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高分岐型フィルム用スチレン系樹脂組成物及びスチレン系樹脂フィルム
説明

高分岐型フィルム用スチレン系樹脂組成物及びスチレン系樹脂フィルム

【課題】溶融張力と溶融延伸性のバランスに優れる高分岐型超高分子量共重合体を含有するフィルム用スチレン系樹脂組成物と、それを使用したフィルムの製造方法及びフィルムを提供する。
【解決手段】スチレン含有モノビニル化合物に、1分子中にビニル基を2以上有し、分岐構造を有する溶剤可溶性多官能ビニル共重合体を、重量基準で100〜3000ppm添加して、これを連続的に重合させて得られ、多官能ビニル共重合体とモノビニル化合物が重合して生じる高分岐型超高分子量共重合体と、モノビニル化合物が重合して生じる線状重合体とを含むスチレン系樹脂組成物であって、Mwが20万〜50万で、Mz/Mwが2.2〜5.0、分子量100万〜150万における分岐比gMが0.85〜0.40である高分岐型フィルム用スチレン系樹脂組成物。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、スチレンを必須とするモノビニル化合物と一分子内に複数の二重結合を有する溶剤可溶性多官能ビニル共重合体とを連続的に重合反応器に供給する連続重合法によって得られる高分岐型超高分子量共重合体と線状重合体とを含有する高分岐型板状押出発泡体用スチレン系樹脂組成物と、それから得られるスチレン系樹脂フィルムに関するものであり、このスチレン系樹脂組成物からは強度が高く、成膜時の成形性や延伸性、および二次成形時の強度や深絞り性に優れたフィルムを得ることができる。。
【背景技術】
【0002】
スチレン系樹脂組成物からなるフィルムは、透明性および印刷性に優れるために食品包装や封筒窓材の用途で広く利用されている。近年では発泡ポリスチレンシートと積層加工し、熱成形(真空成形、圧空真空成形、熱板成形等)により任意の形状に二次成形され、食品トレー、容器などとしても広く使用されている。しかしながら、スチレン系樹脂フィルムは、深絞り成形を行うと、フィルムの伸びが不足して、成形時にフィルムが破れたり、肉厚ムラが発生する問題がある。
【0003】
深絞り成形におけるフィルムの伸びや肉厚ムラの改善には、均一な溶融延伸という点で適度な溶融張力が必要であり、溶融状態での伸びを表す溶融延伸性とのバランスが重要となる。
【0004】
溶融張力や溶融延伸性を制御する手段としては、スチレン系樹脂組成物に超高分子量成分を含有させる方法が有効であることが知られている。
【0005】
超高分子量成分を含有する樹脂組成物を得る方法としては、例えば、特許文献1に記載された分子量が200万以上の成分を一定範囲内で含有するスチレン系重合体組成物がある。この組成物を得るためには、重合の前段において低温下で重合を進行させる方法やアニオン重合等で別途重合した超高分子量重合体をブレンドする方法が提案されているが、この方法では、生産性に劣ったり、別途重合した成分をブレンドする場合はコスト高となる等の問題点があった。
【0006】
上記の問題を回避するために、例えば特許文献2に記載された多官能ビニル化合物単位を含有する100万以上の分子量成分を一定範囲内で含有するスチレン系重合体などがあり、分岐型超高分子量成分を含有させるために芳香族ジビニル化合物に代表される芳香族多官能ビニル化合物を極少量、ビニル系単量体に添加し重合することが提案されている。しかし、この手段を連続塊状重合に応用すると長期の反応を継続した場合、重合反応器の壁面に存在する境膜と呼ばれる流動が停止している領域においてゲル化が進行するという問題点があり、上記を避けようとすると多官能芳香族ビニル化合物の添加量に制限を受け、望ましい超高分子量成分量を生成させることが困難であった。
【0007】
さらに、特許文献3には多官能重合開始剤を用いてスチレン系共重合体に分岐構造を有する超高分子量成分を含有させる方法が開示されているが、この方法ではスチレン系重合体全体が高分子量化しやすく、それを避けるために多量の連鎖移動剤を使用すると効果が不十分となる。また、特許文献4にも多官能芳香族ビニル化合物と連鎖移動剤を併用することでスチレン系樹脂の重合度を制御する方法が開示されているが、多官能開始剤を用いた場合と同様に効果を相殺する上に、連鎖移動剤としてメルカプタン類を用いると特有の臭気の問題点から使用範囲が制限されるという問題点が有った。特許文献5には多分岐状マクロモノマーを用いて得られる線状ポリスチレンと多分岐状ポリスチレンからなるスチレン系樹脂組成物により、溶融張力に優れることが開示されているが、溶融延伸性の改善は不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特公昭62−61231号公報
【特許文献2】特開平2−170806号公報
【特許文献3】特開平8−59721号公報
【特許文献4】特開2002−241413号公報
【特許文献5】特開2003−292707号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は、フィルムの熱成形性を向上させるため、溶融張力と溶融延伸性のバランスに優れた、ゲル状物がなく、高分岐型超高分子量共重合体と線状重合体とを含有するフィルム用スチレン系樹脂組成物とそれから得られるフィルムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
