JP2006219685A - ポリビニールアルコール組成物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】PVAが、水又は実質的に水を含んだ溶液に溶けた状態にあるとき、水が存在すると、水和物、潮解性の水溶性無水無機塩、又は水溶性無機塩水和物を添加し、塩水和物としてPVA中に取り込んだ後、膜、シート、成形品などの固形物を形成することによってポリビニールアルコール組成物を得る。
【選択図】 なし
Description
更に詳しくは、無機塩水和物を導入することによる、従来にない特殊な性質を有するポリビニールアルコール(PVA)組成物に関する。
本発明は、ここで得られた知見をPVAに適用し、発展させたものである。
しかし、PVAに無機塩水和物を添加する試みはほとんどなされていない。したがって、PVAに無機塩水和物を添加した場合の現象及び得られる物質の特徴については、ほとんど知られていない。
本発明者は、PVAに無機塩水和物を添加する実験を数多く行った結果、或る条件下でこれを行うと、極めて特徴的な現象が見られ、特徴のある製品が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、PVAハイドロゲルにおいては、低温に保持することにより、多量の水分子を含有するものであるが、本発明では常温又は加熱した状態(80℃以下)で十分乾燥することにより、いわゆる自由水としての水の含有量は10wt%/PVA以下である(一部吸着水としての水が存在するので0にはならない)。
しかし、無機塩水和物としてPVA中に取込まれた水の大部分は乾燥によっても除去されることはなく、PVA中に残存する。これはいわゆる上記自由水とは異なるもので、自由水とは異なる挙動を示す。
すなわち、未だその詳細な構造は明らかでないが、PVA中においても、無機塩との何らかの相互作用が存在するため、上記の乾燥条件では大部分は除去されない。
この意味において、本発明のPVA組成物は従来からのPVAハイドロゲルとは基本的に異なるものである。
(1)ポリビニールアルコール(PVA)が、水又は実質的に水を含んだ溶液に溶けた状態にあるとき、水が存在すると水和物になる性質を有する水溶性無水無機塩又は水溶性無機塩水和物を添加し、塩水和物としてPVA中に取り込んだ後、常温又は加熱した状態で十分に乾燥し、膜、シート及び成型品等の固形物を形成することを特徴とするポリビニールアルコール成型物。
(2)上記水溶性無水無機塩又は水溶性無機塩水和物が、潮解性を有することを特徴とする(1)のPVA成型物。
(3)上記基材PVAが、水又は実質的に水を含んだ溶液に溶けた状態をつくるため、温度を高くすることを特徴とする(1)又は(2)のいずれかに記載のPVA組成物。
(4)上記基材PVAが、水又は実質的に水を含んだ溶液に溶けた状態をつくるため、水の他に第3成分を添加することを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のPVA成型物。
(5)上記水溶性無水無機塩又は水溶性無機塩水和物の添加量が、1〜150wt%/PVAであることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載のPVA成型物。
(6)上記水溶性無水無機塩又は水溶性無機塩水和物の添加量が150〜300wt%/PVAであることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載のPVA成型物。
すなわち、(1)において、PVAは水又は実質的に水を含んだ溶液に溶けた状態にあるが、これに水が存在すると水和物になる性質を有する水溶性無水無機塩又は無機塩水和物を添加すると、この塩は水に溶解するが、この溶媒を気化させることにより、塩は結晶水を持った水和物としてPVA組成物中に取り込まれる。
すなわち、PVAが水を含む溶液に溶解状態にあるときに、無機塩水和物としてポリマー中に取り込まれることが本発明の重要な要素である。
