JP4512411B2 - 新規なプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体 - Google Patents
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Description
オレフィン系熱可塑性エラストマーのうち、特に、第1工程で結晶性ポリプロピレンを第2工程でプロピレン−エチレン共重合体エラストマーを、重合装置中で直接製造するブロックタイプのリアクターTPOと称されるものは、ランダムコポリマータイプのエラストマーや機械的な混合により製造されるエラストマーに比べて、エラストマー組成を広く容易に変更でき品質が安定し、生産性が良くて経済性が高く、柔軟性や耐熱性及び強度などに優れることから、包装材料あるいは自動車材料や建築材料といった工業材料を主として、広く産業界において汎用されている。
さらに、ブロックタイプのリアクターTPOの多くは第1工程で製造される結晶性ポリプロピレンと、第2工程で製造されるプロピレン−エチレン共重合体エラストマーとが相分離しており、曲げ外力などの大きな変形が加わった場合に、相の界面での剥離が生じ、変形部分が白くなる(白化が生じる)ことで外観が悪化するだけでなく、繰り返し変形が加わった場合に破壊を生じやすいという問題も内在している。また、特許文献2のように透明性を向上させるために相分離を起こさないようエラストマーのエチレン含量を下げた場合には、柔軟性が十分ではなく、耐衝撃性が悪化し、特に低温耐衝撃性に劣り、柔軟性を向上させるためにエラストマーの割合を増加させると耐熱性が顕著に低下するだけでなく、ブリードアウトやべたつきが顕著に悪化することから、柔軟性と耐熱性、耐衝撃性と耐白化性、ブリードアウトやべたつきを良好に両立させることはできなかった。
例えば、第1工程でポリプロピレンを第2工程でプロピレンとエチレンなどのα−オレフィンを重合することで、温度昇温溶離分別法(TREF)による昇温分別において特定の溶出パターンを示すプロピレン系共重合体を得るという手法が提案されており、分子量分布と結晶性分布が狭いことから透明性や低温耐衝撃性に優れベタツキが無いこと(特許文献5)が開示されているが、柔軟性を向上させるために多くの低温溶出成分を必要とすることで耐熱性に顕著な低下が見られるだけでなく、0℃以下で溶出する比較的エチレンを多く含んだ成分が少ないことで十分な耐寒性を発揮することができず−20℃耐衝撃性は比較的高いがそれ以下の温度での使用に際しては急激な強度低下が生じるという問題を有する。また、0℃以下溶出成分が多い場合(特許文献6)も開示されているが、柔軟性を向上させるために多くの低温溶出成分を必要とすることで耐熱性が極めて顕著に悪化しており、さらに、メタロセン系触媒によるブロック共重合体では、一般に各成分の組成分布が狭く、高結晶性成分と0℃以下で溶出するエチレンを比較的多く含んだ低結晶あるいは非晶性成分が相分離している場合に、両者の相溶性が低いことで曲げ等の大きな変形を加えた場合に曲げ白化が生じやすいという問題を持つ。
ブロックタイプのリアクターTPOにおいては、段落0002〜0005に前述したように、一般の他の熱可塑性樹脂と同様に、非常に多くの必要な性能があって産業界によるそれらの改良の要望も強くなっているが、未だ充分には各種性能は改善されていない。
例えば、一般のリアクターTPOは、ポリプロピレンに代表される結晶性が高いことで耐熱性を有するが剛性が高く柔軟性と強度が不足している成分と、プロピレン−エチレンランダム共重合体エラストマーに代表される結晶性が低いあるいは非晶性の柔軟性と強度には優れるものの耐熱性がなくブロッキングをおこしやすい成分から構成されれ、これらを組み合わせることで耐熱性を有しながら、柔軟性と強度を向上させ、ブロッキングを抑制するように構成される。
しかし、従来の知見において、柔軟性を向上させるためにはプロピレン−エチレンランダム共重合体エラストマーの量を増やすことが必要であり、その結果、柔軟性を向上させると耐熱性が低下するというトレードオフから逃れることは困難であった。
また、ポリプロピレンとプロピレン−エチレンランダム共重合体エラストマーとの相溶性はあまり高くはなく、エチレン含量が少ない領域では相溶化し、エチレン含量を増加させていくと相分離構造を取る。
このとき、エチレン含量が少なく、両者が相溶化する領域では、透明性は高いものの、エチレン含量が少ないためガラス転移温度の低下は小さく、−30℃といった冷凍状態では脆化を生じ十分な耐寒性を有するとはいえない。
一方、エチレン含量が多く、両者が相分離する領域では、低温での耐衝撃性は優れるものの、マトリクスとドメインの弾性率差が大きいため曲げ等の大きな変形が加わった場合に界面への応力集中が発生し、また両者の相溶性が低いことから界面の強度が弱く、界面での剥離を生じその部分が白くなる、いわゆる白化が製品外観を損ねるという問題を有していた。
さらに、その製造に最も一般的に用いられるチーグラー・ナッタ系触媒において、得られるプロピレン−エチレンランダム共重合体エラストマーの組成分布は広く、エチレンが少ないため結晶性が十分に下がらない成分と、エチレンを多く含みべたつきが強くなる成分を同時に生成してしまうため、柔軟性とべたつきやブリードアウトに劣るという問題を有していた。
特に、昨今においては、日常生活の多様化による冷凍食品の汎用化が、包装材料や食品容器の冷凍低温における耐衝撃性及び低温での曲げ外力に対する耐白化性の向上を必要とし、建築材料としての汎用化においてもこれらの性能の向上が重要視されている。
さらに、包装材料としては殺菌工程や使用時における耐熱性、工業材料においても加工あるいは使用環境において高温にさらされる分野での使用を可能とするために柔軟性と耐熱性のバランスを向上させることが要求されている。
すなわち、メタロセン系触媒によるリアクターTPOのプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体において開示されている先行技術(特許文献5、6)では耐熱性を向上させるために結晶性成分の結晶性を高め、柔軟性を向上させるためにエラストマー成分を多くするという手法を用いており、結晶性成分の結晶性が高いほど耐熱性は向上するという当該業者の常識的な発想に基づいているが、その発想を逆にして、結晶性成分を特定のプロピレン−ランダム共重合体とし結晶性をある程度低下させることで柔軟性を向上させ、エラストマー成分を多くしすぎない方がリアクターTPO全体の耐熱性は逆に向上し、柔軟性と耐熱性のバランスは改良されることを見いだした。
さらに、メタロセン触媒を用いることで組成分布の狭い、特定のエチレン含量を持った成分を製造できることを利用し、結晶性成分を特定のプロピレン−エチレンランダム共重合体とし、特定のエラストマー成分と組み合わせることで2成分の相溶性を適当な範囲とし、両成分のガラス転移温度を特定の条件を満たすよう低下させれば、冷凍低温における耐衝撃性及び低温ないし常温での曲げ外力に対する耐白化性が顕著に向上し、併せて、ブロック二成分の組成比やエチレン含量などを比率として特定化し、ブロック成分の融解ピーク温度や結晶性分布などを規定すれば、透明性や柔軟性及び常温耐衝撃性や耐熱性などもバランス良く改良でき、ベタツキやブリードアウトさえも抑制されることが認識でき、新規なプロピレン−エチレンランダム共重合体を創出する本願の発明の創作に至った。
本願の発明においては、付言すれば、以上の各要件としての規定は、後記する各実施例の結果に反映されて実験的に確認されており、各実施例と各比較例との対照によっても、最良の発明の要素として合理的にかつ有意的に選択されたものであることが明らかである。
さらに、チーグラー・ナッタ系触媒により重合されるプロピレン−エチレンランダム共重合体は、組成分布が広いことで相溶性は向上し、本発明で選択されるエチレン含量域において、各成分は相溶化してしまい、その結果透明性には比較的優れるものの耐寒性に劣り、−20℃程度までの耐寒性は有するものの−30℃といった冷凍状態で使用される温度領域においてはガラス転移が生じることで耐寒性を発揮することができないか、相分離したとしても低分子量成分がマトリクス/ドメイン界面に集中することに由来すると考えられる曲げ白化の急激な悪化が生じる。
一方、本願の発明はメタロセン系触媒によるプロピレン−エチレンランダム共重合体により構成され、本願の発明で規定されるプロピレン−エチレンランダム共重合体エラストマーのような、マトリクスを形成する成分と大きくエチレン含量が違わない領域においても、その組成分布の狭さから適度な相溶性を持つ成分のみを製造することができる。これは、固体粘弾性測定により得られる温度−損失正接(tanδ)曲線を利用することで明確に規定され、さらに、結晶性成分が示差走査型熱量計による融解ピーク温度にて規定されたとおり、結晶性が一般のポリプロピレンに比べ結晶性の低下したプロピレン−エチレンランダム共重合体とすることで、効果においても、冷凍低温(−30℃程度)における耐衝撃性及び低温ないし常温での曲げ外力に対する耐白化性を向上させ、併せて、柔軟性及び常温耐衝撃性や耐熱性などをバランス良く改良し、ベタツキやブリードアウトも抑制するものであるから、特許文献2に記載された発明と本願の発明とは基本的に異なる発明であるのは明らかである。
また、先の特許文献5,6においては、メタロセン系触媒による重合方法としてブロック共重合体の逐次多段重合を選択し、重合体中の高結晶性成分と低結晶性あるいは非晶性成分を特定量組み合わせたプロピレン−エチレンランダム共重合体が記載されている。
本先行文献において、柔軟性を向上させるためには低温溶出成分の比率を上げることが必要であり、その結果、耐熱性に顕著な低下が生じていることは明らかである。
一方、本願の発明は、結晶性成分をそれ自体の耐熱性は低下する結晶性を比較的低下させたプロピレン−エチレンランダム共重合体とし、プロピレン−エチレンランダム共重合体エラストマー成分の量を減らす方が柔軟性と耐熱性のバランスに優れるという新規な発想に基づいており、その思想が全く異なることは明白であり、本願の発明を示唆するものではないといえる。
さらに特許文献5では、o−ジクロロベンゼン溶媒を用いた温度昇温溶離分別法(TREF)において90℃までに溶出する成分が全体の50〜99wt%、90℃以上の温度で溶出する成分が全体の50〜1wt%、さらに0℃までに溶出する成分量が10wt%以下であるなどと規定され、柔軟性と透明性に優れベタツキがないとされているが、本範囲においては各成分が相溶化してしまうことにより透明性には優れるものの−30℃といった冷凍低温で脆化が生じるという問題を有する。
一方、本願の発明は、重合の第1段階でもエチレンを共重合させた高結晶性成分を含まないプロピレン−エチレンランダム共重合体を用いることで柔軟性と耐熱性のバランスが向上するだけでなく、さらにエラストマーとしてエチレンを比較的多く含み低温で溶出する、固体粘弾性測定により得られる温度−損失正接(tanδ)曲線により結晶性成分と相分離していることが明確な成分を用いることで高い耐寒性を有し、その効果において、冷凍低温(−30℃程度)における耐衝撃性及び低温ないし常温での曲げ外力に対する耐白化性を向上させ、併せて、柔軟性及び常温耐衝撃性や耐熱性などをバランス良く改良し、ベタツキやブリードアウトも抑制するものであるから、特許文献5に記載された発明は先行技術として本願の発明を示唆するものではないといえる。
さらに、特許文献6では、o−ジクロロベンゼン溶媒を用いた温度昇温溶離分別法(TREF)において80℃までに溶出する成分が全体の50〜99wt%、80℃以上の温度で溶出する成分が全体の50〜1wt%、さらに0℃までに溶出する成分量が10wt%以上であるなどと規定され、柔軟性と透明性及び低温耐衝撃性に優れベタツキがないとされているが、柔軟性及び低温耐衝撃性は優れるものの、結晶性成分の結晶性が高いことで曲げ外力に対する耐白化性に乏しく、柔軟性を向上させるために多くのエラストマー成分を必要とすることで耐熱性が悪化しており、特許文献5に対して上記した理由と同様に、特許文献6に記載された発明も先行技術として本願の発明を示唆するものではないというべきである。
(i)成分(A)が示差走査型熱量計(DSC)による融解ピーク温度Tm(A)105〜145℃を有すること。
