JP6133325B2 - 改良された水蒸気遮断層を有する共押出多層環状オレフィンポリマーフィルムまたはシート - Google Patents

改良された水蒸気遮断層を有する共押出多層環状オレフィンポリマーフィルムまたはシート Download PDF

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Description

プラスチックフィルムまたはシートの用途には、改良された水分遮断層が有益であるものが多くある。本発明は、改良された水分遮断層を有する共押出された多層フィルムまたはシート(時にはミクロ層またはナノ層フィルムとも呼ばれる)に関する。指定された材料および層構造を共押出することにより、水分遮断性およびその他のフィルムまたはシート特性の良好な組合せを有するフィルムまたはシートが提供される。
米国特許出願公開第2009/0169853号(「Barrier Films Containing Microlayer Structures」)では、約0.01μm〜約10μmの範囲の厚さを有する耐熱性ポリマー層および遮断ポリマーミクロ層を備えるミクロ層構造を含む、オートクレーブで処理できるフィルムが教示されている。
米国特許出願公開第2007/0084083号、表題「Fluid System Having an Expandable Pump Chamber」では、10枚未満の層を含む水蒸気遮断フィルムが教示されている。
国際公開第2000076765号、表題「Barrier Material Made of Extruded Microlayers」では、水蒸気遮断フィルムが教示されている。
雑誌論文「Confined Crystallization of Polyethylene Oxide in Nanolayer Assemblies」,Wang,H.,Keum,J.K.,Hiltner,A.Baer,E.,Freeman,B.,Rozanski,A.,and Galeski,A.,Science,323,757(2009)および米国特許出願公開第2010/0143709号では、酸素遮断層を改良するために半結晶性ポリマー中に指定された結晶形態を有するミクロ/ナノ層共押出フィルムが記載されている。
米国特許出願公開第2011/0241245号、表題「Axially Oriented Confined Crystallization Multilayer Films」では、酸素遮断層を改良するために半結晶性ポリマー中に指定された結晶形態を有するミクロ/ナノ層共押出フィルムが記載されている。
米国特許出願公開第2010/0143709号、表題「Confined Crystallization Multilayer Films」では、第2のポリマー層とともに共押出され、第2のポリマー層の中に閉じ込められた第1のポリマー層を有する多層フィルムが記載され、第1のポリマー層は高アスペクト比の結晶ラメラを有するとされ、多層フィルムはガスの拡散に対し実質的に不浸透性であるとされる。
従来通りの、または改良された遮断性をもつ薄肉化された包装システム、あるいは、なおさらなる改良された遮断性をもつ従来通りのまたはより厚い寸法での包装を可能にするために、改良された遮断性、特に水分遮断性をもつフィルムおよびシートに対する必要性がなおある。より少ない体積で所与の遮断性を実現した、標準的なまたは薄肉化された全厚をもつフィルムは、遮断性以外のその他の特性をもたらすポリマーをその「空いた」体積分において使用することで、改良された靭性およびその他の特性を提供することができる。本発明のフィルムおよびシートは、そのような利点を提供する。
本発明は、層材料AおよびBの少なくとも4つの交互の層を含む共押出多層フィルムまたはシート(それから作成または形成された代替実施形態では、異形材、チューブ、パリソンまたは同類のものを含む)に関し、AおよびBの層は1〜3000nmの平均層厚を有する。この際;(a)層材料Aは、層材料AおよびBに基づいて、フィルムまたはシートの5〜95体積パーセントであり、かつ、環状オレフィンポリマー(「COP」)を含み;(b)層材料Bは、層材料AおよびBに基づいて、フィルムまたはシートの5〜95体積パーセントであり、かつ、エチレンポリマーを含む。本発明に係る共押出多層フィルムまたはシートの他の実施形態では、AおよびBの個々の層の組は、少なくとも40nmの総厚を有し;外側のスキン層Cおよびフィルムまたはシートの5〜90体積パーセントを構成する随意の内層Dが存在し;共押出多層フィルムまたはシートの厚さは4.5μm〜7.5mmであり;かつ/あるいは、共押出多層フィルムまたはシートは、10〜1000枚のAおよびBの交互の層、好ましくは30〜1000枚のAおよびBの交互の層、または50〜1000枚のAおよびBの交互の層を含む。
本発明に係る共押出多層フィルムまたはシートのさらなる実施形態では:AおよびB層は、10〜500nmの平均厚を有し;エチレンポリマーは、0.90グラム/立方センチメートルよりも大きい密度を有し、かつ高密度ポリエチレンおよび中密度ポリエチレンからなる群から選択され;かつ/あるいは、環状オレフィンポリマーは、(A)水素化されて環状オレフィンブロック共重合体(「CBC」)となるブタジエンおよびスチレンのブロック共重合体を生成することにより調製されるCBC;(B)ノルボルネンまたは置換ノルボルネンによる開環メタセシス経路に基づくCOP;(C)環状オレフィンおよび線状オレフィンに基づく非晶性の透明な共重合体;(D)2以上のCOPのブレンド;あるいは(E)合計ブレンドまたは組成物中に少なくとも25重量%の環状オレフィンの単位含量を含む、1以上のCOPとCOPでないポリマーとのブレンド、からなる群から選択される。
本発明の代替態様には、フィルムまたはシートが:積層体のためのシリーズモデルを用いて個々の層のWVTRから計算される、計算された理論上のWVTRと比較して低い水蒸気透過度(「WVTR」)を有し、かつ/あるいは、計算された理論上のWVTRの95%以下であるWVTRを有する、上記の多層フィルムまたはシートのいずれかが含まれる。また、上記の多層フィルムまたはシートは、異形材、チューブまたはパリソンの形状で作成されるか、あるいは異形材、チューブまたはパリソンの形状へ加工されることができる。代替実施形態では、本発明は、層材料AおよびBの少なくとも4つの交互の層を含む異形材、チューブまたはパリソンであり、AおよびBの層は、1〜3000nmの平均層厚を有し、この際;(a)層材料Aは、層材料AおよびBの5〜95体積パーセントであり、かつ環状オレフィンポリマーを含み;(b)層材料Bは、層材料AおよびBの5〜95体積パーセントであり、かつエチレンポリマーを含む、あるいは、さらなる代替実施形態では、本発明はそのようなパリソンから作製したブロー成型された瓶またはその他の容器である。
添付の図は、以下の説明とともに、本発明のさらなる理解およびその実施形態を説明および提供するために役立つものであり、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を成す。
本発明の実施例に係る多層フィルムまたはシート構造を作成する方法を示す模式図である。
用語「組成物」および同様の用語は、2以上の材料、例えば、他のポリマーとブレンドされているかまたは添加剤、充填剤、または同類のものを含有するポリマーなどの混合物を意味する。組成物には、反応前混合物、反応混合物および反応後混合物が含められ、反応後の混合物には、反応前または反応混合物の1以上の成分から形成された反応生成物および副生成物ならびに、存在する場合、反応混合物および分解生成物の未反応成分が含まれることになる。
「ブレンド」、「ポリマーブレンド」および同様の用語は、2以上のポリマーからなる組成物を意味する。そのようなブレンドは混和性であってもなくてもよい。そのようなブレンドは、相分離されていてもされていなくてもよい。そのようなブレンドは、透過電子分光法、光散乱、X線散乱、および当技術分野で公知の任意のその他の方法から決定される1以上のドメイン配置を含有していてもしていなくてもよい。ブレンドは積層体ではないが、積層体の1以上の層がブレンドを含有してもよい。
