JP2007211320A - 透明蒸着フィルム、およびその製造方法 - Google Patents

透明蒸着フィルム、およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 酸素ガスあるいは水蒸気等に対する高いバリア性を有し、かつ、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートと、無機酸化物との間の密着性が高く、例えば、飲食品、医薬品、化粧品、化学品、電子部品、その他の種々の物品を充填包装するのに有用な透明蒸着フィルムの製造方法を提供する。
【解決手段】 2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの表面をマイクロ波でプラズマ化した窒素ガスによりプラズマ処理し、さらに無機酸化物を積層することを特徴とする透明蒸着フィルムの製造方法を提供する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、透明蒸着フィルム、およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、物理気相成長法(PVD)により、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムに無機酸化物を蒸着する際に、蒸着工程の前に、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの表面をマイクロ波で形成した窒化プラズマにより処理し、さらに無機酸化物を蒸着することからなる透明蒸着フィルムの製造方法、およびその製造方法により製造された透明蒸着フィルムに関する。
従来、飲食品、医薬品、化粧品、その他の種々の物品を充填包装するために、種々の包装用素材が開発され、提案されている。それらの中で、近年、酸素ガスあるいは水蒸気等に対するバリア性素材として、プラスチック基材の表面に、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム等の無機酸化物を使用し、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理気相成長法(PVD法)、あるいは、プラズマ化学気相成長法、熱化学気相成長法、光化学気相成長法等の化学気相成長法(CVD法)等を利用して、その無機酸化物の蒸着膜を形成してなる透明蒸着フィルムが注目されている。さらに、このような透明蒸着フィルムの酸素ガスあるいは水蒸気等に対するバリア性や、プラスチック基材と無機酸化物との間の密着性を向上するための様々な手段が提案されている。
例えば特許文献1および特許文献2には、「プラスチック基材や2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム等の表面に、酸素ガス、酸素ガスとアルゴンガスまたはヘリウムガスとの混合ガス等によるプラズマ処理面を設け、さらに、該プラズマ処理面に、無機酸化物の蒸着膜を設けたことを特徴とする透明バリア性フィルム」が示されている。
特許文献1および特許文献2は、無機ガスを一般的なプラズマ化手段でプラズマ化し、ポリエチレンテレフタレートフィルム表面を処理することを開示しているものの、窒素ガスやアンモニアガスにマイクロ波を照射することにより生じた窒化プラズマにより表面処理すること、すなわち、窒素ガス等とマイクロ波との特定の組み合わせによるポリエチレンテレフタレートフィルム表面のプラズマ処理については何も開示していない。そのため、特許文献1および特許文献2記載の透明バリア性フィルムは、耐水強度が劣り、レトルトおよびボイル処理により無機酸化物がポリエチレンテレフタレートフィルムから剥離してしまい、実用に供することができない。また、酸素バリア性、水蒸気バリア性も不十分である。
また特許文献3には、「プラスチック基材や2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム等の表面に、酸素ガス、または酸素ガスと窒素ガスとの混合ガス等によるプラズマ処理面を設け、さらに、該プラズマ処理面に、無機酸化物の蒸着膜を設けたことを特徴とする透明バリア性フィルム」が示されている。特許文献3記載の透明バリア性フィルムにおけるポリエチレンテレフタレートフィルムの表面改質は、上記気体をアーク放電により電離させることにより生じるプラズマガス、すなわち処理エネルギーの低いプラズマガスにより行われることから、十分な処理ができず、耐水強度が劣り、レトルトおよびボイル処理により無機酸化物がポリエチレンテレフタレートフィルムから剥離してしまう。また酸素バリア性、水蒸気バリア性も不十分なものである。
また特許文献4には、「高分子樹脂組成物からなる基材上に、無機化合物からなる蒸着層を第1層とし、水溶性高分子と、(a)1種以上のアルコキシドまたは/およびその加水分解物または(b)塩化錫の少なくともいずれか1つを含む水溶液、或いは水/アルコール混合溶液を主剤とするコーティング剤を塗布し、加熱乾燥してなるガスバリア性被膜を第2層として積層してなることを特徴とするガスバリア性積層フィルム」が記載されている。特許文献4記載のガスバリア性積層フィルムは、透明基材フィルムに無機化合物さらに水溶性高分子と金属アルコキシドまたは/およびその加水分解物と塩化錫からなるガスバリア性被覆層を形成し、高いバリア性を得ることを目的としているが、無機化合物と基材との密着性が悪いため、耐水強度が悪く、レトルトおよびボイル処理により無機化合物が基材から剥離してしまうという問題点がある。
さらに特許文献5には、「透明高分子フィルムの少なくとも片面上に金属酸化物層を有する透明ガスバリア性積層フィルムにおいて、該金属酸化物層に接してその外側に、一定の化学構造を有するアルコキシシランの(部分)加水分解物、その(部分)縮合物若しくはそれらの混合物により架橋されたポリビニルアルコールを含む硬化被膜が積層されていることを特徴とする透明ガスバリア性積層フィルム」が示されている。特許文献5記載の透明ガスバリア性積層フィルムは、化学気相成長法(CVD)により片面に金属酸化物蒸着層を形成し、金属アルコキシド加水分解物、その縮合物の混合物により架橋されたポリビニルアルコールを含む硬化被膜を蒸着面に形成し、高いガスバリア性を得ることを目的としているが、金属酸化物蒸着層と基材との密着性がわるいため、耐水強度が悪く、レトルトおよびボイル処理により金属酸化物が基材から剥離してしまうという問題点がある。
特開平11−262970号公報 特開平11−322979号公報 特開平10−193502号公報 特許第2790054号公報 特許第3403880号公報
