加硫

加硫前にタイヤを金型に入れる作業員

加硫（かっそう、英: vulcanisation ）は、ゴムを硬化させる一連のプロセスである。[ 1 ]この用語はもともと天然ゴムを硫黄と熱で処理することのみを指し、現在でも最も一般的な方法である。また、様々な方法による他の（合成）ゴムの硬化も加硫に含まれるようになった。例としては、室温加硫によるシリコーンゴムや、金属酸化物を用いたクロロプレンゴム（ネオプレン）などが挙げられる。

加硫はエラストマーの硬化と定義することができ、この文脈では「加硫」と「硬化」という用語は互換的に使用されることがあります。加硫は、ポリマー鎖のセクション間に架橋を形成することで機能し、その結果、材料の剛性と耐久性が向上し、機械的および電気的特性にも変化が生じます。[ 2 ]加硫は、他の熱硬化性ポリマーの硬化と同様に、一般的に不可逆的です。

この言葉は、火山の熱と硫黄と関連づけられた神であるウルカヌスに基づいて、ウィリアム・ブロッケドン（この方法で英国特許を取得したトーマス・ハンコックの友人）によって提案された。[ 3 ]

歴史

加硫により得られたローラーホッケーボール

古代メソアメリカ文化では、ゴムはボール、サンダルの底、ゴムバンド、防水容器の製造に使用されていました。[ 4 ]ゴムは硫黄を豊富に含む植物の汁を使って硬化させられ、これは初期の加硫方法でした。[ 5 ]

1830年代、チャールズ・グッドイヤーはゴム製タイヤを強化する製法を考案しました。当時のタイヤは熱で柔らかく粘着性になり、道路の破片が堆積してパンクしていました。グッドイヤーはゴムを加熱して他の化学物質を混ぜることを試みました。これによりゴムが硬化して改良されるように見えましたが、これは加熱自体によるものであり、使用した化学物質によるものではありませんでした。これに気づかず、グッドイヤーは発表した硬化処方が一貫して機能せず、何度も挫折しました。1839年のある日、ゴムに硫黄を混ぜようとした際、グッドイヤーは誤って混合物を熱いフライパンの中に落としました。驚いたことに、ゴムはさらに溶けたり蒸発したりする代わりに、硬いままで、熱を上げるにつれてゴムは硬くなりました。グッドイヤーはこの硬化のための一貫したシステムを開発し、1844年までにその方法の特許を取得して工業規模でゴムを生産していました。

1843年11月21日、イギリスの発明家トーマス・ハンコックは、硫黄を用いたゴムの加硫に関する特許を取得しました。これは、チャールズ・グッドイヤーがアメリカで同様の特許を取得する8週間前の1844年1月30日でした。ハンコックの特許取得にあたり、グッドイヤーが入手したアメリカ産ゴムのサンプルを検査したかどうか、また、そのようなサンプルを検査することでグッドイヤーのプロセスを再現するのに十分な情報が得られていたかどうかについては、諸説あります。

アプリケーション

加硫材料の用途は多岐にわたり、その例としては、ゴムホース、靴底、玩具、消しゴム、ホッケーのパック、ショックアブソーバー、コンベアベルト、[ 6 ]振動マウント/ダンパー、断熱材、タイヤ、ボウリングボールなどが挙げられます。[ 7 ]ほとんどのゴム製品は加硫処理されており、これにより寿命、機能、強度が大幅に向上します。

概要

熱可塑性プロセス（現代のほとんどのポリマーの挙動を特徴付ける溶融-凍結プロセス）とは対照的に、加硫は他の熱硬化性ポリマーの硬化と同様に、一般的に不可逆的です。一般的に使用されている硬化システムには以下の5種類があります。

  1. 硫黄系
  2. 過酸化物
  3. 金属酸化物
  4. アセトキシシラン
  5. ウレタン架橋剤

硫黄による加硫

2人の工場労働者がゴムチューブを加硫機に入れている（1918年）

最も一般的な加硫法は硫黄に依存しています。硫黄自体は遅い加硫剤であり、合成ポリオレフィンを加硫しません。加速加硫は、架橋の速度論を変更するさまざまな化合物を使用して行われます。[ 8 ]この混合物は、しばしばキュアパッケージと呼ばれます。硫黄加硫の対象となる主なポリマーは、ほとんどの路上車両タイヤに使用されているポリイソプレン（天然ゴム）とスチレンブタジエンゴム（SBR）です。キュアパッケージは、基材と用途に合わせて特別に調整されます。反応部位（キュアサイト）はアリル水素原子です。これらのCH結合は、炭素-炭素二重結合（>C=C<）に隣接しています。加硫中、これらのCH結合の一部は、別のポリマー鎖のキュアサイトに結合する硫黄原子の鎖に置き換えられます。これらの架橋は、1個から数個の原子を含みます。架橋中の硫黄原子の数は、最終的なゴム製品の物理的特性に大きな影響を与えます。架橋が短いほどゴムの耐熱性は向上します。硫黄原子数の多い架橋はゴムの動的特性は向上しますが、耐熱性は低下します。動的特性は、走行中のタイヤのサイドウォールの動きなど、ゴム製品の屈曲動作において重要です。良好な屈曲特性がなければ、これらの動きによって急速に亀裂が生じ、最終的にはゴム製品の破損につながります。

