JP6075623B2 - ガスバリア性ポリエステル樹脂組成物、及びガスバリア性フィルム - Google Patents

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Description

本発明は、水蒸気バリア性及び酸素バリア性に優れるフィルムを提供することができる樹脂組成物、及び該樹脂組成物を硬化させてなるガスバリア性フィルム、及び該樹脂組成物をフィルム上で硬化させてなるガスバリア性フィルム積層体に関する。
また、本発明は、接着力、ガスバリア性に優れるフィルムを提供することができる樹脂組成物、及び該樹脂組成物を硬化させてなるガスバリア性フィルム、及び該樹脂組成物をフィルム上で硬化させてなるガスバリア性フィルム積層体に関する。
食品や飲料等の包装に代表的に用いられる包装材料は、様々な流通、冷蔵等の保存や加熱殺菌などの処理等から内容物を保護するため、強度や割れにくさ、耐レトルト性、耐熱性といった機能ばかりでなく、内容物を確認できるよう透明性に優れるなど多岐に渡る機能が要求されている。その一方で、ヒートシールにより袋を密閉する場合には、熱加工性に優れる無延伸のポリオレフィン類フィルムが必須であるが、無延伸ポリオレフィンフィルムには包装材料として不足している機能も多い。特に内容物の品質保持及び内容量保持という目的から高いバリア性が特に要求されている。このようなバリア包装材料は、通常、異種のポリマー材料、無機材料を積層させた複合フレキシブルフィルムとして用いられている。
バリア機能を多層フィルムに付与する際、内層(シーラント側)に用いる無延伸ポリオレフィンフィルム類にコーティングや蒸着によりバリア機能を付与することが困難である。そのため、外層側に用いている各種フィルム(ポリエチレンテレフタレート(以下PETと略す)等のポリエステル系樹脂や、ポリアミド樹脂、延伸ポリオレフィン樹脂)にバリア機能を付与することが多い。
これらの外層側フィルムにコーティングによりバリア機能を付与する場合、バリアコーティング材料としては、耐レトルト性及びガス又は水蒸気バリア性の高い塩化ビニリデンが多用されてきたが、廃棄の焼成時にダイオキシンが発生する等の問題がある。また、ポリビニルアルコール樹脂やエチレン−ポリビニルアルコール共重合体をバリアコーティング材料として用いた場合酸素バリア性は高いが、水蒸気バリア性が著しく低下する問題があった。また、シリカやアルミナ等の金属酸化物の蒸着層をガスバリア層として設けたフィルムは高価な上、柔軟性に乏しくクラック、ピンホールによりガスバリア性能がばらつく問題点がある。
ガスのうち水蒸気バリア性を有するシートとしては、例えば特許文献1には、環状オレフィンを樹脂組成に含むガスバリア性、耐衝撃性、剛性及び耐熱性に優れたシート及びそのシートで形成された容器が記載されている。
また、特許文献2には、塩化ビニリデン系共重合体を含有するフィルム又はシートである材料が記載されている。
トリシクロデカン骨格を有する材料に関しては、例えば特許文献3には、縮合型脂環式構造を有するマレイミド化合物を使用した例があり、得られるシール剤にガスバリア性を付与できることが記載されている。
また、特許文献4には、透明無機蒸着フィルム用接着剤、アンカーコート剤として、ポリウレタンを開発し、ポリウレタン原料としてポリエステルポリオールを使用しており、グリコール成分としてトリシクロデカンジメタノールを使用することが記載されている。
特開2001−316558号広報 特開2011−212983号広報 特開2006−176576号広報 特開2006−213860号広報
本発明が解決しようとする課題は、酢酸エチル、メチルエチルケトン等への汎用溶剤への溶解性を有し、水蒸気バリア性及び酸素バリア性のガスバリア性に優れるポリエステル樹脂を主体とするガスバリア性ポリエステル樹脂組成物、及び該樹脂組成物をフィルムに塗布したガスバリア性フィルム及びガスバリアフィルム積層体を提供することにある。
本発明者らは、エチレングリコール、グリセロール、無水フタル酸及び/又はオルトフタル酸を主構成としたポリエステルポリオールであって、モノマーのアルコール成分であるグリセロールとエチレングリコールとのモル比が1:3〜1:0.33の範囲で仕込み重縮合したポリエステルポリオールと、これと反応しうる硬化剤とを含有するガスバリア性ポリエステル樹脂組成物により、上記課題を解決した。
即ち本発明は、ポリエステルポリオール、硬化剤を含有してなるガスバリア性ポリエステル樹脂組成物であって、該ポリエステルポリオールが、
1)エチレングリコール、グリセロール、無水フタル酸及び/又はオルトフタル酸を主構成とした重縮合物、
2)エグリセロールとエチレングリコールとのモル比が1:3〜1:0.33の範囲、
である、ガスバリア性ポリエステル樹脂組成物を提供する。
本発明により酢酸エチル、メチルエチルケトン等への汎用溶剤への溶解性に優れ、ガスバリア性に優れるポリエステル樹脂組成物を提供できる。
また、本発明には前記ガスバリア性ポリエステル樹脂組成物を硬化させてなる樹脂層で構成されたガスバリアフィルムも含まれる。このフィルムは、例えば、少なくとも前記ガスバリア性ポリエステル樹脂組成物を硬化させてなる層と基材フィルム層とを有するガスバリア性複合フィルムであれば制限はない。
さらに、本発明には前記ガスバリア性ポリエステル樹脂組成物を硬化させてなる樹脂層で構成されたガスバリアフィルムも含まれる。
即ち、本発明は、以下の各項目から構成される。
1.ポリエステルポリオール、硬化剤を含有してなるガスバリア性ポリエステル樹脂組成物であって、該ポリエステルポリオールが、
1)エチレングリコール、グリセロール、オルトフタル酸又はその無水物を主構成とした重縮合物、
2)グリセロールとエチレングリコールとのモル比が1:3〜1:0.33の範囲、
である、ガスバリア性ポリエステル樹脂組成物、
2.該ポリエステルポリオールの数平均分子量が450〜3000の範囲である1.に記載のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物、
3.前記硬化剤がイソシアネート化合物である1.又は2.に記載のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物。
