JP6329271B2 - 射出成型用途に適当なポリエチレン組成物 - Google Patents

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Description

本発明は、ポリエチレン組成物、特に例えばパイプなどの射出成型用途及び特に管継手用途のためのポリエチレン組成物に関する。本発明はさらに、該ポリエチレン組成物の製造方法に関する。
パイプ製造用の複数のポリエチレン組成物が知られている。パイプ材料は、PE80又はPE100などに分類される。PE100についての使用温度は20℃である。ISO9080分類は、20℃で10MPaの内部応力での使用で、PE100材料が少なくとも50年の寿命を有することを保証する。
多くの用途において、異なるパイプセグメントを、特に各パイプセグメントの直径に適した継手により接続することが必要である。パイプとは対照的に、かかる継手は複雑な三次元構造、例えばT型構造、十文字構造又はベント構造を有し得る。しかし、継手は一定又は種々の直径のパイプの形態でも作成され得る。複雑な三次元構造を有する高分子物品の製造に関し、射出成型はかかる物品を高い生産速度で製造する費用効率的な方法であるため、押出よりも好まれている。しかし、射出成型は特に該方法に適当なレオロジー特性を必要とし、一方、最終物品が優れた機械特性、すなわちパイプについて確立されたPE80又はPE100品質規格になお合致する機械的特性をなお有するべきである。同様の長期の内圧はパイプの歪みにかかるだけでなく、パイプを接続する継手上にもかかるため、これは管継手について特に当てはまる。したがって、押出成形に適したポリマーは、そのレオロジー特性が不適当であるため、又は、得られる生成物の機械的特性が不十分であるためのいずれかで、射出成型に使用できないことが頻繁にある。
射出成型は繰り返し可能なプロセスであり、高分子材料は溶融され、型キャビティ中に射出され、ここで、物品は冷却される。射出成型プロセスにおいて、型の充填及び固化は、特に、同時に行われる。しかし、瞬間冷却は内部応力を生じ、それによって応力亀裂のリスクが高まる。したがって、重合性溶融物は、固化が起こる前に型全体に充填されるに十分な流動性を有さねばならない。さらに、レオロジー特性が注意深く微調整されていない場合、得られる成形品は表面欠陥(例えばしま又は波模様)を有するだろう。所望される表面特性は光沢、ならびに、フローマークがない表面である。
型キャビティ充填のステップに、通常、パッキングステップが続く、ここで、完全な充填を確実にするためにパッキング圧が適用される。固化後、型が開き、物品が排出される。しかし、射出成型プロセスから典型的に生じる別の問題は、得られる物品の収縮である。パイプのような他の物品のサイズに特に適合する継手に関し、非常に少ない収縮が非常に重要である。
欧州特許出願公開第1655335号明細書には、改善されたレオロジー挙動及び収縮挙動を有し、射出成型用途に適当な、特に継手に適当な、ポリエチレン組成物が開示されている。しかし、耐圧性などの機械的特性はなお改善が必要である。
欧州特許出願公開第1655335号明細書
射出成型用途に適し、改善された機械的特性(低速亀裂成長耐性及び迅速亀裂伝播耐性など)を示し、管継手の製造に特に必要である、ポリエチレン組成物に対する要求はなお存在する。
本発明は、低速亀裂成長耐性及び迅速亀裂伝播耐性などの改善された機械的特性を有するポリエチレンパイプ及び特に管継手が、以下:
・(A)ISO 1133に従い測定して150g/10分以上〜300g/10分以下のメルトフローレートMFR(2.16kg、190℃)を有する、第1エチレンホモ又はコポリマー成分、
(B)第2エチレンホモ又はコポリマー成分
を含む、好ましくは上記からなる、ベース樹脂、
・任意にカーボンブラック、
・任意にさらなるポリマー成分、および
・任意にさらなる添加剤
を含むポリエチレン組成物から作る場合に提供され得るという、驚くべき発見に基づく。
ここで、該第1エチレンホモ又はコポリマー成分(A)は第2エチレンホモ又はコポリマー成分(B)よりも低い重量平均分子量を有し、第1エチレンホモ又はコポリマー成分(A):第2エチレンホモ又はコポリマー成分(B)の重量比は40:60〜47:53であり;
該ポリエチレン組成物は、ISO 1133に従い測定して0.35g/10分以上0.60g/10分以下のメルトフローレートMFR(5kg、190℃)を有する。
本発明のポリエチレン組成物は、適当なレオロジー特性及び収縮特性を示すだけでなく、改善された機械的特性(例えばノッチ付パイプ試験及び耐圧性試験における低速亀裂成長耐性、及び、ノッチ付のシャルピー衝撃耐性及びS4-試験における迅速亀裂伝播耐性)をも示す。
したがって、本発明は、
・(A)ISO 1133に従い測定して、150g/10分以上〜300g/10分以下のメルトフローレートMFR(2.16kg、190℃)を有する第1エチレンホモ又はコポリマー成分、及び
(B)第2エチレンホモ又はコポリマー成分
を含む、ベース樹脂、
・任意にカーボンブラック、
・任意に第1のエチレンホモ又はコポリマー成分(A)及び(B)と異なるさらなるポリマー成分、及び
・任意にさらなる添加剤
を含むポリエチレン組成物を提供し、
ここで、該第1エチレンホモ又はコポリマー成分(A)は第2エチレンホモ又はコポリマー成分(B)よりも低い重量平均分子量を有し、第1エチレンホモ又はコポリマー成分(A):第2エチレンホモ又はコポリマー成分(B)の重量比は40:60〜47:53であり;
該ポリエチレン組成物は、ISO 1133に従い測定して0.35g/10分以上〜0.60g/10分以下のメルトフローレートMFR(5kg、190℃)を有する。
本発明はさらに、多段プロセスにより得られるポリエチレン組成物を提供し、該多段プロセスは以下:
a)チグラー-ナッタ触媒の存在下でエチレンを重合し中間体物質を得ること、該中間体物質はISO 1133に従い測定して150g/10分以上〜300g/10分以下のメルトフローレートMFR(2.16kg、190℃)を有する、
b)中間体物質を気相反応器に移し、
