JP7670576B2 - 変性エチレン―ビニルアルコール共重合体 - Google Patents
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Description
18≦a≦55 (1)
0.01≦c≦20 (2)
[100-(a+c)]×0.9≦b≦[100-(a+c)] (3)
DS=[(X、Y及びZのうち水素原子であるものの合計モル数)/(X、Y及びZの合計モル数)]×100 (4)
18≦a≦55 (1)
0.01≦c≦20 (2)
[100-(a+c)]×0.9≦b≦[100-(a+c)] (3)
[100-(a+c)]×0.9≦b≦[100-(a+c)] (3)
すなわち、本発明の変性エチレン-ビニルアルコール共重合体においては、エチレン単位と式(I)中で右端に示されたY及びZを含む単量体単位以外の単量体単位のうちの90%以上がビニルアルコール単位又はビニルエステル単位であるということである。式(3)を満足しない場合、ガスバリア性が不十分となる。好適には下記式(3’)を満足し、より好適には下記式(3”)を満足する。
[100-(a+c)]×0.95≦b≦[100-(a+c)] (3’)
[100-(a+c)]×0.98≦b≦[100-(a+c)] (3”)
DS=[(X、Y及びZのうち水素原子であるものの合計モル数)/(X、Y及びZの合計モル数)]×100 (4)
ここで、「X、Y及びZのうち水素原子であるものの合計モル数」は、水酸基のモル数を示し、「X、Y及びZの合計モル数」は、水酸基とエステル基の合計モル数を示す。ケン化度(DS)が90モル%未満になると、十分なバリア性能が得られないばかりか、熱安定性が不十分となり、溶融成形時にゲルやブツが発生しやすくなる。ケン化度(DS)は、好適には95モル%以上であり、より好適には98モル%以上であり、さらに好適には99モル%以上である。
(1)変性EVAcの合成
ジャケット、撹拌機、窒素導入口、エチレン導入口及び開始剤添加口を備えた50L加圧反応槽に、酢酸ビニル(式(II)において、R5がメチル基:以下、VAcと称する)を21.0kg、メタノール(以下、MeOHと称する)を6.3kg、3-メチレン-1,5-ペンタンジアセテート(式(VI)において、R1、R2、R3及びR4が水素原子で、A及びBがメチレン基、Y及びZがアセチル基:以下、MPEDAcと称する)を1.85kg仕込み、60℃に昇温した後、30分間窒素バブリングして反応槽内を窒素置換した。次いで反応槽圧力(エチレン圧力)が3.6MPaとなるようにエチレンを導入した。反応槽内の温度を60℃に調整した後、開始剤として10.7gの2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(富士フィルム和光純薬株式会社製「V-65」)をメタノール溶液として添加し、重合を開始した。重合中はエチレン圧力を3.6MPaに、重合温度を60℃に維持した。4時間後にVAcの転化率が43%となったところで冷却して重合を停止した。反応槽を開放して脱エチレンした後、窒素ガスをバブリングして脱エチレンを完全に行った。次いで減圧下で未反応のVAcを除去した後、MPEDAc由来の構造単位が共重合により導入された変性エチレン-酢酸ビニル共重合体(本明細書中、変性EVAcと称することがある)にMeOHを添加して20質量%MeOH溶液とした。
ジャケット、撹拌機、窒素導入口、還流冷却器及び溶液添加口を備えた10L反応槽に上記(1)で得た変性EVAcの20質量%MeOH溶液4000gを仕込んだ。この溶液に窒素を吹き込みながら60℃に昇温し、水酸化ナトリウムの濃度が2規定のMeOH溶液を12mL/分の速度で2時間添加した。水酸化ナトリウムMeOH溶液の添加終了後、系内温度を60℃に保ちながら2時間撹拌してケン化反応を進行させた。その後酢酸を230g添加してケン化反応を停止した。次いで、80℃で加熱攪拌しながら、イオン交換水3Lを添加し、反応槽外にMeOHを流出させ、変性エチレンービニルアルコール共重合体(以下、変性EVOHと称する)を析出させた。デカンテーションにより析出した変性EVOHを収集し、ミキサーで粉砕した。得られた変性EVOH粉末を1g/Lの酢酸水溶液(浴比20:粉末1kgに対して水溶液20Lの割合)に投入して2時間攪拌洗浄した。これを脱液し、さらに1g/Lの酢酸水溶液(浴比20)に投入して2時間攪拌洗浄した。これを脱液したものを、イオン交換水(浴比20)に投入して攪拌洗浄を2時間行い脱液する操作を3回繰り返して精製を行った。次いで、酢酸0.5g/L及び酢酸ナトリウム0.1g/Lを含有する水溶液10Lに4時間攪拌浸漬してから脱液し、これを60℃で16時間乾燥させることで変性EVOHの粗乾燥物を420g得た。
