JP2019059839A - ポリエーテルエステルアミド組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】 ポリエーテルエステルアミドポリマー中の微細構造において海島構造を形成し、その島部の直径を制御することによって、衣料用繊維材料に要求される優れた吸放湿性を達成すること。【解決手段】 ε−カプロラクタムを構成単位とするナイロン６ブロックとポリエチレングリコールブロックからなるポリマーであって、ＴＥＭ観察による微細構造を有し、その形態は海島構造を形成し、島部の平均直径が０．３〜５．０μｍであるポリエーテルエステルアミド組成物である。【選択図】なし

Description

本発明は、ポリアミドブロックとポリエチレングリコールブロックからなるポリエーテルエステルアミド組成物に関するものである。

ポリアミドブロックとポリアルキレンオキシドブロックからなるポリエーテルエステルアミド組成物は、主に樹脂成形物の帯電防止剤として使用されている。

例えば特許文献１には、熱可塑性ポリマーと、ポリアミドブロックとポリエーテルブロックとを有するコポリマーと、鎖中に少なくとも１種のイオン性官能基を有するポリマーまたはオリゴマーとから成る帯電防止ポリマー組成物が記載されている。

また、特許文献２には、特定分子量のポリアミドとポリエーテル成分として高分子量のビスフェノール類のエチレンオキシド付加物から誘導されるポリエーテルエステルアミド、およびこのポリエーテルエステルアミドと熱可塑性樹脂との特定比率からなる樹脂組成物が記載されている。その主用途は、家電・ＯＡ機器用ハウジング製品、各種プラスチック容器、自動車部品等の成形材料である。

一方、衣料用繊維としてポリアミド繊維はその独特な柔らかさ、高い引っ張り強度、染色時の発色性、高い耐熱性等の特性に加え、吸湿性に優れており、インナーウエア、スポーツウエアなどの用途に広く使用されている。しかしながら、ポリアミド繊維は綿などの天然繊維と比べると吸湿性は十分とはいえず、また、ムレやべたつきといった問題点を有し、快適性の面で天然繊維に劣ることが問題となっている。そのような背景からムレやべたつきを防ぐための優れた吸放湿性を示し、天然繊維に近い快適性を有する合成繊維が、主にインナー用途やスポーツ衣料用途において要望されている。

ポリエーテルエステルアミド組成物は、ポリアミドにポリエーテル成分を共重合しており、ポリアミド樹脂よりもさらに優れた吸放湿性が発現すること、ポリアミド樹脂との相溶性が良いことから衣料用繊維材料として用途展開が期待される。

特開２００２−３７１１８９号公報 特開平７−３３０８９９号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の組成物は、プラスチック材料としての良好な帯電防止性が得られるものの、衣料用繊維材料としての使用、さらには衣料用繊維に使用された場合の吸放湿性について、以下の課題がある。吸放湿性という点では樹脂組成物の中では比較的高いが、衣料用繊維材料として使用する場合には、従来帯電防止剤として使用する範囲での使用量では吸放湿性が満足できるレベルではない。また、衣料用繊維の基本性能を損なわない範囲での使用量上限でも吸放湿性が満足できるレベルではなかった。

本発明者らは、ポリエーテルエステルアミド組成物は微細構造を有しており、その形態は海島構造を形成し、なおかつその海島構造における島部の平均島径が特定の範囲であると極めて優れた吸放湿性を発現することを見出した。

特許文献１に記載の帯電防止ポリマー組成物は、海島構造を形成するが、海島構造の平均島径は０．３μｍ以下と小さく、島部に保持することができる水分量が減少し、吸放湿性が満足できるレベルではない。また、特許文献２に記載のポリエーテルエステルアミドは、海島構造を形成せず、吸放湿性が満足できるレベルではない。