(i)エチレン及び3〜12個の炭素原子を有する少なくとも1つのアルファ−オレフィンコモノマーを気相反応器に供給し、
(ii)該中間体物質をさらに重合し、
ベース樹脂の40〜47重量%の量で該中間体物質を含むベース樹脂を得ること、
c)該ベース樹脂を、場合によりカーボンブラック及び/又はさらなる添加剤の存在下で、ISO 1133に従い測定して0.35g/10分以上〜0.60g/10分以下のメルトフローレートMFR(5kg、190℃)を有するポリエチレン組成物に押出すること
を含む。
さらなる態様において、本発明は、本発明のポリエチレン組成物を含む物品を提供する。
さらに、さらなる態様において、本発明は、物品を製造するための本発明のポリエチレン組成物の使用に関する。
これに関し、該物品はパイプ又は管継手に関することが好ましい。
〔定義〕
本発明によれば、ポリエチレン組成物は、少なくとも50mol%のエチレンモノマー単位及び追加のコモノマー単位から誘導されたポリマーを表す。
これに関し、エチレンホモポリマーは本質的にエチレンモノマー単位からなるポリマーを表す。大スケールでの重合の要求のために、エチレンホモポリマーが、エチレンホモポリマーの通常0.1mol%以下、好ましくは0.05mol%以下、最も好ましくは0.01mol%以下である少量のコモノマー単位を含むことは可能であり得る。
用語「ベース樹脂」は、組成物の重合性成分を表す。
用語「異なる」は、重合性成分が別の重合性成分と少なくとも1つの測定可能な特性において異なることを表す。重合性成分を区別するための適当な特性は、重量平均分子量、メルトフローレートMFR又はMFR、密度又はコモノマー含量である。
〔概要〕
〔ベース樹脂〕
ベース樹脂は、第1エチレンホモ又はコポリマー成分(A)及び第2エチレンホモ又はコポリマー成分(B)を含む。
本発明の一態様において、ベース樹脂は、第1エチレンホモ又はコポリマー成分(A)及び第2エチレンホモ又はコポリマー成分(B)からなる。
本発明の別の態様において、ベース樹脂は、第1のエチレンホモ又はコポリマー成分(A)及び(B)と異なるさらなるポリマー成分をさらに含み得る。該さらなるポリマー成分は、溶融混合又は配合のいずれかによって、又は、ポリエチレン組成物のベース樹脂を製造するための多段プロセスの追加の反応段階において、ベース樹脂又はポリエチレン組成物に導入され得る。
成分(A)及び(B)はその重量平均分子量において異なり、成分(B)は成分(A)よりも高い重量平均分子量を有する。重量平均分子量における違いは、ポリエチレン組成物のメルトフローレートMFRよりも高い、成分(A)のメルトフローレートMFRからも見ることができる。
成分(A)のMFR(2.16kg、190℃)は、150g/10分以上、好ましくは165g/10分以上、最も好ましくは170g/10分以上である。
さらに、成分(A)のMFR(2.16kg、190℃)は、300g/10分以下、好ましくは275g/10分以下、より好ましくは250g/10分以下、最も好ましくは230g/10分以下である。
成分(A)は、エチレンと3〜12個の炭素原子を有する1つ以上のアルファオレフィンとのコポリマーであり得る。アルファオレフィンコモノマーは、4〜8個の炭素原子を有するアルファオレフィン、例えば1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン及び1-オクテンから選択されることが好ましい。1-ブテン及び1-ヘキセンはとりわけ好ましい。
しかし、成分(A)がエチレンホモポリマーであることが好ましい。該ホモポリマーは、好ましくは少なくとも970kg/m、好ましくは970kg/mより高い密度を有する。
さらに、成分(A)は、ベース樹脂に対して40〜47重量%、より好ましくは42〜47重量%、最も好ましくは42〜46重量%の量でベース樹脂中に存在することが好ましい。
成分(B)は、好ましくは、エチレンと3〜12個の炭素原子を有する少なくとも1つのアルファ−オレフィンコモノマー単位とのコポリマーである。アルファオレフィンコモノマーは、4〜8個の炭素原子を有するアルファオレフィン、例えば1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン及び1-オクテンから好ましくは選択される。1-ブテン及び1-ヘキセンがとりわけ好ましく、1-ヘキセンが最も好ましい。
成分(B)はさらに、アルファオレフィンコモノマーとは異なるさらなるコモノマー単位、例えばジエン、極性コモノマー又はケイ素含有コモノマーを含み得る。しかし、成分(B)がコモノマー単位としてアルファオレフィンモノマーのみを含有することが好ましい。
成分(B)は、1-ブテン又は1-ヘキセンのいずれかをコモノマー単位として含有することがとりわけ好ましい。成分(B)についてコモノマー単位として1-ヘキセンが最も好ましい。
画分(B)中、3〜12個の炭素原子を有する少なくとも1つのアルファオレフィンコモノマーから誘導された単位の含量は、好ましくは0.4〜5.5mol%、より好ましくは0.5〜5.0mol%、さらにより好ましくは0.5〜4.0mol%、最も好ましくは0.6〜3.5mol%である。
さらに、成分(B)は、ベース樹脂に対して60〜53重量%、より好ましくは58〜53重量%、最も好ましくは58〜54重量%の量でベース樹脂中に好ましくは存在する。
第1エチレンホモ又はコポリマー成分(A):第2エチレンホモ又はコポリマー成分(B)の重量比は、40:60〜47:53、好ましくは42:58〜47:53、最も好ましくは42:58〜46:54である。
場合により、ベース樹脂はさらにプレポリマー画分を含む。該プレポリマー画分は、好ましくはエチレンホモポリマーである。プレポリマー画分は好ましくは0〜5重量%の量、より好ましくは0.2〜3.5重量%の量、最も好ましくは0.5〜2.5重量%の量で存在する。
ベース樹脂中の異なるポリエチレン成分(A)及び(B)の量、及び、成分(A)及び(B)の重量比に関して、任意のプレポリマー画分は成分(A)の量及び重量として計算される。
本発明の一態様において、ベース樹脂は上記に定義した画分(A)及び(B)のみからなる。
