JP2010155363A - ガスバリア性積層体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 平均繊維径が200nm以下のセルロース繊維で、前記セルロース繊維を構成するセルロースのカルボキシル基含有量が0.1〜2mmol/gである、前記セルロース繊維を含むセルロース繊維層と疎水化剤層との組み合わせを有しているガスバリア性積層体。
【選択図】 なし
Description
1.平均繊維径が200nm以下のセルロース繊維で、前記セルロース繊維を構成するセルロースのカルボキシル基含有量が0.1〜2mmol/gである前記セルロース繊維を含むセルロース繊維層と、25℃で固体の油性成分を含む疎水化剤層との組み合わせを有しているガスバリア性積層体。
2.基材となる成形体表面に、平均繊維径が200nm以下のセルロース繊維で、前記セルロース繊維を構成するセルロースのカルボキシル基含有量が0.1〜2mmol/gである、前記セルロース繊維を含むセルロース繊維層と、25℃で固体の油性成分を含む疎水化剤層との組み合わせを有しているガスバリア性積層体。
3.基材上に、セルロース繊維層と疎水化剤層がこの順序で積層された組み合わせを1又は2以上有しており、基材と反対側の最上層が疎水化剤層である、請求項2記載のガスバリア性積層体。
4.基材上に、疎水化剤層とセルロース繊維層がこの順序で積層された組み合わせを1又は2以上有しており、基材と反対側の最上層がセルロース繊維層である、請求項2記載のガスバリア性積層体。
5.前記25℃で固体の油性成分の融点が30℃〜150℃のものである、請求項1〜4のいずれか1項記載のガスバリア性積層体。
6.請求項1〜5のいずれか1項記載のガスバリア性積層体の製造方法であって、前記製造方法が(a)工程と(b)工程を有しており、
(a)工程が、
(a-1)基材となる成形体に対して又は成形用の硬質表面に対して、セルロース繊維を含む懸濁液を供給し付着させてセルロース繊維層を形成する工程、又は
(a-2)基材となる成形体に対して又は成形用の硬質表面に対して、疎水化剤を含むエマルジョンを供給し付着させて疎水化剤層を形成する工程を有しており、
(b)工程が、
(b-1)セルロース繊維層の上に疎水化剤層を形成する工程、又は
(b-2)疎水化剤層の上にセルロース繊維層を形成する工程を有しており、
(a-1)工程と(b-1)工程の組み合わせを1又は2回以上繰り返すか、或いは(a-2)工程と(b-2)工程の組み合わせを1又は2回以上繰り返す、ガスバリア性積層体の製造方法。
7.ガスバリア性積層体を形成した後に、加熱工程を有する請求項6記載のガスバリア性積層体の製造方法。
本発明のガスバリア性積層体は、少なくともセルロース繊維層と疎水化剤層との組み合わせを有するものであり、必要に応じて他の層を有していてもよい。
セルロース繊維層は、以下に説明する特定のセルロース繊維を含む層であり、本願発明の課題を解決できる範囲で他の成分を含有してもよい。
(I):固形分0.1質量%に希釈したセルロース繊維懸濁液中のセルロース繊維質量に対して、目開き16μmのガラスフィルターを通過できるセルロース繊維の質量分率が5%以上である、性能の良好なセルロース繊維を得ること。
(II):固形分1質量%に希釈したセルロース繊維懸濁液中に、粒子径が1μm以上のセルロースの粒状体を含まないこと。
(III):固形分1質量%に希釈したセルロース繊維懸濁液の光透過率が、0.5%以上になること。
疎水化剤層は、主成分として25℃で固体の油性成分を含む層であり、本願発明の課題を解決できる範囲で他の成分を含有してもよい。
基材となる成形体は、所望形状及び大きさのフィルム、シート、織布、不織布等の薄状物、各種形状及び大きさの箱やボトル等の立体容器等を用いることができる。これらの成形体は、紙、板紙、プラスチック、金属(多数の穴の開いたものや金網状のもので、主として補強材として使用されるもの)又これらの複合体等からなるものを用いることができ、それらの中でも、紙、板紙等の植物由来材料、生分解性プラスチック等の生分解性材料又はバイオマス由来材料にすることが好ましい。基材となる成形体は、同一又は異なる材料(例えば接着性やぬれ性向上剤)の組み合わせからなる多層構造にすることもできる。
・セルロース繊維層/疎水化剤層(必要に応じて、両側に保護層を形成することができる)
・セルロース繊維層/疎水化剤層/セルロース繊維層(必要に応じて、両側のセルロース層に保護層を形成することができる)
(2)基材となる成形体がある実施形態