ジャケット、撹拌機及び還流冷却器を備えた3L撹拌槽に、上記(2)を2回繰返して得た変性EVOHの粗乾燥物800g、水400g及びMeOH800gを仕込み、85℃に昇温して溶解させた。この溶解液を径4mmのガラス管を通して-5℃に冷却した水/MeOH=90/10の混合液中に押し出してストランド状に析出させ、このストランドをストランドカッターでペレット状にカットすることで変性EVOHの含水ペレットを得た。得られた変性EVOHの含水ペレットの含水率をメトラー社製ハロゲン水分計「HR73」で測定したところ、55質量%であった。
上記(3)で得た変性EVOHの含水ペレット1650gを1g/Lの酢酸水溶液(浴比20)に投入して2時間撹拌洗浄した。これを脱液し、さらに1g/Lの酢酸水溶液(浴比20)に投入して2時間撹拌洗浄した。脱液後、酢酸水溶液を更新し同様の操作を行った。酢酸水溶液で洗浄してから脱液したものを、イオン交換水(浴比20)に投入して撹拌洗浄を2時間行い脱液する操作を3回繰り返して精製を行い、ケン化反応時の触媒残渣が除去された、変性EVOHの含水ペレットを得た。当該含水ペレットを酢酸ナトリウム濃度0.510g/L、酢酸濃度0.8g/L、リン酸濃度0.008g/Lの水溶液(浴比20)に投入し、定期的に撹拌しながら4時間浸漬させた。これを脱液し、80℃で3時間、及び105℃で16時間乾燥させることによって、酢酸、ナトリウム塩及びリン酸化合物を含有した変性EVOH組成物ペレットを得た。
変性EVAc中の、エチレン含有量(式(VII)におけるaモル%)、酢酸ビニル由来の構造単位の含有量(式(VII)におけるbモル%)及びMPEDAc由来の構造単位の含有量(式(V)におけるcモル%)は、ケン化前の変性EVAcを1H-NMR測定して算出した。
・0.6~2.2ppm:エチレン単位のメチレンプロトン(4H)、酢酸ビニル単位のメチレンプロトン(2H)、酢酸ビニル単位のメチルプロトン(3H)、MPDEAc由来の構造単位の主鎖部位メチレンプロトン(2H)、MPEDAc単位由来の構造単位のメチルプロトン(6H)、MPEDAc由来の構造単位の4級炭素に隣接した側鎖部位メチレンプロトン(4H)
・3.7-4.2ppm:MPEDAc単位由来の構造単位のアセトキシ基に隣接した側鎖部位メチレンプロトン(4H)
・4.4-5.3ppm:酢酸ビニル単位のメチンプロトン(1H)
a=(x-3y-5z)/(x-2y-z)×100
b=4z/(x-2y-z)×100
c=y/(x-2y-z)×100
上記方法により算出した結果、エチレン単位の含有量(a)は32.0モル%、ビニルエステル単位の含有量(b)は66.5モル%、MPEDAc由来の構造単位の含有量(c)は1.5モル%であった。変性EVAcにおけるa、b及びcの値は、ケン化処理後の変性EVOHにおけるa、b及びcの値と同じである。
ケン化後の変性EVOHについても同様に1H-NMR測定を行った。上記(2)で得られた変性EVOHの粗乾燥物を、内部標準物質としてテトラメチルシラン、添加剤としてテトラフルオロ酢酸(TFA)を含むジメチルスルホキシド(DMSO)-d6に溶解し、500MHzの1H-NMR(日本電子株式会社製:「GX-500」)を用いて80℃で測定した。図2に、実施例1で得られた変性EVOHの1H-NMRスペクトルでは、を示す。1.85~2.1ppmのピーク強度が大幅に減少していることから、酢酸ビニルに含まれるエステル基に加え、MPEDAc由来の構造単位に含まれるエステル基もケン化されて水酸基になっていることは明らかである。ケン化度は酢酸ビニル単位のメチルプロトン(1.85~2.1ppm)と、ビニルアルコール単位のメチンプロトン(3.15~4.15ppm)のピーク強度比より算出した。変性EVOHのケン化度は99.9モル%以上であった。
