JP2003024756A - 保鮮用ガス選択透過膜 - Google Patents
保鮮用ガス選択透過膜Info
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Abstract
を有し、酸素透過度、e値(二酸化炭素透過度/酸素透
過度)、及びガラス転移温度(Tg)の各値を適当な値
に操作できる保鮮用ガス選択透過膜を提供する。 【解決手段】 イソシアネートと、ポリエチレングリコ
ール、ポリプロピレングリコール又はポリテトラメチレ
ングリコール等のポリオールと、ポリシロキサンカルビ
ノール変性等のシリコン型ポリオールとを重合して得ら
れ、ガラス転移温度0〜40℃の範囲で酸素及び二酸化
炭素に対する選択透過性が大きく変化することを特徴と
する。
Description
に長期保存することができる酸素及び二酸化炭素に対し
て選択透過性を有するガス選択透過膜に関する。
の流通過程は、鮮度ニーズ、国内産地の衰退、輸入品の
増加、安全性への配慮などの面から、そのシステムが大
きく変化している。近年では、CA(Controlled Atmos
phere)と呼ばれるガス組成や濃度等の積極的な雰囲気
コントロールが重要視されており、例えば、特開平8−
164590号公報に開示されている水蒸気透過膜が開
発されている。この水蒸気透過膜は、そのガラス転移温
度(Tg)を0〜40℃の範囲の任意に選ばれた1点の
温度に設定できることから、流通段階において野菜貯蔵
容器内の温度が上昇することにより野菜の呼吸作用や蒸
散作用が盛んな時に透湿度が大きくなり、貯蔵段階にお
いて野菜貯蔵容器内の温度が低温に安定した時や野菜の
収納量が少なくて野菜からの水分の蒸散が少ない時に透
湿度が小さくなるといった湿度制御をすることができ
る。
炭素を放出するため、上記のような水蒸気透過膜の他
に、酸素及び二酸素炭素のガス選択透過膜の開発も望ま
れている。しかし、その選択透過性や、ガラス転移温度
(Tg)前後での透過度変化について、野菜等の包装用
に実施するのに十分な物性を有するガス選択透過膜は未
だ開発されていない。
酸化炭素に対して高い選択透過性を有し、酸素透過度、
e値(二酸化炭素透過度/酸素透過度)、及びガラス転
移温度(Tg)の各値を適当な値に操作できる保鮮用ガ
ス選択透過膜を提供することを目的とする。
め、本発明の保鮮用ガス選択透過膜は、イソシアネート
とポリオールとシリコン型ポリオールとを重合して得ら
れ、ガラス転移温度0〜40℃の範囲で酸素及び二酸化
炭素に対する選択透過性が大きく変化することを特徴と
する。このような組成により、嵩が高い構造として知ら
れるシリコンを、重合して得られるポリウレタンの分子
鎖中に導入することができる。ポリウレタンのガス透過
には、ポリオールの分子量と化学構造が大きく関与して
いる。したがって、化学構造に由来する立体障害を、ポ
リウレタン中の低分子(ガス)が拡散できる無定型領域
に導入し、まわりのポリマー鎖をゆがめることによっ
て、酸素透過度、二酸化炭素透過度を酸素透過度で割っ
て得られるe値、及びガラス転移温度(Tg)の各値を
コントロールすることが可能となる。ここで、目標とす
る酸素透過度は10〜10,000cm3/m2/24h
r/atmの範囲で、e値は1〜10の範囲である。
リコール、ポリプロピレングリコール及びポリテトラメ
チレングリコールからなる群から選ばれる1つ又は2以
上の組み合わせを用いることができる。その重量平均分
子量は好ましくは300〜5000、より好ましくは4
00〜3000の範囲とすることができる。上記シリコ
ン型ポリオールとしては、ポリシロキサンカルビノール
変性などのジメチルシロキサン基を有するポリオールを
用いることができる。シリコン型ポリオールは、ポリオ
ールに対して重量比で好ましくは1〜70wt%、より
好ましくは2〜4wt%を配合することができる。ま
た、本発明は、上記に記載したガス選択透過膜を、冷蔵