したがって本発明では、ポリエーテルエステルアミド組成物の吸放湿性向上を課題として、ポリエーテルエステルアミド中に微細構造で海島構造を形成し、その島径を最適な範囲に制御することによって、衣料用繊維材料に要求される優れた吸放湿性を発現するものである。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成からなる。すなわち、
（１）ε−カプロラクタムを構成単位とするナイロン６ブロックとポリエチレングリコールブロックからなるポリマーであって、ＴＥＭ観察による微細構造を有し、その形態は海島構造を形成し、島部の平均直径が０．３〜５．０μｍであるポリエーテルエステルアミド組成物。

（２）海島構造の島部にジルコニウム元素を含む（１）に記載のポリエーテルエステルアミド組成物。

（３）島部における、ナイロン６ブロックおよびポリエチレングリコールブロックのＩＲ測定によるピーク面積比率（ナイロン６ブロック／ポリエチレングリコールブロック）が３．５〜１．５である（１）、または（２）記載のポリエーテルエステルアミド組成物。

（４）ε−カプロラクタムを構成単位とするナイロン６ブロックとポリエチレングリコールブロックの重量比率が２５／７５〜５０／５０である（１）〜（３）のいずれかに記載のポリエーテルエステルアミド組成物。

（５）ポリエチレングリコールブロックの構成単位であるポリエチレングリコールの数平均分子量が１０００〜３０００である（１）〜（４）いずれかに記載のポリエーテルエステルアミド組成物。

（６）海島構造の島部にジルコニウム元素を組成物に対して１００〜２０００ｐｐｍ含む（２）〜（５）いずれかに記載のポリエーテルエステルアミド組成物。

本発明により、ポリエーテルエステルアミド組成物の吸放湿性が向上する。さらには、ポリエーテルエステルアミドポリマー中の微細構造において海島構造を形成し、その島部の直径を制御することによって、衣料用繊維材料に要求される優れた吸放湿性を得ることができる。

本発明のポリエーテルエステルアミド組成物は、ε-カプロラクタムから構成されるナイロン６ブロックとポリエチレングリコールブロックからなるブロック共重合体である。

ε−カプロラクタムを構成単位とするナイロン６ブロックはポリアミドのアミノ末端基にジカルボン酸が付加した構造をしており、^１Ｈ ＮＭＲおよび^１３Ｃ ＮＭＲにてポリアミドの構造が同定され、さらに熱分解ＧＣ／ＭＳにてジカルボン酸が同定される。ジカルボン酸の割合はポリアミドの重合度によって変化するため特に限定はされないが、ジカルボン酸は仕込み量として１０ｗｔ％以上が望ましい。それ以上であれば、ナイロン６ブロックのアミノ末端基を定量的にカルボシキル基に変換することが可能である。

ポリエチレングリコールブロックも同様に^１Ｈ ＮＭＲおよび^１３Ｃ ＮＭＲにて構造が同定される。ポリエチレングリコールブロックの数平均分子量は３００〜１００００が好ましく、より好ましくは５００〜５０００、さらに好ましくは１０００〜３０００である。分子量が３００以上であると、重縮合反応中に系外に飛散しにくく、吸湿性能が安定した繊維となるため好ましい。また、１００００以下であると、ポリエチレングリコールブロックが完全に相分離せず、ポリマー中にポリエチレングリコールブロックが均一に分散し、良好な吸湿性能が得られるため好ましい。ポリエチレングリコールブロックの数平均分子量は、化学処理によってナイロン６ブロックとポリエチレングリコールブロックのエステル結合を切断することによってＧＰＣで測定される。

本発明のポリエーテルエステルアミド組成物は、海島構造を形成している。ここでいう海島構造とは、ポリマーが相分離を起こしている状態であり、凍結したサンプルから作製された薄切片よりＴＥＭで観察する。海島構造を形成することによって、吸湿性能に寄与するポリエチレングリコール（ＰＥＧ）成分がポリマー中に均一に存在している相溶系に比べ、島部に局所的にＰＥＧ成分が高濃度となるため、より大きな吸放湿性を発現することが可能となる。

