シリコーンとポリウレタン：どちらの素材があなたの用途に適しているか？

シリコーンとポリウレタンのどちらが優れているかは、一概には言えません。どちらを選ぶかは、負荷、温度、環境、耐用年数、製造方法などによって異なります。. 極端な温度変化、紫外線への曝露、長期的な密閉性を求める場合はシリコーンをお選びください。耐摩耗性、耐荷重性、耐衝撃性、幅広い硬度オプションを求める場合はポリウレタンをお選びください。.

この単純なルールは、初期段階での多くのミスを防ぐのに役立ちます。しかし、最終的な材料仕様としては十分ではありません。ホイール、静的ガスケット、医療用バルブ、ポッティングコンパウンド、建築用シーラントなど、いずれもこれらのポリマーのいずれかを使用する可能性がありますが、材料に求められる機能はそれぞれ異なります。.

エグゼクティブサマリー

• 熱、寒さ、紫外線、オゾン、または長期的な圧縮回復が耐用年数を左右する場合、シリコーンは通常、より安全な選択肢となる。.
• ポリウレタンは通常、摩耗、衝撃、繰り返し接触、および高い機械的負荷に対してより強い強度を持つ。.
• 一般的な比較表に基づいて材料群を承認しないでください。同じ試験方法、温度、試験片の形状、および調整条件を用いて、実際のグレードを比較してください。.

シリコーンとポリウレタンの比較（一目でわかる）

これらは材料ファミリーの傾向であり、保証された値ではありません。充填材入り高粘度シリコーンゴムとキャストポリエステルポリウレタンを、それぞれがそのポリマーファミリー全体を代表するものとして比較すべきではありません。.

シリコンを選ぶべきタイミングは？

用途において、温度変化、屋外での耐候性、低温での柔軟性、または長期的な密閉力が重要な場合は、シリコーンを選択してください。.

極端な気温と熱サイクル

汎用シリコーンエラストマーの多くは、-45℃～200℃の範囲で長期使用が想定されていますが、グレードによっては使用温度範囲が狭かったり広くなったりする場合もあります。ダウ社は、SYLGARDシリコーンエラストマーの長期使用温度範囲として-45℃～200℃を挙げていますが、使用温度範囲の限界付近では部品レベルでの検証が必要であると警告しています。ロジャース社は、BISCOセルラーシリコーンシリーズの使用温度範囲として-55℃～200℃を挙げています。.

重要なのは、パンフレットに記載されている最高温度ではありません。重要なのは、部品が圧縮、伸張、または液体にさらされた状態で、数百回の加熱サイクルを経た後に何が起こるかということです。硬度、伸び、圧縮永久歪み、接着性、電気特性は、必ずしも同じ速度で劣化するとは限りません。.

ポリウレタンは耐熱性がありますが、その使用可能温度範囲は化学組成によって大きく異なります。米国化学工業協会（ACC）は、一部のポリウレタン製品では150～180℃付近で非燃焼性の熱分解が始まる可能性があると指摘しています。これは分解に関する警告であり、推奨される使用温度範囲ではありません。特定のポリウレタングレードの連続使用限界は通常これよりもはるかに低く、技術データシートで確認する必要があります。.

紫外線、オゾン、屋外での風化

シリコーンは、露出したシール、照明部品、屋外筐体、ガラス接合部などにおいて、一般的にリスクの低い選択肢となります。シリコーンは、シリコンと酸素の骨格構造により、紫外線やオゾンに対する高い耐性を備えています。ダウ社は、構造用シリコーンシーラントについて、紫外線、熱、湿度、オゾン、極端な温度変化に対する耐性があると説明しています。.

ポリウレタンについては、より具体的な質問が必要です。そのシステムは芳香族系か脂肪族系か、また、どのような安定剤やコーティング剤で保護されているか、ということです。芳香族ポリウレタンは紫外線によって変色する可能性があります。変色は必ずしも即座に機械的故障につながるわけではありませんが、目に見える部品にとっては重要であり、表面の劣化を示す兆候となる場合があります。脂肪族系システムは色の安定性を向上させますが、通常は配合コストが高くなります。.

