水・食品関連機器用工ラストマーについて

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製商品開発部
平野 耕生
Kousei Hirano
鈴木 憲
ken Suzuki
Products Development Division
プロダクトマネージャーグループ
下村 泰弘
Yasuhiro Shimomura
Product Manager Group (Elastomer)

1 .はじめに

 近年、食品・水について安全性を揺るがす社会的な事件・事故が問題となっている。食品・水共に我々が日常生活を行う上で欠かすことのできない重要な要素である為、その関心は非常に大きなものとなっている。
 食品に関しては、BSE、鳥インフルエンザ等の外的要因、異物混入事故、食品の表示について信頼を損なう事件等の内的要因と発生要因に差異はあるものの、各種事件・事故が相次いで発生しており、また、水に関しては、平成15年に新水質基準(省令)が配布され、従来よりも厳しい水質基準が義務付けられている。
 今回、我々の日常生活に大きく寄与し、大きな関心が寄せられている「食品」、「水」の両産業の動向を探ると共に、両産業にて使用される各種エラストマー材料について、既存材料並びに新規材料の報告を行う。

2.業界の現行と動向

2-1食品産業
 あらゆる産業が安価な労働力を求めて中国や海外へ活動拠点をシフトし、このスピードが年々加速している。海外へのシフトによる国内産業の空洞化が叫ばれる中、食品製造業、食品流通業および外食産業からなる食品産業が安定した動向を示している。食品産業は製品出荷額では電気機器、輸送用機器、一般機械に次ぐ規模を持ち、高度経済成長・ライフスタイルの変化と共に劇的に成長してきたが、パイの拡大に歯止めがかかった近年では、成熟産業という表現がふさわしいものであった。
 しかし、現在、健康維持に関する食事の重要性に関する認識の高まりや生活環境の保全からの問題提起により大きな関心が寄せられており、今後の動向が非常に注目されている。
 一方、食品業界では、社会的な各種事件・事故が相次いで発生し、消費者から大きな関心が寄せられ、安全面への取り組みが最優先課題とされている。
 このような社会的な背景を受け各製造メーカーは、HACCP(Hazard Analysis and Critical Control Point)1)と呼ばれる、現時点で最も優れた管理手段であると国際的に認識されている手法(表1:HACCPシステムの原則)を取り入れるとともに、生産、流通・加工、販売に関わる情報を公開し、ITの活用などによって食品の履歴情報を確認できるトレサビリティー・システムの構築・導入を行うことで品質管理の向上への対応を行っている。
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 その中で、食品産業は多様化する消費者ニーズを具現化する着想での商品開発を行わなければならず、飲料市場では、年間約300種類ともいわれる新商品の開発・製造を行う熾烈な競争が行われている。
 飲料種類別の動向をみると、ビール・発泡酒はビールの消費が伸び悩む中で、好調な動きを見せる発泡酒、チューハイなど、低価格、低アルコールへのシフトをみせており、各ビールメーカーは、ビール単独での経営ではなく、他酒類を巻き込んでの総合酒類メーカーとしての経営を模索している。清涼飲料水は
緑茶飲料の爆発的な市場拡大が終息し、健康機能系飲料という新しいカテゴリーの製品が注目を集める反面、消費者の無糖飲料志向と高齢少子化を背景に炭酸飲料の消費量が減少している。容器においても1996年に業界自主規制が解除されてからの伸長がめざましいPETボトルや従来の缶、ビンを含めてデザインの多様化が進行している。
 また、健康維持に関する食事の重要性に関する国民の意識の高まりと2003年4月から医療費の自己負担率が2割から3割に上昇した背景を受け、予防医療の重要性は増し、健康増進に役立つことが科学的に実証された特定保険用食品が拡大するものと予想される。2)
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2-2水産業
 旧水質基準から農薬や環境ホルモンなどに関連する13項目が新設、9項目が除外となり、50項目が検査対象となった新水質基準が平成15年に施行された。削除された9項目は主に農薬類だが、農薬類に関してはこの50項目とは別に101種類が検査対象にされている。
 また、これまで、味、においに関連する項目は、「快適水質項目」として基準項目とは別枠とされていたが、多くが基準項目となり、快適水質項目は廃止された。
 新基準の制定に伴い、これに適合する水が供給されるように高度浄水処理の導入も含め、浄水処理施設の整備および維持管理が強く求められている。
 一方、家庭用の水関連機器として、家庭用浄水器、温水洗浄便座等が数多く普及し、新たなる水の需要が増えている。
 今後も、家庭用を主として、水関連機器の需要は伸びて行くと予想される。
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3.水・食品機器用シール材の問題点

