JP2018172463A - 水蒸気バリア性塗料、水蒸気バリア性積層体の製造方法、および水蒸気バリア性積層体 - Google Patents
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Abstract
Description
また、本発明は、共重合体(A)と炭化水素系ワックス(C)との合計100質量%中、炭化水素系ワックス(C)が0.1〜30質量%である、前記の本発明の水蒸気バリア性塗料に関する。
さらに、本発明は、炭化水素系ワックス(C)がパラフィンワックスである、前記の本発明の水蒸気バリア性塗料に関する。
さらにまた、本発明は、共重合体(A)の酸価に対し、有機金属錯体(B)が0.3〜2.0当量含まれる、前記の本発明の水蒸気バリア性塗料に関する。
共重合体(A)は、側鎖に適切な長さのアルキル基と、金属架橋構造の起点となる高密度の酸無水物基を併せ持ち、本発明の塗料および積層体のメインバインダーとなるもので、詳細に後述する有機金属錯体(B)と反応して架橋を形成し、反応生成物に変化する。
重合濃度( %) =[ 単量体成分の全質量/( 単量体成分の全質量+ 溶剤質量)]×100
本発明においては、共重合体(A)と有機金属錯体(B)とを架橋させることで優れた特性を発現するが、ここでいう架橋とは、共重合体(A)中の無水マレイン酸に由来する酸無水物基が加水分解して生成したカルボキシル基と、有機金属錯体(B)から遊離した金属とが、イオン結合、配位結合、または共有結合を形成することを意味する。また、少なくとも1部に前記の架橋を形成したものを、共重合体(A)と有機金属錯体(B)との反応生成物と呼ぶ。この架橋は、1つの共重合体(A)分子内で形成されてもよいし、2つ以上の共重合体(A)分子間で形成されていてもよい。
本発明の水蒸気バリア性塗料や積層体においては、融点が45〜100℃である炭化水素系ワックス(C)が必須成分であり、先に述べた共重合体(A)の側鎖に存在する適切な長さのアルキルと相互作用することで、積層体の水蒸気バリア性(初期、高温高湿度下保存後)を飛躍的に向上することが可能となっている。
本発明の水蒸気バリア性塗料は、後述する基材フィルム(D)に塗工され、必要に応じて加熱等が加えられて、「膜」、すなわち、水蒸気バリア層(E)を形成するが、炭化水素系ワックス(C)は結晶性を有しているため、膜中で炭化水素基が整列する起点になると考えられる。その際、共重合体(A)の側鎖として存在するアルキル基をも巻き込んで整列することとなり、膜中に炭化水素基が集合かつ整列したドメインを形成することとなる。同時に、酸無水物基、酸無水物基が開環して生成したカルボキシル基、有機金属錯体(B)、および、それらの反応物が集中するドメインも形成され、膜中にナノレベルで相分離した微細構造を形成すると考えられる。
AFMとは、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope)の意であり、先端の尖った探針で試料表面をなぞることにより表面形状を計測し画像化する一種の触針顕微鏡である。試料−探針間に働く力を検出することで,試料形状像(凹凸像)取得と同時に,電流や電位,硬さや粘弾性といった試料表面の物性情報を反映した信号の画像を取得することができる。
図1は、後述する実施例1で得た水蒸気バリア性積層体の断面のAFM位相差像である。図中の濃淡は硬さを示しており、色が濃いほど硬い。図1では、硬さの異なる2種類の薄層状のドメインが交互に積層した相分離構造を形成していることが確認できる。
図2に実施例9で得た水蒸気バリア性積層体の断面のAFM位相差像を示す。図1とは相分離構造が異なるが、硬さの異なる2種類の粒状のドメインが混在していることが確認できる。
図3に比較例1で得た水蒸気バリア性積層体の断面のAFM位相差像を示す。比較例1の塗料は、実施例1の水蒸気バリア性塗料から炭化水素系ワックス(C)を除いたものであり、実施例1とは異なり、相分離構造のない均一な断面を形成することが確認できる。なお、わずかに確認できる縦筋状の濃淡は、断面形成時の切削痕である。
