JP3699109B2 - 接着剤用スチレン−イソプレンの三つのアームを有する高耐荷力ブロック共重合体組成物 - Google Patents
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Description
本発明は接着剤に用いる新規なブロック共重合体組成物に関する。殊に、本発明は高分子量ブロックを含む枝分れした三つのアームを有するスチレン−イソプレンブロック共重合体組成物及びこのような組成物を用いて製造した接着剤に関する。
ブロック共重合体は、有機アルカリ金属開始剤を用いて共役ジエン化合物及びアルケニルアレン化合物のアニオン共重合によって得られることは知られている。通常の構造式A−B及びA−B−Aを有するもの(ここで、重合体ブロックAはポリスチレンの如きアルケニルアレンの熱可塑性重合体ブロックであり、そしてブロックBはポリイソプレンの如き共役ジエンの重合体ブロックである)を主として含むブロック共重合体である。弾性重合体ブロックに対する熱可塑性ブロックの割合及びこれらブロックのいづれの相対的分子量は、特別な性能を有するゴムとするために調整される。アルケニルアレンの含有量が、例えば5−30%と低いと、得られるブロック共重合体はいわゆる熱可塑性ゴムとなる。このようなゴムの場合、ブロックAは熱力学的にブロックBと非相溶性であって、連続弾性相(ブロックB)及び基本的に非連続の硬いガラス状プラスチック相(ブロックA)の領域である二つの相から成るゴムとなる。A−B−Aブロック共重合体はブロックBによって分離された2つのブロックAを有するので、領域の形成はブロックBを施錠しそしてブロックAによって固有にからみ合い、更に通常の使用温度においてネットワーク構造を成形する。
このアルケニルアレン領域は、物理的架橋の如く多くのブロック共重合体鎖の端部をつなぎ止めるために作用する。このような現像は、未加硫状態における通常の加硫ゴムのように行動し、そして種々の用途に適用できる。例えば、このようなネットワーク形成の重合体は、接着剤の調合、成形靴底、ポリスチレン樹脂の衝撃改質剤と熱可塑性樹脂の加工、並びにアスファルトの改質等の応用に適用できる。
スチレンブロック共重合体は、テープ、ラベル及び製品の集成の利用を含めて広範囲に使用できる感圧接着剤の製造に用いられる。KRATON熱可塑性ゴムの如きスチレンブロック共重合体をベースにした感圧接着剤は、紙、カードボンド及び他のセルローズ物質を含めた種々のサブストレートに優れた接着性能を示す。〔EP−A−451920は、線状重合体ブロックを含む主として枝分れしたスチレン−イソプレン−スチレンブロック共重合体組成物の低粘度低温度適用のホットメルト接着剤を開示し、ここでポリスチレンブロック分子量は12,000より大きく、ポリスチレン含量はブロック共重合体組成物の35重量%以下であって、そしてブロック共重合体組成物の分子量及びカップリング効率は接着剤の溶融粘度が3100cps以下であるような組成物を作るように選定されている。〕更には、米国特許第3,239,478及び3,935,338には、この種の感圧接着剤の製造が記載されている。例えば、後者の第5欄において、ポリスチレン含量が14%であって分子量が145,000の重合体である線状S−I−Sが開示されている。例えば、包装分野において重要なことは、接着剤が耐荷力の機能を有することであるので、剪断試験に高い定着力を有する接着剤が重要である。従って、現在入手できるものより高い剪断力を有する接着剤であって、また熱可塑性として加工できるもの(177℃において500Pa-s以下の溶融粘度)を有することが有優利なことであろう。
発明の要旨
本発明は、高分子量プロックを含む枝分れした三つのアームを有するスチレン−イソプレン−ブロック共重合体組成物に関する。この組成物は感圧接着剤に使用することができる。この組成物の特徴は、耐荷力に関係するS−Iの割合が85%以上と大きく、高凝集強さの重合体である。十分な接着性を確保するためには、ポリスチレン含量は17から23%でなくてはならない。接着剤の適切な粘度を有するためには、ゲル透過クロマトグラフィー(GPC)によって測定したポリスチレンの当分子量(Ms,equivalent molecular weight)は、180,000から250,000でなくてはならない。本発明は、また上記したブロック共重合体組成物及び粘着付与樹脂を含む感圧接着剤組成物をも関する。
発明の詳細な記述
