いいえ、これは決して退屈な話ではありません。特に、伸縮性のあるゴム製品がお好きな方ならなおさらです。読み進めていただければ、一液型シリコーンシーラントについて知りたいことのほとんどすべてがわかるでしょう。
1) それらは何なのか
2) 作り方
3) 使用場所
導入
一液型シリコーンシーラントとは何ですか？
化学硬化型シーラントには多くの種類があり、シリコーン、ポリウレタン、ポリサルファイドが最もよく知られています。これらの名称は、構成分子の骨格構造に由来しています。
シリコン製の骨格は以下の通りである。
Si – O – Si – O – Si – O – Si
変性シリコーンは（少なくとも米国では）比較的新しい技術であり、実際にはシラン化学反応によって硬化された有機骨格を指します。一例として、アルコキシシラン末端ポリプロピレンオキシドが挙げられます。
これらの化学薬品はすべて、1液型または2液型のいずれかであり、これは当然ながら硬化に必要な液量に関係します。したがって、1液型とは、チューブ、カートリッジ、またはバケツを開けるだけで材料が硬化することを意味します。通常、これらの1液型システムは空気中の水分と反応してゴムになります。
つまり、一液型シリコーンとは、チューブ内では安定した状態を保ち、空気に触れると硬化してシリコーンゴムになるシステムのことです。
利点
一液型シリコーンには、多くの独自の利点があります。
適切に配合されたシリコーンは、非常に安定していて信頼性が高く、優れた接着性と物性を備えています。使用期限（チューブに入れたまま使用できる期間）は通常1年以上で、中には何年も使えるものもあります。シリコーンは、間違いなく最高の長期性能を発揮します。その物性は時間の経過とともにほとんど変化せず、紫外線による影響もありません。さらに、他のシーラントよりも少なくとも50℃高い優れた耐熱性を示します。
一液型シリコーンは比較的速やかに硬化し、通常5～10分以内に表面に膜が形成され、1時間以内にべたつきがなくなり、1日以内に約1/10インチの弾力性のあるゴム状に硬化します。表面は心地よいゴムのような感触です。
半透明にすることができるため（半透明は最もよく使われる色である）、比較的簡単にどんな色にも着色できる。
制限事項
シリコーンには主に2つの欠点がある。
1) 水性塗料では塗装できません。溶剤系塗料でも難しい場合があります。
2) 硬化後、シーラントはシリコーン可塑剤の一部を放出することがあり、建物の伸縮継手に使用すると、継手の端に沿って見苦しいシミが発生することがあります。
もちろん、一液性であるため、システムが空気と反応して上から下へと硬化するため、素早く深い部分まで硬化させることは不可能です。もう少し具体的に言うと、シリコーンは断熱ガラス窓の唯一のシール材として使用することはできません。なぜなら、シリコーンは大量の液体水を遮断するのに優れていますが、硬化したシリコーンゴムを水蒸気が比較的容易に通過するため、断熱ガラスユニットが曇ってしまうからです。
市場分野と用途
一液型シリコーンは、ほぼあらゆる場所で使用されていますが、一部の建物所有者にとっては残念なことに、上述の2つの制約が問題を引き起こす場合もあります。
建設およびDIY市場が最大の販売量を占め、自動車、産業、電子機器、航空宇宙がそれに続きます。すべてのシーラントと同様に、1液型シリコーンの主な機能は、類似または異なる2つの基材間の隙間に接着して充填し、水や隙間風の侵入を防ぐことです。配合は、流動性を高める以外にはほとんど変更されず、その後コーティングになります。コーティング、接着剤、シーラントを区別する最良の方法は簡単です。シーラントは2つの表面の間を密閉しますが、コーティングは1つだけを覆って保護し、接着剤は2つの表面を広範囲にわたって一緒に保持します。シーラントは、構造用グレージングまたは断熱グレージングで使用される場合、接着剤に最も似ていますが、2つの基材を一緒に保持することに加えて、それらを密閉する機能も果たします。
基礎化学
未硬化状態のシリコーンシーラントは、通常、濃いペースト状またはクリーム状をしています。空気に触れると、シリコーンポリマーの反応性末端基が加水分解（水と反応）し、互いに結合して水を放出し、長いポリマー鎖を形成します。このポリマー鎖は互いに反応を続け、最終的にペーストはゴム状に変化します。シリコーンポリマー末端の反応性基は、配合物の中で最も重要な部分（ポリマー自体を除く）である架橋剤に由来します。架橋剤は、臭いや硬化速度などの直接的な特性、あるいは充填剤や接着促進剤など、特定の架橋剤システムで使用される他の原材料との相互作用によって、色や接着性などの間接的な特性をシーラントに与えます。適切な架橋剤を選択することが、シーラントの最終的な特性を決定する鍵となります。
