水溶性プラスチック、PVA フィルムおよびポリマー: 完全な技術ガイド

水に溶けるプラスチック：その正体

ほとんどのプラスチックは、耐水性によって正確に定義されます。ポリエチレン、ポリプロピレン、PET は、水生環境に何十年も存在し、重大な劣化はありません。水溶性プラスチックは人工的に作られた例外であり、その分子構造により水分子がポリマーマトリックスに浸透し、分子間結合を破壊し、最終的に材料を分子レベルで溶液中に分散させることができる狭い種類のポリマーです。

間の区別 水溶性 そして 水分解性 重要です。水分解性材料 (多くの生分解性プラスチックを含む) は、湿気、微生物、熱の存在下で数週間から数か月かけて小さな破片に分解されます。水溶性ポリマーは数分から数時間以内に水中で分子スケールの鎖に溶解します。断片化やマイクロプラスチックはなく、溶液中にはポリマー分子だけが含まれます。これらの溶解した鎖がその後生分解されるかどうかは、ポリマーの化学反応と溶液を受け入れる微生物環境に依存します。

すべての既知のポリマーの中で、商業用途に必要なフィルム形成特性、機械特性、および加工特性を兼ね備えた真の急速な水溶性を実現するポリマーはほんの一握りです。 ポリビニルアルコール（PVAまたはPVOH） これは商業的に最も重要であり、世界の水溶性フィルムおよび包装材の生産の大部分を占めています。その他には、ポリエチレンオキシド (PEO)、カルボキシメチルセルロース (CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース (HPMC)、ポリアクリル酸ナトリウムなどがあり、それぞれ特定の用途分野があります。

ポリビニルアルコールの水への溶解度: その背後にある化学

ポリビニルアルコールは、ビニルアルコール（安定なモノマーとして存在しない）の直接重合ではなく、ポリ酢酸ビニル（PVAc）の加水分解によって生成されます。 PVAc 主鎖の酢酸基がケン化によってヒドロキシル (-OH) 基に置き換えられると、PVA が生成されます。この置換が実行される度合いは、 加水分解度 これは、水中での PVA の溶解挙動を制御する唯一の最も重要なパラメータです。

加水分解の程度と溶解に対するその影響

PVA グレードは商業的には加水分解レベルに基づいて 2 つの大きなカテゴリーに分類されます。

• 部分加水分解 PVA (86 ～ 90% 加水分解): ヒドロキシル基とともに、かなりの割合のアセテート基を保持します。アセテート基はヒドロキシル基と水分子の間の水素結合ネットワークを破壊し、ポリマーを20℃で溶解しやすくします。 冷水または常温水（10～30℃） 。部分加水分解グレードは、洗濯ポッド、使い捨て洗剤の小袋、ユーザーが水温を制御しないときに急速に溶解する必要がある農薬の包装など、ほとんどの冷水可溶性フィルム用途で使用されています。
• 完全に加水分解された PVA (98 ～ 99.8% 加水分解): ほぼすべての酢酸基がヒドロキシルに変換されています。隣接する –OH 基と周囲の水分子間の緻密で規則的な水素結合ネットワークは実際に非常に強力であるため、ポリマー内に低温での水の浸透に抵抗する結晶ドメインが形成されます。完全に加水分解された PVA には次のものが必要です 熱湯（80℃以上） これらの結晶領域を分解して水の侵入を可能にするためには熱エネルギーが必要であるため、溶解するには熱エネルギーが必要です。完全に加水分解された PVA 溶液は、溶解すると、部分的に加水分解されたグレードと比較して、優れたフィルム強度、耐薬品性、およびバリア特性を提供します。

分子量と粘度

2 番目の主要なパラメーターは分子量で、通常は 20℃ での 4% PVA 水溶液の粘度によって特徴付けられます。市販の PVA 粘度グレードは、約 3 ～ 4 mPa.s (低分子量、溶解が早く、フィルム強度が低い) から 55 ～ 65 mPa.s (分子量が高く、溶解が遅い、引張強度と引裂強度が高い) の範囲です。あ 中粘度PVAの4%水溶液（20～30mPa・s） 一般的なフィルムのキャスティングおよびコーティング用途に最も一般的に指定されているグレードです。加工粘度と許容可能なフィルムの機械的特性のバランスがとれています。

実際の溶解に関しては、部分的に加水分解された中粘度の樹脂から作られた 25 ミクロンの PVA フィルムは、通常、20°C の水と接触してから 30 ～ 60 秒以内に完全性を失い始め、2 ～ 5 分以内に完全に分散します。 40℃では、同じフィルムは 60 秒以内に溶解します。これらのパラメーターは、フィルムの製造中にフィルムの厚さ、可塑剤の含有量、架橋密度を変更することで調整できます。