良く知られているように、芳香族不飽和及びエチレン性不飽和の両者を含む重合体は、1つ又はそれより多いポリオレフィン、特にジオレフィンであって、本願における場合にはイソプレンを1つ又はこれより多いアルケニル芳香族炭化水素単量体、また本願の場合にはスチレンと共重合することによって製造することができる。勿論、この場合のブロックである共重合体は、ランダム、テーパー(tapered)、ブロック又はこれらの組合せであって良い。本発明の共重合体のいづれのアームの部分(arm)におけるブロックは線状である。
エチレン性不飽和又は芳香族不飽和とエチレン不飽和の両者を含む重合体は、遊離基開始剤、カチオン開始剤又はアニオン開始剤を使用して得ることができる。このような重合体はバルク、溶液又は乳化重合を用いていることができる。いづれの場合、少なくともエチレン性不飽和を含む重合体は、脆く、粉末状、ペレット状の如き固体として一般に回収される。エチレン性不飽和を含んだ重合体、並びに芳香族不飽和及びエチレン性不飽和を含んだ重合体は、勿論種々の供給者から市場において入手できる。
共役ジオレフィンの重合体、並びに1つ又はこれより多い共役ジオレフィン及び1つ又はこれより多いアルケニル芳香族炭化水素単量体の共重合体であって、枝分れした(S−I)3ブロック共重合体の如きは、溶液中でアニオン重合によって得られる。この枝分れブロック共重合体は、次の構造の三つのアーム部分(arm)を有する。
(SI)3−X
ここで、Xはカップリング剤である。
この種の枝分れ重合体は、またカップリング剤を用いずに得ることができる。このような重合体は、重合体のすべて三つのアームの部分が開始剤から外方向に成長するように三官能開始剤によって得ることができる。このような重合体は、式(SI)3を有する。
上の式でSは、通常ポリスチレンブロックを表わすが、しかしアルキル置換スチレン、アルコキシ置換スチレン、2−ビニルピリジン、4−ビニルピリジン、ビニルナフタリン、アルキル置換ビニルナフタリン等の如きビニルアリール化合物を含む他のアルケニル芳香族炭化水素単量体も用いられる。
本願において、簡潔のためスチレンという用語をポリスチレン含量及びポリスチレン当分子量について用いるが、しかしこのような用語は他のアルケニル芳香族炭化水素を含むものである。また、本願における共役ジエンはイソプレンであり、採用されるイソプレンの重合は立体化学的に調整されているので、温度走査の割合を1分間に10℃で示差走査熱量計により測定して−50℃より低いガラス転移温度を有するシス−1,4−ポリイソプレンが主として製造される。重合体は粘着付与樹脂と相溶性でないことから、この種のポリイソプレンの重合が採用されなくてはならない。
一般に、アニオン溶液重合を採用すると、重合する単量体を同時又は逐次有機アルカリ金属化合物と適当な溶剤中、約−100℃から約150℃の範囲の温度、好ましくは約0℃から約100℃の範囲の温度で接触することによって、(S−I)3ブロック共重合体が得られる。特に効果的なアニオン重合開始剤は、一般式RLinを有する有機リチウム化合物であって、ここでRは1から約20個の炭素原子を有する脂肪族、脂環族、芳香族又はアルキル置換芳香族炭化水素残基であり、そしてnは1から3の整数である。
一般に、このような重合体の製造に使用される公知の溶剤が使用される。好ましい溶剤は、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン及びこれらのアルキル置換誘導体の如き直鎖並びに枝分れ鎖炭化水素、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン及びこれらのアキル置換誘導体の如き脂環炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン等の如きアルキル置換芳香族炭化水素、並びにテトラリン及びデカリン等の水素化芳香族炭化水素が含まれる。ジメチルエーテル、メチルエチルエーテル、アニゾール及びテトラヒドロフラン等の如き線状及び環状エーテルも少量使用することもできる。
米国特許4,096,203に記載されているようにして、スチレンは開始剤と接触される。次に、溶液中のリビングポリマーはイソプレンと接触される。この得られるリビングポリマーは簡略に述べると、A−B−Li構造を有する。この点において、リビングポリマーはカップルされる。カップリングは通常一官能開始剤を使用した時にのみ採用される。