以上のことから、炭化水素系ワックス(C)の存在が水蒸気バリア層(E)中に相分離構造の形成を促進し、初期の水蒸気バリア性を向上すると共に高温高湿度下保存後にも水蒸気バリア性を高レベルで維持していると推察される。
共重合体(A)、有機金属錯体(B)、および、炭化水素系ワックス(C)から水蒸気バリア性塗料を得るための方法は特に限定されず、これらの成分が、均一に混合できれば、いかなる方法を用いることも可能である。また、これらを均一に溶解、もしくは分散し、次工程の塗工性を改善する目的で、必要に応じて溶剤(F)を添加してもよい。分散の場合、厳密には分散媒というべきであるが、溶剤(F)と略記する。
水蒸気バリア性は、共重合体(A)、有機金属錯体(B)、および、炭化水素系ワックス(C)の組合せによって生じるものであるから、溶剤(F)は、特に限定されない。また、前記の各成分を添加する順番は特に限定されない。
前述したように、本発明においては、共重合体(A)と有機金属錯体(B)とを架橋させることで水蒸気バリア性積層体を形成するが、ここでいう架橋とは、共重合体(A)中の無水マレイン酸に由来する酸無水物基が加水分解して生成したカルボキシル基と、有機金属錯体(B)から遊離した金属とが反応して反応生成物を形成し、その反応物に中にイオン結合、配位結合、または共有結合を形成することを意味する。この架橋は、塗料の混合、分散、保管、塗工、乾燥、あるいは、積層体のエージング工程といった各工程で進行する。特に、基材フィルム(D)への塗工後の、乾燥やエージング工程において進行が顕著である。
また、水は、加湿下に塗料を製造したり、保管したりすることによって、塗料中に導入することができる。あるいは、加湿下に塗料を塗工したり、塗工後積層体のエージング工程時に、積極的に加湿することにより、形成途中の水蒸気バリア層(E)に導入してもよい。さらに、架橋反応を促進する目的で水の供給時に併せて加熱をしてもよい。
なお、ここで、不純物として水を含有する溶剤(F)としては、アルコール系、ケトン系、テトラヒドロフラン等の極性溶剤を挙げることができる。
メカニカルスターラーおよび窒素導入管を装備した300mlフラスコに、81.49gのリニアレン14(出光興産社製、炭素数14のα−オレフィン)、52.90gの無水マレイン酸を入れ、窒素下、150℃で溶液状態にした。その後、0.61gのジ−t−ブチルパーオキサイドを少量ずつ加え、160℃で5時間反応させた。放冷後、得られた生成物をメチルエチルケトン(MEK)200gに溶解して取り出し、エバポレーターで溶剤を除去した。得られた個体を80℃の真空乾燥機で一晩乾燥し、共重合体(A1)を得た。この共重合体の酸価は379mgKOH/g、質量平均分子量(Mw)は26000であった。
リニアレン14の代わりに、62.75gのリニアレン8(出光興産社製、炭素数8のα−オレフィン)を用い、71.43gの無水マレイン酸、0.82gのジ−t−ブチルパーオキサイドを用いた以外は、製造例1と同様にして共重合体(A2)を得た。この共重合体の酸価は、467mgKOH/g、質量平均分子量(Mw)は31000であった。
リニアレン14の代わりに、89.36gのリニアレン18(出光興産社製、炭素数18のα−オレフィン)を用い、45.12gの無水マレイン酸、0.52gのジ−t−ブチルパーオキサイドを用いた以外は、製造例1と同様にして共重合体(A3)を得た。この共重合体の酸価は、319mgKOH/g、質量平均分子量(Mw)は9600であった。
リニアレン14の代わりに、99.74gの1−ヘキサコセン(炭素数26のα−オレフィン)を用い、34.86gの無水マレイン酸、0.40gのジ−t−ブチルパーオキサイドを用いた以外は、製造例1と同様にして共重合体(A4)を得た。この共重合体の酸価は、262mgKOH/g、質量平均分子量(Mw)は8500であった。