「ポリマー」とは、同じ種類であるかまたは異なる種類であるかにかかわらず、モノマーを重合することにより調製されるポリマー化合物を意味し、それは重合形態でポリマーを構成する複数の、かつ/あるいは反復する「単位」または「マー単位」を提供する。したがってポリマーという一般名は、用語ホモポリマー(通常1種類のモノマーだけで調製されたポリマーを指すために用いられる)、および下文に定義される用語インターポリマーを包含する。また、それはあらゆる形態のインターポリマー、例えば、ランダム、ブロック、なども包含する。用語「エチレン/α−オレフィンポリマー」および「プロピレン/α−オレフィンポリマー」は、それぞれエチレンまたはプロピレンと1以上のさらなる重合可能なα−オレフィンモノマーを重合することから調製された、下文に定義されるインターポリマーを示す。ポリマーは、1以上の指定されたモノマーから「作成された」、指定されたモノマーまたはモノマー種に「基づく」、指定されたモノマー含量を「含有する」などと呼ばれる場合が多いが、この文脈において用語「モノマー」は、指定されたモノマーの重合された残遺物(remnant)を指すものであって非重合種を指すものではないことは明らかに理解されることに注意されたい。通常、本明細書においてポリマーは、対応するモノマーの重合形態である「単位」に基づいたものであると呼ばれる。
「インターポリマー」とは、少なくとも2つの異なるモノマーの重合により調製されたポリマーを意味する。この一般名には、共重合体(2以上の異なるモノマーから調製されたポリマーを指すために通常用いられる)が含まれ、かつ、2以上の異なるモノマーから調製されたポリマー、例えば、ターポリマー、テトラポリマーなどが含まれる。
「ポリオレフィン」、「ポリオレフィンポリマー」、「ポリオレフィン樹脂」および同様の用語は、モノマーとして単純オレフィン(一般式C2nのアルケンとも呼ばれる)から生成されたポリマーを意味する。ポリエチレンは、エチレンを1以上のコモノマーとともにまたはそれを含まずに重合することにより製造され、ポリプロピレンは、プロピレンを1以上のコモノマーなどとともにまたはそれを含まずに重合することにより製造される。したがって、ポリオレフィンには、エチレン/α−オレフィン共重合体、プロピレン/α−オレフィン共重合体などのインターポリマーが含まれる。
「(メタ)」は、メチル置換化合物がその用語に含まれていることを示す。例として、用語「エチレン−グリシジル(メタ)アクリル酸塩」には、エチレン−グリシジルアクリレート(E−GA)およびエチレン−グリシジルメタクリレート(E−GMA)が個別にかつ集合的に含まれる。
本明細書において「融点」は、一般に、米国特許第5,783,638号に記載されるようにポリオレフィンの溶融ピークを測定するためのDSC技法によって測定される。2以上のポリオレフィンを含む多くのブレンドが、2以上の溶融ピークを有すること;多くの個々のポリオレフィンが、1つしか溶融ピークを含まないことに留意する必要がある。
「水蒸気透過性」は、水蒸気透過度(WVTR)および/または湿分蒸気透過度(MVTR)とも呼ばれる。本明細書において、それらは空気中38℃、相対湿度100%および1気圧で決定され、MOCON Permatran−W3/31で測定された。この計測器はアメリカ国立標準技術研究所認証の既知の水蒸気輸送特性をもつ25μm厚のポリエステルフィルムで較正された。この試験片を調製し、WVTRをASTM F1249に従って実施した。
「酸素透過性」は、本明細書において酸素透過度(OTR)とも呼ばれ、23℃、相対湿度0%および1気圧で決定され、MOCON OX−TRAN 2/20で測定された。この計測器は、アメリカ国立標準技術研究所認証の既知のO輸送特性をもつマイラー膜で較正された。この試験片を調製し、WVTRをASTM D3985に従って実施した。
本明細書で用いる場合、一般用語「フィルム」(より厚い物品の「フィルム層」を指す場合を含む)は、特別に厚さが明示されていない限り、通常一貫し均一な約0.254ミリメートル(10ミル)までの厚さを有するあらゆる薄く平らな押出またはキャストされた熱可塑性物品を含む。フィルム中の「層」は、下でより詳細に考察されるミクロ層の場合のように、非常に薄いものであり得る。
本明細書で用いる場合、一般用語「シート」は、特別に厚さが明示されていない限り、通常一貫し均一な「フィルム」よりも大きい厚さ、通常少なくとも厚さ0.254ミリメートルおよび厚さ約7.5mm(295ミル)までを有するあらゆる薄く平らな押出またはキャストされた熱可塑性製品を含む。一部の例では、シートは、6.35mm(250ミル)までの厚さを有すると考えられる。
フィルムかまたはシートのいずれかは、本明細書において用いられる用語として、平面という意味で必ずしも「平ら」でないが本発明に係るA層およびB層を利用し、本発明に係るフィルムまたはシート厚さの範囲内で比較的薄い断面を有する、異形材、パリソン、チューブ、および同類のものなどの形状の形態であってよい。
数字および範囲は、本明細書において近似値であり、したがって特に明記しない限りその範囲の外の値が含まれてもよい。数値範囲(例、「X〜Y」、あるいは「Xまたはそれ以上」あるいは「Yまたはそれ未満」)には、任意の下方値と任意の上方値との間に少なくとも2単位の隔たりが存在するという条件で、下方値から上方値の間の全ての値が1単位の増分で含まれる。例として、組成特性、物理特性またはその他の特性、例えば温度などが、100〜1,000である場合、それは全ての個々の値、例えば100、101、102など、および下位範囲、例えば100〜144、155〜170、197〜200などが明示的に列挙される。1未満の値を含む範囲、または1より大きい小数(例えば、1.1、1.5など)を含む範囲に関して、1単位は、必要に応じて0.0001、0.001、0.01または0.1と見なされる。10未満の1桁の数を含む範囲(例えば、1〜5)に関して、1単位は一般に0.1と見なされる。これらは具体的に意図されるものの単なる例であり、列挙される最小値と最大値の間の数値のあらゆる可能性のある組合せは、本開示において明示的に述べられるものと見なされる。
本発明によれば、下により詳細に記載されるように、薄いA層とB層との組合せは、驚くことに予想されるよりも低く改良された湿分(水)蒸気透過度を示すことが見出された。
通常、広範囲の熱可塑性エチレンポリマー(多くの場合、通例、樹脂、プラスチックまたはプラスチック樹脂とも呼ばれる)は、それらが薄膜またはシート層に形成されることができ、望ましい物理的性質を提供するのであれば、積層フィルムまたはシート構造中のエチレンポリマー層において用いることができる。本発明の代替もしくは好ましい実施形態は、下でさらに考察されるように、具体的な層中の具体的な種類の熱可塑性ポリオレフィン共重合体および/または具体的な熱可塑性ポリオレフィン共重合体の1以上を用いることができる。これらのエチレンポリマーには、例として、プロピレン、ブテン、ヘキセンおよびオクテンを含み、エチレンの共重合体、所望によりこれらのC−3〜C−25αオレフィンコモノマーおよびそれと重合した1以上のオレフィン性のその上に共重合可能なモノマーの1以上を含む、エチレンホモポリマー、および少なくとも50重量パーセントのエチレンと1以上のその他のC−3〜C−25αオレフィンコモノマーからなる共重合体が含まれる。そのような追加のオレフィン共重合性モノマーとしては、例として、5〜25個の炭素原子を有するオレフィンモノマーおよびエチレン性不飽和カルボン酸(単官能性および二官能性)ならびにこれらの酸の誘導体、例えばエステルおよび無水物が挙げられる。適したエチレンポリマーは、その中に少なくとも50重量%の重合エチレン、より好ましくは少なくとも70重量%、より好ましくは少なくとも80重量%、より好ましくは少なくとも85重量%、より好ましくは少なくとも90重量パーセントおよび最も好ましくは少なくとも95重量%のエチレンを含む。
好ましいエチレンポリマー層材料は、エチレンのホモポリマー、および、50重量パーセント未満のブテン、ヘキセンまたはオクテン、好ましくは30重量パーセント以下、より好ましくは20重量パーセント以下、より好ましくは10重量パーセント以下、最も好ましくは5重量パーセント以下のブテン、ヘキセンまたはオクテンとの共重合体である。特に好ましいエチレンポリマーは、既知エチレン骨格のホモポリマーおよび共重合体であり、それには、高圧フリーラジカル低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、エチレン系オレフィンブロック共重合体(「e−OBC」)、エチレン系チーグラー・ナッタ触媒ポリマー(不均一直鎖状低密度ポリエチレン、超低密度ポリエチレン(ULDPE)、極低密度ポリエチレン(VLDPE)、中密度ポリエチレン(「MDPE」)、および高密度ポリエチレン(「HDPE」)を含む)が含まれる。
