シリコーンの初歩とシリコーン製品

1.はじめに

 シリコーンは面白い物質です。非常に軟らかいものから硬いものまで作ることができ、ゴムや樹脂、オイルなどさまざまな形態のシリコーン製品が存在します。シリコーンは優れた耐熱性、耐寒性、耐薬品性、撥水性を持ち、生活用品、電子機器、建築、輸送機器、工業用途などさまざまな分野で使用されています。ここでは、シリコーンの基本的知識と代表的なシリコーン製品について易しく解説します。

2.無機物と有機物

  地球上の物質は、金属や岩石、水、空気、塩類などの無機物と植物、動物、合成樹脂・ゴム、油などの有機物から成っています。無機物の固体は、一般に硬くて燃えにくい性質があります。一方、有機物の固体は一般に軟らかく、燃え易くて燃えると二酸化炭素と水を発生します。

 それではシリコーンは有機物、無機物のどちらに属するのでしょうか? 大雑把に言えば、シリコーンは、無機物と有機物の構造、性質を併せ持った物質と言うことができます。

 物質を高分子に限定して見た場合、広い意味で無機の高分子として石英やガラスを挙げることができます。石英やガラスの分子は、ケイ素と酸素からなる-Si-O-結合を主骨格としています。一方、有機高分子は炭素-炭素による-C-C-結合、あるいは炭素と酸素による-C-O-結合を主骨格としています。シリコーンの分子は、ケイ素と酸素から成る-Si-O-結合を主骨格としているので、その点では無機物の構造になっています。シリコーンは、主骨格が無機の-Si-O-結合(シロキサン結合)を持つことでその特異な性質が発揮されます。

3.シリコンとシリコーン

 世の中では、シリコンという言葉とシリコーンという言葉が混同して使われています。シリコン(Silicon)はケイ素原子や金属ケイ素などのことを指しますが、シリコーン(Silicone)は、-Si-O-結合に有機基が付いた高分子化合物のことを指します。また、広義には、有機ケイ素化合物全般をシリコーンと言う場合もあります。

 シリコーンは、主骨格が無機のシロキサン結合を持つため、耐熱性、耐候性、耐薬品性に優れます。また、シロキサン結合の結合状態を変化させることで、液体(シリコーンオイル)、ゴム(シリコーンゴム)、樹脂(シリコーンレジン)などの様々なシリコーン製品が生み出されています。

4.シロキサン結合

 シリコーンは分子中にシロキサン結合を持っていますが、シロキサン結合は特異な性質を持っています。ざっと記述すると次のような特徴があります。

 ①Si-Oの結合エネルギーが大きい。 → 耐熱性、耐候性、化学的安定性
 ②Sl-O結合はイオン結合性を持っている。→ 耐酸性、耐アルカリ性が弱い。
 ③Si-O結合の回転エネルが-が小さい。→柔軟性が高い。変形しやすい。
 ④らせん状の分子構造 → 柔軟性が高い。
 ⑤メチル基が表面を覆っている。 → 低表面張力、撥水性、耐寒性フォームの始まり

5.シリコーンの構造とシリコーン製品

 シリコーン製品の代表的なものとして、シリコーンオイル、シリコーンゴム、シリコーンレジンが挙げられます。これらシリコーン製品の違いは、シリコーンの骨格構造と架橋状態に由来しています。

 シリコーンの骨格構造は、M単位、D単位、T単位、Q単位の4つの単位より構成されています。

 シリコーンオイルやシリコーン生ゴムは、柔軟性のあるD単位が鎖状につながり、両端にM単位がついています。シリコーンオイルとシリコーン生ゴムは同じような構造をしていますが、シリコーンオイルが液体であるのに対してシリコーンゴムが固体状なのは、シリコーン成形物が架橋構造を取って分子同士が結合しているためです。

 シリコーンレジンは、T単位が基本となって3次元の架橋構造を形成しています。構造中にD単位を入れると柔軟になり、Q単位を入れるとより硬質になります。4つの単位の組合せによりさまざまな性質のシリコーンレジンを作ることができます。図8にT単位とD単位から成るシリコーンレジンの構造の一例を示しました。図8では構造中のシラノール基Si-OH同士が縮合して架橋・硬化します。

