63●配水管用高性能ポリエチレン「ニポロンハード6510」の開発
四日市研究所 PO分野

鶴田 明治
内藤豊
山本 武志

新規分野

本稿では、まずPE100認証を得るために必要な高性

１. はじめに能ポリエチレンについて概説し、次にニポロンハー

ポリエチレン製配水管は既存の鋳鉄管・塩ビ管に比べて、耐震性、可撓性、耐腐食性、軽量性等の特徴を有し、将来的には配水管の主流となることが期待されている。欧州では既にポリエチレン管がかな

ド6510の特徴を紹介する。

２. 高性能ポリエチレンとは〔1〕パイプ用ポリエチレンの分類りの使用実績を誇っており、年率７％以上と急速にポリエチレンは表１に示すように、樹脂毎に分子需要を拡大している 。この動きに呼応して、国内に構造や性質が異なり、各々の特徴に応じて使用されおいてもここ数年レジンメーカーでの樹脂開発が進ている。LLDPEは可撓性が高く、強度、クリープ寿み、市場の動きも活発化している。

命（ESCR等）にも優れるため、給水管など低圧用の

１）

配水管用ポリエチレンには、パイプとして20℃でパイプに使用されているが、配水管のように要求耐10MPaの円周応力が負荷された状態で50年間破壊が生圧が高く、剛性が要求される場合は使用できない。

じないことが要求され、ISO規格にあるPE100を公的

一方、HDPEは剛性、強度面では優れるが、クリープ認証機関で取得する必要がある。当研究所では、重寿命があまり良くないため、長期特性が要求される合触媒・プロセス技術・樹脂解析・成形加工の観点パイプには殆ど使用されていない。高性能ポリエチから、各部署間で連携した開発を進め、2000年２月

レンは、従来のポリエチレンの課題であった、剛性、にスウェーデンのBodycote Polymer（旧 Studsvik

強度とクリープ寿命を両立させた樹脂であり、このPolymer）においてPE100認証を取得し、当社配水管樹脂の開発によりPE100の達成が初めて可能となっ用グレード「ニポロンハード6510」を完成した。

た。

表１

ポリエチレンの分類
高性能PE
HPPE

樹脂名低密度PE
LDPE

直鎖状低密度PE
LLDPE

弊社商品名

ペトロセン

ニポロンーL

グレード

（各種）

（各種）

（各種）

6510

8D05B

MFR(g/10分)
密度(g/cm3)

0.15〜70
0.91〜0.94

0.7〜500.91〜0.94

0.05〜200.945〜0.965

0.100.950

0.120.940

主な特徴

透明性
柔軟性

透明性
柔軟性

高剛性

高剛性
長期寿命

柔軟性
長期寿命

主な用途

フィルム、ラミコンテナ、ボトルフィルム
コンテナ
給水管

フィルム、シートコンテナ、ボトル
一般パイプ

配水管

高耐久シート

高密度PE
HDPE

ニポロンハード

分子構造（ 63 ）64

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.44（2000）

鎖分岐度の分子量依存性を小さくし、タイ分子形成〔2〕高性能ポリエチレンの特徴
本項では、高性能ポリエチレンが従来のHDPEに比確率のより一層の向上を図っている。
以上述べたように、高性能ポリエチレンの樹脂設べて、どのような点が改良されたかを、高次構造、分子構造の観点から説明する。

計においては、分子量、分子量分布、短鎖分岐の量aと分布を制御することにより、剛性とクリープ寿命

高次構造上の特徴
クリープ寿命の向上には、結晶ラメラ間を繋ぐタイ分子の数を増加させ、ラメラ間を強化する必要がある（図１参照）。タイ分子を増加させるには、①分子量を大きくする２）、②短鎖分岐の数を増やす３）ことをいかに両立させるかがポイントとなる。

３. ニポロンハード6510の特徴〔1〕樹脂構造が必要であるが、分子量を大きくした場合は成形加ニポロンハード6510（以下、NH6510と略記）が従工性が低下し、短鎖分岐を増やすと剛性が低下する

