JP2016000526A - 紙又は板紙基材、基材を製造するための方法、及び基材から形成されるパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】経済的と有益的との両方であるバリア性とＣＯ２の低負荷で製造できるバリア性とを有するバリア性を有する改善されたファイバー系基材の提供。【解決手段】ファイバー系の第一層と、マイクロフィブリル化セルロースを含む第二層と、ポリマーを含む第三層とを備えるバリア性を有する紙又は板紙基材。乾燥して０．１〜１０ｇ／ｍ２のマイクロフィブリル化セルロースを含む層とポリマー層の組み合わせは、紙又は板紙基材の優れたバリア性を与える。【選択図】なし

Description

本発明は、バリア性を有する紙又は板紙基材に関する。本発明はさらに、前記基材及び基材から形成されるパッケージを製造するための方法に関する。

パッケージとして使用されるファイバー系製品は、外部の影響からパックされた製品を保護することとパックされた製品の影響に耐えることの両方ができなければならない。所望の保護を実現するための一つの方式は、パッケージにバリアを提供することである。

酸素感受性製品（oxygen-sensitive product）などの腐り易い製品の場合、パッケージ製品に対して保存期間を延ばすために、パッケージの酸素バリア性が必要である。酸素感受性製品が酸素に暴露されるのを制限することによって、多数の製品の品質及び保存期間が保持及び増進される。例えば、パッケージシステムになっている酸素感受性食品の酸素暴露を制限することによって、食品の品質は保持し、腐敗は遅延させることができる。加えて、かかるパッケージングはまた、在庫製品をより長く保持し、それによって、廃棄及び必要な補充に由来するコストが低減される。

例えば、液体及び／又はグリースに対するバリアは、パックされた製品のパッケージ耐久性を増進するために使用することができる。

バリアは、通常、ファイバー系基材を、基材にバリア性を付与する組成物でコーティングすることによって創られる。多様なコーティングは、バリアの必要とされる特性に応じて施用することができる。ファイバー系製品上にバリアを形成する場合、最も普通に使用される材料は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、エチレンビニルアルコール（ＥＶＯＨ））又はエチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）である。ＥＶＯＨは、通常、酸素バリアを創るために使用され、ＰＥ又はＰＥＴは、通常、液体及び／又は蒸気バリアを創るために使用される。ポリマーは、通常、ファイバー系製品に積層されるか、又は押出コートされる。

しかし、製品にバリア性を付与するポリマー層の厚さは、通常、非常に大きい必要があり、かかるバリア製品を製造することは非常に高コストである。

バリアを生成するための普通に使用される別の材料は、アルミニウムである。アルミニウムを含む層は、とりわけ、紙又は板紙製品の酸素又は光バリアを改善するために使用される。アルミニウム層の厚さは、通常、非常に小さく、７〜９μｍ程度であることが多い。アルミニウムは、優れたバリア性を与えるが、製品の二酸化炭素負荷を大きく増加させる。さらには、アルミニウムは、パッケージをリサイクルする可能性を低減する。したがって、製品の二酸化炭素負荷を低減するために紙又は板紙製品のアルミニウム層の使用を回避しようとする生産者と末端使用者の両方からの要求が存在する。

製造するのに、より経済的且つより有益的な両方であるバリア性と、二酸化炭素の低負荷で製造できるバリア性とを有する改善されたファイバー系製品に対する必要性が依然として存在する。

本発明の目的は、バリア性を有する改善されたファイバー系基材を提供することである。

本発明の目的及び他の利点は、請求項１に記載の基材によって実現することができる。本発明は、ファイバー系の第一層と、マイクロフィブリル化セルロースを含む第二層と、ポリマーを含む第三層とを備えるバリア性を有する紙又は板紙基材に関する。マイクロフィブリル化セルロースを含む層とポリマー層の組合せは、紙又は板紙基材の優れたバリア性を与えることがわかった。

