JP7468813B1 - ガスバリアコーティング剤、積層体、及び包装材 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献4では、ポリビルアルコール系のバリアコート剤の課題である高湿度下での酸素バリア性の改善を試みている。しかしながらその評価は湿度80%下であり、湿度が90%以上での評価は開示されていない。湿度が90%以上であってもバリア性を有しないと、特に水を主成分とした内容物の酸化劣化防止や保香性を得られない懸念があるが、特許文献4ではその示唆がなされていなかった。
本発明で使用するポリオール(A)は、オルト配向性多価カルボン酸又はメタ配向性多価カルボン酸を必須として含有する酸成分とポリオール成分との反応物であるポリエステルポリオール(A1)である。
ポリエステルポリオール(A1)の合成に用いられるオルト配向性多価カルボン酸としては、オルトフタル酸又はその酸無水物、ナフタレン2,3-ジカルボン酸又はその酸無水物、ナフタレン1,2-ジカルボン酸又はその酸無水物、アントラキノン2,3-ジカルボン酸又はその酸無水物、及び2,3-アントラセンカルボン酸又はその酸無水物等が挙げられる。これらの化合物は、芳香環の任意の炭素原子に置換基を有していても良い。該置換基としては、クロロ基、ブロモ基、メチル基、エチル基、i-プロピル基、ヒドロキシル基、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、メチルチオ基、フェニルチオ基、シアノ基、ニトロ基、アミノ基、フタルイミド基、カルボキシル基、カルバモイル基、N-エチルカルバモイル基、フェニル基又はナフチル基等が挙げられる。
ポリエステルポリオール(A1)の合成に用いられる酸成分である多価カルボン酸は、前記オルト配向性多価カルボン酸又はメタ配向性多価カルボン酸以外の多価カルボン酸を含んでいてもよい。これらの多価カルボン酸としては、コハク酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカンジカルボン酸等の脂肪族多価カルボン酸;無水マレイン酸、マレイン酸、フマル酸等の不飽和結合含有多価カルボン酸;1,3-シクロペンタンジカルボン酸、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸等の脂環族多価カルボン酸;テレフタル酸、ピロメリット酸、トリメリット酸、1,4-ナフタレンジカルボン酸、1,5-アントラセンジカルボン酸、2,5-ナフタレンジカルボン酸、2,6-ナフタレンジカルボン酸、ナフタル酸、1,4-アントラセンジカルボン酸、2,6-アントラセンジカルボン酸、2,7-アントラセンジカルボン酸、1,8-アントラセンジカルボン酸、9,10-アントラセンジカルボン酸、ビフェニルジカルボン酸、1,2-ビス(フェノキシ)エタン-p,p’-ジカルボン酸及びこれらジカルボン酸の酸無水物或いはエステル形成性誘導体、p-ヒドロキシ安息香酸、p-(2-ヒドロキシエトキシ)安息香酸及びこれらのジヒドロキシカルボン酸のエステル形成性誘導体等の芳香族多価カルボン酸等が挙げられ、1種または2種以上を併用することができる。中でも、コハク酸、1,3-シクロペンタンジカルボン酸、及びその酸無水物が好ましい。
ポリエステルポリオール(A1)の合成に用いられるポリオール成分である多価アルコールは、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、ネオペンチルグリコール、シクロヘキサンジメタノール等の2価アルコールや、グリセロール、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン等の3価アルコールを含むことが好ましい。中でも、エチレングリコールやグリセロールを含むことがより好ましい。特にグリセロールを含有することが好ましい。グリセロールは、ポリオール(A)のポリオール成分中に10質量~100質量%含有することが好ましい。
本発明で使用するイソシアネート化合物(B)は、従来公知のものを特に制限なく用いることができ、テトラメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、トルエンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、水素化ジフェニルメタンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、水素化キシリレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート或いはこれらのイソシアネート化合物の3量体、およびこれらのイソシアネート化合物の過剰量と、たとえばエチレングリコール、プロピレングリコール、メタキシリレンアルコール、1,3-ビスヒドロキシエチルベンゼン、1,4-ビスヒドロキシエチルベンゼン、トリメチロールプロパン、グリセロール、ペンタエリスリトール、エリスリトール、ソルビトール、エチレンジアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メタキシリレンジアミンなどの低分子活性水素化合物およびそのアルキレンオキシド付加物、各種ポリエステル樹脂類、ポリエーテルポリオール類、ポリアミド類の高分子活性水素化合物などと反応させて得られるアダクト体が挙げられる。