ipp hdpe ehex-lldpe ldpeの共押出しと層間接...
TRANSCRIPT
iPPとHDPE、EHex-LLDPE、LDPEの共押出しと層間接着強度
筆者はポリマー分子の接着と相溶性に関し、ポリマー分子の鋳型嵌合接近接着説を提案した（Global Packaging News No.57, November 2011, P8)。 ポリマー分子の接近距離が短縮すると指数関数的に接着強度が増加する。 iPP（アイソタクチック・ポリプロピレン）とPE（ポリエチレン）の共押出しを行うとPEの種類に より層間剥離強度が異なる。 HDPE（高密度ポリエチレン）は0.5mol%以下の1-ヘキセンを共重合しPEホモポ リマーと言われている、実質的に直鎖状PEである。 iPPとHDPEを共押出しするとiPPとHDPEの層間接着強度は高くデラミネー ションは起こりにくい。 EHex-LLDPE（エチレンに5-10mol%の1-ヘキセンを共重合した短鎖分岐を有する直鎖状コ ポリマー）とiPPを共押出しすると層間剥離が起こりデラミする。 LDPE（高温・高圧でラジカル重合した長鎖分岐を多数有するPE)とiPPを共押出しすると容 易に層間剥離が起こりデラミする。 層間剥離はiPPとPEの接着強度が弱いと起こる。接着強度は レナードジョーンズのポ テンシャル曲線で理解できるが、直鎖状で短鎖分岐と長鎖分岐を有しないHDPE分子 はiPP分子と接近し接着する。 iPP/HDPE共押出しフィルムの層間接着強度は、iPP/EHex-LLDPE共押出しフィルムの層間 接着強度の5倍である。 海外パッケージング研究会 代表 工学博士 渡辺晴彦 http://kaigai.upper.jp [email protected]
海外パッケージング研究会 http://kaigai.upper.jp
直鎖状のiPPとHDPEは接近し接着力は大きい
iPP
HDPE
長鎖分岐と短鎖分岐がほとんどない直鎖状HDPE分子はiPP分子と接近接着する。 iPPとHDPEの共押出しフィルムは層間接着力が強くデラミネーションが起こりにくい。
海外パッケージング研究会 http://kaigai.upper.jp
iPP
EHex-LLDPE
iPPと短鎖分岐を有する EHex-LLDPEは接近できないので 接着力は弱い
EHex-LLDPE
1-ヘキセンを5-10mol%共重合した短鎖分岐を有するEHex-LLDPE分子は、短鎖分岐の立体障害によりiPP分子と接近接着ができない。iPPとEHex-LLDPE共押出しフィルムは層間剥離しやすい。
海外パッケージング研究会 http://kaigai.upper.jp
iPP
LDPE
iPPと長鎖分岐を有する LDPEは接近できないので 接着力は非常に弱い
高温・高圧でラジカル重合するLDPEは、連鎖移動により多数の長鎖分岐を有するので、 長鎖分岐の立体障害によりiPPと接近接着できない。iPPとLDPE共押出しフィルムは容易に 層間剥離する。
海外パッケージング研究会 http://kaigai.upper.jp
iPP/LDPE共押出し
iPP/PE共押出しのiPPとPEの層間距離
iPP/EHex-LLDPE共押出し
iPP/HDPE共押出し （iPP/EHex-LLPE共押出しの 5倍の接着強度を有する）
レナード・ジョーンズのポテンシャルエネルギー曲線はポリマー分子間距離が 短縮すると、接着強度が指数関数的に増大する事を示している。
CH2CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CH2CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CH2CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
PEの分子鋳型嵌合接近モデル
C
CH3
CH2H
C
CH3
CH2H
C
CH3
CH2H
C
CH3
CH2H
C
CH3
CH2H
C
CH3
CH2H
C
CH3
CH2H
C
CH3
CH2HC
CH3
CH2H
C
CH3
CH2H
C
CH3
CH2H
C
CH3
CH2H
