エポキシ樹脂の特性と用途 強化剤として最適な高機能素材

By | 2016年1月8日
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エポキシ樹脂とは。代表的製品と概要

現代のプラスチックは、ありとあらゆるモノに形を変えて使用されている。成形品として使用されている以外に、接着剤や結合剤、塗料などさまざまな特性を活かしものづくりの分野で多用されている素材だ。その代表的な存在が本日ご紹介するエポキシ樹脂だ。分子量によって液体から固体まで成形することが可能。

プラスチック素材は大きく分けて2種類、加熱して溶かし、冷却化して形にする熱可塑性樹脂と、液体状の樹脂を加熱して硬化させる熱硬化性樹脂に別れる。熱可塑性樹脂は、5大汎用樹脂としてポリエチレン(PE)ポリプロピレン(PP)ポリスチレン(PS)ポリ塩化ビニル(PVC)ABS樹脂ポリエチレンテレフタレート(PET)など工業製品に多用される素材が多く、いわば現代のプラスチック成形品のほとんどを占めている。

その一方で、熱硬化性樹脂は、成形品としての使用よりも、塗料や接着剤といった原材料としての使用が中心となる。その熱硬化性樹脂の中でも特にエポキシ樹脂はその高い機能性を活かして特殊な塗料や、接着剤としての使用が盛んな素材だ。

一般的な熱可塑性樹脂とは違い、単品での成形品として使用されることはほとんどなく、コンポジット材料や塗料、接着剤として我々の身の回りで多用されている。例えば、現代の生活には電化製品が欠かすことができないが、ほぼ全ての電化製品、電子機器のプリント基板や、メモリ、CPUといった電子部品にエポキシ樹脂は使用されている。

このエレクトロニクス製品におけるエポキシ樹脂の使用は、エポキシ樹脂が持つ高い電気絶縁性や耐水性、耐薬品性によるもので、極小の電子回路や電子部品では電気を通さない部分を正確に区切る必要があり、エポキシ樹脂は電気を通さない部分のコーティング剤として効果を発揮する。

いわば現代のエレクトロンクス産業ではエポキシ樹脂は必須の素材だといえよう。この塗料としてのエポキシ樹脂はエレクトロニクス分野以外にも拡大しており、高い耐食性から、自動車や船舶の防腐用塗料として使用される。更には飲料用缶の内面塗装用としても密かに使われている素材だ。

またエポキシ樹脂は接着剤として高い能力を発揮するプラスチック素材でもある。工業用接着剤としての利用は非常に多岐に渡っており、建築分野ではコンクリートや鉄鋼版の構造用接着剤として使用される。最近では炭素繊維やガラス繊維のような軽量・高強度の高機能材料の接着剤としてエポキシ樹脂がおおきな役割を果たしており、高い性能を発揮している。

このように塗料や接着剤としての使用が盛んなエポキシ樹脂だが、成形品としての使用も一部行われている。例えば成形品としてのエポキシ樹脂は、ガラスのような美しい半透明素材になることからTOTOのキッチンカウンターなどに使用される素材だ。さらにエポキシ樹脂は、3Dプリンターの一つでもある光造形の素材としても使用が盛ん。

光造形の低価格マシーンが登場することでエポキシ樹脂をベースにした材料も拡大している。今回は熱硬化性樹脂の代表として、さまざまな分野で活躍するエポキシ樹脂の特性や用途、代表的な使用方法についてご紹介しよう。

エポキシ樹脂 特性 用途 製品

エポキシ樹脂の歴史

エポキシ樹脂の発見は1938年まで遡る。スイスのピエールCastan博士によってビスフェノールA型が発見され、スイスのチバ社によって特許が買い取られるところが始まりとされる。その後1948年に工業用として使用が開始されて以来、熱硬化性樹脂の代表として工業用材料として多用されている。

