JPS61252261A - 多孔質透明ポリビニルアルコ−ルゲルおよびその製造法 - Google Patents

多孔質透明ポリビニルアルコ−ルゲルおよびその製造法

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、高強度、高含水率でしかも高い透明性を有す
るポリビニルアルコールの多孔質ゲルおよびその製造法
に関する。
[従来の技術] 含水ゲルとは、水に溶けず水を包含しているゲルである
。そうした含水ゲルは古くから知られているが、近年、
機能性材料に対する関心が高まるとともにその性質が注
目されるようになってきている。たとえば、ソフトコン
タクトレンズや医薬の徐放性担体のような医用材料とし
て、または酵素や菌体の固定化担体、保冷用熱媒体、芳
香剤の徐放性担体などとして用いられている。
含水ゲル用の高分子素材としては、ゼラチン、カラギー
ナン、アルギン酸、ポリメタクリル酸2−ヒドロキシエ
チル、カルボキシル ンプン、アクリロニトリル−クラフト化デンプン加水分
解物、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸塩、酢酸ビ
ニル−アクリル酸メチル共重合体ケン化物、ポリオキシ
エチレン、ポリビニルピロリドン、ポリスチレンスルホ
ン酸、ポリビニルアルコールなどが知られている。
ポリビニルアルコール(以下、PAVと略す)の濃厚水
溶液を室温以下で放置すると粘度が次第に増大し、つい
にはゲル化することはよく知られている。しかし、その
結果えられるゲルは粘着性を示し、機械的強度に劣る。
そこでPVA含水ゲルの機械的強度を向上させるため、
ホルムアルデヒドやグルタルアルデヒドなどの架橋剤を
用いて化学的にPVAを架橋させる方法や、ホウ酸、コ
ンゴーレッド、グリセリンなどの増粘剤を添加してPV
A水溶液をゲル化させる方法、γ線、電子線、紫外線な
どを照射してPVAを架橋する方法、チタン、銅、コバ
ルトなどの金属化合物を添加して配位結合化する方法な
どが提案されている。しかしながら、これらの方法で得
られたPVA含水ゲルは高含水性と高強度とのバランス
がよくない。すなわち、機械的強度を高めようとすると
含水率が低下し、また含水率を高めようとすると機械的
強度を犠牲にせざるをえない。
添加剤を用いずに高含水率を保持したままPVA含水ゲ
ルの機械的強度を^める試みとして、PVA濃厚水溶液
を低温にて短時間で凍結し、ついで室温にて短時間で解
凍する方法が提案されている(特開昭50−52296
号公報)。しかしこの方法で得られるPVA含水ゲルの
機械的強度は満足のいくものではなく、しかも水中に浸
漬すると大きく膨潤してしまうという欠点を有している
また、凍結後凍結体を融解させることなく真空部分乾燥
させる方法も提案されている(特開昭57−13054
3号公報)。この方法は、ケン化度95モル%以上、粘
度平均重合度1,500以上のPVAの水溶液を注型し
たのち一6℃よりも低い温度で凍結成形し、この凍結成
形体を融解させることなく真空部分乾燥するものである
。かかる方法によるときは、真空乾燥という処理が必要
である。
さらに、PVA水溶液の凍結および融解の繰り返しによ
る機械的強度の高い含水ゲルの製造法が提案されている
(日本化学公試、1983年、順9、1254)。得ら
れた含水ゲルはゴム状の弾性を有し、前記の凍結、真空
部分乾燥で得られた含水ゲルと類似した性質を有する。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、これらの高弾性、高含水PVAゲルは着
色していないにもかかわらず、乳白色を呈し不透明であ
る。
本発明者らは、従来のPVA含水ゲルの欠点、とくに非
透明性を解消するべく鋭意研究を重ねた結果、水と有機
溶媒との混合溶媒にPVAを溶解させたのち、常温以下
の温度にてPVA分子分子鎖績晶化を行なうことにより
、高強度、高含水率でかつ透明性に優れた含水ゲルの得
