JP5797535B2 - ポリエステル樹脂の製造方法及びポリエステルフィルムの製造方法 - Google Patents
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例えば、特許文献1には、グリコール成分が少なくとも100ppmの割合で含有される不活性ガスを加圧条件下で流通させながら、180℃以上から該粗製ポリエステルの融点以下の温度範囲で固相重合することが開示されている。
例えば、特許文献2には、不活性ガス並びに水および/又はエチレングリコールを含有する混合ガス中で熱処理し、水又はエチレングリコールを50〜280ppm含む不活性ガスで熱処理を200℃以上、該ポリエステルプレポリマーの溶融温度以下の温度で固相重合することが開示されている。
例えば、特許文献3には、Sb原子を100〜300ppmの範囲で含有するポリエチレンテレフタレートを、特定量のエチレングリコール(モル比で0.2×10−3〜2.5×10−3mol/molの範囲、数百〜5500ppm程度)を含む気体中において固相重合することが開示されている。
<1> 芳香族ジカルボン酸と脂肪族ジオールとの重縮合反応により得られた、固有粘度が0.40dl/g以上1.0dl/g以下のポリエステルを反応槽内に供給して固体状態のまま加熱処理するとともに、前記反応槽内に、エチレングリコールと水と不活性ガスとを含み、エチレングリコールと水とのモル分圧比(エチレングリコールのモル分圧/水のモル分圧)が0.2〜5000である混合ガスを供給することにより前記ポリエステルの固相重合を行い、該固相重合により得られたポリエステル樹脂を前記反応槽から排出する固相重合工程を含む、ポリエステル樹脂の製造方法。
<2> 前記反応槽に供給する混合ガス中のエチレングリコールの濃度が10ppm以上1000ppm以下であり、かつ水の濃度が0.01ppm以上50ppm以下である<1>に記載のポリエステル樹脂の製造方法。
<3> 前記固相重合工程の前に、前記芳香族ジカルボン酸と前記脂肪族ジオールを、チタン化合物を含む触媒下で重縮合反応させて、前記固有粘度が0.40dl/g以上1.0dl/g以下のポリエステルを生成する重縮合工程を含む<1>又は<2>に記載のポリエステル樹脂の製造方法。
<4> 前記反応槽から排出される1時間あたりのポリエステル樹脂に対して、前記反応槽に供給する混合ガス量が0.05〜3m3/kgである<1>〜<3>のいずれか1つに記載のポリエステル樹脂の製造方法。
<5> 前記反応槽から排出されたガスをスクラバー内に導入し、少なくともエチレングリコールを含む洗浄液によって洗浄し、該スクラバーから排出されたガスを前記混合ガスの少なくとも一部として前記反応槽内に供給する<1>〜<4>のいずれか1つに記載のポリエステル樹脂の製造方法。
<6> 前記反応槽から排出されたガスを燃焼し、該燃焼したガスに少なくともエチレングリコールを添加し、該少なくともエチレングリコールを添加した後のガスを前記混合ガスの少なくとも一部として前記反応槽内に供給する<1>〜<4>のいずれか1つに記載のポリエステル樹脂の製造方法。
<7> 前記反応槽から排出されたガスを、ロジウムを含む触媒を用いて燃焼させる<6>に記載のポリエステル樹脂の製造方法。
<8> 前記固相重合工程の前に、前記芳香族ジカルボン酸と前記脂肪族ジオールの他に、カルボン酸基と水酸基との合計が3以上である多官能モノマーを添加して重縮合反応させて、前記固有粘度が0.40dl/g以上1.0dl/g以下のポリエステルを生成する重縮合工程を含む<1>〜<7>のいずれかに記載のポリエステル樹脂の製造方法。
<9> 前記多官能モノマーを、ポリエステル樹脂中の全構成単位に対して、0.005モル%以上2.6モル%以下の範囲で添加する<8>に記載のポリエステル樹脂の製造方法。
<10> 固有粘度が0.70dl/g以上0.9dl/g以下、かつ末端カルボキシル基濃度が20当量/トン以下のポリエステル樹脂を得る、<1>〜<9>のいずれか1つに記載のポリエステル樹脂の製造方法。
<11> <1>〜<10>のいずれか1つに記載のポリエステル樹脂の製造方法により得られたポリエステル樹脂に、オキサゾリン系化合物、カルボジイミド化合物、及びエポキシ化合物から選ばれる少なくとも1種の末端封止剤を添加した原料をフィルム状に溶融押出し、冷却ロール上で冷却して未延伸フィルムに成形する成形工程と、
前記未延伸フィルムを長手方向及び該長手方向に直交する幅方向に延伸する延伸工程と、
を含む、ポリエステルフィルムの製造方法。
<12> 前記末端封止剤を、前記ポリエステル樹脂に対して、0.1質量%以上6質量%以下の範囲で添加する<11>に記載のポリエステルフィルムの製造方法。
<13> <1>〜<10>のいずれか1つに記載の製造方法によって製造したポリエステル樹脂を用いて成形したポリエステルフィルム。
<14> カルボン酸基と水酸基との合計が3以上である多官能モノマーに由来する構成成分を含む<13>に記載のポリエステルフィルム。
<15> 前記多官能モノマーに由来する構成成分の含有比率が、ポリエステル樹脂中の全構成単位に対して、0.005モル%以上2.6モル%以下である<14>に記載のポリエステルフィルム。
<16> オキサゾリン系化合物、カルボジイミド化合物、及びエポキシ化合物から選ばれる少なくとも1種の末端封止剤に由来する構造部分を含む<11>〜<15>のいずれか1つに記載のポリエステルフィルム。
<17> 前記末端封止剤に由来する構造部分の含有比率が、ポリエステル樹脂に対して、0.1質量%以上6質量%以下である<16>に記載のポリエステルフィルム。
<18> オキサゾリン系化合物、カルボジイミド化合物、及びエポキシ化合物から選ばれる少なくとも1種の末端封止剤に由来する構造部分を含み、且つ結晶化度分布が5〜50%である<13>に記載のポリエステルフィルム。
<19> <13>〜<18>のいずれか1つに記載のポリエステルフィルムを備えた太陽電池用バックシート。
