JP7739655B2 - ディップ成形用組成物、及びその成形体 - Google Patents
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Description
イソプレンゴムの原料であるイソプレンモノマーは、プロピレンの二量化法、イソアミレンの脱水素化法、C5留分の溶媒抽出法等により生産され、ブタジエンが石油製造時のC4留分の精留から大量に得られることに比べ、化学反応や複雑な製造プロセスが必要である。更にイソプレンモノマーの重合は、溶液重合により、イソプレンゴムを製造後に、溶媒分離をし、ディップ用イソプレンゴムラテックスとするため、水との乳化物とする。このようにイソプレンゴムによる成形体を得るまでには、様々な化学反応を含めた製造プロセスを経る。
一方、クロロプレンは、アセチレンの二量化により得られたモノビニルアセチレンに塩酸と付加反応させることにより、工業的に得る製造方法が主力であり、安価には製造できない。
また、XNBRでは、重合温度や連鎖移動剤、重合方法、重合転化率を調整することにより、得られるラテックスの成膜性、製造上の容易性や物性が左右される。
手袋を例にとってみると、近年は薄手の引張強度改善のため、低温重合により製造されたXNBRが主に使用されており、引張強度や伸び率は満足できる成形体が得られている。低温重合により、XNBRは、直鎖状の高分子となり、XNBR単体の引張強度は向上する。しかも直鎖状のXNBRラテテックスは、pHをアルカリ側にすると容易にXNBRのカルボン酸がイオン化し、カルボキシレートイオンとなり、XNBR粒子表面に配向するため、金属イオンによる金属イオン架橋が生成しやすく、粒子間の強度が向上する。一方直鎖系のXNBRは、枝分かれをしたXNBRに比べゴム弾性が低下するため、基本物性としての応力保持率や柔軟性といったゴム弾性については、ますます天然ゴムに劣るものになってしまった。
そこで、本発明においては、XNBRなどのカルボキシル基含有ニトリルゴムエラストマーを用いて、手袋に必要とされる引張強度、疲労耐久性を維持しつつ、応力保持率および柔軟性を改善して、装着性、フィット感、裾部の締め付け、指先を使う細かな作業の容易性が改善された手袋を提供することを課題とする。
前記エラストマーは、共役ジエン単量体由来の構造単位を50重量%以上、78重量%以下、エチレン性不飽和ニトリル単量体由来の構造単位を20重量%以上、30重量%以下、及びエチレン性不飽和カルボン酸単量体由来の構造単位を3.5重量%以上、6重量%以下で含み、
前記エラストマーのMEK不溶解分量が60重量%以上、80重量%以下であり、かつ、
前記エポキシ架橋剤の下記測定方法によるMIBK/水分配率が50%以上である、ディップ成形用組成物。
MIBK/水分配率測定方法:試験管に水5.0g、メチルイソブチルケトン(MIBK)5.0gおよびエポキシ架橋剤0.5gを精秤し、23℃±2℃で3分間攪拌、混合した後、1.0×103Gで10分間遠心分離し、水層とMIBK層に分離させる。次いで
、MIBK層を分取、計量し、次式によりMIBK/水分配率を算出する。
MIBK/水分配率(%)=(分配後MIBK層重量(g)-分配前MIBK重量(g))/架橋剤添加重量(g)×100
上記測定を3回行い、平均値をMIBK/水分配率とする。
[2]前記エラストマーのエチレン性不飽和カルボン酸単量体由来の構造単位が3.5重量%以上5.0重量%以下である、[1]に記載のディップ成形用組成物。
[3]前記エラストマー100重量部に対する前記エポキシ架橋剤の添加量が、0.3重量部以上、2.5重量部以下である、[1]又は[2]のいずれかに記載のディップ成形用組成物。
[4]前記pH調整剤によりpHが9.5以上、10.5以下に調整されている、[1]~[3]のいずれかに記載のディップ成形用組成物。
[5]さらに酸化亜鉛を架橋剤として含む、[1]~[4]のいずれかに記載のディップ成形用組成物。
[6]前記酸化亜鉛の添加量が、前記エラストマー100重量部に対して、0.2重量部以上、0.6重量部以下である、[5]に記載のディップ成形用組成物。
[7]MEK膨潤率が5倍以上10倍以下である、[1]~[6]のいずれかに記載のディップ成形用組成物。
[8][1]~[7]のいずれかに記載のディップ成形用組成物の硬化物である、成形体。
[9]下記測定法による応力保持率が50%以上である、[8]に記載の成形体。
応力保持率測定方法:ASTM D412に準じて試験片を作製して標線間距離25mmの標線をつけ、チャック間距離90mm、引張速度500mm/分の条件で引張り、試験片が2倍に伸長した時点で引張を停止して応力M0を測定する。さらに試験片を保持し6分間経過した時点で応力M6を測定し、応力保持率を下式により算出する。
応力保持率(%)=(M6/M0)×100
[10]手袋である、[8]又は[9]に記載の成形体。
[11](1)手袋成形型に凝固剤を付着させる凝固剤付着工程、
(2)[1]~[7]のいずれかに記載のディップ成形用組成物を調製し、攪拌するマチュレーション工程、
(3)手袋成形型をディップ成形用組成物に浸漬するディッピング工程、
(4)手袋成形型上に形成された膜をゲル化し、硬化フィルム前駆体を作るゲリング工程、
(5)手袋成形型上に形成された硬化フィルム前駆体から不純物を除去するリーチング工程、
(6)手袋の袖口部分に巻きを作るビーディング工程、
(7)架橋反応に必要な温度で加熱及び乾燥するキュアリング工程、
を含み、上記(3)~(7)の工程を上記の順序で行うディップ成形体の製造方法。
本発明は、手袋だけでなく、コンドーム、カテーテル、チューブ、風船、ニップル、サックなどの成形体にも適用することができる。
なお、本明細書において、「重量」と「質量」は同じ意味で用いられるので、以下、「重量」に統一して記載する。
なお、本明細書において、特に断らない限り、「%」は「重量%」であり、「部」は「重量部」である。
また、特に断らない限り、「重量部」は、原則としてエラストマー100重量部に対しての重量部数を示す。
また、本明細書において、「~」を用いてその前後に数値又は物性値を挟んで表現する場合、その前後の値を含むものとして用いることとする。
また、本発明者らは、カルボン酸の量をできるだけ少なくすることなどにより、応力保持率が高いにもかかわらず柔らかい成形体を得ることができること、また、柔らかさについては100%、300%、500%モジュラスによって本実施形態に係る成形体が従来技術と比較し柔らかい成形体であることを確認した。モジュラスとは100%、300%、500%伸長時における応力を表し、応力が低ければ低いほど柔らかい成形体である。
以下、本発明の各実施形態に係るディップ成形体を作るためのディップ成形用組成物、ならびに該組成物を用いた成形体の製造方法および、該組成物を用いて製造された成形体について説明する。この中で、カルボキシル基含有ニトリルゴムエラストマーおよびエポキシ架橋剤の特徴を説明する。
なお、本明細書において、「カルボキシル基含有ニトリルゴムエラストマー」は、共役ジエン、エチレン性不飽和ニトリル単量体およびエチレン性不飽和カルボン酸単量体等の単量体を重合して得られ得る重合体を指す(単に「エラストマー」ともいう)。また、乳化重合により得られるエラストマーを含む組成物を合成ラテックス組成物、または単にラテックス組成物といい、合成ラテックス組成物中に分散しているエラストマーの粒子をラテックス粒子または単に粒子ともいう。
本実施形態に係るディップ成形用組成物(単に「ディップ成形用組成物」とも称する。)は、以下、順次説明するカルボキシル基含有ニトリルゴムエラストマーとエポキシ架橋剤とを必須成分とするものであり、通常水との混合液であり、pH調整剤によりpHを調整されている。さらに、それに加えて酸化亜鉛を含むことができ、通常は、さらに必要な成分を含んでいる。
<カルボキシル基含有ニトリルゴムエラストマーの架橋構造>
カルボキシル基含有ニトリルゴムエラストマーは、乳化重合時に、あらかじめ架橋構造を導入することにより、MEK不溶解分量が60重量%以上、80重量%以下とすることを特徴とする。ラテックス組成物に含まれるエラストマーの重合工程で導入される架橋構造は、ディップ成形体の架橋密度を高め、応力保持率の発現に寄与する。このラテックス組成物を用いることにより、合成ラテックス組成物を含むディップ成形用組成物から成形されるディップ成形体でありながら、天然ゴム成形体の様に柔軟で応力保持率が高いディップ成形体を提供することができる。
予めラテックス組成物に含まれるエラストマーに架橋構造を導入することにより、浸漬加工時に最低限の架橋構造を付与することで所望の性能を得る技術は、一般的に天然ゴムのラテックス組成物の前加硫技術として使用されているが、合成ラテックス組成物においては、天然ゴムのラテックス組成物と比べ成膜性が大きく劣ることから適正物性を得るには難しい技術であった。カルボキシル基含有ニトリルゴムエラストマーを含むラテックス組成物のような合成ラテックス組成物を用いて浸漬加工させ成形体を作製する場合、成膜工程と並行して架橋構造を導入する必要がある。これまで、部分的に架橋された合成ラテックス組成物を用いて、浸漬加工物を作製する例も散見されるが、成膜工程以前に60重量%以上の架橋構造を有している合成ラテックス組成物を用いて浸漬加工を行う場合、ディップ成形体の物理強度が劣り、その耐久性が大きく低下する問題があった。