全てのこれらの種類のポリマーの調製に適した方法は、当技術分野で周知である。この技術分野の当業者に公知のように、様々な正確度を有する、エチレン共重合体のコモノマー含量を算出または決定する様々な方法がある。本明細書において、特に断りのない限り、エチレン共重合体コモノマー含量は、炭素13NMRに従って測定される。一般的なコモノマーレベルに使用することのできるその他の方法としては、IR(赤外線)に基づくASTM FTIR法またはマスバランス法が挙げられる。
エチレンポリマーに好ましい密度範囲は、ASTM試験方法D1505により測定して、1立方センチメートルあたり少なくとも約0.90、好ましくは少なくとも約0.92、より好ましくは少なくとも約0.940グラム(g/cc)および約0.98g/cc未満またはそれに等しい。
好ましくは、エチレンポリマーは、10分あたり少なくとも約0.01g(g/10分)および35g/10分未満またはそれに等しいメルトインデックスを有する。
高密度ポリエチレン(HDPE)は、好ましいエチレンポリマーであり、周知のように、通常、低圧、配位触媒エチレン重合法により製造され、主に長い線状ポリエチレン鎖で構成される。この種のポリマーの密度は、ASTM D792により測定して、1立方センチメートルあたり少なくとも約0.940グラム(g/cc)および約0.98g/cc未満またはそれに等しく、メルトインデックスは10分あたり少なくとも約0.01g(g/10分)および35g/10分未満またはそれに等しい。本明細書において言及されるこれらおよびその他のエチレンポリマーメルトインデックスは、通常、ASTM試験方法D1238、条件190℃/2.16kg、(Iとも呼ばれる)により測定され得る。本発明によるブレンドでの使用に好ましいHDPE樹脂は、ASTM D 1928(アニールした)、方法Cに従って調製したサンプルで、ASTM D792、方法Aにより測定して、1立方センチメートルあたり少なくとも約0.950グラム(g/cc)および約0.975g/ccを含むそれ以下の密度を有する。ASTM D792は、ISO 1183と同じ結果をもたらす。適したHDPE樹脂は、少なくとも約0.1、より好ましくは少なくとも約1g/10分、10分あたり約25g未満またはそれに等しい;より好ましくは約10g/10分未満またはそれに等しいメルトインデックスを有する。適したHDPEは、Dow Chemical CompanyよりELITE 5960G、HDPE KT 10000UE、HDPE KS 10100UEおよびHDPE35057Eの商標の樹脂として商業的に入手可能である。中密度ポリエチレン(MDPE)も好ましいエチレン共重合体であり、周知のように、通常、公知のエチレン重合法の技法(例、低圧)により製造される。この種のポリマーの密度は、ASTM試験方法D728により測定して、1立方センチメートルあたり少なくとも約0.925グラム(g/cc)、約0.945g/cc未満またはそれに等く、メルトインデックスは10分あたり少なくとも約0.01g(g/10分)および35g/10分未満またはそれに等しい。例として、適したMDPEは、ELITE 5940Gの商標の樹脂としてDow Chemical Companyより、またはChevron Philips Chemical CompanyよりMarFlex HHM TR 130として商業的に入手可能である。
上記の熱可塑性エチレンポリマー樹脂のいずれかのブレンドも本発明で使用することができ、特に、熱可塑性ポリオレフィン共重合体は、ポリマーが(i)相互に混和性である、(ii)その他のポリマーが、エチレンポリマーの望ましい特性にあったとしてもわずかしか影響を及ぼさない(例、光学的性質および低弾性率)、ならびに(iii)本発明の熱可塑性エチレンポリマーが、ブレンドの少なくとも約70、好ましくは少なくとも約75、より好ましくは少なくとも約80重量パーセントを構成する程度まで、1以上のその他のポリマーとブレンドするかまたは1以上のその他のポリマーで希釈することができる。好ましくは、ブレンド自体も上記の密度、メルトインデックスおよび融点特性を有する。
本発明に係るフィルムまたはシートでの使用に適した環状オレフィンポリマー(「COP」)は、通常、飽和炭化水素環を含む公知のオレフィンポリマーである。適したCOPは、少なくとも25重量%の環単位を含み、その重量百分率は、最終COPを形成するために重合されたモノマーの総重量の百分率として、重合されてCOPとなる環式部分(「MCCM」)を含有する(含有するために官能化されたものを含む)。好ましくは、COPは、少なくとも40重量%、より好ましくは少なくとも50重量%、より好ましくは少なくとも75重量%のMCCMを含む。環式部分は、ポリマー鎖の骨格に(例えば重合のノルボルネン開環型から)組み込むことができ、かつ/あるいはポリマー骨格からのペンダントに(例えば、スチレン(最終的に水素化されて環状オレフィンとなる)またはその他のビニルを含有する環式モノマーを重合することにより)組み込むことができる。COPは、一種類の環単位;2以上の環単位の種類を含む共重合体;あるいは、1以上の環単位の種類およびその他の環式でない組み込まれたモノマー単位、例えばエチレンモノマーにより提供されるかまたはそれに基づく単位を含む共重合体、に基づくホモポリマーであってよい。共重合体の内部では、環単位およびその他の単位は、ランダムに、交互に、ブロックで、またはこれらの一部の組合せを含む任意の方法で分布してよい。COP中の環式部分は、それ自体は環式部分を含むモノマーの重合から生じる必要はないが、環式部分単位を提供するため、あるいは環式部分前駆体から環式部分を形成するために、ポリマーを環官能化すること(cyclicly functionalizing)またはその他の反応から生じるものであってよい。例として、スチレン(環式部分前駆体であるが、本発明の目的において環単位ではない)は、重合されてスチレンポリマー(環状オレフィンポリマーではない)となり、その後に完全にまたは部分的に水素化されてCOPを生じる。
重合プロセスで用いてCOP中に環単位を得ることのできるMCCMとしては、限定されるものではないが、ノルボルネンおよび置換ノルボルネンが挙げられる。上述のように、環式ヘキサンの環単位は、スチレンポリマーのスチレン芳香環を水素化することによって得られる。環単位は、オレフィンポリマー骨格のペンダントであるかまたはそれに組み込まれている単環式もしくは多環式部分である。そのような環式部分/構造には、シクロブタン、シクロヘキサンまたはシクロペンタン、およびこれらの2以上の組合せが含まれる。例として、シクロヘキサンまたはシクロペンタン部分を含有する環状オレフィンポリマーは、3−シクロヘキシル−1−プロペン(アリルシクロヘキサン)およびビニルシクロヘキサンのα−オレフィンポリマーである。
COPには、ブタジエンおよびスチレンのブロック共重合体を製造する(それはその後水素化されて、好ましくは完全に水素化されてCBCとなる)ことにより調製される環状オレフィンブロック共重合体(「CBC」)が含まれる。好ましいCBCは、完全に水素化されたジ−ブロック(SB)、トリ−ブロック(SBS)およびペンタブロック(SBSBS)ポリマーである。そのようなトリ−およびペンタ−ブロック共重合体において、1種類の単位の各々のブロックは同じ長さである;すなわち各Sブロックは、同じ長さであり、各Bブロックは同じ長さである。水素化の前の総分子量(Mn)は、約25,000〜約1,000,000g/molである。組み込まれたスチレンの百分率は、10〜99重量%、好ましくは50〜95重量%、より好ましくは80〜90重量%であり、残部はブタジエンである。例として、参照により本明細書に組み込まれる国際公開第2000/056783(A1)号は、そのようなペンタブロック型のCOBのの調製を開示する。
その他のCOPは、Yamazaki,Journal of Molecular Catalysis A:Chemical,213(2004)81−87;およびShin et al.,Pure Appl.Chem.,Vol.77,No.5,(2005)801−814に記載されている。上述のYamazaki(Zeon Chemical)の刊行物では、COPの重合がノルボルネンによる開環メタセシス経路に基づくとして記載されている。Zeon Chemicalから商業的に入手可能なCOP製品は、主モノマーとしてジシクロペンタジエンに基づき、水素化によって置換基(R)でノルボルネン開環メタセシスにおける二重結合を飽和する、主鎖に嵩高い環構造をもつ非晶性ポリオレフィンとして記載されている。Zeonex 690Rは、Zeon Chemicalから販売される、商業的に入手可能なCOPである。