リニアレン14の代わりに、79.08gのリニアレン124(出光興産社製、炭素数12〜14のα−オレフィン)を用い、55.29gの無水マレイン酸、0.63gのジ−t−ブチルパーオキサイドを用いた以外は、製造例1と同様にして共重合体(A5)を得た。この共重合体の酸価は、391mgKOH/g、質量平均分子量(Mw)は34000であった。
リニアレン14の代わりに、93.90gのリニアレン2024(出光興産社製、炭素数18〜24のα−オレフィン)を用い、40.64gの無水マレイン酸、0.47gのジ−t−ブチルパーオキサイドを用いた以外は、製造例1と同様にして共重合体(A6)を得た。この共重合体の酸価は、274mgKOH/g、質量平均分子量(Mw)は8700であった。
リニアレン14の代わりに、112.65gのワックス状α−オレフィン混合物(炭素数28〜60)を用い、22.09の無水マレイン酸、0.25gのジ−t−ブチルパーオキサイドを用いた以外は、製造例1と同様にして共重合体(A7)を得た。この共重合体の酸価は、101mgKOH/g、質量平均分子量(Mw)は8000であった。
また、比較例用の共重合体(G)として、下記市販品を用意した。
(G1): トーヨーケム社製「リオフレックス4188H−C」(無水マレイン酸とプロピレンの共重合体、酸価:7mgKOH/g)
(G2): クラレ社製「イソバン600」(無水マレイン酸とイソブテンの共重合体、酸価:248mgKOH/g、Mw:6000)
有機金属錯体(B)としては、以下の化合物を用意した。特に製造メーカーの記載のないものは東京化成社製である。
(B1):ビス(2,4−ペンタンジオナト)亜鉛(II)
(B2):ビス(2,4−ペンタンジオナト)亜鉛(II)・1水和物
(B3):ビス(2,4−ペンタンジオナト)カルシウム(II)
(B4):トリス(2,4−ペンタンジオナト)アルミニウム(III)
(B5):テトラキス(2,4−ペンタンジオナト)チタニウム(IV)
(B6):ビス(2,4−ペンタンジオナト)マグネシウム(II)
(B7):(エチレンジアミン四酢酸)の亜鉛塩(ナガセケムテックス社製、クレワットZn)
(B8):トリス(トリフルオロ−2,4−ペンタンジオナト)アルミニウム(III)
実施例で用いる炭化水素系ワックス(C)として、以下に示す材料を用意した。
(C1):パラフィンワックス#140(日本精蝋社製)
(C2):パラフィンワックス#115(日本精蝋社製)
(C3):パラフィンワックス#120(日本精蝋社製)
(C4):パラフィンワックス#130(日本精蝋社製)
(C5):パラフィンワックス#155(日本精蝋社製)
(C6):Hi−Mic−1070(日本精蝋社製、マイクロクリスタリンワックス)
(C7):Hi−Mic−1090(日本精蝋社製、マイクロクリスタリンワックス)
(C8):Hi−Mic−2095(日本精蝋社製、マイクロクリスタリンワックス)
(C9):カルナバワックス(東亜化成社製)
(C10):ワックス状α−オレフィン混合物(炭素数28−60)
(H1)1−オクタデセン(東京化成社製、液状の炭化水素系化合物)
(H2)ハイワックス110P(三井化学社製、ポリエチレンワックス)
(D1):100μmPETフィルム(東洋紡社製、A4100)
(D2):シリカ蒸着100μmPETフィルム(三菱化学樹脂社製、テックバリアLX)
(D3):25μmポリイミドフィルム(東レ・デュポン社製、カプトン100H)
(F1):トルエン/イソプロピルアルコール=4/1(質量比)
(F2):トルエン/テトラヒドロフラン=4/1(質量比)
(F3):トルエン/イソプロピルアルコール/水=4/1/0.1(質量比)
(F4):トルエン/エタノール=4/1(質量比)
(F5):プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート
70mlのガラス瓶に、1.996gの共重合体(A1)、1.899gの有機金属錯体(B2)、0.105gの炭化水素系ワックス(C1)、および、溶剤(F)として16gのトルエン/イソプロピルアルコールの混合溶媒(質量比4/1)を入れた。この混合物に、さらに、1mm径のガラスビーズ20gを加えて密閉した後、ペイントシェーカー(Fast&FluidManagement社製、スキャンデックスSK450)で4時間振り混ぜた。
得られた混合物を#200のナイロンメッシュを通すことでガラスビーズを除去し、水蒸気バリア性塗料を得た。この塗料は均一なもので、析出物が沈降することはなかった。
水蒸気バリア性積層体の透明性を評価するため、ヘイズメーター(日本電色工業社性、NDH2000)を用いてヘイズを測定した。評価は下記の4段階評価とした。
○:ヘイズが、3以上、7未満
△:ヘイズが、7以上、15未満
×:ヘイズが、15以上
85℃/湿度85%の条件の環境試験器中に2日間保管する前(初期)、保管した後(湿熱試験後)の水蒸気バリア性積層体について、それぞれ水蒸気透過度を以下の方法で求めた。
即ち、水蒸気透過度測定装置(MOCON社製Permatran)を使用し、40℃、湿度100%(飽和水蒸気圧)、窒素流量10sccmの条件において測定した。得られた水蒸気透過度から、基材の水蒸気透過度の寄与を除去し、水蒸気バリア層単独での水蒸気透過度を、100μm厚当たりの水蒸気透過度(g/(m2・day))に換算した数値を算出し、下記の5段階で評価した。
○:水蒸気透過度が、0.03g以上、0.1g未満
□:水蒸気透過度が、0.1g以上、0.3g未満
△:水蒸気透過度が、0.3g以上、1g未満
×:水蒸気透過度が、1g以上
先に述べた実施例1における各材料を、表2〜5に示した材料と質量に置き換え、実施例1と同様の手順で塗料を作成した。これらの塗料から、実施例1と同様の手順で、基材フィルムを適宜変更して積層体を製造し、実施例1と同様の手順で評価した結果を表2〜5に示した。なお、これらの積層体における水蒸気バリア層の厚みは、いずれも、1〜10μmの間に入っていた。
なお、見やすさのために表2〜5にも実施例1を転記した。
実施例1、実施例39において、塗工および乾燥で得られた積層体を、40℃、湿度90%に設定した恒温恒湿器中に24時間保管する工程(エージング)を実施しないで得た積層体を、それぞれ、実施例42、43として評価したが、評価結果はエージング工程の有無によらず、同一のものであった。
Claims (8)
- 炭素数が8〜80のα−オレフィンと無水マレイン酸の共重合体(A)、有機金属錯体(B)、および、融点が45〜100℃である炭化水素系ワックス(C)を含む水蒸気バリア性塗料。
- 共重合体(A)の酸価が5〜500mgKOH/gである、請求項1に記載の水蒸気バリア性塗料。
- 共重合体(A)と炭化水素系ワックス(C)との合計100質量%中、炭化水素系ワックス(C)が0.1〜30質量%である、請求項1または2記載の水蒸気バリア性塗料。
- 炭化水素系ワックス(C)がパラフィンワックスである、請求項1〜3いずれか1項に記載の水蒸気バリア性塗料。
- 共重合体(A)の酸価に対し、有機金属錯体(B)が0.3〜2.0当量含まれる、請求項1〜4いずれか1項に記載の水蒸気バリア性塗料。
- 基材フィルム(D)の少なくとも片面に、請求項1〜5いずれか1項に記載の水蒸気バリア性塗料を塗工した後、共重合体(A)と有機金属錯体(B)とを架橋させることを特徴とする、水蒸気バリア性積層体の製造方法。
- 請求項6に記載の製造方法で得られる、水蒸気バリア性積層体。
- 基材フィルム(D)と水蒸気バリア層(E)とを有する水蒸気バリア性積層体であって、
前記水蒸気バリア層(E)が、炭素数が8〜80のα−オレフィンと無水マレイン酸の共重合体(A)と有機金属錯体(B)との反応生成物、および、融点が45〜100℃である炭化水素系ワックス(C)を含む、
水蒸気バリア性積層体。
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