JP2022173707A - マスターバッチ樹脂組成物、熱可塑性樹脂組成物および成形体 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしナノサイズの金属酸化物は、有機溶剤や水を含む系であれば良好な分散体を得ることができるが、プラスチックへの練り込み時は、高い分散性とその分散性を維持し続けることが極めて困難である。
また、特許文献2や特許文献3は、溶剤での分散系であり、プラスチック中において使用する場合、残留溶剤により、成形体の物性が不十分であるといった問題がある。また特許文献1と同様に、ナノフィラーの濃度を高濃度とする場合にはとくに、再凝集を生じ赤外遮蔽性能が低下する、透明性が著しく低下する、といった問題がある。
なかでも、金属酸化物濃度が高い場合にも再凝集を抑制した金属酸化物分散体とすることができるため、安定性の高いマスターバッチ樹脂組成物の提供が可能である。
また、本明細書において「~」を用いて特定される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値の範囲として含むものとする。
なお、本明細書で「フィルム」、および「シート」は同義である。
本明細書中に出てくる各種成分は特に注釈しない限り、それぞれ独立に一種単独でも二種以上を併用してもよい。
本発明のマスターバッチ樹脂組成物は、平均一次粒子径10~100nmのセシウムタングステン酸化物(A)、アルコキシシラン化合物(B)、および熱可塑性樹脂(C)を含む。このようなマスターバッチ樹脂組成物とすることで、ナノサイズの金属酸化物を高濃度に含んだ金属酸化物分散体である場合にも、安定性および加工性に優れたものとすることができる。
なお、本発明では、平均一次粒子径10~100nmのセシウムタングステン酸化物(A)、アルコキシシラン化合物(B)、および熱可塑性樹脂(C)を含む樹脂組成物であっても、成形時に主剤樹脂(E)と希釈して用いない場合は、マスターバッチ樹脂組成物に該当せず、熱可塑性樹脂組成物に該当する。
本発明に用いられるセシウムタングステン酸化物(A)は、平均一次粒子径10~100nmである。
セシウムタングステン酸化物(A)とアルコキシシラン化合物(B)とを含むことで、セシウムタングステン酸化物(A)の熱可塑性樹脂(C)への親和性が向上し、セシウムタングステン酸化物(A)の表面が疎水化されることにより分散性に優れる。同様の理由より、成形時の主剤樹脂(E)の加水分解を抑制することが出来るため、マスターバッチ樹脂組成物の固有粘度を高く保持することが可能となる。これに伴って、成形体の加工安定性や強度をより向上させることができ、優れた透明性と赤外遮蔽効果を有することが可能となる。
Csa Wb Oc (P(O)n Rm )d 式(I)
ここで、aは0.01~0.5であり、0.1~0.45がより好ましい。bは1である。cは2.5~3であり、2.6~3.0がより好ましい。dは0.01~0.75であり、0.01=0.5がより好ましい。nは1、2、または3であり、2または3が好ましく、3が最も好ましい。mは1、2、または3であり、1または2が好ましく、1が最も好ましい。Rは置換されていてもよいヒドロカルビル基であり、非置換のアルキル基もしくは、非置換のアリール基、非置換のアラルキル基、非置換のアルコキシ含有基、非置換のフェノキシ含有基であることが好ましい。
有機リン化合物としては、ヒドロカルビルホスフィン、リン酸エステル、ホスホン酸エステルが好ましく、ホスホン酸エステルがより好ましい。
この範囲にあることで、本発明のマスターバッチ樹脂組成物を用いて成形される成形体は、透明性に優れたものとすることができる。
本発明のマスターバッチ樹脂組成物は、セシウムタングステン酸化物(A)とアルコキシシラン化合物(B)とを組み合わせて用いることで、高濃度のセシウムタングステン酸化物(A)を含有するマスターバッチであっても、安定性に優れたものとすることができる。
