説明

ポリ乳酸組成物およびその製造方法

【課題】耐溶剤性に優れたポリ乳酸組成物およびその成型体を提供する。
【解決手段】ポリL乳酸とポリD乳酸との混合物からなり、ステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークの割合が全融解ピークに対して90%以上であり、重量平均分子量が10万〜30万であり、耐クロロホルム試験における重量変化が±10%以下であることを特徴とするポリ乳酸組成物およびその成型体。ステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークのエンタルピーが40J/g以上であることが好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は高い耐溶剤性を有するポリ乳酸組成物に関する。また、本発明は前記組成物からなる成型体に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、地球環境保護の目的から、自然環境下で分解される生分解性ポリマーが注目され、世界中で研究されている。生分解性ポリマーとして、ポリヒドロキシブチレート、ポリカプロラクトン、脂肪族ポリエステル、ポリ乳酸が知られ、これらは溶融成型が可能であり、汎用性ポリマーとしても期待されている。
これらの中でポリ乳酸は、その原料である乳酸あるいはラクチドが、天然物から製造することが可能であり、汎用性ポリマーとしての利用も検討されつつある。
【0003】
ポリ乳酸は透明性が高く、強靭であるが、水の存在下では容易く、加水分解でき、さらに廃棄後には環境を汚染することなく分解するので、環境負荷が少ない。
ポリ乳酸の融点は150℃から170℃の範囲にあり、ポリエステルやポリブチレンテレフタレートのごときエンジニアリングプラスチックの代替として用いるには不十分であると考えられている。また、ポリ乳酸はクロロホルムなど一般的な有機溶媒に簡単に溶解するため、オイルなど有機溶剤などと接触する用途に用いることは不可能である。
一方で、L乳酸単位のみからなるポリL乳酸(以下PLLA)とD乳酸単位のみからなるポリD乳酸(以下PDLA)を溶液あるいは溶融状態で混合することにより、ステレオコンプレックスポリ乳酸が形成されることが知られている(特許文献1および非特許文献1)。このステレオコンプレックスポリ乳酸は、PLLAやPDLAに比べて、高融点、高結晶性を示し、興味深い現象が発見されているが、その耐溶剤性についてはこれまで検討されていなかった。
【特許文献1】特開昭63−241024号公報
【非特許文献1】Macromolecules,24,5651(1991)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の目的は、耐溶剤性に優れたポリ乳酸組成物を提供することにある。
【0005】
また本発明の他の目的は、該ポリ乳酸組成物からなる成型体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明者らは、ポリL乳酸とポリD乳酸とから形成され、ステレオコンプレックス結晶の含有率が高く、所定の分子量を有するポリ乳酸組成物およびその成型体は耐溶剤性に優れていることを見出し本発明を完成した。
すなわち本発明は、ポリL乳酸とポリD乳酸との混合物からなり、ステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークの割合が全融解ピークに対して90%以上であり、重量平均分子量が10万〜30万であり、耐クロロホルム試験における重量変化率が±10%以下であることを特徴とするポリ乳酸組成物である。
組成物は、ステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークのエンタルピーが40J/g以上であることが好ましい。また組成物は、ポリL乳酸とポリD乳酸との割合が、前者/後者=45/55〜55/45の範囲であることが好ましい。また組成物は、ポリL乳酸に含まれるL乳酸単位の連続数が15以上で且つその融点が150〜190℃であり、ポリD乳酸に含まれるD乳酸単位の連続数が15以上で且つその融点が150〜190℃であることが好ましい。耐溶剤性試験は、長さ10mm、幅10mm、厚さ2mmの試験片をクロロホルム中に、25℃で、1時間浸漬して行なう。
