The Plasticization Effect of Hydroxylated Palm Stearin Plasticizer (HPS) Towards High-Density Polyethylene (HDPE) Via Compression Moulding
水酸化パームステアリン（HPS）は、物理的な相互作用を通じて溶融加工性を大幅に向上させ熱特性を変化させる、高密度ポリエチレン（HDPE）に対する非反応性のバイオベース可塑剤として効果的に機能するが、添加量が増えると分子鎖の可動性が高まるため引張強度は低下する。
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世界はプラスチックに溢れています。それは耐久性において称賛される一方で、その持続性ゆえに批判も受けている素材です。こうしたプラスチック廃棄物の多くは、短期間使用されてすぐに廃棄される使い捨て製品に由来しており、埋め立て地を圧迫し、生態系を汚染しています。これに対し、科学者たちは、これらの素材をより扱いやすくするために、分解を早める方法や、再生可能な資源を用いて加工する方法を見つけ出そうと、絶えず研究を進めています。有望な道筋の一つは、一般的なプラスチックの化学組成を微調整することで、扱いやすくしたり、最終的に素材の分解を助けるようなバイオベースの成分を導入したりすることです。この取り組みの中核にあるのが「可塑剤（かそざい）」という概念です。これは、硬いプラスチックに、まるで生地を捏ねやすくするために油を加える時のように、柔らかさと柔軟性を与えるために添加される物質です。合成可塑剤が長らく標準とされてきましたが、研究者たちは化石燃料への依存を減らし、素材の環境特性を向上させるために、植物由来の代替品へとますます目を向けています。
最近の研究において、マレーシアのマラシー・テクノロジー大学（Universiti Teknologi MARA）の研究者たちは、今日最も一般的に使用されているプラスチックの一つである高密度ポリエチレン（HDPE）に対する、特定の植物由来の解決策を調査しました。これは、牛乳瓶や洗剤のボトルなどを作るために使用される、強固で硬いプラスチックです。研究チームは、パーム油から派生した、ヒドロキシ化パームステアリン（HPS）として知られる新しい化学修飾成分を調査しました。彼らの目的は、この天然物質が、HDPEの本質的な強度を損なうことなく、溶融および成形時のプラスに働く効果的な可塑剤として機能するかどうかを確認することでした。このパーム油派生物をプラスチックに異なる割合で混合することで、研究者たちは、製造が容易で、潜在的により環境に優しいバイオハイブリッド素材を作り出しつつ、HDPEを広く利用させている有用な特性を維持することを目指しました。
研究者たちはまず、HDPEの固形ペレットを取り出し、混合物を加熱しながら攪拌する機械の中でHPSの粉末と混合しました。彼らは、重量比で10%、20%、30%のパーム油派生物を加えた3種類のレシピをテストしました。HPSを導入するとすぐに、機械の抵抗が劇的に減少しました。パーム油派生物を加えれば加えるほど、材料の混合は容易になりました。HPSを最も多く含んだ混合物では、純粋なプラスチックと比較して、混合に必要な労力が8割近く減少しました。これは、植物由来の成分がプラスチック分子の長い鎖の間にうまく入り込み、分子同士をより自由に滑らせることができるようになったことを示しています。この抵抗の減少は、工場での製造において、材料の加工がより容易になり、エネルギー消費も少なくて済むことを意味しています。
しかし、この加工の容易さは、強度の低下というトレードオフを伴いました。研究者が成形されたプラスチックの帯を引き離して耐久性をテストしたところ、HPSを多く加えるほど材料が弱くなることが分かりました。純粋なHDPEは破断する前にかなりの力を耐えることができましたが、30%のHPSを含む混合物は、その強度のほぼ半分を失いました。また、素材の伸びも減少しました。純粋なプラスチックは破断するまで元の長さの約5倍まで伸びることができましたが、最も多くのHPSを含む混合物は、その3分の1にも満たない距離までしか伸びませんでした。強力な顕微鏡で破断面を詳しく観察したところ、チームは、純粋なプラスチックは緻密でコンパクトな構造を持っているのに対し、HPSを含む混合物には小さな黒い穴や空隙が見られることを確認しました。これは、2つの物質が完全に融合して単一のシームレスな物質になっていないことを示唆しています。これらの隙間と、プラスチックの鎖の間のスペースの増加が、素材が柔らかくなり、重い荷重に耐えられなくなった理由です。
研究では、熱に対するプラスチックの挙動についても調査されました。加熱時、純粋なHDPEは特定の温度で溶けますが、HPSの添加によって融点がわずかに低下し、より低い温度で成形可能な状態になります。興味深いことに、植物由来の成分は、冷却時にプラスチックが固体結晶構造を形成し始める温度をわずかに高くさせる傾向がありました。これらの変化にもかかわらず、プラスチック内の結晶構造の総量はほぼ変わらず、HDPEの根本的な性質は維持されました。しかし、耐熱性は低下しました。純粋なプラスチックは400度を超える温度まで耐えることができますが、最も多くのHPSを含む混合物は、はるかに低い温度で分解し始め、100度以上低下しました。これは、新しい成分がプラスチックを溶かしやすく成形しやすくする一方で、最終製品を高熱に対して敏感にさせることを示唆しています。
最後に、研究者たちは、光の吸収を分析する技術を用いて、HDPEとパーム油派生物の間の化学反応を調べました。結果は、新しい化学結合は形成されず、2つの物質は単に隣り合わせに存在し、化学的に変化するのではなく物理的に相互作用していることを示しました。これにより、HPSが真の可塑剤として機能し、プラスチックの鎖を化学的に変えるのではなく、物理的に分離させることで作用していることが確認されました。研究は、ヒドロキシ化パームステアリンが、HDPEの加工を容易にするための実行可能なバイオベースの選択肢であり、プラスチックを溶かし混ぜるために必要なエネルギーを大幅に削減できると結論付けています。素材を弱め、耐熱性を低下させるという側面はあるものの、今回の知見は、強さを維持するために植物由来成分といかに良く混合させるかという今後の課題さえ解決できれば、より持続可能なプラスチック混合物を作成するための明確な道筋を示しています。
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