JP2018520273A - 両親媒性ポリマーを含むフィルム又はフィルム製品の製造方法 - Google Patents

両親媒性ポリマーを含むフィルム又はフィルム製品の製造方法 Download PDF

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Abstract

フィルムを製造するための方法であって、このフィルムが、紙又は板紙製造機で製造され、この方法が、ミクロフィブリル化セルロース、ナノフィブリル化セルロース、ミクロ結晶セルロース、セルロースウィスカー及びセルロース誘導体、又はそれらの組合せ若しくはそれらの混合物のいずれか1種であるナノフィブリル化多糖を0.01から50重量%含む、ナノフィブリル化多糖の溶液を提供する工程を含み、この方法が更に、両親媒性ポリマーを提供する工程、前記両親媒性ポリマーと、ナノフィブリル化多糖を含む前記溶液との混合物を提供することにより、中間体溶液を得る工程、前記中間体溶液を泡状体にする工程、前記泡状体を前記紙又は板紙製造機に提供する工程を含む上記方法。

Description

本文書は、紙又は板紙の製造プロセスにおいて、紙又は板紙及びその製品を製造するための方法であって、ナノフィブリル化多糖と両親媒性ポリマーとの混合物を提供することを含む方法に関する。
製紙産業における従来の泡状体形成では、例えば、紙のウェブ形成(湿式(wet laid)技術)又は泡状コーティングの場合、泡状体の安定性を達成するのは困難な場合がある。泡状体の所望の安定性を達成するために、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)等の界面活性化学物質を使用することができるが、これらのタイプの添加剤は、最終的な製品に悪影響、即ち、強度の低下、及び/又は強度又はバリア特性を損う移動(migration)のリスクを及ぼすことが多い。更に、これらの界面活性化学物質の幾つかは、食品又は液体の包装材料において許容されない可能性があるため、望ましくない。
従来の泡状体形成については、GB1395757に記載されており、ここでは、泡状化繊維分散液を紙の製造の際に使用している。界面活性剤を繊維状パルプに添加して、空気含有量が少なくとも65%の分散液を提供し、紙製造機のワイヤ上に置く。湿式ウェブ形成については更に、Wiggins Teaoe Radofoamプロセスに記載されており、ここでは、繊維は、水性懸濁液の形態で、従来のFourdrinier機械のワイヤに送られる。
近年、ミクロフィブリル化セルロース(MFC)、ナノセルロース又はナノ結晶セルロース(NCC)等のミクロフィブリル化多糖の使用については、紙及び板紙製造プロセスにおいて益々関心が高まってきた。しかし、MFCを使用する場合、形成されるバリア層又はフィルムは、乾燥収縮が大きく、更に例えば、従来のパルプから製造された紙よりも、多くの水を吸収する傾向があるという幾つかの欠点を有する。MFCから製造されるか又はMFCを含むフィルム又はバリアコーティング層は、脱水が通常、非常に困難であるため、脱水には高エネルギーが必要であり、且つ製造プロセスの効率及び速度を低下させる。
WO2013/160564A1には、水、アルキルケテン二量体(AKD)等の疎水性サイジング剤、オキシル化C11−アルコール等の界面活性剤、及びミクロフィブリル化セルロースの泡状体を製造ことによって、繊維状ウェブの疎水性サイジング化層を形成する方法が開示されている。
泡状体、又は従来の若しくは再設計された湿式技術のいずれかを使用することによって、湿潤ウェブを形成する方法に対する必要性があり、これは更に、脱水し、そして乾燥して、独立したフィルム(free−standing film)にすることができ、又は相対湿気含有量がより高い場合でも改良されたガス及び香りバリア特性を有するバリアコーティングとして使用することができる。ミクロフィブリル化繊維を含む分散液中で両親媒性デンプンを使用することによって、SDS等の添加剤を実質的に含まないバリア配合物を更に提供する。
