JP7082965B2 - バリア添加剤 - Google Patents
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Description
本願は、(a)代理人管理番号57473-1が付され、2016年3月15日に出願された米国仮特許出願第62/308,297号、および(b)代理人管理番号12017001が付され、2017年1月30日に出願された米国仮特許出願第62/452,033号の両方からの優先権を主張し、これら米国仮特許出願の両方は、参照によって組み込まれる。
本発明は、高アスペクト比の相溶化バリア添加剤を作製するためのプロセスおよび高アスペクト比の相溶化バリア添加剤を含むポリマー組成物に関する。本発明はまた、これらのプロセスによって生成されたポリマー組成物、および本発明のポリマー組成物から形成される物品にも関する。
ポリエステル、特にポリ(エチレンテレフタレート)(PET)は、繊維、フィルム、および三次元構造物として広範な適用性に恵まれた汎用ポリマーである。PETの特に重要な用途は、特に食品および飲料用の容器である。この用途は、過去30年にわたって並外れて成長し、継続して人気が上昇している。この成長にもかかわらず、PETには、いくつかの根本的な限界があり、それは市場における用途を制限している。このような限界の1つは、酸素および二酸化炭素などの気体に対するその透過性に関連する。
当業者であれば、無機層状粒子が、一般に、静電力によって互いに強く会合する層のスタックとして存在し、したがって、複合粒子中の層の数という単純な理由から低い見掛けのアスペクト比を示すことを認識するはずである。したがって、例えば、典型的な片状黒鉛中には、互いに緊密に会合する、グラフェンの数千から数十万の個別層が存在し得る。これらの層状粒子の見掛けのアスペクト比を増加させるには、これらの粒子の個別層を互いに分離する必要がある。これを行う一方法として、高レベルの力を無機粒子にかける方法があるが、エネルギー集約型であることに加えて、このような力は、個別層または層のスタックの横寸法(幅および/または長さ)を短縮する効果も有し得る。加えて、個別層を分離するこのような労力は、このような力を除去した後に個別層が再度集まってスタックになることを防止しない。
特定の実施形態では、例えば以下の項目が提供される。
(項目1)
予め選択したポリマー用のバリア添加剤のために構成成分を選択する方法であって、
(a)小分子をインターカレートすることができる少なくとも1種の層状無機バリア添加剤前駆体を選択するステップと、
(b)前記選択した無機バリア添加剤前駆体中にインターカレートし、それとイオン的にまたは共有結合的に結合することができる、少なくとも1種の有機相溶化剤を選択するステップであって、前記少なくとも1種の相溶化剤が、前記予め選択したポリマーと同様の溶解度パラメーターを有し、約2ナノメートルを超えて伸長されたときの鎖長を有し、前記予め選択したポリマーを加工するために用いる溶融加工条件下で熱的に安定である、ステップと、
(c)少なくとも1種のビヒクルを選択するステップであって、前記少なくとも1種のビヒクルが、前記予め選択したポリマーおよび前記相溶化剤の両方と同様の溶解度パラメーターを有し、前記予め選択したポリマーを加工するために用いる溶融加工条件下で熱的に安定である、ステップと
を含む、方法。
(項目2)
予め選択したポリマー用のバリア添加剤を調製する方法であって、
(a)小分子をインターカレートすることができる少なくとも1種の層状無機バリア添加剤前駆体を選択するステップと、
(b)前記選択した無機バリア添加剤前駆体中にインターカレートし、それとイオン的にまたは共有結合的に結合することができる、少なくとも1種の有機相溶化剤を選択するステップであって、前記少なくとも相溶化剤が、前記予め選択したポリマーと同様の溶解度パラメーターを有し、約2ナノメートルを超えて伸長されたときの鎖長を有し、前記予め選択したポリマーを加工するために用いる溶融加工条件下で熱的に安定である、ステップと、
(c)少なくとも1種のビヒクルを選択するステップであって、前記少なくとも1種のビヒクルが、前記予め選択したポリマーおよび前記相溶化剤の両方と同様の溶解度パラメーターを有し、前記予め選択したポリマーを加工するために用いる溶融加工条件下で熱的に安定である、ステップと、
(d)前記選択した相溶化剤と前記選択した無機バリア添加剤前駆体を反応させ、有効量のビヒクルを取り入れるステップと
を含む、方法。
(項目3)
前記無機バリア添加剤前駆体が、層状複水酸化物である、項目2に従って調製された組成物。
(項目4)
前記層状複水酸化物が、一般式M +2 8-x M +3 x (OH) 16 ・4H 2 O・(CO 3 ) x/2 を有する、項目3に記載の組成物。
