架橋アクリル酸ポリマーであるカルボマーは、医薬品、化粧品およびパーソナルケア製品、家庭用・工業用・業務用ケア製品、印刷インク、接着剤およびコーティング剤など、数多くの製品に不可欠な成分となっています。 50年以上にわたり、様々な業界の処方担当者は、粘度を高め、ゲルを形成し、エマルションを安定させ、粒子を懸濁させるために、様々なカルボマーを利用してきました。 カーボマーは正しく使用されれば、消費者が望む美観を製品に与え、同時に長期の保存安定性を可能にします。 カルボマーは、その有用性、信頼性、そして時には分離を防ぐために不十分な処方を安定化させ、発売が危ぶまれる製品を救う能力から、熟練の製品開発者は「フォーミュレーターの親友」と表現しています。 このコラムでは、このような高い評価を得ているカルボマーの化学と特性について、掘り下げていきます。 架橋されたアクリル酸のホモおよびコポリマーは数多く存在しますが、一般的にカルボマーという用語は、多価アルコールのアリルエーテルで軽く架橋されたアクリル酸の高分子量ポリマー（図1参照）を表すために予約されています1、2。こうした多官能アリルエーテルの例としては、図2に示すようにテトラアリルペンタエリトリトル（TAPE）とヘキサアリルスクロースが挙げられます。 National Formulary (NF) は、従来のカルボマーを、その特定の化学的性質と溶液粘度などの特性に従って、初期のカルボマーの商品名、例えば、カルボマー934に関連する番号を用いて個別にリスト化している（表1参照）。 ベンゼンフリープロセスで合成された最新のカルボマーについては、NFはカルボマーホモポリマー、カルボマーコポリマー、カルボマーインターポリマーという用語を採用して、医薬品およびOTC医薬品製剤の賦形剤として使用されるカルボマーのさまざまな種を表現している。 これらの用語は表1にまとめられている。 欧州薬局方および日本医薬品添加物公定書では，カルボマー（EU）およびカルボキシビニルポリマー（JP）という簡略名が，さまざまな種類のカルボマーおよびカルボマーコポリマーを総称している。 一方、INCI辞書では、アクリル酸の架橋ホモポリマーをカルボマーと呼び、アクリル酸と他のコモノマーとの架橋コポリマーをアクリレートクロスポリマー、例えば、アクリレート/C10-C30アルキルアクリレートクロスポリマーと呼んでいます
モノマー。 カルボマーの主成分はアクリル酸で、プロピレンガスの原料から得られる汎用石油化学製品です。 アクリル酸の商業的合成は、通常、プロピレンを空気と反応させて中間体としてアクロレインを生成し、これをさらに酸化してアクリル酸を得るという2段階の触媒酸化を伴う。3-4 カーボマー合成で架橋モノマーとして採用されるポリアリルエーテルは、例えば、ポリヒドロキシ機能化合物、例えば、, スクロースのアリル化では、図2bに示すように、スクロース分子上の8つの水酸基のうち平均5～6個がアリルエーテルに変換されるのが普通である。 5-8 このプロセスの溶媒は、モノマー、開始剤、その他の添加剤が反応媒体に溶けるが、得られるポリマー生成物は溶けないように選択される。 歴史的には、カルボマーの商業的合成にはベンゼンが好ましいプロセス溶媒であったが、ベンゼンに関連する健康と安全の懸念のために、今日ではベンゼンの代わりにn-ヘキサンまたは酢酸エチルとシクロヘキサンの混合物などの代替溶媒系が使用されている8。 アクリル酸、少量のTAPE、炭酸カリウム（K2CO3）を酢酸エチル/シクロヘキサン共溶媒に溶解し、この溶媒を用いてカルボマー合成を行う。 K2CO3は、アクリル酸基のわずかな割合（通常3％以下）を中和するために添加され、おそらく共溶媒系で得られるポリマーの沈殿を促進するのに役立つと思われる。 混合物を窒素雰囲気下で50℃に加熱し、ジ（2-エチルヘキシル）ペルオキシジカーボネート（共溶媒に予め溶解している）のようなパーオキシ開始剤を6時間かけてゆっくりと反応容器に添加する。 重合反応の進行に伴い、不溶性カルボマー生成物が溶媒から析出し、溶媒中のカルボマー粒子のスラリーが形成される。 反応終了後、スラリーからカルボマーを単離し、ポリマー固形分を乾燥させ、粉末状のカルボマー生成物を得る。
架橋とミクロゲル。 反応中、多官能性架橋モノマーは、複数の直鎖状ポリアクリル酸（PAA）鎖を推進しながら共重合し、架橋PAAの3次元ネットワーク形成につながる。 従来のバルク重合や溶液重合では、モノマー転換率が高くなると、架橋モノマーによって反応液がゲル化し、架橋されたPAAの連続した塊となる。 しかし、析出重合では、架橋されたPAAが微粒子として析出し、巨視的なゲル化が起きない。 従って、架橋は個々のサブミクロンサイズのポリマー粒子に限定される。 カルボマー粒子は、実際には、多数の直鎖状PAAが架橋された1つの大きな高分子である。 これらのポリマーが非常に大きいため、従来の技術によるカーボマーの分子量(MW)測定は困難であるが、カーボマーのMWは108～109 g/mol のオーダーと推定されている10