来のHDPEと著しく異なる点は、短鎖分岐度分布の分ことが問題となる。

子量依存性である。図３にNH6510と当社汎用グレー

高性能ポリエチレンでは分子構造のデザインによド（例えば、NH6900）のクロス分別による溶出曲線

り、従来のHDPEと同等の分子量、短鎖分岐数においを比較して示す。汎用グレードでは、高分子量領域ても、図１に示すようなタイ分子の効率的形成を可（分子量１万以上）に50〜80℃で溶出される低結晶性能としている。

成分（短鎖分岐が導入された成分）が殆ど含まれてsいないのに対して、NH6510では高分子量領域に選択

分子構造上の特徴
図２に多段重合プロセスにより得られる高性能ポ的に短鎖分岐が導入され、図２に示した分子構造上リエチレンの分子量分布、短鎖分岐度分布を模式的の特徴を有することが明確である。このような分子に示す。高性能ポリエチレンでは短鎖分岐を高分子構造のデザインを実現するため、当研究所では重合量領域に選択的に導入することにより、従来のHDPE触媒およびプロセスに工夫を施している。と同等の分子量、短鎖分岐数においても、図１に示すように多くのタイ分子の形成を可能としている ４）。
さらに、高性能ポリエチレンでは従来とは異なる重出

温度〔℃〕

合触媒の開発、プロセス技術面での工夫により、短13011090

溶705030３４ ５ ６ ７log（分子量）
NH6900

図３図１３４ ５ ６ ７log（分子量）
NH6510

クロス分別による溶出曲線

ポリエチレン結晶ラメラ構造

延性破壊
10応力〔MPa〕◆●

９８NH6510◇

NH7300A●● ◆●◆ ◆◆ ●
◆◆

●●●
◆◆

７◆◆ ◆

脆性破壊

６５-１10●10０10◆
◆◆
◆

１10

２

破壊時間〔hr.〕

図２

多段重合ポリエチレンの分子量分布と分岐度分布

図４（ 64 ）全周ノッチ式引張クリープ試験結果

10３東ソー研究・技術報告 第44巻（2000）

65〔2〕長期寿命

常に優れたクリープ寿命を有する（表２参照）。

a〔3〕機械物性

全周ノッチ式引張クリープ試験

aNH6510は、上述した樹脂構造上の特徴により、極基本物性

めて優れたクリープ寿命を有する。図４にNH6510おNH6510は中空・押出グレードに分類されるが、汎よびほぼ同等の分子量、短鎖分岐度を有する当社汎用グレードに比べて極めて優れた衝撃強度、ESCRを用グレード（NH7300A)の全周ノッチ式引張クリープ有する。表３にNH6510の基本物性値を当社の代表的試験結果を示す。クリープ特性は高応力側での延性な中空・押出グレードと比較して示す。NH6510の優破壊と低応力側での脆性破壊に分けられるが、配水れた性能は、上述したように分子量分布、短鎖分岐管に要求されるクリープ寿命には、長期特性である度分布など、樹脂構造上の特性に由来するものであ脆性破壊が重要である。NH6510では脆性破壊が400り、配水管以外にも高衝撃、高ESCRが要求される耐時間以内には出現せず、汎用グレードに比べてクリ久シート、ブロー製品などの建築・土木および産業ープ寿命が著しく改良されていることが明確である。

資材分野への用途展開が可能である。

ss

熱間内圧クリープ試験

耐衝撃性

図５および表２にBodycote Polymerにおいて実施しNH6510の衝撃強度は汎用グレードに比べて優れる

たNH6510のPE100認証試験（熱間内圧クリープ試験）だけでなく、配水管用グレードとしても高いレベル結果を示す。PE100の認証には、20℃で50年後の破壊にある。図６にNH6510および配水管用ポリエチレン応力（σLPL）が10.0MPa以上必要である 。NH6510