 最近の傾向として、水・食品機器用シール材の使用条件はより過酷さが増している。
 水関連機器のシール材料については寒冷地の使用を前提としたものが多くなり、低温でも使用できるものが望まれている。
 また、給湯器などは消費者の要求に応えるべく商業用、家庭用ともに、高性能化が進み、より高温化へと向かっている。
 食品関連機器のシール材料については、食品の安全性を高めるため、滅菌や消臭の条件はより過酷なものへと変化しており、高温化、薬品の高濃度化および多様化が進んでいる。今後も、食品の安全性や環境問題を考えるとシール材への要求はさらに厳しいものとなると予想される。
 ここでは、上述した以外の水・食品用シール材の問題点について述べる。
3-1 水の黒濁(墨汁現象)の発生
 ゴムを水道機器や食品機器のシール材として長期間使用していると、黒い異物や黒く濁った液体が流出することがある。(墨汁現象)
 これは、水道水中の次亜塩素酸によって、ゴムが塩素化或いは酸化されて、劣化しゴム材料中の充填剤(カーボン等)が析出し水が黒く濁る現象である。3)4)
 墨汁現象が発生すると、水、食品、飲料の商品価値を著しく低下させるため、大きな問題になることがある。

3-2 水における耐摩耗性
 しゅう動用パッキンの場合、流体が油であれば潤滑膜が形成されるが、水の場合、油のように澗滑膜が形成されないため、トライボロジカル的に難しいものとなる。よって、流体が水の場合、パッキンなどが摩耗し、シー ル不良や異物の混入が生じて問題となることがある。

3-3 着香現象
 清涼飲料や食品には、香りを持ったものが多いが、シール材に直接触れるとその香りがシール材に移行する。
 そのシール材に移行した香りが次の別のものに移行することがある。これを着香現象という。
 香り成分にもよるが、人間の臭覚感度は一般的に高く、香り成分が非常に微量でも嗅ぎ出すことが可能である。5)
 よって、清涼飲料などで着香現象が生じると、元の飲料にない香りが着いてしまい、その商品自体の風味が失われ商品価値が大きく低下する。
 これを解消するには、洗浄頻度を多くする方法やシール材を交換する方法があるが、メンテナンスコストが増大することとなり、大きな問題となっている。

3-4 環境ホルモン
 環境ホルモンとは、人や野生生物の内分泌(ホルモン)系を妨害し、健康に悪影響を与える物質を言う。
 近年、生殖や発育という生物が生存するための基本的な条件への影響が懸念されており、行政においても環境ホルモンに対し動きを見せることになり、1998年に環境庁より環境ホルモン戦略計画SPEED98において、環境ホルモンと疑いのある化学物質が挙げられた。6)
 この計画では、67種類の化学物質が挙げられ、その使用に対して注意を促すこととなった。
 この67種類の化学物質の中でゴムと関係が深いのは、フタル酸エステル類である。フタル酸エステル類は、高性能な可塑剤として多く使用されている。
 よって、水・食品関連機器のシール材として、フタル酸エステル類を含有しないゴム材料が求められている。

