国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースの高重合度ポリ塩化ビニル製造への応用

概要: 国内のヒドロキシプロピルメチルセルロース高重合度PVCの製造において、輸入原料の代わりに国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースが導入された。2種類のヒドロキシプロピルメチルセルロースが高重合度PVCの特性に及ぼす影響を調査した。その結果、国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースを輸入原料の代わりに用いることが可能であることが示された。

高重合度PVC樹脂とは、平均重合度が1,700を超える、または分子間にわずかに架橋構造を有するPVC樹脂を指し、その中でも平均重合度が2,500のPVC樹脂が最も一般的である[1]。通常のPVC樹脂と比較して、高重合度PVC樹脂は、高い弾性、小さな圧縮永久歪み、優れた耐熱性、耐老化性、耐疲労性、耐摩耗性を有する。ゴムの理想的な代替品であり、自動車用シーリングストリップ、電線・ケーブル、医療用カテーテルなどに使用できる[2]。

高重合度PVCの製造方法は主に懸濁重合である[3-4]。懸濁法の製造において、分散剤は重要な補助剤であり、その種類と量は、完成したPVC樹脂の粒子形状、粒度分布、および可塑剤吸収に直接影響を与える。一般的に使用される分散システムは、ポリビニルアルコール系とヒドロキシプロピルメチルセルロースとポリビニルアルコールの複合分散システムであり、国内メーカーは主に後者を使用している[5]。

1. 主な原材料と仕様

試験で使用した主な原材料と仕様を表1に示す。表1から、本論文で選択した国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースは輸入ヒドロキシプロピルメチルセルロースと一致しており、本論文における代替試験の前提条件を満たしていることがわかる。

2 テスト内容

2.1 ヒドロキシプロピルメチルセルロース溶液の調製

一定量の脱イオン水を容器に入れ、70℃に加熱し、絶えず撹拌しながらヒドロキシプロピルメチルセルロースを徐々に加える。セルロースは最初は水面に浮遊するが、徐々に分散して均一に混ざる。溶液を所定の体積まで冷却する。

表1 主な原材料とその仕様

2.2 試験方法

10Lの小型試験装置を用いて、輸入ヒドロキシプロピルメチルセルロースでベンチマーク試験を行い、小型試験の基本配合を決定する。次に、輸入ヒドロキシプロピルメチルセルロースを国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースに置き換えて試験を行う。異なるヒドロキシプロピルメチルセルロースを用いて製造したPVC樹脂製品を比較し、国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースの代替可能性を検討する。小型試験の結果に基づき、生産試験を実施する。

2. 3つのテスト手順

反応前に重合釜を洗浄し、底部のバルブを閉じ、一定量の脱塩水を加え、次に分散剤を加える。釜の蓋を閉じ、窒素圧力試験に合格した後真空引きし、次に塩化ビニルモノマーを加える。冷間攪拌後、開始剤を加える。循環水を使用して釜内の温度を反応温度まで上昇させ、この過程で適時に炭酸水素アンモニウム溶液を加えて反応系のpH値を調整する。反応圧力が処方で指定された圧力まで低下したら、停止剤と消泡剤を加え、排出する。遠心分離と乾燥によりPVC樹脂の完成品が得られ、分析用にサンプリングする。

2.4 分析方法

企業標準Q31/0116000823C002-2018の関連試験方法に従って、完成したPVC樹脂100gの粘度、見かけ密度、揮発性物質（水を含む）、可塑剤吸収量を試験および分析した。PVC樹脂の平均粒子径を試験し、走査型電子顕微鏡を使用してPVC樹脂粒子の形態を観察した。

3．結果と考察

3.1 小規模重合における異なるバッチのPVC樹脂の品質比較分析

2を押してください。4で説明した試験方法に従って、小規模で完成したPVC樹脂の各バッチを試験し、結果を表2に示します。

表2 異なるバッチの小試験の結果

表2からわかるように、異なるセルロースを用いた小規模試験では、得られたPVC樹脂の見かけ密度、粘度数、可塑剤吸収量は比較的近い値を示し、国産ヒドロキシプロピルメチルセルロース配合を用いて得られた樹脂製品の平均粒子径はわずかに小さい値を示した。

図1は、異なるヒドロキシプロピルメチルセルロースを用いて得られたPVC樹脂製品のSEM画像を示している。

（１）輸入ヒドロキシプロピルメチルセルロース

（２）—国産ヒドロキシプロピルメチルセルロース

図1　異なるヒドロキシプロピルメチルセルロース存在下で10L重合器で製造された樹脂のSEM像

図1から、異なるセルロース分散剤によって生成されたPVC樹脂粒子の表面構造は比較的類似していることがわかる。

要約すると、本論文で試験した国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースは、輸入ヒドロキシプロピルメチルセルロースの代替品として実用性があることがわかる。

3.2 製造試験における高重合度PVC樹脂の品質比較分析

生産試験のコストとリスクが高いため、小規模試験による完全代替案を直接適用することはできません。そのため、配合中の国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースの割合を段階的に増加させる案を採用しました。各バッチの試験結果を表3に示します。

表3　異なる製造バッチの試験結果

表3から、国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースの使用量が徐々に増加し、最終的に輸入ヒドロキシプロピルメチルセルロースの全バッチが国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースに置き換わったことがわかる。可塑剤吸収量や見かけ密度などの主要指標は大きく変動しておらず、本論文で選定した国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースは、生産において輸入ヒドロキシプロピルメチルセルロースの代替として使用できることが示された。

4. 結論

国内のテストヒドロキシプロピルメチルセルロース10Lの小型試験装置を用いた試験では、輸入ヒドロキシプロピルメチルセルロースの代替として実用性があることが示されました。生産代替試験の結果、国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースをPVC樹脂製造に使用した場合、完成品のPVC樹脂と輸入ヒドロキシプロピルメチルセルロースの主要品質指標に有意差がないことが分かりました。現在、市場における国産セルロースの価格は輸入セルロースよりも低くなっています。したがって、生産に国産セルロースを使用すれば、生産補助剤のコストを大幅に削減できます。