本発明の別の態様において、ベース樹脂は画分(A)及び(B)並びに上記に定義したプレポリマー画分からなる。
後者の態様は前者の態様よりも好ましい。
ベース樹脂は、好ましくは943kg/m以上、より好ましくは945kg/m以上、最も好ましくは946kg/m以上の密度を有する。
さらに、ベース樹脂は、好ましくは952kg/m以下、より好ましくは951kg/m以下、最も好ましくは950kg/m以下の密度を有する。
本発明のベース樹脂は、好ましくはエチレンと3〜12個の炭素原子を有する少なくとも1つのアルファオレフィンコモノマーとのコポリマーである。好ましくは、アルファオレフィンコモノマーは、4〜8個の炭素原子を有するアルファオレフィン、例えば1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン及び1-オクテンから選択される。1-ブテン及び1-ヘキセンはとりわけ好ましい。1-ヘキセンは最も好ましい。
エチレンコポリマーは、アルファオレフィンコモノマーとは異なるさらなるコモノマー単位、例えばジエン、極性コモノマー又はケイ素含有コモノマーをさらに含み得る。しかし、エチレンコポリマーがアルファオレフィンモノマーのみをコモノマー単位として含有することが好ましい。
ベース樹脂中、3〜12個の炭素原子を有する少なくとも1つのアルファオレフィンコモノマーから誘導される単位の含量は、好ましくは0.25〜2.5mol%、より好ましくは0.30〜2.3mol%、さらにより好ましくは0.35〜2.0mol%、最も好ましくは0.45〜1.5mol%である。
〔ポリエチレン組成物〕
本発明のポリマー組成物は、使用のために、ベース樹脂に加えてポリオレフィンと共に通常の添加剤、例えば顔料(例えばカーボンブラック)、安定化剤(例えば酸化防止剤)、酸中和剤及び/又は抗UV剤(anti−UV’s)、帯電防止剤及び使用剤(例えば加工助剤)を含んでよく、好ましくは含む。好ましくは、かかる添加剤の量は、組成物(100重量%)の10重量%以下、より好ましくは8重量%以下、最も好ましくは5重量%以下である。
好ましくは、本発明のポリエチレン組成物は、組成物(100重量%)の1.0〜8.0重量%の量、好ましくは1.5〜6.0重量%、より好ましくは1.7〜4.0重量%の量、さらにより好ましくは1.8〜3.5重量%のカーボンブラックを含むことが好ましい。
さらに好ましくは、カーボンブラックとは異なる添加剤の量は、0重量%〜1重量%、より好ましくは0.001重量%〜0.5重量%である。
任意の添加剤及び/又はカーボンブラックの一部又は全部は、ベース樹脂の製造中(例えば重合反応器から得たベース樹脂粉末のペレット化ステップ中)にベース樹脂製造者によって、又は、ポリマー組成物の配合ステップ中に物品製造者によって、ベース樹脂中に導入してよい。
本発明のポリエチレン組成物は、0.35g/10分以上、好ましくは0.38g/10分以上、より好ましくは0.40g/10分以上、最も好ましくは0.42g/10分以上のメルトフローレートMFR(190℃、5kg)を有する。
さらに、本発明のポリエチレン組成物は、0.60g/10分以下、好ましくは0.58g/10分以下、最も好ましくは0.57g/10分以下のメルトフローレートMFR(190℃、5kg)を有する。
本発明のポリエチレン組成物は、好ましくは8.0g/10分以上、より好ましくは9.5g/10分以上、さらにより好ましくは10.5g/10分以上、最も好ましくは11.0g/10分以上のメルトフローレートMFR21(190℃、21.6kg)を有する。
さらに、本発明のポリエチレン組成物は、好ましくは15.5g/10分以下、好ましくは14.0g/10分以下、最も好ましくは13.0g/10分以下のメルトフローレートMFR21(190℃、21.6kg)を有する。
本発明のポリエチレン組成物は、MFRに対するMFR21の比率で、好ましくは20以上、より好ましくは23以上、最も好ましくは25以上のフローレート(流量)比を有する。
さらに本発明の組成物は、30以上、より好ましくは28以上、最も好ましくは27以上のフローレート比を好ましくは有する。
MFR(190℃、5kg)及びMFR21(190℃、21.6kg)は、ISO 1133に従い測定する。
本発明のポリエチレン組成物は、カーボンブラックを上記の量で好ましくは含み、ISO 1183-1:2004に従い測定して955.0kg/m以上965.0kg/m以下、好ましくは956.0kg/m以上963.0kg/m以下の密度を有する。
本発明のポリエチレン組成物は、ISO 179eAに従い−20℃の温度で測定して、8.0kJ/mより高い、好ましくは少なくとも8.5kJ/m、より好ましくは少なくとも9.0kJ/m、最も好ましくは少なくとも9.3kJ/mのノッチ付のシャルピー衝撃強さを好ましくは有する。ノッチ付のシャルピー衝撃強さの上限は、通常30kJ/mより高くない。
本発明のポリエチレン組成物は、好ましくは、ポリマー成分としてのベース樹脂、カーボンブラック、及び、任意に好ましくは添加剤からなる。好ましいカーボンブラック及び任意の添加剤は、マスターバッチの形態で、すなわちキャリアポリマーと共に、ポリマー組成物に添加され得ると理解される。このような場合において、キャリアポリマーはポリマー成分として見なされないが、カーボンブラック又は、個々に、添加剤の量に計算される。
さらなる態様において、本発明は多段プロセスにより得られるポリエチレン組成物に関し、該多段プロセスは以下:
a)中間体物質を得るために、チグラー-ナッタ触媒の存在下でエチレンを重合すること、ここで該中間体物質はISO 1133に従い測定して150g/10分以上〜300g/10分以下のメルトフローレートMFR(2.16kg、190℃)を有する、
b)中間体物質を気相反応器に移し、
(i)エチレン及び3〜12個の炭素原子を有する少なくとも1つのアルファ−オレフィンコモノマーを気相反応器に供給し、
(ii)該中間体物質をさらに重合し、
ベース樹脂の40〜47重量%の量で該中間体物質を含むベース樹脂を得ること、