すなわち本発明は、以下に記載する通りの高分岐型フィルム用スチレン系樹脂組成物、スチレン系樹脂フィルムの製造方法及びスチレン系樹脂フィルムである。
【0011】
(1) スチレンを必須とするモノビニル化合物に、平均して1分子中にビニル基を2以上有し、分岐構造を有する溶剤可溶性多官能ビニル共重合体を、重量基準で100ppm〜3000ppm添加した原料溶液を、1個以上連続して配置された重合反応器に、連続的に供給して重合反応を進行させて得られる、該溶剤可溶性多官能ビニル共重合体と該モノビニル化合物が重合して生じる高分岐型超高分子量共重合体と該モノビニル化合物が重合して生じる線状重合体とを含むスチレン系樹脂組成物であって、重量平均分子量(Mw)が20万〜50万で、Z平均分子量(Mz)と重量平均分子量(Mw)の比(Mz/Mw)が2.2〜5.0、分子量100万〜150万における分岐比gMが0.85〜0.40であることを特徴とする高分岐型フィルム用スチレン系樹脂組成物。
【0012】
(2) 溶剤可溶性多官能ビニル共重合体は、ジビニル化合物と共重合可能なモノビニル化合物とを重合して得られ、更に下記式(a1)で表されるジビニル化合物由来のペンダントビニル基含有単位を構造単位中にモル分率として0.10〜0.50の範囲で含有し、その重量平均分子量における慣性半径(nm)と上記モル分率の比が10〜80の範囲内にあることを特徴とする(1)の高分岐型フィルム用スチレン系樹脂組成物。
【化1】

(式中、R1はジビニル化合物に由来する炭化水素基を示す。)
【0013】
(3) 上記(1)または(2)のいずれかに記載の高分岐型フィルム用スチレン系樹脂組成物を押出しすることを特徴とするスチレン系樹脂フィルムの製造方法。
【0014】
(4) 上記(3)に記載の製造方法によって得られるスチレン系樹脂フィルム。
【発明の効果】
【0015】
本発明の高分岐型超高分子量共重合体と線状重合体をバランスよく含有する高分岐型フィルム用スチレン系樹脂組成物は、溶融張力と溶融延伸性のバランスに優れることから、フィルムの熱成形性に優れ、深絞り成形に適しており、肉厚も均一となる。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明を詳細に説明する。本発明の高分岐型フィルム用スチレン系樹脂組成物(以下、スチレン系樹脂組成物ともいう)の製造方法としては、スチレンを含むモノビニル化合物と溶剤可溶性多官能ビニル共重合体(以下、多官能ビニル共重合体ともいう)と、必要に応じて溶剤、重合触媒、連鎖移動剤等を添加混合し、直列および/または並列に配列された1個以上の反応器と未反応単量体等を除去する揮発分除去工程を備えた設備に連続的に単量体類を送入し、段階的に重合を進行させる所謂、連続塊状重合法が好適に用いられる。反応器の様式としては、完全混合型の槽型反応器、プラグフロー性を有する塔型反応器、重合を進行させながら一部の重合液を抜き出すループ型の反応器等が例示される。これら反応器の配列の順序に特に制限は無いが、連続生産においてゲル状物の生成を抑制するためには、多官能ビニル共重合体が未反応の状態で、反応器壁面の境膜中に高濃度に滞留する状態を発現させないことが重要であり、第一の反応器として完全混合型の槽型反応器を選択することが好ましい。脱揮工程は加熱器付きの真空脱揮槽やベント付き脱揮押出機などで構成される。脱揮工程を出た溶融状態の重合体は造粒工程へ移送される。造粒工程では、多孔ダイよりストランド状に溶融樹脂を押出し、コールドカット方式や空中ホットカット方式、水中ホットカット方式にてペレット形状に加工される。重合反応器は、1個以上連続して配置されるが、1個の場合は、単独でよく、2個以上の場合は、少なくとも2つは連続的(直列)に配置される。
【0017】
原料溶液は、スチレンを含むモノビニル化合物と、多官能ビニル共重合体を含む。本発明のスチレン系樹脂組成物の構成要素となる多官能ビニル共重合体は、モノビニル化合物類、重合溶剤等に溶解した状態で、必要に応じて上記の反応器の途中から添加することもできる。
【0018】
本発明のスチレン系樹脂組成物の原料として使用されるスチレンを必須とするモノビニル化合物(以下、スチレン系モノマーともいう)は、スチレンが100%であってもよく、スチレンと他のモノビニル化合物を含む混合物であってもよい。他のモノビニル化合物としては、スチレンと共重合可能なオレフィン性二重結合を有するものであればよく、パラメチルスチレン等の芳香族ビニル系モノマー類、アクリル酸、メタクリル酸等のアクリル酸モノマー、アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のシアン化ビニルモノマー、アクリル酸ブチル、メタクリル酸メチル等のアクリル系モノマーや無水マレイン酸、フマル酸等のα,β−エチレン不飽和カルボン酸類、フェニルマレイミド、シクロヘキシルマレイミド等のイミド系モノマー類が挙げられる。これらの他のビニル系モノマーは1種もしくは2種以上を併用して使用することもできる。そして、スチレンと他のモノビニル化合物の割合は、スチレン50〜100モル%、他のモノビニル化合物0〜50モル%であることが、スチレン系樹脂組成物の特性を生かすために好ましい。