られることを見出し、本発明を完成するに至った。
[問題点を解決するための手段] 本発明は、引張り強度が10kO/m以上、含水率が5
0〜98重量%および可視光線透過率が80%以上の多
孔質透明PVAゲルに関する。かかる高強度、高含水率
でしかも透明性に優れた多孔質PVAゲルは、水と有機
溶媒との混合溶媒に溶解したPVAを常温以下のm度で
結晶化することにより得ることができる。
[作 用] 本発明のPVAゲルは機械的強度および含水性に優れる
うえに、透明性にも優れたものである。
かかる透明含水PVAゲルが得られる理由は、水と有機
溶媒との混合溶媒にPVAを完全に溶解させると、PV
A溶液は系全体が均一状態になるが、温度が下降するに
つれて分子運動が抑制されつつ高分子鎖の局所濃度が高
まり、ざらに常温以下に冷却されることにより、高分子
鎖間で二次結合が生成して微小な結晶核が形成され、長
時間かけて放置することによりさらに結晶化が進行する
。そのとき形成される微結晶が高分子鎖の強固な三次元
網目となり、高強度、高含水率でしかも高透明性の含水
PVAゲルが生成すると考えられる。
この透明性の理由はつぎのように考えられる。
従来の方法によるゲルでは水100%のPVA濃厚水溶
液を一5℃以下で凍結し、氷相と高分子相とに相分離さ
せる。このとき、体積変化が大きくなるためその後の結
晶化により生じるゲルの構造は、走査型電子顕微鏡で観
察する限りでは、孔径が5虜以上と大きい。その結果光
の屈折率の差が生じ、不透明性を呈する。しかし、本発
明による方法では、水と有機WitIINとの混合溶媒
を用いることにより、PVA溶液が零度以下の低温でも
凍結しないために体積変化がほとんどない状態で結晶化
が進む。したがって、得られたゲルを走査型電子顕微鏡
で1する限りでは孔径が3−以下と小さく、この径が小
さいため光の大きな屈折率差が生ぜず、透明性を呈する
と考えられる。
[実施例] 本発明に用いるPVAは、ケン化度95モル%以上、好
ましくは97モル%以上、とくに99モル%以上のもの
が好ましい。これより低いケン化度、たとえば85モル
%以下では軟弱なゲルが得られるにすぎない。平均重合
度は粘度平均で1,000以上とくに1 、700以上
のものが好ましい。PVAの重合度が低下するとともに
、得られるゲルの強度も低下するため、通常市販されて
いる重合度1.700〜2.000程度のものでよい。
しかし、強度、含水率ならびに耐熱水性を高める必要の
ある場合は、3,000〜10,00017)高重合[
[1i[PVA。
あるいはシジンオタト構造やアイソタクト構造に冨むP
VAを使用するのが好ましい。
本発明において用いられる有機溶媒は、水と親和性がよ
いものが好ましく、さらに任意の割合で水とよく混ざる
ものが好ましい。好ましくは、アセトン、メチルアルコ
ール、エチルアルコール、n−プロピルアルコール、1
so−プロピルアルコール、アミノエタノール、フェノ
ール、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、グ
リセリン、エチレングリコール、プロピレングリコール
、トリエチレングリコール、ジメチルスルホキシドなど
である。これらの有機溶媒の中でもとくに、PVAに対
する溶解度や水との混合割合と凝固点降下の関係などか
ら、ジメチルスルホキシドが好ましい。これらの有機溶
媒と水との混合割合は任意に選択できるが、水と有機溶
媒との割合が得られるPVAグルの強度や透明性を大き
く左右する。したがって、目的に応じて混合割合は適宜
選定すべきであるが、通常、水対有機溶媒の比は90:
10〜10:90  (重量比)、好ましくは70:3
0〜10:90である。ジメチルスルホキシド1oox
のPVA l液からもゲルは生成し、水と置換前は透明
性を呈しているが、水と置換後は不透明となる。この場
合も、+5℃付近で凍結し体積変化が生じるため、得ら
れるゲルの構造は孔径が5虜の以上と孔径の大きい多孔