【0007】
また本発明は、100重量部の前記組成物に対し、10〜150重量部のフィラーを含有する組成物である。フィラーはガラス繊維であることが好ましい。
本発明は、前記組成物からなる成型体を包含する。
また本発明は、前記組成物を成型した後、型内で100〜200℃で熱処理することを特徴とする成型体の製造方法を包含する。
【発明の効果】
【0008】
本発明の組成物および成型体は、耐クロロホルム性に優れ、所定の期間、クロロホルムに浸漬しても重量の変化は少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下に本発明について詳述する。
【0010】
(ポリL乳酸)
ポリL乳酸は、L乳酸を主たるモノマー成分とするポリエステルおよびポリエステルセグメントである。
ポリL乳酸は、実質的にL乳酸単位だけで構成されるポリL乳酸、他のポリエステルとの共重合体、その他のポリマーとの共重合体などが挙げられるが、特に実質的にL乳酸単位だけで構成されることが好ましい。ポリ乳酸はL乳酸単位が、好ましくは90〜99モル%、より好ましくは91〜98モル%、さらに好ましくは94〜98モル%である。またD乳酸単位および/または乳酸以外の共重合成分は、好ましくは1〜10モル%、より好ましくは2〜9モル%、さらに好ましくは2〜6モル%である。
【0011】
ポリL乳酸は、結晶性を有し、150〜190℃、好ましくは160〜190℃の融点を有することが好ましい。この範囲であれば、ポリL乳酸自身が高い結晶性を有し、さらにステレオコンプレックスポリ乳酸となった場合にも高融点の結晶を形成し、さらにその結晶化度も高くなるので好ましい。
ポリL乳酸は、L乳酸単位が連続して15以上であることが好ましく、50以上であることがより好ましい。L乳酸単位の連続数はNMR測定によって調べることが出来る。すなわち、参考文献に従い、ポリL乳酸をクロロホルムに溶解した後、13C−NMRによって得られるチャートから計算される。
ポリL乳酸は、その重量平均分子量が10万〜30万であることが好ましく、10万〜25万であることがより好ましい。この範囲であれば、ステレオコンプレックスポリ乳酸となった後にも良好な成形性と、良好な力学特性を付与することが出来るからである。
【0012】
共重合成分としては、特に指定するものではないが、例えば、D乳酸、グリコール酸、カプロラクトン、ブチロラクトン、プロピオラクトンなどのヒドロキシカルボン酸類、エチレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,2−プロパンジオール、1,4−プロパンジオール、1,5−プロパンジオール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、デカンジオール、ドデカンジオール、炭素数が2〜30の脂肪族ジオール類、コハク酸、マレイン酸、アジピン酸、炭素数2〜30の脂肪族ジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、ヒドロキシ安息香酸、ヒドロキノンなど芳香族ジオール、芳香族ジカルボン酸などから選ばれる1種以上のモノマーを選ぶことが出来る。
【0013】
(ポリD乳酸)
ポリD乳酸は、D乳酸を主たるモノマー成分とするポリエステルおよびポリエステルセグメントである。ポリD乳酸は、実質的にD乳酸単位だけで構成されるポリD乳酸、他のポリエステルとの共重合体、その他のポリマーとの共重合体などが挙げられるが、特に実質的にD乳酸単位だけで構成されるポリD乳酸であることが好ましい。ポリD乳酸において、D乳酸単位は、好ましくは90〜99モル%、より好ましくは91〜98モル%、さらに好ましくは94〜98モル%である。またL乳酸単位および/または乳酸以外の共重合成分は、好ましくは1〜10モル%、より好ましくは2〜9モル%、さらに好ましくは2〜6モル%である。ポリD乳酸は結晶性を有し、150〜190℃以下、好ましくは160〜190℃以下の融点を有することが好ましい。この範囲であれば、ポリD乳酸自身が高い結晶性を有し、さらにステレオコンプレックスポリ乳酸となった場合にも高融点の結晶を形成し、さらにその結晶化度も高くなるので好ましい。
【0014】
