ポリウレタン（PU）とポリオレフィンの機械的特性比較と成形方法の違い

ポリウレタン（PU）とポリオレフィンの概要

ポリウレタン（PU）はイソシアネートとポリオールの反応によって得られる熱硬化性あるいは熱可塑性樹脂です。
高い弾性と耐摩耗性を持ち、軟質フォームから硬質エラストマーまで幅広い形態で利用されます。
一方、ポリオレフィンはエチレンやプロピレンを重合して得られる熱可塑性樹脂の総称で、代表的なものにポリエチレン（PE）とポリプロピレン（PP）が挙げられます。
軽量で耐薬品性に優れるため、包装材や自動車部品など多岐にわたる分野で採用されています。

機械的特性の比較

引張強度と伸び

PUは分子鎖間で形成されるウレタン結合により高い結合エネルギーを持ち、引張強度は30〜60MPa、破断伸びは400％を超えるグレードもあります。
特にエラストマータイプではゴムに匹敵する伸長性を示します。
対してポリオレフィンの引張強度はPE-LDで8〜20MPa、PE-HDで20〜35MPa、PPで30〜40MPa程度です。
破断伸びはPEで500％と高いものの、弾性復元力ではPUに劣ります。

硬度と弾性率

PUはショアA60からD80まで硬度設計が自由であり、衝撃吸収性と耐摩耗性を両立できます。
ヤング率は0.01〜0.2GPaと比較的低く、外力を受けても破断しにくい性質があります。
ポリオレフィンのヤング率はPE-LDで0.2GPa、PE-HDで1GPa前後、PPで1.5GPa程度と高く、剛性部材に適しますが低温で脆化しやすい欠点があります。

耐摩耗性と疲労特性

PUは自己潤滑性と分子鎖の可逆変形により耐摩耗性と動的疲労強度に優れます。
高負荷の搬送ローラーやライニング材で長寿命を実現できます。
ポリオレフィンは表面が柔らかく摩擦係数も低いものの、連続摩耗では白化やクラックが生じやすく、厚肉設計が必要になります。

耐熱性と耐候性

熱硬化性PUは120℃前後まで連続使用可能であり、短時間なら150℃に耐えます。
しかし紫外線に弱く、屋外用途では黄変や物性低下が起こりやすいためUV吸収剤や顔料での対策が必須です。
ポリオレフィンの耐熱上限はPEで80℃、PPで100℃程度と低い一方、紫外線劣化も早いため同様に安定剤の添加が求められます。

成形方法の違い

ポリウレタンの成形法

PUは主に注型、インジェクション、ブロー成形、スラッシュ成形が利用されます。
1液もしくは2液の樹脂を金型に直接注入し、その場で発泡・架橋させる反応成形（RIM）が特徴です。
金型温度や混合比により硬度や気泡構造を制御できるため、異形状でも寸法精度の高い成形が可能です。
ただしイソシアネートの取扱いには厳格な安全管理が必要で、設備投資と熟練オペレーションが求められます。

ポリオレフィンの成形法

ポリオレフィンは熱可塑性の利点を活かし、射出成形、押出成形、ブロー成形、フィルムインフレーションなど多彩なプロセスが確立されています。
低粘度グレードは薄肉フィルムに適し、高粘度グレードは中空容器やパイプの押出に適合します。
成形温度領域が200〜250℃と比較的広く、再加熱して再成形もできるため量産効率とリサイクル性に優れます。

加工条件と歩留まり

PUは化学反応時間が品質を左右するため、金型温度80〜110℃、注入後のキュア時間5〜15分を厳守する必要があります。
混合不良や含水により気泡欠陥が発生しやすく、歩留まりは70〜90％で推移します。
対照的にポリオレフィンは溶融粘度と冷却速度が管理ポイントとなり、金型温度20〜60℃、冷却時間30〜60秒と短く、歩留まりは概ね95％以上です。

コスト比較

原料単価はPUが300〜600円/kg、ポリオレフィンが150〜250円/kgとPUが高価です。
さらにPUの成形サイクルは長く、設備も2液混合機や温調ユニットを必要とするため、トータル加工コストはポリオレフィンの2〜3倍になるケースもあります。
しかし高機能性で部品点数を削減できる場合、トータルコストで逆転することもあります。

環境負荷とリサイクル性

PUは熱硬化性の場合ケミカルリサイクルが主流であり、解重合による原料回収や熱分解油化が研究されています。
一方、熱可塑性PUは粉砕して再ペレット化するマテリアルリサイクルが可能ですが、物性は一段劣化します。
ポリオレフィンはマテリアルリサイクルが確立しており、カスケード利用も含めリサイクルループが構築されています。
燃焼時の発熱量は高いものの塩素などの有害元素を含まないため、エネルギー回収もしやすい利点があります。

用途事例

PUは高耐摩耗エラストマーとして印刷ローラー、油圧シール、スケートボードホイールに使用されます。
発泡体は自動車シート、断熱材、履物ミッドソールで不可欠な材料です。
ポリオレフィンは食品包装フィルム、家庭用品、車載バンパー、ライフライン用パイプなど大量消費材が中心です。

選定指針

1. 高負荷下での耐摩耗性と弾性を求める場合はPUが最適です。
2. 軽量化と量産コストを重視する場合はポリオレフィンが有利です。
3. リサイクル性、ガスバリア性、耐薬品性などの副次要件も評価し、複合材料や表面改質による機能付与を検討します。

まとめ

ポリウレタンは高弾性・高耐摩耗性を軸に高付加価値部材で優位性を発揮し、ポリオレフィンは低コスト・軽量・汎用性の広さで大量生産に適します。
両材料の機械的特性と成形方法の違いを理解し、製品仕様、生産規模、環境要件を総合的に比較することが最適材料選択への近道となります。