4.1.〜3.の何れかに記載のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物を硬化させてなるガスバリア性コーティング剤、
5.1.〜3.の何れかに記載のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物を硬化させてなるガスバリア性接着剤、
6.1.〜3.の何れかに記載のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物を硬化させた樹脂層を有するガスバリア性フィルム。
本発明で用いるポリエステルポリオールは、エチレングリコール、グリセロール、無水フタル酸及び/又はオルトフタル酸を主構成とした重縮合物である。これらのモノマーの主構成とは、ポリエステルポリオールを構成する全モノマーの内70モル%以上、好ましくは80モル%以上がエチレングリコール、グリセロール、無水フタル酸及び/又はオルトフタル酸から構成されることが好ましい。
(二価アルコール;エチレングリコール)
本発明では、二価アルコールとしてエチレングリコールを主成分として用いる必要がある。エチレングリコールはアルコール間の炭素数が2と少ないことにより、これ以上の長鎖アルキルを骨格に持つポリエステルポリオールと比べ、分子間の自由体積孔が小さいことで分子が通過しにくく水蒸気、酸素を中心としたガスに対するバリア機能を付与しやすい。その一方で最低限の柔軟性を付与することで分子に一定の溶解性も与えることができるため、コーティング材料、接着剤として使用する際に高い溶剤溶解性を付与することができる。従って、二価アルコール成分としてはエチレングリコールを主成分として用いる必要がある。
(エチレングリコール以外の2価アルコール成分)
本発明では発明の効果、特にガスバリア機能を損なわない範囲で、エチレングリコール以外の2価アルコール成分を用いても差し支えない。アルキル鎖があまりに長くなるとバリア機能が低下する可能性があるので、炭素原子数2〜6のアルキレンジオールが許容される。これらの化合物としてはプロピレングリコール、ブチレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,5−ペンタンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、メチルペンタンジオール、ジメチルブタンジオール等のジオールを例示することができる。この際の2価アルコール成分全体の10質量%以下であることが好ましい。
(三価アルコール;グリセロール)
本発明では、三価アルコールとしてグリセロールを成分として用いる必要がある。グリセロールは三価であることによりポリエステルポリオールに架橋点を付与し分子鎖間距離を狭めることで水蒸気、酸素を中心としたバリア機能を付与することができる。グリセロールは三官能としては最短のアルキル鎖長で且つアルキル側鎖を持たないことも好適に用いられる理由である。
(グリセロール以外の三価以上の多価アルコール)
本発明では発明の効果、特にガスバリア機能を損なわない範囲で、グリセロール以外の3価以上の多価アルコール成分を用いても差し支えない。エリスリトール、ペンタエリトール、ジペンタエリスリトール、マンニトール等を例示することができる。これらは、バリア機能の低下やゲル化防止の観点から、三価以上のアルコール成分全体の10質量%以下であることが好ましい。
(グリセロールとエチレングリコールとの使用比率)
本発明では多価アルコール成分のうち、グリセロールとエチレングリコールとのモル比はバリア機能と、合成時のゲル化防止とのバランスの観点から1:3〜1:0.33である必要がある。エチレングリコールの比率がここから外れ低くなると合成工程で3官能のグリセロールが多く含まれることにより合成の際にゲル化が起きるリスクが高くなる。また逆にエチレングリコールの比率がここから外れ高くなると、相対的にグリセロールの含有率が低くなりポリエステルポリオールの架橋点密度が低くなることでガスバリア機能が十分に発揮できない問題がある。さらに優れたゲル化防止とバリア機能とのバランスの観点からは好ましくはグリセロールとエチレングリコールとのモル比は1:1.5〜1:0.67の範囲である。
(ジカルボン酸;オルトフタル酸又はその無水物)
本発明ではジカルボン酸成分としてオルトフタル酸又はその無水物を用いる必要がある。
カルボン酸がオルト位に置換された芳香族多価カルボン酸又はその無水物は、ベンゼン環同士のスタッキングにより、分子間の自由体積孔が小さくガスバリア機能を付与しやすい。また、置換位置がオルト位であることにより分子鎖の回転運動が抑制されることでも高いバリア機能が付与される。加えて、非対称構造をとることにより汎用溶媒への溶解性が担保される特徴もある。
(オルトフタル酸又はその無水物以外のジカルボン酸)
本発明では、オルトフタル酸又はその無水物以外のジカルボン酸が一部に含有されていても差し支えない。中でも芳香環にオルトフタル配向した化合物であるナフタレン2,3−ジカルボン酸又はその無水物、ナフタレン1,2−ジカルボン酸又はその無水物、アントラキノン2,3−ジカルボン酸又はその無水物、及び2,3−アントラセンカルボン酸又はその無水物等、オルトフタル酸、ナフタレン2,3−ジカルボン酸、ナフタレン1,2−ジカルボン酸、アントラキノン2,3−ジカルボン酸やこれらの化合物の一部に置換基を有する化合物を併用してもバリア機能や溶媒溶解性に対する影響が少なく差し支えない。
(その他のカルボン酸化合物)
本発明では、発明の効果、特にガスバリア機能を損なわない範囲で他のカルボン酸化合物を併用してもよい。特に植物油系の化合物を併用すると原料の生物由来成分を増加させることが可能となる。具体的な例としては、椰子油、菜種油、胡麻油、コーン油、オリーブ油、コーン油等や、これらを構成する飽和脂肪酸であるラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸や、不飽和脂肪酸であるリノール酸、オレイン酸、ドコサペンタエン酸、ドコサヘキサエン酸、バクセン酸等を例示することができる。
(ポリエステルポリオールの製造方法)