硬化の種類
硬化システムにはいくつかの種類があります。
1) アセトキシ臭（酸っぱい酢の臭い）
2) オキシム
3) アルコキシ
4) ベンズアミド
5) アミン
6) アミノキシ
オキシム、アルコキシ、ベンズアミド（ヨーロッパでより広く使用されている）は、いわゆる中性または非酸性システムです。アミンおよびアミノオキシシステムはアンモニア臭があり、一般的に自動車や工業分野、または特定の屋外建設用途でより多く使用されます。
原材料
製剤は複数の異なる成分から構成され、その一部は最終用途に応じて任意となる。
絶対に必要な原材料は反応性ポリマーと架橋剤のみです。しかし、充填剤、接着促進剤、非反応性（可塑化）ポリマー、触媒はほぼ必ず添加されます。さらに、着色ペースト、防カビ剤、難燃剤、熱安定剤など、その他多くの添加剤も使用できます。
基本的な処方
一般的なオキシム系建築用またはDIY用シーラントの配合は、以下のようになります。
| % | ||
| ポリジメチルシロキサン、OH末端、50,000cps | 65.9 | ポリマー |
| ポリジメチルシロキサン、トリメチル末端、1000cps | 20 | 可塑剤 |
| メチルトリオキシミノシラン | 5 | 架橋剤 |
| アミノプロピルトリエトキシシラン | 1 | 接着促進剤 |
| 表面積150平方メートル/グラムのヒュームドシリカ | 8 | フィラー |
| ジブチル錫ジラウレート | 0.1 | 触媒 |
| 合計 | 100 |
物理的性質
代表的な物理的特性としては、以下のようなものがある。
| 伸長 （％） | 550 |
| 引張強度（MPa） | 1.9 |
| 100 MPa 伸び時の弾性率 (MPa) | 0.4 |
| ショアA硬度 | 22 |
| 時間の経過に伴う肌の変化（分） | 10 |
| タックフリー時間（分） | 60 |
| スクラッチ時間（分） | 120 |
| 治癒過程（24時間以内のmm値） | 2 |
他の架橋剤を用いた配合物も同様の外観を呈するが、架橋剤の含有量、接着促進剤の種類、硬化触媒の種類が異なる場合がある。鎖延長剤を使用しない限り、物性も若干異なる。大量のチョーク充填剤を使用しない限り、容易に製造できないシステムもある。このような配合物は、当然ながら透明または半透明タイプでは製造できない。
シーラントの開発
新しいシーラントを開発するには、3つの段階があります。
1) 研究室での構想、製造、試験 - ごく少量
ここでは、ラボの化学者が新しいアイデアを思いつき、通常はシーラントの硬化具合や生成されるゴムの種類を確認するために、約100グラムのシーラントを手作業で少量ずつ作ります。現在、FlackTek Inc.から新しい機械「Hauschild Speed Mix」が利用可能です。この特殊な機械は、空気を排出しながら、これらの100グラムの少量バッチを数秒で混合するのに最適です。これは、開発者がこれらの少量バッチの物理的特性を実際にテストできるようになったため重要です。ヒュームドシリカや沈降チョークなどの他の充填剤は、約8秒でシリコーンに混合できます。脱気には約20〜25秒かかります。この機械は、基本的に粒子自体を混合アームとして使用する二重非対称遠心分離機構によって動作します。最大混合サイズは100グラムで、使い捨てを含むいくつかの異なるカップタイプが利用可能であり、つまりまったく洗浄する必要がありません。
配合工程において重要なのは、原料の種類だけでなく、添加順序や混合時間も重要です。当然ながら、製品の保存期間を確保するためには、空気の排除または除去が不可欠です。なぜなら、気泡には水分が含まれており、それがシーラントの内部硬化を引き起こすからです。
化学者は、特定の用途に必要なシーラントを入手したら、1クォート（約1リットル）のプラネタリーミキサーにスケールアップし、110ml（3オンス）の小型チューブを3～4本製造します。これは、初期の保存期間試験や接着試験、その他特別な要件を満たすのに十分な材料です。
その後、彼は1ガロンまたは2ガロンの機械を使用して、より詳細なテストと顧客へのサンプル提供のために、10オンスのチューブを8～12本製造する。シーラントはポットから金属シリンダーを通してカートリッジに押し出され、そのカートリッジが包装シリンダーに装着される。これらのテストの後、彼はスケールアップの準備が整う。
