JP2014504657A - 基材の火炎処理 - Google Patents

Abstract

本発明は、基材の火炎処理を制御するための方法およびシステムに関する。

Description

本発明は、一般に、紙、板紙またはカートンのような、基材の火炎での処理の分野に関する。

本発明は、紙、板紙またはカートンのような、基材の火炎処理に関する。基材は、その表面を酸化させるために火炎処理されて、より極性を有するようにする。燃焼化学は、例えばプロパンと空気のような、燃料と酸素を混合することを含み、点火を提供する。燃焼反応は、実際には一つの反応だけではなく、多くの反応がある。火炎は、例えばヒドロキシルラジカル(基)、カルボニルラジカル(基)、カルボキシルラジカル(基)、酸素原子やイオン等の多くの反応種を含んでいる。反応種は、基材の表面エネルギーを増加させ、接着性を改善するために使用される。炎はまた、基材を、加熱して乾燥させ、それはプラスチック材料との接着性を向上させることができる。例えば、燃料と空気（酸素）の混合物のように、結果に影響を及ぼす多くの要因がある。通常、火炎処理装置は、空気と燃料との混合を制御する分析器が含まれている。基材の均一な処理を得るために望まれる反復特性を有する火炎を得るには、空気と燃料の混合物が重要である。所望の処理を得るために、基材は、火炎から適切な距離に配置される必要がある。図1は、バーナー（1）から放出される火炎の概略図（2）である。一般に、単純な手法では、火炎は二つの部分、外側部分（2）と内側部分（3）を含むものとして定義することができる。火炎の温度は、火炎全体にわたって一定ではなく、通常は内側部分（3）の縁が最高温度を有すると考えられている。通常の火炎処理において基材（5）は、十分な処理がされるために配置されるべきであり、十分であるのは、火炎と基材との間の位置関係が所定の制限（6）内にある場合である。この位置関係を得るために、オペレータは、内側部分（3）の縁部と基材との間を所望の距離にするために、火炎を視覚的に観察し、バーナーを配置する。調整はこのようにオペレータに依存しており、火炎のどの部分が基材を配置するのに適しているかを視覚的に決定することは、通常は容易ではない。視覚的な調整による再現性が問題である。さらに炎の目視検査に関する安全面がある。基材を内側部分（3）の縁に近づけすぎるように配置する場合の欠点がある。最も高い温度を有する火炎の部分から離れて基材配置することの欠点もある。いずれの場合においても、十分な処理が得られない可能性がある。したがって、基材の十分な処理を得るように火炎を制御する方法及び/又はシステムが必要である。

本願発明の一つの目的は、基材の火炎処理を制御することである。一つの目的は、基材の十分な処理を得るために、火炎処理に適するように基材を配置することである。一つの目的は、連続的な工程において十分な処理を提供することであり、すなわち、ここで、基材は、連続的に移動する、例えば、紙ウェブ、カートンウェブまたは板紙ウェブのようなウェブ状の材料である。

本願発明の目的は、基材の火炎処理を制御することにより、接着性を最適化する方法によって達成されるものであり、その処理において、バーナーから放出される火炎が基材に適用され、前記方法は、バーナーに供給される燃料と空気の質量流量を制御すること、火炎分析器を使用して火炎から発せられるラジカル放射を監視することにより、ラジカル放射データを取得すること、ラジカル放射データを処理すること、取得したラジカル放射データとデータベースからのラジカル放射データを比較すること、および比較の結果を出力すること、を含む。

一つの目的は、上述した方法によって達成され、そこでは、取得されたラジカル放射データがデータベース内のラジカル放射データから逸脱したときに、エラー信号が生成される。

一つの目的は、さらに、得られたラジカル放射データがデータベース内のラジカル放射データから外れた場合に、バーナーに供給される燃料及び/又は空気の質量流量、バーナーと基材との間の相対角度、バーナーと基材との間の距離、のうち少なくとも一つを調整することを含むことによって達成される。