概要
本開示の目的は、ウェブを形成し、引き続き独立したフィルムを形成するか、又は、直接に若しくは独立したフィルムとして、紙又は板紙に適用すべきコーティングを形成する改良された方法を提供することであり、これにより、先行技術の泡状体の欠点の少なくとも幾つかが、無くなるか又は軽減される。
この目的は、添付の独立請求項に従う方法によって達成される。実施形態は、添付の従属請求項、並びに以下の説明及び図面に記載されている。
第1の態様によれば、フィルムを製造する方法であって、前記フィルムが、紙又は板紙製造機(paper or paper board machine)で製造され、前記方法が、ナノフィブリル化多糖の溶液を提供する工程を含み、前記溶液が、0.01から50重量%のナノフィブリル化多糖を含み、そして前記ナノフィブリル化多糖が、ミクロフィブリル化セルロース、ナノフィブリル化セルロース、セルロースウィスカー及びセルロース誘導体、又はそれらの組合せ若しくはそれらの混合物のいずれか1種である方法を提供する。この方法は更に、両親媒性ポリマーを提供する工程、及び前記両親媒性ポリマーとナノフィブリル化多糖を含む前記溶液との混合物を提供し、これによって中間体溶液を得る工程、前記中間体溶液を泡状体(foam)にする工程、前記泡状体を、前記紙又は板紙製造機に提供する工程を含む。
「両親媒性ポリマー」(“amphiphilic polymer”)とは、いわゆる界面活性ポリマーを意味し、親水性基及び疎水性(又は親油性)基の両方を有する。
この方法によって、多くの用途で及び別の理由で望ましくない従来の界面活性化学物質、より具体的には界面活性剤等の化学物質を使用する必要性なく、優れた湿気バリア特性を有し、又は疎水性(即ち低酸素透過率)であるウェブ又はフィルム若しくはコーティングを形成することが可能である。これらのフィルムはまた、改良された水蒸気透過率(WVTR)値を有することができる。更に、これらのフィルム又はコーティングは、界面活性剤を含むフィルム又はコーティングと比較して、引張強度を増大させることができる。この組成物又は混合物はまた、香り及びグリース又はその他の脂肪物質に対する優れたバリア特性を有することができる。
ナノフィブリル化多糖及び両親媒性ポリマーを用いて泡状体を形成することによって、SDS等の界面活性剤を使用する必要性なく、優れた安定性と良好な複合体形成能力を有することが証明されている製紙用の泡状体を生成することが可能である。従って、この泡状体を、紙若しくは板紙が生物分解性でなければならない用途に、又は化学物質について製品安全性が最重要である、例えば食品包装等の用途に使用することができる。この泡状体を、ウェブ形成のために、又はプロセスにおけるコーティング材料としてのいずれかで使用することができる。
従って、この方法は更に、泡状体ウェブを形成するために、泡状体をフォーミングファブリック(forming fabric)に供給する工程、前記フォーミングファブリック上の前記泡状体ウェブを脱水する工程、泡状体ウェブを乾燥して、紙若しくは板紙製品を形成する工程、又は前記泡状体をコーティングとして前記紙若しくは板紙製造機に適用する工程を含む。
従って、紙又は板紙製品は、良好なバリア特性を有する、すなわち、特に、より高い相対湿度(RH)値にて、即ち50%を超えるRH値にて、より良好な酸素透過率特性を有する、例えば、紙又は板紙上の、独立した若しくは積層されたバリアフィルム、又はバリアコーティングであることができる。これに加えて、両親媒性ポリマーとナノフィブリル化多糖との混合物は、ナノフィブリル化多糖を含む従来の湿式ウェブよりも、良好な脱水能力を有することが証明されている。ナノフィブリル化多糖と両親媒性ポリマーとの混合物によって得られるこのバリアフィルムはまた、例えば、香り及びグリース又はその他の脂肪物質に対するような他の有益なバリア特性を提供することができる。