庫の野菜室用の調湿膜や、冷蔵又は冷凍用のショーケー
スカバー、食品保鮮フィルムなどの青果物保鮮用透過膜
として用いることができる。
に説明する。本発明に係るガス選択透過膜は、イソシア
ネートとポリオールとシリコン型ポリオールとを重合し
て得られるシリコン導入ポリウレタンであることを特徴
とする。上記ポリオールとしては、特に限定されない
が、その構造にメチレン鎖(−CH2−)が増えると酸
素透過度は増加し、また、側鎖にメチル基(−CH3)
があると酸素透過度は増加する傾向があることを考慮し
て選定することができる。例えば、ポリエチレングリコ
ール(PEG)、ポリプロピレングリコール(PP
G)、ポリテトラメチレングリコール(PTMG)等を
用いることができる。
特に限定されないが、分子量が大きくなると酸素透過度
及びe値が増加する傾向があることを考慮して選定する
ことができる。分子量は300〜5000が好ましく、
さらに400〜3000が好ましい。分子量が5000
を超えると反応性が低くなり、一方、分子量が300未
満となると反応性が高くなるため、安定したポリマーの
重合が困難である。また、分子量が300未満の場合、
酸素透過度が低すぎて実用化できない。一方、5000
を超えると、ポリオールの特性が強くなり、ポリウレタ
ン本来の特性を損なうため好ましくない。
コン(Si)を含有するポリオールであれば特に限定さ
れないが、ジメチルシロキサン基を有するポリオール
や、トリメチルシリル基を有するポリオールなどを用い
ることができる。分子量は特に限定されないが、ポリマ
ー重合の反応性を良くするため、分子量2000未満の
ものが好ましい。上記ジメチルシロキサン基を有するポ
リオールとしては、例えば、以下の化学式で示されるポ
リシロキサンカルビノール変性(PSi)がある。
して重量比で好ましくは1〜70wt%、より好ましく
は2〜4wt%を配合することができる。配合量が1w
t%未満の場合、得られるガス選択透過膜のシリコン含
有量が少なくなるため、嵩高い構造のシリコンがポリマ
ー鎖をゆがめることによって得られる酸素透過度の増加
効果が、ガス選択透過膜に十分に反映されず好ましくな
い。一方、配合量が70wt%を超えると、ポリオール
よりシリコン型ポリオールの酸素透過度やe値等の物性
がガス選択透過膜に反映されることになり好ましくな
い。
れないが、例えば、4,4−ジフェニルメタンジイソシ
アネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、トルエン
ジイソシアネート、4,4−ジシクロヘキシルメタンジ
イソシアネート、イソホロンジイソシアネートなどを用
いることができる。また、鎖延長剤としては、特に限定
されないが、例えば、エチレングリコール、1,4−ブ
チレングリコール、1,6−ヘキセングリーコールなど
を用いることができる。
リウレタンは、酸素及び二酸化炭素に対して高い選択透
過性を有するため、ガス選択透過膜として用いることが
できる。また、このガス選択透過膜は、そのガラス転移
温度(Tg)より高温であるゴム状態の場合に酸素透過
度が高くなり、Tgより低温であるガラス状態の場合に
酸素透過度が低くなるという性質を有する。このため、
野菜等の青果物は流通段階で温度が上昇することにより
酸素を必要とする呼吸作用が盛んになるが、この時にガ
ス選択膜の透過度は大きくなる一方、貯蔵段階で温度が
低温に安定して青果物の呼吸が少なくなる時に、ガス選
択膜の透過度が小さくなる。すなわち、本発明に係るガ
ス選択透過膜を青果物の包装に使用することによって、
温度が0〜40℃の範囲で変化しても包装内の酸素と二
酸化炭素の濃度を制御することができる。包装用途とし
ては、例えば、冷蔵庫の野菜室用の調湿膜や、冷蔵又は
冷凍用のショーケースカバー、食品保鮮フィルムなどが
ある。また、本発明に係るガス選択透過膜に、Tgを境
とした温度依存性を有する水蒸気透過膜の機能も加える