【0019】
本発明のスチレン系樹脂組成物の原料として使用される多官能ビニル共重合体は、スチレン系モノマーと共重合化されることで高度に分岐された超高分子量のスチレン系樹脂を与えるものである。
【0020】
上記多官能ビニル共重合体は、特開2004−123873号公報、特開2005−213443号公報、WO2009/110453等に開示されている方法に準じて得ることができる。具体的には、ジビニル化合物と少なくとも1種以上のモノビニル化合物を使用し、共重合させて、式(a1)で示される反応性のペンダントビニル基を有する共重合体を得るものである。さらに、上記特許文献に記載されるように末端にビニル基以外の他の末端基が導入されたものを使用することもでき、特にフェノキシメタクリレート類のような不飽和結合を分子内に有する化合物にて末端変性されたものは(a1)以外にも架橋点として作用することが可能となるため好ましい。この場合は、末端の不飽和結合含有構造単位(a2)もビニル基を有するので、式(a1)の構造単位との合計のモル分率(a3)は、全体のビニル基の存在量を示すことになる。
【0021】
多官能ビニル共重合体を得るために使用するジビニル化合物としては、ジビニルベンゼンに代表されるジビニル芳香族化合物類やエチレングリコールジ(メタ)アクリレートに代表される脂肪族、脂環式(メタ)アクリレート類等が例示される。
【0022】
また、ここで使用するモノビニル化合物としては、前述したようなスチレン等のモノビニル芳香族化合物を含むモノビニル化合物類が挙げられる。
【0023】
多官能ビニル共重合体の製造方法としては、例えば、ジビニル芳香族化合物、モノビニル芳香族化合物及び他のモノビニル化合物から選ばれる2種以上の化合物を、ルイス酸触媒、エステル化合物から選ばれる助触媒の存在下、カチオン共重合させることにより得ることができる。また(メタ)アクリレート系のジビニル、モノビニル化合物を使用する場合は、カチオン重合では反応が進行しないため過酸化物等のラジカル触媒の存在下でラジカル重合することにより得ることができる。
【0024】
ジビニル化合物とモノビニル化合物の使用量は、本発明で使用される多官能ビニル共重合体の組成を与えるように決められるが、ジビニル化合物を、好ましくは全単量体の10〜90モル%、より好ましくは30〜90モル%使用する。モノビニル化合物を好ましくは全単量体の90〜10モル%、より好ましくは70〜10モル%使用する。ここで、2−フェノキシエチルメタクリレートのようなカチオン重合においては末端変性剤として作用するものは単量体としては計算しない。
【0025】
多官能ビニル共重合体の製造で用いられるルイス酸触媒としては、金属イオン(酸)と配位子(塩基)からなる化合物であって、電子対を受け取ることのできるものであれば特に制限なく使用できる。分子量及び分子量分布の制御及び重合活性の観点から、三フッ化ホウ素のエーテル(ジエチルエーテル、ジメチルエーテル等)錯体が最も好ましく使用される。ルイス酸触媒は単量体化合物1モルに対して、0.001〜10モルの範囲内で用いるが、より好ましくは0.001〜0.01モルである。ルイス酸触媒の使用量が過大であると、重合速度が大きくなりすぎるため、分子量分布の制御が困難となるので好ましくない。
【0026】
助触媒としてはエステル化合物から選ばれる1種以上が挙げられる。その中で、重合速度及び共重合体の分子量分布制御の観点から炭素数4〜30のエステル化合物が好適に使用される。入手の容易さの観点から、酢酸エチル、酢酸プロピル及び酢酸ブチルが好適に使用される。助触媒は単量体化合物1モルに対して0.001〜10モルの範囲内で使用するが、より好ましくは0.01〜1モルである。助触媒の使用量が過大であると、重合速度が減少し、共重合体の収率が低下する。一方、助触媒の使用量が過少であると、重合反応の選択性が低下し、分子量分布の増大、ゲルの生成等が生じる他、重合反応の制御が困難となる。
【0027】
また、ラジカル重合で多官能ビニル共重合体を製造する際に用いられる触媒としては、アゾビスイソブチロニトリルに代表されるアゾ系化合物、ジベンゾイルパーオキサイド、t−ブチルパーオキシベンゾエート等の単官能性の過酸化物や1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)シクロヘキサンのような2官能性以上の多官能性の過酸化物が例示され、単独または2種以上を併用して使用することができる。
【0028】
本発明で使用する多官能ビニル共重合体は上記のような製造方法で得ることができるが、単量体として使用するジビニル化合物のビニル基の一部は重合させずに残すことが必要である。そして、少なくとも平均して1分子中に2以上、好ましくは3以上のビニル基が存在するようにする。このビニル基は主として上記式(a1)で表わされる構造単位として存在する。そして、ビニル基の一部は重合させずに残すことにより架橋反応を抑制し、溶剤可溶性を与えることができる。ここで、溶剤可溶性とは、トルエン、キシレン、THF(テトラヒドロフラン)、ジクロロエタン又はクロロホルムに可溶であることをいい、具体的にはこれらの溶媒100gに、25℃において5g以上が溶解し、ゲルが発生しないことをいう。一方、ジビニル化合物の一部は2つビニル基が反応して架橋又は分岐することが必要であり、これにより分岐構造を有する共重合体とすることができる。このように、ジビニル化合物の一部については2つのビニル基の一つは反応させ、一つは重合させずに残し、他の一部については2つのビニル基を共に反応させることにより本発明で使用する多官能ビニル共重合体を得ることができる。このような多官能ビニル共重合体を得る重合方法は、上記のように公知であり、上記のようにして製造することができる。
