JP4965431B2 - 脂肪族ポリエステル樹脂組成物 - Google Patents

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Description

本発明は、ポリグリコール酸などの脂肪族ポリエステルを主成分とする樹脂組成物、特にその耐加水分解性(耐水性)を改善した組成物に関する。
ポリグリコール酸やポリ乳酸等の脂肪族ポリエステルは、土壌や海中などの自然界に存在する微生物または酵素により分解されるため、環境に対する負荷が小さい生分解性高分子材料として注目されている。また、脂肪族ポリエステルは、生体内分解吸収性を有しているため、手術用縫合糸や人工皮膚などの医療用高分子材料としても利用されている。
脂肪族ポリエステルの中でも、ポリグリコール酸は、酸素ガスバリア性、炭酸ガスバリア性、水蒸気バリア性などのガスバリア性に優れ、耐熱性や機械的強度にも優れているので、包装材料などの分野において、単独で、あるいは他の樹脂材料などと複合化して用途展開が図られている。
しかしながら、ポリグリコール酸を含む脂肪族ポリエステルは一般に加水分解性であり、その加水分解に伴い、バリア性や強度が低下するという問題がある。
ポリグリコール酸樹脂を含む脂肪族ポリエステル樹脂の溶融加工に際しては、溶融安定性、結晶性などの熱的特性を改善するために、各種(亜)リン酸エステル(本明細書では、リン酸エステルと亜リン酸エステルを総称する意味で「(亜)リン酸エステル」の語を用いている)が配合されている(下記特許文献1)。しかしながら得られる脂肪族ポリエステル樹脂組成物は、その耐水性の改善という観点では有効な配慮がなされているとは云い難い。
WO2003/037956A公報
発明の開示
従って、本発明の主要な目的は、耐水性の改善された脂肪族ポリエステル樹脂組成物を提供することにある。
本発明の更なる目的は、耐水性に加えて、熱安定性の改善された脂肪族ポリエステル樹脂組成物を提供することにある。
本発明の脂肪族ポリエステル樹脂組成物は、上述の目的を達成するために開発されたものであり、脂肪族ポリエステル樹脂100重量部に対し、塩基度が1.4以下である炭素数が8〜24の飽和脂肪族アルコールの(亜)リン酸エステル0.003〜3重量部を配合してなることを特徴する。
本発明者等が上述の目的で研究して、本発明に到達した経緯について付言する。本発明者等は、上記特許文献1において主として熱的特性の改善のために加えられる各種添加物のうち、飽和脂肪族アルコールのリン酸エステルが脂肪族ポリエステル樹脂の耐水性の改善に効果的であることを見出した。しかしながら、得られる組成物の耐水性は未だ満足されるレベルではなかった。そこで、更に研究を進めた結果、特許文献1で使用される飽和脂肪族アルコールのリン酸エステルは、一般的に知られている合成法として、例えば五酸化リンとの脂肪族アルコールの反応の結果として生成する三塩基酸であるリン酸のジアルキルエステルとモノアルキルエステルの混合物であり、そのうち耐水性の改善に有効に機能するものはジアルキルエステル(塩基度=1)で、モノアルキルエステル(塩基度=2)は余り有効ではないとの知見を得た。従って、同じジアルキルエステルとモノアルキルエステルとの混合物でも、ジアルキルエステルの割合の高い(塩基度の低い)程、得られる脂肪族ポリエステル樹脂組成物の耐水性は向上し、従来品のジアルキルエステルとモノアルキルエステルの混合物(モル比=1:1、塩基度=1.5)よりも、ジアルキルエステルの割合の多い塩基度=1.4以下の混合物であれば、得られる組成物の耐水性の有意な向上が得られることが分かった。更には二塩基酸である亜リン酸のジアルキルエステル(塩基度=約0)の添加も、脂肪族ポリエステル樹脂組成物の耐水性の改善に極めて有効であることが確認された。これらの結果は、エステル化が進んだ(塩基度=1.4以下の)脂肪族アルコールの(亜)リン酸エステルは、耐水性の向上を阻害する酸残基が減少しているために、耐水性の向上効果が高いものと理解することができる。本発明の脂肪族ポリエステル樹脂組成物は、上記の知見に基づいて得られたものである。
