WO2019235541A1 - バリア性及び延伸性を有する塗膜を形成するためのコーティング剤及びその使用 - Google Patents

バリア性及び延伸性を有する塗膜を形成するためのコーティング剤及びその使用 Download PDF

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一朗 泊
亮 山根
鈴木 秀幸
蔵岡 孝治
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サントリーホールディングス株式会社
国立大学法人神戸大学
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Definitions

  • the present invention relates to a coating agent for forming a coating film having barrier properties and stretchability, comprising polyvinyl alcohol (hereinafter abbreviated as PVA) and layered double hydroxide (hereinafter abbreviated as LDH), and Regarding its use.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • LDH layered double hydroxide
  • Patent Document 1 discloses that the barrier property of a resin container is improved by applying a coating agent containing PVA as a main component.
  • a coating agent containing PVA as a main component.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • the amount of PVA applied can be reduced by adding inorganic particles having barrier properties, but in this case, the coating film formed by the coating agent containing inorganic particles can withstand stretching. The problem that it becomes easy to raise
  • JP 2005-306410 A Japanese Patent No. 5022038 JP 2017-65149 A JP 2017-64640 A
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a coating agent for forming a coating film having barrier properties and stretchability, and to use the coating agent to have high barrier properties and to prevent film breakage during stretching. It is providing the resin-made container which has the surface in which the coating film which is hard to raise
  • a coating agent for forming a coating film having barrier properties and stretchability comprising polyvinyl alcohol (PVA) and layered double hydroxide (LDH).
  • PVA polyvinyl alcohol
  • LDH layered double hydroxide
  • the coating agent according to 1 or 2 wherein the LDH is a magnesium acetate type Mg—Al LDH.
  • the coating agent according to any one of 1 to 3 wherein the coating agent contains about 8 wt% to about 13 wt% PVA with respect to the total amount of the coating agent.
  • the coating agent according to any one of 1 to 4 further comprising an alcohol.
  • PVA polyvinyl alcohol
  • LDH layered double hydroxide
  • the LDH is a magnesium acetate type Mg—Al-based LDH.
  • a preform for a plastic bottle comprising a mouth part that becomes an opening of a plastic bottle, a cylindrical body part, and a bottom part that closes the cylindrical body part, wherein polyvinyl alcohol (PVA) and layered double hydroxide
  • PVA polyvinyl alcohol
  • LDH barrier layer containing a product
  • a method for producing a preform for a plastic bottle A step of preparing a preform comprising a mouth portion that becomes an opening of a plastic bottle, a cylindrical body portion, and a bottom portion that closes the cylindrical body portion; and any one of 1 to 6 on the outer surface of the preform A method comprising coating the described coating agent and drying it to form a barrier layer.
  • a method for producing a plastic bottle comprising a step of blow-molding a preform for a plastic bottle produced by the method according to 20.
  • a coating agent for forming a coating film having a barrier property and stretchability, and a resin container having a surface on which a coating film having a high barrier property and hardly causing film breakage during stretching is formed.
  • FIG. 1 is a graph showing oxygen permeability of a PET bottle having a coating film formed using a coating solution containing PVA and LDH having a predetermined concentration under a predetermined temperature and humidity condition.
  • FIG. 2 is a graph showing the change over time in the viscosity of each coating solution (PVA 13% + LDH 5%, PVA 13% + LDH 5% + IPA 5%, and PVA 13% + LDH 5% + ethanol 5%).
  • FIG. 3 is a FIB-SIM image of a cross section near the center of the bottle shape after blow molding. A portion that appears white in the PVA + LDH layer indicates a portion where LDH is dispersed (existing).
  • FIG. 4 is a TEM image of a cross section near the center of the bottle shape after blow molding.
  • a coating agent for forming a coating film having barrier properties and stretchability which comprises PVA and LDH.
  • plastic container means a container made of synthetic resin for storing beverages and foods, and includes, for example, a plastic bottle.
  • Plastic bottles include polyethylene terephthalate (PET), polypropylene (PP), and polyethylene (PE) bottles, with PET bottles being preferred.
  • PVA has the following chemical formula and significantly reduces the gas permeability of the substrate (especially O 2 and CO 2 ), thereby increasing the shelf life of packaged foods, soft drinks or beverages such as beer. Used for improvement.
  • LDH is a double hydroxide in which a trivalent metal ion is dissolved in a divalent metal hydroxide. Since the hydroxide basic layer has a positive charge, a laminate in which negatively charged anions are sandwiched between layers. It has a structure. LDH has the property of incorporating atoms, molecules, and ions (guest materials) into the layer space (intercalation) while retaining the two-dimensional basic layer (host layer) by the host-guest reaction. It has been studied in various fields such as ion exchangers, flame retardant additives, drug carriers, and cement additives.
  • LDH is classified as a kind of clay mineral, and there are several types of natural minerals that are produced in small quantities, but the most commonly used is hydrotalcite, which is Mg 6 Al. It is represented by the composition formula of 2 (OH) 16 CO 3 .4H 2 O.