本発明においては、合成ラテックス組成物中のエラストマーの重合工程において与えられる架橋構造の程度は、最終的に導入される全架橋構造の60重量%以上、80重量%以下の架橋度合いであることが好ましい。合成ラテックス組成物中のエラストマーの重合工程で導入される架橋構造は、一般的なラテックスやゴムの成形時に導入される架橋構造とは化学的な結合方式が異なり、重合反応がラジカル重合で進む場合には、ラジカルのポリマー側鎖への付加、連鎖移動等により制御生成させることが可能である。合成ラテックス組成物の重合工程で生成する架橋構造は、炭素-炭素結合、エステル結合、水素結合、配位構造等が生成されるが、炭素-炭素結合がより強靭で、最終成形体に柔らかさと応力保持率のよいバランスをもたらす。
カルボキシル基含有ニトリルゴムエラストマーを用いたディップ成形体の応力保持率を向上させるためには、ディップ成形体が有する架橋構造を増やすことが効果的である。なぜなら、架橋構造を増やしたディップ成形体の分子鎖は分子鎖同士の絡み合いが強固になっており、引張時に分子鎖同士の絡み合いがほどけにくくなり、元の分子構造に戻ることで、いわゆるゴム弾性を高め、応力保持率が上がるからである。
カルボキシル基含有ニトリルゴムエラストマーの組成は、共役ジエン単量体由来の構造単位、エチレン性不飽和カルボン酸単量体由来の構造単位、エチレン性不飽和ニトリル単量体由来の構造単位を必須の構造単位として含み、共重合可能なその他の単量体由来の構造単位も任意に有し得る。
エラストマーの組成の特徴は、ディップ成形体の柔軟性改善のため、カルボキシル基含有ニトリルゴムエラストマー中のエチレン性不飽和カルボン酸単量体由来の構造単位の含有割合を通常より少なくしていることにある。また、カルボキシル基が凝固剤由来のカルシウムイオンと多く結合すると、物理的な外力によって分子鎖が破断しやすくなったり、カルシウムが異なるカルボキシル基と再結合することにより構造のズレが起こりやすくなる。そのため、ゴム分子鎖同士の絡み合い構造が変化し、元に戻らなくなるので、ディップ成形体の応力保持率も低下する。
以下、各単量体につき説明する。
本実施形態に用いられる共役ジエン単量体は、ラジカル重合反応性のあるものであれば特に限定されるものではない。共役ジエン単量体の具体例としては、1,3-ブタジエン、イソプレン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、2-エチル-1,3-ブタジエン、1,3-ペンタジエン及びクロロプレン等を挙げることができる。これらの共役ジエン単量体は、単独でも、または2種以上を組み合わせて用いることができる。共役ジエン単量体由来の構造単位は、主に成形体に柔軟性を持たせる要素である。通常、全単量体に対して共役ジエン単量体は50重量%以上、78重量%以下であり、好ましくは60重量%以上、75重量%以下である。
本実施形態に用いられるエチレン性不飽和ニトリル単量体は、1分子中に重合可能な不飽和結合とニトリル基とを併有するものであればよく、例えば、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、フマロニトリル、α-クロロアクリロニトリル、α-シアノエチルアクリロニトリル等を挙げることができる。なかでも、アクリロニトリル、メタクリロニトリルが好ましく、アクリロニトリルがより好ましい。エチレン性不飽和ニトリル単量体由来の構造単位は、主に成形体に強度を与える成分であり、少な過ぎると強度が不十分となり、多過ぎると耐薬品性は上がるが硬くなり過ぎる。エチレン性不飽和ニトリル単量体の含有量は全単量体中20重量%以上、30重量%以下であり、好ましくは21重量%以上、28重量%以下である。エチレン性不飽和ニトリル単量体の量は多くしてもモジュラスを比較的上げづらく、応力保持率にはほぼ影響を与えないので、耐薬品性、フィルム厚み等の用途に応じて、適宜上記範囲内で設定することができる。
エチレン性不飽和カルボン酸単量体由来の構造単位は、架橋剤との架橋点となるものである。エチレン性不飽和カルボン酸単量体の種類は、特段制限されず、モノカルボン酸でもよいし、ポリカルボン酸でもよい。具体的には、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、フマル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸等が挙げられ、アクリル酸、メタクリル酸が好ましい。これらのエチレン性不飽和カルボン酸単量体は、1種を単独で用いることができ、また、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で用いることができる。エラストマー中のエチレン性不飽和カルボン酸単量体由来の構造単位の含有割合は、3.5重量%以上、6重量%以下、好ましくは3.5重量%以上、5.0重量%以下、さらに好ましくは3.5重量%以上、4.5重量%以下であることが好ましい。エチレン性不飽和カルボン酸単量体の量は多くするとモジュラスを大きく高めるため、上記範囲のようにできるだけ少なくすることが好ましい。
本実施形態では、必要に応じて、共役ジエン単量体、エチレン性不飽和ニトリル単量体、エチレン性不飽和カルボン酸単量体と共重合可能なその他の単量体を用いることができる。共重合可能なその他の単量体は、分子中に重合可能な不飽和結合を有するものであればよく、アクリルアミドプロパンスルホン酸、スチレンスルホン酸等のエチレン性不飽和スルホン酸単量体;(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸-2-エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸トリフルオロエチル、(メタ)アクリル酸テトラフルオロプロピル、イタコン酸モノエチル、フマル酸モノブチル、マレイン酸モノブチル、マレイン酸ジブチル、フマル酸ジブチル、マレイン酸エチル、マレイン酸モノ2-ヒドロキシプロピル、(メタ)アクリル酸メトキシメチル、(メタ)アクリル酸エトキシエチル、(メタ)アクリル酸メトキシエトキシエチル、(メタ)アクリル酸シアノメチル、(メタ)アクリル酸2-シアノエチル、(メタ)アクリル酸1-シアノプロピル、(メタ)アクリル酸2-エチル-6-シアノヘキシル、(メタ)アクリル酸3-シアノプロピル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシプロピル、グリシジル(メタ)アクリレート、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、2-スルホエチルアクリレート、2-スルホプロピルメタクリレート等のエチレン性不飽和カルボン酸エステル単量体;スチレン、アルキルスチレン、ビニルナフタレン等のビニル芳香族単量体;フルオロエチルビニルエーテル等のフルオロアルキルビニルエーテル;ビニルピリジン;ビニルノルボーネン、ジシクロペンタジエン、1,4-ヘキサジエン等の非共役ジエン単量体;などを挙げることができる。通常、全単量体に対してその他の共重合可能な単量体は0重量%以上、5重量%以下、好ましくは0重量%以上、3重量%以下である。ここで、「0重量%」は上記の単量体を含まない(検出限界以下)という意味であり、本実施形態はそのような形態であってもよい。
以下、合成ラテックス組成物の製造方法について、主にカルボキシル基含有アクリロニトリルブタジエンゴム(XNBR)の合成ラテックス組成物を例として述べるが、本実施形態のカルボキシル基含有ニトリルゴムエラストマーの態様は、このエラストマーに限られない。
本実施形態に係る合成ラテックス組成物の製造方法は、通常の重合方法で行うことができ、重合反応器の形式は、回分式、半回分式又は連続式のいずれの形式の重合反応器でもよい。単量体の添加方法は、例えば重合反応器に単量体を一括で添加する方法、重合反応の進行に従って連続的または断続的に添加する方法、単量体の一部を添加して特定の転化率まで反応させ、その後、残余の単量体を連続的または継続的に添加する方法が挙げられ、いずれの添加方法を採用してもよい。また、添加する単量体は使用する各種単量体を予め混合して使用しても単量体別に使用してもよい。各種単量体を混合する場合は、混合する割合を一定にしても変化させてもよい。
MEK不溶解分量が60重量%以上で、かつ柔らかい基本特性を持つエラストマーを含む合成ラテックス組成物を作製するための方法の特徴を以下に述べる。
下記の製造方法により得られる本実施形態に係る合成ラテックス組成物を用いて製造される成形体は、従来の低温で重合された直鎖系のXNBRを用いて製造される成形体に対し、基本物性としての高い応力保持率や柔軟性といったゴム弾性を持たせることができる。
