JP6454644B2 - 結晶ラメラ配向を制御することにより改善されたガス/水分バリアを有するフィルムのミクロ層コンポーネント - Google Patents

結晶ラメラ配向を制御することにより改善されたガス/水分バリアを有するフィルムのミクロ層コンポーネント Download PDF

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Description

本発明は、ミクロ層コンポーネントに関し、具体的には、減少したガスおよび水分透過性を有するフィルムのためのミクロ層コンポーネントを形成するための方法、ならびにこのミクロ層コンポーネントを含むフィルム製品に関する。
改善されたガスおよび水分バリア特性を有するフィルムが有益であり得る多くの用途がある。例えば、食料廃棄物の量を減少させるために向上したガスおよび水分バリア特性を有する食料および飲料包装材料の開発における継続した関心がある。
結晶化、特に、制御された結晶化は、フィルムのガスおよび水分透過性を減少させるための当該技術分野において既知の1つの方法である。ガス透過性を減少させるための多層フィルムおよびフィルムコンポーネントを作製するための既知の共押出方法が存在する。しかしながら、増加した酸素バリア特性ならびに水分バリア特性を有する共押出製品を開発することに継続した関心がある。
本開示は、半結晶であり、対向する表層面を有する第1のポリマー材料の少なくとも1つのバリアミクロ層(バリアポリマー)を含むミクロ層コンポーネントを提供し、少なくとも1つの表層面が、第2のポリマー材料の少なくとも1つの閉じ込めミクロ層(閉じ込めポリマー)と直接接触する。ミクロ層コンポーネントは、バリアミクロ層中の結晶ラメラを特徴とし、ラメラは、実質的にバリアおよび閉じ込めミクロ層に平行である。
本開示は、バリア単一層フィルムと比べて、少なくとも約1.5倍、酸素および水蒸気透過性が改善された(すなわち、透過性が減少した)ミクロ層コンポーネントを生成する方法を提供し、本方法は、(i)少なくとも2つのポリマー材料を共押出して、ミクロ層コンポーネントを生成するステップであって、1つのポリマー材料が、バリアポリマー材料であり、第2のポリマー材料が閉じ込めポリマー材料であり、バリアポリマー材料から作製される少なくとも1つのミクロ層が、閉じ込めポリマー材料のミクロ層と直接接触する少なくとも1つの表層面を有する、生成するステップと、(ii)ミクロ層コンポーネントを、加熱または延伸で処理するステップと、を含む。
一実施形態において、有意な面内結晶ラメラは、バリア単一層フィルムに対して少なくとも約1.5倍、有効酸素透過性が改善し、少なくとも約1.5倍、有効水蒸気透過性が改善することを特徴とし得る。
一実施形態において、本発明は、対向する表層面を有する複数のバリアミクロ層を含み、各表層面が閉じ込めミクロ層と直接接触する。
一実施形態において、バリアポリマーは、好ましくは、ポリ(1−ブテン)、ポリ(1−ブテン)コポリマー、ポリプロピレン、ポリプロピレンコポリマー、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエステル系ポリマー、およびそれらの組み合わせである。
一実施形態において、バリアポリマーは、好ましくは、ポリ(1−ブテン)(PB−1)である。
一実施形態において、閉じ込めポリマーは、シクロ−オレフィンポリマー(COP)、ポリプロピレン(PP)、ポリプロピレンコポリマー、ポリカーボネート(PC)、ポリスチレン(PS)、エチレンアクリル酸(EAA)、エチレンビニルアルコールポリマー(EVOH)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、スチレン−アクリロニトリル樹脂(SAN)、およびそれらの組み合わせを含む。
一実施形態において、閉じ込めポリマーは、好ましくは、COP、EAA、EVOH、PP、PPコポリマー、およびそれらの組み合わせである。
一実施形態において、本発明は、閉じ込めポリマー材料を含む少なくとも1つの閉じ込めミクロ層と直接接触するバリアポリマー材料を含む少なくとも1つのバリアミクロ層を含む増加した酸素および水蒸気バリア特性を有するミクロ層コンポーネントである。
一実施形態において、ミクロ層コンポーネントは、バリア単一層フィルムと比較したときに、酸素透過性および水分透過性のうちの少なくとも1つにおいて、少なくとも約1.5倍、好ましくは少なくとも約1.6倍、より好ましくは少なくとも約2.0倍、最も好ましくは少なくとも約5.0倍のバリア改善を示し得る。好ましくは、ミクロ層コンポーネントは、バリア単一層フィルムと比較したときに、酸素透過性および水分透過性の両方において、少なくとも約1.5倍、好ましくは少なくとも約1.6倍、より好ましくは少なくとも約2.0倍、最も好ましくは少なくとも約5.0倍のバリア改善を示し得る。
一実施形態において、本発明のミクロ層コンポーネントは、複数のバリアおよび閉じ込めミクロ層を有し得、少なくとも約0.001mmおよび多くても約15mmの合計厚さを有する。
一実施形態において、バリアミクロ層の公称単一ミクロ層厚さは、少なくとも約10nm、好ましくは少なくとも約15nm、最も好ましくは少なくとも約20nm、多くても約500nm、好ましくは多くても約300nm、最も好ましくは多くても約150nmであり得る。
本開示は、増加した酸素および水蒸気バリア特性を有するミクロ層コンポーネントの押出後処理のためのプロセスを提供する。一実施形態において、ミクロ層コンポーネントは、(i)バリアポリマー材料の融解温度を超える温度で加熱し、融解温度と結晶化開始温度との間の等温度に冷却し、バリアポリマーがその最終結晶化度の少なくとも約50%に到達するまで、等温度で維持すること、(ii)一軸または二軸延伸すること、および(iii)それらの組み合わせのうちの少なくとも1つを受ける。
本開示は、記載されるミクロ層コンポーネントおよび追加の層またはミクロ層を含むフィルム製品を提供し、このフィルムは、食料包装、ブリスタ包装、蓋、医療用IVバッグ、および他の物品へと製造され得る。
