の確認が必要である。 |
| ブロー成形 | ○ | 中空成形用グレードで対応可能である。TPEE、TPU、TPOなどで用途例があるが、パリソン安定性が重要である。 |
| 圧縮成形 | △ | シート材や試験片作製では可能であるが、量産では射出・押出成形が一般的である。 |
| 真空成形 | △ | シートグレードでは可能な場合がある。低硬度品では伸びムラ、戻り、寸法安定性に注意する。 |
| カレンダー成形 | ○ | PVC系、TPO系、TPS系などでシート用途に用いられる場合がある。 |
| 発泡成形 | ○ | 靴底、クッション、シール材で使用される。発泡剤、硬度、気泡構造、圧縮永久ひずみの管理が必要である。 |
| 切削加工 | △ | 柔軟材料のため寸法精度が出にくい。高硬度グレードや厚板では可能であるが、逃げ、バリ、発熱に注意する。 |
| 接着・溶着 | △ | 系統により大きく異なる。オレフィン系は難接着であり、表面処理、プライマー、相手材選定が重要である。 |
代表グレード
| グレード区分 | 特徴 | 主な確認項目 |
|---|---|---|
| 汎用グレード | 柔軟性、成形性、コストバランスを重視した標準グレードである。 | 硬度、引張強さ、伸び、成形収縮率、色調 |
| 耐熱グレード | TPV、TPU、TPEE、TPAなどで設定されることが多い。 | 連続使用温度、HDT、圧縮永久ひずみ、熱老化 |
| 難燃グレード | 電線被覆、電気・電子部品向けにUL94 V-0、V-1、V-2相当を狙うグレードがある。 | UL94、酸素指数、ハロゲン有無、発煙性、RoHS/REACH |
| GF強化グレード | TPEE、TPA、TPU系で剛性、寸法安定性、耐熱性を高める目的で使用される。 | 曲げ弾性率、異方性、反り、摩耗、相手材攻撃性 |
| 摺動グレード | PTFE、シリコーン、ワックス、固体潤滑材などを配合する場合がある。 | 摩擦係数、摩耗量、ブリード、相手材、油中使用 |
| 食品接触グレード | 食品衛生、FDA、EU規則などへの適合を意識したグレードである。 | 適合法規、抽出物、臭気、着色剤、可塑剤、使用温度 |
| 医療グレード | チューブ、コネクタ、シール、軟質部品に用いられる。PVC代替で検討されることがある。 | 生物学的安全性、滅菌適性、抽出物、透明性、薬液適合性 |
成形条件の目安
| 系統 | 乾燥温度 | シリンダー温度 | 金型温度 | 成形収縮率 | 注意点 |
|---|---|---|---|---|---|
| TPS | 通常不要~60℃程度 | 160~220℃ | 20~50℃ | 0.5~2.0% | オイル量、バリ、べたつき |
| TPO | 通常不要~80℃程度 | 180~240℃ | 20~60℃ | 1.0~2.5% | 反り、収縮、接着性 |
| TPV | 通常不要~80℃程度 | 190~250℃ | 30~70℃ | 1.0~2.2% | 流動性、外観、圧縮永久ひずみ |
| TPU | 80~110℃、2~4時間 | 180~230℃ | 20~60℃ | 0.5~1.5% | 吸湿、熱分解、銀条、加水分解 |
| TPEE | 100~120℃、3~5時間 | 210~260℃ | 30~80℃ | 0.8~2.0% | 乾燥、結晶化、加水分解 |
| TPA | 80~100℃、3~6時間 | 200~260℃ | 30~80℃ | 0.8~1.8% | 吸水、寸法変化、ボイド |
上記の成形条件は代表的な目安である。実際にはメーカーの技術資料、グレード、硬度、色、難燃剤、フィラー、リサイクル材比率、成形機仕様により調整する必要がある。
代表的な物性値又は機械的性質