上記のとおり、透明蒸着フィルムの酸素ガスあるいは水蒸気等に対するバリア性や、プラスチック基材と無機酸化物との間の密着性を向上させるための様々な手段が提案されているが、十分なバリア性や、プラスチック基材と無機酸化物との間の十分な密着性は得られていない。
これに対し本願発明は、酸素ガスあるいは水蒸気等に対する高いバリア性を有し、かつ、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートと、無機酸化物との間の密着性が高く、例えば、飲食品、医薬品、化粧品、化学品、電子部品、その他の種々の物品を充填包装するのに有用な透明蒸着フィルムの製造方法を提供するものである。
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究した結果、物理気相成長法(PVD)により、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムに無機酸化物を蒸着する際に、蒸着工程の前に、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの表面をマイクロ波で形成した窒化プラズマにより処理し、その後、無機酸化物を蒸着することにより、酸素透過度や水蒸気透過度等のバリア性、および2軸延伸ポリエチレンテレフタレートと無機酸化物との間の密着性が著しく向上することを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本願発明は、以下の(a)〜(e)に示す発明を包含する。
(a)2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの表面をマイクロ波で形成した窒化プラズマにより処理し、さらに無機酸化物を積層することを特徴とする透明蒸着フィルムの製造方法。
(b)2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面に無機酸化物を積層した透明蒸着フィルムであって、
前記2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムが、少なくとも1つの炭素原子と結合した窒素原子を含むことを特徴とする透明蒸着フィルム。
(c)2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの炭素、窒素、酸素の元素割合における、窒素元素の割合が1%以上7%以下(Atomic%)、炭素元素の割合が75%以上、酸素元素の割合が25%以下であることを特徴とする上記(b)の透明蒸着フィルム。
(d)2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの表面粗さが、算術平均粗さ(Ra)で1.0nm以下、二乗平均粗さ(Rms)で2.0nm以下、最大粗さ(Rmax)で8.0nm以下のすべての条件を満たすことを特徴とする(b)または(c)の透明蒸着フィルム。
(e)透明蒸着フィルムの2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面に設けた無機酸化物の蒸着膜の上に、ガスバリア性塗布膜を塗工した透明蒸着フィルムであって、
前記ガスバリア性塗布膜が、一般式R1 nM(OR2m(ただし、式中、R1、R2は、炭素数1〜8の有機基を表し、Mは、金属原子を表し、nは、0以上の整数を表し、mは、1以上の整数を表し、n+mは、Mの原子価を表す。)で表される少なくとも1種以上のアルコキシドと、ポリビニルアルコール系樹脂および/またはエチレン・ビニルアルコール共重合体とを含有し、さらに、ゾル−ゲル法触媒、水、および、有機溶剤の存在下に、ゾルゲル法によって重縮合するガスバリア性組成物であることを特徴とする、ガスバリア性塗布膜を設けた上記(b)〜(d)のいずれかの透明蒸着フィルム。
本発明においては、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面のプラズマ処理にマイクロ波で形成した窒化プラズマを用い、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面の平滑性を向上すると共に、窒素を該フィルム中にドーピングすることから、無機酸化物と2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムとの間の密着性、および酸素バリア性、水蒸気バリア性等のガスバリア性が向上する。
また本発明の製造方法により製造された透明蒸着フィルムに、上記ガスバリア性塗布膜を設けることにより、バリア性層を構成する酸化ケイ素、酸化アルミニウム等の無機酸化物の蒸着膜にクラック等が発生することを防止すると共に炙りピンホール等の発生を皆無とし、これにより、酸素ガス、水蒸気等の透過を阻止するバリア性に優れた透明蒸着フィルムを提供することができる。
以下に図面等を用いて本発明をさらに詳しく説明する。
1.透明蒸着フィルムの製造方法
本発明の透明蒸着フィルムの製造方法を説明する。図1は、本発明にかかる透明蒸着フィルムの製造方法の一例を示す巻き取り式真空蒸着装置の概略的構成図である。
本発明に係る透明蒸着フィルムの製造方法は、具体的には、図1に示すように、まず、巻き取り式真空蒸着装置1の真空チャンバー2の中で、巻き出し部4から2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム6を繰り出し、さらに、該2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム6をガイドロール5を介して、冷却ドラム11に案内する。本発明においては、上記のガイドロール5と冷却ドラム11との間にマイクロ波プラズマ装置9を配置し、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム6の表面に、上記のマイクロ波プラズマ装置9を用いて、該マイクロ波プラズマ装置9から窒化プラズマ10を発生させてプラズマ処理を行い、上記の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム6の表面にプラズマ処理面を形成する。次いで、プラズマ処理面を設けた2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム6を冷却ドラム11の上に案内した後、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム6のプラズマ処理面に、蒸着源15として金属あるいは無機酸化物を使用し、これらをるつぼ16の中に入れ、該るつぼ16中で熱せられた金属あるいは無機酸化物を蒸発させ、その際に、酸素パイプ14より酸素ガス等を噴出させながら、シャッター13を介して無機酸化物の蒸着膜を成膜化する。次いで、該金属あるいは無機酸化物の蒸着膜を形成した2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム6を、ガイドロール5′を介して、巻き取り部12に巻き取って、本発明にかかる透明蒸着フィルムを製造する。
