JP2022090976A - ガスバリア性積層体 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、この無機物層は摩擦等に対して弱く、このようなガスバリア性積層体は、後加工の印刷時、ラミネート時または内容物の充填時に、擦れや伸びにより無機物層にクラックが入りガスバリア性が低下することがある。
そのため、ガスバリア性材料として、ガスバリア性層として有機物層を用いた積層体も用いられている。
その結果、特許文献1および2に記載されているようなガスバリア性材料は、ポリカルボン酸とポリアミンとを架橋させるために、高温で長時間の加熱が必要になるため、生産性が低下する場合があることが明らかになった。
また、このようなガスバリア性材料は、生産性を向上するために、ポリカルボン酸とポリアミンとを架橋させるための加熱処理時間を短くすると、ポリカルボン酸とポリアミンとが架橋することにより形成されるアミド結合の割合が低くなり、バリア性が低下する場合があることが明らかになった。
これらのことから、本発明者らは、従来のガスバリア性材料には、生産性およびバリア性をバランスよく向上するという観点において、改善の余地があることを見出した。これまでバリア性能の向上に着目した技術は多くあったものの、バリア性と生産性とをバランスよく向上する技術は、これまでに報告されていなかった。
前記基材層の少なくとも一方の面に設けられたガスバリア性層と、
前記基材層と前記ガスバリア性層との間に設けられた無機物層と、
を含み、
前記ガスバリア性層が、ポリカルボン酸と、ポリアミン化合物と、多価金属化合物と、を含む混合物の硬化物により構成される、ガスバリア性積層体。
[2] 前記基材層と前記無機物層との間に設けられたアンダーコート層をさらに含む、[1]に記載のガスバリア性積層体。
[3] 前記無機物層が、前記基材層上に、あるいは、前記基材層と前記無機物層との間に介在層を有する場合には前記介在層上に設けられた蒸着膜であって、酸化ケイ素、酸化アルミニウムおよびアルミニウムからなる群から選択される1または2以上の無機物により構成される、[1]または[2]に記載のガスバリア性積層体。
[4] 前記無機物層が酸化アルミニウムにより構成された酸化アルミニウム層を含む、[1]乃至[3]いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
[5] 前記ガスバリア性層の赤外線吸収スペクトルにおいて、
1300cm-1以上1490cm-1以下の範囲における吸光度の最大ピーク高さをαとし、
1690cm-1以上1780cm-1以下の範囲における吸光度の最大ピーク高さをγとしたとき、
γ/αで表されるNH3錯体に対する遊離カルボキシ基の割合が0.00以上1.00以下である、[1]乃至[4]いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
[6] 前記ガスバリア性層の赤外線吸収スペクトルにおいて、
吸収帯1493cm-1以上1780cm-1以下の範囲における全ピーク面積をAとし、
吸収帯1598cm-1以上1690cm-1以下の範囲における全ピーク面積をBとし、
吸収帯1690cm-1以上1780cm-1以下の範囲における全ピーク面積をCとし、
吸収帯1493cm-1以上1598cm-1以下の範囲における全ピーク面積をDとしたとき、
B/Aで示されるアミド結合の面積比率が0.200以上0.370以下であり、
C/Aで示されるカルボン酸の面積比率が0.150以下であり、
D/Aで示されるカルボン酸塩の面積比率が0.580以上0.800以下である、[1]乃至[5]いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
[7] 前記ガスバリア性層の厚みが0.01μm以上15μm以下である、[1]乃至[6]いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
[8] 前記多価金属化合物が、Zn、Ca、Mg、BaおよびAlからなる群から選択される1または2以上の2価以上の金属の化合物である、[1]乃至[7]いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
[9] (前記混合物中の前記多価金属化合物由来の多価金属のモル数)/(前記混合物中の前記ポリカルボン酸由来の-COO-基のモル数)が、0.10以上0.80以下である、[1]乃至[8]いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
[10] (前記混合物中の前記多価金属化合物由来の多価金属のモル数)/(前記混合物中の前記ポリアミン化合物由来のアミノ基のモル数)が0.25以上0.75以下である、[1]乃至[9]いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
[11] 前記ポリカルボン酸が、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、および、アクリル酸とメタクリル酸との共重合体からなる群から選択される1または2以上の重合体を含む、[1]乃至[10]いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
[12] 前記ポリアミン化合物がポリエチレンイミンを含む、[1]乃至[11]いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
