JP6175753B2 - 積層体およびその製造方法 - Google Patents
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Description
従来、ガスバリア性材料としては温度や湿度の影響が少ないアルミニウムやポリ塩化ビニリデンが用いられてきた。しかしながら、これらを焼却処分する際には、アルミニウムにおいては焼却残渣が排気口や炉内部で詰まり焼却効率を下げてしまう問題、ポリ塩化ビニリデンにおいてはダイオキシンが発生してしまう等の問題が生じてしまうため、環境負荷の少ない材料への代替が求められている。例えば、特許文献1にあるように、同じ化石資源からつくられる材料であっても、アルミニウムや塩素を含まないポリビニルアルコールやエチレンビニルアルコール共重合体への一部代替が進められているが、さらに、将来的には、石油由来材料からバイオマス材料への代替が期待されている。
また、前記セルロースナノファイバーの数平均繊維径が、0.001μm以上0.200μm以下であるとよい。
また、前記セルロースナノファイバーのカルボキシル基が、ナトリウム塩、アンモニウム塩、アミン塩のいずれかの塩を形成しているとよい。
また、前記アンカー層が、カルボキシル基を有する樹脂を少なくとも含むとよい。
また、前記アンカー層が、更に、カルボジイミド基、オキサゾリン基、イソシアネート基またはエポキシ基を有する反応性化合物を含むとよい。
また、前記基材が、ポリエステル樹脂またはポリアミド樹脂からなり、前記アンカー層が、カルボキシル基を有する樹脂を含むとよい。
また、前記アンカー層に含まれる樹脂の酸価が、5以上であるとよい。
また、前記アンカー層の厚みが、3nm以上10μm以下であるとよい。
図1のように、本発明の積層体10は、少なくとも、基材1と、基材1の一方の面に、アンカー層2と、カルボキシル基を有するセルロースナノファイバー層3とをこの順に積層して構成されている。アンカー層2およびセルロースナノファイバー層3は、基材1の両面にそれぞれ積層されていてもよい。
まず、セルロースナノファイバー層3について説明する。セルロースナノファイバー層は、少なくとも、カルボキシル基を有する微細セルロース繊維を含む。カルボキシル基を有するセルロースナノファイバーは、例えば、下記の方法で製造することができる。
原料としては、セルロース素材を用いる。セルロース素材は、粉砕、爆砕、膨潤、精製、漂白、溶解再生、アルカリ処理などの前処理を施していてもよい。特に、セルロース素材としては、ガスバリア性の高い塗膜や強度のある塗膜を得る場合は、セルロースIの結晶構造を有する天然由来のセルロースを用いることが好ましい。原料となる天然由来のセルロースとしては、木材パルプ、非木材パルプ、綿パルプ、バクテリアセルロース、ホヤセルロースなどがある。
セルロースへのカルボキシル基の導入方法としては、一般的に知られる化学的な改質方法を用いることができる。カルボキシメチル化で知られるように、セルロースの水酸基をエステル化・エーテル化してカルボキシル基を導入する手法、水酸基から酸化反応によりカルボキシル基を導入する方法などを選択することができる。特に、ガスバリア性の高い塗膜を得るためや、結晶構造を崩さずにカルボキシル基を導入するためには、中でも、ニトロキシラジカル誘導体を触媒とし、次亜ハロゲン酸塩や亜ハロゲン酸塩などを共酸化剤として用いる手法が好ましい。特に、TEMPO(2,2,6,6−テトラメチルピペリジノオキシラジカル)を触媒とし、アルカリ条件下、好ましくはpH9以上pH11以下の範囲で、次亜塩素酸ナトリウムと臭化ナトリウムを含む水系媒体中で行われるTEMPO酸化法が、試薬の入手しやすさ、コスト、反応の安定性の点から好適である。上記のTEMPO酸化法においては、反応の進行に伴いアルカリが消費されるため、随時アルカリ水溶液を添加して、系内のpHを一定に保つとよい。
酸化反応停止後、生成した酸化セルロースは、ろ過により反応液中から回収することができる。反応停止後の酸化セルロースにおいて、カルボキシル基は、共酸化剤やpH調整用の無機アルカリに由来する金属イオンを対イオンとした塩を形成している。回収の方法としては、カルボキシル基が塩を形成したまま濾別する方法、反応液に酸を添加しpH3以下に調整しカルボン酸としてから濾別する方法、有機溶剤を添加し凝集させた後に濾別する方法がある。その中でも、ハンドリング性や収率、廃液処理の点からカルボン酸に変換し回収する方法が好適である。また、後述する微細セルロース繊維組成物調製の際にも、対イオンとして金属イオンを含有しないほうが溶剤との混和性に優れるため、カルボン酸に変換し回収する方法が好適である。