COPの別の例は、Topas Advanced Polymers GmbHより商業的に入手可能なTopas商標の環状オレフィン共重合体である。それは環状オレフィン(すなわちノルボルネン)および線状オレフィン(例、エチレン)に基づく非晶性の透明な共重合体であり、熱特性は、より高い環状オレフィン含量とともに増加する。好ましくはそのようなCOPは、次式によって表され、xおよびy値を選択して適した熱可塑性ポリマーを得る。
Figure 0006133325
COPを含む層は、COPから作成することもできるし、2以上のCOPの物理的なブレンドおよび1以上のCOPとCOPでないポリマーの物理的なブレンドも含むことができ、ただしいずれのCOPブレンドまたは組成物もブレンドまたは組成物合計中に少なくとも25重量%の環状オレフィンの単位含量を含む。
随意の層を、エチレンおよび環状オレフィンポリマー層を含む内層またはミクロ層として、あるいは、外面的にコーティングまたはスキン層として、本発明に係るフィルムまたはシートに含めることができる。そのような内層は、単一の、反復する、または定期的に反復する1または複数の層であってよい。そのような随意の層には、十分な接着性を有し(または提供し)、望ましい特性をフィルムまたはシートに提供する、既知の層材料、例えばタイ層、バリア層、スキン層などが含まれ得る。スキン層として使用することのできる具体的なポリマーの例は、ポリプロピレン、ポリエチレンオキシド、ポリカプロラクトン、ポリアミド、ポリエステル、ポリフッ化ビニリデン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、エチレン−コ−アクリル酸共重合体、ポリオキシメチレンおよびこれらの2以上のブレンド;ならびにこれらの1以上を含むその他のポリマーを含むブレンドである。スキン層として使用してよい好ましいポリマーには、ポリエチレン、ポリエチレン共重合体、ポリプロピレン、ポリプロピレン共重合体、ポリアミド、ポリスチレン、ポリカーボネートおよびポリエチレン−コ−アクリル酸共重合体が含まれる。
タイ層または接着剤層として用いることのできる具体的なポリマーの例としては:酢酸ビニル、アクリル酸、アクリル酸メチル、およびアクリル酸エチルとの共重合体などの極性エチレン共重合体;イオノマー;無水マレイン酸グラフトエチレンポリマーおよび共重合体;これらの2以上のブレンド;ならびにこれらの1以上を含むその他のポリマーを含むブレンドが挙げられる。
バリア層として用いることのできる具体的なポリマーの例としては:ポリエチレンテレフタラート、エチレンビニルアルコール、ポリ塩化ビニリデン共重合体、ポリアミド、ポリケトン、MXD6ナイロン、これらの2以上のブレンド;ならびにこれらの1以上を含むその他のポリマーを含むブレンドが挙げられる。
本発明に係る多層フィルムまたはシートを作成するための技法は当技術分野で公知である。これらのフィルムまたはシートは、少なくともエチレンポリマー(「A」)および環状オレフィンポリマー(「B」)の交互の層を含み、それは多くの場合反復するABABA…またはBABAB…構造として表される。また、本発明の多層構造にさらなる種類の層が含まれる可能性のあることも当然理解される。例として、これらのその他の層には、タイ層、接着剤層、バリア層および/または、ABCABC…;ABCDABCD…および同類のものとして構造を反復するためのその他のポリマー層が含まれ得る。
少なくとも4枚の交互の薄い層(AおよびBの各々からなる少なくとも2枚の層の組)を有する多層ポリマーフィルムまたはシートは、少なくとも2つのポリマー材料のミクロ層構造(時には「ナノ層」構造とも呼ばれる)の共押出により調製することができる。これらのフィルムまたはシートは、2以上の成分からなる交互の層で構成され、個々の層の厚さは、下でさらに考察されるように、マイクロメートル(「μm」)のスケールから厚さが縮小されてナノメートル(「nm」)または「ナノ」単位までの範囲である。典型的な多層共押出装置は、通常、図1に示される。多成分多層システムのフィードブロックは、通例、異なる成分材料からなる積層構造の中にポリマー成分を合わせる。この分野の専門家に公知のように、出発層の厚さ(それらの相対体積百分率)を用いて、最終フィルム中のA層およびB層の望ましい相対厚さを得る。
2成分構造のために、ポリマー材料「A」およびポリマー材料「B」は、「A」が1枚の層を表し、「B」が1枚の層を表す、出発「AB」または「ABA」層状の供給流構成(configuration)に最初に共押出される。その後、公知の層増幅(multiplier)技術を適用して、供給流から得られる層を増幅し薄くすることができる。層の増幅は、通例、最初の供給流を2以上のチャネルに分割し、このチャネルを「積み重ねること」により実施される。この分野の専門家に公知のように、フィードブロックおよび反復される同一の層の増幅器(multiplier)を用いる多層構造中の層の総数の算出のための一般式は:N=(N)(F)であり、ここで:Nは、最終構造中の層の総数であり;Nは、フィードブロックにより製造される層の初期の数、通例2または3であり;Fは、通例2以上のチャネルを「積み重ねる」、単一の層増幅器における層の増幅数であり;かつ、nは、用いる同一の層の増幅数である。
2つの成分材料AおよびBの多層構造に関して、1または複数階の層増幅ステップの後にフィルムまたはシートの両面で外側の層が同じである最終のフィルムまたはシートを得るために、3層のABAの初期構造がしばしば用いられる。最終フィルムまたはシート中のA層およびB層が通常等しい厚さおよび等しい体積百分率を有することが意図される場合、出発ABA層構造中の2つのA層は、B層の厚さの半分であるが、層の増幅において一緒に合わせた場合に、同じ層厚(2つの、それよりも薄い外側の層は除く)をもたらし、体積百分率に関して半分を構成する。これからわかるように、層の増幅プロセスは出発構造を複数回分割して積み重ねるので、2つの外側のA層は供給流が「積み重ねられる」たびに常に合わされて、その後結局B層の厚さと等しくなる。一般に、出発AおよびB層の厚さ(相対体積百分率)は、最終フィルム中のA層およびB層の所望の相対厚さを得るために使用される。2つの隣接する同様の層の組合せは、層を数える目的ではただ1つの層だけしか生じないと思われるので、この分野の専門家は、「ABA」フィードブロックおよび反復される同一の層増幅器を用いる多層構造中の「個別の」層の総数の計算に、一般式N=(2)(n+1)+1を使用する(式中、Nは最終構造中の層の総数である);3つの初期の層は、フィードブロックにより製造される;層の増幅は、2つのチャネルへの分割および積み重ねである;そして、nは用いられる同一の層の増幅数である。
適した2成分共押出システム(例、「AB」または「ABA」の反復)は、溶融ポンプによって共押出フィードブロックに接続された2つの3/4インチ単軸スクリュー押出機を有する。溶融ポンプは、多層供給流中の2または3の平行な層としてフィードブロック中で合わされる2つの溶融流を制御する。溶融ポンプ速度を調節することにより相対層体積(厚さ)が変化し、したがって層Aの層Bに対する厚さの比が変化する。フィードブロックから、供給流溶融体は、一連の増幅要素を通過する。本発明の構造の二次加工において、溶融流をフィードブロックにポンプで送るために使用する押出機の数が、通常、異なる成分の数に等しいことは当業者に理解される。したがって、多層構造中の3成分の反復セグメント(ABC...)は、3つの押出機を必要とする。
