液状シリコーンゴム (LSR) は、優れた流動性、熱安定性、生体適合性、化学的不活性性により、航空宇宙、電子実装、医療機器、精密成形業界で広く使用されている多用途エラストマーです。 LSR 配合における重要な課題は、一見矛盾する 2 つの要件を調和させることです。1 つは優れた加工性を実現する低粘度（射出成形の容易さ、微小隙間の迅速な充填、効率的な脱気など）、もう 1 つは耐久性のある最終製品を実現するための高い機械的性能-、特に強化された引裂強度と引張特性-です。この記事では、このバランスを達成するための中核となるメカニズム、主要な配合戦略、プロセス最適化手法について検討し、材料開発者や業界関係者に実践的な洞察を提供します。
1. 固有のトレードオフ-: LSR の粘度と機械的強度
低粘度と高い機械的性能のバランスに対処するには、まずこれら 2 つの特性間の固有のトレードオフを理解する必要があります。{0}} LSR は通常、ビニル-含有シリコーン ポリマー、Si-H 基架橋剤-、白金触媒、およびさまざまな添加剤で構成される 2 成分系です。その粘度は主にベースポリマーの分子量、分岐度、成分間の相互作用によって決まりますが、引き裂き強度と引張強度は架橋密度、分子鎖の絡み合い、充填剤の補強効果によって決まります。{7}}
従来、引き裂き強度や引張強度を高めるには、架橋密度を高めるか、強化充填剤を追加する必要がよくありました。{0}ただし、架橋密度が高くなると、分子鎖の絡み合いが増加し、系の粘度が直接上昇します。一方、過剰なフィラーは凝集を引き起こす可能性があり、粘度が上昇するだけでなく機械的均一性も損なわれます。逆に、分子量またはフィラー含有量を減らして粘度を下げると、分子鎖が短くなり絡み合いが減り、フィラーによる補強が少なくなるため、通常は機械的特性が弱まります。このトレードオフを解消するには、ポリマー マトリックス、架橋システム、充填剤の選択、加工パラメータを的を絞った最適化が必要です。-
2. 低粘度と高い機械的性能のバランスをとるための主要な配合戦略
低粘度と高い引裂強度/引張強度を両立させる鍵は、ベースポリマー、架橋システム、強化充填剤、機能性添加剤に焦点を当てたLSR配合の正確な制御にあります。{0}各成分は、材料のレオロジー特性と機械特性を最適化する上で重要な役割を果たします。
2.1 ベースポリマーマトリックスの最適化
ベースポリマーはLSRの特性の基礎であり、その分子構造は粘度と機械的性能の両方に直接影響します。最適なアプローチは、単一の分子量グレードのみに依存するのではなく、低分子量の線状ポリマーと少量の高分子量の分岐ポリマーを組み合わせて使用することです。--
粘度が 500～5000 mPa・s の低分子量直鎖ポリジメチルシロキサン (PDMS) (PDMS) は優れた流動性を確保しており、加工中に LSR がスムーズに流れ、複雑なモールドやマイクロサイズのモールド (電子コネクタの 0.1 mm のマイクロ ギャップなど) に充填できます。-- 5～15 wt% の高分子量分岐 PDMS (分子量 > 100,000 g/mol) を導入すると、粘度を大幅に上昇させることなく分子鎖の絡み合いが制御されます。この分岐構造は直鎖間の「分子架橋」として機能し、変形中の応力をより均一に分散することにより、硬化した LSR の靭性と引裂抵抗を強化します。
さらに、PDMS 鎖を官能基 (ビニル、ヒドロキシルなど) で修飾すると、充填剤や架橋剤との適合性が向上し、粘度と機械的強度のバランスがさらに最適化されます。たとえば、ビニル-末端PDMSはヒドロシリル化架橋-の効率を高め、架橋剤の投与量を減らすことができるため、引張強度を向上させながら低粘度を維持できます。-
2.2 架橋システムの精密制御-
架橋剤、触媒、抑制剤を含む-架橋システム-は、-硬化 LSR の架橋密度と網目構造を決定します。これは、粘度と機械的特性の両方に直接影響します。-目標は、未硬化の LSR の粘度を増加させることなく、引き裂き強度と引張強度を向上させる、均一で適度な架橋ネットワークを実現することです。{6}}
まず、適切な架橋剤を選択することが重要です。-分子あたり 3 ～ 4 個の官能基を持つ多官能性 Si-H- 架橋剤 (例: テトラメチルシクロテトラシロキサン) により、緻密かつ柔軟な架橋ネットワークの形成が可能になります。-。高官能性架橋剤（官能基が 5 以上）と比較して、粘度を高めて柔軟性を低下させる過剰な架橋を回避します。-架橋剤の投与量を 0.5 ～ 2.0 wt% (ベースポリマーに対して) に制御すると、架橋密度と粘度のバランスが取れます。-投与量が不十分だと機械的特性が弱くなり、投与量が多すぎると粘度が増し脆くなります。