ポリエステルポリオール(A1)~(A3)とジイソシアネート化合物とを、水酸基とイソシアネート基の比率をイソシアネート過剰で反応させて得られるポリエステルポリイソシアネートを用いてもよい。これらは1種または2種以上を併用することができる。
前記イソシアネート化合物において、芳香族環又は脂肪族環を有するイソシアネート化合物としては、例えば、トルエンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、水素化ジフェニルメタンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、水素化キシリレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート或いはこれらのイソシアネート化合物の3量体、およびこれらのイソシアネート化合物の過剰量と、たとえばエチレングリコール、プロピレングリコール、メタキシリレンアルコール、1,3-ビスヒドロキシエチルベンゼン、1,4-ビスヒドロキシエチルベンゼン、トリメチロールプロパン、グリセロール、ペンタエリスリトール、エリスリトール、ソルビトール、エチレンジアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メタキシリレンジアミンなどの低分子活性水素化合物およびそのアルキレンオキシド付加物、各種ポリエステル樹脂類、ポリエーテルポリオール類、ポリアミド類の高分子活性水素化合物などと反応させて得られるアダクト体が挙げられる。
分子量が100以上250以下の範囲内であるか、又は溶解度パラメータが29.5以下である活性水素基を有する化合物(C)(以後単に「化合物(C)」と称する場合がある)において、活性水素基とは、水酸基、アミノ基、イミノ基、カルボン酸、尿素基、又はSH基等が挙げられる。中でも、水酸基、アミノ基、又はSH基が好ましい。これらの基はいずれも水素結合性を有し、水素の供与基あるいは授与基のいずれにもなりうる。推定ではあるが、前記ポリオール(A)と前記イソシアネート化合物(B)が反応して生成したウレタン結合のNH基、C=O基との間で、水素結合ネットワークを形成することで、分子運動を制御し、自由体積率の低減、自由体積孔径の縮小に寄与し、よりバリア性を向上させることが可能となったと考えられる。
なお本発明において、分子量は分子を構成する原子の原子量の総和により算出した値とする。
なお本発明において、溶解度パラメータは、ハンセン溶解度パラメータ計算ソフトウェア―(HSPiP)に収載されているδT値もしくはSMILES記法を用いて算出したδT値とする。
(板状無機化合物(E))
本発明のバリアコーティング剤は、板状無機化合物(E)を含有させてもよい。本発明に板状無機化合物(E)が用いられる場合には、粘着性の低減によるコーティング後の巻き取り適性の向上とガスバリア性を向上させる効果を有する。
本発明においては、コーティング剤層の耐酸性を向上させる目的で、公知の酸無水物を添加剤として併用することもできる。酸無水物としては、例えば、フタル酸無水物、コハク酸無水物、ヘット酸無水物、ハイミック酸無水物、マレイン酸無水物、テトラヒドロフタル酸無水物、ヘキサヒドラフタル酸無水物、テトラプロムフタル酸無水物、テトラクロルフタル酸無水物、トリメリット酸無水物、ピロメリット酸無水物、ベンゾフェノテトラカルボン酸無水物、2,3,6,7-ナフタリンテトラカルボン酸2無水物、5-(2,5-オキソテトラヒドロフリル)-3-メチル-3-シクロヘキセン-1,2-ジカルボン酸無水物、スチレン無水マレイン酸共重合体等が挙げられる。これらの酸無水物の原料として非石油由来成分が含有されていると、非石油由来成分比率を高くできることから好ましい。こうした化合物の例としてコハク酸無水物が挙げられる。