重合反応を行う際の重合温度は20℃以上、60℃以下、好ましくは25℃以上、50℃以下と比較的高温にすることで合成ラテックス組成物中のエラストマーの分子量を小さくし、分枝鎖を多くし、MEK不溶解分量を高めるようにする。
重合開始剤の量は、比較的多くすることで、合成ラテックス組成物中のエラストマーの分子量を小さくし、分枝鎖を多くし、MEK不溶解分量を高めるようにする。
連鎖移動剤の量としては0.2重量%以上、0.8重量%以下とできるだけ少量とし、分枝鎖を多くし、MEK不溶解分量を大きくする。
なお、本実施形態において、MEK不溶解分量は、MEK不溶解分量が60重量%以上、80重量%以下とすることを特徴とするが、65重量%以上、75重量%以下が好ましく、68重量%以上、72重量%以下がより好ましい。
また、MEK不溶解分量が80重量%を超えると成膜性が悪化し、均一なフィルムとなりにくく、ディップ成形することが困難になる。
MEK不溶解分量が0重量%以上、10重量%以下では、MEK膨潤率が100倍以上、MEK不溶解分量が30重量%で同膨潤率が30倍以上、70倍以下、MEK不溶解分量が60重量%以上では5倍以上、25倍以下となる、特に柔らかい風合いとなる同膨潤率は5倍以上、10倍以下の範囲に入るように設定する。MEK膨潤率及びMEK不溶解分量は、後述する実施例に記載の方法で測定することができる。
合成ラテックス組成物は、その組成物に含まれるエラストマーが所定の重合転化率に達した時点で、重合系を冷却したり、重合停止剤を添加したりして重合反応を停止する。重合反応を停止する際の重合転化率は、通常80%以上であるが、好ましくは90%以上、より好ましくは93%以上である。
以下重合反応時に使用する添加剤について説明する。
乳化剤は、特に限定されないが、乳化重合に通常使用されるものが好ましく、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェノールエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエステル、ポリオキシエチレンソルビタンアルキルエステル等の非イオン系乳化剤;ミリスチミン酸、パルミチン酸、オレイン酸、リノレン酸等の脂肪酸及びその塩、イソプロピルホスフェート、ポリオキシエチレンアルキルエーテルホスフェート等のリン酸エステル、アルキルジフェニルエーテルジスルホン酸塩、ラウリルジフェニルオキシスルホン酸ニナトリウム塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物のナトリウム塩、ジアルキルスルホサクシネートナトリウム、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルアリルスルホン酸塩、高級アルコール硫酸エステル塩、アルキルスルホコハク酸等のアニオン系乳化剤、トリメチルアンモニウムクロライド、ジアルキルアンモニウムクロライド等のアンモニウムクロライドや、ベンジルアンモニウム塩等及び第4級アンモニウム塩等のカチオン系乳化剤、α,β-不飽和カルボン酸のスルホエステル、α,β-不飽和カルボン酸のサルフェートエステル、スルホアルキルアリールエーテル等の二重結合を含む共重合性乳化剤などを挙げることができる。乳化剤の使用量は特に制限されないが、単量体混合物100重量部に対して、0.1重量部以上、10重量部以下、好ましくは0.5重量部以上、6.0重量部以下である。乳化剤は単独で使用しても、2種類以上を併用して使用してもよい。また、合成ラテックス組成物の作製時に一括で使用しても分割で使用してもよい。
連鎖移動剤としては、t-ドデシルメルカプタン、n-ドデシルメルカプタン、メルカプトエタノール等のメルカプタン類、四塩化炭素、塩化メチレン、臭化メチレン等のハロゲン化炭化水素、α―メチルスチレンダイマーなどが挙げられる。t-ドデシルメルカプタン、n-ドデシルメルカプタンなどのメルカプタン類が好ましい。連鎖移動剤は、重合反応開始時に一括で使用しても、重合反応の進行に合わせて随時使用してもよい。また、重合反応開始時及び重合反応の進行中の双方で使用してもよい。本実施形態では、通常、連鎖移動剤の量をできるだけ少なくすることで、ゴム分子鎖の枝分かれが多く、MEK不溶解分量の多いエラストマーを含む合成ラテックス組成物が得られる。
水性溶媒としては、通常、水が用いられ、その量は、単量体混合物100重量部に対して通常70重量部以上、250重量部以下、好ましくは80重量部以上、170重量部以下である。水性溶媒が70重量部より少ない場合には、重合工程において安定性が低下する場合がある。また、250重量部を超える場合には、生成される合成ラテックス組成物の後工程処理に時間やエネルギーがより多く必要とされ、合成ラテックス組成物の製造工程が効率的でなくなる問題が発生する。
重合開始剤は特に限定されないが、たとえば、過硫酸カリウム、過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム、過リン酸塩、過酸化水素、t-ブチルハイドロパーオキサイド、1,1,3,3-テトラメチルブチルハイドロパーオキサイド、p-メンタンハイドロパーオキサイド、2,5-ジメチルヘキサン-2,5-ジハイドロパーオキサイド、ジイソプロピルベンゼンハイドロパーオキサイド、クメンハイドロパーオキサイド、ジーt-ブチルパーオキサイド、ジーα―クミルパーオキサイド、アセチルパーオキサイド、イソブチリルパーオキサイド、ベンゾイルパーオキサイド、アゾビスイソブチロニトリル、などを挙げることができる。これらの重合開始剤は、それぞれ単独でまたは2種類以上を組み合わせて使用することができる。重合開始剤の使用量は、前述の単量体混合物100重量部に対して、通常0.001重量部以上、10重量部以下であり、好ましくは0.01重量部以上、5重量部以下、より好ましくは0.01重量部以上、2重量部以下である。
重合停止剤としては、特に限定されないが、例えば、亜硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム、亜硝酸アンモニウム等の亜硝酸塩、アスコルビン酸、クエン酸、ヒドロキシルアミン、ヒドロキシアミン硫酸塩、ジエチルヒドロキシルアミン、ヒドロキシアミンスルホン酸およびそのアルカリ金属塩、4-ベンゾイルオキシ-2,2,6,6-テトラメチルピペリジノオキシル等の2,2,6,6-テトラメチルピペリジノオキシル化合物、ジメチルジチオカルバミン酸ナトリウム、ジメチルジチオカルバミン酸塩、ハイドロキノン誘導体、カテコール誘導体、レゾルシノール誘導体、ヒドロキシジメチルベンゼンジチオカルボン酸、ヒドロキシジエチルベンゼンジチオカルボン酸、ヒドロキシジブチルベンゼンジチオカルボン酸などの芳香族ヒドロキシジチオカルボン酸及びこれらのアルカリ金属塩などが挙げられる。重合停止剤は無機塩基水溶液、例えば水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水などを添加した後に添加しても、同時に添加してもよい。重合停止剤の使用量は、単量体混合物100重量部に対して、通常0.01重量部以上、5重量部以下、好ましくは0.03重量部以上、2重量部以下である。
重合反応を停止した後、必要に応じて、未反応の単量体の除去、固形分濃度やpHの調整、界面活性剤、老化防止剤、防腐剤、抗菌剤などの添加を行い所望のラテックスを作製する。なお、本発明のラテックス作製方法では、必要に応じて、脱酸素剤、分散剤、界面活性剤、キレート剤、分子量調節剤、粒子径調整剤、老化防止剤、防腐剤、等の重合副資材を添加することができる。重合副資材成分は、有機化合物であっても無機化合物であってもよい。
カルボキシル基含有ニトリルゴムエラストマーの架橋構造の度合いの評価方法は種々の方法があるが、容易かつ再現性がある評価方法として、ポリマーの親溶媒に対する不溶解分量を測定し架橋構造の度合いを推定する方法がある。ポリマーがXNBRの場合、メチルエチルケトン(MEK)に対する不溶解分量を測定することにより架橋構造の度合いを評価することができる。通常、乳化重合で生成される一次ポリマー鎖間での架橋構造や一次ポリマー鎖から成長する側鎖ポリマーの増大などにより、MEK不溶解分量が影響される。
なお、MEK不溶解分量の詳細な測定方法については、実施例で述べる。
本発明の課題は応力保持率が高く、かつ柔らかい成形体をつくることである。このため、上述のエラストマーは、MEK不溶解分量60重量%以上とし、かつ粒子内に架橋構造を導入し、カルボキシル基も多く粒子内に存在するようにしている。これに対し、架橋剤も粒子内に多く侵入しラテックス粒子内のカルボキシル基と架橋し粒子内架橋を充実することによって、架橋密度を高め、応力保持率を上げることに適する架橋剤を選定する必要があった。一方で、発明者らは、架橋剤としてエポキシ架橋剤を用いた場合、その一部がラテックス粒子内に多く入り、粒子内のカルボキシル基と粒子内架橋できることに着目した。ディップ成形用組成物は水とラテックス粒子からなっており、各々親水性領域と親油性領域(疎水性領域)とからなっている。
