JP7359773B2 - エチレン/coインターポリマー及びその製造プロセス - Google Patents
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Description
本出願は、2017年10月31日に出願された米国仮特許出願第62/579,571号の優先権を主張するものであり、その全容は本明細書において参照により援用されている。
a)CO含有量が、インターポリマーの重量を基準にして「0より大きい」重量パーセントから10重量パーセントCO(一酸化炭素)以下であることと、
b)融点(Tm)(単位:℃)が、次の関係:
Tm(℃)が、601.4×(密度、単位:g/cc)-452.5(℃)以下であることを満たすことと、を具備する組成物。
a)CO含有量が、インターポリマーの重量を基準にして「0より大きい」重量パーセント乃至10重量パーセントCO(一酸化炭素)以下であることと、
b)融点(Tm)(単位:℃)が、次の関係:
Tm(℃)が、601.4(℃/(g/cc))×(密度、単位:g/cc)-452.5(℃)以下であることを満たすことと、を具備する組成物。更なる実施形態において、エチレン/COインターポリマーは、エチレン/COコポリマーである。
チューブ状リアクター内で、重合が、FRhtubeと標示された少なくとも1つの「高温フリーラジカル開始剤」、及びFRmtubeと標示された少なくとも1つの「中温フリーラジカル開始剤」の存在下にて重合が発生し、且つチューブ状リアクター内の各反応ゾーンでFRhtube対FRmtubeの重量比(ratiotube)は、0.06~0.50である。更なる実施形態において、エチレン/COインターポリマーは、エチレン/COコポリマーである。
本発明のプロセスは、本明細書に記載されている2つ以上の実施形態の組み合わせを含む場合がある。
エチレン/COインターポリマーまたはコポリマーを製造するには、本明細書に記載されているように、高圧のフリーラジカル開始重合が使用される。公知となっている高圧フリーラジカル開始重合プロセスタイプには、2通りがある。第1のタイプには、1つ以上の反応ゾーンを有する撹拌オートクレーブ容器が使用されている。本オートクレーブリアクターは通例、開始剤用またはモノマー原料用、あるいはその両用の注入点をいくつか具備している。第2のタイプの場合、1つ以上の反応ゾーンを有するジャケット付きチューブが、リアクターとして使用される。適切なリアクターの長さは、限定されるものではないが、100~3000メートル(m)、または1000~2000mであり得る。いずれかのタイプのリアクターの反応ゾーンの開始は、通常、いずれかの反応開始剤、例えばエチレン、連鎖移動剤(またはテロマー)、コモノマー、及びそれらの任意の組み合わせの側面噴射(side injection)により定義されるのが、一般的である。高圧プロセスの遂行には、オートクレーブまたはチューブ状リアクターで、1つ以上の反応ゾーンを有するものを使用してもよいし、あるいはオートクレーブ及びチューブ状リアクターで、各々に1つ以上の反応ゾーンが含まれるものを併用してもよい。
本発明の組成物は、1つ以上の添加剤を含む場合がある。添加剤としては、限定されるものではないが、安定剤、可塑剤、帯電防止剤、顔料、染料、核剤、充填剤、スリップ剤、難燃剤、加工助剤、発煙防止剤、粘度調整剤、及びブロッキング防止剤が挙げられる。ポリマー組成物は、例えば、本発明のポリマー組成物の重量を基準にして10%未満(総合重量基準)の1つ以上の添加剤を含み得る。
エチレン/COインターポリマー含有の組成物は、多様な押出コーティング用途(シュガーパウチ、ペーパーボード、温冷飲料カップ、ゲーブルトップカートン、不織布、織布基材、練り歯磨きチューブ、スタンドアップパウチ、または他の基材など)において使えるが、従来のLDPEまたはLLDPE(またはいずれかのブレンド)のポリマーは、接着が低劣であるため、不利益であるとされてきた。また、本発明のポリマーは、無菌ドリンクボックス、スナックパッケージ、リームラップ、スタンドアップパウチ、練り歯磨きチューブ、チーズパッケージ、ラミネートフィルムなどの多層構造において接着性が向上することが有益となる様々な押出ラミネーションにおいて、またはその他のLDPEもしくはLLDPE(またはいずれかのブレンド)は接着が低劣であるという理由から不利益であるとされてきた押出ラミネーションにおいて使用することができる。