一実施形態によれば、両親媒性ポリマーは、オクテニルコハク酸無水物(OSA)デンプン、ドデシルコハク酸無水物(DDSA)デンプン、疎水性変性エチルヒドロキシエチルセルロース(HM−EHEC)、疎水性変性ヒドロキシエチルセルロース(HM−HEC)、疎水性変性カルボキシメチルセルロース(HM−CMC)、疎水性変性デンプン(HM−デンプン)、疎水性変性ナノ結晶セルロース、又はそれらの組合せ若しくはそれらの混合物のいずれか1種から選択される。また、アルキルコハク酸無水物(ASA)等の物質を使用することができる。
別の実施形態によれば、両親媒性ポリマーは、2%より多いアセタート基、より好ましくは10%より多いアセタート基、更により好ましくは15%より多いアセタート基を含有するポリビニルアルコールである。
両親媒性ポリマーは、オクテニルコハク酸無水物(OSA)デンプン又はn−OSAデンプンであることができる。デンプンの界面活性は、主にOSA−基又はn−OSA−基によってもたらされる。更に、OSAデンプンは一般的に、食品及び包装産業において使用するのに安全であり、かつ環境に優しい製品として認識されている。それはまた、他のタイプの界面活性化学物質と比較して、使用するのに比較的安価であり、且つプロセスに他のいかなる改変も行う必要性なく従来の製紙プロセスに導入することができる。
一実施形態によれば、OSAデンプンは、ナノフィブリル化多糖の溶液中の繊維量に基づいて、1から10%(w/w)の量(即ち、計算値)で提供することができる。これは、比較的多量の両親媒性ポリマー又は疎水性変性デンプンが添加されることを意味する。また、比較的多量とは、このような用途に有用であると一般には考えられない量を意味する。
第1の態様の一実施形態によれば、前記方法は更に、前記ミクロフィブリル化多糖の存在下で両親媒性ポリマーを加熱処理(cooking)又は熱処理(heat treating)する工程を含むことができる。
この方法によって、例えば、OSAデンプン及びMFC等のナノフィブリル化多糖を一緒にフィブリル化(co−fibrillate)することが可能である。
前記方法は更に、前記両親媒性ポリマーの存在下で前記ナノフィブリル化多糖を形成する工程を含むことができる。
第1の態様の一実施形態によれば、混合物を泡状体にする場合、この方法は、前記泡状体を添加剤として、紙又は板紙製造機の湿潤端部(wet end)に提供することを含むことができる。
従って、泡状体添加剤は、湿潤端部における強化剤又は充填剤として、又はコーティング剤として使用することができる。
第2の態様によれば、第1の態様による方法によって紙又は板紙製品が得られる。
この第2の態様によれば、前記製品は、50%の相対湿度で測定した20cm/m/d未満の、又は50%の相対湿度で測定した15cm/m/d未満の、又は50%の相対湿度で測定した10cm/m/d未満の、又は50%の相対湿度で測定した5cm/m/d未満の酸素透過率(OTR)を有するバリアフィルム又はバリアコーティングであることができる。このOTR値は、23℃で測定される。従って、この紙又は板紙は、OTR値が非常に低い。このバリアは、湿気バリアであることができるが、また香りバリア又はグリースバリア(即ち、脂肪物質バリア)であることもできる。
実施形態の説明
本発明は、当業者に既知の従来の紙又は板紙製造機又はプロセスに適用可能な製造方法に関する。
一実施形態によれば、ナノフィブリル化多糖の溶液が提供される。
この溶液には、0.01から50重量%、又は0.1から15重量%、又は0.1から2.5重量%の範囲のナノフィブリル化多糖が含まれる。
ナノフィブリル化多糖は、ミクロフィブリル化セルロース(MFC)、ナノフィブリル化セルロース、セルロースウィスカー及びセルロース誘導体、又はそれらの組合せ若しくはそれらの混合物のいずれか1種であることができる。