(項目5)
M +2 が、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、および亜鉛の二価カチオンから選択される、項目4に記載の組成物。
(項目6)
M +3 が、クロム、鉄、アルミニウム、ガリウム、インジウム、イットリウム、およびランタニドの三価カチオンから選択される、項目4に記載の組成物。
(項目7)
M +2 がマグネシウムであり、M +3 がアルミニウムである、項目4~6のいずれか一項に記載の組成物。
(項目8)
前記少なくとも1種の相溶化剤が、有機ホスフェートまたはホスホネートである、項目2に従って調製された組成物。
(項目9)
前記有機ホスフェートまたはホスホネートが、前記無機バリア添加剤前駆体の表面に共有結合的に結合している、項目8に従って調製された組成物。
(項目10)
前記無機バリア添加剤前駆体上の反応部位に対する相溶化剤のモル比が、少なくとも0.3である、項目2に従って調製された組成物。
(項目11)
前記無機バリア添加剤前駆体上の反応部位に対する相溶化剤のモル比が、約0.5よりも大きい、項目2に従って調製された組成物。
(項目12)
前記組成物が室温付近で流体である、項目2に従って調製された組成物。
(項目13)
予め選択したポリマーと、項目2に記載の方法に従って調製されたバリア添加剤とを含む、組成物。
(項目14)
前記予め選択したポリマーが、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリジエン、ポリエーテル、ポリスルフィド、ポリイミド、およびポリアミドからなる群から選択される、項目13に記載の組成物。
(項目15)
前記予め選択したポリマーが、熱可塑性ポリマーである、項目13に記載の組成物。
(項目16)
前記予め選択したポリマーが、熱硬化性ポリマーである、項目13に記載の組成物。
(項目17)
前記バリア添加剤組成物を、溶融ブレンディングによって前記予め選択したポリマー中に取り入れる、項目13に記載の組成物。
(項目18)
前記バリア添加剤組成物を、溶解プロセスによって前記予め選択したポリマー中に取り入れる、項目13に記載の組成物。
(項目19)
前記バリア添加剤組成物を、ポリマー前駆体に取り入れた後、前記ポリマー前駆体を重合する、項目13に記載の組成物。
(項目20)
項目13に記載の組成物を含む、物品。
(項目21)
前記相溶化バリア添加剤が、前記予め選択したポリマーの表面エネルギーと少なくとも等しい表面エネルギーを有する、項目2に記載の組成物。
(項目22)
前記予め選択したポリマーが、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリジエン、ポリエーテル、ポリスルフィド、ポリイミド、およびポリアミドからなる群から選択される、項目21に記載の組成物。
(項目23)
前記組成物が、前記バリア添加剤を取り入れた後で、機械的曲げまたは延伸に供される、項目22に記載の組成物。
(項目24)
前記選択するステップ(b)が、キーフィーチャーを有する前記相溶化剤に基づいて選択するステップをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目25)
前記選択するステップ(b)が、追加の優先事項を有する前記相溶化剤に基づいて選択するステップをさらに含む、項目24に記載の方法。
(項目26)
前記バリア添加剤が二重化層状水酸化物である場合、前記相溶化剤が、有機ホスフェートまたは有機ホスホネートを含む、項目24または項目25に記載の方法。
(項目27)
前記予め選択したポリマーがポリエステルまたはナイロンである場合、前記ビヒクルが、ジオレエート、シトレート、アジペート、ジベンゾエート、水素化およびアセチル化油モノグリセリドおよびそれらの組合せからなる群から選択される、項目26に記載の方法。
(項目28)
前記予め選択したポリマーがポリオレフィンである場合、前記ビヒクルが、鉱油、少なくとも1種の不飽和植物油、およびそれらの組合せからなる群から選択される、項目26に記載の方法。
(項目29)
受動的バリア特性を予め選択したポリマーに加えるための組成物であって、
(a)(i)小分子をインターカレートすることができる少なくとも1種の層状無機バリア添加剤と、
(ii)前記選択した無機バリア添加剤前駆体中にインターカレートし、それとイオン的にまたは共有結合的に結合することができる、少なくとも1種の有機相溶化剤であって、前記少なくとも相溶化剤が、前記予め選択したポリマーと同様の溶解度パラメーターを有し、約2ナノメートルを超えて伸長されたときの鎖長を有し、前記予め選択したポリマーを加工するために用いる溶融加工条件下で熱的に安定である、少なくとも1種の有機相溶化剤と