本発明の脂肪族ポリエステル系樹脂組成物を構成する脂肪族ポリエステル樹脂は、グリコール酸およびグリコール酸の2分子間環状エステルであるグリコリド(GL)を含むグリコール酸類、シュウ酸エチレン(即ち、1,4−ジオキサン−2,3−ジオン)、ラクチド類、ラクトン類(例えば、β−プロピオラクトン、β−ブチロラクトン、ピバロラクトン、γ−ブチロラクトン、δ−バレロラクトン、β−メチル−δ−バレロラクトン、ε−カプロラクトン等)、カーボネート類(例えばトリメチレンカーボネート等)、エーテル類(例えば1,3−ジオキサン等)、エーテルエステル類(例えばジオキサノン等)、アミド類(ε カプロラクタム等)などの環状モノマー;乳酸、3−ヒドロキシプロパン酸、4−ヒドロキシブタン酸、6−ヒドロキシカプロン酸などのヒドロキシカルボン酸またはそのアルキルエステル;エチレングリコール、1,4−ブタンジオール等の脂肪族ジオール類と、こはく酸、アジピン酸等の脂肪族カルボン酸類またはそのアルキルエステル類との実質的に等モルの混合物;等の脂肪族エステルモノマー類の単独または共重合体が含まれる。なかでも、耐熱性の観点でヒドロキシカルボン酸の単独または共重合体が好ましく、特に耐熱性、ガスバリア性、機械的強度に優れたグリコール酸の単独または共重合体を含むポリグリコール酸樹脂が好ましく用いられる。
より詳しくは、本発明で使用するポリグリコール酸樹脂は、式−(−O−CH−C(O)−)−で表わされる繰り返し単位(グリコール酸単位)を含有する単独重合体または共重合体である。ポリグリコール酸樹脂中の上記式で表わされる繰り返し単位の含有割合は、60重量%以上、好ましくは70重量%以上、より好ましくは80重量%以上であり、その上限は、100重量%である。上記式で表わされる繰り返し単位の含有割合が少なすぎると、ガスバリア性や耐熱性が低下する。
ポリグリコール酸樹脂には、上記式で表わされるグリコール酸単位に加えて、グリコール酸と共重合可能なコモノマーの重合単位を含有させてグリコール酸共重合体とすることができる。
コモノマーとしては、上記した脂肪族ポリエステル樹脂を構成するモノマーのうちグリコール酸以外のもの、特にα−ヒドロキシカルボン酸、なかでも乳酸(あるいはそのラクチド)が好ましく用いられる。
本発明で使用するグリコール酸(共)重合体は、温度240℃及び剪断速度100sec−1の条件下で測定した溶融粘度が、100〜10,000Pa・s、より好ましくは300〜8,000Pa・s、特に好ましくは400〜5,000Pa・sの範囲内にあることが好ましい。
本発明に従い、上述したポリグリコール酸樹脂を含む脂肪族ポリエステル樹脂に、飽和脂肪族アルコールの(亜)リン酸エステルを配合する。本発明では、特に、炭素数が8〜24の飽和脂肪族アルコールの(亜)リン酸エステルで塩基度が1.4以下のものを用いる。(亜)リン酸エステルを構成する飽和脂肪族アルコールの炭素数が8未満では、溶融温度において揮発しやすいため添加するのが難しく、24を超えると、溶融混練が不十分となる。炭素数が8〜24の飽和脂肪族アルコールの具体例としては、オクチルアルコール(C)、ノニルアルコール(C)、デシルアルコール(C10)、ラウリルアルコール(C12)、ミリスチルアルコール(C14)、セチルアルコール(C16)、ステアリルアルコール(C19)、エイコシルアルコール(C20)等があり、なかでも炭素数が10〜20の固体飽和脂肪族アルコールの(亜)リン酸エステルが好ましく用いられる。また、飽和脂肪族アルコールの(亜)リン酸エステルの塩基度は、1.4以下であり、1.3以下が好ましく、特に約1または約0のものが好ましく用いられる。塩基度が1.4以下の(亜)リン酸エステルの具体例としては、リン酸のジアルキルエステルとモノアルキルエステルの混合物で塩基度が1.4以下(混合モル比が6:4以上)のもの、好ましくは1.3以下のもの;リン酸のジアルキルエステル(塩基度=約1.0)、亜リン酸のジアルキルエステル(塩基度=約0)が挙げられる。これら(亜)リン酸エステルは、混合して用いることができる。