製造方法の具体的な例を示すと、原材料として用いるエチレングリコールと、グリセロールと、オルトフタル酸またはその無水物を一括して仕込んだ後、攪拌混合しながら昇温し、脱水縮合反応させる。或いは、各々の原料を多段階に分けて反応させてもよい。また、反応温度にて揮発したエチレングリコール等のジオール成分を追加しながら、水酸基価を目標値の±5%以内に入るように調製してもよい。
反応は無触媒でも進行させることができるが、触媒を用いても良い。反応に用いられる触媒としては、モノブチル酸化錫、ジブチル酸化錫等錫系触媒、テトラ−イソプロピル−チタネート、テトラ−ブチル−チタネート等のチタン系触媒、テトラ−ブチル−ジルコネート等のジルコニア系触媒等の酸触媒が挙げられる。エステル反応に対する活性が高い、テトラ−イソプロピル−チタネート、テトラ−ブチル−チタネート等の上記チタン系触媒と上記ジルコニア触媒を組み合わせて用いることが好ましい。前記触媒量は、使用する反応原料全質量に対して1〜1000ppm用いられ、より好ましくは10〜100ppmである。1ppmを下回ると触媒としての効果が得られにくく、1000ppmを上回ると後のウレタン化の反応を阻害する傾向がある。
(ポリエステルポリオールの分子量)
ポリエステルポリオールの数平均分子量は、ガスバリア素材としての特性と満たすことができれば特に制限はない。好ましい範囲としては450〜3000で、更に好ましくは500〜2500の範囲である。分子量が450よりも小さいと相対的に分子量が小さい硬化剤量が多くなりすぎることで、用途がラミネート用接着剤の場合はトンネリング等の問題が生じやすくなる可能性がある。その一方で分子量が3000を超えると、酢酸エチルやメチルエチルケトン等の汎用溶媒への溶解性が悪くなり、コーティング材料や接着剤として使用しにくくなる可能性がある。
本発明で使用するポリエステルポリオールは、ガラス転移温度が−30℃〜70℃の範囲が好ましい。より好ましくは−20℃〜50℃である。ガラス転移温度が70℃よりも高すぎる場合、室温付近でのポリエステル樹脂の柔軟性が低くなることにより、基材への密着性が劣る傾向がある。一方−30℃寄りも低すぎる場合、常温付近でのポリエステル樹脂の分子運動が激しいことにより十分なガスバリア性が出ないおそれがある。
(硬化剤)
本発明で使用する硬化剤は、前記ポリエステルポリオールの水酸基と反応しうる硬化剤であれば特に限定はなく、ポリイソシアネートやエポキシ化合物等の公知の硬化剤を使用できる。中でも、接着性や耐レトルト性の観点から、ポリイソシアネートを使用することが好ましい。
ポリイソシアネート化合物としては芳香族、脂肪族のジイソシアネート、3価以上のポリイソシアネートがあり、低分子化合物、高分子化合物のいずれでもよい。たとえば、テトラメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、トルエンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、水素添加ジフェニルメタンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、水素添加キシリレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート或いはこれらのイソシアネート化合物の3量体、およびこれらのイソシアネート化合物の過剰量と、たとえばエチレングリコール、プロピレングリコール、メタキシリレンアルコール、1,3−ビスヒドロキシエチルベンゼン、1,4−ビスヒドロキシエチルベンゼン、トリメチロールプロパン、グリセロール、ペンタエリスリトール、エリスリトール、ソルビトール、エチレンジアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メタキシリレンジアミンなどの低分子活性水素化合物およびそのアルキレンオキシド付加物、各種ポリエステル樹脂類、ポリエーテルポリオール類、ポリアミド類の高分子活性水素化合物などと反応させて得られるアダクト体が挙げられる。
イソシアネート化合物としてはブロック化イソシアネートであってもよい。イソシアネートブロック化剤としては、例えばフェノール、チオフェノール、メチルチオフェノール、エチルチオフェノール、クレゾール、キシレノール、レゾルシノール、ニトロフェノール、クロロフェノールなどのフェノール類、アセトキシム、メチルエチルケトオキシム、シクロヘキサノンオキシムなそのオキシム類、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール類、エチレンクロルヒドリン、1,3−ジクロロ−2−プロパノールなどのハロゲン置換アルコール類、t−ブタノール、t−ペンタノール、などの第3級アルコール類、ε−カプロラクタム、δ−バレロラクタム、γ−ブチロラクタム、β−プロピロラクタムなどのラクタム類が挙げられ、その他にも芳香族アミン類、イミド類、アセチルアセトン、アセト酢酸エステル、マロン酸エチルエステルなどの活性メチレン化合物、メルカプタン類、イミン類、尿素類、ジアリール化合物類重亜硫酸ソーダなども挙げられる。ブロック化イソシアネートは上記イソシアネート化合物とイソシアネートブロック化剤とを従来公知の適宜の方法より付加反応させて得られる。
また、本発明で用いるポリエステル樹脂の末端にカルボン酸が残存した場合には、エポキシ化合物を硬化剤として用いることが出来る。エポキシ化合物としてはビスフェノールAのジグリシジルエーテルおよびそのオリゴマー、水素添加ビスフェノールAのジグリシジルエーテルおよびそのオリゴマー、オルソ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、テレフタル酸ジグリシジルエステル、p−オキシ安息香酸ジグリシジルエステル、テトラハイドロフタル酸ジグリシジルエステル、ヘキサハイドロフタル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、アジピン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、エチレングリコールジグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、1,4−ブタンジオールジグリシジルエーテル、1,6−ヘキサンジオールジグリシジルエーテルおよびポリアルキレングリコールジグリシジルエーテル類、トリメリット酸トリグリシジルエステル、トリグリシジルイソシアヌレート、1,4−ジグリシジルオキシベンゼン、ジグリシジルプロピレン尿素、グリセロールトリグリシジルエーテル、トリメチロールエタントリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールテトラグリシジルエーテル、グリセロールアルキレンオキサイド付加物のトリグリシジルエーテルなどを挙げることができる。