[13] 前記基材層が、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレートおよびポリブチレンテレフタレートからなる群から選択される1または2以上の樹脂を含む層である、[1]乃至[12]いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
本明細書において、文中の数字の間にある「~」は、断りがなければ、以上から以下を表し、両端の値を含む。
本明細書において、(メタ)アクリル酸とはアクリル酸およびメタクリル酸の少なくとも1つであり、(メタ)アクリレートとはアクリレートおよびメタクリレートの少なくとも1つである。
本実施形態において、組成物は、各成分をいずれも単独でまたは2種以上を組み合わせて含むことができる。
図1は、実施形態におけるガスバリア性積層体の構成の一例を模式的に示す断面図である。図1に示したガスバリア性積層体100は、基材層101と、基材層101の少なくとも一方の面に設けられたガスバリア性層103と、基材層101とガスバリア性層103との間に設けられた無機物層102と、を含む。そして、ガスバリア性層103が、ポリカルボン酸と、ポリアミン化合物と、多価金属化合物と、を含む混合物の硬化物により構成される。
各層の具体的構成については後述する。
さらに具体的には、ガスバリア性積層体100は、レトルト処理後の酸素バリア性や水蒸気バリア性等のバリア性能に優れるものである。また、ガスバリア性積層体100においては、ガスバリア性層103が、上述の混合物の硬化物により構成されるため、たとえばガスバリア性層103を得る際の硬化時間、具体的には加熱処理時間が短くてもバリア性に優れるガスバリア性積層体100を得ることができる。
ガスバリア性積層体110においても、ガスバリア性積層体100と同様の効果が得られる。加えて、ガスバリア性積層体110では、基材層101と無機物層102との間にアンダーコート層104を設けることにより、基材層101と無機物層102との接着性をさらに向上することができる。
以下、ガスバリア性積層体に含まれる層の構成をさらに具体的に説明する。まず、ガスバリア性層103について説明する。
ガスバリア性層103は、ポリカルボン酸と、ポリアミン化合物と、多価金属化合物と、を含む混合物の硬化物により構成される。さらに具体的には、ガスバリア性層103は、上記硬化物により構成されたフィルム(ガスバリア性フィルム10)である。
さらに具体的には、ガスバリア性層103は、たとえば、無機物層102等のガスバリア性層103の直下に配置される層に、硬化前の混合物すなわちガスバリア用塗材を塗布した後、乾燥、熱処理をおこない、ガスバリア用塗材を硬化させて得られるものである。
また、塗工後に得られるガスバリア性層103のバリア性向上の観点から、上記γ/αは、好ましくは1.00以下であり、より好ましくは0.80以下、さらに好ましくは0.60以下、さらにより好ましくは0.40以下、よりいっそう好ましくは0.20以下、さらにまた好ましくは0.10以下である。
ガスバリア性層103の赤外線吸収スペクトルにおいて、B/Aで示されるアミド結合の面積比率は、レトルト処理後のガスバリア性能をより一層向上する観点から、好ましくは0.200以上であり、より好ましくは0.250以上、さらに好ましくは0.270以上、さらにより好ましくは0.290以上、よりいっそう好ましくは0.310以上である。
また、バリア性および生産性のバランスをより一層向上する観点から、上記B/Aで示されるアミド結合の面積比率は、好ましくは0.370以下であり、より好ましくは0.360以下、さらに好ましくは0.350以下である。
また、上記C/Aで示されるカルボン酸の面積比率の下限は、限定されないが、たとえば0.000以上であり、また、たとえば0.0001以上であってもよい。
また、レトルト処理後のガスバリア性能をより一層向上する観点から、上記D/Aは、好ましくは0.800以下であり、より好ましくは0.720以下、さらに好ましくは0.700以下、さらにより好ましくは0.680以下である。
また、レトルト後のバリア性向上の観点から、B/Aで示されるアミド結合の面積比率に対するD/Aで示されるカルボン酸塩の面積比率は、好ましくは4.0以下であり、より好ましくは3.5以下、さらにより好ましくは3.0以下、よりいっそう好ましくは2.5以下である。
まず、ガスバリア性層103から1cm×3cmの測定用サンプルを切り出す。次いで、そのガスバリア性層103の表面の赤外線吸収スペクトルを赤外線全反射測定(ATR法)により得る。得られた赤外線吸収スペクトルから、以下の手順(1)~(4)で上記全ピーク面積A~Dを算出する。
(1)1780cm-1と1493cm-1の吸光度を直線(N)で結び、吸収帯1493cm-1以上1780cm-1以下の範囲の吸光スペクトルとNで囲まれる面積を全ピーク面積Aとする。
(2)1690cm-1の吸光度(Q)から垂直に直線(O)を下ろし、NとOの交差点をPとし、1598cm-1の吸光度(R)から垂直に直線(S)を下ろし、NとSの交差点をTとし、吸収帯1598cm-1以上1690cm-1以下の範囲の吸収スペクトルと直線S、点T、直線N、点P、直線O、吸光度Q、吸光度Rで囲まれる面積を全ピーク面積Bとする。
(3)吸収帯1690cm-1以上1780cm-1以下の範囲の吸収スペクトルと吸光度Q、直線O、点P、直線Nで囲まれる面積を全ピーク面積Cとする。
(4)吸収帯1493cm-1以上1598cm-1以下の範囲の吸収スペクトルと吸光度R、直線S、点T、直線Nで囲まれる面積を全ピーク面積Dとする。
次いで、上記の方法で求めた面積から面積比B/A、C/A、D/Aを求める。
(ポリカルボン酸)