第二に、高効率の白金触媒（白金-ビニルシロキサン錯体など）を使用すると、必要な触媒の投与量が減り（0.001～0.01 wt%）、粘度への影響が最小限に抑えられます。少量の抑制剤（例: 1-）の添加により、保管および加工中の架橋速度が制御され、粘度の上昇を引き起こす早期架橋が防止され、成形中の迅速な硬化が保証されます。-最近の研究では、ホスファゼン誘導体-架橋剤（APESPなど）が従来のオルトケイ酸テトラエチル（TEOS）に取って代わることができ、分子鎖上の架橋点の制限を強化し、粘度を大幅に上昇させることなく引張強度を最大272%増加させることができることも示しています。
2.3 強化充填材の選択と表面改質
強化フィラーは LSR の引裂き強度と引張強度を向上させるために不可欠ですが、その選択と分散はシステムの粘度に直接影響します。重要なのは、ポリマーマトリックスとの相溶性を高めるための表面改質と組み合わせて、高い比表面積、良好な分散性、および低い粘度寄与を備えたフィラーを選択することです。
ヒュームドシリカ (AEROSIL® 200、300、380 など) は、LSR に最も広く使用されている強化フィラーです。その高い比表面積 (200 ～ 380 m²/g) とナノスケールの粒子サイズにより、PDMS 鎖と水素結合を形成し、分子鎖の絡み合いと応力伝達を強化することで効果的な強化が可能になります。ただし、未修飾のヒュームドシリカは親水性であるため、凝集が発生し、粘度が増加する可能性があります。疎水性修飾 (例: ヘキサメチルジシラザン、HMDS の使用) により表面極性が減少し、疎水性 PDMS マトリックス中の分散が改善され、粘度の増加が最小限に抑えられます。たとえば、疎水性ヒュームドシリカである AEROSIL® R 812 S は、追加の加工添加剤なしで LSR に迅速に組み込むことができ、低粘度を維持しながら、装填量が増加するにつれて引裂き伝播抵抗が大幅に向上します。
ヒュームドシリカに加えて、二成分または三成分の充填剤システムを使用すると、粘度を上昇させることなく相乗的な強化を達成できます。たとえば、LSR でアルミナ ウィスカー (AW) とアルミナ フレーク (AF) を組み合わせると、三次元ネットワーク構造が形成されます。-: AF は応力伝達のベースを提供し、AW は AF とポリマー マトリックスを橋渡しし、粘度を大幅に上昇させることなく、単一の AF 充填と比較して引張強度を 180.9% 増加させます。カーボン ブラック (CB) も効果的な充填剤です。LSR に 2 wt% CB を添加すると、粒径が小さく分散性が良いため、低粘度を維持しながら、引張弾性率が 48% 増加し、オイルの劣化速度が 50% 減少します。最適なフィラーの添加量は通常 5 ～ 15 wt% です。この範囲を下回ると補強が不十分になります。この範囲を超えると凝集が発生し、粘度が増加し、機械的均一性が低下します。
2.4 機能性添加剤の添加
少量の機能性添加剤を使用すると、低粘度と高い機械的性能のバランスをさらに最適化できます。可塑剤（例: 低分子量-オイル）は分子鎖の摩擦を減らすことで粘度を下げますが、機械的特性を弱める可塑剤の移行を避けるために、その投与量を制御する必要があります（5 wt% 以下）。相溶化剤 (シランカップリング剤など) は、フィラーとポリマーマトリックスの間の相溶性を改善し、凝集と粘度を低下させ、引き裂き強度と引張強度を高めます。たとえば、3-アミノプロピルトリエトキシシラン (APTES) はアルミナフィラーの表面を改質し、LSR 中での分散を改善し、粘度を増加させることなく引張強度を 30 ～ 50% 増加させます。
3. 粘度を上昇させずに機械的性能を向上させるプロセスの最適化
最適化された配合であっても、加工パラメータは、LSR が加工中に低い粘度を維持しながら、硬化後に高い引き裂き強度と引張強度を達成できるようにする上で重要な役割を果たします。主要なプロセスパラメータには、混合、脱気、成形、後硬化が含まれます。-
3.1 混合プロセスの最適化
混合プロセスは、フィラーの分散と粘度に直接影響します。速度（500～1500 rpm）と温度（25～40 度）を制御した高せん断ミキサー（例: プラネタリー ミキサー、スタティック ミキサー）を使用すると、ベース ポリマー中に充填剤や添加剤が均一に分散され、粘度を高める凝集が回避されます。- 2 成分 LSR の場合、1:1 の混合比 (Silopren® LSR 4650、BD-903 など) により、一貫した硬化と機械的特性が確保され、射出成形中の静的混合により不均一な混合や粘度の変動が排除されます。混合時間は 10 ～ 30 分に制御する必要があります。過剰な混合は分子鎖の絡み合いと粘度を増加させますが、混合が不十分な場合はフィラーの分散が悪くなり、機械的特性が弱くなります。
3.2 脱気および成形パラメータ
脱気は、混合中に閉じ込められた気泡を除去するために不可欠であり、応力集中点が生じて引裂き強度や引張強度が低下する可能性があります。 25 ～ 30 度で 5 ～ 10 分間真空脱気（0.08 ～ 0.1 MPa）すると、低温により早期の架橋が防止されるため、粘度を上昇させることなく気泡を効果的に除去できます。-。
