JP2009503221A - 合成紙 - Google Patents

Abstract

本発明は、他の類似の紙に比べてより優れた特徴を提供する特定の特性が得られるような特定の比率の様々なポリマーの混合物から製造された合成紙の製造に関する。

Description

要約
本発明は、その他の類似の紙と比較して改善された特徴を提供する所定の特性を得るために数種のポリマーの所定の比率のブレンドから製造された合成紙の製造に関する。

背景
製紙産業において、セルロースから製造された紙の代替になり得る、ポリマーから製造された製品を提供する必要性が全般的にある。この観点において、従来技術によって提供された解決法は、主として、所定のパラメーターを改善するために様々な添加剤が添加された押出しまたは共押出しされたポリオレフィン^１（^１ポリエチレンまたはポリプロピレン）によってもたらされる解決法に関するものである。これまで既知の発明はいずれも、紙に類似したフィルムを開発することに努力を注いてきたが、それらは、その特徴の大半において紙のような挙動を得ることには関連していない。

グラフィックデザイン産業において、セルロース紙が提供することができないより高品質の紙を得るための多数の代替品がその技術分野において提供されている。

しかしながら包装産業において、紙の代用になり得る有効かつ経済的な（費用効果の高い）合成紙への必要性がそれでもなお存在する。結果として、合成紙は、それでもなおその汎用的な使用を妨げる所定の問題を有する。具体的には、従来の紙が提供するのと同じ外観、フレキシビリティー、感触、および、折り畳みを保つ能力^２（^２セルロース紙を既定の圧力で折り目を付けて処理した後でも、それらが折り畳まれたままでいる状態を示す特性、また、当業界において「デッドホールド」としても知られている。）を達成することができる合成紙が必要であり、上記の事柄はいずれも経済的に競合する製品にも当てはまる。これまで、ポリオレフィンから製造された合成紙が、これらの必要条件を満たそうとする問題を提示し続けているが、主要な問題はやはりこれらの紙が示す「形状記憶^３（^３ポリマーを用いて製造されたフィルムを既定の圧力で折り目を付けて処理した後に、それらが元の状態に戻ろうとする特性である。）」である。ポリオレフィンは、折り畳むとその元の状態に戻ろうとする傾向を有し、これは、製品を包んだ合成紙が、製品がその周囲環境に晒されると最終的には包みが解けてしまい、従ってその目的が達成されないことを意味する。

この問題を解決するために、当業界において数種の試みがなされている。原則的に、いずれの解決法も、ポリオレフィンから形状記憶を減少させたり、または除去したりすることを可能にする充填剤またはその他の構成要素を提供することを対象にしている。

ＷＯ９４／０６８４９Ａ１（Ｂｅｒｇｅｖｉｎ等）は、紙に類似したフィルム、それらの組成物および製造方法を開示している。この従来技術の文書は、様々な密度を有するポリエチレンを様々な比率で互いに組み合わせて、またはその他の成分ブレンドして使用することを提案している。好ましい実施態様において、フィルムの組成は、高密度ポリエチレン、または、ポリエチレンのブレンド（ここで、少なくとも１種のポリエチレンは高密度ポリエチレンである）の使用を提案する。この好ましい実施態様において、充填剤は、ブレンド全体の２５％〜４３％の範囲で存在する炭酸カルシウム、および、２．２μｍと同等の球径を有するケイ酸マグネシウム粒子（タルク）からなる。

ＷＯ０２／１０２５９３Ａ１（Ｌｅ Ｒｏｕｘ等）は、ポリエチレンのような高分子フィルムを開示しており、このフィルムは、紙と類似した摩擦係数および折り畳みを保つ能力を可能にする微細な粒度分布^４（^４粒度測定を意味する）を有する充填剤を含む。好ましい実施態様において、このような充填剤は、ポリマーの１０重量％〜５０重量％の範囲で存在する炭酸カルシウムからなる。また本明細書において、充填剤は紙の感触に大きな影響を与えるため、このような充填剤の粒度分布の選択は重要であることも指摘されている。しかしながら、これは、具体的な好ましい粒度または形状を指定するものではない。また本明細書では、好ましいポリマーが高密度ポリエチレンであることも証明されている。