ナノフィブリル化多糖の定義には、伝統的な紡糸技術又は静電紡糸のいずれかを用いて紡糸されたバクテリアセルロース又はナノセルロースが含まれる。これらの場合、材料は好ましくは多糖であるが、多糖のみに限定されない。多糖は、例えば、デンプン、タンパク質、セルロース誘導体等であることができる。また、以下により詳細に定義されるミクロフィブリル化セルロースは、この定義に含まれる。
ミクロフィブリル化セルロース(MFC)はまた、ナノセルロースとしても知られている。それは、典型的には、木材セルロース繊維、即ち硬材又は軟材の繊維の両方から製造された材料である。それはまた、微生物源、小麦わらパルプ等の農業関連繊維、竹又はその他の非木材繊維源から作ることができる。ミクロフィブリル化セルロースにおいて、個々のミクロフィブリルは、部分的又は全体的に互いから離れている。ミクロフィブリル化セルロースフィブリルは通常、非常に薄く(20nmまで)、長さはしばしば100nmから10μmである。しかし、ミクロフィブリルはまた、例えば10から200μmの間でより長い場合もあり、長さが広く分布しているために2000μmもの長さのものを見いだすこともできる。フィブリル化され、表面にミクロフィブリルを有する繊維、及びスラリーの水相に分離して位置するミクロフィブリルは、MFCの定義に含まれる。更に、セルロースウィスカーもまた、MFCの定義に含めることができる。フィブリルは更に、ポリマーで被覆されたフィブリル、すなわち化学的に又は物理的に変性されたフィブリルであることができる。
本発明による方法は更に、両親媒性ポリマーを提供すること、次いで前記両親媒性ポリマーとナノフィブリル化多糖を含む溶液とを混合することを含む。これは、上記の量のナノフィブリル化多糖、両親媒性ポリマー及び残部の水を含む第2の溶液が形成されることを意味する。両親媒性ポリマーの量は、溶液がナノフィブリル化多糖、両親媒性ポリマー、他の可能な添加剤及び水を100%まで含むように選択される。一実施形態によれば、両親媒性ポリマーの溶液には、1から100%、より好ましくは1から50%、最も好ましくは1から10%の両親媒性ポリマー(w/w)が含まれる。
一実施形態によれば、両親媒性ポリマーの量は、貯蔵溶液中のナノフィブリル化多糖の量に基づいて、又は繊維の量に基づいて、1から10%の範囲内であることができる。「両親媒性ポリマー」とは、親水性基及び疎水性(又は親油性)基の両方を有するポリマーを意味する。両親媒性ポリマー及び界面活性ポリマーの用語は、両方とも本明細書中で使用される。
両親媒性ポリマー又は界面活性ポリマーは、いわゆる、疎水性界面活性ポリマーであることができる。本発明に有用なこれらの界面活性ポリマーの中には、例えば、エチルヒドロキシエチルセルロース(EHEC)、疎水性変性(HM)エチルヒドロキシエチルセルロース(HM−EHEC)、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、疎水性変性ヒドロキシエチルセルロース(HM−HEC)、ヒドロキシプロピル化セルロース(HPC)、疎水性変性カルボキシメチルセルロース(HM−CMC)、HM−デンプン、ヒドロキシプロピル化デンプン等がある。両親媒性ポリマーはまた、疎水性の特性を有する、オクテニルコハク酸無水物(OSA)デンプン、ドデシルコハク酸無水物(DDSA)デンプン、カルボキシメチルセルロース(CMC)のいずれか1種であることができる。一実施形態によれば、両親媒性ポリマーは、エチレン変性PVOH等の疎水性変性ポリビニルアルコール(PVOH)である。更に別の実施形態によれば、界面活性ポリマーは、2%より多いアセタート基、より好ましくは10%より多いアセタート基、更により好ましくは15%より多いアセタート基を含有するポリビニルアルコールであることができる。
両親媒性ポリマーはまた、荷電両親媒性ポリマー(charged amphiphilic polymer)であることができる。荷電によって、保持を容易にすることができる。
両親媒性ポリマー又は界面活性ポリマーは更に、種々の両親媒性ポリマー若しくは界面活性ポリマー又は上記両親媒性ポリマーの誘導体若しくは界面活性ポリマーの誘導体の混合物であることができる。