本明細書中に使用されている「高圧フリーラジカル重合プロセス」という語句は、少なくとも1000bar(100MPa)の高圧にて遂行されるフリーラジカル開始重合を指す。
密度
密度測定用の試料は、ASTM D 4703-10に準拠して調製した。試料を374°F(190℃)で5分間、10,000psi(68MPa)にて押圧した。先に述べた5分間は温度を374oF(190℃)に維持し、次いで、圧力を3分間かけて30,000psi(207MPa)に上昇させた。この後、70°F(21℃)及び30,000psi(207MPa)で1分間保持した。ASTM D792-08、方法Bを用いて、試料のプレスから1時間以内に測定を行った。
メルトインデックス(すなわちI2)は、ASTM D 1238-10に準拠し、
190℃/2.16kgの条件にて、方法Bにより測定され、10分ごとに溶出されたグラム数でレポートされた。
10mm径NMRチューブで「0.25~0.40g」のポリマー試料に約「3g」の「0.025MのCr(AcAc)3含有のテトラクロロエタン-d2/オルトジクロロベンゼンの50/50混合液」を加えることにより、試料を調製した。開いたチューブを窒素環境に少なくとも45分間置くことにより、試料から酸素を除去した。次いで、ヒートブロック及びヒートガンを使用して、チューブ及びその内容物を150℃に加熱することにより、試料を溶解し、均質化した。溶解された各試料を視覚的に検査して、均一性を確証した。分析の直前に試料を完全に混合し、ただし冷却はせずに、加熱したNMR試料ホルダーに挿入した。
CO単位/1000C=全炭素1000個当たりのCOのモル数;
モルエチレン=(1000-CO単位/1000C)/2。
試料の調製
NORELL 1001-7、10mmのNMRチューブ内で、試料約130mgを0.001M Cr(AcAc)3を含有する「3.25gの50/50重量、テトラクロロエタン-d2/パークロロエチレン」に加えることにより、試料を調製した。酸化防止のため、チューブに挿入されたピペットを介してN2を溶媒にバブリングすることにより、試料を約5分間パージした。各チューブに蓋をして、TEFLONテープで密閉し、室温で一晩浸して試料の溶解を促進した。試料は、保管中、調製前及び調製後に、O2への曝露を最小限に抑える目的で、N2パージボックスに保管された。均一性を確保するために、試料を115℃で加熱してボルテックスした。
ブルカー(Bruker)Dual DUL高温CryoProbe装備のBruker AVANCE400MHz分光計で、試料温度120℃にて、1H NMRを実施した。スペクトルを得るための2つの実験を行った。このスペクトルは、ポリマーのプロトン全体を定量化するための対照スペクトルである。なお、二重事前飽和実験により、強いポリマーバックボーンピークが抑制され、高感度スペクトルにより末端基の定量化を可能とした。対照は、ZGパルス、4スキャン、SWH 10,000Hz、AQ 1.64秒、D1 14秒で実行された。二重事前飽和実験は、修正済みパルスシーケンス、TD 32768、100スキャン、DS 4、SWH 10,000Hz、AQ 1.64秒、D1 1秒、D13 13秒にて実行された。
TCE(テトラクロロエタン)-d2(6.0ppmで)の残留1Hからの信号が統合され、値100に設定した。3~ppm-0.5ppmの積分が、対照実験でのポリマー全体からの信号として使用した。事前飽和実験では、TCE信号もまた100に設定し、不飽和の対応する積分(約5.40~5.60ppmのビニレン、約5.16~5.35ppmの三置換、約4.95~5.15ppmのビニル、及び約4.70~4.90ppmのビニリデン))を得た。