発明の簡単な説明
本発明は、上記の問題を解決した合成紙を提供するものであり、具体的には、優れた折り畳みを有し（形状記憶を起こさない）、セルロース紙の外観および感触に類似した外観および感触を有し、価格的に他と競争力のある合成紙を提供する。

本発明は、追加の品質を有するセルロース紙のような外観と挙動を示し、従って概して油や湿度に対して耐性を有するような合成紙を製造する調合物を開発した。
本発明は、紙の形状記憶を減らすために、高密度ポリエチレンを特定の粒度分布を有するケイ酸マグネシウム（タルク）と共に使用し、それに加えて、セルロース紙の外観および感触を提供するために炭酸カルシウムを使用することによって上記のことを達成する。

好ましい本発明の実施態様において、合成紙を製造するためには、高密度で低分子量のポリエチレンは、１５μｍの平均等価球直径を有するケイ酸マグネシウム粒子、および、１μｍの平均等価球直径を有する炭酸カルシウム粒子と共に用いられる。

発明の詳細な説明
まず最初に本願中で用いられると予想されるいくつかの用語を定義することが有用である。

本願において：
高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）は、０．９３０ｇ／ｃｍ^３〜０．９７０ｇ／ｃｍ^３の範囲の密度のＰＥを包含する。

低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）は、０．９１４ｇ／ｃｍ^３〜０．９３０ｇ／ｃｍ^３の範囲の密度のＰＥを包含する。
低分子量ポリエチレンは、その短鎖の大半が軽度に（不規則に、または、直線状に）分岐している、高いメルトインデックスを有するＰＥを包含する。

高分子量ポリエチレンは、その長鎖の大半が（不規則に、または、直線状に）高度に分岐している、低いメルトインデックスを有するＰＥを包含する。
メルトインデックス：既定の速度、既定の温度、および、既定の重量で開口部を通過して流れるポリマーの量である。ポリマーの流れが多ければ多いほど、メルトインデックス値は大きくなる（逆もまた同様）。

Ｅ．Ｓ．Ｄ．は、等価球直径の英語の略語に相当する。これは、以下のように計算される：

サンプルの最大カット値とは、粒子の９８％が最大カット値未満のＥ．Ｓ．Ｄ．を有することを意味する。例えば、サンプルが１５μｍの最大カット値を有する場合、サンプルの粒子の９８％は、１５μｍ未満のＥ．Ｓ．Ｄ．を有する。

平均粒度の測定値は、サンプル中に見出される均一なサイズを有する粒子の大多数が示すＥ．Ｓ．Ｄ．とする。
本発明のブレンドの成分は、ケイ酸マグネシウム（タルク）（Ｍｇ_３Ｈ_２（ＳｉＯ_３）_４）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、および、最後に二酸化チタンと共に混合した１種またはそれより多くの高密度ポリエチレン（ＰＥ）から製造された合成紙からなる。

ポリエチレン含量は、高密度でなければならず、好ましくは低分子量であり、１〜５ｇ／１０分の範囲のメルトインデックス、好ましくは２ｇ／１０分のメルトインデックス（ＡＳＴＭＤ−１２３８を参照）を有する。ＰＥは、好ましくは、重量／重量で５０％〜９０％の範囲内であり、目的とする紙の基本重量（坪量）に応じて様々である。低分子量ポリエチレンを使用することによって、より優れた成分の均質化、および、よりかなり滑らかな押出しが可能になり、さらにそれによって、いくらか低い温度で加工することが可能になり、従って、高すぎる温度によって生じる可能性がある酸化を防ぐことができる。