<20> 太陽光が入射する透明性の基板と、太陽電池素子と、<19>に記載の太陽電池用バックシートとを備えた太陽電池モジュール。
ポリエステルの固相重合を行う場合、通常、末端カルボキシル基量の低下とともに固有粘度が上昇するが、固有粘度が必要以上に高くなると、製膜時、つまり溶融混練して押出する際の加熱や剪断応力がかかることに伴う発熱(剪断発熱)でカルボン酸基が増加し、結果として耐加水分解性が低下してしまう。また、ポリエステル樹脂の固有粘度が高いと、溶融押出の際に樹脂が押し出され難いため、剪断発熱の影響を受けやすくなる。
本発明者は、研究及び検討を重ねた結果、ポリエステル樹脂の固相重合によりエチレングリコールと水が抜ける反応を選択的に行うことによって、不必要に固有粘度を上げることなく、末端カルボキシル基量を有効に低減出来ることを見出した。具体的には、固相重合に用いる供給ガス(循環ガス)中の微量成分であるエチレングリコールと水の分圧の比率を特定の範囲に制御して脱EG反応よりも脱H2O反応を促進することにより、固有粘度(IV)の上昇を抑制しつつ、末端カルボキシル基量(AV)を低減することができる。
本発明のポリエステル樹脂の製造方法は、芳香族ジカルボン酸と脂肪族ジオールとの重縮合反応により得られた、固有粘度が0.40dl/g以上のポリエステルを反応槽内に供給して固体状態のまま加熱処理するとともに、前記反応槽内に、エチレングリコールと水と不活性ガスとを含み、エチレングリコールと水とのモル分圧比(エチレングリコールのモル分圧/水のモル分圧)が0.2〜5000である混合ガスを供給することにより前記ポリエステルの固相重合を行い、該固相重合により得られたポリエステル樹脂を前記反応槽から排出する固相重合工程を含む、ポリエステル樹脂の製造方法である。
本発明では、固相重合させるポリエステル樹脂として、芳香族ジカルボン酸と脂肪族ジオールとの重縮合反応により得られた、固有粘度(IV)が0.40dL/g以上のポリエステルを用いる。このようなIV値を有するポリエステルは、好ましくはチタン化合物を含む触媒下で、芳香族ジカルボン酸と脂肪族ジオールとを重縮合させて得ることができる。
本発明においては、重縮合生成物の固有粘度は、固相重合時の粉の発生防止と固相重合時間の観点から、0.45dl/g以上が好ましく、0.48dl/g以上がより好ましい。ここでの固有粘度の上限値としては、溶融重合中の溶融粘度上昇による剪断発熱による熱分解でAV値が増加し易くなるのを回避する観点から、1.0dl/g以下が好ましく、更に好ましくは0.90dl/g以下、特に好ましくは0.80dl/g以下である。
IV値の調節は、用いる触媒のほか、液相重合時の重合温度や時間、真空度の調節により行なうことができる。
芳香族ジカルボン酸と脂肪族ジオールとを重縮合する際のエステル化反応において、触媒としては、チタン(Ti)化合物、アンチモン化合物、ゲルマニウム化合物、アルミニウム化合物等を使用できる。触媒の詳細については後述する。
固相重合させるポリエステル原料のAV値を下げる観点から、触媒としてTi化合物を用いるのが好ましい。この場合、Ti化合物の添加量は、Ti元素換算値が1ppm以上30ppm以下となる量が好ましく、より好ましくは2ppm以上20ppm以下となる量、さらに好ましくは3ppm以上15ppm以下の範囲となる量で重合を行なうことが好ましい。
Ti系化合物の量がTi元素換算で1ppm以上であると、重合速度が速くなり、好ましいIVが得られる。また、Ti化合物の量がTi元素換算で30ppm以下であると、溶融重合ポリエステルの末端COOH量を、好ましくは35eq/t以下、より好ましくは30eq/t以下、特に好ましく25eq/t以下の範囲を満足するように調節することが可能であり、また良好な色調が得られる。尚、本明細書において、「eq/t」は1トン当たりのモル当量を表す。
また、本発明では、芳香族ジカルボン酸と脂肪族ジオールの他に、カルボン酸基と水酸基との合計が3以上である多官能モノマー(以下、「3官能以上の多官能モノマー」又は「多官能モノマー」と記す場合がある。)を添加して重縮合反応させたポリエステルを用いることができる。
ここで、カルボン酸基の数(a)と水酸基の数(b)との合計(a+b)が3以上である多官能モノマーとしては、カルボン酸基の数(a)が3以上のカルボン酸並びにこれらのエステル誘導体や酸無水物等、水酸基数(b)が3以上の多官能モノマー、並びに「一分子中に水酸基とカルボン酸基の両方を有し、カルボン酸基の数(a)と水酸基の数(b)との合計(a+b)が3以上であるオキシ酸類」などを挙げることができる。
また、上述の多官能モノマーのカルボキシ末端に、l-ラクチド、d−ラクチド、ヒドロキシ安息香酸などのオキシ酸類及びその誘導体、そのオキシ酸類が複数個連なったもの等を付加させたものも好適に用いられる。また、これらは単独で用いても、必要に応じて、複数種類併用しても構わない。
Ti系触媒の例としては、テトラ−n−プロピルチタネート、テトラ−i−プロピルチタネート、テトラ−n−ブチルチタネート、テトラ−n−ブチルチタネートテトラマー、テトラ−t−ブチルチタネート、テトラシクロヘキシルチタネート、テトラフェニルチタネート、テトラベンジルチタネート等のチタンアルコキシド、チタンアルコキシドの加水分解により得られるチタン酸化物、チタンアルコキシドと珪素アルコキシドもしくはジルコニウムアルコキシドとの混合物の加水分解により得られるチタン−珪素もしくはジルコニウム複合酸化物、酢酸チタン、蓚酸チタン、蓚酸チタンカリウム、蓚酸チタンナトリウム、チタン酸カリウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸−水酸化アルミニウム混合物、塩化チタン、塩化チタン−塩化アルミニウム混合物、チタンアセチルアセトナート、有機酸を配位子とする有機キレートチタン錯体、等が挙げられる。
また、一般に、末端カルボキシル基量が多いほど耐加水分解性が悪化することが知られており、チタン、マグネシウム、リンを用い、これらをこの順に添加する構成にすると末端カルボキシル基量が少なくなることで、耐加水分解性の向上が期待される。