本願発明の一つの目的は、基材の火炎処理を制御するためのシステムによって達成され、前記システムは、バーナー、カメラを含む火炎分析器およびフィルターを含み、火炎分析器は火炎から発せられるラジカル放射を監視するように構成される。

本願発明の、上記、並びにさらなる目的、特徴および利点は、添付の図面を参照しながら、本願発明の好ましい実施形態についての以下の例示的且つ非限定的な詳細な説明を通してより良く理解されるであろう。

火炎の概略図である。 本発明のシステムの概略図である。

基材の火炎処理に影響を及ぼす多くの要因がある。いくつかの重要なパラメータは、ガス流量、ガスの種類、燃料混合気（燃料と空気などの酸素の混合物）、バーナーと基材との距離、バーナーと基材との間の角度、およびウェブ基材の速度である。当然ながら、多くのパラメータが一定に保たれれば好ましいが、通常、これは可能ではなく、ガスの流れに影響を与えるような、バーナーノズルの一部の目詰まり、燃料混合気の変動、ライン速度（基材を搬送するライン）の変動等の要因に起因する。本願発明によれば、任意の燃料並びに別の互換性のある燃料の混合物を使用することができ、その非限定的な例としては、天然ガス、液化石油ガス（LPG）、メタンである。燃料混合物は、通常、1つ又は複数の燃料と酸素との混合物である。空気は、しばしば、酸素源として使用され、空燃比は通常過剰燃焼用空気パーセントとして表される。一例として、15％の過剰燃焼空気は、必要な化学量論的空気よりも15％多く使用されていることを意味する。本願発明によれば、過剰酸素は、通常、約-5％〜約+5％以内である。ガス流は、通常5〜50m³以内である。基材の処理に影響を及ぼす他のパラメータは、バーナーと基材との間の距離、ならびにバーナーと基材との間の角度である。本願発明に係るバーナーと基材との間の角度は通常約90°である。しかしながら、その角度は、60-120°区間内のどこでもよい。上述したように、添付した特許請求の範囲において本発明は基材の火炎処理を制御するための方法に関し、その処理においては、バーナーから放出される火炎が基材に適用され、前記方法は、バーナーに供給される燃料と空気の質量流れを制御すること、火炎分析器を用いて炎からラジカル放射を監視することを含み、火炎の部分と基材との位置関係を推定することができる。

さらに本発明は、基材の火炎処理を制御するためのシステムに関し、前記システムは、バーナー、カメラを含む火炎分析器、およびフィルタを含み、火炎分析器は火炎によって発せられるラジカル放射を監視するように構成される。

本発明によれば、ラジカル放射データについての限界は、火炎からのラジカル放射（すなわち、強度）を測定すること、及び放射と得られた処理を比較すること、すなわち、許容される接着性及び/又は表面張力が得られているか、によって決定される。許容されうる基材処理が得られるラジカル放射の下限と上限を決定することが可能である。ラジカル放射限界を決定する一つの方法は、基材応答として表面張力及び接着性を含む実験設計（DoE）アプローチによるものである。実験は、ガス流量、空気/ガス混合物、及びバーナーと基材との間の距離を変えることを含む。実験は、基材の許容される処理が得られる上限と下限を決定することになる。得られた限界は、取得されたラジカル放射データとデータベースからのラジカル放射データとを比較するために使用されるデータベースを作成するために使用され、ラジカル放射を測定してデータベースと比較することにより許容される基材処理を得ることができる。

前述したように、例えば、火炎の位置でラジカルの強度に関連する取得されたラジカル放射データは、データベース内の値と比較され、許容不可能な偏差が得られたときは、オペレータがアクションを取るために、それが出力される。任意選択的に、少なくとも次のいずれか：バーナーに供給される燃料および/または空気の質量流量、バーナーと基材との間の相対角度、及びバーナーと基材との間の距離、を調整する追加ステップが行われる。一般的には、許容不可能な偏差は、例えば1％以上、例えば5％以上、例えば10％以上のような、約20％以下の偏差である。