定義
その反対が述べられるか、文脈から暗示されるか、または当該技術分野における慣例でない限り、全ての部およびパーセントは体積に基づき、全ての試験方法は、本開示の出願日現在のものである。米国特許実務の目的のため、いかなる参照特許、特許出願、または公開の内容も、特に、定義(具体的に本開示で提供されるいかなる定義とも矛盾しない範囲で)および当該技術分野における一般知識の開示に関して、それらの全体が参照により組み込まれる(またはその同等の米国版が参照によりそのように組み込まれる)。
本開示における数値範囲はおおよそであり、したがって、別途示されない限り範囲外の値を含み得る。数値範囲は、1単位の増分で、下限および上限値を含む全ての値を含むが、但し、任意の下限値と任意の上限値の間に少なくとも2つの単位の間隔があることを条件とする。例として、組成上、物理的、または他の特性、例えば、温度などが、100〜1,000である場合、全ての個々の値、例えば、100、101、102など、および部分範囲、例えば、100〜144、155〜170、197〜200などが明確に列挙される。1未満である値を含むか、または1を超える分数(例えば、1.1、1.5など)を含む範囲では、1つの単位が必要に応じて、0.0001、0.001、0.01、または0.1であると考えられる。10未満の単一桁数(例えば、1〜5)を含む範囲では、1つの単位は、典型的には、0.1であると考えられる。これらは具体的に意図されるものの例に過ぎず、列挙される下限値と上限値との間の数値範囲のあらゆるあり得る組み合わせが、本開示で明確に述べられていると考えられるべきである。数値範囲は、数ある中でも、粘度、温度、および組成物中の個々のコンポーネントの相対量のため、本開示内で提供される。
用語「バリアミクロ層」は、ガスおよび水分透過に耐性を示す半結晶ポリマーまたはポリマー組成物のミクロ層を意味する。バリアミクロ層として使用するのに好適なポリマーは、閉じ込めポリマーを有するバリアミクロ層の界面およびバリアミクロ層内の両方からの核形成部位の制限された数を有し得、トランス結晶化度を示さない。
用語「バリア単一層フィルム」は、透過性改善を判定するためにバリアおよび閉じ込めポリマーを含む多層フィルムが比較されるバリアポリマーのみを含む単一層フィルムを意味する。
「配合物」、「ポリマー配合物」などの用語は、2つ以上のポリマーの組成物を意味する。かかる配合物は、混和性であり得るか、またはあり得ない。かかる配合物は、相分離し得るか、またはし得ない。かかる配合物は、透過電子分光法、光散乱、X線散乱、および当該技術分野において既知の任意の他の方法から判定されるような1つ以上のドメイン構成を含み得るか、または含み得ない。
「組成物」、「配合組成物」などの用語は、2つ以上のコンポーネントの混合物または配合物を意味する。
「含有する」、「含む」、「有する」などの用語は、組成物、プロセスなどが、開示されるコンポーネント、ステップなどに制限されないが、他の開示されないコンポーネント、ステップなどを含み得ることを意味する。その一方、用語「から本質的になる」は、組成物、プロセスなどの性能、実施可能性などに必要でないものを除く、任意の組成物、プロセスなど、任意の他のコンポーネント、ステップなどの範囲を含まない。用語「からなる」は、具体的に開示されていない組成物、プロセスなど、任意のコンポーネント、ステップなどを含まない。用語「または」は、特筆の無い限り、別個に、ならびに任意の組み合わせで、開示される要素を指す。
用語「閉じ込め層」は、ポリマーまたはポリマー組成物の層を意味し、ポリマーまたはポリマー組成物が、バリアミクロ層の結晶化を広く核としない可能性がある。
用語「表層面」は、フィルム積層に平行である表面を意味する。
用語「面内」は、フィルムなどの多層製品の積層に平行である配置を指す。ラメラの形成に関して使用されるとき、「面内」形成は、ラメラが、平行、または面のフィルム層を形成することを意味する。
用語「結晶化の開始」は、毎分10℃で冷却する示差走査熱量測定(DSC)によって推定された開始を意味する。
用語「ミクロ層」および「ナノ層」は、ミクロ層コンポーネント内の単一層を指す。ミクロ層またはナノ層は、多くても500nmの厚さであり得る。
用語「ポリマー」は、同一または異なる種類のモノマーを重合することによって調製される高分子化合物を指す。「ポリマー」は、ホモポリマー、コポリマー、ターポリマー、インターポリマーなどを含む。用語「インターポリマー」は、少なくとも2つの種類のモノマーまたはコモノマーの重合によって調製されるポリマーを意味する。コポリマー(2つの異なる種類のモノマーまたはコモノマーから調製されるポリマーを通常指す、ターポリマー(3つの異なる種類のモノマーまたはコモノマーから調製されるポリマーを通常指す)、テトラポリマー(4つの異なる種類のモノマーまたはコモノマーから調製されるポリマーを通常指す)などを含むが、これらに限定されない。
用語「インターポリマー」は、本明細書で使用される場合、少なくとも2つの異なる種類のモノマーの重合によって調製されるポリマーを指す。それ故、総称用語インターポリマーは、コポリマーを含み、2つの異なるモノマーから調製されるポリマー、および3つ以上の異なる種類のモノマーから調製されるポリマーを指すために通常用いられる。
用語「半結晶」は、結晶化によって凝固し、結晶化に際して100%結晶に到達するポリマーを含むポリマーを指す。好ましくは、半結晶ポリマーは、質量に基づいて少なくとも約10%の結晶化度、より好ましくは少なくとも約20%、最も好ましくは少なくとも約30%を有するであろう。半結晶ポリマーもまた、結晶の厚さが、それらの他の寸法に対して小さいようなラメラ形態で結晶化し得る。本明細書で定義される半結晶ポリマーは、原線維または房状ミセル型形態で結晶化するポリマーを含まない。
多層フィルム
