JP6733059B1 - エチレン−ビニルアルコール共重合体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]エチレン単位含有量が15〜60モル%、けん化度が85モル%以上であるEVOHであって、前記共重合体が末端に下記の構造(I)を含有する分子及び構造(II)を含有する分子を含み、全単量体単位に対する、構造(I)及び構造(II)の合計含有量が0.002〜0.020モル%であり、かつ構造(I)及び構造(II)の合計に対する、構造(I)のモル比R[I/(I+II)]が下記式(1)を満たす、EVOH;
0.8<R+Et/100 (1)
[式(1)中、Etは前記エチレン単位含有量(モル%)である。]
[2]下記式(2)を満たす、[1]のEVOH;
0.9<R+Et/100 (2)
[式(2)中、R及びEtは式(1)と同じである。]
[3][1]又は[2]のEVOH及び金属イオン100〜400ppmを含有する、樹脂組成物;
[4]カルボン酸50〜400ppmを含有する、[3]の樹脂組成物;
[5][1]又は[2]のEVOHを含む成形体;
[6][3]又は[4]の樹脂組成物を含む成形体;
[7]アルコキシ基を含有するアゾニトリル系化合物を重合開始剤として用いて、溶液中でエチレンとビニルエステルとを共重合してエチレン−ビニルエステル共重合体溶液を得る共重合工程と、前記溶液中のエチレン−ビニルエステル共重合体をアルカリ触媒下でけん化してEVOHを得るけん化工程とを含み、前記けん化工程において、エチレン−ビニルエステル共重合体に含まれるビニルエステル成分1モルに対してアルカリ触媒を1.2モル以上使用するとともに、超音波又はマイクロ波を前記溶液に照射する、[1]又は[2]のEVOHの製造方法である。
本発明のEVOHは、エチレン単位含有量が15〜60モル%、けん化度が85モル%以上であるものであって、前記共重合体が末端に下記の構造(I)を含有する分子及び構造(II)を含有する分子を含み、全単量体単位に対する、構造(I)及び構造(II)の合計含有量が0.002〜0.020モル%であり、かつ構造(I)及び構造(II)の合計に対する、構造(I)のモル比R[I/(I+II)]が下記式(1)を満たすものである。
0.8<R+Et/100 (1)
0.9<R+Et/100 (2)
[式(1)及び式(2)中、Etは前記エチレン単位含有量(モル%)である。]
本発明の樹脂組成物が金属イオンをさらに含有することが好ましい。本発明の樹脂組成物が金属イオンを含有すると、多層の成形体、すなわち多層構造体とした時の層間接着性が優れたものとなる。層間接着性が向上する理由は定かでないが、前記樹脂組成物からなる層と隣接する層中に、EVOHのヒドロキシ基と反応し得る官能基を有する分子が含まれる場合には、金属イオンによって両者の結合生成反応が加速されると考えられる。また、金属イオンと後述するカルボン酸との含有比率を制御すると、本発明の樹脂組成物の溶融成形性や着色耐性も改善できる。
本発明の樹脂組成物はカルボン酸をさらに含有することが好ましい。本発明の樹脂組成物がカルボン酸を含有すると、本発明の樹脂組成物の溶融成形性や高温下での着色耐性を改善できる。特に、得られる樹脂組成物のpH緩衝能力が高まり、酸性物質や塩基性物質に対する着色耐性を改善できる場合がある点から、カルボン酸のpKaが3.5〜5.5の範囲にあることがより好ましい。
本発明の樹脂組成物は、本発明の効果を損なわない範囲でその他の成分をさらに含有していてもよい。その他の成分としては、例えばリン酸化合物、ホウ素化合物、EVOH以外の熱可塑性樹脂、架橋剤、乾燥剤、酸化促進剤、酸化防止剤、酸素吸収剤、可塑剤、滑剤、熱安定剤(溶融安定剤)、加工助剤、界面活性剤、脱臭剤、帯電防止剤、紫外線吸収剤、防曇剤、難燃剤、顔料、染料、フィラー、充填剤、各種繊維等の補強剤が挙げられる。
本発明のEVOHを含む成形体が本発明の好適な実施態様である。このとき、前記EVOHとして、前記樹脂組成物を用いることがより好適である。前記EVOHは、単層構造の成形体とすることもできるし、他の各種基材と共に2種以上の多層構造の成形体、すなわち多層構造体とすることもできる。成形方法としては、例えば押出成形、熱成形、異形成形、中空成形、回転成形、射出成形が挙げられる。本発明の成形体の用途は多岐に亘り、例えばフィルム、シート、容器、ボトル、タンク、パイプ、ホース等が挙げられる。
