ポリウレタンとポリエチレンの射出成形技術における違いと製品特性

射出成形におけるポリウレタンとポリエチレンの基礎知識

ポリウレタン（PU）はイソシアネートとポリオールの反応で生成する熱可塑性または熱硬化性エラストマーです。
分子鎖に軟質セグメントと硬質セグメントが存在し、弾性と強度を両立できる点が特長です。
一方、ポリエチレン（PE）はエチレンを重合した結晶性が高い熱可塑性樹脂で、種類はLDPE、HDPE、LLDPEなどに分かれます。
結晶化度が高く、化学的安定性と低摩耗係数を持つため、汎用樹脂の代表格として幅広い分野で採用されています。

成形プロセスの違い

金型温度と射出温度の設定

PUはグレードにもよりますが、溶融粘度が高く熱分解温度と加工温度の差が小さいため、シリンダー温度の制御がシビアです。
一般に射出温度は180〜230℃、金型温度は30〜60℃が目安となります。
対してPEは熱安定性が高く、HDPEで220〜260℃、LDPEで170〜220℃程度と広い加工窓を持ち、金型は20〜50℃で十分射出が可能です。
そのためPEの方が設備負荷やエネルギーコストを抑えやすいといえます。

保圧・冷却時間の最適化

PUは固化後も分子鎖が再配向しやすく、後収縮が起こりやすいので保圧時間を長めに取ります。
冷却後も金型内で1〜2秒静置し、取り出し後の熱歪みを防止する運用が推奨されます。
PEは結晶化が進む際に体積収縮が発生しますが、固化が早いため短サイクル成形が可能です。
冷却水路やヒートパイプを最適配置すればサイクルタイムをさらに短縮できます。

ガス発生と脱気対策

PUの射出では原料に残留する湿気や端材再生時に吸収した水分がイソシアネートと反応し、CO₂ガスを生成します。
結果としてボイドや銀条が発生するため、乾燥前処理とベント構造が不可欠です。
PEは吸湿性が極めて低く、加水分解も起こさないため乾燥工程を省略できる場合が多いですが、リサイクル材に混入した紙粉や水分には注意が必要です。

成形品の機械的特性比較

耐摩耗性・耐衝撃性

PUはゴム弾性と高強度を併せ持ち、特に引張強度20〜60 MPa、伸び300〜700 %と高性能です。
ショアA 70〜98まで硬度調整が可能で、キャスターやシール材のような高い耐摩耗用途に最適です。
PEはグレード差が大きいものの、HDPEで引張強度25 MPa前後、伸び600 %程度と靭性が高く、低温衝撃にも優れています。
滑り性と自己潤滑性により、搬送部品やライニング材で重宝されています。

寸法精度と収縮率

PUの収縮率は0.4〜0.6 %程度で、ガラス繊維やナノフィラーで補強すると0.2 %まで低減可能です。
PEは結晶化度が高く、LDPEで1.5〜2.5 %、HDPEで1.0〜1.8 %と大きめです。
密閉構造部品や高精度ギアにはPUが有利ですが、PEでもインモールド補強や金型補正で対処できます。

表面仕上げと外観

PUは高光沢にも梨地にも応じやすく、加飾転写やレーザーマーキングの密着性が高いです。
PEはワックス成分が表面にブリードアウトしやすく、金属蒸着など二次加工前に火炎処理やコロナ処理が必要となる場合があります。

品質不良とトラブルシューティング

ボイド・気泡

PUは前述のガス発生が主原因です。
乾燥温度80℃、4時間以上の充分なプレドライと、0.02 MPa以上のバキュームベントで気泡を抑制できます。
PEでは巻き込み空気が原因になることが多く、スクリュー回転数の低減と背圧の最適化で解決できます。

ウェルドライン・フローマーク

PUは粘度が高く、流動端で温度が下がるとウェルド強度が低下します。
射出速度を2段階に設定し、金型温度を上げると効果的です。
PEは樹脂の自己融着性が高いのでウェルド強度は問題になりにくいですが、流動仕上面に蛇行模様が出ることがあります。
これは金型温度を5〜10℃上げてフローを滑らかにすることで改善できます。

反り・歪み

PUは肉厚差が大きいと後収縮により反りが生じます。
リブ形状を均一化し、保圧を段階的に下げることで低減可能です。
PEは結晶化収縮が支配的なので、成形品を金型内で冷却し過ぎず、熱応力を徐々に開放させると歪みを抑制できます。

代表的な用途と市場動向

自動車分野

PUはバンパーコア、制振ブッシュ、ステアリングホイールで広く使われています。
軽量化と静粛性向上を両立できるため、EV市場で採用が拡大しています。
PEは燃料タンク、ウォッシャーボトル、配線プロテクターで採用実績が豊富です。
HDPEタンクは低温衝撃に強く、EV向け冷却水配管でも需要が伸びています。

医療・ヘルスケア

医療用PUは生体適合性が高く、カテーテル部材や人工皮革として利用されています。
射出成形で精密バルブやポンプ部品を量産できる点が評価されています。
PEは使い捨てシリンジ、点滴ボトル、医療トレーなど衛生管理が重要な一次包装に最適です。
γ線やEOG滅菌に耐えるグレードも開発され、医療物流でも不可欠な存在です。

包装・物流

PEフィルムは柔軟でシール性が高く、食品包装で圧倒的シェアを持ちます。
注型PUと組み合わせたハイブリッドパレットは耐荷重と軽量性を両立し、リユース物流で導入が進んでいます。

環境面・リサイクル性の比較

PEは機械的リサイクルが確立しており、粉砕・ペレット化して再射出が可能です。
一方で熱履歴により分子量が低下し、脆化しやすい課題があります。
PUは異種成分が複雑で機械的リサイクルが困難ですが、ケミカルリサイクルによるポリオール回収技術が商業化段階に入りました。
バイオベースイソシアネートやCO₂固定型ポリオールの開発が進み、カーボンニュートラル材料への置き換えも期待されています。

材料選定のポイントと今後の技術展望

高い耐摩耗性、弾性、寸法安定性が求められる場合はPUを、軽量で安価かつ化学的安定性が必要な場合はPEを選択するのが基本です。
近年はポリウレタンエラストマーの射出成形対応グレードが増え、従来の押出・ブローから転換する動きが見られます。
またPEでは射出発泡技術の進展により、クッション性と軽量性を兼ね備えた新用途が開拓されています。
PUとPEのアロイ化や多層成形により両者の長所を取り込んだ複合材料も実用化されつつあります。
成形プロセスのAI最適化、IoTによる金型温調制御技術が普及すれば、歩留まり向上と脱炭素が同時に実現できるでしょう。
射出成形技術者は材料特性だけでなく、リサイクル可能性やライフサイクルCO₂の視点も含め、最適な樹脂と成形条件を提案することが今後ますます求められます。