熱可塑性エラストマーの物性は系統と硬度で大きく異なる。以下は一般的な非強化グレードを中心にした代表値であり、保証値ではない。
| 項目 | 単位 | 軟質TPS/TPO | TPU | TPEE/TPA | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| 密度 | g/cm3 | 0.88~1.05 | 1.10~1.25 | 1.00~1.25 | TPO系は軽量である。難燃品、フィラー入りでは高くなる。 |
| 硬度 | Shore A/D | A 10~D 50 | A 60~D 75 | D 25~D 75 | TPEの選定で最も重要な指標の一つである。 |
| 引張強さ | MPa | 2~20 | 20~60 | 15~55 | 硬度、配合、成形条件で大きく変化する。 |
| 伸び | % | 300~1000 | 300~700 | 150~600 | 高硬度・強化品では低下する。 |
| 曲げ弾性率 | MPa | 5~800 | 20~1200 | 50~2500 | 軟質品では曲げ弾性率より硬度で管理されることが多い。 |
| アイゾット衝撃強さ | kJ/m2 | 非破壊~高い | 非破壊~高い | 非破壊~高い | 多くのTPEは耐衝撃性に優れるが、低温では系統差が出る。 |
| 荷重たわみ温度 | ℃ | 40~90 | 50~110 | 80~170 | 荷重条件により値が大きく変わる。GF強化品では上昇する。 |
| 融点またはガラス転移温度 | ℃ | Tg -60~100相当 | Tm 150~220相当 | Tm 160~220相当 | 相分離構造のため単一の融点・Tgで表しにくい。 |
| 連続使用温度 | ℃ | 60~100 | 80~120 | 100~150 | 長期荷重、圧縮、薬品接触下では低めに見る必要がある。 |
| 吸水率 | % | 0.01~0.2 | 0.2~1.5 | 0.1~1.5 | TPU、TPEE、TPAでは乾燥と加水分解に注意する。 |
| 体積抵抗率 | Ω・cm | 1012~1016 | 1010~1015 | 1012~1016 | 導電・帯電防止グレードでは低く設計される。 |
| 酸素指数 | % | 18~25 | 20~28 | 20~30 | 難燃グレードでは高くなる。UL94は厚み依存で確認する。 |
GF・CF・複合材の代表的な傾向
| 材料 | 代表的な改善点 | 注意点 | 用途例 |
|---|---|---|---|
| TPEE GF強化 | 剛性、HDT、寸法安定性、クリープ性 | 異方性、反り、靭性低下、相手材摩耗 | ギア、機構部品、電装部品 |
| TPA GF強化 | 剛性、耐熱性、寸法安定性 | 吸水による寸法変化、表面外観、摩耗 | 機械部品、コネクタ、チューブ継手 |
| TPU 摺動改質 | 摩耗、摩擦係数、耐久性 | 添加剤ブリード、接着性低下、塗装性低下 | ローラー、ベルト、摺動シール |
| TPO タルク強化 | 剛性、耐熱性、寸法安定性、コスト | 比重上昇、衝撃低下、表面傷 | 自動車内装、外装部品 |
| 導電TPE | 帯電防止、導電性、ESD対策 | 機械物性低下、黒色化、成形条件依存 | 電子部品トレー、グリップ、保護部材 |
耐薬品性
熱可塑性エラストマーの耐薬品性は、系統、硬度、オイル量、架橋状態、結晶性、添加剤、温度、薬品濃度、接触時間、応力状態により大きく変わる。以下は代表的な目安であり、実使用では浸漬、膨潤、重量変化、硬度変化、引張物性、外観、臭気、抽出物を確認する必要がある。
| 薬品分類 | 代表例 | TPS | TPO/TPV | TPU | TPEE/TPA |
