【コラム】ポリマー産業におけるNIR分光法:QCおよび製品スクリーニングのための理想的なツール―第5部
2021/07/26
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ポリウレタンの歴史
1937年、ドイツ人化学者オットー・バイヤー博士(1902~1982年)が、私たちがポリウレタンと呼ぶ多用途なプラスチック分類を発明しました。ポリウレタンは実に多様な形態で存在しています―コーティング剤や接着剤から、靴底、マットレス、断熱用フォームに至るまで、数多くの製品に使用されています。その特性の多様性にもかかわらず、これらの異なる形態の根底にある化学は驚くほど類似しています。
第二次世界大戦中、ポリウレタンの使用は、当時高価で入手困難であったゴムの代替として普及するようになりました。1950年代頃には、ポリウレタンは、接着剤、エラストマー、硬質フォーム、そして現在使用されているような柔軟性のあるクッションフォームなどに使用されるようになりました。
今日では、ポリウレタンのない生活を想像することは難しく、身の回りのいたるところで簡単に見つけることができます。
ポリウレタンはどのように作られますか?
ポリウレタンは、ポリオール(すなわち、1分子中に2つ以上の反応性水酸基を含むアルコール)を、ジイソシアネートまたはポリマー状イソシアネートと反応させることで形成されます。必要に応じて、適切な触媒や添加剤が使用されます。ポリウレタンの製造には、多様なジイソシアネートと幅広いポリオールのいずれもが使用できるため、さまざまな用途の特定の要件を満たすために、広範なスペクトルのポリウレタン材料を製造することが可能です。ポリウレタンは、硬質フォーム、柔軟性フォーム、特殊接着剤、耐薬品性コーティング剤、シーラント、エラストマーなど、さまざまな形態で現れます。
ポリウレタンの物理的・化学的特性
ポリウレタンの特性は、その製造プロセスに大きく依存します。ポリオール鎖(図1)が長く柔軟である場合、最終製品は柔らかく弾力性のあるものになります。一方、架橋の程度が非常に高い場合、最終的なポリウレタン製品は硬く剛性のあるものになります。ポリウレタンの架橋構造は一般的に三次元網目構造から成り、これが非常に高い分子量をもたらします。この構造はまた、ポリウレタンが熱にさらされても通常軟化したり溶融したりしないことから、このポリマーの熱硬化性の性質も説明しています。
ポリウレタンの最も一般的な形態の一つがフォームです。この形態は、ウレタン重合プロセス中に二酸化炭素ガスの生成を促進することで作られます。
ポリウレタンの主な用途
ポリウレタンの主な用途は、フォーム(硬質および柔軟性)の製造です。ポリウレタンのその他の重要な用途・使用法を以下に挙げます。
- 低密度で柔軟性のあるポリウレタンフォームは、マットレスや自動車の座席に広く使用されています。
- 浴室・キッチン用スポンジは一般的にポリウレタンから作られています。座席クッションやソファの製造工程にも使用されています。
- ポリウレタンは、一部の衣料品や室内装飾品に使用される繊維の製造にも使用されています。
- 優れた断熱特性を持つため、ポリウレタン材料は建築工事に一般的に使用されています。
- ポリウレタン成形品は、柱やドア枠にも使用されています。
- 柔軟性のあるポリウレタンは、部分的に弾力性のあるストラップやバンドの製造に使用されています。
- ポリウレタンの低密度エラストマーは、履物産業で広く使用されています。
表1では、さまざまなポリウレタン特性が、ゴム、金属、プラスチックなどの他の従来型材料と比較されています。
表1. ゴム、金属、およびプラスチックと比較したポリウレタン
| PU vs. ゴム | PU vs. 金属 | PU vs. プラスチック |
|---|---|---|
| 高い耐摩耗性 | 軽量 | 高い耐衝撃性 |
| 高い耐切創性および耐引裂性 | 騒音低減 | 弾性記憶 |
| 優れた荷重支持能力 | 耐摩耗性 | 耐摩耗性 |
| 厚肉成形 | より低コストな製造 | 騒音低減 |
| 着色性 | 耐腐食性 | 摩擦係数を調整可能 |
| 耐油性 | 弾性回復性 | 弾性回復性 |
| オゾン耐性 | 耐衝撃性 | 厚肉成形 |
| 放射線耐性 | 柔軟性 | 放射線耐性 |
| 広い硬度範囲 | より低コストな金型 | 容易な成形性 |
| 低温耐性 | 注型可能な特性 | 非導電性 |
| コールドフロー耐性 | 低圧金型 | 非発火性 |
ポリウレタンの品質評価ツールとしての近赤外分光法
近赤外分光法(NIRS)は、30年以上にわたり、ポリウレタン産業における迅速かつ信頼性の高い品質管理の確立された方法です。しかしながら、多くの企業は依然として、自社のQA/QC実験室におけるNIRSの導入を一貫して検討していません。その理由は、応用可能性に関する経験の不足、または新しい方法の導入に対する一般的な躊躇のいずれかである可能性があります。