ケイ酸マグネシウム（タルク）は、混合物総量の１０％〜３２％の範囲の比率で、４４μｍより大きいカット値を有する。本発明において行われた試験によれば、本発明において用いられた層状の形態および粒度によって、表面から層の端部が突き出して粗面効果が生じたことが観察されたことから、シルクペーパーにきめを付与するためには理想的である。このような層によってフィルムが脆くなり、優れた折り畳み（デッドホールド）が付与され、それによって形状記憶のほとんどが除去される。より大きいカット値の粒子を用いると、フィルムが粗くなり過ぎ、薄くできなくなる。それとは逆に、より小さいカット値の粒子を用いると、粗面効果が観察されない。

炭酸カルシウムは、５０〜６０μｍの範囲のより大きいカット値を必要とし、その比率は、混合物総量の１％〜２０％の範囲である。本発明において行われた試験によれば、タルクのみを用いるとその紙は粗くなり過ぎることが観察されることがあるために、それまでに得られた特性を損なわずに上記粗面効果を滑らかにすることが必要になる。従って、炭酸カルシウムを添加してそれらをタルク分散剤として作用させることによって、炭酸カルシウムを層間に存在させる。その粒度が大きすぎると、タルクによって高められた効果を大きく損なう可能性があるため、粒度は大きすぎてはならない。

二酸化チタンは、混合物総量の２％の比率で使用することによって、十分な白さを提供することができる。
本発明の最も重要な特徴の１つは、優れた折り畳みを維持するために、低密度ポリエチレンをどのような形態（ブレンド、貼合せ、共押出し）で用いても、その（無定形または直線状に）分岐した分子構造のために、短時間で折り畳みがなくなることが発見されたことからなる。合成紙は、このようなクラスのポリエチレンとは全く適合しない。

このような合成紙の製造は、得られる最終産物に応じて、吹き込みによるフィルム成形システム、または、流延によるフィルム成形システムのいずれかによる押出しプロセスによって製造される。紙が薄い（２０〜５０ｇ／ｍ^２）場合は、そのような紙は吹き込みフィルム法で製造してもよい。５０ｇ／ｍ^２より厚い場合は流延によるフィルム成形法で製造しなければならなず、これはなぜなら、その他のシステムを用いると、厚さとしわ形成の制御が失われるためである。合成紙は、２０ｇ／ｍ^２〜１２０ｇ／ｍ^２の範囲で製造され、その最終的な特性に影響を及ぼすことなくあらゆる色で染色することもできる。また、接着剤または熱を用いて接着させることも可能である。包装手段としてこのような紙を自動式の包装機械で用いれば、これらの機械は大きく改変する必要がない。所定の状況において、器具に応じて切断システムに施される調整はわずかである。

このような紙は、アルコールで希釈したインクを用いたフレキソ印刷またはグラビア印刷工程を用いて印刷される。インクをより良く紙に付着させるためには、コロナ処理をしなければならない。

製造方法
まず第一に、炭酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、および、二酸化チタン、粉末形態で存在する物質を処理するためにマスターバッチを製造しなければならないが、一方で高密度ポリエチレンはペレット状である。それゆえに我々は、１０〜５０ｇ／１０分の極めて低い分子量の高密度ポリエチレンを選択し、これを粉砕する；これは、上記ポリエチレンを粉末として存在するその他の成分と十分に混合するためになされる。その後、これらをタンブルミキサーで１時間以上混合する。

最後に、これらを二重のスクリュー押出機（これは優れた均質化能力を有するために、マスターバッチ製造に特殊化した機械であり、この場合において必要性が高い）で押出し、ペレットに変換する。温度プロファイルは、以下の通り：第一ゾーンは１２０℃、第二ゾーンは１６０℃、第三ゾーンは２００℃、加熱は２００℃である。温度は、高密度ポリエチレンの酸化を回避するために２００℃を超えるべきではない。

典型的には、ポリエチレンと混合されるマスターバッチを製造するための従来技術は、低密度だが極めて低分子量の（不規則に分岐した、または、直線的に分岐した）ポリエチレンを用いる。本発明の主要な形態の１つは、この技術が、得られたフィルムの形状記憶の減少を予防するかどうかを正確に知ることであった。