  • LDH is represented by the following general formula, and its crystal structure is a regular octahedral hydroxide layer in which a part of a divalent metal ion is replaced by a trivalent metal ion. It has a structure in which basic layers and intermediate layers made of interlayer anions and interlayer water are alternately stacked.
  • M 2+ is a divalent metal ion such as Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, or Zn
  • M 3+ is a trivalent metal ion such as Al, Cr, Fe, Co, or In. It is.
  • the hydroxide basic layer has a positive charge by substituting a part of the divalent metal ion with the trivalent metal ion, and in order to compensate for the charge, an anion is taken into the intermediate layer to maintain electrical neutrality. . Water molecules are also taken in between the layers as interlayer water.
  • A is A n- is an anion of the intermediate layer, Cl -, NO 3-, CO 3 2-, COO - and the like, it is possible to exchange the type.
  • the LDH used in the present invention is not particularly limited, but a magnesium acetate type Mg—Al based LDH in which Mg acetate is intercalated in the intermediate layer is preferable.
  • Such LDH can be purchased from Teika Co., Ltd. under the trade name T-HT A610 (composition formula: Mg 6 Al 2 (OH) 18 Mg (CH 3 COO) 2 .nH 2 O), for example.
  • Examples of the solvent that can be used for preparing the coating agent according to the present invention include water, methanol, ethanol, IPA, MEK, acetone, ethylene glycol, triethylene glycol, glycerin, acetamide, dimethylamide, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, and cyclohexanone. , Tetrahydrofuran, DMSO, pyridine, and / or combinations thereof.
  • the concentration of LDH in the coating agent according to the present invention is typically about 3 wt% to about 7 wt%, preferably about 5 wt%, as a relative concentration with respect to PVA.
  • the concentration of PVA in the coating agent according to the present invention is typically about 8 wt% to about 13 wt%, preferably about 10 wt%, as an absolute concentration based on the total amount of the coating agent.
  • the coating agent according to the present invention may further contain alcohol. Since LDH has a viscosity-imparting effect, the viscosity of the coating agent containing LDH may increase due to changes over time, but the increase in viscosity can be suppressed by adding alcohol to the coating agent.
  • the alcohol used in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include isopropyl alcohol, ethanol, and / or a combination thereof, and isopropyl alcohol is particularly preferable.
  • the concentration of the alcohol in the coating agent according to the present invention is typically about 3 wt% to about 13 wt%, preferably about 5 wt%, as a relative concentration with respect to the solvent.
  • a resin container or a plastic bottle preform characterized by having a coating film on which a barrier layer containing PVA and LDH is formed.
  • the preform for a plastic bottle is an intermediate product before being blow-molded into a plastic bottle, and includes a mouth part that becomes an opening of the plastic bottle, a cylindrical body part, and a bottom part that closes the cylindrical body part.
  • the resin container or plastic bottle preform according to the present invention is obtained by coating the surface of the resin container or preform with the above-described coating agent according to the present invention and drying it to form a barrier layer. .
  • a coating method known in the art such as a dipping method, a blow method, a spray method, a coater method, and a transfer method, or a dispenser coating method using a slot die should be used.
  • a coating method known in the art such as a dipping method, a blow method, a spray method, a coater method, and a transfer method, or a dispenser coating method using a slot die should be used.
  • the slot die type coating method is disclosed in detail in Patent Documents 3 and 4, and a resin container or preform is held in a horizontal direction, the resin container or preform is rotated around an axis, and rotated. This is achieved by discharging the coating liquid in a sheet form from the slot of the dispenser toward the resin container or preform.
  • a coating method variation in the film thickness of the coating formed on the resin container or preform is reduced, and bubbles are generated in the coating liquid applied to the resin container or preform. This can be suppressed.
  • the resin container or the preform surface Prior to the coating step, is preferably subjected to plasma, corona or electron beam treatment. Such pretreatment can enhance the adhesion of the coating agent to the substrate.
  • the drying means of a coating agent is not specifically limited, It is preferable to implement by a heater and ventilation (normal temperature or hot air). In order to shorten the heating and drying time of the coating agent, it is effective to heat from the inside of the film by selecting a heat source having a heating wavelength suitable for the absorption wavelength of the solvent and the hydroxyl group. From this point, it is preferable to use a carbon heater that generates near-infrared to mid-infrared. In addition, in order to efficiently remove evaporated water without cooling the membrane, a carbon heater that generates near-infrared to mid-infrared light is used together with a far-infrared heater, blowing (room temperature), or blowing hot air. Also good.
  • the drying temperature is preferably from room temperature to 80 ° C. If it is 100 ° C. or higher, the solution may boil, and if it exceeds 80 ° C., the substrate may be whitened or deformed due to overheating.
  • a coating film having a barrier layer containing PVA and uniformly dispersing LDH is formed on the surface of the resin container or preform.
  • the thickness of the barrier layer of the resin container is typically about 2 ⁇ m to about 8 ⁇ m.
  • a plastic bottle is manufactured by subjecting the preform according to the present invention to stretch blow molding. Therefore, as a further aspect of the present invention, there is provided a method for producing a plastic bottle obtained by blow molding the preform for plastic bottle according to the present invention.