|---|---|---|---|---|---|
| 酸類 | 希塩酸、希硫酸 | ○ | ◎ | ○ | △ |
| 強酸・酸化性酸 | 濃硫酸、硝酸、クロム酸 | × | △ | × | × |
| アルカリ類 | NaOH、KOH水溶液 | ○ | ◎ | △ | × |
| 低級アルコール類 | エタノール、IPA | ○ | ◎ | ○ | ○ |
| 高級アルコール類 | グリセリン、MMB | ○ | ○ | ○ | ○ |
| 芳香族炭化水素類 | トルエン、キシレン | × | × | △ | △ |
| 脂肪族炭化水素類 | ヘキサン、ヘプタン、ミネラルスピリット | △ | △ | ○ | ○ |
| ケトン | MEK、MIBK、アセトン | △ | ○ | × | △ |
| エステル | 酢酸エチル、酢酸ブチル | △ | ○ | × | △ |
| 塩素系溶剤 | ジクロロメタン、トリクロロエチレン | × | × | × | × |
| 水・温水 | 水、温水、加湿環境 | ◎ | ◎ | △ | △ |
| 油 | 潤滑油、動植物油 | △ | △ | ◎ | ◎ |
| 燃料 | ガソリン、軽油、灯油 | × | △ | △ | ○ |
| 界面活性剤 | 中性洗剤、アルカリ洗浄剤 | ○ | ○ | △ | △ |
評価記号は、◎:非常に良好、○:概ね良好、△:注意が必要、×:不適または大きな膨潤・劣化の可能性を示す。TPEでは同じ系統でも硬度、オイル量、結晶性、架橋状態で評価が変わるため、最終判断には実液試験が必要である。
SP値(溶解度パラメータ)
熱可塑性エラストマーのSP値は単一値で表しにくく、硬質相、軟質相、配合油、可塑剤、フィラーの影響を受ける。代表的な目安は以下である。単位はMPa1/2である。
| 項目 | SP値(δ) MPa1/2 | 備考 |
|---|---|---|
| TPS | 17.0~18.5 | 非極性寄りであり、芳香族溶剤や炭化水素系で膨潤しやすい。 |
| SEBS系TPE | 16.5~17.5 | オイル展開により見かけのSP値が変化する。 |
| TPO | 15.5~16.5 | 低極性であり、酸・アルカリ・水に比較的安定である。 |
| TPV | 16.0~17.0 | 動的架橋によりTPOより耐熱性、圧縮永久ひずみが改善される場合がある。 |
| TPU | 19.5~22.5 | 極性が高く、油には強い傾向があるが、ケトン、エステル、DMF系溶剤に注意する。 |
| TPEE | 19.0~21.5 | 耐油性は良好な場合が多いが、加水分解、アルカリ、温水に注意する。 |
| TPA | 20.0~23.0 | ポリアミド成分により吸水と寸法変化に注意が必要である。 |
SP値は溶解・膨潤の一次スクリーニングに有効であるが、TPEでは相分離構造、結晶性、架橋、添加油、可塑剤、拡散速度、温度、応力、薬品濃度が大きく影響する。そのため、SP値だけで耐薬品性を断定してはならない。
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。長時間接触では溶解、粘着化、強度低下の可能性がある。 | × |
| 2~5 | 条件により膨潤する。温度、応力、接触時間、添加剤抽出の影響を確認する。 | △ |
| 5~8 | 短時間接触では比較的安定な場合がある。ただし低分子溶剤の拡散には注意する。 | ○ |
| 8以上 | 溶解・膨潤しにくい傾向である。ただし強酸化性、加水分解、抽出、応力割れは別途確認する。 | ◎ |
SP値から見た耐溶剤性