質構造をもつため、不透明となるものと考えられる。
本発明においては、まずPVA溶液を調製するのである
が、PνA11度としては目的とする強度や含水率に応
じて2〜50重量%の範囲に調製するのがよい。このよ
うな濃厚溶液の調製は、一般にPVAを加熱溶解させる
ことにより行なわれるが、単に攪拌下での加熱あるいは
オートクレーブや電子レンジを用いてよい。
完全に溶解させたPVA 溶液を任意の形状の鋳型や容
器に注入したのち、常m以下の低温にて放置することに
より結晶化させると本発明のゲルがえられる。その場合
温度が低ければ低いほど短時間で結晶化が完了すると同
時に微結晶のサイズも小さくなるので透明性がさらによ
くなる。したがって−10℃以上、とくに−20℃前後
のフリーザー中にて行なうのが好ましい。つぎに、結晶
化完了後のゲルを流水中に長時間浸漬することによって
、ゲル中の有機溶媒を水と置換することにより高含水率
ゲルがえられる。あるいは、結晶化完了後のゲルを乾燥
することによって有機溶媒を除去し、それを再び水中に
浸漬させることにより含水させてもよい。この場合の乾
燥処理手段としては風乾だけでもよいが、真空乾燥を併
用すると乾燥が単時間で終了することになる。薬剤や芳
香剤などの徐放化担体として本発明のゲルを用いる場合
には、このような有機溶媒と水との置換処置が不必要な
場合もある。
また前記の乾燥過程時に結晶化が若干進むため、機械的
強度や透明性がそれだけ向上し、また温度を上げること
によってもさらに結晶化度を高めることもできる。しか
し、結晶化度が高くなると含水率が逆に低くなるので、
目的に応じて乾燥・含水工程を数回反復することも可能
である。
さらに得られた高強度、高含水率、透明PVAゲルの滅
菌および寸法安定性、耐熱性、機械的強度などの向上の
ため、減圧下あるいは窒素、アルゴンなどの不活性ガス
雰囲気下や水中での放射線照射も可能である。
本発明の多孔質PVAゲルはPVAの微結晶が三次元網
目となっており、微小な空間(孔)がそれらによって均
一に形成されている。本発明のゲルにおいては、それら
孔の孔径は臨界点乾燥により得られた試料の走査型電子
顕微II!察によると殆んど3項以下であり、しかも細
長いものである。孔径の小さい孔が均一にしかも密に存
在していることが、とくに透明性の向上につながってい
るものと考えられる。
本発明の高強度、高含水率、透明PVAゲルは使用目的
に応じて要求される種々の形状に注型成形することがで
きる。たとえば、フィルム、シート、ロッド、ブロック
、テープ、チューブ、lI維状のものから複雑な形状の
ものあるいはレンズ状のものまで自由自在に成形加工が
可能である。したがって、たとえばソフトコンタクトレ
ンズ、眼内レンズや医療用カーテル、チューブなどの医
用材料や限外濾過膜や酵素、菌体固定化などのバイオテ
クノロジー用材料、または繊維や中空糸などの工業材料
として使用することもできる。
つぎに実施例をあげて本発明の高強度、高含水率、透明
多孔質PVAゲルについて説明するが、本発明はかかる
実施例のみに限定されるものではない。
実施例1 PVA  (■ユニチカ製、ケン化度99.5モル%、
平均重合度1,700)に第1表に示す組成の溶媒を同
表に示すPVA 1度になるように加え、オートクレー
ブ中で110℃にて2時間加熱し、PVA溶液を調製し
た。ついで得られた溶液を50〜80℃に冷却したのち
ガラス板上に流延し、このものを第1表に示す結晶化条
件にてPVAを結晶化させ、厚さ1■のシート状のPV
Aゲルを得た。
[以下余白] 得られた各PVAゲルにつき、つきの測定条件で引張り
破断強度、含水率および可視光線透過率を調べた。結果
を第2表に示す。
[引張り破断強度コ ■東洋ボールドウィン製、Ten5i Ion/UTH
−4−100を用いて引張速度100an/min 、
 ’41度20℃、相対湿度65%で測定した。なお、
試料は111厚さでダンベル型引張試験片に打抜いて測
