ポリスチレン(スチロール樹脂)の特性と用途 安価な大量生産品に最適

By | 2015年12月2日
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ポリスチレン(スチロール樹脂)とは 概要

ポリスチレン(スチロール樹脂)は、ABS樹脂などともにプラスチック加工で最も多く使用されている素材の一つである。熱可塑性樹脂としては最も安価な部類に入り、同時に高い加工性を有していることから、さまざまな成形方法に対応している。射出成形や押出成形、ブロー成形真空成形など金型を使ったほとんどの成形方法で使用することができるため、最も身の回りに近い量産品に使用される。

例えば、食品用の容器や、CDケース、家電製品の筐体、自動車用のランプレンズやカバーなどあらゆるプロダクトに使用されている。また、ポリスチレン(スチロール樹脂)は発泡成形によって発泡スチロールとして馴染み深い素材でもある。発泡スチロールは、軽くて断熱性などに優れていることから、梱包用の資材としても多用される素材。

家電製品の緩衝材や、魚などの輸送用の梱包材、更にはカップラーメンの容器などに多用され、こちらの発泡スチロールも実に馴染み深い素材だ。このようにポリスチレン(スチロール樹脂)は、実に身の回りのあらゆる製品の材料として使用されており、生活用品として身近なプラスチック素材だということもできる。

こうした汎用性の高さから、ポリスチレン(スチロール樹脂)は5大汎用樹脂の一つに数えられ、いわば安価で大量に物量を要する生活用品に最適なプラスチック素材である。ちなみにここでいう5大汎用樹脂とは、熱可塑性樹脂のうち、安価で生産量が多い樹脂のことをいい、ポリスチレン(スチロール樹脂)以外には、ポリエチレン (PE)ポリプロピレン (PP)ポリ塩化ビニル(PVC)ポリエチレンテレフタレート(PET)を指す。(この区分には諸説があり、ABS樹脂を加える場合や、ポリエチレン(PE)を高密度と低密度に分類する区分けの方法もある。)

いずれにせよ、ポリスチレン(スチロール樹脂)は、発泡スチロールなどに代表されるように、子供にも馴染み深く、常に生活に密着したプラスチック素材だと言えよう。

ポリスチレン スチロール樹脂 加工 用途 代表的製品 特性

ポリスチレン(スチロール樹脂)の歴史

ポリスチレン(スチロール樹脂)は、プラスチック素材の中においても、最も古い歴史を持つ素材の一つだ。その発明は今から遡ること170年近く前、1839年にドイツのシモンによって発明されたとされる。ポリスチレン(スチロール樹脂)が実際に工業化されたのはそれから90年近くも経過した1930年からで、以来、最も安価で生産量が多いプラスチック素材としての地位を確立している。

プラスチック素材はドイツとアメリカがその開発と生産が主流であり、ポリスチレン(スチロール樹脂)もその例外ではない。1930年代の工業化もドイツとアメリカが中心となり行い、実際に日本に輸入が始まったのが1940年代後半から。本格的に工業用として生産が開始されたのが1950年代で、熱可塑性樹脂としての加工と発泡スチロールとしての加工両方の種類において圧倒的な生産量をほこる。

ちなみに発泡成形によって発泡スチロールとして開発が始まったのもドイツが最初で、発明は1950年。日本での生産が開始されたのは1959年からになる。以来、ポリスチレン(スチロール樹脂)は、安価でさまざまな用途に対応することができるといった柔軟性から、最も量産性が高いプラスチック素材の一つとして現在に至っている。

ポリスチレン(スチロール樹脂)の特性 長所と短所

ポリスチレン(スチロール樹脂)は、生産性という観点から見ると、安価で加工性が高いという特性から5大汎用樹脂の一つに数えられている。しかし、ポリスチレン(スチロール樹脂)がこれほど流通し、さまざまな身の回りの製品に利用されるためには素材そのものの持つ特性も大きいと言えるだろう。

一般的なポリスチレン(スチロール樹脂)の特性として挙げられるのが、軽量で剛性が高く、電気を通さない。また一定の耐候性を持ち透明性にも優れているということが言えるだろう。ちなみにポリスチレン(スチロール樹脂)は特性の面からその種類を分類すると三つに分けることができる。