なお、後述するように、セシウムタングステン酸化物(A)が、無機表面処理が施された金属酸化物である場合には、表面処理後の金属酸化物粒子の平均一次粒子径が、10~100nmである。
本発明に用いられるアルコキシシラン化合物(B)は、アルコキシ基を有する有機シラン化合物である。
アルコキシ基としてはメトキシ基やエトキシ基が挙げられるが、セシウムタングステン酸化物(A)との親和性に優れ分散性が向上する点、加水分解が生じにくく固有粘度保持率が高くなる点でエトキシ基であることが好ましい。
その他の官能基として、ビニル基、エポキシ基、スチリル基、メタクリル基、アクリル基、アミノ基、ウレイド基、イソシアネート基、メルカプト基、アルキル基を有するものが広く知られており、いずれも使用可能であるが、セシウムタングステン酸化物(A)および熱可塑性樹脂(C)の両方との親和性に優れ分散性が向上する点、加水分解が生じにくく固有粘度保持率が高くなる点で、アルキル基を有するものが好ましい。また、同様の理由から、アルキル基の炭素数は、2~12が好ましく、6~12であることがさらに好ましい。
なかでも、セシウムタングステン酸化物(A)を、アルコキシシラン化合物(B)で被覆して用いることが好ましい。セシウムタングステン酸化物(A)をアルコキシシラン化合物(B)で被覆することでより熱可塑性樹脂(C)及び主剤樹脂(E)との親和性を向上させることができる。
また、セシウムタングステン酸化物(A)の表面が疎水化されることで、加工時に熱可塑性樹脂(C)及び主剤樹脂(E)の加水分解を抑制することが出来るため、マスターバッチ樹脂組成物の固有粘度を高く保持出来る。これに伴って、成形体の加工安定性や強度を向上させることが出来る。
サー、スーパーミキサー等の高速攪拌機等を用い、セシウムタングステン酸化物(A)とアルコキシシラン化合物(B)を攪拌、混合することで実施できる。
本発明において、熱可塑性樹脂(C)は、マスターバッチ樹脂組成物のベース樹脂である。熱可塑性樹脂(C)は、ポリオレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィン・コポリマー(COC)、ポリ塩化ビニル樹脂等が挙げられる。ポリエステル樹脂、またはポリカーボネート樹脂が好ましい。
これらのなかでも、なかでもセシウムタングステン酸化物(A)およびアルコキシシラン化合物(B)との相溶性の点から、分散性、安定性に優れたものとすることができるために、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、非晶性コポリエステル樹脂等のポリエステル樹脂またはポリカーボネート樹脂を用いることが好ましく、ポリエステル樹脂を用いることがより好ましい。
本発明では、本発明による効果を阻害しない範囲で、ワックス(D)を添加することができる。
ワックス(D)として具体的には、例えば天然ワックスと合成ワックスが挙げられる。
天然ワックスとしては、例えばキャリデリラワックス、カルナウバワックス、ライスワックス、木ろうなどの植物系ワックス、そして蜜蝋、ラノリン、鯨ろうなどの動物系ワックス、さらにモンタンワックス、オゾケライト、セレシンなどの鉱物系ワックス、またパラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ペトロラタム等の石油ワックスなどがあげられる。
合成ワックスには、半合成ワックスと全合成ワックスがある。半合成ワックスとは、天然ワックスまたはワックス様材料を、エステル化、アミド化、酸性ワックスの中和等の化学的処理により変性したものである。合成ワックスの例としてはポリエチレン系ワックス、ポリプロピレン系ワックス、ポリスチレン系ワックスなどの合成炭化水素、そして変性オレフィンワックスなどの変性ワックス、さらにジペンタエリトリトールヘキサステアレート、12-ヒドロキシステアリン酸トリグリセライドなどの脂肪酸エステル、またステアリン酸アミド、エチレンビスステアリン酸アミドなどの脂肪酸アミド、モンタン酸エステルワックスなどが挙げられる。