ポリカルボン酸は、分子内に2個以上のカルボキシ基を有するものである。具体的には、(メタ)アクリル酸、イタコン酸、フマル酸、クロトン酸、桂皮酸、3-ヘキセン酸、3-ヘキセン二酸等のα,β-不飽和カルボン酸の単独重合体またはこれらの共重合体が挙げられる。また、上記α,β-不飽和カルボン酸と、エチルエステル等のエステル類、エチレン等のオレフィン類等との共重合体であってもよい。
また、本実施形態において、ポリメタクリル酸とは、メタクリル酸の単独重合体、メタクリル酸と他のモノマーとの共重合体の両方を含む。メタクリル酸と他のモノマーとの共重合体の場合、ポリメタクリル酸は、重合体100質量%中に、メタクリル酸由来の構成単位を、通常は90質量%以上、好ましくは95質量%以上、より好ましくは99質量%以上含む。
ここで、本実施形態において、ポリカルボン酸の分子量はポリエチレンオキサイド換算の重量平均分子量であり、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を用いて測定することができる。
部分中和物は、ポリカルボン酸重合体の水溶液に揮発性塩基を添加することにより調製できるが、ポリカルボン酸と揮発性塩基の量比を調節することにより、所望の中和度とすることができる。本実施形態においてはポリカルボン酸の揮発性塩基による中和度は、ポリアミン化合物のアミノ基との中和反応に起因するゲル化を十分に抑制する観点から、70~300当量%が好ましく、90~250当量%がより好ましく、100~200当量%がさらに好ましい。
揮発性塩基としては、たとえば、アンモニア、モルホリン、アルキルアミン、2-ジメチルアミノエタノール、N-メチルモノホリン、エチレンジアミン、トリエチルアミン等の三級アミンまたはこれらの水溶液、あるいはこれらの混合物が挙げられる。良好なガスバリア性を得る観点から、アンモニア水溶液が好ましい。
硬化前の混合物は、ポリアミン化合物を含む。ポリアミン化合物を含むことによって、得られるガスバリア性材料のバリア性を向上できる。
ポリアミン化合物は、主鎖あるいは側鎖あるいは末端にアミノ基を2つ以上有する化合物であり、好ましくはポリマーである。具体的には、ポリアリルアミン、ポリビニルアミン、ポリエチレンイミン、ポリ(トリメチレンイミン)等の脂肪族ポリアミン類;ポリリジン、ポリアルギニンのように側鎖にアミノ基を有するポリアミド類;等が挙げられる。また、アミノ基の一部を変性したポリアミンでもよい。
良好なガスバリア性を得る観点から、ポリアミン化合物は好ましくはポリエチレンイミンを含み、より好ましくはポリエチレンイミンである。
ここで、本実施形態において、ポリアミン化合物の分子量は沸点上昇法や粘度法を用いて測定することができる。
同様の観点から、(混合物中のポリアミン化合物に含まれるアミノ基のモル数)/(混合物中のポリカルボン酸に含まれる-COO-基のモル数)は、好ましくは0.90以下であり、より好ましくは0.85以下、さらに好ましくは0.80以下、さらにより好ましくは0.75以下、よりいっそう好ましくは0.70以下である。
かかる理由の詳細は、明らかではないが、ポリアミン化合物を構成するアミノ基によるアミド架橋と、ポリカルボン酸と多価金属との塩を構成する多価金属による金属架橋がバランスよく緻密な構造を形成することにより、レトルト処理後のガスバリア性能に優れたガスバリア性層103およびこれを有するガスバリア性積層体を得ることができると考えられる。
多価金属化合物は、具体的には周期表の2~13族に属する金属および金属化合物であり、さらに具体的には、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)等の2価以上の金属、これら金属の酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、炭酸塩、リン酸塩、亜リン酸塩、次亜リン酸塩、硫酸塩若しくは亜硫酸塩等が挙げられる。耐水性や不純物等の観点から金属の酸化物もしくは金属水酸化物が好ましい。
同様の観点から、多価金属化合物は、好ましくはZn、Ca、Mg、BaおよびAlからなる群から選択される1または2以上の2価以上の金属の化合物であり、より好ましくはZnの化合物である。
同様の観点から、多価金属化合物は、好ましくは酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化亜鉛、水酸化マグネシウム等の酸化物および水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化亜鉛等の水酸化物からなる群から選択される1または2以上の化合物であり、より好ましくは酸化亜鉛および水酸化亜鉛の少なくとも1つであり、さらに好ましくは酸化亜鉛である。
同様の観点から、(混合物中の多価金属化合物のモル数)/(混合物中のポリカルボン酸に含まれる-COO-基のモル数)は、好ましくは0.80以下であり、より好ましくは0.70以下、さらに好ましくは0.60以下、さらにより好ましくは0.55以下、よりいっそう好ましくは0.50以下である。
同様の観点から、(混合物中の多価金属化合物のモル数)/(混合物中のポリアミン化合物由来のアミノ基のモル数)は、好ましくは0.75以下であり、より好ましくは0.65以下、さらに好ましくは0.60以下、さらにより好ましくは0.55以下である。
たとえば、混合物は炭酸系アンモニウム塩をさらに含むことが好ましい。炭酸系アンモニウム塩は、多価金属化合物を、炭酸多価金属アンモニウム錯体の状態にして、多価金属化合物の溶解性を向上させ、多価金属化合物を含む均一な溶液を調製するために添加するものである。硬化前の混合物が炭酸系アンモニウム塩を含むことにより、多価金属化合物の溶解量を増やすことができ、その結果、多価金属化合物が配合された混合物をさらに均質なものとすることができる。