一般的なポリスチレンと、ポリスチレンにゴムを配合して耐衝撃性を大幅に強化した耐衝撃性ポリスチレン、更には発泡成形によって作り出される発泡ポリスチレン、すなわち発泡スチロールだ。本章におけるポリスチレン(スチロール樹脂)の特性、長所と短所に関しては、この通常のポリスチレン(GPPS)と耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)、更には発泡ポリスチレンの三つについてご紹介しよう。

ちなみに、ポリスチレン(スチロール樹脂)は、この他にもガラス繊維を配合し、重合度を高めることで耐熱性や剛性を強化する開発も行われている。

ポリスチレン(スチロール樹脂)の長所

  • 透明性:透明性が高く光透過率に優れる(アクリルよりは劣る)。
  • 軽量性:比重はプラスチック素材の中においても3番目。ポリプロピレン(PP)の比重(0.9~0.91)、ポリエチレン(PE)の比重(0.94)に次ぐ。
  • 電気絶縁性:電気絶縁性が高く、誘電率が低い。そのため電気を通さない。
  • 加工性:溶融時における熱の安定性が高く、成形時における寸法安定性に優れる。また着色も容易にできる。
  • 耐候性:耐候性に優れる。容器などに最適。
  • 臭気:無味無臭であることから、食品用容器で多用される。

ポリスチレン(スチロール樹脂)の短所

  • 耐熱性:熱に弱く、耐熱温度は60℃から80℃と低い。
  • 耐衝撃性:耐衝撃性は低く脆い。
  • 耐油性:耐油性は低く軟化する。
  • 耐薬品性:耐薬品性は低く溶解しやすい。

耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)の長所

  • 耐衝撃性:通常のポリスチレン(スチロール樹脂)の性能に加え、ゴムが配合されたことから耐衝撃性が大幅に向上している。

耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)の短所

  • 耐熱性:耐熱性は低い。ゴムを配合した分低下している。
  • 剛性:ゴムを配合した分剛性も低下している。
  • 透明性:透明性はなくなる。

発泡ポリスチレン(発泡スチロール)の長所

  • 軽量:98パーセントが空気であるため軽い
  • 断熱性:98パーセントが空気であるため断熱性に優れている。保温や保冷に適した素材。
  • 耐衝撃性:弾力があり衝撃吸収性に優れている。
  • 加工性:極めて加工性が高く、成形や切削に適している。
  • 耐水性:耐水性が高く、軽量な為水に浮く。

発泡ポリスチレン(発泡スチロール)の短所

  • 耐熱性:耐熱性は低く90℃で溶解する。
  • 難燃性:非常に燃えやすい素材で、難燃性が低い。
  • 耐油性:耐油性は低く軟化して溶ける。
  • 耐薬品性:耐薬品性は低く軟化して溶ける。
  • 接着性:接着性は高く、熱による接着、有機溶剤での接着に適している。

ポリスチレン(スチロール樹脂)の製法

ポリスチレン(スチロール樹脂)は、原油から生成される石油化学用ナフサを原料として生成されるスチレンモノマーを重合して作られるプラスチック素材だ。プラスチックとしては比較的簡単に製造することができる素材で、五大汎用樹脂の一つに数えられるほど。一般的な通常のポリスチレン(スチロール樹脂)はこのスチレンモノマーの重合によって作られるが、これ以外に合成ゴムを配合することによって耐衝撃性を大幅に強化した耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)を作り出すこともできる。

また、耐熱性や機械的強度を強化するためにガラス繊維などを配合したポリスチレン(スチロール樹脂)も存在する。ちなみに発泡スチロールはポリスチレンそのものの製法ではなく、ポリスチレンと発泡剤を用いた発泡成形によって作り出されるため以下、ポリスチレンの種類の部分でご紹介しよう。