一実施形態において、本発明は、バリア単一層フィルムと比較したときに改善したガス/水分バリア特性を有するミクロ層コンポーネントである。ミクロ層コンポーネントは、少なくとも1つの閉じ込めミクロ層と直接接触する少なくとも1つのバリアミクロ層を含む。一実施形態において、ミクロ層コンポーネントは、計算された単一層バリア透過性に対して、以下の式を使用して計算された少なくとも約1.5倍のバリア改善、より好ましくは少なくとも約1.6倍の改善、最も好ましくは少なくとも約2.0倍の改善を有する。
式中、Pは、ミクロ層コンポーネントの透過性であり、VおよびVは、バリアおよび閉じ込めポリマーそれぞれの体積分率であり、PおよびPは、バリアおよび閉じ込めポリマーそれぞれの透過性である。
一実施形態において、ミクロ層コンポーネントは、バリア単一層フィルムと比較したときに、酸素透過性および水分透過性のうちの少なくとも1つにおいて、少なくとも約1.5倍、好ましくは少なくとも約1.6倍、より好ましくは少なくとも約2.0倍、最も好ましくは少なくとも約5.0倍のバリア改善(すなわち、透過性における減少)を示し得る。好ましくは、ミクロ層コンポーネントは、バリア単一層フィルムと比較したときに、酸素透過性および水分透過性の両方において、少なくとも約1.5倍、好ましくは少なくとも約1.6倍、より好ましくは少なくとも約2.0倍、最も好ましくは少なくとも約5.0倍のバリア改善を示し得る。
いくつかの実施形態において、本発明のミクロ層コンポーネントは、約350cc mil/100 in/日未満、好ましくは約200cc mil/100 in/日未満、より好ましくは約100cc mil/100 in/日未満、最も好ましくは約50cc mil/100 in/日未満の有効酸素透過性を有する。一実施形態において、本発明のミクロ層コンポーネントは、約0.75g mil/100 in/日未満、好ましくは約0.5g mil/100 in/日未満、より好ましくは約0.2g mil/100 in/日未満、最も好ましくは約0.08g mil/100 in/日未満の有効水蒸気透過性を有する。
本ミクロ層コンポーネントの少なくとも1つのバリアミクロ層は、半結晶である任意のポリマー材料(バリアポリマー)であり得る。本発明のバリアミクロ層に使用され得るポリマー材料のいくつかの非限定例としては、ポリ(1−ブテン)、ポリ(1−ブテン)コポリマー、ポリプロピレン、ポリプロピレンコポリマー、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル系ポリマー、ならびにこれらおよび他のポリマーの組み合わせおよび組成物が挙げられる。
一実施形態において、バリアミクロ層のポリマー材料は、好ましくはポリ(1−ブテン)(PB−1)である。
本ミクロ層コンポーネントの少なくとも1つの閉じ込め層は、任意のポリマーまたはポリマー組成物であり得、該ポリマーは、バリアミクロ層のポリマーが結晶化するより高い温度で凝固する。閉じ込めミクロ層のために使用され得るポリマー材料のいくつかの非限定例としては、シクロ−オレフィンポリマー(COP)、ポリプロピレン、ポリプロピレンコポリマー、ポリスチレン(PS)、エチレンアクリル酸(EAA)、エチレンビニルアルコールポリマー(EVOH)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、スチレン−アクリロニトリル樹脂(SAN)、ポリカーボネート(PC)、およびそれらの組み合わせが挙げられる。
好ましくは、閉じ込めポリマーは、COP、EAA、EVOH、PP、PPコポリマー、およびそれらの組み合わせである。いくつかの実施形態において、閉じ込めポリマーはまた、ミクロ層コンポーネントの酸素透過性を減少させる閉じ込め層として使用され得るEVOHなどのバリア特性を示す。
いくつかの実施形態において、冷却の際、閉じ込めポリマーの凝固温度は、好ましくはバリアポリマーの結晶化温度より高い場合がある。他の実施形態において、閉じ込めポリマーの融解温度またはガラス転移温度は、好ましくはバリアポリマーの融解温度より高い場合がある。
一実施形態において、閉じ込めミクロ層のポリマー材料は、好ましくはCOPである。
バリアミクロ層および閉じ込めミクロ層のために使用されるポリマー材料は、バリアミクロ層の閉じ込めミクロ層での閉じ込めの際に結晶ラメラの形成を促進するために選択される。ミクロ層と平行して配列される結晶ラメラの形成は、ミクロ層コンポーネントのバリア特性を増加させる。
ポリマーは、使用される他のポリマー次第でそれを閉じ込めミクロ層およびバリアミクロ層の両方にさせることができる特性を有し得る。しかしながら、バリアポリマーは、それ自体の閉じ込めポリマーとして機能しない場合がある。
一実施形態において、本発明は、複数の交互のバリアおよび閉じ込めミクロ層を有するミクロ層コンポーネントである。好ましくは、本発明のミクロ層コンポーネントは、多くても約3,000および少なくとも約15のミクロ層を有するであろう。
一実施形態において、本発明のミクロ層コンポーネントは、バリアおよび閉じ込めポリマーの合わせた合計体積に基づいて、多くても約90体積パーセント(体積%)の閉じ込めポリマーを有する。他の実施形態において、閉じ込めポリマーは、多くても約85体積%、好ましくは多くても約70体積%であり得る。他の実施形態において、閉じ込めポリマーは、少なくとも約10体積%、好ましくは少なくとも約20体積%、最も好ましくは少なくとも約30体積%であり得る。
一実施形態において、本発明のミクロ層コンポーネントは、バリアおよび閉じ込めポリマーの合わせた合計体積に基づいて、多くても約90体積%のバリアポリマー、好ましくは多くても約80体積%、最も好ましくは多くても約75体積%を有する。本発明のミクロ層コンポーネントは、少なくとも約10体積%のバリアポリマー、好ましくは少なくとも約15体積%を有し得る。
一実施形態において、本発明のミクロ層コンポーネントは、複数のバリアおよび閉じ込めミクロ層を有し得、少なくとも約0.001mmおよび多くても約15mmの合計厚さを有する。より好ましくは、ミクロ層コンポーネントは、多くても約10mm、最も好ましくは多くても約5mmの合計厚さを有する。
