ポリウレタン（PU/PUR）とは｜構造・製法・種類・用途・注意点

ポリウレタン（PU/PUR）の構造・製法・種類・用途・注意点を図解と事例でわかりやすく解説。用途別特性や安全対策まで業界必携の入門ガイド。

ポリウレタンはポリマーの一種で、その名称はしばしばPUまたはPURと略されます。ポリウレタンは、ウレタン結合（カルバメート結合）でつながった有機単位から成る高分子で、主に段階的成長重合（step-growth polymerization）によって合成されます。一般的には、少なくとも2つのイソシアネート官能基をもつ単量体が、触媒の存在下で、少なくとも2つのヒドロキシル（アルコール）基を含む別の単量体と反応して形成されます。

構造と主要原料

ポリウレタンの基本単位は「ウレタン結合（–NH–CO–O–）」で、原料としては主に次の成分が用いられます。

• ジイソシアネート（例：トルエンジイソシアネート（TDI）、ジフェニルメタンジイソシアネート（MDI）、アルキリック系のHDIやIPDIなど）
• ポリオール（ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオールなど）
• 低分子の鎖延長剤（ジオール、ジアミンなど）や架橋剤
• 触媒（第三級アミン、スズ系触媒（例：ジブチルスズラウレートなど））
• 発泡剤（化学発泡：水→イソシアネートと反応してCO2を発生、物理発泡：炭化水素など）や発泡調整剤
• 可塑剤、安定剤、着色剤、難燃剤などの添加剤

製法（合成・成形方法）

ポリウレタンの製造方法は用途によって多岐にわたります。代表的な方法は次の通りです。

• ワンショット法：ポリオール、イソシアネート、その他添加剤を同時に混合して反応させる簡便法。フォームや塗料で広く用いられる。
• プレポリマー法：イソシアネートとポリオールの一部を反応させてプレポリマーを作り、後で鎖延長剤と反応させる方法。反応の安定性や取り扱い性が向上する。
• 発泡プロセス：柔軟フォームは発泡による気泡構造、硬質フォームは閉鎖セル構造で断熱特性を示す。化学発泡（主に水）や物理発泡剤が用いられる。
• 反応注型成形（RIM）：低粘度のポリオールとイソシアネートを高圧で混合・注入し、比較的大型の複雑形状部品を短時間で成形。
• 熱可塑性ポリウレタン（TPU）：熱可塑性ポリエステルやポリエーテルポリオールを用いたセグメント構造のポリマーで、射出成形や押出加工が可能。

種類（物性と分類）

化学組成や架橋の程度、セル構造、配合によって幅広い種類が得られます。代表例：

• 低密度フレキシブルフォーム：椅子張りやマットレスに使われる柔らかいフォーム（弾性が高い）。フォーム
• 低密度硬質フォーム：断熱材やRTMコアに使われる剛性の高いフォーム。断熱材
• ポリウレタンエラストマー：ゲルパッドやローラー、履物のミッドソールなどに使われる耐久性と弾性を持つ固体ゴム様材料
• 熱可塑性ポリウレタン（TPU）：靴底、ホース、シール、ケーブル被覆などに用いられる加工性の高い材料
• 硬質ポリウレタン樹脂：電子機器のベゼルや構造部品などに使われる硬いプラスチック（耐衝撃性や成形性に優れる）
• コーティング用ポリウレタン：耐候性・耐擦傷性を付与するための塗料やラッカー（アルキドやアクリルと差別化される）

主な用途

ポリウレタンはその多様性から幅広い用途を持ち、以下のような製品に使われています。

• 高弾性フレキシブルフォームシート、ソファ・自動車内装のクッション
• 硬質フォーム断熱パネル（建築・冷凍機器）
• マイクロセルラーフォームのシールやガスケット
• 耐久性のあるエラストマーホイールとタイヤ、自動車サスペンションブッシュ
• 電気部品のポッティング（封止）コンパウンド、接着剤とシーラント（高性能の接着剤）
• スパンデックス繊維（伸縮性のある繊維素材）、カーペット下敷き、履物のミッドソールやソール
• 硬質プラスチック部品、電子楽器のベゼルや構造部品
• 医療用クッションやジェルパッド、工業用ローラー、印刷や加工機械のゴム部品

特性（物理・化学的性質）

• 機械的性質：弾性、引張強度、耐摩耗性が調整可能。軟らかいフォームから硬いプラスチックまで広範囲。
• 耐薬品性：酸やアルカリに対する耐性は組成に依存。一般にポリエステル系は水分や加水分解に弱い場合があり、ポリエーテル系は耐水性が良い。
• 耐候性：芳香族イソシアネート由来のポリウレタンはUVで黄変しやすく、アルキリック系イソシアネートを使うことで色安定性が向上する。
• 熱的性質：ガラス転移温度（Tg）は組成で変わり、低温での硬化や高温での軟化が起こる。燃焼時には有毒ガスが発生することがある。
• 加工性：発泡、射出成形、押出、コーティング、接着など多様な加工法に対応。

注意点・安全性

ポリウレタンの取扱いにはいくつかの重要な安全上の注意があります。

• イソシアネートの危険性：未反応のイソシアネートは吸入や皮膚接触で感作（アレルギー性呼吸器疾患）や刺激を引き起こす。作業場では換気、呼吸用保護具、防護手袋の着用が必要。
• 触媒や添加剤の有害性：スズ系触媒や有機溶剤などは毒性や環境影響があるため取扱いに注意。
• 硬化後の加工粉じん：サンディングや切削による粉じんは吸入リスクがある。防じんマスクと局所排気が推奨される。
• 燃焼時の危険：燃焼分解で一酸化炭素、シアン化水素、未反応イソシアネートなど有害ガスを発生する可能性があり、火災時は特に危険。
• 環境面と廃棄：ポリウレタンのリサイクルは難しく、埋立てや焼却が行われることが多い。リサイクル・リユース技術や生分解性ポリウレタンの研究が進められている。
• 名称の混同に注意：ポリウレタン製品はしばしば「ウレタン」と呼ばれますが、これは化学物質の一つであるカルバミン酸エチル（通称ウレタン、ethyl carbamate）と混同してはなりません。ポリウレタンはカルバミン酸エチルから作られているわけでも、それを含むわけでもありません。

環境・リサイクルと将来動向

ポリウレタンは耐久性が高い一方でリサイクルが難しい素材です。現在の対策・研究分野は次のようなものがあります。

• 機械的リサイクル：切粉やスクラップを粉砕して充填材や再加工に使用する方法。
• 化学的リサイクル：加水分解や熱分解でモノマーやオリゴマーに還元する研究が進んでいる。
• バイオベース原料の導入：石油由来原料の代替として、バイオポリオールなどを用いたポリウレタンの開発。
• 難燃性やVOC低減：建築材料などでの安全性向上と揮発性有機化合物の排出抑制が求められている。

総じて、ポリウレタンは配合や構造を変えることで非常に多様な物性を実現できる汎用性の高い材料です。一方、製造時の安全管理や使用後の廃棄・リサイクルについては注意が必要であり、代替原料やリサイクル技術の開発が今後も重要になります。

質問と回答

Q:ポリウレタンとは何ですか?

Q:ポリウレタンはどのようにして作られるのですか?

Q:ウレタンとポリウレタンは同じですか?

Q:ポリウレタンの用途は、上記以外にありますか?

Q: ポリウレタンの製造工程では、触媒を使用するのですか?

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