(ii)固体粘弾性測定(DMA)により得られる温度−損失正接(tanδ)曲線において、0℃以下にtanδ曲線が2つのピークを有し、高温側のピーク温度(℃)のTg1と低温側のピーク温度(℃)のTg2とにおいて、Tg1−Tg2が30℃未満であること。
[2]条件(iii)を満たすことを特徴とする、[1]におけるプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体。
(iii)第1工程で製造される結晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(A)単独でのtanδ曲線が8℃以下に単一のピークを有し、そのピーク温度(℃)のTgAとブロック共重合体の高温側のピーク温度Tg1とにおいて、Tg1がTgAより8℃以上低下していること。
[3]条件(iv)を満たすことを特徴とする、[1]又は[2]におけるプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体。
(iv)o−ジクロロベンゼン溶媒を用いた−15℃から140℃の温度範囲での温度昇温溶離分別法(TREF)による温度に対する溶出量(dwt%/dT)のプロットとして得られるTREF溶出曲線において、高温側に観測されるピークT(A)が65℃〜90℃の範囲にあり、低温側に観測されるピークT(B)が45℃以下にあり、あるいはピークT(B)が観測されないこと。
[4]条件(v)を満たすことを特徴とする、[1]〜[3]のいずれかにおけるプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体。
(v)TREF溶出曲線において、全プロピレン−エチレンランダムブロック共重合体の99.9wt%が溶出する温度T(D)が80℃未満であること。
[5]条件(vi)を満たすことを特徴とする、[1]〜[4]のいずれかにおけるプロピレン-エチレンランダムブロック共重合体。
(vi)成分(A)のエチレン含量E(A)が1〜7wt%の範囲にあること。
[6]条件(vii)を満たすことを特徴とする、[1]〜[5]のいずれかにおけるプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体。
(vii)ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)測定により得られる重量平均分子量Mwが100,000〜400,000の範囲にあり、分子量が5,000以下の成分量W(M≦5,000)が全体の0.8wt%以下であること。
[7]条件(iix)を満たすことを特徴とする、[1]〜[6]のいずれかにおけるプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体。
(iix)23℃キシレン可溶成分の、135℃デカリン中で測定される固有粘度[η]cxsが1〜2[dl/g]の範囲にあること。
[8][1]〜[7]のいずれかにおけるプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体により成形されたことを特徴とする、フィルム及びシート又は積層体あるいは容器からなる成形品。
[9]成分(A)と成分(B)が相分離状態にあることにより、低温での耐衝撃性と低温耐白化性が改良されたことを特徴とする、[8]における冷凍用成形品。
そして、本願の発明のリアクターTPOとしてのプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体は、高温から冷凍低温までの広い温度領域において使用される包装材料や食品容器として、あるいは建築材料などとして有効に利用できる。
1.触媒と重合方法による特定
本願の発明の新規なプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体は、結晶性のプロピレン−エチレンランダム共重合体成分(A)と、低結晶性あるいは非晶性のプロピレン−エチレンランダム共重合体成分(B)を、メタロセン系触媒を用いて逐次多段重合(通常は二段重合)することより得られる、通称でのブロック共重合体に関するものである。
このブロック共重合体は、各段階で製造される重合体あるいは共重合体の混合物であるが、一般にプロピレンブロック共重合体と称されており、各ブロック体は機械的に混合した組成物よりはミクロな相分離構造、あるいは、共連続構造を取っている。ここで成分(A)の結晶性とは、共重合体において立体規則性が高く比較的エチレンが少ないことでラメラを形成することができ(ラメラの存在はDSC等により確認される)、成分(B)の低結晶性あるいは非晶性とは、TREF等の結晶性を評価する各種の手法において成分(A)に比べ結晶性が低いか、結晶性が観測できないポリマーを意味し、また、各重合段階で製造されるプロピレン−エチレンランダム共重合体は各々エチレン含量が異なる、プロピレンとエチレンがランダムに共重合されたポリマーになっている。
本願の発明のプロピレン−エチレンブロック共重合体の第1の特徴は、メタロセン系触媒を使用した逐次多段重合により得られる、リアクターTPOとしてのポリオレフィンエラストマー共重合体である。
チーグラー・ナッタ系触媒では、触媒反応の活性点の種類が複数あるため、生成したプロピレン−エチレン共重合体の結晶性及び分子量分布が広く、低結晶・低分子量成分を多く生成することで、製品のベタツキやブリードアウトが強く見られ、ブロッキングや外観不良などの問題が発生しやすいという欠点を有しており、また、分子量を増加させても低結晶性成分の生成は抑制され難いためベタツキやブリードアウトの低減が未だに不充分であって、エラストマーの分子量が高いことでブツやフィッシュアイなどと称される外観不良が発生しやすくなり、押出成形性が悪化するため造粒工程で有機過酸化物を用いなくてはならないなどの多くの問題を有している。
したがって、本願の発明では、第一に、チーグラー・ナッタ系触媒によるリアクターTPOの上記の諸欠点を解消するために、シングルサイト触媒としてのメタロセン系触媒による重合方法を選択する。
本願の発明のプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体は、その製造において第1工程で結晶性のプロピレン−エチレンランダム共重合体成分(A)を製造し、第2工程で低結晶性あるいは非晶性のプロピレン−エチレンランダム共重合体成分(B)を製造することが必要である。
これは一般に考えられるように、多段重合により製造されたポリマー粒子のモルフォロジー(ポリマー形態)は、先の工程で製造されたポリマーのマトリクス中に、後の工程で製造されたポリマーがドメインとして保有された形態をとることに由来する。
その結果、本願の発明においては柔軟性を向上させるために成分(B)の割合を比較的多くしているにもかかわらず、成分(A)が連続したマトリクスを形成することで、成分(B)が製品の表面に現れにくく、ベタツキやブロッキングが抑制され、耐熱性が維持される。
これに対し、結晶性のプロピレン−エチレンランダム共重合体成分(A)と、低結晶性あるいは非晶性のプロピレン−エチレンランダム共重合体成分(B)を別々に製造して機械的に混合する場合には、成分(B)の割合が比較的多い領域において、成分(B)が充分に分散せず、大きな連続相を形成することで製品の表面に現れやすく、さらに溶融混練時には成分(B)が先に溶融しマトリクスを形成する場合が多いため、ベタツキやブロッキングが悪いばかりでなく、耐熱性が低下する。
また、低結晶あるいは非晶性の成分(B)を先の工程で製造すると粒子の凝集が顕著になることで製造上の問題を生じやすくなるばかりでなく、各種製品に成形加工された後であっても、成分(B)が連続相を形成することでベタツキやブロッキングが顕著に悪化し、また、耐熱性もきわめて低下する。
結晶性のプロピレン−エチレンランダム共重合体成分(A)は、ブロック共重合体の耐熱性を発揮し、ベタツキやブロッキングを抑制するために必要な成分であり、DSC融解ピーク温度Tm(A)が105〜145℃、ブロック共重合体中に占める割合W(A)が30〜70wt%の範囲を取らねばならない。
ブロック共重合体の成分(A)は結晶性の尺度である示差走査型熱量計(DSC)により得られる融解ピーク温度Tm(A)が105〜145℃の範囲にあることが必要である。
すなわち、Tm(A)が低くなりすぎると、耐熱性が悪化し、結晶化も遅くなって、射出成型においては成型サイクルが長くなったりシートやフィルム成形においてはロールへ取られやすくなるという問題を生じることから、Tm(A)は105℃以上、好ましくは110℃以上とされる。
一方、当該業者によく知られるようにポリプロピレン及びプロピレン−エチレンランダム共重合体において融点が高くなると剛性は向上するが、本願の発明のようなマトリクスとドメインに相分離したブロック共重合体においては、どちらかの相の剛性が高いと、その界面にかかる応力が増加し、曲げ外力などの大きな歪を加えた場合に界面での剥離を生じ、界面の白化により製品外観を損ねるという問題がある。
また、リアクターTPO全体の耐熱性と柔軟性のバランスにおいて、成分(A)の剛性が高い場合には、柔軟性を向上させるために成分(B)の比率を増加させざるを得ず、このとき耐熱性の悪化は顕著である。一方、成分(A)の結晶性を適度に下げると、成分(B)の比率がそれほど多くなく、柔軟性を大きく低下させない領域においても十分な柔軟性を発揮することができる。
そこで、本願の発明のひとつの目的である柔軟性と耐熱性のバランスと曲げ白化性を改良するためには、Tm(A)は145℃以下、好ましくは140℃以下、より好ましくは135℃以下、さらにより好ましくは130℃以下であることが必要である。
融解ピーク温度Tm(A)は、第1工程終了後に少量サンプリングした成分(A)に対し、常法により、示差走査型熱量計(DSC)による融解ピーク温度として測定される。少量のサンプリングが困難な場合には、本発明のような組成分布が狭く各成分の組成が十分に離れている場合には、段落0032に示される各成分のエチレン含量測定と同様に分別された、高温溶出成分に対し測定を行ってもよい。
本願の発明のブロック共重合体における、成分(A)の割合をW(A)と定義する。本願の発明においてW(A)はブロック共重合体中の30〜60wt%と規定される。したがって、成分(B)の割合をW(B)と定義したとき、W(B)は70〜40wt%となる。
このとき、成分(B)が連続相を取らないようにするためには、先の工程で成分(A)を製造し、後の工程で成分(B)を製造するだけでは充分ではなく、成分(A)の割合W(A)を30wt%以上にしなくてはならない。さらに、W(A)が50wt%以下の場合には、成分(A)と成分(B)がともに連続相を取り、いわゆる共連続構造を取ることで、耐熱性は比較的維持されるもののベタツキの悪化が生じるため、W(A)は50wt%以上、すなわちW(B)は50wt%以下であることが好ましい。
一方、成分(A)の量が多すぎる、すなわち成分(B)の量が少なすぎる場合には、柔軟性と耐衝撃性に寄与する成分(B)が不足して、本願の発明の一つの目的である柔軟性と耐衝撃性を充分に発揮できないため、W(A)は70wt%以下、すなわちW(B)は30wt%以上であることが必要である。
以上から、成分(A)と成分(B)の量比については、成分(A)の割合W(A)が60〜30wt%、好ましくは60〜50wt%であり、それにより成分(B)の割合W(B)が40〜70wt%、好ましくは40〜50wt%であると規定される。
成分(A)の融解ピーク温度Tm(A)は、重合反応に用いる触媒や重合条件により変化するが、基本的には成分(A)中のエチレン含量E(A)により本願の発明の範囲となるよう制御される。
本願の発明のTm(A)とするために成分(A)中のエチレン含量は1〜7wt%、さらには2〜6wt%の範囲であることが好ましい。
一方、この規定により、ブロック共重合体の耐熱性もより良好に保持される。
低結晶性あるいは非晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(B)は、ブロック共重合体に主として低温耐衝撃性(耐寒性)と柔軟性を付与するための成分である。
(1)成分(B)の割合W(B)
W(B)については、2(2)のW(A)の規定において(段落0023)、記載されたとおりである。