また、必要に応じて、更にガス捕捉機能を有する材料を添加してもよい。酸素捕捉機能を有する材料としては、例えば、ヒンダードフェノール類、ビタミンC、ビタミンE、有機燐化合物、没食子酸、ピロガロール等の酸素と反応する低分子有機化合物や、コバルト、マンガン、ニッケル、鉄、銅等の遷移金属化合物等が挙げられる。水蒸気補足機能を有する材料としては、シリカゲル、ゼオライト、活性炭、炭酸カルシウム等の材料を挙げることができる。これら以外にも遮断したい対象ガスの捕捉成分を添加することができる。
その他、ガスバリア補助機能を損なわない範囲で、各種の添加剤を配合してもよい。添加剤としては、例えば、シリカ、アルミナ、アルミニウムフレーク、ガラスフレークなどの無機充填剤、無機材料を用いる場合には分散剤、安定剤(酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤等)、可塑剤、帯電防止剤、滑剤、ブロッキング防止剤、着色剤、レベリング剤、スリップ向上剤等が例示できる。
本発明のガスバリアコーティング剤は、前記ポリオール(A)と、前記イソシアネート化合物(B)と、前記化合物(C)を含有することを必須とする。一般に、ポリオール化合物とイソシアネート化合物とは非常に反応性が高いため、これらを原料とするコーティング剤において、通常は、前記ポリオール(A)と前記イソシアネート化合物(B)とをコーティングの直前に混合して使用する「2液硬化型」として使用する。本発明のガスバリアコーティング剤も、通常は2液硬化型コーティング剤として使用する。ここでいう2液とは、前記ポリオール(A)を主成分として含有するポリオール組成物(A)と、前記イソシアネート化合物(B)を主成分として含有するイソシアネート組成物(B)との2液を指す。
本発明のバリアコーティング剤は、適宜溶媒を使用してもよい。使用する溶媒は、速乾燥性や水蒸気バリア機能も補填する観点から、非水系であることが好ましく、有機溶媒が主成分であることがこのましい。具体的には、主成分であるポリエステルに対し溶解性が高く、且つ残留溶媒や即乾燥性であることがこのましい。この観点から沸点が100℃以下である有機溶剤が好ましい。好ましく用いられる有機溶媒としては、エステル系溶媒としては酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、ケトン系溶媒としては、アセトン、2-ブタノン、エーテル系溶媒としてはテトラヒドロフラン、脂肪族系溶媒としては、ヘキサン、シクロヘキサン、芳香族系溶媒としてはトルエン等を例示することができる。アルコール系溶媒や水を混合する場合は、イソシアネート化合物を硬化剤として併用することから最小限にとどめることがこのましい。
本発明の積層体は、基材に本発明のコーティング剤を塗布し、乾燥させて得られる。なお、以下では本発明のコーティング剤の乾燥塗膜を単にガスバリアコート層ともいう。
本発明のコーティング剤の塗布方法としては特に限定されず、スプレー法、スピンコート法、ディップ法、ロールコート法、ブレードコート法、ドクターロール法、ドクターブレード法、カーテンコート法、スリットコート法、スクリーン印刷法、インクジェット法、ディスペンス法、ダイコート(ダイコーティング)法、ダイレクトグラビア法、リバースグラビア法、フレキソ法、ナイフコート法、ドットコーコート法等を用いることができる。
ガスバリアコート層の膜厚は、基材の種類や目的とするガスバリア性の程度によって適宜調整され得るが、一例として0.2μm以上2.5μm以下である。膜厚が薄すぎるとガスバリア性の向上がそれほど期待できず、厚すぎると密着性が低下する恐れがある。
本発明のコーティング剤を適用可能な基材としては特に限定されず、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム、ポリスチレンフィルム、ポリアミドフィルム、ポリアクリロニトリルフィルム、ポリエチレンフィルム(OPE:二軸延伸ポリエチレンフィルム、LLDPE:低密度ポリエチレンフィルム、HDPE:高密度ポリエチレンフィルム)やポリプロピレンフィルム(CPP:無延伸ポリプロピレンフィルム、OPP:二軸延伸ポリプロピレンフィルム)等のポリオレフィンフィルム、ポリビニルアルコールフィルム、エチレン-ビニルアルコール共重合体フィルム、セロファン等が挙げられる。
ポリエチレン系樹脂は、原料の一部に前記バイオマス由来のエチレングリコールを使用する以外は特に限定されず、エチレンの単独重合体、エチレンを主成分とするエチレンとα-オレフィンとの共重合体(エチレン単位を90質量%以上含有するエチレン-α-オレフィン共重合体)などが挙げられ、これらを1種単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
なお、エチレンとα-オレフィンとの共重合体を構成するα-オレフィンは特に限定されず、1-ブテン、4-メチル-1-ペンテン、1-ヘキセン及び1-オクテンなどの炭素原子数4乃至8のα-オレフィンが挙げられる。低密度ポリエチレン樹脂、中密度ポリエチレン樹脂及び直鎖状低密度ポリエチレン樹脂などの公知のポリエチレン樹脂を用いることができる。