・基材/セルロース繊維層/疎水化剤層(必要に応じて、疎水化剤層の表面に保護層を形成することができる)
・基材/疎水化剤層/セルロース繊維層(必要に応じて、セルロース繊維層の表面に保護層を形成することができる)
・基材/セルロース繊維層/疎水化剤層/セルロース繊維層(必要に応じて、セルロース繊維層の表面に保護層を形成することができる)
<ガスバリア性積層体の製造方法>
本発明のガスバリア性積層体の製造方法は、次の(a)工程と(b)工程を有しており、(a)工程は(a-1)工程と(a-2)工程から選択され、(b)工程は(b-1)工程と(b-2)工程から選択される。
(a-1)工程は、基材となる成形体に対して又は成形用の硬質表面に対して、セルロース繊維を含む懸濁液を供給し付着させてセルロース繊維層を形成する工程である。
基材となる成形体の表面にセルロース繊維層を形成する場合は、例えば、 基材の一面又は両面に対して、塗布法、噴霧法、浸漬法等の公知の方法により、好ましくは塗布法又は噴霧法により、セルロース繊維を含む懸濁液を付着させ、その後、自然乾燥、送風乾燥等の方法により乾燥することでセルロース繊維層が得られる。
(a-2)工程は、基材となる成形体に対して又は成形用の硬質表面に対して、25℃で固体の油性成分を含むエマルジョンを供給し付着させて疎水化剤層を形成する工程である。疎水化剤層の形成には、(a-1)工程と同様の方法を適用することができる。
(b-1)工程は、セルロース繊維層の上に疎水化剤層を形成する工程である。(b-1)工程における疎水化剤層の形成は、(a-2)工程と同様にすることができる。このとき、形成されたセルロース繊維層が湿潤状態の時点で(b-1)工程の処理をしてもよいし、セルロース繊維層を乾燥した後、(b-1)工程の処理をしてもよい。
(b-2)工程は、疎水化剤層の上にセルロース繊維層を形成する工程である。(b-2)工程におけるセルロース繊維層の形成は、(a-1)工程と同様にすることができる。このとき、形成された疎水化剤層が湿潤状態の時点で(b-2)工程の処理をしてもよいし、疎水化剤層を乾燥した後、(b-2)工程の処理をしてもよい。
(1-1)光透過率
分光光度計(UV−2550、株式会社島津製作所製)を用い、濃度1質量%の懸濁液の波長660nm、光路長1cmにおける光透過率(%)を測定した。
セルロース繊維懸濁液を0.1質量%に調製して、その固形分濃度を測定した。続いて、そのセルロース繊維懸濁液を目開き16μmのガラスフィルター(25G P16,SHIBATA社製)で吸引ろ過した後、ろ液の固形分濃度を測定した。ろ液の固形分濃度(C1)をろ過前の懸濁液の固形分濃度(C2)で除した(C1/C2)値を微細セルロース繊維含有率(%)として算出した。
固形分1質量%に希釈した懸濁液をスライドガラス上に1滴滴下し、カバーガラスをのせて観察試料とした。この観察試料の任意の5箇所を光学顕微鏡(ECLIPSE E600 POL NION社製)を用いて倍率400倍で観察し、粒子径が1μm以上のセルロース粒状体の有無を確認した。粒状体とは、略球状であり、その形状を平面に投影した投影形状を囲む長方形の長軸と短軸の比(長軸/短軸)が最大でも3以下であるものとする。粒状体の粒子径は、長軸と短軸の長さの相加平均値とする。このときクロスニコル観察によって、より明瞭に確認することもできる。
(2-1)平均繊維径、及び平均アスペクト比
セルロース繊維の平均繊維径は、0.0001質量%に希釈した懸濁液をマイカ上に滴下して乾燥したものを観察試料として、原子間力顕微鏡(Nanoscope III Tapping mode AFM、Digital instrument社製,プローブはナノセンサーズ社製Point Probe(NCH)使用)で繊維高さを測定した。セルロース繊維が確認できる画像において、5本以上抽出し、その繊維高さから平均繊維径を求めた。
(2-2)カルボキシル基含有量(mmol/g)
酸化したパルプの絶乾重量約0.5gを100mlビーカーにとり、イオン交換水を加えて全体で55mlとし、そこに0.01M塩化ナトリウム水溶液5mlを加えてパルプ懸濁液を調製し、パルプが十分に分散するまでスタラーにて攪拌した。そして、0.1M塩酸を加えてpH2.5〜3.0としてから、自動滴定装置(AUT−501、東亜デイーケーケー(株)製)を用い、0.05M水酸化ナトリウム水溶液を待ち時間60秒の条件で注入し、パルプ懸濁液の1分ごとの電導度とpHの値を測定し、pH11程度になるまで測定を続けた。そして、得られた電導度曲線から、水酸化ナトリウム滴定量を求め、カルボキシル基含有量を算出した。天然セルロース繊維はセルロース分子約20〜1500本が集まって形成される高結晶性ミクロフィブリルの集合体として存在する。本発明で採用しているTEMPO酸化反応では、この結晶性ミクロフィブリル表面に選択的にカルボキシル基を導入することができる。したがって、現実には結晶表面にのみカルボキシル基が導入されているが、上記測定方法によって定義されるカルボキシル基含有量はセルロース重量あたりの平均値である。