4.水・食品機器用エラストマー

 一般のシール材としてゴム材料に要求されるのは、圧縮永久歪や引張強度など様々な要素があるが、水、食品機器用シール材として使用されるゴム材料ではさらに条件が厳しくなり、下記の要素の要求が強くなる。
1)耐CIP性(水酸化ナトリウム,硝酸,次亜塩素酸,スチーム等)
2)溶出性(重金属、フェノール等)
 実際には、これらの要求は一つのゴム材料では満たすことができず、その用途によって様々なゴム材料が使用されている。
 実際に使用実績のあるゴム材料として、NBR,HNBR,EPDM,FKM,VMQがある。

4-1 NBR
 NBRは、アクリロニトリルとブタジエンの共重合体であり、ニトリルゴムとも呼ばれる。
 NBRは、分子内に極性基のニトリル基(-CN)があるため、耐油性に優れた材料である。
 その結合ニトリル量によって、低ニトリルから超高ニトリルまで存在し、それらを使い分けることによって-50~120℃程度までの広い温度範囲で使用できる。
 また、適度のゴム強度を持ち、価格も比較的安価であり、シール材料として適した材料である。
 水、食品機器用シール材としては、次亜塩素酸や硝酸に対する耐性に問題があり、使用箇所は限定されているが、Oリング、ガスケットなどに使用されている。

4-2 HNBR
 HNBRは、NBRの耐油性を保持した上で、耐熱性・耐候生を改良することを目的として開発されたゴムである。
 NBRの主鎖に含まれるブタジエンの二重結合を、化学的に水素化させることによって、NBRよりも耐熱性、耐候性、耐薬品性が大幅に改良したものであり、同時に高い機械的強度、耐摩耗性を備えている。
 NBRと同様に結合ニトリル量によって、低ニトリルから超高ニトリルまで存在し、幅広い温度範囲で使用できる。
 水、食品機器用シール材としては、耐薬品性、耐熱性、耐摩耗性に優れることから、ダイヤフラム、パッキン、Oリング、ガスケットなど機器の重要部位に採用されるようになっており需要が伸びている。

4-3 EPDM
 EPDMは、エチレンとブロピレンとジエンの三元共重合体であり、主鎖飽和型ポリマーである。
 非ジエン系非極性ゴムの代表であり、主鎖に二重結合を持たないことから、耐候性、耐熱性、耐薬品性に優れる。
 水、食品機器用シール材としては、耐薬品性、耐熱性、耐摩耗性に優れており、価格も比較的安価であり、コストパフォーマンスが高く、ダイヤフラム、Oリング、ガスケット等として幅広く使用されている。
 水、食品機器用シール材の中でも、最も汎用性の高いエラストマーである。

4-4 FKM (フッ素ゴム)
 FKMは、フッ素を分子内に含むゴムであるが、炭素鎖のほとんどが結合力の大きいフッ素で、完全飽和されており、耐熱性、耐薬品性、耐油性、耐候性に優れる。ゴム材料中最も耐熱性に優れたゴムである。
 水、食品機器用シール材としては、耐薬品性、耐熱性に優れており、特に耐薬品性においては、通常のゴムでは使用できないような流体であっても使用できる場合も多い。価格は高価であるが、Oリング、ガスケット等として使用されている。

4-5 VMQ (シリコーンゴム)
 VMQは、従来のゴムが-C-C-結合を持った高分子であるのに対して、主鎖に無機質のシロキサン結合(-Si-O-)を持った高分子である。
 このため、VMQは耐熱性、低温性に優れたゴムであり、低温から高温にわたって幅広い温度領域で使用できる。
 水、食品機器用シール材としては、耐熱性、低温性を活かした使用例が多く、Oリング、ガスケット、ダイヤブラム等として使用されている。
 弊社において、実際に水、食品用として使用されているゴム材料を表4に示す。各ゴムの構造式を図2に示す。
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5.水・食品機器用エラストマーの新開発材料