エポキシ化合物を硬化剤として用いる場合には、硬化を促進する目的で汎用公知のエポキシ硬化促進剤を本発明の目的であるガスバリア性が損なわれない範囲で適宜添加してもよい。
中でも、硬化剤が前記ポリイソシアネートであることが好ましく、前記メタキシレン骨格を含むポリイソシアネートであると、ウレタン基の水素結合だけでなく芳香環同士のπ−πスタッキングによってガスバリア性を向上させることが出来るという理由から好ましい。又、前記トルエン骨格を含むポリイソシアネートや、ジフェニルメタン骨格を含有するポリイソシアネートであっても同様の効果によりガスバリア性を向上させることが出来るという理由から好ましい。
前記ポリエステルポリオールと前記硬化剤とは、水酸基と硬化剤の反応成分とが1/0.5〜1/5(当量比)となるように配合することが好ましく、より好ましくは1/1〜1/3である。該範囲を超えて硬化剤成分が過剰な場合、余剰な硬化剤成分が残留することで接着後に接着層からブリードアウトするおそれがあり、一方硬化剤成分が不足のばあいには接着強度不足のおそれがある。
前記硬化剤は、その種類に応じて選択された公知の硬化剤或いは促進剤を併用することもできる。例えば接着促進剤としては、加水分解性アルコキシシラン化合物等のシランカップリング剤、チタネート系カップリング剤、アルミニウム系等のカップリング剤、エポキシ樹脂等が挙げられる。シランカップリング剤やチタネート系カップリング剤は、各種フィルム材料に対する接着剤を向上させる意味でも好ましい。
(その他の成分)
本発明のポリエステル樹脂組成物は、ガスバリア性を損なわない範囲で、各種の添加剤を配合してもよい。添加剤としては、例えば、シリカ、アルミナ、マイカ、タルク、アルミニウムフレーク、ガラスフレークなどの無機充填剤、ガスバリア機能を向上させるための層状無機化合物、安定剤(酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤等)、可塑剤、帯電防止剤、滑剤、ブロッキング防止剤、着色剤、フィラー、結晶核剤等が例示できる。ガスバリア機能を向上させるための層状無機化合物としては、例えば、含水ケイ酸塩(フィロケイ酸塩鉱物等)、カオリナイト族粘土鉱物(ハロイサイト、カオリナイト、エンデライト、ディッカイト、ナクライト等)、アンチゴライト族粘土鉱物(アンチゴライト、クリソタイル等)、スメクタイト族粘土鉱物(モンモリロナイト、バイデライト、ノントロナイト、サポナイト、ヘクトライト、ソーコナイト、スチブンサイト等)、バーミキュライト族粘土鉱物(バーミキュライト等)、雲母又はマイカ族粘土鉱物(白雲母、金雲母等の雲母、マーガライト、テトラシリリックマイカ、テニオライト等)が挙げられる。これらの鉱物は天然粘土鉱物であっても合成粘土鉱物であってもよい。
また、硬化塗膜の耐酸性を向上させる方法として公知の酸無水物を併用することもできる。酸無水物としては、例えば、フタル酸無水物、コハク酸無水物、ヘット酸無水物、ハイミック酸無水物、マレイン酸無水物、テトラヒドロフタル酸無水物、ヘキサヒドラフタル酸無水物、テトラプロムフタル酸無水物、テトラクロルフタル酸無水物、トリメリット酸無水物、ピロメリット酸無水物、ベンゾフェノテトラカルボン酸無水物、2,3,6,7−ナフタリンテトラカルボン酸2無水物、5−(2,5−オキソテトラヒドロフリル)−3−メチル−3−シクロヘキセン−1,2−ジカルボン酸無水物、スチレン無水マレイン酸共重合体等が挙げられる。
本発明のポリエステル樹脂組成物は、水蒸気バリア、酸素バリア機能を持つためよりバリア機能を継続させたい場合には必要に応じて、水蒸気捕捉機能または酸素捕捉機能を有する化合物等を添加してもよい。水蒸気捕捉機能を有する化合物としては、例えば、シリカゲル類、珪酸カルシウム、ゼオライト、炭酸カルシウム、活性炭等の無機化合物が例示される。またセルロース系化合物、例えば、カルボキシメチルセルロールやその金属塩、ポリカルボン酸、綿等の有機化合物も挙げられる。また、酸素捕捉機能を有する化合物としては、例えば、ヒンダードフェノール類、ビタミンC、ビタミンE、有機燐化合物、没食子酸、ピロガロール等の酸素と反応する低分子有機化合物や、コバルト、マンガン、ニッケル、鉄、銅等の遷移金属化合物等が挙げられる。
また、塗布直後の各種フィルム材料に対する粘着性を向上させるために、必要に応じてキシレン樹脂、テルペン樹脂、フェノール樹脂、ロジン樹脂などの粘着付与剤を添加しても良い。これらを添加する場合には、エポキシ樹脂とエポキシ樹脂硬化剤の総量100質量部に対して0.01〜5質量部の範囲が好ましい。
(ポリエステル樹脂組成物を硬化させてなるガスバリアフィルムの形態)
本発明のポリエステル樹脂組成物を硬化させてなるガスバリアフィルムは、ポリエステル樹脂組成物塗工液を基材となるフィルムに塗布、硬化させることによって得られる。塗工液は溶剤型又は無溶剤型のいずれの形態であってもよい。溶剤型の場合、溶剤はポリエステル樹脂及び硬化剤の製造時に反応媒体として使用され、更に塗装時に希釈剤として使用される。使用できる溶剤としては例えば酢酸エチル、酢酸ブチル、セロソルブアセテート等のエステル類、アセトン、メチルエチルケトン(MEK)、イソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル類、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、メチレンクロリド、エチレンクロリド等のハロゲン化炭化水素類、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホアミド等が挙げられる。特に本発明のポリエステル樹脂組成物はポリエステルポリオールがこれらのうちドライラミネート用の接着剤に汎用で用いられている酢酸エチルやメチルエチルケトン溶剤への溶解性に優れることから、酢酸エチルやメチルエチルケトンを使用するのが好ましい。