押出しのための混合物を得るために、マスターバッチ（極めて低分子量の高密度ポリエチレン、タルク、炭酸カルシウム、および、二酸化チタン）、および、低分子量の高密度ポリエチレンをタンブルミキサーで混合される量に応じて４５〜７５分間混合し、全ての成分が十分に均一になるようにする。

さらに押出し工程を開始させる。押出機は、初期の混合物の過熱を回避して一定した供給を維持するために、その供給ゾーンに優れた冷却装置を有していなければならない。押出機のスクリューは、全ての混合物の成分が最適な均一性を示すように、均質化ゾーンと共に少なくとも２４の直径長さを有していなければならない。

押出し工程中のシリンダーを通過する温度プロファイルは、以下の通りとする：第一ゾーンは１５０℃、第二ゾーンは１８０℃、第三ゾーンは１９０℃、スクリーンのキャリアーは２１０℃、流延装置は２１０℃である。これらの温度は、用いられる機械のタイプ、および、用いられるメルトインデックスによって様々であってよい。

このような紙は、押出し流延装置を出ると急速に凝固しようとするため、しわを多く形成する傾向がある。これを修正するために、紙をできる限り高温で（１００℃）引張りロールに到達させる必要がある。これは、引張りロールを流延装置の出口に向かって配置し、冷却用空気を制御することによって達成することができる。

紙を巻線コイルに誘導するリードロールの１つにおいて、好ましくは、印刷を容易にするために、コロナ処理を適用して紙の表面張力を少なくとも４０ダインに高める。
ガス抜きが必要な紙の用途の場合、印刷後、かつ切断工程に入る前に、紙に微細な穴をあけるが、このプロセスは、高温で行ってもよいし、または、低温で行ってもよく、ただし、紙の剛性のためには、滑らかな表面が維持されるように低温が好ましい。

好ましい実施態様
調合物１
自動式の包装プロセスを用いて５０ｇ／ｍ^２のマーガリンをラッピングすることに用いられる紙を製造するための調合物：
６５ｗ／ｗ％の高密度ポリエチレン、密度０．９６０ｇ／ｃｍ^３、メルトインデックス１．５ｇ／１０分；
１５ｗ／ｗ％の高密度ポリエチレン、密度０．９５０ｇ／ｃｍ^３、メルトインデックス２０ｇ／１０分；
１３ｗ／ｗ％のケイ酸マグネシウム（タルク）；
５ｗ／ｗ％の炭酸カルシウム；および、
２ｗ／ｗ％の二酸化チタン。

上記の一般的な製紙方法に従った。
調合物ＩＩ
３０ｇ／ｍ^２の、ハンバーガー、および、一般的なファーストフードをラッピングするための紙を製造するための調合物：
７４ｗ／ｗ％の高密度ポリエチレン、密度０．９６４ｇ／ｃｍ^３、メルトインデックス２ｇ／１０分；
１０ｗ／ｗ％の高密度ポリエチレン、密度０．９５０ｇ／ｃｍ^３、メルトインデックス２０ｇ／１０分；
１０ｗ／ｗ％のケイ酸マグネシウム（タルク）；
４ｗ／ｗ％の炭酸カルシウム；および、
２ｗ／ｗ％の二酸化チタン。

上記の一般的な製紙方法に従った。
形状記憶を測定する方法
紙の形状記憶を測定するために以下の方法を開発した：
１．２個のコイルまたはロールを有する装置を製造し、ここで、一方は６０ショアの硬度を有するゴムで製造し、もう一方は金属で製造し、一方を他方の上部に配置し、それらの末端に圧力をかけるための空気ピストンを設置した。これらのロールを、回転を正確に制御するための周波数シフターを搭載したモーターで稼働する歯車機構に組み込んだ。