公知のフィードブロックプロセスおよび技術の例は、国際公開第2008/008875号;米国特許第3,565,985号;米国特許第3,557,265号;および米国特許第3,884,606号に例示されており、その全てが参照により本明細書に組み込まれる。層増幅プロセス工程は、通常、当技術分野で公知であり、例として、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第5,094,788号および同第5,094,793号に示され、これらは熱可塑性樹脂性材料を含有する多層フロー流を第1、第2および所望によりその他の下位流れに分割し、複数の下位流れを積み重ねるようにして合わせて圧縮し、それによって多層フロー流を形成することによる、多層フロー流の形成を教示する。フィルムまたはシートの製造に用いられる材料および望ましいフィルムまたはシート構造に応じて必要であるように、多層フロー流の2以上の層を含むフィルムまたはシートは、コアの周囲に積み重ねられた1またはそれ以上の通常円形かまたは長方形の封入層によって封入する米国特許第4,842,791号に示されるような;通常円形の不均一な封入層をもつ米国特許第6,685,872号に示されるような;かつ/あるいは封入された多層化フィルムまたはシートが環状ダイプロセスで製造される国際公開第2010/096608A2号に示されるようなカプセル封入技法によって提供され得る。米国特許第4,842,791号および同第6,685,872号および国際公開第2010/096608A2号は、参照により本明細書に組み込まれる。
改良された水分遮断層は少なくとも2つの層組を必要とし、本発明の多層フィルムまたはシートは通常少なくとも4つの個別の層を有することが見出された(例、エチレンポリマー層および環状オレフィンポリマー層を含む2つの反復単位)。AおよびBの個々の層は、各々、20nm以上の厚さを有し、そのため1つの組ABは、40nm以上の厚さを有し、4枚の個別の層からなるフィルム(ABAB)は、80nm以上の厚さを有することになる。好ましくは、本発明に係るフィルムまたはシートは、少なくとも10枚の個別の層を有し、より好ましくは、それらは少なくとも15枚の個別の層を有し、より好ましくは、それらは少なくとも20枚の個別の層を有し、より好ましくは、それらは少なくとも30枚の個別の層を有し、より好ましくは、それらは少なくとも50枚の個別の層を有し、より好ましくは、それらは少なくとも100枚の個別の層を有し、より好ましくは、それらは少なくとも200枚の個別の層を有する。用いる層の増幅器の種類および数に応じて、本発明に係るフィルムまたはシートは非常に大きな数の層を有することができ、容易に10,000枚までの層を有することができる。しかし、より厚い構造中の層としてのそれらの使用を含み、および典型的な製造プロセス機器を用いる、それらのより一般的な使用には、所望の個別の材料層および界面を得るために、約5000枚までの個別の層;通常約3,000枚未満の個別の層が存在してよく、好ましくは約1,000枚未満の個別の層、より好ましくは約800枚未満の個別の層;より好ましくは約600枚未満の個別の層;およびより好ましくは約500枚未満の個別の層が存在することが見出された。一例では、本発明の多層フィルムは、257枚の個別の層を有する。本発明の好ましい実施形態には、例として、10〜5000枚の層;15〜1000枚の層;および20〜500枚の層の具体的な組合せを含む好ましい実施形態など、上に開示される下方の層数のいずれかと上方の層数のいずれかを組み合わせる層の数の具体的な範囲が含まれる。
上記のように、ミクロ層化フィルムの個々の層AおよびBの平均厚さは1nm以上であり得る。個々の層AおよびBの平均厚さは、10nm以上、20nm以上、30nm以上、または50nm以上、または100nm以上、または200nm以上、または250nm以上、または300nm以上であり得る。個々の層AおよびBの平均厚さは、3000nm以下、2000nm以下、1000nm以下、800nm以下、500nm以下、450nm以下、300nm以下、250nm以下、200nm以下、100nm以下、または80nm以下であり得る。所与の二層ABあるいはフィルムまたはシート(AB)において、層AおよびBは、同じまたは実質的に同じ厚さを有してもよいし、あるいはそれらは異なっていて独立に選択または確立された厚さを有してもよい。層の平均厚さが250〜450nm、または275〜325nmであるフィルムまたはシートは、望ましくは増加した酸素および水蒸気透過度(すなわち良好な遮断性)を有する。250〜450nmの平均厚さのエチレンポリマー層Bを有することが、特に(限定はされないが)エチレンポリマーがHDPEである場合に、望ましい。
フィルムまたはシート(AB)の内部で、A層の平均厚さおよびB層の平均厚さは、フィルムまたはシートの全体にわたって必ずしも同じまたは実質的に同じでなくてよい。好ましくは、所与のフィルムまたはシート(AB)中の層AおよびBは、実質的に相互に同じ平均厚さである。層AおよびBの相対厚さとは無関係に、好ましくは、所与のフィルムまたはシート(AB)中の層Aおよび層Bの厚さは、フィルムまたはシートの全体にわたって実質的に(AがAに対して;かつBがBに対して)同じである。
通常、本発明に係る多層化フィルムまたはシートの全厚は、特にそれがスキン層と組み合わせて、かつ/または層貢献部分(layer contribution)として使用されるか、あるいは、異形材またはパリソンなどのより厚い構造の一成分として使用されるかにかかわらず、フィルムまたはシートの必要とされる性能に依存する。通常、最終の構造または物品に含められ得るその他の非ミクロ層の層、スキンおよび同類のものを除いて、フィルムまたはシートは、少なくとも80nm以上、例として、100nm以上の厚さから約7.5mm(295ミル)までの厚さを有する。好ましくは、十分かつ望ましいレベルの物理的特性および遮断性能を得るために、かつ、一般に用いられるどんなスキン層も含まずに、本発明に係るフィルムまたはシートの厚さは、少なくとも150nm、好ましくは少なくとも225nm、好ましくは少なくとも400nm、より好ましくは少なくとも800nm、より好ましくは少なくとも約1マイクロメートル(「μm」)(0.04ミル)、より好ましくは少なくとも約10μm(0.39ミル)、より好ましくは少なくとも100μm(3.94ミル)である。
様々な既知のフィルムまたはシート用途のためのフィルムまたはシートとして、あるいは厚い構造中の層として使用するために、かつ軽量および低コストを維持するために、本発明に係る多層化フィルムまたはシートの全厚(スキン層または非ミクロ層は含まない)は、好ましくは1mm(39.4ミル)未満またはそれに等しい、好ましくは約0.5mm(19.7ミル)未満、より好ましくは100μm(3.94ミル)未満またはそれに等しい、より好ましくは10μm(0.394ミル)未満またはそれに等しい。
A層およびB層が、フィルムまたはシート中で果たそうとする役割に応じて、かつ、ミクロ層の組の性能を最適化するために、層の厚さを、各々の材料の相対流量、層の増幅数および/あるいは最終フィルムまたはシートの厚さによって調節することができる。必要または望みに応じて、AおよびB層の個々の層の厚さは、層の増幅よりも前に初期押出物の相対流量および相対体積百分率を変えることにより、制御し、かつ相互に別々に調節することができる。最終フィルムまたはシート中の各層の厚さは、ひとたびミクロ層構造中のそれらの相対体積百分率が確立されれば、層の数(増幅数)及び/又は最終フィルムまたはシートの厚さによって制御することができる。特定の層数でフィルム又はシートの総厚を展延する場合と同様、特定のフィルム又はシート厚で層の増幅数を増やすほど、より薄い各層が生じる。本発明に係るフィルムまたはシート中の薄い層厚に関して、最終フィルム厚を測定し、かつ、既知の層数およびスキン層または外層を含む層中のポリマー材料の相対体積(厚さ)の百分率から層厚を計算することにより、厚さは最も容易に決定される。また、層の厚さを決定または確認するために公知の技法によってフィルム断面の顕微鏡写真を見ることもできる。
水分遮断性およびその他の特性の望ましいバランスを得るために、本発明に係る多層化フィルムまたはシート中の個々のミクロ層の平均厚さは、通常、1nm〜3000nm(0.118ミル)である。好ましくは、十分かつ望ましい層連続性ならびに水蒸気遮断性と靭性、物理的特性および性能のレベルを得るために、平均厚さは、少なくとも2nm、好ましくは少なくとも5nm、好ましくは少なくとも10nm、より好ましくは少なくとも20nm、最も好ましくは少なくとも25nmである。良好な遮断レベル、軽量および低コストを維持するため、かつ、ミクロ層の組の性能を最適化するのにいくぶん依存して、本発明に係る多層化フィルムまたはシート中の個々のミクロ層の平均厚さは、好ましくは2000nm(0.079ミル)未満またはそれに等しい、好ましくは1500nm(0.059ミル)未満またはそれに等しい、好ましくは800nm(0.0315ミル)未満またはそれに等しい、好ましくは700nm未満またはそれに等しい、好ましくは500nm未満またはそれに等しい、好ましくは400nm未満またはそれに等しい、より好ましくは50nm未満またはそれに等しい。本発明の好ましい実施形態には、例として、10〜1500nm、好ましくは15〜1000nm、より好ましくは20〜500nmの具体的な層の厚さを含む好ましい実施形態など、上に開示される下方の層の厚さのいずれかと上方の層の厚さのいずれかを組み合わせる層の厚さの具体的な範囲が含まれる。
