JP7148853B1 - ガスバリア膜形成組成物、ガスバリア膜、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、エチレン含有量が0~70mol%のビニルアルコール系重合体と層状珪酸塩の層間に4級アンモニウムイオンが導入された膨潤性層状珪酸塩からなる樹脂組成物を食品包装等の包材シートのガスバリア膜に使用することが開示されている(特許文献1参照)。
セルロース繊維、無機層状化合物、及び水を混合した溶液を調製し、分散手段により水溶液に含まれるセルロース繊維の解繊及び無機層状化合物の剥離を同時処理する工程で得られた組成物をガスバリア層形成組成物として用いることが開示されている(特許文献3参照)。
その上、上記のガスバリア膜は基材上にガスを遮断する役目を有し、ガスバリア膜の主成分である板状物質が積層された構造を有し、これらの板状物質間の間隙が迷路効果を発揮し、ガスを基材への到達を低下させ、ガスを遮断することから、高いガスバリア性を奏することが期待される。
上記(a)と(b)が共に該板状粒子(A)の質量に対して0質量%より大きく3.0質量%以下の範囲内の質量を有する板状粒子(A)、
(B)成分:水溶性ポリマー(B)、
(C)成分:水性媒体、
第2観点として、上記層状化合物が、アイラアイトである、第1観点に記載のガスバリア膜形成組成物、
第3観点として、上記板状粒子(A)は層状化合物の動的光散乱法による平均粒子径が10nm~500000nmである水性分散液中に存在する第1観点又は第2観点に記載のガスバリア膜形成組成物、
第4観点として、上記第4級アンモニウムイオン(a)と陰イオン界面活性剤(b)が共に上記板状粒子(A)の質量に対して0.01~3.0質量%の範囲にある第1観点乃至第3観点のいずれか一つに記載のガスバリア膜形成組成物、
第5観点として、上記水溶性ポリマー(B)が、ポリマーの全単位構造中に水酸基又はカルボキシル基を含むモノマー成分の単位構造を有し、該モノマー成分の単位構造比率が30mol%~100mol%である第1観点乃至第4観点のいずれか一つに記載のガスバリア膜形成組成物、
第6観点として、上記水溶性ポリマー(B)が、エチレン-ビニルアルコール共重合体(EVOH)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリル酸(PAA)若しくはその共重合体、又はそれらの混合物である第1観点乃至第5観点のいずれか一つに記載のガスバリア膜形成組成物、
第7観点として、上記(A)成分が0.1~10質量%、(B)成分が0.1~10質量%の割合で含む第1観点乃至第6観点のいずれか一つに記載のガスバリア膜形成組成物、
第8観点として、更にアルカリ成分を含み、8.0~12.0のpHを有する第1観点乃至第7観点のいずれか一つに記載のガスバリア膜形成組成物、
第9観点として、上記アルカリ成分が、アンモニア、第1級アルキルアミン、第2級アルキルアミン、第3級アルキルアミン、又は第4級アルキルアンモニウム水酸化物である第8観点に記載のガスバリア膜形成組成物、
第10観点として、基材と、その基材の表面にあるガスバリア膜を含む成形体であり、該ガスバリア膜は第1観点乃至第9観点のいずれか一つに記載のガスバリア膜形成組成物から形成されたガスバリア膜である上記成形体、
第11観点として、上記基材が、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ナイロン、ポリ乳酸、ポリ塩化ビニル、又はポリ二塩化ビニルである第10観点に記載の成形体、
第12観点として、上記ガスバリア膜が50nm~50μmの膜厚を有する第10観点又は第11観点に記載の成形体、
第13観点として、ガスが水蒸気であり、水蒸気透過率(g/m2/day)に膜厚(μm)を乗じた値が0.001~20g/m2/day×μmである第10観点乃至第12観点のいずれか一つに記載の成形体、
第14観点として、HAZE(ヘーズ値)が15~50である第10観点乃至第13観点のいずれか一つに記載の成形体、
第15観点として、下記(i)工程乃至(vii)工程を含む、第1観点乃至第9観点のいずれか一つに記載のガスバリア膜形成組成物の製造方法、
(i)工程:層状化合物の水性分散液を製造する工程、
(ii)工程:(i)工程で得られた水性分散液に、総炭素原子数13~45であり、且つ、炭素原子数10~20のアルキル基を1つ又は2つ有する第4級アンモニウムイオン(a)を、層状化合物のイオン交換容量の等倍~20倍量となる割合で添加し、40~100℃で、1~100時間加熱する工程、