初期の引張強度データが許容範囲内に見えるため、チームは風化の影響を過小評価しがちです。実際の違いは、数ヶ月にわたる日光、湿気、熱膨張・収縮によって明らかになります。黒色の工業用ローラーと白色の外装用シールでは、許容基準が異なります。.

長期的な密閉性と圧縮回復

熱にさらされる静的ガスケットの場合、シリコーンは汎用ポリウレタンよりもシール力を維持する能力に優れていることが多い。圧縮永久歪みが低いことが重要となるのは、ガスケットが損傷していないように見えても、接触圧力が低下する可能性があるためである。.

圧縮永久歪み値は誤用されやすい。固体ゴム用のASTM D395と発泡ゴム用のASTM D3574では、試験片と試験手順が異なる。温度、圧縮率、回復時間、試料の厚さなど、すべてが結果に影響を与える。試験条件が一致する場合にのみ、値を比較する。.

キャビネット用ガスケットやバッテリーケースの場合、初期圧縮力だけでなく、ギャップ許容値、目標圧縮力、力の緩和、閉鎖荷重、経年劣化後の回復力なども検査します。柔らかいガスケットを過度に圧縮すると、材質自体が適切であっても、耐用年数が短くなる可能性があります。.

清潔性、生体適合性、および食品接触用途

シリコーンは広く使用されています ベビー用品, 台所用品、医療機器部品、チューブ、バルブなどに使用されるのは、適切なグレードであれば耐熱性、柔軟性、きれいな成形性を兼ね備えることができるからです。しかし、すべてのシリコーングレードが適しているわけではありません。 食品安全基準または医療グレード.

適合性は、正確な配合と完成品の試験範囲に関係します。FDA 21 CFR 177.2600、LFGB勧告、USPクラスVI、およびISO 10993は、それぞれ異なる疑問に答えています。顔料、後硬化条件、離型剤、接着剤、および印刷は、完成品に影響を与える可能性があります。材料を承認する前に、配合宣言書と関連する試験報告書を要求してください。.

ポリウレタンを選ぶべきタイミングは？

部品が滑り摩耗、転がり接触、衝撃、高荷重を受ける場合、またはシリコーンでは効率的に提供できない硬度レベルが必要な場合は、ポリウレタンを選択してください。.

耐摩耗性、耐切創性、耐引裂性

ポリウレタンは、車輪、ローラー、スクレーパー、駆動部品、保護パッド、鉱山機械部品、マテリアルハンドリング部品などにおいて、一般的に最も優れた選択肢となります。米国化学工業協会は、ポリウレタンエラストマーの特性として、耐摩耗性、耐衝撃性、耐切創性、耐引裂性、耐油性、耐溶剤性を挙げています。BASF社は、耐荷重性と耐摩耗性が性能を左右する産業用車輪にもポリウレタンを採用しています。.

この利点は理論上の話ではありません。繰り返し接触すると、シリコーン表面は端が研磨されたり、欠けたり、裂けたりする可能性がありますが、ポリウレタン部分は荷重を支え続けます。破損は、標準的な引張試験片の中央ではなく、ゲートマーク、鋭角な角、接合界面、または局所的な応力集中部から始まることが多いのです。.

耐摩耗性については、DIN 53516やASTM D5963などの試験方法を用いて具体的に明記してください。「優れた耐摩耗性」といった表現だけでは、サプライヤーを比較検討するには不十分です。.

耐荷重性と衝撃挙動

ポリウレタンは、高い引張強度、引裂強度、耐荷重性を持ちながら、弾性も維持するように配合することができる。そのため、バンパー、ショックアブソーバー、ホイール、カップリング、保護部品などへの応用が可能である。.