フィルム性能、特性、および/またはコストの望ましい組合せを得るために必要であるので、A層およびB層は、本発明に係るフィルムまたはシート構造中に異なる割合(体積百分率)を有してよい。例として、より高価な環状オレフィンポリマーA層は、本発明に係るフィルムまたはシート構造中に10〜90体積パーセントであってよいが、好ましくは60体積%未満、より好ましくは55体積%未満、より好ましくは50体積%未満、より好ましくは45体積%未満およびより好ましくは40体積%未満である。逆に、エチレンポリマー層Bは、本発明に係るフィルムまたはシート構造中に90〜10体積パーセントであってよいが、好ましくは少なくとも40体積%、好ましくは少なくとも45体積%、より好ましくは少なくとも50体積%、より好ましくは少なくとも55体積%、より好ましくは少なくとも60体積%である。
上記のように、本発明に係る多層フィルムまたはシート構造は、最終物品において構造またはその他の特性を与えるスキン層またはその他の内部層を有する厚い構造中の層として、有利に用いられるか、あるいは提供され得る。例として、本発明の一態様では、包装、ならびに水分遮断層、物理的特性および低コストのそれらの組合せがよく適した多くのその他の用途に適したフィルムまたはシートを提供するために、靭性、印刷適性および同類のものなどのさらなる望ましい特性を有するスキン層または表面層は、本発明に係るフィルムまたはシートのいずれの面でも有利に用いられる。本発明の別の態様では、タイ層を本発明に係る多層フィルムまたはシート構造とともに使用することができる。
このように外側の表面層またはスキン層および随意のその他の内部層を備えた積層構造または物品中で用いる場合、本発明に係るミクロ層フィルムまたはシートを用いて、異形材、チューブ、パリソンまたはその他の積層物品の形状を含む、望ましいフィルムまたはシートの少なくとも5体積%を提供することができ、その残りは95体積%までのさらなる外側の表面層またはスキン層および/または内部層で構成される。好ましい積層構造または物品の実施形態では、本発明に係るミクロ層フィルムまたはシートは、積層物品の少なくとも10体積%、好ましくは少なくとも15体積%、好ましくは少なくとも20体積%、より好ましくは少なくとも25体積%、より好ましくは少なくとも30体積%を提供する。その他の好ましい積層構造または物品の実施形態では、本発明に係るミクロ層フィルムまたはシートは、最大100体積%、好ましくは80体積%未満、好ましくは70体積%未満、より好ましくは60体積%未満、より好ましくは50体積%未満を提供する。
さらに、本発明による多層フィルムまたはシートは、特に積層構造または物品の実施形態において、例として、フォーミングダイ、異形押出ダイ、熱成形、真空成形、または圧力成形により、いくつかの物品の形で作成するかまたはいくつかの物品に形成することができる。さらに、例として、フォーミングダイの使用を通じて、多層フィルムまたはシートは、異形材、チューブおよび同類のものを含む多様な有用な形状の形で作成するかまたはそれらに形成することができる。多層フィルムまたはシート構造を含むパリソンをブロー成形法において使用して、これも本発明に係る様々な種類の瓶またはその他の容器を得ることもできる。
以下の実験は、例証目的のためのものであって、本明細書に添付される特許請求の範囲を制限するものではない。
この実験では、本発明に係る実験フィルムは(「対照」と言及されない限り)、エチレンポリマー層(すなわち高密度ポリエチレン(「HDPE」)またはポリプロピレン(「PP」))とともに共押出された環状オレフィンポリマー層(すなわち環状オレフィン共重合体(「COC」)または環状ブロック共重合体(「CBC1」もしくは「CBC2」))から調製される。
1枚の層対照フィルムを、HDPE、PP、COC、およびCBC樹脂の各々から押出し、下文に定義される通りその対照酸素透過度(OTR)値および対照フィルム水蒸気透過度(WVTR)値について試験した。
表1は、COP材料を要約したものであり、それらの商標名、密度、環単位、環単位の重量百分率、対照フィルムが記載される。COP材料Zeonex 690Rの商標のCOC樹脂は、Zeon Chemicalより商業的に入手可能であり、COP材料HP030およびHP040の商標のCBC樹脂は、より商業的に入手可能であった;同等の材料はTaiwan Synthetic Rubber Corporationより入手することができる。
Figure 0006133325
表2は、エチレンポリマー材料の名称、商標名、ならびに対照フィルム酸素透過度(OTR)値および対照フィルム水蒸気透過度(WVTR)値を要約したものである。
Figure 0006133325
ELITE 5960Gの商標のHDPE樹脂およびH349−02の商標のPP樹脂は、Dow Chemical Companyより商業的に入手可能である。
交互のエチレンポリマー(EP)と環状オレフィンポリマー(COP)からなる257枚の薄層を有する実験フィルムが調製され、ここで、最終的な層厚は、フィルムが展延された最終厚さによって決定される。公称フィルム厚さ(「公称フィルム厚さ」)、公称COP層厚さ、公称エチレンポリマー厚さ(「公称Et.Pol.厚さ」)および総スキン層の体積百分率(両方のスキン層を含む)が下の表に記載される。2種類の層の体積百分率に基づくミクロ層フィルム組成(1または複数の外側層を含む)(EP層体積%対COP層体積%)は以下の通りであった:
シリーズ1(HDPE1/COC)−67/33(約67%(ABAB)nおよびA=B(体積%);約33%HDPE1外層)
シリーズ2(HDPE1/CBC1)−83/17(約67%(ABAB)nおよびA=3B(体積%);約33%HDPE1外層)
シリーズ3(HDPE1/CBC2)−83/17(約67%(ABAB)nおよびA=3B(体積%);約33%HDPE1外層)
シリーズ6(PP/COC)−83/17(約67%(ABAB)nおよびA=3B(体積%);約33%HDPE1外層)
シリーズ7(PP/CBC)−83/17(約67%(ABAB)nおよびA=3B(体積%);約33%HDPE1外層)
シリーズ8(PP/CBC)−83/17(約67%(ABAB)nおよびA=3B(体積%);約33%HDPE1外層)
シリーズ9(HDPE2/COC)−83/17(約67%(ABAB)nおよびA=3B(体積%);約33%HDPE1外層)
シリーズ10(HDPE3/COC)−83/17(約67%(ABAB)nおよびA=3B(体積%);約33%HDPE1外層)
シリーズ11(HDPE2/CBC1)−83/17(約67%(ABAB)nおよびA=3B(体積%);約33%HDPE1外層)
シリーズ12(HDPE3/CBC1)−83/17(約67%(ABAB)nおよびA=3B(体積%);約33%HDPE1外層)
交互のエチレンポリマー(HDPE)またはPPのB層と環状オレフィンポリマー(COC、CBC1またはCBC2)のA層(外層としてエチレンポリマー)を有する、257枚の層の実験多層フィルムを、概略を図1に要約される、一般的に米国特許第3,557,265号に示されるフィードブロック法および一般的に米国特許第5,094,793号に示される層増幅ステップを含む、キャストフィルム法により作成した。
概ね、図1の層増幅共押出の模式図によれば、AおよびBのポリマーは、溶融ポンプによって共押出フィードブロックにBABフィードブロック構成(上記の通り)で接続されている2つの3/4インチ(1.9cm)単軸スクリュー押出機により押出される。溶融ポンプは、フィードブロックで合わされる2つの溶融流を制御する;溶融ポンプ速度を調節することにより、相対層厚さ、つまり、AのBに対する割合を変えることができる。フィードブロックは、供給流を層増幅器に3つの平行な層としてBAB構成で提供し、Bは、表に示される総A:B体積比で、A層の両側に等しい厚さのB層に分割される。その後、7回の層増幅を用い、各回、流れを2つのチャネルに分割し、それらを積み重ねて257の交互の個別のミクロ層を有する最終フィルムを得る。最終フィルムの約33体積パーセントのポリエチレンのスキン層が、さらなる押出機によって各々の表面に提供される(フィルムの各面に16.5体積%)。