一実施形態によれば、OSAデンプンの量は、貯蔵溶液中のナノフィブリル化多糖の量に基づいて、又は繊維の量に基づいて、1から10%の範囲であることができる。
両親媒性ポリマーは、特定の曇り点温度を有していてよい。乾燥を含むプロセスの温度は、この特定の曇り点温度で実施することができ、これにより、ポリマーを「活性化する」ことができる。両親媒性ポリマーは、特定のpH、温度又は添加剤のいずれかによって活性化することができる。従って、温度を調節することによって、例えば混合物によって形成された泡状体を、制御、すなわち形成させたり又は壊したりすることが可能である。
好ましい一実施形態によれば、両親媒性ポリマーは、OSAデンプン又はn−OSAデンプンである。
この混合物から、中間体製品又は溶液が得られ、更にこれを、紙又は板紙製造プロセスで使用することができる。
一実施形態によれば、中間体溶液を泡状体にすることができる。これは、任意の従来の手段によって、例えば、機械的に、すなわち撹拌によって、又は、泡形成化学物質を添加することによって化学的に行うことができる。これは、例えば、マクロ、ミクロ又はナノバブルのガスを中間体溶液に添加することによっても行うことができる。
その後、続けて泡状体を、紙又は板紙製造プロセスにおいて異なる方法で使用することができる。一実施形態によれば、泡状体を、泡状体形成プロセス、すなわちウェブの泡状体形成において使用することができ、その後、続けてこのウェブを、加圧し、そして乾燥して、シート又はフィルム製品を形成する。このシート又はフィルムは、単一層の紙として、又は、例えば、板紙若しくはその他の紙製品のバリア、バリア積層体若しくはコーティングとして使用することができる。
別の実施形態によれば、泡状体を、プロセス中でコーティングとして、又は湿潤端部の添加剤として使用することができる。
一実施形態によれば、このプロセスには、両親媒性ポリマーの存在下でのセルロース繊維のフィブリル化が含まれる。これらの物質は溶解性に乏しいか、溶解度が少なくとも低い場合があるので、これにより、両親媒性ポリマーの溶解を促進することができる。両親媒性ポリマーの存在下で繊維のフィブリル化を実施すると、フィブリル化プロセスによって、形成されたフィブリルを安定化させることもまたできる。
別の実施形態によれば、両親媒性ポリマー、例えばOSAデンプンは、ナノフィブリル化多糖、例えばミクロフィブリル化セルロースと共に加熱処理又は熱処理され(cooked or heated)、その後、泡状体を形成するか又は混合物をヘッドボックス(head−box)に供給する。
従って、上記の方法によって、中間体溶液、すなわちナノフィブリル化多糖と界面活性剤との混合物を泡状体として使用することにより、順に形成されたシート又はフィルムを含むか又はこれから構成された紙又は板紙製品を形成することが可能である。
このプロセスによって形成されたシート又はフィルムは、湿気及び香り、又はグリース若しくはその他の脂肪物質に対するバリアであり、又はそれらに対するバリアとして適用することができる。一実施形態によれば、前記製品のシート又はフィルムは、50%の相対湿度で測定した20cm/m/d未満の、又は50%の相対湿度で測定した15cm/m/d未満の、又は50%の相対湿度で測定した10cm/m/d未満の、又は50%の相対湿度で測定した5cm/m/d未満の酸素透過率(OTR)を有するバリアフィルム又はバリアコーティングである。一実施形態によれば、このOTRは、50%の相対湿度で測定した1から5cm/m/dの範囲、又は相対湿度50%で測定した2から4cm/m/dの範囲にある。このOTR値は23℃で測定される。
一実施形態によれば、このプロセスによって形成される紙又はフィルムの基本重量又は坪量は、10から100g/mの範囲、又は10から40g/mの範囲、又は10から30g/mの範囲、又は10から25g/mの範囲にあることができる。