硬度だけではこの挙動を説明することはできません。ショアA硬度80の2つの材料でも、弾性率、反発力、ヒステリシス、引裂強度、発熱量は異なる場合があります。動的なホイールには、荷重、速度、デューティサイクル、ハブ設計、動作温度、許容可能なフラットスポット挙動など、様々な要素を考慮する必要があります。より硬いコンパウンドは耐荷重性を高めることができますが、振動伝達量が増え、内部発熱量も変化します。.

幅広い硬度と加工オプション

ポリウレタンは、鋳造エラストマー、軟質および硬質フォーム、コーティング剤、接着剤、シーラント、熱可塑性ポリウレタンなど、幅広い用途に使用されます。この幅広い範囲により、エンジニアは、標準的なシリコーンゴム製品よりも、硬度、密度、反発力、減衰性、加工方法などをより柔軟に調整できます。.

トレードオフとなるのは、配合の感度です。「ポリウレタン」は単一の材料ではありません。ポリエステル、ポリエーテル、ポリカーボネートの軟質セグメントはそれぞれ異なる挙動を示します。イソシアネートの化学反応も、紫外線安定性、機械的特性、加工性に影響を与えます。ショア硬度だけを一定に保つサプライヤーの変更でも、耐用年数は変化する可能性があります。.

塗装性および接着性

塗装が必要な建築接合部やアセンブリには、ポリウレタンシーラントの方が簡単に組み込める場合が多い。多くのシリコーン表面は塗装が難しく、 絆を築くのが難しい プラズマ処理、プライマー、またはシリコーン専用接着剤を使用せずに。.

これを「ポリウレタンの方が接着力が強い」と一般化しないでください。接着力は、基材、表面エネルギー、汚染、プライマー、接合部の動き、硬化条件、接着剤の化学組成によって異なります。ガラス、陽極酸化アルミニウム、塗装金属、ABS樹脂、ナイロン、未処理ポリプロピレンは、それぞれ異なる検証が必要です。.

熱、水、化学物質は意思決定にどのような影響を与えるのか？

正解は、曝露時間、濃度、温度、および機械的ストレスによって異なります。室温での短時間の拭き取り試験では、80℃での連続浸漬を予測することはできません。.

水と加水分解

シリコーンは吸水性が低く、一般的に湿度の高い環境や濡れた環境でも優れた性能を発揮します。ポリウレタンの性能は、ソフトセグメントの化学組成に大きく左右されます。ポリエーテルポリウレタンは、一般的にポリエステルポリウレタンよりも加水分解耐性に優れています。ポリエステルグレードは、優れた機械的特性と耐油性を示す場合がありますが、高温水や高湿度に長時間さらされると強度が低下する可能性があります。.

短時間の室温浸漬ではどちらのグレードも合格する可能性があるため、この点はしばしば見落とされがちです。加水分解は熱によって促進されます。湿潤環境で使用されるポリウレタン部品については、合意された劣化条件後の引張強度保持率、伸び保持率、硬度変化、および寸法変化を検査してください。.

油、燃料、溶剤、酸、アルカリ

どちらのポリマーファミリーもすべての点で勝つわけではない 化学物質への曝露. シリコーンは、一部の燃料、油、非極性溶剤中で膨潤することがあります。ポリウレタンは油や摩耗に対して優れた耐性を示すことがありますが、濃酸やアルカリ溶液によって劣化するグレードもあります。BASFは、ポリウレタンの耐薬品性は暴露時間、温度、濃度、化学物質の種類によって変化し、膨潤や分子鎖の切断によって劣化が生じる可能性があると指摘しています。.

ASTM D471または関連するアプリケーション規格に基づいた浸漬試験を実施してください。体積変化、質量変化、硬度、引張強度、および外観状態を記録してください。ベースポリマーだけでなく、着色された化合物自体も試験してください。.

成形部品にはどちらの材料が適していますか？

部品の形状と体積は、特性チャートよりも先に製造ルートを決定する可能性がある。.