ちなみにこのチバ社は当時の世界三大エポキシ樹脂の生産者の一つに数えられ、その後合併と分社を繰り返し、その一部は世界的な製薬会社ノバルティスに、非医薬品化学部門はドイツの世界最大の化学品メーカーBASFに買収され現在に至る。エポキシ樹脂は開発から生産の当初から接着剤や塗料としての使用が盛んであり、日本においても1960年初頭から国内生産が開始された。以降、エレクトロニクス関連を中心に自動車産業、建築分野などあらゆる製品に塗料、接着剤などの材料として使用が拡大している。

エポキシ樹脂の特性 長所と短所

エポキシ樹脂は他の成形品が中心のプラスチック素材とは違い、接着剤や塗料としての用途で優れた特性を発揮する。例えば冒頭で述べたように、その高い電気絶縁性はプリント基板や電子部品の塗料として最適である。またエポキシ樹脂は耐水性・耐薬品性・耐食性に優れるという特性を持ち、自動車の防食用塗料や、船舶の塗料、飲料水の缶の内側の塗料としても使用される。

この耐水性や耐食性はさまざまな分野で求められ、コーティング剤としての使用に留まらず、外部にさらされる建築分野ではお馴染みの素材だ。一方、接着剤としてのエポキシ樹脂もこの耐水性や耐久性、耐食性という機能からあらゆる部分に使用されている。

上記の建築分野ではコーティング塗料だけではなくコンクリートのひび割れなどの劣化防止目的で接着剤としても使用される。この接着剤としての機能はカーボンファイバーすなわち炭素繊維や、ガラス繊維といった強化プラスチックの接着、保護コーティングとして多用され通称、エンジニアリングプラスチックならぬ「エンジニアリング接着剤」と呼ばれる接着剤に分類される。

このエポキシ樹脂の接着剤として作り出される製品は、テニスラケットやゴルフクラブのシャフト、釣り竿、スキー、スノーボードなどカーボンファイバー製の高機能が要求されるスポーツ用具に多い。このようにエポキシ樹脂は基本的な性能として電気絶縁性、耐水性、耐薬品性、耐食性といった特性を持ちながら、その他の素材を強化するための材料としての側面も持つ。

ちなみにエポキシ樹脂は種類によって若干の特性の違いが存在するため、エポキシ樹脂の種類については次項で詳しくご紹介するとしてここではベーシックな特性についていかご紹介する。

エポキシ樹脂の長所

  • 多用性:分子量の調節で液体、固体さまざまな用途に使用できる。
  • 耐腐食性:水分と同時に酸素なども通さないため腐食予防に優れる。
  • 接着性:高い接着性を持つ。金属やガラス、木材、コンクリートなどいろいろな素材の接着に使用できる。
  • 電気絶縁性:電気絶縁性に優れ電気を通さない。
  • 耐水性:耐水性に優れ、水を通さない。
  • 耐薬品性:耐薬品性に優れる。
  • 耐熱性:エポキシ樹脂は耐熱性も高い。
  • 耐候性:耐候性も高くコンポジット用素材や建築資材の塗料としても使用される。

エポキシ樹脂の短所

  • 靭性:靭性が低くポリウレタンなどを添加することで靭性を向上させる。
  • 紫外線に弱く白く劣化する。
  • 低温下での硬化が遅い

エポキシ樹脂の製法と種類

冒頭でご紹介したとおりエポキシ樹脂はその分子量をコントロールすることで、液体から固体までさまざまな形態、用途に使用することができる。基本的な製法はプレポリマーと硬化剤を混合することで製品化することができるが、このプレポリマーの組成と硬化剤の種類の組み合わせで、さまざまな物性を多様に表現することができる。その種類は非常に多岐に渡っており、塗料や接着剤、結合剤といった用途から成形品までカバーする。

もっとも基本的なエポキシ樹脂はプレポリマーであるビスフェノールAと硬化剤であるエピクロルヒドリンの混合によって作り出されるビスフェノールA型エポキシ樹脂だが、これ以外にもさまざまな種類が存在する。以下エポキシ樹脂の種類をご紹介しよう。