すなわち、溶融粘度が5000mPa・s以下であることにより、マスターバッチ樹脂組成物製造時の濡れ性が高まり、分散性が向上し、一方で、23℃において固体であることにより、分散性を安定して維持することが可能となるために好ましい。
本発明では、必要に応じて他の任意成分を配合することができる。他の任意成分としては例えば、有機顔料や無機顔料、染料等の着色剤、ノニオン性やカチオン性、アニオン性界面活性剤等の帯電防止剤、脂肪酸アミドや金属石鹸等の滑剤、分散剤、消泡剤、離型剤、ハロゲン系やリン系、金属酸化物等の難燃剤、フェノール系やリン酸系等の酸化防止剤、紫外線吸収剤、カップリング剤、結晶造核剤、体質顔料等の充填剤が挙げられる。他の任意成分の選択およびその使用量は、本実施形態の課題を解決できる範囲内であれば特に限定されず使用できる。
マスターバッチ樹脂組成物の製造方法は、セシウムタングステン酸化物(A)、アルコキシシラン化合物(B)、熱可塑性樹脂(C)、必要に応じてワックス(D)を混合、または溶融混合することで製造することができる。
このように、平均一次粒子径10~100nmのセシウムタングステン酸化物(A)の表面を、アルコキシシラン化合物(B)で被覆する工程を備えることで、より熱可塑性樹脂(C)との親和性を向上させることができ、分散安定性および加工性に優れたものとすることができるために好ましい。
本発明の熱可塑性樹脂組成物は、セシウムタングステン酸化物(A)と、アルコキシシラン化合物(B)と、熱可塑性樹脂(C)と、必要に応じワックス(D)を含有するマスターバッチ樹脂組成物と主剤樹脂(E)を含む。
また、マスターバッチ樹脂組成物を経由せずに、セシウムタングステン酸化物(A)と、アルコキシシラン化合物(B)と、熱可塑性樹脂(C)と、必要に応じワックス(D)を含有するコンパウンドであってもよい。
このように、マスターバッチ樹脂組成物を経由しない場合には、熱可塑性樹脂(C)が、熱可塑性樹脂組成物のベース樹脂となる。
また、主剤樹脂(E)100重量部に対して、セシウムタングステン酸化物(A)の含有量は、0.01~10重量部であることが好ましい。より好ましくは0.05~5重量部である。
本発明において、主剤樹脂(E)は、成形時に、マスターバッチ樹脂組成物と混合して使用する、熱可塑性樹脂組成物のベースとなる樹脂である。
主剤樹脂(E)は、熱可塑性樹脂(C)として説明した熱可塑性樹脂と同じものを用いることができる。ポリオレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、フッ素樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィン・コポリマー(COC)、ポリ塩化ビニル樹脂等が挙げられる。なかでもポリエステル樹脂、またはポリカーボネート樹脂が好ましい。
主剤樹脂(E)は、熱可塑性樹脂(C)と同じものでなくてもよいが、相溶性の観点から言えば、同種の材料であることが好ましい。
すなわち、熱可塑性樹脂(C)がポリエステル樹脂の場合、主剤樹脂(E)もポリエステル樹脂であることが、樹脂の相溶性の点で好ましい。
本発明の成形体は、前記熱可塑性樹脂組成物を、押出成形、射出成形、ブロー成形、圧縮成形、トランスファー成形、フィルム成形、カレンダー成形、紡糸成形等のいずれかの成形方法で成形し、得られるものである。
成形体100重量%中のセシウムタングステン酸化物(A)の含有率は、加工性や成形体の物性の観点から0.01~10重量%であることが好ましく、より好ましくは0.05~5重量%である。本発明のマスターバッチ樹脂組成物を用いることで、最終的な成形体中の金属酸化物含有率が0.05~5重量%といった低い範囲であっても赤外遮蔽効果に優れる成形体を形成することができる。