その中でも、フィルム同士が擦れても、穴開きや破けなどの損傷を一段と生じにくくする観点から、直鎖状低密度ポリエチレン樹脂(LLDPE)(エチレンと1-ヘキセンとの共重合体、又はエチレンと1-オクテンとの共重合体)が好ましく、密度が0.910乃至0.925g/cm3である直鎖状低密度ポリエチレン樹脂がより好ましい。
印刷層は、文字、図形、記号、その他所望の絵柄等が、リキッドインキ等を用いて印刷された層である。積層体が設けられる位置は任意である。本明細書においてリキッドインキはグラビア印刷またはフレキソ印刷に用いられる溶剤型のインキの総称である。樹脂、着色剤、溶剤を必須の成分として含むものであってもよいし、樹脂と溶剤を含み、着色剤を実質的に含まない、いわゆるクリアインキであってもよい。
ガスバリアコート層を有する積層体は、さらに他の基材と接着剤を用いて貼り合わせることもできる。あるいはガスバリアコート層を有する積層体上に、他の基材を押出法により積層することもできる。他の基材としては、上述したものと同様のものを用いることができる。接着剤としては、例えば、通常フィルムの接着に用いられる2液硬化型ウレタン系の溶剤型、または無溶剤型接着剤を用いることができる。接着剤は、硬化塗膜の芳香環濃度が0.5mmоl/g以上7.0mmоl/g以下となるものを用いることが好ましく、ガスバリア性に優れた積層体となることから3.5mmоl/g以上7.0mmоl/g以下となるものを用いることがより好ましい。
本発明の積層体の具体的態様の一例をここに挙げる。勿論本発明の積層体はこの態様の限りではない。
例えば、包装材となる際に最外層となる層を第一の基材とし、シーラント層となる層を第二の基材として称した場合、具体的には例えば、以下のような積層構造が挙げられる。
第一の基材/ガスバリアコート層
第一の基材/ガスバリアコート層/接着層/第二の基材
第一の基材/接着層/ガスバリアコート層/第二の基材
第一の基材/接着層/ガスバリアコート層/蒸着層/第二の基材
第一の基材/ガスバリアコート層/印刷層/接着層/第二の基材
第一の基材/印刷層/ガスバリアコート層/接着層/第二の基材
第一の基材/印刷層/ガスバリアコート層/接着層/第二の基材
印刷層/第一の基材/ガスバリアコート層/接着層/第二の基材
また、第一の基材上に、耐熱性、離型性、帯電防止性等の機能を付与するコーティング層
があってもよい。
本発明の積層体は、食品や医薬品などの保護を目的とする多層包装材料として使用することができる。多層包装材料として使用する場合には、内容物や使用環境、使用形態に応じてその層構成は変化し得る。また、本発明の包装体に易開封処理や再封性手段を適宜設けてあってもよい。
(合成例1)ポリエステルポリオール(A)の合成
攪拌機、窒素ガス導入管、スナイダー管、コンデンサーを備えたポリエステル反応容器に、エチレングリコール1.26部、グリセロール(グリセリン)26.76部、無水フタル酸40.99部精留管上部温度が100℃を超えないように徐々に加熱して内温を190℃に保持した。酸価が40mgKOH/gになったところで無水フタル酸7.33部を追添し、酸価が70mgKOH/gになったところでエステル化反応を終了した。水酸基価は165mgKOH/g、数平均分子量900のポリエステルポリオール(A)を得た。
(合成例2)ポリイソシアネート(B―1)の合成
攪拌機、窒素ガス導入管、スナイダー管、コンデンサーを備えたポリエステル反応容器に、エチレングリコール5.53部、無水フタル酸79.48部、チタンテトライソプロポキシド0.007部を仕込み、精留管上部温度が100℃を超えないように徐々に加熱して内温を220℃に保持した。酸価が1mgKOH/gになったところでエステル化反応を終了し、りん酸を0.01部加え、数平均分子量400のポリエステルポリオール中間体を得た。水酸基価は280mgKOH/gであった。攪拌機、窒素ガス導入管、スナイダー管、冷却コンデンサー、滴下漏斗を備えた反応容器にキシリレンジイソシアネート136.00部を入れて70℃に加熱しながら撹拌し、ポリエステルポリオール中間体116.00部を、滴下漏斗を用いて2時間かけて滴下し、更に4時間撹拌し、ポリイソシアネート化合物(B-1)を得た。JIS-K1603に従い測定したNCO%は14.1%であった。
表1に示す配合で実施例、比較例のコーティング剤を調整した。なお表中においてXDI-TMPアダクト体は、キシリレンジイソシアネートのトリメチロールプロパンアダクト体、マイカは、HENG HAO製 HM6025(平均粒径 8μm、アスペクト比 100)である。
コーティング剤調整液を、バーコーターを用いて、塗布量2.5g/m2(固形分)