種々の広範囲のカップリング剤を使用することができる。3つの反応性部分を含む多官能カップリング剤を使用することができる。使用することのできるこの種の化合物の例は、ポリエポキシド、ポリイソシアネート、ポリイミン、ポリアルデヒド、ポリケトン、ポリ酸無水物、ポリエステル、及びポリハライド等が含まれる。この種の化合物には、エポキシ基とアルデヒド基、並びにイソシアネート基とハライド基等の組合せである2種以上の官能基のものが含まれる。例えばアルキル、シクロアルキル、アリール、アルアルキル及びアルクアリール基の如き炭化水素基、アルコキシ、アリールオキシ、アルキルチオ、アリールチオ及び第3アミノ基の如きカップリング反応に不活性である置換基も存在することができる。
これら多官能化合物の好ましい多くのものは、米国特許3,595,941、同3,468,972、同3,135,716、3,078,254及び3,594,452に開示されている。カップリング剤がジブロモエタンの如く2つの反応性部分を有するときには、重合体は線状のAB−BA構造になる。カップリング剤がトリスノニルフェニル亜燐酸エステル(TNPP)の如き3つの反応性部分を有するときには、重合体は(A−B)3−Pの如き枝分れした構造になる。本願に関するブロック共重合体は三つのアームを有する枝分れしたものが主であるので、3つの反応性部分を有するカップリング剤を使用しなくてはならない。使用することのできる他の亜燐酸エステルカップリング剤は、トリメチル亜燐酸エステル及びトリエチル亜燐酸エステルが含まれる。使用することのできるシランカップリング剤は、トリクロロシラン、メチルトリメトキシシラン及びγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランが含まれる。
例えば、米国特許3,595,941及び同3,468,972に見られる公知の文献において、最高のカップリング効果を得るために、特定のカップリング剤又は反応条件を選ぶことに常に努力がなされている。本発明において、強力な接着剤組成物を得るために、高いカップリングが効果的に望まれている。カップリング効率は、カップル反応した重合体の量を、この量とカップル反応を行わなかった重合体の量を加えた量で割算して表わされる。本願におけるカップリング効率は、処理課程で形成される分解物を含まない最初の重合体についてである。従って、枝分れ重合体である(SI)3を製造する場合、カップリング効率は次の関係によって表わされる。
カップリング効率は、理論的には完全にカップリング反応を行わせるのに必要なカンプリング剤の計算量から決定することができ、またこのカップリング効率は、ゲル透過クロマトグラフィーの如き分析方法によって測定することができる。公知の代表的なカップリング効率は、約80%から殆んど100%にも及ぶ。米国特許4,096,203には、カップリング効率は約20%から約80%、好ましくは約30%から約70%に調節されるとしている。
最大限のカップリング効率を下げるために、種々の方法が行われている。カップリング効率を下げる1つの方法は、重合体を完全にカップリングするのに必要なカップリング剤の計算量より少なくして加えることである。カップリング効率を下げる他の方法は、停止剤の早期添加である。水又はアルコールの如き停止剤は大変急速に反応し、そして重合体の完全なカップリング反応を短かく止めるために簡単に使用することができる。更に、約90℃より高い温度においてカップリング反応を行うことによって、多くのリビングポリマー体(A−B−Li)の熱停止はカップリング前に起る。典型的なカップリング条件は、約65℃から約75℃の間の温度及び反応体を液相に保持するのに十分な圧力が含まれる。
上で述べたように、本発明における重合体は、三官能開始剤を使用するカップリング反応ではなくして、また製造することができる。この種の反応で、重合体のアーム(arm)は開始剤から外側に成長し、そして複数の重合体が製造され、次いでこれらが共にカップリングされるというよりは、むしろ1個の重合体が製造される。本願において使用される好ましい三官能開始剤は、“New Anionic Syntheses of star-Branched Polymers”(R.P.Quirk外3著、Polymer Prerints,29巻、298-299頁、1988年9月)、及び“Dilithium Initiatiors Based on 1,3,5-bis(1-phenylethenyl)benzene”に記載された方法に従って、1当量の1,3,5−トリス(1−フェニルエテニル)ベンゼンを3当量のsec−ブチルリチウムと反応させて得られる。カップリング反応に続いて、又は所望のカップリング効率が達成された時か若しくは三官能開始剤による開始反応が完了した時に、縮重合体生成物の核を形成するリチウム遊離基を除去する目的で、例えば水、アルコール又は他の試薬の如き停止剤を加えることによって生成物を中和する。次いで、加熱水、蒸気又は両者を用い凝集の如きにして生成物を回収する。