<平均一次粒子径の測定>
金属酸化物の平均一次粒子径の求め方は走査型電子顕微鏡で観察し、画像から一次粒子径を直接求めた。具体的には、金属酸化物を粉体の状態のまま、ごく少量ガラス板上に乗せ、走査型電子顕微鏡で観察し、金属酸化物ができるだけ1粒1粒独立して見える視野を探す。次に、視野における任意の一定の方向に向かう直線を決定し、前記直線上に存在する粒子を横断する最も長い長さを当該粒子の大きさとする。そして、前記直線上に存在する少なくとも200個の粒子の大きさの平均値を、金属酸化物の平均一次粒子径とした。
粘度は、JIS K7117-1:1999に従ってB型粘度計を用いて140℃で測定した。
熱可塑性樹脂をフェノール:テトラクロロエタン=50:50(質量比)の混合溶媒に溶解し、濃度0.5g/dlの溶液を調整しウベローデ粘度計を用いて測定を行った。
<金属酸化物>
(A-1):有機リン化合物でドープされた酸化セシウムタングステン(Keeling&Walker社製、IRASORB CTO、平均一次粒子径32nm)
(A-2):酸化セシウムタングステン(住友金属鉱山社製、YMDS-874、平均一次粒子径40nm)
(A-3)酸化セシウムタングステン(Lumi M社製、セシウムタングステンオキサイド、平均一次粒子径30nm)
(A’-1):酸化インジウム錫(CIKナノテック社製、ITO-R、平均一次粒子径64nm)
(B-1)ヘキシルトリエトキシシラン(信越化学工業社製、KBE-3063、エトキシ基、及び、炭素数が6のアルキル基を有するアルコキシシラン化合物)
(B-2)デシルトリメトキシシラン(信越化学工業社製、KBM-3103、メトキシ基、及び、炭素数が10のアルキル基を有するアルコキシシラン化合物)
(B-3)メチルトリエトキシシラン(信越化学工業社製、KBE-13、エトキシ基、及び、炭素数が1のアルキル基を有するアルコキシシラン化合物)
(B-4)3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン(信越化学工業社製、KBE-403、エトキシ基、及びエポキシ基を有するアルコキシシラン化合物)
(B-5)3-アミノプロピルトリエトキシシラン(信越化学工業社製、KBE-903、エトキシ基、及びアミノ基を有するアルコキシシラン化合物)
(B’-1)ヘキサメチルジシラザン(信越化学工業社製、SZ-31、アルコキシ基を有さないシラン化合物)
(C-1)ポリエステル樹脂(三菱ケミカル社製、ダイヤクロンER-535)
(D-1):モンタンワックス(クラリアント社製、Licowax E、23℃で固体、140℃における溶融粘度10mPa・s以下)
(D-2):ポリオレフィンワックス(クラリアント社製、Licowax PED522、23℃で固体、140℃における溶融粘度200mPa・s)
(D-3):ポリオレフィンワックス(三井化学社製、ハイワックス720P、23℃で固体、140℃における溶融粘度6000mPa・s)
(D-4):流動パラフィン(出光興産社製、ダフニーオイルCP、23℃で液体、140℃における溶融粘度10mPa・s以下)
(E-1)ポリエステル樹脂(三井化学社製、SA135、固有粘度:0.83dl/g)
(E-2)ポリカーボネート樹脂(三菱エンジニアリングプラスチック社製、ユーピロンS3000、固有粘度:0.60dl/g)
[マスターバッチ樹脂組成物の製造]
金属酸化物(A-1)が50重量%、有機シラン化合物(B-1)が10重量%、熱可塑性樹脂(C-1)が40重量%となるように、それぞれをスーパーミキサー(カワタ社製)に投入し、温度20℃、時間5分の条件で撹拌した後、温度100℃に設定したラボプラストミル(東洋精機社製)にて溶融混練し、ペレット状のマスターバッチ樹脂組成物(M-1)を得た。