2) スケールアップと微調整 - 中規模量
スケールアップでは、実験室で調製した製剤を、通常100～200kg、またはドラム缶1本分程度の大型機械で製造します。この工程には主に2つの目的があります。
a) 混合および分散速度、反応速度、混合物中のせん断量の違いによって生じる可能性のある、4 ポンドサイズとこのより大きなサイズとの間の重大な変化があるかどうかを確認するため、
b) 見込み顧客にサンプルを提供するのに十分な量の材料を生産し、実際の現場でのフィードバックを得るため。
この50ガロンの機械は、少量生産や特殊な色が必要な場合、あるいは各種類につき一度に1ドラム程度しか生産する必要がない場合など、工業製品の製造にも非常に役立ちます。
混合機にはいくつかの種類があります。最も一般的に使用されているのは、遊星ミキサー（上記参照）と高速分散機です。遊星ミキサーは高粘度の混合物に適していますが、分散機は特に低粘度の流動性システムで優れた性能を発揮します。一般的な建築用シーリング材の場合、混合時間と高速分散機の発熱量に注意すれば、どちらの機械でも使用できます。
3) 本格的な生産量
最終生産工程は、バッチ式または連続式で行われるが、スケールアップ段階で得られた最終配合をそのまま再現することが望ましい。通常、生産設備ではまず比較的少量の原料（2～3バッチ、または1～2時間の連続生産）を生産し、通常の生産を開始する前に品質チェックを行う。
テスト - 何を、どのようにテストするか。
何
物理的特性 - 伸び、引張強度、弾性率
適切な基材への接着
保存期間（加速保存および室温保存）
硬化速度 - 経時的な皮膚硬化、タックフリー時間、スクラッチ時間、完全硬化、色温度安定性、または油などの様々な液体中での安定性
さらに、粘稠度、低臭気、腐食性、外観など、その他の重要な特性も確認または観察されます。
どうやって
シーラントシートを一枚引き伸ばし、1週間乾燥させる。その後、特殊なダンベル状の試験片を切り出し、引張試験機にセットして、伸び、弾性率、引張強度などの物理的特性を測定する。また、特別に用意したサンプルの接着力／凝集力を測定するためにも使用する。接着力の簡単な判定は、対象となる基材に硬化させた材料のビーズを引っ張ることで行う。
ショアA硬度計は、ゴムの硬度を測定する装置です。この装置は、重りとゲージのような形状をしており、先端が硬化したサンプルに押し込まれます。先端がゴムに深く食い込むほど、ゴムは柔らかくなり、硬度値は低くなります。一般的な建築用シーラントの硬度は15～35の範囲です。
皮膚の剥離時間、粘着剤が付着しない時間、その他の特殊な皮膚測定は、指または重りの付いたプラスチックシートを用いて行われます。プラスチックシートがきれいに剥がれるまでの時間が測定されます。
保存期間を判定するため、シーラントのチューブは室温（当然ながら1年間保存期間を証明するには1年かかる）または高温（通常50℃）で1、3、5、7週間など、いずれかの方法で経年劣化試験されます。経年劣化プロセス（加速劣化の場合はチューブを冷却）の後、材料はチューブから押し出され、シート状に引き伸ばされて硬化されます。これらのシートで形成されたゴムの物理的特性は、以前と同様に試験されます。これらの特性は、新たに配合された材料の特性と比較され、適切な保存期間が決定されます。
必要な試験のほとんどに関する具体的な詳細な説明は、ASTMハンドブックに記載されています。
最後にいくつかアドバイスを
一液型シリコーンは、入手可能なシーラントの中で最高品質のものです。ただし、限界もあり、特別な要件が求められる場合は、特注で開発することも可能です。
原材料をできる限り乾燥させ、配合を安定させ、製造工程で空気を除去することが重要です。
単成分シーラントの開発とテストは、種類に関係なく基本的に同じプロセスです。ただし、量産を開始する前に考えられるすべての特性を確認し、用途のニーズを明確に理解しておくことが重要です。
用途の要件に応じて、適切な硬化剤を選択できます。例えば、シリコーンを選択し、臭気、腐食、接着性が重要ではなく、低コストが求められる場合は、アセトキシ系シリコーンが最適です。しかし、腐食する可能性のある金属部品が関係する場合や、独特の光沢のある色でプラスチックへの特別な接着性が必要な場合は、オキシム系シリコーンが必要です。
[1] デール・フラケット著『シリコン化合物：シランとシリコーン』Gelest Inc. 433-439ページ
※写真はOLIVIAシリコンシーラントより
投稿日時：2024年3月31日