として欧米で実績のあるS社PE100レジンのアイゾッのσLPLは10.5MPaであり、PE100認証を取得した。

ト衝撃強度の温度依存性を示した。NH6510は低温

また、NH6510は100年後のσLPLも10.35MPaであり非（−40℃）から常温（23℃）まで優れた衝撃強度を有５）することが明確である。
d

パイプ物性
ポリエチレン製配水管に要求される主な性能として、次のような項目が挙げられる６）。

表２

図５

外挿破壊応力値

試験温度℃

破壊時間
Yrs

破壊応力(σLPL)
MPa2020608050.0
101.0
6.11.010.50
10.35
6.68
5.20

熱間内圧クリープ試験結果

表３
項目

ニポロンハード代表物性値

単位NH6510NH6000NH7300A

メルトフローレート

g/10min

0.100.15

0.05

密度

g/cm3

0.950

0.956

0.951

引張降伏強さkgf/cm2

240

290

260

引張破壊強さkgf/cm2

440

350

400

引張破壊伸び％

810

900

800

kgf/cm2

7100

8000

7000

kg・cm/cm2

76

2540

デュロメーターD硬さ

−

69

70

69

融℃

131

133

132℃

128

126

126℃

＜-70

＜-80

＜-80

hr(F50)

＞2000

700

＞1000

曲げこわさ(オルゼン)
アイゾット衝撃値点

ビカット軟化温度
脆化温度
ESCR（ 65 ）

66

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.44（2000）

・外力（地震、地盤変位）への抵抗〔4〕成形加工性・内圧（水圧）変動への抵抗

a・長期クリープ性

溶融物性
NH6510は、パイプの押出成形に好ましい流動性を・耐塩素水性（水泡発生による寿命低下への抵抗）有する。図７にキャピラリーレオメーターにより測・耐低速亀裂進展性（傷による寿命低下への抵抗）定したNH6510の流動特性をS社PE100レジンと比較し表４に日本水道協会規格（K144） ７）および配水用て示す。NH6510はS社PE100レジンに比べて低剪断速ポリエチレン管協会規格（PWA001）８）に記載された度領域での粘度は高いが、実成形領域に相当する高規格性能とNH6510成形パイプの性能を比較して示剪断領域での粘度が低くなる特徴を有する。

す。NH6510により成形したパイプは、上記規格値をs十分クリアーする性能を有している。

１）押出特性

パイプ成形性加工メーカーにおいては、生産性（押出量の向上）および生産コスト（消費電力の低減等）が重要な課80題である。NH6510は、上述のように優れた流動特性●●60１□504030

剪断応力〔MPa〕

アイゾット衝撃強度〔kJ/m 2〕

70

●
□●
□200.1● NH6510□ S社PE100レジン

10NH6510
S社PE100レジン□０-50-40-30-20-10０10200.01
１30

温度〔℃〕

図６

アイゾット衝撃強度10100
剪断速度〔sec-1〕

図７

表４
性能項目

流動特性

NH6510のパイプ性能規格の試験条件、要求性能
試験条件

試験結果

要求性能

引張降伏強さ20.0MPa以上

23.9MPa

引張破断伸び

350％以上700％以上耐圧性

内圧2.5MPa、２分間保持

漏れ等無し

漏れ等無し

熱安定性

酸素流

20分以上

1320分(空気流)