以下は代表的なTPS系TPEのSP値を17.5MPa1/2、TPO系TPEを16.0MPa1/2、TPU系TPEを21.0MPa1/2、TPEE系TPEを20.0MPa1/2と仮定した場合の目安である。実際の評価はグレードのHSP値、硬度、オイル量、結晶性、温度、接触時間により補正する必要がある。
| 薬品名 | SP値 MPa1/2 | TPSとの差・評価 | TPOとの差・評価 | TPUとの差・評価 | TPEEとの差・評価 |
|---|---|---|---|---|---|
| ヘキサン | 14.9 | 2.6 △ | 1.1 × | 6.1 ○ | 5.1 ○ |
| トルエン | 18.2 | 0.7 × | 2.2 △ | 2.8 △ | 1.8 × |
| キシレン | 18.0 | 0.5 × | 2.0 △ | 3.0 △ | 2.0 △ |
| エタノール | 26.0 | 8.5 ◎ | 10.0 ◎ | 5.0 ○ | 6.0 ○ |
| IPA | 23.5 | 6.0 ○ | 7.5 ○ | 2.5 △ | 3.5 △ |
| アセトン | 20.3 | 2.8 △ | 4.3 △ | 0.7 × | 0.3 × |
| MEK | 19.0 | 1.5 × | 3.0 △ | 2.0 △ | 1.0 × |
| 酢酸エチル | 18.6 | 1.1 × | 2.6 △ | 2.4 △ | 1.4 × |
| 水 | 47.9 | 30.4 ◎ | 31.9 ◎ | 26.9 ◎ | 27.9 ◎ |
| ジクロロメタン | 20.2 | 2.7 △ | 4.2 △ | 0.8 × | 0.2 × |
SP値差では水に対して安定と見える場合でも、TPU、TPEE、TPAでは高温水、蒸気、アルカリ、酸、湿熱による加水分解が問題になることがある。また、TPOやTPSではSP値差が小さい炭化水素や芳香族溶剤で膨潤しやすい。評価基準は、◎非常に良好、○概ね良好、△注意が必要、×不適である。
製法
TPEの製法は系統により異なる。ブロック共重合体型、ブレンド型、動的架橋型、重縮合型、重付加型などがあり、最終的にはペレット化、コンパウンド、着色、添加剤配合を経て成形材料として供給される。
原料
原料は系統により異なる。TPSではスチレン、ブタジエン、イソプレン、水添ジエンブロックなどが用いられる。TPOとTPVではPP、PE、EPR、EPDM、プロセスオイル、フィラーなどが用いられる。TPUではジイソシアネート、ポリエステルポリオール、ポリエーテルポリオール、ポリカーボネートポリオール、鎖延長剤が用いられる。TPEEではジカルボン酸またはジメチルエステル、ジオール、ポリエーテルグリコールなどが用いられる。
重合方法
TPSはリビングアニオン重合などによりブロック共重合体として合成されることが多い。TPUはジイソシアネートとポリオール、鎖延長剤の重付加反応により得られる。TPEEやTPAはエステル交換、重縮合、またはポリアミド形成反応を含む工程で製造される。TPOは重合型または溶融ブレンド型があり、TPVは溶融混練中にゴム相を架橋する動的架橋法が用いられる。
ペレット化やコンパウンド
重合またはブレンド後、二軸押出機などで溶融混練し、ペレット化される。必要に応じて、オイル、可塑剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、難燃剤、フィラー、着色剤、摺動材、導電材、抗菌剤、発泡剤、接着性付与剤が配合される。
添加剤、充填材、強化材
TPEでは添加剤の影響が大きい。低硬度化にはプロセスオイルや可塑剤が使われる場合があるが、ブリード、移行、抽出、臭気、アウトガス、接着不良の原因となることがある。難燃グレードではリン系、窒素系、金属水酸化物系などが使用される場合があり、UL94、RoHS、REACH、ハロゲンフリー要求との整合確認が必要である。