メタロセン系触媒によって製造されるプロピレン−エチレンランダム共重合体は、組成分布が狭いため、本願の発明のようなエチレン含量の異なる成分(A)及び(B)からなるブロック共重合体においては、各成分のエチレン含量の差を大きくしすぎると双方の相溶性が低下し、双方は中間的な成分を持たないため、マトリクスとドメインの界面強度が低下することにより、曲げ外力などの大きな変形が加わった場合にマトリクスとドメインとの界面で剥離が生じ、その界面において製品に白化現象が生じるという問題を有する。
一方、各成分のエチレン含量の差が小さいと双方は完全に相溶化してしまい、双方の中間的なガラス転移温度を取ることによる、充分な低温耐衝撃性(耐寒性)を発揮することができなくなる。
そこで、本願の発明のブロック共重合体においては、重要な要件のひとつとして、充分な低温耐衝撃性を発揮するために、相分離構造を取りながら、成分(A)と成分(B)が部分的に相溶化しうるように、成分(B)のエチレン含量E(B)を、成分(A)のエチレン含量E(A)より12〜20wt%多い範囲とすることが必要である。すなわち、成分(B)と成分(A)に含まれるエチレン含量の差をE(gap)=E(B)−E(A)と定義すると、E(gap)は12〜20wt%の範囲を取る必要がある。
量W(A)とW(B)の特定
成分(A)と(B)の各エチレン含量及び成分量は、重合反応時の物質収支(マテリアルバランス)によって特定することも可能であるが、より正確にこれらを特定するためには、以下の分析法(温度昇温溶離分別法)を用いることが望ましい。
(1)温度昇温溶離分別法(TREF)による各成分量W(A)とW(B)の特
定
プロピレン−エチレンランダム共重合体の結晶性分布を温度昇温溶離分別法(TREF)により評価する手法は、当業者によく知られているものであり、例えば、次の文献などで詳細な測定法が示されている。
G.Glockner,J.Appl.Polym.Sci.:Appl.Po
lym.Symp.;45,1−24(1990)
L.Wild,Adv.Polym.Sci.;98,1−47(1990)
J.B.P.Soares,A.E.Hamielec,Polymer;36,
8,1639−1654(1995)
本願の発明におけるプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体は、成分(A)と(B)各々の結晶性に大きな違いがあり、また、メタロセン触媒を用いて製造されることで各々の結晶性分布が狭くなっていることから双方の中間的な成分は極めて少なく、双方をTREFにより精度良く分別することが可能である。
温度昇温溶離分別法による温度に対する溶出量を顕すTREF溶出曲線(温度に対する溶出量のプロット)において、成分(A)と(B)は結晶性の違いにより各々T(A)とT(B)にその溶出ピークを示し、その差は充分に大きいため、中間の温度T(C)(={T(A)+T(B)}/2)においてほぼ分離が可能である。
また、TREF測定温度の下限は、本測定に用いた装置では−15℃であるが、成分(B)の結晶性が非常に低いあるいは非晶性成分の場合には本測定方法において、測定温度範囲内にピークを示さない場合がある。(このとき、測定温度下限(すなわち−15℃)において溶媒に溶解した成分(B)の濃度は検出される。)この場合には、T(B)は測定温度下限以下に存在するものと考えられるが、その値を測定することができないため、このような場合にはT(B)を測定温度下限である−15℃と定義する。
本願の発明においては、TREF測定方法について具体的には以下のように測定を行う。
試料を140℃でo−ジクロロベンゼン(0.5mg/mLBHT入り)に溶解し溶液とする。これを140℃のTREFカラムに導入した後に、8℃/分の降温速度で100℃まで冷却し、引き続き4℃/分の降温速度で−15℃まで冷却し、60分間保持する。その後に、溶媒である−15℃のo−ジクロロベンゼン(0.5mg/mLBHT入り)を1mL/分の流速でカラムに流し、TREFカラム中で−15℃のo−ジクロロベンゼンに溶解している成分を10分間溶出させ、次に昇温速度100℃/時間にてカラムを140℃までリニアに昇温し、溶出曲線を得る。
(イ)成分(A)と(B)の分離
先のTREF測定により求めたT(C)を基に、分取型分別装置を用い昇温カラム分別法により、T(C)における可溶成分の成分(B)と、T(C)における不溶成分の成分(A)とに分別し、NMRにより各成分のエチレン含量を求める。
昇温カラム分別法とは、例えば、Macromolecules 21 314−319(1988)に開示されたような測定方法をいう。具体的には、本願の発明において以下の方法を用いた。
直径50mm、高さ500mmの円筒状カラムにガラスビーズ担体(80〜100メッシュ)を充填し、140℃に保持する。次に、140℃で溶解したサンプルのo−ジクロロベンゼン溶液(10mg/mL)200mLを前記カラムに導入する。その後、該カラムの温度を0℃まで10℃/時間の降温速度で冷却する。0℃で1時間保持後、10℃/時間の昇温速度でカラム温度をT(C)まで加熱し、1時間保持する。なお、一連の操作を通じてのカラムの温度制御精度は±1℃とする。
次いで、カラム温度をT(C)に保持したまま、T(C)のo−ジクロロベンゼンを20mL/分の流速で800mL流すことにより、カラム内に存在するT(C)で可溶な成分を溶出させ回収する。
ついで10℃/時間の昇温速度で当該カラム温度を140℃まで上げ、140℃で1時間静置後、140℃の溶媒のo−ジクロロベンゼンを20mL/分の流速で800mL流すことにより、T(C)で不溶な成分を溶出させ回収する。
分別によって得られたポリマーを含む溶液は、エバポレーターを用いて20mLまで濃縮された後、5倍量のメタノール中に析出される。析出ポリマーを濾過して回収後、真空乾燥器により一晩乾燥する。
上記分別により得られた成分(A)と(B)それぞれについてのエチレン含有量は、プロトン完全デカップリング法により以下の条件に従って測定した、13C−NMRスペクトルを解析することにより求める。
機種: 日本電子(株)製 GSX−400または同等の装置
(炭素核共鳴周波数100MHz以上)
溶媒: o−ジクロロベンゼン/重ベンゼン=4/1(体積比)
濃度: 100mg/mL
温度: 130℃
パルス角: 90°
パルス間隔:15秒
積算回数:5,000回以上
スペクトルの帰属は、例えばMacromolecules 17 1950 (1984)などを参考に行えばよい。上記条件により測定されたスペクトルの帰属は次の表の通りである。表中のSααなどの記号は、Carmanら(Macromolecules 10 536 (1977))の表記法に従い、Pはメチル炭素、Sはメチレン炭素、Tはメチン炭素をそれぞれ表わす。
[PPP]=k×I(Tββ) (1)
[PPE]=k×I(Tβδ) (2)
[EPE]=k×I(Tδδ) (3)
[PEP]=k×I(Sββ) (4)
[PEE]=k×I(Sβδ) (5)
[EEE]=k×{I(Sδδ)/2+I(Sγδ)/4} (6)
ここで[ ]はトリアッドの分率を示し、例えば[PPP]は全トリアッド中のPPPトリアッドの分率である。したがって、
[PPP]+[PPE]+[EPE]+[PEP]+[PEE]+[EEE]=1 (7)
である。また、kは定数であり、Iはスペクトル強度を示し、例えばI(Tββ)はTββに帰属される28.7ppmのピークの強度を意味する。
上記の(1)〜(7)の関係式を用いることにより、各トリアッドの分率が求まり、さらに下式によりエチレン含有量が求まる。
エチレン含有量(モル%)=([PEP]+[PEE]+[EEE])×100
エチレン含有量のモル%から重量%への換算は以下の式を用いて行う。
エチレン含有量(重量%)=(28×X/100)/{28×X/100+42×(1−X/100)}×100
ここでXはモル%表示でのエチレン含有量である。
また、ブロック共重合体全体のエチレン含量E(W)は、上記より測定された成分(A)と(B)それぞれのエチレン含量E(A)とE(B)及びTREFより算出される各成分の重量比率W(A)とW(B)wt%から以下の式により算出される。
E(W)={E(A)×W(A)+E(B)×W(B)}/100(wt%)
本願の発明のブロック共重合体の重要な特徴のひとつは、優れた低温耐衝撃性を発揮するために、成分(A)と成分(B)がマトリクスとドメインに分かれた相分離構造を取ることが必要であり、さらに、曲げ白化性を抑制するために双方が部分的に相溶化することが重要である。
このような構造の特徴は、固体粘弾性測定におけるピーク温度により特定することができる。
本願の発明のブロック共重合体は、固体粘弾性測定(DMA測定)により得られる温度−損失正接(tanδ)曲線において、tanδ曲線は0℃以下にマトリクスとドメインそれぞれの非晶緩和に由来する2つのピークを有することが必須である。
一般にtanδ曲線がピークを示す温度は、ガラス転移温度Tgと定義されるが、本願の発明のように相分離構造を取る場合には、マトリクスとドメインで各々ガラス転移温度が異なるために、2つのピークを示さなくてはならない。
ここで、プロピレン系樹脂においてガラス転移温度以下の状態で急激な脆化が生じるために十分な耐寒性を発揮させるにはTgを低下させなくてはならない。
一方、Tgを低下させるためにエチレン含量を増加させると耐寒性は低下するためTgが単一ピークを示す単一相を取る場合には耐熱性と耐寒性の両立はできない。
そこで、本発明の一つの目的である耐熱性と耐寒性を両立させるためには、ブロック共重合体中の成分(A)と(B)は相分離構造を取り、Tgが各相の緩和に由来する2つのピークを有することが必要である。
このとき、Tgは各相に含まれるエチレン含量によって支配されるが、一方でエチレン含量により各相の相溶性が変化することは当該業者によく知られている。
ここで、Tgが離れすぎている場合には各成分のエチレン含量の差は大きく相溶性が低いことで界面の強度は低下するため、高温側のピーク温度(℃)をTg1、低温側のピーク温度をTg2としたとき、本願の発明のブロック共重合体はTg1−Tg2が30℃未満であることが必要である。
Tg1とTg2が離れすぎ、Tg1−Tg2が30℃以上の場合には、界面の強度は低すぎ充分に曲げ白化性(特に、低温における曲げ外力に対する耐白化性)が改良されない。
DMA測定とは、具体的には、短冊状の試料片に特定周波数の正弦歪みを与え、発生する応力を検知することで行なう。
ここでは、周波数は1Hzを用い、測定温度は−60℃からステップ状に昇温し、サンプルが融解して測定不能になるまで行なう。また、歪みの大きさは0.1〜0.5%程度が推奨される。
ここで、得られた応力から、公知の方法によって貯蔵弾性率と損失弾性率を求め、これの比で定義される損失正接(=損失弾性率/貯蔵弾性率)を温度に対してプロットしたとき、マトリクスとドメインに分かれた相分離構造を取るブロック共重合体においては、約10℃以下の温度領域で各々異なるピークを示す。本ピーク温度のうち高温側に示されるピーク温度(℃)をTg1、低温側に現れるピークをTg2として定義する。
本願の発明のブロック共重合体ではマトリクスを形成する成分(A)をプロピレン−エチレンランダム共重合体とし、その融点及びガラス転移温度を低下させることで曲げ白化を抑制しており、さらに、成分(B)が成分(A)に部分的に相溶することでマトリクスの柔軟性はさらに改良され、曲げ白化が顕著に改良される。
このとき、成分(B)の一部が成分(A)に相溶であると、成分(A)単独でのガラス転移温度TgAに対し、ブロック共重合体のマトリクスのガラス転移温度は低下し、本願の発明のブロック共重合体においてTg1は0℃以下という非常に低い値を取り、成分(A)単独でのガラス転移温度TgAに対し、ブロック共重合体のTg1が8℃以上低下していることを付加的要件とする。
DSC測定はポリプロピレン系樹脂の結晶性について広く一般的に用いられる手法であるが、結晶性分布まで考慮することは困難を伴う。
そこで、各成分の量を特定するために用いたTREF溶出曲線を用いることで、本願の発明の成分(A)の結晶性分布において付加的な特徴を見出すことができる。
(1)溶出ピーク温度T(A)
