工具の通販モノタロウ 化学製品・高分子製品の基礎講座 アクリル樹脂(PMMA,アクリル繊維、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル)

化学製品・高分子製品の基礎講座

私たちは、あらゆるところで多種多様な「化学製品」に囲まれています。 それらの化学製品、あるいは化学物質について、知っておくべきこととは何か。 本連載では、製品の成分や仕様説明に記載されている化学物質、高分子材料について理解できるよう、 化学製品の基礎知識をご紹介していきます。
第5章 主要な高分子材料の種類と特長

5-10 アクリル樹脂(PMMA,アクリル繊維、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル)

アクリル樹脂と呼ばれる高分子は、図に示す広義のアクリル系ポリマー全体を指すこともありますし、ポリアクリル酸エステルだけ、あるいはメタクリル樹脂だけを指すこともあります。ややこしいのは、メタクリル樹脂が私たちの日常生活で最も身近に見られるアクリル樹脂なので、メタクリル樹脂をアクリル樹脂と言うことが多いことです。また、ポリアクリロニトリルの繊維は、ポリエステル、ナイロンと並ぶ三大合成繊維のひとつのアクリル繊維です。これも単に「アクリル」と呼ばれることが多いので混乱に拍車をかけています。

様々なアクリル系ポリマー

アクリル系ポリマーは次の表に示すよく似た構造のモノマーを原料としています。名前に応じて対応するモノマーを主原料にしますが、ポリアクリル酸エステル、ポリアクリロニトリルなどは、しばしば他のモノマーも副原料として使います。エステル基(COOR)のRの部分を表に示すようにいろいろ変えることによって、高分子の硬さを調整したり、高分子になった後でも、なお反応性を持たせたりと、物性、反応性を変えることができます。それによって、熱可塑性アクリル樹脂になったり、熱硬化性アクリル樹脂になったりと変化させることができ、また繊維の染色性を改善することができます。

アクリル系ポリマーの主要なモノマーと構造

その一例としてコンタクトレンズに使われるアクリル樹脂を紹介します。コンタクトレンズには最初にポリメタクリル酸メチルPMMAがハードコンタクトレンズとして使われました。しかし、PMMAでは酸素透過性が低いので、エステル基部分を修飾したシロキサニルメタクリレートやフルオロメタクリレートが開発され、使われています。一方、ソフトコンタクトレンズ(含水レンズ)には、エステル基をヒドロキシエチル基にしたポリメタクリル酸ヒドロキシエチルが開発され、広く使われています。このようにアクリル樹脂は、用途ごとの期待される性能に応じて、容易にエステル基部分を変化させることができる点が長所です。

以下ではアクリル系ポリマーのひとつひとつを説明しましょう。
メタクリル樹脂の中でも、エステル基がメチル基であるポリメタクリル酸メチル(PMMA)は最も古い歴史をもつアクリル樹脂です。しかも現在でも最大の生産量を誇る代表的なアクリル樹脂です。メタクリル樹脂をメタアクリル樹脂と呼ぶ人を見かけることがありますが、これは化学の用語の使い方の上から明らかな間違いです。

PMMAはすべてのプラスチックの中で最も優れた透明性を持ち、比重はガラスの半分、衝撃強さはガラスの数倍で、耐候性に優れ、長期間屋外に曝されても劣化、変色が少ない優れた樹脂です。プラスチックの中では非常に早く開発され、1930年代前半に工業化されて、すぐに航空機の風防ガラスとして使われました。現在では透明性を生かした用途に広く使われています。光ファイバーは、ガラス製が長距離用途に対して、PMMA製は自動車内、家庭内などの短距離用に広く使われています。水族館の大型水槽や北海道・旭山動物園で有名になった複雑な形の水槽はPMMAでなければつくれない用途です。このほか、液晶ディスプレイの導光板、ビデオカメラのレンズ、サングラス、自動車のランプカバーレンズ、計器板カバーなどにも使われています。透明でなく、白色など不透明に着色しているので身近にありながら意外に気付かない用途が、ビルなどで社名などを表示している看板です。看板はPMMAの板製品の大きな用途です。

