JP5100946B2 - 強延伸脂肪族ポリエステル重合体成形物 - Google Patents

強延伸脂肪族ポリエステル重合体成形物 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強度に延伸されることにより、耐レトルト性、ガスバリアー性、強度を含む特性が改善された、結晶性脂肪族ポリエステル重合体延伸成形物に関する。
【0002】
【従来の技術】
熱可塑性樹脂の、強度、バリアー性等の各種特性の強化、ならびに熱収縮性の付与等の目的で、一軸方向あるいは二軸方向に延伸する技術は広く採用されている。この延伸操作は、一般に非晶性ないし低結晶性樹脂に適用され、半結晶性樹脂に適用される場合にも、その延伸効果は、主として非晶物の高分子鎖の緊張を起すものであり、結晶部には本質的には作用しないものと解されていた。また、エチレン−ビニルアルコール共重合体(EVOH)あるいはポリプロピレン等の結晶性樹脂の延伸についても報告はされているが、EVOHについては例えばポリアミド等の他樹脂との積層体について、はじめて適用される程度であり、ポリプロピレンについては、その球晶部は延伸されるというよりは、破壊されることにより見かけの延伸状態が得られているに過ぎない(“Polypropylene biaxial orientation from a morphological viewpoint.”,Soc.Plast.Eng.Annu.Tech.Conf.,Vol.45,pp.189−193(1987))。
【0003】
他方、ポリグリコール酸(PGA、ポリグリコリドを含む)、ポリ乳酸(PLA)、ポリトリメチレンカーボネート(PTMC)、ポリカプロラクトン(PCL)等の脂肪族ポリエステル重合体は、分子鎖中に脂肪族エステル結合を含んでいるため、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、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。なかでもポリグリコール酸は、耐熱性、ガスバリア性、機械的強度等に優れているため、各種シート、フィルム、容器、射出成形品などの成形材料として新たな用途展開が図られている(特開平10−60136号公報、特開平10−80990号公報、特開平10−138371号公報、特開平10−337772号公報)。従って、これら脂肪族ポリエステル重合体についても、延伸により物性を改変する試みも当然なされている(例えば上記特開平10−337772号公報等)。
【0004】
しかしながら、ポリグリコール酸をはじめとする脂肪族ポリエステル重合体は、一般に結晶性であり、上述したように延伸による物性の改変には向いていない面がある。すなわち、延伸のために加熱する過程で、結晶化が進行し、強度の延伸による物性の改変は、困難と考えられ、また事実、結晶化の進んだ脂肪族ポリエステル重合体を、例えば二軸方向に各3倍を超える延伸倍率で延伸すると、往々、組織の破壊が起り、強度等の物性は却って低下してしまう。
【0005】
また、脂肪族ポリエステル重合体は、そのエステル結合に起因して、親水性に富むため、その延伸成形物を、例えば熱水によるレトルト処理に付した場合には、特に高温レトルト処理の場合には、折角付与した延伸効果が失われがちであるという問題点もある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の主要な目的は、強度に延伸された脂肪族ポリエステル重合体成形物を提供することにある。
【0007】
本発明の別の目的は、耐高温レトルト性のある脂肪族ポリエステル重合体延伸成形物を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが上述の目的で研究した結果、結晶性の脂肪族ポリエステル重合体であっても、延伸条件を適切に設定すれば、縦横二軸方向において、それぞれ3倍を超える延伸倍率の強度の延伸が可能であること、またこのように強延伸された脂肪族ポリエステル重合体の延伸成形物においては、従来の各種熱可塑性樹脂に認められていた非結晶部の高分子鎖の緊張を伴う配向効果のみならず、結晶部における緊張配向結果と考えられる結晶特性の改変が認められ、これに伴い強度、耐熱性の著しい向上も得られることが判明した。
【0009】
本発明は、上述の知見に基づくものであり、グリコール酸単独重合体からなる結晶性脂肪族ポリエステル重合体を45〜60℃の温度で二軸に3×3倍を超える延伸倍率で延伸し、100〜210℃の温度で熱処理することにより得られた延伸成形物からなり、未延伸成形物に比べて3℃以上高い結晶融点を有する脂肪族ポリエステル重合体延伸成形物を与えるものである。このように、代表的な結晶特性である結晶融点が、延伸といういわば物理的な操作の結果として上昇するという現象は、極めて特異的なものと理解される。