(iii)工程:(ii)工程で得られた液に純水を加え、該液中のナトリウムイオン濃度が1000ppm以下になるように、ナトリウムイオン含有液を系外に取り除く工程、
(iv)工程:(iii)工程で得られたものに含まれる固形分を、濃度が0.01~20質量%のアンモニウムイオンを有する陰イオン界面活性剤(b)水溶液中に分散させ、その後、さらに、アンモニアを添加して液中のpHを9.0~12.0に調整する工程、
(v)工程:(iv)工程で得られた液を、40~100℃で、1~100時間加熱する工程、
(vi)工程:(v)工程で得られた分散液から、上記第4級アンモニウムイオン(a)及び上記陰イオン界面活性剤(b)の含有量を低減させた板状粒子(A)を得る工程、
(vii)工程:(vi)工程で得られた板状粒子(A)と、水溶性ポリマー(B)と、水性媒体(C)とを混合する工程、
第16観点として、上記(vi)工程は、下記(vi-1)工程、(vi-2)工程、(vi-3)工程、又はそれらの組み合わせにより、上記第4級アンモニウムイオン(a)及び上記陰イオン界面活性剤(b)の含有量を低減させた板状粒子(A)を得る工程である第15観点に記載のガスバリア膜形成組成物の製造方法、
(vi-1)工程:板状粒子(A)分散液を遠心加速度3000~100000Gで板状粒子(A)を遠心分離する方法、
(vi-2)工程:板状粒子(A)分散液に親水性有機溶媒を添加し板状粒子(A)を沈降させて固液分離する方法、
(vi-3)工程:板状粒子(A)分散液をフィルターろ過又は限外ろ過することにより板状粒子(A)を分離する方法、
第17観点として、上記(vi)工程の後に、更に(vii-1)工程を含む第15観点又は第16観点に記載のガスバリア膜形成組成物の製造方法、
(vii-1)工程:(vi)工程で得られた板状粒子(A)とアルカリ成分と水性媒体(C)とを混合し、該混合物をpH8.0~12.0に調整し、次いで、これに分散処理を施すことにより板状粒子(A)の分散液を得る工程、
(vii)工程:(vii-1)工程で得られる板状粒子(A)の分散液と、水溶性ポリマー(B)と、水性媒体(C)とを混合する工程、
第18観点として、基材の表面に第1観点乃至第9観点のいずれか一つに記載のガスバリア膜形成組成物を塗布し、30~200℃の温度で加熱しガスバリア膜を形成する工程を有する成形体の製造方法、及び
第19観点として、上記塗布が、ロールコート法、スプレーコート法、インクジェット法、スピンコート法、バーコート法、スリットコート法、又はディッピング法である第18観点に記載の成形体の製造方法。
(A)成分:層状化合物の層間剥離により生じる剥離層物質からなる板状粒子(A)であり、該板状粒子(A)は、平均厚さ0.7nm~100nm、平均長径100nm~100000nm、(最大長径/最大長径に直交する幅)=1.0~10.0を有するとともに、総炭素原子数13~45であり、且つ、炭素原子数10~20のアルキル基を1つ又は2つ有する第4級アンモニウムイオン(a)と、アンモニウムイオンを有する陰イオン界面活性剤(b)とを含み、
上記(a)と(b)が共に該板状粒子(A)の質量に対して0質量%より大きく3.0質量%以下の範囲内の質量を有する板状粒子(A)、
(B)成分:水溶性ポリマー(B)、
(C)成分:水性媒体。
また前記分散液中での板状粒子(A)の濃度は、30質量%以下、又は0.01~30質量%、又は0.1~30質量%とすることができる。
さらに板状粒子(A)の平均粒子径は、分散液中の板状粒子(A)の動的光散乱法による平均粒子径として測定することができる。このとき、測定する際の分散液の濃度(板状粒子の濃度)は、30質量%以下とすることができる。
また、層状化合物は上記挙げられた層状ポリケイ酸塩、粘土鉱物、マンガン酸塩、チタン酸塩、ニオブ酸塩等を原材料とする層状物質として、さらに加工して形成される層状化合物でもあり得る。
(i)工程:層状化合物の水性分散液を製造する工程、
(ii)工程:(i)工程で得られた水性分散液に、総炭素原子数13~45であり、且つ、炭素原子数10~20のアルキル基を1~2個有する第4級アンモニウムイオン(a)を層状化合物のイオン交換容量の等倍~20倍量となる割合で添加し、40~100℃で、1~100時間加熱する工程、
(iii)工程:(ii)工程で得られた液に純水を加え、該液中のナトリウムイオン濃度が1000ppm以下になるように、ナトリウムイオン含有液を系外に取り除く工程、
(iv)工程:(iii)工程で得られたものに含まれる固形分を、濃度が0.01~20質量%のアンモニウムイオンを有する陰イオン界面活性剤(b)水溶液中に分散させ、その後、さらに、アンモニアを添加して液中のpHを9.0~12.0に調整する工程、