ラジカル放射は、火炎中のラジカルの濃度の測定であり、したがって、その限界は、基材の許容される処理が得られるラジカルの濃度に関する。ラジカルが、ヒドロキシルラジカルから選択されるとき、最大ヒドロキシルラジカル強度は最大火炎温度の場所の近くで起こる。このように、ヒドロキシルラジカルは、好適に本発明の範囲内で用いられ、下記で説明されるように、ヒドロキシルラジカル（OHラジカル）の濃度は、他のラジカルとの干渉が許容レベル内にある場合に、約310nmで適宜測定される。火炎から発せられるラジカル放射の形状及びプロファイルを規定する許容式を得ることも可能である。このようにして、ヒドロキシルラジカルが被処理基材の表面酸化の程度に影響を及ぼすことが見出された。ラジカル放射は、火炎全体にわたって又は火炎の選択された部分にわたって監視することができる。一例は、基材に近接して又は火炎が基材に当たる部分を含んでいる場合でさえ、ラジカルの発光強度を測定することである。また、火炎が当たる部分を監視することは、有益でありえ、それは基材の縁部の改善された監視を可能にするからである。火炎分析器は、取得した情報の一部のみを分析することができる。

さらに、ラジカル放射を監視する際に、光の干渉を避けることは、好ましいが、本発明の要件ではない。この理由のため、通常表面処理装置にはUV放射源が存在しないので、UV領域（λ = 10-400nm）に放射されるラジカルを監視することは有益であり得る。本願発明の一実施形態は、例えば2つ、3つまたは4つのように、1つ以上のラジカル放射を監視することに関する。例えば、ヒドロキシルラジカルの放出は、CNラジカル放射および/またはCHラジカル放射を監視することと組み合わせることができる。本発明のシステムは、火炎処理パラメータの異なる設定のテスト中に火炎特性を画像化するのに使用された。これらの測定から、基材とプラスチックフィルム又は基材に押し出された材料との間の表面張力及び/又は接着につながる火炎特性は、表面張力または接着について設定仕様の範囲内になるように相関された。ラジカルの放射を測定することが、基材とフィルムまたは基材上に押し出された材料との間に許容可能な接着や表面張力につながるラジカル放射のレベルを相関させることを可能にした。定量に基づいて、ラジカル放射についてその限界を設定することが可能であった。基材とフィルム又は基材上に押出された材料との接着性が、テープ試験により、またはインストロン（登録商標）で市販されているような試験装置を用いることにより、通常定量される。接着試験は、通常に使用されるものであり、十分な接着は、当業者の能力の範囲内であり、例えばテープ試験を用いることにより定量される。インストロン（登録商標）装置を使用する測定が、ISO8510-2に従って180°、速度50mm/min及び15mmのサンプル幅を使用して実行された。十分な処理は、例えば30N/mのような、10 N/mの上方であると考えられる。

上述したラジカル放射は、火炎分析器により行われ、それは、一実施形態において、カメラ、例えば、電荷結合素子（CCD）カメラのような、紫外線（UV）範囲の光を検出する少なくとも1つの画像センサを有するカメラ、を少なくとも備える。

適したカメラは、CCDの紫外線センサを備えた、Princeton Instrumentsのl-Maxカメラ、SVS-VISTEKカメラ、AVT-スティングレーカメラ及びAVT-Prosilcaカメラとして販売されている。カメラは、必要に応じて、特定の波長の光のみを通過させる1つ以上のフィルタを装備することができる。

ラジカルからの放射は、典型的には狭い波長領域に存在するので、検出器の前で適切なフィルタを用いることにより、特定のラジカルを選択することができる。この目的に適したフィルタは、狭い波長領域の発光を伝送する、バンドパスフィルタである。バンドパスフィルタは、伝送間隔の中央または最大透過率の波長に対応する、それらの "中央波長"によって、そして伝送間隔の幅に対応するそれらの "バイパス領域"によって定義されている。「半値全幅」（FWHM）特性は、十分に確立され、また、バンド領域の定量化のために使用することもできる。

多くのラジカルからラジカル放射を測定することが可能であるが、いくつかの好適な例としては、NH、OH、CN、C2及びCHラジカル(基)である。ラジカルは異なる波長で光を放射し、複数のラジカルからの発光が測定される場合には補完的な情報が得られることができる。