【0029】
多官能ビニル共重合体の重量平均分子量(Mw)は、1,000〜100,000であることが好ましく、5,000〜70,000がより好ましい。1,000より小さい場合は、芳香族ジビニル化合物や多官能(メタ)アクリレート類を用いた場合と同様に連続重合におけるゲル化の進行抑制効果は小さくなり、連続重合において十分な効果を得られ難い。
【0030】
多官能ビニル共重合体に導入されるジビニル化合物由来のビニル基を含有するユニットは上記式(a1)で表わされる構造単位を有するが、この構造単位(a1)のモル分率は、0.10〜0.50であることがよい。0.10モルより少ない場合は、フィルム用途に必要な高分子量の高分岐型スチレン系共重合体が得られにくい。一方、0.50モルを超える場合は、高分岐型スチレン系共重合体の分子量が過度に増大し、ゲル化が起こりやすくなり、スチレン系樹脂組成物をフィルムに加工する際に破れが発生しやすくなる。
【0031】
ここで、構造単位(a1)、末端変性剤由来の二重結合(a2)および両者の合計のモル分率(a3)は日本電子製JNM−LA600型核磁共鳴分光装置を用い、13C−NMR及び1H−NMR分析により構造を決定した。溶媒としてクロロホルム−d1を使用し、テトラメチルシランの共鳴線を内部標準として使用した。
上記したように不飽和結合を分子内に有する化合物にて末端変性したものは、式(a1)で表わされる構造単位の他に、末端の不飽和結合含有構造単位(a2)もビニル基を有するので、両者の合計のモル分率(a3)が、0.10〜0.50であることがよい。
【0032】
また、多官能ビニル共重合体は、その重量平均分子量における慣性半径(nm)と上記構造単位(a1)のモル分率又は上記合計のモル分率(a3)との比が、本用途に必要な溶融張力と溶融延伸性を付与するための高分岐型超高分子量共重合体をゲル化を伴わずに調整するためには、10〜80の範囲にあることが好ましい。上記の比が80を超える場合は、ゲル化は進行しないが、高分子量の高分岐型スチレン系共重合体が十分に得られにくい。一方、10より小さい場合は、高分岐型スチレン系共重合体の分子量が過度に増大し、フィルム製造時に微小なゲルによる外観不良や破れが起こりやすくなる。
【0033】
ここで、慣性半径は、試料を0.5%のTHF溶液に調整した後、メンブランフィルターにてろ過し、ろ液についてGPC多角度光散乱法を用いて測定を行った。さらに、試料を0.2%THF溶液に調整後1日放置した。その後、THFを用いて4種類の濃度(0.02、0.05、0.10、0.12wt%)の溶液に希釈し、これらの溶液を用いてdn/dc値(固有の屈折率増分:溶質の濃度変化に対して、そのポリマー溶液の屈折率がどのくらい変化するかを表した値)の測定を行い、得られたdn/dc値から試料の慣性半径を算出した。
多官能ビニル共重合体は分子量に分布を持つ重合体であり、当然、その慣性半径も分布を有しているため、重量平均分子量における慣性半径を全体の慣性半径の平均値として採用するものである。
【0034】
ここで定義した慣性半径と二重結合の含有量を表わす指標である構造単位(a1)のモル分率又は上記合計のモル分率(a3)の比は、高分岐型超高分子量共重合体を構成する際に、核となる多官能ビニル共重合体が重合反応溶液中でどのような広がりの中に、どれだけの反応点を有しているかを表す指標といえる。この比が小さ過ぎると、反応点が近傍にあり、ゲル化を引き起こしやすくなり、またこの比が大き過ぎると分岐型成分の高分子量化が困難となる。
【0035】
スチレン系モノマーに対する多官能ビニル共重合体の配合率としては、重量基準で100ppm〜3000ppmであり、100ppm〜1000ppmがより好ましい。多官能ビニル共重合体の配合率が100ppmより少ない場合は、高分岐型超高分子量共重合体の生成量が不十分となり、本発明の十分な効果が得られにくいため好ましくない。一方、3000ppmを越える場合は、フィルム製造時に微小なゲルによる外観不良や破れを引き起こす可能性がある。
【0036】
前記多官能ビニル共重合体とスチレン系モノマーとを共重合させることにより、多官能ビニル共重合体とスチレン系単量体との共重合体である高分岐型超高分子量共重合体と、スチレン系モノマーだけから生成する線状重合体との混合物である本発明のスチレン系樹脂組成物が得られる。スチレン系モノマーとして2種類以上を用いた場合は、線状重合体は共重合体となる。
【0037】