  • Example 1 Preparation of coating solution (no addition of alcohol)] 447.5 g of pure water was weighed into a large glass container, and 2.5 g of powder of MgH-acetate type LDH (T-HT A610, Taker) was added thereto to obtain a solution. This was stirred with a stirrer at 300 rpm for 30 minutes to completely dissolve LDH. 50 g of powder of PVA (Exeval (registered trademark) 390, Kuraray) was weighed and added to the LDH solution prepared above. A thermostatic bath was prepared, hot water was added, and the set temperature of the heater was set to 95 ° C. In the thermostat, the LDH solution obtained above was stirred at 300 rpm with a stirrer.
  • PVA Exeval (registered trademark) 390, Kuraray
  • Example 2 Preparation of coating solution (with addition of alcohol)
  • a large glass container 397.5 g of pure water was weighed and 2.5 g of MgH-acetate type LDH (T-HT A610, Taker) powder was added thereto to obtain a solution. This was stirred with a stirrer at 300 rpm for 30 minutes to completely dissolve LDH.
  • 50 g of PVA powder (Exeval (registered trademark) 390, Kuraray) was weighed and added to the LDH solution prepared above.
  • a thermostatic bath was prepared, hot water was added, and the set temperature of the heater was set to 95 ° C. In the thermostat, the LDH solution obtained above was stirred at 300 rpm with a stirrer.
  • Example 3 Evaluation of barrier property against LDH concentration
  • the outer surface of a 500 ml PET bottle preform (24 g) was irradiated with plasma for about 3 seconds using an atmospheric plasma irradiation surface modification device (PS-1200AW, manufactured by Wedge Corporation), and then heated to 50 ° C. in an oven. . Thereafter, each coating solution (PVA 13% + LDH 0%, PVA 13% + LDH 3%, PVA 13% + LDH 5%) prepared by fixing the PVA concentration to 13% using the same method as in Example 1 while keeping the preform at 50 ° C. , PVA 13% + LDH 7%) once or twice and dried in an oven at 50 ° C. for 1 hour.
  • PS-1200AW atmospheric plasma irradiation surface modification device
  • a preform having a coating film of each coating solution was stretch blow molded under a conventional condition with a stretch blow molding machine to produce a PET bottle.
  • the oxygen permeability of the PET bottle was measured with a MOCON oxygen permeability measuring device (manufactured by MOCON, OXTRAN-2 / 61).
  • MOCON MOCON oxygen permeability measuring device
  • Table 1 and FIG. 1 it was found that the coating amount can be reduced by about 50% by adding 5% LDH.
  • the drying time can be shortened by almost half. If the LDH is less than 3%, the barrier effect is low, and if the LDH exceeds 7%, the overspec is used, and there is a concern that the viscosity of the solution may increase.
  • Example 4 Evaluation of barrier property against PVA concentration
  • the outer surface of a 500 ml PET bottle preform (24 g) was irradiated with plasma for about 3 seconds using an atmospheric plasma irradiation surface modification device (PS-1200AW, manufactured by Wedge Corporation), and then heated to 50 ° C. in an oven. .
  • each coating solution PVA 8% + LDH 5%, PVA 10% + LDH 5%, PVA 11.5%
  • each coating solution prepared by fixing the LDH concentration to 5% using the same method as in Example 1 while keeping the preform at 50 ° C. + LDH 5%, PVA 13% + LDH 5%
  • dipped once or twice and dried in an oven at 50 ° C. for 1 hour.
  • a preform having a coating film of each coating solution was stretch blow molded under a conventional condition with a stretch blow molding machine to produce a PET bottle.
  • the oxygen permeability of the PET bottle was measured with a MOCON oxygen permeability measuring device (manufactured by MOCON, OXTRAN-2 / 61).
  • MOCON MOCON oxygen permeability measuring device
  • Table 2 since the coating amount per dipping increased as the PVA concentration increased, the barrier property tended to increase in proportion. Considering the barrier improvement effect having cost merit and the ease of handling, the PVA concentration of 10% is considered to be the optimum concentration.
  • Example 5 Evaluation of viscosity suppression effect of alcohol
  • each coating solution PVA 13% + LDH 5%, PVA 13% + LDH 5% + IPA 5%, PVA 13% + LDH 5% + ethanol 5%
  • PVA 13% + LDH 5% + ethanol 5% each coating solution was prepared and the change in viscosity over time was examined.
  • the viscosity of the solution to which only PVA and LDH were added increased with time, but it was found that the increase in the viscosity of the solution could be suppressed by adding alcohol.
  • the effect of suppressing viscosity was greater with IPA than with ethanol.
  • Example 6 FIB-SIM observation
  • a 500 ml PET bottle preform (24 g) was dipped twice in the coating solution described in Example 1, dried, and then blow-molded to obtain a FIB processing apparatus ( This was cut with Seiko Instruments, SM12050), and the image was observed with FIB-SIM. As shown in FIG. 3, it was observed that nano-order LDH was uniformly dispersed in the barrier layer.