前記クエン酸キレートチタン錯体としては、例えば、ジョンソン・マッセイ社製のVERTEC AC−420など市販品として容易に入手可能である。
これにより、重合時の着色及びその後の溶融製膜時における着色が少なくなり、従来のアンチモン(Sb)触媒系のポリエステル樹脂に比べて黄色味が軽減され、また、透明性の比較的高いゲルマニウム触媒系のポリエステル樹脂に比べて遜色のない色調、透明性を持ち、しかも耐熱性に優れたポリエステル樹脂を提供できる。また、コバルト化合物や色素などの色調調整材を用いずに高い透明性を有し、黄色味の少ないポリエステル樹脂が得られる。
リン化合物としては、置換基として芳香環を有しない5価のリン酸エステルの少なくとも一種が好適に用いられる。本発明における5価のリン酸エステルとしては、例えば、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリ−n−ブチル、リン酸トリオクチル、リン酸トリス(トリエチレングリコール)、リン酸メチルアシッド、リン酸エチルアシッド、リン酸イソプロピルアシッド、リン酸ブチルアシッド、リン酸モノブチル、リン酸ジブチル、リン酸ジオクチル、リン酸トリエチレングリコールアシッド等が挙げられる。
マグネシウム化合物を含めることにより、静電印加性が向上する。この場合に着色がおきやすいが、本発明においては、耐熱性が改善され着色を抑えられているため、マグネシウム化合物を配合しても、色調の悪化の小さいものが得られる。
3ppm≦Ti元素量≦20ppm
50ppm≦P元素量 ≦90ppm
50ppm≦Mg元素量≦100ppm
(i)Z=5×(P含有量[ppm]/P原子量)−2×(Mg含有量[ppm]/Mg原子量)−4×(Ti含有量[ppm]/Ti原子量)
(ii)0≦Z≦5.0
これは、リン化合物はチタンに作用のみならずマグネシウム化合物とも相互作用することから、3者のバランスを定量的に表現する指標となるものである。
前記式(i)は、反応可能な全リン量から、マグネシウムに作用するリン分を除き、チタンに作用可能なリンの量を表現したものである。値Zが正の場合は、チタンを阻害するリンが余剰な状況にあり、逆に負の場合はチタンを阻害するために必要なリンが不足する状況にあるといえる。反応においては、Ti、Mg、Pの各原子1個は等価ではないことから、式中の各々のモル数に価数を乗じて重み付けを施してある。
エステル化反応を一段階で行なう場合、エステル化反応温度は230〜260℃が好ましく、240〜250℃がより好ましい。
エステル化反応を多段階に分けて行なう場合、第一反応槽のエステル化反応の温度は230〜260℃が好ましく、より好ましくは240〜250℃であり、圧力は1.0〜5.0kg/cm2が好ましく、より好ましくは2.0〜3.0kg/cm2である。第二反応槽のエステル化反応の温度は230〜260℃が好ましく、より好ましくは245〜255℃であり、圧力は0.5〜5.0kg/cm2、より好ましくは1.0〜3.0kg/cm2である。さらに3段階以上に分けて実施する場合は、中間段階のエステル化反応の条件は、前記第一反応槽と最終反応槽の間の条件に設定するのが好ましい。
重縮合は、エステル化反応で生成されたエステル化反応生成物を重縮合反応させて重縮合物を生成する。重縮合反応は、1段階で行なってもよいし、多段階に分けて行なうようにしてもよい。
(i)Z=5×(P含有量[ppm]/P原子量)−2×(Mg含有量[ppm]/Mg原子量)−4×(Ti含有量[ppm]/Ti原子量)
(ii)0≦Z≦5.0
本発明においては、上記同様の理由から、前記式(ii)は、1.0≦Z≦4.0を満たす場合が好ましく、1.5≦Z≦3.0を満たす場合がより好ましい。
重縮合後にペレットとしたときのb値 ≦ 4.0 ・・・(iii)
重縮合して得られたポリエステル樹脂をペレット化し、該ペレットのb値が4.0以下であることにより、黄色味が少なく、透明性に優れる。b値が3.0以下である場合、Ge触媒で重合したポリエステル樹脂と遜色ない色調になる。
色調変化速度[Δb/分]≦ 0.15 ・・・(iv)
重縮合して得られたポリエステル樹脂ペレットを、300℃で溶融保持した際の色調変化速度[Δb/分]が0.15以下であることにより、加熱下に曝された際の黄着色を低く抑えることができる。これにより、例えば押出機で押し出して製膜する等の場合に、黄着色が少なく、色調に優れたフィルムを得ることができる。
ポリエステル樹脂組成物のペレットを、射出成形機(例えば東芝機械(株)製のEC100NII)のホッパーに投入し、シリンダ内(300℃)で溶融保持させた状態で、その保持時間を変更してプレート状に成形し、このときのプレートb値をND−101D(日本電色工業(株)製)により測定する。b値の変化をもとに変化速度[Δb/分]を算出する。
固相重合工程では、反応槽内で固有粘度が0.40dl/g以上のポリエステル(エステル化反応生成物)を、固体状態のまま加熱処理するとともに、反応槽内にエチレングリコールと水と不活性ガスとを含み、エチレングリコールと水とのモル分圧比(エチレングリコールのモル分圧/水のモル分圧)が0.2〜5000である混合ガスを供給することによりポリエステルの固相重合を行い、該固相重合したポリエステルを反応槽から排出する。固相重合は、例えば、既述のエステル化反応により得たポリエステル又は市販のポリエステルをペレット状などの小片形状にし、これを用いて好適に行なえる。
上記のような観点から、PEG/PH2Oは、好ましくは0.5〜2000、更に好ましくは1〜1000である。
混合ガス中のエチレングリコールの濃度は10ppm以上1000ppm以下であり、かつ水の濃度は0.01ppm以上50ppm以下であることが好ましい。混合ガス中のエチレングリコールの濃度が上記範囲であれば、効率的にポリエステル樹脂の末端カルボキシル基を低減させることが可能な固相重合速度が得られ、水の濃度が上記範囲であれば、ポリエステル樹脂の末端カルボキシル基を効率的に低減させることが可能となる。