このような方法で、PVAに塩水和物を添加すると、塩水和物はPVA中で極めて微細に、均一に分散され、添加により透明性が向上する場合が多い。塩によっては、添加により着色する場合もあるが、適切な塩を選択することにより、着色を全く避けることが可能である。
また、この物質中には全体の20wt%以上の水が含まれていると考えられ、このように多量の水を含有しているにもかかわらず、上記のように、透明で弾力性のあるゴム状物質が得られるというのは驚くべきことであり、またその応用は多方面にわたる。
上記のように、塩水和物/PVA=150/100wt程度まではシート、膜、その他成型品への自由な成型が可能であり、その特異な性質と相まって種々の用途への利用が考えられる。
しかし、これ以上塩の添加量を増すと、常温ではシート状及びフィルム状のものは得られず、縮んだブロック状のものが得られる。しかし、この物質も軟かく、弾力性があり、ゴム状の感触のものであり、外観上はポリマー様のものであるが、これはもはや塩としての性質が支配的であり、この性質を利用した充填剤等への応用が可能である。
このような方法により、無機塩は極めて均一的に、しかも微細にPVA中に存在することとなり、先に述べたように、添加量を増しても、透明で弾力性に富んだプラスチック状又はゴム状の物質が得られる。
なお、常温で水に溶解するポバールについては加熱する必要がないことは言うまでもない。
(1)50wt%/PVA以下の場合
添加により、軟らかさは増す傾向が見られるものの、この範囲では無添加PVAと外観、性状に著しい変化は見られない。ただし、その電気的性質(例えば導電性)及び誘電特性(例えばキャパシタンス)は大きく変化する。シート、フィルム、その他への成型は容易である。
(2)50〜150wt%/PVA
無添加PVAと比べてやや軟らかくなり(添加量の増加により軟かさが増す)、プラスチック状又はゴム状を呈す。適切な塩を選ぶことにより、着色はなく、かえって透明性を増す。シート及びフィルムへの成形も可能である。
(3)150wt%/PVA以上
常温での添加―乾燥によっては、シート状又はフィルム状固形物は得られず、縮んだブロック状のものが得られる。しかし、透明で弾力性があり、ゴム状を呈す。組成的には殆ど塩と考えられ、PVAはもはやバインダーとして働いていると考えられ、「ゴム状をした塩(水和物)」として種々の用途が開けるものと考えられる。
このように、添加量を変えると、軟らかさとそれに伴う物理的性状は変化するが、一貫して透明性、弾力性は失われず、プラスチック状又はゴム状を呈す。そして、これらの物質は従来の物質にない特異な性質を示す。
常温では、一般には、相対湿度約40%において、1日以上2週間以下、また加熱(80℃以下)した状態では、一般には10時間〜50時間で十分である。
この乾燥が十分かどうかは、普通には重量変化で見ることができる。同一条件下での重量変化がほとんど無くなることにより乾燥が十分と判断される。
ケン化度97%、平均重合度1,800のPVA(顆粒)200gに蒸留水300gを加え、さらにCa(NO3)2・4H2O,Mg(NO3)2・6H2O, Al(NO3)3・9H2Oをそれぞれ10wt%/PVA、60wt%/PVA、100wt%/PVA、150wt%/PVAになるように加えた後、系全体を100℃に加熱し、十分に攪拌し、均一な液とした後、10cm×10cm×1cmのポリフッ化エチレン(ポリテトラフルオロエチレン)製の型に厚さ1mmとなるよう計算された量を均一に流し込み、20℃、相対湿度40%にコントロールされたチャンバー中で5日間放置し、厚さ1mmの膜を形成した。
なお、比較のために、塩水和物を加えないサンプルも同時に作成し、ブランクとした。
形成した膜は、塩水和物の添加量の増加に従い、徐々に軟かくなるものの、すべて透明で弾力性のあるプラスチック状又はゴム状であった。
ブランクを含めたこれらそれぞれの膜について、JIS K6251の引張試験による引張強さ(MPa)及び切断時伸び(%)を測定した。
結果を表1に示す。
結果を表2に示す。