TREF溶出曲線における成分(A)の溶出ピーク温度(℃)T(A)が高いほど、成分(A)は結晶性が高くなるが、このとき、成分(A)の結晶性が高くなるとそれに伴い剛性が増大し、曲げ等の大きな変形が加わった場合にマトリクスとドメインの界面での剥離が生じやすくなり、白化が発生する。その結果、T(A)が90℃を超える場合には、曲げ白化の発生は十分に抑制されないため、本願の発明においてT(A)は90℃以下であることが好ましく、最も好適なのは78℃以下である。
一方、T(A)が低くなりすぎると、耐熱性を維持することができず、特に煮沸による殺菌に十分耐えうる耐熱性を発揮せしめるには、T(A)は65℃以上の範囲を取ることが必要である。
T(A)が低くとも高結晶側に結晶性分布を持つ場合には成分(A)の剛性が増加し、曲げ白化を生じやすくなるため、TREF溶出曲線において高温側への結晶性の広がりは抑制されることが好ましい。
この高結晶側へ結晶性の広がりが少ないほうが好ましくて、ピーク温度T(A)に対し、成分(A)全体の溶出終了温度T(D)(但し、TREF測定における誤差を考えると全て溶出する温度を定義することは困難であるので、本願の発明においては全体の99.9wt%が溶出する温度を溶出終了温度T(D)と定義する)は高くないほうが好ましく、本願の発明の好ましい要件としてT(D)は95℃以下であり、もっとも好適なのは80℃未満である。
さらに、溶出ピークT(A)から終了までの温度差ΔT(=T(D)−T(A))は5℃以下の範囲を取ることが好ましい。
もう一方の成分である共重合体成分(B)は、ブロック共重合体に柔軟性と耐寒性を付与するための成分であり、結晶化度が低い、あるいは非晶性のプロピレン−エチレンランダム共重合体である。
ここで、成分(B)が充分な柔軟性の向上効果を発揮するためには、TREF測定においてその溶出ピーク温度T(B)は45℃以下となることが好ましい。
(1)分子量の規定
本願の発明におけるブロック共重合体成分(A)は、低分子量成分が少ないことを付加的な特徴とする。
低分子量成分、特に、その分子量が絡み合い点間分子量に満たない成分は、成形体の表面にブリードアウトし、ベタツキ性や透明性などを悪化させると考えられる。
ポリプロピレンの絡み合い点間分子量は、Journal of Polymer Science:Part B:Polyer Physics; 37 1023−1033(1999)に記載されるように、約5,000である。
したがって、本願の発明におけるブロック共重合体は、低分子量成分が少なく、重量平均分子量が5,000以下の成分量は、好ましくは0.8wt%以下、より好ましくは0.5wt%以下であることを特徴とする。
重量平均分子量の下限は、特にないが、Mw≦5,000の成分が0.8wt%を超えない範囲において、あまり分子量を低くしすぎると、成形性の問題や強度の低下が生じるため、100,000以上の範囲にあることが好ましい。上限は好ましくは400,000であり、これ以上では成形性などが低下する。
本願の発明においては、重量平均分子量(Mw)及び数平均分子量(Mn)は、定法により、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法で測定したものをいう。
保持容量から分子量への換算は、定法通りに、予め作成しておいた標準ポリスチレンによる検量線を用いて行う。
使用する標準ポリスチレンは、何れも東ソー(株)製の以下の銘柄が採用される。
F380,F288,F128,F80,F40,F20,F10,F4,F1,A5000,A2500,A1000
各々が0.5mg/mLとなるように、o−ジクロロベンゼン(0.5mg/mLのBHTを含む)に溶解した溶液を0.2mL注入して較正曲線を作成する。
較正曲線は最小二乗法で近似して得られる三次式を用いる。分子量への換算に使用する、粘度式の[η]=K×Mα は以下の数値を用いる。
PS : K=1.38×10−4 α=0.7
PE : K=3.92×10−4 α=0.733
PP : K=1.03×10−4 α=0.78
なお、GPCの測定条件は以下の通りである。
装置 :WATERS社製 GPC(ALC/GPC 150C)
検出器 :FOXBORO社製 MIRAN 1A IR検出器(測定波長 :3.4
2μm)
カラム :昭和電工社製AD806M/S(3本)
移動相溶媒 :o−ジクロロベンゼン
測定温度:140℃
流速 :1.0ml/分
注入量 :0.2ml
試料の調製 試料はo−ジクロロベンゼン(0.5mg/mLのBHTを含む)を用いて1mg/mLの溶液を調製し、140℃で約1時間を要して溶解させる。
GPC測定により得られた分子量に対する溶出割合のプロットから、分子量5,000以下の成分量も求めることができる。
本願の発明のブロック共重合体成分において、ベタツキやブリードアウトが特に問題となるのは、常温のキシレンに可溶な成分(CXS成分)であるため、固有粘度[η](dl/g)の測定は、CXS成分に対して行うことが好ましい。
ここで、CXS成分は、ブロック共重合体をp−キシレンに130℃で溶解させ溶液とした後、25℃で12時間放置し、析出したポリマーを濾別し、濾液からp−キシレンを蒸発させることにより得られ、得られたCXS成分の固有粘度[η]cxsを、デカリンを溶媒として用い、温度135℃でウベローデ型粘度計を用いて測定することができる。
このとき、本願の発明のブロック共重合体は、ブリードアウトしやすい分子量5,000以下の成分の生成を増加させることが無いため、従来のチーグラー・ナッタ系触媒では、製造上の問題やブロッキングなどの悪化により実用上問題のあった、CXS成分の固有粘度[η]cxsが2以下の領域であっても、格別な物性の悪化を引き起こすことなく、製造し利用することができる。
このようなCXS成分の固有粘度を下げながら分子量5,000以下の成分を増加させないブロック共重合体は、引張破断伸びが大きく、引張破断強度が高いという物性面での特徴を持ち、さらに、ブツやフィッシュアイと称される外観不良の発生が少ないという効果を示す。
(1)メタロセン系触媒
本願の発明のプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体を製造する方法は、メタロセン系触媒の使用を必須とするものである。
プロピレン−エチレンランダムブロック共重合体において分子量及び結晶性分布が広いとベタツキやブリードアウトが悪化することは当業者に広く知られるところであるが、本願の発明に用いられるブロック共重合体においても、ベタツキ及びブリードアウトを抑制するために、分子量及び結晶性分布を狭くできるメタロセン系触媒を用いて重合されることが必要であり、チーグラー・ナッタ系触媒では本願の発明の優れたプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体が得られないのは、後記の実施例と比較例との対比からも明らかである。
成分(a):下記の一般式で表される遷移金属化合物から選ばれる少なくとも1種のメ
タロセン遷移金属化合物
一般式 Q(C5H4−aR1)(C5H4−bR2)MeXY
成分(b):下記(b−1)〜(b−4)から選ばれる少なくとも1種の固体成分
(b−1)有機アルミオキシ化合物が担持された微粒子状担体
(b−2)成分(a)と反応して成分(a)をカチオンに変換することが可能なイ
オン性化合物またはルイス酸が担持された微粒子状担体
(b−3)固体酸微粒子
(b−4)イオン交換性層状珪酸塩
成分(c):有機アルミニウム化合物
成分(a)としては、下記一般式で表される遷移金属化合物から選ばれる少なくとも1種のメタロセン遷移金属化合物を使用することができる。
一般式 Q(C5H4−aR1)(C5H4−bR2)MeXY
[ここで、Qは2つの共役五員環配位子を架橋する2価の結合性基を示し、Meはチタン、ジルコニウム、ハフニウムから選ばれる金属原子を示し、XおよびYは水素原子、ハロゲン原子、炭化水素基、アルコキシ基、アミノ基、窒素含有炭化水素基、リン含有炭化水素基またはケイ素含有炭化水素基を示し、XおよびYは、それぞれ独立に、すなわち同一でも異なっていてもよい。R1、R2は水素、炭化水素基、ハロゲン化炭化水素基、ケイ素含有炭化水素基、窒素含有炭化水素基、酸素含有炭化水素基、ホウ素含有炭化水素基又はリン含有炭化水素基を示す。a 及びb は置換基の数である。]
XおよびYは、水素原子、ハロゲン原子、炭化水素基、アルコキシ基、アミノ基、窒素含有炭化水素基、リン含有炭化水素基またはケイ素含有炭化水素基を示し、このうちで好ましいものとしては、水素、塩素、メチル、イソブチル、フェニル、ジメチルアミド、ジエチルアミド基などを例示することができる。X及びYは、それぞれ独立に、すなわち同一でも異なっていてもよい。
R1とR2は、水素、炭化水素基、ハロゲン化炭化水素基、ケイ素含有炭化水素基、窒素含有炭化水素基、酸素含有炭化水素基、ホウ素含有炭化水素基又はリン含有炭化水素基を表す。炭化水素基としては、具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、フェニル基、ナフチル基、ブテニル基、ブタジエニル基などが例示される。また、ハロゲン化炭化水素基、ケイ素含有炭化水素基、窒素含有炭化水素基、酸素含有炭化水素基、ホウ素含有炭化水素基又はリン含有炭化水素基としては、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、トリメチルシリル基、ジエチルアミノ基、ジフェニルアミノ基、ピラゾリル基、インドリル基、ジメチルフォスフィノ基、ジフェニルフォスフィノ基、ジフェニルホウ素基、ジメトキシホウ素基などを典型的な例として例示できる。これらの中で、炭素数1〜20の炭化水素基であることが好ましく、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基であることが特に好ましい。ところで、隣接したR1とR2は、結合して環を形成してもよく、この環上に炭化水素基、ハロゲン化炭化水素基、ケイ素含有炭化水素基、窒素含有炭化水素基、酸素含有炭化水素基、ホウ素含有炭化水素基又はリン含有炭化水素基からなる置換基を有していてもよい。
Meは、チタン、ジルコニウム、ハフニウムの中から選ばれる金属原子であり、好ましくはジルコニウム、ハフニウムである。
これらの具体例の化合物のシリレン基をゲルミレン基に、ジルコニウムをハフニウムに置き換えた化合物も好適な化合物として例示される。なお、触媒成分は本願の発明の重要要素ではないので、煩雑な列記を避け、代表的な例示に限定しているが、これにより本願の発明の有効範囲が制限されることが無いのは自明のことである。
成分(b)としては、上述した成分(b−1)〜成分(b−4)から選ばれる少なくとも1種の固体成分を使用する。これらの各成分は公知のものであり、公知技術の中から適宜選択して使用することができる。その具体的な例示や製造方法については、特開2002−284808公報、特開2002−53609号公報、特開2002−69116号公報、特開2003−105015号公報などに詳細な例示がある。
ここで、成分(b−1)、成分(b−2)に用いられる微粒子状担体としては、シリカ、アルミナ、マグネシア、シリカアルミナ、シリカマグネシアなどの無機酸化物、塩化マグネシウム、オキシ塩化マグネシウム、塩化アルミニウム、塩化ランタンなどの無機ハロゲン化物、さらには、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、スチレンジビニルベンセン共重合体、アクリル酸系共重合体などの多孔質の有機担体を挙げることができる。
また、成分(b)の非限定的な具体例としては、成分(b−1)として、メチルアルモキサン、イソブチルアルモキサン、メチルイソブチルアルモキサン、ブチルボロン酸アルミニウムテトライソブチルなどが担持された微粒子状担体を、成分(b−2)として、トリフェニルボラン、トリス(3,5−ジフルオロフェニル)ボラン、トリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン、トリフェニルカルボニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート、N,N−ジメチルアニリニウムテトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレートなどが担持された微粒子状担体を、成分(b−3)として、アルミナ、シリカアルミナ、塩化マグネシウムなどを、成分(b−4)として、モンモリロナイト、ザコウナイト、バイデライト、ノントロナイト、サポナイト、ヘクトライト、スチーブンサイト、ベントナイト、テニオライトなどのスメクタイト族、バーミキュライト族、雲母族などが挙げられる。これらは、混合層を形成しているものでもよい。