溶融強度の測定は、Gottfert Rheotester 2000キャピラリーレオメーターに取り付けられたGottfert Rheotens71.97(GoettfertInc.,Rock Hill,SC)で実施された。溶融された試料(約25~30グラム)に、Goettfert Rheotester2000キャピラリーレオメーターを取り付けた。このキャピラリーレオメーターは、長さ30mm、直径2.0mm、アスペクト比(長さ/直径)15のフラットな入口角(180度)を具備したものである。試料を190℃で10分間平衡化させた後、一定のピストン速度0.265mm/秒でピストンを作動させた。標準試験温度は190℃とした。試料は、ダイの下部100mmに位置する一組の加速ニップに対し一軸にて、加速度2.4mm/s2で牽引された。張力は、ニップロールの巻き取り速度の関数として記録された。溶融強度は、ストランドが破断する前のプラトー力(cN)としてレポートされた。溶融強度の測定に使用された条件は、以下の通り:プランジャー速度=0.265mm/秒;ホイール加速度=2.4mm/s2;キャピラリー径=2.0mm;キャピラリーの長さ=30mm;及びバレルの直径=12mmである。
樹脂を空気中、1500psiの圧力下、350°Fにて5分間「厚さ3mm×1インチ」の円形プラークに圧縮成形した。次いで、試料をプレス機から取り出し、カウンターの上に置いて冷却させた。
本明細書中に使用されているGPC技術(従来のGPC、光散乱GPC、及びgpcBR)には、トリプル検出器ゲル浸透クロマトグラフィー(3D-GPCまたはTDGPC)システムを使用した。このシステムは、ウォーターズ社(Waters)(マサチューセッツ州ミルフォード)製のModel 150C High Temperature Chromatographで構成され(他の好適な高温GPC機器として挙げられるのは、ポリマーラボラトリー社(英国シュロップシャー)製のModel 210及びModel 220である)、プレシジョンデテクター社(Precision Detectors)(マサチューセッツ州アマースト)製の2角レーザー光散乱(LS)検出器Model 2040、Polymer ChAR社(スペイン国バレンシア)製のIR4赤外線検出器、及びビスコテク社(Viscotek)(テキサス州ヒューストン)製の150R 4-キャピラリー溶液粘度計(DP)を装備していた。
従来のGPCでは、IR4検出器を使用して、21個の狭い分子量分布のポリスチレン標準を実行することにより、GPCカラムセットを較正した。標準の分子量(MW)は、580g/mol~8,400,000g/molの範囲で、標準は6つの「カクテル」混合物に含有されていた。各標準混合物は、個々の分子量の間に少なくとも1ディケードの分離を有していた。標準混合物は、ポリマーラボラトリー社(Polymer Laboratories)から購入した。ポリスチレン標準は、分子量が、1,000,000g/mol以上の場合は「溶媒50mL中に0.025g」、分子量が1,000,000g/mol未満の場合は「溶媒50mL中に0.05g」で調製した。標準ポリスチレンを、80℃で穏やかに撹拌しながら、30分間溶解した。分解を最小限に抑えるために、狭い標準混合物を最初に実行し、最も分子量の高い成分から順に分析した。ポリスチレン標準ピーク分子量をポリエチレン分子量に変換した際、式(1)(Williams and Ward,J.Polym.Sci.,Polym.Letters,6,621(1968)に記載)を使用した。
式中、Mはポリエチレンまたはポリスチレンの分子量(マーク付き)であり、Bは1.0に等しい。当業者には公知であるように、Aは約0.38~約0.44の範囲で、式(5)の次の段落の光散乱(LS)GPCに関するセクションで概説されているように、幅広いポリエチレン標準を使用して較正時に算定される。分子量分布(MWDまたはMw/Mn)などの分子量値を取得するためのこのポリエチレン較正方法の使用、及び関連する統計は、本明細書中では、ウィリアムズ及びウォード(Williams and Ward)の修正方法として定義されている。数平均分子量、重量平均分子量、及びz平均分子量は、次式から計算される。
(式2)、
(式3)、
(式4)
LS GPCでは、Precision Detector PDI2040検出器Model 2040を使用した。試料に応じて、光散乱検出器の角度15°または角度90°のいずれかを計算に使用した。ここで使用された角度は、15°であった。