海島構造において島部の平均直径は０．３〜５．０μｍである。０．３μｍ未満の場合、島部に保持することができる水分量が減少してしまい、十分な吸放湿性を発現できない。また５．０μｍを超えると、島部のＰＥＧ密度が低下してしまい、こちらも十分な吸放湿性を発現できない。さらに好ましくは、０．８〜３．０μｍである。かかる構造とすることにより、吸放湿性に寄与する島部のＰＥＧ成分が最適な濃度に制御され、より大きな吸放湿性を発現することが可能となる。島部の平均直径の測定方法は、倍率約４万倍のＴＥＭ画像８視野を確認し、その平均径を算出する。

また、島部にはジルコニウム元素を含むことが好ましい。かかる構造とすることにより、ジルコニウム元素が島部のＰＥＧに配位してより安定構造に寄与することが推定される。また、島部のジルコニウム元素含有量は、組成物に対して１００〜２０００ｐｐｍであることがさらに好ましい。かかる範囲とすることにより、前記島部のＰＥＧへの配位が最適な強度となる。

島部を構成するナイロン６ブロックとＰＥＧブロック比は１．５〜３．５であることが好ましい。さらに好ましい範囲としては２．０〜３．０である。かかる範囲とすることにより、島部のＰＥＧブロックの濃度が最適となり、相分離によって海島構造を形成するため優れた吸放湿性を発現する。ここでいうナイロン６ブロックとＰＥＧブロック比は、ＡＦＭ−ＩＲで測定される値であり、ポリアミドのアミド基中のＣ＝Ｏ伸縮振動に由来する１６４０ｃｍ^−１とＰＥＧ鎖のＣ−Ｏ伸縮振動に由来する１１００ｃｍ^−１とのピーク面積比によって算出される。

ポリエーテルエステルアミド組成物におけるナイロン６ブロックとＰＥＧブロックの構成比率は、ε−カプロラクタムを構成単位とするナイロン６ブロックとＰＥＧブロックの重量比率が２５／７５〜５０／５０である。ここでいうポリエーテルエステルアミド組成物におけるナイロン６ブロックとＰＥＧブロックの構成比率は、^１Ｈ ＮＭＲにて測定される値であり、ナイロン６ブロック由来の３．２ｐｐｍのピークとポリエチレングリコールブロック由来の３．７、４．２ｐｐｍのピークの積分比より算出される。

本発明のポリエーテルエステルアミド組成物の相対粘度は、０．５ｗｔ％濃度オルトクロロフェノール溶液中、２５℃で測定した相対粘度（ηｒ）が１．１〜３．５であることが好ましく、さらに好ましくは１．５〜２．５である。オルトクロロフェノール相対粘度が１．５以上であると、紡糸時に鞘部に最適な応力が加わり、鞘部のポリアミドの結晶化が進み、高強度化となり好ましい。

本発明のポリエーテルエステルアミド組成物の重合方法は特に限定されないが、例えば、第１段階として、ジカルボン酸の存在下でε−カプロラクタムを縮合してカルボン酸末端基を有するナイロン６オリゴマーを合成し、第２段階として、カルボン酸末端基を有するナイロン６オリゴマーとＰＥＧを混合して重合する。

第１段階で使用するジカルボン酸としては、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、セバシン酸、ドデカン酸等の脂肪族ジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、２，６−ナフタレンジカルボン酸等の芳香族ジカルボン酸、１，４−シクロヘキサンジカルボン酸等の脂環式ジカルボン酸等が挙げられ、１種または２種以上を混合して用いることができる。好ましいジカルボン酸としては、アジピン酸、セバシン酸、ドデカン酸、テレフタル酸、イソフタル酸である。さらに好ましくは、アジピン酸である。

第２段階における、ε−カプロラクタムを構成単位とするナイロン６オリゴマーとＰＥＧの原料仕込み比率（重量）は、３０／７０〜５５／４５であることが好ましい。かかる範囲とすることにより、得られる組成物のε−カプロラクタムを構成単位とするナイロン６ブロックとＰＥＧブロックの比が２５／７５〜５０／５０（重量％）の範囲となる。また、最適な海島構造を形成し、島部の平均直径を最適な範囲とすることができ、優れた吸放湿性を発現する、本発明のポリエーテルエステルアミド組成物が得られる。