本発明のポリエステル樹脂の塗工方法としては特に限定はなく公知の方法で行えばよい。例えば、粘度が調整できる溶剤型の場合は、グラビアロール塗工方式等で塗布することが多い。また無溶剤型で、室温での粘度が高くグラビアロール塗工が適さない場合は、加温しながらロールコーターで塗工することもできる。ロールコーターを使用する場合は、本発明のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物の粘度が500〜2500mPa・s程度となるように室温〜120℃程度まで加熱した状態で、塗工することが好ましい。
本発明のポリエステル樹脂組成物は、ガスバリア性ポリエステル樹脂組成物として、ポリマー、紙、金属などに対し、ガスバリア性を必要とする各種用途のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物としても使用できる。以下具体的用途の1つとしてフィルムラミネート用ガスバリア性ポリエステル樹脂組成物について説明する。
本発明のポリエステル樹脂組成物を硬化されてなるガスバリアフィルムは、フィルムラミネート用ガスバリア性フィルムとして使用できる。
本発明で使用する積層用のフィルムは、特に限定はなく、所望の用途に応じた熱可塑性樹脂フィルムを適宜選択することができる。例えば食品包装用としては、PETフィルム、ポリスチレンフィルム、ポリアミドフィルム、ポリアクリロニトリルフィルム、ポリエチレンフィルム(LLDPE:低密度ポリエチレンフィルム、HDPE:高密度ポリエチレンフィルム)やポリプロピレンフィルム(CPP:無延伸ポリプロピレンフィルム、OPP:二軸延伸ポリプロピレンフィルム)等のポリオレフィンフィルム、ポリビニルアルコールフィルム、エチレン−ビニルアルコール共重合体フィルム等が挙げられる。これらは延伸処理を施してあってもよい。延伸処理方法としては、押出成膜法等で樹脂を溶融押出してシート状にした後、同時二軸延伸或いは逐次二軸延伸を行うことが一般的である。また逐次二軸延伸の場合は、はじめに縦延伸処理を行い、次に横延伸を行うことが一般的である。具体的にはロール間の速度差を利用した縦延伸とテンターを用いた横延伸を組み合わせる方法が多く用いられる。
また、フィルム表面には、膜切れやはじきなどの欠陥のない接着層が形成されるように必要に応じて火炎処理やコロナ放電処理などの各種表面処理を施してもよい。
前記熱可塑性樹脂フィルムの一方に本発明のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物を塗布した後に乾燥工程、エージング工程を経ることで得られた本発明のポリエステル樹脂組成物を硬化させてなるガスバリアフィルムを公知のドライラミネート接着剤を用いて、もう一方の熱可塑性樹脂フィルムを重ねてラミネーションにより貼り合わせることで、ガスバリア性フィルムが得られる。ラミネーション方法には、ドライラミネーション、ノンソルベントラミネーション、押出しラミネーション等公知のラミネーションを用いることが可能である。ドライラミネーション方法は、具体的には、基材フィルムの一方に本発明のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物をグラビアロール方式で塗工後、もう一方の基材フィルムを重ねてドライラミネーション(乾式積層法)により貼り合わせる。ラミネートロールの温度は室温〜60℃程度が好ましい。またノンソルベントラミネーションは基材フィルムに予め室温〜120℃程度に加熱しておいた本発明のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物を室温〜120℃程度に加熱したロールコーターなどのロールにより塗布後、直ちにその表面に新たなフィルム材料を貼り合わせることによりラミネートフィルムを得ることができる。ラミネート圧力は、10〜300kg/cm程度が好ましい。
押出しラミネート法の場合には、基材フィルムに接着補助剤(アンカーコート剤)として本発明のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物の有機溶剤溶液をグラビアロールなどのロールにより塗布し、室温〜140℃で溶剤の乾燥、硬化反応を行なった後に、押出し機により溶融させたポリマー材料をラミネートすることによりラミネートフィルムを得ることができる。溶融させるポリマー材料としては低密度ポリエチレン樹脂や直線状低密度ポリエチレン樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂などのポリオレフィン系樹脂が好ましい。
また、本発明のガスバリア性フィルムは、作製後エージングを行うことが好ましい。エージング条件は、硬化剤としてポリイソシアネートを使用する場合であれば、室温〜80℃で、12〜240時間の間であり、この間に、ポリエステル樹脂と硬化剤とが反応し、接着強度が生じる。
本発明では、さらに高いバリア機能を付与するために、必要に応じてアルミニウム等の金属、或いはシリカやアルミナ等の金属酸化物の蒸着層を積層したフィルムを併用してもよい。
本発明のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物は、同種又は異種の複数の樹脂フィルムを接着してなる積層フィルム用のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物として好ましく使用できる。樹脂フィルムは、目的に応じて適宜選択すればよいが、例えば包装材として使用する際は、最外層をPET、OPP、ポリアミドから選ばれた熱可塑性樹脂フィルムを使用し、最内層を無延伸ポリプロピレン(以下CPPと略す)、低密度ポリエチレンフィルム(以下LLDPEと略す)から選ばれる熱可塑性樹脂フィルムを使用した2層からなる複合フィルム、或いは、例えばPET、ポリアミド、OPPから選ばれた最外層を形成する熱可塑性樹脂フィルムと、OPP、PET、ポリアミドから選ばれた中間層を形成する熱可塑性樹脂フィルム、CPP、LLDPEから選ばれた最内層を形成する熱可塑性樹脂フィルムを使用した3層からなる複合フィルム、さらに、例えばOPP、PET、ポリアミドから選ばれた最外層を形成する熱可塑性樹脂フィルムと、PET、ナイロンから選ばれた第1中間層を形成する熱可塑製フィルムとPET、ポリアミドから選ばれた第2中間層を形成する熱可塑製フィルム、LLDPE、CPPから選ばれた最内層を形成する熱可塑性樹脂フィルムを使用した4層からなる複合フィルムは、酸素及びガスバリア性フィルムとして、食品包装材として好ましく使用できる。このように本発明のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物の用途はPET/CPPフィルムには限定されずに広く用いることができる。