一実施形態において、ミクロ層の合計数、組成比、および合計ミクロ層コンポーネント厚さから計算されるようなバリアミクロ層の公称単一ミクロ層厚さは、少なくとも約10nm、少なくとも約15nmまたは少なくとも約20nmおよび多くても約500nm、多くても約300nmまたは多くても約150nmであり得る。バリアミクロ層の公称ミクロ層厚さは、ミクロ層のバリア特性に直接関係する。バリアミクロ層の厚さが増加するにつれ、より少ない面内結晶ラメラが形成され、バリア特性の減少を引き起こす。バリアミクロ層の正確な公称厚さは、所望される面内ラメラ形成の所望される程度次第であり、バリアミクロ層のポリマー材料に基づいて変動し得る。
閉じ込めミクロ層の公称厚さは、バリアミクロ層中の結晶ラメラのバリア特性、またはその進展を変化させない。したがって、閉じ込めミクロ層の公称ミクロ層厚さは、バリアミクロ層の公称厚さ超、それ以下であり得る。閉じ込めミクロ層の公称厚さは、費用、全体の厚さ、追加の他の層/ミクロ層または材料の存在、およびこれらの要因の組み合わせなどの最終ミクロ層コンポーネントまたは結果として生じるフィルム製品の所望の特色に基づいて選択され得る。
複数のバリアミクロ層および複数の閉じ込めミクロ層を有するいくつかの実施形態において、バリアミクロ層および閉じ込めミクロ層それぞれの正確な厚さは、ミクロ層コンポーネント内でわずかに変動し得る。
一実施形態において、本発明は、少なくとも2つの閉じ込めミクロ層の間に閉じ込められる少なくとも1つのバリアミクロ層を有し、かつバリアミクロ層中に存在する著しい量の面内結晶ラメラを有するミクロ層コンポーネントである。バリアミクロ層中に存在する面内結晶ラメラの割合は、全体のミクロ層コンポーネントまたは結果として生じるフィルム製品のバリア有効性の結果として生じる増加(すなわち、酸素または水蒸気透過性の減少)として反映され得る。
著しい量の面内結晶ラメラを有するミクロ層コンポーネントは、少なくとも約1.5倍の酸素透過性の改善または約1.5倍の水蒸気透過性の改善によって特徴づけられ得る。著しい量の面内結晶ラメラは、酸素および水透過性のいずれか、または両方の少なくとも約1.5倍の透過性改善を特徴とし得る。
一実施形態において、本発明のミクロ層コンポーネントは、約350cc mil/100 in/日未満、好ましくは約200cc mil/100 in/日未満、より好ましくは約100cc mil/100 in/日未満、最も好ましくは約50cc mil/100 in/日未満の有効酸素透過性を有する。一実施形態において、本発明のミクロ層コンポーネントは、約0.75g mil/100 in/日未満、好ましくは約0.5g mil/100 in/日未満、より好ましくは約0.2g mil/100 in/日未満、最も好ましくは約0.08g mil/100 in/日未満の有効水蒸気透過性を有する。
一実施形態において、本発明のミクロ層コンポーネントは、少なくとも1つのバリアミクロ層および少なくとも1つの閉じ込めミクロ層以外の追加のミクロ層または層を含み得る。ミクロ層コンポーネント中に提供され得る追加のミクロ層または層の非限定例としては、表皮層、結合層、EVOH層、封止剤層、接着剤層、箔層、印刷層、積層、PET層、他のポリマー層、ならびに他の追加のバリアおよび/または閉じ込めミクロ層/層が挙げられる。当該技術分野において既知のものなどの追加の層は、強度、追加のバリア特性、審美的な資質、耐久性、またはミクロ層コンポーネントもしくは結果として生じるフィルム製品に対する他の望ましい特色を提供するために使用され得る。
一実施形態において、本発明は、複数の閉じ込めミクロ層の間に閉じ込められる複数のバリアミクロ層を含み、かつエチレンビニルアルコール(EVOH)の少なくとも1つのミクロ層をさらに含むミクロ層コンポーネントである。いくつかの実施形態において、EVOHは、閉じ込めミクロ層として機能し得、また多層フィルム中の1つ以上の閉じ込めミクロ層に取って代わる。
本ミクロ層コンポーネントにおいて、バリアミクロ層として機能するバリアポリマーのミクロ層は、閉じ込めポリマーのミクロ層に直接隣接し、物理的に接触しなければならない。しかしながら、バリアミクロ層は、閉じ込めミクロ層によって両方の表層面上に隣接する必要はない。上に列挙したものなどの追加のミクロ層または層が、本発明に従うミクロ層コンポーネントまたは結果として生じるフィルム製品中に存在するとき、それらのミクロ層/層は、バリアミクロ層として機能し、バリア特性を増加させることを目的とするバリアポリマー材料からなるミクロ層が少なくとも1つの閉じ込めミクロ層と直接接触する限り、ミクロ層コンポーネントまたは結果として生じるフィルム製品内のどこかに存在し得る。
共押出プロセス
一実施形態において、本発明のミクロ層コンポーネントは、ミクロ層共押出によって調製され得る。ミクロ層またはナノ層は、閉じ込めポリマー材料およびバリアポリマー材料の交互の層、ならびに他の所望のミクロ層/層のための任意の追加の材料からなる。個々のミクロ層厚さは、ミクロスケールからナノスケールの範囲であり得、個々のミクロ層の厚さは変動し得る。
本発明のミクロ層コンポーネントが共押出によって調製されるとき、押出機、増倍要素、および金型の温度は、均一のフィルムを確保するために具体的に設定されなければならない。いくつかの実施形態において、バリアおよび閉じ込めポリマーは、バリアポリマーの層分裂が、制限され、かつポリマーの対がミクロ層に加工されるときに重要な流れ不安定性がないようなプロセス温度を有するように選択される。
2つの閉じ込めミクロ層の間に閉じ込められる単一バリアミクロ層のみを含む本発明のミクロ層コンポーネントでは、典型的な共押出システムは、それぞれが融解ポンプによって共押出供給ブロックに接続される2つの3/4インチの単軸押出機から構成され得る。供給ブロックは、Aが閉じ込めポリマー材料であり、Bがバリアポリマー材料であるABA配置での閉じ込めミクロ層およびバリアミクロ層のポリマー材料を組み合わせ得る。融解ポンプは、供給ブロックで2つの平行層として組み合わされた2つの融解ストリームを制御する。融解ポンプ速度を調節することによって、相対的な層厚さおよびA対Bの比率が調節され得る。