第１段階における縮合時の反応温度は１８０〜３００℃、好ましくは２００〜２６０℃、反応器内の圧力は０．５〜３．０ＭＰａ、この温度と圧力を約４時間維持することが好ましい。その後、反応器を脱気して圧力をゆっくりと下げ、過剰な水は蒸留で除去する。カルボン酸末端基を有するナイロン６オリゴマーを合成した後、一旦吐出・固化させて、水分率が２０００ｐｐｍ以下になるように真空乾燥することが好ましい。

その後、第２段階として、ナイロン６オリゴマーに、ＰＥＧと重合触媒を添加させて重縮合反応する。ＰＥＧおよび重合触媒は、１回または複数回に分けて添加できるが、好ましくは、ＰＥＧを添加した後で重合触媒を添加する。この順序とすることで、ＰＥＧのヒドロキシル基とナイロン６オリゴマーのカルボン酸末端基との反応と、アミド結合の形成および水の除去とが同時に始まる。反応混合物中の水を蒸留によってできるだけ除去した後、必要に応じて触媒を導入して、ナイロン６オリゴマーのＰＥＧへの結合を完成させる。第２段階目の反応は、好ましくは、６６７Ｐａ（５ｍｍＨｇ）以下の減圧下で反応物および得られたコポリマーが溶融状態にあるような温度で攪拌しながら実施する。減圧度は好ましくは１３３Ｐａ（１ｍｍＨｇ）以下である。また、この温度は例えば１００〜４００℃、好ましくは２００〜３００℃が好ましい。溶融ポリマーから撹拌機に加わるトルクを測定するか、撹拌機の消費電力値を測定することによって反応をモニターし、このトルクまたは消費電力値によって反応の終点を決定する。

ナイロン６オリゴマーを、第１段階の合成後に一旦吐出・固化させて真空乾燥を実施した後に、第２段階の反応に用いる方法とすることが好ましい。真空乾燥を第１段階と第２段階の反応の間に実施することによって、重合触媒の失活が抑制されるため、島部の平均値径が０．３〜５．０μｍの範囲に制御して海島構造を形成することができ、優れた吸放湿性を発現する、本発明のポリエーテルエステルアミド組成物が得られる。

真空乾燥後のナイロン６オリゴマーの水分率は２０００ｐｐｍ以下が好ましい。水分率が高いと重合触媒が加水分解によって失活しやすく、海島構造形成に影響するため、さらに好ましくは１０００ｐｐｍ以下である。

重合触媒は、エステル化によってナイロン６オリゴマーをＰＥＧに結合させる任意の化合物を意味する。重合触媒としては、ジルコニウムテトラアルコキシド（Ｚｒ（ＯＲ）_４）が挙げられる。アルキル基（Ｒ）としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、エチルヘキシル基、デシル基、ドデシル基またはヘキサドデシル基等があるが、好ましくはジルコニウムテトラブトキサイドである。これらは１種または必要に応じて２種以上組み合わせてもよい。触媒量は特に制限されないが、１０〜５０００ｐｐｍ程度であることが好ましい。重合反応性が進み易く、副反応が起こり難い触媒量が好ましい。