上記成分(b)の中で特に好ましいものは、成分(b−4)のイオン交換性層状珪酸塩であり、さらに好ましい物は、酸処理、アルカリ処理、塩処理、有機物処理などの化学処理が施されたイオン交換性層状珪酸塩である。
必要に応じて成分(c)として用いられる有機アルミニウム化合物の例は、
一般式 AlRaX3−a
(式中、Rは、炭素数1から20の炭化水素基、Xは、水素、ハロゲン、アルコキシ基、aは0<a≦3の数)で示されるトリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリプロピルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウムなどのトリアルキルアルミニウムまたはジエチルアルミニウムモノクロライド、ジエチルアルミニウムモノメトキシドなどのハロゲンもしくはアルコキシ含有アルキルアルミニウムである。またこの他に、メチルアルミノキサンなどのアルミノキサン類なども使用できる。これらのうち、特にトリアルキルアルミニウムが好ましい。
成分(a)と成分(b)及び必要に応じて成分(c)を接触させて触媒とする。その接触方法は特に限定されないが、以下のような順序で接触させることができる。また、この接触は、触媒調製時だけでなく、オレフィンによる予備重合時またはオレフィンの重合時に行ってもよい。
1)成分(a)と成分(b)を接触させる
2)成分(a)と成分(b)を接触させた後に成分(c)を添加する
3)成分(a)と成分(c)を接触させた後に成分(b)を添加する
4)成分(b)と成分(c)を接触させた後に成分(a)を添加する
その他、三成分を同時に接触させてもよい。
本願発明で使用する成分(a)と(b)及び(c)の使用量は任意である。例えば、成分(b)に対する成分(a)の使用量は、成分(b)1gに対して、好ましくは0.1μmol〜1,000μmol、特に好ましくは0.5μmol〜500μmolの範囲である。成分(b)に対する成分(c)の使用量は、成分(b)1gに対し、好ましくはアルミニウム金属の量が0.001〜100mmol、特に好ましくは0.005〜50mmolの範囲である。したがって、成分(a)に対する成分(c)の量は、金属のモル比で、好ましくは10−3〜106、特に好ましくは10−2〜105の範囲内である。
本願の発明の触媒は、粒子性の改良のために、予めオレフィンを接触させて少量重合されることからなる予備重合処理に付すことが好ましい。使用するオレフィンは、特に限定はないが、エチレン、プロピレン、1−ブテン、1−ヘキセン、1−オクテン、4−メチル−1−ペンテン、3−メチル−1−ブテン、ビニルシクロアルカン、スチレンなどを使用することが可能であり、特にプロピレンを使用することが好ましい。オレフィンの供給方法は、オレフィンを反応槽に定速的にあるいは定圧状態になるように維持する供給方法やその組み合わせ、段階的な変化をさせるなど、任意の方法が可能である。予備重合温度と時間は、特に限定されないが、各々−20℃〜100℃、5分〜24時間の範囲であることが好ましい。また、予備重合量は、予備重合ポリマー量が成分(b)1部に対し、好ましくは0.01〜100、さらに好ましくは0.1〜50である。予備重合を終了した後に、触媒の使用形態に応じ、そのまま使用することが可能であるが、必要ならば乾燥を行ってもよい。
さらに、上記各成分の接触の際、もしくは接触の後に、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどの重合体やシリカ、チタニアなどの無機酸化物固体を共存させることも可能である。
本願の発明を実施するに際しては、段落0020にも前述したように、結晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(A)と低結晶性あるいは非晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(B)を逐次重合することが必要である。ここで逐次重合するということは成分(A)を重合した後で成分(B)を重合することを意味する。
本願の発明は成分(B)が比較的多く、分子量が低く単独ではべたつきやすい共重合体を用いる場合があるので、反応器への付着等の問題を防止するため、さらに段落0020に前述したように品質面からも、成分(A)を重合した後で成分(B)を重合する方法を用いることが必要である。
バッチ法の場合には時間と伴に重合条件を変化させることにより、単一の反応器を用いて成分(A)と成分(B)を個別に重合することが可能である。本願の発明の効果を阻害しない限り、複数の反応器を並列に接続して用いてもよい。
連続法の場合には成分(A)と成分(B)を個別に重合する必要からして、2個以上の反応器を直列に接続した製造設備を用いる必要があるが、本願の発明の効果を阻害しない限り、成分(A)と成分(B)のそれぞれについて複数の反応器を直列及び/又は並列に接続して用いてもよい。
低結晶性あるいは非晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(B)は、炭化水素などの有機溶媒や液化プロピレンに溶けやすいために、成分(B)の製造に際しては気相法を用いることが望ましい。
結晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(A)の製造に対してはどのプロセスを用いても特に問題はないが、比較的結晶性の低い成分(A)を製造する場合には、付着等の問題を避けるために気相法を用いることが望ましい。
したがって、連続法を用いて、まず結晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(A)をバルク法もしくは気相法にて重合し、引き続き低結晶性あるいは非晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体エラストマー成分(B)を気相法にて重合することが最も望ましい。
重合圧力は、選択するプロセスによって差異が生じるが、通常用いられている圧力範囲であれば特に問題なく用いることができる。具体的には、0より大きく200MPaまで、より好ましくは0.1MPa〜50MPaの範囲を用いることができる。この際には、窒素などの不活性ガスを共存させることもできる。
第一工程で成分(A)、第二工程で成分(B)の逐次重合を行う場合、第二工程にて系中に重合抑制剤を添加することが望ましい。プロピレン−エチレンブロック共重合体を製造する場合には、第二工程のエチレンとプロピレンのランダム共重合を行う反応器に重合抑制剤を添加すると、得られるパウダーの粒子性状(流動性など)やゲルなどの製品品質を改良することができる。この手法については各種技術検討がなされており、一例として、特開平7−25960号や特開2003−2939号などを例示することができる。本願の発明にも当該手法を適用することが望ましい。
次に発明の各構成要素の制御方法を具体的に説明する。本願の発明においては、発明の各要素を制御して、本願の発明のプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体を製造することができる。
(1)成分(A)について
結晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(A)については、段落0040に記述した溶出ピーク温度T(A)、及び段落0022に記述したDSC融解ピーク温度Tm(A)を制御する必要がある。
本願の発明では、成分(A)の結晶性分布が狭いために、T(A)とTm(A)はほぼ1対1の対応を取り、T(A)が高いほどTm(A)は高くなり、T(A)が低いほどTm(A)も低くなる。本願の発明の成分(A)はプロピレン−エチレンランダム共重合体であるので、成分(A)中のエチレン含量E(A)を多くするほどTm(A)は低くなり、E(A)を少なくするほどTm(A)は高くなる。そこで、T(A)及びTm(A)が本願の発明の範囲を満たすようにするためには、E(A)とこれらの関係を把握し、E(A)を所定の範囲になるように制御すればよい。重合槽に供給するプロピレンとエチレンの量比と、得られるプロピレン−エチレンランダム共重合体中のエチレン含量の関係は、用いるメタロセン触媒の種類によって異なるが、適宜に供給量比を調整することによって任意のエチレン含量E(A)を有する成分(A)を製造することができる。
例えば、E(A)を1〜10wt%に制御する場合には、プロピレンに対するエチレンの供給重量比を0.001〜0.3の範囲、好ましくは0.005〜0.2の範囲とすればよい。
低結晶性あるいは非晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(B)については、T(B)及び好ましくは[η]cxsを制御する必要がある。
本願の発明の成分(B)はプロピレン−エチレンランダム共重合体であるので、成分(B)中のエチレン含量E(B)を多くするほどT(B)は低くなり、E(B)を少なくするほどT(B)は高くなる。そこで、T(B)が本願の発明の範囲を満たすようにするためには、E(B)とT(B)との関係を把握し、E(B)を所定の範囲になるように制御すればよい。そして、E(B)を制御するためには、E(A)と同様に、第二工程におけるプロピレンに対するエチレンの供給量比を制御すればよい。例えば、E(B)を12〜30wt%に制御する場合には、プロピレンに対するエチレンの供給重量比を0.01〜5の範囲、好ましくは0.05〜2の範囲とすればよい。
[η]cxsについては、成分(B)にほぼ依存するので、成分(B)の分子量Mw(B)を変化させることより制御することができる。Mw(B)を制御するためには、常法通り、第二工程におけるモノマーに対する水素の供給量比を制御すればよい。また、一般にメタロセン触媒は重合温度が高いほど得られるポリマーの分子量が低くなる傾向があるため、重合温度を変化させることによっても[η]cxsを制御することが可能である。また、水素供給量比と重合温度の両方を組み合わせて[η]cxsを制御することもできる。
成分(A)の量W(A)と成分(B)の量W(B)は、成分(A)を製造する第一工程の製造量と、成分(B)を製造する第二工程の製造量の比を変化させることにより制御することができる。例えば、W(A)を増やしてW(B)を減らすためには、第一工程の製造量を維持したまま第二工程の製造量を減らせばよく、それは、第二工程の滞留時間を短くしたり、重合温度を下げたり、重合抑制剤の量を増やしたりすることにより容易に制御することができる。逆も又同様である。
必要に応じて、重合温度を上げる及び/又は重合時間(滞留時間)を長くする、
といった方法で条件を設定すればよい。
本願の発明のプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体では、段落0043〜0046において詳述した通りに、固体粘弾性測定により測定される特定のTgを示すことが必要である。
各成分のTgは、各々に含まれるエチレン含量によって制御され、エチレン含量が多いほどTgは低くなる。本願の発明においては、各成分がマトリクスとドメインに分かれた相分離構造を取ることが必要であり、さらに、各成分が部分的に相溶することが必要である。
このとき、成分(A)と成分(B)の相溶性もエチレン含量によって変化し、双方のエチレン含量の差が小さすぎると、相溶化によりTgは単一のピークを示し、大きすぎると双方は完全に相分離してしまうため、成分(A)中のエチレン含量E(A)と成分(B) 中のエチレン含量E(B)の差E(gap)(=E(B)−E(A))を12〜20wt%の範囲にすることが必要となる。
そこで、結晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(A)のエチレン含量E(A)に応じて、低結晶性あるいは非晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(B)のE(B)を適正範囲に入るよう、成分(B)重合時のプロピレンに対するエチレンの供給重量比を設定することで、所定のE(gap)を有する重合体を得ることが可能となる。