(式5)
示差走査熱量測定(DSC)を使用して、広範な温度でのポリマーの溶融及び結晶化挙動を測定した。例えば、RCS(冷凍冷却システム)とオートサンプラーとを装備したTA Instruments Q1000 DSCを使用して、この分析を実施した。試験中、50ml/分の窒素パージガス流を使用した。各試料を約175℃で溶融プレスし、薄いフィルムにしてから、溶融した試料を室温(約25℃)に空冷した。フィルム試料は、「0.1~0.2グラム」の試料を175℃、1500psi、30秒でプレスして、「0.1~0.2ミルの厚さ」のフィルムを形成することにより、形成した。3~10mg、直径6mmの標本を冷却したポリマーから抽出し、計量して、軽量アルミニウム皿(約50mg)に入れ、圧着して閉じた。次いで、その熱特性を特定するための分析を実施した。
開始剤の1時間半減期は、モノクロロベンゼン中の開始剤の希薄溶液の示差走査熱量測定-熱活性モニタリング(DSC-TAM)によって算定される。モノクロロベンゼン中のヒドロペルオキシドの分解速度論的データは、滴定により算定される。半減期はアレニウスの式:kd=Ae-Ea/RT及びt1/2=ln(2)/kd,(式中、kdは、s-1における開始剤解離の速度定数であり、Aはs-1のアレニウス周波数係数であり、EaはJ/mole単位sの開始剤解離の活性化エネルギーであり、Rは8.3142J/mol Kであり、TはK(ケルビン)単位の温度であり、t1/2は秒単位の半減期(s)である)で計算できる。高温フリーラジカル開始剤は、130℃~200℃の範囲の温度で「1時間半減期」を有する開始剤と定義される。中温フリーラジカル開始剤は、90℃~129℃の範囲の温度で「1時間半減期」を有する開始剤として定義される。低温フリーラジカル開始剤は、30℃~89℃の範囲の温度で「1時間半減期」を有する開始剤として定義される。
本発明のエチレン系ポリマーの調製
本発明例1~15
本発明例は、同じプロセス反応系で生成された。ゆえに、或る実験から別の実験までの間、同じ機器が言及されている場合、物理的プロセス及びそのユニットは相互に類似するものとされた。図1は、前述の例を生成する目的に使用される、プロセス反応系のブロック図である。
比較例1(CE1)では、t-ブチルペルオキシ-2エチルヘキサノエート(TBPO)、tert-ブチルペルオキシピバレート(PIV)、及びイソパラフィン系炭化水素溶媒(沸点範囲が179℃超のもの)を含む混合物を、第1及び第2の注入点の開始剤混合物として使用した。注入点#3及び#4で、ジ-t-ブチルペルオキシド(DTBP)、TPO及びイソパラフィン系炭化水素溶媒を含有する混合物を使用した。表3に、使用されたペルオキシド開始剤、及び溶媒溶液の流れを示す。
表5に、メルトインデックス(I2)、密度、メルト強度、及び溶融強度データの破断速度を示す。IE1~IE15のメルトインデックスは、押出コーティングまたはキャストフィルム用途での使用に適した範囲とされる。IE1~15の密度が高密(0.935~0.941g/cc)であるのは、一部には、一酸化炭素(CO)が取り込まれるという理由によるものである。これらの試料の溶融強度が予期せず増強するのは、図2及び図3に示すように、とりわけ、試料のCOレベルを上昇させた場合である。本発明例は、押出コーティングのような用途において有用である。その理由は、特に、分子量分布が広範であるためである(表6のcc-GPC Mw/Mn)。表7に記載されているTDGPC関連の特性は、LS検出器、粘度検出器、及び濃度検出器を併用して導出されたものである。表8に示すDMS粘度データは、以下に要約されている通り:0.1rad/秒、1rad/秒、10rad/秒及び100rad/秒で測定された粘度;粘度比0.1rad/sで測定された粘度と100rad/sで測定された粘度との比(それぞれ190℃で測定);ならびに0.1rad/s及び190℃で測定された損失正接である。