代表的な反応式や工程
| 系統 | 代表式・工程 | 説明 |
|---|---|---|
| TPU | OCN-R-NCO + HO-R’-OH → -NH-CO-O-R’-O-CO-NH-R- | ジイソシアネートとポリオールの重付加によりウレタン結合を形成する。 |
| TPEE | ジカルボン酸成分+ジオール成分+ポリエーテルグリコール → ブロック共重合体 | 硬質ポリエステル相と軟質相により弾性を発現する。 |
| TPS | スチレンブロック+ジエン系ゴムブロック+スチレンブロック | ポリスチレン相が物理架橋点となり、ゴムブロックが柔軟性を担う。 |
| TPV | PP+EPDM+架橋剤 → 溶融混練中にゴム相を動的架橋 | 微細架橋ゴム相がPP相中に分散し、耐熱性と弾性回復性を高める。 |
詳細な利用用途
| 用途分野 | 具体例 | 主に使われる系統 | 選定上の注意 |
|---|---|---|---|
| 自動車 | ウェザーストリップ、グロメット、内装表皮、エアバッグカバー、ブーツ、ホース、バンパー改質 | TPO、TPV、TPEE、TPU | 耐候性、耐熱性、圧縮永久ひずみ、油・燃料適合性を確認する。 |
| 電気・電子 | 電線被覆、コネクタシール、保護カバー、ケーブルブッシュ、帯電防止部品 | TPS、TPO、TPU、TPEE、TPA | UL94、耐トラッキング、体積抵抗率、難燃剤、アウトガスを確認する。 |
| 機械部品 | ギア、ローラー、ベルト、チューブ、摺動シール、防振部品 | TPU、TPEE、TPA、TPV | 摩耗、圧縮永久ひずみ、クリープ、相手材攻撃性を確認する。 |
| 医療 | チューブ、コネクタ、シール、バッグ部材、グリップ部材 | TPS、TPU、TPO | 生物学的安全性、滅菌、抽出物、薬液適合性、可塑剤移行を確認する。 |
| 食品機械 | パッキン、グリップ、ホース、搬送部材、保護カバー | TPU、TPEE、TPO、TPV | 食品接触規制、洗浄剤、油脂、温水、摩耗粉を確認する。 |
| 建築・設備 | 防水シート、シール材、パッキン、床材、保護材 | TPO、TPV、TPS、PVC系TPE | 耐候性、耐オゾン性、可塑剤移行、難燃性、接着性を確認する。 |
| 日用品・スポーツ | グリップ、歯ブラシ柄、玩具、スマートフォンケース、靴底、クッション | TPS、TPU、TPO | 触感、べたつき、臭気、皮脂、汗、着色、耐摩耗性を確認する。 |
| フィルム・シート | 弾性フィルム、保護フィルム、ラミネート、表皮材 | TPU、TPEE、TPO、TPS | 厚み精度、ブロッキング、透明性、耐加水分解、溶着性を確認する。 |
用途別選定
| 用途 | 候補材料 | 選定ポイント |
|---|---|---|
| ギア | TPEE、TPA、TPU高硬度品 | 剛性、摩耗、クリープ、潤滑条件、温度を確認する。 |
| 軸受・ローラー | TPU、TPEE、摺動TPE | 摩擦係数、耐摩耗性、発熱、相手材、油中使用を確認する。 |
| チューブ | TPU、TPA、TPS、TPEE | 柔軟性、耐屈曲、薬液適合性、抽出物、滅菌適性を確認する。 |
| 筐体・カバー | TPO、TPS、TPU | 耐候性、触感、耐傷付き性、塗装性、接着性を確認する。 |
| フィルム | TPU、TPEE、TPO | 透明性、耐ピンホール、ブロッキング、ヒートシール性を確認する。 |
| コネクタシール | TPV、TPU、TPEE、TPA | 圧縮永久ひずみ、耐熱性、耐油性、寸法安定性を確認する。 |
法規制
| 項目 | 確認内容 |
|---|---|