【0010】
また、本発明の結晶性脂肪族ポリエステル重合体の延伸成形物は、その非晶部においても強度の延伸の効果を残している。すなわち、本発明は、その好ましい態様において、結晶性脂肪族ポリエステル重合体の延伸成形物からなり、少なくとも一方向の動的粘弾性測定による副分散のピーク温度が−46℃以上である脂肪族ポリエステル重合体延伸成形物を与えるものである。動的粘弾性測定における副分散のピークは、非晶部の局所モード緩和に起因するものであり、そのピーク温度の上昇は、非晶部への延伸効果が大であることを示すものである。
【0011】
また、上述したところから判るように本発明の結晶性脂肪族ポリエステル重合体の延伸成形物は、強度に延伸された非晶部と結晶部とを兼ね備えるものである。従って本発明は、その好ましい態様において、結晶性脂肪族ポリエステル重合体の延伸成形物からなり、少なくとも一方向の動的粘弾性測定による主分散のピーク温度が67℃以上であり、且つ少なくとも一方向の広角X線回折測定による配向度が83%以上である脂肪族ポリエステル重合体延伸成形物を与えるものである。このうち、動的粘弾性測定における主分散のピークは、非晶部のガラス転移に起因するものであり、そのピーク温度の上昇は非晶部への延伸効果が大であることを示すものである。また広角X線回折測定による配向度は結晶配向度が大であることを示すものである。なお、上記において、「少なくとも一方向」とは、延伸の際の縦方向および横方向の少なくとも一方の意味である。
【0012】
これらの、強度の延伸による物理特性の変化に伴い、本発明の脂肪族ポリエステル重合体延伸成形物は、著しく向上した耐衝撃性ならびに例えば高温レトルト処理後にも延伸により付与されたガスバリアー性を効果的に維持するという耐熱性を示すことも確認されている。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の延伸成形物を構成する、脂肪族ポリエステル重合体は、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の単独重合体からなる耐熱性、ガスバリア性、機械的強度に優れた結晶性のグリコール酸重合体である。
【0014】
より詳しくは、本発明で使用するグリコール酸重合体は、下記式(1)
【0015】
【化1】
Figure 0005100946
【0016】
で表わされる繰り返し単位を含有する単独重合体である実質的に、式(1)で表わされる繰り返し単位のみからなることにより、ガスバリア性や耐熱性が良好となる
【0023】
本発明で使用するグリコール酸重合体は、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好ましくは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。
【0024】
因みに、グリコール酸単独重合体の融点(Tm)は、約215〜220℃であり、ガラス転移温度は約38℃で、結晶化温度は約91℃である。ただし、これらの熱的性質は、グリコール酸重合体の分子量や共重合成分などによって変動する。
【0025】
本発明では、グリコール酸重合体のニートレジンを単独で使用することができるが、本発明の目的を阻害しない範囲内において、グリコール酸重合体に、無機フィラー、他の熱可塑性樹脂、可塑剤などを配合した樹脂組成物を使用することができる。また、ポリグリコール酸には、必要に応じて、熱安定剤、光安定剤、防湿剤、防水剤、撥水剤、滑剤、離型剤、カップリング剤、酸素吸収剤、顔料、染料などの各種添加剤を含有させることができる。
【0026】
グリコール酸重合体の溶融安定性を向上させるには、熱安定剤として、例えば、ペンタエリスリトール骨格構造を有するリン酸エステル、少なくとも1つの水酸基と少なくとも1つの長鎖アルキルエステル基とを持つリン化合物、重金属不活性化剤、炭酸金属塩などを添加することが好ましい。これらの熱安定剤は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。
【0027】
上述したグリコール酸重合体を含めて、本発明で使用する脂肪族ポリエステル重合体は、程度の差こそあれ、一般に結晶性を有する。この結晶性は、試料樹脂について示差走査熱分析(DSC)に付したときに、約160℃以上、特に約180℃以上、の温度域において、結晶融解に伴う吸熱ピークが見出されることにより確認できる。
【0028】
このような脂肪族ポリエステル重合体の単独層、あるいは他の熱可塑性樹脂層との積層物を、適当な条件下での強延伸に付すことにより、本発明の脂肪族ポリエステル重合体延伸成形物が得られる。特にグリコール酸の単独または共重合体を含むグリコール酸重合体は、他の熱可塑性樹脂層とともに延伸できる範囲が広いことが判明している。