c)該ベース樹脂を、場合によりカーボンブラック及び/又はさらなる添加剤の存在下で、ISO 1133に従い測定して0.35g/10分以上〜0.60g/10分以下のメルトフローレートMFR(5kg、190℃)を有するポリエチレン組成物に押出すること
を含む。
上記の多段プロセスにより得られるベース樹脂及びポリエチレン組成物は、好ましくは上記に述べたベース樹脂及びポリエチレン組成物の特性によってさらに定義される。
〔物品〕
さらに、さらなる態様において、本発明は、上記に述べた、又は、以下の請求項に記載するポリエチレン組成物を含む、好ましくは該ポリエチレン組成物からなる、物品に関する。
これに関し、本発明の好ましい態様において、該物品は、上記に述べた、又は、以下の請求項に記載するポリエチレン組成物を含む、好ましくは該ポリエチレン組成物からなる、パイプ又は管継手である。
該パイプは、ISO 1167-1:2006に従い5.5MPaのフープ応力及び80℃で測定して、少なくとも50h、より好ましくは少なくとも100h、さらにより好ましくは少なくとも125h、最も好ましくは少なくとも150hの耐圧性を有することが好ましい。上限は通常、500hより高くない。
さらに、該パイプは、ISO 1167-1:2006に従い5.3MPaのフープ応力及び80℃で測定して、少なくとも350h、より好ましくは少なくとも400h、さらにより好ましくは少なくとも600h、最も好ましくは少なくとも800hの耐圧性を有することが好ましい。上限は通常、2000hより高くない。
さらになお、該パイプは、ISO 13479-2009に従うノッチ付パイプ試験において4.6MPaのフープ応力及び80℃で測定して、少なくとも700h、より好ましくは少なくとも800h、さらにより好ましくは少なくとも900h、最も好ましくは少なくとも1000hの低速亀裂伝播耐性を有することが好ましい。上限は通常、5000hより高くない。
〔プロセス〕
本発明のポリエチレン組成物は通常多段プロセスにより、すなわちより低分子量の成分をするための第1、及び、より高分子量の成分を製造するための第2の少なくとも2つの反応器を使用するプロセスにより作られる。これらの反応器を並行して用いてよく、この場合、製造後に成分を混合せねばならない。より一般には、1つの反応器の生成物が次の反応器において出発物質として使用されるように、反応器が連続して用いられ、例えば第1反応器中で1つの成分が生成され、第1成分の存在下、第2反応器中で、第2成分が生成される。このような方法において、一方が他方の存在下で生成されるため、2つの成分はより均質に混合される。
各段階で用いる重合反応は、従来の反応器(例えばループ反応器、気相反応器、バッチ反応器等)を用いる、従来のエチレン単独重合又は共重合反応、例えば気相、スラリー相、液相重合を含み得る。
重合は連続式又はバッチ式に行ってよく、好ましくは重合は連続式に行われる。
既知の2段階プロセスは、例えば液相-液相プロセス、気相-気相プロセス及び液相-気相プロセスである。これらの2段階プロセスを、気相、スラリー相又は液相重合プロセスから選択される1つ以上の追加の重合ステップとさらに組み合わせることができることも知られている。
本発明のマルチモーダルポリエチレン組成物は、好ましくは多段プロセスにおいて製造され、ここで、より低分子量のポリマー(成分)及びより高分子量のポリマー(成分)は、任意の順で、異なる重合ステップで製造される。
比較的低密度(又は高分子量(HMW)画分)ポリマーは第1重合ステップにおいて製造することができ、比較的高密度(又は低分子量(LMW)画分)ポリマーは第2重合ステップにおいて製造することができる。これは反転モードと称され得る。あるいは、低分子量ポリマーを第1重合ステップにおいて製造することができ、高分子量ポリマーを第2重合ステップにおいて製造することができる。これは通常モードと称することができ、好ましい。
2段階プロセスは、例えば、スラリー-スラリー又は気相-気相プロセスであってよく、特に好ましくはスラリー-気相プロセスであり得る。場合により、本発明のプロセスは、1つ又は2つの追加の重合ステップを含み得る。
これら任意の1又は2つの追加の重合ステップは、好ましくは気相重合ステップを含む。
スラリー及び気相段階は、当技術分野で既知の従来の反応器を用いて行ってよい。スラリー相重合は、例えば、連続撹拌タンク反応器、バッチ式操作型撹拌タンク反応器、又はループ反応器中で行ってよい。好ましくは、スラリー相重合はループ反応器中で行われる。このような反応器中、循環ポンプを用いることにより、スラリーは閉じられたパイプに沿って高速で循環する。ループ反応器は当技術分野において一般に知られており、その例は例えば以下に示される:US-A-4582816、US-A-3405109、US-A-3324093、EP-A-479186及びUS-A-5391654。
気相反応器の用語は、2つの別々の区画を有する、機械的に混合される、任意の流動層反応器、高速流動層反応器又は固定層反応器又は気相反応器を包含し、例えば、1つの流動層が1つの固定層区画と接続されている。好ましくは、第2重合ステップ用の気相反応器は流動層反応器である。
スラリー及び気相プロセスはよく知られており、従来技術に記載されている。
本発明の好ましい態様において、低分子量(LMW)成分がまず製造され、高分子量(HMW)成分がLMW成分の存在下で製造される。この場合、LMW成分は第1ポリエチレン成分(A)であり、HMW成分は第2ポリエチレン成分(B)である。
ベース樹脂を製造するための重合触媒は、遷移金属の配位触媒、例えばチグラー-ナッタ(ZN)、メタロセン、非メタロセン、Cr-触媒等を含み得る。触媒は、例えばシリカ、Al-含有支持体及び二塩化マグネシウム系支持体を含む通常の支持体に支持されていてよい。好ましくは触媒はZN触媒であり、より好ましくは、触媒は非シリカ支持型ZN触媒であり、最も好ましくはMgCl系ZN触媒である。
チグラー-ナッタ触媒は、さらに好ましくは、グループ4(新IUPAC系による群番号付け)金属化合物、好ましくはチタン、二塩化マグネシウム及びアルミニウムを含む。