基材の第二層は、好ましくは．第一層に付き、第三層は、好ましくは、紙又は板紙基材の第二層に付く。このような仕方で、紙又は板紙基材は、３つの層を備え、マイクロフィブリル化セルロースを含む第二層は、ファイバー系の第一層とポリマーの第三層の間に位置する。

基材の第三層のポリマーは、好ましくは、ポリエチレン又はポリエチレンテレフタレートである。こうしたポリマーは、紙又は板紙基材にヒートシール性と、マイクロフィブリル化セルロースを含む第二層と一緒になって、所望のバリア性との両方を付与することになる。

基材は、原子層堆積法（ＡＬＤ）の補助によって追加される第四層をさらに備えることができる。第四層は、好ましくは、第二層と第三層の間に位置する。第四層は、アルミニウムを含むことが好ましい。

基材は、好ましくは、液体、蒸気、グリース、洗剤、酸素又は他のガスに対するバリアを備える。

本発明はさらに、ファイバー系の第一層を提供するステップと、マイクロフィブリル化セルロースを含む第二層を追加するステップと、ポリマーを含む第三層を追加するステップとを含む、バリア性を有する紙又は板紙基材を製造するための方法に関する。

第二層は、好ましくは、コーティングによって第一層に追加され、第三層は、好ましくは、積層又は押出コーティングによって第二層に追加される。

本発明の方法はまた、基材へ第四層を追加することも含むことができる。第四層は、原子層堆積法（ＡＬＤ）を使用することによって追加されることが好ましい。第四層は、好ましくは、基材の第二層と第三層に間に追加される。

本発明はさらに、食物又は液体のパッケージとして使用される、上述の紙又は板紙基材から生成するパッケージに関する。

本発明は、ファイバー系の第一層の他に、マイクロフィブリル化セルロース（ＭＦＣ）を含む第二層と、ポリマーを含む第三層とを備えるバリア性を有する紙又は板紙基材に関する。マイクロフィブリル化セルロースを含む層とポリマー層の組合せは、紙又は板紙基材の優れたバリア性を与えることがわかった。

ファイバー系の第一層にマイクロフィブリル化セルロースを含む層を追加すると、ファイバー系の第一層がより密になる、すなわち、マイクロフィブリル化セルロースの小さなサイズのためにＭＦＣがファイバー系の第一層表面のファイバー間の空間を覆うことが可能になり、それによって表面が密になり、平滑になる。密になり、且つ平滑性が改善されると、ポリマーを含む第三層の接着性が改善され、それによってポリマー層の平滑性が増進し、特に押出コーティング中、ポリマー層のピンホール又は他の不規則性が少なくなることになる。さらには、マイクロフィブリル化セルロースを添加すると、紙又は板紙基材表面の表面エネルギーも増加する。表面エネルギーの増加によって、ポリマーを含む第三層の表面への接着能力が増加する。したがって、ポリマーを含む第三層が接着するために、ＭＦＣを含む第二層を備える紙又は板紙基材を、例えば、コロナ処理法で処理することが必要でない場合がある。ポリマー層の接着と表面の平滑性の両方が改善されるので、ポリマーの量、すなわち、ポリマーを含む第三層の厚さを低減することができる。マイクロフィブリル化セルロースを含む第二層は、０．１〜１０ｇ／ｍ^２（乾燥して）、好ましくは、０．５〜３ｇ／ｍ^２（乾燥して）の範囲の量で、添加することができる。ＭＦＣを含む層のより大きい厚さによって、紙又は板紙基材の表面の弾性率が改善され、したがって、より大きい曲げ剛性指数も実現される。ポリマーを含む第三層の厚さは、５〜５０ｇｓｍ、好ましくは、９〜２５ｇｓｍであってよい。しかし、厚さは、紙又は板紙基材の所望の最終特性に左右される。