上記の蒸着機において、真空チャンバーの真空度としては、100 〜10-5mbar、好ましくは、10-1〜10-4mbarが望ましい。また、コーディングチャンバーの真空度としては、酸素の導入前においては、10-2〜10-8mbar、好ましくは、10-3〜10-7mbarが望ましく、酸素の導入後においては、10-1〜10-6mbar、好ましくは、10-2〜10-5mbarが望ましい。上記の例示は、その製造法の一例であり、本発明は、これにより限定されるものではない。
次に本発明の製造方法において使用する2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム、プラズマ種、プラズマ処理条件、無機酸化物について説明する。
(1)2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム
本発明の製造方法に使用する2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムとしては、例えば、テレフタル酸もしくはその誘導体とエチレングリコールとの縮合反応によって得られるポリエステル系樹脂のフィルムないしシートであって、例えば、テンター方式あるいはチューブラー方式等によって2方向に延伸されているものを使用する。そして、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの厚さとしては、製造時の安定性等から適宜に設定することが可能であるが、約6μmないし100μmが好ましくは、さらには、12μmないし50μmが望ましい。なお、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムには、用途に応じて、例えば、帯電防止剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、充填剤等の所望の添加剤を、その透明性に影響しない範囲内で任意に添加することができる。
(2)プラズマ種
本発明において、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面のプラズマ処理は、窒素ガス(N2)やアンモニアガス(NH3)にマイクロ波を照射して形成した窒化プラズマにより行う。これにより、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面を平滑化すると共に、窒素を2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムにドーピングし、窒素原子と、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム上の炭素原子との間に共有結合を形成する。そしてその結果、無機酸化物と、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムとの間の密着性が向上する。
また、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムにドーピングされる窒素元素の割合は、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの炭素、窒素、酸素の元素割合における、窒素元素の割合が、Atomic%、すなわち構成元素比率で、1%以上7%以下(好ましくは、1.0%〜6.5%)、炭素元素が75%以上(好ましくは、75%〜99%)、酸素元素が25%以下(好ましくは、1.0%〜25%)であることが好ましい。上記の窒素原子の割合が1%未満の場合には、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムと無機酸化物との密着性が低下し、また7%を超える場合には、バリア性が低下し好ましくない。
またプラズマ処理後の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)で1.0nm以下(好ましくは、0.1〜0.9nm)、二乗平均粗さ(Rms)で2.0nm以下(好ましくは、0.2〜1.8nm)、最大粗さ(Rmax)で8.0nm以下(好ましくは、1.6〜7.8nm)のすべての条件を満たすことが好ましい。算術平均粗さ、二乗平均粗さ、最大粗さのいずれかが上記数値を超えると、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムと、無機酸化物蒸着膜との密着性が悪くなり、好ましくない。
(3)プラズマ処理条件
上記のとおり本発明においては、無機酸化物と、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムとの間の密着性は、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム中に含まれる窒素元素の比率、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの表面粗さに大きく依存するものであるから、プラズマ処理の処理条件が極めて重要である。本発明において、プラズマ処理と化学反応に影響を与える要因としては、プラズマ出力、ガスの種類、ガスの圧力、および、処理時間等を挙げることができる。プラズマ処理には窒素ガスやアンモニアガスを使用するが、そのガス圧としては、1.33×10-5〜1.33×10-1mbar、より好ましくは、1.07×10-2〜6.67×10-2mbarが望ましい。また、プラズマ出力としては、0.2〜15kW、より好ましくは、0.5〜10kWが望ましく、さらにまた、その処理速度としては、100〜1000m/min、より好ましくは、200〜800m/minが望ましい。上記のガス圧において、ガス圧が低すぎると、プラズマで活性化される窒素分子が少なくなり、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面への窒素の導入が阻害される。また、上記のプラズマ出力が、0.2kW未満、さらには、0.5kW未満の場合には、ガスの活性化が低下し、高活性の窒素原子が生成しにくくなる。また、15kWを越えると、さらには、10kWを越えると、プラズマ出力が高すぎるので、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの劣化により透明蒸着フィルムそのものの物性が低下する。さらに、上記の処理速度が、100m/min未満、さらには、200m/min未満であると、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムが多孔質状になり、バリア性が低下し、また、1000m/minを越えると、さらには、800m/minを越えると、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムに対する窒素プラズマ量が少なくなり、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムと無機酸化物との密着性が低下する。