本発明のスチレン系樹脂組成物の重量平均分子量(Mw)は、20万〜50万であり、25万〜40万であることが好ましい。Mwが20万未満ではフィルムの強度が不十分であり、Mwが50万よりも大きいと樹脂粘度が上昇し、フィルムの押出成形が困難となる。スチレン系樹脂組成物のMwは、重合工程の反応温度、滞留時間、重合開始剤の種類及び添加量、連鎖移動剤の種類及び添加量、重合時に使用する溶媒の種類及び量等によって制御することができる。
【0038】
重量平均分子量(Mw)及びZ平均分子量(Mz)、数平均分子量(Mn)は、ゲルパーミエイションクロマトグラフィー(GPC)を用いて、次の条件で測定した。
GPC機種:昭和電工株式会社製 Shodex GPC−101
カラム:ポリマーラボラトリーズ社製 PLgel 10μm MIXED−B
移動相:テトラヒドロフラン
試料濃度:0.2質量%
温度:オーブン40℃、注入口35℃、検出器35℃
検出器:示差屈折計
上記分子量の測定は単分散ポリスチレンの溶出曲線より各溶出時間における分子量を算出し、ポリスチレン換算の分子量として算出したものである。
【0039】
また、Z平均分子量(Mz)と重量平均分子量(Mw)の比(Mz/Mw)は、2.2〜5.0であり、2.6〜4.0であることが好ましい。Mz/Mwが2.2未満であると、高分岐型超高分子量共重合体の含有量が不十分となり、本発明の十分な効果が得られない。Mz/Mwが5.0を超えると高分岐型超高分子量共重合体の分子量が高くなり、製造過程においてゲルが生成しやすくなる。
【0040】
本発明のスチレン系樹脂組成物の分子量100万〜150万の成分における分岐比gMは、0.85〜0.40であり、0.80〜0.50であることが好ましい。分岐比gMは、スチレン系樹脂組成物中に含まれる高分岐型超高分子量共重合体の分岐の程度を表しており、分岐比gMが低いほど分岐が多いことを表している。分岐比gMが0.85超えると分岐が不足し、本発明の十分な効果が得られない。分岐比gMが0.40未満として分岐を増やしても、それ以上の改良効果が得られない。
【0041】
分岐比gMはゲルパーミエイションクロマトグラフィー多角度レーザー光散乱光度計(GPC−MALS法)により、分子量と回転半径の測定を行い、スチレン系樹脂組成物の回転半径<r2brと直鎖ポリスチレンの回転半径<r2linから分岐比gM=<r2br/<r2linを計算し、分子量100万〜150万の間の平均値として算出した。なお、分岐の大きいポリマーは回転半径が小さいため、分岐比gMの値は小さくなり、分岐が少ないポリマーほど1に近い数値となる。GPC−MALSの測定は次の条件にて行った。
GPC機種:昭和電工株式会社製Shodex DS−4
カラム:ポリマーラボラトリーズ社製 PLgel 10μm MIXED−B
移動相:テトラヒドロフラン
試料濃度:0.2質量%
温度:室温
検出器:示差屈折計
MALS機種:Wyatt Technology社製 DAWN DSP−F
波長:633nm(He−Ne)
上記分岐比gMは標準直鎖多分散ポリスチレン(昭和電工製:NBS706)の分岐比gMを1とした場合に対する数値を算出したものである。
【0042】
スチレン系樹脂組成物のMz/Mwは高分岐型超高分子量共重合体の含有量、分岐比gMは分岐の程度に関係しており、これらの因子はスチレン系単量体に対する多官能ビニル共重合体の配合割合や重合条件を調整することにより制御することができる。なお、本発明では多官能ビニル共重合体を用いることで、重合初期から高分岐型超高分子量共重合体を効率よく生成させることができ、重合条件によるポリマー設計の自由度が大きい。
【0043】
本発明のスチレン系樹脂組成物の残存スチレンモノマー及び重合溶媒の総量は、500μg/g以下であることが好ましく、350μg/g以下であることがより好ましい。スチレン系樹脂組成物中の残存スチレンモノマー及び重合溶媒の総量が多いと、押出機の出口や熱成形時に、これらの成分が揮発し、フィルムや成形品の表面に付着して外観不良等の問題となるため、極力低減することが好ましい。
【0044】
上記残存スチレンモノマー及び重合溶媒の量は、樹脂500mgを、内部標準物質としてシクロペンタノールを含むDMF(ジメチルホルムアミド)10mlに溶解し、ガスクロマトグラフィーを用いて以下の条件で測定した。
ガスクロマトグラフ:HP−5890(ヒューレットパッカード社製)
カラム:HP−WAX、0.25mm×30m、膜厚0.5μm
インジェクション温度:220℃
カラム温度:60℃〜150℃、10℃/min
ディテクター温度:220℃
スプリット比:30/1
残存スチレンモノマー及び重合溶媒は、脱揮工程の構成及び脱揮工程の運転条件により、低減することができ、二段脱揮或いは二段注水脱揮などの構成とすることで好ましい範囲に調整することができる。
【0045】
本発明のスチレン系樹脂組成物のメタノール可溶分は、0.5〜3.5質量%であることが好ましく、1.0〜3.0質量%であることがより好ましい。メタノール可溶分が0.5質量%未満では成膜時の延伸性が悪化し、3.5質量%を超えるとフィルムの耐熱性が低下しやすい。メタノール可溶分とは樹脂組成物中のメタノールに可溶な成分を指し、例えばスチレン系樹脂の重合過程や脱揮工程で副生成するスチレンオリゴマー(スチレンダイマー、スチレントリマー)の他にホワイトオイル、シリコーンオイル等の各種添加剤や残存スチレンモノマー及び重合溶媒等の低分子量成分が含まれる。メタノール可溶分は、重合過程で副生成するスチレンオリゴマー(スチレンダイマー、スチレントリマー)の発生量、ホワイトオイル等の各種添加剤の添加量、残存スチレンモノマー及び重合溶媒の量により調整することができる。