NHラジカルは330-340 nmの範囲内に放射し、適切なフィルタは、約340nmで最大伝送を有し全FWHMが10nmであるアサヒXBPA340であり、OHラジカルは、281-343nmの範囲に放射し、適切なフィルタは、約310nmで最大伝送を有しFWHMが10nmであるアサヒXBPA310であり、CNラジカルは380-390 nmの範囲内に放射し、適切なフィルタは、約390 nmで最大伝送を有しFWHMが10nmであるアサヒXBPA390であり、C2ラジカルは、470-564 nmの範囲内に放射し、適切なフィルタは、約520nmで最大伝送を有しFWHMが10nmであるアサヒXBPA520であり、CHラジカルは3900-440nmの範囲内に放射し、適切なフィルタは、約430 nmで最大伝送を有しFWHMが10nmであるアサヒXBPA430である。他の適切なフィルタはプリンストンインスツルメンツによって市販されている。

一実施形態においては、OHラジカルは、本発明の方法及びシステムにおいて制御され、したがって、フィルタは、好ましくは、310 ± 5 nmでλ_max最大値を有しており、例えばアサヒXBPA310は、約310nmに最大伝送を有して、そしてFWHMが10nmであり好適に使用されている。

火炎分析器は、上述されたカメラ及びフィルタ及び処理ユニットを備える。処理ユニットは、カメラにより得られた画像を解析して、警報および/または制御信号を生成する。カメラは全火炎処理領域にわたり画像を撮るか、またはカメラは、全ての領域にわたる画像が得られるまで、火炎処理領域の一部の画像に続いて後続部分の火炎処理領域の画像を作る。火炎処理領域（すなわち、火炎の特定の部分）の1つの領域のみに焦点を当てるカメラを有することも可能であるが、特定の態様では、完全な火炎処理領域を使用すること（すなわち、全体火炎のイメージを得るために個々のイメージを組み立てる）が好ましい。カメラは、1-10秒の間に2-200画像の間のように、単位時間当たり多くの画像を取るのが好ましい。

火炎を発するバーナーは、任意の適したバーナーであることができるが、バーナーは、処理するために、基材に相関する寸法であるもの、すなわち、ウェブ材の幅が、火炎の幅に対応することが好ましい。本願発明によれば、1つ以上の火炎を発するバーナーを使用することも可能である。火炎は、任意のタイプのものであることができるが、典型的には長いタイプと見なされる火炎が使用される。しかしながら、例えば約10mmまでの、短いタイプの火炎を使用することも可能である。1つ以上のバーナー、すなわち重ねられた火炎に由来する1つ以上の火炎を使用することも可能である。特定の実施態様において、重ねられた火炎が有益であり、処理が同時により大きい面積にわたって行われ、重ねられた火炎を使用することは処理を改善させることができるからである。一実施形態において、火炎の幅は処理されているウェブ状の基材の幅とほぼ同じである。

処理ユニットは、ラジカル放射の多くの効果を評価するために使用することができ、いくつかの例としては、火炎の変動、すなわち、時間に対する脈動、火炎の均一性、すなわち、火炎処理領域、火炎形状及びバーナー位置にわたる火炎一定性がある。このように、処理ユニットは、ラジカル放射が限界内にあるかどうかを決定するために画像解析を使用している。本発明の一実施例において、（バーナーから基材への）火炎方向内の1つ以上の画像（群）の強度分布は、予め定められた曲線と比較される。このように、重要なプロセスパラメータの現在の生産の設定を考慮して、基材に対するバーナーの位置が許容可能であるかどうかを決定することを実現可能にする。

火炎分析器は、予め定められた基準の1つ以上が限界外にある場合には、警報を生成することができる。警報は、絶対または相対警報であることができる。絶対警報は、予め定められた基準の1つ以上が満たされないときである。相対警報は、例えば、ラジカル放射の強度が時間にわたって減少した場合であり、警報が生成される。代わりに、相対警報は、処理領域にわたって許容できない差があるときに生成されうる。この警報は、任意の適切な種類として生成されうる。