(4)無機酸化物
本発明の製造方法でいう真空蒸着された無機酸化物としては、ケイ素(Si)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、カリウム(K)、スズ(Sn)、ナトリウム(Na)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、鉛(Pb)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)等の酸化物を挙げることができる。
好ましいものとしては、ケイ素(Si)、アルミニウム(Al)等の金属の酸化物の蒸着膜を挙げることができる。
また、上記の金属の酸化物の蒸着膜は、ケイ素酸化物、アルミニウム酸化物、マグネシウム酸化物等のように金属酸化物ともいうことができ、その表記は、例えば、SiOX、AlOX、MgOX等のようにMOX(ただし、式中、Mは、金属元素を表し、xの値は、金属元素によってそれぞれ範囲が異なる)で表される。
また、上記のxの値の範囲として、ケイ素(Si)は0〜2、アルミニウム(Al)は0〜1.5、マグネシウム(Mg)は0〜1、カルシウム(Ca)は0〜1、カリウム(K)は0〜0.5、スズ(Sn)は0〜2、ナトリウム(Na)は0〜0.5、ホウ素(B)は0〜1、5、チタン(Ti)は0〜2、鉛(Pb)は0〜1、ジルコニウム(Zr)は0〜2、イットリウム(Y)は0〜1.5の範囲の値をとることができる。
上記において、x=0の場合は、完全な金属であり、透明ではないので使用することができない。また、xの範囲の上限は、完全に酸化したときの値である。
望ましくは、ケイ素(Si)は、1.0〜2.0、アルミニウム(Al)は、0.5〜1.5の範囲の値のものを使用することができる。
無機酸化物の蒸着膜の膜厚は、使用する金属、または金属の酸化物の種類等によって異なるが、例えば、50〜2000Å、好ましくは、100〜1000Åの範囲内で任意に選択することができる。
また、無機酸化物の蒸着膜として、使用する金属、または金属の酸化物は、1種または2種以上の混合物で使用し、異種の材質で混合した無機酸化物の蒸着膜を構成することもできる。
2.本発明の透明蒸着フィルムの無機酸化物蒸着膜上に、さらにガスバリア性塗布膜を設けた、透明蒸着フィルムの製造方法
上記の透明蒸着フィルムの無機酸化物蒸着膜上に、さらにガスバリア性塗布膜を設けることにより、さらに透明蒸着フィルムのバリア性を改善することができる。以下に本発明のガスバリア性塗布膜を設けた透明蒸着フィルムの製造方法について説明する。
ガスバリア性塗布膜を設けた透明蒸着フィルムは、以下の(i)〜(iii)を含む工程により形成する。
(i)ガスバリア性組成物として、例えば、一般式R1 nM(OR2m(ただし、式中、R1、R2は、炭素数1〜8の有機基を表し、Mは、金属原子を表し、nは、0以上の整数を表し、mは、1以上の整数を表し、n+mは、Mの原子価を表す)で表される少なくとも1種以上のアルコキシドと、ポリビニルアルコール系樹脂および/またはエチレン・ビニルアルコール共重合体とを含有し、さらに、ゾル−ゲル法触媒、水、および、有機溶剤の存在下に、ゾルゲル法によって重縮合するガスバリア性組成物を調製する工程、
(ii)2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの一方の面に設けた無機酸化物の蒸着膜の上に、必要ならば、酸素ガスによるプラズマ処理面等を介して、上記のゾルゲル法によって重縮合するガスバリア性組成物を塗工して塗工膜を設ける工程、
(iii)上記の塗工膜を設けた透明蒸着フィルムを、20℃〜180℃で、かつ、上記の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの融点以下の温度で10秒〜10分間加熱処理して、上記の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの一方の面に設けた無機酸化物の蒸着膜の上に、要すれば、酸素ガスによるプラズマ処理面等を介して、上記のガスバリア性組成物によるガスバリア性塗布膜を形成する工程。
なお、本発明において、ガスバリア性塗布膜として、一般式R1 nM(OR2m(ただし、式中、R1、R2は、炭素数1〜8の有機基を表し、Mは、金属原子を表し、nは、0以上の整数を表し、mは、1以上の整数を表し、n+mは、Mの原子価を表す)で表される少なくとも1種以上のアルコキシドと、ポリビニルアルコール系樹脂および/またはエチレン・ビニルアルコール共重合体とを含有し、さらに、ゾル−ゲル法触媒、水、および、有機溶剤の存在下に、ゾルゲル法によって重縮合するガスバリア性組成物を調製し、これを使用し、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの一方の面に設けた無機酸化物の蒸着膜の上に、2層以上重層し、上記のガスバリア性組成物によるガスバリア性塗布膜を2層以上重層した複合ポリマー層を形成して製造することもできる。
次に本発明の上記製造方法において使用することができる一般式R1 nM(OR2mで表されるアルコキシド、ポリビニルアルコール系樹脂および/またはエチレン・ビニルアルコール共重合体、およびガスバリア性組成物の製造方法について説明する。
(1)一般式R1 nM(OR2mで表されるアルコキシド
一般式R1 nM(OR2mで表されるアルコキシドにおいて、Mで表される金属原子としては、ケイ素、ジルコニウム、チタン、アルミニウム等を使用することができる。特に本発明においては、MがSiであるアルコキシシランが好ましい。また、単独または2種以上の異なる金属原子のアルコキシドを同一溶液中に混合して使うこともできる。
また、上記の一般式R1 nM(OR2mで表されるアルコキシドにおいて、R1で表され
る有機基の具体例としては、例えば、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、n−ヘキシル基