ワックスエマルジョンの粒径はレーザー回折式粒度分布測定装置(SALD−300V、(株)島津製作所製)を用いて測定した。
ワックスの融点は、示唆走査熱量計(セイコー電子工業(株)製:DSC220)を用いて、昇温速度2℃/minの条件で測定した。
JIS Z0208に基づき、カップ法を用いて、40℃、90%RHの環境下の条件で測定した。
(I)原料、触媒、酸化剤、共酸化剤
天然繊維:針葉樹の漂白クラフトパルプ(製造会社:フレッチャー チャレンジ カナダ、商品名 「Machenzie」、CSF650ml)
TEMPO:市販品(製造会社:ALDRICH、Free radical、98%)
次亜塩素酸ナトリウム:市販品(製造会社:和光純薬工業(株) Cl:5%)
臭化ナトリウム:市販品(製造会社:和光純薬工業(株))。
まず、上記の針葉樹の漂白クラフトパルプ繊維100gを9900gのイオン交換水で十分攪拌後、パルプ質量1003gに対し、TEMPO1.25質量%、臭化ナトリウム12.5質量%、次亜塩素酸ナトリウム28.4質量%をこの順で添加し、pHスタッドを用い、0.5M水酸化ナトリウムの滴下にて、pHを10.5に保持し、温度20℃で酸化反応を行った。120分の酸化時間で滴下を停止し、酸化パルプを得た。
25℃で固体の油性成分を含むエマルジョン(WAX−1:中京油脂製、商品名セロゾールH620、主成分パラフィンワックス、固形分濃度30質量%、融点67.4℃、平均粒子径0.3μm)を、ポリ乳酸(PLA)シート(コロナ放電処理済み品、シート厚み25μm,商品名PGパルグリーンLC−4:トーセロ(株)製)の片側面上にバーコートで塗布した。その後、23℃で360分間乾燥して、疎水化剤層を形成した。
実施例1と同様に調製したガスバリア性積層体を恒温乾燥炉(自然対流)でさらに150℃で20分間加熱処理して得た。
製造例1で得たセルロース繊維の懸濁液(イソプロピルアルコールを加えて、固形分濃度0.77質量%、イソプロピルアルコール30質量%に調整)を、ポリ乳酸(PLA)シート(コロナ放電処理済み品、シート厚み25μm,商品名PGパルグリーンLC−4:トーセロ(株)製)の片側面上にバーコートで塗布し、23℃で360分間乾燥して、セルロース繊維層を形成した。
25℃で固体の油性成分を含むエマルジョンにWAX−2(中京油脂製、商品名セロゾールM663、主成分パラフィンワックス、融点57.8℃、平均粒子径0.167μm、固形分濃度30質量%)を用いた以外は、実施例1と同様に調製してガスバリア性積層体を得た。
実施例4と同様に調製したガスバリア性積層体を恒温乾燥炉(自然対流)でさらに150℃で20分間加熱処理して得た。
25℃で固体の油性成分を含むエマルジョンにWAX−2(中京油脂製、商品名セロゾールM663、主成分パラフィンワックス、融点57.8℃、平均粒子径0.167μm、固形分濃度30質量%)を用いた以外は、実施例3と同様に調製してガスバリア性積層体を得た。
25℃で固体の油性成分を含むエマルジョンにWAX−3(星光PMC製、AD1602、主成分アルキルケテンダイマー、融点61.3℃、平均粒子径0.329μm、固形分濃度10質量%)を用いた以外は、実施例1と同様に調製してガスバリア性積層体を得た。
実施例7と同様に調製したガスバリア性積層体を恒温乾燥炉(自然対流)でさらに150℃で20分間加熱処理して得た。
比較例1、2、3
比較例1は、ポリ乳酸フィルムのみ、比較例2は、実施例3のセルロース繊維層の形成方法と同様にして、ポリ乳酸フィルム上にセルロース繊維層を形成し、23℃で360分間乾燥したものであり(但し、疎水化剤層の形成、加熱処理はしていない)、比較例3は、比較例2と同様に調整したものを恒温乾燥炉(自然対流)でさらに150℃で20分間加熱処理したものである。
比較例4は、実施例1の疎水化剤層の形成方法と同様にして、ポリ乳酸フィルム上に疎水化剤層(WAX−1)を形成し、23℃で360分間乾燥したものであり(但し、セルロース繊維層の形成はしていない)、比較例5は、比較例4と同様に調整したものを恒温乾燥炉(自然対流)でさらに150℃で20分間加熱処理したものである。