ポリマーを含む第三層とＭＦＣを含む第二層の組合せは、驚くべきことに、優れた酸素バリア性を与えることがわかった。ファイバー系の第一層の表面の緻密化と、ポリマー層が与える耐久性の組合せは、それぞれの層自体が不十分な酸素バリア性を示すとしても、非常に良好な酸素バリア性を有する紙又は板紙基材をもたらす。さらには、基材はまた、液体及び／又は蒸気に対する良好なバリア性を示し、これは、ポリマーを含む第三層の結果である。ポリマーを含む第三層も、紙又は板紙基材にヒートシール性を付与すること、すなわち、製造された紙又は板紙基材からパッケージを形成することを容易にするヒートシール性ポリマーであることが好ましい。さらには、ＭＦＣ及びポリマー層を基材に追加すると、紙又は板紙基材の、可撓性、及びしたがって湾曲及び折畳み中の強度が増加する。

ファイバー系の第一層に追加する前に第二層のマイクロフィブリル化セルロースを修飾することも可能である。このような仕方で、ポリマーの第三層のバリア性及び接着を改善するために、例えば、ＭＦＣの表面の表面エネルギーを増加させる、又はＭＦＣの表面の電荷を変化させることが可能である。どのように修飾を行うかは、最終製品の所望の特性に左右される。

マイクロフィブリル化セルロース（ＭＦＣ）（ナノセルロースとしても知られている）は、木材セルロースファイバーから作製される材料であり、個々のマイクロフィブリルは、部分的又は全体的にお互いから分離されている。ＭＦＣは、通常、非常に細く（約２０ｎｍ）、長さは、１００ｎｍ〜１０μｍである場合が多い。しかし、マイクロフィブリルはまた、より長い、例えば、１０〜１００μｍであってよく、最大２００μｍの長さも使用することができる。フィブリル化され、表面上にマイクロフィブリルを有するファイバー、及び分離され、スラリーの水性相中に存在するマイクロフィブリルは、ＭＦＣの定義内に含まれる。

ＭＦＣは、多数の異なる仕方で製造することができる。マイクロフィブリルが形成されるようにセルロース性ファイバーを機械的に処理することが可能である。バクテリアを用いてナノセルロース又はマイクロフィブリル化セルロースを製造することも別の選択である。ファイバーを破壊又は溶解することになる多様な化学薬品及び／又は酵素の補助によってセルロースからマイクロフィブリルを製造することも可能である。

ＭＦＣ製造の一例は、酵素の添加と組み合わせた精製の補助によってのＭＦＣの製造が記載されている国際公開第２００７０９１９４２号に示されている。

第三層は、以下のポリマー；すなわち、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）、ポリビニルアセテート（ＰＶＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）及び／又はポリアミド（ＰＡ）のいずれかを含むことが好ましい。ポリマーは、好ましくは、基材にヒートシール性を付与することになり、この特性は、製造された紙又は板紙基材によって形成されるパッケージのシーリング性を改善することになる。さらには、これらの列挙されたポリマーは、基材の液体及び／又は蒸気に対するバリア性を増進することになる。しかし、こうしたポリマー自体は、基材に酸素などのガスに対する耐久性を非常に少ししか、又はまったく付与しないことになる。

本発明による紙又は板紙基材は、基材に、例えば、液体、蒸気、グリース、洗剤、酸素又は他のガスに対する改善された耐久性を付与するバリア性を有する。本発明による基材は、酸素と蒸気の両方に対する耐久性が改善されていることが分かっている。したがって、基材は、食物及び／又は液体両方のパッケージとして使用するのに適している可能性がある。

基材は、原子層堆積法（ＡＬＤ）の補助によって追加できる第四層をさらに備えることができる。ＡＬＤは、薄膜を表面上に堆積させるための周知の技法である。ＡＬＤは、ガス相化学プロセスの順次の使用に基づく。順次方式で１つずつ表面と反応する、通常、前駆体と呼ばれる２つの化学物質を使用することが普通である。前駆体を成長面に繰り返し暴露することによって薄膜が堆積する。ＡＬＤが適切に機能するためには、層が追加される表面が非常に平滑であることが必要である。マイクロフィブリル化セルロースを含む第二層を追加すると、表面の平滑性が増進し、したがって、マイクロフィブリル化セルロースを含む層の薄層を形成するためにＡＬＤを使用することが可能である。