本発明のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物は高いガスバリア性を有する事を特徴としていることから、該ガスバリア性ポリエステル樹脂組成物により形成されるラミネートフィルムは、PVDCコート層やポリビニルアルコール(PVA)コート層、エチレン‐ビニルアルコール共重合体(EVOH)フィルム層、メタキシリレンアジパミドフィルム層、アルミナやシリカなどを蒸着した無機蒸着フィルム層などの一般に使用されているガスバリア性材料を使用することなく非常に高いレベルのガスバリア性が発現する。また、これら従来のガスバリア性材料とシーラント材料とを貼り合せるガスバリア性ポリエステル樹脂組成物として本発明品を併用することにより、得られるフィルムのガスバリア性を著しく向上させることもできる。
また、本発明のガスバリア性ポリエステル樹脂組成物についても、前記ガスバリア性ポリエステル樹脂組成物と同様にして用いることができる。
(その他の遮断ガス)
本発明のガスバリア用多層フィルムが遮断できるガスとしては水蒸気、酸素のほか、二酸化炭素、窒素、アルゴン等の不活性ガス、メタノール、エタノール、プロパノール等のアルコール成分、フェノール、クレゾール等のフェノール類の他、低分子化合物からなる香気成分類、例えば、醤油、ソース、味噌、レモネン、メントール、サリチル酸メチル、コーヒー、ココアシャンプー、リンス、等の香り成分を例示することができる。
(生物由来原料)
また、本発明の樹脂組成物の主原料として用いられるグリセロール、エチレングリコールは生物由来原料が広く市販されているためこれらを用いても差し支えない。これらは再生可能原料であるため省資源の観点から好ましく用いることができる。
次に、本発明を、実施例及び比較例により具体的に説明をする。例中断りのない限り、「部」「%」は質量基準である。また、グリセリン(GLY)、フタル酸系化合物(oPA)、エチレングリコール(EG)の略称をもちいている。またそれぞれの略称の後の数字はモル比を示している。従って、例えば「GLY1oPA2EG2」のポリエステルポリオールのモル比は、グリセリン:無水フタル酸類:エチレングリコール=1:2:2であることを意味している。
(製造例1)
グリセロールとオルトフタル酸とエチレングリコールからなるポリエステルポリオール「GLY1oPA2EG2」の製造方法
攪拌機、窒素ガス導入管、スナイダー管、コンデンサーを備えたポリエステル反応容器に、グリセロールを92.09部、無水フタル酸296.2部、エチレングリコール124.1部、及びチタニウムテトライソプロポキシド0.05部を仕込み、精留管上部温度が100℃を超えないように徐々に加熱して内温を220℃に保持した。酸価が1mgKOH/g以下になったところでエステル化反応を終了し、数平均分子量476のポリエステル樹脂「GLY1oPA2EG2」を得た。このポリエステルポリオールでのグリセロールとエチレングリコールとのモル比は1:2である。
(製造例2)グリセロールとオルトフタル酸とエチレングリコールからなるポリエステル樹脂「GLY1oPA3EG3」の製造方法
攪拌機、窒素ガス導入管、スナイダー管、コンデンサーを備えたポリエステル反応容器に、グリセロールを92.09部、無水フタル酸444.36部、エチレングリコール186.21部、及びチタニウムテトライソプロポキシド0.07部を仕込み、精留管上部温度が100℃を超えないように徐々に加熱して内温を220℃に保持した。酸価が1mgKOH/g以下になったところでエステル化反応を終了し、数平均分子量668のポリエステル樹脂「GLY1oPA3EG3」を得た。このポリエステルポリオールでのグリセロールとエチレングリコールとのモル比は1:3である。
(製造例3)グリセロールとオルトフタル酸とエチレングリコールからなるポリエステル樹脂「GLY3oPA4EG2」製造方法
攪拌機、窒素ガス導入管、スナイダー管、コンデンサーを備えたポリエステル反応容器に、グリセロールを276.27部、無水フタル酸592.4部、エチレングリコール130.2部、及びチタニウムテトライソプロポキシド0.09部を仕込み、精留管上部温度が100℃を超えないように徐々に加熱して内温を220℃に保持した。酸価が1mgKOH/g以下になったところでエステル化反応を終了し、数平均分子量920.89のポリエステル樹脂「GLY3oPA4EG2」を得た。このポリエステルポリオールでのグリセロールとエチレングリコールとのモル比は1:0.67である。
(製造例4)グリセロールとオルトフタル酸とエチレングリコールからなるポリエステル樹脂「GLY3oPA7EG5」製造方法
攪拌機、窒素ガス導入管、スナイダー管、コンデンサーを備えたポリエステル反応容器に、グリセロールを276.27部、無水フタル酸1036.84部、エチレングリコール325.87部、及びチタニウムテトライソプロポキシド0.16部を仕込み、精留管上部温度が100℃を超えないように徐々に加熱して内温を220℃に保持した。酸価が1mgKOH/g以下になったところでエステル化反応を終了し、数平均分子量1497。46のポリエステル樹脂「GLY3oPA7EG5」を得た。このポリエステルポリオールでのグリセロールとエチレングリコールとのモル比は1:1.67である。
(製造例5)グリセロールとオルトフタル酸とエチレングリコールからなるポリエステル樹脂「GLY5oPA8EG4」製造方法
