耐寒性ゴムの特徴と温度の限界

ものづくりプレス

2024-12-28

ゴム製品は高温に強いとされる一方で、製品が多種多様化する製造現場では、低温への強さを持つゴムも重宝されるようになりました。

低温に強いゴムとは、すなわち「耐寒性に優れたゴム」のことです。当記事では耐寒性に強いゴムの特徴や低温による変化、工業用ゴムの体感温度の目安などを解説します。

耐寒性ゴムの特徴

耐寒性ゴムとは、文字どおり寒さに対して耐性を持つゴムのことです。

まずゴムの特性の1つとして、自身の温度によって物性が変化するというものがあります。

高分子物質であるゴムは、分子量の小さいモノマーと呼ばれる化合物が、鎖のように連結して構成されています。この分子鎖はゴムの温度によって柔らかさが変化するのですが、簡単に言えば、温度の高低で以下のようになります。

すなわちゴムは温度が低くなるほど、力を加えられた後に元の形状に戻るのに時間を要するようになります。

硬化して弾性が失われるというのは、ゴムとして致命的です。つまり耐寒性が強いゴムとは、「どれだけ温度が低くても硬化が特にしにくく、弾性を保ち続けるゴム」と言えます。

なおゴムの耐寒性は「どのような分子で構成されているか」や「ゴムの極性（電荷の偏り）がそれくらいか」などの要因が、複雑に絡み合って決まっています。

人工的に耐寒性を上げるための方法として、可塑剤（柔軟性や弾性を与える物質のこと）を添加し、分子運動を活発させる方法が一般的です。

ゴムが硬化する具体的な原因としては、以下３つが挙げられます。

ゴム素材におけるガラス転移点（硝子化温度）とは、物質がゴム状態を保つか、分子が完全に停止してゴムがガラス状態として硬化するかの境目になる温度です。

もしゴムの温度がガラス転移点下がってしまうと、ゴムが持つ弾性、いわゆる「元の形に戻ろうとする力」や「跳ね返す力」がなくなり、ガラスのような硬さと脆さを持つ物質に変化します。急激な固化脆化が発生すると、ゴム製品としての役割を果たせなくなるでしょう。

ガラス転移点の例としてよく挙げられるのはガムです。ガムは硬い状態（いわゆるガラス状態のようなもの）から温度を加えることで、液体にならずに柔らかくなる性質があります。

ガラス転移点を下回るゴムとは、この柔らかくなったガムが急激に固まり、力を加えるとパリパリするようになるイメージです。ガラス転移点は原料ゴムそれぞれが特有に持っています。ゴムの耐寒性強さを図るには非常に重要な要素だと言えるでしょう。

なおこのガラス転移点による変化は２次転移とも呼びます。

ゴムの中には低温下によってガラス状態にならず、結晶化するタイプもあります。結晶化するゴムとして有名なのは天然ゴム（NR）です。

たとえば天然ゴムを低温度の場所に長時間保存すると、部分的に白く凍ります。この状態が結晶化です。

結晶化と先述したガラス化（２次転移）の大まかな違いは次のとおりです。

単純な温度効果による硬化とは、ガラス転移点や結晶化には至らずとも、ゴムが低温にあることで硬化している状態のことです。

ゴムは低温下にあるだけで分子運動が不活性気味になり、弾性が減少して硬度が上がります。たとえば寒い日にダイヤフラムのゴムが固くなったり、製造現場のポンプOリングが寒さで縮んではめにくくなったりなどは、日常生活や業務中でもたまに見かける光景ではないでしょうか。

そのため極端な低温度帯でゴムを使用する場合は、使用する環境の温度域に見合った物性のゴム部品をメーカーに問い合わせてください。

工場にてよく使用されるゴム素材それぞれの耐寒温度の限界について、目安の値を表にまとめました。