さらなる実施形態において、追加の閉じ込めおよびバリアミクロ層が所望され得、押出機の数がそれに応じて調節され得る。
供給ブロックから、融解物は、一連の増倍する要素を通り抜ける。本発明のミクロ層コンポーネントを生成するのに使用される押出機の数は、異なる層の数と同等であることが当業者には理解される。それ故、3つの異なる材料(例えば、A、B、およびC)の層を有するミクロ層コンポーネントは、3つの押出機を必要とする。
加熱処理
一実施形態において、本発明は、交互の閉じ込めおよびバリアミクロ層を有する加熱処理されたミクロ層コンポーネントである。ミクロ層コンポーネントは、バリアポリマー材料の融解温度を超える温度に加熱され得、融解温度と結晶化開始温度との間の等温度に冷却され得、バリアポリマーがその最終結晶化度の少なくとも約50%に到達するまで、等温度で維持され得る。
正確な加熱温度は、使用される特定の閉じ込めおよびバリアポリマー、ならびに任意の追加のミクロ層/層の存在によって決定し得る。同様に、正確な加熱時間は、使用される特定の閉じ込めおよびバリアポリマー、ならびに加熱温度によって決定し得る。いくつかの実施形態において、加熱時間は、1秒〜2時間の範囲であり得る。
一実施形態において、ミクロ層コンポーネントは、少なくとも約5分間、および多くても約90分間、約100℃〜150℃の温度に加熱され得る。ミクロ層コンポーネントは、油浴または対流式オーブン内で加熱され得る。
PB−1を含むバリアミクロ層を有するミクロ層コンポーネントでは、ミクロ層コンポーネントは、好ましくは約130℃に加熱され得る。油浴を使用して加熱するとき、PB−1のバリアミクロ層を有するミクロ層コンポーネントは、5分間、130℃で熱的に処理され得る。対流式オーブンを使用するとき、PB−1のバリアミクロ層を有するミクロ層コンポーネントは、60分間、130℃で熱的に処理され得る。
加熱後、ミクロ層コンポーネントは、バリアミクロ層の再結晶化を制御するために制御された方式で冷却される。一実施形態において、ミクロ層コンポーネントは、緩徐な速度で、バリアミクロ層の結晶化開始温度で、またはそれ未満で等温度に冷却される。ミクロ層コンポーネントが冷却される正確な温度は、使用される特定のバリアおよび閉じ込めポリマーによって決定される。同様に、冷却速度は、特定のバリアおよび閉じ込めポリマー、ならびに到達する最終温度によって決定され得る。
ミクロ層コンポーネントは、バリアポリマーが、その最終結晶化度の少なくとも約50%に到達するまで、等温度で維持される。
一実施形態において、ミクロ層コンポーネントは、約60℃〜90℃、好ましくは約70℃〜85℃に冷却され得る。いくつかの実施形態において、冷却速度は、約1℃/分以下、または0.5℃/分以下、または0.3℃/分以下であり得る。他の実施形態において、冷却速度は、著しく早く、ほとんど一瞬であり得る。冷却器温度は、次いで、再結晶化させるために少なくとも16時間維持され得る。
PB−1を含むバリアミクロ層を有するミクロ層コンポーネントでは、ミクロ層コンポーネントは、5分間の130℃での油浴内の処理後、約0.5℃/分の速度で約70℃に冷却され得る。PB−1を含むバリアミクロ層を有するミクロ層コンポーネントでは、ミクロ層コンポーネントは、約60分間の約130℃での対流式オーブン内の処理後、約0.3℃/分の速度で約85℃に冷却され得る。
一実施形態において、ミクロ層コンポーネントは、一軸または二軸で延伸され得る。ミクロ層コンポーネントは、その後の加熱処理を伴わない押出後に、延伸され得、延伸され、次に、加熱処理され得るか、または加熱処理され、次に延伸され得る。
フィルム製品
一実施形態において、本発明のミクロ層コンポーネントは、より大きい層状フィルム製品中の1つ以上の層として組み込まれ得る。
例えば、本発明のミクロ層コンポーネントは、包装フィルム中の箔層または積層に取って代わるためか、またはブリスタ包装中の現存するポリ塩化ビニル/ポリ塩化ビニリデン(PVC/PVDC)およびPVC/ACLAR系に取って代わるために使用され得る。本発明のミクロ層コンポーネントはまた、完全に塩素ポリマーに取って代わり得る。本発明のミクロ層コンポーネントはまた、保存可能期間を増やすため穀物包装中の高密度ポリエチレン(HDPE)/封止剤系に取って代わり得る。
本発明のミクロ層コンポーネントはまた、施蓋およびスナック包装に使用されるPVDCコーティングされた二軸配向ポリプロピレン(BOPP)および二軸配向ポリエチレンテレフタレート(BOPET)に取って代わるために使用され得る。
しかしながら、他の実施形態において、ミクロ層コンポーネント自体は、フィルム製品として使用され得る。
一実施形態において、本発明のミクロ層コンポーネントまたはミクロ層コンポーネントを組み込んだフィルム製品は、包装、ブリスタ包装、蓋、または医療用IVバッグなどの物品に形成される。
特定の実施形態
材料
PB−1(PB 8640M、低エチレン含有量を有するブテン−1のランダムコポリマー、190℃/2.16kgでMFI=1g/10分)を、Lyondellbasellから得た。
Zeonex690R(COP、280℃/2.16kgでMFI=17g/10分)をZeon Chemicals L.Pから得た。
HP030(COP、300℃/1.2kgでMFI=11g/10分)をThe Dow Chemical Companyから得た。
ポリプロピレン(PP、H314−02Z、190℃/2.16kgでMFI=2g/10分)をThe Dow Chemical Companyから得た。
ポリカーボネート(PC、Caliber201−15)をThe Dow Chemical Companyから得た。