前記成形体が本発明の樹脂組成物からなる層を含む多層構造体であることが好ましい。当該多層構造体は、本発明の樹脂組成物からなる層と他の層とを積層して得られる。当該多層構造体の層構成としては、本発明の樹脂組成物以外の樹脂からなる層をx層、本発明の樹脂組成物層をy層、接着性樹脂層をz層とすると、例えばx/y、x/y/x、x/z/y、x/z/y/z/x、x/y/x/y/x、x/z/y/z/x/z/y/z/x等が挙げられる。複数のx層、y層、z層を設ける場合は、その種類は同じでも異なってもよい。また、成形時に発生するトリム等のスクラップからなる回収樹脂を用いた層を別途設けてよいし、回収樹脂を他の樹脂からなる層に混合してもよい。多層構造体の各層の厚さ構成は、成形性及びコスト等の観点から、全層厚さに対するy層の厚さ比が通常2〜20%である。
本発明のEVOHの製造方法は、(i)エチレンとビニルエステルとを共重合してエチレン−ビニルエステル共重合体を得る共重合工程、及び(ii)前記エチレン−ビニルエステル共重合体をアルカリ触媒下でけん化してエチレン−ビニルアルコール共重合体を得るけん化工程を含む。とりわけ、前記EVOHを簡便に製造する観点からは、アルコキシ基を含有するアゾニトリル系化合物を重合開始剤として用いて、溶液中でエチレンとビニルエステルとを共重合してエチレン−ビニルエステル共重合体溶液を得る共重合工程と、前記溶液中のエチレン−ビニルエステル共重合体をアルカリ触媒下でけん化してエチレン−ビニルアルコール共重合体を得るけん化工程とを含み、前記けん化工程において、エチレン−ビニルエステル共重合体に含まれるビニルエステル成分1モルに対してアルカリ触媒を1.2モル以上使用するとともに、超音波又はマイクロ波を前記溶液に照射する、前記EVOHの製造方法が極めて好ましい。
共重合工程は、エチレンとビニルエステルとを共重合させる工程に加え、必要に応じて重合禁止剤を添加し、それに続いて未反応エチレン、未反応ビニルエステルを除去してエチレン−ビニルエステル共重合体溶液を得る工程をも含む。エチレンとビニルエステルとの共重合方法としては、例えば溶液重合、懸濁重合、乳化重合、バルク重合などの公知の方法が挙げられ、溶液重合方法が好適である。ビニルエステルとしては、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル及びピバリン酸ビニル等の脂肪族ビニルエステルが好ましく、酢酸ビニルがより好ましい。なお、エチレン及びビニルエステルと共重合し得る他の単量体を、本発明の効果を損なわない範囲で少量共重合してもよい。重合温度は20〜90℃が好ましく、40〜70℃がより好ましい。重合時間は、通常2〜15時間である。重合率は仕込みのビニルエステルに対して10〜90%が好ましく、30〜80%がより好ましい。重合後の反応液中の樹脂含有量は、通常5〜85質量%である。
次に、エチレン−ビニルエステル共重合体溶液にアルカリ触媒を添加し、溶液中のエチレン−ビニルエステル共重合体をけん化することによりエチレン−ビニルアルコール共重合体を得る。けん化工程は連続式、回分式のいずれの方式でも行うことができる。アルカリ触媒としては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アルカリ金属アルコラートが挙げられる。式(1)を満たすようモル比R[I/(I+II)]を制御するには、けん化工程において、エチレン−ビニルエステル共重合体に含まれるビニルエステル成分1モルに対してアルカリ触媒を1.2モル以上使用するとともに、超音波又はマイクロ波を前記溶液に照射することが極めて好ましい。
造粒工程は、例えば、(1)けん化工程で得られた反応液を低温の貧溶媒中に押出して共重合体を析出又は凝固させ、その直後に又はさらに冷却固化させた後に切断して含水ペレットを得る方法、(2)けん化工程で得られた反応液を水蒸気と接触させて予め含水樹脂組成物としてから切断して含水ペレットを得る方法、(3)けん化工程で得られた反応液に水を加えて共重合体を析出させた後に当該共重合体を砕いて含水ペレットを得る方法により行うことができる。含水ペレットの含水量は、通常EVOH100質量部に対して、50〜200質量部である。