本発明の脂肪族ポリエステル系樹脂組成物を与えるためには、脂肪族ポリエステル樹脂100重量部に対して、0.003〜3重量部、より好ましくは0.003〜1重量部、特に好ましくは0.005〜0.1重量部、の(亜)リン酸エステルを配合することが好ましい。0.003重量部未満では配合効果が乏しく、3重量部を超えると、溶融混練が不十分になり易い。
飽和脂肪族アルコールの(亜)リン酸エステルを脂肪族ポリエステル樹脂に配合するに当っては、両者を押出機を用いて溶融・混練することが好ましい。これにより、均一に耐水性の改善された脂肪族ポリエステル樹脂の組成物が得られる。特に二軸押出機を用いて温度200〜300℃で溶融・混練することが好ましい。
本発明の脂肪族ポリエステル系樹脂組成物には、上記した飽和脂肪族アルコールの(亜)リン酸エステルに加えて、カルボキシル基封止剤を添加して一層の耐水性の向上を図ることができる。カルボキシル基封止剤としては、ポリ乳酸等の脂肪族ポリエステルの耐水性向上剤として知られているものを一般に用いることができ、例えば、N,N−2,6−ジイソプロピルフェニルカルボジイミドなどのモノカルボジイミドおよびポリカルボジイミド化合物を含むカルボジイミド化合物、2,2′−m−フェニレンビス(2−オキサゾリン)、2,2′−p−フェニレンビス(2−オキサゾリン)、2−フェニル−2−オキサゾリン、スチレン・イソプロペニル−2−オキサゾリンなどのオキサゾリン化合物;2−メトキシ−5,6−ジヒドロ−4H−1,3−オキサジンなどのオキサジン化合物;N−グリシジルフタルイミド、シクロヘキセンオキシド、トリグリシジルイソシアヌレートなどのエポキシ化合物などが挙げられる。なかでもカルボジイミド化合物やエポキシ化合物が好ましい。これらカルボキシル基封止剤は、必要に応じて2種以上を併用することが可能であり、脂肪族ポリエステル樹脂100重量部に対して、0.01〜10重量部、更には0.1〜2重量部、特に0.2〜1重量部の割合で配合することが好ましい。
本発明の脂肪族ポリエステル系樹脂組成物には、上記した耐水性改善剤に加えて、その他の特性の改善のために、例えば脂肪族ポリエステル樹脂の100重量部当り0.001〜5重量部の熱安定剤、末端封止剤、可塑剤、熱線吸収剤、紫外線吸収剤、顔料等の、その他の添加剤を必要に応じて添加するができる。これら添加剤も、上記(亜)リン酸エステルとともに、押出機を用いて、脂肪族ポリエステル樹脂と溶融混練することが好ましい。
このようにして得られた本発明の脂肪族ポリエステル樹脂組成物は、単独で、または他の熱可塑性樹脂との混合物(脂肪族ポリエステル樹脂が90重量%以上含まれることが好ましい)あるいは積層物等の複合化物として、フィルム若しくはシート、フィラメント、ブロー成形容器、または蓋、袋状容器、筒状包材などの形態に成形される。フィルム若しくはシートは、通常、更に加工されて、カップ、トレイ、袋状容器などに成形される。
他の熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、熱可塑性ポリエステル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、塩素含有樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート樹脂、環状オレフィン系樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、エチレン・ビニルアルコール共重合体(EVOH)、脂肪族ポリエステル系樹脂などが挙げられ、成形物の所望の特性を阻害しない範囲で混合される。