PPの分子鋳型嵌合接近モデル ポリマー分子がバラバラにならず成型品の形態を維持するのはポリマー分子同士 の接着強度が非常に強いからである。 図に示すようにPEやPPなどの分子は同一構造なので、鋳型嵌合接近しレナード ・ジョーンズのポテンシャル曲線で理解できるように、ポリマー分子間距離が短縮すると 距離の2-6乗に反比例した強い接着力で接着する。
Global Packaging News , No.57 November 2011, P8
MAH-ｇ-PPはポリマー分子の接着性ポリマーであり、ポリマーブレンドの相溶剤 になる。 iPPとEVOHやNy6の共押出しを行う場合にMAH-ｇ-PPを層間接着性樹脂に使用すると、 PPにグラフト重合したMAH（無水マレイン酸）のPPはiPPと鋳型嵌合接近接着し、 極性基(MAH)はPPとEVOHやNy6の極性基と鋳型嵌合接近接着する。 Global Packaging News , No.57 November 2011, P8
2軸延伸のメカニズム 2軸延伸フィルムとストレッチブローPETボトルは、加えたエネルギーのエントロピー変化により、ポリマー分子が移動し規則的に整列し配向する。
加えたエネルギーのエンタルピー（熱）変化はおこらない。すなわち発熱はおこらず、エネルギーはエントロピーに変化し、重量があり互いに強固に接着しているポリマー分子を剥離して移動し規則的に整列し配向する仕事をする。 仕事の単位はNm（ニュートン×メートル：重量を有するものを1Nの力で1m移動させる=1ジュール）であり、解放系でエネルギーがエンタルピーに変わり熱エネルギーとしてNmの仕事をするのと同様に、ポリマー内部の閉鎖系ではエネルギーがエントロピーに変わり発熱せずにNmの仕事をする。 2軸延伸フィルムとストレッチブローPETボトルは、ポリマー分子が規則的に整列し配向しているが結晶化していない。フィルムとボトルは全体が一体構造であり、光を散乱するサイズ400nm以上の大きさの結晶と異物は存在せずウオータークリヤーである。 2軸延伸してポリマー分子が引き伸ばされると広角X線散乱測定の2θピークが大きくなる事で理
解できるが、電子雲密度の偏在が大きくなりポリマー分子の＋と－の帯電が強くなり、ポリマー分子同志が＋と－で強くイオン結合し、強力な物性を有する2軸延伸フィルムとストレッチブローPETボトルが製造できる。 ポリマーが結晶化するから2θピークが大きくなるのではない。ポリマーが延伸されて電子雲密度の偏りが大きくなるので2θピークが現れるのである。 ベルクロはフックと突起で接着し、90°剥離（T型剥離、めくり剥離）を行うと簡単に剥離できるが、180°剥離（ずれ剥離）では剥離できない。ベルクロの180°剥離強度は90°剥離強度の100倍以上である。ヒートシールしたPEやPPの180°剥離強度は90°剥離強度の10倍以上である。 ＋と－でイオン的に強固に接着したポリマー同志の2軸延伸における剥離は180°剥離であり膨大なエネルギーのエントロピー変化が必要である。 Global Packaging News No.57 November 2011, P2-8
WAXDで得られる2θピークの高さはポリマー分子の電子雲の偏りの大きさを現す。 2θピークの高さはポリマー分子のマイナス荷電の強さを現し、ポリマー分子同士の接着力の強さを表す。 キャストフィルムの2θピークが小さくブロードであれば2軸延伸できる。2軸延伸すると2θピークは大きく高く鋭く現れポリマー分子同志は電気的引力で強力に接着する。
Global Packaging News No.70 February 2015
未延伸キャストフィルム 2軸延伸フィルム（OPP)
WAXS(WAXD)広角X線散乱の2θピークと2軸延伸
2軸延伸するとポリマー分子の電子雲の偏りが大きくなり＋と－に強く分極し WAXSチャートに2θピークが現れる。 分子同士が接近して密度が増加し、分子間距離の短縮に反比例し指数関数的に 分子間の電気的接着力が非常に大きくなる（レナードジョーンズのポテンシャル曲線)。
Global Packaging News No.70(2015) 補遺
ポリマーは無定形で電子雲の偏りは小さい ポリマーは直線的で規則的に配向し電子雲の偏りは大きい