したがって、採用するプロセスにおいて成分(B)の組成分布が広い場合は、第一工程から、第一工程に対応する特定のモノマーガス混合物を第二工程に持ち込まないように移送工程を調整することが必要である。具体的には、移送工程におけるパージ量を増やしたり、窒素などの不活性ガスで希釈もしくは置換することにより、成分(B)の組成分布を狭くすることができる。
このようにして得られた組成分布の狭い成分(A)と成分(B)からなるブロック共重合体の、各成分のエチレン含量を所定の範囲にすることで、Tgは制御される。
上記のように制御された成分(A)は結晶性分布が狭いため、TREF溶出曲線においてピーク温度T(A)に対する広がりが小さく、99wt%溶出温度T(D)はピーク温度T(A)より5℃以下高い範囲を取る。
そこで、T(A)を成分(A)中のエチレン含量E(A)により制御して適当な範囲にせしめ、結晶性分布を狭く制御することで、T(D)は本願の発明の好ましい範囲内に制御することができる。
逆に、成分(A)と成分(B)の組成分布が狭くなるように制御しない場合には、T(D)本願の発明の好ましい範囲を取ることができない。
Mw及びW(M≦5000)の制御方法については、まず、本願の発明のプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体では、成分(A)の粘度[η]Aと成分(B)の粘度[η]B及びプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体の粘度[η]wの間には見かけ上、粘度の混合則が概ね成立する。すなわち、
{W(A)+W(B)}×Log[η]w
=W(A)×Log[η]A+W(B)×Log[η]B
が概ね成立する。一般にMwと[η]の間には一定の相関があるから、最初に柔軟性や耐熱性などの観点から、[η]BとW(A)及びW(B)を設定しておけば、上記の式に従って[η]Aを変化させることにより、Mwを自在に制御することができる。当然ながら、[η]Aは[η]Bや[η]cxsと同様の方法により制御することが可能である。
本願の発明のプロピレン−エチレンブロック共重合体においては、付加的成分(任意成分)を本願の発明の効果を著しく損なわない範囲内で配合することもできる。
この付加的成分としては、従来公知のポリオレフィン樹脂用配合剤として使用される核剤、フェノール系酸化防止剤、燐系酸化防止剤、硫黄系酸化防止剤、中和剤、光安定剤、紫外線吸収剤、滑剤、帯電防止剤、金属不活性剤、過酸化物、充填剤、抗菌防黴剤、蛍光増白剤といった各種添加剤を加えることができる。
これら添加剤の配合量は、一般に0.0001〜3重量%、好ましくは0.001〜1重量%である。
フェノール系酸化防止剤の具体例としては、トリス−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)−イソシアヌレート、1,1,3−トリス(2−メチル−4−ヒドロキシ−5−t−ブチルフェニル)ブタン、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート、ペンタエリスリチル−テトラキス[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]、1,3,5−トリメチル−2,4,6−トリス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンジル)ベンゼン、3,9−ビス[2−{3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ}−1,1−ジメチルエチル]−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン、1,3,5−トリス(4−t−ブチル−3−ヒドロキシ−2,6−ジメチルベンジル)イソシアヌル酸等を挙げることができる。
燐系酸化防止剤の具体例としては、トリス(ミックスド、モノ及びジノニルフェニルホスファイト)、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ホスファイト、4,4´−ブチリデンビス(3−メチル−6−t−ブチルフェニル−ジ−トリデシル)ホスファイト、1,1,3−トリス(2−メチル−4−ジ−トリデシルホスファイト−5−t−ブチルフェニル)ブタン、ビス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ペンタエリスリトール−ジ−ホスファイト、テトラキス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)−4,4´−ビフェニレンジホスホナイト、テトラキス(2,4−ジ−t−ブチル−5−メチルフェニル)−4,4´−ビフェニレンジホスホナイト、ビス(2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェニル)ペンタエリスリトール−ジ−ホスファイト等を挙げることができる。
硫黄系酸化防止剤の具体例としては、ジ−ステアリル−チオ−ジ−プロピオネート、ジ−ミリスチル−チオ−ジ−プロピオネート、ペンタエリスリトール−テトラキス−(3−ラウリル−チオ−プロピオネート)等を挙げることができる。
中和剤の具体例としては、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛、ハイドロタルサイト、ミズカラック(水沢化学(株)製)等を挙げることができる。
ヒンダードアミン系の安定剤の具体例としては、琥珀酸ジメチルと1−(2−ヒドロキシエチル)−4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジンとの重縮合物、テトラキス(1,2,2,6,6−ペンタメチル−4−ピペリジル)1,2,3,4−ブタンテトラカルボキシレート、ビス(1,2,2,6,6−ペンタメチル−4−ピペリジル)セバケート、N,N−ビス(3−アミノプロピル)エチレンジアミン・2,4−ビス[N−ブチル−N−(1,2,2,6,6−ペンタメチル−4−ピペリジル)アミノ]−6−クロロ−1,3,5−トリアジン縮合物、ビス(2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペリジル)セバケート、ポリ[{6−(1,1,3,3−テトラメチルブチル)イミノ−1,3,5−トリアジン−2,4−ジイル}{(2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペリジル)イミノ}ヘキサメチレン{2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペリジル}イミノ]、ポリ[(6−モルホリノ−s−トリアジン−2,4−ジイル)[(2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペリジル)イミノ]ヘキサメチレン{(2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペリジル)イミノ}]等を挙げることができる。
滑剤の具体例としては、オレイン酸アミド、ステアリン酸アミド、ベヘン酸アミド、エチレンビスステアロイド等の高級脂肪酸アミド、シリコンオイル、高級脂肪酸エステル等を挙げることができる。
帯電防止剤としては、高級脂肪酸グリセリンエステル、アルキルジエタノールアミン、アルキルジエタノールアミド、アルキルジエタノールアミド脂肪酸モノエステル等を挙げることができる。
一般的には、酸化防止剤や中和剤などの添加剤を配合して、混合、溶融、混練された後、製品に成形され使用される。成形時に本願の発明の効果を著しく損なわない範囲内で他の樹脂、あるいは、その他の付加的成分を添加し使用することも可能である。
混合、溶融、混練は、従来公知のあらゆる方法を用いることができるが、通常、ヘンシェルミキサー、スーパーミキサー、Vブレンダー、タンブラーミキサー、リボンブレンダー、バンバリーミキサー、ニーダーブレンダー、一軸又は二軸の混練押出機にて実施することができる。これらの中でも一軸又は二軸の混練押出機により混合あるいは溶融混練を行うことが好ましい。
(1)用途
本願の発明のプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体は、柔軟性に優れ、製品が耐熱性と耐寒性を有するため広い温度での使用が可能であり、さらに耐熱性を有しながら比較的低い温度での成形加工が可能であり、ベタツキやブリードが抑制され、曲げても白化が生じにくいという特徴を持つため、フィルム、シート、各種容器、各種成型品、各種被覆材などに好適である。
特に、フィルムやシートにおいてはブリードが抑制され、ベタツキ感が顕著に低減されることでブロッキングが発生しにくく、様々な形状に折り曲げて使用しても製品外観が悪化しないため好適である。
また、各種包装材や容器として用いられる場合には、冷凍状態での保存から沸騰状態での殺菌にも耐え、特に、冷凍保存用に適している。さらに、ブリードによる内容物汚染が非常に小さく、食品や医療及び産業用の各分野に好適である。
成型品としても、同様に使用温度範囲が広く、ブリードによる経時の外観悪化がなく、好適に用いることができる。特に、ヒンジ部を持つキャップや各種の蓋材としての使用は、繰り返しの曲げによる白化や、そこからの疲労破壊の発生が抑制され極めて好適に使用できる。
これらの各種製品の成形方法としては、公知の成形法を制限なく用いることができる。
フィルムやシートの成形法の例としては、空冷インフレーション成形、水冷インフレーション成形、Tダイによる無延伸成形、一軸延伸成形、二軸延伸成形、カレンダー成形などを用いることができる。
また、フィルムやシートとして使用する場合に、多層構成中の層としての使用も可能である。その柔軟性を生かし中間層に使用することも可能であるし、ベタツキやブリードアウトが無く強度に優れ低温での成形が可能である点を生かし表面層としての使用も可能である。
容器などの成形としては、熱板成形、圧空成形、真空成形、真空圧空成形、ブロー成形、延伸ブロー成形、射出成形、インサート成形等を用いることができる。
(1)メルトフローレート(MFR)
JIS K7210 A法 条件M に従い、以下の条件で測定した。
試験温度:230℃
公称加重:2.16kg
ダイ形状:直径2.095mm 長さ8.00mm
試料を140℃でo−ジクロロベンゼン(0.5mg/mLのBHTを含む)に溶解し溶液とする。これを140℃のTREFカラムに導入した後に8℃/分の降温速度で100℃まで冷却し、引き続き4℃/分の降温速度で−15℃まで冷却し、60分間保持する。その後、溶媒であるo−ジクロロベンゼン(0.5mg/mLのBHTを含む)を1mL/分の流速でカラムに流し、TREFカラム中で−15℃のo−ジクロロベンゼンに溶解している成分を10分間溶出させ、次に昇温速度100℃/時間にてカラムを140℃までリニアに昇温し、溶出曲線を得る。
〔装置〕
(TREF部)
TREFカラム:4.3mmφ × 150mmステンレスカラム
カラム充填材:100μm 表面不活性処理ガラスビーズ
加熱方式:アルミヒートブロック
冷却方式:ペルチェ素子(ペルチェ素子の冷却は水冷)
温度分布:±0.5℃
温調器:(株)チノー デジタルプログラム調節計KP1000(バルブオーブン)
加熱方式:空気浴式オーブン
測定時温度:140℃
温度分布:±1℃
バルブ:6方バルブ 4方バルブ
(試料注入部)
注入方式:ループ注入方式
注入量:ループサイズ 0.1ml
注入口加熱方式:アルミヒートブロック
測定時温度:140℃
(検出部)
検出器:波長固定型赤外検出器 FOXBORO社製 MIRAN 1A
検出波長:3.42μm
高温フローセル:LC−IR用ミクロフローセル 光路長1.5mm 窓形状2φ×4mm長丸 合成サファイア窓板
測定時温度:140℃
(ポンプ部)
送液ポンプ:センシュウ科学社製 SSC−3461ポンプ
〔測定条件〕
溶媒:o−ジクロロベンゼン(0.5mg/mLのBHTを含む)
試料濃度:5mg/mL
試料注入量:0.1mL
溶媒流速 :1mL/分