積層体においては、層間剥離強度を高めるなどの目的で、各層間に接着性樹脂層を介在させることができる。接着性樹脂(単に、「接着剤」ともいう)としては、押出加工などの溶融加工が可能で、かつ、各樹脂層に良好な接着性を示すものであることが好ましい。
接着性樹脂としては、例えば、無水マレイン酸変性ポリオレフィン樹脂(三菱樹脂社製モディックS525)、カルボキシル変性ポリオレフィンを主成分とする該カルボキシル変性ポリオレフィンとエポキシ化ポリオレフィンとの組成物、例としてグリシジル基含有エチレンコポリマー(日本石油化学社製レクスパールRA3150、住友化学社製ボンドファースト2C、E、B)、熱可塑性ポリウレタン(クラレ社製クラミロン1195L)、ポリアミド・アイオノマー(三井デュポン社製AM7926)、ポリアクリルイミド樹脂(ローム・アンド・ハース社製XHTA)、三井化学社製アドマーNF550〔酸変性線状低密度ポリエチレン、MFR=6.2g/10分(温度190℃、荷重2160g荷重)〕、三菱化学社製モディックS525などを挙げることができる。
本発明の脂肪族ポリエステル樹脂組成物は、シートあるいはフィルムの成形加工において、1軸または2軸に延伸して配向度を高めることにより、ガスバリア性、機械特性等の特性を向上することができる。延伸にあたっては、条件の適切な設定が重要である。延伸温度は80℃未満が好ましく、45〜65℃がより好ましい。延伸倍率としては、1軸(縦)または2軸(縦・横)の各方向において、それぞれ1.1〜5.0倍が好ましく、2〜4倍がより好ましい。
上記の延伸処理後、延伸成形物を100〜200℃で10秒〜20分間保持し、熱処理を行うことが、成形物の寸法安定性、耐熱性、ガスバリア性の更なる向上等の観点で好ましい。
上記のようにして得られた延伸又は未延伸の脂肪族ポリエステル樹脂の単層または他の熱可塑性樹脂との積層状態の成形物は、更に他の熱可塑性樹脂層と必要に応じて接着剤を用いることにより、共押出加工、あるいはラミネート加工することもできる。
本発明で得られる耐水性に優れた脂肪族ポリエステル樹脂組成物を用いてPETなどの芳香族ポリエステルと積層して得た有底の多層プリフォームを金型内で延伸ブロー成形すると、耐水性に優れ、且つ、ガスバリア性、機械特性などの特性の優れたボトルを成形することができる。有底の多層プリフォームは、通常1〜10mmの厚みを有する。延伸に当っては、条件の適切な設定が重要である。
熱源は、他の成形加工と同様に、IR(赤外線)、熱風、熱媒浴、電磁波など特に限定されないが、一般的にはIR(赤外線)加熱装置により予熱され、その後直ちに金型へ移され、金型内で開口部より圧縮空気により延伸を伴いつつブロー成形される。圧縮空気に加え、ロッドによる延伸を同時に行うこともある。加熱により、多層プリフォームの表面温度を80〜200℃まで、より好ましくは85〜150℃まで、特に90〜120℃まで高めることが好ましい。脂肪族ポリエステルがポリグリコール酸樹脂である場合には、多層プリフォームを加熱により結晶化させ、好ましくはヘイズ値を40%以上にした後に、延伸すると透明な成形体が得られやすい。
上記の延伸成形後、必要に応じて熱固定などの後処理あるいは追加の樹脂層を設けるためのラミネート加工、コーティングなどの後加工を行うこともできる。熱固定のための処理温度は、40〜210℃が好ましく、脂肪族ポリエステルがポリグリコール酸樹脂である場合は、ポリグリコール酸樹脂の融点以下、より好ましくは融点マイナス20℃から120℃の範囲の温度が好ましい。ラミネート加工には、ウェットラミネーション、ドライラミネーション、エクストルージョンラミネーション、ホットメルトラミネーション、ノンソルベントラミネーションなどが含まれる。
以下に実施例及び比較例を挙げて、本発明について具体的に説明する。以下の記載において「部」、「%」および「ppm」は特に断らない限り重量基準とする。
<(亜)リン酸エステルの調製>
(1)市販リン酸混合エステル
市販のリン酸モノステアリルエステル約50モル%とリン酸ジステアリルエステル約50モル%との混合エステル(旭電化(株)製造「AX−71」,塩基度=約1.5)をそのまま用いた。