ポリクロロプレンの加硫

ネオプレンまたはポリクロロプレンゴム（CRゴム）の加硫は、現在多くの天然ゴムや合成ゴムに使用されている硫黄化合物ではなく、金属酸化物（具体的にはMgOとZnO、場合によってはPb 3 O 4 ）を使用して行われます。さらに、さまざまな加工要因（主にスコーチ、つまり熱の影響によるゴムの早期架橋）のため、促進剤の選択は他のジエンゴムとは異なる規則に従います。従来使用されている促進剤のほとんどはCRゴムの硬化時に問題があり、最も重要な促進剤はエチレンチオ尿素（ETU）であることが判明しています。これはポリクロロプレンに対する優秀で実績のある促進剤ですが、生殖毒性があると分類されています。2010年から2013年まで、欧州のゴム業界では、ETUの使用に代わるより安全な代替品を開発するためのSafeRubberという研究プロジェクトが実施されました。[ 9 ]

シリコーンの加硫

液状シリコーンゴム（LSR）成形の典型的なシリコーンゴムキーパッドの例

室温加硫型（RTV）シリコーンは、反応性油性ポリマーと強化鉱物フィラーを配合して製造されています。室温加硫型シリコーンには2種類あります。

  1. RTV-1（一成分系）は、大気中の湿度、触媒、アセトキシシランの作用により硬化します。アセトキシシランは、湿度の高い環境にさらされると酢酸を生成します。[ 10 ]硬化プロセスは外表面から始まり、中心部まで進行します。製品は気密カートリッジに充填されており、液体またはペースト状です。RTV-1シリコーンは、優れた接着性、弾力性、耐久性を備えています。ショア硬度は18～60の範囲で調整可能です。破断伸びは150%～700%の範囲です。優れた紫外線耐性と耐候性により、優れた耐老化性を備えています。
  2. RTV-2（2成分系）。混合すると室温で硬化し、固体エラストマー、ゲル、または柔軟なフォームとなる2成分系製品です。RTV-2は-80～250℃（-112～482℉）の温度範囲で柔軟性を維持します。350℃（662℉）を超えると分解し、不活性で不燃性のシリカ沈殿物を残します。誘電特性を有するため、電気絶縁材として使用できます。機械特性も良好です。RTV-2は、フレキシブル金型の製造に加え、産業用途や医療用途の多くの技術部品にも使用されています。

参照

参考文献

  1. ^ Akiba, M. (1997). 「エラストマーの加硫と架橋」.高分子科学の進歩. 22 (3): 475– 521. doi : 10.1016/S0079-6700(96)00015-9 .
  2. ^ James E. Mark、Burak Erman、FR Eirich編 (2005). 『ゴムの科学と技術』 p. 768. ISBN 0-12-464786-3。
  3. ^ハンコック、トーマス（1857年）『イギリスにおけるカウチュークまたはインドゴム製造の起源と発展に関する個人的物語』ロンドン：ロングマン、ブラウン、グリーン、ロングマンズ＆ロバーツ社、107ページ。
  4. ^ Tarkanian, M., & Hosler, D. (2011). アメリカ初のポリマー科学者：メソアメリカにおけるゴムの加工、利用、輸送. ラテンアメリカ古代誌, 22(4), 469-486. doi:10.7183/1045-6635.22.4.469
  5. ^ 「MITの研究者、古代メソアメリカでゴムが加工されていたことを発見」 News.mit.edu 1999年7月14日. 2021年10月25日閲覧。
  6. ^ 「加硫ゴムの用途と利点に関するガイド」 Martins Rubber、2020年1月27日。 2021年6月16日閲覧。
  7. ^ 「加硫ゴム」 2019年4月6日. 2021年6月16日閲覧。
  8. ^ Hans-Wilhelm Engels、Herrmann-Josef Weidenhaupt、Manfred Pieroth、Werner Hofmann、Karl-Hans Menting、Thomas Mergenhagen、Ralf Schmoll、Stefan Uhrlandt 「ゴム、4. 化学物質と添加剤」、ウルマン工業化学百科事典、2004 年、Wiley-VCH、ワインハイム。土井： 10.1002/14356007.a23_365.pub2
  9. ^ 「クロロプレンゴムの製造工程におけるチオ尿素系促進剤のより安全な代替品」cordis.europa.eu . 2024年4月25日閲覧。
  10. ^ 「赤色RTVシリコーンのMSDS」（PDF）。2022年10月9日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2011年6月24日閲覧。
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