ポリウレタン（PU）、ポリ塩化ビニル（PVC）、およびシリコン（ポリシロキサン）は、接着剤、プラスチック、ゴム、革で広く使用されている3つの材料です。それらの汎用性は驚くべきものです。建設シーラントから車のタイヤやファッショナブルな合成革まで、これらの材料は実質的に遍在しています。しかし、彼らは同じ理由でそのような多様な役割を達成していますか？この記事では、これらの3つの材料の汎用性の背後にあるメカニズムを掘り下げ、分子構造、物理化学的性質、および実用的な用途を調べながら、それらの類似点と相違点を強調しています。研究によると、ポリウレタンとシリコンは主に分子構造の設計を通じて性能調整を達成し、PVCは性能修飾の添加物（塩化ポリビニル - ウィキペディア）に大きく依存していることが示されています。
接着剤、プラスチック、ゴム、革の本質的な違い
3つの材料を分析する前に、接着剤、プラスチック、ゴム、革の本質的な特性を明確にしましょう。
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接着剤： 硬化時に良好な界面の濡れ性と堅牢なネットワーク構造の形成が必要です。
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プラスチック： 通常、射出成形または押し出しに適した、通常、高い弾性率と強度を持っている剛性と成形性を強調します。
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ラバー： エントロピー駆動型の弾性メカニズムに依存して、高い弾力性と変形回復を特徴としています。
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レザー： 伝統的には動物の皮を指しますが、合成革（PVCやシリコンレザーなど）を組み合わせて基板を組み合わせて、本物の革のテクスチャーと耐久性を模倣しています。
これらの特性の実現は、ポリマー鎖の配置、架橋の程度、および基質との相互作用に依存します。次のセクションでは、ポリウレタン、PVC、およびシリコンがこれらの要件をどのように満たしているかを分析します。
ポリウレタンの汎用メカニズム
ポリウレタンは、バックボーンにウレタン結合（–NH – COO–）を含むイソシアネート（–NCO）とポリオール（–OH）のポリ拡張によって形成されるポリマーのクラスです。その汎用性は、次の分子構造的特徴に由来します。
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ソフト/ハードセグメント構造： ソフトセグメント（通常、ポリエーテルまたはポリエステルポリオール）は、柔軟性と弾力性を提供します。ハードセグメント（ジソシアネートとチェーンエクステンダーから形成された）は、水素結合または結晶ドメインを通じて強度と剛性を提供します。
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調整可能な架橋密度： 架橋反応を制御することにより、ポリウレタンは線形熱形成科から3次元ネットワーク構造に移行し、多様なアプリケーションのニーズを満たすことができます。
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微小酵素分離： 柔らかいセグメントとハードセグメントは自然に顕微鏡的に分離し、「結晶領域」に似た物理的な架橋を形成し、材料特性を高めます。
接着剤として
ポリウレタン接着剤（たとえば、単一コンポーネントの湿気硬化タイプ）は、これらのメカニズムを通じて強い結合を達成します。
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水素結合： –NHおよび-COO分子内のグループは、基質表面（金属、木材など）と水素結合を形成し、初期の接着を提供します。
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硬化反応： 水分に接触すると、イソシアネートは水と反応して尿素結合を形成し、結合構造にロックされる3次元架橋ネットワークを作成します。
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アプリケーションの例： PU接着剤は、建設中の木材とコンクリートの結合に使用され、耐水性と急速な硬化特性に非常に好まれています。
プラスチックとして
射出成形または押し出しを介して形成された熱可塑性ポリウレタン（TPU）は、電話の場合、自動車部品、および医療機器で広く使用されています。その重要な特性は次のとおりです。
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ハードセグメントの結晶性： ハードセグメントは、微小酵素分離された結晶ドメインを形成し、強度と剛性を提供します。
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ソフトセグメントの柔軟性： ガラス遷移温度（TG）が低いソフトセグメントは、柔軟性を必要とするアプリケーションに適した弾力性を付与します。
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アプリケーションの例： TPUは、プラスチックの加工性とゴム状の弾力性の組み合わせにより、耐摩耗性の靴底と柔軟なケーブルの硬化に使用されます。
ゴムとして
ポリウレタンエラストマーは、工業用ホイール、アザラシ、靴底で使用される弾力性と耐摩耗性の高いことで有名です。ゴムのような特性は次のとおりです。