得られたペレット状の可塑性樹脂組成物と、主剤樹脂(E-1)を、成形後の金属酸化物(A-1)の濃度が0.3重量%もしくは1.0重量%となるように混合し、280℃に設定した単層Tダイフィルム成形機(東洋精機社製)に投入して押出成形を行い、厚さ100μmのフィルム状成形体を得た。
実施例1の組成、および配合率(重量%)を表4、5に記載したように変更した以外は、実施例1と同様に行うことで、まずペレット状のマスターバッチ樹脂組成物(M)を製造した。続いて実施例1の組成、および配合率(重量%)を表6~8に記載したように変更した以外は、実施例1と同様に行うことで、ペレット状の熱可塑性樹脂組成物を作製した。
得られたペレット状の熱可塑性樹脂組成物と、主剤樹脂(E)を成形後の金属酸化物の濃度が0.3重量%もしくは1.0重量%となるように混合し、実施例1と同様にして、フィルム状成形体を成形した。
[金属酸化物分散体の製造]
金属酸化物(A-1)が50重量%、有機シラン化合物(B-1)が10重量%となるようにそれぞれをスーパーミキサー(カワタ社製)に投入し、温度120℃、時間10分の条件で撹拌した後、温度が20℃になるまで冷却し、熱可塑性樹脂(C-1)が30重量%、ワックス(D-1)が10重量%となるように、それぞれをスーパーミキサー(カワタ社製)に投入し、温度20℃、時間5分の条件で撹拌した。その後、温度100℃に設定したラボプラストミル(東洋精機社製)にて溶融混練し、粉砕機(ホーライ社製)にて粉砕し粉状のマスターバッチ樹脂組成物(M-18)を得た。
得られたペレット状の可塑性樹脂組成物と、主剤樹脂(E-1)を、成形後の金属酸化物(A-1)の濃度が0.3重量%もしくは1.0重量%となるように混合し、280℃に設定した単層Tダイフィルム成形機(東洋精機社製)に投入して押出成形を行い、厚さ100μmのフィルム状成形体を得た。
得られたマスターバッチ樹脂組成物について、「分散性」および「固有粘度保持率」を評価した。
また得られたマスターバッチ樹脂組成物を使用して成形したフィルム状成形体について「赤外遮蔽効果」、「透明性」および「引張降伏点強度」を評価した。
その結果を表9に示す。
先端に目開き10μmの金網を装着したシリンダー径が20mmの300℃に設定した単軸押出機を用い、10g相当量の金属酸化物が金網を通過するように、得られたマスターバッチ樹脂組成物を押し出した。マスターバッチ樹脂組成物中の金属酸化物の分散が不十分の場合は押出に伴って、上記金網が目詰まりをきたす。そこで、押出初期における上記金網にかかる圧力と、10g相当量の金属酸化物を含有するマスターバッチ樹脂組成物を押し出した時の上記金網にかかる圧力との差(押出機先端部の圧力上昇値)を求め、マスターバッチ樹脂組成物中の金属酸化物の分散状態を評価した。
数値が小さいほど、分散性が良好であることを示す。以下の基準で分散性を評価した。好ましくは5.0MPa未満であり、より好ましくは3.0MPa未満であり、さらに好ましくは1.0未満である。なお評価基準△、○および◎が実用レベルである。
[評価基準]
◎:1.0MPa未満。非常に良好。
○:1.0MPa以上、3.0MPa未満。良好。
△:3.0MPa以上、5.0MPa未満。実用可能。
×:5.0MPa以上。実用不可。
マスターバッチ樹脂組成物の製造時に用いた熱可塑性樹脂(C)およびワックス(D)を用いて、フェノール:テトラクロロエタン=50:50(質量比)の混合溶媒に溶解し、濃度0.5g/dlの溶液を調整しウベローデ粘度計を用いて測定を行い、次式によって固有粘度保持率を評価した。固有粘度保持率が高い程熱可塑性樹脂(C)およびワックス(D)の分解が抑制されマスターバッチ樹脂組成物の安定性が良好であることを表す。
次式:固有粘度保持率(%)=マスターバッチ樹脂組成物の固有粘度(dl/g)/マスターバッチ樹脂組成物の製造時に用いた熱可塑性樹脂(D)とワックス(D)の固有粘度の重量加重平均(dl/g)×100%
