ポリスチレン（PS）とポリウレタン（PU）の違いと製造技術【プラスチック業界の技術者向け】

PSとPUの概要

ポリスチレン（PS）の基本特性

ポリスチレンはスチレンモノマーのラジカル重合によって得られる熱可塑性樹脂です。
ガラス転移温度は約100℃で、室温では硬く透明な外観を示します。
無極性であるため吸水率が低く、電気絶縁性に優れます。
一方で衝撃に弱く、耐薬品性も限定的です。
コポリマー化や発泡体化によって脆さや比重を改善することが一般的です。

ポリウレタン（PU）の基本特性

ポリウレタン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または熱可塑性樹脂です。
硬質フォームから軟質エラストマーまで幅広い弾性と硬度を設計可能です。
極性基を多く有するため、耐摩耗性や耐油性に優れ、接着性も高いです。
ただし吸水による加水分解や紫外線による黄変が課題となります。

分子構造と物性の比較

ガラス転移温度と耐熱性

PSは芳香族主鎖の剛直性により高いガラス転移温度を持ち、高温下でも形状を維持しやすいです。
PUはハードセグメントとソフトセグメントの相分離構造が特徴で、熱軟化温度は配合により大きく変動します。
熱硬化型PUフォームは架橋構造により高耐熱を示しますが、熱可塑型TPUは80〜120℃で軟化する配合も存在します。

機械的強度と靭性

PSは高剛性ですが脆性破壊を起こしやすく、アイゾッド衝撃強度は約15J/m程度にとどまります。
一方PUは水素結合ネットワークがエネルギーを吸収するため靭性が高く、エラストマーグレードでは300％以上の伸びを示すこともあります。

化学的耐性

PSは芳香族溶媒やハロゲン系溶媒に溶解しやすく、酸化剤にも弱いです。
PUは極性溶媒への耐性が比較的高いものの、強酸やアルカリでウレタン結合が加水分解します。
したがって屋外用途では表面コーティングや添加剤による保護が不可欠です。

製造プロセスの違い

PSの重合反応とプロセス制御

PSはバルク、懸濁、溶液、マスフロー重合など複数の工業的手法が確立されています。
バルク重合では転移剤を用いて分子量を制御し、残留モノマーを0.1％以下に抑えることが安全上重要です。
連続マス重合ではスクリューリアクターと逐次脱揮塔を組み合わせ、粘度上昇に伴う撹拌トルクを緩和します。

PUの重縮合反応とフォーム成形の要点

PUの製造はポリオールとイソシアネートのプリポリマー化、添加剤ブレンド、発泡・硬化の三段階で管理します。
反応熱が大きいため原料温度を20〜25℃に調整し、クリームタイムとゲルタイムを秒単位でモニタリングします。
ブローイング剤としてシクロペンタンやHFO系ガスを選定し、セル構造を均一化することでλ値を0.020W/m·K以下に達成できます。

成形加工技術

射出成形におけるPSの注意点

PSは熱履歴に強いものの、滞留による分子量低下で黄変しやすいです。
シリンダー温度は180〜240℃、金型温度は40〜60℃が一般的です。
脆性低減のためにはスプルー径を大きく取り、せん断過多を防ぐ設計が推奨されます。

発泡体技術におけるPUの応用

PUフォームではゲルタイム内にセル核生成が完結するよう触媒バランスを取ります。
硬質フォームは金型内圧を0.25MPa前後に制御し、密度分布を±3kg/m³以内に抑えることで機械的強度のばらつきを最小化します。
スラブフォームでは連続発泡機のミキシングヘッド高さをリアルタイムで調整し、セルクローズ率95％以上を確保します。

リサイクルと環境対応

PSリサイクル技術の最新動向

機械的リサイクルでは溶融再生時の熱劣化を防ぐため、二軸押出機に真空脱揮ゾーンを設け、揮発分を0.05％以下に除去します。
ケミカルリサイクルでは触媒クラッキングによりスチレンモノマーへ90％以上回収する技術がパイロットスケールで実証されています。
ポストコンシューマー材の異物選別には近赤外線分光と静電分離を組み合わせ、純度99％を達成しています。

PUケミカルリサイクルの挑戦

PUは架橋構造のため機械的リサイクルが困難で、グリコール分解やアミノール分解が主流です。
グリコール分解ではポリオール回収率80％、色価APHA200未満を目標に、亜鉛系触媒を使用した連続リアクターが研究されています。
また熱可塑型TPUはマテリアルリサイクルが可能であり、脱揮温度を230℃以下に保つことで物性低下を最小限にできます。

今後の開発トレンドと技術者への提言

サーキュラーエコノミーの流れから、PSではモノマーリカバリー技術の商業化が加速すると予測されます。
食品包装用途でのリサイクル原料使用率30％以上という規制案に備え、品質管理体制の構築が急務です。
PUにおいてはバイオマス由来ポリオールや低GWP発泡剤の採用が拡大し、LCAで50％以上のCO₂削減達成が目標となります。
技術者には、重合設計から成形、リサイクルまで一貫したプロセスインテグレーションの視点が求められます。
特に反応動力学データとプロセスシミュレーションを融合し、開発期間を短縮するアプローチが競争力を左右します。
PSとPUは用途も製造ロジックも大きく異なりますが、いずれも環境対応と高機能化の両立が今後の鍵となります。
設計段階でリサイクル性を織り込むエコデザイン思考を取り入れ、持続可能なプラスチック産業の構築に貢献しましょう。