定に供した。
[含水率] 実験番号1〜18および比較実験番号4.5で得られた
ゲルを20℃の水中に3日間浸漬後、ドラフト中にて1
昼夜風乾し、ついで室温真空乾燥を1昼夜行なって有機
溶媒を除去し、再び37℃の水中に2日間浸漬後に次式
より含水率を求めた。なお、実験番号1〜3で得られた
ものは有機溶媒が含まれていないが、同様の操作を行な
って求めた。
× 100 [可視光線透過率] ■高滓製作所製、マルチパーパス自記分光光度系HPS
−2000形を用いて、550nmにおける可視光線透
過率を測定した。なお、試料は0.5mm厚のものを用
いて25℃の水中にて測定した。
[以下余白] 実施例2 溶媒として第3表に示す組成のものを用い、かつPVA
濃度を12重量%としたほかは実施例1と同様にしてP
VA溶液を調製し、−20℃に保ったフリーザー中で3
時間かけてPVAを結晶化させ、Pv^ゲルを得た。得
られた各PVAゲルから臨界点乾燥法により走査型電子
顕微鏡写真用の試料A−Eを作製し、その表面状態を走
査型電子顕微1i(3000倍)で観察した。それらの
電子顕微鏡写真を第1図(試料A)、第2図(試料B)
、第3図(試料C)、第4図(試料D)および第5図(
試料E)に示す。
第1〜5図から明らかなごとく、溶媒として水またはジ
メチルスルホキシドを単独で使用した場合は、孔径が3
−を超える孔が数多く存在する。一方、水とジメチルス
ルホキシドとの混合溶媒を使用するときは、孔径が約1
−程度の細長い孔が均一にかつ密に存在している。
[発明の効果] 本発明のPVAゲルは、高強度、高含水率であり、しか
もおどろくべきことに透明性の高いものであるので、従
来のPVAゲルの用途のほか透明性を必要とする種々の
材料として利用できる。
また、本発明によれば化学架橋剤や触媒などを一切用い
ることなく経済的に製造でき、かつ生体に刺激を与えな
いので、医用材料や食品工業用としてきわめ有用である
。小孔径多孔質ゲルとしての利用は、限外濾過膜や酵素
の固定化材として考えられる。
【図面の簡単な説明】
第1〜5図はそれぞれ実施例2で製造したPVAグルの
表面構造を示す走査型電子顕微鏡写真(3000倍)で
ある。 特許出願人  株式会社バイオマテリアル・第   1
   図 第  2   図 第   6   図 第   4   図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 引張り強度が10kg/cm^2以上、含水率が5
    0〜98重量%および可視光線透過率が80%以上の多
    孔質透明ポリビニルアルコールゲル。 2 孔径が3μm以下である特許請求の範囲第1項記載
    のゲル。 3 水と有機溶媒との混合溶媒に溶解したポリビニルア
    ルコールを常温以下の温度で結晶化することを特徴とす
    る引張り強度が10kg/cm^2以上、含水率が50
    〜98重量%および可視光線透過率が80%以上の多孔
    質透明ポリビニルアルコールゲルの製造法。 4 有機溶媒が水に親和性を有するものである特許請求
    の範囲第3項記載の製造法。 5 水対有機溶媒の重量比が90:10〜10:90で
    ある特許請求の範囲第3項記載の製造法。 6 ポリビニルアルコール溶液のポリビニルアルコール
    の濃度が2〜50重量%である特許請求の範囲第3項記
    載の製造法。 7 有機溶媒がジメチルスルホキシド、グリセリン、エ
    チレングリコール、プロピレングリコール、トリエチレ
    ングリコール、ジメチルホルムアミド、メチルアルコー
    ル、エチルアルコール、アセトン、テトラヒドロフラン
    、アミノエタノール、フェノール、n−プロピルアルコ
    ールまたはiso−プロピルアルコールである特許請求
    の範囲第3項記載の製造法。
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