ポリアクリル酸エステルは、アクリル酸エステル単独で、またはメタクリル酸エステルやスチレンなどとの共重合体として塗料、接着剤、粘着剤に使われます。すでに説明したようにエステル基の部分を変えることによって熱可塑性を熱硬化性ポリマーに、また溶剤溶解性(油性)を水溶性(水性)ポリマーに変えることができます。通常の塗料のほか自動車用の焼付塗料などもつくることができます。アクリル塗料は1950年代に普及し、透明感のあるきれいな塗装面が特徴です。しかし、その後に出現したウレタン塗料やシリコン塗料などに比べてひび割れしやすく、現在では押されています。アクリル樹脂が耐候性に優れるとは言っても、塗り替えを行わなければならない期間の点で後発の優れた樹脂には劣ります。しかし、アクリル塗料は安価で使いやすい塗料という長所があります。熱硬化性ポリアクリル酸エステルはFRP(繊維強化プラスチック)として高級な浴槽、化粧台などに使われます。不飽和ポリエステル樹脂に比べて美しく、耐候性、耐水性に優れます。

アクリル酸ナトリウムにアクリル酸エステルや酢酸ビニル(あとでケン化)などを共重合し、さらに適度に架橋したポリマーは、紙おむつなどに最もよく使われる高吸水性樹脂として知られています。この樹脂はアクリル樹脂の中では最も新しく1980年代に工業化されました。COOマイナスイオンやOH基をもつポリマーの網目の中に水がとらえられ、スポンジと異なって押しても水が出ません。しかも網目自体が比較的柔らかいので大きく膨潤することができます。

アクリロニトリルを主体に、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステルなどを共重合したポリアクリロニトリルは、鮮やかな染めのセーター、毛布、じゅうたんなどになるアクリル繊維として使われます。またガスバリア性を生かして食品包装用フィルム、シートにも使われます。一方、アクリル繊維を不活性化ガス中でゆっくりと焼成するとPAN系炭素繊維になります。PAN系炭素繊維は東レ、三菱ケミカル、東邦テナックス(帝人子会社)の3社で世界の7割を占める、日本が誇る高機能材料です。1970年代に釣竿、テニスラケットなどから始まった長年にわたる開発活動によって、最近は航空機本体や翼、風力発電の羽根など非常に大型のプラスチック製品(エポキシ樹脂とのFRP製品)がつくられるようになりました。

アクリルアミドは、アクリロニトリルを加水分解してつくられます。金属触媒法に代わるバイオ法が1980年代に日本で開発されました。ポリアクリルアミドは成形材料でないので、一般には知られていないポリマーです。しかし、高分子凝集剤として廃水処理、下水処理には不可欠な、社会を縁の下で支えている薬剤です。アクリルアミドだけの重合でつくられるポリアクリルアミドは非イオン性の高分子凝集剤ですが、アクリル酸ソーダとの共重合体はアニオン性、またアクリルアミドのアミド基やアクリル酸のカルボン酸基を修飾してつくられる4級アミン塩の付いたポリマーはカチオン性高分子凝集剤になります。このようにすべてのイオン性、非イオン性高分子凝集剤をつくることができるので下水汚泥の脱水、懸濁物質を多く含む産業廃水の清澄化、鉱物の湿式精錬における不純物の除去など様々な用途に対応できます。一方、ポリアクリルアミドは製紙工程でも不可欠な薬剤です。紙は水に懸濁させたパルプを抄紙してつくられます。ポリアクリルアミドはパルプを凝集することによって、ろ水性向上剤・歩留まり向上剤として働くだけでなく、出来上がった紙を強くし、破れにくくする紙力増強剤としても使われます。

このようにアクリル樹脂は成形用プラスチック、合成繊維用樹脂から、塗料・接着剤用樹脂、さらには様々な高分子薬剤と、非常に広範な分野に使われています。

執筆: 日本化学会フェロー 田島 慶三

『化学製品・高分子製品の基礎講座』の目次

第1章 化学製品を理解するための基本

第2章 化学製品の利用に当って留意すべき法規制

第3章 化学製品の基本

第4章 高分子製品を理解するための基本

第5章 主要な高分子材料の種類と特長

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