このような観点から、混合ガス中のエチレングリコールの濃度は、より好ましくはエチレングリコールの濃度が15ppm以上800ppm以下であり、かつ水の濃度が0.03ppm以上40ppm以下、更に好ましくはエチレングリコールの濃度が20ppm以上600ppm以下であり、かつ水の濃度が0.05ppm以上30ppm以下である。
上記燃焼時には、ロジウムを含む触媒、例えば、ロジウム−白金触媒を好適に用いることができる。
この場合は、燃焼後のガスに添加するエチレングリコール及び水の濃度を調整することで、反応槽10に供給する混合ガス中のPEG/PH2Oを0.2〜5000の範囲にすることができる。
反応槽から排出される1時間あたりのポリエステル樹脂に対して、反応槽へ供給する混合ガス量が0.05m3/kg以上であれば、効率的にポリエステル樹脂の末端カルボキシル基を低減させることが可能な固相重合速度が得られ、3m3/kg以下であれば、固相重合に必要なリアクター(反応槽)内のプラグフロー性が確保可能である。
固相重合後のポリエステル樹脂のIVが0.60dL/g以上であれば、分子量が低くなり過ぎず、密着界面で凝集破壊を起こして密着が低下することが抑制される。またIVが1.2dl/g以下であれば、製膜中の溶融粘度の上昇が抑制され、剪断発熱を受けても熱分解し難くなり、また球晶の生成が抑制される。そのため、AV値が効果的に低減して、末端COOH基の濃度を20当量/トン以下に抑えることができ、溶融押出時の押出特性の悪化や耐加水分解性を向上させることができる。
IVは、既述した方法と同様の方法で測定することができる。
本発明では、上記のようにして固相重合工程後に得られたポリエステル樹脂をフィルム状に成形して耐加水分解性に優れたポリエステルフィルムを得ることができる。本発明のポリエステルフィルムは、固相重合工程で得られたポリエステル樹脂を延伸してフィルム状にする延伸工程を設けて得られた(一軸又は二軸)延伸フィルムであることが好ましい。
前記固相重合工程後には、固相重合を終えたポリエステル樹脂を、所望の溶融押出機に投入して溶融押出し、例えば、厚みが50μm〜350μmであるフィルム状に成形する成形工程が設けられている態様が好ましい。
ここで、製膜時の温度条件としては、樹脂の温度が290℃以下であることが好ましく、樹脂の温度は特に好ましくは285℃以下である。
成形工程では、固相重合を終えたポリエステル樹脂に末端封止剤を添加して溶融押出しを行なうことが好ましい。末端封止剤とは、ポリエステルの末端のカルボキシル基と反応し、ポリエステルのカルボキシル末端量を減少させる添加剤である。
グリシジルエステル化合物の具体例としては、安息香酸グリシジルエステル、t−Bu−安息香酸グリシジルエステル、P−トルイル酸グリシジルエステル、シクロヘキサンカルボン酸グリシジルエステル、ペラルゴン酸グリシジルエステル、ステアリン酸グリシジルエステル、ラウリン酸グリシジルエステル、パルミチン酸グリシジルエステル、ベヘン酸グリシジルエステル、バーサティク酸グリシジルエステル、オレイン酸グリシジルエステル、リノール酸グリシジルエステル、リノレイン酸グリシジルエステル、ベヘノール酸グリシジルエステル、ステアロール酸グリシジルエステル、テレフタル酸ジグリシジルエステル、イソフタル酸ジグリシジルエステル、フタル酸ジグリシジルエステル、ナフタレンジカルボン酸ジグリシジルエステル、メチルテレフタル酸ジグリシジルエステル、ヘキサヒドロフタル酸ジグリシジルエステル、テトラヒドロフタル酸ジグリシジルエステル、シクロヘキサンジカルボン酸ジグリシジルエステル、アジピン酸ジグリシジルエステル、コハク酸ジグリシジルエステル、セバシン酸ジグリシジルエステル、ドデカンジオン酸ジグリシジルエステル、オクタデカンジカルボン酸ジグリシジルエステル、トリメリット酸トリグリシジルエステルおよびピロメリット酸テトラグリシジルエステルなどを挙げられ、これらは1種または2種以上を用いることができる。
このとき、帯状に吐出された溶融樹脂(メルト)の延伸前の厚みは、500μm以上6000μm以下の範囲であることが好ましい。この場合、その後の延伸処理を経ることで、厚手のポリエステルフィルムを作製することができる。ポリエステルフィルムの厚みは、50μm以上350μm以下が好ましい。延伸前の厚みが6000μm以下であることで、メルト押出し中に皺が発生し難くムラの発生が抑えられる。
また、延伸前の厚みが500μm以上であることで、必要なフィルムの剛性を得ることができる。
メルトの延伸前の厚みについては、500μm以上6000μm以下の範囲が好ましく、より好ましくは600μm以上5000μm以下の範囲であり、さらに好ましくは700μm以上4500μm以下の範囲である。
溶融された溶融樹脂(メルト)は、ギアポンプ、濾過器等を通して、押出ダイから押出す。このとき、単層で押出してもよいし、多層で押出してもよい。
上記工程の後には、押出成形されたポリエステルフィルム(未延伸フィルム)を2軸延伸することにより、延伸フィルムを好適に作製することができる。
ここで、面配向度は、ポリエステルフィルムの表面の結晶配向の度合いを示し、MD方向(横方向;Transverse Direction)とTD方向(縦方向;Machine Direction)の平均屈折率(n1)と厚み方向の屈折率(n2)との差(n2−n1の絶対値)により求められる値である。
また、面配向度の制御は、延伸時の縦及び又は横延伸倍率や延伸温度、熱固定温度、緩和率を調整することにより行なうことができる。