一実施形態では、火炎分析器は、警報の代わりに又は相補的に信号を生成する。信号は、ラジカル放射の基準を変更するために使用される適切なデバイスに送信される。このような装置の例としては、燃料混合物および/またはガス流量の速度を調節する装置がある。他の例としては、好ましくはバーナーを傾動させることによって、バーナーと基材との間の角度を調整する装置であり、そして、好ましくはバーナーを調整することによって、バーナーと基材との間の距離を調整する装置である。

本発明の一実施形態では、火炎分析器は、バーナーと基材との間の距離を調整する装置に信号並びに任意選択的に警報を発生させる。一実施形態では、火炎分析器は、警報のみを生成し、バーナーと基材との間の距離は手動で調節される。調整は、手動或いは自動であれ、火炎分析器によって測定される許容可能なラジカル放射が調整後に得られるようにすべきであり、すなわちラジカル放射が限度内になるまで調整手順が繰り返される。

一実施形態では、火炎分析器はさらに、システムに関する情報を表示するための出力装置を備える。出力装置上に表示される情報の非限定的な例としては、画像、警報、制御信号及びシステムの全体的な状態が挙げられる。

本発明の基材は、一実施形態では、紙、板紙またはカートン、例えばウェブ形状の紙、板紙またはカートンである。

一実施形態では、基材は、プラスチックフィルム、例えば多層フィルム、又は、例えば配向フィルム、例えば、一軸又は二軸延伸フィルム、例えばBOPPフィルムである。

本明細書に規定され添付された特許請求の範囲における発明は、一般に、バーナーと基材との距離の手動調整が火炎の目視検査を必要としないので、オペレータの安全を向上させることができる。したがって、火炎が、オペレータから隠されるようにすることができる。

さらに本発明は、火炎による基材を処理するプロセス制御を改善する。制御が改善されるので、基材と、基材上に押し出されるさらなる材料との接着性が改善され、最適化されることができる。また、本発明は、予め定められた仕様に従って火炎処理の設定を制御し、その制御を容易にするための方法をも提供する。本発明はまた、パフォーマンスの設定が異なる製造場所の間で一定であることを確実にするので、どこで生産されても、制御及び最終材料の仕様を改善する。本発明は、実質的に基材の全表面にわたる十分な接着を可能にする。

一実施形態によれば、本発明は、パッケージを製造するのに適した材料を作成するための、押出ラミネーション法等の積層プロセスで使用される紙、板紙またはカートンの処理に関する。前記パッケージは、例えば無菌包装のような、食品及び乳製品充填装置に使用されている。

一実施形態において、本願発明は、液体食品用一回使用使い捨てタイプの包装容器に使用される包装ラミネートに紙、又は板紙またはカートンがラミネートされる、加工ラインで使用される。そのような一般的に存在する包装容器の一つは、テトラ ブリック アセプティック（登録商標）商標で市販されており、主にこのような長期環境貯蔵のために販売される、ミルク、フルーツジュース等のような液状食品の無菌包装に用いられる。

本発明は、主に、いくつかの実施形態を参照して説明した。しかしながら、当業者によって容易に理解されるように、上記に開示されたもの以外の実施形態が、添付の特許請求の範囲によって定義されるように、本発明の範囲内で同様に可能である。

図2に本発明のシステムの概略図が開示されている。システムは、火炎（2）をそこから発するバーナー（1）を開示する。火炎は、処理される基材（3）に当たる。基材（3）は、基材（1）から可変距離内に配置されている。距離（4）は、火炎(2)からのラジカル放射を監視することにより火炎分析器により得られ、図2において火炎分析器は、フィルタ（6）と、コンピュータ等の処理ユニット（7）を有するカメラ（5）を備え、前記処理ユニット（7）はカメラまたは別のユニットと一体化されることができる。処理ユニット（7）は、火炎分析器により受け取られる情報を使用してラジカル放射が所定の範囲内にあるかどうかを決定する。火炎分析器はまた、出力装置（8）、例えば、モニタやプリンタを備えることができる。火炎分析装置は、少なくとも一部の火炎を監視（9）するように構成される。その限界は、十分に処理されていない基材を廃棄するために警報を生成するのに使用することができる。さらに、基材（3）とバーナー（1）との間の距離（4）は、ラジカル放射が限界内になるまで、手動または自動で、調整することができる。このような調整は、基材が十分に処理されることを可能にする。