(2)精製リン酸混合エステル
上記市販リン酸混合エステルから不純物を除く目的で、その200gをヘキサン1Lに加えて溶解するまで加熱した後、室温まで放冷し析出物を得た。析出物をろ過後、ヘキサンで洗浄した後、乾燥させた結晶物を精製リン酸混合エステルとして用いた。
(3)リン酸ジエステル
上記市販リン酸混合エステルの200gを、ヘキサン/メタノール(容積比1/1)混合液1Lに加え、溶解するまで加熱した後、室温まで放冷し、析出物を得た。析出物をろ過後、ヘキサンで洗浄した後、乾燥させて、リン酸ステアリルエステル(H−NMRおよび元素分析により確認)の結晶を得た。
(4)リン酸モノエステル
上記(3)の析出物のろ過回収後に得られたろ液を濃縮して得た析出物をヘキサンに加え、析出物が溶解するまで加熱した後、放冷して析出物を得た。析出物をろ過後、ヘキサンで洗浄し、乾燥してリン酸モノステアリルエステル(H−NMRおよび元素分析により確認)の結晶を得た。
(5)ジエステル富化リン酸エステル
上記(3)および(4)で得たジエステルとモノエステルとを重量比で5:1(モル比で約7:3)に混合し、ジエステルを富化した混合ジエステル(塩基度=約1.3)を得た。
(6)精製亜リン酸エステル
市販の亜リン酸トリステアリル(城北化学(株)製「JP318E」)を、エタノール/n−ヘキサン(重量比2/3)混合液1Lに加え、溶解するまで加熱した後、室温まで放冷して、析出物を得た。析出物をろ過後、エタノールで洗浄した後、乾燥することにより結晶を得た。この結晶は、H−NMRの結果より、亜リン酸ジステアリル92.4%とステアリルアルコール7.6%の混合物であることが確認された。
(比較例1〜3および実施例1〜2)
ポリグリコール酸に対し、その300ppmの割合で、上記(1)〜(5)で得た各種リン酸エステルおよび5000ppmのN,N−ジ−2,6−ジイソプロピルフェニルカルボジイミド(以下「CDI」と略記する)を配合し、スクリュー部温度を200〜270℃とした二軸混練押出機(東芝機械(株)製「TEM−41SS」)を用いて溶融混練押出を行い、5種のポリグリコール酸樹脂(PGA)組成物(比較例1〜3および実施例1〜2)を得た。次いで、各組成物について、以下のようにして耐水性評価用のシートを作成し、耐水性の経時変化を測定した。
まず各組成物のペレットについて、窒素流通(0.5L/分)雰囲気下で220℃のオーブン中で3時間の熱処理を行うことにより、グリコリド量を0.14〜0.22%から0.01〜0.04%に低減した。
<シートの形成>
次いで、上記熱処理後のペレット約5gをアルミニウム板に挟み、255℃のプレス機で3分間加熱し、その後5MPaで20秒間加圧した後、水冷プレス機中2MPaで20秒間保持し、冷却した。得られたシートを80℃のオーブン(東京理化器械(株)製「WFO−601SD」)中で10分間処理して、耐水性評価用の結晶シートを得た。
<耐水性評価>
上記結晶シート(各組成物について複数枚)を温度50℃、湿度90%の環境下に置き、0日(形成直後)、3日、5日および7日間経過の後のシートについて、以下のように構成PGAの分子量測定を行い、分子量の維持率により耐水性の評価を行った。
<分子量測定>
各シートからサンプル約10mgを切り出し、このサンプルを5mMのトリフルオロ酢酸ナトリウムを溶解させたヘキサフルオロイソプロパノール(HFIP)溶液10mLに溶解させた。このサンプル溶液をポリテトラフルオロエチレン製のメンブレンフィルターで濾過後、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)装置に注入し、分子量を測定した。
<GPC測定条件>
装置:昭和電工(株)製「Shodex−104」
カラム:HFIP−606M、2本(直列接続)およびプレカラム、
カラム温度:40℃、
溶離液:5mMのトリフルオロ酢酸ナトリウムを溶解させたHFIP溶液、
流速:0.6mL/分、