本実施例からも明らかなように、PVAが水に溶けた状態にあるとき、これらの塩(水和物)を添加し、十分に溶解させた後、常温又は加熱した状態で溶媒を十分に気化させることによって、添加量150wt%/PVAに至るまで透明で弾力性のあるプラスチック状またゴム状の物質が得られる。添加量の増加によって、軟らかくなる傾向があるため、引張り強さは徐々に低下するが、逆に伸びは増加し、150wt%/PVAでは500%以上に達する。
また、70℃で72h加熱による劣化試験においても、引張り強さで見た劣化はむしろ抑えられる傾向を示しており(表2)、少なくとも上記塩水和物の添加により、劣化が促進される傾向は見られない。
なお、ここで試験したサンプルは常温、相対湿度40%で約6ヶ月間放置したが、サンプルの状態に変化はない。
本発明のPVA組成物がブランク(未添加)に比べて透明性が上回ることを定量的に示すため、実施例1で作成したサンプルのいくつかについて、ヘーズ(曇価)を測定した。
測定は、JIS K7105に依り、使用試験機はスガ試験機(株)製、直読ヘーズコンピューターHGM−2Kを使用した。
測定結果を表3に示す。
本測定結果から明らかなように、Ca(No3)24H2O又はMg(No3)26H2Oを添加することにより、ヘーズ(%)は減少し、透明性は改善される。なお、ヘーズ3.0(ブランク)というのはかなり透明性が高いことを示し(例えばアクリルは約5.0)、塩水和物の添加により、これが更に改善される。
潮解性を有する塩水和物の添加により、体積抵抗率及び摩擦帯電圧がどのように変化するかを調べた。体積抵抗率はJISK6911(試験電圧15V、21℃、65%RH)に依った。
結果を表4に示す。
PVAはもともと比較的親水性の高いポリマーであり、体積抵抗率(又は表面抵抗)も比較的低く、帯電が問題になることは多くない。しかし、本実施例からも分かるように、これに潮解性を有する塩(水和物)を添加することにより、体積抵抗が2〜3桁減少する。したがって、PVAにこれらの塩(水和物)を添加することにより、体積抵抗率(又は表面抵抗)の極めて小さなポリマーが製造されることを示している。
実施例1〜3に用いたPVAは結晶性ポリマーである。これに本発明により無機塩水和物を導入した場合、その結晶性がどう変化するかは、物性の変化をも関連し、重要である。そこで、実施例1で作成したサンプルのうち、Mg(NO3)2・6H2Oの添加量を変えたサンプルについてX線チャートを採ってみた。
結果を図1〜図3に示す。
すなわち、図1はPVAのみ(ブランク)のX線回析チャート、図2はMg(NO3)2・6H2Oを60wt%/PVA添加したもの、図3は同じく100wt%/PVA添加したもののX線回析チャートである。
これらのチャートから明らかなことは、(1)塩水和物の添加によりPVAの結晶性が減少する。(2)100wt%/PVAの添加により、PVAの結晶性はほとんど消失する。すなわち、塩水和物は単にPVA中に物理的に溶解しているのではなく、明らかにPVAの結晶性を消失させるような方向でPVA中に導入されている。このことにより、先に再三述べた透明性の向上も理解される。また、塩水和物が極めて微細にPVA中に分散されていることを示している。
実施例1に用いたPVAについて、無機塩水和物としてMg(NO3)2・6H2Oの添加量を変化させて、その誘電特性の変化を見た。
なお、添加の方法は実施例1と同様である。
結果を表5に示す。
(1) 低周波数でのキャパシタンスは添加により増加する。
(2) 低周波数での誘電率は添加により大巾に増加する。
(3) 誘電正接は添加により増加の傾向にあり、とくに高周波数になるほど、その傾向が大きい。
(4) インピダンスの絶対値は添加により、減少する。とくに低周波数領域でその傾向が大きい。また、添加により、周波数による変化が小さくなる傾向がある。
また、インピダンスの実数部及び虚数部の測定結果のコールコールプロットから算出された抵抗値(KΩ・cm)を以下の表6に示す。
表5及び表6から、塩水和物の添加により、PVAの誘電特性ならびに導電性が著しく変化することがわかる。すなわち、先の実施例にも示したように、塩水和物の添加により、外観、形状はほとんど変化しないが、その電気的、誘電的性質は大きく変化することがわかる。