(v)工程:(iv)工程で得られた液を、40~100℃で、1~100時間加熱する工程、
(vi)工程:(v)工程で得られた分散液から、上記第4級アンモニウムイオン(a)及び上記陰イオン界面活性剤(b)の含有量を低減させた板状粒子(A)を得る工程、
(vii)工程:(vi)工程で得られた板状粒子(A)と、水溶性ポリマー(B)と、水性媒体(C)とを混合する工程。
上記(i)工程について、ここで用いる層状化合物としてアイラアイトを例示して説明する。アイラアイトは天然に存在しない層状化合物であり、例えば、ケイ酸化合物水溶液を90~150℃の水熱反応を行うことにより合成することができる。ケイ酸化合物としてはケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム等のケイ酸塩が挙げられる。上記ケイ酸化合物水溶液としては、SiO2/M2Oモル比として3.5~4.0(ただしMはNa、K)、ケイ酸化合物の濃度が10~30質量%程度の、ケイ酸ナトリウム水溶液が好ましい。水熱条件は90~150℃、特に90~130℃が好ましく、1日~24日間、又は1日~12日間の静置加熱により、アイラアイトを合成することができる。
また上記の微細な層状化合物の動的光散乱法による平均粒子径は、10nm~500000nm、20nm~300000nm、100nm~10000nm、又は200nm~5000nmとすることができる。
(vii-1)工程:(vi)工程で得られた板状粒子(A)とアルカリ成分と水性媒体(C)とを混合し、該混合物をpH8.0~12.0に調整し、次いでこれに分散処理を施すことにより板状粒子(A)の分散液を得る工程を付加することができる。
こうして得られた本発明の分散液は高い分散性を有し、例えば室温で6ヶ月経過後においても沈殿を生じないといった分散安定性を有する。
HPLC装置:Ultimate300(サーモフィッシャーサイエンティフィック製)
検出器:Corona veo(サーモフィッシャーサイエンティフィック製、荷電粒子)
カラム:Accalaim Surfactant Plus 3μm 3.0×150mm(サーモフィッシャーサイエンティフィック製)
測定条件:
カラム温度:30℃
溶離液:アセトニトリル/0.1M 酢酸アンモニウム
流速:0.6mL/min
検量線用標準液:10、50、100、200ppmの40vol%アセトニトリル/水混合溶液
市販の3号珪曹に、日産化学(株)製、商品名ST-Oを加えモル比調整した水ガラス(SiO2:Na2O:H2Oモル比は3.8:1:39.0、SiO2濃度は23.05質量%、Na2O濃度は6.25質量%)を3Lステンレス鋼(SUS316)製密閉容器に封入し、110℃で12日間静置加熱してアイラアイトを水熱合成した。尚、生成物がアイラアイトであることはXRDにて確認した(PDFカードNo.00-048-0655)。
得られたアイラアイト22.2gを、遊星ボールミル(ヴァーダー・サイエンティフィック製、PM100)の窒化ケイ素製容器(容量500ml)に直径5mmのジルコニア製粉砕ボール811.1gとともに装入し、回転速度160rpmで1時間の乾式粉砕を空気雰囲気で行った。続いて、直径5mmの粉砕ボールを直径3mmのジルコニア製粉砕ボール811.1gと入れ替えた後、回転速度を220rpmに変更して1時間の乾式粉砕を空気雰囲気で行った。
合成例1で得られたアイラアイトナノ粒子0.8gと、ラウリルトリメチルアンモニウムクロリド0.96gを水78.2gに添加し、100℃で24時間の静置加熱をすることで、アイラアイトのシリケート層間のナトリウムイオンをラウリルトリメチルアンモニウムイオンで置換した(ラウリルトリメチルアンモニウムイオン濃度1.1質量%)。ナトリウムイオンをメンブレンフィルターによるろ過により系外に除いた後、湿粉を回収して、水中に再度分散させることでイオン交換したアイラアイト水分散液を得た。
合成例2で得られたアイラアイトナノシート水分散液の動的光散乱径の個数基準中位径は653.5nmであった。また平均長径および最大長径に直交する幅、厚さの平均値は、平均長径が853.0nm、最大長径に直交する幅が648.2nm、平均厚さが25.8nm、(最大長径/最大長径に直交する幅)の比が1.3であった。