表12に示す本発明(IE)及び比較例(CE)は、ブラッククローソン押出コーティングライン(Black-Clawson Extrusion Coating Line)を使用して、押出コーティングされた。ラインは、3.5インチ、長さ/直径30:1、圧縮比4:1のシングルフライトスクリューで構成されている。このスクリューの端近くには、2つの螺旋状マトック(Mattock)混合セクションが位置していた。樹脂の評価では、90RPMの押出速度を利用し、結果として、約250ポンド/時の出力を得た。ライン速度を440フィート/分で運用し、「50lb/連茶色のクラフト紙」に対しおよそ1milのコーティングを施した。
本願は以下の態様にも関する。
(1) 高圧フリーラジカル重合により形成されたエチレン/COインターポリマー含有の組成物であって、前記エチレン/COインターポリマーが、次の特性:
a)CO含有量が、インターポリマーの重量を基準にして「0より大きい」重量パーセントから10重量パーセントCO(一酸化炭素)以下であることと、
b)融点(Tm)(単位:℃)が、次の関係:
Tm(℃)が、601.4×(密度、単位:g/cc)-452.5(℃)以下であることを満たすことと、を具備する組成物。
(2) 前記エチレン/COインターポリマーが、次の関係:MS(cN)≧2.0(wt%CO)+2.0を満たす、上記(1)に記載の組成物。
(3) 前記エチレン/COインターポリマーのメルトインデックス(I2)が、0.1~100g/10分である、上記(1)または上記(2)に記載の組成物。
(4) 前記エチレン/COインターポリマーのTm(℃)が、601.4×(密度、単位:g/cc)-460.0(℃)以上である、上記(1)~(3)のいずれかに記載の組成物。
(5) 前記エチレン/COインターポリマーの融解温度(Tm)が、105.5℃~110.5℃である、上記(1)~(4)のいずれかに記載の組成物。
(6) 前記エチレン/COインターポリマーの密度が、0.910~0.990g/ccである、上記(1)または上記(2)に記載の組成物。
(7) 前記エチレン/COインターポリマーのアミル基レベルが、炭素原子1000個当たり0.5アミル基以上(13C NMRで算定)である、上記(1)~(6)のいずれかに記載の組成物。
(8) エチレン/COインターポリマーが、エチレン/COコポリマーである、上記(1)~(7)のいずれかに記載の組成物。
(9) 前記組成物が、第2のエチレン系ポリマーを更に含む、上記(1)~(8)のいずれかに記載の組成物。
(10) 前記第2のエチレン系ポリマーが、LDPE、エチレン/α-オレフィンコポリマー、またはそれらの組み合わせから選択される、上記(9)に記載の組成物。
(11) 上記(1)~(10)のいずれかに記載の組成物から形成された少なくとも1つのコンポーネントを含む物品。
(12) 前記物品が、コーティングされた基材またはフィルムである、上記(11)に記載の物品。
(13) 前記物品がコーティングであって、且つ押出コーティングまたは押出ラミネーションにより製造されるものである、上記(11)または上記(12)に記載の物品。
(14) 上記(1)~(10)のいずれかに記載の組成物を形成するためのプロセスであって、前記プロセスが、高圧フリーラジカル重合プロセスを用いてエチレン及びCOを重合させ、前記エチレン/COインターポリマーを形成することを含み、前記重合の発生するリアクターコンフィグレーションが、2つ以上の反応ゾーンを備える少なくとも1つのオートクレーブリアクターと、2つ以上の反応ゾーンを備える少なくとも1つのチューブ状リアクターと、を含み、且つ
前記オートクレーブリアクター内で、前記重合が、FRmautoと標示された少なくとも1つの「中温フリーラジカル開始剤」、及びFRlautoと標示された少なくとも1つの「低温フリーラジカル開始剤」の存在下にて発生し、前記オートクレーブリアクター内の各反応ゾーンでFRmauto対FRlautoの重量比(ratioauto)が0.04~1.00であり、且つ
前記チューブ状リアクター内で、前記重合が、FRhtubeと標示された少なくとも1つの「高温フリーラジカル開始剤」、及びFRmtubeと標示された少なくとも1つの「中温フリーラジカル開始剤」の存在下にて発生し、前記チューブ状リアクターの各反応ゾーンでFRhtube対FRmtubeの重量比(ratiotube)が0.06~0.50である、プロセス。