実施例1〜5は、塩水和物/PVAが150wt%以内であり、この場合、シート、フィルムその他の成型品への成形が可能である領域であった。
本実施例では、さらに添加量を増加した場合の例について述べる。
実施例1に述べたPVAを用い、実施例1と同様の方法により、Mg(NO3)2・6H2Oを200wt%/PVA、300wt%/PVA添加した。
実施例1と同様、20℃、相対温度40%にコントロールされたチャンバー中で5日間放置したサンプルの状況及び物性を以下に示す:
(1)200wt%/PVA
150wt%/PVA以下の場合のようにシート又はフィルムは形成されず、縮んだシート状のものが生成される。
150wt%/PVAといえば、組成的には大部分は塩で、PVAは単なるバインダーの役割をしていると考えられるが、外観は透明なゴム状であり、弾力性を保っている。その形状から、正確な伸び及び引張り強さは測定困難であるが、大略、測定値は以下のとおりである。
伸び=350%
引張り強さ=10Mpa
また、その誘電特性の測定は、同じくその形状から困難であるが、150wt%/PVAまでの測定結果からコールコールプロットから算出される抵抗値はほとんど0に近いと考えられる。すなわち、R=0Ω・cm
また、この物質なかには30wt%以上のH2Oを含んでいると考えられ、含水ポリマーの一つの形態として、種々の利用が考えられる物質である。
すなわち、組成的には約66wt%が無機塩及び水であるにもかかわらず、透明なゴム状物質である。
(2)300wt%/PVA
実質的には200wt%/PVAと変わらないが、より軟質になり、伸び及び引張り強さは減少する。
伸び=250%
引張リ強さ=5MPa
また、抵抗値はさらに0に近付くと考えられる
R=0 Ω・cm
以上述べてきた実施例においては、本発明における代表的な塩水和物であるMg(NO3)2・6H2Oの例を中心に述べてきた。これは本発明に包含されるすべての塩について述べるのは不可能なためであり、本実施例においては、その他の塩(又は水和物)を添加した場合について述べる。
実施例1に用いたPVAに、MgCl2、CaCl2、AlBr3、K4P2O7・3H2O及びNaH2PO4・2H2Oを、それぞれ水和物換算で10wt%及び30wt%添加した。
添加の方法は、実施例1で述べたと同様であり、溶媒気化後のサンプルの状態及び引張り試験の結果を以下の表7に示す。
以上の実施例1〜7から次のようなことがわかる。
(1)PVA(けん化度97%、平均重合度1800)が水に溶けた状態で、Ca、Mg及びAlの硝酸塩水和物を加えることによって150wt%/PVAまで添加量を増しても、透明で弾力性のあるプラスチック状又はゴム状の物質が得られる。
(2)塩添加量の増加によって、軟らかくなる傾向があるが、150wt%/PVAまでシート、フィルム及びその他の成型品などを形成することが可能である。
(3)上記添加量の増加によって、引張り強さは減少するが、逆に伸びは大きくなる。
(4)上記サンプルの老化試験によって、これら塩水和物の添加はPVAの老化(70℃、72h)に悪影響は及ぼさず、逆に良い方向に向う傾向がある。
(5)適切の塩を選ぶことにより、添加によりPVAの透明性が向上することが確認され、ヘーズ(曇価)1.9〜2.5のものが得られる。
(6)潮解性を有する塩の添加により、PVAの体積抵抗率及び摩擦帯電圧が減少する。
(7)X線回析によると、上記塩水和物の添加によって、PVAの結晶性が明らかに減少し、100wt%/PVAの添加では結晶性はほとんど消失する。
(8)このことから、塩水和物はPVA中に単に物理的に溶解しているのではなく、PVAの結晶性を消失させるような状態でPVA中に導入されている。
(9)上記無機塩水和物の添加により、PVAの誘電特性は大きく変化する。
(10)とくに、コールコールプロットから算出される抵抗値は大巾に減少し、150wt%/PVAではほとんど0に近付く。