合成例2で得られたアイラアイトナノシート水分散液30gを、40mLの遠沈管に仕込み、40,000Gで1時間の条件で遠心分離処理することで、剥離したアイラアイトナノシートを沈降させた。上澄み液を取り除くことで上澄み液中に含まれるドデシル硫酸アンモニウム及びラウリルトリメチルアンモニウムイオンを除去し、取り除いた上澄み液と同等量のアンモニア水を添加、超音波処理により再分散することでアイラアイトナノシート(板状粒子)水分散液を得た。得られたアイラアイトナノシート水分散液30gを、40mLの遠沈管に仕込み、再度40,000Gで1時間の条件で遠心分離処理することで、剥離したアイラアイトナノシートを沈降させた。上澄み液を取り除くことで上澄み液中に含まれるドデシル硫酸アンモニウム及びラウリルトリメチルアンモニウムイオンを除去し、所定量のアンモニア水を添加、超音波処理により再分散することでアイラアイトナノシート水分散液(1)を得た。pHは10.1であった。得られたアイラアイトナノシート水分散液(1)に含まれるH型換算でのアイラアイトナノシートの濃度は3.0質量%であった。またHPLCにより測定されたドデシル硫酸アンモニウムの濃度は0.01質量%未満(測定下限以下)、ラウリルトリメチルアンモニウムイオン濃度は0.01質量%未満(測定下限以下)であった。
合成例3で得られたアイラアイトナノシート分散液(1)の動的光散乱径の個数基準中位径は608.3nmであった。また平均長径および最大長径に直交する幅、厚さの平均値は、平均長径が858.0nm、最大長径に直交する幅が650.5nm、平均厚さが21.3nm、(最大長径/最大長径に直交する幅)の比が1.3であった。
合成例2で得られたアイラアイトナノシート水分散液30g(HPLCにて求めたドデシル硫酸アンモニウムの濃度は1.50質量%、ラウリルトリメチルアンモニウムイオン濃度は0.62質量%)に対して、同質量(30g)のn-プロパノールを添加・混合し、室温で1日間静置した。生成した沈降物をメンブレンフィルターによりろ過することで固液分離し、上澄み液に含まれる界面活性剤を除去した。ろ過で回収した沈降物に所定量のアンモニア水を添加、超音波処理により再分散することでアイラアイトナノシート水分散液(2)を得た。得られたアイラアイトナノシート水分散液(2)に含まれるH型換算でのアイラアイトナノシートの濃度は3.0質量%であった。またHPLCにより測定されたドデシル硫酸アンモニウムの濃度は0.048質量%、ラウリルトリメチルアンモニウムイオン濃度は0.038質量%であった。
合成例4で得られたアイラアイトナノシート水分散液(2)の動的光散乱径の個数基準中位径は673.0nmであった。また平均長径および最大長径に直交する幅、厚さの平均値は、平均長径が852.6nm、最大長径に直交する幅が654.3nm、平均厚さが25.9nm、(最大長径/最大長径に直交する幅)の比が1.3であった。
合成例1で得られたアイラアイトナノ粒子0.8gと、ジオクタデシルジメチルアンモニウムクロリド1.92gを水77.3gに添加し、100℃で24時間の静置加熱をすることで、アイラアイトのシリケート層間のナトリウムイオンをジオクタデシルジメチルアンモニウムイオンで置換した(ジオクタデシルジメチルアンモニウムイオン濃度2.3質量%)。Naイオンをメンブレンフィルターによるろ過により系外に除いた後、湿粉を回収して、水中に再度分散させることでイオン交換したアイラアイト水分散液を得た。
イオン交換したアイラアイト水分散液20gをドデシル硫酸アンモニウム溶液に加え30gとした(H型換算でのアイラアイトナノシートの濃度は0.1質量%、ドデシル硫酸アンモニウム濃度は0.5質量%であった)。これにアンモニア水を加えてpHを10.1に調整した。ここで得られた溶液を室温で1時間ミックスローターを用いてミキシングすることで、アイラアイトのナノ粒子が層剥離したナノシート(板状粒子)のコロイド溶液(アイラアイトナノシート水分散液)を得た(HPLCにて求めたドデシル硫酸アンモニウムの濃度は0.43質量%、ジオクタデシルジメチルアンモニウムイオン濃度は0.25質量%であった。)
合成例5で得られたアイラアイトナノシート水分散液30gを、40mLの遠沈管に仕込み、40,000Gで1時間の条件で遠心分離処理することで、剥離したアイラアイトナノシートを沈降させた。上澄み液を取り除くことで上澄み液中に含まれるドデシル硫酸アンモニウム及びジオクタデシルジメチルアンモニウムイオンを除去し、取り除いた上澄み液と同等量のアンモニア水を添加、超音波処理により再分散することでアイラアイトナノシート(板状粒子)水分散液を得た。得られたアイラアイトナノシート水分散液30gを、40mLの遠沈管に仕込み、再度40,000Gで1時間の条件で遠心分離処理することで、剥離したアイラアイトナノシートを沈降させた。上澄み液を取り除くことで上澄み液中に含まれるドデシル硫酸アンモニウム及びジオクタデシルジメチルアンモニウムイオンを除去し、所定量のアンモニア水を添加、超音波処理により再分散することでアイラアイトナノシート水分散液(3)を得た。pHは10.1であった。得られたアイラアイトナノシート水分散液(3)に含まれるH型換算でのアイラアイトナノシートの濃度は3.0質量%であった。またHPLCにより測定されたドデシル硫酸アンモニウムの濃度は0.01質量%未満(測定下限以下)、ジオクタデシルジメチルアンモニウムイオン濃度は0.01質量%未満(測定下限以下)であった。