１ バーナー
２ 火炎
３ 基材
４ 距離
５ カメラ
６ フィルタ
７ 処理ユニット
８ 出力装置

Claims (19)

1. 基材の火炎処理を制御することにより、接着性を最適化する方法であって、その処理において、バーナーから放出される火炎が基材に適用され、前記方法は、
   前記バーナーに供給される燃料と空気の質量流量を制御すること、
   火炎分析器を使用して火炎から発せられるラジカル放射を監視することにより、ラジカル放射データを取得すること、
   ラジカル放射データを処理すること、
   そのように取得したラジカル放射データとデータベースからのラジカル放射データを比較すること、及び
   比較の結果を出力すること、
   を含む方法。
2. 前記火炎分析器は、非侵襲的なモニタリング技術を利用することを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 前記結果を出力することは、取得したラジカルエミッションデータは、データベース内のラジカルの発光データから逸脱したときにエラー信号を生成することであることを特徴とする請求項1または2の方法。
4. 前記取得されたラジカル放出データが、データベース内のラジカル排出データから逸脱した場合に、
   前記バーナーへの燃料及び/又は空気の供給される質量流量、
   前記バーナーと前記基材との間の相対角度、および
   前記バーナーと前記基材との間の距離、
   のうち少なくとも一つを調整することをさらに含む請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記基材は、紙、板紙、カートンまたはプラスチックフィルムである請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ラジカル放射は、ヒドロキシルラジカル放射、NHラジカル放射、CNラジカル放射、CHラジカル放射および/またはC2ラジカル放射である、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ラジカル放出は、ヒドロキシルラジカル放出であることを特徴とする、請求項7に記載の方法。
8. 前記火炎分析装置は、カメラ及びフィルタを備えることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記カメラは、紫外線（UV）範囲の光を検出する少なくとも1つの画像センサを有するカメラであることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
10. 前記カメラは、電荷結合素子（CCD）カメラである請求項9又は10に記載の方法。
11. 310±5nm、340±5nm、390±5nm、430±5nm、または520±5nmのλ_maxを有するフィルタが使用されていることを特徴とする請求項9から11のいずれかに記載の方法。
12. 基材（3）の火炎処理を制御するためのシステムであって、バーナー（1）、カメラ（5）およびフィルタ（6）を備える火炎分析器を備え、前記火炎分析器は、火炎（2）からラジカル放射データを取得するように構成されることを特徴とするシステム。
13. 前記システムは、火炎分析器によって取得されたラジカル放射データが伝送されてデータベースからのラジカル放射データと比較される処理ユニット（7）をさらに備えることを特徴とする請求項12に記載のシステム。
14. 前記火炎分析器によって受信された情報を使用する前記処理ユニット（7）は、別個のユニットであるか、または火炎分析器に統合されることを特徴とする、請求項12に記載のシステム。
15. 前記システムは、出力装置（8）をさらに備えることを特徴とする、請求項12から14のいずれか一項に記載のシステム。
16. 前記カメラ（5）は、紫外線（UV）の範囲の光を検出する少なくとも1つの画像センサを有するカメラであることを特徴とする、請求項12から15のいずれか一項に記載のシステム。
17. 前記カメラは電荷結合素子（CCD）カメラであることを特徴とする請求項12から16のいずれか一項に記載のシステム。
18. 310±5nm、340±5nm、390±5nm、430±5nm、または520±5nmのλ_maxを有するフィルタ(6)を備えることを特徴とする、請求項12からに記載のシステム。
19. 前記フィルタ（6）は、310±5nmのλ_maxを有するフィルタを備えることを特徴とする、請求項18に記載のシステム。

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