【0046】
なお、メタノール可溶分は樹脂1gを精秤(質量P)し、メチルエチルケトンを40mL加えて溶解し、メタノール400mLを急激に加えて、メタノール不溶分(樹脂成分)を析出、沈殿させる。約10分間静置した後、ガラスフィルターで徐々にろ過してメタノール不溶分を分離し、120℃の真空乾燥機にて2時間減圧下で乾燥した後、デシケータ内で約25分間放冷し、乾燥したメタノール不溶分の質量Nを測定することで、次式によって求めた。
メタノール可溶分(質量%)=(P−N)/P×100
【0047】
本発明のスチレン系樹脂組成物およびスチレン系樹脂材料の200℃、49N荷重の条件にて測定したメルトマスフローレイト(MFR)は、0.5〜10.0g/10分であることが好ましく、1.0〜6.0g/10分であることがより好ましい。0.5g/10分未満では、フィルムの押出成形性が悪化し、10g/10分を超えるとフィルムの押出時にドローダウンが発生しやすくなり好ましくない。MFRは、JIS K−7210に基づき測定することができる。
【0048】
本発明のスチレン系樹脂組成物、又はこのスチレン系樹脂組成物に後記する添加剤を配合して得られるスチレン系樹脂材料の200℃で測定した溶融張力値は5〜15gfであること好ましく、8〜12gfであることがより好ましい。また、最大溶融延伸倍率は100以上が好ましく、120以上がより好ましい。溶融張力値が過小では、フィルムの肉厚が不均一となり、溶融張力値が過大では最大溶融延伸倍率が不足してしまう。また、最大溶融延伸倍率が過小では深絞り成形の際、フィルムの伸びが不足して、成形時にフィルムが破れやすくなる。溶融張力とのバランスが取れる限りは、最大溶融延伸倍率の上限値は制限されるものではない。
【0049】
溶融張力値は、東洋精機製「キャピログラフ1B型」を使用し、バレル温度200℃、バレル径9.55mm、キャピラリー長さ:L=10mm、キャピラリー径:D=1mm(L/D=10)、バレル内の押出し速度10mm/分にて樹脂を押出し、荷重測定部をダイから60cm下方にセットし、キャピラリーより流出してきたストランド状の樹脂を巻き取り器にセットし、巻き取り線速度を4m/分から徐々に速度を上昇していき、ストランドが破断するまでの荷重を測定する。荷重は巻き取り線速度を上げていくと、一定値に安定するので、荷重が安定した範囲を平均化して溶融張力値とした。また、ストランドが破断したときの巻き取り線速度(m/分)とキャピラリー内の流速(m/分)の比を最大溶融延伸倍率(倍)とした。
【0050】
本発明のスチレン系樹脂組成物のビカット軟化温度は92〜102℃であることが好ましく、95〜100℃であることがより好ましい。ビカット軟化温度が92℃未満ではフィルムの耐熱性が不足し、102℃を超えると熱成形のサイクルが長くなるため好ましくない。ビカット軟化温度は、スチレン系樹脂組成物のメタノール可溶分によって調整することができる。ビカット軟化温度については、JIS K−7206により、昇温速度50℃/hr、試験荷重50Nで求めた。
【0051】
本発明のスチレン系樹脂組成物を製造する際には、重合反応の制御の観点から、必要に応じて重合溶媒、有機過酸化物等の重合開始剤や脂肪族メルカプタン等の連鎖移動剤を使用することができる。
【0052】
重合溶媒は連続塊状重合において反応物の粘性を低下させるために用いるものであり、その有機溶剤としては、例えばベンゼン、トルエン、エチルベンゼン及びキシレン等のアルキルベンゼン類やアセトンやメチルエチルケトン等のケトン類、ヘキサンやシクロヘキサン等の脂肪族炭化水素等が使用できる。
【0053】
特に多官能ビニル共重合体の添加量を多くしたい場合には、ゲル化を抑制する観点から重合溶媒を使用することが好ましい。これにより、先に示した多官能ビニル共重合体の添加量を飛躍的に増量することができ、ゲルが生じにくい。
【0054】
重合溶媒の使用量は、特に限定されるものではないが、ゲル化を制御するという観点から、通常、重合反応器内の組成として、1〜50質量%であることが好ましく、3〜20質量%の範囲内であることがより好ましい。50質量%を超える場合は、生産性が著しく低下したり、スチレン系樹脂の分子量が過度に低下するため好ましくない。
【0055】
重合開始剤としては、ラジカル重合開始剤が好ましく、公知慣用の例えば、1,1−ジ(t−ブチルパーオキシ)シクロヘキサン、2,2−ジ(t−ブチルパーオキシ)ブタン、2,2−ジ(4,4−ジ−t−ブチルパーオキシシクロヘキシル)プロパン、1,1−ジ(t−アミルパーオキシ)シクロヘキサン等のパーオキシケタール類、クメンハイドロパーオキサイド、t−ブチルハイドロパーオキサイド等のハイドロパーオキサイド類、t−ブチルパーオキシアセテート、t−アミルパーオキシイソノナノエート等のアルキルパーオキサイド類、t−ブチルクミルパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、ジ−t−ヘキシルパーオキサイド等のジアルキルパーオキサイド類、t−ブチルパーオキシアセテート、t−ブチルパーオキシベンゾエート、t−ブチルパーオキシイソプロピルモノカーボネート等のパーオキシエステル類、t−ブチルパーオキシイソプロピルカーボネート、ポリエーテルテトラキス(t-ブチルパーオキシカーボネート)等のパーオキシカーボネート類、N,N'−アゾビス(シクロヘキサン−1−カルボニトリル)、N,N'−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)、N,N'−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、N,N'−アゾビス[2−(ヒドロキシメチル)プロピオニトリル]等が挙げられ、これらの1種あるいは2種以上を組み合わせて使用することができる。