、n−オクチル基等のアルキル基を挙げることができる。
上記のアルコキシシランの具体例としては、テトラメトキシシラン Si(OCH34、テトラエトキシシラン Si(OC254、テトラプロポキシシラン Si(OC374、テトラブトキシシラン Si(OC494等を使用することができる。これらのアルコキシシランは、単独または2種以上を混合しても用いてもよい。
(2)ポリビニルアルコール系樹脂および/またはエチレン・ビニルアルコール共重合体 ガスバリア性塗布膜を形成するポリビニルアルコール系樹脂および/またはエチレン・ビニルアルコール共重合体としては、ポリビニルアルコール系樹脂、または、エチレン・ビニルアルコール共重合体を単独で各々使用することができ、あるいは、ポリビニルアルコール系樹脂およびエチレン・ビニルアルコール共重合体とを組み合わせて使用することができる。ポリビニルアルコール系樹脂と、エチレン・ビニルアルコール共重合体とを組み合わせて使用する場合、それぞれの配合割合としては、重量比で、ポリビニルアルコール系樹脂:エチレン・ビニルアルコール共重合体=10:0.05〜10:6であることが好ましく、さらには、約10:1の配合割合で使用することがさらに好ましい。
また、ポリビニルアルコール系樹脂および/またはエチレン・ビニルアルコール共重合体との含有量は、上記のアルコキシドの合計量100重量部に対して5〜500重量部の範囲であり、好ましくは、約20〜200重量部の配合割合でガスバリア性組成物を調製することが好ましい。
ポリビニルアルコール系樹脂の具体例としては、株式会社クラレ製のRSポリマーであるRS−110(ケン化度=99%、重合度=1,000)、同社製のクラレポバールLM−20SO(ケン化度=40%、重合度=2,000)、日本合成化学工業株式会社製のゴーセノールNM−14(ケン化度=99%、重合度=1,400)等を使用することができる。
また、エチレン・ビニルアルコール共重合体の具体例としては、エチレンと酢酸ビニルとの共重合体のケン化物、すなわち、エチレン−酢酸ビニルランダム共重合体をケン化して得られるものを使用することができる。
(3)ガスバリア性組成物の調製方法
ガスバリア性塗布膜を形成するガスバリア性組成物は、上記の一般式R1 nM(OR2m(ただし、式中、R1、R2は、炭素数1〜8の有機基を表し、Mは、金属原子を表し、nは、0以上の整数を表し、mは、1以上の整数を表し、n+mは、Mの原子価を表す)で表される少なくとも1種以上のアルコキシドと、上記のポリビニルアルコール系樹脂および/またはエチレン・ビニルアルコール共重合体とを混合し、さらに、ゾル−ゲル法触媒、水、および、有機溶剤の存在下に、ゾルゲル法によって重縮合して調製することができる。
上記のガスバリア性組成物を調製するに際し、シランカップリング剤等を添加することによりガスバリア性塗布膜の柔軟性と加工性をさらに向上することができる。このようなシランカップリング剤として、既知の有機反応性基含有オルガノアルコキシシラン、例えば、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、あるいは、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等をあげることができる。このようなシランカップリング剤は、上記のアルコキシシラン100重量部に対して1〜20重量部の範囲内で使用することができる。上記において、20重量部以上を使用すると、形成されるガスバリア性塗布膜の剛性と脆性とが大きくなり、また、ガスバリア性塗布膜の絶縁性および加工性が低下する傾向にあることから好ましくない。
また、上記のガスバリア性組成物において用いられる、ゾル−ゲル法触媒、主として、重縮合触媒としては、水に実質的に不溶であり、かつ有機溶媒に可溶な第三級アミンや、酸を使用することができる。
第三級アミンとして、例えば、N,N−ジメチルベンジルアミン、トリプロピルアミン、トリブチルアミン、トリペンチルアミン等を使用することができる。これらの第三級アミンは、アルコキシドおよびシランカップリング剤の合計量100重量部当り、0.01〜1.0重量部、好ましくは、約0.03重量部使用することが好ましい。
また、上記のガスバリア性組成物において用いられる酸としては、例えば硫酸、塩酸、硝酸などの鉱酸、ならびに、酢酸、酒石酸等の有機酸等を使用することができる。これらの酸は、アルコキシドおよびシランカップリング剤のアルコキシド分(例えばシリケート部分)の総モル量に対し0.001〜0.05モル、好ましくは、約0.01モルを使用することが好ましい。
さらに、上記のガスバリア性組成物においては、上記のアルコキシドの合計モル量1モルに対して0.1〜100モル、好ましくは、0.8〜2モルの割合の水を用いることができる。
さらにまた、上記のガスバリア性組成物において用いられる有機溶媒としては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、n−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、n−ブタノール等を用いることができる。
本発明に係るガスバリア性塗布膜は、例えば、以下のようにして製造される。
まず、上記のアルコキシシラン等のアルコキシド、シランカップリング剤、ポリビニルアルコール系樹脂及び/又はエチレン・ビニルアルコール共重合体、ゾル−ゲル法触媒、水、有機溶媒、および、必要に応じて、金属アルコキシド等を混合してガスバリア性組成物(塗工液)を調製する。ガスバリア性組成物(塗工液)中では次第に重縮合反応が進行する。
次いで、基材の一方の面に設けた無機酸化物の蒸着膜の上に、常法により、上記のガスバリア性組成物(塗工液)を通常の方法で塗布し、乾燥する。
さらに、上記の塗布操作を繰り返して、2層以上からなる複数の塗工膜を積層する。
このようにして得られた本発明に係るバリア性層は、ガスバリア性に優れているものである。
無機酸化物の蒸着膜とガスバリア性塗布膜とが、例えば、加水分解・共縮合反応による化学結合、水素結合、あるいは、配位結合などを形成し、無機酸化物の蒸着膜とガスバリア性塗布膜との密着性が向上し、その2層の相乗効果により、より良好なガスバリア性の効果を発揮し得る。
上記のガスバリア性組成物を塗布する方法としては、例えば、グラビアロールコーターなどのロールコート、スプレーコート、スピンコート、デイツピング、刷毛、バーコード、アプリケータ等の塗布手段により、1回あるいは複数回の塗布で、乾燥膜厚が、0.01〜30μm、好ましくは、0.1〜10μmの塗工膜を形成することができ、さらに、通常の環境下、50〜300℃、好ましくは、70〜200℃の温度で、0.005〜60分間、好ましくは、0.01〜10分間、加熱・乾操することにより、縮合が行われ、第1または第2のガスバリア性塗布膜を形成することができる。