 弊社では、水・食品機器関連のユーザーから提案された要望に応えるべく幾つかの新材料を開発している。この項では、その新開発材料の紹介と今後の対応について説明を行う。

5-1 高機能EPDM 「H0880」
 EPDMは、その高性能ぶりに比例し、使用環境も厳しくなっている。
 これはユーザーがEPDMという材料のスペックを正確に把握してきていることに起因する。
 EPDMをその高いスペックに見合う、より重要な環境に使用しつつあるからだと考えられる。
 現在、当社の販売しているEPDMは、汎用性を重視するあまり、耐熱、耐薬品性という個々のスペックにおいて、最高の性能を保有しているとはいえない。時代は、程々のAlmighty(高いレベルでのAlmightyならば問題ないが、それを実現することは容易ではない)ではなく、Only oneが必要になってきたと言える。
 今回紹介する「H0880」は、従来品に比べ耐薬品性、耐熱性を大幅に向上させた材料であり、そのポテンシャルは現存するEPDMの中でもトップクラスである。
 「H0880」の特徴を以下に示す。

1)耐薬品性
 まずH0880の耐薬品性を確認するため、食品用途の洗浄剤として用いられている水酸化ナトリウム、硝酸、次亜塩素酸の浸漬試験を行った。その結果を、表に示す。
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 表5の通り、3液に対してH0880は優れた耐性を保有していることが確認できる。硝酸、次亜塩素酸ともに微小な体積変化しかなく、水酸化ナトリウムにいたっては体積変化がまったく確認されていない。
 H0970の次亜塩素酸の体積膨潤率とH0880を比較すると、条件が緩いにもかかわらずH0970の体積膨潤*1が圧倒的に大きいことが理解できる。
*1 250ppm次亜塩素酸80℃×168時間 体積膨潤7%
2)耐熱性
 耐熱性の指標である圧縮永久歪についても、空気中及び熱水中にて評価を行った。熱による寸法の経時変化が大きければシール性に大きなダメージを与える。その寸法の経時変化を的確に捉えることができる試験が圧縮永久歪試験である。その結果を、表5に示す。
 空気中の結果では、H0880は非常に優れた値を示している。一般に言われているEPDMの耐熱限界としては150℃である。その条件下で10%という圧縮永久歪率が非常に優れていることは間違いないが、180℃条件下でも17%という値は特筆するものである。もちろんそれが、180℃での連続使用を約束するものではない。ただ、短期であれH0880の耐熱性が従来の物に比べ優れているということは間違いない。
 また実用性という点から、実際に使用する可能性のある熱水中での圧縮永久歪試験を実施した。熱水中での圧縮永久歪率も、空気中に劣らず、非常に優れた値を示した。
 これらから、H0880は、非常に優れたスペックを、様々な環境下で発揮しつつ、ほぼAlmightyという次世代のEPDMであるということができる。
3)厚生省告示第85号の認定
 EPDMは、飲料水の配管等に用いられることが多々あり、EPDMの安全性が当然必要になる。H0880についても例外ではないため、開発時に配合材料の安全性を検討し、厚生省告示85号の認定を取得している。

5-2 耐次亜塩素酸性に優れたEPDM「H1770」7)
 水の黒濁(墨汁現象)については、上述した通りであり、水・食品機器用シール材としては大きな問題である。
 弊社では今まで、培った独自のゴム配合技術を駆使することによって、新たに耐次亜塩素酸性に優れたEPDM「H1770」を開発した。基本特性を表6に示す。「H1770」の特徴を以下に示す。
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1)耐次亜塩素酸性
 従来のEPDMと「H1770」を次亜塩素酸ナトリウムに浸せきして墨汁現象の発生について確認した。その結果を図3に示す。
 従来のEPDMは次亜塩素酸ナトリウムの浸せき試験を開始してから168時間で墨汁現象が発生したのに対し、「H1770」は800時間まで発生しなかった。
 このように、H1770は従来のEPDMよりも耐次亜塩素酸に優れているのが確認できる。
2)清純な色調
 「H1770」の色調は、クリーミーホワイトであ
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る。水・食品機器用のシール材の色調として最適である。なお、カラー化も可能である。
3)厚生省告示第85号の認定
 開発時に配合材料の安全性を検討し、厚生省告示85号の認定を取得している。