ことで、湿度も同時にコントロールできることから、青
果物の鮮度をより良く保つことができる。
平均分子量(Mw)及び化学構造の違いの点から、表1
に示す9種類のポリオールを選定し、物性測定試験を行
った。
て実施した。まず、重合の主原料としては、上記9種類
のポリオールモノマーと、鎖延長剤モノマー、イソシア
ネートモノマーを用いた。溶媒としては、ジメチルホル
ムアミド(DMF)を用いた。添加剤としては、ヒンダ
ードアミン系樹脂安定剤(日本ヒドラジン株式会社製H
N−130)を用いた。触媒としては、錫ラウレート系
触媒(旭電化工業株式会社製BT−11)を用いた。重
合は上記9種類のポリオールに対して全て、ポリマー固
形分250g、溶媒分650〜750gのスケールで実
施した。
F、添加剤、ポリオールの順で投入し、完全に相溶させ
た。次に、イソシアネートを投入し、40℃で30分、
プレポリマー化反応を行った。そして、30gのDMF
で希釈した鎖延長剤モノマー(エチレングリコール)を
滴下ロートで30分かけて滴下し、ポリマー化反応を行
った。さらに、90℃に昇温し、先に投入したイソシア
ネート量の2〜3%とDMF100〜150gを交互に
投入し、規定の固形分、粘度に調整した。最後に、約6
0℃まで温度を下げ、30gのDMFで希釈したエタノ
ール2.5gを投入し、反応を停止させた(約30
分)。これによって、上記9種類のポリオールについ
て、ポリマー溶液を得た。
リンテック株式会社製離型紙を貼り、上記により得られ
た溶液をそれぞれコンマコーターにて均一に塗布した
後、オーブン中で乾燥させた。乾燥条件は70℃で2時
間と、100℃で4時間とし、乾燥後にフィルム膜厚が
約50μmとなるように製膜した。
26(差圧法)に準拠し、ガス・蒸気透過率測定装置
(ヤナコ社製GTR−30XAM)を用い、温度23℃
の下で、酸素および二酸化炭素のガス透過度を測定し
た。引張り試験は、JIS K 6301に準拠して行
った。Tgは、動的粘弾性測定装置(レオメトリックス
社製)により測定した。これらによって得られた各ポリ
マーの物性値及びポリマー組成を表2および図1に示
す。酸素および二酸化炭素の透過度は、フィルム膜厚を
30μmとした場合の換算値とした。また、酸素透過率
(酸素透過係数)とは、酸素透過度に試験片の厚さを乗
じて、単位当りの透過量に換算したものをいい、単位は
cm3(標準状態)・cm/cm2/sec/cmHgで
表される。
対する酸素透過度及びe値を表す。図1に示すように、
PEGの分子量の増大により、酸素透過度およびe値が
それぞれ増加することがわかった。ポリオール分子量の
増大は、ソフトセグメント(フレキシビリティーの高い
構造)の増加につながる。このため、ポリマー分子間隙
も大きくなり、ガス透過性が向上すると考えられる。一
方、分子間隙が大きくなることは、透過するガス分子の
大小や極性等によらず一様にガスを透過させてしまうた
め、ガス選択分離能は低くなる(すなわちe値は大きく
なる)と考えられる。
透過度及びe値を表したものとして図2を示す。構造の
違いを検討するため、分子量(Mw)は全て1000の
ものである。図2に示すように、PEGはメチレン鎖
(−CH2−)を2つ有し、PTMGはメチレン鎖を4
つ有すことから、ポリオールのメチレン鎖が増加するに
つれて、酸素透過度が増加することがわかった。一方、
e値は、構造の違いによらず10前後の値となった。ま
た、側鎖にメチル基(−CH3)を有するPPGは、メ
チレン鎖が同数で側鎖の無いPEGに比べて、酸素透過
度が大きくなり、e値は小さい値となった。側鎖による
立体障害が酸素透過度、e値に大きく影響することがわ
かった。
鎖を長くする又は側鎖を導入するのが有効であるが、e
値を小さく(選択分離性を向上)するのには有効ではな
い。e値を小さくするには分子量を下げるのが有効であ
ることは、図1からわかっているが、これでは酸素透過
度が小さくなる。そこで、立体障害に着目し、ポリマー