このラテックス粒子内はメチルイソブチルケトン(MIBK)と近似していることから、本発明者らはエポキシ架橋剤のMIBK/水分配率を測定してみた。これは、水とMIBKの混合液の中でエポキシ架橋剤がどちらに溶けていくかの比率を見たもので、MIBKに溶ける率が高いほどそのエポキシ架橋剤がラテックス粒子内に多く入り粒子内架橋に寄与すると考えたからである。
本実施形態においては、エポキシ架橋剤を多く粒子内に侵入させることも考えあわせ、MIBK/水分配率50%以上のものを使用することとした。また、エポキシ架橋剤による共有結合の架橋構造は、亜鉛によるイオン結合と異なり結合が断裂しにくいため、上述のラテックス本来の柔らかさを損なわないという利点がある。
以下、順を追って説明する。
<1分子中に3個以上のグリシジルエーテル基を有し、脂環族、脂肪族又は芳香族の炭化水素を有する母骨格を有するエポキシ化合物>
エポキシ化合物は、通常3個以上のグリシジルエーテル基を持ち、脂環族、脂肪族又は芳香族の炭化水素を有する母骨格を持つもの(以下「3価以上のエポキシ化合物」ともいう)である。3個以上のグリシジルエーテル基を有するエポキシ化合物は、通常、エピクロロヒドリンと1分子中に3個以上の水酸基を持つアルコールとを反応させて製造することができる。
3価以上のエポキシ化合物の中でも、ポリグリシジルエーテルを用いることが好ましい。
具体的には、グリセロールトリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、ソルビトールトリグリシジルエーテル、ソルビトールテトラグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールトリグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールテトラグリシジルエーテル、から選択されるいずれか一つを少なくとも含むエポキシ架橋剤を用いることが好ましく、中でもトリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、トリエチロールプロパントリグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールトリグリシジルエーテル及びペンタエリスリトールテトラグリシジルエーテルの中から選択される、少なくとも一つを含むエポキシ架橋剤を用いることがさらに好ましい。
エポキシ架橋剤の中でも、グリシジルエーテル基を有するエポキシ化合物を含むものについては、一般にアルコールの水酸基とエピハロヒドリンを以下のように反応させて製造することができる。なお、以下の(I)では、説明を簡略化するために、アルコールとして1価のものを使用している。
エポキシ架橋剤に含まれるエポキシ化合物は、原料のアルコールの水酸基の数によって、2価から概ね7価までのものがある。ただし、反応の過程での副反応により、例えば3価のエポキシ化合物を目的物として合成した場合でも、数種類の化合物が生成し、通常、その中に2価のエポキシ化合物も含まれる。
そのため、例えば、3価のエポキシ架橋剤は、2価及び3価のエポキシ化合物の混合物となることが一般的である。通常、3価のエポキシ架橋剤といわれているものも、主成分である3価エポキシ化合物の含有率は50%程度といわれている。
また、エポキシ架橋剤には水に溶けにくいものがあり、これは、エポキシ化合物の構造中に含まれる塩素等の影響が大きい。
なお、エピハロヒドリンには、エピクロロヒドリン、エピブロモヒドリン、及びエピアイオダイトヒドリンから選ばれる一種以上を使用してもよい。これらの中でもエピクロロヒドリンを用いることが好ましい。また、3価以上のエポキシ架橋剤と、2価のエポキシ架橋剤を混ぜて使用することができる。あるいは、3価以上のエポキシ架橋剤を製造する際に、3個以上の水酸基を有するアルコールと、2個の水酸基を有するアルコールを混合して反応させることもできる。
エポキシ化合物とXNBRのカルボキシル基との架橋反応は以下の式(II)のように生じる。なお、以下(II)で示すエポキシ化合物は説明を簡略化する観点から1価のものを用いている。
エポキシ化合物が架橋を形成する対象は、XNBR中のカルボキシル基であり、エポキシ化合物で架橋を形成するには、最適の条件として、キュアリング工程において120℃以上で加熱し、エポキシ基の開環反応を起こさせることが挙げられる。
エポキシ架橋剤は、MIBK/水分配率が50%以上であることが必要である。さらに好ましくはMIBK/水分配率が70%以上である。MIBK/水分配率は三価以上のエポキシ架橋剤のポットライフと関係性があり、MIBK/水分配率が50%以上であるとポットライフが5日、MIBK/水分配率が70%以上であると7日以上となるため、50%以上がよいと判断し、採用した。なお、MIBK/水分配率の上限は特段の設定は要せず、100%以下であってよい。
ディップ成形用組成物は、ラテックス粒子の疎水性領域と溶媒の親水性領域に分かれているが、エポキシ架橋剤の中でも水に溶けにくく、エラストマーの疎水性領域であるラテックス粒子の内部に入り込みやすいエポキシ架橋剤を使用することがよいからである。
さらに、エポキシ架橋剤の多くは、ディップ成形用組成物中においてラテックス粒子内に存在することで、ラテックス粒子内にあるカルボキシル基と反応してエラストマーを架橋することにより、成形体の架橋密度を高め、応力保持率を上げることができると考えられる。
まず、試験管に水約5.0g、MIBK約5.0g、エポキシ架橋剤約0.5gを精秤して加える。MIBKの重量をM(g)、エポキシ架橋剤の重量をE(g)とする。
この混合物を23℃±2℃の温度下で3分間良く攪拌混合した後、1.0×103Gの条件で10分間遠心分離し、水層とMIBK層に分ける。次いで、MIBK層の重量を測定し、これをML(g)とする。
MIBK/水分配率(%)=(ML(g)-M(g))/E(g)×100
上記測定を3回行い、平均値をMIBK/水分配率とする。
<平均エポキシ基数>
上述のように3価以上のエポキシ架橋剤であっても、2価のエポキシ化合物も副反応として含まれることがあるので、各製品を評価するうえでは、平均エポキシ基数を把握して3価のエポキシ基を有する化合物の割合を把握しておくことが重要である。
平均エポキシ基数は、エポキシ架橋剤に含まれる各エポキシ化合物をゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により特定し、それぞれのエポキシ化合物の1分子中のエポキシ基の数に、該エポキシ化合物のモル数を乗じて得たエポキシ基数を、各エポキシ化合物について求め、それらの合計値をエポキシ架橋剤に含まれる全てのエポキシ化合物に含まれる全てのエポキシ化合物の合計モル数で割って得られる。
本実施形態に用いるエポキシ架橋剤の平均エポキシ基数は、2.0を超えるものが好ましく、成形体の良好な物性を得る観点から、平均エポキシ基数が2.3以上であることがより好ましく、2.5以上が更に好ましい。一方、上限としては、例えば7以下、さらには4以下を挙げることができる。
成形体の良好な応力保持率や疲労耐久性を得る観点から、エポキシ化合物のエポキシ当量は、100g/eq.以上であることが好ましく、また、230g/eq.以下であることが好ましく、200g/eq.以下であることがより好ましい。
エポキシ化合物のエポキシ当量は、エポキシ化合物の平均分子量を平均エポキシ基数で除した値であり、エポキシ基1個当たりの平均重量を示す。この値は過塩素酸法により計測することができる。
水中分散性の観点から、エポキシ架橋剤が含有するエポキシ化合物の分子量は150以上、1500以下であることが好ましく、175以上、1400以下であることがより好ましく、200以上、1300以下であることがより好ましい。
エポキシ架橋剤の添加量は、エラストマー100重量部に対して、通常0.2重量部以上であり、0.3重量部以上であることが好ましく、0.5重量部以上であることがより好ましく、また、通常2.5重量部以下であり、2.0重量部以下であることが好ましく、1.5重量部以下であることがより好ましい。エポキシ架橋剤の添加量は、少なすぎると応力保持率が下がるが、添加量を2.5重量部超える値、例えば3重量部にした場合、引張強度、伸び率が低下する。
エポキシ化合物は、ディップ成形用組成物中において均一な分散状態に保つ必要がある。一方、MIBK/水分配率が50%以上のエポキシ架橋剤においては、MIBK/水分配率が高いものほどラテックスに架橋剤を添加するのが難しく、また分散しにくいという問題がある。
親水性の高いエポキシ化合物であれば、水分散性に問題は生じないが、溶剤系塗料用として使用されていたエポキシ化合物については、分散剤を用いてエポキシ架橋剤を溶解した上で、エラストマーへ配合することを本発明者らは考えた。
特に、MIBK/水分配率が50%以上になると、水に溶かしたときに白濁が見られる傾向があるので、分散剤による分散が必要であると考えた。さらには、実際の量産時には分散剤による分散が必要である。