上で述べたように、例えば5cm以下の回転ボールの粘着力(rolling ball tack)を示し、そして例えば500Pa以下の接着剤として好適な溶融粘度及び2000分以上のKraftに対する剪断力(shear holding power to Kraft)を有する感圧接着剤組成物が望ましい。本発明は、このような要件を満足し、そして特に包装分野に好適な組成物及び接着剤を提供するものである。組成物は枝分れした三つのアーム(S−I)3のブロック共重合体組成物であって、重合体ブロックは粘着付与樹脂と組み合わされている。上に述べた標準を達成するために、本発明の重合体組成物は次に示す特性を有していなければならない。
(1)負荷に耐えるS−Iアームの割合は85%以上である。
(2)ポリスチレン含量(PSC)が17から23重量%、そして
(3)分子量(ゲル透過クロマトグラフィーで測定したポリスチレンのピーク当分子量、Ms)が180,000から250,000。
スチレン以外のアルケニル芳香族炭化水素も本願において有利に使用できるが、この分子量はすべてポリスチレンの当量分子量とされる。
仮に組成物が上に述べた特性を有しないと、接着性、溶融粘度及び高剪断保持力の基準に合わないといえる。しかしながら、仮に組成物が上に述べた特性を有するならば、接着性、溶融粘度及び高剪断保持力の基準は満足される。
ポリスチレン含量が17%以下であると、その組成から得られた接着剤の剪断保持力は弱く、そしてそれが23%より多いと粘着性が低くなる。全分子量が250,000より大きくなると、溶融粘度は余りにも高くなり、そしてそれが180,000より小さいと、剪断保持力が低くなる。
負荷に耐える(load bearing)S−Iアームの割合は、ホットメルト接着剤に加工する前の重合体の割合に関係する。少なくとも2つの端部にポリスチレンブロックを有しないポリイソプレン含有ブロック重合体は負荷に耐えられず、すなわち重合体の高剪断保持力及び高凝集特性に寄与しない。多少簡単に述べれば、S−Iアームが負荷の90%を耐える(load bearing)重合体であると、このことは重合体の90%はS−I−S結合で出来ているか、又は少なくとも2つの端部にそのようなスチレンが存在するような結合を意味する。重合体がカップリング方法によって製造される場合、重合体のカップリング効率は負荷に耐えるS−Iアームの割合となる。三官能で開始された重合体がカップリングによらないで製造された場合には、カップリング効果はこれに関連したこのような意味は有しない。三官能で開始された重合体の場合、負荷に耐えるS−Iアームの割合は、重合体合成におけるポリスチレンブロックで覆われたポリスチレンアームの割合である。
開始剤の濃度は、結局組成物及びポリスチレンブロックの分子量を調節するのに規定されることになる。一般に、開始剤の濃度は100gのスチレン単量体について約0.25から約50ミリモルの範囲である。必要とされる開始剤の程度は、しばしば炭化水素希釈剤における開始剤の溶剤に依存する。単量体に対する開始剤の割合は、ブロックのサイズ、すなわち単量体に対する開始剤の割合が高い程、ブロックの分子量はより小さくなる。
ブロック及び結局重合体の分子量を調節する方法は公知である。例えば、米国特許3,149,182に開示されているように、単量体の量を一定にして、そして触媒の量を変えると、異なった分子量のものが得られ、また米国特許第3,231,635その他に開示されているように、触媒の量を一定にして、単量体の量を変えると異なった分子量のものが得られる。86%のカップリング効率(coupling efficiency)であり、12,000のポリスチレンブロックの分子量で21重量%のポリスチレン含量であって、そして結局226,000の分子量(Ms)を有する本発明に関する代表的な三つのアームを有するブロック共重合体組成物は、開始剤に対する単量体のモル比を115:1として、開始剤である第2ブチルリチウムを用いてスチレンを重合し、開始剤に対する単量体のモル比を672:1として開始剤であるこのポリスチリルリチウムを用いてイソプレンを重合し、次いでこのポリスチレン−ポリイソプレニルリチウムジブロックを三官能カップリング剤とカップリングさせて得られる。