架橋の役割

PVA のヒドロキシル基は反応性があり、グルタルアルデヒド、ホウ酸、グリオキサールなどの薬剤を使用して架橋できます。架橋により、隣接するポリマー鎖間に溶解に抵抗する共有結合が形成されます。逆説的ですが、制御された架橋は次の目的で使用されます。 速度を落とすか防ぐか 水溶性よりもバリア特性が重要な場合の PVA の溶解。高度に架橋された PVA は、水溶性フィルムではなく、水膨潤性ヒドロゲルとして機能します。包装用途に使用されるほとんどの水溶性 PVA フィルムは、溶解速度を維持するために最小限に架橋されているか、架橋されていません。

PVAを超える水溶性合成ポリマー

PVA は商業的な水溶性フィルム市場を支配していますが、他のいくつかの合成ポリマーは異なる分子機構を通じて水溶性を実現しており、異なる用途ニッチに貢献しています。

ポリエチレンオキサイド (PEO)

ポリエチレンオキシド（低分子量ではポリエチレングリコール（PEG）とも呼ばれます）は、数百から数百万 g/mol という非常に広い分子量範囲にわたって完全に水溶性です。主鎖に沿ったエーテル酸素原子は水と水素結合を形成し、柔軟な主鎖の形状により、溶解を妨げる結晶の充填が防止されます。高分子量 PEO (100,000 g/mol 以上) は粘稠な水溶液を形成し、医薬品の錠剤コーティング、放出制御薬物送達マトリックス、および消火用水システムの抵抗低減剤として使用されます。低分子量 PEG は、広く普及している医薬品賦形剤および化粧品の保湿剤です。 PEO フィルムは一般に、同等の厚さの PVA フィルムよりも柔らかく、より伸縮性があります。

ポリビニルピロリドン (PVP)

PVP は、各繰り返し単位に極性の高いラクタム基が含まれているため、あらゆる温度で多くの極性有機溶媒に水溶性です。温度制限なく容易に溶解する非晶質構造を持つ水溶性合成ポリマーとして分類されます。市販グレードは、K-15 から K-90 までの K 値 (粘度関連の分子量指標) をカバーしています。 PVP は、医薬品バインダー、接着剤配合物、毛髪固定製品、および水性コーティングの分散剤および安定剤として主に使用されています。そのフィルム形成特性は PVA より弱く、吸湿性があります。PVP フィルムは大気中の湿気を吸収して軟化するため、単体の包装フィルムでの使用は制限されますが、複合フィルムの水溶性添加剤としては価値があります。

ポリアクリル酸ナトリウムとポリアクリル酸

ポリアクリル酸 (PAA) とそのナトリウム塩 (ポリアクリル酸ナトリウム) は、高密度のカルボキシレート基を持つ水溶性アニオン性ポリマーです。ポリアクリル酸ナトリウムは、おむつや衛生用品に使用される高吸水性ポリマーです。溶解はしませんが、浸透圧によって水中でその重量の数百倍を吸収するように膨潤します。部分的に中和された低分子量の形態は純粋に水溶性であり、水処理におけるスケール防止剤、洗剤配合物の分散剤、およびパーソナルケア製品の増粘剤として使用されます。溶解度は pH に依存します。完全にプロトン化された PAA (低 pH) は溶解度が低下しますが、ナトリウム塩の形態は広い pH 範囲にわたって自由に溶解します。

プルラン

プルラン occupies a transitional position between synthetic and biobased water-soluble polymers. Produced by the fungus アウレオバシジウム プルランス デンプン原料から得られる直鎖多糖類で、冷水に容易に溶解し、透明で無臭の食用フィルムを形成します。プルランフィルムは、乾燥状態では PVA に匹敵する優れた酸素バリア特性を備えており、完全に生分解性です。これらは、経口ストリップ医薬品の送達、食用食品の包装、化粧品のシートマスクに使用されています。バイオベース材料のサプライチェーンが発展し、コストが低下するにつれて、プルランは高級用途における合成水溶性ポリマーの自然な代替品として指定されることが増えています。

水溶性フィルム : 製造、特性、および用途

水溶性フィルム（主に PVA ベース）は、次の 2 つの主なプロセスで製造されます。 ソリューションキャスティング そして インフレーションフィルム押出 。それぞれが、さまざまな最終用途に適したさまざまな特性プロファイルを持つフィルムを製造します。