HO-(CH2CHR1’-O)n1-H (E1)
(上記式(E1)中、R1’は、水素またはメチル基を表し、n1は1~3の整数を表す。)
R2’O-(CH2CHR1’-O)n2-R3’ (E2)
(式(E2)中、R1’は、水素またはメチル基を表し、R2’は、炭素数1~5の脂肪族炭化水素基を表し、R3’は、水素または炭素数1~3の脂肪族炭化水素基を表し、n2は0~3の整数を表す。)
R2’O-(CH2CHR1’-O)n3-(C=O)-CH3 (E3)
(式(E3)中、R1’は、水素またはメチル基を表し、R2’は、炭素数1~5の脂肪族炭化水素基を表し、n3は0~3の整数を表す。)
式(E1)で表されるグリコールとしては、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコールなどを挙げることができる。
式(E2)で表されるエーテルの内、グリコールエーテルとしては、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノイソプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノイソブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテルなどが挙げられる。また、式(2)で表されるエーテルとして、n2=0のエーテルも用いることができる。
式(E3)で表されるエステルとしては、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテートなどを挙げることができる。
上記のエポキシ化合物の分散剤を用いる場合は、1種のみを用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、上記分散剤は、予め水と混合せずに使用することが好ましい。
ジエチレングリコールは、親水性の高いグリコール基とエーテル構造を有すると同時に疎水性のある炭化水素構造が含まれ、水にもエラストマーにも溶けやすいので好適であると推測される。
ディップ成形用組成物を調製する際に、MIBK/水分配率が高いエポキシ化合物を用いる場合には、あらかじめそのエポキシ化合物をエポキシ化合物の分散剤に溶解させた上で、ディップ成形用組成物の他の構成成分と混合することが好ましい。
本実施形態では、架橋剤として金属架橋剤をさらに含んでよく、フィルムの成膜性をよくするという観点から、上記エポキシ架橋剤に加えて、金属架橋剤を加えることができ、例えば、亜鉛化合物を少量入れることは有効である。亜鉛化合物は、イオン架橋で粒子間架橋として、成形体の引張強度を保持し、人工汗液中における膨潤や引張強度が低下することを防ぎ、有機溶媒非透過性が改善することが期待できるが、本発明の課題である応力保持率の向上や柔らかさに対してはマイナス要因になる。しかし、上述の成形体の成膜性を良くするためには上記マイナス要因に影響を与えない程度の量を添加することは有益である。
亜鉛化合物としては酸化亜鉛や水酸化亜鉛が挙げられ、主に酸化亜鉛が用いられる。本発明の実施形態で用いる酸化亜鉛は特に制限されず、通常一般的なものを使用することができる。
本実施形態にかかるディップ成形用組成物において、酸化亜鉛を含有させる場合、酸化亜鉛の添加量は、ディップ成形用組成物中のエラストマー100重量部に対して、0.1重量部以上、1.0重量部以下であり、好ましくは0.2重量部以上、0.7重量部以下であり、より好ましくは0.2重量部以上、0.6重量部以下である。
従来のXNBRディップ成形用組成物のpH調整の考え方は、ラテックス粒子界面に粒子の内側に配向しているカルボキシル基を外側に配向させカルボキシレートイオン(COO-)にするためにラテックスのpH8.3程度をpH10以上、11以下程度までに上げていくのが通常であった。これによって金属架橋剤の亜鉛イオンやカルシウムイオンが粒子間で架橋する有機架橋剤とともに架橋させることができる。得られた成形体の引張強度や疲労耐久性を上げ、合成ゴムラテックスの欠点である粒子間を架橋していた。また、ラテックス粒子自体もMEK不溶解分量が0重量%以上、30重量%以下程度とできるだけ架橋構造が少なく、直鎖状のものが多く使われており、カルボキシル基も多く粒子界面に存在するように作られていた。その意味で、pHについては10.5等高い方がよいと考えられていたが、11以上になるとフィルムが硬くなるので、これが限界であると考えられていた。
pH調整剤としては、アンモニア化合物、アミン化合物やアルカリ金属の水酸化物を使用できる。これらの中でも、pH調整やゲリング条件などの製造条件が容易であるため、アルカリ金属の水酸化物を用いることが好ましく、その中でも水酸化カリウム(KOH)が最も使用しやすい。以下、実施例ではpH調整剤はKOHを主に使用して説明する。
pH調整剤の添加量は、ディップ成形用組成物中のエラストマー100重量部に対して0.1重量部以上、3.0重量部以下程度であるが、通常工業的には1.8重量部以上、2.0重量部以下程度を使用する。
ディップ成形用組成物は、上記の成分と水を含むものであり、それ以外にも、通常は、その他の任意成分を含んでいてよい。
本発明の別の実施形態は、上記ディップ成形用組成物の硬化物である成形体(ディップ成形体)であり、例えば、手術用や実験用、産業用、家事用の手袋、コンドーム、又はカテーテルのような医療用具等や、風船、ニップル、サックなどの製品として使用することができ、特に、手袋として好適に使用することができる。以下、成形体が手袋である場合の手袋の製造方法について説明する。
以下、ディップ成形用組成物を凝固成膜する方法として凝固浸漬法を採用した場合において、成形体として手袋を製造する方法について詳細に説明する。
(1)凝固剤付着工程(手袋成形型に凝固剤を付着させる工程)、
(2)マチュレーション工程(ディップ成形用組成物を調整し、攪拌する工程)、
(3)ディッピング工程(手袋成形型をディップ成形用組成物に浸漬する工程)、
(4)ゲリング工程(手袋成形型上に形成された膜をゲル化し、硬化フィルム前駆体を作る工程)、
(5)リーチング工程(手袋成形型上に形成された硬化フィルム前駆体から不純物を除去する工程)、
(6)ビーディング工程(手袋の袖口部分に巻きを作る工程)、
(7)キュアリング工程(架橋反応に必要な温度で加熱及び乾燥する工程)
を含み、上記(3)~(7)の工程を上記の順序で行う手袋の製造方法。
(6’)プリキュアリング工程(硬化フィルム前駆体をキュアリング工程よりも低温で加熱及び乾燥する工程)
(7’)ブロッキング防止処理工程
ブロッキング防止処理する方法は、特段制限されないが、例えば、次亜塩素酸ナトリウムと塩酸を混合した水溶液に浸漬したり、塩素ガスチェンバーで処理する塩素化処理法、ブロッキング防止性能を有するポリマーを成形体上に塗布するポリマーコート法、滑剤成分を含む水溶液に浸漬するスラリー法等があるが、どのような方法を実施してもよい。またディップ成形体を手袋成形型から脱型した後に実施してもよい。
(1)凝固剤付着工程
(a)手袋成形型を、凝固剤及びゲル化剤としてCa2+イオンを通常5重量%以上、40重量%以下、好ましくは8重量%以上、35重量%以下含む凝固剤溶液中に浸す。ここで、手袋成形型の表面に凝固剤等を付着させる時間は適宜定められ、通常、10秒間以上、20秒間以下である。エラストマーを析出させる効果を有する他の無機塩を用いてもよい。中でも、硝酸カルシウムを用いることが好ましい。この凝固剤は、通常、5重量%以上、40重量%以下を含む水溶液として使用される。
また、凝固剤溶液は離型剤としてステアリン酸カリウム、ステアリン酸カルシウム、鉱油、又はエステル系油等を0.5重量%以上、2重量%以下程度、例えば1重量%程度含むことが好ましい。
溶媒は、水、アルコール、酸類などから必要に応じて選ばれる。
界面活性剤は、凝固液を手袋成形型の表面に均一に付着させたり、脱型を容易にしたりすることを目的として用いられ、非イオン性界面活性剤、金属石鹸やその他の化合物が用いられる。
金属石鹸としては、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸アンモニウム、ステアリン酸亜鉛、必要に応じて、金属酸化物、炭酸カルシウム、タルク、無機フィラーなどを用いる場合がある。
(c)カルシウムは、手袋成形型の表面に膜を形成するための凝固剤機能としてばかりでなく、最終的に完成した手袋の相当部分の架橋機能に寄与している。後で添加されてもよい金属架橋剤は、このカルシウムの架橋機能の弱点を補強するためのものともいえる。
ディップ成形用組成物のpH調整剤の項目で説明したように、上述した一実施形態であるディップ成形用組成物を、通常pH9.5以上、10.5以下、好ましくはpH10.0以上、10.5以下に調整し、攪拌する工程である。この工程により、ディップ成形用組成物中の成分が分散し、均一化すると考えられる。