また、必要ならば、ガスバリア性組成物を塗布する際に、予め、無機酸化物の蒸着膜の上に、プライマー剤等を塗布することもできるものであり、また、コロナ放電処理あるいはプラズマ処理等の前処理を任意に施すことができる。
3.本発明の透明蒸着フィルムの用途
本発明にかかる透明蒸着フィルムを用いて製造した包装用容器は、透明性、酸素ガス、水蒸気等に対するガスバリア性、耐衝撃性等に優れ、さらに、ラミネート加工、印刷加工、製袋ないし製函加工等の後加工適性を有し、また、バリア性膜としての蒸着薄膜の剥離を防止し、かつ、その熱的クラックの発生を阻止し、その劣化を防止して、バリア性膜として優れた耐性を発揮し、例えば、飲食品、医薬品、洗剤、シャンプー、オイル、歯磨き、接着剤、粘着剤等の化学品ないし化粧品等の種々の物品の充填包装適性、保存適性等に優れているものである。
次に本発明について実施例を挙げて具体的に説明する。
[実施例1]
(1)基材フィルムとして、厚さ12μmの2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを使用し、上記の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを図1の巻き取り式の真空蒸着装置(物理気相成長法装置)の送り出しロールに装着した。
次いで、これを600m/minのライン速度で搬送し、マイクロ波プラズマ処理装置に窒素ガス500sccmを1.0×10-3mbarの圧力で導入し、出力1.5kWでプラズマ処理を行い、以下の蒸着条件で、エレクトロンビーム(EB)加熱方式による真空蒸着法により、酸化アルミニウムを積層して巻き取り、本発明の透明蒸着フィルムを製造した。このときの酸化アルミニウムの膜厚は20nmであった。
真空チャンバー真空度:2×10-2mbar
コーティングチャンバー真空度(酸素ガス導入前):1×10-5mbar
コーティングチャンバー真空度(酸素ガス導入後):5×10-4mbar
蒸着源:アルミニウム
(2)上記透明蒸着フィルムを形成した後に、その酸化アルミニウムの蒸着膜面に、グロー放電プラズマ発生装置を使用し、パワー9kW、酸素ガス(O2):アルゴンガス(Ar)=7.0:2.5(単位:slm)からなる混合ガスを使用し、混合ガス圧8.0×10-5mbar、処理速度100m/minで酸素/アルゴン混合ガスプラズマ処理を行って、酸化アルミニウムの蒸着膜面の表面張力を54dyne/cm以上向上させたプラズマ処理面を形成した。
他方、下記の表1に示す組成に従って、調製した組成a.のポリビニルアルコール水溶液、イソプロピルアルコールおよびイオン交換水からなる混合液に、予め調製した組成b.のエチルシリケート、シランカップリング剤、イソプロピルアルコール、0.5N塩酸水溶液、イオン交換水からなる加水分解液を加え、充分に攪拌し、無色透明のバリア塗工液を得た。
(表1)
a ポリビニルアルコール 2.33(wt%)
(RS−110:株式会社クラレ製、ケン化度=99%、重合度=1,000)
イソプロピルアルコール 2.70
2O 51.75
b エチルシリケート 16.60
シランカップリング剤 1.66
(γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン)
イソプロピルアルコール 3.90
0.5N塩酸水溶液 0.53
2O 20.53
合 計 100.00(wt%)
次に、上記の(1)で形成した酸化アルミニウムの蒸着膜のプラズマ処理面に、上記で製造したガスバリア性組成物を使用し、これをグラビアロールコート法によりコーティングして、次いで、100℃で30秒間、加熱処理して、厚さ0.4μm(乾操状態)のガスバリア性塗布膜を形成し、本発明の無機酸化物蒸着膜上に、さらにガスバリア性塗布膜を設けた透明蒸着フィルムを製造した。
[実施例2]
(1)2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを300m/minで搬送し、マイクロ波プラズマ発生装置に窒素ガス800sccmを導入し、出力3kWでプラズマ処理を行うこと以外は、実施例1と同様の方法により、本発明の透明蒸着フィルムを製造した。なお、このときの酸化アルミニウムの膜厚は20nmであった。
(2)上記(1)で製造した透明蒸着フィルムを用いる以外は、実施例1(2)に記載したのと同様の方法により、本発明の無機酸化物蒸着膜上に、さらにガスバリア性塗布膜を設けた透明蒸着フィルムを製造した。
[実施例3]
(1)基材フィルムとして、厚さ12μmの2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを使用し、上記の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを図1の巻き取り式の真空蒸着装置(物理気相成長法装置)の送り出しロールに装着した。
次いで、これを400m/minのライン速度で搬送し、マイクロ波プラズマ処理装置に窒素ガス500sccmを1.0×10-3mbarの圧力で導入し、出力1.5kWでプラズマ処理を行い、以下の蒸着条件で、エレクトロンビーム(EB)加熱方式による真空蒸着法により、酸化ケイ素を積層して、巻き取り、本発明の透明蒸着フィルムを製造した。このときの酸化ケイ素の膜厚は25nmであった。
真空チャンバー真空度:2×10-2mbar
コーティングチャンバー真空度(酸素ガス導入前):1×10-5mbar
コーティングチャンバー真空度(酸素ガス導入後):5×10-4mbar
蒸着源:酸化ケイ素
(2)上記(1)で製造した透明蒸着フィルムを用いる以外は、実施例1(2)に示したのと同様の方法により、上記透明蒸着フィルムの無機酸化物蒸着膜上に、ガスバリア性塗布膜を形成し、ガスバリア性塗布膜を設けた本発明の透明蒸着フィルムを製造した。
[実施例4]
(1)2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを300m/minで搬送し、マイクロ波プラズマ発生装置に窒素ガス800sccmを導入し、出力3kWでプラズマ処理を行う以外は、実施例3と同様の方法により、本発明の透明蒸着フィルムを製造した。なお、このときの酸化ケイ素の膜厚は30nmであった。
(2)上記(1)で製造した透明蒸着フィルムを用いる以外は、実施例1(2)に示したのと同様の方法により、上記透明蒸着フィルムの無機酸化物蒸着膜上に、ガスバリア性塗布膜を形成し、ガスバリア性塗布膜を設けた本発明の透明蒸着フィルムを製造した。
[比較例1]