5-3 白色系HNBR「B5490」
 現在、水・食品機器用のシール材としてHNBRは、重要部位に採用されはじめ、需要が伸びていると述べたが、反面、問題も発生している。
 これは、墨汁現象の発生や、長期の機械的な使用による劣化によって黒い異物が混入することがあり、ユーザーから黒いHNBRと同等の物性を持った白色のHNBRの開発が望まれていた。
 しかし、白色の場合、通常のカーボンブラックを使用できないため、機械的な強度が劣るが、弊社の配合技術とポリマーアロイ的な手法を用いて黒色と同等の強度を持った白色系HNBRを開発した。
 ここでは、白色系HNBR「B5490」について報告する。
1)基本物性
 B5490の基本特性を、表7に示す。黒色のHNBRとほぼ同等の物性を有している。また、黒色のHNBRよりも引裂強度に優れている。
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2)色調
 「B5490」の色調は、クリーミーホワイトである。「H1770」と同様に水・食品機器用のシール材の色調としては最適である。なお、カラー化も可能である。
3)厚生省告示第85号の認定
 開発時に配合材料の安全性を検討し、厚生省告示85号の認定を取得している。

5-4 環境ホルモンへの対応
 表4に示した材料および新開発した材料には、1998年に環境庁より発表された環境ホルモン戦略計画SPEED98において挙げられた環境ホルモンと疑いのある化学物質は配合していない。
 どのゴム材料においても、厚生省告示第85号の認定を受けており、水・食品用のシール材として使用していただけるものである。

5-5 非着香ゴム
 現状、弊社の製品で最も非着香性に優れるゴムは、フローリッツSBである。
 フローリッツSBは、耐熱性、耐薬品性にも優れているが、一般的な水・食品用シール材のコストと比較すると、非常に高価なものとなってしまう。
 また、最も使用頻度の高いEPDMは着香性から評価するとかなり悪いものとなる。
 実際に着香現象のみを考えた場合、コストに見合ったゴムはないようである。
 着香現象を起こさない非着香ゴムは、ユーザーから開発の要望が非常に強く、現在、上市に向けて開発を進めている。

6.終わりに

 水・食品関係に限らず、特徴のないシール材料はどんどんと淘汰されていく。顧客からは、より過酷な条件で使用でき、且つ、今までよりも低価格なシール材料が欲しいとの要望があるが、これは装置メーカーが我々シールメーカーに期待を寄せていることの現れであり、我々はその期待に応える義務がある。もし、その義務を放棄し、特徴のないシールメーカーに成り下がれば、特徴のないシール材同様淘汰される運命しか待っていない。
 我々は常に斬新な材料を開発することを念頭に置き努力する所存である。また適切なタイミングで開発するためにも、皆様方より一層のご尽力をいただければ幸いである。

〈参考文献〉
1)山崎省二・藤原真一郎:HACCPシステムとその動向,J.Natl.lnst.Public Health.50(2):2001 60/65
2)小山敦:拡大する健康食品市場,経営情報サーチ,2002/冬44/54
3)武義人・古川睦久:水道水によるEPDMの破壊,工業材料,Vol.45 NO.7(1997) 94/97
4)武義人・古川睦久:EPDM製パッキンの残留塩素による黒粉現象とその劣化メカニズム解析,工業材料,Vo1.50 NO.9(2002) 92/96
5)小山博之:高分子材料のにおい分析,日本ゴム協会誌,第76巻第12号(2003)33/39
6)環境庁:内部撹乱化学物質問題への環境庁の対応方針について, 1998年5月2000年11月版
7)平野耕生:水道機器,食品機械用シールゴム材料【H1770】,バル力一技術誌,NO.3 SPRING 2002 6/9

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