前記マチュレーション工程で、攪拌したディップ成形用組成物(ディップ液)をディップ槽に流し入れ、このディップ槽中に上記凝固剤付着工程で凝固剤を付着、乾燥した後の手袋成形型を通常、1秒以上、60秒間以下、25℃以上、35℃以下の温度条件下で浸漬する工程である。
この工程で凝固剤に含まれるカルシウムイオンにより、ディップ成形用組成物に含まれるエラストマーを手袋成形型の表面に凝集させて膜を形成させる。
ゲリング工程は、エラストマーの架橋を若干進ませて、後のリーチングの時に膜が変形しないように一定程度ゲル化し、同時に膜中にカルシウムを分散させ、後にカルシウム架橋を十分にさせる目的である。ゲリング条件としては通常30℃以上、140℃以下の温度範囲内、1分以上、4分以下で行うのが一般的である。
(a)リーチング工程は、硬化フィルム前駆体の表面に析出したカルシウム等の後のキュアリングに支障となる余剰な薬剤や不純物を水洗除去する工程である。通常は、手袋成形型を30℃以上、80℃以下の温水に1.5分以上、4分以下くぐらせる。
(b)リーチングは、キュアリング工程で架橋を円滑に進ませるためにラテックス粒子の膜である乳化剤を除去すること、金属架橋剤を錯イオンから水に不溶な水酸化物に替えてフィルム中に保持すること、余剰の凝固剤由来のカルシウムやpH調整剤由来のカリウムを除去する工程であり、重要な工程である。
リーチング工程が終了した硬化フィルム前駆体の手袋の袖口端部を巻き上げて適当な太さのリングを作り、補強する工程である。リーチング工程後の湿潤状態で行うと、ロール部分の接着性がよい。
(a)前記ビーディング工程の後、硬化フィルム前駆体を後のキュアリング工程よりも低温で加熱及び乾燥する工程である。通常、この工程では60℃以上、90℃以下で、30秒以上、5分以下程度、加熱及び乾燥を行う。プリキュアリング工程を経ずに高温のキュアリング工程を行うと、水分が急激に蒸発し、手袋に水膨れのような凸部ができて、品質を損なうことがあるが、本工程を経ずにキュアリング工程に移行してもよい。
(b)本工程を経ずに、キュアリング工程の最終温度まで温度を上げることもあるが、キュアリングを複数の乾燥炉で行いその一段目の乾燥炉の温度を若干低くした場合、この一段目の乾燥はプリキュアリング工程に該当する。
キュアリング工程は、高温で加熱及び乾燥し、最終的に架橋を完成させ、手袋としての硬化フィルムにする工程である。通常90℃以上、140℃以下で10分以上、30分以下、好ましくは15分以上、30分以下程度、加熱及び乾燥させる。
手袋の製造方法について、上記ではいわゆるシングルディッピングの説明を行った。これに対し、ディッピング工程とゲリング工程を2回以上行うことがあり、これを通常ダブルディッピングという。
ダブルディッピングは、厚手手袋(膜厚200μm超、300μm以下程度)を製造するときや、薄手手袋の製造方法においても、ピンホールの生成防止等の目的で行われる。
ダブルディッピングの注意点としては、2回目のディッピング工程において、XNBRを凝集させるために、1回目のゲリング工程において、カルシウムを十分膜表面にまで析出させておくためのゲリング工程の十分な時間を必要とすることが挙げられる。
上述したディップ成形用組成物を用い、上記の製造方法で作製された成形体(「ディップ成形体」ともいう)は、従来のXNBR成形体と比較しても優れた応力保持率を持ちながら、同時に柔らかい成形体となる。従来のXNBR成形体は重合時にラテックスの架橋構造を少なくし、カルボン酸を多用し粒子間を亜鉛等の金属架橋剤で補完していたためにゴム本来のゴム弾性がますます失われていたのに対し、本実施形態に係る成形体は本来のゴム弾性すなわち優れた応力保持率および、柔らかさを取り戻し、その他物性を維持している。また、本成形体はXNBR自体の架橋構造、ラテックス粒子内のカルボキシル基とエポキシ架橋剤による粒子内架橋によって応力保持率を上げ、ラテックス粒子内のカルボン酸残基を最小限にし、カルシウム、亜鉛との架橋もできるだけ少なくし、エポキシ架橋剤の一部により粒子間架橋も補完することにより、より柔らかい成形体を作ることができる。なお、XNBRラテックスにおいて多量に粒子内架橋ができる硫黄加硫することによっても応力保持率を上げることはできるが、IV型アレルギーを生じる問題が発生してしまう。さらに、ラテックス粒子内のカルボン酸残基と亜鉛架橋による粒子間架橋の補完により、応力保持率は下がり、固い成形体になってしまう。この意味で、現在考えうるなかで、硫黄架橋に代わるものとしてエポキシ架橋による成形体は最適なものと本発明者らは考えている。
以下、本成形体の各特性を手袋を例にとって説明する。
これらの物性は後述する試験方法により測定できる。
ディップ成形体の引張強度、モジュラス及び伸び率の測定は、ASTM D412記載の方法に従って行った。ディップ成形体をダンベル社製DieCを用いて打ち抜き、試験片を作製した。試験片はZwick Roell社製AllroundLine万能試験機Z-100を用い、試験速度500mm/分、チャック間距離75mm、標線間距離25mmで測定される。
手袋物性としては、引張強度は14MPa以上、伸び率としては500%以上を基準として考えている。
モジュラスについては、特に、手袋装着時の指の動きを妨げないような柔軟性を満たす観点から、100%伸びの時点でのモジュラス(100%モジュラス)、300%伸びの時点でのモジュラス(300%モジュラス)、500%伸びの時点でのモジュラス(500%モジュラス)に着目した。
現在市販されているXNBR手袋のモジュラスは、100%で3~4MPa程度、300%で9~12MPa程度、500%で20~35MPa程度であるが、これは天然ゴムがそれぞれ1~1.5MPa程度、3~5MPa程度、8~12MPa程度であるのに対して相当硬い。そこで、発明者らは100%モジュラスは2MPa以下、300%モジュラスは4MPa以下、500%モジュラスは15MPa以下が基準となり、これを達成することによって指先の細かな作業の容易性などについて十分な効果が得られると考えている。
成形体を形成するフィルムの引張試験において、FAB(EN規格)は、5.5N以上であることが好ましく、6.0N以上であることがより好ましく、特に上限値は限定されない。
FABは、例えば、試験機STA-1225(A&D社製)を使用し、試験速度500mm/分、チャック間距離75mmとし、EN455-2:2009規格の方法に従って測定することができる。
応力保持率は、以下のようにして測定する。
ディップ成形体(硬化フィルム)から、ASTM D412に準じてダンベル社製DieCを用いて試験片を作製し、標線間距離を25mmとして標線をつける。
試験片をチャック間距離90mmとして引張試験機に取り付け、引張速度500mm/分で引張り、標線間距離が2倍に伸張した時点で試験片の引張りを停止すると共に100%伸張時応力M0を測定した。試験片の引張りを停止した時点から試験片を保持したまま応力の変化を測定し、6分間経過した時点での応力M6を測定した。そして応力保持率を(M6/M0)×100(%)として計算した。応力保持率が高いほど、伸張後により応力が維持される状態を示しており、外力が取り除かれた際に元の形に戻ろうとする弾性変形力が高いことを示し、手袋のフィット感、裾部の締め付けが良好になり、しわ寄りが少なくなる。
上記の方法で測定された応力保持率は、従来の硫黄架橋XNBR手袋の応力保持率が30%台であるので、本実施形態の成形体は50%以上あればXNBR手袋としては良好であり、60%以上であることがより好ましい。
疲労耐久性は、長さ120mmのJIS K6251の1号ダンベル試験片をディップ成形体(硬化フィルム)から作製し、その下部を固定して長さ60mmまで人工汗液に浸漬した状態で試験片の上部を引張り、長さ方向に最大195mm、最小147mmの間で、伸長と緩和を繰り返して、試験片が破れるまでの時間で示されるものである。伸長(195mm)と緩和(147mm)は、緩和状態で11秒間保持したのち、1.8秒間で195mm(163%)に伸長させて147mm(123%)に戻す、というサイクル(1サイクル12.8秒)を繰り返すことにより行うことができる。
疲労耐久性は、手袋としての実用化の観点から、60分以上であることが好ましい。
以下、本発明を実施例に基づきより詳細に説明する。
各添加剤の重量部数は固形分量によるものであり、エポキシ架橋剤の重量部数については架橋剤の総重量によるものである。
また、本実施例では、ディップ成形用組成物の硬化物である成形体として、硬化フィルムまたは手袋を作製した例について述べる。
<合成ラテックス組成物1>