鎖にシリコンのような嵩高い構造を導入することによっ
て、酸素透過に必要な空隙とガス選択性に必要な障害と
を、重合によって同時に導入することができることがわ
かった。
量400及び600のものに対して、測定環境の温度を
変化させ、ガラス転移温度(Tg)前後での酸素透過係数
(PO2)の変化を測定する試験を行った。測定は、実
験例1と同様にJIS K 7126(差圧法)に準拠
して行った。装置の構成上、測定温度は5〜60℃の範
囲とし、テストガス圧力は0.5kgf/cm2に固定
して測定を行った。測定により得られた結果を図3に示
す。
6)では、K−16のTgである10℃付近に変曲点は
見られなかったが、PEG400(K−400)では、
Tgである40℃付近に変曲点が見られた。K−16で
変曲点が見られなかった理由として、Tg(10.3
℃)と測定可能温度下限(5℃)が近く、ガラス状態の
温度範囲について十分に測定データが得られなかったこ
とや、正確に温度制御できなかった(低温雰囲気のコン
トロールは測定装置チラー性能による)等が考えられ
る。一方、K−400では、Tg(41.6℃)の前後
の温度範囲で多くの測定データが得られたため、Tg付
近に変曲点を観察できたと考えられる。図3に示すよう
に、Tgを境に低温側と高温側では酸素透過係数の傾き
が異なった。低温側のガラス領域では、ポリマー及び酸
素の分子運動性が低温のため抑制され、ガス透過係数の
傾きが小さくなると考えられ、一方、高温側のゴム領域
では、ポリマー及び酸素の分子運動性が高温のため活発
となり、ガス透過係数の傾きが大きくなったと考えられ
る。
徴を説明するため、温度変化に対するK400及び塩化
ビニル(PVC)の酸素透過係数を表したものを図4に
示す。但し、PVCの酸素透過係数は文献からの値であ
る。PVCでは温度と酸素透過係数の関係は直線である
のに対し、K−400では変曲点を有した。これは、形
状記憶ポリマー特有のミクロブラウン運動と呼ばれる熱
振動状態が、Tg前後の温度で大きく異なるためである
と考えられる。ポリマーの場合、Tgを境にしてポリマ
ーのガラス領域とゴム領域が変化する中間に、遷移領域
と呼ばれるガラス状態でもゴム状態でも無い状態が存在
し、その温度幅が20℃程度あることが一般に知られて
いる。表2に示した透過度の測定値は、室温である23
℃で固定して行われているため、ポリマーによってガラ
ス状態、遷移状態、ゴム状態で測定されているため、単
純には比較できない。
400)の酸素透過係数及びe値を表したものを図5に
示す。酸素透過係数には変曲点が見られたが、e値には
変曲点が見られず、6.0前後の値を保った。これは、
温度を上げても透過してくる酸素と二酸化炭素の比率は
変わらないことを示している。つまり、ガス選択透過膜
をTg以上の温度で使用することによって、ガス選択分
離能を変えずに酸素透過度を大きくすることができるこ
とがわかった。
型ポリオールとして、分子量(Mw)が1000である
ポリシロキサンカルビノール変性(PSi1000)を
用いた。ポリオールとしては、PEG400、PEG6
00、PEG1000、PEG3000及びPTMG1
000を用いた。PSi1000の導入量は、ポリオー
ルに対して重量比で約3wt%(2.3〜3.4wt
%)とした。以上の条件の他は実験例1と同様にして重
合を行った。得られた実施例であるポリマーについて、
実験例1と同様に物性測定試験を行った。その結果を表
3に示す。また、シリコン導入前後の酸素透過度とTg
についてまとめたものを表4に示す。また、参考例とし
て、PSi1000のみを上記と同様に重合した。得ら
れたポリマーについても、同様に物性測定試験を行っ
た。その結果を表3及び表5に示す。
の分子量の変化に対する酸素透過度及びe値を表したも
のが図6である。図6に示すように、分子量の増大によ
り、酸素透過度は増加した。一方、e値は5前後の値を
保持した。また、表4に示すように、PEGのシリコン