ポリD乳酸は、D乳酸単位が連続して15以上であることが好ましく、50以上であることがより好ましい。D乳酸単位の連続数はNMR測定によって調べることが出来る。すなわち、参考文献に従い、ポリD乳酸をクロロホルムに溶解した後、13C−NMRによって得られるチャートから計算される。
ポリD乳酸は、その重量平均分子量が10万〜30万であることが好ましく、10万〜25万であることがより好ましい。この範囲であれば、ステレオコンプレックスポリ乳酸となった後にも良好な成形性と、良好な力学特性を付与することが出来るからである。
【0015】
共重合成分としては、特に指定するものではないが、例えば、L乳酸、グリコール酸、カプロラクトン、ブチロラクトン、プロピオラクトンなどのヒドロキシカルボン酸類、エチレングリコール、1,3−プロパンジオール、1,2−プロパンジオール、1,4−プロパンジオール、1,5−プロパンジオール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、デカンジオール、ドデカンジオール、炭素数が2から30の脂肪族ジオール類、コハク酸、マレイン酸、アジピン酸、炭素数2から30の脂肪族ジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、ヒドロキシ安息香酸、ヒドロキノンなど芳香族ジオール、芳香族ジカルボン酸などから選ばれる1種以上のモノマーを選ぶことが出来る。
【0016】
ポリL乳酸およびポリD乳酸は、例えばそれぞれの乳酸を直接脱水縮合する方法で製造したり、それぞれの乳酸を一度脱水環化してラクチドとした後に開環重合する方法で製造することができる。これらの製造法において用いる触媒は、ポリL乳酸成分やポリD乳酸成分が所定の特性を有するように重合させることが出来るものであれば、いずれも用いることができるが、オクチル酸スズ、塩化スズ、スズのアルコキシドなどの2価のスズ化合物、酸化スズ、酸化ブチルスズ、酸化エチルスズなど4価のスズ化合物、金属スズ、亜鉛化合物、アルミニウム化合物、カルシウム化合物、ランタニド化合物などを例示することが出来る。
【0017】
(ステレオコンプレックス結晶)
本発明のポリ乳酸組成物は、ポリL乳酸とポリD乳酸の混合物であり、その中に含まれるステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークの割合が全融解ピークの90%以上を占めることが好ましく、95%以上であることがより好ましく、100%であることがさらに好ましい。このような範囲であれば耐熱性優れた成型体を良好に得ることが出来る。ステレオコンプレックス結晶を有するポリ乳酸においては、成分、組成比および製造条件に応じて、通常は低温結晶融解相と高温結晶融解相の少なくとも2つの吸熱ピークをを示すことが知られている。ここでいうステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークとは高温結晶融解相のピークにあたり、205℃以上(高温)の融解ピークのことをいう。
【0018】
ポリL乳酸とポリD乳酸との割合が前者/後者=45/55〜55/45の範囲であることが好ましい。
ポリL乳酸に含まれるL乳酸単位の連続数が15以上で且つその融点が150〜190℃以下であり、ポリD乳酸に含まれるD乳酸単位の連続数が15以上で且つその融点が150〜190℃以下であることが好ましい。
さらに本発明のポリ乳酸組成物および成型体は、そこに含まれるステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークのエンタルピーが、好ましくは40J/g以上、より好ましくは42J/g以上、さらに好ましくは50J/g以上である。このような範囲であれば力学的物性に優れた成型体を良好に得ることが出来る。
ポリ乳酸組成物は、重量平均分子量が10万〜30万、好ましくは10万〜25万である。
【0019】
本発明のポリ乳酸組成物およびその成型体は、耐クロロホルム試験においてその重量変化率が±10%以下である、好ましくは±5%以下、より好ましくは±0.5%以下である。このような変化率の範囲であれば、耐溶剤性を必要とする用途において使用することが可能であるからである。
耐クロロホルム試験は、長さ10mm、幅10mm、厚さ2mmの試験片をクロロホルム中に、25℃で、1時間浸漬して行う。評価は、試験片の重量変化率で行う。