の反応生成物、および
(b)前記反応生成物が有効量で分散させられた少なくとも1種のビヒクルであって、前記少なくとも1種のビヒクルが、前記予め選択したポリマーおよび前記相溶化剤の両方と同様の溶解度パラメーターを有し、前記予め選択したポリマーを加工するために用いる溶融加工条件下で熱的に安定である、少なくとも1種のビヒクル
を含む、組成物。
(項目30)
前記無機バリア添加剤前駆体が、層状複水酸化物である、項目29に従って調製された組成物。
(項目31)
前記層状複水酸化物が、一般式M +2 8-x M +3 x (OH) 16 ・4H 2 O・(CO 3 ) x/2 を有する、項目30に記載の組成物。
(項目32)
M +2 が、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、および亜鉛の二価カチオンから選択される、項目31に記載の組成物。
(項目33)
M +3 が、クロム、鉄、アルミニウム、ガリウム、インジウム、イットリウム、およびランタニドの三価カチオンから選択される、項目31に記載の組成物。
(項目34)
M +2 がマグネシウムであり、M +3 がアルミニウムである、項目31~33のいずれか一項に記載の組成物。
(項目35)
前記少なくとも1種の相溶化剤が、有機ホスフェートまたはホスホネートである、項目29~33のいずれか一項に従って調製された組成物。
(項目36)
前記有機ホスフェートまたはホスホネートが、前記無機バリア添加剤の表面に共有結合的に結合している、項目35に従って調製された組成物。
(項目37)
前記無機バリア添加剤前駆体上の反応部位に対する相溶化剤のモル比が、少なくとも0.3である、項目36に従って調製された組成物。
(項目38)
前記無機バリア添加剤前駆体上の反応部位に対する相溶化剤のモル比が、約0.5よりも大きい、項目37に従って調製された組成物。
(項目39)
前記組成物が室温付近で流体である、項目29~38のいずれか一項に従って調製された組成物。
(項目40)
前記予め選択したポリマーが、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリジエン、ポリエーテル、ポリスルフィド、ポリイミド、およびポリアミドからなる群から選択される、項目29~39のいずれか一項に記載の組成物。
(項目41)
前記予め選択したポリマーが、熱可塑性ポリマーである、項目40に記載の組成物。
(項目42)
前記予め選択したポリマーが、熱硬化性ポリマーである、項目40に記載の組成物。
(項目43)
見掛けのアスペクト比が、約500~約50,000の範囲である、項目36に記載の組成物。
(項目44)
見掛けのアスペクト比が、約2500~約40,000の範囲である、項目43に記載の組成物。
(項目45)
金属原子に対する相溶剤のモル比が、約0.25~約1.0である、項目43に記載の組成物。
(項目46)
金属原子に対する相溶剤のモル比が、約0.3~約1.0である、項目45に記載の組成物。
(項目47)
前記相溶化剤が、リン酸ポリエチレングリコールトリデシルエーテル、リン酸ポリエチレングリコールフェニルエーテル、リン酸ポリエチレングリコールトリスチリルフェニルエーテル、およびそれらの組合せからなる群から選択される、項目29~33のいずれか一項に記載の組成物。
(項目48)
前記予め選択したポリマーがポリエステルまたはナイロンである場合、前記ビヒクルが、ジオレエート、シトレート、アジペート、ジベンゾエート、水素化およびアセチル化油モノグリセリド、およびそれらの組合せからなる群から選択される、項目29~47のいずれか一項に記載の組成物。
(項目49)
前記予め選択したポリマーがポリオレフィンである場合、前記ビヒクルが、鉱油、少なくとも1種の不飽和植物油、およびそれらの組合せからなる群から選択される、項目29~47のいずれか一項に記載の組成物。
(項目50)
前記予め選択したポリマーと、項目29~49のいずれか一項に記載の組成物とを含む、ポリマー物品。
(項目51)
前記組成物が、前記物品の約0.01~約10重量パーセントを構成する、項目50に記載のポリマー物品。
(項目52)
前記組成物が構成し、前記組成物が、前記物品の約0.1~約5重量パーセントを構成する、項目51に記載のポリマー物品。
(項目53)
前記物品が食品、飲料、または医薬用の容器である、項目50~52のいずれか一項に記載のポリマー物品。
(項目54)
前記物品が、約1.10~約1000の範囲の酸素に対するBIFを有する、項目50~53のいずれか一項に記載のポリマー物品。
(項目55)