カーボマーの架橋のもう一つの重要な結果は、これらの高分子は真に水溶性ではない、ということである。 その代わり、架橋された親水性PAA鎖の質量は、水分散性と水膨潤性のみである。 非架橋のPAAは溶解して、濃度の増加とともに重なり合い、絡み合うポリマーコイルの溶液を形成するが、カルボマーは水中に分散し、中和すると膨潤して、濃度の増加とともに絡み合うことなく、密接したミクロの「スポンジ」のネットワークを形成するマイクロゲルの溶液となる11
Properties
Carbomer は通常ふわっとして白い、水晶状の粉末として提供されるが、若干酢酸臭を持つことがある。 様々なカルボマーが市販されており、主に使用されるプロセス溶媒の種類（すなわち、ベンゼン対非ベンゼン）、採用される架橋剤の種類とレベル、および湿潤性と分散性を改善するための任意の添加物の添加によって異なっている12。 カルボマーは無毒で、化粧品やパーソナルケア製品に使用される濃度では、皮膚や目への刺激性はほとんどないと考えられています13-14。これらのポリマー中の不純物は、残留重合溶媒、未反応モノマー（例えば,
カルボマーは、水および極性有機溶媒と水の混合物（例えば70%w/wエタノール-水溶液）に容易に分散する。 最初に調製したとき、水和カルボマー粒子の水性分散液は酸性で、ポリマー濃度に応じて通常2.5-3.5のpH値を示す。 塩基性pH調整剤、例えば水酸化ナトリウムやトリエタノールアミンで中和する前は、これらの分散液は大きな粘性を持たず、霞んでいることがあります。 カルボン酸基の中和により、カルボマーはイオン化し、負に帯電したカルボン酸基間の静電反発と捕捉対イオンによる浸透圧膨潤により、元の体積の数百倍まで膨潤します。
技術と応用
カルボマーは、比較的低い使用量で水性システムの粘性を高めるのに有効である。 例えば、表1に挙げたカルボマーのほとんどは、わずか0.5％w/wで使用した場合、10,000〜60,000cPの粘度を構築することが可能である。 このように、カルボマーは水相増粘剤として様々な製品に日常的に使用されている。 しかし、カーボマーの真の有用性は、製剤に高い収率値を付与する能力にある。 このネットワークは、臨界レベルのせん断応力、すなわち降伏応力が加わるまで流れ始めず、その時点でマイクロゲルは互いに滑り合い、結果として流体が流れることになる。 不均質相（例えば、エマルジョン液滴、顔料、パール化剤、不透明化剤、気泡、シリカ研磨剤など）がカルボマー増粘製剤中に分散している場合、マイクロゲルネットワークは、流体が静止状態、すなわち降伏応力以下である間は、クリーミングや沈殿に対してそれらを包み込み安定化させる。 しかし、降伏応力を超える応力がかかると、液体は滑らかに流れ、製品の吐出や塗布が可能になる。 このため、カルボマーは、クリームやローション、ヘアスタイリングジェル、歯磨き粉など、分散相の懸濁と安定化が重要な無数の製品の配合に使用されています。 カルボマーはpKaが約6.0±0.5のpH反応性高分子電解質であるため、マイクロゲルの膨潤はpH5以下で劇的に減少し、粘度と降伏値の損失をもたらします。 最適な性能は、通常、pH6-9の範囲で達成される。 カルボマー増粘系に過剰な塩基または他の電解質（例えば、塩化ナトリウム）を添加すると、高分子電解質効果（すなわち、過剰なイオン強度による静電反発のスクリーニングおよびマイクロゲルの内側と外側との浸透圧のバランス）によりマイクロゲルが崩壊し、再び粘度と収量値の損失につながる。 さらに、多価イオン（例えば、Ca2+、Mg2+など）およびカチオン性界面活性剤は、不溶性錯体の形成を防ぐために、カルボマーを使用する際には避けるべきである。
カルボマー増粘製剤を準備する際には、粒状の質感と「フィッシュアイ」、すなわち、カルボマーの形成を避けるためにカルボマーの均一分散に注意を払わなければならない。 17 従来のカルボマーの分散は、通常、粉末を分散媒にゆっくりと振りかけ、素早く攪拌することが必要である。 また、カルボマーを非溶媒、例えばエマルジョンの油相に分散させ、中和剤を含む水相に添加することも可能である。 ホモジナイザーやコロイドミルによる極端に高いせん断混合は、カルボマーミクロゲルのせん断劣化につながるため、最小限にとどめるか、完全に避ける必要があります。 最近の「分散しやすい」カルボマーは、カルボマー分散に関連する複雑さを軽減しています。 これらのカルボマーは、沈殿重合中に立体安定剤、通常はブロックまたは櫛形配置のエトキシル化非イオン性界面活性剤をカルボマーに組み込んでいます12。得られたカルボマーは、水性媒体に添加すると容易に濡れますが水和は遅く、カルボマーの滑らかで均一な分散を可能にします
1. Carbomer, Official Monographs, in the United States Pharmacopeia 34-National Formulary 29, United Book Press Inc, G Swift, Acrylic (and methacrylic) acid polymers, in Encyclopedia of Polymer Science & Engineering, John Wiley & Sons Inc.所収 (2011) pp 1465-1473
