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加硫（英: vulcanisation ）は、ゴムを硬化させる一連のプロセスである。[1]この用語はもともと硫黄による天然ゴムの処理のみを指し、現在でも最も一般的な方法である。また、さまざまな手段による他の（合成）ゴムの硬化も含まれるようになった。例としては、室温加硫によるシリコーンゴムや金属酸化物を使用したクロロプレンゴム（ネオプレン）などがある。
加硫はエラストマーの硬化と定義することができ、この文脈では「加硫」と「硬化」という用語は互換的に使用されることがあります。加硫はポリマー鎖のセクション間に架橋を形成することによって機能し、剛性と耐久性の向上、および材料の機械的および電気的特性のその他の変化をもたらします。[2]加硫は、他の熱硬化性ポリマーの硬化と同様に、一般的に不可逆的です。
この言葉はウィリアム・ブロックドン（この方法で英国特許を取得したトーマス・ハンコックの友人）が提案したもので、火山の熱と硫黄に関連する神であるバルカンに由来している。[3]
歴史
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古代メソアメリカ文化では、ゴムはボール、サンダルの底、ゴムバンド、防水容器の製造に使用されていました。[4]ゴムは硫黄を多く含む植物のジュースを使用して硬化され、これは加硫の初期の形態でした。[5]
1830 年代、チャールズ グッドイヤーはゴム製タイヤを強化するためのプロセスを考案しました。当時のタイヤは熱で柔らかく粘着性になり、道路の破片がたまってパンクしていました。グッドイヤーはゴムを加熱して他の化学物質を混ぜることを試みました。これによりゴムが硬化して改善されたように見えましたが、これは加熱自体によるもので、使用した化学物質によるものではありませんでした。これに気づかなかったグッドイヤーは、発表した硬化処方が一貫して機能しなかったため、何度も挫折しました。1839 年のある日、ゴムと硫黄を混ぜようとしたとき、グッドイヤーは誤って混合物を熱いフライパンに落としました。驚いたことに、ゴムはさらに溶けたり蒸発したりするのではなく、硬いままで、熱を上げるとゴムは硬くなりました。グッドイヤーはこの硬化のための一貫したシステムを考案し、1844 年までにプロセスの特許を取得し、ゴムを工業規模で生産していました。[要出典]
アプリケーション
加硫材料の用途は多岐にわたり、その例としては、ゴムホース、靴底、玩具、消しゴム、ホッケーパック、ショックアブソーバー、コンベアベルト、[6]振動マウント/ダンパー、断熱材、タイヤ、ボウリングボールなどがあります。[7]ほとんどのゴム製品は加硫されており、これにより寿命、機能、強度が大幅に向上します。
概要
熱可塑性プロセス（現代のポリマーのほとんどに特徴的な挙動である溶融凍結プロセス）とは対照的に、加硫は他の熱硬化性ポリマーの硬化と同様に、一般的に不可逆的です。一般的に使用されている硬化システムには次の 5 種類があります。
- 硫黄系
- 過酸化物
- 金属酸化物
- アセトキシシラン
- ウレタン架橋剤
硫黄による加硫
最も一般的な加硫法は硫黄に依存しています。硫黄自体は遅い加硫剤であり、合成ポリオレフィンを加硫しません。加速加硫は、架橋の速度論を変更するさまざまな化合物を使用して実行されます。[8]この混合物は、しばしば硬化パッケージと呼ばれます。硫黄加硫の対象となる主なポリマーは、ほとんどの路上車両タイヤに使用されているポリイソプレン（天然ゴム）とスチレンブタジエンゴム（SBR）です。硬化パッケージは、基材と用途に合わせて調整されます。反応部位（硬化部位）はアリル水素原子です。これらのCH結合は、炭素-炭素二重結合（>C=C<）に隣接しています。加硫中、これらのCH結合の一部は、別のポリマー鎖の硬化部位にリンクする硫黄原子の鎖に置き換えられます。これらの架橋には、1個から数個の原子が含まれます。架橋内の硫黄原子の数は、最終的なゴム製品の物理的特性に大きな影響を与えます。架橋が短いとゴムの耐熱性は向上します。硫黄原子の数が多い架橋ではゴムの動的特性は向上しますが、耐熱性は低下します。動的特性は、走行中のタイヤのサイドウォールの動きなど、ゴム製品の屈曲動作にとって重要です。優れた屈曲特性がなければ、これらの動きによってすぐに亀裂が生じ、最終的にはゴム製品が故障することになります。
ポリクロロプレンの加硫