上記固相重合工程を経たポリエステル樹脂を用い、成形工程及び延伸工程を経ることで、耐加水分解性が高いポリエステルフィルムが得られる。また、上記固相重合工程を経たポリエステル樹脂を用い、特に、末端カルボン酸基量(AV)が3eq/ton以上20eq/ton以下のポリエステルフィルムを作製することによって、耐加水分解性が高く、かつ、表面の結晶化度分布が5%以上50%以下のポリエステルフィルムを製造することができる。ポリエステルフィルムの表面における結晶化度分布が5%以上であると、フィルムと塗布層との密着力を向上させることができ、50%以下であれば、フィルム中に弾性率分布が発現し難く、弾性率の弱い箇所に応力が集中して剥離することを抑制することができる。本発明のポリエステルフィルムの表面の結晶化度分布は、好ましくは7%以上30%以下、さらに好ましくは8%以上20%以下である。
本発明のポリエステルフィルムを例えば太陽電池用バックシートに用いる場合は、上記のように大きな測定領域間で結晶化度の分布を有することが特に有効となる。太陽電池は通常1m2程度の大きなサイズで使用されるため、この領域全般に亘って密着力を向上させることが必要であり、これには小さな周期の結晶化度分布よりも、大きな周期の結晶化度分布の方がバックシート全体における密着力の向上に有効となる。
なお、ポリエステルフィルムのサイズが30cm角未満であれば、均等に10箇所裁断してサンプルを採取し、各サンプルの結晶化度を測定して結晶化度分布を求めればよい。
このように高IVの樹脂を用いることにより上記結晶化度分布の形成を促す効果がある。即ち、高IVの樹脂は分子量が大きいことを意味し、このような分子は運動性が低下し、結晶形成速度が低下する。塗布層形成用塗布液の塗布後の乾燥による温度分布で結晶化度に分布を形成させる場合、温度が低い領域でも時間があれば結晶化し、温度が高い領域と同程度の結晶化度に達する。この際、ポリエステルフィルムのIVが0.70よりも低いと分子の運動性が高く結晶形成速度が速いため、延伸に伴う結晶形成時間中に低温領域でも結晶化が高温領域と同じ程度に結晶が生成し、結晶化度分布を形成し難い。一方、ポリエステルフィルムのIVが0.90を超えると、分子の運動性が低下し過ぎて、高温領域においても結晶化が生成し難くなり、高温領域と低温領域とで結晶形成に差ができ難くなる。
Tm’は結晶の一部が融解し再編成する温度を示している。この温度が異なる、即ち結晶状態が異なるポリエステル樹脂を用いることで、結晶化度分布を形成し易くなる。Tm’の分布が10℃を超えると前記結晶化度分布が50%を超え易く、Tm’の分布が1℃未満であると結晶化度分布が5%未満になり易い。
なお、平均Tm’は230℃以上263℃以下が好ましく、より好ましくは240℃以上260℃以下、さらに好ましくは245℃以上255℃以下である。
このようなTm’と、上記AVとによって相乗効果が得られ、より一層の密着力向上の効果が得られる。
・サンプル10mgをサンプルパンに入れ、10℃/分で昇温しながら300℃まで昇温する。
・200℃以上265℃の間に出現する吸熱ピークのうち、最高温度の吸熱量を示すピーク(Tm)の次に高い温度に現れるピークを結晶融解前ピーク(Tm’)とする。
・上記測定を任意に選んだ10粒のペレットに対して実施し、Tm’の最高温度と最低温度の差をTm’の温度分布とする。なお、Tm’の平均値は10点のTm’の平均値を示す。
さらに、スクリューの直径を140mm以上とすることで、1回転あたりの吐出量を多くできるため、回転数を低減することができ、摩擦力による結晶の破壊をより低減することができる。スクリュー直径が140mmを下回ると摩擦力が低減し難く、ポリエステルフィルムの結晶化度分布が5%を下回るおそれがある。一方、スクリュー直径が300mmを上回ると、結晶構造が残存しすぎて結晶化度分布が50%を上回るおそれがある。
このため多官能モノマーに由来する構成成分の含有比率が、ポリエステル中の全構成単位に対して、0.005モル%以上であれば、密着力がさらに向上し易い。一方、多官能モノマーに由来する構成成分の上記含有比率が2.6モル%以下であれば、ポリエステル中で結晶形成し、強度が低下し難く、その結果、凝集破壊を発現し難く、密着力を向上させることができる。
上記の弛緩処理の値は以下の方法によって算出される。
幅方向:横延伸時のテンター間最大幅(A)に対する熱固定ゾーン終了時のテンター幅
(B)、つまり100(A−B)/A(%)
長手方向:横延伸ゾーン終了時のフィルム速度(C)に対する熱固定ゾーン終了時のフ ィルム速度(D)、つまり100(C−D)/D(%)
これらの紫外線吸収剤のうち、繰り返し紫外線吸収に対する耐性が高いという点で、トリアジン系紫外線吸収剤がより好ましい。なお、これらの紫外線吸収剤は、上述の紫外線吸収剤単体でフィルムに添加してもよいし、有機系導電性材料や、非水溶性樹脂に紫外線吸収剤能を有するモノマーを共重合させた形態で導入してもよい。
本発明の太陽電池用バックシートは、既述の本発明のポリエステルフィルムを設けて構成したものであり、被着物に対して易接着性層、紫外線吸収層、光反射性のある白色層などの機能性層を少なくとも1層設けて構成することができる。既述のポリエステルフィルムを備えるので、長期使用時において安定した耐久性能を示す。
また、これらの塗設前に表面処理(火炎処理、コロナ処理、プラズマ処理、紫外線処理等)を実施してもよい。さらに、粘着剤を用いて貼り合わせることも好ましい。
本発明の太陽電池モジュールは、太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池素子を、太陽光が入射する透明性の基板と既述の本発明のポリエステルフィルム(太陽電池用バックシート)との間に配置して構成されている。基板とポリエステルフィルムとの間は、例えばエチレン−酢酸ビニル共重合体等の樹脂(いわゆる封止材)で封止して構成することができる。
本発明に係る太陽電池モジュールは、例えば、図2に示されるように、電気を取り出す金属配線(不図示)で接続された発電素子(太陽電池素子)3をエチレン・酢酸ビニル共重合体系(EVA系)樹脂等の封止材2で封止し、これを、ガラス等の透明基板4と、本発明のポリエステルフィルムを備えたバックシート1とで挟んで互いに張り合わせることにより構成されてもよい。