【0029】
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る。
【0030】
積層体において、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。
【0031】
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)、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。
【0032】
上述した脂肪族ポリエステル重合体の単独層または他の熱可塑性樹脂との積層物(一次成形体)を強延伸するにあたっては、延伸条件の適切な設定が極めて肝要である。より具体的には、延伸を行うに当っては、一般に一次成形体を室温より高い延伸温度に予熱することが必要であるが、この際に延伸温度への予熱を可及的に速やかに行い、延伸温度に達したら速やかに所望の程度の延伸を行う必要がある。
【0033】
代表的にグリコール酸重合体の場合、従来は、延伸温度へ10分程度保持してから延伸を行っていたが、これでは延伸温度における結晶化が無視できずに、少なくとも一軸方向に3倍を超える、より好ましくは二軸方向にそれぞれ3倍を超える、倍率の強延伸は困難であり、強行したとしても通常は物性の改善は得られない。
【0034】
本発明者らの知見によれば、グリコール酸重合体について、本発明の延伸成形物を特徴付ける物性を与える程度の強延伸を行うには、80℃未満、好ましくは45〜60℃、に延伸温度を設定し、室温から延伸温度への加熱時間を、約60秒以内、より好ましくは約30秒以内に短縮し、延伸温度に達したら直ちに延伸を開始し、可及的速やかに、好ましくは約1〜20秒、より好ましくは約1〜5秒で、延伸を完了することが好ましい。延伸は、少なくとも一軸方向、好ましくは二軸方向に、3倍を超える、より好ましくは3.5〜5.0倍の、更に好ましくは4.0〜4.5倍の、倍率で延伸を行うことが好ましい。
【0035】
延伸後、延伸成形物を100〜210℃、より好ましくは120〜200℃、の温度で、例えば乾熱の場合約10秒〜20分保持して熱処理を行うことにより、高温レトルト処理等に対する耐熱性を付与し、またガスバリヤー性の更なる向上を図る、ことが好ましい。熱水あるいはスチームによる湿熱処理するとき、この熱処理時間は約1〜5秒程度まで短縮できる。
【0036】
熱処理後、室温まで冷却することにより、本発明の延伸成形物が得られる。
【0037】
上述したように、本発明の脂肪族ポリエステル重合体延伸成形物は、上記一連の製造法の結果として、未延伸成形物に比べて、3℃以上、好ましくは5℃以上、更に好ましくは7℃以上、高い結晶融点を有する。
【0038】
また、別の観点に従い、本発明の脂肪族ポリエステル重合体延伸成形物は、少なくとも一方向の動的粘弾性測定による副分散のピーク温度が−46℃以上、好ましくは−45℃以上となる。
【0039】
更に別の観点に従い、本発明の脂肪族ポリエステル重合体延伸成形物は、少なくとも一方向の動的粘弾性測定による主分散のピーク温度が67℃以上、好ましくは70℃以上、であり、且つ少なくとも一方向の広角X線回折測定による配向度が83%以上、好ましくは84%以上となる。
【0040】
上記で得られた脂肪族ポリエステル重合体の単層または他の熱可塑性樹脂との積層状態の延伸成形物は、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。本発明の脂肪族ポリエステル重合体延伸成形物は、このような積層形態の成形物をも包含するものである。
【0041】
本発明の脂肪族ポリエステル重合体の延伸成形物は、全体形状として、フィルム若しくはシート、ブロー成形容器若しくはボトル、シート成形によるトレイ若しくはカップ若しくは蓋、袋状容器、または筒状包材などの形態を採り得る。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。
【0042】
従って、上記した脂肪族ポリエステル重合体の単層または他の熱可塑性樹脂との積層による一次成形体は、押出または射出による平板シートあるいはパリソンもしくはプリフォーム等の形態を採ることができ、これをテンター処理あるいはブロー成形あるいは真空成形に付す過程において、上記延伸が実現される。
【0043】
本発明の延伸成形物の具体的な応用例には、EVOHなどのガスバリア性樹脂からなる層を含有する多層構成のボトルや包装体において、ガスバリア性樹脂を脂肪族ポリエステル重合体に置き換えた多様な形態が採り得る。