  • Example 7 TEM observation
  • a 500 ml PET bottle preform (24 g) was dipped twice in the coating solution described in Example 1, dried, and then blow-molded to obtain a TEM device (Japan)
  • the image was observed with a Thunder, JEM-220OFS.
  • FIG. 4 it was observed that rod-shaped LDH having a large aspect ratio was dispersed in the same direction in PVA. With such a structure, it is presumed that the maze effect appears and the barrier property is improved.

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Abstract

本発明が解決しようとする課題は、バリア性及び延伸性を有する塗膜を形成するためのコーティング剤を提供すること、及び該コーティング剤を用いて、バリア性が高くかつ延伸時の膜切れを起こしにくい塗膜が形成された表面を有する樹脂製容器を提供することである。 ナノオーダーの粒子であるLDHをPVAとともに添加する。

Description

バリア性及び延伸性を有する塗膜を形成するためのコーティング剤及びその使用
 本発明は、ポリビニルアルコール(以下、PVAと略する。)及び層状複水酸化物(以下、LDHと略する。)を含む、バリア性及び延伸性を有する塗膜を形成するためのコーティング剤及びその使用に関する。
 今日、飲料や食品(以下、飲料等という。)用の樹脂製容器、特にポリエチレンレテレフタレート製のプラスチック容器(以下、PETボトルともいう。)が広く使用されている。
 かかる樹脂製容器の表面にバリアコーティングを適用して、ガス、特に、酸素や二酸化炭素の容器内外への透過を減少させ、それにより容器内部に充填された飲料等の保存寿命を改善することは公知である。
 例えば、以下の特許文献1には、PVAを主成分として含むコーティング剤を適用することにより、樹脂製容器のバリア性を改善することが開示されている。
 しかしながら、コーティングのバリア材料としてPVAを用いて所望のバリア性を得るためには、PVAの塗布量を増やす必要があるが、PVAの塗布量の増加は、乾燥時間の延長による生産性の悪化や、乾燥工程での泡の発生、乾燥不良等といったデメリットをもたらす。一方で、バリア性を有する無機粒子を添加することでPVAの塗布量を減らすことができるが、この場合には、無機粒子を含有するコーティング剤によって形成された塗膜は延伸に耐えることができずに膜切れを起こし易くなるという問題が生じる。
特開2005-306410号公報 特許第5022038号公報 特開2017-65149号公報 特開2017-64640号公報
粘土科学第46巻 第4号 207-218(2007)
 本発明が解決しようとする課題は、バリア性及び延伸性を有する塗膜を形成するためのコーティング剤を提供すること、及び該コーティング剤を用いて、バリア性が高くかつ延伸時の膜切れを起こしにくい塗膜が形成された表面を有する樹脂製容器を提供することである。
 本発明者らは、かかる課題を解決すべく鋭意検討し実験を重ねた結果、ナノオーダーの粒子であるLDHをPVAとともに添加することで、バリア性が高くかつ延伸時の膜切れを起こしにくい塗膜を形成できることを見出し、本発明を完成した。
 本発明は以下のとおりのものである。
[1] バリア性及び延伸性を有する塗膜を形成するためのコーティング剤であって、ポリビニルアルコール(PVA)及び層状複水酸化物(LDH)を含むことを特徴とするコーティング剤。
[2] 前記コーティング剤中にPVAに対して約3重量%~約7重量%のLDHが含まれる、1に記載のコーティング剤。
[3] 前記LDHが酢酸マグネシウム型Mg-Al系LDHである、1又は2に記載のコーティング剤。
[4] 前記コーティング剤中にコーティング剤の全量に対して約8重量%~約13重量%のPVAが含まれる、1~3のいずれかに記載のコーティング剤。
[5] アルコールをさらに含む、1~4のいずれかに記載のコーティング剤。
[6] 前記アルコールが、イソプロピルアルコール又はエタノールである、5に記載のコーティング剤。
[7] ポリビニルアルコール(PVA)及び層状複水酸化物(LDH)を含むバリア層が形成された塗膜を有することを特徴とする、樹脂製容器。
[8] 前記バリア層中にPVAに対して約3重量%~約7重量%のLDHが含まれる、7に記載の樹脂製容器。
[9] 前記LDHが酢酸マグネシウム型Mg-Al系LDHである、7又は8に記載の樹脂製容器。
[10] 前記バリア層中にコーティング剤の全量に対して約8重量%~約13重量%のPVAが含まれる、7~9のいずれかに記載の樹脂製容器。
[11] 前記バリア層中にアルコールをさらに含む、7~10のいずれかに記載の樹脂製容器。
[12] 前記アルコールが、イソプロピルアルコール又はエタノールである、11に記載の樹脂製容器。