押出機、増幅器およびダイ温度は、多層生成物の全ての流れおよび層に関して240℃に設定し、2つのポリマー溶融体の粘度を確実に調和させる。20ミルのダイギャップを有する平らな14インチ(35.5cm)のダイから、ダイとチルロールの間のエアギャップがほとんどない状態の80℃の温度を有し、比較的速いフィルム冷却をもたらすチルロールへ多層押出物を押出する。全体的な流量は、約3ポンド/時(1.36kg/時)である。多層フィルムは、所望の展延率を得るために必要に応じてチルロール速度を変えることによって、様々な公称厚さ(1〜8ミル)のフィルムとして共押出される。例として、チルロール速度を増加させると、総フィルム厚さおよび相応して個々の層厚さが低下する。したがって、上に示すようなA層およびB層の相対体積百分率を変化させることおよび33体積パーセントを外部スキン層としてさらなるスキン層押出機から付加することにより、表に示されるような33から530nmまでのいわゆるミクロ層フィルム中に様々なCOP公称層の厚さが生じる。公称COP層厚さは、層の数、組成物比、スキンの体積百分率および全体的なフィルム厚さから計算される。これからわかるように、COCまたはCBC層が変化した時に、酸素および水蒸気透過度を測定し、変化させる。
結果の要約である下の表3にも示されるように、下に示されるような交互のエチレンポリマー(EP)層および環状オレフィンポリマー(COP)層を備え、比較的厚い(8382nm)COP層を有する対照フィルムとして、2つの実験の5層対照フィルムを調製する(4および5)。
実験フィルム4および5は、増幅器のステップがないことを除いて、上記のフィルムプロセスに従って調製される。押出機およびダイ温度は、多層生成物の全ての流れおよび層に関して240℃に設定し、2つのポリマー溶融体の粘度を確実に調和させる。20ミルのダイギャップを有する平らな14インチ(35.5cm)のダイから、ダイとチルロールの間のエアギャップがほとんどない状態の80℃の温度を有し、比較的速いフィルム冷却をもたらすチルロールへ多層押出物を押出する。全体的な流量は、3ポンド/時(1.36kg/時)前後である。公称COP層厚さは、層の数、組成物比、スキン体積百分率および全体的なフィルム厚さから計算される。酸素および水蒸気透過度を測定し、下に記す。
上記の多層フィルムの水蒸気および酸素の遮断性能を評価するため、個々のフィルム層の特性から多層フィルムの特性を予測するための確立されたモデルを用いて、層状のフィルムの理論上の遮断性を計算する。当技術分野で公知のように、多層フィルムの水蒸気および酸素透過性は、単層の対照データから計算または予測することができる(W.J.Schrenk and T.Alfrey,Jr.,POLYMER ENGINEERING AND SCIENCE,Nov.1969,Vol.9,No.6;pp.398 − 399参照)。積層体のためのこのシリーズモデルは、以下のようにガス透過性をもたらす
Figure 0006133325
式中、φは、成分Aの体積分率であり、PおよびPは、それぞれ、成分Aおよび成分B押出対照フィルムの透過性である。
対照フィルム試験から決定されたEPおよびCOP対照フィルムの値(例、PHDPE1について0.27およびPCOCについて0.44)を用いて、式1は多層フィルムの予測または計算された透過性を与える。例として、フィルムシリーズ1について表3に示されるように、HDPE1/COC(67/33)積層体は、0.31gミル/100in.日の透過性を有すると予測され、フィルムシリーズ6について表4に示されるように、PP/COC(67/33)積層体は、0.62gミル/100in.日の透過性を有することになる。このモデルを用いて、下の表中で対照と示される全ての「計算された」水蒸気または酸素透過度を調製した。表3からわかるように、計算された値は、通常、従来の層数および厚さを有する、より単純な5層フィルムについて観察される割合と一致する。
試験方法
包埋したフィルムを、厚さ全体にわたって−75℃でクライオウルトラミクロトーム(RMC製MT6000−XL)を用いてミクロトーム処理し、断面を原子間力顕微鏡(AFM)で調べて層および層内部の形態を可視化する。位相画像および高さ画像または断面を、Nanoscope IIIa MultiMode走査プローブ(デジタルインスツルメンツ)のタッピングモードを用いて空気中周囲温度で同時に記録する。66nm(すなわち1ミルフィルム)および530nm(すなわち8ミルフィルム)厚のHDPE1層およびCOC層ならびにHDPE1/COC67/33組成をもつフィルムの断面からの領域は、層の輪郭がはっきりしていて連続性であることを裏付ける。多少不均一ではあるが、平均層厚は、フィルム厚さ、組成比および総層数から計算された公称層厚に非常に近いことがわかる。
38℃、相対湿度100%および1気圧での水蒸気透過性を、MOCON Permatran−W 3/31で測定する。この計測器は、アメリカ国立標準技術研究所認証の既知の水蒸気輸送特性をもつ25μm厚のポリエステルフィルムで較正される。この試験片を調製し、WVTRをASTM F1249に従って実施する。
23℃、相対湿度0%および1気圧での酸素透過性を、MOCON OX−TRAN 2/20で測定する。この計測器は、アメリカ国立標準技術研究所認証の既知のO輸送特性をもつマイラー膜で較正される。この試験片を調製し、WVTRをASTM D3985に従って実施する。
商業的に入手可能なMOCON計測器を用いて、水蒸気透過性(P)をまず押出した対照フィルム:HDPE、PP、COC、およびCBCで測定する。次に、水蒸気透過性(P)をHDPE1/COC、HDPE1/CBC1、およびHDPE1/CBC2多層フィルムで測定する。
表3および4に示される水蒸気透過性(WVTR)、ならびに表5および6に示される酸素透過性(OTR)を、上記のように調製したHDPE/COPおよびPP/COP多層フィルムで測定する。
Figure 0006133325
Figure 0006133325
表3にHDPE/COCおよびHDPE/CBC多層システムに関して示されるように、試験した層厚(33〜530nm)の範囲の透過性データは、単層対照データからのシリーズモデルの計算値よりも低かった。33nm厚のCOC層またはCBC層をもつフィルムの透過性は、シリーズモデルの予測値よりも約2倍低かった。しかし、表4に示されるように、単層対照データからのシリーズモデルの予測値を超える水蒸気透過性の改善は、PP/COCまたはPP/CBCに基づく3つのシステムに関して見られなかった。
Figure 0006133325
Figure 0006133325
単層対照データからのシリーズモデルの予測値を超える酸素透過性の改善は、上の表5および6中の様々なHDPE/COCおよびHDPE/CBCサンプルに関して見られなかった。
HDPE密度変化
3つの異なる密度のHDPE(表2のHDPE1、HDPE2、およびHDPE3)を比較して、HDPE/COCおよびHDPE/CBCシステムにおいてHDPE密度のWVTRへの影響を見る。密度は、HDPE1、HDPE2、およびHDPE3に対して、それぞれ0.96、0.963、および0.97g/ccである。33nm厚のCOC層で測定したHDPE2/COCおよびHDPE3/COC水蒸気透過性を表7に示す。
Figure 0006133325
Figure 0006133325
対照HDPEデータは、より高い密度のHDPEが、通常低下したWVTRを示すことを実証するが(表2)、HDPE/COC層に関して、フィルムサンプルにおいて、公称WVTRの改善は見られるが、より高い密度のHDPEに対して有意な水蒸気透過性の改善は見られない。しかし、33nm厚のCBC1層でのHDPE2/CBC1およびHDPE3/CBC1の水蒸気透過性は、HDPE1について0.19〜0.12およびHDPE2/CBC1およびHDPE3/CBC1サンプルについて0.10gミル/100in.日のWVTRの改善をそれぞれ示した。これらの透過性は、シリーズモデル予測値の約1.5倍の改善である。あらゆる例において、HDPE/COCミクロ層フィルムおよびHDPE/CBCミクロ層フィルムは、等体積の同じHDPEで作成された対照フィルムと比較して改良されたWVTRを有する。