(15) 前記オートクレーブリアクターの各反応ゾーン内での重合温度が、独立に190℃~270℃である、上記(14)に記載のプロセス。
(16) 前記オートクレーブリアクターにおいて、「反応ゾーンに加えられたエチレンの量」対「同じ反応ゾーンに加えられたCOの量」の重量比が、388~39である、上記(14または上記(15)に記載のプロセス。
(17) 前記オートクレーブリアクターの各反応ゾーンの重合温度が、独立に250℃未満である、上記(14)~(16)のいずれかに記載のプロセス。
(18) 前記チューブ状リアクターの各反応ゾーンの重合温度が、独立に260℃~300℃である、上記(14)~(17)のいずれかに記載のプロセス。
(19) エチレン/COインターポリマーが、エチレン/COコポリマーである、上記(14)~(18)のいずれかに記載のプロセス。
Claims (5)
- 組成物を形成するためのプロセスであって、前記組成物が、高圧フリーラジカル重合により形成されたエチレン/COインターポリマーを含有し、前記エチレン/COインターポリマーが、次の特性:
a)CO含有量が、インターポリマーの重量を基準にして「0より大きい」重量パーセントから10重量パーセントCO(一酸化炭素)以下であることと、
b)融点(Tm)(単位:℃)が、次の関係:
Tm(℃)が、601.4×(密度、単位:g/cc)-452.5(℃)以下であることを満たし、
前記プロセスが、高圧フリーラジカル重合プロセスを用いてエチレン及びCOを重合させ、前記エチレン/COインターポリマーを形成することを含み、前記重合の発生するリアクターコンフィグレーションが、2つ以上の反応ゾーンを備える少なくとも1つのオートクレーブリアクターと、2つ以上の反応ゾーンを備える少なくとも1つのチューブ状リアクターと、を含み、且つ
前記オートクレーブリアクター内で、前記重合が、FRmautoと標示された少なくとも1つの「中温フリーラジカル開始剤」、及びFRlautoと標示された少なくとも1つの「低温フリーラジカル開始剤」の存在下にて発生し、前記オートクレーブリアクター内の各反応ゾーンでFRmauto対FRlautoの重量比(ratioauto)が0.04~1.00であり、且つ
前記チューブ状リアクター内で、前記重合が、FRhtubeと標示された少なくとも1つの「高温フリーラジカル開始剤」、及びFRmtubeと標示された少なくとも1つの「中温フリーラジカル開始剤」の存在下にて発生し、前記チューブ状リアクターの各反応ゾーンでFRhtube対FRmtubeの重量比(ratiotube)が0.06~0.50であり、
前記『高温フリーラジカル開始剤』は、130℃~200℃の範囲の温度で「1時間半減期」を有する開始剤と定義され、前記『中温フリーラジカル開始剤』は、90℃~129℃の範囲の温度で「1時間半減期」を有する開始剤として定義され、前記『低温フリーラジカル開始剤』は、30℃~89℃の範囲の温度で「1時間半減期」を有する開始剤として定義され、
前記、「1時間半減期」は、アレニウスの式:
kd=Ae-Ea/RT及びt1/2=ln(2)/kd,
(式中、kdは、s-1における開始剤解離の速度定数であり、Aはs-1のアレニウス周波数係数であり、EaはJ/mole単位sの開始剤解離の活性化エネルギーであり、Rは8.3142J/mol Kであり、TはK(ケルビン)単位の温度であり、t1/2は秒単位の半減期(s)である)で計算される、
プロセス。 - 前記オートクレーブリアクターの各反応ゾーン内での重合温度が、独立に190℃~270℃であり、前記オートクレーブリアクターにおいて、「反応ゾーンに加えられたエチレンの量」対「同じ反応ゾーンに加えられたCOの量」の重量比が、388~39である、請求項1に記載のプロセス。
- 前記オートクレーブリアクターの各反応ゾーンの重合温度が、独立に250℃未満である、請求項1に記載のプロセス。
- 前記チューブ状リアクターの各反応ゾーンの重合温度が、独立に260℃~300℃である、請求項1に記載のプロセス。
- エチレン/COインターポリマーが、エチレン/COコポリマーである、請求項1に記載のプロセス。
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