合成例6で得られたアイラアイトナノシート水分散液(3)の動的光散乱径の個数基準中位径は668.5nmであった。また平均長径および最大長径に直交する幅、厚さの平均値は、平均長径が614.2nm、最大長径に直交する幅が361.4nm、平均厚さが15.4nm、(最大長径/最大長径に直交する幅)の比が1.7であった。
(アイラアイトナノシート水分散液(1)を用いたガスバリア膜形成用組成物(1)の調製)
20mLのガラス容器にプロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)1.9g、n-プロパノール0.45g、エチレングリコール0.45gを添加・混合した溶媒に対して、合成例3で得られたH型換算でアイラアイトナノシートの濃度が3.0質量%のアイラアイトナノシート(板状粒子)水分散液(1)2.0gを添加し、スターラーで撹拌することでアイラアイトナノシート混合溶媒分散液を調製した(H型換算でアイラアイトナノシートの濃度が1.25質量%、水/PGME/n-プロパノール/エチレングリコールの質量比は4/4/1/1)。ここに、水溶性樹脂であるエチレン-ビニルアルコール共重合体(EVOH)の水/アルコール混合溶液(日本シーマ製、エバーソルブ#10、EVOHの濃度10質量%、全構成単位中にエチレン単位が29~47モル%含有、水/n-プロパノール/エタノールの質量比は50/45/5)を1.2g添加し、スターラーで撹拌することでアイラアイトナノシートを含有するガスバリア膜形成用組成物(1)を調製した。なお総固形分濃度は3.0質量%で、アイラアイトナノシートのEVOHに対する配合量は50phrである。
厚さ25μm、A4サイズのPETフィルム(東レ製、ルミラー(登録商標)フィルム #25-T60)を紫外線オゾン洗浄装置(テクノビジョン製、MODEL UV-312)を用いて5分間処理することで、UV-O3処理を行った。その後、切断することで幅99mm、長さ210mmの基材を準備した。卓上型ワイヤーバーコーター(エスエムテー製、PM-9050MC)に基材をUV-O3処理した面が塗布面になるようにセットし、上記で調製したガスバリア膜形成用組成物(1)1.0~1.5mLを基材の端部に滴下後、No.12のワイヤーバー(Wet厚み30.4μm)を用いて速度2.0m/minで基材上に均一に展開・塗布した。その後、ガスバリア膜形成用組成物を塗布した基材を80℃に設定したホットプレート上で5分間ベークし、続けて80℃に設定したオーブン中で5分間ベークすることで溶媒を除去した。同様な操作(塗布・乾燥)を追加で2回行う(合計3回)ことで膜厚を厚くし、最終的に、150℃に設定したオーブン中で10分間追加ベークすることにより基材上に膜厚0.7μmのガスバリア膜(1)を調製した。
上記で得られたガスバリア膜(1)の基材を含む全光透過率およびHAZE(ヘーズ値)を濁度計(日本電色工業製、NDH5000)によりJIS規格(JIS K 7361-1、JIS K 7136およびJIS K 7105)に準拠して測定した。結果、全光透過率は90%、HAZEは30%であった。
ネジ締付け式透湿カップ(井元製作所製、IMC-152型、透過寸法φ30mm、深さ15mm)に水分測定用の塩化カルシウム(関東化学製)7.0~8.0gを仕込み、上記で得られたガスバリア膜(1)を透過寸法より大きめに切り出した後、塗布面が塩化カルシウム側(下側)になるように取り付け、ガスケットおよび上面リングと共にネジで締め付けることで測定用サンプルを準備した。測定用サンプルの質量を測定した後、温度40℃、湿度90%RHに調整した恒温恒湿層(エスペック製、SH-222)内に測定サンプルをセットし、所定時間(原則24時間)ごとに測定用サンプルを取り出して、質量を測定することを繰り返し(10回程度)、下式から透湿度(Water Vapor Transmisson Rate(WVTR))を算出し、平均した結果、12g/m2/dayであった。
S 透湿寸法(m2)
T 試験を行った最後の2つの質量測定の間の時間(原則24時間)