攪拌機、窒素ガス導入管、スナイダー管、コンデンサーを備えたポリエステル反応容器に、グリセロールを460.45部、無水フタル酸1185部、エチレングリコール260.09部、及びチタニウムテトライソプロポキシド0.19部を仕込み、精留管上部温度が100℃を超えないように徐々に加熱して内温を220℃に保持した。酸価が1mgKOH/g以下になったところでエステル化反応を終了し、数平均分子量1749.70のポリエステル樹脂「GLY5oPA8EG4」を得た。このポリエステルポリオールでのグリセロールとエチレングリコールとのモル比は1:0.8である。
(製造例6)グリセロールとオルトフタル酸とエチレングリコールからなるポリエステル樹脂「GLY7oPA5EG11」製造方法
攪拌機、窒素ガス導入管、スナイダー管、コンデンサーを備えたポリエステル反応容器に、グリセロールを276.27部、無水フタル酸740.7部、エチレングリコール715.09部、及びチタニウムテトライソプロポキシド0.19部を仕込み、精留管上部温度が100℃を超えないように徐々に加熱して内温を220℃に保持した。酸価が1mgKOH/g以下になったところでエステル化反応を終了し、数平均分子量2400のポリエステル樹脂「GLY7oPA5EG11」を得た。このポリエステルポリオールでのグリセロールとエチレングリコールとのモル比は1:0.71である
(製造例7)。
グリセロールとオルトフタル酸とエチレングリコールからなるポリエステル樹脂「GLY6oPA7EG2」製造方法
攪拌機、窒素ガス導入管、スナイダー管、コンデンサーを備えたポリエステル反応容器に、グリセロールを237.9部、無水フタル酸1332部、エチレングリコール130.1部、及びチタニウムテトライソプロポキシド0.19部を仕込み、精留管上部温度が100℃を超えないように徐々に加熱して内温を220℃に保持した。酸価が1mgKOH/g以下になったところでエステル化反応を終了し、数平均分子量1588のポリエステル樹脂「GLY6oPA7EG2」を得た。このポリエステルポリオールでのグリセロールとエチレングリコールとのモル比は1:0.33である。
(製造例8)オルトフタル酸とエチレングリコールからなるポリエステル樹脂「EGoPA」製造方法
攪拌機、窒素ガス導入管、スナイダー管、コンデンサーを備えたポリエステル反応容器に、無水フタル酸396.34部、エチレングリコール173.73部、及びチタニウムテトライソプロポキシド0.05部を仕込み、精留管上部温度が100℃を超えないように徐々に加熱して内温を220℃に保持した。酸価が1mgKOH/g以下になったところでエステル化反応を終了し、数平均分子量600のポリエステル樹脂「oPAEG」を得た。このポリエステルポリオールはグリセロールを含まないためグリセロールとエチレングリコールとのモル比は0:1である。
(製造例9)グリセロールとオルトフタル酸とエチレングリコールからなるポリエステル樹脂「GLY1oPA6EG6」製造方法
攪拌機、窒素ガス導入管、スナイダー管、コンデンサーを備えたポリエステル反応容器に、グリセロールを92.09部、無水フタル酸888.72部、エチレングリコール372部、及びチタニウムテトライソプロポキシド0.13部を仕込み、精留管上部温度が100℃を超えないように徐々に加熱して内温を220℃に保持した。酸価が1mgKOH/g以下になったところでエステル化反応を終了し、数平均分子量1245.10のポリエステル樹脂「GLY1oPA6EG6」を得た。このポリエステルポリオールでのグリセロールとエチレングリコールとのモル比は1:6である。
(製造例10)グリセロールとオルトフタル酸とエチレングリコールからなるポリエステル樹脂「GLY9oPA12EG2」製造方法
攪拌機、窒素ガス導入管、スナイダー管、コンデンサーを備えたポリエステル反応容器に、グリセロールを356.9部、無水フタル酸2283部、エチレングリコール130.1部、及びチタニウムテトライソプロポキシド0.19部を仕込み、精留管上部温度が100℃を超えないように徐々に加熱して内温を220℃に保持した。この反応では、数平均分子量 、グリセロールとエチレングリコールとのモル比は1:0.22であるポリエステル樹脂「GLY9oPA12EG2」を得る予定であったが反応中にゲル化を生じ所望の樹脂を得ることができなかった。
(製造例11)トリメチロールプロパンとオルトフタル酸無水とエチレングリコールからなるポリエステルポリオール「TMP1oPA3EG3」製造方法
製造例3におけるグリセロール92.09の代わりにトリメチロールプロパン134.17部へ置き換えた以外は製造例3と同様にして、数平均分子量710.68ポリエステルポリオール「TMP1oPA3EG3」を得た。
このポリエステルポリオールはグリセロールを含まないためグリセロールとエチレングリコールとのモル比は0:1である。
(硬化剤)
三井化学製「タケネートD−110N」(メタキシリレンジイソシアネートのトリメチロールプロパンアダクト体 不揮発成分75.0% NCO% 11.5%)と三井化学製「タケネート500」(メタキシリレンジイソシアネート不揮発分>99%,NCO% 44.6%)を50/50(質量比)の割合で混合し硬化剤aとした。
硬化剤aの不揮発分は、87.5%、NCO% 28.05%である。
(実施例1〜7、比較例1〜4のポリエステル樹脂塗工液の製造方法)
前記製造方法で得たポリエステルポリオールを酢酸エチル、またはメチルエチルケトン(MEK)で溶解して、不揮発分50%の樹脂溶液を得、更に硬化剤を表1と3に示す様に配合し、後述の塗工方法で使用するポリエステル樹脂塗工液を得た。
(ラミネート方法1)
ポリエステルポリオール樹脂塗工液を、バーコーターを用いて、塗布量5.0g/m(固形分)となるように厚さ12μmのPETフィルム(東洋紡績(株)製「E−5100」)に塗布し、温度70℃に設定したドライヤーで希釈溶剤を揮発させ乾燥し、この複合フィルムと厚さ15μmのナイロン(Ny)フィルム(ユニチカ(株)製「エンブレムON―BC」)を温度40℃、圧力0.4MPa、ラミネート速度40m/minにてドライラミネートしてこの複合フィルムとを40℃/3日間かけて硬化させ、PET/ポリエステルポリオール樹脂組成物/Ny積層体を得た。この積層体(ラミネートフィルム)を水蒸気透過率、酸素透過率測定用に用いた。
(ラミネート方法2)