すなわち、例えば実施例6の場合、
固有粘度保持率(%)=マスターバッチ樹脂組成物(M-6)の固有粘度(dl/g)/熱可塑性樹脂(C-1))とワックス(D-1)の固有粘度の重量加重平均(dl/g)×100%
である。
また、以下の基準で評価した。
[評価基準]
〇:80.0%以上。良好。
△:70.0%以上、80.0%未満。実用可能。
×:70.0%未満。実用不可。
得られたフィルム状成形体の下部に温度を検知するターゲットサンプルを配置し、フィルム状成形体の上部から赤外線ランプを照射し、30分後のターゲットサンプルの温度を測定した。30分後のターゲットサンプルの温度が低いほど赤外遮蔽効果が大きいことを表す。成形体中の金属酸化物濃度としては0.3重量%と1.0重量%の場合をそれぞれ評価した。また、フィルム状成形体の実用域としては、赤外線ランプを照射し、30分後のターゲットサンプルの温度が75℃以下である。
スガ試験機社製の測定器「HZ-V3 Haze Meter」を用いて、得られたフィルム状成形体のHAZEを測定した。成形体中の金属酸化物濃度としては1.0重量%を評価した。
数値が小さいほど、成形体の透明性が良好であることを示す。以下の基準で透明性を評価した。好ましくは10%未満であり、より好ましくは5%未満である。なお評価基準○および△が実用レベルである。
[評価基準]
○:5%未満。良好。
△:5%以上10%未満。実用可能。
×:10%以上。実用不可。
得られたフィルム状成形体を2mm×12mmの短冊状に切り抜いて試験片とした。試験片を温度23℃、湿度50%の環境下で24時間静置した後、引張速度25mm/分の条件で引張降伏点強度を測定した。成形体中の金属酸化物濃度としては0.3重量%を評価した。
引張破降伏点強度が高い程、強い力を受けても成形品の形状を保持することが出来る。実用可能域としては、40MPa以上である。
なかでも、セシウムタングステン酸化物(A)が有機リン化合物でドープされたセシウムタングステン酸化物である場合、マスターバッチ樹脂組成物の安定性と、成形体の特性とが特に優れた結果を示していた。
Claims (10)
- 平均一次粒子径10~100nmのセシウムタングステン酸化物(A)、アルコキシシラン化合物(B)、および熱可塑性樹脂(C)を含むマスターバッチ樹脂組成物。
- アルコキシシラン化合物(B)は、アルキル基を有するアルコキシシラン化合物である、請求項1記載のマスターバッチ樹脂組成物。
- アルコキシシラン化合物(B)は、炭素数が6~12であるアルキル基を有するアルコキシシラン化合物である、請求項2記載のマスターバッチ樹脂組成物。
- 前記セシウムタングステン酸化物(A)とアルコキシシラン化合物(B)の重量比(A)/(B)が1~20である、請求項1~3いずれか1項記載のマスターバッチ樹脂組成物。
- さらに、23℃で固体のワックスを含有する、請求項1~4いずれか1項記載のマスターバッチ樹脂組成物。
- 23℃で固体のワックスは、140℃における溶融粘度が5000mPa・s以下である、請求項5記載のマスターバッチ樹脂組成物。
- 請求項1~6いずれか1項記載のマスターバッチ組成物、および主剤樹脂(E)を含む熱可塑性樹脂組成物。
- 平均一次粒子径10~100nmのセシウムタングステン酸化物(A)、アルコキシシラン化合物(B)、および熱可塑性樹脂(C)を含む熱可塑性樹脂組成物。
- 請求項7または8記載の熱可塑性樹脂組成物から形成してなる成形体。
- 前記セシウムタングステン酸化物(A)の表面を、アルコキシシラン化合物(B)で被覆する工程を備える、請求項1~6いずれか1項記載のマスターバッチ樹脂組成物の製造方法。
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