ネオプレンまたはポリクロロプレンゴム（CRゴム）の加硫は、現在多くの天然ゴムや合成ゴムで使用されている硫黄化合物ではなく、金属酸化物（具体的にはMgOとZnO、場合によってはPb 3 O 4 ）を使用して行われます。さらに、さまざまな加工要因（主にスコーチ、つまり熱の影響によるゴムの早期架橋）のため、促進剤の選択は他のジエンゴムとは異なる規則に従います。従来使用されている促進剤のほとんどは、CRゴムの硬化時に問題があり、最も重要な促進剤はエチレンチオ尿素（ETU）であることが判明しています。これは、ポリクロロプレンに対する優れた実証済みの促進剤ですが、生殖毒性があると分類されています。2010年から2013年まで、欧州のゴム業界では、ETUの使用に代わるより安全な代替品を開発するためのSafeRubberという研究プロジェクトがありました。[9]
シリコーンの加硫
室温加硫型 (RTV)シリコーンは、反応性油性ポリマーと強化鉱物充填剤を組み合わせて作られています。室温加硫型シリコーンには 2 種類あります。
- RTV-1（1成分系）; 大気中の湿度、触媒、アセトキシシランの作用により硬化します。アセトキシシランは、湿気のある条件にさらされると酢酸を形成します。[10]硬化プロセスは外表面から始まり、中心に向かって進行します。製品は気密カートリッジに詰められており、液体またはペースト状です。RTV-1シリコーンは、優れた接着性、弾力性、耐久性を備えています。ショア硬度は18～60の範囲で変化します。破断伸びは150%～700%の範囲です。紫外線や風化に対する優れた耐性により、優れた耐老化性を備えています。
- RTV-2 (2 成分システム)。混合すると室温で硬化し、固体エラストマー、ゲル、または柔軟なフォームになる 2 成分製品。RTV-2 は、-80 ～ 250 °C (-112 ～ 482 °F) の温度で柔軟性を保ちます。350 °C (662 °F) を超える温度で分解し、不燃性で燃えにくい不活性シリカ堆積物を残します。誘電特性があるため、電気絶縁に使用できます。機械的特性は良好です。RTV-2 は、柔軟な金型の製造や、産業および医療用アプリケーション向けの多くの技術部品の製造に使用されます。
参照
参考文献
- ^ Akiba, M (1997). 「エラストマーの加硫と架橋」.ポリマー科学の進歩. 22 (3): 475–521. doi :10.1016/S0079-6700(96)00015-9.
- ^ James E. Mark、Burak Erman、FR Eirich編 (2005)。ゴムの科学と技術。p. 768。ISBN 0-12-464786-3。
- ^ ハンコック、トーマス（1857）。イギリスにおけるカウチュークまたはインドゴム製造の起源と発展に関する個人的な物語。ロンドン：ロングマン、ブラウン、グリーン、ロングマンズ、ロバーツ。p. 107。
- ^ Tarkanian, M., & Hosler, D. (2011). アメリカ初のポリマー科学者: メソアメリカにおけるゴムの加工、使用、輸送。ラテンアメリカの古代、22(4), 469-486. doi:10.7183/1045-6635.22.4.469
- ^ 「MITの研究者らが、古代メソアメリカでゴムが加工されていたことを発見」News.mit.edu 1999年7月14日2021年10月25日閲覧。
- ^ 「加硫ゴムの用途と利点に関するガイド」Martins Rubber 2020年1月27日2021年6月16日閲覧。
- ^ 「加硫ゴム」 。 2021年6月16日閲覧。
- ^ Hans-Wilhelm Engels、Herrmann-Josef Weidenhaupt、Manfred Pieroth、Werner Hofmann、Karl-Hans Menting、Thomas Mergenhagen、Ralf Schmoll、Stefan Uhrlandt 「ゴム、4. 化学物質と添加剤」、ウルマン工業化学百科事典、2004、Wiley- VCH、ワインハイム。土井：10.1002/14356007.a23_365.pub2
- ^ 「クロロプレンゴムの製造工程におけるチオ尿素系促進剤のより安全な代替品」cordis.europa.eu 。 2024年4月25日閲覧。
- ^ 「赤色RTVシリコーンのMSDS」(PDF)。2022年10月9日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。 2011年6月24日閲覧。