(1)マイクロ波プラズマ装置を使用しないこと以外は、実施例1と同様の方法により、本発明の透明蒸着フィルムを製造した。このときの酸化アルミニウムの膜厚は20nmであった。
(2)上記(1)で製造した透明蒸着フィルムを用いる以外は、実施例1(2)に示したのと同様の方法により、上記透明蒸着フィルムの無機酸化物蒸着膜上に、ガスバリア性塗布膜を設けた透明蒸着フィルムを製造した。
[比較例2]
(1)直流グロー放電プラズマ処理装置にアルゴンガス1000sccmを導入し、出力20kWでプラズマ処理を行うこと以外は、実施例1と同様の方法により、本発明の透明蒸着フィルムを製造した。このときの酸化アルミニウムの膜厚は20nmであった。
(2)上記(1)で製造した透明蒸着フィルムを用いる以外は、実施例1(2)に示したのと同様の方法により、上記透明蒸着フィルムの無機酸化物蒸着膜上に、さらにガスバリア性塗布膜を設けた透明蒸着フィルムを製造した。
[比較例3]
(1)基材フィルムとして、厚さ12μmの2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを使用し、上記の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを図1の巻き取り式の真空蒸着装置(物理気相成長法装置)の送り出しロールに装着した。
次いで、これを300m/minのライン速度で搬送し、直流グロー放電プラズマ処理装置に窒素ガス800sccmを1.0×10-3mbarの圧力で導入し、出力20kWでプラズマ処理を行い、実施例1と同様の蒸着条件で、エレクトロンビーム(EB)加熱方式による真空蒸着法により、酸化アルミニウムを積層して巻き取り、透明蒸着フィルムを製造した。このとき酸化アルミニウムの膜厚は20nmであった。
(2)上記(1)で製造した透明蒸着フィルムを用いる以外は、実施例1の(2)に示したのと同様の方法により、上記透明蒸着フィルムの無機酸化物蒸着膜上に、ガスバリア性塗布膜を形成し、ガスバリア性塗布膜を設けた透明蒸着フィルムを製造した。
[実験例]
1.元素分析
英国、VGサイエンティフィック社製のX線光電子分光分析測定機(機種名、XPS)を使用し、酸化アルミニウムを蒸着せず、プラズマ処理のみ行った実施例1〜4、および比較例1〜3の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを使用し、その処理面を以下の条件で分析した。X線光電子分光分析により得られた実施例1〜4のチャートを図2に、比較例1〜3のチャートを図3に、チャートから導かれる各実施例および各比較例の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの元素分析結果を(表2)に示す。
X線出力:100W、照射領域:400μmφ
Figure 2007211320
上記(表2)のとおり、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面を、マイクロ波により形成した窒化プラズマにより処理した実施例1〜4の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムには、N1s由来のピーク、すなわち387eVから394eVにピークが認められ、有機系窒素、すなわち少なくとも1つの炭素原子と結合した窒素原子が2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面に存在していることが確認された。これに対し、マイクロ波プラズマ装置を使用しなかった比較例1、アルゴンガスプラズマで表面処理した比較例2、マイクロ波プラズマ装置の代わりに直流グロー放電プラズマ処理装置を用いた比較例3の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムにおいては、N1s由来のピークが認められず、有機系窒素は、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面に存在しないことが確認された。
2.表面形状の測定
原子間力顕微鏡(AFM)としてDigital Instrument製NanoScopeIIIaを使用し、タッピングモードで透明蒸着フィルム製造の際、酸化アルミニウムを蒸着せずにプラズマ処理のみを行った実施例1〜4、および比較例1〜3の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムを使用し、その処理面を以下の条件で測定し、表面粗さ(算術平均粗さ:Ra、二乗平均粗さ:Rms、最大粗さ:Rmax)を測定した。結果を以下の表3に示す。
Scan Mode:Tapping AFM
Scan Size:1μm
Scan Rate:1Hz
Figure 2007211320
上記(表3)のとおり、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面を、マイクロ波により形成した窒化プラズマにより処理した実施例1〜4の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムは、算術平均粗さ(Ra)、二乗平均粗さ(Rms)、最大粗さ(Rmax)のいずれもが小さく、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの表面平滑性が向上していることが確認された。これに対し、マイクロ波プラズマ装置を使用しなかった比較例1の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムは、最大粗さ(Rmax)が大きく、さらにアルゴンガスプラズマで表面処理した比較例2の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムは、算術平均粗さ(Ra)、最大粗さ(Rmax)が大きく、表面平滑性が劣ることが確認された。
すなわち2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面を、窒化プラズマにより処理することにより、表面平滑性が大きく向上することが確認された。
3.バリア性の測定
酸素透過度は、MOCON社製OX−TRAN2/20を用い、測定条件23℃、90
%RHで、JIS K7126の測定方法に従い測定した。また水蒸気透過度は、MOCON社製PERMATRANT3/31を用い、測定条件40℃、100%RHで、JIS 7129の測定方法に従い測定した。
測定サンプルとして、実施例1〜4、および比較例1〜3のガスバリア性塗布膜を設けた透明蒸着フィルム、ならびに前記各透明蒸着フィルムに、接着層を介して2軸延伸ナイロンフィルム(ONy)15μ、未延伸ポリプロピレンフィルム(CPP)70μを積層したもの(透明蒸着フィルム12μ/接着剤層/ONy15μ/接着剤層/CPP70μの積層体)を使用した。結果を(表4)に示す。