回収した酸化セルロースは、洗浄を繰り返すことにより精製でき、触媒や副生成物である塩化ナトリウム、イオンなどの残渣を取り除くことができる。このとき、洗浄液としては水が好ましく、さらに塩酸などを用いpH3以下、より好ましくはpH1.8以下の酸性条件に調整し洗浄を行った後、水による洗浄を行うと、金属イオンを上記分析方法における検出限界量以下とすることができる。または、残存する金属イオン量をより低減させるため、酸性条件での洗浄を複数回行ってもよい。また、セルロース中に塩等が残留していると、後述の分散工程にて分散しにくくなるため、水洗浄は複数回洗浄を行うことが好ましい。
(分散工程)
洗浄した酸化セルロースを微細化する工程としては、まず、酸化セルロースを分散媒である水系媒体に浸漬する。この時、浸漬した液のpHは、例えば、4以下となる。酸化セルロースは水系媒体に不溶であり、浸漬した時点では不均一な懸濁液となっている。
セルロースナノファイバー層は、カルボキシル基を有するセルロースナノファイバーのほか、無機層状化合物や有機金属化合物などの各種添加剤を含んでいてもよい。
Am M(OR)n−m
(式中、Aは炭素数1個以上10個以下の炭素主鎖1種類以上で構成され、Mは金属元素、Rはアルキル基であり、nは金属元素の酸化数、mは置換数(0≦m<n)を表す)
で示される有機金属化合物または該有機金属化合物の加水分解物あるいは重合体である。具体的には、TiやZr、Siの金属アルコキシドが挙げられ、特に珪素アルコキシドが良好な性能を示す。テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン等のテトラアルコキシ体又はその重合物、トリメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリプロポキシシラン等のトリアルコキシ体又はその重合物、ジメトキシシラン、ジエトキシシラン等のジアルコキシ体又はその重合物、その他、C−Si結合をもつメチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルジメトキシシラン等、又は、官能基を有するものとして、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、β(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−β−(アミノエチル)−γ−アミノプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。
基材1の厚みは、当該積層材料の用途に応じて適宜設定できる。例えば、包装材料として用いられる場合、通常、5μm以上200μm以下の範囲内であり、10μm以上100μm以下が好ましい。コストや省資源の観点からは、10μm以上30μm以下が最も好ましい。
また、通常のポリエステル樹脂は、末端のカルボキシル基が若干残っているのみに過ぎないが、これらのポリエステル樹脂を変性、改質し、より多くのカルボキシル基やスルホン酸基などを表面あるいは内部まで導入したポリエステル樹脂は、密着、濡れ性、経時安定性向上の効果が高く、より好ましい。
また、熱溶着可能な熱可塑性樹脂層は、本発明の積層体20を用いて袋状包装体などを形成する際に、密封層として設けられるものである。図2に、本発明の熱可塑性樹脂層を設けた積層体20を示す。熱可塑性樹脂層5は、基材1の一方の面にアンカー層2を介して積層されたセルロースナノファイバー層3上に、接着層4を介して積層される。
以下に示すセルロースナノファイバー、水溶性高分子、層状鉱物の各材料を、表1に示した配合比で混合し、アンカー層形成用塗液を作製した。
漂白クラフトパルプ10gを水500ml中で一晩静置し、パルプを膨潤させた。これを20℃に温度調整し、TEMPO 0.1gと臭化ナトリウム 1gを添加し、パルプの懸濁液とした。さらに、攪拌しながらセルロース重量当たり10mmol/gの次亜塩素酸ナトリウムを添加した。この際、約1Nの水酸化ナトリウム水溶液を添加してパルプ懸濁液のpHを約10.5に保持した。その後240分間酸化反応を行い、十分に水洗しパルプを得た。得られたパルプをイオン交換水で固形分濃度1%に調整し、高速回転ミキサーを用いて約60分間攪拌し、透明なセルロースナノファイバーの分散液を得た。
市販品のPVA(PVA−124、クラレ社製)5gをビーカーに量りとり、純水500gを加えた。これを100℃に加熱し、溶解させ1%溶液として用いた。
[無機層状化合物の分散方法]
市販品の合成マイカ、PDM−5B(トピー工業社製)を水に分散させ1%分散液として用いた。
PVAの1%溶液を60gビーカーに量り取り、攪拌しながら合成マイカの1%分散液を12g添加してPVA/合成マイカ=50/10の混合液を作成する。セルロースナノファイバー分散液100gを攪拌しながらこの混合液を60g添加してセルロース/合成マイカ/PVA=100/10/50とし、十分攪拌する。この混合液を塗工液(1)とする。
