化学製品・高分子製品の基礎講座

私たちは、あらゆるところで多種多様な「化学製品」に囲まれています。 それらの化学製品、あるいは化学物質について、知っておくべきこととは何か。 本連載では、製品の成分や仕様説明に記載されている化学物質、高分子材料について理解できるよう、 化学製品の基礎知識をご紹介していきます。
第5章 主要な高分子材料の種類と特長

5-2 ポリプロピレン

ポリプロピレンPPは、プロピレンCH2=CH-CH3というガス状炭化水素を重合した高分子です。ポリエチレンが1930年代に超高圧条件下で合成された(5-1のLDPE)のに対して、材料として実用に耐えるプロピレン重合体は長らく合成できませんでした。1953年にチーグラー触媒によってもう一つのポリエチレンHDPEが合成されてもポリプロピレンの合成は成功しません。しかし、翌年イタリアでチーグラー触媒を改良したチーグラー・ナッタ触媒が開発されて初めてポリプロピレンが合成できました。ポリプロピレンは汎用ポリマーの中では最も新しい高分子です。

一般に一種類の原料から成る高分子をホモポリマー、複数の種類の原料からつくられる高分子をコポリマーと呼びます。ポリプロピレンにもホモポリマーとコポリマーがあります。コポリマーは、加える原料の種類と量だけでなく、高分子内の成分配列の仕方を変えることによっても、様々な性質・性能の高分子をつくることができます。ポリプロピレンのコポリマーは、主にエチレンとプロピレンからつくられ、ランダムコポリマーとブロックコポリマー(インパクトポリマー)が広く使われています。図のようにランダムコポリマーは、エチレン部分とプロピレン部分が不規則に並ぶコポリマーです。通常はエチレンを少量(5%以下)加えます。これに対して、ブロックコポリマー(インパクトポリマー)はプロピレンのホモポリマーに相当する部分とエチレン・プロピレンのランダムコポリマーに相当する部分、場合によってはポリエチレンに相当する部分が連結した構造をしています。ランダムコポリマー部分が15%から20%含まれます。ブロックコポリマーは、ホモポリマーの海の中に、ランダムコポリマーやポリエチレンから成る島が散在するようなミクロの構造をしています。これによって、ホモポリマーの強さ(剛性)とランダムコポリマーの柔らかさに基づく耐衝撃性の強さの両方の性質が発揮されます。ランダムコポリマーを20%以上含むブロックコポリマーは熱可塑性ゴムとなるので5-14その他の高分子材料で、またエチレン、プロピレンに第3成分としてジシクロペンタジエンなどを加えたコポリマーはエチレンプロピレンゴムEPDMになるので5-13特殊合成ゴムで述べます。

製品としてよく使われているポリプロピレンの種類

ポリプロピレンの一般的な性質はポリエチレンに似ています。しかしポリエチレンより優れた性質を多く持っています。第一に比重が軽いことが挙げられます。低密度ポリエチレンLDPEよりも軽く、密度は0.88?0.91g/cm3で、最も軽い高分子です。耐熱温度は高密度ポリエチレンHDPEより高く、使用可能温度は100℃以上で、熱湯に耐えます。このため、日本でも工業化された当初からお風呂用の洗面器、手桶、食器、食品容器など使われました。引張強さ、剛性、曲げ疲労性(折り曲げ)などの機械的性質でもHDPEより優れています。曲げ疲労性に優れるので、本体とフタを一体でつくることができます。電気絶縁性、耐薬品性はポリエチレンと同等で非常に良好です。

透明性がポリエチレンより優れているため、フィルムや中身の見える収納ケース・衣装ケースにも適しています。ポリプロピレンは結晶性高分子なので、本来は透明性が悪いはずですが、エチレンを少量加えたランダムコポリマーは結晶性が低下して透明性が高まります。また4-9で説明した結晶核剤(造核剤)がポリプロピレン用に多数開発されており、ランダムコポリマー以外でも透明性の高いポリプロピレンが多くつくられています。表面光沢もポリエチレンより優れており、輝きのあるフィルムがつくられます。また、ポリプロピレンは成形加工性も優れています。無機粉末やガラス繊維などを加えると強度が著しく高くなるので、このような複合製品もよく使われています。

唯一の欠点は低温脆性です。ポリエチレンのガラス転移点(4-8参照)が-60℃から-20℃に対して、ポリプロピレンは-10℃と高く、低温下ではポリエチレンよりも脆くなります。しかし、ブロックコポリマーは、この欠点を相当に克服しています。

プロピレンはエチレンと並んで高分子原料の中では最も安価です。しかも同じポリプロピレンと言ってもホモ、ランダム、ブロックの三種類は次の表のように大きく性能が異なるので、多彩な用途に使われ、ポリプロピレンは日本でも、世界でもポリエチレンに次いで生産量・消費量が大きい高分子材料です。とくに1970年代以後、ブロックコポリマーが広く使われるようになり、世界中でポリプロピレンの生産量が大きく伸びています。

種類 特徴(ポリエチレンとの比較) 用途
ホモポリマー 高剛性、高耐熱性 フィルム、繊維、結束バンド
ランダムコポリマー 柔軟性 フィルム、ボトル
ブロックコポリマー 剛性、耐衝撃性 自動車部品、ビールコンテナ、家電部品、日用品


ポリプロピレンの主要な用途は、フィルムや繊維、結束バンドのような押出成形品、シャンプーボトルのような中空成形品、日用品や機械部品のような射出成形品(4-2参照)と幅広く、万能のプラスチックと言えましょう。フィルムにはCPP(無延伸フィルム)とOPP(二軸延伸フィルム)の両方が使われています。CPPは透明で強く、食品包装用によく使われます。OPPはセロハンのような透明性、光沢性、ガスバリア性があり、食品包装に使われるほか、シュリンクフィルムとしてPETボトルの外装などに広く使われています。一軸延伸フィルムからつくられるフラットヤーン(レジャーシート、ブルーシートの原糸)やスプリットヤーン(荷造りひも)もよく見かけます。繊維は染色性の悪さから衣料用途よりも産業用途(漁網、ロープ、ろ布)によく使われてきましたが、不織布用途が使い捨てオムツなどで大きく伸びています。

ポリプロピレンは中空成形品分野ではHDPEやPETに大きく後れを取っていますが、射出成形品分野では圧倒的な強さを発揮しています。大型の自動車部品としてバンパー、インパネがある他、中小型の多数の自動車部品にもポリプロピレンは使われています。その他、家電部品、工業用品、食品容器、バケツ、注射器、ビールコンテナなど、ポリプロピレン射出成型品は身の回りで多数見かけることができます。

執筆: 日本化学会フェロー 田島 慶三

『化学製品・高分子製品の基礎講座』の目次

第1章 化学製品を理解するための基本

第2章 化学製品の利用に当って留意すべき法規制

第3章 化学製品の基本

第4章 高分子製品を理解するための基本

第5章 主要な高分子材料の種類と特長

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