炭酸系アンモニウム塩として、たとえば、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム等が挙げられ、揮発しやすく、得られるガスバリア性層に残存し難い点から、炭酸アンモニウムが好ましい。
(混合物中の炭酸系アンモニウム塩のモル数)/(混合物中の多価金属化合物のモル数)は、多価金属化合物の溶解性をより一層向上する観点から、0.05以上が好ましく、0.10以上がより好ましく、0.25以上がさらに好ましく、0.50以上がさらにより好ましく、0.75以上がよりいっそう好ましい。
また、ガスバリア用塗材としての塗工性をより一層向上する観点から、(ガスバリア用塗材中の炭酸系アンモニウム塩のモル数)/(ガスバリア用塗材中の多価金属化合物のモル数)は、10.0以下が好ましく、5.0以下がより好ましく、2.0以下がさらに好ましく、1.5以下がさらにより好ましい。
界面活性剤の添加量は、混合物の固形分全体を100質量%としたとき、0.01~3質量%が好ましく、0.01~1質量%がより好ましい。
ポリオキシアルキレンアルキルエーテル類としては、たとえば、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルエーテル等のポリオキシエチレンアルキルエーテル類を挙げることができる。
ポリオキシアルキレン脂肪酸エステル類としては、たとえば、ポリオキシエチレンオレイン酸エステル、ポリオキシエチレンラウリン酸エステル、ポリオキシエチレンジステアリン酸エステル等を挙げることができる。
ソルビタン脂肪酸エステル類としては、たとえば、ソルビタンラウレート、ソルビタンモノステアレート、ソルビタンモノオレエート、ソルビタンセスキオレート、ポリオキシエチレンモノオレエート、ポリオキシエチレンステアレート等を挙げることができる。
シリコーン系界面活性剤としては、たとえば、ジメチルポリシロキサン等を挙げることができる。
アセチレンアルコール系界面活性剤としては、たとえば、2,4,7,9-テトラメチル-5-デシン-4,7-ジオール、3,6-ジメチル-4-オクチン-3,6-ジオール、3,5-ジメチル-1-ヘキシン-3オール等を挙げることができる。
含フッ素系界面活性剤としては、たとえば、フッ素アルキルエステル等を挙げることができる。
ガスバリア性層103は、具体的には、硬化前の混合物(ガスバリア性用塗材)を塗工し、硬化することにより製造できる。
混合物は、以下のようにして得ることができる。
まず、ポリカルボン酸に、適宜揮発性塩基を加えることによりポリカルボン酸のカルボキシ基を完全にまたは部分的に中和する。さらに多価金属塩化合物および適宜炭酸系アンモニウム塩を混合して、揮発性塩基と中和した上記ポリカルボン酸のカルボキシ基の全部または一部、および揮発性塩基と中和しなかったポリカルボン酸のカルボキシ基において金属塩を形成する。
その後、さらにポリアミン化合物を添加することによって、硬化前の混合物が得られる。このような手順でポリカルボン酸、多価金属塩化合物、適宜炭酸系アンモニウム塩およびポリアミン化合物を混合することにより、凝集物の生成を抑制でき、より均一な混合物を得ることができる。これにより、ポリカルボン酸に含まれる-COO-基とポリアミン化合物に含まれるアミノ基との脱水縮合反応をより効果的に進めることが可能となる。
まず、ポリカルボン酸を構成するカルボキシ基の完全または部分中和溶液を調製する。
ポリカルボン酸に、揮発性塩基を添加して、ポリカルボン酸のカルボキシ基が完全中和または部分中和する。当該ポリカルボン酸のカルボキシ基を中和することにより、多価金属化合物やポリアミン化合物の添加時にポリカルボン酸を構成するカルボキシ基と、多価金属化合物やポリアミン化合物を構成するアミノ基とが反応することによって発生するゲル化を効果的に防止し、より均一な混合物を得ることができる。
次いで、多価金属塩化合物および炭酸系アンモニウム塩を添加、溶解させ、生成された多価金属イオンによりポリカルボン酸を構成する-COO-基との多価金属塩を形成する。このとき多価金属イオンと塩を形成する-COO-基は上記塩基と中和しなかったカルボキシ基および塩基によって中和された-COO-基の双方をいう。塩基と中和した-COO-基の場合は上記多価金属化合物由来の多価金属イオンが入れ替わって配位して-COO-基の多価金属塩を形成する。そして、多価金属塩を形成した後、さらにポリアミン化合物を添加することによって、混合物を得ることができる。
また、ガスバリア性積層体全体の薄型化の観点から、乾燥、硬化後のガスバリア性層103の厚みは、好ましくは15μm以下であり、より好ましくは5μm以下、さらに好ましくは1μm以下である。
基材層101は、単層であっても、2種以上の層であってもよい。基材層101の形状は、限定されないが、たとえば、シートまたはフィルム形状、トレー、カップ、中空体等の形状が挙げられる。
また、耐ピンホール性、耐破れ性および耐熱性等に優れる観点では、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレートおよびポリブチレンテレフタレートからなる群から選択される1または2以上の樹脂が好ましい。同様の観点から、基材層101は、好ましくはポリアミド、ポリエチレンテレフタレートおよびポリブチレンテレフタレートからなる群から選択される1または2以上の樹脂を含む層であり、より好ましくはこれら1または2以上の樹脂の層である。