M 試験を行った最後の2つの質量測定の間の質量増加の合計(g)
別途ガスバリア膜(1)の断面をSEM(日本電子製、JSM7400F)で観察することで基材を除くガスバリア膜の厚さ(μm)を求めたところ、0.7μmであった。上記で算出した透湿度に膜厚を乗じることで1μm当たりの水蒸気バリア性の指標とした結果、9g/m2/day×μmであった。
(アイラアイトナノシート水分散液(2)を用いたガスバリア膜形成用組成物(2)の調製)
合成例4で得られたアイラアイトナノシート水分散液(2)を用いる以外は実施例1と同様に操作することで、アイラアイトナノシートを含有するガスバリア膜形成用組成物(2)を調製した。なお総固形分濃度は3.0質量%で、アイラアイトナノシートのEVOHに対する配合量は50phrである。
上記で得られたガスバリア膜形成用組成物(2)を用いる以外は、実施例1と同様に操作して、アイラアイトナノシート水分散液(2)を配合したガスバリア膜(2)を調製した。得られたガスバリア膜(2)の全光透過率およびHAZEを実施例1の記載と同様に測定した結果、全光透過率は90%、HAZEは30%であった。また実施例1の記載と同様に透湿度、膜厚、1μm当たりの水蒸気バリア性の指標を求めた結果、透湿度12g/m2/day、膜厚0.9μm、1μm当たりの水蒸気バリア性の指標11g/m2/day×μmであった。
(アイラアイトナノシート水分散液(3)を用いたガスバリア膜形成用組成物(3)の調製)
合成例6で得られたアイラアイトナノシート水分散液(3)を用いる以外は実施例1と同様に操作することで、アイラアイトナノシートを含有するガスバリア膜形成用組成物(3)を調製した。なお総固形分濃度は3.0質量%で、アイラアイトナノシートのEVOHに対する配合量は50phrである。
上記で得られたガスバリア膜形成用組成物(3)を用いる以外は、実施例1と同様に操作して、アイラアイトナノシート水分散液(3)を配合したガスバリア膜(3)を調製した。得られたガスバリア膜(3)の全光透過率およびHAZEを実施例1の記載と同様に測定した結果、全光透過率は90%、HAZEは25%であった。また実施例1の記載と同様に透湿度、膜厚、1μm当たりの水蒸気バリア性の指標を求めた結果、透湿度11g/m2/day、膜厚0.9μm、1μm当たりの水蒸気バリア性の指標10g/m2/day×μmであった。
(EVOH樹脂のみのガスバリア膜形成用組成物(4)の調製)
20mLのガラス容器に水2.6g、PGME2.6g、n-プロパノール0.52g、エチレングリコール0.52gを添加・混合した溶媒に対して、水溶性樹脂であるエチレン-ビニルアルコール共重合体(EVOH)の水/アルコール混合溶液を1.8g添加し、スターラーで撹拌することでEVOH樹脂のみからなるガスバリア膜形成用組成物(4)を調製した。なお総固形分濃度は3.0質量%で、アイラアイトナノシートのEVOHに対する配合量は0phrである。
上記で得られたEVOH樹脂のみからなるガスバリア膜形成用組成物(4)を用いる以外は、実施例1と同様に操作して、EVOHガスバリア膜(4)を調製した。得られたEVOHガスバリア膜(4)の全光透過率およびHAZEを実施例1の記載と同様に測定した結果、全光透過率は89%、HAZEは11%であった。また実施例1の記載と同様に透湿度、膜厚、1μm当たりの水蒸気バリア性の指標を求めた結果、透湿度14g/m2/day、膜厚0.9μm、1μm当たりの水蒸気バリア性の指標13g/m2/day×μmであった。
(商品名クニピアMを配合したガスバリア膜形成用組成物(5)の調製)
20mLのガラス容器に市販のスメクタイト系粒子の粉末(クニミネ工業製、商品名クニピア-M)0.06g秤量し、ここに水1.89g、PGME1.89g、n-プロパノール0.48g、エチレングリコール0.48gを添加・混合することで、スメクタイト系粒子の混合溶媒分散液を調製した(スメクタイト系粒子の濃度が1.25質量%、水/PGME/n-プロパノール/エチレングリコールの質量比は4/4/1/1)。得られたスメクタイト系粒子の混合溶媒分散液に対して、水溶性樹脂であるエチレン-ビニルアルコール共重合体(EVOH)の水/アルコール混合溶液を1.2g添加し、スターラーで撹拌することでスメクタイト系粒子配合ガスバリア膜形成組成物(5)を調製した。なお総固形分濃度は3.0質量%で、スメクタイト系粒子のEVOHに対する配合量は50phrである。
