SPMC Technical Review
水性バイオマスエマルションの開発
Development of aqueous biomass emulsion
星光ＰＭＣ株式会社
樹脂事業部 佐藤 公美
池田 有紀

1. はじめに 1), 2)

わらない品質でバイオマス率を上昇させたいという市場の要求に応えることは、非常に難易度が高くなって近年、サステナビリィの観点から、より環境負荷がいるのが現状である。本報告では、この状況を打破

少ない生物由来資源を使用した材料への転換が試すべく、インキ用樹脂の開発で培ってきたスチレンアみられてきている。その中でも植物由来等のバイオクリルエマルション技術を用いて、植物由来原料をエマス資源を用いることで、石油資源の節約やカーボマルションに組み込むことにより、従来のスチレンア

ンニュートラルに基づく二酸化炭素排出量の削減にクリルエマルションと同等以上の性能を発揮する水性効果があるとされている。それに伴い、各メーカーはバイオマスエマルションについて紹介する。

認定機関の承認を得る、あるいは自主基準を設けることで差別化を図っている。例えば、一般社団法人日2. 植物由来のバイオマス原料について本有機資源協会が認定している「バイオマスマーク」の取得基準によれば、バイオマス度が乾燥重量で下図１に代表的な植物由来バイオマス原料の例を示

限値 10%含むものを環境商品としており、これが低した。植物由来のバイオマス原料は大きく分けて親環境負荷製品の一つの指標とされる。このバイオマ

水性物質と疎水性物質に分けられる。親水性物質にスマークはインキ、塗料、接着剤、繊維、容器、日用は澱粉、セルロース等の高分子があり、必要に応じ品等、多分野の製品で使用されており、その認定商て水酸基等を変性して用いられることが一般的であ品数は 2020 年 3 月 1 日時点では 632 件、同年 9る。澱粉は酸化やアミノ化反応を行い、例えば紙の強月 1 日時点では 845 件であったが、2022 年 3 月 10度を向上させる薬品として使われている。セルロース日時点では 1387 件と増加し続けており、様々な市場はニトロ化してグラビアインキの材料として、あるいはで流通している製品のバイオマス化が進められてい繊維をナノレベルまで解繊することで得られるセルロることが分かる。しかし、バイオマス資源を導入したースナノファイバーとし、増粘剤や樹脂の補強材とし材料は、既存の材料と比較して必要な性能が低下しての活用が検討されている。一方、疎水性物質としててしまうことが課題となっている。そのため、従来と変はロジン、脂肪酸、天然ゴム、リグニン等が挙げられ

図 1．代表的なバイオマス原料。左：澱粉、中央：ロジン、右：大豆油
1

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水性バイオマスエマルションの開発

る。ロジンと脂肪酸は酸基をアルカリ塩にすることやまうことが多い。これは従来のポリマーとバイオ乳化処理による水分散体や、カルボン酸や二重結合マス原料を単純に混合しているからではないかと等を利用した変性物が様々な用途で使用されている。

推測している。
（詳細は 3-3 項以降で述べる。
）ま天然ゴムは高分子量で溶剤に可溶という特徴があり、たバイオマス原料は天然物のため原料そのものがタイヤ、ゴム手袋等のゴム製品の他に、変性物が接常に一定の状態では無く、精製や変性などの前処着剤等でも使用されている。リグニンであればスルホ理が必要となる。

ン化により界面活性剤やコンクリート用減水剤としてこれらのことを踏まえ、当社では『従来のスチ使用されている。

レンアクリルエマルションと同様に使用出来ること』を開発コンセプトとし、既存エマルション製

3. 水性バイオマスエマルション

品とバイオマス原料を複合化することで 20～50%程度のバイオマス率のエマルション製品を開3-1. コアシェル型エマルション「ハイロス－XE」

発した。

シリーズについて
当社のコアシェル型エマルション「ハイロス―

3-3. 澱粉系バイオマスエマルション「ハイロス－XE」シリーズは、高分子乳化剤を用いて水系で乳X・QE-2229」

化重合を行うことで得られるスチレンアクリルま澱粉は安価な親水性高分子であり、耐溶剤性にたはアクリルエマルションである。カルボキシ基優れる原料である一方、着色（白色度の低下）とを持ったポリマーを、有機アミンや金属アルカリ耐水性に乏しい、という短所がある。この短所をを用いて水溶液化し、これをシェルとして疎水性克服すべく我々は、澱粉の変性方法と分子量の最のコアポリマーを導入することで、低分子乳化剤適化による着色の防止、およびエマルションのコや有機溶剤を使用することなく、高濃度の水性エア部の組成調整による耐水性の向上を行った。さマルションを得ることが出来る。このコアシェル

らに、シェル構造に改良を加えることで、澱粉のエマルションは低分子乳化剤を使用したエマルシ

水中でのレオロジーを改善し、バイオマス率 30%

ョン等と比較して、高濃度にも関わらずチキソ性のスチレンアクリル／澱粉複合化エマルションが低いことから非常に優れた塗工適性を示す。

QE-2229 を開発した。表１に、各エマルション

塗工直後に塗膜を形成していく乾燥工程での乾燥速度やレベリング性は、カルボキシ基を中和すCobb 吸水度（120 秒）を測定した結果を示す。

るアルカリ種類等、主にシェル部の設計でコント

QE-2229 は耐水性に優れる当社の既存スチレンロールすることが出来る。また、耐摩擦性や耐水アクリルエマルション（エマルション A）と同等の耐水性を示したことに対し、比較としてエマル性等、塗工後の最終製品における塗膜物性はシェション A に QE-2229 と同じバイオマス率 (30%)