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エントロピーの弾力性： ソフトセグメントの低Tgと高い分節モビリティは、伸縮時にエントロピー駆動型リバウンド力を生成します。
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身体架橋： ハードセグメント結晶ドメインは「メモリピン」として機能し、過度のチェーンの動きを制限し、弾性回復を確保します。
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アプリケーションの例： PUエラストマーは、耐摩耗性と高負荷を負担する能力が従来のゴムを上回ることが多いため、コンベアベルトローラーに使用されます。
革として
ポリウレタン合成革（PUレザー）は、ポリウレタン層で布基板をコーティングして作られ、革のようなテクスチャーと耐久性を提供します。その柔らかさと耐摩耗性により、家具、アパレル、自動車のインテリアで広く使用されています。
PVCの汎用メカニズム
PVC（ポリ塩化ビニル）は、塩化ビニルモノマーの重合から形成されたホモポリマーです。その分子構造は比較的単純であり、性能調整は添加物に大きく依存しています。 PVCの剛性または柔軟性は、可塑剤（例：フタル酸塩）によって決定されます。未塑性PVC（UPVC）は硬直していますが、可塑剤を添加すると柔軟になります（塩化ポリビニル - ウィキペディア）。
接着剤として
PVC自体は、一般的に接着剤として使用されていませんが、PVC溶媒セメントなど、PVCの特殊な接着剤が存在します。溶媒セメントは、PVC表面を溶解して従来の界面接着ではなく、永久溶接を形成することにより、「コールド溶接」を介して結合を達成します。
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アプリケーションの例： PVC溶媒セメントは、パイプ接続に使用され、その速い結合と高強度のために建設に広く適用されます。
プラスチックとして
PVCは2つの主要な形式で存在します。
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リジッドPVC（UPVC）： パイプ、ウィンドウプロファイル、クレジットカードで使用され、その高強度と耐薬品性耐性。
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柔軟なPVC（PVC-P）： プラスチック剤を添加して、ワイヤー断熱材、床、膨張型製品に適したガラス遷移温度（TG）を下げることで達成されました。
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アプリケーションの例： パイプを構築するためのUPVC;電線断熱のPVC-P、低コストと処理の容易さで好まれます。
ゴムとして
柔軟なPVCは、ホースとシールのゴム代替品として機能します。その柔軟性は、可塑剤が分子間力を減らすことから生じ、鎖の滑りが容易になります。ただし、可塑剤は移動する可能性があり、パフォーマンスの劣化や環境への懸念につながります。
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アプリケーションの例： 柔軟なPVCは、柔軟性と耐久性のために庭のホースに使用されます。
革として
PVC合成革（PVCレザー）は、PVC層で布基板をコーティングすることにより作られています。その低コストと耐久性により、家具、アパレル、自動車のインテリアで一般的になります。ただし、その環境資格は、有害な物質の放出の可能性があるため、疑問視されています（PVCレザーを購入する前に知っておくべきこと）。
シリコンの汎用メカニズム
シリコン（ポリシロキサン）は、シリコン（SI-O）結合の骨格を持つポリマーのクラスであり、シリコン原子は有機グループ（メチルまたはフェニルなど）に結合します。そのユニークな分子構造は、高温耐性、耐薬品性、および柔軟性を付与します（シリコン - ウィキペディア）。サイドグループと架橋密度を調整することにより、シリコーンは液体、ゲル、ゴム、または樹脂として配合できます。
接着剤として
シリコンシーラントは、建設業と自動車産業で広く使用されている結合とシーリング機能を組み合わせています。それらの結合メカニズムには次のものが含まれます。
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界面湿潤： 低表面エネルギーシリコン分子は、さまざまな基質（ガラス、金属など）を簡単に濡らします。
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湿気硬化： 大気水分を吸収し、弾性ネットワークを形成することにより、単一成分のシリコーンが治癒します。
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アプリケーションの例： シリコンシーラントは、天候の抵抗と弾力性のためにカーテンウォールグレージングを修正します。
プラスチックとして
従来のプラスチックと厳密に同等ではありませんが、シリコン樹脂はコーティングや断熱材に使用でき、プラスチックと同様の成形性を示します。彼らの熱および耐薬品性抵抗性訴訟専用のアプリケーション。
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アプリケーションの例： シリコン樹脂は、高温耐性と絶縁特性のために電気絶縁ワニッシュで使用されます。
ゴムとして