本発明の上記の詳細な説明を考慮して、他の改変及び変形が当業者には明らかになるであろう。しかしながら、このような他の改変及び変形は、本発明の本質及び範囲から逸脱することなく、行うことができることは明らかである。

Claims (12)

  1. フィルムを製造するための方法であって、
    このフィルムが、紙又は板紙製造機で製造され、
    この方法が、ミクロフィブリル化セルロース、ナノフィブリル化セルロース、セルロースウィスカー及びセルロース誘導体、又はそれらの組合せ若しくはそれらの混合物のいずれか1種であるナノフィブリル化多糖を0.01から50重量%含む、ナノフィブリル化多糖の溶液を提供する工程を含み、
    この方法が更に、
    両親媒性ポリマーを提供する工程、
    前記両親媒性ポリマーと、ナノフィブリル化多糖を含む前記溶液との混合物を提供することにより、中間体溶液を得る工程、
    前記中間体溶液を泡状体にする工程、
    前記泡状体を前記紙又は板紙製造機に提供する工程
    を含むことを特徴とする、上記方法。
  2. 前記方法が更に、
    泡状体ウェブを形成するために、前記泡状体をフォーミングファブリックに供給する工程、
    前記フォーミングファブリック上の前記泡状体ウェブを脱水する工程、
    前記泡状体ウェブを乾燥させて、紙又は板紙製品を形成する工程
    を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記方法が更に、前記泡状体をコーティングとして前記紙又は板紙製造機に適用する工程を含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記両媒性ポリマーが、オクテニルコハク酸無水物(OSA)デンプン、ドデシルコハク酸無水物(DDSA)デンプン、疎水性変性エチルヒドロキシエチルセルロース(HM−EHEC)、疎水性変性ヒドロキシエチルセルロース(HM−HEC)、疎水性変性カルボキシメチルセルロース(HM−CMC)、疎水性変性デンプン(HM−デンプン)、疎水性変性ナノ結晶セルロース、疎水性変性ポリビニルアルコール、又はそれらの組合せ若しくはそれらの混合物のいずれか1種から選択される、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記界面活性ポリマーが、オクテニルコハク酸無水物(OSA)デンプンである、請求項4記載の方法。
  6. 前記OSAデンプンが、ナノフィブリル化多糖の溶液中で、繊維の量に基づいて1から10重量%の量で提供される、請求項5に記載の方法。
  7. 前記方法が更に、前記ミクロフィブリル化多糖の存在下で前記両親媒性ポリマーを加熱処理する工程を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記方法が更に、前記両親媒性ポリマーの存在下で前記ナノフィブリル化多糖を形成する工程を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記方法が、前記泡状体を添加剤として前記紙又は板紙製造機の湿潤端部に提供することを含む、請求項1に記載の方法。
  10. 請求項1から9のいずれか一項に記載の方法によって得られた紙又は板紙製品。
  11. 前記製品が、50%の相対湿度で測定した20cm/m/d未満の、又は50%の相対湿度で測定した15cm/m/d未満の、又は50%の相対湿度で測定した10cm/m/d未満の、又は50%の相対湿度で測定した5cm/m/d未満の酸素透過率(OTR)を有するバリアフィルム又はバリアコーティングである、請求項10に記載の紙又は板紙製品。
  12. 前記製品が、10から100g/mの範囲、又は10から40g/mの範囲、又は10から30g/mの範囲、又は10から25g/mの範囲の坪量を有する原紙である、請求項11に記載の紙又は板紙製品。
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