ポリマー基材への機能付与方法

【課題】機能付与後において減圧する際に生じる流体からの機能性添加剤の表面析出と基材中に注入された機能性添加剤の抜け出しを抑制し得る。
【解決手段】ポリマー基材を収容した圧力容器に機能性添加剤を溶解した超臨界流体を供給することによりポリマー基材に機能を付与する方法の改良であり、その特徴ある構成は、ポリマー基材に機能を付与した後の後処理工程として、圧力容器に液体二酸化炭素を導入して圧力容器内の機能性添加剤を溶解した超臨界流体を液体二酸化炭素で置換した後に、液体二酸化炭素を導入した圧力容器内の圧力を大気圧にまで減圧する工程を更に含むところにある。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ポリマー基材に対して、基材表面を改質する機能を付与するポリマー基材への機能付与方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
超臨界流体の特性を利用して様々な添加剤をポリマーに担持させることにより、添加剤放出速度を制御したり、均一な微粒子触媒を形成したり、基材物性、化学特性、耐熱性又は安定性を改良したり、操作特性を改変したりする方法が数多く提案されている。
例えば、ポリマー基材、添加剤及びポリマー膨潤助剤を圧力容器内に入れ、超臨界流体に接触保持してポリマー基材に添加剤とポリマー膨潤助剤を含浸させ、超臨界流体を圧力容器内に流通させてポリマー膨潤助剤を流出分離した後、圧力容器内に圧力を減少させて添加剤をポリマー基材中に封じ込めることを特徴とする添加剤によりポリマー基材を改質する方法が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。この特許文献1に示される改質方法では、添加剤としてポリマー基材に実質的に溶解しない材質を用い、ポリマー膨潤助剤として超臨界流体に可溶でポリマー基材に含浸可能な低分子化合物を用いている。この方法を用いることにより、高分子量の添加剤の含浸が可能であり、得られるポリマー基材からの水、生理食塩水、涙液、体液など実使用時にポリマー基材と接触する液体中への添加剤の溶出が実質上ない、或いはあっても極微量である高機能のポリマー基材を提供することができる。
【特許文献1】特開平11−255925号公報(請求項1、段落[0039])
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
ポリマー基材への機能付与は、機能性添加剤を溶解した超臨界流体に、ポリマー基材を接触させることにより、上記超臨界流体により基材表面を膨潤させ、かつ機能性添加剤の一部又は全部をポリマー基材の表面に注入することにより機能性添加剤をポリマー基材の表面固定するものである。
従来ポリマー基材の機能付与方法としては、次のように行われてきた。即ち、先ず、ポリマー基材を圧力容器に投入してこの圧力容器を密封する。次いで、機能性添加剤を溶解した超臨界流体を圧力容器に供給して圧力容器内部に超臨界流体を充填し、ポリマー基材に機能性添加剤を溶解した超臨界流体を接触させる。この接触によりポリマー基材表面に機能性添加剤が注入される。次に、圧力容器内を大気圧にまで減圧させ、機能を付与したポリマー基材を圧力容器から取出していた。
【0004】
しかしながら、上記方法では次のような問題があった。
機能性物質をポリマー基材表面に注入した後、圧力容器内を大気圧にまで急激に減圧することで、超臨界流体は超臨界状態から常圧状態へと変化する。この相変化により、第1に流体への機能性添加剤の溶解度が急激に低下して流体に溶解していた機能性添加剤が析出し、ポリマー基材表面に析出物が付着してしまう問題があった。また、第2にポリマー基材表面に注入された機能性添加剤の一部が流体とともにポリマー基材から抜け出し易くなってしまう問題があった。第1の問題については、析出物がポリマー基材表面に付着しているだけであり、ポリマー基材と析出物との結合強度は弱く、剥離し易いため、機能付与したポリマー基材を使用する際に、支障を来してしまう。そのため、洗浄溶媒を用いて改質したポリマー基材を洗浄し、表面の析出物を除去しなければならず、煩雑であった。また第2の問題については、急激な減圧によってポリマー基材表面層と圧力容器内の流体相との圧力差が急激に増加し、ポリマー基材表面に注入された機能性添加剤の一部が流体とともにポリマー基材から抜け出し易くなる。そのためポリマー基材中の機能性添加剤濃度が低下し、付与した機能の効率が低下することになる。
【0005】
本発明の目的は、機能付与後において減圧する際に生じる流体からの機能性添加剤の表面析出と基材中に注入された機能性添加剤の抜け出しを抑制し得る、ポリマー基材への機能付与方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