透明性、剛性および耐熱性に優れる観点から、基材層101は、好ましくはポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアミド、ポリイミドおよびポリブチレンテレフタレートからなる群から選択される1または2以上の熱可塑性樹脂により形成された二軸延伸フィルムであり、より好ましくはポリアミド、ポリエチレンテレフタレートおよびポリブチレンテレフタレートからなる群から選択される1または2以上の熱可塑性樹脂により形成された二軸延伸フィルムである。
さらに、基材層101はガスバリア性層103との接着性を改良するために、表面処理が施されたものであってもよい。具体的には、基材層101のガスバリア性層103との対向面に、コロナ処理、火炎処理、プラズマ処理、プライマーコート処理等の表面活性化処理をおこなってもよい。
無機物層102を構成する無機物は、たとえば、バリア性を有する薄膜を形成できる金属、金属酸化物、金属窒化物、金属弗化物、金属酸窒化物等が挙げられる。
無機物層102を構成する無機物としては、たとえば、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等の周期表2A族元素;チタン、ジルコニウム、ルテニウム、ハフニウム、タンタル等の周期表遷移元素;亜鉛等の周期表2B族元素;アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム等の周期表3A族元素;ケイ素、ゲルマニウム、錫等の周期表4A族元素;セレン、テルル等の周期表6A族元素等の単体、酸化物、窒化物、弗化物、または酸窒化物等から選択される一種または二種以上を挙げることができる。
なお、本実施形態では、無機物層102についての周期表の族名は旧CAS式で示している。
なお、酸化ケイ素には、二酸化ケイ素の他、一酸化ケイ素、亜酸化ケイ素が含有されていてもよい。
無機物層102は単層の無機物層から構成されていてもよいし、複数の無機物層から構成されていてもよい。また、無機物層102が複数の無機物層から構成されている場合には同一種類の無機物層から構成されていてもよいし、異なった種類の無機物層から構成されていてもよい。
ここで、無機物層102の厚さは、たとえば透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡による観察画像により求めることができる。
また、ガスバリア性積層体のバリア性と生産性とのバランスを向上する観点から、無機物層102は好ましくは蒸着膜である。
基材層101と無機物層102との間にはアンダーコート層104が設けられてもよく(図2)、アンダーコート層104を設けることによりこれらの接着性をさらに向上することができ、また、レトルト処理後におけるバリア性をさらに向上することができる。
芳香族環構造を主鎖に有するポリウレタン樹脂として、さらに具体的には、特開2018-171827号公報に記載のものを用いることができる。
オキサゾリン系樹脂組成物は、たとえば、オキサゾリン基含有量が6.0~9.0mmol/gであるオキサゾリン基含有水性ポリマー、カルボキシ基含有量が0.5~3.5mmol/gである水性(メタ)アクリル樹脂およびカルボキシ基含有量が0.5~2.0mmol/gである水性ポリエステル樹脂により構成されている。
また、オキサゾリン系樹脂組成物は、オキサゾリン基含有水性ポリマー、水性(メタ)アクリル樹脂および水性ポリエステル樹脂の合計量を100質量%として、たとえば、オキサゾリン基含有水性ポリマーを10~55質量%、水性(メタ)アクリル樹脂を10~80質量%、水性ポリエステル樹脂を10~80質量%含有する。
また、オキサゾリン系樹脂組成物においては、たとえば、オキサゾリン基のモル数とカルボキシ基のモル数の比率〔オキサゾリン基のモル数(xmmol)とカルボキシ基のモル数(ymmol)の比(x/y)×100[mol%]で示される。〕が150~420mol%である。
アンダーコート層104に用いられるオキサゾリン樹脂として、さらに具体的には、国際公開第2016/186074号に記載のものを用いることができる。
また、経済的であるという観点からアンダーコート層104の厚さは、好ましくは1.0μm以下であり、より好ましくは0.6μm以下、さらに好ましくは0.5μm以下であり、また、たとえば0.1μm以下、またはたとえば0.05μm以下であってもよい。
ガスバリア性積層体には、接着剤層がさらに設けられてもよい。なお、接着剤層からアンダーコート層104は除かれる。
接着剤層は、たとえば、ガスバリア性層103とガスバリア性層103の上層との間に設けられる。また、上記上層が複数の層から形成されるとき、複数の層の間に接着層が設けられていてもよい。ここで、ガスバリア性層103の上層とは、ガスバリア性層103の無機物層102と対向面との反対側の面に積層される層をいう。
接着剤層は、公知の接着剤を含むものであればよい。接着剤としては、有機チタン樹脂、ポリエチレンイミン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、オキサゾリン基含有樹脂、変性シリコーン樹脂およびアルキルチタネート、ポリエステルポリブタジエン等から組成されているラミネート接着剤、または一液型、二液型のポリオールと多価イソシアネート、水系ウレタン、アイオノマー等が挙げられる。または、アクリル樹脂、酢酸ビニル樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂等を主原料とした水性接着剤を用いてもよい。