上記(4)で得られた3-メチレン-1,5-ペンタンジオール(式(VI)において、R1、R2、R3及びR4が水素原子で、A及びBがメチレン基、Y及びZが水素基)変性EVOH組成物ペレットについて、JIS K7121に準じて、セイコー電子工業株式会社製示差走査熱量計(DSC)「RDC220/SSC5200H」を用いて30℃から215℃まで10℃/分の速度にて昇温した後100℃/分で-35℃まで急冷して再度-35℃から195℃まで10℃/分の速度で昇温して測定を実施した。温度の校正にはインジウムと鉛を用いた。2ndランのチャートから前記JISにしたがって融解ピーク温度(Tpm)を求め、これを変性EVOHの融点とした。融点は169℃であった。
上記(4)で得られた変性EVOH組成物ペレット0.5gをテフロン(登録商標)製圧力容器に入れ、ここに濃硝酸5mLを加えて室温で30分間分解させた。30分後蓋をし、湿式分解装置(株式会社アクタック製:「MWS-2」)により150℃で10分間、次いで180℃で5分間加熱することで分解を行い、その後室温まで冷却した。この処理液を50mLのメスフラスコ(TPX製)に移し純水でメスアップした。この溶液について、ICP発光分光分析装置(パーキンエルマー社製「OPTIMA4300DV」)により含有金属の分析を行い、ナトリウム元素及びリン元素の含有量を求めた。ナトリウム塩含有量は、ナトリウム元素換算値で150ppmであり、リン酸化合物含有量は、リン酸根換算値で10ppmであった。
上記(4)で得られた変性EVOH組成物ペレットを用いて、株式会社東洋精機製作所製20mm押出機「D2020」(D(mm)=20、L/D=20、圧縮比=2.0、スクリュー:フルフライト)を用いて以下の条件にて単層製膜を行い、変性EVOH組成物の単層フィルムを得た。
シリンダー温度:供給部175℃、圧縮部215℃、計量部215℃
ダイ温度:215℃
スクリュー回転数:40~100rpm
吐出量:0.4~1.5kg/時間
引取りロール温度:80℃
引取りロール速度:0.8~3.2m/分
フィルム厚み:20μm、150μm
シリンダー温度:
供給部:175℃
圧縮部:変性EVOHの融点+30~45℃
計量部:変性EVOHの融点+30~45℃
ダイ温度:変性EVOHの融点+30~45℃
上記(9)で得られた厚さ150μmの単層フィルムを株式会社東洋精機製作所製パンタグラフ式二軸延伸装置にかけ、80℃で2×2倍~4×4倍の延伸倍率において同時二軸延伸を行った。フィルムが破れずに、ムラ及び局部的偏肉がなく延伸できた最大の延伸倍率を最大延伸倍率とした。結果、4×4倍の延伸倍率まで、ムラ及び局部的偏肉がなく延伸できた。結果を表1に示す。
上記(9)で得られた厚さ20μmの単層フィルムを20℃、85%RHの条件下で3日間調湿後、同条件下で酸素透過速度の測定(Mocon社製「OX-TORAN MODEL 2/21」)を行った。結果を表1に示す。
上記(4)で得られた変性EVOH組成物を原料とし、3種5層共押出機を用いて、ポリプロピレン層/接着性樹脂層/変性EVOH層/接着性樹脂層/ポリプロピレン層の5層構成になるように製膜し、多層フィルムを作製した。ここで、接着性樹脂としては無水マレイン酸変性ポリプロピレンを用い、ポリプロピレン層を200μm、接着性樹脂層を25μm、変性EVOH層を50μmとした。
上記(12)で得られた多層構造体について、接着性樹脂層と変性EVOH層との層間接着性の指標として、下記条件で剥離強度を測定した。すなわち、得られた多層構造体を23℃、50%RHの雰囲気下で7日間調湿したのち、15mm×200mmの短冊状の試験片を10サンプル切出し、島津製作所製オートグラフAGS-H型にて、チャック間隔200mm、引張速度250mm/分の条件で引張破断点強度(gf/15mm)の測定を行った。10サンプルの測定結果に基づいて、接着性を以下の基準で判定した。
A : 全てが500gf/15mm以上
B : 一つでも500gf/15mm未満
上記(1)において、コモノマー、開始剤、MeOH、エチレン圧力、VAcの転化率、水酸化ナトリウムのMeOH溶液の添加速度を表2の通りとした以外は実施例1と同様にして変性EVOHを合成して評価した結果を、表1に示す。
(1)変性EVOH組成物ペレットの製造