共押出のためのポリマー材料の流体力学的適合性を確実にし、層均一性および全体のフィルムの質を最大限にするために、共押出のための粘度一致温度を、PB−1、COP、PP、およびPCに対して決定した。ポリマー融解粘度を、10秒−1の低せん断速度で、Kayeness Galaxy1融解流れインデクサ(MFI)を使用して、温度の関数として決定した。この低せん断速度を、層増倍プロセス中のポリマー融解ストリームの層増倍金型におけるポリマー流れ条件を模擬するために選択した。260℃および240℃の共押出温度を、PB−1/COPおよびPB−1/PCそれぞれに対して選択した。
交互のPB−1およびCOPまたはPC層を有するフィルムを、強制組立層−増倍共押出プロセスを使用して生成した。押出機、増倍要素、および金型温度を、上で記載のように240℃および260℃に設定し、加工中の2つのポリマー融解物の一致粘度を確実にした。フィルムを、60℃の温度に設定されるキャストフィルム引取りロール上で収集した。
257または1024枚の交互のPB−1およびCOPまたはPC層を有するミクロ層コンポーネンを共押出した。組成物を、各ポリマー材料の相対的ポンプ速度を決定することによって決定した。層の数、組成比、およびフィルム厚さから計算される公称ミクロ層厚さは、80〜120ナノメートルと変動した。表1は、各発明の実施例に対する材料、層の数、および公称層厚さを列挙する。
制御PB−1、COP、およびPCフィルムを、PB−1/COPおよびPB−1/PCフィルムと同一の加工条件下で、層増倍管によって、押出した。
共押出されたフィルムサンプルを、油浴で、5分間130℃で、押出後熱的に処理し、次いで、0.5℃/分の速度で70℃に冷却し、次いで、再結晶化のため、16時間その温度で維持した。いくつかの場合、共押出されたフィルムサンプルを、対流式オーブンで、1時間130℃で、押出後熱的に処理し、次いで、0.3℃/分の速度で85℃に冷却し、次いで、再結晶化のため、16時間その温度で維持した。
試験方法
2D広角X線散乱(2D WAXS)測定を、単色CuKa放射線(波長=0.154nm)の高度に収束された平行ビームを作り出す45kVおよび0.88mAで稼動するMicromax002+X線発生装置を使用して実施した。2D WAXSパターンを、フィルムの押出(ED)と平行に入射X線ビームを配列することによって、磁気造影プレート上で収集する。造影プレートを、3時間の露光後にFujifilm PLA700画像読取装置を使用して加工した。使用された平行なX線ビーム寸法は、0.3mmであり、サンプルから検知器の距離は、150mmであり、回折角を、CaF標準を使用して較正した。
バリアミクロ層(P)の有効透過性を、以下の式を使用して計算した。
式中、Vはバリアミクロ層の体積分率であり、Pはフィルム透過性であり、Pはミクロ層厚さと無関係であると思われる閉じ込めポリマーの透過性である。
酸素の有効透過性および水蒸気の有効透過性を使用して、バリアミクロ層の有効性を決定した。酸素の有効透過性および水蒸気の有効透過性を、必要に応じて、酸素および水蒸気のフィルムおよび閉じ込め層の透過性値を使用して、両方共上の式に従い計算した。
結果
PB−1/COPのミクロ層コンポーネントを2D WAXSを使用して分析した。PB−1/COPミクロ層コンポーネントの2D WAXS画像は、ミクロ層コンポーネントと垂直に配向されたポリマー鎖を示し、結晶ラメラがフィルムのミクロ層と平行に配向されたことを意味する。PB−1/PPのミクロ層コンポーネントもまた、上の手順に従って生成して、ポリマー鎖配向を決定した。PB−1/PPミクロ層コンポーネントの2D WAXS画像はまた、面内ラメラを示した。
共押出したときのおよび押出後熱的に処理されたPB−1/COPミクロ層コンポーネントの酸素透過性を分析したとき、共押出されたときのミクロ層コンポーネントおよび熱的に処理されたミクロ層コンポーネントの両方共が、バリアポリマーの比較単一層に対して透過性改善を示した。しかしながら、押出後加熱処理では、PB−1の酸素の透過性は、比較実施例、同等の公称PB−1層厚さを有するPB−1単一層より約21倍低かった(21倍改善)(394から約19cc−mil/100 in/日まで減少)。
表2は、異なるPB−1含有フィルムにおける酸素の透過性を比較する。
水蒸気の有効透過性もまた計算し、共押出したときのPB−1含有ミクロ層コンポーネントは、比較PB−1のみの単一層のフィルムのそれの三倍の水蒸気透過性改善を平均とすることを驚くべきことであった。加熱処理では、比較PB−1のみのフィルムの透過性と比較して約20倍であった(0.8から0.04gmill/100 in/日)。
表3は、異なるフィルムの水蒸気の透過性を比較する。
酸素透過性では、押出したときの実施例(E3)は、1.9倍の改善を示した(394から211cc mil/100 in/日)。押出後加熱処理では、透過性の減少は、70℃の加熱処理で約28倍改善され(394から14cc mil/100 in/日)、85℃の加熱処理で100倍を超えて改善された(394から3.4cc mil/100 in/日)。
水蒸気透過性では、押出されたときの実施例(E3)は1.6倍の改善を示した(0.81から0.51g mil/100 in/日)。押出後加熱処理では、ミクロ層コンポーネントは著しく向上した水蒸気透過性の改善を示した。透過性の減少は、70℃の加熱処理で約16倍改善し(0.81から0.049g mil/100 in/日)、85℃では約50倍改善した(0.81から0.016g mil/100 in/日)。
より薄いPB−1層を有するミクロ層コンポーネントは、同等の公称層厚さのPB−1単一層の比較実施例に対して増加した酸素および水蒸気透過性の改善を示す。より薄いミクロ層は、増加した面内ラメラ形成を促進し、加熱処理を伴わずに向上したバリア改善をもたらす。
任意の特定の理論に束縛されるものではないが、類似の改善が酸素および水蒸気両方の透過性に見られたので、バリア改善は、蛇行経路長(ラメラ配向)における増加に関係すると考えられる。