溶液キャスティング vs. インフレーションフィルム押出

溶液キャスティングでは、PVA を 80 ～ 90 °C の水に溶解して粘稠な溶液 (通常、固形分 15 ～ 20%) を形成し、グリセロールやソルビトールなどの可塑剤を加えて柔軟性を向上させ、その溶液を加熱したステンレス鋼のベルトまたはドラム上に広げ、そこで蒸発を制御して均一なフィルムを生成します。キャストフィルムは、優れた光学的透明性、厳しい厚さ公差 (±1 ～ 2 ミクロン)、および高い表面平滑性を特徴とし、パッケージの透明性とパウチのヒートシール性能に重要な特性を備えています。このプロセスは押し出し成形よりも時間がかかり、より多くのエネルギーを消費します。

PVA のインフレーションフィルム押出には、ペレットにあらかじめ配合された可塑剤を含む特別に配合された溶融加工可能な PVA グレードが使用され、従来のインフレーションフィルムラインを通じて 160 ～ 190°C の温度で加工されます。インフレーションフィルムはキャストフィルムに比べて光学的に透明度が低く、ウェブ全体の厚さが若干異なりますが、生産率が高く、単位生産量あたりの資本コストが低くなります。インフレーション PVA フィルムは、ランドリーバッグ、刺繍裏地、および溶解速度とコストよりも光学的透明性が優先される用途に使用されます。

主要な機械的特性とバリア特性

市販の PVA 水溶性フィルム (25 ミクロン、部分加水分解、キャスト) は通常、次の特性を示します。

• 引張強さ: 35 ～ 55 MPa (機械方向)、高速パウチ充填ラインに適切なウェブ強度を提供
• 破断伸び: 200 ～ 300%、フィルムが破れることなく成形、充填、シールのツール上で伸びることができます。
• 酸素透過率 (OTR): 相対湿度 0% で 1 cm3/m2/日未満 - 熱可塑性フィルムの中で最高の酸素バリアの 1 つであり、EVOH に匹敵します。親水性フィルムが湿気を吸収して膨張するため、このバリアは高湿度で崩壊します。
• 耐グリース性および耐油性: 優れた — PVA の極性は非極性炭化水素をはじくため、水に溶解する前にフィルムを劣化させることなく、油を含む製品の包装に効果的です。
• ヒートシール範囲： 標準インパルスまたは定熱シーラーのほとんどの商用グレードで、圧力 0.2 ～ 0.5 MPa で 150 ～ 200 ℃、滞留時間 0.5 ～ 1.0 秒

主な応用分野

単位用量の洗剤および洗浄製品 は世界最大規模のアプリケーションを表しています。ランドリー ポッド、食器洗い機用タブレット、浴室用クリーナー カプセルには、事前に計量された液体または粉末が入った PVA フィルム パウチが使用されています。消費者は、内部の濃縮化学物質を扱わずにパウチ全体を洗濯機または食器洗い機に入れます。これにより、投与量の間違いが減り、化学物質への曝露が最小限に抑えられ、液体の流出がなくなります。世界の単位用量ランドリーポッド生産量が超過 年間 400 億個のポッド 2020 年代初頭では、大部分が PVA フィルムでパッケージ化されました。

農薬の包装 これは、水溶性フィルム小袋を使用することで、農場労働者が密封された容器を開けずに、事前に計量した殺虫剤または除草剤濃縮物を噴霧タンクの水に直接追加できる、高価値の用途であり、濃縮有効成分への皮膚および吸入曝露を劇的に削減します。小袋が水に入るとフィルムが溶解し、内容物が均一に放出されます。農業用噴霧装置は圃場条件で周囲温度の水を使用する可能性があるため、この用途には冷水溶性の部分加水分解 PVA が必要です。

刺繍と織物への応用 ストレッチ素材、レース、自立型刺繍への機械刺繍の一時的な安定化基材として、PVA 水溶性フィルムと不織布を使用します。フィルムは生地を保持するか、縫製中に唯一の基材として機能し、その後水に溶解して刺繍糸の構造のみを残します。これにより、完成した刺繍を歪めてしまう物理的なスタビライザーを取り外す必要がなくなります。熱水溶性グレードは通常、刺繍プロセス中の汗や周囲の湿気による早期の溶解を防ぐために使用されます。

病院のランドリーバッグ 隔離病棟からの汚染されたリネンは PVA バッグに密封され、洗濯スタッフが扱うことなく直接洗濯機に入れられます。バッグは洗濯サイクルで溶解し、内容物が洗剤や熱湯にさらされます。これにより、相互汚染が防止され、医療用ランドリー業務で文書化されている危険性であるリネンの手作業による仕分けによる鋭利物による怪我のリスクが軽減されます。