以下に示すように、テレフタル酸及びエチレングリコールを直接反応させて水を留去し、エステル化した後、減圧下で重縮合を行なう直接エステル化法を用いて、連続重合装置によりポリエステル樹脂を得た。
(1)エステル化反応
第一エステル化反応槽に、高純度テレフタル酸4.7トンとエチレングリコール1.8トンを90分かけて混合してスラリー形成させ、3800kg/hの流量で連続的に第一エステル化反応槽に供給した。更にクエン酸がTi金属に配位したクエン酸キレートチタン錯体(VERTEC AC−420、ジョンソン・マッセイ社製)のエチレングリコール溶液を連続的に供給し、反応槽内温度250℃、攪拌下で平均滞留時間約4.3時間で反応を行なった。このとき、クエン酸キレートチタン錯体を、Ti添加量がTi元素換算で9ppmとなるように連続的に添加した。このとき、得られたオリゴマーの酸価は600eq/トンであった。
上記で得られたエステル化反応生成物を連続的に第一重縮合反応槽に供給し、攪拌下、反応温度270℃、反応槽内圧力2.67×10−3MPa(20torr)で、平均滞留時間約1.8時間で重縮合させた。
また、後述する方法により、固相重合前での固有粘度(IV)及び末端COOH量を測定した。測定結果は、下記表1に示す。なお、表1中、「中部品温」とは、反応槽中央部における樹脂温度を意味する。
上記で重合したPETをペレット化(直径3mm、長さ7mm)し、得られた樹脂ペレット(IV=0.60dl/g、末端カルボキシル基濃度=25当量/トン)を、以下のようにして固相重合を実施した。
−予備結晶化工程−
固相重合は、既述のエステル化反応により重合したポリエステルを露点温度−30℃の窒素により140℃で7分間加熱し、固相重合時の固着を防止する目的で予備結晶化を行なった。
−乾燥工程−
次に露点温度−30℃の加熱窒素を用いて165℃で4時間乾燥させ、樹脂中の水分率を50ppm以下にした。
−予備加熱〜反応工程−
次に、乾燥させたポリエステル樹脂を205℃に予備加熱した後、図1に示すような構成を有する装置を用い、207℃で25時間窒素循環させることにより固相重合を進行させた。窒素循環条件としては、ガス比(排出する樹脂量に対する循環させる窒素ガス量)を1.5m3/kg、空塔速度0.08m/秒、エチレングリコール濃度240ppm、水濃度12ppm、エチレングリコールと水とのモル分圧比(エチレングリコールのモル分圧/水のモル分圧)20の窒素を用いることにより固相重合を進行させた。上記混合ガス組成とするため、エチレングリコールスクラバーには含水率100ppmの高純度なエチレングリコールを用い、また、スクラバーの温度を35℃とした。スクラバー内の圧力は、0.1MPa〜0.11MPaの範囲とした。
−冷却工程−
次に反応工程から排出される樹脂(500kg/h)を60℃まで冷却した。得られた樹脂はIV=0.78dl/g、末端カルボキシル基濃度=9当量/トンであった。
上記のように固相重合を終えた樹脂ペレットを、再び含水率50ppm以下に乾燥させた後、直径50mmの1軸混練押出機のホッパーに投入し、N2気流下、285℃で溶融して40m/分の速度で押出した。この溶融体(メルト)をギアポンプ、濾過器(孔径20μm)を通した後、下記条件のもとに、幅0.8mのダイから押出すと共に、10℃に温調された直径1.5mのキャストロール(冷却ロール)上でキャストした。
<条件>
[1]キャストロール上での冷却速度
キャストロール上のメルトが250℃から120℃に冷却するまでの間を、溶融ポリマーを表面温度20℃のキャスティングドラムにキャストし、エアー面を15℃のエアーを吹き付けて冷却する方法により強制冷却した。
[2]ダイから押出されたメルト(未延伸フィルム)の厚み
押出し機の吐出量、ダイのスリット高さを調整することにより、メルト厚みを3300μmに調節した。なお、メルト厚は、ダイ出口に設置したカメラで撮影し測定した。
上記方法で冷却ロール上に押出し、固化した未延伸フィルムに対し、以下の方法で逐次2軸延伸を施し、250μmの厚みのフィルムを得た。なお、延伸は、縦延伸を95℃で、横延伸を140℃で縦延伸、横延伸の順に行なった。その後、210℃で12秒間熱固定した後、205℃で横方向に3%緩和した。延伸後、両端を10cmずつトリミングした後、両端に厚み出し加工を施した後、直径30cmの樹脂製巻芯に3000m巻き付けた。なお、幅は1.5mであった。
<延伸方法>
(a)縦延伸
未延伸フィルムを周速の異なる2対のニップロールの間に通し、縦方向(搬送方向)に延伸した。なお、予熱温度を95℃、延伸温度を95℃、延伸倍率を3.5倍、延伸速度を3000%/秒として実施した。
(b)横延伸
縦延伸した前記フィルムに対し、テンターを用いて下記条件にて横延伸した。
<条件>
・予熱温度:110℃
・延伸温度:120℃
・延伸倍率:3.9倍
・延伸速度:70%/秒
上記で得られた固相重合前後のPETに対して、下記の測定、評価を行なった。測定、評価の結果は、下記表1に示す。
PETを、1,1,2,2−テトラクロルエタン/フェノール(=2/3[質量比])の混合溶液に溶解させ、ウベローデ型粘度計を用いて25℃での相対粘度η0を測定し、この相対粘度から求めた比粘度(ηsp)と濃度cからηsp/cを求め、3点法により固有粘度(IV)を算出した。
PET0.1gをベンジルアルコール10mlに溶解後、クロロホルムを加えた混合溶液にフェノールレッド指示薬を滴下し、これを基準液(0.01N KOH−ベンジルアルコール混合溶液)で滴定した。滴下量から末端カルボキシル基の濃度[当量/トン]を算出した。
PETフィルムをXD測定し、下記式からPETフィルムの表面における結晶配向度を求めた。
結晶配向度={2θ=23°((110)面)のピーク強度}/{2θ=25.8°((100)面)のピーク強度}
(4)結晶化度
ポリエステルシートの結晶化度は、ポリエステルの完全非晶時の密度dA=1.335、完全結晶時の密度dC=1.501、ポリエステルシート1の密度をdとして下記式により求めた。