【0044】
【実施例】
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。物性等の測定方法は、次の通りである。
(1)DSCによる結晶融点(Tm)
試料重量を約5mgとして、これを島津製作所社製の示差走査熱量計「DSC−60A」を用いて、昇温速度20℃/分、温度範囲−20℃から280℃で測定した。この温度曲線の吸熱側におけるピークの最大値を結晶融点Tm(℃)とした。◎
(2)動的粘弾性測定による主分散ピーク温度、副分散のピーク温度
試料を23℃、50%RH(相対湿度)の雰囲気中で24時間放置した後、レオメトリックス社製の動的粘弾性測定装置「RSA II」を用いて、測定周波数10Hzで、−110℃から2℃/分の昇温速度で150℃までの温度範囲において、損失正接tanδを各温度で測定した。この温度分散曲線が極大を示すピーク温度の低温側を副分散のピーク温度、高温側を主分散のピーク温度(℃)とした。◎
(3)広角X線回折により測定される配向度
試料フィルムの延伸方向を揃えて、巾1mm、長さ20mm、厚み3mmになるように重ね、シアノアクリレート系接着剤で固定して試料フィルム面に平行にX線を入射(Edge方向)して、イメージングプレート撮影した。X線発生装置として理学電機社製の「ロータフレックスRU−200B」を用い、30kV−100mAでNiフィルターを通したCuKα線をX線源とした。イメージングプレートとして富士フィルム社製「BAS−SR 127」を用いて、試料−イメージングプレート間距離60mm、露出時間20分間で露出した。理学電機社製「R−AXIS DS3」を用いて回折像の読みとりを行い、ポリグリコール酸結晶(110)面からの回折方位角(β角)強度分布曲線を作成した。このβ角強度分布曲線から、理学電機株式会社発行のX線の手引き改訂第三版(1985年6月30日発行)第81頁に記載の配向度の測定方法に従って、赤道線上の2点(β角が90°及び270°)についての半値幅Wi(度)の合計値W90+W270(度)から、次式により配向度(%)を求めた:
配向度[(360−(W90+W270))/360]×100
(4)酸素ガス透過係数(PO
JIS K−7126に準拠して、温度23℃、相対湿度80%の条件下でモダンコントロール社製「オクストラン(OX−TRAN)2/20」を用いて測定した。◎
(5)レトルト処理
レトルト処理に使用した試料は、後記実施例および比較例で作製した延伸フィルムの両側を、厚み100μmのC−PP(PPの未延伸シート)でラミネートしたものである。ラミネートに使用した接着剤は二液硬化型ポリウレタン系接着剤(武田薬品工業製A−606、A−50)を用い、ラミネート後に40℃で3日間エージングした。レトルト処理は、貯湯式で105℃−30分または120℃−30分で行った。◎
(6)耐衝撃強度
レオメトリックス社製「ドロップ−ウエイトテスター」を使用し、ASTM D3763に準じて耐衝撃力およびエネルギー測定を行った。サポートリング径は1.5インチ、プローブは100ポンドを使用した。
【0045】
[実施例1〜4]
ポリグリコール酸(PGA)として、温度240℃、剪断速度100sec−1で測定した溶融粘度が2,500Pa・sのホモポリマーを用いた。このポリグリコール酸100重量部に対して、0.1重量部のホスファイト系酸化防止剤(旭電化工業株式会社製「PEP−8」)を添加して、ペレット化した。
【0046】
このPGAペレットを用い、Tダイ法により、押出し温度250℃から280℃でキャストシート(厚さ100μm)を作製した。該シートを東洋精機社の2軸延伸機により、後記表1に示すように45℃及び60℃で同時2軸延伸法により、延伸速度を7m/分(140%/秒)として、後記表1に示すように、4.0×4.0倍または4.5×4.5倍に延伸し、その後120℃で2軸延伸機に固定した状態で15分間熱処理を行って厚さ約3μmまたは6μmのフィルムを得た。延伸温度までの予熱時間は、いずれも約30秒とした。延伸速度(7m/分=140%/秒)から分るように、延伸の開始から完了までの時間は、いずれも約3秒以内(約1.5秒〜2.5秒)であった。
【0047】
[比較例1〜5]
実施例と同一方法で押出したキャストシートを表1に示した条件で延伸して、厚さが3〜6μmのフィルムを得た。
【0048】
[比較例6]
実施例と同一方法で押出したキャストシートを未延伸の状態で用いた。
【0049】
上記実施例および比較例で得られた各フィルムについて、結晶融点(Tm)、広角X線回折による結晶配向度(%)ならびに動的粘弾性測定による主分散および副分散ピーク温度測定、更には耐衝撃強度測定を行った。結果を表1にまとめて記す。
【0050】
