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の製造への応用

要約：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、輸入品に代えて国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースを導入した。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、輸入品を国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースに代替す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以上、あるいは分子間にわずかに架橋構造を持つPVC樹脂を指し、その中で最も一般的なのは平均重合度2,500のPVC樹脂です[1]。通常のPVC樹脂と比較して、高重合度PVC樹脂は弾力性が高く、圧縮永久歪みが小さく、耐熱性、耐老化性、耐疲労性、耐摩耗性に優れています。理想的なゴム代替品であり、自動車の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されています[2]。

高重合度PVCの製造方法は主に懸濁重合法である[3-4]。懸濁法の製造において、分散剤は重要な助剤であり、その種類と量は、最終的なPVC樹脂の粒子形状、粒度分布、可塑剤吸収性などに直接影響を及ぼします。一般的に使用されている分散系は、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系であり、国内メーカーは主に後者を使用しています[5]。

1 主な原材料と仕様

試験に使用した主な原材料と規格は表1に示すとおりである。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、本論文の代替試験の前提条件となる輸入ヒドロキシプロピルメチルセルロースと一致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℃まで加熱します。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ます。セルロースは最初は水に浮きますが、徐々に分散し、均一に混ざるまで待ちます。溶液を定容まで冷却します。

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を用いてベンチマーク試験を実施し、小型試験の基本配合を決定した。また、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代替して試験を行った。さらに、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した。小型試験の結果に基づき、生産試験を実施した。

2. 3 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た後、分散剤を加えます。釜の蓋を閉じ、窒素圧力テストに合格した後、真空引きし、塩化ビニルモノマーを加えます。冷間撹拌後、開始剤を加えます。循環水を使用して釜内の温度を反応温度まで上げ、このプロセス中に重炭酸アンモニウム溶液を適時に添加して、反応システムのpH値を調整します。反応圧力が処方で指定された圧力まで低下したら、停止剤と消泡剤を添加し、排出します。遠心分離と乾燥によりPVC樹脂の完成品を得て、分析用にサンプリングしました。

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樹脂の粘度数、見かけ密度、揮発分（水分を含む）および可塑剤吸収量を100gのPVC樹脂に対して試験および分析し、PVC樹脂の平均粒子サイズを試験し、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PVC樹脂の異なるバッチの品質の比較分析

2を押します。4に記載された試験方法に従って、各バッチの小規模完成PVC樹脂を試験し、その結果を表2に示します。

表2 小規模試験の異なるバッチの結果

表2からわかるように、異なるセルロースを使用して少量試験を行った結果、得られたPVC樹脂の見かけ密度、粘度数、可塑剤吸収は比較的近い値を示しました。一方、国産のヒドロキシプロピルメチルセルロース配合物を使用して得られた樹脂製品の平均粒子サイズは若干小さくなりました。

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

（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画像

図 1 から、さまざまな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似ていることがわかります。

まとめると、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を代替する可能性があることがわかる。

3.2 生産試験における高重合度PVC樹脂の品質の比較分析

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方式を直接適用することはできません。そのため、処方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徐々に増加させる方式を採用しました。各バッチの試験結果は表3に示されています。

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は徐々に増加し、最終的にすべてのロットの国産ヒドロキシプロピルメチルセルロースが輸入ヒドロキシプロピルメチルセルロースに取って代わったことがわかります。可塑剤吸収量や見かけ密度といった主要指標に大きな変動はなく、本稿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を代替できることが示唆されています。

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可能性が示されました。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樹脂生産に使用した場合、完成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な品質指標に有意差は見られませんでした。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いため、国産セルロースを生産に使用すれば、生産補助コストを大幅に削減できます。