【0020】
本発明の組成物からなる成型体は、各種の添加剤、フィラー、染料、顔料などを含んでいてもよい。このような添加剤としては、酸化防止剤、熱安定剤、鎖延長剤、滑剤、核剤、離形剤などを例示することが出来る。また、フィラーとしてはガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、タルク、ハイドロタルサイト、層状ケイ酸塩、チタン酸カリウムウィスカーなどを例示することが出来、特に長繊維あるいは短繊維のガラス繊維を用いることが経済的にも力学物性発現の点でも好ましい。
100重量部のポリ乳酸組成物に対し、好ましくは10〜150重量部、より好ましくは15〜70重量部のフィラーを含有することが好ましい。この範囲であれば、適切な成形性を維持したまま、良好な力学物性などを持たせることが出来る。
【0021】
本発明のポリ乳酸組成物ならびに成型体は、ポリL乳酸とポリD乳酸とをステレオコンプレックス結晶が充分に形成できるように混合することにより製造することができる。例えば、(i)ポリL乳酸とポリD乳酸とを溶融して充分に高温で混合する方法、(ii)ポリL乳酸とポリD乳酸とを固体状態でブレンドした後、溶融して充分に高温で混合する方法、(iii)ポリL乳酸とポリD乳酸とを溶解して混合する方法などを例示できる。
【0022】
溶融して混合する方法をとる場合には、一軸あるいは二軸押出機を用いる方法、ニーダーを用いる方法、あるいは攪拌装置のついた反応容器を使う方法などを例示できる。混合する温度は、230〜290℃であることが好ましく、240〜280℃であることがより好ましく、260〜280℃であることがさらにより好ましい。また、溶液として混合する場合には、クロロホルム、ジクロロメタン、フェノール、テトラクロロエタン、ヘキサフルオロイソプロパノールなどから選ばれる1つ以上の溶媒からなる溶液にそれぞれの成分を溶解した後、混合する方法を取ることが出来る。
【0023】
成型は、射出成型、シート押出、ブロー成型など、樹脂を成型する場合に用いるいかなる方法を用いてもよい。特に射出成型を行う場合には、金型の温度を40〜140℃とすることが好ましく、80〜120℃であることがより好ましく、90〜110℃であることがさらにより好ましい。また、得られた成型体を100〜200℃で熱処理して結晶性をより高めることは好ましく、130〜160℃で熱処理することがより好ましい。このような熱処理を行うことで、耐熱特性を向上させることが出来るからである。
【実施例】
【0024】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に何等限定を受けるものではない。また実施例中における各値は下記の方法で求めた。
【0025】
(1)還元粘度:
ポリマー0.12gを10mLのテトラクロロエタン/フェノール(容量比1/1)に溶解し、35℃における還元粘度(mL/g)を測定した。
【0026】
(2)重量平均分子量(Mw):
ポリマーの重量平均分子量はショーデックス製GPC−11を使用し、ポリ乳酸50mgを5mlのクロロホルムに溶解させ、40℃のクロロホルムにて展開した。重量平均分子量(Mw)、はポリスチレン換算値として算出した。
【0027】
(3)結晶化点、融点、ステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークの割合および融解エンタルピー:
示差走査熱量計(DSC)を用いて、窒素雰囲気下、昇温速度20℃/分で測定し、結晶化点(Tc)、融点(Tm)および融解エンタルピー(ΔHm)を求めた。
ステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークの割合(R)は、205℃以上(高温)の融解ピーク面積と140〜180℃(低温)融解ピーク面積から以下の式により算出した。
R(%)=A205以上/(A205以上+A140〜180)×100
R:ステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークの割合(%)
205以上:205℃以上の融解ピーク面積
140〜180:140〜180℃の融解ピーク面積
【0028】
(4)耐クロロホルム試験:
試験片は、長さ10mm、幅10mm、厚さ2mmの形状の樹脂片を切り取って準備し、試験片の表面をメチルアルコールで湿らせた布で表面の汚れをぬぐいとった後、試験片の重量を量った。試験液クロロホルム50mLが入った容器に試験片を完全に浸漬させ、容器を密閉して、25℃、1時間静置した。ただし、試験液は浸漬後30分で数回緩やかにかき混ぜた。1時間後に試験片を試験液から取り出し、乾いたろ紙で試験片の表面に付着している液を軽くぬぐい取り、直ちにはかりに入れてその重量を量った。試験終了後の各試験片の外観を観察し、光沢損失、変色、曇り、ひび割れ、亀裂、膨潤、反り、分解、溶解、粘着などの有無を調べた。また、試験終了後の試験液の外観を観察し、透明性、色調などの変化または濁り、沈殿物の有無を調べた。
試験前後の試験片の重量変化率M(%)は、以下の式で表される。
M(%)=(M−M)/M×100
M:重量変化率(%)
:試験片の試験前の重量(mg)
:試験片の試験後の重量(mg)
【0029】
(製造例1:ポリマーAの製造)
L−ラクチド(株式会社武蔵野化学研究所)100重量部を重合容器に加え、系内を窒素置換した後、ステアリルアルコール0.2重量部、触媒としてオクチル酸スズ0.05重量部を加え、190℃、2時間、重合を行い、ポリマーを製造した。このポリマーを7%5N塩酸のアセトン溶液で洗浄し、触媒を除去し、ポリマーAを得た。得られたポリマーAの還元粘度は2.92(mL/g)、重量平均分子量19万であった。融点(Tm)は168℃であった。結晶化点(Tc)は122℃であった。
【0030】
(製造例2:ポリマーAの製造)
D−ラクチド(株式会社武蔵野化学研究所)100重量部を重合容器に加え、系内を窒素置換した後、ステアリルアルコール0.2重量部、触媒としてオクチル酸スズ0.05重量部を加え、190℃、2時間、重合を行い、ポリマーを製造した。このポリマーを7%5N塩酸のアセトン溶液で洗浄し、触媒を除去し、ポリマーAを得た。得られたポリマーAの還元粘度は2.65(mL/g)、重量平均分子量20万であった。融点(Tm)は176℃であった。結晶化点(Tc)は139℃であった。
【0031】
(実施例1)
ポリマーAおよびポリマーAを5:5で混合し、射出成形機内に投入し、溶融温度260℃で溶融混練し成型した後、金型温度100℃にて90秒間型締めし成型体を得た。得られた成型体から試験片を作成した。試験片のステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークの割合は全融解ピークに対して95%、ステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークのエンタルピーは45J/gであった。
耐クロロホルム試験の結果は、重量変化率1%であった。試験片および試験液の変化は目視では観察されなかった。結果を表1に示す。
【0032】
(実施例2)
ポリマーA、ポリマーA、およびガラス繊維(旭ガラスファイバー製、繊維直径10μm、繊維長3mm)を3.5:3.5:3で混合し、射出成形機内に投入し、溶融温度260℃で溶融混練し成型した後、金型温度100℃にて90秒間型締めし成型体を得た。得られた成型体から試験片を作成した。試験片のステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークの割合は全融解ピークに対して96%、ステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークのエンタルピーは42J/gであった。
耐クロロホルム試験の結果は、重量変化率3%であった。試験片および試験液の変化は目視では観察されなかった。
【0033】
(実施例3)
ポリマーAおよびポリマーAを5:5で混合し、射出成形機内に投入し、溶融温度260℃で溶融混練し成型した後、金型温度100℃にて90秒間型締めし成型体を得た。得られた成型体から試験片を作成し、試験片を140℃で1時間熱処理した。試験片のステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークの割合は全融解ピークに対して96%、ステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークのエンタルピーは50J/gであった。
耐クロロホルム試験の結果は、重量変化率−6%であった。試験片および試験液の変化は目視では観察されなかった。