2. Carbomer, Monograph ID 5092, in the International Cosmetic Ingredient Dictionary and Handbook, 13th ed, Personal Care Products Council, Washington, DC USA (2010)
3, W Bauer Jr, Acrylic acid and derivatives, in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons Inc., published online (Jun 20, 2003) pp 342-369 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471238961.0103182502012105.a01.pub2/abstract (Accessed Aug 23, 2011)
5. US 2798053, Carboxylic polymers, HP Brown, assigned to The B. F. Goodrich Company (Jul 2, 1957)
6. US 2923692, Mucilaginous composition consisting salt of crosslinked carboxylic polymer and method of preparing the same, JF Ackerman and JF Jones, assigned to The B. F. Goodrich Co. (US 2980655，重合プロセス，JA Glass，JF Jones，The B. F. Goodrich Co. (US 4923940, Polycarboxylic acids with higher thickening capacity and better clarity, CC Hsu, assigned to The B. F. Goodrich Co. (1990年5月8日）
9. TEGO Carbomer 340 FD, Product Bulletin D 02/09, Evonik Goldschmidt GmbH: Essen, Germany, (Feb 2008)
10. カーボポールおよびペミュレンポリマーの分子量、Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-222, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, OH USA (Jul 10, 2008)
11. JV Gruber, Synthetic polymers in cosmetics, Chapter 6 in Principles of Polymer Science & Technology in Cosmetics and Personal Care, ED Goddard and JV Gruber, eds, Marcel Dekker Inc., New York USA (1999) pp 217-275
12. US 5288814、Easy to disperse polycarboxylic acid thickeners、CJ Long II、Z Amjad、WF Masler III、WH Wingo、The B. F. Goodrich Co.に譲渡されたもの。 (1994年2月22日)
13. RL Elder, ed, Final report on the safety assessment of Carbomers-934, -910, -934P, -940, 941, and -962, J Am Coll Toxicol 1(2) 109-141 (1982)
14. 化粧品成分安全性評価の年次レビュー-2001/2002, 化粧品成分レビュー専門家会議, Int J Toxicol 22 (Suppl. 1) 1-35 (2003)
15. パーソナルケアフォーミュレーションにおける降伏値の測定と理解、Lubrizol Technical Data Sheet, TDS-244, Lubrizol Advanced Materials: Cleveland, USA (Jan 2002)
16. M Cloitre, Yielding, flow, and slip in microgel suspension: マイクロゲル懸濁液における降伏、流動、滑り：微細構造から巨視的レオロジーまで、Chap 11 in Microgel Suspensions, Fundamentals and Applications, A Fernandez-Nieves, H Wyss, J Mattsson, and DA Weitz, eds, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., Weinheim, Germany (2011) pp 285-310.
17. カーボポールポリマーの分散技術、Lubrizol Technical Data Sheet、TDS-103、Lubrizol Advanced Materials: クリーブランド、アメリカ（2002年1月）
。