| RoHS | 鉛、水銀、カドミウム、六価クロム、PBB、PBDE、フタル酸エステル類などの制限物質を確認する。軟質グレードでは可塑剤や難燃剤の確認が重要である。 |
| REACH | SVHC、制限物質、難燃剤、可塑剤、プロセスオイル、安定剤、着色剤を確認する。 |
| 食品衛生 | 日本の食品衛生法、ポジティブリスト、溶出試験、使用温度、油脂食品接触の有無を確認する。 |
| FDA | 米国食品接触用途では、該当するCFR、グレード適合、着色剤、添加剤を確認する。 |
| 医療用途 | ISO 10993、生物学的安全性、抽出物、滅菌方法、薬液適合性、ロット管理を確認する。一般グレードを医療用途へ流用してはならない。 |
| 難燃性 | UL94、酸素指数、GWIT、発煙性、ハロゲンフリー要求を確認する。厚み、色、ロット、成形条件で認証範囲が変わる。 |
注意点
- 加水分解:TPU、TPEE、TPAでは高温高湿、温水、アルカリ、酸により加水分解が進む場合がある。
- 応力割れ:溶剤、油、洗浄剤、応力、成形残留ひずみが重なると、膨潤や亀裂が進む場合がある。
- 吸湿:TPU、TPEE、TPAは成形前乾燥が重要であり、乾燥不足では外観不良と物性低下を招きやすい。
- 熱劣化:過度な滞留、再生材過多、高温成形では分子量低下、黄変、臭気、ゲル、物性低下が生じる場合がある。
- アウトガス:低分子成分、オイル、可塑剤、安定剤、難燃剤により、曇り、接点不良、臭気、接着不良が生じる場合がある。
- ブリード・移行:低硬度TPEではオイルや可塑剤が相手材へ移行し、べたつき、汚染、塗装不良を生じる場合がある。
関連材料との比較
| 比較材料 | 特徴 | 対象材料との違い |
|---|---|---|
| 加硫ゴム | 化学架橋により高いゴム弾性、耐熱性、圧縮永久ひずみ特性を示す材料である。 | TPEは加硫工程が不要で成形サイクルとリサイクル性に優れるが、高温長期の圧縮永久ひずみでは加硫ゴムが有利な場合がある。 |
| TPO | PPやPEなどのポリオレフィンとゴム成分を組み合わせたTPEである。 | TPE全体の一系統である。軽量、耐候性、耐水性に優れるが、耐油性や接着性には注意が必要である。 |
| TPU | ウレタン結合を持つ熱可塑性エラストマーで、耐摩耗性、機械強度、耐油性に優れる。 | TPE全体の中では高強度・高耐摩耗系に位置する。吸湿、加水分解、極性溶剤に注意が必要である。 |
| TPEE | ポリエステル系の熱可塑性エラストマーで、耐熱性、耐油性、屈曲疲労性に優れる。 | 一般的なTPSやTPOより高温・機械用途に向く場合があるが、成形乾燥と加水分解に注意が必要である。 |
| 軟質PVC | 可塑剤により柔軟化した塩化ビニル樹脂で、難燃性、成形性、コストに優れる。 | TPEはハロゲン低減や可塑剤移行低減を目的に代替されることがある。ただしPVCは難燃性とコストで有利な場合がある。 |
| ポリプロピレン | 軽量、耐薬品性、成形性、コストバランスに優れる汎用樹脂である。 | TPEはPPより柔軟性と弾性を付与しやすい。TPOやTPVではPPとの相溶性が高く、二色成形や一体設計に向く場合がある。 |
| ポリアミド | 耐摩耗性、耐油性、機械強度に優れるエンジニアリング・プラスチックである。 | TPAはポリアミド系TPEとして柔軟性を持つ。通常のPAより柔らかいが、吸水と寸法変化には注意が必要である。 |
| ポリアセタール | 低摩擦、耐摩耗性、寸法安定性、耐疲労性に優れる結晶性エンジニアリング・プラスチックである。 | TPEは柔軟性と弾性を重視する用途に向く。POMは剛性、摺動、精密部品で有利である。 |
代替材料比較
| 比較 | 選びやすい条件 | 注意点 |
|---|---|---|