前記物品が、約2~約100の範囲の酸素に対するBIFを有する、項目50~53のいずれか一項に記載のポリマー物品。
(項目56)
前記物品が、約1.10~約1000の範囲の二酸化炭素に対するBIFを有する、項目50~55のいずれか一項に記載のポリマー物品。
(項目57)
前記物品が、約2.0~約100の範囲の二酸化炭素に対するBIFを有する、項目50~55のいずれか一項に記載のポリマー物品。
(項目58)
前記物品が、見掛けのアスペクト比が約500~約50,000のバリア添加剤を有する、項目50~57のいずれか一項に記載のポリマー物品。
(項目59)
前記物品が、見掛けのアスペクト比が約2500~約40,000のバリア添加剤を有する、項目50~57のいずれか一項に記載のポリマー物品。
(項目60)
前記物品が非晶質フィルムである場合、酸素に対するBIFが約1.30~約2.78の範囲である、項目50~59のいずれかに記載のポリマー物品。
(項目61)
前記物品が配向フィルムである場合、酸素に対するBIFが約1.03~約1.14の範囲である、項目50~59のいずれかに記載のポリマー物品。
(項目62)
前記物品が、配向されたボトル側壁である場合、二酸化炭素に対するBIFが約1.08~約1.22の範囲であり、前記バリア添加剤の量が、前記ボトル側壁の0.035~0.05重量パーセントの範囲である、項目50~59のいずれか一項に記載のポリマー物品。
以下の詳細な説明は、剥離させられたバリア添加剤-ポリマー組成物を得、本発明の好ましい実施形態を提供するために必要な主要素を開示する。
BIF=1+(φ・α)2/[4・(1-φ)]
式中、BIFは「バリア改善度」であり、αはアスペクト比であり、φはバリア添加剤の体積分率である。実際には、得られたBIFは、加工中のバリア添加剤粒子の完全剥離および/または断片化のないインターカレーションに起因して、一般に上記数式を使用して計算した値より低い。観察されるバリア改善の量は、少なくとも多少は、バリア添加剤の相溶化表面に対する透過体の親和性にも依存する。したがって、例えば、相溶化バリア添加剤が比較的極性の場合、粒子の表面は、比較的高濃度の極性透過体分子(水蒸気など)を蓄積し得、したがって、その透過体の場合には、比較的非極性の透過体(二酸化炭素または酸素ガスなど)の場合よりも比較的低いバリア改善を示し得る。このような選択的バリア改善特徴を用いて、選択的透過性能(膜分離において望まれるものなど)を実現することができることが、明確に企図される。
Δδ=[(δd1-δd2)2+(δp1-δp2)2+(δh1-δh2)2]1/2
式中、Δδは溶解度パラメーターの累積差であり、δd、δp、およびδhはそれぞれ、第1および第2材料の分散性、極性、および水素結合パラメーターである。
を実証する。図1と図2との間で観察されたデラミネーションの程度の動向は、実施例3のバリア添加剤(トリデシル末端基を有していた)と比べてPETへの接着性がより高いが依然として不十分である実施例4のバリア添加剤(フェニル末端基を有していた)と一致する。
BIF=1+(φ・α)2/[4・(1-φ)]
から
α=[(BIF-1)・4・(1-φ)]1/2/φ
に再編成して、上記の実施例におけるバリア添加剤の見掛けのアスペクト比を計算することができる。したがって、実施例6では、名目上のハイドロタルサイトロード量500ppmおよび密度2.06g/ccで得られた1.22のCO2 BIFは、2886の見掛けのアスペクト比に相当する。
** フィルム=フィルムの平均厚さ(ミル)
α=[(BIF-1)・4・(1-φ)]1/2/φ
から、プレスプラーク中の実施例11のバリア添加剤の見掛けのアスペクト比は、42,189であった。
Claims (6)
- 予め選択したポリマーおよびバリア添加剤組成物を含むポリマー組成物であって、ここで、前記バリア添加剤組成物は、
(a)相溶化バリア添加剤であって、ここで、前記相溶化バリア添加剤は、
(i)小分子をインターカレートすることができる層状無機バリア添加剤前駆体であって、ここで、前記層状無機バリア添加剤前駆体が層状複水酸化物である、層状無機バリア添加剤前駆体と、
(ii)前記層状無機バリア添加剤前駆体中にインターカレートし、それとイオン的にまたは共有結合的に結合することができる、有機相溶化剤であって、ここで、前記有機相溶化剤が、前記予め選択したポリマーと同様の溶解度パラメーターを有し、2ナノメートルを超える伸長されたときの鎖長を有し、そして前記予め選択したポリマーを加工するために用いる溶融加工条件下で熱的に安定である、有機相溶化剤と
の反応生成物である、相溶化バリア添加剤と