試料は、下記条件により射出成形した厚さ2mmのシートから、10mm幅×18mm長×2mm厚の短冊状に切り出したものを用いた。
成分(A)単独での測定には、下記条件によりプレス成形された厚み1mm、10mm幅×18mm長のシートを用いた。
〔装置及び測定条件〕
装置はレオメトリック・サイエンティフィック社製のARESを用いた。周波数は1Hzである。測定温度は−60℃から段階状に昇温し、試料が融解して測定不能になるまで測定を行った。歪みは0.1〜0.5%の範囲で行った。
〔試験片の作成〕
A.射出成型条件
規格番号:JIS−7152(ISO294−1)
成形機:東洋機械金属社製TU−15射出成形機
成形機設定温度:ホッパ下から 80,80,160,200,200,200℃
金型温度:40℃
射出速度:200mm/秒(金型キャビティー内の速度)
射出圧力:800kgf/cm2
保持圧力:800kgf/cm2
保圧時間:40秒
金型形状:平板(厚さ2mm 幅30mm 長さ90mm)
B.プレス成形条件
予熱:180℃、2分間
加圧:180℃、10MPa、3分間
冷却:30℃、10MPa、3分間
セイコー社製DSCを用い、試料5.0mgを採り、200℃で5分間保持した後、40℃まで10℃/分の降温速度で結晶化させ、さらに10℃/分の昇温速度で融解させたときの融解ピーク温度をTmとした(単位:℃)。昇温時の吸熱曲線の面積からdHmを求めた。
重量平均分子量(Mw)および数平均分子量(Mn)はゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法で測定した。
保持容量から分子量への換算は、予め作成しておいた標準ポリスチレンによる検量線を用いて行う。
なお、測定法は、段落0048において詳述した方法による。
2gの試料を300mlのp−キシレン(0.5mg/mlのBHTを含む)に130℃で溶解させ溶液とした後、23℃で12時間放置する。その後、析出したポリマーを濾別し、濾液からp−キシレンを蒸発させ、さらに100℃で12時間減圧乾燥しCXSを回収して秤量する。
ウベローデ型粘度計を用いデカリンを溶媒として、温度135℃で測定した。
段落0032〜0039において詳述した方法による。
予備重合触媒の調製
(珪酸塩の化学処理)10リットルの撹拌翼の付いたガラス製セパラブルフラスコに、蒸留水3.75リットル、続いて濃硫酸(96%)2.5kgをゆっくりと添加した。50℃で、さらにモンモリロナイト(水澤化学社製ベンクレイSL;平均粒径=25μm 粒度分布=10〜60μm)を1kg分散させ、90℃に昇温し、6.5時間その温度を維持した。50℃まで冷却後、このスラリーを減圧濾過し、ケーキを回収した。このケーキに蒸留水を7リットル加え再スラリー化後、濾過した。この洗浄操作を、洗浄液(濾液)のpHが、3.5を越えるまで実施した。回収したケーキを窒素雰囲気下110℃で終夜乾燥した。乾燥後の重量は707gであった。
(珪酸塩の乾燥)先に化学処理した珪酸塩は、キルン乾燥機により乾燥を実施した。仕様、乾燥条件は以下の通りである。
回転筒:円筒状 内径50mm 加温帯550mm(電気炉) かき上げ翼付き回転数:2rpm 傾斜角:20/520 珪酸塩の供給速度:2.5g/分 ガス流速:窒素96リットル/時間 向流乾燥温度:200℃(粉体温度)
(触媒の調製)内容積1リットルの攪拌翼のついたガラス製反応器に乾燥珪酸塩20gを導入し、混合ヘプタン116ml、さらにトリエチルアルミニウムのヘプタン溶液(0.60M)84mlを加え、室温で攪拌した。1時間後、混合ヘプタンにて洗浄し、珪酸塩スラリーを200mlに調製した。次に、先に調製した珪酸塩スラリーにトリイソブチルアルミニウムのヘプタン溶液(0.71M/L)0.96mlを添加し、25℃で1時間反応させた。平行して、〔(r)−ジクロロ[1,1´−ジメチルシリレンビス{2−メチル−4−(4−クロロフェニル)−4H−アズレニル}]ジルコニウム〕218mg(0.3mM)と混合ヘプタン87mlに、トリイソブチルアルミニウムのヘプタン溶液(0.71M)3.31mlを加えて、室温にて1時間反応させた混合物を、珪酸塩スラリーに加え、1時間攪拌後、混合ヘプタンを追加して500mlに調製した。
(予備重合/洗浄)続いて、窒素で十分置換を行った内容積1.0リットルの攪拌式オートクレーブに、先に調製した珪酸塩/メタロセン錯体スラリーを導入した。温度が40℃に安定したところでプロピレンを10g/時間の速度で供給し、温度を維持した。4時間後プロピレンの供給を停止し、さらに2時間維持した。
予備重合終了後、残モノマーをパージし、撹拌を停止させ約10分間静置後、上澄みを240mlデカントした。続いてトリイソブチルアルミニウム(0.71M/L)のヘプタン溶液0.95ml、さらに混合ヘプタンを560ml添加し、40℃で30分間撹拌し、10分間静置した後に、上澄みを560ml除いた。さらにこの操作を3回繰り返した。最後の上澄み液の成分分析を実施したところ有機アルミニウム成分の濃度は、1.23mモル/リットル、Zr濃度は8.6×10−6g/Lであり、仕込み量に対する上澄み液中の存在量は0.016%であった。続いて、トリイソブチルアルミニウム(0.71M/L)のヘプタン溶液17.0ml添加した後に、45℃で減圧乾燥を実施した。触媒1g当たりポリプロピレンを2.0g含む予備重合触媒が得られた。
(以上の触媒の調製は、特開2002−284808号公報の実施例1に記載された方法により行った。)
この予備重合触媒を用いて、以下の手順に従ってプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体の製造を行った。
撹拌および温度制御装置を有する内容積3Lのオートクレーブをプロピレンで充分置換した後に、トリイソブチルアルミニウム・n−ヘプタン溶液2.76ml(2.02mmol)を加え、エチレン38g、水素80ml、続いて液体プロピレン750gを導入し、45℃に昇温しその温度を維持した。上記の予備重合触媒をn−ヘプタンでスラリー化し、触媒として(予備重合ポリマーの重量は除く)40mgを圧入し重合を開始した。槽内温度を45℃に維持して75分重合を継続した。その後、常圧まで残モノマーをパージし、さらに精製した窒素で完全に置換した。生成したポリマーを一部サンプリングして分析したところ、エチレン含有量3.7wt%、MFR16.4g/10分、DSC融解ピーク温度Tm(A)123.4℃、ガラス転移温度TgA1.9℃であった。
別途、撹拌および温度制御装置を有する内容積20Lのオートクレーブを用いて、第二工程で使用する混合ガスを調製した。調製温度は80℃、混合ガス組成はエチレン52.92vol%、プロピレン46.93vol%、水素1500volppmであった。第一工程にてポリマーを一部サンプリングした後、この混合ガスを3Lのオートクレーブに供給し、第二工程の重合を開始した。重合温度は80℃、圧力2.5MPaにて21分重合を継続した。その後、エタノールを10ml導入して重合を停止した。回収したポリマーはオーブンで充分に乾燥した。収量は310g、活性は7.7kg/g−触媒、エチレン含有量10.9wt%、MFR16.6g/10分であった。
製造例−1と同様にしてプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体の製造を行った。重合条件および重合結果を表3に示す。
充分に窒素置換したフラスコに、脱水および脱酸素したn−ヘプタン2,000ミリリットルを導入し、次いでMgCl2 を2.6モル、Ti(O−n−C4H9 )4 を5.2モル導入し、95℃で2時間反応させた。反応終了後、40℃に温度を下げ、次いでメチルヒドロポリシロキサン(20センチストークスのもの)を320ミリリットル導入し、3時間反応させた。生成した固体成分をn−ヘプタンで洗浄した。
次いで、充分に窒素置換したフラスコに、上記と同様に精製したn−ヘプタンを4,000ミリリットル導入し、上記で合成した固体成分をMg原子換算で1.46モル導入した。次いでn−ヘプタン25ミリリットルにSiCl4 2.62モルを混合して30℃において30分間でフラスコへ導入し、70℃で3時間反応させた。反応終了後、n−ヘプタンで洗浄した。次いでn−ヘプタン25ミリリットルにフタル酸クロライド0.15モルを混合して、70℃において30分間でフラスコへ導入し、90℃で1時間反応させた。反応終了後、n−ヘプタンで洗浄した。次いでTiCl4 11.4molを導入して110℃で3時間反応させた。反応終了後、n−ヘプタンで洗浄して固体成分(A1)を得た。この固体成分のチタン含有量は2.0wt%であった。
次いで、充分に窒素置換したフラスコに上記と同様に精製したn−ヘプタンを200ミリリットル導入して上記で合成した固体成分(A1)を4グラム導入し、SiCl4 0.035molを導入して90℃で2時間反応させた。反応終了後、さらに(CH2 =CH)Si(CH3)3 0.006mol、(t−C4 H9 )(CH3 )Si(OCH3 )2 0.003mol及びAl(C2 H5 )3 0.016molを順次導入して30℃で2時間接触させた。接触終了後、n−ヘプタンで充分に洗浄し、塩化マグネシウムを主体とする固体触媒成分(A)を得た。このもののチタン含有量は、1.8wt%であった。
(以上の触媒調製は、特開平11−80235号公報の実施例1に記載された方法によった。)
この固体触媒成分(A)を用い、トリイソブチルアルミニウム・n−ヘプタン溶液の代わりにトリエチルアルミニウム・n−ヘプタン溶液(4.82mmol)を用いた以外は、全て製造例−1と同様にしてプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体の製造を行った。重合条件および重合結果を表3に示す。
製造例−1で得られたブロック共重合体パウダーに、下記の酸化防止剤及び中和剤を添加し、充分に撹拌混合した。
(添加剤配合)
酸化防止剤:テトラキス[メチレン−3−(3´,5´−ジ−t−ブチル−4´−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]メタン500ppm、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)ホスファイト500ppm
中和剤:ステアリン酸カルシウム500ppm
(造粒)
添加剤を加えた共重合体パウダーを、以下の条件により溶融混練し、ストランドダイから押し出された溶融樹脂を、冷却水槽で冷却固化させながら引き取り、ストランドカッターを用いてストランドを直径約2mm、長さ約3mmに切断することで原料ペレットを得た。
押出機:テクノベル社製KZW−15−45−MG2軸押出機
スクリュー:口径15mm L/D45
押出機設定温度:ホッパ下から 40,80,160,200,220、220(ダイ)℃
スクリュー回転数:400rpm
吐出量:スクリューフィーダーにて1.5kg/時 に調整
ダイ:口径3mmストランドダイ 穴数2個
(測定)
得られた原料ペレットを用いて、TREF、DSC、GPC、CXS、CXSの[η]の測定を行った。測定により得られた各数値を表2に示す。
TREF測定結果について、各測定数値の位置づけを示すために、図1に溶出曲線を例示する。
(成形)
得られた原料ペレットを、以下の条件により射出成形し、物性評価用平板試験片を得た。
規格番号:JIS−7152(ISO294−1)
成形機:東洋機械金属社製TU−15射出成形機
成形機設定温度:ホッパ下から 80,80,160,200,200,200℃
金型温度:40℃
射出速度:200mm/秒(金型キャビティー内の速度)
射出圧力:800kgf/cm2
保持圧力:800kgf/cm2
保圧時間:40秒
金型形状:平板(厚さ2mm 幅30mm 長さ90mm)
(固体粘弾性の測定)
得られた射出成形体を用いてブロック共重合体の固体粘弾性の測定を行った。
固体粘弾性測定結果について、各測定数値の位置づけを示すために、図2に、実施例−1における、温度に対する貯蔵弾性率G’と損失弾性率G’’及び損失正接tanδの変化を例示する。
(物性評価)
得られたブロック共重合体の物性を以下の項目について評価した。結果を表3に示す。
得られたブロック共重合体の透明性を、以下の条件により評価した。
規格番号:JIS K−7136(ISO 14782) JIS K−7361−1準拠