Figure 2007211320
上記(表4)のとおり、実施例1〜4のガスバリア性塗布膜を設けた透明蒸着フィルム、およびそれを使用した積層体は、比較例1〜3のガスバリア性塗布膜を設けた透明蒸着フィルム、およびそれを使用した積層体と比較して、酸素透過度、および水蒸気透過度がいずれも低く、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面を、マイクロ波により形成した窒素ガスプラズマにより処理することにより、酸素ガスと水蒸気の両者に対するバリア性が向上することが確認された。
4.レトルト評価
実施例1〜4、および比較例1〜3で製造したガスバリア性塗布膜を設けた透明蒸着フィルムを使用し、接着剤層を介し、透明蒸着フィルム12μ/接着剤層/ONy15μ/接着剤層/CPP70μの積層体を製造した。さらに、これを用いて3方袋を作成し、水道水を詰めた後シールした。レトルト条件は120℃、30分、2気圧の条件にてレトルト殺菌処理を行った。レトルト後バリア性、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムと、無機酸化物(酸化アルミニウム、酸化ケイ素)との剥離強度、および外観を調べた。なお剥離強度は、上記積層体を15mm幅短冊状に切ったサンプルを低速引張試験機により、引張速度50mm/min、T字剥離の条件で測定した。また、剥離界面はXPSにより特定した。
Figure 2007211320
上記(表5)のとおり、実施例1〜4のガスバリア性塗布膜を設けた透明蒸着フィルムを使用した3方袋は、レトルト前後で剥離強度がほとんど変化しなかった。これに対し、比較例1〜3の3方袋は、レトルト後の剥離強度が大きく低下した。特に比較例1の3方袋ではレトルト後、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムと、無機酸化物蒸着膜との間に剥離が認められた。
すなわち2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面を、マイクロ波により形成した窒化プラズマにより処理し、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面を平滑化し、そのフィルム中に窒素をドーピングすることにより、2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムと、無機酸化物との密着性、すなわち耐水強度が大きく向上することが確認された。
本発明の透明蒸着フィルムの製造方法に使用する物理気相成長法による無機酸化物の薄膜膜を形成する巻き取り式真空蒸着装置の一例を示す概略的構成図である。 実施例1〜4のプラズマ処理後の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムのX線光電子分光分析結果を示す図である。 比較例1〜3の未処理またはプラズマ処理後の2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムのX線光電子分光分析結果を示す図である。
符号の説明
1 巻き取り式真空装置
2 真空チャンバー
3 コーティングチャンバー
4 巻き出し部
5、5′ ガイドロール
6 2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム
7 マイクロ波発生装置
8 窒素ガス
9 マイクロ波プラズマ装置
10 窒化プラズマ
11 冷却ドラム
12 巻取り部
13 シャッター
14 酸素パイプ
15 蒸着源
16 るつぼ
17 電子銃
18 電子線

Claims (7)

  1. 2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの表面をマイクロ波で形成した窒化プラズマにより処理し、さらに無機酸化物を積層することを特徴とする透明蒸着フィルムの製造方法。
  2. 無機酸化物が、酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
  3. 2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面に無機酸化物を積層した透明蒸着フィルムであって、
    前記2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムが、少なくとも1つの炭素原子と結合した窒素原子を含むことを特徴とする透明蒸着フィルム。
  4. 2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの炭素、窒素、酸素の元素割合における、窒素元素の割合が1%以上7%以下(Atomic%)、炭素元素の割合が75%以上、酸素元素の割合が25%以下であることを特徴とする請求項3に記載の透明蒸着フィルム。
  5. 2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルムの表面粗さが、算術平均粗さ(Ra)で1.0nm以下、二乗平均粗さ(Rms)で2.0nm以下、最大粗さ(Rmax)で8.0nm以下のすべての条件を満たすことを特徴とする請求項3または4に記載の透明蒸着フィルム。
  6. 無機酸化物が、酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項3〜5のいずれか一項に記載の透明蒸着フィルム。
  7. 透明蒸着フィルムの2軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム表面に設けた無機酸化物の蒸着膜の上に、ガスバリア性塗布膜を塗工した透明蒸着フィルムであって、
    前記ガスバリア性塗布膜が、一般式R1 nM(OR2m(ただし、式中、R1、R2は、炭素数1〜8の有機基を表し、Mは、金属原子を表し、nは、0以上の整数を表し、mは、1以上の整数を表し、n+mは、Mの原子価を表す)で表される少なくとも1種以上のアルコキシドと、ポリビニルアルコール系樹脂および/またはエチレン・ビニルアルコール共重合体とを含有し、さらに、ゾル−ゲル法触媒、水、および、有機溶剤の存在下に、ゾルゲル法によって重縮合するガスバリア性組成物であることを特徴とする、ガスバリア性塗布膜を設けた請求項3〜6のいずれか一項に記載の透明蒸着フィルム。
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