エラストマー共役ジエンブロックと相溶性である定着樹脂及び粘着付与樹脂を加えることは必要である。通常の粘着付与樹脂は、約95℃の軟化点を有するピペリレン及び2−メチル−2−ブテンのジエン−オレフィン共重合体である。この樹脂はWingtack95という商品名で市場で入手でき、そして米国特許3,577,398に教示されているように、60%のピペリレン、10%のイソプレン、5%のシクロペンタジエン、15%の2−メチル−2−ブテン及び約10%の二量体をカチオン重合によって製造される。他の同種の粘着付与樹脂は、20−80重量%のピペリレン及び80−20重量%の2−メチル−2ブテンを含む樹脂状共重合体が使用される。通常、樹脂は約80℃と約115℃の間の軟化点(リングとボール)を有する。(“Standard Test Method for Softening Point by Ring-and-Ball Apparatus”参考文献1989年版Annual Book of ASTM Standards,第6巻,D3,520頁,ASTM Number,E28-67,1982)。
本発明の組成物に有用な他の定着樹脂は、水素化ロジン、ロジンのエステル、ポリテルペン、テルペンフェノール樹脂及び重合混合オレフィンが含まれる。
良好な熱酸化安定性及び着色安定性とするためには、粘着付与樹脂は飽和樹脂であるのが好ましく、例えばExxon Chemical Coで製造されているEscorez5000シリーズ樹脂の如き水素化ジンクロペンタジエン樹脂、又はHercules,Incで製造されているRegalrez樹脂の如き水素化ポリスチレン若しくは水素化ポリアルファメチルスチレン樹脂である。
使用される定着樹脂の量は、ゴム100部について約50から約200重量、好ましくは約100から約150重量部の間である。特定の粘着付与剤の選定は、その大部分はそれぞれの接着組成物に使用されるブロック共重合体によって定まる。
本発明の接着組成物は、ゴム増量可塑剤、配合油又は液状樹脂の如き可塑剤を含むことができる。ゴム配合油は公知であって、高飽和含有オイル及び高芳香族含有オイルの両者を含んでいる。好ましい可塑剤は、例えばArco chemical社で製造されているTufflo605オイルである。高飽和油及び例えばShell Oil社で製造さているShellflex371オイルである比較芳香族低含量のオイルである。
本発明における任意の成分として、熱分解、酸化、被膜形成及び着色形成を阻止又は遅らすための安定剤が存在する。安定剤は、接着組成物の製造、使用及び貯蔵課程での熱分解及び酸化から重合体を保護するためのもので、市場で入手できる化合物が典型的には用いられる。
当分野において知られている別途の安定剤もまた接着組成物に加えることができる。これらは、製品の有効寿命中、例えば酸素、オゾン及び紫外線照射から保護するためのものである。しかしながら、更に加える安定剤は、すでに述べた本質的な安定剤と相溶性であり、また本願で示したような意図した機能性のものでなくてはならない。
本発明の接着組成物は核成分を高温度、好ましくは約130℃と約200℃の間で均質なブレンドが得られるまで、通常は約3時間以下混合することによって得られる。混合方法は当業者に良く知られていて、不当な分解を起すことなく均質なブレンドを形成できる方法であれば、すべて満足できる。
得られた接着剤は、感圧接着剤の適用分野において使用することができる。特に好ましい適用は、包装タイプにおいての使用である。他に、テープ、ラベル及び集成のための接着剤が含まれる。本発明の組成物の他の主要な利点は、工業用規格に適合する類似する重合体に比べ、大変優れた剪断保持力を有することである。このことは、実施例において明らかである。
