可塑剤の化学

可塑剤は化学構造から言えばエステル化合物です。エステルは酸とアルコールから水が脱離して得られます。従いまして、酸の種類、アルコールの種類の掛け算だけエステル化合物の数はあります。

可塑剤の原料となる酸は、フタル酸、アジピン酸、トリメリット酸、リン酸、クエン酸、セバシン酸等があります。可塑剤の原料となるアルコールは、炭素数1のメタノール、炭素数2のエタノール、炭素数3のプロパノール、・・・・、とあります。アルコールの化学構造で見ると、炭素の連鎖からなる直鎖状、炭素の連鎖に分岐がある分枝状、組成からは、単一の化学物質からなる組成が唯一つの単一物、複数のアルコール成分からなる混合物という見方もあります。

代表的なフタル酸エステルであるDEHP可塑剤は、フタル酸の化学構造中のベンゼン環の隣り合った炭素にそれぞれ一つずつ付いている二つのカルボキシル基と炭素数8の分岐アルコールである2-エチル-1-ヘキサノール（6つの直鎖の炭素とそれに2つの炭素の枝のあるアルコール）2分子とが反応して出来上がります。フタル酸にはo-(オルソ)、i-（イソ）、t-（テレ）の3つの構造異性体がありますが、DEHPはo-フタル酸を用いて合成されます。可塑剤として使用されてきた従来のフタル酸エステルのほとんどは酸としてo-フタル酸を用いたエステル化合物です。

可塑剤の働き

可塑剤は、英語ではplasticizersとされ、中国語では増塑剤と言われます。Plasticsはプラスチック全体をさします。PlasticはPlastic crayのように、塑性粘度の塑性を意味します。塑性流動や塑性変形を生じさせる添加剤と言う意味もあるのかもしれません。そういう意味では流石に漢字の国、中国の「増塑剤」は物の理を得ていると言えそうです。塑性流動はBingham Plasticとも言い、非ニュートン流体の一つです。降伏応力を持ちます。即ち、降伏応力を超えた応力を加えることにより流動を開始する流体のことを指します。日本語の「可塑剤」は、この降伏応力をもたらし、その大きさを変えるという広い意味での効果を持ち、流動性をコントロールする作用を持つとも言えるかもしれません。

可塑化のメカニズムは、未だに、まことしやかなポンチ絵で解説されていますが、何十年も前の描像が今も大手を振ってまかり通っている感があります。ガラス転移現象を支配する今風の分子論と共に可塑化の分子論もあるはずですが、ないのでしょうか？

可塑化の最も視覚的な効果を示す図を上に示します。これは、可塑剤（DEHP）の添加量を左から順に０、３０、５０wt%とした時の軟質ポリ塩化ビニル（PVC）シートの動的粘弾性の温度依存性を示しています。縦軸は弾性率（貯蔵弾性率（黒〇）、損失弾性率（赤〇））、損失正接（△）、横軸は温度です。図中の⚫️は25℃における各試料の貯蔵弾性率を示しています。左から順に弾性率がガラス状、皮革状、ゴム状へと低下していることが判ります。このように可塑剤の添加量の増加によって弾性率が次第に低下します。材料に柔らかさを提供しているのです。

基材であるポリ塩化ビニルが可塑剤の添加により硬いものから柔らかいものに変わります。つまり一種類のプラスチックで様々な硬さの（柔らかさの）成形品が得られることになります。可塑剤がPVCを守備範囲の広い材料にしていると言っても良いのではないでしょうか？これが可塑剤の効用の一つです。

物性値では説明できない可塑化PVCについて一例をご紹介しましょう。ある成形加工メーカーの技術者がある電気電子部品をDEHPで可塑化したPVCで成形していました。彼はその成形品をある家電メーカーに納品していました。欧州ではDEHPが使えなくなると言うので、DEHP以外の可塑剤で可塑化したPVCで同じ部品を成形し、従来の品質検査を受けました。しかし、八方手を尽くしても合格に至りませんでした。他では得られない実用性能がDEHPで可塑化されたポリ塩化ビニルにはあるようです。DEHPってすごい！

フタル酸エステルはその工業的生産が開始されて以来約60年。その間、可塑剤用途を中心に様々な用途で工業的に使いこなされ、そして、消費者製品を中心に多方面で便利に安全に用いられて参りました。これからもまだまだ続きそうです。

可塑剤の種類・特徴と用途

可塑剤には数多くの種類があります。その中で一般的に使用されている可塑剤についてその特徴と用途をまとめました。それぞれに特徴があり、その用途は多岐にわたっており、暮らしの様々なところで役立っています。

■フタル酸エステル

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*常圧　**20℃

■フタル酸エステル以外

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