33nm厚のCOC/CBC1層をもつ、実験フィルム1A、および2A、共押出HDPE/COCおよびHDPE/CBC1フィルムサンプルを、2分間145℃に再加熱した後、ゆっくりと空気中で冷却した。押出後熱処理の前(すなわちチルロール上で急速冷却されたもの)および後(すなわち再加熱および徐冷されたもの)のフィルム中の結晶化度パーセントを、示差走査熱量測定(DSC)を用いることにより測定し、表9に報告する。示差走査熱量測定(DSC)は、パーキン−エルマーDSC−7で加熱速度10℃/分で実行する。結晶化度は、融解熱を用いて計算する(HDPEについて293J/gのΔH値、Wunderlich B.Macromolecular Physics.Vol.3.New York,Academic Press,1980,p.58)。
Figure 0006133325
上の表9および下の表10に示されるように、余分の熱処理は、様々なHDPE/CO
CおよびHDPE/CBC1サンプルについて結晶化度パーセントを7〜9%増加させ、
また、これらのシステムについて水蒸気透過性(permeabilites)を13〜
20%低下させた。押出後熱処理は、HDPE3/CBC1サンプルについて0.08g
ミル/100in.日をもたらした。この透過性はシリーズモデルの予測値から約2倍
の改善である。
Figure 0006133325

以上の内容に基づく本願発明の具体例として、以下のものが挙げられる。
[1] 層材料AおよびBからなる少なくとも4つの交互の層を含む共押出多層フィルムまたはシートであって、前記AおよびBの層が、各々、1〜3000nmの平均層厚を有し、
a.層材料Aが、層材料AおよびBに基づく前記フィルムまたはシートの5〜95体積パーセントであり、かつ環状オレフィンポリマー(「COP」)を含み、
b.層材料Bが、層材料AおよびBに基づく前記フィルムまたはシートの5〜95体積パーセントであり、かつエチレンポリマーを含む、
共押出多層フィルムまたはシート。
[2] 前記AおよびBの層が、少なくとも40nmの総厚を有する、[1]に記載の共押出多層フィルムまたはシート。
[3] 外側のスキン層C、および、前記フィルムまたはシートの5〜90体積パーセントを構成する随意の内層Dを含む、[1]に記載の共押出多層フィルムまたはシート。
[4] 4.5μm〜7.5mmの厚さを有する、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の共押出多層フィルムまたはシート。
[5] 10〜1000枚のAおよびBの交互の層を含む、[1]に記載の共押出多層フィルムまたはシート。
[6] 前記A層およびB層が、10〜500nmの平均厚を有する、[1]に記載の多層フィルムまたはシート。
[7] 前記エチレンポリマーが、0.91グラム/立方センチメートルよりも大きい密度を有し、高密度ポリエチレンおよび中密度ポリエチレンからなる群から選択される、[1]に記載の多層フィルムまたはシート。
[8] 前記環状オレフィンポリマーが、
A.水素化されて環状オレフィンブロック共重合体(「CBC」)となるブタジエンと
スチレンとのブロック共重合体を生成することにより調製されるCBC、
B.ノルボルネンまたは置換ノルボルネンによる開環メタセシス経路に基づくCOP、
C.環状オレフィンおよび線状オレフィンに基づく非晶性の透明な共重合体、
D.2以上のCOPのブレンド、あるいは
E.1以上のCOPとCOPでないポリマーとのブレンドであって、前記合計ブレンド
または組成物中に少なくとも25重量%の環状オレフィンの単位含量を含むブレンド
からなる群から選択される、[1]に記載の多層フィルムまたはシート。
[9] 前記フィルムまたはシートが、前記「積層体のためのシリーズモデル」を用いて前記個々の層の水蒸気透過度(「WVTR」)から計算される、計算された理論上のWVTRと比較してより低いWVTRを有する、[1]に記載の多層フィルムまたはシートまたはシート。
[10] 前記フィルムまたはシートが、前記計算された理論上のWVTRの95%以下であるWVTRを有する、[9]に記載の多層フィルムまたはシート。
[11] 異形材、チューブまたはパリソンの形状で作成されるか、あるいは異形材、チューブまたはパリソンの形状へ加工される、[1]〜[10]のいずれか一項に記載の多層フィルムまたはシート。
[12] 層材料AおよびBの少なくとも4つの交互の層を含む異形材、チューブまたはパリソンであって、前記AおよびBの層が、各々が1〜3000nmの平均層厚を有し、
a.層材料Aが、前記層材料AおよびBの5〜95体積パーセントであり、かつ環状オレフィンポリマーを含み、
b.層材料Bが、前記層材料AおよびBの5〜95体積パーセントであり、かつエチレンポリマーを含む、異形材、チューブまたはパリソン。
[13] [12]に記載のパリソンから作製した、ブロー成型された瓶またはその他の容器。

Claims (13)

  1. 層材料AおよびBからなる少なくとも4つの交互の層を含む共押出多層フィルムまたはシートであって、前記AおよびBの層が、各々、1〜3000nmの平均層厚を有し、
    a.層材料Aが、層材料AおよびBに基づく前記フィルムまたはシートの5〜95体積パーセントであり、かつ環状オレフィンポリマー(「COP」)を含み、
    b.層材料Bが、層材料AおよびBに基づく前記フィルムまたはシートの5〜95体積パーセントであり、かつ少なくとも0.940g/ccの密度を有するエチレンポリマーを含む、
    共押出多層フィルムまたはシート。
  2. 前記AおよびBの層が、少なくとも40nmの総厚を有する、請求項1に記載の共押出多層フィルムまたはシート。
  3. 外側のスキン層C、および、前記フィルムまたはシートの5〜90体積パーセントを構成する随意の内層Dを含む、請求項1に記載の共押出多層フィルムまたはシート。
  4. 4.5μm〜7.5mmの厚さを有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の共押出多層フィルムまたはシート。
  5. 10〜1000枚のAおよびBの交互の層を含む、請求項1に記載の共押出多層フィルムまたはシート。
  6. 前記A層およびB層が、10〜500nmの平均厚を有する、請求項1に記載の多層フィルムまたはシート。
  7. 前記エチレンポリマーが、高密度ポリエチレンおよび中密度ポリエチレンからなる群から選択される、請求項1に記載の多層フィルムまたはシート。
  8. 前記環状オレフィンポリマーが、
    A.水素化されて環状オレフィンブロック共重合体(「CBC」)となるブタジエンと
    スチレンとのブロック共重合体を生成することにより調製されるCBC、
    B.ノルボルネンまたは置換ノルボルネンによる開環メタセシス経路に基づくCOP、
    C.環状オレフィンおよび線状オレフィンに基づく非晶性の透明な共重合体、
    D.2以上のCOPのブレンド、あるいは
    E.1以上のCOPとCOPでないポリマーとのブレンドであって、前記合計ブレンド
    または組成物中に少なくとも25重量%の環状オレフィンの単位含量を含むブレンド
    からなる群から選択される、請求項1に記載の多層フィルムまたはシート。
  9. 前記フィルムまたはシートが、前記「積層体のためのシリーズモデル」を用いて前記個々の層の水蒸気透過度(「WVTR」)から計算される、計算された理論上のWVTRと比較してより低いWVTRを有する、請求項1に記載の多層フィルムまたはシートまたはシート。
  10. 前記フィルムまたはシートが、前記計算された理論上のWVTRの95%以下であるWVTRを有する、請求項9に記載の多層フィルムまたはシート。
  11. 異形材、チューブまたはパリソンの形状で作成されるか、あるいは異形材、チューブまたはパリソンの形状へ加工される、請求項1〜10のいずれか一項に記載の多層フィルムまたはシート。
  12. 層材料AおよびBの少なくとも4つの交互の層を含む異形材、チューブまたはパリソンであって、前記AおよびBの層が、各々が1〜3000nmの平均層厚を有し、
    a.層材料Aが、前記層材料AおよびBの5〜95体積パーセントであり、かつ環状オレフィンポリマーを含み、
    b.層材料Bが、前記層材料AおよびBの5〜95体積パーセントであり、かつ少なくとも0.940g/ccの密度を有するエチレンポリマーを含む、異形材、チューブまたはパリソン。
  13. 請求項12に記載のパリソンから作製した、ブロー成型された瓶またはその他の容器。
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