結晶化度(%)={(d−dA)/(dC−dA)}×100
(5)結晶化度分布
サンプル中から任意に30cm角のフィルムを切り出した。
一辺(A辺)の端から5cm、15cm、25cmのところにA辺に平行に引いた線上と、直交するもう一辺(B辺)の端から7.5cm、22.5cmのところにB辺に平行に引いた線の交点を中心に2cm×5cmのサンプルを切り出す。この時5cmの辺がA辺と平行になるようにした。
この6枚のサンプルを多重反射型ATR−IR結晶子(KRS−5、入射角45度)に装着し、FT−IRを用い100回積算測定した。
下記式を用い各6サンプルの結晶バンド強度を求めた。
結晶バンド強度=1341cm−1の吸光度/1410cm−1の吸光度
※1341cm−1はエチレングリコール残基のトランス構造に由来し、結晶化度に比例する。1410cm−1のピークはベンゼン環に帰属し、これで割ることで規格化した。
6つの測定点のうち、結晶バンド強度の最大値と最小値の差を平均値で割り、百分率で表したものを結晶化度分布とした。
得られたPETペレットについて、スクリュー直径250mmの単軸押出機を用いて製膜温度285℃で2000kg/時間の吐出量で製膜を行なった。製膜時の状態を下記の評価基準にしたがって評価した。
<評価基準>
◎:膜揺れや静電印加ムラが無く、目視でフィルム面状の良好なものであった。
○:膜揺れや静電印加ムラは殆どみられず、目視でフィルム面状もほぼ良好なものであった。
△:膜揺れや静電印加ムラが僅かにみられ、目視でフィルム面状の悪化が見られるが、実使用上は問題ない程度であった。
×:膜揺れや静電印加ムラがみられ、目視でフィルム面状の悪化がみられた。
製膜〜延伸加工により得られたフィルムについて、120℃で100%の湿熱条件で所定の時間処理を行ない、その後JIS−K7127法により破断伸度測定を行なって、下記の評価基準にしたがって評価した。
<評価基準>
◎:破断伸度が未処理フィルムの50%にまで減少する時間が100時間を超えるもの
○:破断伸度が未処理フィルムの50%にまで減少する時間が90時間を超え100時間以下のもの
△:破断伸度が未処理フィルムの50%にまで減少する時間が80時間を超え90時間以下のもの
×:破断伸度が未処理フィルムの50%にまで減少する時間が80時間以下のもの
密着性は、以下のようにして評価した。フィルム表面を727J/m2 条件下でコロナ放電処理を行った。そして、この処理面に、下記組成からなる塗布液をバーコート法により塗布して下塗り層を形成した。ここで、塗布量は4.4cc/m2 とし、180℃で1分乾燥した。
・バインダ(ポリエステル樹脂、大日本インキ化学工業(株)製、ファインテックス ES−650、固形分29%) 44.9質量部
・架橋剤(日清紡(株)製、カルボジライトV−02−L2) 1.3質量部
・滑り剤(中京油脂(株)製、セロゾール524、固形分3%) 8.5質量部
・界面活性剤1(日本油脂(株)、ラピゾールB−90、アニオン性) 1.2質量部
・界面活性剤2(三洋化成工業(株)、ナロアクティー HN−100、ノニオン性)
0.1質量部
上記の各種材料を混合した液の中に、総量が1000質量部となるように蒸留水を添加して下塗り層用の塗布液とした。
◎:100/100(残存個数/測定個数)
○:90/100以上、100/100未満
△:70/100以上、90/100未満
×:70/100未満。
実施例1と溶融重合条件が同一の樹脂を用いて、下記固相重合を実施した。
−予備結晶化工程−
固相重合は、既述のエステル化反応により重合したポリエステルを露点温度−25℃の窒素により140℃で10分間加熱し、固相重合時の固着を防止する目的で予備結晶化を行なった。
−乾燥工程−
次に露点温度−40℃の加熱窒素を用いて170℃で5時間乾燥させ、樹脂中の水分率を50ppm以下にした。
−予備加熱〜反応工程−
次に、乾燥させたポリエステル樹脂を210℃に予備加熱した後、205℃で20時間窒素循環させることにより固相重合を進行させた。窒素循環条件としては、ガス比(排出する樹脂量に対する循環させる窒素ガス量)を1.0m3/kg、空塔速度0.05m/秒、エチレングリコール濃度100ppm、水濃度2ppm、エチレングリコールと水とのモル分圧比(エチレングリコールのモル分圧/水のモル分圧)50の窒素を用いることにより固相重合を進行させた。上記混合ガス組成とするため、反応槽から排出された窒素ガスを白金ロジウム触媒を用いて燃焼させた後にモレキュラーシーブによる脱湿度処理を行いガス中の水を排除した後、含水率10ppmの高純度エチレングリコールを窒素ガス中にミスト状に噴霧させた。
−冷却工程−
次に反応工程から排出される樹脂(450kg/h)を60℃まで冷却した。得られた樹脂はIV=0.76dl/g、末端カルボキシル基濃度=8当量/トンであった。
固相重合前樹脂及び固相重合条件を表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様の条件で固相重合を行い、固有粘度(IV)及び末端COOH(AV)を測定した。
測定結果に基づき、以下のように評価した。
◎:末端COOH基濃度が15eq/t未満かつIV=0.70〜1.00dl/g
○:末端COOH基濃度が15〜20eq/tかつIV=0.70〜1.00dl/g
△:末端COOH基濃度が20eq/t以下であるがIV=1.00dl/gを超えるものあるいは0.70dl/g未満のもの
×:末端COOH基濃度が20eq/t以下あるいはIV=0.60〜1.20dl/gの何れか一方でも満たさないもの
実施例1の押出成形工程において、下記の末端封止剤から選定して下記表2に記載の量を添加したこと以外は、実施例1と同様の条件により、ポリエステルフィルムの製膜を行った。末端封止剤を添加する場合には、含水率50ppm以下とした後、下記の末端封止剤から選定し表2記載の量を二軸押し出し機のフィード部分に添加した。なお、ここでいう添加量とはポリエステル樹脂に対する質量%を指す。