上記で得られたスメクタイト系粒子配合ガスバリア膜形成組成物(5)を用いる以外は、実施例1と同様に操作して、スメクタイト系粒子配合ガスバリア膜(5)を調製した。得られたスメクタイト系粒子配合ガスバリア膜(5)の全光透過率およびHAZEを実施例1の記載と同様に測定した結果、全光透過率は90%、HAZEは57%であった。また実施例1の記載と同様に透湿度、膜厚、1μm当たりの水蒸気バリア性の指標を求めた結果、透湿度8g/m2/day、膜厚1.2μm、1μm当たりの水蒸気バリア性の指標10g/m2/day×μmであった。
(合成例2のアイラアイトナノシート水分散液を配合したガスバリア膜形成用組成物(6)の調製)
合成例2で得られた脱界面活性剤前のアイラアイトナノシート水分散液(H型換算でアイラアイトナノシートの濃度が3.0質量%、ドデシル硫酸アンモニウムの濃度は1.50質量%、ラウリルトリメチルアンモニウムイオン濃度は0.62質量%)を用いる以外は実施例1と同様に操作することで脱界面活性剤をしないアイラアイトナノシートを含有するガスバリア膜形成用組成物(6)を調製した。なお総固形分濃度は3.0質量%で、アイラアイトナノシートのEVOHに対する配合量は50phrである。
上記で得られた脱界面活性剤をしないアイラアイトナノシート配合ガスバリア膜形成用組成物(6)を用いる以外は、実施例1と同様に操作して、アイラアイトナノシート配合ガスバリア膜(6)を調製したが、PET基材からのはじきが顕著に確認され、均一な膜は得られず、ガスバリア膜としての評価はできなかった。
そして、実施例2と実施例3ではHAZEが10~50、好ましくは15~50であった。本件実施例1~3では水蒸気透過率(g/m2/day)に膜厚(μm)を乗じた値が0.001~20g/m2/day×μmの範囲であり、且つHAZEが15~50を満たすことができる。
また、スメクタイト系粒子配合ガスバリア用コーティング(比較例2)との比較においても、1μm当たりの水蒸気バリア性の指標は低い値を示し、同等以上の水蒸気バリア性を示すのに対して、HAZEが低く、より透明性に優れていることが分かる。更に比較例3では第4級アンモニウムイオンと陰イオン界面活性剤に含有量がアイラアイトナノシート(板状粒子)の質量に対して3.0質量%を超える場合には、成膜性が低く、均一な膜が得られないため、ガスバリア膜として評価することが困難である。
このように本発明のアイラアイトナノシート配合ガスバリア膜形成用組成物は水蒸気バリア性および透明性に優れた水蒸気バリア性ガスバリア膜を調製することが可能である。
Claims (17)
- 下記(A)成分と(B)成分と(C)成分とを含むガスバリア膜形成組成物。
(A)成分:アイラアイトである層状化合物の層間剥離により生じる剥離層物質からなる板状粒子(A)であり、該板状粒子(A)は、平均厚さ0.7nm~100nm、平均長径100nm~100000nm、(最大長径/最大長径に直交する幅)=1.0~10.0を有するとともに、総炭素原子数13~45であり、且つ、炭素原子数10~20のアルキル基を1つ又は2つ有する第4級アンモニウムイオン(a)と、アンモニウムイオンを有する陰イオン界面活性剤(b)とを含み、
上記(a)と(b)が共に該板状粒子(A)の質量に対して0質量%より大きく3.0質量%以下の範囲内の質量を有する板状粒子(A)、
(B)成分:水溶性ポリマー(B)であり、
該水溶性ポリマー(B)ポリマーの全単位構造中に水酸基又はカルボキシル基を含むモノマー成分の単位構造を有し、該モノマー成分の単位構造比率が30mol%~100mol%である水溶性ポリマー、
(C)成分:水性媒体 - 上記板状粒子(A)は層状化合物の動的光散乱法による平均粒子径が10nm~500000nmである水性分散液中に存在する請求項1に記載のガスバリア膜形成組成物。
- 上記第4級アンモニウムイオン(a)と陰イオン界面活性剤(b)が共に上記板状粒子(A)の質量に対して0.01~3.0質量%の範囲にある請求項1又は請求項2に記載のガスバリア膜形成組成物。
- 上記水溶性ポリマー(B)が、エチレン-ビニルアルコール共重合体(EVOH)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリル酸(PAA)若しくはその共重合体、又はそれらの混合物である請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のガスバリア膜形成組成物。
- 上記(A)成分が0.1~10質量%、(B)成分が0.1~10質量%の割合で含む
請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載のガスバリア膜形成組成物。 - 更にアルカリ成分を含み、8.0~12.0のpHを有する請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のガスバリア膜形成組成物。