ビスフェノールA型エポキシ樹脂

エポキシ樹脂の中においてもっとも代表的な存在がビスフェノールA型エポキシ樹脂だ。ビスフェノールA型エポキシ樹脂は、プレポリマーであるビスフェノールAと硬化剤であるエピクロルヒドリンの混合によって作られるが、この分子量の比率によって形態が変わる。

ビスフェノールA型エポキシ樹脂の基本的な性能として電気絶縁性に優れ、耐薬品性にも優れる。このビスフェノールA型エポキシ樹脂は、成形品やガラス繊維強化材料としても使用され、接着剤や塗料としても使用される。言うなればもっとも汎用性が高いエポキシ樹脂だということができよう。ちなみにビスフェノールAはポリカーボネートのモノマーとしてや、ポリ塩化ビニル(塩ビ)の可塑剤としても使用される。

ビスフェノールF型エポキシ樹脂

ビスフェノールA型エポキシ樹脂と同様、ビスフェノールFからもエポキシ基を得ることもできる。このビスフェノールF型エポキシ樹脂は一般的なビスフェノールA型エポキシ樹脂に比べて粘土が低く、グラムあたりのエポキシ含有量は高くなる。また、ビスフェノールA型に比べて硬化物性はほぼ同じ。ただで耐熱性が若干低くなり、耐薬品性が若干向上する。

ノボラック型エポキシ樹脂

ビスフェノールとは違い、ノボラックを使用して合成するタイプのエポキシ樹脂がノボラック型エポキシ樹脂である。ノボラックはフェノール樹脂(ベークライト)の原料の一つでもあり、このフェノールノボラックと硬化剤であるエピクロルヒドリンの反応によって作り出される。またフェノールノボラックの代わりにクレゾールノボラックを使用するとクレゾールノボラック型フェノール樹脂になる。

ノボラック型エポキシ樹脂の特性として耐熱性、耐薬品性に優れ電気特性に優れている。主な用途として成形材料から塗料、積層板などで多用されるが、もっとも多く使用される分野は半導体封止材料としての使用である。

脂肪族型エポ キシ樹脂

エポキシ樹脂はビスフェノール型とノボラック型が代表とも言えるが、この2種類以外に脂肪族型エポキシ樹脂という種類が存在する。この脂肪族型エポキシ樹脂とは脂肪族アルコールまたはポリオールのグリシジルによって形成されるエポキシ樹脂で、単独で使用されることはほとんど無い素材。主な使用用途として他のエポキシ樹脂の粘度を修正、減少させるために使用されたり、電気絶縁材やガラス繊維強化などに使用される。特性としては電気絶縁性、耐候性などに優れ、高温特性も高い。

グリシジルアミン型エポキシ樹脂

最後にエポキシ樹脂のなかにおいても、特に高い耐熱性を持ち、優れた機械的特性を持つのがグリシジルアミン型エポキシ樹脂だ。このエポキシ樹脂は主に航空宇宙産業における複合アプリケーションのための重要な材料として知られており、高官能エポキシ樹脂である。

エポキシ樹脂の加工と用途

これまで述べてきたように、エポキシ樹脂はその特性上、単体の成形品として使用されることはあまりなく、塗料や接着剤、結合剤などとして使用されることが多い。ちなみに塗料、コーティング、接着剤、コンポジット剤として使用される場合、エポキシ樹脂が使用される分野はエレクトロニクス、食品、船舶、航空宇宙産業、土木建築、スポーツ用品、家庭用品などあらゆる分野に及んでおり、その独特の機能性が重宝されている。

また、成形品として使用されるケースも全く無いわけではなく、エポキシ樹脂特有の独特の美しい透明性を活かし、デザイン性が要求されるプロダクトに使用されることもある。本稿では具体的なエポキシ樹脂の用途と加工方法を、より掘り下げてご紹介しよう。