(a)カルボジイミド系化合物:ラインケミー社製スタバクゾールP100(表中に「CI」と記載)
(b)エポキシ系化合物:Hexion Speciality Cnemicals社製「カージュラE10P」(表中に「EP」と記載)
(c)オキサゾリン系化合物:日本触媒社製「エポクロスRPS−1005」(表中にOXと記載)
実施例1のエステル化工程において、原料組成中のテレフタル酸とエチレングリコールに加えて、下記から選定した多官能モノマーを下記表1に記載の量だけ添加したこと以外は、実施例1と同様にして固相重合を行い、それぞれ得られたペレットを用いてポリエステルフィルムを製膜した。なお、ここでいう添加量とは、ポリエステル樹脂中の全構成単位に対するモル%で示した。
3官能カルボン酸型:トリメリット酸(表1にTMAと記載)
4官能カルボン酸型:ベンゼンテトラカルボン酸(表1にBTCと記載)
5官能カルボン酸型:エタンペンタカルボン酸(表1にEPCと記載)
6官能カルボン酸型:シクロヘキサンヘキサカルボン酸(表1にCHCと記載)
3官能水酸基型:トリヒドロキシベンゼン(表1にTHBと記載)
4官能水酸基型:ペンタエリスリトール(表1にPEと記載)
実施例1のエステル化工程において、原料組成中のテレフタル酸とエチレングリコールに加えて、表1に記載の多官能ポリマーを添加したこと以外は実施例1と同様の条件により重縮合を行ってペレット(PET)を製造し、実施例1と同様の条件により固相重合を行った。次いで、押出成形工程において、PETペレットに対して表2に記載の末端封止剤を添加したこと以外は実施例1と同様の条件でポリエステルフィルムを製膜した。
2・・・封止剤
3・・・太陽電池素子
4・・・透明基板
10・・・反応槽
12・・・スクラバー
14・・・冷却手段
16・・・加熱手段
Claims (12)
- 芳香族ジカルボン酸と脂肪族ジオールとの重縮合反応により得られた、固有粘度が0.40dL/g以上1.0dL/g以下のポリエステルを反応槽内に供給して固体状態のまま加熱処理するとともに、前記反応槽内に、エチレングリコールと水と不活性ガスとを含み、エチレングリコールと水とのモル分圧比(エチレングリコールのモル分圧/水のモル分圧)が0.2〜5000である混合ガスを供給することにより前記ポリエステルの固相重合を行い、該固相重合により得られたポリエステル樹脂を前記反応槽から排出する固相重合工程を含む、ポリエステル樹脂の製造方法。
- 前記反応槽に供給する混合ガス中のエチレングリコールの濃度が10ppm以上1000ppm以下であり、かつ水の濃度が0.01ppm以上50ppm以下である請求項1に記載のポリエステル樹脂の製造方法。
- 前記固相重合工程の前に、前記芳香族ジカルボン酸と前記脂肪族ジオールを、チタン化合物を含む触媒下で重縮合反応させて、前記固有粘度が0.40dL/g以上1.0dL/g以下のポリエステルを生成する重縮合工程を含む請求項1又は請求項2に記載のポリエステル樹脂の製造方法。
- 前記反応槽から排出される1時間あたりのポリエステル樹脂に対して、前記反応槽に供給する混合ガス量が0.05〜3m3/kgである請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のポリエステル樹脂の製造方法。
- 前記反応槽から排出されたガスをスクラバー内に導入し、少なくともエチレングリコールを含む洗浄液によって洗浄し、該スクラバーから排出されたガスを前記混合ガスの少なくとも一部として前記反応槽内に供給する請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のポリエステル樹脂の製造方法。
- 前記反応槽から排出されたガスを燃焼し、該燃焼したガスに少なくともエチレングリコールを添加し、該少なくともエチレングリコールを添加した後のガスを前記混合ガスの少なくとも一部として前記反応槽内に供給する請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のポリエステル樹脂の製造方法。
- 前記反応槽から排出されたガスを、ロジウムを含む触媒を用いて燃焼させる請求項6に記載のポリエステル樹脂の製造方法。
- 前記固相重合工程の前に、前記芳香族ジカルボン酸と前記脂肪族ジオールの他に、カルボン酸基と水酸基との合計が3以上である多官能モノマーを添加して重縮合反応させて、前記固有粘度が0.40dL/g以上1.0dL/g以下のポリエステルを生成する重縮合工程を含む請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載のポリエステル樹脂の製造方法。
- 前記多官能モノマーを、ポリエステル中の全構成単位に対して、0.005モル%以上2.6モル%以下の範囲で添加する請求項8に記載のポリエステル樹脂の製造方法。
- 固有粘度が0.70dL/g以上0.9dL/g、かつ末端カルボキシル基濃度が20当量/トン以下のポリエステル樹脂を得る、請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載のポリエステル樹脂の製造方法。
- 請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載のポリエステル樹脂の製造方法により得られたポリエステル樹脂に、オキサゾリン系化合物、カルボジイミド化合物、及びエポキシ化合物から選ばれる少なくとも1種の末端封止剤を添加した原料をフィルム状に溶融押出し、冷却ロール上で冷却して未延伸フィルムに成形する成形工程と、
前記未延伸フィルムを長手方向及び該長手方向に直交する幅方向に延伸する延伸工程と、
を含む、ポリエステルフィルムの製造方法。 - 前記末端封止剤を、前記ポリエステル樹脂に対して、0.1質量%以上6質量%以下の範囲で添加する請求項11に記載のポリエステルフィルムの製造方法。
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