請求項1に係る発明は、ポリマー基材を収容した圧力容器に機能性添加剤を溶解した超臨界流体を供給することによりポリマー基材に機能を付与する方法の改良である。
その特徴ある構成は、ポリマー基材に機能を付与した後の後処理工程として、圧力容器に液体二酸化炭素を導入して圧力容器内の機能性添加剤を溶解した超臨界流体を液体二酸化炭素で置換した後に、液体二酸化炭素を導入した圧力容器内の圧力を大気圧にまで減圧する工程を更に含むところにある。
請求項1に係る発明では、圧力容器内の機能性添加剤を溶解した超臨界流体を液体二酸化炭素で置換した後に圧力容器内部を大気圧にまで減圧するため、ポリマー基材表面への機能性添加剤の付着を抑制することができ、また大気圧にまで減圧することで、液体二酸化炭素が気化して多くの熱を吸収して基材表面に二酸化炭素固体層を形成するため、基材中に注入された機能性添加剤の抜け出しを抑制することができる。
【0007】
請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明であって、機能性付与温度が流体の臨界温度以上ポリマー基材の融解温度未満であって、機能性付与圧力が流体の臨界圧力以上30MPa以下である方法である。
請求項3に係る発明は、請求項1に係る発明であって、液体二酸化炭素の温度が31℃以下であって、液体二酸化炭素の圧力が7MPa以上である方法である。
請求項4に係る発明は、請求項1に係る発明であって、超臨界流体がCO2である方法である。
請求項5に係る発明は、請求項1に係る発明であって、超臨界流体がCH3OH、NH3、H2S、ベンゼン、トルエン又はCnm(n=2〜5、m=2n又は2n+2)である方法である。
請求項6に係る発明は、請求項1に係る発明であって、超臨界流体がCO2と5容積%以下のCH3OH、NH3、H2S、ベンゼン、トルエン又はCnm(n=2〜5、m=2n又は2n+2)である方法である。
【発明の効果】
【0008】
本発明のポリマー基材への機能付与方法は、ポリマー基材に機能を付与した後の後処理工程として、圧力容器に液体二酸化炭素を導入して圧力容器内の機能性添加剤を溶解した超臨界流体を液体二酸化炭素で置換した後に、液体二酸化炭素を導入した圧力容器内の圧力を大気圧にまで減圧する工程を更に含むことにより、機能性添加剤を溶解した超臨界流体を液体二酸化炭素で置換した後に圧力容器内部を大気圧にまで減圧するため、流体の相変化を起因とする溶解度低下による機能性添加剤の析出が大幅に抑制されるため、ポリマー基材表面への析出物の付着を抑制することができ、また大気圧にまで減圧することで、液体二酸化炭素が気化して基材表面に二酸化炭素固体層を形成するため、基材中に注入された機能性添加剤の抜け出しを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
本発明の機能付与方法で使用される超臨界流体は、物理的又は化学的に安定な流体であって、臨界温度及び臨界圧力がそれぞれ低く、環境に優しい物質が選定される。超臨界流体とは、臨界温度及び臨界圧力以上に維持された流体であり、気体の性質と液体の性質との両方の性質を示し、気体のように拡散し易くかつ液体の溶解性を示す。本発明の超臨界流体としては、CO2が挙げられる。また、その他に本発明の超臨界流体として適用できる流体としては、CH3OH、NH3、H2S、ベンゼン、トルエン、Cnm(n=2〜5、m=2n又は2n+2)等や、CO2と5容積%以下のCH3OH、NH3、H2S、ベンゼン、トルエン又はCnm(n=2〜5、m=2n又は2n+2)の組合わせが望ましいが、機能性添加剤を用いてポリマー基材に機能を付与することが可能であればこれらに限定されるものではない。本発明の機能性付与温度は流体の臨界温度以上ポリマー基材の融解温度未満であって、機能性付与圧力は流体の臨界圧力以上30MPa以下がそれぞれ好ましい。超臨界流体が超臨界CO2の場合、特に好ましい機能性付与温度は31℃〜150℃であり、特に好ましい機能性付与圧力は10〜25MPaである。
【0010】
本発明の機能付与方法で使用されるポリマー基材は、全てのポリマー並びにこれらのポリマーにより作製された成形品である。具体的な材質を例示すると、PP(ポリプロピレン)、PE(ポリエチレン)、PS(ポリスチレン)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、ABS(アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン)樹脂、PVC(ポリ塩化ビニル)、PVDC(ポリ塩化ビニリデン)、メタクリル、ゼオネックス、シクロポリオレフィン、セルロース系、不飽和ポリエステル、フェノール、ポリウレタン、シリコーン等の樹脂が挙げられ、これら材質を用いて作製されたパイプ、タンク、プレート、繊維又は様々な形状の製品が挙げられるが、機能性添加剤により機能付与可能な基材であれば、これらに限定されるものではない。