第四層は、第二層と第三層の間に位置することができる。第四層は、アルミニウムを含むことが好ましいが、他の成分、例えば、紙又は板紙基材の不透明度も増加させる酸化チタンも使用することができる。したがって、こうした仕方で、紙又は板紙基材に対して、好ましくは、Ａｌ_２Ｏ_３の形態で、例えば、酸化アルミニウムの超薄層を生成することが可能である。酸化アルミニウム層は、紙又は板紙基材に、一部の製品に必要であるさらに改良された耐酸素及び耐蒸気特性を付与する。第四層の厚さは、好ましくは、０．１〜１００ｎｍの範囲である。アルミニウム層の厚さが低減できれば、基材の二酸化炭素負荷は大きく低減されてもなお優れたバリア性を有する紙又は板紙基材が製造されることになる。

本発明はさらに、ファイバー系の第一層を提供するステップと、マイクロフィブリル化セルロースを含む第二層を追加するステップと、ポリマーを含む第三層を追加するステップとを含む、バリア性を有する紙又は板紙基材を製造するための方法に関する。第二層は、好ましくは、第一層に追加され、第三層は、好ましくは、第二層に追加される。

ＭＦＣを含む層は、好ましくは、任意の従来のコーティング技法によってファイバー系の第一層にコーティング、好ましくは、湿式コーティングされることが好ましい。しかし、フィルムプレス又はサイズプレスコーティングを使用することが好ましいがカーテンコーティング、ロッドコーティング、スプレーコーティング、ブレードコーティング、又は乾式コーティングなど他のコーティング技法も使用することができる。ＭＦＣを含む第二層をフィルムとしてファイバー系の第一層に追加することも可能である。次いで、ＭＦＣを含むフィルムは、第一層に積層されるか、又は押出コートされる。

ファイバー系の第一層は、ＭＦＣを含む第二層が追加される前又は後に、好ましくは、粘土、炭酸カルシウム又は任意の他の公知のコーティング材などの鉱物を含む従来のコーティング着色材でコーティングすることができる。従来のコーティング着色材によるコーティングは、任意の公知の技法によって実施することができる。

ポリマーを含む第三層は、好ましくは、フィルムとして紙又は板紙基材に追加される。フィルムは、紙又は板紙基材に積層又は押出コートすることができる。

第四層は、基材に追加することもできる。第四層は、原子層堆積法（ＡＬＤ）の使用によって追加されることが好ましい。第四層は、好ましくは、基材の第二層と第三層の間に追加される。

追加の層を紙又は板紙基材に追加することも可能であり得る。例えば、追加のポリマー層、すなわち、第五層は、ポリマーの第三層上に追加することができる。別の可能性は、エチレンビニルアルコール（ＥＶＯＨ）が第二層と第三層の間の基材に追加されることである。このＥＶＯＨ層は、好ましくは薄いものである。こうした仕方で、酸素に対するバリア性が増進した基材を製造することになる。

本発明はまた、製造された紙又は板紙基材を湾曲する又は折畳むことによって形成されるパッケージに関する。パッケージは、液体、蒸気及び酸素に対する優れた耐久性を有することになり、したがって、食物及び／又は液体をパッケージングするためのパッケージを形成するのに適している。

本明細書では、「ポリマー」は、ホモポリマー、インターポリマー、ターポリマーなどを指すのに使用することができる。

ファイバー系の第一層は、化学的に、化学−機械的に及び／又は機械的に処理できる広葉樹又は針葉樹ファイバーなど任意の種類のセルロースファイバーを含むことができる。第一層はまた、例えば、工程及び製造された基材の操作性及びコスト効率を増進するためのフィラーなど普通の製紙用添加材を含むこともできる。

第二、第三及び／又は第四層の追加は、紙若しくは板紙機械のオンラインで実行することもでき、またオフラインで実行することもできる。

ファイバー系の第一層の他の表面、すなわち、ＭＦＣを含む層でコーティングされない表面は、良好な表面特性、特に、良好な印刷特性を実現するために、任意の適切なコーティングでコーティングすることもでき、また任意の適切な方式で処理することもできる。その理由は、この表面は、形成パッケージの外表面になる場合が多いからである。