成形パラメータ (温度、圧力、時間) は、加工流動性と硬化効率のバランスを保つために最適化する必要があります。射出成形の場合、バレル温度は 40 ～ 60 度 (低粘度を維持するため)、金型温度は 150 ～ 180 度 (硬化を促進するため)、射出圧力は 5 ～ 15 MPa (金型を完全に充填するため) にする必要があります。硬化時間は金型の厚さによって決まります。薄肉部品（2mm 以下）の場合は 1～3 分、厚肉部品の場合は 5～10 分です。-。これにより、過剰な架橋を生じずに迅速な硬化が保証され、未硬化 LSR の低粘度を活用しながら高い機械的特性が維持されます。-
3.3 硬化後の処理-
後硬化（150 ～ 200 度で 2 ～ 4 時間）により、残留する低分子量物質（未反応モノマー、可塑剤など）が除去され、架橋の均一性が向上します。これにより、未硬化 LSR の元の粘度に影響を与えることなく、引き裂き強度と引張強度がさらに向上します。-たとえば、Silopren® LSR 4650 を 200 度で 4 時間後硬化すると、引張強度は 10.0 N/mm² から 11.5 N/mm² に、引裂強度は 50 N/mm から 55 N/mm に増加しますが、未硬化の粘度は 450 Pa・s (20 度、̇=10) で変化しません。 s⁻¹）。後硬化により、熱安定性も向上し、圧縮永久歪みが減少し、LSR 製品の耐用年数が長くなります。
4. 事例紹介と実践事例
いくつかの市販の LSR 製品は、上で概説した戦略を通じて、低粘度および高い機械的性能のバランスがうまく取れていることを実証しています。例えば：
Silopren® LSR 4650 (Momentive): 混合粘度 450 Pa・s (20 度、̇=10 s⁻¹)、硬化引張強度 10.0 N/mm²、破断点伸び 550%、引裂強度 (ASTM D624 Die B) 50 N/mm の 2 成分 LSR。粘度が低く精密成形が可能であり、機械的強度が高く耐久性に優れているため、医療機器（カテーテル、乳頭など）に広く使用されています。
BD-903 (杭州ギニー新材料): 混合粘度 35000±5000 mPa・s (25 度)、引張強さ 7.5 MPa、引裂き強さ 42 KN/m、破断点伸び 600% の低粘度、高引裂き LSR。-。最適化されたフィラー分散と架橋システムにより、高強度のポッティングやシリコーン製品に適しています。{10}
三元 AW/AF/LSR 複合材料: 20 wt% AF と 5 wt% AW を含む改良型 LSR。粘度 0.2655 W m⁻¹ K⁻¹、引張強度 7.81 MPa (二元 AF/LSR より 180.9% 高い)、および低誘電率を特徴としており、電子パッケージング用途に最適です。
5. 課題と今後の動向
大幅な進歩にもかかわらず、LSR の低粘度と高い機械的性能のバランスにはいくつかの課題が残っています。たとえば、フィラーの配合量が多い (15 wt% を超える) と、依然として粘度が上昇し、加工性が低下します。機能性フィラー (カーボンナノチューブ、グラフェンなど) と PDMS の間の適合性にはさらなる改善が必要です。また、改質フィラー（疎水性ヒュームドシリカなど）のコストにより、大規模な適用が制限されます。-
将来のトレンドは次の 3 つの方向に焦点を当てています。(1) 固有の低粘度および高い機械的強度を備えた新規ベースポリマー (ブロックコポリマー、官能化 PDMS など) を開発し、充填剤への依存を軽減します。 (2) より優れた補強効率とより低い粘度寄与を備えた新しい充填材 (例、ナノセルロース、変性粘土) を探索する。 (3) 人工知能 (AI) と機械学習を統合して配合と加工パラメーターを最適化し、粘度と機械的特性の正確な制御を実現します。さらに、バイオ-ベースの LSR と環境に優しい充填剤の開発は、世界的な持続可能性のトレンドに沿ったものとなり、低粘度、高強度の LSR の適用範囲が拡大します。--
6. 結論
LSR で低粘度を維持しながらより高い引裂強度と引張強度を達成するには、配合、架橋システム、充填剤の選択、加工パラメータを調整して最適化する必要がある体系的なプロジェクトです。{0}混合ベース ポリマー システム (低分子量直鎖 + 高分子量分岐)、架橋システムの精密制御、架橋システム、表面改質強化フィラー、最適化された混合/成形/後硬化プロセスを使用することで、粘度と機械的性能の間の固有のトレードオフを効果的に解消できます。-
このバランスにより、高精度、高耐久性の分野（マイクロエレクトロニクス パッケージング、医療機器、航空宇宙部品など）における LSR の応用範囲が拡大するだけでなく、次世代 LSR 材料の開発に理論的かつ実践的な基盤も提供されます。-材料科学と加工技術が進歩するにつれて、低粘度、高強度の LSR の性能は向上し続け、さまざまな業界のますます厳しくなる要件に応えられるようになるでしょう。{6}