| TPE vs 加硫ゴム | 成形サイクル、リサイクル、二色成形、軽量化を重視する場合はTPEが候補になる。 | 高温シール、長期圧縮、耐油、耐溶剤では加硫ゴムが有利な場合がある。 |
| TPE vs 軟質PVC | ハロゲン低減、可塑剤移行低減、低臭気を重視する場合はTPEが候補になる。 | 難燃性、コスト、加工実績では軟質PVCが有利な場合がある。 |
| TPU vs TPEE | 耐摩耗性と柔軟性はTPU、耐熱性と屈曲疲労性はTPEEが候補になりやすい。 | どちらも加水分解、乾燥、薬品接触条件を確認する必要がある。 |
| TPO vs TPV | 低コスト・軽量ではTPO、圧縮永久ひずみや耐熱性ではTPVが候補になる。 | 油・燃料・芳香族溶剤では両者とも注意が必要である。 |
| TPA vs TPU | 低温柔軟性、耐油性、軽量性ではTPA、耐摩耗性と反発弾性ではTPUが候補になる。 | TPAは吸水、TPUは加水分解と極性溶剤への適合確認が重要である。 |
代表的なメーカー
熱可塑性エラストマーは材料群であるため、メーカーにより対象系統が異なる。以下は実在する代表的メーカーおよび代表例であり、取り扱いグレード、地域、用途認証は変更される場合があるため、最新の技術資料で確認する必要がある。
| メーカー | 代表製品・ブランド | 概要 |
|---|---|---|
| Kraton Corporation | Kraton | スチレン系ブロック共重合体の代表的メーカーである。SBS、SIS、SEBS系などの代表例がある。 |
| Kuraray | SEPTON、HYBRAR | 水添スチレン系熱可塑性エラストマーなどの代表例がある。透明性、柔軟性、粘着剤、医療・日用品用途で使用される。 |
| 旭化成 | TUFTEC、S.O.E. | 水添スチレン系エラストマーなどの代表例がある。コンパウンド、改質、粘着、軟質成形用途で使用される。 |
| 三菱ケミカルグループ | THERMORUN、TEFABLOC、PRIMALLOY | オレフィン系、スチレン系、ポリエステル系など複数のTPE材料の代表例がある。 |
| Celanese | Santoprene | 動的架橋型TPVの代表例として知られる。自動車シール、ホース、工業部品で使用される。 |
| DuPont | Hytrel | 熱可塑性ポリエステルエラストマーの代表例である。自動車、電気・電子、チューブ、機械部品で使用される。 |
| 東レ・デュポン | Hytrel | 日本市場におけるポリエステル系熱可塑性エラストマーの代表例である。用途ごとのグレード確認が必要である。 |
| 東洋紡 | PELPRENE | 熱可塑性ポリエステルエラストマーの代表例である。耐熱性、耐油性、反発弾性、屈曲疲労性を活かす用途がある。 |
| BASF | Elastollan | 熱可塑性ポリウレタンの代表例である。耐摩耗、フィルム、チューブ、工業部品用途で使用される。 |
| Covestro | Desmopan、Texin | 熱可塑性ポリウレタンの代表例がある。機械部品、フィルム、電線、靴材などで使用される。 |
| Lubrizol | Estane | 熱可塑性ポリウレタンの代表例である。医療、フィルム、電線、工業用途向けのグレードがある。 |
| Arkema | Pebax | ポリアミド系熱可塑性エラストマーの代表例である。軽量性、反発弾性、低温特性を活かす用途がある。 |
| UBE | UBESTA XPA | ポリアミド系エラストマーの代表例がある。チューブ、フィルム、工業部品用途で検討される。 |
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