ポリエステル樹脂塗工液を、バーコーターを用いて、塗布量5.0g/m2(固形分)となるように厚さ12μmのPETフィルム(東洋紡績(株)製「E−5100」)に塗布し、温度70℃に設定したドライヤーで希釈溶剤を揮発させ乾燥し、次いで、この複合フィルムと未延伸PPフィルム(東レフィルム加工株式会社製「ZK−93KM」)を温度40℃、圧力0.4MPa、ラミネート速度40m/minにてドライラミネートして、PET/ポリエステル樹脂組成物/CPP積層体を得た。この積層体(ラミネートフィルム)をラミネート強度測定用に用いた。
(ラミネート方法3)
ポリエステル樹脂塗工液を、バーコーターを用いて、塗布量5.0g/m2(固形分)となるように厚さ15μmのナイロン(Ny)フィルム(ユニチカ(株)製「エンブレムON―BC」)に塗布し、温度70℃に設定したドライヤーで希釈溶剤を揮発させ乾燥し、次いで、この複合フィルムと未延伸LLDPEフィルム(東セロ社製TUX−HC 60μ)を温度40℃、圧力0.4MPa、ラミネート速度40m/minにてドライラミネートして、Ny/ポリエステル樹脂組成物/LLDPE積層体を得た。この積層体(ラミネートフィルム)をラミネート強度測定用に用いた。
(水蒸気透過率)
エージングが終了した積層フィルムを、水蒸気透過度試験法 伝導度法「ISO−15106−3」に準じ、Illinois社製測定装置を用いて40℃、90%RHの雰囲気下で評価を行った。なおRHとは、湿度を表す。
また、ポリエステル樹脂組成物を硬化させた樹脂塗膜単体の水蒸気透過率(バリア性)はPET/ポリエステルポリオール樹脂組成物/Ny積層体の測定結果より、式(a)を用いて計算した。測定結果については塗布量5g/mの透過率として換算した。
Figure 0006075623
P :水蒸気バリア性積層フィルムの水蒸気透過率
P1:塗膜単体の水蒸気透過率
P2:12μmPETフィルムの水蒸気透過率(46g/m・24時間として計算)
P3:15μmナイロンフィルムの水蒸気透過率(260g/m・24時間として計算)
(酸素透過率)
エージングが終了した水蒸気バリア性フィルムを、モコン社製酸素透過率測定装置OX−TRAN2/21MHを用いてJIS−K7126(等圧法)に準じ、23℃、0%RHおよび90%RHの雰囲気下で測定した。
また、ポリエステル樹脂組成物を硬化させた樹脂塗膜単体の酸素バリア性はバリア性積層フィルム、PETフィルムおよびナイロンフィルムの測定結果より、式(a)を用いて計算した。測定結果については塗布量5g/mの透過率として換算した。
Figure 0006075623
P :バリア性積層フィルムの酸素透過率
P1:塗膜単体の酸素透過率
P2:12μmPETフィルムの酸素透過率(0%RH:130cc/m・24時間・atm、90%RH:100cc/m・24時間・atmとして計算)
P3:15μmナイロンフィルムの水蒸気透過率(0%RH:50cc/m・24時間・atm、90%RH:74cc/m・24時間・atmとして計算)
(ラミネート強度の測定方法)
エージングが終了した積層フィルムを、塗工方向と平行に15mm幅に切断し、PETフィルムとCPPフィルムとの間及び、NyフィルムとLLDPEフィルムとの間を、(株)オリエンテック製テンシロン万能試験機を用いて、雰囲気温度25℃、剥離速度を300mm/分に設定し、180度剥離方法で剥離した際の引っ張り強度をラミネート強度とした。ラミネート強度の単位はN/15mmとした。
(参考数値)
厚さ12μmのPET(2軸延伸ポリエチレンテレフタレート)フィルム(東洋紡績(株)製E−5100)の酸素透過率を測定し、フィルム厚み5g/mの透過率として換算した。
以上、実施例での配合を表1、評価結果を表2に、比較例での配合を表3、評価結果を表4に示す。
Figure 0006075623
Figure 0006075623
Figure 0006075623
Figure 0006075623
この結果、実施例1〜7の樹脂組成物を硬化させた樹脂塗布量5g/m厚みでは、いずれも水蒸気透過率が50g/m・day以下と良好な水蒸気バリア機能を示した。また、酸素透過率(23℃90%RH)も40cc/m・day・atm以下と良好な酸素バリア機能もしめした。また4N/15mm以上の良好なラミネート特性も示した。加えて酢酸エチルまたはMEK(メチルエチルケトン)のドライラミネート用接着剤で多く使用される溶媒に対して良好な溶解性を示した。
一方、比較例1、4ではグリセロール骨格を含まないために水蒸気透過率は153〜190g/m・dayに留まり酸素透過率も実施例に比べ高い(即ち低バリア)結果となった。更に、比較例2でグリセロール比率が低いため水蒸気、酸素透過率とも実施例に比べ高く、比較例3では3官能のグリセロール比率が高すぎるため、合成時にゲル化を生じ接着剤、コーティング剤として応用することができなかった。
本発明のバリア性樹脂組成物は、水蒸気、酸素のバリア性を有するので、前記包装材用のフィルムラミネート用の接着剤の他、例えば太陽電池用保護フィルム用の接着剤や表示素子用水蒸気バリア性基板のコーティング剤等の電子材料用コーティング剤、建築材料用コーティング剤、工業材料用コーティング等、水蒸気、酸素のガスバリア性を所望される用途であれば好適に使用できる。

Claims (6)

  1. ポリエステルポリオール、硬化剤を含有してなるガスバリアポリエステル樹脂組成物であって、該ポリエステルポリオールが、
    1)エチレングリコール、グリセロール、オルトフタル酸又はその無水物を主構成とした重縮合物、
    2)グリセロールとエチレングリコールとのモル比が1:3〜1:0.33の範囲、
    である、ガスバリアポリエステル樹脂組成物。
  2. 該ポリエステルポリオールの数平均分子量が450〜3000の範囲である請求項1に記載のガスバリアポリエステル樹脂組成物。
  3. 前記硬化剤がイソシアネート化合物である請求項1又は2に記載のガスバリアポリエステル樹脂組成物。
  4. 請求項1〜3の何れかに記載のガスバリアポリエステル樹脂組成物を硬化させてなるガスバリア性コーティング剤。
  5. 請求項1〜3の何れかに記載のガスバリアポリエステル樹脂組成物を硬化させてなるガスバリア性接着剤。
  6. 請求項1〜3の何れかに記載のガスバリアポリエステル樹脂組成物を硬化させた樹脂層を有するガスバリア性フィルム。
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