また、本発明の機能付与方法で使用される機能性添加剤は、物理的、化学的に非常に安定であり、超臨界流体によって分解せず超臨界流体或いはCO2に5容積%以下のCH3OH、NH3、H2S、ベンゼン、トルエン又はCnm(n=2〜5、m=2n又は2n+2)を含む超臨界流体に溶解可能な有機化合物である。例えば、染料、紫外線吸収剤、防眩剤、ホトクロニック剤、柔軟剤、農薬、薬剤、タンパク質、抗生剤、抗炎症剤、栄養剤、ビタミン剤、フッ素化剤、表面活性剤等が挙げられる。
【0011】
図1に示すように、本発明のポリマー基材への機能付与方法に好適な装置10は、超臨界流体に溶解した機能性添加剤によりポリマー基材12に機能を付与する圧力容器11と、この圧力容器11に機能性添加剤を溶解した超臨界流体を供給するための供給路13と、圧力容器11から超臨界流体を排出するための排出路14とを備える。この供給路13には機能性添加剤を溶解した流体を機能性付与圧力にまで加圧するとともに圧力容器11内に供給する加圧ポンプ17、第1バルブ18及び機能性添加剤を溶解した流体を機能性付与温度にまで加熱する加熱器16がそれぞれ設けられる。また、排出路14には第2バルブ(減圧弁)19が設けられる。更に、供給路13には液体二酸化炭素を圧力容器11内に導入する供給ポンプ21及び第3バルブ22がそれぞれ設けられる。
【0012】
このように構成された装置10の圧力容器11にポリマー基材12を収容し、この圧力容器11に加圧ポンプ17及び加熱器16により機能性添加剤を溶解した超臨界流体を供給路13を通じて圧力容器11に供給することにより、圧力容器11内部に機能性添加剤を溶解した超臨界流体が満たされ、ポリマー基材12と超臨界流体とが接触する。次に、第1バルブ18及び第2バルブ(減圧弁)19をそれぞれ閉じ、ポリマー基材12と機能性添加剤を溶解した超臨界流体との接触を一定時間保持することにより、超臨界流体により基材表面が膨潤し、かつ機能性添加剤の一部又は全部がポリマー基材の表面に注入され、ポリマー基材に機能が付与される。また、機能性添加剤を溶解した超臨界流体を連続的に圧力容器11に供給し続けながら、ポリマー基材12に機能を付与してもよく、この場合、第1バルブ18及び第2バルブ(減圧弁)19をそれぞれ開放し、機能性添加剤を溶解した超臨界流体を供給路13を通じて圧力容器11に連続的に供給し続けることで、超臨界流体中に溶解する機能性添加剤の濃度を維持することができる。圧力容器11内部から排出路14を通じて排出された機能性添加剤を溶解した超臨界流体は、機能性添加剤を所定の濃度に調整した後に、加圧ポンプ17及び加熱器16により再度供給路13を通じて循環させてもよい。
【0013】
本発明の特徴ある構成は、超臨界流体によりポリマー基材に機能を付与した後の後処理工程として、圧力容器11に液体二酸化炭素を導入して圧力容器内の機能性添加剤を溶解した超臨界流体を液体二酸化炭素で置換した後に、液体二酸化炭素を導入した圧力容器11内の圧力を大気圧にまで減圧する工程を更に含むところにある。
この後処理工程では、先ず、圧力容器11の供給路13側に接続している機能性添加剤を溶解した超臨界流体の第1バルブ18を閉じて、圧力容器11内への機能性添加剤を溶解した超臨界流体の供給を停止する。続いて、第2バルブ(減圧弁)19及び第3バルブ22をそれぞれ開放し、圧力容器11内部の圧力を所定の範囲に維持しながら機能性添加剤を溶解していない液体二酸化炭素を供給ポンプ21により供給路13を通じて圧力容器11内に導入して、圧力容器内の機能性添加剤を溶解した超臨界流体を液体二酸化炭素で置換する。置換された機能性添加剤を溶解した超臨界流体は排出路14を通じて圧力容器11内から除去される。液体二酸化炭素を圧力容器11内に導入し終えたら、第3バルブ22を閉じて、液体二酸化炭素の導入を停止する。
【0014】
次に、圧力容器11の排出路14側に設けられた第2バルブ(減圧弁)19を開放して、圧力容器11内部を大気圧まで減圧する。この減圧によって圧力容器11内部に導入された液体二酸化炭素は気化し、この気化によって多くの吸収熱が発生する。気化吸収熱の発生によってポリマー基材表面の温度は急激に低下し、ポリマー基材表面に二酸化炭素の固体層が形成される。ポリマー基材12表面に形成された固体層は基材表面の電気的な活性を低下させるため、圧力容器11内に機能性添加剤が残留していたとしても、基材表面への機能性添加剤の析出が抑制される。また基材表面に二酸化炭素の固体層が形成されることで、従来減圧することによって生じていた基材表面に付与された機能性添加剤の抜け出しを抑制することができる。このポリマー基材12表面に形成された二酸化炭素の固体層は、ポリマー基材12を圧力容器11の外に取出して、室温で基材を放冷することにより自然昇華して除去される。
【実施例】
【0015】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
<実施例1>