エポキシ樹脂 特性 用途 製品

パソコンなど、現代のエレクトロニクス製品に必須の素材。

エレクトロニクス製品の絶縁材として

エポキシ樹脂のもっとも代表的な用途がエレクトロニクス産業における絶縁材としての使用である。これまでご紹介してきたようにエポキシ樹脂は優れた電気絶縁性を持っていることから電気を通さない部分が必要な電子回路・弟子部品の素材として多用される。具体的な用途としてはプリント回路基板、ハイブリット基板、トランジスタ、集積回路といった電子回路の組成物に使用され、さらには変圧器、スイッチギア、ブッシング、発電機などの絶縁材として使用される。

とくに電子部品や集積回路は年々極小化、微細化が進んでいることから、こうした電子部品関連に使用されるエポキシ樹脂も高純度で高性能なものに進化してきている。例えば電子回路が極小化されれば、回路パターンも微細になり、当然電気を通す部分と電気を通さない部分の明確な区分が求められる。プリント基板の分野での使用はエポキシ樹脂の使用でもかなり古くから使用されており、プリント基板の基材に銅箔を接着するためにも使用されたり、はんだ付けを用意にするためのソルダーマスクに使用される。言うなれば、パソコンやプリンターなど現代の家電製品にとっては必須の素材だといえよう。

エポキシ樹脂 特性 用途 製品

家電製品の核、プリント基板や半導体などの電子部品には絶縁材として力を発揮する。

塗料とコーティング素材として

エポキシ樹脂の特性の一つとして、耐水性や耐腐食性という性能を持っているが、この機能が活かされるのが塗料やコーティング材料としてのエポキシ樹脂である。塗料やコーティングとして使用される範囲は非常に幅広く、土木建築用では、防食用の塗料として多用される。

またコンクリートの劣化補修用の塗料としてエポキシ樹脂はお馴染みの素材だ。土木建築分野以外にも、防食目的としては船舶やプラントのコーティング塗料として、缶詰などの内部の塗料にも耐水性、耐腐食性のためにエポキシ樹脂の塗料が塗られる。この塗料としてのエポキシ樹脂は、さまざまなグレードが存在し、上記のコンクリート補修用では耐候性が強化されたエポキシ樹脂が使用されたり、自動車用のコーティング塗料では耐熱性、引火性が低減されたエポキシ樹脂が使用される。

さらには、塗料としては、耐腐食性を持ち、滑り止め防止になることから、フローリング用塗料として食品加工工場や病院などにも使用される。このようにエポキシ樹脂の基本的な性能である耐水性、耐腐食性をベースに、さまざまな機能で強化されたコーティング素材としていろいろな用途で活躍している素材だと言える。

エポキシ樹脂 特性 用途 製品

自動車の車体のコーティングとして使用される。

エポキシ樹脂 特性 用途 製品

耐水性、耐腐食性から船舶の塗料としても活躍

エポキシ樹脂 特性 用途 製品

飲料水の缶の内側もエポキシ樹脂でコーティングされている。

エポキシ樹脂 特性 用途 製品

工場や病院、研究所などのフロアコーティングもエポキシ樹脂

構造用接着剤、エンジニアリング接着剤として

塗料やコーティング素材と同じような目的で使用されるのが接着剤としての使用だ。エポキシ系接着剤は通常の一般的な接着剤としてではなく、構造用接着剤、エンジニアリング接着剤と呼ばれるクラスの接着剤で、言うなれば高性能な接着剤としての役割が期待できる。ちなみにエンジニアリング接着剤と言われる接着剤はエポキシ樹脂による接着剤以外に、ポリウレタンやアクリル樹脂などの接着剤も含まれる。

その中においてもエポキシ樹脂の接着剤は、木材、金属、ガラス、石、プラスチックなど、ほとんど全ての用途に適合するように開発することが可能である。エポキシ樹脂による接着剤は透明で他の接着剤に比べて耐薬品性、耐熱性に優れ177度の高温まで耐えうる。こうした高機能な特性からエポキシ樹脂による接着剤は工業用接着剤としていろいろな製品の組立、接着に使用されており、一般的な工業製品から、土木建築における鉄鋼板など多岐にわたる。