[13] 前記樹脂製容器がプラスチックボトルである、7~12のいずれかに記載の樹脂製容器。
[14] プラスチックボトルの開口となる口部と、円筒状胴部と、該円筒状胴部を閉塞する底部とからなるプラスチックボトル用プリフォームであって、ポリビニルアルコール(PVA)及び層状複水酸化物(LDH)を含むバリア層が形成された塗膜を有することを特徴とする、プリフォーム。
[15] 前記バリア層中にPVAに対して約3重量%~約7重量%のLDHが含まれる、14に記載のプリフォーム。
[16] 前記LDHが酢酸マグネシウム型Mg-Al系LDHである、14又は15に記載のプリフォーム。
[17] 前記バリア層中にコーティング剤の全量に対して約8重量%~約13重量%のPVAが含まれる、14~16のいずれかに記載のプリフォーム。
[18] 前記バリア層中にアルコールをさらに含む、14~17のいずれかに記載のプリフォーム。
[19] 前記アルコールが、イソプロピルアルコール又はエタノールである、18に記載のプリフォーム。
[20] プラスチックボトル用プリフォームの製造方法であって、
 プラスチックボトルの開口となる口部と、円筒状胴部と、該円筒状胴部を閉塞する底部とからなるプリフォームを用意する工程、及び
 前記プリフォームの外表面に1~6のいずれかに記載のコーティング剤をコーティングし、これを乾燥させてバリア層を形成させる工程
を含むことを特徴とする方法。
[21] 20に記載の方法によって製造されたプラスチックボトル用プリフォームをブロー成形する工程を含む、プラスチックボトルの製造方法。
 本発明により、バリア性及び延伸性を有する塗膜を形成するためのコーティング剤、及びバリア性が高くかつ延伸時の膜切れを起こしにくい塗膜が形成された表面を有する樹脂製容器が形成される。LDHは、アスペクト比が極端に大きいため、迷路効果によるバリア性が高く、短辺が数nmのため、延伸時の膜切れを起こしにくいものと推察される。
図1は、所定の温度及び湿度条件において、所定の濃度のPVA及びLDHを含むコーティング溶液を用いて形成された塗膜を有するPETボトルの酸素透過度を示すグラフである。 図2は、各コーティング溶液(PVA13%+LDH5%、PVA13%+LDH5%+IPA5%、及びPVA13%+LDH5%+エタノール5%)の粘度における経時変化を示すグラフである。 図3は、ブロー成形後のボトル形状の中心付近の断面のFIB-SIM像である。PVA+LDH層中に白く見えている部分は、LDHが分散(存在)している箇所を示す。 図4は、ブロー成形後のボトル形状の中心付近の断面のTEM像である。
 本発明の1つの態様において、バリア性及び延伸性を有する塗膜を形成するためのコーティング剤であって、PVA及びLDHを含むことを特徴とするコーティング剤が提供される。
 本明細書中、用語「樹脂製容器」とは、飲料や食品を保存するための合成樹脂製の容器を意味し、例えば、プラスチックボトルが挙げられる。プラスチックボトルには、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレン(PP)、及びポリエチレン(PE)製のボトルが包含されるが、好ましくはPETボトルである。
 PVAは、以下の化学式を有し、基材のガス透過性(特に、O2及びCO2)を著しく低下させ、それにより、梱包された食品、ソフトドリンク又はビール等の飲料等の保存寿命を改善に用いられている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
 LDHは、2価の金属水酸化物に3価の金属イオンが固溶した複水酸化物であり、水酸化物基本層が正電荷を持つため層間に負に帯電する陰イオンを挟んだ積層構造を有する。LDHはホスト-ゲスト反応により、二次元基本層(ホスト層)を保持したまま、層空間に原子・分子・イオン(ゲスト物質)を取り込む(インターカレーション)特性を有することから、二酸化炭素吸着材、イオン交換体、難燃性添加剤、薬物キャリアー、セメント添加剤など様々な分野で研究されている。LDHは、粘土鉱物の一種に分類され、天然には産出量は少ないものの幾つかの種類が存在するが、その中で最も一般的に用いられているものはハイドロタルサイトであり、Mg6Al2(OH)16CO3・4H2Oの組成式により表される。
 非特許文献1に開示されるとおり、LDHは、以下の一般式により表され、その結晶構造は、二価金属イオンの一部を三価金属イオンが置換した正八面体の水酸化物層である基本層と、層間陰イオンと層間水からなる中間層が交互に積層した構造を有している。
      [M2+ 1-x3+ x(OH)2X+[An- x/n・yH2O]
 ここで、M2+は、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znなどの二価金属イオンであり、M3+は、Al、Cr、Fe、Co、Inなどの三価金属イオンである。水酸化物基本層は二価金属イオンの一部を三価金属イオンが置換することにより正電荷をもち、その電荷を補うために中間層へ陰イオンを取り込んで電気的中性を保っている。また層間には、層間水として水分子も取り込まれている。中間層の陰イオンであるAn-は、Cl-、NO3-、CO3 2-、COO-などであり、種類によっては交換が可能である。また、xは、x=[M3+]/([M2+]+[M3+])であって、通常x=0.2~0.33であり、yは0より大きい実数である。