NIRSを他の従来型分析技術と比較して使用することには、いくつかの利点があります。第一に、NIRSはサンプル前処理なしで、わずか30秒で複数のパラメータを測定することができます!物理的および化学的なサンプル特性の両方の影響を受ける、NIRSが使用する非侵襲的な光と物質の相互作用は、両方のタイプの特性を決定するための優れた方法となっています。
本記事の残りの部分では、まずポリウレタンの用途について簡単な概要を示した後、ASTM E1655のNIRS導入ガイドラインに従って開発された、ポリウレタン分析向けの利用可能なターンキーソリューションについて説明します。
NIRSによるポリウレタンの応用とパラメータ
さまざまな種類のポリウレタンを製造する際、完成品の品質を保証するため、特定のパラメータをチェックすることが重要です。代表的なパラメータには、ポリオール中の水酸基価、酸価、水分、色、そしてポリウレタン中のNCO(イソシアネート)含有量、(全)酸価、水分含有量があります。ポリウレタン製造におけるNIRS分析の最も関連性の高い応用例は、本記事の後半、表2に示されています。
ポリウレタン製造プロセスにおいて、NIRSはどこで使用できるか
図2は、プラスチック生産業者からプラスチックコンパウンド業者、プラスチック加工業者を経て、プラスチック部品・フォーム製造業者に至る個々の工程を示しています。
プラスチック製造業者にとって容易なNIR分光法の導入
メトロームはポリアミドの分析について豊富な専門知識を有しており、DS2500 Polyol Analyzerという形でターンキーソリューションを提供しています。この装置は、ポリオールおよびポリウレタン中の複数の品質パラメータを決定するための、すぐに使用可能なソリューションです。ポリウレタンペレットおよび部品の分析には、Metrohm DS2500 Solid Analyzerが推奨されます。
Metrohm DS2500 Analyzerによるポリマー分析の可能性については、下記カタログをご参照ください。
応用例:DS2500 Polyol AnalyzerにおけるPU産業向け事前校正およびスターターモデル
表2に示されたパラメータの決定は、従来の実験室的手法では時間がかかり困難なプロセスです。これらすべてを測定するには、複数の異なる技術が必要であり、サンプルの分析だけでなく、装置の管理・維持にも相当な時間を要します。
表2. PUサンプルのさまざまな品質パラメータ測定における一次法とNIRSの比較
| パラメータ | 一次法 | 結果取得までの時間（一次法） | 関連するNIRSアプリケーションノート | NIRSの利点 |
|---|---|---|---|---|
| ポリオール中の水酸基価 | 滴定 | 90分の前処理 + 1分の粘度計測定 | AN-NIR-068 AN-NIR-065 AN-NIR-035 AN-NIR-007 | 3つのパラメータすべてを、サンプル前処理や化学試薬を必要とせず、1分以内に同時測定できます |
| PU中のNCO（イソシアネート）含有量 | HPLC | 20分の前処理 + 20分のHPLC分析 | ||
| 水分含有量 | カールフィッシャー滴定 | 25分の前処理 + 5分のKF滴定 |
ポリオール用に作成されたNIRS予測モデルは、実際の製品スペクトルの大規模な収集に基づいており、ASTM E1655 赤外多変量定量分析のための標準指針に準拠して開発されています。このトピックについて詳しくは、下記ホワイトペーパーをご覧ください。
ポリオール向けの事前校正について詳しくは、パンフレットおよび専用ウェブページをご覧ください。
NIRSに関連する専用のASTM規格の一例として、ASTM D6342 ポリウレタン原材料の標準指針:近赤外(NIR)分光法によるポリオールの水酸基価の決定が挙げられます。以下の応用例は、可視-近赤外スペクトル領域(Vis-NIR)で動作するDS2500 Polyol Analyzerが、ポリオール中の水酸基価およびポリウレタン中のNCO(イソシアネート)含有量の決定にとって、費用対効果が高く迅速なソリューションを提供することを示しています。サンプル前処理や薬品を必要とせず、Vis-NIR分光法により、表2に挙げられた3つの品質パラメータすべてを1分未満で分析することができます。結果を図4および図5に示します。
本応用例は、NIR分光法がサンプル前処理や化学試薬を使用せず、1分未満でポリオールおよびポリウレタン中の複数のパラメータの分析に非常に適していることを実証しています。
本シリーズの他の記事
本記事は、ポリウレタン(PU)製造用ポリオールおよびイソシアネートにとって理想的なQCツールとしてのNIR分光法の使用について詳しく解説したものです。本シリーズの他の記事は、以下のトピックに焦点を当てています:
ポリマー分析のための近赤外分光法およびラマン分光法:入門
ラマンや近赤外(NIR)分光法などの高度な技術は、迅速かつ非破壊的な分析を提供することでQCを強化します。これらの分光技術が製造・QCプロセスをどのように最適化できるかについて、包括的な電子書籍でご紹介しています。ポリマー分析においてNIRおよびラマン分光法の可能性を最大限に引き出すため、ぜひ電子書籍をご覧ください。