(b)有効量のビヒクルであって、ここで、前記ビヒクルが、前記予め選択したポリマーおよび前記有機相溶化剤の両方と同様の溶解度パラメーターを有し、そして前記予め選択したポリマーを溶融加工するために用いる条件下で熱的に安定であり、そしてここで、前記「有効量」は、前記バリア添加剤組成物の少なくとも20重量パーセントである、ビヒクルと
を含み、
ここで、「同様の」は、差が8MPa1/2未満であることとして定義され、
ここで、前記予め選択したポリマーは、ポリ(エチレンテレフタレート)(PET)、ポリオレフィン、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリジエン、ポリエーテル、ポリスルフィド、ポリイミド、およびポリアミドからなる群から選択され、
ここで、前記有機相溶化剤は、有機ホスフェートまたはホスホネートであり、そして
ここで、前記有機相溶化剤は、ポリエチレングリコールトリデシルエーテルホスフェート、ポリエチレングリコールフェニルエーテルホスフェート、ポリエチレングリコールトリスチリルフェニルエーテルホスフェート、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、
ポリマー組成物。 - 予め選択したポリマーおよびバリア添加剤組成物を含むポリマー組成物であって、ここで、前記バリア添加剤組成物は、
(a)相溶化バリア添加剤であって、ここで、前記相溶化バリア添加剤は、
(i)小分子をインターカレートすることができる層状無機バリア添加剤前駆体であって、ここで、前記層状無機バリア添加剤前駆体が層状複水酸化物である、層状無機バリア添加剤前駆体と、
(ii)前記層状無機バリア添加剤前駆体中にインターカレートし、それとイオン的にまたは共有結合的に結合することができる、有機相溶化剤であって、ここで、前記有機相溶化剤が、前記予め選択したポリマーと同様の溶解度パラメーターを有し、2ナノメートルを超える伸長されたときの鎖長を有し、そして前記予め選択したポリマーを加工するために用いる溶融加工条件下で熱的に安定である、有機相溶化剤と
の反応生成物である、相溶化バリア添加剤と、
(b)有効量のビヒクルであって、ここで、前記ビヒクルが、前記予め選択したポリマーおよび前記有機相溶化剤の両方と同様の溶解度パラメーターを有し、そして前記予め選択したポリマーを溶融加工するために用いる条件下で熱的に安定であり、そしてここで、前記「有効量」は、前記バリア添加剤組成物の少なくとも20重量パーセントである、ビヒクルと
を含み、
ここで、「同様の」は、差が8MPa1/2未満であることとして定義され、そして
ここで、前記予め選択したポリマーは、ポリ(エチレンテレフタレート)(PET)、またはポリアミドであり、そしてここで、前記ビヒクルが、ジオレエート、シトレート、アジペート、ジベンゾエート、水素化およびアセチル化油モノグリセリド、およびそれらの組合せからなる群から選択される、
ポリマー組成物。 - 予め選択したポリマーおよびバリア添加剤組成物を含むポリマー組成物であって、ここで、前記バリア添加剤組成物は、
(a)相溶化バリア添加剤であって、ここで、前記相溶化バリア添加剤は、
(i)小分子をインターカレートすることができる層状無機バリア添加剤前駆体であって、ここで、前記層状無機バリア添加剤前駆体が層状複水酸化物である、層状無機バリア添加剤前駆体と、
(ii)前記層状無機バリア添加剤前駆体中にインターカレートし、それとイオン的にまたは共有結合的に結合することができる、有機相溶化剤であって、ここで、前記有機相溶化剤が、前記予め選択したポリマーと同様の溶解度パラメーターを有し、2ナノメートルを超える伸長されたときの鎖長を有し、そして前記予め選択したポリマーを加工するために用いる溶融加工条件下で熱的に安定である、有機相溶化剤と
の反応生成物である、相溶化バリア添加剤と、
(b)有効量のビヒクルであって、ここで、前記ビヒクルが、前記予め選択したポリマーおよび前記有機相溶化剤の両方と同様の溶解度パラメーターを有し、そして前記予め選択したポリマーを溶融加工するために用いる条件下で熱的に安定であり、そしてここで、前記「有効量」は、前記バリア添加剤組成物の少なくとも20重量パーセントである、ビヒクルと
を含み、
ここで、「同様の」は、差が8MPa1/2未満であることとして定義され、そして
ここで、前記予め選択したポリマーは、ポリオレフィンであり、そしてここで、前記ビヒクルが、鉱油、不飽和植物油、およびそれらの組合せからなる群から選択される、
ポリマー組成物。 - 請求項1に記載のポリマー組成物を含む、ポリマー物品。
- 請求項2に記載のポリマー組成物を含む、ポリマー物品。
- 請求項3に記載のポリマー組成物を含む、ポリマー物品。
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