先ず、ポリマー基材としてポリプロピレンを、機能性添加剤としてブロノン204を、流体として二酸化炭素を、後処理導入溶媒として液体二酸化炭素をそれぞれ用意した。次いで、図1に示す機能付与装置を使用し、反応容器11内にポリプロピレンを収容し、反応容器を密封した。次に、40℃、10MPaにまで加温及び加圧してブロノン204を溶解した超臨界二酸化炭素を反応容器11内に供給路13を通じて供給して反応容器11内にブロノン204を溶解した超臨界二酸化炭素を満たし、ポリプロピレンと接触させた。次に、第1バルブ18及び第2バルブ(減圧弁)19をそれぞれ閉じ、この状態を1時間保持することにより、ポリプロピレン表面にブロノン204を注入してポリプロピレンに機能を付与した。続いて、第2バルブ(減圧弁)19で反応容器11内の圧力を所定圧力に調整し、第3バルブ22を開放して、反応容器11内に31℃以下、7MPa以上に維持された液体二酸化炭素を導入し、反応容器11内のブロノン204を溶解した超臨界二酸化炭素を液体二酸化炭素で置換した。排出路14側の第2バルブ(減圧弁)19を開放して、反応容器11内を大気圧にまで減圧し、更にポリプロピレンを圧力容器11から取り出して機能を付与したポリプロピレンを室温で放冷した。得られた機能付与後のポリプロピレン表面を観察したところ、ブロノン204の機能が十分に付与されていた。
【0016】
<実施例2>
超臨界温度を120℃に維持した以外は実施例1と同様にして、ポリプロピレンに機能を付与した。得られた機能付与後のポリプロピレン表面を観察したところ、ブロノン204の機能が十分に付与されていた。
【0017】
<比較例1>
実施例1と同様にしてポリプロピレンに機能を付与した後、排出路14側の第2バルブ(減圧弁)19を開放して、反応容器11内を大気圧にまで減圧し、更にポリプロピレンを圧力容器11から取り出して機能を付与したポリプロピレンを室温で放冷した。即ち、機能を付与した後に、圧力容器11内部に液体二酸化炭素を導入しなかった。得られた機能付与後のポリプロピレン表面にはブロノン204の析出物が付着していた。そのため、メタノールを洗浄溶媒として更に洗浄工程を施す必要があった。この洗浄工程を施すことで環境への負荷がかかるだけでなく、コストが増大することが考えられる。また、洗浄して析出物を除去した後のポリプロピレン表面を観察したところ、ブロノン204の付与が部分的に十分ではなく、いったん注入されたブロノン204が、反応容器11内を大気圧にまで急激に減圧する際に抜け出したものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明のポリマー基材への機能付与方法に使用される装置を示す図。
【符号の説明】
【0019】
10 機能付与装置
11 反応容器
12 ポリマー基材
13 供給路
14 排出路
16 加熱器
17 加圧ポンプ
18 第1バルブ
19 第2バルブ(減圧弁)
21 供給ポンプ
22 第3バルブ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ポリマー基材を収容した圧力容器に機能性添加剤を溶解した超臨界流体を供給することにより前記ポリマー基材に機能を付与する方法において、
前記ポリマー基材に機能を付与した後の後処理工程として、前記圧力容器に液体二酸化炭素を導入して前記圧力容器内の機能性添加剤を溶解した超臨界流体を液体二酸化炭素で置換した後に、前記液体二酸化炭素を導入した圧力容器内の圧力を大気圧にまで減圧する工程を更に含むことを特徴とするポリマー基材への機能付与方法。
【請求項2】
機能性付与温度が流体の臨界温度以上ポリマー基材の融解温度未満であって、機能性付与圧力が流体の臨界圧力以上30MPa以下である請求項1記載の方法。
【請求項3】
液体二酸化炭素の温度が31℃以下であって、液体二酸化炭素の圧力が7MPa以上である請求項1記載の方法。
【請求項4】
超臨界流体がCO2である請求項1記載の方法。
【請求項5】
超臨界流体がCH3OH、NH3、H2S、ベンゼン、トルエン又はCnm(n=2〜5、m=2n又は2n+2)である請求項1記載の方法。
【請求項6】
超臨界流体がCO2と5容積%以下のCH3OH、NH3、H2S、ベンゼン、トルエン又はCnm(n=2〜5、m=2n又は2n+2)である請求項1記載の方法。

【図1】
image rotate


【公開番号】特開2006−2009(P2006−2009A)
【公開日】平成18年1月5日(2006.1.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−178663(P2004−178663)
【出願日】平成16年6月16日(2004.6.16)
【出願人】(000006264)三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Fターム(参考)】