有効酸素および水蒸気の透過性はまた、異なる公称PB−1層厚さを有するPB−1/PCミクロ層コンポーネントのために決定された。PB−1/PCミクロ層コンポーネントの押出したときのミクロ層コンポーネントと押出後加熱処理したミクロ層コンポーネントとの間のバリア特性における著しい変化は少なかった。異なる公称PB−1ミクロ層厚さを有するミクロ層コンポーネントの間のバリア特性における著しい変化も少なかった。Zeonex含有PB−1ミクロ層コンポーネントほど有効ではないが、閉じ込めポリマーとしてPCを有する多層PB−1ミクロ層コンポーネントは、加熱処理後に酸素透過性で10倍の改善、水蒸気透過性で4倍の改善を示した。
バリア特性における最大の改善は、PB−1/Zeonexミクロ層コンポーネントで見られ、閉じ込めポリマー、フィルムのバリア特性に最も著しく影響を及ぼす特に閉じ込めミクロ層とPB−1ミクロ層との間の相互作用であることを示す。
本発明は、本明細書に含まれる実施形態および例示に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲内に入るような実施形態の一部、および異なる実施形態の要素の組み合わせを含むこれらの実施形態の変化形を含むことが特に意図される。
なお、本発明には、以下の態様が含まれることを付記する。
〔1〕
ミクロ層コンポーネントであって、
対向する表層面を有する第1のポリマー材料の少なくとも1つのバリアミクロ層(バリアポリマー)からなり、少なくとも1つの表層面が、第2のポリマー材料の少なくとも1つの閉じ込めミクロ層(閉じ込めポリマー)と直接接触し、
前記バリアポリマーが、半結晶であり、
前記ミクロ層コンポーネントが、前記バリアミクロ層中の結晶ラメラを特徴とし、前記ラメラが、前記バリアおよび閉じ込めミクロ層と実質的に平行であり、
前記ミクロ層コンポーネント中の前記ミクロ層の合計数が、少なくとも15枚である、ミクロ層コンポーネント。
〔2〕
前記バリアポリマーが、ポリ(1−ブテン)、ポリ(1−ブテン)コポリマー、ポリプロピレン(PP)、PPコポリマー、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエステル系ポリマー、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、〔1〕に記載のミクロ層コンポーネント。
〔3〕
前記閉じ込めポリマーが、シクロ−オレフィンポリマー(COP)、ポリプロピレン(PP)、PPコポリマー、ポリカーボネート(PC)、ポリスチレン(PS)、エチレンアクリル酸(EAA)、エチレンビニルアルコールポリマー(EVOH)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、スチレン−アクリロニトリル樹脂(SAN)、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、〔1〕に記載のミクロ層コンポーネント。
〔4〕
閉じ込めおよびバリアポリマー材料の合計体積に基づいて、約90〜10体積パーセント(体積%)の閉じ込め層ポリマー材料を有する、〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載のミクロ層コンポーネント。
〔5〕
約0.001mm〜約15mmの合計厚さを有する、〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載のミクロ層コンポーネント。
〔6〕
少なくとも約10nmおよび多くても約500nmの公称単一バリアミクロ層厚さを有する、〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載のミクロ層コンポーネント。
〔7〕
バリア単一層フィルムに対して少なくとも約1.5倍、有効酸素透過性が改善され、前記バリア単一層フィルムに対して少なくとも約1.5倍、有効水蒸気透過性が改善される、〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載のミクロ層コンポーネント。
〔8〕
バリア単一層フィルムに対して少なくとも約5倍、有効酸素透過性が改善される、〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載のミクロ層コンポーネント。
〔9〕
バリア単一層フィルムに対して少なくとも約5倍、有効水蒸気透過性が改善される、〔1〕〜〔6〕および〔8〕のいずれかに記載のミクロ層コンポーネント。
〔10〕
表皮層、結合層、EVOH層、封止剤層、接着剤層、箔層、印刷層、積層、PET層、他のポリマー層、追加のバリア層、追加の閉じ込め層、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも1つの他のミクロ層または層を含む、〔1〕〜〔9〕のいずれかに記載のミクロ層コンポーネント。
〔11〕
前記バリアポリマー材料の融解温度を超えて加熱され、前記融解温度と結晶化開始温度との間の等温度に冷却され、前記バリアポリマーがその最終結晶化度の少なくとも約50%に到達するまで、前記等温度で維持される、〔1〕〜〔10〕のいずれかに記載のミクロ層コンポーネント。
〔12〕
増加した酸素および水蒸気バリア特性を有するミクロ層コンポーネントを生成する方法であって、
ミクロ層コンポーネントを生成するように少なくとも2つのポリマー材料を共押出するステップであって、1つのポリマー材料が、バリアポリマー材料であり、第2のポリマー材料が、閉じ込めポリマー材料であり、バリアポリマー材料から作製される少なくとも1つのミクロ層が、前記閉じ込めポリマー材料のミクロ層と直接接触する少なくとも1つの表層面を有する、共押出するステップと、
前記ミクロ層コンポーネントを、加熱または延伸で処理するステップと、を含む、方法。
〔13〕
前記ミクロ層コンポーネントを処理する前記ステップが、