【0056】
さらに本発明のスチレン系樹脂組成物の分子量調整に連鎖移動剤を用いることができ、例えば、脂肪族メルカプタン、芳香族メルカプタン、ペンタフェニルエタン、α−メチルスチレンダイマー及びテルピノーレン等が挙げられる。
【0057】
本発明のスチレン系樹脂組成物は、前述のように、スチレン系モノマーに多官能ビニル共重合体を添加して連続重合することにより得られるが、加工の容易さを付与したり、強度の向上のために、予め重合されたスチレン系樹脂や前述の流動パラフィン類以外の添加剤等を押出機で溶融ブレンドしたり、ペレット状態でドライブレンドして用いることもできる。
【0058】
上記のスチレン系樹脂や添加剤としては、流動性の改良のためのGP−PS樹脂や強度向上のためのゴム質を含有するHI−PS樹脂、MBS樹脂等のゴム強化芳香族ビニル系樹脂やSBS等の芳香族ビニル系熱可塑性エラストマーが挙げられる。ゴム質を含有する樹脂を添加する場合は、その比率が40質量%を超えると透明性が極端に悪化することがあるため注意が必要である。また、添加剤としてはステアリン酸、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸マグネシウム等の高級脂肪酸及びその塩やエチレンビスステアリルアミド等の滑剤、酸化防止剤が挙げられる。
【0059】
本発明のスチレン系樹脂組成物はフィルム成形用であり、フィルムとして好適に用いられる。フィルムは、有利にはスチレン系樹脂組成物を押出機で溶融混錬した後、Tダイ押出加工法またはインフレーション方式により製造される。押出機及び延伸機は特に制限されず、公知のものを使用することができ、テンター方式の延伸もしくはインフレーション法での膨比を調整して延伸することで、フィルムに配向をかけることが一般的に行われる。
【0060】
フィルムの平均厚みは用途により変化し、特に限定されるものではないが、通常5〜50μmである。
【0061】
本発明のスチレン系樹脂組成物フィルムは、強度が高く、二次成形時の深絞り性に優れるので、食品トレーなどに使用されている発泡ポリスチレンへのラミネートフィルムに使用できるほか、高い透明性と印刷性から、食品包装や封筒窓材として用いることができる。
【実施例】
【0062】
以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0063】
合成例
(多官能ビニル共重合体A)
ジビニルベンゼン3.1モル(399.4g)、エチルビニルベンゼン0.7モル(95.1g)、スチレン0.3モル(31.6g)、2−フェノキシエチルメタクリレート2.3モル(463.5g)、トルエン974.3gを3.0Lの反応器内に投入し、50℃で42.6gの三フッ化ホウ素ジエチルエーテル錯体を添加し、6.5時間反応させた。重合反応を炭酸水素ナトリウム溶液で停止させた後、純水で3回油層を洗浄し、室温で反応混合液を大量のメタノールに投入し、重合体を析出させた。得られた重合体をメタノールで洗浄し、濾別、乾燥、秤量して、多官能ビニル共重合体A372.5gを得た。この多官能ビニル共重合体Aの重量平均分子量Mwは8000で、ジビニル化合物由来のビニル基を含有する構造単位(a1)のモル分率は0.44、末端の2−フェノキシエチルメタクリレート由来の二重結合(a2)は0.03、両者を合わせた合計のモル分率(a3)は0.47であった。また重量平均分子量8000における共重合体の慣性半径は6.4nmであった。本共重合体の二重結合のモル分率と慣性半径の比は13.6であり、かつ、直鎖型の分子量8000における慣性半径が15nmであることと比較すると本合成例における多官能ビニル共重合体は分岐構造をとっていることがわかる。
【0064】
製造例(実施例及び比較例)
(スチレン系樹脂組成物PS−1〜PS−10の製造方法)
完全混合型撹拌槽である第1反応器と第2反応器及び静的混合器付プラグフロー型反応器である第3反応器を直列に接続して重合工程を構成した。各反応器の容量は、第1反応器を39L、第2反応器を39L、第3反応器を16Lとした。表1に記載の原料組成にて、原料溶液を作成し、第1反応器に原料溶液を表1に記載の流量にて連続的に供給した。重合開始剤及び架橋剤は、第1反応器の入口で表1に記載の添加濃度(原料スチレンに対する質量基準の濃度)となるように原料溶液に添加し、均一混合した。表1に記載の重合開始剤は次の通りで、連鎖移動剤としてt−ドデシルメルカプタンを用いた。架橋剤には合成例で得た多官能ビニル共重合体A又はジビニルベンゼン(DVB)を使用した。