シリコーン成形ルート

高粘度シリコーンゴム 配合や形状に応じて、圧縮成形、トランスファー成形、押出成形、射出成形が可能です。液状シリコーンゴムは、2成分計量システム、コールドランナー、加熱金型を使用します。LSRは、金型と基材が適切に設計されていれば、大量生産部品、薄肉部品、自動離型、オーバーモールディングに適しています。.

シリコーン製金型 パーティングラインとベント部分のバリを制御する必要があります。低粘度LSRは非常に小さな隙間にも入り込む可能性があります。そのため、金型の適合性、真空度、射出圧力、クランプの安定性は、一般的な材料比較で示唆される以上にバリに影響を与えます。.

ポリウレタン成形ルート

キャストポリウレタンは、少量から中量生産、厚肉部品、ローラー、ホイール、大型エラストマー部品に適しています。反応射出成形は、より大型の部品や複雑な形状の部品の成形に適しています。TPUは、熱可塑性樹脂成形装置を用いて射出成形または押出成形できます。.

多くのポリウレタン系材料において、水分管理は極めて重要です。ポリオール、プレポリマー、充填剤、金型、そして周囲の空気から水分が混入する可能性があります。水分はイソシアネートと反応し、二酸化炭素、気泡、空隙、あるいは特性のばらつきを引き起こすことがあります。そのため、乾燥、混合比、脱気、金型温度、後硬化といった工程は、プロセス仕様に必ず盛り込まれるべき事項です。.

シリコーンはポリウレタンよりも高価ですか？

シリコーンは通常、材料価格が高いが、ポリマーの種類だけでは個数あたりの価格を予測することはできない。.

正しい比較対象は、必要な耐用年数における部品の総コストです。シール力が早期に低下する安価なガスケットは、決して安価ではありません。研磨接触によって急速に摩耗する高級シリコンローラーも、良い買い物とは言えません。.

シリコーンとポリウレタンの実用的な選択方法

許容できない最初の障害が発生するようなアプリケーション制限値を使用してください。.

1. 連続温度とピーク温度を、サイクル数と滞留時間を含めて定義します。.
2. 静荷重、動荷重、圧縮、滑り速度、および衝撃頻度を記録する。.
3. 濃度、温度、曝露時間とともに、流体の一覧を示します。.
4. 屋外暴露条件、紫外線、オゾン、湿度、および求められる外観について定義してください。.
5. 圧縮永久歪み、摩耗損失、引張強度保持率、硬度変化、膨潤、および変色について、測定可能な許容限界を設定する。.
6. 試験方法と故障モードを照合した後にのみ、材料の種類と等級を選択してください。.
7. 成形品が意図した製造工程に基づいて製造されていることを検証してください。銘板やサプライヤーのデータシートには、ゲート、溶接部、ニットライン、接着インサート、製造ばらつきなどの情報は記載されていません。.

見積もり前に必要な情報は何ですか？

適切な材料選定のためには、図面、年間生産量、目標硬度、使用温度範囲、負荷条件、化学物質への曝露状況、必要寿命、色、適合範囲、および現在の故障モードをお送りください。既存部品を交換する場合は、その部品の材質グレードと試験報告書も併せてお送りください。.

シリコーンは、耐熱性、耐候性、長期シーリングにおいてより優れた特性を発揮します。ポリウレタンは、耐摩耗性、耐衝撃性、耐荷重性においてより優れた特性を発揮します。最終的な選択は、ポリマー名ではなく、グレード、形状、製造プロセス、検証条件によって決まります。.

技術参考文献

• Xometry：シリコーン vs. ポリウレタン
• ロジャースBISCOシリコーン材料の概要
• ダウ社製シルガード186シリコーンエラストマー技術データ
• アメリカ化学評議会：ポリウレタンCASEアプリケーション
• アメリカ化学評議会：ポリウレタンの熱分解に関するガイダンス
• BASF：エラストランの化学的性質