２．比較するために、５種の合成紙サンプルを調合物Ｉから選択し、そのうち、５サンプルはアルミニウムシートであり、５サンプルはポリプロピレンシートであり、これらはいずれもそれぞれ７５μｍの厚さ、１０ｃｍ×１０ｃｍのサイズを有していた。アルミニウムシートは、優れた折り畳みが必要な領域でこのタイプのラッピングが広く用いられることから用いられ、一方、ポリプロピレンシートは、例えばフレンチフライのような所定のタイプの包装でこの製品が用いられるために用いられた。

３．上記ロールを稼働させて６０回転／分の速度で回転させ、それぞれ１０ｐｓｉ、２０ｐｓｉ、３０ｐｓｉ、４０ｐｓｉ、および、５０ｐｓｉの圧力をかけた。
４．各サンプルを軽く半分に折り畳み、ロールに導入した。

５．第一の試験を、１０ｐｓｉで、合成紙サンプル、続いてアルミニウムサンプル、最後にポリプロピレンサンプルを導入しながら行った。同様に、第二の試験を２０ｐｓｉで、第二の試験を２０ｐｓｉで、第三の試験を３０ｐｓｉで、第四の試験を４０ｐｓｉで、第五の試験を５０ｐｓｉで行った。

６． 圧力をかけた後、サンプルに形状記憶を回復する機会を与えるためにサンプルを１０分間そのままにし、２つの平面によって形成された開いた部分の角度を測定した。
合成紙の２つの平面によって形成された角度の結果は極めて小さく、アルミニウムでは０度、および、ポリプロピレンでは１８０度であった；そこで、工業用マーガリンのラッピング機械の折り畳みを模擬するために、以下を行った：
１．すでに半分に折り畳まれた同じサンプルを、寸法５ｃｍ×５ｃｍの４層の平面ができるように再度軽く折り畳み、同じ速度および同じ圧力で再度ロールの内部に導入した。

２．これらのサンプルを１０分間そのままにし、以下の表に結果を示した。

得られた値は、以下のように示した：
（２つに折り畳んだ際に得られた角度／４つに折り畳んだ際に得られた角度）
これらの結果をパーセンテージに変換するために、我々は、形状記憶ゼロのシートを、既定の圧力で折り畳んだ際に２つの平面の間に形成された角度がゼロとなるシート（例えばアルミニウムを用いた場合）とした。従って、我々は、より高い形状記憶を有するシートを、既定の圧力で折り畳んだ際に２つの平面の間に形成された角度が１８０度となるシート（例えばポリプロピレンシートを用いた場合）とした。

我々は、最大の形状記憶を有する紙は、１００%の値を示し、形状記憶ゼロのシートは０%を示すと結論付けた。
上記の表は、以下のように読み取られる：

Claims (8)

1. 以下の成分：
   １種またはそれより多くの高密度ポリエチレン；
   ３μｍ〜５０μｍの等価球直径を有するケイ酸マグネシウム；および
   炭酸カルシウム、
   を含む合成紙。
2. 各成分のｗ／ｗ百分率の範囲が：
   ５０％〜７５％の高密度ポリエチレン；
   ５％〜３２％のケイ酸マグネシウム；および、
   ４％〜１６％の炭酸カルシウム、
   であることを特徴とする、請求項１に記載の合成紙。
3. 前記１種またはそれより多くの高密度ポリエチレンが、極めて低い分子量を有する、請求項１に記載の合成紙。
4. 前記高密度ポリエチレンの密度が、０．９３０〜０．９７０ｇ／ｃｍ^３の範囲である、請求項１に記載の合成紙。
5. 前記ケイ酸マグネシウム粒子が、１０μｍ〜２０μｍの平均等価球直径を有する、請求項１に記載の合成紙。
6. 前記ケイ酸マグネシウム粒子の少なくとも９８％が、４４μｍ未満の等価球直径を有する、請求項４に記載の合成紙。
7. 前記ケイ酸マグネシウムが、実質的に、層状の形態の粒子で存在する、請求項４に記載の合成紙。
8. 前記炭酸カルシウム粒子が、１〜１．２μｍの平均等価球直径を有する、請求項１に記載の合成紙。