撹拌装置を有する耐圧オートクレーブ内部を窒素置換したのち、1,3-ブタジエン69部、アクリロニトリル27部、メタクリル酸4部(以上モノマー合計100部)、連鎖移動剤(TDM:t-ドデシルメルカプタン)0.4部、水150部、アニオン性乳化剤(SDBS:ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム)2.5部、酸素捕捉剤(亜ジチオン酸ナトリウム)、キレート化剤EDTA0.1部(キレスト400G:キレスト化学社製品)、粒径調整剤(ピロリン酸カリウム)、レドックス系重合開始剤として、p-メンタンハイドロパーオキサイド(PMHP)0.005部(日油社製:パーメンタH)及びナトリウムホルムアルデヒドスルホキシレート(SFS)0.02部、硫酸第一鉄0.005部、を添加し、撹拌下で重合温度を25℃に保持して20時間反応させた。重合転化率が99%であることを確認した後、pH調整剤および重合停止剤を添加して重合反応を終了させた。得られたラテックス組成物から減圧下で未反応単量体を除去した後、ラテックス組成物のpH及び濃度をアンモニア水溶液で調整して、固形分濃度45%、pH8.3にした後、老化防止剤としてp-クレゾールとジシクロペンタジエンのブチル化反応生成物の水分散体(例えば、AKRON DISPERSIONS社製:Bostex362)を固形分換算で0.5重量部、ラテックス100重量部に添加して、合成ラテックス組成物を得た。
1,3-ブタジエン73.5部、アクリロニトリル22部、メタクリル酸4.5部であり(以上モノマー合計100部)、重合温度45℃であることを除いては合成ラテックス組成物1とほぼ同じ条件で製造し、合成ラテックス組成物を得た。
撹拌装置を有する耐圧オートクレーブ内部を窒素置換したのち、1,3-ブタジエン69.5部、アクリロニトリル25部、メタクリル酸5.5部(以上モノマー合計100部)、連鎖移動剤(TDM:t-ドデシルメルカプタン)0.8部、水150部、アニオン性乳化剤(SDBS:ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム)2.5部、酸素捕捉剤(亜ジチオン酸ナトリウム)、キレート化剤EDTA0.1部(キレスト400G:キレスト化学社製品)、粒径調整剤(ピロリン酸カリウム)、レドックス系重合開始剤として、p-メンタンハイドロパーオキサイド(PMHP)0.005部(日油社製;パーメンタH)及びナトリウムホルムアルデヒドスルホキシレート(SFS)0.02部、硫酸第一鉄0.005部、を添加し、撹拌下で重合温度を15℃に保持して20時間反応させた。重合転化率が87%であることを確認した後、pH調整剤および重合停止剤を添加して重合反応を終了させた。得られたラテックス組成物から減圧下で未反応単量体を除去した後、ラテックス組成物のpH及び濃度をアンモニア水溶液で調整して、固形分濃度45%、pH8.3にした後、老化防止剤としてp-クレゾールとジシクロペンタジエンのブチル化反応生成物の水分散体(例えば、AKRON DISPERSIONS社製:Bostex362)を固形分換算で0.5重量部、ラテックス100重量部に添加して、合成ラテックス組成物を得た。
合成ラテックス組成物1と同じ組成で、連鎖移動剤が0.7部、重合転化率が96%であることを除いては、合成ラテックス組成物1と同じ条件で製造し、ラテックス組成物を得た。
合成ラテックス組成物1と同じ組成で、連鎖移動剤が0.5部、重合転化率が98%であることを除いては、合成ラテックス組成物1とほぼ同じ条件で製造し、ラテックス組成物を得た。
メタクリル酸が3部、1,3-ブタジエン70部としたことを除いては、合成ラテックス組成物1とほぼ同じ条件で製造し、ラテックス組成物を得た。
メタクリル酸が6.5部、1,3-ブタジエン66.5部としたことを除いては、合成ラテックス組成物1とほぼ同じ条件で製造し、ラテックス組成物を得た。
アクリロニトリル量を22部、1,3-ブタジエン74部としたことを除いては、合成ラテックス組成物1とほぼ同じ条件で製造し、ラテックス組成物を得た。
アクリロニトリル量を25部、1,3-ブタジエン71部としたことを除いては、合成ラテックス組成物1とほぼ同じ条件で製造し、ラテックス組成物を得た。
<MEK膨潤率およびMEK不溶解分量>
MEK膨潤率およびMEK不溶解分量は、次のように測定した。約0.2gの合成ラテックス組成物乾燥物試料を、重量を精秤し、合成ラテックス組成物乾燥物浸漬前重量(W1)を測定する。乾燥物試料を金属製80メッシュ籠に入れた状態で籠ごと100mLビーカー内のMEK80mL中に浸漬し、パラフィルムでビーカーに蓋をして、24時間室温下で静置する。その後、メッシュ籠をビーカーから取り出して秤量し、籠の重量を差し引いて合成ラテックス組成物の膨潤時重量(W2)を得る。その後、ドラフト内にて宙吊りにして1時間乾燥させる。これを、105℃で1時間減圧乾燥したのち、重量を測定し、籠の重量を差し引いて合成ラテックス組成物乾燥物の浸漬後重量(W3)を得る。
MEK膨潤率は、次の式から算出する。
MEK膨潤率(単位:倍)=(W2(g)/W3(g))
また、MEK不溶解分量は、次の式から算出する。
MEK不溶解分量(単位:重量%)=(W3(g)/W1(g))×100
なお、合成ラテックス組成物乾燥物試料は、次のようにして作製した。すなわち、500mLのボトル中で、回転速度500rpmでラテックスを30分間攪拌したのち、180×115mmのステンレスバットに14gの該ラテックスを量り取り、23℃±2℃、湿度50±10%RHで5日間乾燥させてキャストフィルムとし、該フィルムを5mm四方にカットして合成ラテックス組成物乾燥物試料とした。
<エポキシ架橋剤>
実施例において使用したエポキシ架橋剤は、ナガセケムテックス社製「デナコールEX-321」(商品名)であり、その物性は以下の通りである。
エポキシ当量:140g/eq.
平均エポキシ基数:2.7
MIBK/水分配率:87%
有効成分量:27%
上記エポキシ当量はカタログ値、平均エポキシ基数は分析値である。
MIBK/水分配率の測定方法は、発明を実施するための形態に記載した方法である。
エポキシ架橋剤を使用した実施例では、添加する際に、同量のジエチレングリコールと混合してから添加している。
金属架橋剤としては、酸化亜鉛を用いた。実施例において使用した酸化亜鉛は、Farben Technique(M)社製「CZnO-50」(商品名)である。
<実験1~3、5の成形体(手袋)の製造>
洗浄加熱済みのセラミック製浸漬手袋成形型を14重量%の硝酸カルシウム、1.5重量%のステアリン酸カルシウムの混合水溶液からなる凝固剤に浸漬した後、成形型の表面温度が70℃となる条件で3分乾燥させて凝固剤を付着させた。
次いで、表2に基づき、上記の各々の合成ラテックス組成物に、架橋剤として実験1~3ではエポキシ架橋剤と酸化亜鉛、実験5では、硫黄架橋剤と酸化亜鉛を添加した。また、実験1~3、5のすべての実験で顔料として酸化チタンを添加し、攪拌均一化し、またKOHによりpHを10.0に調整した。
次いで、得られたディップ成形用組成物中に手袋成形型を浸漬時間が30秒以上、60秒以下になるように浸漬した後、取り出し、80℃で1分加熱して手袋成形型上のフィルムをゲル化させた。フィルムの積層した手袋成形型を60℃以上、70℃以下の温水中に3分間浸漬してリーチング処理を行った後、試験オーブン内に放置し70℃で5分加熱し、オーブンから取り出さずそのまま130℃で20分加熱処理を行った。
手袋成形型の表面温度が40℃になるまで冷却した後、次亜塩素酸ナトリウムと塩酸で活性塩素濃度が900ppm以上、1000ppm以下となるように調整された塩素化浸漬層に手袋成形型を40秒浸漬した後、水洗し、0.4%硫酸ナトリウム水溶液で洗浄し、再度水洗した後、100℃で5分乾燥した。室温で手袋成形型を十分に冷却した後、フィルムを手袋成形型から脱型した。このようにして作製したフィルムを24時間温度25℃、湿度55%RHで調湿した後、後述の各特性の評価を行った。この評価結果を表2に示す。なお、本明細書において、表2中のPMHPはp-メンタンハイドロパーオキサイドを表し、SFSはナトリウムホルムアルデヒドスルホキシレートを表す。
洗浄加熱済みのセラミック製浸漬板を20重量%の硝酸カルシウム、1.0重量%のステアリン酸ナトリウムの混合水溶液からなる凝固剤に浸漬した後、浸漬板の表面温度が60℃となるまで加熱乾燥させて凝固剤を付着させた。
次いで、表1のラテックスに、架橋剤としてエポキシ架橋剤および/または酸化亜鉛を量を変えて添加し、攪拌均一化し、また、全ての実験でKOHによりpHを10.0に調整した。
次いで、得られたディップ成型用組成物中に浸漬板を浸漬時間が10秒以上15秒以下になるように浸漬した後、取り出し、50℃で2分間加熱して浸漬板上のフィルムをゲル化させた。フィルムが積層された浸漬板を50℃の温水中に2分間浸漬し、リーチング処理をした後、試験オーブンで70℃5分加熱した後に130℃で30分間加熱処理を行った。
室温で十分に冷却した後、フィルムを浸漬板から脱型した。このようにして作成したフィルムを1週間室温で放置した後、12時間以上湿度50~60%RHで調湿し各特性の評価を行った。
<応力保持率>
応力保持率ついては、上述の方法に従って測定した。
引張強度、モジュラス及び伸び率については、上述の方法に従って測定した。
人工汗液(1リットル中に塩化ナトリウム20g、塩化アンモニウム17.5g、乳酸17.05g、酢酸5.01gを含み、水酸化ナトリウム水溶液によりpH4.7に調整)中に浸漬して、上述の方法に従って疲労耐久性を評価した。
実験1~3、5はいずれも前述の<実験1~3、5の成型体(手袋)の製造>によって作った手袋である。