また、ガスバリア性積層体100の用途に応じて、接着剤に硬化剤、シランカップリング剤等の他の添加物を添加してもよい。ガスバリア性積層体の用途が、レトルト等の熱水処理に用いられるものである場合、耐熱性や耐水性の観点から、ポリウレタン接着剤に代表されるドライラミネート用接着剤が好ましく、溶剤系の二液硬化タイプのポリウレタン接着剤がより好ましい。
本実施形態において、ガスバリア性積層体100の製造方法は、たとえば、基材層101を準備する工程と、基材層101上に無機物層102を形成する工程と、無機物層102が形成された基材層101の上部にガスバリア性層103を形成する工程と、を含む。また、無機物層102を形成する工程の後、ガスバリア性層103を形成する工程の前に、無機物層102上にアンダーコート層104を形成する工程をさらに含んでもよい。
また、得られるガスバリア性積層体がカールすることを抑制する観点、および、ポリカルボン酸に含まれる-COO-基とポリアミン化合物に含まれるアミノ基との脱水縮合反応をより効果的に進める観点から、ウェット厚みは、好ましくは300μm以下であり、より好ましくは200μm以下、さらに好ましくは100μm以下である。
乾燥、加熱処理する方法は、本発明の効果が得られるものであれば限定されず、ガスバリア用塗材を硬化させられるもの、硬化したガスバリア用塗材を加熱できる方法であればよい。たとえば、オーブン、ドライヤー等の対流伝熱によるもの、加熱ロール等の伝導伝熱によるもの、赤外線、遠赤外線・近赤外線のヒーター等の電磁波を用いる輻射伝熱によるもの、マイクロ波等内部発熱によるものが挙げられる。乾燥、加熱処理に使用する装置としては製造効率の観点から乾燥と加熱処理の双方をおこなえる装置が好ましい。その中でも具体的には乾燥、加熱、アニーリング等の種々の用途に利用できるという観点から熱風オーブンを用いることが好ましく、また、フィルムへの熱伝導効率に優れているという観点から加熱ロールを用いることが好ましい。また、乾燥、加熱処理に使用する方法を適宜組み合わせてもよい。具体的には、熱風オーブンと加熱ロールを併用してもよく、たとえば、熱風オーブンでガスバリア用塗材を乾燥後、加熱ロールで加熱処理をおこなえば、加熱処理工程が短時間となり製造効率の観点から好ましい。また、熱風オーブンのみで乾燥と加熱処理をおこなうことが好ましい。
なお、ポリカルボン酸に含まれる-COO-基とポリアミン化合物に含まれるアミノ基との脱水縮合反応を効果的に進める観点から、加熱処理温度および加熱処理時間はガスバリア用塗材のウエット厚みに応じて調整することが重要である。
(積層構造例1)基材層101(PET基材)/無機物層102(アルミナ蒸着層)/ガスバリア性層103/接着剤層/ポリオレフィン層
(積層構造例2)基材層101(PET基材)/アンダーコート層104/無機物層102(アルミナ蒸着層)/ガスバリア性層103/接着剤層/ポリオレフィン層
(積層構造例3)基材層101(PET基材)/無機物層102(アルミナ蒸着層)/ガスバリア性層103/接着剤層/ポリアミド層/接着剤層/ポリオレフィン層
(積層構造例4)基材層101(PET基材)/アンダーコート層104/無機物層102(アルミナ蒸着層)/ガスバリア性層103/接着剤層/ポリアミド層/接着剤層/ポリオレフィン層
ここで、積層構造中に、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ(4-メチル-1-ペンテン)、ポリ(1-ブテン)等のポリオレフィンにより構成されるポリオレフィン層を含むことにより、ガスバリア性積層体において、耐ピンホール性、耐破れ性および耐熱性等を良好にしながら、高湿度下のガスバリア性能やレトルト処理後のガスバリア性能の低下をより一層抑制することができる。
(1)ガスバリア用塗材の作製
ポリアクリル酸(東亜合成社製、製品名:AC-10H、重量平均分子量:800,000)のカルボキシ基に対して10%アンモニア水(和光純薬工業社製)のアンモニアが150当量%になるよう添加、更に精製水を添加して濃度が7.29質量%のポリアクリル酸アンモニウム水溶液を得た。
次いで、得られたポリアクリル酸アンモニウム水溶液に、酸化亜鉛(関東化学社製)および炭酸アンモニウムを添加して混合、撹拌して混合液(A)を作製した。ここで、酸化亜鉛の添加量は、(ガスバリア用塗材中の酸化亜鉛のモル数)/(ガスバリア用塗材中のポリアクリル酸に含まれる-COO-基のモル数)が表1に示す値になる量とした。また、炭酸アンモニウムは、(ガスバリア用塗材中の炭酸系アンモニウム塩のモル数)/(ガスバリア用塗材中の酸化亜鉛のモル数)が1.0になる量とした。
次いで、ポリエチレンイミン(日本触媒社製、製品名:SP-200、数平均分子量:10,000)に精製水を添加して10%溶液にしたポリエチレンイミン水溶液を得た。
次に、上記混合液(A)と上記ポリエチレンイミン水溶液とを、(ガスバリア用塗材中のポリエチレンイミンに含まれるアミノ基のモル数)/(ガスバリア用塗材中のポリアクリル酸に含まれる-COO-基のモル数)が表1に示す値になる割合で混合して混合液(B)を調製した。
さらに、上記混合液(B)の固形分濃度が1.5%になるように精製水を添加し、均一溶液になるまで撹拌したのちに、活性剤(花王社製、商品名:エマルゲン120)を混合液(B)の固形分に対して0.3質量%となるように混合し、ガスバリア用塗材を調製した。
厚さ12μmの二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム(ユニチカ社製、PET12)を基材とし、そのコロナ処理された面に、高周波誘導加熱方式により、アルミニウムを加熱蒸発させ、酸素を導入しながら蒸着することで、厚さ7nmの酸化アルミニウム膜を形成させた。これにより酸化アルミニウム蒸着PETフィルムを得た。この酸化アルミニウム蒸着PETフィルムの水蒸気透過度は1.5g/(m2・24h)であった。