比較例6は、実施例4の疎水化剤の形成方法と同様にして、ポリ乳酸フィルム上に疎水化剤層(WAX−2)を形成し、23℃で360分間乾燥したもので(但し、セルロース繊維層の形成はしていない)、比較例7は、実施例7の疎水化剤の形成方法と同様にして、ポリ乳酸フィルム上に疎水化剤層(WAX−3)を形成し、23℃で360分間乾燥したものである(但し、セルロース繊維層の形成はしていない)。
実施例1と比較例4を比較すると、疎水化剤層の上にCSNF層を僅か0.4μm積層するだけで、水蒸気バリア性の大幅な向上が認められる。この効果は、以下に説明するように予想外のものである。
第1の層の上に第2の層を有する積層体の水蒸気透過度(C)は、以下の式の関係となることが知られている。
1/C=(1/A1)+(1/A2)
C :積層体の水蒸気透過度(g/m2・day)
A1:第1の層の水蒸気透過度(g/m2・day)
A2:第2の層の水蒸気透過度(g/m2・day)
この関係式と比較例1、2、4、6、7の水蒸気透過度の結果より、各層の水蒸気透過度(g/m2・day)が算出できる。具体的には、比較例1のPLAの水蒸気透過度(331g/m2・day)と比較例2の積層体の水蒸気透過度(292g/m2・day)から、セルロース繊維層(CSNF層)の水蒸気透過度が2478g/m2・dayと求められる。同様に、WAX−1の層は201g/m2・day、WAX−2の層は37g/m2・day、WAX−3の層は457g/m2・dayと求められる。この各層の水蒸気透過度と上式を用いて、実施例1の水蒸気透過度は、約119g/m2・dayと推定できるが、測定した水蒸気透過度は53g/m2・dayであり、予想以上の効果が得られている。また、実施例4の推定値が約33g/m2・dayに対して測定値が18g/m2・day、実施例7の推定値は約179g/m2・dayに対して測定値が168g/m2・dayであり、ワックスの種類が変わっても、本実施例のセルロース繊維層と疎水化剤層の組み合わせにより予想以上の効果が得られている。
Claims (7)
- 平均繊維径が200nm以下のセルロース繊維で、前記セルロース繊維を構成するセルロースのカルボキシル基含有量が0.1〜2mmol/gである前記セルロース繊維を含むセルロース繊維層と、25℃で固体の油性成分を含む疎水化剤層との組み合わせを有しているガスバリア性積層体。
- 基材となる成形体表面に、平均繊維径が200nm以下のセルロース繊維で、前記セルロース繊維を構成するセルロースのカルボキシル基含有量が0.1〜2mmol/gである、前記セルロース繊維を含むセルロース繊維層と、25℃で固体の油性成分を含む疎水化剤層との組み合わせを有しているガスバリア性積層体。
- 基材上に、セルロース繊維層と疎水化剤層がこの順序で積層された組み合わせを1又は2以上有しており、基材と反対側の最上層が疎水化剤層である、請求項2記載のガスバリア性積層体。
- 基材上に、疎水化剤層とセルロース繊維層がこの順序で積層された組み合わせを1又は2以上有しており、基材と反対側の最上層がセルロース繊維層である、請求項2記載のガスバリア性積層体。
- 前記25℃で固体の油性成分の融点が30℃〜150℃のものである、請求項1〜4のいずれか1項記載のガスバリア性積層体。
- 請求項1〜5のいずれか1項記載のガスバリア性積層体の製造方法であって、前記製造方法が(a)工程と(b)工程を有しており、
(a)工程が、
(a-1)基材となる成形体に対して又は成形用の硬質表面に対して、セルロース繊維を含む懸濁液を供給し付着させてセルロース繊維層を形成する工程、又は
(a-2)基材となる成形体に対して又は成形用の硬質表面に対して、疎水化剤を含むエマルジョンを供給し付着させて疎水化剤層を形成する工程を有しており、
(b)工程が、
(b-1)セルロース繊維層の上に疎水化剤層を形成する工程、又は
(b-2)疎水化剤層の上にセルロース繊維層を形成する工程を有しており、
(a-1)工程と(b-1)工程の組み合わせを1又は2回以上繰り返すか、或いは(a-2)工程と(b-2)工程の組み合わせを1又は2回以上繰り返す、ガスバリア性積層体の製造方法。 - ガスバリア性積層体を形成した後に、加熱工程を有する請求項6記載のガスバリア性積層体の製造方法。
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