加熱伸縮性

110℃、30分、エチグリ中±３％以内−１％以内

熱間内圧クリープ性

20℃、2.48MPa

100時間以上1000時間以上

80℃、1.10MPa

165時間以上

5000時間以上

80℃、1.00MPa

1000時間以上

5000時間以上

耐塩素水性

2000ppm、60℃

168時間以上

400時間以上

耐環境応力亀裂性

50℃、10mass％

240時間以上

2000時間以上

耐候性

外観

目視

亀裂無し

亀裂無し

引張破断伸び63℃、600時間以上

350％以上550％

165時間で割れ等無し

300時間以上

グレード3.0以下

グレード2.5

低速亀裂進展性

80℃、0.92MPa

顔料分散性

顕微鏡判定

（ 66 ）

1000

東ソー研究・技術報告 第44巻（2000）を有するため、押出機やダイ内部での剪断発熱（樹67３）連続生産性
成形時に発生するメヤニもパイプの生産性、品質脂温度の上昇）が抑制でき、低温高押出量への対応において重要な課題となる。NH6510は、メヤニの原が可能である。
表５に外径110mmのパイプ成形を実施した際の加因となる低分子量ワックス、添加剤のブリード、ゲ工データをS社PE100レジンと比較して示す。成形にルを抑制するための工夫を施しており、汎用グレーはスクリュー径75mm、L／D＝33の押出機を用いた。

ドに比べてメヤニの低減を可能とした。

NH6510はS社PE100レジンと同等の押出量において、〔5〕安 全 性
配水管は上水道に使用する関係上、樹脂中の添加樹脂温度が低く、消費電力が低減できることが明確である。

剤が水質に及ぼす影響を考慮する必要がある。

２）表面平滑性NH6510はFDA承認添加剤のみを使用しており、安全NH6510の特徴の一つに成形パイプの表面性（内面の平滑性）に優れる点が挙げられる。表面性に優れることは、内部流体との摩擦低減や水あか等の付着面に配慮した樹脂設計となっている。

４. ま と め防止の意味で差別化できる特徴である。図８に外径ポリエチレン製配水管は、PE100の欧州における実32mmの成形パイプ内面の顕微鏡観察結果をS社PE100

績とその優位性に関して理解が進んだこともあり、レジンと比較して示す。また、図中には表面粗さ計

国内でもここ数年で急速な需要の伸びと市場の拡大により測定した平均粗さ（Ra）を示した。一般に、が見込まれている。NH6510は、当社が独自技術で開表面性は樹脂中に存在するゲルや混練の不均一性に発した配水管用グレードであり、PE100の特徴であるより悪化する。NH6510は重合触媒、プロセス技術に高い剛性と優れたクリープ寿命に加えて、成形加工よりこれらの問題を解決し、良好な表面性の発現を性、衝撃強度、パイプ表面性など、従来の配水管用可能とした。

グレードに比べて多くの優れた特徴を有している。
今後は、NH6510が配水管用グレードとしての実績を
表５

項目

パイプ押出特性単位

NH6510積み、市場での地位を築いて行くことを期待している。
また、NH6510に代表される高性能ポリエチレンは、

S社PE100レジン

スクリュー回転数rpm

106130

中空・押出分野で使用される従来のHDPEに比べて極押出量kg/hr

345

344

めて優れた衝撃強度、ESCRを有する。今後は、

樹脂温度℃

216225NH6510の開発で培われた技術や知見を、建築・土kWh/kg0.1850.200

木・産業資材を始めとする多くの用途分野の樹脂開MPa

18.8

19.2

発に活かして行く所存である。

比エネルギー
樹脂圧力シリンダー温度：200℃、ダイ温度：210℃

引用文献
１） THERMOPLASTIC PIPE IN EUROPE

Phillip

Townsend Associates, Ltd.（1998）
２）Y. L. Huang

and N. Brown, J. Mater. Sci., 23,3648（1988）
３）Y. L. Huang and N. Brown, J. Poly. Sci., Polym.

Phys. Edn, 28, 2007（1990）４）J. Scheirs, L. L. Bohm, J. C. Boot and P. S.
Leevers, TRIP, 4, 12, 408（1996）５）ISO／DIS 9080：1997（E),ISO 12162：1995（E)６）配水用ポリエチレン管協会編；

配水用ポリエチレン管技術資料 （1996）７）日本水道協会規格：JWWA K 144

水道配水用ポリエチレン管 （1997）８）配水用ポリエチレン管協会規格：PWA 001
図８

パイプ内面の顕微鏡写真

水用ポリエチレン管 （1997）（ 67 ）

配