 本発明において用いられるLDHは特定に限定されないが、中間層にMgの酢酸塩がインターカレートされた酢酸マグネシウム型Mg-Al系LDHが好ましい。酢酸マグネシウム型Mg-Al系LDHは、特許文献2に詳しく開示されており、具体的には、
  M(II)1-xM(III)x(OH)2
(式中、M(II)はMgであり、M(III)はAlであり、x=0.2~0.33である)の金属複水酸化物よりなる基本層と、該基本層間の中間層にインターカレートされたMgの酢酸塩及び層間水より構成される。このようなLDHは、例えば、商品名T-HT A610(組成式:Mg6Al2(OH)18Mg(CH3COO)2・nH2O)として、テイカ株式会社から購入することができる。
 本発明に係るコーティング剤の調製に使用できる溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、IPA、MEK、アセトン、エチレングリコール、トリエチレングリコール、グリセリン、アセトアミド、ジメチルアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、シクロヘキサノン、テトラヒドロフラン、DMSO、ピリジン、及び/又はこれらの組み合わせが挙げられる。
 本発明に係るコーティング剤中のLDHの濃度は、PVAに対する相対濃度として、典型的には約3重量%~約7重量%であり、好ましくは約5重量%である。また、本発明に係るコーティング剤中のPVAの濃度は、コーティング剤の全量に対する絶対濃度として、典型的には約8重量%~約13重量%であり、好ましくは約10重量%である。
 本発明に係るコーティング剤は、アルコールをさらに含んでもよい。LDHには粘性付与効果があるため、LDHを含むコーティング剤の粘度は経時変化より上昇するおそれがあるが、コーティング剤にアルコールを添加することで粘度の上昇を抑制することができる。本発明において用いられるアルコールは特に限定されないが、イソプロピルアルコール、エタノール、及び/又はこれらの組み合わせが挙げられ、特にイソプロピルアルコールが好ましい。本発明に係るコーティング剤中のアルコールの濃度は、溶媒に対する相対濃度として、典型的には約3重量%~約13重量%であり、好ましくは約5重量%である。
 本発明の別の態様において、PVA及びLDHを含むバリア層が形成された塗膜を有することを特徴とする、樹脂製容器又はプラスチックボトル用プリフォームが提供される。プラスチックボトル用プリフォームは、プラスチックボトルにブロー成形する前の中間製品であり、プラスチックボトルの開口となる口部と、円筒状胴部と、該円筒状胴部を閉塞する底部とからなる。本発明に係る樹脂製容器又はプラスチックボトル用プリフォームは、上述した本発明に係るコーティング剤を樹脂製容器又はプリフォームの表面にコーティングし、これを乾燥させてバリア層を形成させることによって得られる。
 コーティング剤のコーティングには、例えば、ディッピング(浸漬)方式、ブロー方式、スプレー方式、コーター方式、及び転写方式といった当業界に周知のコーティング方法のほか、スロットダイを用いたディスペンサーコーティング方法を使用することができる。
 スロットダイ方式のコーティング方法は、特許文献3及び4に詳しく開示されており、樹脂製容器又はプリフォームを水平方向に保持し、この樹脂製容器又はプリフォームを軸線回りに回転させ、そして、回転している樹脂製容器又はプリフォームに向かってディスペンサーのスロットからコーティング液を面状に吐出させることによって達成される。このような方式のコーティング方法を用いることにより、樹脂製容器又はプリフォームに形成されるコーティングの膜厚のバラツキを低減すると共に、樹脂製容器又はプリフォームに塗布されたコーティング液に気泡が発生することを抑制することができる。
 上記コーティング工程に先立って、前記樹脂製容器又はプリフォーム表面をプラズマ、コロナ又は電子線処理することが好ましい。かかる前処理によって、基材へのコーティング剤の付着を強化することができる。
 コーティング剤の乾燥手段は特に限定されないが、ヒーター及び送風(常温又は熱風)により実施されることが好ましい。コーティング剤の加熱乾燥時間を短くするためには、溶媒及び水酸基の吸収波長に適合した加熱波長をもつ熱源を選択することにより膜の内部からの加熱することが効果的である。この点から、近赤外線~中赤外線を発生するカーボンヒーターの使用が好ましい。また、膜を冷やさずに蒸発した水を効率良く除去するためには、近赤外線~中赤外線を発生するカーボンヒーターの使用とともに、遠赤外線ヒーターや送風(常温)又は熱風を吹き付けることを併用してもよい。乾燥温度は、常温~80℃であることが好ましい。100℃以上では溶液沸騰のおそれがあり、また、80℃を超えると過加熱により基材が白化したり変形したりするおそれがある。
 コーティング剤が乾燥することにより、樹脂製容器又はプリフォーム表面上にPVAを含みかつLDHが均一に分散されたバリア層を有する塗膜が形成される。樹脂製容器のバリア層の厚さは、典型的には約2μm~約8μmである。