また、酸化防止剤や耐熱安定剤（ヒンダードフェノール系、ヒドロキノン系、ホスファイト系およびこれらの置換体、ハロゲン化銅、ヨウ素化合物等）、耐候剤（レゾルシノール系、サリシレート系、ベンゾトリアゾール系、ベンゾフェノン系、ヒンダードアミン系等）、離型剤および滑剤（脂肪族アルコール、脂肪族アミド、脂肪族ビスアミド、ビス尿素およびポリエチレンワックス等）、顔料（酸化チタン、硫化カドミウム、フタロシアニン、カーボンブラック等）、染料（ニグロシン、アニリンブラック等）、結晶核剤（タルク、シリカ、カオリン、クレー等）、可塑剤（ｐ−オキシ安息香酸オクチル、Ｎ−ブチルベンゼンスルホン酸アミド等）、帯電防止剤（４級アンモニウム塩型カチオン系帯電防止剤、ポリオキシエチレンソルビタンモノステアレートのような非イオン系帯電防止剤、ベタイン系両性帯電防止剤等）、難燃剤（メラミンシアヌレート、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム等の水酸化物、ポリリン酸アンモニウム、臭素化ポリスチレン、臭素化ポリフェニレンオキシド、臭素化ポリカーボネート、臭素化エポキシ樹脂あるいはこれらの臭素系難燃剤と三酸化アンチモンとの組合せ等）、充填剤（グラファイト、硫酸バリウム、硫酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、酸化アンチモン、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化鉄、硫化亜鉛、亜鉛、鉛、ニッケル、アルミニウム、銅、鉄、ステンレス、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ベントナイト、モンモリロナイト、合成雲母等の粒子状、繊維状、針状、板状充填剤等）、他の重合体（他のポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリマー、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ＡＢＳ樹脂、ＳＡＮ樹脂、ポリスチレン等）を挙げることができる。

本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例の記載に限定されるものではない。
［海島構造における島部平均直径］
凍結超薄切片法にて作製した試料サンプルを４万倍の透過型電子顕微鏡(ＴＥＭ)にて観察した。任意に選択した８視野のサンプルから目視にて島部の直径を測定し、その平均を島部の平均径とした。島部の形が楕円形の場合は長軸半径と短軸半径の平均値を平均径とした。
装置：透過型電子顕微鏡（日立製Ｈ−７１００ＦＡ）
条件：加速電圧ｌ００ｋＶ
試料調製：凍結超薄切片法 。

［ナイロン６ブロック／ポリエチレングリコールブロック比］
クライオミクロトームにより薄片化を行った。本試料では、分析領域のサイズ（１００ｎｍ程度）と信号強度との兼ね合いから、切片の厚みは約１００〜１５０ｎｍとした。得たスペクトルの波数が１６４０ｃｍ^−１の吸光度の強度（Ａ１６４０）、波数が１１００ｃｍ^−１の吸光度の強度（Ａ１１００）を読み取り、以下の式で示したようにＡ１６４０をＡ１１００で除し、吸光度の比（Ｒ＝Ａ１６４０／Ａ１１００）を算出した。
Ｒ＝（波数が１６４０ｃｍ^−１の吸光度の強度（Ａ１６４０））／（波数が１１００ｃｍ^−１の吸光度の強度（Ａ１１００））
ＡＦＭ−ＩＲ法（ＡＦＭ−ｂａｓｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）
測定装置：ＮａｎｏＩＲ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ Ｓｙｓｔｅｍ
（Ａｎａｓｙｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製）
測定条件：
光源：Ｔｕｎａｂｌｅ Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ （１ｋＨｚ）
ＡＦＭモード： コンタクトモード
測定波数範囲： ３９００〜２５００ｃｍ^−１、１９００〜９５０ｃｍ^−１
波数分解能：４ｃｍ^−１（３９００〜２５００ｃｍ^−１、２ｃｍ^−１（１９００〜９５０ｃｍ^−１）
Ｃｏａｖｅｒａｇｅｓ：２５６ （スベクトル） 。

［ジルコニウム元素量］
海島構造の島構造におけるジルコニウム元素量は蛍光Ｘ線分析法にて確認した。具体的には、試料を秤取し、加熱灰化した。灰化物に炭酸ナトリウムおよびホウ酸を加えて融解した後、希硝酸で溶解して定容とした。この溶液について、ＩＣＰ発光分光分析法でＺｒを測定し、含有量を求めた。
装置：ＩＣＰ発光分光分析装置セイコー電子工業製ＳＰＳ４０００ 。