ポリスチレン スチロール樹脂 加工 用途 代表的製品 特性

ポリスチレン(スチロール樹脂)の種類

ポリスチレン(スチロール樹脂)の種類は、既に述べたとおりであるが、大きく分類すると2つの種類に分けることができる。通常の一般的なプラスチックの形状をしたポリスチレン(スチロール樹脂)と、発泡成形によって作り出される発泡ポリスチレン(発泡スチロール)である。この2つのパターンをベースにし、さらに細かく細分化される。

まず通常のポリスチレン(スチロール樹脂)は、汎用的な用途で使用され透明な汎用ポリスチレン(GPPS)と、ゴムが配合され耐衝撃性が強化された耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)に分類される。一方、発泡スチロールという言葉で広く認識されている発泡ポリスチレン(発泡スチロール)も、ビーズ法発泡スチロール (EPS)、ポリスチレンペーパー (PSP)、押出ポリスチレン (XPS)などに分類される。

こうしたさまざまなポリスチレン(スチロール樹脂)は使用する製品の種類や用途によって最適な種類が採用される事になる。

汎用ポリスチレン(GPPS)

まず最も一般的なポリスチレンが汎用ポリスチレン(GPPS)と呼ばれる素材だ。透明で合成があり、五大汎用樹脂の一つとして挙げられる所以ともなっている素材。汎用ポリスチレン(GPPS)は、これまで述べてきた高い加工性や安価であることからさまざまなプロダクトに使用されている。コップや容器、CDケース、使い捨てカミソリ、コンビニのお弁当ケースや惣菜ケースなど、比較的価格が安く消費が激しく大量に生産されるプロダクトに使用される。

ポリスチレン スチロール樹脂 加工 用途 代表的製品 特性

大量生産される汎用ポリスチレン(GPPS)

耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)

一般的な汎用ポリスチレン(GPPS)にゴムを配合して耐衝撃性を強化したポリスチレン(スチロール樹脂)が耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)だ。耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)は、汎用ポリスチレン(GPPS)とは違い、ゴムを配合することによって透明性は失われているが、耐衝撃性が大幅に向上している。そのため工業用パーツで多用される素材で、OA機器やテレビといった家電製品のハウジング、内部パーツでの使用が多い。また、食品用容器にも多用されておりヨーグルトや乳酸菌飲料水の容器などにも使用が盛んな素材だ。

ポリスチレン スチロール樹脂 加工 用途 代表的製品 特性

ヨーグルトなどの容器に使用される耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)。家電製品の筐体などでもおなじみの素材

ビーズ法発泡スチロール (EPS)

発泡スチロールのなかで最も馴染み深く汎用性が高い素材が、ビーズ法発泡スチロール(EPS)だ。ビーズ法発泡スチロール (EPS)で代表的な製品が、魚介類や農産物の輸送に使用される発泡スチロールの箱だろう。この発泡スチロールは、小さな粒が集まって固まったように見えるが、この小さい粒がポリスチレンを発泡状にした「ビーズ」と呼ばれるもの。

発泡成形では直径1mmほどの粒子状のポリスチレンに炭化水素ガスを吸収させ加熱させることで発泡させるが、それによって生成されたものがこのポリスチレンビーズだ。ビーズ法発泡スチロール(EPS)は、断熱性に優れ、尚且つ耐衝撃性に優れるため、上記で述べた保冷が求められる魚介類の輸送用の箱で使用される。ちなみにこの梱包材としての使用は年間20万トンにも及び、他にも建材や緩衝材などにも使用される。

このビーズ法発泡スチロール(EPS)は、加工性にも優れていることから、クーラーボックスやクッション、精密機器用梱包材といったさまざまな用途に使用される。更にはこの加工性・切削性の高さから、プロダクトのモックアップ、工作用の材料などでも多用される素材だ。

ポリスチレン スチロール樹脂 加工 用途 代表的製品 特性

発泡スチロールはポリスチレンの発泡成形でお馴染み

ポリスチレンペーパー (PSP)

ポリスチレン スチロール樹脂 加工 用途 代表的製品 特性

建材としても使用される

発泡スチロールとしてもう一つ多用される形態が、ポリスチレンペーパー (PSP)と言われる素材だ。ポリスチレンペーパー(PSP)で最も代表的な製品といえば、カップラーメンの容器が挙げられるだろう。また、食品トレーなどにも使用されている。このポリスチレンペーパー(PSP)は、EPSのように高温による加熱発泡という製法ではなく、加熱して溶融したポリスチレン(スチロール樹脂)にガスと発泡剤を加えて液状にする製法を取る。