重合開始剤−1 :1,1−ジ(t−ブチルパーオキシ)シクロヘキサン(日油株式会社製パーヘキサC)
重合開始剤−2 :2,2−ジ(4,4−t−ブチルパーオキシシクロヘキシル)プロパン(日油株式会社製パーテトラA)
なお、第3反応器では、流れの方向に沿って温度勾配をつけ、中間部分、出口部分で表1の温度となるよう調整した。
続いて、第3反応器より連続的に取り出した重合体を含む溶液に、重合体に対して表1の濃度となるようホワイトオイルを添加/混合し、直列に2段より構成される予熱器付き真空脱揮槽に導入し、表1に記載の樹脂温度となるよう予熱器の温度を調整し、表1に記載の圧力に調整することで、未反応スチレン及びエチルベンゼンを分離した後、多孔ダイよりストランド状に押し出しして、コールドカット方式にて、ストランドを冷却および切断しペレット化した。なお、PS−1〜3は実施例であり、PS−4〜10は比較例である。実施例で得たペレットは、高分岐型フィルム用スチレン系樹脂組成物のペレットである。
【0065】
なお、それぞれの条件にて連続運転でのゲル状物の有無を確認したところ、PS−6とPS−10の条件では24時間の時点で多孔ダイから押出されるストランドにゲル状物が多数含まれ、運転の継続が困難であった。
また、各反応器出口とペレットの分子量Mw、Mzより、本発明の多官能ビニル共重合体を用いることで、重合初期より高分岐型超高分子量共重合体が効率良く生成していることがわかる。
【0066】
【表1】

【0067】
得られたスチレン系樹脂組成物の特性を表2に示す。また、実施例における測定方法を以下に示す。
【0068】
フィルムの平均厚み(μm)は東芝精機製デジタル厚み計を用いて、MD、TD方向にそれぞれn=5でフィルムの厚みを測定し、その平均値を求めた。
【0069】
フィルムの引張強度(破断強度、破断伸び)は得られたフィルムをMD、TD方向にそれぞれ1号ダンベルで打ち抜いたサンプルを用いて、JIS K−7113により、試験速度20mm/minで測定した。
【0070】
実施例1
スチレン系樹脂組成物(PS−1)90質量%と耐衝撃性スチレン系樹脂(東洋スチレン株式会社製トーヨースチロールE640N)10質量%を十分に混合させた後、インフレーション成形機(40mm径単軸押出機、ダイス径75mmφ)を用いて、樹脂温度220℃、ダイス温度200℃で押出し、フィルム幅230mm、厚さ25μmのインフレーションフィルムを得た。得られたフィルムの特性を表2に示す。
次にフィルムを発泡ポリスチレンシート(厚み2.0mm、密度70kg/m3、気泡セル径0.2〜0.3mm)に熱ラミネーション法により積層して積層シートを得た。
得られた積層シートより、内径は一定で深さの異なる容器を真空成形して、フィルムの肉厚均一性を評価した(○:肉厚が均一、△:肉厚不均一、×:成形時にフィルム破断)。
【0071】
実施例2〜3、比較例1〜5
表2に示した名称のスチレン系樹脂組成物を用いた以外は実施例1と同様に評価を行った。
【0072】
得られたフィルムの評価結果を表2に示す。
【0073】
【表2】


【特許請求の範囲】
【請求項1】
スチレンを必須とするモノビニル化合物に、平均して1分子中にビニル基を2以上有し、分岐構造を有する溶剤可溶性多官能ビニル共重合体を、重量基準で100ppm〜3000ppm添加した原料溶液を、1個以上連続して配置された重合反応器に、連続的に供給して重合反応を進行させて得られる該溶剤可溶性多官能ビニル共重合体と該モノビニル化合物が重合して生じる高分岐型超高分子量共重合体と該モノビニル化合物が重合して生じる線状重合体とを含むスチレン系樹脂組成物であって、重量平均分子量(Mw)が20万〜50万で、Z平均分子量(Mz)と重量平均分子量(Mw)の比(Mz/Mw)が2.2〜5.0、分子量100万〜150万における分岐比gMが0.85〜0.40であることを特徴とする高分岐型フィルム用スチレン系樹脂組成物。
【請求項2】
溶剤可溶性多官能ビニル共重合体が、ジビニル化合物と共重合可能なモノビニル化合物とを重合して得られ、下記式(a1)で表されるジビニル化合物由来のペンダントビニル基含有単位を構造単位中にモル分率として0.10〜0.50の範囲で含有し、その重量平均分子量における慣性半径(nm)と上記モル分率の比が10〜80の範囲内にあることを特徴とする請求項1記載の高分岐型フィルム用スチレン系樹脂組成物。
【化1】

(式中、R1はジビニル化合物に由来する炭化水素基を示す。)
【請求項3】
請求項1〜2のいずれか1項に記載の高分岐型フィルム用スチレン系樹脂組成物を押出することを特徴とするスチレン系樹脂フィルムの製造方法。
【請求項4】
請求項3に記載の製造方法によって得られるスチレン系樹脂フィルム。

【公開番号】特開2013−100431(P2013−100431A)
【公開日】平成25年5月23日(2013.5.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−245878(P2011−245878)
【出願日】平成23年11月9日(2011.11.9)
【出願人】(000006644)新日鉄住金化学株式会社 (747)
【出願人】(399051593)東洋スチレン株式会社 (37)
【Fターム(参考)】