エポキシ樹脂 特性 用途 製品

橋や道路の耐震補強用の接着剤としても使用される。

コンポジット(構造用複合材料)として

エポキシ樹脂はコーティング塗料や接着剤として以外に、構造用複合材料、コンポジット目的に使用もされている。例えば先端素材であるカーボンファイバーやガラス繊維などのコンポジット剤として使用され、強化材としての役割を担っている。具体的な製品では軽量・高強度・高耐熱が要求される自動車や航空機の構造材料の強化材として、またゴルフクラブのシャフトや釣竿、テニスラケットなどスポーツ用品のコンポジット素材としても使用される。

エポキシ樹脂 特性 用途 製品

ゴルフクラブのカーボンシャフトにも使用

成形品としてのエポキシ樹脂

エポキシ樹脂はこれまで述べてきたように、塗料やコーティング材、接着剤、コンポジット材料のように、他の素材を強化するための強化剤、サポート剤としての使用が盛んであるが、成形品として使用されるケースもないわけではない。例えばエポキシ樹脂の成形品としての一例を上げると、トイレや洗面器など衛生陶器で有名なTOTOのシステムキッチンカウンターの素材として使用されている。

TOTOが独自に開発した「クリスタルカウンター」は通常の独自加工されたエポキシ樹脂であり、耐熱性や耐光性といった性質を持ち、その名のとおりクリスタルのような透明度の高い仕上がりを実現している。キッチンでは料理などをすることから、加熱された熱い鍋などを置いたりするが、TOTOの「クリスタルカウンター」はエポキシ樹脂の高い特性を活かし、360℃の鍋底でも変色することはないほどの高機能を誇る。また耐衝撃性も高く、硬いものを落としても割れることはない。言うなればエポキシ樹脂の高い機能性と、透明なクリスタルのような見た目を両立させることで、機能性とデザイン性に優れたキッチンカウンターを実現している。

エポキシ樹脂 特性 用途 製品

機能性とデザイン性を両立したエポキシ樹脂のTOTOのキッチンカウンター

光造形(3Dプリンター)とエポキシ樹脂

エポキシ樹脂は近年3Dプリント技術としても注目をされている光造形の主要材料である。光造形とは、液状の紫外線硬化性樹脂に紫外線を照射しデジタルデータからダイレクトに物体を造形する技術で、プロトタイプ製造や航空宇宙産業、医療用などの分野で使用されている成形技術だ。この光造形の材料はさまざまなものが存在するが、エポキシ樹脂はアクリル樹脂とともに、二大原料の一つでもある。

光造形法は、3Dsystemsの創業者チャック・ハル氏が開発し特許を取得したが、ほぼ同じ時期に日本とフランスでも開発が行われた。結局フランスは特許申請を棄却、日本は申請漏れがあったため、実質的に3Dsystemsが保有する製法となったが、現在は、特許も失効し、多くの光造形3Dプリンターが登場しつつある。

主な用途としては、製品開発時におけるプロトタイプの作製が目的だが、最近では熱可塑性樹脂の物性を再現した紫外線硬化性樹脂も登場しつつある。

まとめ 縁の下の力持ち的な高機能な強化剤

エポキシ樹脂はこれまでご紹介してきたように、単品の成形品として使用されるケースはほとんどなく、そのほかの製品や素材を強化するためのプラスチック素材として重宝されている。電気絶縁性、耐水性、耐腐食性、耐候性、耐熱性などエポキシ樹脂が持つ高性能な機能を、他の素材に組み合わせることで高機能で丈夫な製品が作り出されるわけだ。まさに縁の下の力持ち的な役割を担っているプラスチック素材だといえよう。

その一方で、エポキシ樹脂はTOTOのクリスタルキッチンのように、高機能と美しい透明感の見た目を表現できる成形品の材料としても一部使用されている。また、3Dプリント製法の一つでもある光造形の素材としても中心的な役割を占めており、エポキシ樹脂をベースにしたさまざまな素材が開発されるかもしれない。エポキシ樹脂は熱可塑性樹脂とは一味違う、熱硬化性樹脂の奥深い機能性を多分に持つプラスチック素材だ。

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