それによって作られた液状をシート状に引き伸ばすことで作られることから、ポリスチレンペーパー(PSP)と言われている。このポリスチレンペーパー(PSP)は、耐熱性が低いことから、カップラーメンの容器などで使用される場合にはポリ塩化ビニルやポリプロピレンなどのシートを表面に貼ることで耐熱性と耐衝撃性を強化している。

ポリスチレン スチロール樹脂 加工 用途 代表的製品 特性

カップラーメンなどの容器もポリスチレンの発泡成形で作り出される

押出ポリスチレン (XPS)

発泡成形によって作り出されるもう一つのポリスチレン(スチロール樹脂)が押出ポリスチレン(XPS)である。この押出ポリスチレン(XPS)は、建築資材用の用途として使用されるため、一般には馴染みが薄いが、住宅などの断熱材としては幅広く使用されている素材だ。また、一般的に発泡スチロールは難燃性が低いため、住宅用の断熱材として使用する場合には、難燃剤を混合して難燃性を向上している。

この押出ポリスチレン(XPS)は、原料の段階から難燃剤を高温・高圧力のもとで混ぜあわせ、気圧と温度を変化させることで発泡と硬化を行いボード状に押し出して成形する。こうした成形方法から押出ポリスチレン(XPS)と呼ばれている。

ポリスチレン スチロール樹脂 加工 用途 代表的製品 特性

建材としても使用される

ポリスチレン(スチロール樹脂)の加工と用途

ポリスチレン(スチロール樹脂)は、五大汎用樹脂に数えられるだけあって最も加工しやすいプラスチック素材の一つでもある。対応している加工技術も実に多岐に渡っており、プラスチック成形で代表的な射出成形や、ブロー成形、真空成形、押出成形、発泡成形などほとんどの加工に対応している。

この加工性の高さ、安さ、そしてバランスのいい性能から、ポリスチレン(スチロール樹脂)で作り出される製品のほとんどが、日常的に消費量が激しい大量生産品である。それではプリスチレン(スチロール樹脂)の代表的なプロダクトと加工方法をご紹介しよう。

射出成形で量産されるプラモデル

射出成形とポリスチレン(スチロール樹脂)の組み合わせによって作り出される製品は非常に多岐に渡っている。例えば、家電製品の筐体や透明カップなど、あらゆる製品の加工に使用されている。その中においても、高度な金型技術が求められ、ポリスチレン(スチロール樹脂)で代表的な製品がプラモデルである。プラモデルはプラスチックのパーツを組み立てて模型を完成させる代表的な玩具。

日本ではガンダムのプラモデルが有名で、未だに根強い人気を誇る。このプラモデルはプラスチック製の組立キットという意味の商標だがその製造には高い金型の技術力が凝縮されている。プラモデルのパーツは、一つのシートに複数のパーツが取り付けられて成形されるが、その部品の大きさは様々で非常に小さいパーツでは1円玉よりも小さいものが存在する。

下記がプラモデルのキットだが、このシートを作り出すためには金型に超高圧力がかかり、尚且つ同時にパーツ一つ一つの綺麗な仕上がりが求められるわけだ。この場合、ポリスチレン(スチロール樹脂)の状態を保つのにも一定の技術力も必要だが、綺麗な仕上がりを実現する切削技術も必要になる。

射出成形で注入されるポリスチレン(スチロール樹脂)は、初めはペレット状のものが投入されるが加熱してゲル状にする段階で、簡単には壊れない強度と硬さ、更には組み立てやすい柔らかさといったプラモデルとして求められる樹脂の性能が必要になる。ちなみに、プラモデルの射出成形で金型にかかる圧力は150トンにも及び、金型そのものの構造もこうした圧力に耐えうるだけの強度が必要だ。

