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材料科学において、熱硬化性ポリマー（しばしば熱硬化性樹脂と呼ばれる）は、軟質固体または粘性液体のプレポリマー（樹脂）を不可逆的に硬化（「硬化」）することによって得られるポリマーである。[ 1 ]硬化は熱または適切な放射線によって誘発され、高圧または触媒との混合によって促進されることがある。熱は必ずしも外部から加えられる必要はなく、多くの場合、樹脂と硬化剤（触媒、硬化剤）との反応によって発生する。硬化は、ポリマー鎖間に広範な架橋を形成する化学反応をもたらし、不融で不溶性のポリマーネットワークを生成する。
熱硬化性樹脂の原料は、硬化前は通常、可鍛性または液状であり、最終形状に成形できるように設計されていることが多い。また、接着剤として使用されることもある。熱硬化性樹脂は、一度硬化すると溶融して再成形することはできない。これに対し、熱可塑性ポリマーは一般的にペレット状で製造・流通され、溶融、プレス、または射出成形によって最終製品の形状に成形される。
熱硬化性樹脂を硬化させると、ポリマーの個々の鎖間に共有結合が形成されることによる架橋または鎖延長によって、プラスチックまたはエラストマー（ゴム）に変化します。架橋密度は、モノマーまたはプレポリマーの混合物と架橋のメカニズムによって異なります。
末端または主鎖に不飽和部位を有するアクリル樹脂、ポリエステル、ビニルエステルは、一般的に不飽和モノマー希釈剤との共重合によって連結され、電離放射線から生成されるフリーラジカル、またはラジカル開始剤の光分解または熱分解によって硬化が開始される。架橋の強度は、プレポリマーの主鎖の不飽和度によって影響を受ける。[ 2 ]
エポキシ官能性樹脂は、アニオン触媒またはカチオン触媒と熱を用いてホモ重合するか、多官能性架橋剤（硬化剤または硬化剤とも呼ばれる）との求核付加反応によって共重合することができる。反応が進むにつれて、より大きな分子が形成され、高度に分岐した架橋構造が発達する。硬化速度は、エポキシ樹脂と硬化剤の物理的形態と機能によって影響を受ける[ 3 ]。高温での後硬化は、主鎖のヒドロキシル官能基の二次架橋を誘発し、縮合してエーテル結合を形成する。
イソシアネート樹脂とプレポリマーを低分子量または高分子量ポリオールと組み合わせるとポリウレタンが形成され、求核付加重合を制御するには厳密な化学量論比が不可欠である。架橋度と結果として得られる物理的タイプ（エラストマーまたはプラスチック）は、イソシアネート樹脂、プレポリマーの分子量と官能基、および選択されたジオール、トリオール、ポリオールの正確な組み合わせによって調整され、反応速度は触媒と阻害剤によって大きく影響を受ける。イソシアネート樹脂を長鎖アミン官能基ポリエーテルまたはポリエステル樹脂と短鎖ジアミン延長剤と組み合わせると、ポリ尿素はほぼ瞬時に形成される。アミン-イソシアネート求核付加反応には触媒は必要ない。イソシアネート樹脂が水分と接触するとポリ尿素も形成される。[ 4 ]
フェノール樹脂、アミノ樹脂、フラン樹脂はすべて、水と熱の放出を伴う重縮合によって硬化され、硬化開始と重合発熱の制御は、硬化温度、触媒の選択または添加量、処理方法または圧力によって影響を受けます。樹脂中の予備重合の程度と残留ヒドロキシメチル含有量のレベルが架橋密度を決定します。[ 5 ]
ポリベンゾオキサジンは、化学物質を放出することなく発熱性の開環重合によって硬化するため、重合時に収縮がほぼゼロになります。[ 6 ]
熱硬化性樹脂モノマーとプレポリマーに基づく熱硬化性ポリマー混合物は、熱可塑性ポリマーや無機材料では実現できない独特の硬化特性を生み出すために、さまざまな方法で配合、適用、加工することができる。[ 7 ] [ 8 ]
熱硬化性プラスチックは、結合の三次元ネットワーク（架橋）により、一般的に熱可塑性材料よりも強度が高く、ポリマー鎖間の強い共有結合は容易に切断されないため形状を維持し、分解温度までの高温用途にも適しています。熱硬化性ポリマーの架橋密度と芳香族含有量が高いほど、熱分解や化学攻撃に対する耐性が高くなります。機械的強度と硬度も架橋密度とともに向上しますが、脆さが増します。[ 9 ]通常、溶融する前に分解します。
硬質の熱硬化性樹脂は、荷重がかかると永久変形または塑性変形を起こすことがあります。一方、エラストマーは柔らかく弾力性があり、変形しても荷重が解放されると元の形状に戻ります。
従来の熱硬化性プラスチックやエラストマーは、硬化後に溶融して再成形することができません。そのため、充填材として以外は、同じ目的でのリサイクルは通常できません。 [ 10 ]熱硬化性エポキシ樹脂に関する新しい開発では、制御された密閉加熱によって架橋ネットワークが形成され、シリカガラスのようにガラス転移温度以上に再加熱すると可逆的な共有結合交換反応が起こり、繰り返し再成形が可能になります。[ 11 ]また、一時的な特性を持ち、再加工またはリサイクルが可能な熱硬化性ポリウレタンもあります。[ 12 ]
繊維と混合すると、熱硬化性樹脂は繊維強化ポリマー複合材を形成し、工場で仕上げられた構造用複合材のOEM部品や交換部品の製造[ 13 ]、現場で塗布、硬化、仕上げされた複合材の補修[ 14 ] [ 15 ]および保護材料として使用されます。骨材やその他の固体充填材のバインダーとして使用される場合は、粒子強化ポリマー複合材を形成し、工場で塗布される保護コーティングや部品の製造、現場で塗布および硬化される建設、またはメンテナンス目的で使用されます。
熱硬化性樹脂の用途/プロセス用途および方法には、保護コーティング、シームレス床材、土木工事用接合および注入用グラウト、モルタル、鋳物砂、接着剤、シーラント、鋳造品、ポッティング、電気絶縁、カプセル化、固体発泡体、湿式積層、引抜成形、ゲルコート、フィラメントワインディング、プリプレグ、成形などがあります。
熱硬化性樹脂の成形方法には、以下のようなものがある。