建設およびコンクリート用途 PVA フィルムは、コンクリート型枠の離型剤として、乾燥モルタル混和剤の包装として、およびセメント複合材料の繊維補強として使用されます。繊維強化では、短い PVA 繊維 (フィルムではありません) がセメント混合物全体に分散され、機械的なかみ合いを介してセメント マトリックスに結合し、コンクリートやモルタル要素の耐亀裂性と亀裂後の延性が大幅に向上します。

環境運命: PVA が溶解した後に何が起こるか

水溶性 PVA フィルムの環境認証はマーケティング資料で頻繁に引用されますが、慎重に検討する必要があります。水への溶解と環境の安全性は同義ではありません。

PVAは 容易に生分解される PVA 分解酵素 (PVA オキシダーゼおよび β-ジケトン ヒドロラーゼ) を生成する特定のグループの土壌および水生細菌によって分解されます。これらの微生物は、下水処理場の活性汚泥、農地土壌、水底堆積物中に広く生息しています。実験室条件下および適切に運営された都市廃水処理では、PVA は水と二酸化炭素に分解されます。 80％を超える生物学的酸素要求量（BOD）除去 28日以上。これは、同等の条件下で生分解がほぼゼロであるほとんどの従来のプラスチックよりも大幅に優れています。

ただし、生分解速度は環境に大きく依存します。冷水、低酸素、または微生物の活動が少ない環境（一部の自然の水路や不適切に運営されている浄化システムなど）では、PVA は必要な微生物群集が定着するまで、長期間溶解した状態で残留する可能性があります。水に溶解した PVA はマイクロプラスチックではありません (粒子状ではありません)。しかし、適切な生物学的処理なしで受け入れ水路に溶解したポリマーは、完全な石灰化と同等ではありません。

最も正確な特性評価は次のとおりです。 PVA 水溶性フィルムは、従来の包装に伴う固形プラスチック廃棄物やマイクロプラスチックの破片を排除します。 、標準的な廃水処理を通じて効率的に生分解されます。すべての環境で無限に無害というわけではないため、自治体の廃水処理を回避する方法 (たとえば、シンクに溶解し、未処理の浄化槽に排水し、その後直接地下水に流すなど) で処分すべきではありません。

水溶性フィルムの保管、取り扱い、および処理の要件

水溶性フィルムを商業的に価値のあるものにするまさにその特性、つまり水に対する感受性により、従来のプラスチックフィルムとは大きく異なる取り扱いおよび保管要件が生じます。これらの要件を遵守しないことが、工業および包装作業におけるフィルムの性能問題の最も一般的な原因です。

• 湿度管理： PVA フィルムは周囲の空気から湿気を吸収します。相対湿度が 60 ～ 65% を超えると、フィルムの機械的特性が著しく変化します。吸収された水が追加の可塑剤として作用するため、引張強度が低下し、伸びが増加します。保管室と生産エリアは次の温度に維持する必要があります。 相対湿度 40 ～ 55%、温度 15 ～ 25°C 。フィルム ロールは、使用直前まで密封された防湿包装 (通常は PE で裏打ちされたフォイル袋) に入れて保管する必要があります。
• 液体接触防止： 水滴、結露、または飛び散った液体と短時間接触しただけでも、局所的な溶解が始まり、フィルムウェブに薄い斑点や穴が生じます。 PVA フィルムを扱う作業者は濡れた手や表面を避け、洗浄後は生産を再開する前に機器を完全に乾燥させる必要があります。
• ヒートシールパラメータ: PVA フィルムは、ポリエチレンやポリプロピレンよりも狭い温度範囲内でシールします。温度が低いとシールが弱く剥がれやすくなります。温度が上昇すると、シール端のフィルムが過剰に加水分解して脆くなり、パウチが曲がったときに亀裂が入ります。周囲温度はシーリングステーションのフィルム温度に影響を与えるため、シールバーの温度校正は定期的に確認し、季節ごとに調整する必要があります。
• フィルコンテンツとの互換性: すべての化学物質が PVA と互換性があるわけではありません。強酸、強アルカリ、酸化剤（漂白剤）、ホウ砂、および高濃度の電解質溶液はすべて、充填されたパウチの内側から PVA フィルムを劣化させたり、早期に溶解させたりする可能性があります。商業生産を開始する前に、特定のフィルムグレードと目的の充填製品との間の適合性テストが必須です。
• 二次包装: 吸湿性粉末または濃縮液体を充填した完成したパウチは、直ちに防湿性の外装包装で二次包装する必要があります。外箱がないと、充填された PVA パウチは周囲の湿気を吸収して柔らかくなり、結合したり、表面に粘着性が生じて個別に取り出すのが困難になる可能性があります。