6.シリコーンオイルの用途と種類

 シリコーンオイルは、有機系のオイルに比べ耐熱・耐寒性に優れており、安全性が高いことから電気絶縁用や加熱・冷却用の媒体、化粧品、塗料添加剤、泡消剤など広い分野で使われています。

 シリコーンオイルには、有機基にメチル基やフェニル基などを持つストレートシリコーンオイルの他に、有機基の一部を別の有機基に置き換えた変性シリコーンオイルがあります。ストレートシリコーンオイルはシリコーンの持つ耐熱・耐寒性や低表面張力を生かした使われ方をしますが、変性シリコーンオイルは置き換えられた有機基により、水溶性、乳化性、吸着性、反応性などの機能を有し、その機能を利用した使われ方をします。図10にシリコーンオイルの分類を示しました。

7.シリコーンゴムの用途と種類

 シリコーンゴムは、他の合成ゴムに比べて耐熱性、耐寒性、耐候性に優れおり、さらに電気特性、低圧縮永久ひずみ、反発弾性、離型性に優れていることから電気・電子機器、建築、輸送機器、医療、食品などさまざま分野で利用されています。

 シリコーンゴムは、加熱硬化タイプと室温硬化タイプのものがあります。加熱硬化タイプは、ミラブルタイプのHCR(High Consistency Rubber)と液状タイプのLSR(Liquid Silicone Rubber)の2種類があります。室温硬化タイプは液状でRTV(Room Temperature Valcanization)と呼ばれます。

シリコーンゴムの硬化形態は、主に有機過酸化物を架橋剤に用いる過酸化物架橋型、白金触媒を用いる付加架橋型、縮合架橋型の3種類に分けられます。

 過酸化物架橋型のシリコーンゴムは、硬化の際に他のタイプのシリコーンゴムよりも高温にかける必要があります。また、反応生成物が発生するので用途によっては注意が必要です。このタイプのシリコーンゴムは、家電や事務機器、機械部品、輸送機器などに用いられています。

 付加架橋型のシリコーンゴムは、比較的低温で硬化でき反応生成物が発生しないことから、電気電子部品、事務機器、食品関係、自動車、医療機器などに用いられています。

 縮合架橋型のシリコーンゴムは室温硬化型のゴム(RTV)で多く用いられており、一液タイプのものは空気中の水と反応してアルコールや酢酸、オキシムなどの反応生成物を発生します。

8.シリコーンレジンの用途と種類

 シリコーンレジンは、耐熱・耐候性、電気絶縁性や撥水性に優れており、硬いものから軟らかいものまで作ることができます。これらの特徴を利用して、耐熱塗料、建物等の外装塗料、樹脂の難燃剤、防汚剤、電気絶縁・光学用のコーティング剤などさまざまな製品に使用されています。

 前述した通り、シリコーンレジンの性質は、その構成単位に大きく影響を受けますが、ケイ素原子に直結する有機基の種類によっても影響を受けます。有機基がメチル基から成るシリコーンレジンは硬く、絶縁性、撥水性のある皮膜を形成しますが、メチル基の一部がフェニル基に置き変わったメチルフェニルシリコーンレジンは耐熱性や機械的特性に優れています。

 この他にもエポキシ樹脂やアルキッド樹脂など他の樹脂で変性させ、有機樹脂の特徴とシリコーンレジンの特徴を併せ持つ変性シリコーンレジンも存在します。

9.まとめ

 以上、シリコーンの基本的な知識とシリコーン製品について解説致しましたが、シリコーン製品はその応用製品まで入れると非常に多岐に渡ってます。シリコーンオイル一つとってみても、乳化剤、消泡剤、整泡剤、樹脂改質剤、繊維処理剤、塗料改質剤などさまざまな使われ方をします。本解説では、シリコーンの入り口ということで基本的な部分のみ説明しましたが、皆さんがこれからシリコーンを理解するきっかけになれば幸いです。

参考文献

1)シリコーン大全 日刊工業新聞社
2)シリコーン材料ハンドブック トーレ・シリコーン株式会社
3)信越化学工業株式会社 シリコーンオイルカタログ