ポリウレタンとシリコーンゴムの違いと成形法【技術者のためのガイド】

ポリウレタンとシリコーンゴムの基礎構造の違い

ポリウレタンはイソシアネートとポリオールの反応で生成されるウレタン結合を主骨格とします。
ハードセグメントとソフトセグメントが相分離したブロック共重合体のため、硬度や弾性を配合で広範囲に調整できます。

シリコーンゴムはSi–O–Siの無機骨格にメチル基などの有機基が結合したシロキサン鎖から成ります。
無機骨格ゆえに耐熱性・耐候性が高く、－50℃から200℃超まで弾性を保持します。

この骨格差が物性、成形性、用途選定を大きく左右します。

機械的物性の比較

引張強度と伸び

ポリウレタンエラストマーは引張強度20～70 MPa、伸び300～700 %と高い機械強度を示します。
シリコーンゴムは引張強度6～12 MPa、伸び200～600 %で柔軟性は高いものの、機械強度ではポリウレタンに劣ります。

耐摩耗性

ミクロ相分離したハードセグメントが充填剤の役割を果たすため、ポリウレタンの摩耗体積は天然ゴムの1/5程度です。
シリコーンゴムは摩耗には弱く、摺動部品向けには不向きです。

圧縮永久ひずみ

室温での圧縮永久ひずみはポリウレタンで10～15 %、シリコーンゴムで15～25 %です。
高温150℃ではシリコーンの方が低下が緩やかで、長期シールに適します。

熱的・化学的特性の比較

ポリウレタンの連続使用温度は－40～90℃が一般的で、耐熱グレードでも120℃付近が限界です。
シリコーンゴムは200℃でも物性保持率70 %程度を維持し、オーブン周辺やエンジンルームで採用されています。

耐薬品性ではポリウレタンが鉱油、燃料に強い一方、加水分解で劣化しやすい課題があります。
シリコーンゴムは酸・アルカリに比較的安定ですが、非極性溶剤での体積膨張が顕著です。

ポリウレタンの主な成形法

射出成形（TPU）

熱可塑性ポリウレタン（TPU）は180～220℃で可塑化し、汎用射出機で成形できます。
サイクルタイム30～60 秒と短く、大量生産に適しますが、金型温度の管理が物性均一化の鍵となります。

反応射出成形（RIM）

ポリオールとイソシアネートを金型内で反応させ発泡させる方法です。
低粘度のため複雑形状を充填しやすく、自動車バンパーや大型外装に採用されています。

注型（キャストウレタン）

前ポリマーと硬化剤を減圧脱泡後、加熱金型に注入する工法です。
硬度ショアA20からD80まで自由設計でき、ベルト、ロール、ダンパーなど中ロット品で実績があります。

シリコーンゴムの主な成形法

圧縮成形

HTV（高温加硫型シリコーン）コンパウンドをプリフォームし、上型と下型で加熱圧縮します。
ゴムライクな自由形状が得られますが、バリ取りやトリミング工程が不可欠です。

インジェクション成形（HTV）

スクリュー可塑化後に金型へ高速充填し、170～200℃で数分加硫します。
バリが少なく、自動車Oリングや医療プラグで採用されています。

液状シリコーンゴム射出（LSR）

二液混合の低粘度シリコーンをコールドランナー方式で射出し、90～150 秒で加硫します。
精密成形性が高く、乳児用乳首や電装シールに広く使用されます。

金型設計のポイント

ポリウレタン射出型では、放熱性確保のためアルミニウム合金型が多用されます。
反応熱に備え、ベント溝を0.02 mm以下に設計しガス抜きを行います。

シリコーンゴム金型はスチール材が一般的で、LSRではコールドランナーブロックを装備します。
ゲート径は材料粘度に合わせφ0.6～1.0 mm、真空引き機構を備えると巻き込み気泡を低減できます。

材料選定フローチャート

・使用温度が150℃以上　→　シリコーンゴムを第一候補
・耐摩耗部品、85℃以下　→　ポリウレタンを推奨
・燃料接触がある　→　ポリウレタン（ポリエーテル系）
・食品・医療接触　→　医療グレードLSR
・透明性重視　→　光学用シリコーンまたはTPUクリアグレード

コスト・量産性の比較

TPU射出成形のサイクルコストはABSの1.2～1.4倍で、月産万個規模でも採算が取れます。
シリコーンLSRは材料単価が高いものの自動バリレス成形で歩留まり90 %超を確保でき、総コストは圧縮成形の約70 %に低減します。

キャストウレタンは室温注型が可能で初期投資が小さく、試作から中量産まで柔軟に対応できますが、硬化時間が2～4 時間と長く自動化には不向きです。

品質管理とトラブルシューティング

ポリウレタンは含水率0.05 %を超えると泡ブリスターが発生します。
乾燥温度80℃、4 時間以上の予乾燥を推奨します。

シリコーンゴムでは加硫不足による圧縮永久ひずみ悪化が問題になります。
ゴム硬度計でショアA5ポイント低い場合は加硫時間を20 %延長してください。

環境・リサイクル性

TPUは熱可塑性のため粉砕リペレット後の再成形が可能で、10～20 %まで物性劣化が軽微です。
シリコーンゴムは熱硬化型でリサイクルが難しく、粉体充填材としての再利用が主流です。
新技術としてプラズマ分解によるシラノール回収が研究されています。

まとめ

ポリウレタンは高い機械強度と耐摩耗性を武器に、産業用ローラーや燃料系シールで活躍します。
シリコーンゴムは優れた耐熱・耐候性、医療適合性から自動車、家電、医療分野で欠かせません。
成形法も射出、注型、LSRと多岐にわたり、量産性や初期投資、複雑形状の自由度などで最適解が異なります。

技術者は要求性能、使用環境、ロット規模、コスト制約を総合評価し、材料と成形プロセスを選定することが重要です。
本ガイドが設計・試作段階での迅速な判断に役立つことを願います。