(11) 添加量200wt%/PVA以上では、本条件下ではもはやフィルム及びシートの形成は困難になるが、縮んだシート状の物質が生成し、これは透明で弾力性を有するゴム状の物質で伸びもかなりある。
(12) 上記の塩以外の塩においても同様のサンプルが得られる。
このように、本発明のPVA組成物は従来ないものであり、特異な外観及び性質を有するものである。
Claims (8)
- ポリビニールアルコール(PVA)が、水又は実質的に水を含んだ(50wt%以上)溶液に溶けた状態にあるとき、水が存在すると結晶水を持った水和物になる性質を有する水溶性無水無機塩又は結晶水を持った水溶性無機塩水和物を添加し、結晶水を持った塩水和物としてPVA中に取り込んだ後、常温又は加熱した状態で十分に乾燥し、膜、シート及び成型品等の固形物を形成した後も、塩水和物がPVAと化学的に結合し、結晶水として取り込んだ水の50%以上がPVA中に残存し、かつこれら固形物の結晶化度がブランク(塩又は塩水和物を添加しないPVA)の結晶化度の70%以下であることを特徴とするポリビニール成型物。
- 重合度1400以上、けん化度95%以上のポリビニールアルコール(PVA)が、水又は実質的に水を含んだ(50wt%以上)溶液に溶けた状態にあるとき、水が存在すると結晶水を持った水和物になる性質を有する水溶性無水無機塩又は結晶水を持った水溶性無機塩水和物を添加し、結晶水を持った塩水和物としてPVA中に取り込んだ後、常温又は加熱した状態で十分に乾燥し、膜、シート及び成型品等の固形物を形成した後も、塩水和物がPVAと化学的に結合し、結晶水として取り込んだ水の50%以上がPVA中に残存し、かつこれら固形物の結晶化度がブランク(塩又は塩水和物を添加しないPVA)の結晶化度の70%以下であり、全光線透過率がブランクの1%増し以上であり、ガラス転移点温度がブランクの20%以下であり、破断伸びがブランクの20%増し以上であることを特徴とするポリビニール成型物。
- 重合度1400以上、けん化度95%以上のポリビニールアルコール(PVA)が、水又は実質的に水を含んだ(50wt%以上)溶液に50℃以上の温度で溶けた状態にあるとき、水が存在すると結晶水を持った水和物になる性質を有する水溶性無水無機塩又は結晶水を持った水溶性無機塩水和物を添加し、結晶水を持った塩水和物としてPVA中に取り込んだ後、加熱した状態で十分に乾燥し、膜、シート及び成型品等の固形物を形成した後も、塩水和物がPVAと化学的に結合し、結晶水として取り込んだ水の50%以上がPVA中に残存し、かつこれら固形物の結晶化度がブランク(塩又は塩水和物を添加しないPVA)の結晶化度の70%以下であり、全光線透過率がブランクの1%増し以上であり、ガラス転移点温度がブランクの20%以下であり、破断伸びがブランクの20%増し以上であることを特徴とするポリビニール成型物。
- 上記水溶性無水無機塩又は水溶性無機塩水和物が、潮解性を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のPVA成型物。
- 上記基材PVAが、水又は実質的に水を含んだ溶液に溶けた状態をつくるため、温度を高くすることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のPVA成型物。
- 上記基材PVAが、水又は実質的に水を含んだ溶液に溶けた状態をつくるため、水の他に第3成分を添加することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のPVA成型物。
- 上記水溶性無水無機塩又は水溶性無機塩水和物の添加量が、1〜150wt%/PVAであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のPVA成型物。
- 上記水溶性無水無機塩又は水溶性無機塩水和物の添加量が150〜300wt%/PVAであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のPVA成型物。
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