 本発明に係るプリフォームを延伸ブロー成形することにより、プラスチックボトルが製造される。したがって、本発明のさらなる態様として、本発明に係るプラスチックボトル用プリフォームをブロー成形することによって得られるプラスチックボトルの製造方法が提供される。
[実施例1:コーティング溶液の調製(アルコール添加なし)]
 大きめのガラス容器に純水447.5gを量り取り、そこに酢酸Mg型LDH(T-HT A610,テイカ)の粉末を2.5g添加し溶液を得た。これを攪拌機にて300rpmで30分間攪拌してLDHを完全に溶解させた。
 PVA(エクセバール(登録商標)390,クラレ)の粉末50gを量り取り、これを上記で作成したLDH溶液に添加した。恒温槽を準備して、お湯を入れヒーターの設定温度を95℃に設定した。当該恒温槽中で、上記で得られたLDH溶液を攪拌機にて300rpmで攪拌した。水温が95℃に到達したのを確認した後、1時間攪拌した。PVAの溶け残りがある場合は、攪拌機の速度を適宜上げて、溶液が完全に透明になるまで攪拌した。ヒーターのスイッチを切り、300rpmで攪拌しながら溶液の温度を徐々に下げ、常温(23℃)に下がるまで攪拌を継続した。
 上記により作製したコーティング溶液中の各成分の重量と濃度は以下のとおりである。
      重量(g)  濃度(重量%)  相対濃度(重量%)
PVA   50     10.05
LDH   2.5    0.556    5(PVAに対して)
水     447.5
合計    500
[実施例2:コーティング溶液の調製(アルコール添加あり)]
 大きめのガラス容器に純水397.5gを量り取り、そこに酢酸Mg型LDH(T-HT A610,テイカ)の粉末を2.5g添加し溶液を得た。これを攪拌機にて300rpmで30分間攪拌してLDHを完全に溶解させた。
 PVAの粉末(エクセバール(登録商標)390,クラレ)50gを量り取り、これを上記で作成したLDH溶液に添加した。恒温槽を準備して、お湯を入れヒーターの設定温度を95℃に設定した。当該恒温槽中で、上記で得られたLDH溶液を攪拌機にて300rpmで攪拌した。水温が95℃に到達したのを確認した後、1時間攪拌した。PVAの溶け残りがある場合は、攪拌機の速度を適宜上げて、溶液が完全に透明になるまで攪拌した。ヒーターのスイッチを切り、300rpmで攪拌しながら溶液の温度を徐々に下げ、常温(23℃)に下がるまで攪拌を継続した。
 上記とは別容器に、純水50gとIPA(和光純薬)50gを量り取り、軽く手で攪拌して混合した後、その全量を上記で得られた混合溶液に添加した。常温にて、300rpmで30分間攪拌した。
 上記により作製したコーティング溶液中の各成分の重量と濃度は以下のとおりである。
      重量(g)  濃度(重量%)  相対濃度(重量%)
PVA   50     10.05
LDH   2.5    0.556    5(PVAに対して)
水     422.5
IPA   25              5(水に対して)
合計    500
[実施例3:LDH濃度に対するバリア性の評価]
 500ml用PETボトル用プリフォーム(24g)の外表面に大気中プラズマ照射表面改質装置(ウエッジ株式会社製、PS-1200AW)にて約3秒間プラズマ照射した後、オーブン中で50℃に加熱した。その後、プリフォームを50℃に保ちながら、実施例1と同様の方法を用いてPVA濃度を13%に固定して作成した各コーティング溶液(PVA13%+LDH0%、PVA13%+LDH3%、PVA13%+LDH5%、PVA13%+LDH7%)に1又は2回ディッピングし、50℃のオーブン中で1時間乾燥させた。各コーティング溶液の塗膜を有するプリフォームを延伸ブロー成形機にて、慣用の条件で延伸ブロー成形し、PETボトルを製造した。
 MOCON酸素透過率測定装置(MOCON社製、OXTRAN-2/61)によりPETボトルの酸素透過度を測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表1及び図1に示されるとおり、LDH5%添加で、塗布量を約50%削減することができることがわかった。乾燥時間も半分近く短縮することができる。LDH3%未満では、バリア効果が低く、LDH7%超ではオーバースペックであり、かつ溶液の粘度の上昇の懸念があるため、LDH5%を標準添加量とした。
[実施例4:PVA濃度に対するバリア性の評価]
 500ml用PETボトル用プリフォーム(24g)の外表面に大気中プラズマ照射表面改質装置(ウエッジ株式会社製、PS-1200AW)にて約3秒間プラズマ照射した後、オーブン中で50℃に加熱した。その後、プリフォームを50℃に保ちながら、実施例1と同様の方法を用いてLDH濃度を5%に固定して作成した各コーティング溶液(PVA8%+LDH5%、PVA10%+LDH5%、PVA11.5%+LDH5%、PVA13%+LDH5%)に1又は2回ディッピングし、50℃のオーブン中で1時間乾燥させた。各コーティング溶液の塗膜を有するプリフォームを延伸ブロー成形機にて、慣用の条件で延伸ブロー成形し、PETボトルを製造した。
 MOCON酸素透過率測定装置(MOCON社製、OXTRAN-2/61)によりPETボトルの酸素透過度を測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 表2に示されるとおり、PVA濃度が増加することで、ディッピング1回あたりの塗布量が増加するため、バリア性も比例して上昇する傾向が見られた。コストメリットがあるバリア改善効果やハンドリングの容易性を考慮して、PVA濃度10%が最適な濃度であると考えられる。