となるように膜厚40μmの2軸延伸ポリエチレンフィルム(密度:0.91g/m2、融点:125℃)に塗工し、温度70℃に設定したドライヤーで希釈溶剤を揮発させ乾燥し、次いで、この複合フィルムを40℃/3日間かけて硬化させ、本発明のバリア性フィルムを得た。
上記で作成したバリアフィルムのコーティング剤塗工面に対し、DIC(株)製グラビアインキ フィナート G3 R794白を、グラビア塗工機にてグラビア版ヘリオ175線/inchの版を用いて塗工し、温度70℃に設定したドライヤーで希釈溶剤を揮発させ乾燥し、印刷層を有するバリアフィルムを得た。その印刷層の塗布量は、2.2g/m2であった。
上記で作成したバリアフィルムのコーティング剤塗工面もしくは、上記で作成した印刷層を有するバリアフィルムの印刷層に対し、DIC(株)製接着剤である 主剤ディックドライ LE-2500ELと硬化剤KVM-90を60部と10部の比で混合した接着剤調整液を、グラビア塗工機にてレーザーグラビア製版35μmの版を用いて塗工し、温度70℃に設定したドライヤーで希釈溶剤を揮発させ乾燥し、次いで、この複合フィルムとシーラントフィルムである未延伸PEフィルム(三井化学東セロ株式会社製のT.U.X HC (厚み:60μm))を温度40℃、圧力0.4MPa、ラミネート速度40m/minにてドライラミネートして、シーラント層を有するバリアフィルムを得た。接着層の塗布量は1.9g/m2であった。
(酸素バリア性)
実施例、比較例の積層体を、10cm×10cmのサイズに調整し、OX-TRAN2/21(モコン社製:酸素透過率測定装置)を用い、JIS-K7126(等圧法)に準じ、23℃0%RH、23℃90%RHの雰囲気下で酸素透過率を測定した(単位はcc/m2/day/atm)。なおRHとは、湿度を表す。
酸素透過率判定基準は次の通りとした。
◎:0%、90%共に50以下、
〇:0%、90%いずれか50以下であり一方も100以下、
△:0%、90%共に50-100、
×:0%、90%の共に、若しくはいずれかが100以上
上記方法で得た酸素透過率の値を用い、(23℃0%RHの酸素透過率値)/(23℃90%RHの酸と透過率値)を算出した。
湿度依存性判定基準は次の通りとした。
◎:1-1.2未満、
〇:1.2以上-1.4未満、
△1.4以上-1.6未満、
×:1.6以上
温度依存性 ◎、〇は酸素透過率の判定と同一を総合判定とする。
温度依存性 △は、酸素透過率の判定を1ランク下げた判定を総合判定とする。
温度依存性 ×は、酸素透過率の判定を2ランク下げた判定を総合判定とする。
XDI-TMPアダクト キシリレンジイソシアネートのトリメチロールプロパンアダクト体
THEIC イソシアヌル酸トリス(2-ヒドロキシエチル)
TMP トリメチロールプロパン
MEK メチルエチルケトン
Claims (12)
- オルト配向性多価カルボン酸又はメタ配向性多価カルボン酸を必須として含有する酸成分とポリオール成分との反応物であるポリオール(A)と、
イソシアネート化合物(B)と、
分子量が100以上250以下の範囲内であるか、又は溶解度パラメータが29.5以下である水酸基を有する化合物(C)
を含有することを特徴とするガスバリアコーティング剤。 - 前記化合物(C)の配合量が、前記コーティング剤の固形分に対し0.5質量%以上20質量%以下である請求項1に記載のガスバリアコーティング剤。
- 前記ポリオール(A)のポリオール成分中にグリセロール10質量~100質量%含む請求項1に記載のガスバリアコーティング剤。
- イソシアネート化合物(B)が、芳香族環又は脂肪族環を有する請求項1に記載のガスバリアコーティング剤。
- 板状無機化合物(E)をさらに含む請求項1に記載のガスバリアコーティング剤。
- 基材と、前記基材上に配置されたバリアコート層とを含み、前記ガスバリアコート層が請求項1~5のいずれかに記載のガスバリアコーティング剤の硬化塗膜である積層体。
- 基材と、ヒートシールフィルムと、前記基材の前記ヒートシールフィルム側の面に配置されたガスバリアコート層と、前記ガスバリアコート層と前記ヒートシールフィルムとの間に配置された接着層とを含み、前記ガスバリアコート層が請求項1~5のいずれかに記載のガスバリアコーティング剤の硬化塗膜である積層体。
- 前記ガスバリアコート層と前記接着層との間に印刷層を含む、請求項7に記載の積層体。
- 前記基材がポリオレフィンフィルムである請求項6に記載の積層体。
- 前記基材がポリオレフィンフィルムである請求項7に記載の積層体。
- 請求項6に記載の積層体を含む包装材。
- 請求項7に記載の積層体を含む包装材。
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