無機ガラスを超える優れた特性で用途拡大～「透明性樹脂」の種類と性質

身の回りで幅広く用いられているプラスチック製品。プラスチック製品の元となる樹脂材料は、大きく6つの特性に分けることができます。

この記事では、自動車のライトカバーやカメラのボディにも使用される、透明性樹脂について解説をしていきます。また、以下の記事では、プラスチック材料の基礎知識や他の特性についても解説をしています。合わせてご参考ください。

透明性樹脂の代表格であるアクリル樹脂は、1936年頃に登場しました。この樹脂には優れた透明性と軽量性、成形性があるため、戦闘機のフロントガラスの代替品として軍事航空機市場で広く普及しました。

アクリル樹脂は、当時「有機ガラス」とも呼ばれ、無機ガラスに対抗することで発展してきました。初期の頃は、光学特性において無機ガラスに劣るため、代替品として扱われていましたが、その後、物性の改良が加えられ、成形性や軽量性、耐衝撃性などの特性や材料コストが重視されるようになり、光学市場では無機ガラスに取って代わろうとしています。特に、メガネレンズ市場では、プラスチック材料が多く用いられるようになり、CDやDVD等の光ディスクの基板材料ではPC（ポリカーボネート）等の透明性樹脂が独占しています。

●●は物体に当たると表面で反射し、内部に侵入した光は物体に吸収され、散乱して裏面から出ていきます。光が樹脂に当たる場合も同様に、表面で反射し、内部で吸収され、散乱して裏面から出ていくことから、樹脂における光の透過性は「光の反射」「光の吸収」「光の散乱」の3要因に依存しているといえます。

工業的なプラスチックでは、表面反射、樹脂内部での吸収、内部不均質構造での散乱を少なくするなどの工夫がなされています。代表的な５つの透明性樹脂について、みていきましょう。

屈折率が光の波長に依存する現象を分散といい、その度合いを表す数値を「アッベ数」といいます。このアッベ数が小さい材料は、波長によって屈折率が変化するので色収差(光の波長によって結像位置が異なる現象)が生じてレンズ材料としては好ましいものではありません。レンズ用透明性樹脂の開発課題の１つが、高屈折率でアッベ数の大きい材料の設計になります。＜図2＞に各樹脂のアッベ数と屈折率を示します。

プラスチックの特徴は軽量性ですが、光学用樹脂としての実用性の観点からは強度も要求されます。＜図3＞では各樹脂の比重と耐衝撃性を示します。

屈折率は温度や湿度によって変動します。材料の信頼性を高めるために、耐熱性に優れ吸水率が低い樹脂が要求されますが、一般的には吸水率が大きいと屈折率への影響だけでなく、成形品が変形して「ソリ」等が生じるので、光学用樹脂の場合、低吸水率の樹脂が求められます。＜図4＞では各樹脂の熱変形温度と吸水率を示します。

ここまでで、各樹脂材料を選定する際の重要なポイントを見て行きましたが、ここからは各樹脂材料の特徴や用途をより詳細に解説していきます。

PCはPMMAに次いで、光学用として多く使用されている汎用エンプラ（エンジニアリングプラスチック）のひとつです。

特徴
・非晶性…ベンゼン環の配置は立体的に見ると非対称なため
・機械的強度や耐熱性に優れる…主鎖は剛直な構造なため
・低吸水率…PMMAに比べて小さいため
・加水分解しやすい欠点…カーボネート結合で構成されているため

しかしながら、透明性の経時変化が起こるため高精度が要求される光学材料としては実用性が低く、 他成分と共重合させたMS樹脂やSAN樹脂として用いられることが多くなっています。

米国PPG社が1942年にガラス代替材料として開発した原料で、注型重合によりレンズ型に成形されます。耐熱性、耐衝撃性、染色性に優れ、現在のプラスチック眼鏡レンズの中核材料となっています。

近年、光ディスク用高性能樹脂の需要により、様々な樹脂開発が進展しています。 その中でもPMMAの弱点である耐熱性と吸水性の改良を目指し、注目されているのが、脂環式構造をもつ２つのタイプです。

嵩高い脂環式メタクリレート(ジシクロペンタニルメタクリレート/日立化成FANCRYL)を用いた光学用アクリル樹脂があります。

光ディスク用として開発された高性能樹脂です。＜表3＞に３つの代表的な樹脂についてまとめました。いずれも、ポリオレフィン樹脂と非結晶性樹脂の性能を融合させた環状オレフィンコポリマーですが、PCに比べて光線透過率が高く、屈折率、吸水率、比重は低くなっています。

ここでは6つの特性別樹脂のうち、透明性樹脂に絞ってご紹介しました。他の記事では、プラスチック材料の物性測定についても分かりやすくまとめていますので、そちらもあわせてご参考ください。