(i)前記ミクロ層コンポーネントを、前記バリアポリマー材料の融解温度を超えて加熱し、前記ミクロ層コンポーネントを、前記融解温度と結晶化開始温度との間の等温度に冷却し、前記ミクロ層コンポーネントを、前記バリアポリマーが、その最終結晶化度の少なくとも約50%に到達するまで前記等温度で維持すること、
(ii)前記ミクロ層コンポーネントを一軸または二軸延伸すること、および
(iii)それらの組み合わせ、からなる群から選択される、〔12〕に記載の方法。
〔14〕
〔1〕〜〔11〕のいずれかに記載のミクロ層コンポーネントを含むフィルム製品。
〔15〕
食料包装である〔14〕に記載のフィルム製品を含む物品。

Claims (12)

  1. 複数の交互のバリアミクロ層および閉じ込めミクロ層を有し、多くても3000および少なくとも15のミクロ層を有するミクロ層コンポーネントであって、
    前記バリアミクロ層は、ポリ(1−ブテン)、ポリ(1−ブテン)コポリマー、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるポリマーを含む第1のポリマー材料から作製され、前記バリアミクロ層が、対向する表層面を有し、前記表層面が、第2のポリマー材料(閉じ込めポリマー)から作製される前記閉じ込めミクロ層と直接接触し、
    前記バリアポリマーが半結晶であり、
    前記ミクロ層コンポーネントが、前記バリアミクロ層中の結晶ラメラを特徴とし、前記ラメラが、前記バリアミクロ層および前記閉じ込めミクロ層に実質的に平行であり、
    前記ミクロ層コンポーネントが、0.001mm〜15mmの合計厚さを有し、
    前記ミクロ層コンポーネントが、少なくとも10nmおよび多くても500nmの公称単一バリアミクロ層厚さを有する、前記ミクロ層コンポーネント。
  2. 前記バリアポリマーがポリ(1−ブテン)を含む、請求項1に記載のミクロ層コンポーネント。
  3. 前記閉じ込めポリマーが、シクロ−オレフィンポリマー(COP)、ポリプロピレン(PP)、PPコポリマー、ポリカーボネート(PC)、ポリスチレン(PS)、エチレンアクリル酸(EAA)、エチレンビニルアルコールポリマー(EVOH)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)、スチレン−アクリロニトリル樹脂(SAN)、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項1に記載のミクロ層コンポーネント。
  4. 前記閉じ込めおよびバリアポリマー材料の合計体積に基づいて、90〜10体積パーセント(体積%)の閉じ込め層ポリマー材料を有する、請求項1〜3のいずれかに記載のミクロ層コンポーネント。
  5. バリア単一層フィルムに対して少なくとも1.5倍、有効酸素透過性が改善され、前記バリア単一層フィルムに対して少なくとも1.5倍、有効水蒸気透過性が改善される、請求項1〜4のいずれかに記載のミクロ層コンポーネント。
  6. バリア単一層フィルムに対して少なくとも5倍、有効酸素透過性が改善される、請求項1〜4のいずれかに記載のミクロ層コンポーネント。
  7. バリア単一層フィルムに対して少なくとも5倍、有効水蒸気透過性が改善される、請求項1〜4および6のいずれかに記載のミクロ層コンポーネント。
  8. 表皮層、結合層、EVOH層、封止剤層、接着剤層、箔層、印刷層、積層、PET層、他のポリマー層、追加のバリア層、追加の閉じ込め層、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも1つの他のミクロ層または層を含む、請求項1〜7のいずれかに記載のミクロ層コンポーネント。
  9. 増加した酸素および水蒸気バリア特性を有するミクロ層コンポーネントであって、複数の交互のバリアミクロ層および閉じ込めミクロ層を有し、多くても3000および少なくとも15のミクロ層を有する前記ミクロ層コンポーネントを生成する方法であって、
    ミクロ層コンポーネントを生成するように少なくとも2つのポリマー材料を共押出するステップであって、1つのポリマー材料が、ポリ(1−ブテン)、ポリ(1−ブテン)コポリマー、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるポリマーを含むバリアポリマー材料であり、第2のポリマー材料が、閉じ込めポリマー材料であり、前記バリアポリマー材料から作製される前記バリアミクロ層が、前記閉じ込めポリマー材料から作製される前記閉じ込めミクロ層と直接接触する対向する表層面を有する、ステップと、
    前記ミクロ層コンポーネントを、加熱または延伸で処理するステップと
    を含み、
    前記バリアポリマー材料が半結晶であり、
    前記ミクロ層コンポーネントが、前記バリアミクロ層中の結晶ラメラを特徴とし、前記ラメラが、前記バリアミクロ層および前記閉じ込めミクロ層に実質的に平行であり、
    前記ミクロ層コンポーネントが、0.001mm〜15mmの合計厚さを有し、
    前記ミクロ層コンポーネントが、少なくとも10nmおよび多くても500nmの公称単一バリアミクロ層厚さを有する、方法。
  10. 前記ミクロ層コンポーネントを処理する前記ステップが、
    (i)前記ミクロ層コンポーネントを、前記バリアポリマー材料の前記融解温度を超えて加熱し、前記ミクロ層コンポーネントを、前記融解温度と前記結晶化開始温度との間の等温度に冷却し、前記ミクロ層コンポーネントを、前記バリアポリマーが、その最終結晶化度の少なくとも50%に到達するまで前記等温度で維持すること、
    (ii)前記ミクロ層コンポーネントを一軸または二軸延伸すること、および
    (iii)それらの組み合わせ、からなる群から選択される、請求項9に記載の方法。
  11. 請求項1〜8のいずれかに記載のミクロ層コンポーネントを含むフィルム。
  12. 食料包装である請求項11に記載のフィルムを含む物品。
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