造粒工程で得られた含水ペレットは、乾燥工程に付してEVOHの乾燥ペレットとすることが好ましい。乾燥ペレット中の含水率は、成形加工時のボイドの発生を防ぐ目的から、EVOH100質量部に対して、1.0質量部以下が好ましく、0.5質量部以下がより好ましく、0.3質量部以下がさらに好ましい。乾燥方法としては、例えば静置乾燥や流動乾燥が挙げられ、これらは単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて用いてもよい。乾燥工程は連続式、バッチ式いずれの方法で行ってもよく、複数の乾燥方法を組み合わせて行う場合は、各乾燥方法について連続式、バッチ式を自由に選択できる。なお、乾燥工程を低酸素濃度或いは無酸素状態で行うと、乾燥中における酸素によるEVOHの劣化を低減できる点で好ましい。
内部標準物質としてテトラメチルシラン(TMS)、添加剤としてトリフルオロ酢酸(TFA)を含む重ジメチルスルホキシド(DMSO−d6)に、各実施例及び比較例で得られた乾燥ペレットを溶解し、500MHzの1H−NMR(日本電子株式会社製:「GX−500」)を用いて80℃で測定し、エチレン単位、ビニルアルコール単位、ビニルエステル単位のピーク強度比よりエチレン単位含有量及びけん化度を求めた。
内部標準物質としてTMSを含むDMSO−d6に各実施例及び比較例で得られた乾燥ペレットを溶解し、500MHzの1H−NMR(日本電子株式会社製:「GX−500」)を用いて45℃で測定し、エチレン単位、ビニルアルコール単位、ビニルエステル単位のピーク強度と構造(I)及び構造(II)が有するメトキシ基のメチル水素又はエトキシ基のメチレン水素のピーク強度比より構造(I)及び構造(II)の含有量を求めた。なお、構造(I)及び構造(II)が有するメトキシ基のメチル水素のピークは、それぞれ3.07ppm、3.09ppm付近に検出された。
各実施例及び比較例で得られた乾燥ペレット0.5gを、テフロン(登録商標)製圧力容器に入れ、濃硝酸5mLを加えて室温で30分間静置し、次いで蓋をして150℃で10分間、次いで180℃で5分間加熱することで湿式分解を行い、その後室温まで冷却した。得られた処理液を50mLのメスフラスコに移し純水でメスアップした溶液を用いて、ICP発光分光分析装置により各金属イオンの含有量を定量した。なお、リン酸化合物、ホウ素化合物の含有量も同様の方法で定量できる。
各実施例及び比較例で得られた乾燥ペレット10gと純水50mLを共栓付き100mL三角フラスコに入れ、還流冷却器を取り付けて95℃で8時間加熱した後、20℃まで冷却した。得られた抽出液をフェノールフタレインを指示薬として、0.02モル/Lの水酸化ナトリウム水溶液で滴定し、カルボン酸を定量した。
各実施例及び比較例で得られた乾燥ペレット60gを、ラボプラストミル(二軸異方向)を用いて100rpm、230℃で混練したときのトルク変化を測定した。混練開始から1〜5分後までの間のトルクの平均値TIと、混練開始から5〜20分後までの間でのトルクの最大値TMとの比率(TM/TI)を下記のA〜Dの基準で評価し(数字が小さい方が粘度安定性に優れる)、粘度安定性の指標とした。
A :1.10未満
B :1.10以上1.25未満
C :1.25以上1.40未満
D :1.40以上
各実施例及び比較例で得られた乾燥ペレット10gを、加熱圧縮プレス装置で220℃、6分間加熱溶融させて、厚み3mmの円盤状試験片を複数作製した。得られた試験片を0.1モル/Lの水酸化ナトリウム水溶液100gに浸漬し、試験片が入った容器の蓋をして80℃で1週間静置した。試験片を取り出し、その着色度合いを別途80℃で純水に1週間浸漬した別の試験片と目視で比較して下記のA〜Dの基準で評価し、アルカリ条件下における着色耐性の指標とした。
A:目視ではほとんど区別できない
B:わずかに着色している
C:やや着色(淡黄色)している
D:かなり着色(黄色)している