また各フィルムの両側に、上述したように厚み100μmのC−PPシートをラミネートした試料について、105℃×30分または120℃×30分のレトルト処理をした後、レトルト前の試料フィルムとともに酸素ガス透過係数(PO)測定を行った。結果をまとめて表2に記す。
【0051】
【表1】
Figure 0005100946
【0052】
【表2】
Figure 0005100946
【0053】
表1の結果を見ると、延伸温度45〜80℃で、3.0×3.0倍の延伸を行った比較例1〜3、および80℃で4.0×4.0倍あるいは4.5×4.5倍の延伸を行った比較例4および5の延伸フィルムは、比較例6の未延伸フィルムに比べて、結晶融点(Tm)が1〜2°が上昇しているが、余り有意な温度上昇とは云えない。これは延伸強度が不足しているために、所望の強延伸効果が得られていなかったためと考えられる。
【0054】
これに対し、延伸温度45℃または60℃で、4.0×4.0倍または4.5×4.5倍の延伸を行って得られた実施例1〜4のフィルムは、未延伸フィルム(比較例)のそれに比べて8〜9℃という極めて顕著な結晶融点の上昇効果が得られている。これは、強延伸の効果として結晶寸法が増大しているためと解される。また分子鎖方向の結晶面の配向度増大に伴うと考えられる、広角X線回折測定による結晶配向度の上昇、また非晶部の分子鎖の緊張に伴う動的粘弾性測定による主分散および副分散のピーク温度の上昇が認められる。これに伴い、耐衝撃強度およびエネルギーも比較例に比べて飛躍的に向上している。これらはいずれも、本発明の意図する結晶性脂肪族ポリエステル重合体の強延伸効果とみなすことができる。
【0055】
また表2に示すように比較例6の未延伸フィルムは、延伸フィルムに較べてガスバリア性(P0)が劣り、また105℃のレトルトであっても、脆化が著しくバリヤー測定が不可能であった。また比較例1〜5の延伸フィルムは、105℃のレトルトで脆化がないが、ガスバリア性に関しては、レトルト前の酸素ガス透過係数(P0)の2倍程度に劣化する。これら比較例の結果から、延伸を行えばバリア性と耐熱水性(耐レトルト性)は、ある程度改良されることがわかる。しかし、比較例1〜5の延伸フィルムは、レトルト条件120℃になると、POがレトルト前のそれに較べて一桁大きくなり、ガスバリア性が著しく低下している。
【0056】
これに対し、実施例1〜4の延伸フィルムは、120℃のレトルトを行ってもガスバリア性の劣化が少なく、未延伸のレトルト前(比較例6)の酸素ガス透過係数(PO)と同レベルの値を示し良好である。
【0057】
このような実施例におけるガスバリア性や耐熱水性(耐レトルト性)の改善には、本発明に従う適切な延伸条件下での強延伸による分子鎖の配向性や結晶性の向上が寄与しているものと解される。
【0058】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、適切に設定された延伸条件の下での強延伸の結果として、(イ)未延伸成形物に比べて顕著に高い結晶融点、(ロ)動的粘弾性測定における副分散ピーク温度の上昇、あるいは(ハ)広角X線回折測定による配向度の向上および動的粘弾性測定における主分散ピーク温度の上昇、で代表される非晶部のみならず結晶部の配向度が向上しており、その結果として、耐衝撃性および耐熱水性も含めたガスバリアー性が顕著に改善された結晶性脂肪族ポリエステル重合体の延伸成形物が提供される。

Claims (8)

  1. グリコール酸単独重合体からなる結晶性脂肪族ポリエステル重合体を45〜60℃の温度で二軸に3×3倍を超える延伸倍率で延伸し、100〜210℃の温度で熱処理することにより得られた延伸成形物からなり、未延伸成形物に比べて3℃以上高い結晶融点を有する脂肪族ポリエステル重合体延伸成形物。
  2. 未延伸成形物に比べて5℃以上高い結晶融点を有する請求項1に記載の延伸成形物。
  3. 結晶性脂肪族ポリエステル重合体の延伸成形物からなり、少なくとも一方向の動的粘弾性測定による副分散のピーク温度が−46℃以上である請求項1または2に記載の延伸成形物。
  4. 少なくとも一方向の動的粘弾性測定による主分散のピーク温度が67℃以上である請求項1〜3のいずれかに記載の延伸成形物。
  5. 少なくとも一方向の広角X線回折測定による配向度が83%以上である請求項1〜4のいずれかに記載の延伸成形物。
  6. フィルム形態を有する請求項1〜5のいずれかに記載の延伸成形物。
  7. ボトル形態を有する請求項1〜5のいずれかに記載の延伸成形物。
  8. 延伸された脂肪族ポリエステル重合体層に加えて他の重合体層が積層された積層形態を有する請求項1〜7のいずれかに記載の延伸成形物。
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