下記樹脂1〜9と下記添加剤1〜3の組み合わせにより、樹脂100重量部に対し添加剤0重量部、1重量部又は10重量部を混合し、表1におけるアンカー層を形成するための塗液(アンカー層形成用塗液)1〜25を調製した。アンカー層形成用塗液における樹脂1〜9と添加剤1〜4の組み合わせ、用いた溶媒および固形分濃度を表1に示す。それぞれの樹脂、添加剤を表に示す溶媒で希釈して表1に示す固形分とした後に混合した。
樹脂No.1・・・アローベース SD-1200
(カルボキシル基含有ポリエチレン、ユニチカ)
樹脂No.2・・・アローベース SB-1010
(カルボキシル基含有ポリエチレン、ユニチカ)
樹脂No.3・・・アローベース TC-4010
(カルボキシル基含有ポリプロピレン、ユニチカ)
樹脂No.4・・・ペスレジン WAC-15X
(アクリル変性ポリエステル・ウレタン混合物、高松油脂)
樹脂No.5・・・ペスレジン S−680EA
(カルボキシル基含有ポリエステル、高松油脂)
樹脂No.6・・・アクリット 8UA−017
(カルボキシル基含有ウレタン変性アクリルポリマー、大成ファインケミカル)
樹脂No.7・・・アクリット 8UA−501
(カルボキシル基含有ウレタン変性アクリルポリマー、大成ファインケミカル)
樹脂No.8・・・NT−ハイラミック
(ポリウレタン、大日精化)
樹脂No.9・・・バイロエコール BE−600
(ポリ乳酸、東洋紡績)
添加剤No.1・・・タケネート WD−725
(イソシアネート、三井化学)
添加剤No.2・・・オルガチックス TC−400
(チタントリエタノールアミネート、松本ファインケミカル)
添加剤No.3・・・タケネート A52
(イソシアネート、三井化学)
添加剤No.4・・・タケネート 500
(ジイソシアネート、三井化学)
表1におけるアンカー層形成用塗液No.1〜25を用いたのが表2における実施例1〜25であり、アンカー層形成用塗液の番号と実施例の番号とに同一の番号を用いて対応させている。
基材として、表面をコロナ処理した厚み15μmのナイロンと厚み12μmのポリエステルを用意した。各基材のコロナ処理面上に、アンカー層形成用塗液1〜25をバーコーターを用いて塗布した後、120℃で10分間乾燥処理することにより、厚み約0.3μmのアンカー層を形成した。アンカー層上に、塗工液(1)をバーコーターを用いて塗布した後、120℃で20分間乾燥処理することにより、厚み約1.0μmのセルロースナノファイバー層を形成した。さらに、セルロースナノファイバー層上に、ウレタンポリオール系接着剤を用いて、ドライラミネートにより、熱溶着可能な熱可塑性樹脂層である厚み70μmのポリプロピレンフィルムを貼り合わせて、基材/アンカー層/セルロースナノファイバー層/接着層/熱可塑性樹脂層の積層体を得た。
基材のコロナ処理面上にアンカー層を形成せず、直接塗工液(1)をバーコーターを用いて塗布した以外は、実施例と同様にして積層体を得た。
[塗工性評価]
実施例1〜25および比較例1の積層体を作製する際の、セルロースナノファイバー分散液を塗布する工程において、実施例1〜25では、セルロースナノファイバー分散液の濡れ性が良好で、特にはじきやムラ等が観察されることはなかった。一方、比較例1では、濡れ性が悪く、セルロースナノファイバー分散液のはじきやムラが目視で観察できた。
得られたガスバリア性フィルムの性能は、下記の方法に従って評価した。
酸素透過度測定装置MOCON(OX−TRAN2/21、モダンコントロール社製)を用いて、30℃70%RHの雰囲気下で測定をおこなった。ガスバリア性フィルムの酸素透過度を測定した結果を表に示す。
得られた包装材料用ガスバリア性フィルムのラミネート強度は以下の方法に従って評価した。
各3層積層体を、幅15mm×長さ10cmの短冊状に切り抜き、試験片とした。該試験片について、JIS−K−7127に準拠して、引張り速度300mm/minでT字剥離を行って、基材とPPフィルムの間の密着強度(N/15mm)を測定した。また試験環境は25℃70%RHとした。
するために、包装材料を透過する酸素や水蒸気などの気体を遮断するフィルムやシート、
または、ボトルなどの成形物等に用いることができる。
2 アンカー層
3 セルロースナノファイバー層
4 ヒートシール層(接着層)
5 熱可塑性樹脂層
Claims (18)
- 少なくとも、基材と、前記基材の一方の面に、アンカー層と、カルボキシル基を有するセルロースナノファイバー層とをこの順に設けた積層体であって、