実施例1(1)~(4)において、コモノマーとして、3-メチレン-1,5-ペンタンジオールジアセテートではなく、2-メチレン-1, 3-プロパンジオールジアセテート(MPDAc)を用い、開始剤、MeOH、エチレン圧力、VAcの転化率、水酸化ナトリウムのMeOH溶液の添加速度を表2の通りとした以外は、実施例1(1)~(4)と同様にして、変性EVOH組成物ペレットを製造した。
変性EVAc中の各構造単位の含有量 変性EVAc中の、エチレン単位含有率(式(VI)におけるaモル%)、酢酸ビニル由 来の構造単位の含有量(式(VI)におけるbモル%)及びMPDAc由来の構造単位の含 有量(式(VIII)におけるcモル%)は、ケン化前の変性EVAcを1H-NMR測定して 算出した。
・0.6~1.0ppm:末端部位エチレン単位のメチレンプロトン(4H)
・1.0~1.85ppm:中間部位エチレン単位のメチレンプロトン(4H)、MPDAc由来の構造単位の主鎖部位メチレンプロトン(2H)、酢酸ビニル単位のメチレンプ ロトン(2H)
・1.85-2.1ppm:MPDAc由来の構造単位のメチルプロトン(6H)と酢酸 ビニル単位のメチルプロトン(3H)
・3.7-4.1ppm:MPDAc由来の構造単位の側鎖部位メチレンプロトン(4H )
・4.4-5.3ppm:酢酸ビニル単位のメチンプロトン(1H)
a=(2x+2y-z-4w)/(2x+2y+z+4w)×100
b=8w/(2x+2y+z+4w)×100
c=2z/(2x+2y+z+4w)×100
ケン化後の変性EVOHについても同様に 1H-NMR測定を行った。変性EVOHの粗乾燥物を、内部標準物質としてテトラメチルシラン、添加剤としてテトラフルオロ酢酸(TFA)を含むジメチルスルホキシド(DMSO)-d6に溶解し、500MHzの1 H-NMR(日本電子株式会社製:「GX-500」)を用いて8 0℃で測定した。変性EVOHの 1 H-NMRスペクトル中の1.85~2.1ppmのピーク強度が大幅に減少したことから、酢酸ビニル に含まれるエステル基に加え、MPDAc由来の構造単位に含まれるエステル基もケン化されて水酸基になっていることは明らかである。ケン化度は酢酸ビニル単位のメチルプロ トン(1.85~2.1ppm)と、ビニルアルコール単位のメチンプロトン(3.15 ~4.15ppm)のピーク強度比より算出した。変性EVOHのケン化度は99.9モ ル%以上であった。
実施例1(7)~(13)と同様にして変性EVOHを合成して評価した結果を、表1に示す。
Claims (9)
- 下記式(I)で表され、全単量体単位に対するa、b及びcで表される含有率(モル%)が下記式(1)~(3)を満足し、かつ下記式(4)で定義されるケン化度(DS)が、90モル%以上である単量体単位を有する変性エチレン-ビニルアルコール共重合体。
[式(I)中、R1、R2、R3及びR4は、水素原子を表す。A及びBは、メチレン基を表す。X、Y及びZは、それぞれ独立に水素原子又はアセチル基を表す。]
18≦a≦55 (1)
0.01≦c≦20 (2)
[100-(a+c)]×0.9≦b≦[100-(a+c)] (3)
DS=[(X、Y及びZのうち水素原子であるものの合計モル数)/(X、Y及びZの合計モル数)]×100 (4) - 請求項1に記載の変性エチレン-ビニルアルコール共重合体を含むバリア材。
- 請求項1に記載の変性エチレン-ビニルアルコール共重合体を含む樹脂組成物。
- 前記変性エチレン-ビニルアルコール共重合体とアルカリ金属塩を含有し、該アルカリ金属塩をアルカリ金属元素換算で10~500ppm含有する、請求項3に記載の樹脂組成物。
- 請求項3又は4に記載の樹脂組成物からなる層(A)を有する成形体。
- 請求項3又は4に記載の樹脂組成物からなる層(A)及び他の熱可塑性樹脂を含む層(B)を少なくとも有する多層構造体。
- 層(A)及び層(B)が接着性樹脂からなる層(C)を介して接着されてなる、請求項6に記載の多層構造体。
- 前記接着性樹脂が、カルボキシル基、カルボン酸無水物基又はエポキシ基を有するポリオレフィンである、請求項7に記載の多層構造体。
- 面延伸倍率7倍以上である請求項5に記載の成形体。
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