容量250Lの加圧反応槽を用いて、以下の原料及び条件で重合を行うことにより、エチレン−酢酸ビニル共重合体を得た。
・酢酸ビニル:83.0kg
・メタノール:26.6kg
・重合開始剤:2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)(2.5g/Lメタノール溶液)初期供給量:362mL、連続供給量:1120mL/hr
・重合温度:60℃
・重合槽のエチレン圧力:3.6MPa
重合条件を下記に変更した以外は合成例1と同様の操作により、エチレン単位含有量24モル%のエチレン−酢酸ビニル共重合体のメタノール溶液を得た。
・酢酸ビニル:102.0kg
・メタノール:17.7kg
・重合開始剤:2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)(2.5g/Lメタノール溶液)初期供給量:280mL、連続供給量:850mL/hr
・重合槽のエチレン圧力:2.9MPa
重合条件を下記に変更した以外は合成例1と同様の操作により、エチレン単位含有量27モル%のエチレン−酢酸ビニル共重合体のメタノール溶液を得た。
・酢酸ビニル:85.2kg
・メタノール:32.3kg
・重合開始剤:2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)(2.5g/Lメタノール溶液)初期供給量:310mL、連続供給量:950mL/hr
・重合槽のエチレン圧力:2.9MPa
重合条件を下記に変更した以外は合成例1と同様の操作により、エチレン単位含有量44モル%のエチレン−酢酸ビニル共重合体のメタノール溶液を得た。
・酢酸ビニル:76.7kg
・メタノール:11.0kg
・重合開始剤:2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)(2.5g/Lメタノール溶液)初期供給量:510mL、連続供給量:1570mL/hr
・重合槽のエチレン圧力:5.5MPa
重合条件を下記に変更した以外は合成例1と同様の操作により、エチレン単位含有量32モル%のエチレン−酢酸ビニル共重合体のメタノール溶液を得た。
・酢酸ビニル:83.0kg
・メタノール:20.8kg
・重合開始剤:2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)(2.5g/Lメタノール溶液)初期供給量:1450mL、連続供給量:4360mL/hr
・重合槽のエチレン圧力:3.8MPa
合成例1で得られたエチレン−酢酸ビニル共重合体のメタノール溶液をケン化反応器に仕込み、水酸化ナトリウム(NaOH)の2モル/Lメタノール溶液を、共重合体中のビニルエステル成分に対する水酸化ナトリウムのモル比(NaOH/ビニルエステル単位)が3となるように添加し、さらにメタノールを加えて共重合体濃度が5質量%になるように調整した。この溶液を60℃に昇温し、攪拌しながら3時間けん化反応を行った。この際、最後の1時間は超音波洗浄器「US CLEANER USK−2R」を用いて、出力80W、周波数40kHzで、超音波を反応器を介して反応液に照射しながら反応を行った。その後、酢酸と水を添加してけん化反応を停止させるとともに、EVOHを析出させた。析出したEVOHを回収し、細かく砕いて含水ペレットを得た後、酢酸水溶液及びイオン交換水を用いて洗浄し、さらに酢酸ナトリウム及び酢酸を含む水溶液で浸漬処理を行った。この水溶液と含水ペレットを分離して脱液した後、熱風乾燥機に入れて80℃で3時間、次いで110℃で35時間乾燥を行って、本発明の樹脂組成物を乾燥ペレットとして得た。得られた乾燥ペレットを用いて、上記した分析及び評価を行った。なお、浸漬処理において、水溶液の酢酸ナトリウム及び酢酸の濃度を調節することで、ナトリウム及び酢酸の含有量がそれぞれ180ppm、300ppmの樹脂組成物を得た。
水酸化ナトリウムの2モル/Lメタノール溶液を、共重合体中のビニルエステル成分に対する水酸化ナトリウムのモル比(NaOH/ビニルエステル単位)が1.5となるように添加したこと、及びけん化反応の最後の15分間に超音波の照射を行ったこと以外は実施例1と同様の操作により乾燥ペレットを製造して、分析及び評価を行った。