該触媒は、市販され得るか、又は、文献に従うか又は類似の方法で製造され得る。本発明に使用可能な好ましい触媒を製造するために、BorealisのWO2004/055068及びWO2004/055069、及び、EP 0 810 235を参照する。これらの文献の内容は、その全体において、特にそこに記載された触媒の一般の及び全ての好ましい態様、ならびに、該触媒の製造方法に関して、参照により本明細書に組み込む。特に好ましいチグラー-ナッタ触媒はEP 0 810 235に記載されている。
得られる最終生成物は反応器からのポリマーの均質混合物からなり、これらポリマーの異なる分子量分布曲線は共に、ブロードな最大値又は複数の最大値を有する分子量分布曲線を形成し、すなわち、最終生成物はマルチモーダルポリマー混合物である。
本発明のマルチモーダルポリエチレン組成物は、ポリマー成分(A)及び(B)からなり、場合により少量の予備重合画分をさらに含む、二峰性ポリエチレン混合物であることが好ましい。この二峰性ポリマー混合物が、上記のような異なる重合条件下、順に接続された2つ以上の重合反応器中での重合により製造されることも好ましい。それによって得られる反応条件に関する柔軟性のために、ループ反応器/気相反応器の組合せにおいて重合が行われることが最も好ましい。
好ましい2段階法における重合条件は、コモノマー含量を有さない比較的低分子のポリマーが1段階で(好ましくは第1段階で)製造されるように好ましくは選択され、連鎖移動剤(水素ガス)の含量が高いため、一方で、コモノマーの含量を有する高分子ポリマーが別の段階(好ましくは第2段階)で製造される。しかし、これら段階の順は入れ替えてよい。
気相反応器へと続くループ反応器中での重合の好ましい態様において、ループ反応器中の重合温度は、好ましくは85〜115℃、より好ましくは90〜105℃、最も好ましくは92〜100℃であり、気相反応器中の温度は、好ましくは70〜105℃、より好ましくは75〜100℃、最も好ましくは82〜97℃である。ループ反応器中の圧力は通常、1〜150bar、好ましくは1〜100barであり、気相反応器中の圧力は通常、少なくとも10bar、好ましくは少なくとも15barであるが、通常30barより高くなく、好ましくは25barより高くない。
スラリー相反応器中の重合は通常、不活性希釈剤中、通常、C〜C炭化水素、例えばメタン、エタン、プロパン、n-ブタン、イソブタン、n-ヘキサンなどのヘキサン、ヘプタン、オクタン等、又はこれらの混合物を含む群から選択される炭化水素希釈剤中で行われる。希釈剤は、好ましくは、1〜4個の炭素原子を有する低沸点炭化水素又はこのような炭化水素の混合物である。とりわけ好ましい希釈剤は、場合により少量のメタン、エタン及び/又はブタンを含有している、プロパンである。不活性希釈剤は異なる重合ステップにおいて同一又は異なり得る。
スラリー相反応器中のスラリーの流体相におけるエチレン含量は、0.5〜50モル%、好ましくは1〜20モル%、特に2〜10モル%であり得る。
気相反応器の好ましい態様において、流動層気相反応器中で重合が行われ、ここで、上方へと移動するガス流中、重合触媒の存在下で、オレフィンが重合される。反応器は通常、流動化グリッド上に配置された活性触媒を含有する、成長するポリマー粒子を含む流動層を含む。ポリマー床は、オレフィンモノマー、後にコモノマー、後に鎖成長制御剤又は連鎖移動剤、例えば水素、及び後に不活性ガスを含む流動化ガスを用いて流動化される。
必要な場合、帯電防止剤も気相反応器中に導入してよい。適当な帯電防止剤及びその使用方法は、別のもの中、例えば以下に開示されている:US-A-5,026,795、US-A-4,803,251、US-A-4,532,311、US-A-4,855,370及びEP-A-560 035。これらは通常、極性化合物であり、別のもの中に、水、ケトン、アルデヒドアルコールを含む。
重合プロセスは、重合ステップに先行する予備重合(プレ-重合)ステップをさらに含み得る。予備重合の目的は、少量のポリマーを低温及び/又は低モノマー濃度で触媒上に重合させることである。予備重合により、スラリー中の触媒の性能を改善すること、及び/又は、最終ポリマーの特性を変更することができる。予備重合ステップは、スラリー又は気相中で行ってよい。好ましくは、予備重合をスラリー中で行う。
したがって、予備重合ステップはループ反応器中で行われ得る。そして、予備重合は不活性希釈剤、一般には炭化水素希釈剤(例えばメタン、エタン、プロパン、n-ブタン、イソブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタンなど又はこれらの混合物)中で好ましくは行われる。好ましくは、該希釈剤は、1〜4個の炭素原子を有する低沸点炭化水素又はこのような炭化水素の混合物である。最も好ましい希釈剤はプロパンである。
予備重合ステップにおける温度は通常、0℃〜90℃、好ましくは20℃〜80℃、より好ましくは40℃〜70℃である。
圧力は重要ではなく、通常1bar〜150bar、好ましくは10bar〜100barである。
必要に応じて、連鎖移動剤(好ましくは水素)が反応器に添加され、LMW成分がこの反応器中で製造される場合、好ましくは500〜1200モルのH/kmol(エチレン)が反応器に添加され、HMW成分がこの反応器中で製造される場合、0〜100モルのH/kmol(エチレン)が気相反応器に添加される。
場合により、配合ステップにおいて、上記に示した量で、添加剤又は他のポリマー成分を組成物に添加してよい。好ましくは、反応器から得た本発明のポリエチレン組成物は、当技術分野で既知の方法で添加剤と共に押出機中へ配合される。
本発明の組成物を、好ましくは配合ステップを含むプロセスにおいて製造する場合、該組成物(すなわちブレンド)は通常反応器からポリオレフィンベース樹脂粉末として得られ、押出機中に押出し、次いで、当技術分野において既知の方法でポリマーペレットへとペレット化させる。押出機は、例えば通常使用される任意の押出機であってよい。本配合ステップについての押出機の例は、日本製鋼所、神戸製鋼又はFarrel-Pominiにより供給されるもの、例えばJSW 460P又はJSW CIM90Pであり得る。
〔使用〕