導入後の酸素透過度は、シリコン導入前に比べ1.2倍
〜9倍と増加している。シリコン導入後のTgも、シリ
コン導入前に比べ1℃〜5℃高くなった。また、表3及
び表4に示したデータから、シリコン導入後のポリオー
ル構造に対するガス透過度及びe値を表したものが図7
である。構造の違いを検討するため、分子量は両方とも
1000のものである。図2と図7を比較すると、PE
Gではシリコン導入前に対して酸素透過度が増加したの
に対し、PTMGでは減少した。また、シリコン導入後
のe値は、PEGもPTMGも5以下となり、シリコン
導入前に比べて高いガス選択性を示した。
0とK16の酸素透過係数を表した図に、K400Si
とK16Siの酸素透過係数を示した図である。K40
0SiはK400に比べて酸素透過係数が微増したが、
測定温度は23℃であり、K400SiのTgが約40
℃であることから、ガラス状態での測定であった。一
方、K600SiはK16に比べて酸素透過係数が増大
したが、測定温度は23℃であり、K600SiのTg
が約10℃であることから、ゴム状態での測定であっ
た。
ス状態では酸素透過係数を低く抑えることができ、ゴム
状態では酸素透過係数をより高くすることができる(図
8のK400Siの温度依存性曲線(推定)を参照)。
これは、PEG1000Si及びPEG3000Siが
ガラス状態の測定で酸素透過係数が増大し、PP700
Siがゴム状態の測定で酸素透過係数がほぼ同じであっ
たことから裏付けられる。ここで、P1000Siはゴ
ム状態での測定で酸素透過係数が減少しているが、これ
は、PTMG直鎖のメチレン数が4とPEGに比べて長
く、シリコン導入で形成されるポリマー鎖の歪みがうま
く形成されず、酸素透過に必要な空隙ができていないた
めであり、PEGとは単純に比較できないと考えられ
る。
関わらず(つまり、常温ではポリマーがよりガラス状態
へと近づく)、酸素透過度およびガス選択性(e値)向
上に効果を示した。ポリマーの立体構造や分子鎖長に手
を加えることで、非多孔質膜でもこのような効果がある
ことがわかった。
酸素及び二酸化炭素に対して高い選択透過性を有し、酸
素透過度、e値(二酸化炭素透過度/酸素透過度)、及
びガラス転移温度(Tg)の各値を適当な値に操作でき
る保鮮用ガス選択透過膜を提供することができる。
過度及びe値を表した図である。
e値を表した図である。
過係数を表した図である。
過係数を表した図である。
e値を表した図である。
化に対する酸素透過度及びe値を表した図である。
ガス透過度及びe値を表した図である。
過係数を表した図に、K400Si及びK16Siの酸
素透過係数を示した図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 イソシアネートとポリオールとシリコン
型ポリオールとを重合して得られ、ガラス転移温度0〜
40℃の範囲で酸素及び二酸化炭素に対する選択透過性
が大きく変化することを特徴とする保鮮用ガス選択透過
膜。 - 【請求項2】 上記ポリオールは、ポリエチレングリコ
ール、ポリプロピレングリコール及びポリテトラメチレ
ングリコールからなる群から選ばれる1つ又は2以上の
組み合わせであって、その重量平均分子量は300〜5
000の範囲であることを特徴とする請求項1記載の保
鮮用ガス選択透過膜。 - 【請求項3】 上記シリコン型ポリオールは、ポリシロ
キサンカルビノール変性であって、ポリオールに対して
重量比で1〜70wt%を配合することを特徴とする請
求項1又は2記載の保鮮用ガス選択透過膜。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2001217879A JP4727076B2 (ja) | 2001-07-18 | 2001-07-18 | 保鮮用ガス選択透過膜 |
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