- 上記アルカリ成分が、アンモニア、第1級アルキルアミン、第2級アルキルアミン、第3級アルキルアミン、又は第4級アルキルアンモニウム水酸化物である請求項6に記載のガスバリア膜形成組成物。
- 基材と、その基材の表面にあるガスバリア膜を含む成形体であり、該ガスバリア膜は請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載のガスバリア膜形成組成物から形成されたガスバリア膜である上記成形体。
- 上記基材が、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ナイロン、ポリ乳酸、ポリ塩化ビニル、又はポリ二塩化ビニルである請求項8に記載の成形体。
- 上記ガスバリア膜が50nm~50μmの膜厚を有する請求項8又は請求項9に記載の成形体。
- ガスが水蒸気であり、水蒸気透過率(g/m2/day)に膜厚(μm)を乗じた値が0.001~20g/m2/day×μmである請求項8乃至請求項10のいずれか1項に記載の成形体。
- HAZE(ヘーズ値)が15~50である請求項8乃至請求項11のいずれか1項に記載の成形体。
- 下記(i)工程乃至(vii)工程を含む、請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載のガスバリア膜形成組成物の製造方法。
(i)工程:層状化合物の水性分散液を製造する工程、
(ii)工程:(i)工程で得られた水性分散液に、総炭素原子数13~45であり、且つ、炭素原子数10~20のアルキル基を1つ又は2つ有する第4級アンモニウムイオン(a)を、層状化合物のイオン交換容量の等倍~20倍量となる割合で添加し、40~100℃で、1~100時間加熱する工程、
(iii)工程:(ii)工程で得られた液に純水を加え、該液中のナトリウムイオン濃度が1000ppm以下になるように、ナトリウムイオン含有液を系外に取り除く工程、(iv)工程:(iii)工程で得られたものに含まれる固形分を、濃度が0.01~20質量%のアンモニウムイオンを有する陰イオン界面活性剤(b)水溶液中に分散させ、その後、さらに、アンモニアを添加して液中のpHを9.0~12.0に調整する工程、(v)工程:(iv)工程で得られた液を、40~100℃で、1~100時間加熱する工程、
(vi)工程:(v)工程で得られた分散液から、上記第4級アンモニウムイオン(a)及び上記陰イオン界面活性剤(b)の含有量を低減させた板状粒子(A)を得る工程、
(vii)工程:(vi)工程で得られた板状粒子(A)と、水溶性ポリマー(B)と、水性媒体(C)とを混合する工程 - 上記(vi)工程は、下記(vi-1)工程、(vi-2)工程、(vi-3)工程、又はそれらの組み合わせにより、上記第4級アンモニウムイオン(a)及び上記陰イオン界面活性剤(b)の含有量を低減させた板状粒子(A)を得る工程である請求項13に記載のガスバリア膜形成組成物の製造方法。
(vi-1)工程:板状粒子(A)分散液を遠心加速度3000~100000Gで板状粒子(A)を遠心分離する方法、
(vi-2)工程:板状粒子(A)分散液に親水性有機溶媒を添加し板状粒子(A)を沈降させて固液分離する方法、
(vi-3)工程:板状粒子(A)分散液をフィルターろ過又は限外ろ過することにより板状粒子(A)を分離する方法 - 上記(vi)工程の後に、更に下記(vii-1)工程に続いて、下記(vii)工程を含む請求項13又は請求項14に記載のガスバリア膜形成組成物の製造方法。
(vii-1)工程:(vi)工程で得られた板状粒子(A)とアルカリ成分と水性媒体(C)とを混合し、該混合物をpH8.0~12.0に調整し、次いで、これに分散処理を施すことにより板状粒子(A)の分散液を得る工程
(vii)工程:前記(vii-1)工程で得られる板状粒子(A)の分散液と、水溶性ポリマー(B)と、水性媒体(C)とを混合する工程 - 基材の表面に請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載のガスバリア膜形成組成物を塗布し、30~200℃の温度で加熱しガスバリア膜を形成する工程を有する成形体の製造方法。
- 上記塗布が、ロールコート法、スプレーコート法、インクジェット法、スピンコート法、バーコート法、スリットコート法、又はディッピング法である請求項16に記載の成形体の製造方法。
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