さらに、本発明は、物品(好ましくはパイプ又は管継手)に、及び、物品、好ましくはパイプ又は成形物品(好ましくは管継手)を製造するためのこのようなポリエチレン組成物の使用に関する。
本発明の成形物品の製造:
本発明の成形物品は、当技術分野において既知の方法及び設備を用いて、本発明のポリエチレン組成物から製造することができる。したがって、好ましい1つの方法によれば、通常の成型設備を用いて通常の方法で、所望の物品(好ましくはパイプ用の継手)の形状へと、ポリエチレン組成物を成形し、好ましくは射出成型又は中空成形し、より好ましくは射出成型する。
本発明のパイプの製造:
パイプは、当技術分野において既知の方法により、本発明のポリエチレン組成物から製造することができる。したがって、好ましい1つの方法によれば、ポリエチレン組成物を所望の内部直径へと環状ダイを通じて押出し、その後、該ポリエチレン組成物を冷却する。
パイプ押出は、比較的低温で好ましくは操作されるため、過剰の発熱を避けるべきである。15より高い、好ましくは少なくとも20の、特に少なくとも25の、高い長さ対直径比L/Dを有する押出機が好ましい。最近の押出機は通常、約30〜35のL/D比を有する。
ポリマー溶融物は、端供給配置又は側方供給配置のいずれかで配置され得る環状ダイを通じて押出される。側方供給ダイは、その軸が押出機の軸と平行に取り付けられることが多く、押出機への接続に直角の方向転換を必要とする。側方供給ダイの利点は、ダイを通して心棒を伸ばすことができ、このため、例えば心棒へと配管する冷却水が利用しやすくなる。
プラスチック溶融物がダイを出た後、正しい直径に修正される。1つの方法において、該押出物は、金属チューブ(校正用スリーブ)へと向けられる。該押出物の内部は、該プラスチックがチューブの壁に対して押し付けられるように加圧される。
別の方法によれば、ダイを出た押出物が中央に穴の開いた部分を有するチューブ中に向けられる。穿孔を通じてわずかな真空が引かれ、パイプがサイジング室の壁に保持される。
サイジング後、通常、約5メートル又はそれ以上の長さを有する水浴中でパイプを冷却する。
〔1.定義〕
a)メルトフローレート
メルトフローレート(MFR)はISO 1133に従い測定され、g/10分で示される。MFRはポリマーの流動性(したがって加工性)の指標である。メルトフローレートが高くなるにつれて、ポリマーの粘性が低くなる。ポリエチレンのMFRは190℃の温度及び5kgの負荷で測定され、ポリエチレンのMFRは190℃の温度及び2.16kgの負荷で測定され、ポリエチレンのMFR21は190℃の温度及び21.6kgの負荷で測定される。FRR(フローレート比)の数は、異なる負荷でのフローレートの比を表す。したがって、FRR21/5は、MFR21/MFRの値を表す。
b)密度
ポリマーの密度は、ISO 1183-1:2004 Method Aに従い、EN ISO 1872-2(2007年2月)に従い作成した圧縮成形試験片において測定した。これはkg/mで示される。
c)コモノマー含量
ポリマーのコモノマー含量の定量に、定量核磁気共鳴(NMR)スペクトルを使用した。定量13C{H}NMRスペクトルは、溶融状態で、Bruker Advance III 500 NMR分光計を用いて、500.13及び125.76MHzで、H及び13Cについてそれぞれ記録した。全スペクトルを、13C最適化7mm マジック角回転(MAS)プローブヘッドを用い、150℃で、全ての空気圧に窒素ガスを用いて記録した。約200mgの物質を7mmの外径を有するジルコニアMASローター中に充填し、4kHzで回転させた。この構成は、第一に、迅速な同定及び正確な定量化のために必要な高い感度のために選択された{[1]、[2]、[6]}。3sの短い繰返し時間(recycle delays)での過渡的(transient)NOE{[1]、[3]}及びRSHEPTでカップリングスキーム{[4]、[5]}を利用する標準単パルス励起を用いた。1スペクトルあたり合計で1024(1k)トランジェントが必要であった。この構成は、低コモノマー含量に対する高い感度のために選択される。
定量的13C{H}NMRスペクトルは、通常のスペクトル解析自動プログラムを用いて行われ、積算され、定量的特性が決定された。全てのケミカルシフトは、30.00ppmの嵩高いメチレンシグナル(δ+)を内部参照した{[9]}。
1-ヘキセンの組込みに対応する特徴的なシグナルが観察され{[9]}、ポリマー中に存在する全ての他のポリマーについて、全ての含量が計算された。
H=I*B4
他のコモノマーシーケンス、すなわち連続的なコモノマー導入を示す他のシグナルが観察されないと、合計の1-ヘキセンコモノマー含量は、分離された1-ヘキセンシーケンスの量のみに基づいて計算した:
total=H
飽和末端基から得られる特徴的なシグナルが観察された。このような飽和末端基の含量は、それぞれ2s及び3sサイトに帰属される22.84及び32.23ppmのシグナルの積分の平均を用いて定量した:
S=(1/2)(I2S+I3S
エチレンの相対含量は、30.00ppmの嵩高いメチレン(δ)シグナルの積分を用いて定量した:
E=(1/2)δ+
全体のエチレンコモノマー含量は、他の観察されたコモノマーシーケンス又は末端基中に存在するエチレン単位を考慮し、嵩高いメチレンシグナルに基づいて計算した:
total=E+(5/2)B+(3/2)
次いで、ポリマー中の1-ヘキセンの全モル割合が以下のように計算される:
fH=(Htotal/(Etotal+Htotal
モルパーセントでの、1-ヘキセンの全コモノマー導入は、モル分率から通常の方法で計算される:
H[mol%]=100fH
重量パーセントでの、1-ヘキセンの全コモノマー導入は、モル分率から通常の方法で計算される:
H[重量%]=100(fH84.16)/((fH84.16)+((1−fH)28.05))
[1]Klimke、K., Parkinson、M., Piel、C., Kaminsky、W., Spiess、H.W., Wilhelm、M., Macromol. Chem. Phys. 2006;207:382.