表1に記載された合成例で得られたエチレン−酢酸ビニル共重合体のメタノール溶液を使用した以外は実施例1と同様の操作により乾燥ペレットを製造して、分析及び評価を行った。
酢酸ナトリウムの代わりに酢酸カリウムを使用し、カリウム及び酢酸の含有量がそれぞれ300ppm、300ppmとなるように浸漬処理用水溶液の各成分の濃度を調節した以外は、実施例1と同様の操作により乾燥ペレットを製造して、分析及び評価を行った。
合成例1で得られたエチレン−酢酸ビニル共重合体のメタノール溶液をポリ四フッ化エチレン樹脂製反応器に仕込み、水酸化ナトリウムの2モル/Lメタノール溶液を、共重合体中のビニルエステル成分に対する水酸化ナトリウムのモル比(NaOH/ビニルエステル単位)が3となるように添加し、さらにメタノールを加えて共重合体濃度が5%になるように調整した。得られた溶液をマイクロ波照射装置(Anton Paar社製、Multiwave3000型)内に静置して密閉し、攪拌を開始した。出力を800Wとし、温度が60℃になるまで昇温させ、その後2時間保持した。ここで反応液に照射したマイクロ波の周波数は2450MHz(2.45GHz)であった。その後、反応器をマイクロ波照射装置から取り出して、室温下で放冷後、酢酸と水を添加してけん化反応を停止させるとともに、EVOHを析出させた。析出したEVOHを回収し、細かく砕いて含水ペレットを得た後、酢酸水溶液及びイオン交換水を用いて洗浄し、さらに酢酸ナトリウム及び酢酸を含む水溶液で浸漬処理を行った。この水溶液と含水ペレットを分離して脱液した後、熱風乾燥機に入れて80℃で3時間、次いで110℃で35時間乾燥を行って、本発明の樹脂組成物を乾燥ペレットとして得た。得られた乾燥ペレットを用いて、上記した分析及び評価を行った。なお、浸漬処理において、水溶液の酢酸ナトリウム及び酢酸の濃度を調節することで、ナトリウム及び酢酸の含有量がそれぞれ180ppm、300ppmの樹脂組成物を得た。
水酸化ナトリウムの2モル/Lメタノール溶液を、共重合体中のビニルエステル成分に対する水酸化ナトリウムのモル比(NaOH/ビニルエステル単位)が0.8となるように添加したこと及び超音波の照射を行わなかったこと以外は実施例1と同様の操作により乾燥ペレットを製造して、分析及び評価を行った。
合成例5で得られたエチレン−酢酸ビニル共重合体のメタノール溶液を使用した以外は実施例1と同様の操作により乾燥ペレットを製造して、分析及び評価を行った。
合成例5で得られたエチレン−酢酸ビニル共重合体のメタノール溶液を使用した以外は比較例1と同様の操作により乾燥ペレットを製造して、分析及び評価を行った。
Claims (6)
- エチレン単位含有量が15〜60モル%、けん化度が85モル%以上であるエチレン−ビニルアルコール共重合体であって、
前記共重合体が末端に下記の構造(I)を含有する分子及び構造(II)を含有する分子を含み、全単量体単位に対する、構造(I)及び構造(II)の合計含有量が0.002〜0.020モル%であり、
構造(I)及び構造(II)の合計に対する、構造(I)のモル比R[I/(I+II)]が0.5以上であり、かつ
モル比R[I/(I+II)]が下記式(1)を満たす、エチレン−ビニルアルコール共重合体。
[式(I)中、Yは水素原子又はメチル基である。]
[式(II)中、Zは水素原子又はメチル基である。]
0.8<R+Et/100 (1)
[式(1)中、Etは前記エチレン単位含有量(モル%)である。] - 下記式(2)を満たす、請求項1に記載のエチレン−ビニルアルコール共重合体。
0.9<R+Et/100 (2)
[式(2)中、R及びEtは式(1)と同じである。] - 請求項1又は2に記載のエチレン−ビニルアルコール共重合体及び金属イオン100〜400ppmを含有する、樹脂組成物。
- カルボン酸50〜400ppmを含有する、請求項3に記載の樹脂組成物。
- 請求項1又は2に記載のエチレン−ビニルアルコール共重合体を含む成形体。
- 請求項3又は4に記載の樹脂組成物を含む成形体。
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