【0034】
(実施例4)
ポリマーA、ポリマーA、およびガラス繊維(旭ガラスファイバー製、繊維直径10μm、繊維長3mm)を3.5:3.5:3で混合し、射出成形機内に投入し、溶融温度260℃で溶融混練し成型した後、金型温度100℃にて90秒間型締めし成型体を得た。得られた成型体から試験片を作成し、試験片を140℃で1時間熱処理した。試験片のステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークの割合は全融解ピークに対して98%、ステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークのエンタルピーは51J/gであった。
耐クロロホルム試験の結果は、重量変化率−1%であった。試験片および試験液の変化は目視では観察されなかった。
【0035】
(比較例1)
ポリマーAを射出成形機内に投入し、溶融温度220℃で溶融混練して成型した後、金型温度30℃にて40秒間型締めし成型体を得た。得られた成型体から試験片を作成し、試験片を100℃で1時間熱処理した。
耐クロロホルム試験の結果は、重量変化率−31%であった。試験片は激しく溶解し、試験液はよどみが観察された。
【0036】
(比較例2)
ポリマーAおよびガラス繊維(旭ガラスファイバー製、繊維直径10μm、繊維長3mm)を7:3で混合し、射出成形機内に投入し、溶融温度220℃で溶融混練し成型した後、金型温度30℃にて40秒間型締めし成型体を得た。得られた成型体から試験片を作成し、試験片を100℃で1時間熱処理した。
耐クロロホルム試験の結果は、重量変化率−25%であった。試験片は激しく変形し、試験液はよどみ、沈殿物が観察された。
実施例1〜4および比較例1〜2の結果をまとめ表1に示す。
【0037】
【表1】

【産業上の利用可能性】
【0038】
本発明のポリ乳酸組成物および成型体は、従来ポリ乳酸の使用が困難であったクロロホルムなどの溶剤に対する耐性が要求される分野への利用を可能にする。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ポリL乳酸とポリD乳酸との混合物からなり、ステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークの割合が全融解ピークに対して90%以上であり、重量平均分子量が10万〜30万であり、耐クロロホルム試験における重量変化率が±10%以下であることを特徴とするポリ乳酸組成物。
【請求項2】
ステレオコンプレックス結晶に由来する融解ピークのエンタルピーが40J/g以上である請求項1に記載の組成物。
【請求項3】
ポリL乳酸とポリD乳酸との割合が、前者/後者=45/55〜55/45の範囲である請求項1記載の組成物。
【請求項4】
ポリL乳酸に含まれるL乳酸単位の連続数が15以上で且つその融点が150〜190℃であり、ポリD乳酸に含まれるD乳酸単位の連続数が15以上で且つその融点が150〜190℃である請求項1記載の組成物。
【請求項5】
耐クロロホルム試験は、長さ10mm、幅10mm、厚さ2mmの試験片をクロロホルム中に、25℃で、1時間浸漬して行なう請求項1記載の組成物。
【請求項6】
100重量部の請求項1記載の組成物に対し、10〜150重量部のフィラーを含有する組成物。
【請求項7】
フィラーがガラス繊維である請求項6に記載の組成物。
【請求項8】
請求項1〜7のいずれか一項に記載の組成物からなる成型体。
【請求項9】
請求項1〜7のいずれか一項に記載の組成物を成型した後、型内で100〜200℃で熱処理することを特徴とする成型体の製造方法。

【公開番号】特開2007−70412(P2007−70412A)
【公開日】平成19年3月22日(2007.3.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−256997(P2005−256997)
【出願日】平成17年9月5日(2005.9.5)
【出願人】(000003001)帝人株式会社 (1,209)
【出願人】(390022301)株式会社武蔵野化学研究所 (63)
【出願人】(303066965)株式会社ミューチュアル (33)
【出願人】(503313454)
【Fターム(参考)】