［水分率］
カルボン酸末端基を有するナイロン６ブロックの水分率はカールフィッシャー法にて測定した。

［吸放湿性（ΔＭＲ）］
組成物ペレットを秤量瓶に１〜２ｇ程度はかり取り、１１０℃で２時間乾燥させた後の重量（Ｗ０）を測定し、次にペレットを２０℃、相対湿度６５％で２４時間保持した後の重量（Ｗ６５）を測定する。そして、ペレットを３０℃、相対湿度９０％で２４時間保持した後の重量（Ｗ９０）を測定する。そして、以下の式にしたがい計算したものである。
ＭＲ６５（％）＝［（Ｗ６５−Ｗ０）／Ｗ０］×１００
ＭＲ９０（％）＝［（Ｗ９０−Ｗ０）／Ｗ０］×１００
ΔＭＲ（％）＝ＭＲ９０−ＭＲ６５ 。

△ＭＲが１４％以上であると吸放湿性に優れ、衣料繊維材料として適すると判断した。

（実施例１）
９５７ｇのε−カプロラクタムと、１５５．９ｇのアジピン酸と、２．７ｇのイルガノックス（Ｉｒｇａｎｏｘ）１０１０と、１４３ｇの水とを内容積５Ｌのバッチ式重合缶に入れ、次に重合缶内を密閉化し、充分に窒素置換した後に熱媒を加熱して１０バールの加圧下、２５５℃で４時間撹拌しながら加熱してカルボン酸末端基を有するナイロン６オリゴマーを合成した。このカルボン酸末端基を有するナイロン６オリゴマーを６０℃、１６時間の真空乾燥にてフレーク状にした。水分率は２００ｐｐｍ以下であった。

このナイロン６オリゴマー４５１．７ｇと数平均分子量が１５４０ｇ／ｍｏｌの６４７．４ｇのポリエチレングリコール、続いて、重合触媒として０．７４ｇのテトラジルコニウムブトキサイドと混合し、得られた混合物を２５５℃で加熱し、１ｍｍＨｇ以下の減圧下で５時間重合して、ナイロン６ブロック／ポリエチレングリコールブロック比３５／６５（重量％）のポリエーテルエステルアミド化合物を得た。

（実施例２、３）
ナイロン６ブロックとポリエチレングリコールブロックを表１の組成比（重量％）とした以外は実施例１と同様の方法にてポリエーテルエステルアミド化合物を得た。

（実施例４〜７）
ポリエチレングリコールブロックの数平均分子量を表１記載にした以外は実施例１と同様の方法にてポリエーテルエステルアミド化合物を得た。

（比較例１、２）
ナイロン６ブロックとポリエチレングリコールブロックを表１の組成比（重量％）とした以外は実施例１と同様の方法にてポリエーテルエステルアミド化合物を得た。

（比較例３）
カルボン酸末端基を有するナイロン６オリゴマーを合成後、真空乾燥を実施せず、ポリエチレングリコールと重合触媒ジルコニウムブトキサイドと混合した以外は実施例１と同様の方法にてポリエーテルエステルアミド化合物を得た。

Claims (6)

1. ε−カプロラクタムを構成単位とするナイロン６ブロックとポリエチレングリコールブロックからなるポリマーであって、ＴＥＭ観察による微細構造を有し、その形態は海島構造を形成し、島部の平均直径が０．３〜５．０μｍであるポリエーテルエステルアミド組成物。
2. 海島構造の島部にジルコニウム元素を含む請求項１に記載のポリエーテルエステルアミド組成物。
3. 島部における、ナイロン６ブロックおよびポリエチレングリコールブロックのＩＲ測定によるピーク面積比率（ナイロン６ブロック／ポリエチレングリコールブロック）が３．５〜１．５である請求項１または２記載のポリエーテルエステルアミド組成物。
4. ε−カプロラクタムを構成単位とするナイロン６ブロックとポリエチレングリコールブロックの重量比率が２５／７５〜５０／５０である請求項１〜３のいずれかに記載のポリエーテルエステルアミド組成物。
5. ポリエチレングリコールブロックの構成単位であるポリエチレングリコールの数平均分子量が１０００〜３０００である請求項１〜４のいずれかに記載のポリエーテルエステルアミド組成物。
6. 海島構造の島部にジルコニウム元素を組成物に対して１００〜２０００ｐｐｍ含む請求項２〜５のいずれかに記載のポリエーテルエステルアミド組成物。