最近のプラモデルはかなり精度も向上してきており、本物さながらの質感や仕上がりが期待できる。こうしたプラモデルの完成度の背後には、プラモデルの加工に適したポリスチレン(スチロール樹脂)のコントロールと、精密な金型加工の技術が挙げられる。ちなみに、家電製品のパーツや筐体など、射出成形はポリスチレン(スチロール樹脂)で最も多用されるプラスチックの成形技術だといえる。

ポリスチレン スチロール樹脂 加工 用途 代表的製品 特性

プラモデルはポリスチレンと射出成形で作り出される

3Dプリンターとポリスチレン(スチロール樹脂) HIPSのフィラメント

ポリスチレン(スチロール樹脂)は、新たな製造技術である3Dプリンターでの利用も密かに開始されている。3Dプリント技術の中においてもFDM(熱溶解積層法)が最も利用することができる樹脂素材が多いが、ポリスチレン(スチロール樹脂)もFDM 3Dプリンター専用のフィラメント材料が登場している。この場合のポリスチレン(スチロール樹脂)は一般的な汎用ポリスチレン(GPPS)ではなくゴムが配合され耐衝撃性が強化された耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)のフィラメントだ。

この耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)の3Dプリントフィラメントを製造するのはオランダのフィラメントメーカーFormfutura社。以前、ポリスチレンテレフタレート(PET)の3Dプリントフィラメントでご紹介したメーカーで、ABS樹脂やPLA樹脂といったお馴染みのFDMフィラメント以外に、炭素繊維配合のCarbon Fillや、木目調のフィラメント、更には上記のポリエチレンテレフタレート(PET)のフィラメントを開発している。

同社が開発する耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)のフィラメントは1.75mmと2.85mmの二つのラインナップを揃え、ホワイト、ブラック、レッド、ブルー、グレーの5色に加え、リモネン配合の食品対応のフィラメントを揃えている。これまでご紹介してきたポリスチレン(スチロール樹脂)の機能と同様に、Formfutura社の耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)のフィラメントEasyFil™HIPSは、軽量で加工性に優れ、一旦加熱して溶かし冷却し硬化させるFDM 3Dプリントにも最適な温度安定性を発揮する。

また、ポリスチレン(スチロール樹脂)本来が持つ接着性を残し、エポキシ系の接着剤などさまざまな接着剤に適応している。またこの耐衝撃性(HIPS)の3Dプリントフィラメントは、ABS樹脂のフィラメントと極めて似た特性をもつことから、安定したプロトタイプ製造に使用することができる。

ポリスチレン スチロール樹脂 加工 用途 代表的製品 特性

耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)のフィラメント

耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)の3Dプリンターフィラメントスペック

  • カラー:ホワイト、ブラック、レッド、ブルー、グレー
  • フィラメント純重量:±0.75kg/
  • EAN:8718924471661
  • SKU:175EHIPS-WHITE-0750
  • 材料:EasyFil™HIPS 耐衝撃性ポリスチレン
  • 透明性:不透明
  • フィラメント径:1.75mm / 2.85mm
  • 直径公差:±0.05mm
  • プリント温度:±235°C
  • 溶融温度:180℃~ 260℃
  • ガラス転移温度:±89℃
  • 密度(21.5°C):1040kg/㎥
  • プリント速度のガイドライン:ABSと同等
  • 衝撃強度:15 KJ /㎡
  • 引張弾性率:1550MPA

まとめ 価格、加工性、機能全てにおいて手頃なプラスチック素材

これまでご紹介してきたようにポリスチレン(スチロール樹脂)は数あるプラスチック素材のなかで、最も手頃な素材だといえる。値段、加工性、機能全ての面において、手軽に使用することができる素材だ。また、通常の汎用ポリスチレン(GPPS)だけではなく、衝撃性を高めた耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)や、発泡剤を混合することによって、さまざまな種類の発泡スチロール素材として馴染み深い。

こうしたことから、家電製品のパーツや筐体、更には大量消費される容器類などで多用されてきた経緯がある。また同時に最新技術である3Dプリンターの材料としてもフィラメント状のものが開発され、ABS樹脂やPLA樹脂のフィラメントと同じように使いやすい素材として認識が始まっている。

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