次に、蒸着層の上に、ガスバリア用塗材を、メイヤバーにて乾燥後の塗工量が0.3μmになるように塗布し、熱風ドライヤー;130℃、時間;約6.5秒の熱処理をして、ガスバリア性積層フィルムを得た。
得られたガスバリア性積層フィルムについて、以下の評価をおこない、結果を表1に示す。
(ガスバリア用塗材中の酸化亜鉛のモル数)/(ガスバリア用塗材中のポリアクリル酸に含まれる-COO-基のモル数)および(ガスバリア用塗材中のポリエチレンイミンに含まれるアミノ基のモル数)/(ガスバリア用塗材中のポリアクリル酸に含まれる-COO-基のモル数)を表1に示す値にそれぞれ変えたこと、ならびに、熱風乾燥器での乾燥温度を表1に示す温度としたこと以外は実施例1に準じてガスバリア性積層フィルムを得た。
得られたガスバリア性積層フィルムについて、以下の評価をおこない、結果を表1に示した。
酸化亜鉛および炭酸アンモニウムを使用しないこと以外は実施例1に準じてガスバリア性積層フィルムを得た。
得られたガスバリア性積層フィルムについて、以下の評価をおこない、結果を表1に示した。
(1)ガスバリア用塗材の作製
(ガスバリア用塗材中の酸化亜鉛のモル数)/(ガスバリア用塗材中のポリアクリル酸に含まれる-COO-基のモル数)および(ガスバリア用塗材中のポリエチレンイミンに含まれるアミノ基のモル数)/(ガスバリア用塗材中のポリアクリル酸に含まれる-COO-基のモル数)を表1に示す値にそれぞれ変えた他は、実施例1に準じておこなった。
(2)ガスバリア性積層フィルムの作製
厚さ12μmの二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム(ユニチカ社製、PET12)を基材とし、この片面に以下の組成の樹脂組成物をメイヤーバーにて塗布して乾燥することにより、乾燥後の厚みが0.20μmのアンダーコート(UC)層を形成した。
(組成)
主剤:ポリウレタン樹脂水分散液(三井化学社製、製品名:タケラックWS-4033、芳香族ポリエステル型ポリウレタン樹脂)
架橋剤:カルボジイミド基を有する化合物(日清紡ケミカル社製、製品名:カルボジライトSV-02)
配合比:主剤中のポリウレタン樹脂のカルボキシ基1.0molに対し、架橋剤中のカルボジイミド基が0.4molとなるように、主剤に架橋剤を配合した。
次いで、UC層上に高周波誘導加熱方式により、アルミニウムを加熱蒸発させ、酸素を導入しながら蒸着することで、厚さ7nmの酸化アルミニウム膜を形成させた。これにより酸化アルミニウム蒸着PETフィルムを得た。この酸化アルミニウム蒸着PETフィルムの水蒸気透過度は1.5g/(m2・24h)であった。
そして、蒸着層の上に、ガスバリア用塗材を、メイヤバーにて乾燥後の塗工量が0.3μmになるように塗布し、熱風ドライヤー;210℃、時間;約6.5秒の熱処理をして、ガスバリア性積層フィルムを得た。
得られたガスバリア性積層フィルムについて、以下の評価をおこない、結果を表1に示した。
(ガスバリア用塗材中の酸化亜鉛のモル数)/(ガスバリア用塗材中のポリアクリル酸に含まれる-COO-基のモル数)および(ガスバリア用塗材中のポリエチレンイミンに含まれるアミノ基のモル数)/(ガスバリア用塗材中のポリアクリル酸に含まれる-COO-基のモル数)を表1に示す値にそれぞれ変えたこと、ならびに、熱風ドライヤーでの乾燥温度を表1に示す温度としたこと以外は実施例3に準じてガスバリア性積層フィルムを得た。
得られた各ガスバリア性積層フィルムについて、以下の評価をおこない、結果を表1に示した。
酸化亜鉛および炭酸アンモニウムを使用しないこと以外は実施例3に準じてガスバリア性積層フィルムを得た。
得られたガスバリア性積層フィルムについて、以下の評価をおこない、結果を表1に示した。
(1)厚さ15μmのナイロンフィルム(ユニチカ社製、商品名:エンブレムONBC)の両面に、エステル系接着剤(ポリウレタン系接着剤(三井化学社製、商品名:タケラックA525S):9質量部、イソシアネート系硬化剤(三井化学社製、商品名:タケネートA50):1質量部および酢酸エチル:7.5質量部)を塗布した。次いで、接着剤を付与したナイロンフィルムの両面に、実施例および比較例で得られたガスバリア性積層フィルムのバリア面(ガスバリア用塗材を塗布した面)と、厚さ60μmの無延伸ポリプロピレンフィルム(三井化学東セロ社製、商品名:RXC-22)とをそれぞれ貼り合わせ、レトルト処理前のフィルムを得た。
上記(1)にて得られたレトルト処理前のフィルムを無延伸ポリプロピレンフィルムが内面になるように折り返し、2方をヒートシールして袋状にした後、内容物として水を70mL入れ、もう1方をヒートシールにより袋を作製し、これを高温高圧レトルト殺菌装置で130℃、30分間の条件でレトルト処理をおこなった。レトルト処理後、内容物の水を抜き、レトルト処理後(水充填)のフィルムを得た。
上述の方法で得られたレトルト処理前のフィルムおよびレトルト処理後(水充填)のフィルムの酸素透過度を、モコン社製OX-TRAN2/21を用いて、JIS K 7126に準じ、温度20℃、湿度90%RHの条件でそれぞれ測定した。
レトルト前または後の酸素透過度が6.0mL/(m2・day・MPa)以下であるものを合格とした。
上述の方法で得られたレトルト処理前のフィルムおよびレトルト処理後(水充填)のフィルムを無延伸ポリプロピレンフィルムが内面になるように重ねてガスバリア性積層フィルムを折り返し、3方をヒートシールし、袋状にした後、内容物として塩化カルシウムを入れ、もう1方をヒートシールにより、表面積が0.01m2になるように袋を作製し、40℃、90%RHの条件で300時間放置し、その重量差で水蒸気透過度をそれぞれ測定した。