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[9]J. Randall、Macromol. Sci., Rev. Macromol. Chem. Phys. 1989、C29、201.
d)ノッチ付パイプ圧力試験(NPT);低速亀裂伝播耐性
低速亀裂伝播耐性は、ISO 13479-2009に従い、パイプが破壊前に所定の温度で所定の圧力を耐える時間数に関して測定した。この圧力試験は、110mmの外径を有するノッチ付SDR11 パイプにて行われる。9.2barの圧力及び80℃の温度を使用した。ノッチ付けは、ISO 6108に即した60°の刃先角のVカッターを備えた下向きフライス削りカッターを用いて、0.010±0.002(mm/rev)/刃の切断速度で行った。使用したカッターは24刃を有し、カッターの速度は680rpmである。残存リガメントは、最少壁厚の0.82-0.78倍である。ノッチの深さは下記方程式を用いて計算される。hはノッチ深さ(mm)である。4つのノッチがパイプ周囲に均等に設置される。ノッチの長さは110±1mmである。
Figure 0006329271
[ここで、
はノッチの機械加工表面の幅(mm)であり、
emは測定平均パイプ外径(mm)である。]
e)非ノッチ付パイプ(PT)での圧力試験;内部圧力耐性
内部圧力耐性は圧力試験において測定され、圧力試験において、450mmの長さを有する非ノッチ付32mmのSDR11パイプで、ISO 1167-1:2006に従い内部水環境及び外部水環境で行う。A型の端キャップを使用した。破壊までの時間を時間(hour)で測定する。80℃の温度で5.5MPaのフープ応力、及び、80℃の温度で試験される5.3MPaのフープ応力を適用した。
f)迅速亀裂伝播
パイプの迅速亀裂伝播(RCP)耐性は、S4試験(Small Scale Steady State(小規模定常))と称される方法に従い測定され、これはインペリアルカレッジ(ロンドン)にて開発され、ISO 13477:1997(E)に記載されている。RCP-S4試験によれば、7パイプ直径を下回らない軸長を有するパイプを試験する。パイプの外径は約110mm又はそれ以上であり、その壁厚は約10mm又はそれ以上である。本発明に関してパイプのRCP特性を測定する際、外径及び壁厚はそれぞれ、250mm及び22.7mmであるように選択した。パイプの外部は常圧(大気圧)であるが、該パイプは内部加圧され、該パイプの温度は0℃の温度で一定に保持されている。パイプ及び該パイプを取り囲む装置は、所定の温度に温度自動調節されている。多数のディスクがパイプ内部の軸にはめ込まれ、試験中の減圧を回避する。急激に走る軸方向の亀裂を開始するために、ナイフ発射体が、きちんと決められた形で、いわゆる開始ゾーンにあるパイプの一端付近のパイプに向けて発射される。開始ゾーンには、パイプの不必要な変形を回避するための迫台(abutment)が備えられている。試験装置は、亀裂開始が関連する材料において生じ、試験が種々の温度で達成されるように調整される。パイプ直径の4.7倍の全長を有する測定ゾーンにおける軸方向の亀裂長さが、試験ごとに測定され、設定された試験温度に対してプロットされる。亀裂長さがパイプ直径の4.7倍を超える場合、亀裂は、伝播したと評価される。パイプが所与の圧力で試験に合格した場合、パイプがもはや試験に合格しないで、亀裂伝播がパイプ直径の4.7倍を超えるところの圧力に到達するまで、圧力を引き続き上げる。臨界圧力(pcrit)、すなわち、ISO 13477: 1997(E)に従って測定される延性脆性遷移圧力は、パイプが試験に合格する最も高い圧力である。臨界圧力(p)が高いほど、パイプの用途の拡大がもたらされるため、良好である。組成物の迅速亀裂伝播耐性が報告される場合、上記に規定した試験片を作成し、それにおいて迅速亀裂伝播耐性が測定される。
g)ノッチ付シャルピー衝撃強さ
シャルピー衝撃強さは、ISO179/1eA:2000に従い、80104mmのV-ノッチ付試料で、−20℃で測定した(シャルピー衝撃強さ(−20℃))。試料は、ISO 1872-2:2007の3.3章に規定される条件を用いて、ISO 293:2004に従い圧縮成形することにより作成した厚さ4mmのプラークから切り出した。
〔2.実施例〕
a)本発明の実施例IE1の重合
体積50dmのループ反応器を60℃及び65barの圧力で操作した。プレポリマー画分の製造のために50kg/hのプロパン希釈剤、2kg/hのエチレン及び10g/hのhの水素を反応器に導入した。さらに、市販され入手可能なチグラー-ナッタ触媒 Lynx 200 重合触媒(BASF SE)を、トリエチルアルミニウム共触媒と共に、チタンに対するアルミニウムの割合が15mol/molであるように反応器に導入した。反応器にコモノマーは導入しなかった。重合速度は1.9kg/hであった。反応器中の条件は表1に示す。
重合体スラリーをループ反応器から回収し、体積500dmのループ反応器中に移した。この第2のループ反応器を95℃及び65barの圧力で操作した。90kg/hのプロパン希釈剤、エチレン及び水素を該反応器中に導入した。ここで、実施例IE1についてのエチレンに対する水素のモル比は表1に記載する。重合速度は約33kg/hであった。反応器中の条件は表1に示す。
重合体スラリーを第2ループ反応器から回収し、3barの圧力及び70℃の温度で操作されるフラッシュ室中に移し、ここで、重合体から炭化水素が実質的に除去される。次いで、85℃の温度及び20barの圧力で操作される気相反応器中に重合体を導入した。さらに、エチレン、1-ヘキセン、不活性ガスとしての窒素及び水素を反応器中に導入した。ここで、エチレンに対する1-ヘキセンのモル比、及び、エチレンに対する水素のモル比、並びに製造スプリット、メルトフローレート及び気相反応器から回収したIE1のポリマーの密度を表1に示す。重合速度は約40kg/hであった。条件を表1に示す。
得られたポリマーに窒素を1時間パージし(約50kg/h)、2200ppmのIrganox B225及び1500ppmのステアリン酸Caで安定化し、異方向二軸押出機 CIM90P(日本製鋼所による製造)中、3.0重量%のカーボンブラックと共にペレットに押出した。各ゾーンにおける温度特性は、90/120/190/250℃であった。