基材は、好ましくは、紙又は板紙製品である。しかし、テキスタイル、プラスチックなど他の製品も使用することができる。

漂白硫酸塩パルプの３つの層を備える漂白ＳＢＳカップボードであるＣｕｐｆｏｒｍａ Ｃｌａｓｓｉｃ ２３０ｇｓｍシートをファイバー系の層として使用した。

実験室用ロッドコータを使用することによって、マイクロフィブリル化セルロースの２つの層で１つのシートの表側をコーティングした。紙ボード上にコーティングしたＭＦＣの全量は、１．２ｇｓｍ（乾燥して）であった。

ＭＦＣをセルロース含量の高い十分に漂白した亜硫酸塩針葉樹パルプから調製した。このパルプは、ＤＳ０．０５〜０．１までカルボキシメチル化し、次いで、３％コンシステンシーのパルプを４００μｍチャンバー、続いて１００μｍチャンバー中を通過させることによって流動化し（Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｚｅｒ、Ｍｉｃｒｏｆｕｉｄｉｃｓ ｃｏｒｐ．）、用いたＭＦＣを形成した。

その後、ＭＦＣでコーティングした紙ボードシートと、処理していないシートの両方を、シートをウェブに付けることによって、フルスケール積層機で表側に全部で２４ｇｓｍＰＥを積層した（１１＋１３ｇｓｍ。溶融温度３１１／２９２℃。速度３１０ｍ／ｍｉｎＢｏｒｅａｌｉｓ ＣＡ７２３０）。

その後、ＰＥを積層したシートと、本発明に従って、ＭＦＣをコーティングし、ＰＥを積層したシートの両方を、ＡＳＴＭ Ｄ３９８５−０５標準にしたがって酸素透過速度を測定した。

表１から知ることができるように、酸素透過速度は、大きく減少し、これは、ＭＦＣによるコーティングとＰＥの組合せが、非常に良好な酸素バリア性を有する紙ボード基材をもたらすことを示している。

Claims (13)

1. ファイバー系の第一層と、
   乾燥して０．１〜１０ｇ／ｍ^２のマイクロフィブリル化セルロースを含む第二層と、
   ポリマーを含む第三層
   とを備えるバリア性を有する紙又は板紙基材。
2. 第二層が、第一層に付き、第三層が第二層に付く、請求項１に記載の基材。
3. ポリマーが、ポリエチレン又はポリエチレンテレフタレートである、請求項１から２までのいずれか一項に記載の基材。
4. 基材が、原子層堆積法の補助によって追加された第四層をさらに備える、請求項１から３までのいずれか一項に記載の基材。
5. 第四層が、第二層と第三層の間に位置する、請求項４に記載の基材。
6. 第四層が、アルミニウムを含む、請求項４から５までに記載の基材。
7. 基材が、液体、蒸気、グリース、洗剤、酸素又は他のガスに対するバリアである、請求項１から６までのいずれか一項に記載の基材。
8. ファイバー系の第一層を提供するステップと、
   乾燥して０．１〜１０ｇ／ｍ^２のマイクロフィブリル化セルロースを含む第二層を追加するステップと、
   ポリマーを含む第三層を追加するステップ
   とを含む、バリア性を有する紙又は板紙基材を製造するための方法。
9. 第二層が、コーティングによって第一層に追加され、第三層が、積層又は押出コーティングによって第二層に追加される、請求項８に記載の方法。
10. 第四層が、基材に追加される、請求項８から９までのいずれか一項に記載の方法。
11. 第四層が、原子層堆積法（ＡＬＤ）を使用することによって追加される、請求項１０に記載の方法。
12. 第四層が、第二層と第三層の間に追加される、請求項８、１０から１１までのいずれか一項に記載の方法。
13. パッケージが、食物又は液体のパッケージとして使用される、請求項１から７までのいずれか一項に記載の紙又は板紙基材から生成するパッケージ。