[実施例5:アルコールの粘度抑制効果の評価]
 実施例1及び2と同様の方法を用いて、各コーティング溶液(PVA13%+LDH5%、PVA13%+LDH5%+IPA5%、PVA13%+LDH5%+エタノール5%)を作成し、粘度の経時変化を調べた。
 図2にからもわかるように、PVAとLDHのみを添加した溶液の粘度は時間の経過により上昇したが、アルコールを添加することにより溶液の粘度の上昇を抑制できることがわかった。粘度の抑制効果は、エタノールよりもIPAの方が大きかった。
[実施例6:FIB-SIM観察]
 500ml用PETボトル用プリフォーム(24g)を実施例1に記載のコーティング溶液に2回ディッピングし、乾燥させた後、これをブロー成形することにより得られたPETボトルの中心付近をFIB加工装置(セイコーインスツルメンツ社製、SM12050)で切削加工し、FIB-SIMにて像の観察を行った。
 図3に示されるとおり、ナノオーダーのLDHがバリア層に均一に分散していることが観察された。
[実施例7:TEM観察]
 500ml用PETボトル用プリフォーム(24g)を実施例1に記載のコーティング溶液に2回ディッピングし、乾燥させた後、これをブロー成形することにより得られたPETボトルの中心付近をTEM装置(日本雷子社製、JEM-220OFS)にて像の観察を行った。
 図4に示されるとおり、アスペクト比の大きい棒状のLDHがPVA中に同方向に分散していることが観察された。このような構造により、迷路効果が発現し、バリア性が向上するものと推察される。

Claims (21)

  1.  バリア性及び延伸性を有する塗膜を形成するためのコーティング剤であって、ポリビニルアルコール(PVA)及び層状複水酸化物(LDH)を含むことを特徴とするコーティング剤。
  2.  前記コーティング剤中にPVAに対して約3重量%~約7重量%のLDHが含まれる、請求項1に記載のコーティング剤。
  3.  前記LDHが酢酸マグネシウム型Mg-Al系LDHである、請求項1又は2に記載のコーティング剤。
  4.  前記コーティング剤中にコーティング剤の全量に対して約8重量%~約13重量%のPVAが含まれる、請求項1~3のいずれか1項に記載のコーティング剤。
  5.  アルコールをさらに含む、請求項1~4のいずれか1項に記載のコーティング剤。
  6.  前記アルコールが、イソプロピルアルコール又はエタノールである、請求項5に記載のコーティング剤。
  7.  ポリビニルアルコール(PVA)及び層状複水酸化物(LDH)を含むバリア層が形成された塗膜を有することを特徴とする、樹脂製容器。
  8.  前記バリア層中にPVAに対して約3重量%~約7重量%のLDHが含まれる、請求項7に記載の樹脂製容器。
  9.  前記LDHが酢酸マグネシウム型Mg-Al系LDHである、請求項7又は8に記載の樹脂製容器。
  10.  前記バリア層中にコーティング剤の全量に対して約8重量%~約13重量%のPVAが含まれる、請求項7~9のいずれか1項に記載の樹脂製容器。
  11.  前記バリア層中にアルコールをさらに含む、請求項7~10のいずれか1項に記載の樹脂製容器。
  12.  前記アルコールが、イソプロピルアルコール又はエタノールである、請求項11に記載の樹脂製容器。
  13.  前記樹脂製容器がプラスチックボトルである、請求項7~12のいずれか1項に記載の樹脂製容器。
  14.  プラスチックボトルの開口となる口部と、円筒状胴部と、該円筒状胴部を閉塞する底部とからなるプラスチックボトル用プリフォームであって、ポリビニルアルコール(PVA)及び層状複水酸化物(LDH)を含むバリア層が形成された塗膜を有することを特徴とする、プリフォーム。
  15.  前記バリア層中にPVAに対して約3重量%~約7重量%のLDHが含まれる、請求項14に記載のプリフォーム。
  16.  前記LDHが酢酸マグネシウム型Mg-Al系LDHである、請求項14又は15に記載のプリフォーム。
  17.  前記バリア層中にコーティング剤の全量に対して約8重量%~約13重量%のPVAが含まれる、請求項14~16のいずれか1項に記載のプリフォーム。
  18.  前記バリア層中にアルコールをさらに含む、請求項14~17のいずれか1項に記載のプリフォーム。
  19.  前記アルコールが、イソプロピルアルコール又はエタノールである、請求項18に記載のプリフォーム。
  20.  プラスチックボトル用プリフォームの製造方法であって、
     プラスチックボトルの開口となる口部と、円筒状胴部と、該円筒状胴部を閉塞する底部とからなるプリフォームを用意する工程、及び
     前記プリフォームの外表面に請求項1~6のいずれか1項に記載のコーティング剤をコーティングし、これを乾燥させてバリア層を形成させる工程
    を含むことを特徴とする方法。
  21.  請求項20に記載の方法によって製造されたプラスチックボトル用プリフォームをブロー成形する工程を含む、プラスチックボトルの製造方法。
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