前記アンカー層が、カルボキシル基、スルホン酸基、アミノ基または水酸基を有する樹脂を少なくとも1種類以上含み、且つ融点が60℃以上150℃以下であるエマルジョン系樹脂で形成されていることを特徴とする積層体。 - 前記エマルジョン系樹脂の粒径が、2μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の積層体。
- 前記エマルジョン系樹脂の粒径が、0.5μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の積層体。
- 前記セルロースナノファイバーが、酸化反応によりカルボキシル基が導入された酸化セルロースであり、前記カルボキシル基の含有量が、0.1mmol/g以上5.5mmol/g以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の積層体。
- 前記セルロースナノファイバーの数平均繊維径が、0.001μm以上0.200μm以下であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の積層体。
- 前記セルロースナノファイバーのカルボキシル基が、ナトリウム塩、アンモニウム塩、アミン塩のいずれかの塩を形成していることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の積層体。
- 前記アンカー層が、カルボキシル基を有する樹脂を少なくとも含むことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の積層体。
- 前記アンカー層に含まれる樹脂が、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアクリル酸樹脂、ポリマレイン酸樹脂、もしくはポリオレフィン樹脂またはこれらの共重合体であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の積層体。
- 前記アンカー層が、更に、カルボジイミド基、オキサゾリン基、イソシアネート基またはエポキシ基を有する反応性化合物を含むことを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の積層体。
- 前記基材が、ポリエステル樹脂またはポリアミド樹脂からなり、前記アンカー層が、カルボキシル基を有する樹脂を含むことを特徴とする請求項9に記載の積層体。
- 前記基材を構成する樹脂がポリエステル樹脂の場合はポリエチレンテレフタレート、ポリアミド樹脂の場合はナイロン6、ナイロン11、ナイロン12、ナイロン66、ナイロン610、ナイロン612、ナイロン6T、ナイロン6I、ナイロン9T、ナイロンM5Tなどのナイロン、又は、これらの誘導体、又は、これらのうち2種以上の複合材料であることを特徴とする請求項10に記載の積層体。
- 前記アンカー層に含まれる樹脂の酸価が、5以上であることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の積層体。
- 前記アンカー層の厚みが、3nm以上10μm以下であることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の積層体。
- 前記アンカー層が、水/IPAで希釈されたカルボキシル基含有ポリエチレン、または、水で希釈されたカルボキシル基含有ポリプロピレンで形成されていることを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載の積層体。
- 少なくとも、基材と、前記基材の一方の面に、アンカー層と、カルボキシル基を有するセルロースナノファイバー層とをこの順に設けた積層体の製造方法であって、
前記基材の一方の面に、カルボキシル基、スルホン酸基、アミノ基または水酸基を有する樹脂を少なくとも1種類以上を含む塗液を用いて塗膜を形成する工程と、
前記塗膜を乾燥させて前記アンカー層を形成する工程と、
前記アンカー層の上に前記セルロースナノファイバー層を形成する工程とを備え、
前記塗液に含まれ、前記アンカー層を形成する樹脂を、融点が60℃以上150℃以下であるエマルジョン系樹脂とすることを特徴とする積層体の製造方法。 - 前記エマルジョン系樹脂の粒径を2μm以下とすることを特徴とする請求項15に記載の積層体の製造方法。
- 前記エマルジョン系樹脂の粒径を0.5μm以下とすることを特徴とする請求項15に記載の積層体の製造方法。
- 前記塗液を、カルボキシル基含有ポリエチレンを水/IPAで希釈した塗液、または、カルボキシル基含有ポリプロピレンを水で希釈した塗液とすることを特徴とする請求項15から17のいずれかに記載の積層体の製造方法。
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