シリコンゴム（室温硫化RTVおよび高温硫化HTVを含む）は、シール、ホース、および医療インプラントで使用される高温耐性と弾力性で知られています。そのゴムの特性は次のとおりです。
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柔軟なバックボーン： SI-O結合の低回転エネルギー障壁は、高いセグメントモビリティを与えます。
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フィラー補強材： シリカのようなフィラーを追加すると、強度と耐摩耗性が向上します。
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アプリケーションの例： シリコンゴムは、熱と耐性のため、自動車シールに使用されます。
革として
シリコンレザーは、シリコンで布基板をコーティングすることによって作られた新興の合成革です。その環境にやさしい、耐久性、洗浄の容易さは、PVCおよびPUレザー（シリコンビーガンレザー）の代替としてそれを位置付けています。
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アプリケーションの例： シリコンレザーは、屋外の家具や自動車インテリアでUVと耐水性のために使用されています。
3つの材料の汎用性の比較
以下の表は、接着剤、プラスチック、ゴム、革の用途におけるPU、PVC、およびシリコンのメカニズムと特性をまとめたものです。
| 材料 | 接着メカニズム | プラスチック特性 | ゴムの特性 | 革の特性 |
|---|---|---|---|---|
| ポリウレタン | 水素結合 +湿気硬化、架橋ネットワークを形成します | TPU：ハードセグメントは剛性を提供し、ソフトセグメントは柔軟性を提供します | エントロピーの弾力性 +物理的架橋、強い耐摩耗性 | PUレザー：柔らかく、耐摩耗性 |
| PVC | 接着そのものではありません。溶媒セメント溶接に依存しています | 剛性/柔軟なPVC：可塑剤によって調整された性能 | 柔軟なPVC：可塑剤は弾力性を提供します | PVCレザー：低コスト、耐久性 |
| シリコーン | 界面湿潤 +湿気硬化、弾性結合 | 樹脂：耐熱性、強い断熱 | シリコンゴム：耐熱性、非常に柔軟性 | シリコンレザー：環境に優しい、耐候性 |
理由の類似点と相違点
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ポリウレタン： その「構造的にプログラム可能な」性質は、ソフト/ハードセグメントの比率と架橋密度を調整することから生じ、パフォーマンスがソフトから剛体まで自由に変化するようにします。この分子設計により、接着剤、プラスチック、ゴムなどの卓越性が可能になります。
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PVC： その汎用性は、主に固有の分子構造の設計ではなく、物理的特性を変える添加物（例えば、可塑剤）に依存しています。 PVCのシンプルなホモポリマー構造は、本質的な調整性を制限しますが、製剤調整により幅広いアプリケーションが依然として達成されます。
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シリコーン： ポリウレタンと同様に、シリコンは、シロキサン鎖と架橋密度でサイドグループを調整することにより、性能調整を実現します。そのユニークなSI-Oバックボーンは、耐熱性と柔軟性を付与し、接着剤、ゴム、革などの優れた性能を可能にします。
したがって、ポリウレタンとシリコンの汎用性は、分子構造の固有の調整性に由来しますが、PVCは性能修正のために外部添加剤に依存しています。 PUとシリコンの構造設計アプローチの類似性は、それらを「構造的なプログラマ性」の概念に近づけますが、PVCのメカニズムは明らかに異なります。
エンジニアがこれらの材料を利用する方法
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ポリウレタン： ソフト/ハードセグメントの比率とクロスリンク密度を調整することにより、高度に弾力性のある靴ソールや耐摩耗性のシールなど、特定の特性を備えた材料を設計できます。
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PVC： 可塑剤の種類と含有量を選択することにより、可塑剤の移動の問題を考慮する必要がありますが、硬いパイプまたは柔軟なワイヤー断熱材を生成できます。
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シリコーン： サイドグループと架橋方法を選択することにより、高温シーラントまたは環境に優しいシリコンレザーを開発することができ、要求の厳しい環境に適しています。
結論
ポリウレタン、PVC、およびシリコンはすべて、接着剤、プラスチック、ゴム、革で使用できますが、汎用性の理由は異なります。ポリウレタンとシリコンは、分子構造設計を通じてパフォーマンスの調整を実現し、「構造的にプログラム可能な」特性を示し、PVCは主に添加物を介したパフォーマンスを修正します。 3つすべてが幅広い用途を見つけますが、PUとシリコンの分子レベルの柔軟性により、材料設計の理想的な選択に近づきますが、PVCの低コストと処理の容易さは、多くの分野で不可欠なままであることを保証します。これらの材料の構造とプロパティの関係を理解することで、エンジニアは適切な材料を選択し、材料科学の革新を促進するのに役立ちます。