実験1~3はMEK不溶解分量が68重量%、71重量%の合成ラテックス組成物1,2を用い、これにエポキシ架橋剤を1重量部、2重量部と、酸化亜鉛0.3重量部、0.5重量部を架橋したものである。これに対し、実験4はMEK不溶解分量が30重量%の合成ラテックス組成物3を用い、これにエポキシ架橋剤1重量部、酸化亜鉛0.5重量部を架橋したものである。実験5はMEK不溶解分量が68重量%の合成ラテックス組成物
1を用い、これに硫黄加硫と亜鉛架橋をしたものである。
手袋の測定結果を、表2に示した。
実験1~3の手袋は、応力保持率が60%を超え、500%モジュラスも6~7MPaと柔らかく、ゴム弾性に富んでいることがわかる。また、伸び、引張強度、疲労耐久性も良い。応力保持率が高いのは、合成ラテックス組成物のMEK不溶解分量が高いことと、エポキシ架橋剤の架橋によるものである。
次に、手袋が柔らかく、伸びも良いのはエポキシ架橋剤であれば手袋を硬くしたり、伸びなくなる度合いが低いためである。また、引張強度を保持しているのは、亜鉛架橋によるものであり、疲労耐久性を持たせているのはエポキシ架橋剤によるものである。
実験4の手袋は、実験1~3と比較すると、応力保持率が大きく下がり、500%モジュラスも12.49MPaと硬く、従来のXNBR手袋の物性に近い。これは、合成ラテックス組成物のMEK不溶解分量を30重量%としたためである。実験5の手袋は、MEK不溶解分量の高い、合成ラテックス組成物に従来の硫黄加硫と酸化亜鉛で架橋したものであるが、特に応力保持率が実験1~3に比べ約10%以上落ちてしまい、疲労耐久性も悪くなっている。これは、エポキシ架橋を硫黄架橋に変えた結果である。
本発明の最も重要な技術特徴は、MEK不溶解分量が60~80重量%であることである。
本実験においては、実験1とラテックスの組成および架橋剤の添加を同一にして、連鎖移動剤の量と重合方法を変え、合成ラテックス組成物がMEK不溶解分量が68重量%であることに対し、実験6でMEK不溶解分量38.5重量%、実験7で59.1重量%の合成ラテックス組成物を用いて、MEK不溶解分量の変化によってフィルム物性がどう変わるか検証した。
なお、MEK不溶解分量が80重量%を超えるものについてはフィルム作成が難しかった。
本発明の2番目に重要な技術特徴は、カルボン酸量が3.5重量%~6重量%であることである。
実験1では、メタクリル酸が4.0重量%の合成ラテックス組成物1を用いて、これにエポキシ架橋と亜鉛架橋をすることにより高い応力保持率を持ち、柔らかい手袋を作ることができた。
本実験においては、実験1とほぼ同条件でメタクリル酸量が3.0重量%の合成ラテックス組成物6、6.5重量%の合成ラテックス組成物7を用いて、メタクリル酸量の変化によって、フィルム特性がどう変わるかについて検証した。
本実施形態においては、XNBRのアクリロニトリル量の範囲を20~30重量%としている。通常、25~30重量%は中ニトリルと呼ばれ、XNBR手袋におけるアクリロニトリルの配合量は27重量%が最も一般的である。
実験1においては、アクリロニトリルは27重量%としている。
XNBR手袋においてアクリロニトリルはニトリル基(-C=N)の極性により、引張強度を維持し、耐油性を増すので、重要な要素である。そのため、XNBR手袋においては中ニトリルが使用されてきた。一方、20~24重量%以下の低ニトリルは引張強度や耐油性が弱くなるので、現状のXNBR手袋においては、ほぼ実施製品はない。ただし、アクリロニトリル量を少なくすれば柔らかくなるので、本実験においては、アクリロニトリル量を27重量%、25重量%、22重量%とラテックスが柔らかくなる方向で実験してみた。
さらに本実験においては、エポキシ架橋剤の量と酸化亜鉛の量を変化させ、できた成形品の性能評価もあわせて行った。
次に、エポキシ架橋剤のみで0.3重量部、0.5重量部、1.0重量部を振った例を見てみると、エポキシ架橋剤の量が多いほど応力保持率は高まる。一方で、柔らかさ伸びは落ちている。
更に、エポキシ架橋剤と酸化亜鉛の組合せにおいても良い応力保持率を保っている。柔らかさにおいても従来に比較するととても良いが、亜鉛の量を増やすと柔らかさ伸びが下がる傾向が見られる。これを考えると酸化亜鉛を添加するときは0.2~0.7重量部が適切と考える。エポキシ架橋剤の量については0.2~2.0重量部程度が適切と考えられるが、エポキシ架橋剤の量は1.0重量部を超えて添加すると応力保持率は70%を超えると考えられるが、そのかわりに柔らかさ伸びが低下してしまう。
なお、本実験においてはディップ成形用組成物のpHを10.0としている。pHは10.5を超えると、粒子界面で外側に配向するカルボキシル基が多くなり、粒子内架橋を主とするエポキシ架橋が弱くなる。一方、pHを9.5未満にするとエポキシと架橋する埋没カルボン酸は多くなり、フィルムは柔らかくなるが、べたつき等も生じフィルム形成が難しくなる。
また、今回全実験で使用したエポキシ架橋剤EX-321は当量が140g/eqであ
る。エポキシ架橋剤の当量は100~200g/eqが好適であるが、当量の大きいもの
については量を増やすことで、本実験と同様の結果を出すことができる。
合成ラテックス組成物1、8、9のイントリンジック(架橋剤なしで凝固剤由来のカルシウムのみで架橋したフィルムの物性)を表6に示す。
Claims (11)
- カルボキシル基含有ニトリルゴムエラストマーと、1分子中に3個以上のグリシジルエーテル基を有し、脂環族、脂肪族又は芳香族の炭化水素を有する母骨格を有するエポキシ化合物を含有するエポキシ架橋剤と、pH調整剤と、を少なくとも含有するディップ成形用組成物であって、
前記エラストマーは、共役ジエン単量体由来の構造単位を50重量%以上、75重量%以下、エチレン性不飽和ニトリル単量体由来の構造単位を20重量%以上、30重量%以下、及びエチレン性不飽和カルボン酸単量体由来の構造単位を3.5重量%以上、6重量%以下で含み、
前記エラストマーのMEK不溶解分量が60重量%以上、80重量%以下であり、かつ、
前記エポキシ架橋剤の下記測定方法によるMIBK/水分配率が50%以上である、ディップ成形用組成物。
MIBK/水分配率測定方法:試験管に水5.0g、メチルイソブチルケトン(MIBK)5.0gおよびエポキシ架橋剤0.5gを精秤し、23℃±2℃で3分間攪拌、混合した後、1.0×103Gで10分間遠心分離し、水層とMIBK層に分離させる。次いで
、MIBK層を分取、計量し、次式によりMIBK/水分配率を算出する。
MIBK/水分配率(%)=(分配後MIBK層重量(g)-分配前MIBK重量(g))/架橋剤添加重量(g)×100
上記測定を3回行い、平均値をMIBK/水分配率とする。 - 前記エラストマーのエチレン性不飽和カルボン酸単量体由来の構造単位が3.5重量%以上5.0重量%以下である、請求項1に記載のディップ成形用組成物。
- 前記エラストマー100重量部に対する前記エポキシ架橋剤の添加量が、0.3重量部以上、2.5重量部以下である、請求項1又は2のいずれかに記載のディップ成形用組成物。
- 前記pH調整剤によりpHが9.5以上、10.5以下に調整されている、請求項1~3のいずれか1項に記載のディップ成形用組成物。
- さらに酸化亜鉛を架橋剤として含む、請求項1~4のいずれか1項に記載のディップ成形用組成物。
- 前記酸化亜鉛の添加量が、前記エラストマー100重量部に対して、0.2重量部以上、0.6重量部以下である、請求項5に記載のディップ成形用組成物。
- MEK膨潤率が5倍以上10倍以下である、請求項1~6のいずれか1項に記載のディップ成形用組成物。
- 請求項1~7のいずれか1項に記載のディップ成形用組成物の硬化物である、成形体。
- 下記測定法による応力保持率が50%以上である、請求項8に記載の成形体。
応力保持率測定方法:ASTM D412に準じて試験片を作製して標線間距離25mmの標線をつけ、チャック間距離90mm、引張速度500mm/分の条件で引張り、試験片が2倍に伸長した時点で引張を停止して応力M0を測定する。さらに試験片を保持し6分間経過した時点で応力M6を測定し、応力保持率を下式により算出する。
応力保持率(%)=(M6/M0)×100 - 手袋である、請求項8又は9に記載の成形体。
- (1)手袋成形型に凝固剤を付着させる凝固剤付着工程、
(2)請求項1~7のいずれか1項に記載のディップ成形用組成物を調製し、攪拌するマチュレーション工程、
(3)手袋成形型をディップ成形用組成物に浸漬するディッピング工程、
(4)手袋成形型上に形成された膜をゲル化し、硬化フィルム前駆体を作るゲリング工程、
(5)手袋成形型上に形成された硬化フィルム前駆体から不純物を除去するリーチング工程、
(6)手袋の袖口部分に巻きを作るビーディング工程、
(7)架橋反応に必要な温度で加熱及び乾燥するキュアリング工程、
を含み、上記(3)~(7)の工程を上記の順序で行うディップ成形体の製造方法。
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