ル部とコア部の比率および親和性、ポリマーの組となるよう澱粉水溶液を混合した場合には、耐水成、Tg、分子量等の様々なファクターを組み合わせることで、用途や目的に合わせて調整が可能で

表 1. Cobb 吸水度測定結果ある。
3-2. 水性バイオマスエマルションの開発コンセプト
バイオマス原料を用いた既存材料の多くは、バ

品名

Cobb120

エマルション A0.8

エマルション A／澱粉混合物

5.8

イオマス率が高い一方で各種耐性や光沢等の物性

QE-2229

面、さらには塗工適性等の操業性を低下させてし(スチレンアクリル/澱粉複合化エマルション)

21.0

SPMC Technical Review 2022 No.1水性バイオマスエマルションの開発性が大きく低下した。このことから、当社独自のの発色性はエマルション B／ロジン混合物では大複合化技術が澱粉配合による性能低下の解消に大きく低下し、PE-2189 では、エマルション B とほきく寄与していることが分かる。

ぼ同等の結果となった。このことから、スチレンアクリル樹脂とロジンを複合化することが重要で3-4. ロジン系バイオマスエマルション「ハイロスあると理解できる。

－X・PE-2189」
3-5. 脂肪酸系バイオマスエマルション「ハイロス

ロジンは酸基、二重結合を有するため変性のレパートリーが幅広いものの、ラジカル重合を阻害－X・NE-2309」

すること、ロジン由来の着色、独特な臭気、原料脂肪酸類は極性の低い長鎖アルキル鎖を持つこのロット振れが大きい等の短所もある。開発アプとから、これを利用することで OPP 等の低極性ローチとして、ロジンの最適な変性、重合条件のフィルムに対する密着性を持ったフィルム用イ最適化による重合率の向上を行うことで、スチレンキ向けエマルションが開発できるのではない

ンアクリル/ロジン複合化エマルション PE-2189かと考えた。脂肪酸類はその結晶性の高さに起因を開発した。PE-2189 は 50% の高バイオマス率して、水への乳化分散が難しく、分散状態の経時であり、水性インキのバインダー樹脂として用い安定性の悪さが課題であった。それに対し我々は、た際には高い光沢度と発色性を示す特徴がある。

脂肪酸類の分散に適した形に変性を加え、さらに

図 2 は光沢度の測定結果、図 3 はインキ発色の写その変性脂肪酸類が安定に分散可能なシェル部真である。PE-2189 の比較として水性インキ用の（高分子乳化剤）の設計を行った。これに加え、当社既存エマルション（エマルション B）および、変性脂肪酸のブリーディングを防止するためのエマルション B に PE-2189 と同じバイオマス率コア部の設計を行うことで、バイオマス率 20%(50%) になるように変性ロジンワニスを混合したでフィルム密着性に優れるエマルションエマルションの評価結果を示している。光沢度は、NE-2309 を開発した。図 4 に各種フィルムに対単純にエマルション B とロジンワニスを混合下だする密着性の試験結果を示す。比較として当社既けでも若干の向上が見られるが、複合化した存製品のアクリルエマルション (エマルションPE-2189 では大きく向上している。また、インキC) および、エマルション C に NE-2309 と同じ

図 2. 光沢度測定結果

図 3. インキ化時の塗膜写真 （左：エマルション B、中：※光沢評価方法：エマルション粘度を ZC #4、25s に調整し、コーエマルション B /ロジン混合物、右：PE-2189）

ト紙に塗工した後、塗工面の光沢度をグロスメーターで測定。

※インキ化処方：ベースインキ（藍）/エマルション=7/3（有り姿）で混合し、ライナー紙に塗工。

3SPMC Technical Review 2022 No.1

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図 4. フィルム密着試験結果※密着試験方法：ベースインキ（白）/ エマルション=1/1（有り姿）で混合し、フィルムに塗工。
乾燥後、セロテープ剥離を行い、残存面積を算出。

バイオマス率 (20%) になるように変性脂肪酸類を発現する水性バイオマスエマルションを開発しを混合したエマルションの結果も示した。

た。これらの検討で得た知見を活かし、新たなバ

NE-2309 は OPP や OPS 等の低極性基材にだけでイオマス原料の導入、更なるバイオマス率の向上

なく、PET 等の極性のある基材にも良好な密着性を目指し、今後も持続可能な社会実現に貢献してを有していることがわかる。本製品を使用するこいく所存である。とで軟包材用インキのバイオマス率向上が可能になると期待する。

＜参考文献＞
1) 一般社団法人日本有機資源協会ホームページ

4. まとめ2) 藪野通夫・菅原良, J. Jpn. Soc. Colour Mater., 93 [6],182-188 (2020).

QE-2229、PE-2189、NE-2309 の物性、特徴を
表 2 にまとめて示す。種々のバイオマス原料を用い、当社既存品と同等あるいはそれを上回る性能

表 2. バイオマスエマルションの物性（代表値）、特徴まとめ
品名

QE-2229

PE-2189

NE-2309

バイオマス原料種
粘度 [mPa・s]

澱粉250

ロジン
600

脂肪酸
800

pH8.5

8.38.5

不揮発分 [mass.%]

484540粒子径 [nm]10010060

理論酸価 [mgKOH/g]

4915551

最低造膜温度 [℃]＜5＜5＜5バイオマス率 [%]305020特長

・耐水性良好・耐アルコール性良好・高バイオマス率・高光沢・IPA希釈安定性良好

・フィルム密着性良好

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研究者プロフィール
星光 PMC 株式会社

星光 PMC 株式会社

樹脂事業部

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技術統括部

技術統括部

明石研究所

明石研究所

佐藤 公美

主任 池田 有紀(Kumi Sato)(Yuki Ikeda)

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