検出器:RI(Refractive Index:示差屈折率)検出器、
分子量較正:分子量の異なる標準ポリメタクリル酸メチル5種を用いた。
結果を下表1にまとめて記す。
Figure 0004965431
上記表1に示した結晶シートの耐水性評価結果より以下のことが分る。比較例1の市販混合エステル(塩基度=1.5)を精製した比較例2(塩基度=1.5)の混合エステルでは、耐水性の改善は得られず、耐水性改善効果に、エステル以外の不純物は余り関与していないと考えられる。混合エステルから分離回収したジエステルを用いる実施例1では耐水性の顕著な改善が見られる。他方、分離回収したモノエステルを用いた比較例3では、耐水性が混合エステルを用いる比較例1および2に比べても低く、モノエステルの耐水性改善効果がジエステルに比べて著しく低いことが分る。また、ジエステルを富化し、塩基度を1.3まで低下した混合エステルを用いた実施例2については、僅かではあるが耐水性の改善に有意な効果が認められる。
(比較例4および実施例3〜4)
上記比較例1〜3および実施例1〜2で用いたと同じポリグリコール酸に対し、その300ppmの割合でそれぞれ上記市販リン酸混合エステル(1)(比較例4)、リン酸ジエステル(2)(実施例3)および精製亜リン酸エステル(実施例4)および5000ppmのCDIを配合し、スクリュー部温度220〜250℃とした二軸混練押出を行い、3種のPGA組成物(比較例4および実施例3〜4)を得た。
これら組成物について実施例1〜2と同様に熱処理後、各ペレット約5gをアルミニウム板に挟み、255℃のプレス機に入れ、3分間加熱した。その後、5MPaで20秒間加圧した後、水が循環しているプレス機に移し、2MPaで20秒間保持し冷却した。得られたシートを70℃のオーブン(ヤマト科学(株)製「DK63」)に1分間入れた後、延伸を行った。その後、200℃のオーブン(タバイエスペック(株)製「STPS−212」)で1分間処理して、非晶延伸シートを得た。
得られた3種の非晶延伸シートについて、実施例1〜2と同様に温度50℃、湿度90%の環境下に置き、0日(形成直後)、5日、10日および15日経過後のシートについて、実施例1および2と同様に、構成PGAの分子量変化による耐水性の評価を行った。結果を下表2にまとめて記す。
Figure 0004965431
上記表2に示すように、市販混合リン酸エステル(塩基度=1.5)を用いた比較例4に比べて、リン酸ジエステル(塩基度=1.0)を用いた実施例3および精製亜リン酸エステル(塩基度=約0)を用いた実施例4では、耐水性の有意に改善された非晶延伸シートが得られている。
上述したように、本発明によれば、塩基度が1.4以下である炭素数が8〜24の飽和脂肪酸アルコールの(亜)リン酸エステルを配合することにより、耐水性の改善された脂肪族ポリエステル樹脂組成物が得られる。

Claims (8)

  1. 脂肪族ポリエステル樹脂100重量部に対し、塩基度が1.4以下である炭素数が8〜24の飽和脂肪族アルコールの(亜)リン酸エステル0.003〜3重量部を配合してなる脂肪族ポリエステル樹脂組成物。
  2. (亜)リン酸エステルの塩基度が1.3以下である請求項1に記載の組成物。
  3. (亜)リン酸エステルの塩基度が1である請求項1に記載の組成物。
  4. (亜)リン酸エステルの塩基度が0である請求項1に記載の組成物。
  5. 脂肪族ポリエステル樹脂がポリグリコール酸樹脂である請求項1〜4のいずれかに記載の組成物。
  6. (亜)リン酸エステルがリン酸エステルである請求項1〜5のいずれかに記載の組成物。
  7. (亜)リン酸エステルが亜リン酸エステルである請求項1〜5のいずれかに記載の組成物。
  8. 飽和脂肪族アルコールが炭素数10〜20の固体飽和脂肪族アルコールである請求項1〜7のいずれかに記載の組成物。
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