b)比較例CE1及びCE2
比較例CE1〜CE2を、同様の触媒及び共触媒成分をチタンに対するアルミニウムの割合が15mol/molで用いて、本発明の実施例IE1と同じ反応器配置で、重合させた。重合条件及び異なる反応器への供給量を表1に示す。得られた比較例CE1及びCE2のベース樹脂を、本発明の実施例IE1と同様にして処理し、配合した。
c)パイプ作成
耐圧性試験及びノッチ付パイプ試験のために、本発明の実施例IE1及び比較例CE1及びCE2の配合組成物をSDR 11 パイプへと押出した。
迅速亀裂伝播試験(S4)のために、250mmの直径及び22.7mmの壁厚を有するパイプを押出した。
パイプ試験の結果を表2に示す。
Figure 0006329271
Figure 0006329271

Claims (16)

  1. ・(A)ISO 1133に従い測定して165g/10分以上〜275g/10分以下のメルトフローレートMFR(2.16kg、190℃)を有する、第1エチレンホモ又はコポリマー成分、及び
    (B)第2エチレンホモ又はコポリマー成分
    を含むベース樹脂、
    ・任意にカーボンブラック、
    ・任意に、第1のエチレンホモ又はコポリマー成分(A)及び(B)と異なるさらなるポリマー成分、及び
    ・任意に添加剤
    を含むポリエチレン組成物であって、
    ここで、該第1エチレンホモ又はコポリマー成分(A)は、第2エチレンホモ又はコポリマー成分(B)よりも低い重量平均分子量を有し、第1エチレンホモ又はコポリマー成分(A):第2エチレンホモ又はコポリマー成分(B)の重量比は40:60〜47:53であり、
    該ポリエチレン組成物は、ISO 1133に従い測定して0.35g/10分以上〜0.60g/10分以下のメルトフローレートMFR(5kg、190℃)を有する、ポリエチレン組成物。
  2. ベース樹脂は、ISO 1183に従い測定して943kg/m以上〜952kg/m以下の密度を有する、請求項1に記載のポリエチレン組成物。
  3. 第1エチレンホモ又はコポリマー成分(A)はエチレンホモポリマーである、請求項1又は2に記載のポリエチレン組成物。
  4. 第2エチレンホモ又はコポリマー成分(B)は、エチレンと、3〜12個の炭素原子を有する1つ以上のアルファ−オレフィンコモノマーとのコポリマーである、請求項1〜3のいずれかに記載のポリエチレン組成物。
  5. 組成物は、ISO 1133に従い測定して8.0g/10分以上〜15.5g/10分以下のメルトフローレートMFR21(21.6kg;190℃)を有する、請求項1〜4のいずれかに記載のポリエチレン組成物。
  6. 組成物は、MFR21:MFRが20以上:30以下の比率であるフローレート比を有する、請求項1〜5のいずれかに記載のポリエチレン組成物。
  7. 組成物は、カーボンブラックを1.0〜8.0重量%の量で含む、請求項1〜6のいずれかに記載のポリエチレン組成物。
  8. 組成物は、ISO 1183に従い測定して955以上〜965kg/m以下の密度を有する、請求項1〜7のいずれかに記載のポリエチレン組成物。
  9. 組成物は、以下:
    ・(A)ISO 1133に従い測定して165g/10分以上〜275g/10分以下のメルトフローレートMFR(2.16kg、190℃)を有する、第1エチレンホモ又はコポリマー成分、
    (B)第2エチレンホモ又はコポリマー成分、及び
    エチレンプレポリマー成分
    からなるベース樹脂;
    ・カーボンブラック;及び
    ・任意に添加剤;
    を含み、
    ここで、該第1エチレンホモ又はコポリマー成分(A)は第2エチレンホモ又はコポリマー成分(B)よりも低い重量平均分子量を有し、エチレンプレポリマー成分を含む第1エチレンホモ又はコポリマー成分(A):第2エチレンホモ又はコポリマー成分(B)の重量比は40:60〜47:53であり;
    該ポリエチレン組成物は、ISO 1133に従い測定して0.35g/10分以上〜0.60g/10分以下のメルトフローレートMFR(5kg、190℃)を有する
    請求項1〜8のいずれかに記載のポリエチレン組成物。
  10. a)チグラー-ナッタ触媒の存在下でエチレンを重合し中間体物質を得ること、ここで、該中間体物質はISO 1133に従い測定して165g/10分以上〜275g/10分以下のメルトフローレートMFR(2.16kg、190℃)を有する、
    b)該中間体物質を気相反応器に移し、
    (i)エチレン及び3〜12個の炭素原子を有する少なくとも1つのアルファ−オレフィンコモノマーを気相反応器に供給し、
    (ii)該中間体物質をさらに重合し、
    ベース樹脂の40〜47重量%の量で該中間体物質を含むベース樹脂を得ること、
    c)該ベース樹脂を、場合によりカーボンブラック及び/又はさらなる添加剤の存在下で、ISO 1133に従い測定して0.35g/10分以上〜0.60g/10分以下のメルトフローレートMFR(5kg、190℃)を有するポリエチレン組成物に押出すること
    を含む、ポリエチレン組成物の製造方法。
  11. 請求項1〜9のいずれかに記載のポリエチレン組成物を含む物品。
  12. パイプ又は管継手である請求項11に記載の物品。
  13. 前記パイプは、ISO 1167-1:2006に従い、5.5MPaのフープ応力及び80℃で測定して、少なくとも50hの耐圧性を有する、請求項12に記載の物品。
  14. 前記パイプは、ISO 1167-1:2006に従い、5.3MPaのフープ応力及び80℃で測定して、少なくとも350hの耐圧性を有する、請求項12又は13に記載の物品。
  15. 前記パイプは、ISO 13479-2009に従うノッチ付パイプ試験で、4.6MPaのフープ応力及び80℃で測定して少なくとも700hの低速亀裂伝播耐性を有する、請求項12〜14のいずれかに記載の物品。
  16. 請求項1〜9のいずれかに記載のポリエチレン組成物の、物品を製造するための使用。
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