次に示す実施例において、カップリング効率はGPCによって測定した。溶融粘度(M.V.)は、177℃においてBrookfield Thermocell粘度計を使用し、パスカル−秒(Pa-s)で測定した。SAFT Mylar(SAFT-MY)は、1インチ四方のMylarを1kgの重さを用い重ね継手で測定した。SAFT Kraft(SAFT-KT)は、1インチ四方のMylarを1kgの重さを用いKraft紙重ね継手で測定した。SAFTは1時間に40°F(44℃)の割合で炉中の温度を上げ、炉中で負荷によって重ね剪断集成体が破壊する温度を計測する。分子量は、ポリスチレン当分子量としてゲル透過クロマトグラフィーによって測定されるピーク分子量である。ポリスチレン含量は、核磁気共鳴スペクトロスコピーによっ測定される。回転ボール粘着性(Rolling Ball Tack)は、標準初期速度を用い接着膜の上でスチールボールをころがし、その距離をセンチメートルの単位で表わしたものである(PSTC試験、6番)。小さい数値は乾燥粘着性であることを示す。スチール(HP-ST)又はKraft紙(HP-KP)に対する保持力は、剥離を生じないように2度を剪断用にして、標準負荷(2kg)のもとで試験対象物(スチール、Kraft紙)の一定の表面からテープの標準面積(1/2インチ四方)を引くのに要する時間である。剥離はPSTC試験1番によって測定した。PolyKenプローブ粘着性(PPT)はASTM D-2979によって測定した。ループ粘着性(LT)はTLMIループ粘着試験器を用いて測定した。HP、剥離、PPT及びLTについて、より高い数値は殆んどの感圧接着剤の適用により良好な性能を示す。
例
重合体Aは、感圧接着剤の適用に一般に使用されている重合体である。このものは、82%のカップリング効率、14.8%のポリスチレン含量及び220,000の分子量(MWs)を有する(SI)2−Xブロック共重合体である。
重合体Bは、カップリング剤としてTNPPを使用し、本発明に従って製造した重合体である。三つのアームが分枝したブロック共重合体であって、アームは線状のS−Iブロックである。この(S−I)3−X重合体は86%のカップリング効率、21重量%のポリスチレン含量及び228,000の分子量(MWs)を有する。
両者の重合体は、表1の下に示した接着剤配合に従って使用した。表1の接着剤配合物は試薬級のトルエンに溶解し、1.0ミルのMYLARフィルムの上に流し、ドクターブレードを使用して約1.5ミルの厚さの乾燥接着剤とした。接着試験は、すでに述べた方法に従って乾燥接着剤について行った。重合体Bを使用して配合した接着剤の殆んどの性質は、別の配合物のそれらと比較して優れており、特にHP−STは顕著に増加している。
配合:100部の重合体、
100部の粘着付与樹脂(Exxon Chemical社からのESCOREZ1310)、
10部のナフテン系オイル(Shell Oil社からのSHELLFLEX371)、
1部のフェノール性抗酸化剤(Ciba-Geigy社からのIRGANOX1010)。
Claims (6)
- 枝分れした三つのアームを有するS−I−Sブロック共重合体組成物であって、
ここでSはアルケニル芳香族炭化水素及びIはイソプレンであり、感圧接着剤に使用される重合体ブロックを含み、
a)分子量(ポリスチレン当量として)は180,000から250,000であり、
b)ポリスチレン含量はブロック共重合体組成物の17から23重量%であり、そして
c)ブロック共重合体組成物の重量に関し、負荷に耐える(load bearing)S−Iアームの割合は85%以上である、ことを特徴とする該ブロック共重合体組成物。 - Sはスチレンである請求項1記載の組成物。
- 請求項1記載のブロック共重合体組成物及び粘着付与樹脂を含む感圧接着剤。
- 大部分が枝分れしたS−I−Sブロック共重合体組成物であって、
ここでSはアルケニル芳香族炭化水素及びIはイソプレンであり、5センチメートル以下の回転ボールの粘着性(rolling ball tack)、177℃において500Pa-s以下の溶融粘度そして2,000分以上のクラフト(Kraft)に対する剪断保持力を有する包装用接着剤に使用される重合体ブロックを含み、
a)分子量(ポリスチレン当量として)は180,000から250,000であり、
b)ポリスチレン含量はブロック共重合体組成物の17から23重量%であり、そして
c)ブロック共重合体組成物の重量に関し、負荷に耐える(load bearing)S−Iアームの割合は85%以上である、ことを特徴とする該ブロック共重合体組成物。 - Sはスチレンである請求項4記載の組成物。
- 請求項4記載のブロック共重合体組成物及び粘着付与樹脂を含む接着剤。
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