測定機:曇り度計NDH2000(日本電色工業株式会社製)
試験片厚み:2mm
試験片の作成方法:射出成形平板(成形については、段落0095の(成形)を参照)
状態の調節:成形後に室温23℃、湿度50%に調節された恒温室内に24時間放置
試験片の数:3
評価項目:曇り度(Haze)
[曲げ特性試験]
得られたブロック共重合体の曲げ特性を以下の条件により評価した。
規格番号:JIS K−7171(ISO178)準拠
試験機:精密万能試験機オートグラフAG−20kNG(島津製作所製)
試験片の採取方向:流れ方向
試験片の形状:厚み2.0mm 幅25.0mm 長さ40.0mm
試験片の作成方法:射出成形平板を上記寸法に打ち抜き(成形については、段落0095の(成形)を参照)
状態の調節:室温23℃、湿度50%に調節された恒温室内に24時間以上放置
試験室:室温23℃、湿度50%に調節された恒温室
試験片の数:5
支点間距離:32.0mm
試験速度:1.0mm/分
評価項目:曲げ弾性率及び曲げ強さ(最大曲げ応力)
[衝撃試験]
得られたブロック共重合体を高速で衝撃的に引張り、そのときの引張挙動から耐衝撃性を評価した。評価条件を以下に示す。
試験機:サーボパルサ高速衝撃試験機 EHF−2H−20L形−恒温槽付き(島津製作所製)
試験片の採取方向:流れ方向
試験片の形状:JIS K7162−5A形
試験片の作成方法:射出成形平板を上記形状に打ち抜き(成形については、段落0095の(成形)を参照)
状態の調節:室温23℃、湿度50%に調節された恒温室内に24時間以上放置
試験片の数:5
引張速度:2m/秒
測定温度:23℃及び−30℃(−30℃の場合は、恒温槽を−30℃に設定し、試料をセットして恒温槽の温度が設定温度±1℃に維持された状態で10分以上保持してから測定を行う)
評価項目:破断点ひずみ及び破断点までの吸収エネルギ=破断点エネルギ(伸び−張力線図の面積)
[耐熱性]
得られたブロック共重合体のビカット軟化点を、以下の条件で評価した。
規格番号:JIS K7206(荷重を250gとした以外は50法に準拠)
測定機:全自動HDT測定機(東洋精機製)
試験片の形状:厚さ2mm 25mm×25mm平板を2枚重ね
試験片の作成方法:射出成形平板を上記形状に打ち抜き(成形については、段落0095の(成形)を参照)
状態の調節:室温23℃、湿度50%に調節された恒温室内に24時間以上放置(アニール無し)
試験加重:250g
昇温速度:50℃/時
試験片の数:3
[曲げ白化]
得られたブロック共重合体の曲げ白化を以下の方法で評価した。
−20℃の低温室内に射出成形平板(成形については、段落0095の(成型)を参照)を、1h放置し、平板の両端がつくように折り曲げて鉄板の間に挟み、鉄板に1kgの加重をかけ10分放置した後、鉄板の間から取り出し、そのときの試験片の折り目の白化の度合いを目視で評価した。
表中の記号は以下の状態を示す。
○:サンプルの折り目に全く白化は見られなかった
△:サンプルの折り目に若干白い部分が見られるがほとんど目立たない
但し、繰り返し曲げでは徐々に白化が悪化することが予想される
×:折り目がはっきりと白化した。
[ベタツキの評価]
得られたブロック共重合体のベタツキを以下の方法で評価した。
室温23℃、湿度50%に調節された恒温室内で、射出成形平板(成形につい
ては、段落0095の(成形)を参照)を、2枚重ねて鉄板の間に挟み、鉄板に1kgの加重をかけ10分放置した後、鉄板の間から取り出し、そのときの試験片のくっつき具合でベタツキを評価した。
表中の記号は以下の状態を示す。
○:サンプルはくっつかず、取り出してすぐにはがれた
△:サンプルはくっついていたが、手ではがすと簡単にはがれた
但し、フィルム等での利用においては問題を生じることが予想される
×:サンプルは密着しており、はがすのに相当な力を要した
[ブリードアウトの評価]
得られたブロック共重合体のブリードアウトを以下の方法で評価した。
射出成形により得られた厚み2mmの試験片の表面を、成形後24時間以内に一度布できれいにふき取ってから40℃の恒温槽内に24時間放置し、そのときの試験片の表面状態によりブリードアウトを目視にて評価した。
表中の記号は以下の状態を示す。
○:サンプルにはブリードアウトが無く、放置前と状態に変化はなかった
△:サンプルには若干のブリードアウトが見られるが、顕著ではない
但し、フィルム等での利用においては問題を生じることが予想される
×:サンプルには多くのブリードアウトが見られ、表面に顕著な白化が生じた
それぞれ製造例2〜6で得られたブロック共重合体に実施例−1と同様の添加剤を配合し、同じ条件で造粒と射出成形を行った。
それぞれ、製造例−7〜13で得られたブロック共重合体に、実施例−1と同様の添加剤を配合し、同じ条件で造粒と射出成形を行った。各種分析と物性評価も同じ項目に対し同じ条件で行った。結果をそれぞれ表4,5に示す。
以上の各実施例と各比較例とを対照して考察すれば、本願の発明の構成における各規定を満たす、本願の発明の新規なプロピレン−エチレンブロック共重合体においては、衝撃試験において−30℃といった低温での耐衝撃性を充分に発揮して耐寒性が卓越しており、−20℃での低温での曲げ白化性が改良されていることが明白であり、さらに、曲げ特性に代表される柔軟性が非常に優れ、低加重ビカット軟化点温度で表されている耐熱性が高く、併せて、製品のベタツキ性が無く、ブリードアウトが抑制され、また、各成分各々の要件や固体粘弾性測定により得られるTgなどの本願の発明の構成要件の種々の規定が合理的で実験データにより実証されていることが明らかである。
具体的には、比較例−1では、成分(A)がプロピレン単独重合体であり、マトリクスを形成する成分の剛性が高く、Tm(A)、TgA、T(A)及びT(D)が構成要件を満たさないため、柔軟性にやや劣り、低温での曲げ白化性が悪い。
比較例−2では、成分(A)がプロピレン単独重合体であり、比較例−1と同じ成分(A)と(B)で双方の割合を、成分(B)が多くなるように変化させた場合であり、成分(B)の増加により柔軟性と曲げ白化性は改良されるものの十分ではなく、一方でべたつきが悪化しており、各成分の比率を変えても、低温での曲げ白化性とべたつきの双方のバランスを取ることができないことを示している。
比較例−3では、成分(B)が20wt%と少なすぎ、Tg1−Tg2が30℃以上で、Tg1がTgAより8℃以上低下していず、T(D)が80℃以上のため、透明性がやや劣り、冷凍低温での耐衝撃性が非常に悪い。
比較例−4では、成分(B)が80wt%と多すぎるため、曲げ強さ及び常温での耐衝撃性が悪く、さらに耐熱性の低下や、べたつきとブリードアウトの悪化が顕著である。
比較例−5では、成分(B)中のエチレン含量が少なすぎてEgapが12wt%より低いために、成分(A)と(B)が相溶化しており、固体粘弾性測定におけるtanδ曲線のピークがひとつとなるが、この場合には耐寒性がなく、−30℃において脆化し冷凍耐衝撃性が欠けている。
比較例−6では、成分(B)中のエチレン含量が多すぎてEgapが20wt%を超えており、成分(A)と(B)の相溶性が悪化することで、Tg1とTg2が大きく離れ、また、Tg1はTgAに対し低下が小さいため、低温での曲げ白化性が改良されないだけでなく、ベタツキが低減されないという問題を有する。
比較例−7では従来のチーグラー・ナッタ系触媒を用いているため、ベタツキやブリードアウトが悪く、低温での曲げ白化の改良も不十分である。
結論として、柔軟性に優れ、耐熱性と耐寒性(冷凍耐衝撃性)が卓越し、ベタツキやブリードアウトが少なく低温での曲げ白化が改良されているなど、諸性質がおしなべて優れている本願の発明のプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体に比して、各比較例のブロック共重合体は、高分子材料として見劣りがし、本願の発明の優位な特徴を際立たせている。
Claims (9)
- メタロセン系触媒を用いて、第1工程で結晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(A)を30〜60wt%、第2工程で成分(A)に含まれるエチレン含量よりも12〜20wt%エチレンを多く含む低結晶性あるいは非晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(B)を70〜40wt%逐次重合することにより得られ、以下の(i)〜(iii)及び(vi)の条件を満たすことを特徴とするプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体。
(i)成分(A)が示差走査型熱量計(DSC)による融解ピーク温度Tm(A)105〜145℃を有すること。
(ii)固体粘弾性測定(DMA)により得られる温度−損失正接(tanδ)曲線において、0℃以下にtanδ曲線が2つのピークを有し、高温側のピーク温度(℃)のTg1と低温側のピーク温度(℃)のTg2とにおいて、Tg1−Tg2が30℃未満であること。
(iii)第1工程で製造される結晶性プロピレン−エチレンランダム共重合体成分(A)単独でのtanδ曲線が8℃以下に単一のピークを有し、そのピーク温度(℃)のTgAとブロック共重合体の高温側のピーク温度Tg1とにおいて、Tg1がTgAより8℃以上低下していること。
(vi)成分(A)のエチレン含量E(A)が3.7〜7wt%の範囲にあること。 - 条件(iv)を満たすことを特徴とする、請求項1に記載されたプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体。
(iv)o−ジクロロベンゼン溶媒を用いた−15℃から140℃の温度範囲での温度昇温溶離分別法(TREF)による温度に対する溶出量(dwt%/dT)のプロットとして得られるTREF溶出曲線において、高温側に観測されるピークT(A)が65℃〜90℃の範囲にあり、低温側に観測されるピークT(B)が45℃以下にあり、あるいはピークT(B)が観測されないこと。 - 条件(v)を満たすことを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載されたプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体。
(v)TREF溶出曲線において、全プロピレン−エチレンランダムブロック共重合体の99.9wt%が溶出する温度T(D)が80℃未満であること。 - 条件(vii)を満たすことを特徴とする、請求項1〜請求項3のいずれかに記載されたプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体。
(vii)ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)測定により得られる重量平均分子量Mwが100,000〜400,000の範囲にあり、分子量が5,000以下の成分量W(M≦5,000)が全体の0.8wt%以下であること。 - 条件(iix)を満たすことを特徴とする、請求項1〜請求項4のいずれかに記載されたプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体。
(iix)23℃キシレン可溶成分の、135℃デカリン中で測定される固有粘度[η]cxsが1〜2[dl/g]の範囲にあること。 - 請求項1〜請求項5のいずれかに記載されたプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体により成形されたことを特徴とする、フィルム及びシートからなる成形品。
- 請求項1〜請求項5のいずれかに記載されたプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体により成形されたことを特徴とする、積層体からなる成形品。
- 請求項1〜請求項5のいずれかに記載されたプロピレン−エチレンランダムブロック共重合体により成形されたことを特徴とする、容器からなる成形品。
- 成分(A)と成分(B)が相分離状態にあることにより、低温での耐衝撃性と低温耐白化性が改良されたことを特徴とする、請求項7又は請求項8に記載された冷凍用成形品。
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