レトルト前または後の水蒸気透過度が5.5g/(m2・day)以下であるものを合格とした。
各例で得られたガスバリア性積層フィルムのガスバリア性層について、ATR法による赤外線吸収スペクトル分析を行った。
すなわち、赤外線吸収スペクトルの測定(赤外線全反射測定:ATR法)には日本分光社製IRT-5200装置を用い、PKM-GE-S(Germanium)結晶を装着して入射角度45度、室温、分解能4cm-1、積算回数100回の条件で測定した。得られた吸収スペクトを前述した方法で解析し、最大ピークαおよびγを求めるとともに、全ピーク面積A~Dを算出した。そして、全ピーク面積A~Dから面積比B/A、C/A、D/Aを求めた。
100 ガスバリア性積層体
101 基材層
102 無機物層
103 ガスバリア性層
104 アンダーコート層
110 ガスバリア性積層体
Claims (13)
- 基材層と、
前記基材層の少なくとも一方の面に設けられたガスバリア性層と、
前記基材層と前記ガスバリア性層との間に設けられた無機物層と、
を含み、
前記ガスバリア性層が、ポリカルボン酸と、ポリアミン化合物と、多価金属化合物と、を含む混合物の硬化物により構成される、ガスバリア性積層体。 - 前記基材層と前記無機物層との間に設けられたアンダーコート層をさらに含む、請求項1に記載のガスバリア性積層体。
- 前記無機物層が、前記基材層上に、あるいは、前記基材層と前記無機物層との間に介在層を有する場合には前記介在層上に設けられた蒸着膜であって、酸化ケイ素、酸化アルミニウムおよびアルミニウムからなる群から選択される1または2以上の無機物により構成される、請求項1または2に記載のガスバリア性積層体。
- 前記無機物層が酸化アルミニウムにより構成された酸化アルミニウム層を含む、請求項1乃至3いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
- 前記ガスバリア性層の赤外線吸収スペクトルにおいて、
1300cm-1以上1490cm-1以下の範囲における吸光度の最大ピーク高さをαとし、
1690cm-1以上1780cm-1以下の範囲における吸光度の最大ピーク高さをγとしたとき、
γ/αで表されるNH3錯体に対する遊離カルボキシ基の割合が0.00以上1.00以下である、請求項1乃至4いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。 - 前記ガスバリア性層の赤外線吸収スペクトルにおいて、
吸収帯1493cm-1以上1780cm-1以下の範囲における全ピーク面積をAとし、
吸収帯1598cm-1以上1690cm-1以下の範囲における全ピーク面積をBとし、
吸収帯1690cm-1以上1780cm-1以下の範囲における全ピーク面積をCとし、
吸収帯1493cm-1以上1598cm-1以下の範囲における全ピーク面積をDとしたとき、
B/Aで示されるアミド結合の面積比率が0.200以上0.370以下であり、
C/Aで示されるカルボン酸の面積比率が0.150以下であり、
D/Aで示されるカルボン酸塩の面積比率が0.580以上0.800以下である、請求項1乃至5いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。 - 前記ガスバリア性層の厚みが0.01μm以上15μm以下である、請求項1乃至6いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
- 前記多価金属化合物が、Zn、Ca、Mg、BaおよびAlからなる群から選択される1または2以上の2価以上の金属の化合物である、請求項1乃至7いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
- (前記混合物中の前記多価金属化合物由来の多価金属のモル数)/(前記混合物中の前記ポリカルボン酸由来の-COO-基のモル数)が、0.10以上0.80以下である、請求項1乃至8いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
- (前記混合物中の前記多価金属化合物由来の多価金属のモル数)/(前記混合物中の前記ポリアミン化合物由来のアミノ基のモル数)が0.25以上0.75以下である、請求項1乃至9いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
- 前記ポリカルボン酸が、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、および、アクリル酸とメタクリル酸との共重合体からなる群から選択される1または2以上の重合体を含む、請求項1乃至10いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
- 前記ポリアミン化合物がポリエチレンイミンを含む、請求項1乃至11いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
- 前記基材層が、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレートおよびポリブチレンテレフタレートからなる群から選択される1または2以上の樹脂を含む層である、請求項1乃至12いずれか1項に記載のガスバリア性積層体。
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