JP2019515789A

JP2019515789A - 連続的なポリヒドロキシアルカノエートフィルムを形成するための高エネルギー乾燥方法

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Publication number: JP2019515789A
Application number: JP2018567021A
Authority: JP
Inventors: ケホージョイス，マーガレット; ジェームスジョイス，マイケル
Original assignee: Snp inc
Current assignee: Snp inc
Priority date: 2016-03-11
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2019-06-13
Also published as: WO2017156381A1; EP3426490A4; EP3426490A1; CA3017501A1; US20170260416A1

Abstract

ポリヒドロキシアルカノエート（ＰＨＡ）フィルムを基材に塗布する方法。基材を水性ＰＨＡエマルジョンまたは分散液でコーティングして、ＰＨＡコーティングを形成する。次いで、光エネルギーを基材上のＰＨＡコーティングに加えて溶媒を除去し、ＰＨＡを溶融させて連続膜を形成する。【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は２０１６年３月１１日に出願の米国仮出願番号第６２／３０７，１４１号の利益を主張する。上記米国仮特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

ポリヒドロキシアルカノエート（ＰＨＡ）は、様々な用途に有用であり得る魅力的な生体高分子である。ＰＨＡバイオポリマーは、再生可能資源から得られ、堆肥化可能で分解性であり、嫌気的に消化することができるので、特に魅力的である。これらの利点を考慮すると、再生不可能な石油製品から伝統的に製造された製品にＰＨＡバイオポリマーを利用する方法を見つけるために、多くの業界に強い関心が寄せられている。ＰＨＡの例としては、限定されるものではないが、ＰＨＶ（ポリヒドロキシバレレート）及びＰＨＢＶ（ポリ（３−ヒドロキシブチラート−ｃｏ−３−ヒドロキシバレレート））の他に、ＰＨＶ（ポリヒドロキシバレレート）およびＰＨＢＶ（ポリ（３−ヒドロキシブチラート）（ＰＨＢ）、ポリヒドロキシアルカノエートファミリーの最も特徴付けられたメンバーである３−ヒドロキシブチレートのホモポリマーが含まれる。

ＰＨＡポリマーは熱可塑性である。それらは、それらの化学的組成（ホモまたはコポリエステル、ヒドロキシ脂肪酸を含有する）によってその特性が異なる、非常に汎用性の大きいポリマーファミリーである。いくつかのＰＨＡは、その材料特性がポリプロピレン（ＰＰ）と類似しており、湿気およびアロマバリア特性に対する良好な耐性を提供する。Ｂｕｇｎｉｃｏｕｒｔ、Ｅ.ら、「ポリヒドロキシアルカノエート（ＰＨＡ）：パッケージングにおける合成、特性、加工および潜在的用途の概説」、ＥｘｐｒｅｓｓＰｏｌｙｍｅｒＬｅｔｔｅｒｓ、２０１４．８（１１）、ｐ．７９１−８０８。食品包装の場合、ＰＨＡは、ポリエチレンテレフタレートおよびポリプロピレンのような既存の食品包装材料に匹敵する水蒸気バリア特性を有する。ＰＨＡは疎水性であり、高温でも耐水性と耐油性の両方を備える。

ＰＨＡバイオポリマーは、ポリエチレンに匹敵するバリア特性を提供する。さらに、ＰＨＡコーティングは、紙および段ボールをリサイクルするために一般的に使用される再パルプ化操作と適合性があることが示されている。このように、生分解性ＰＨＡバイオポリマーが興味深い領域の１つは、ラテックスコーティングに関するものである。本明細書で使用される場合、ラテックスおよびラテックスコーティングは、ＰＨＡエマルジョンまたは分散液をいう。このようなラテックスの１つの非限定的な例は、アニオン性、カチオン性、非イオン性またはポリマー性の分散剤のタイプまたはそれらの混合物を含み得るコロイド安定剤系の使用によるその後の凝集から防止されるポリマー粒子の水性懸濁液である。

再生可能材料から作られた生分解性コーティングの必要性は、持続可能な製品に対する現在の要望によるものである。価格の考慮に加えて、この要望は、残りの石油資源へのアクセスが難しくなっていることを認識した結果である。バイオポリマーは石油製品の代替品である。しかし、生分解性コーティングに関しては、これらのポリマーは難題に直面している。生分解性コーティングにおけるＰＨＡバイオポリマーの利用を制限する１つの課題は、適切なコーティングに必要なフィルムを形成するコストと効率から生じる。

フィルム形成は、安定化力によって通常保持された個々の粒子の溶融から生じる。本明細書で使用される場合、溶融は、溶融プロセスおよび相互拡散プロセスを含む。これらの力は、連続相（例えば、水系中の水）を除去して粒子を密着させ、続いて溶融ポリマーの溶融および流動によって連続フィルムを生成することによって克服することができる。バリア特性の前提条件は、連続したピンホールフリーフィルムである。

膜形成に関する多くの理論が報告されている。そのような例示的な方法の１つは、コーティング層中にコーティング粒子を分布させる第１段階を含む。バリアコーティングは、多くの異なるプロセスによって適用され、計量され得る。このようなコーティング方法の例としては、ロッド、ブレード、浸水ニップサイズおよび計量サイズプレス、ならびにカーテン、エアナイフ、およびグラビアおよびフレキソコーターが挙げられるが、これらに限定されない。コーティングは、抄紙機（オンライン）または抄紙機から離れたオフライン（オフライン）で行うことができる。製紙業者は、顧客の最終用途の要件を満たすために、単一または複数のバリアコーティング層を適用するプリンタまたはコンバーターに、紙および／またはボード製品を販売することが一般的である。

乾燥の第２段階では、固体含量が増加し、粒子の凝集が生じる。乾燥プロセスが続くにつれて、連続相からのさらなる水の損失が生じる。粒子間の水−空気界面での界面張力が増加し、粒子を互いに密着させる。その後、それらは凝縮し、変形し始める。粒子が変形すると、ポリマー鎖が相互拡散して連続フィルムを形成するにつれて、粒子間の空気空間が失われる。連続フィルムの形成は、ポリマーの乾燥速度および最小フィルム形成温度（ＭＦＦＴ）に依存する。ＭＦＦＴは、ガラス転移温度Ｔ_ｇまたはポリマーの融点Ｔ_ｍに関係する。

使用されるコーティング方法にかかわらず、コーティングされたフィルムは、連続フィルムが形成されるのを確実にするのに十分な温度および十分な時間で乾燥される必要がある。連続フィルムを形成するのに必要な乾燥エネルギーの量は、除去される必要のある水分の量、それを除去するために利用可能な時間の量、およびコーティングのＴ_ｇまたはＴ_ｍに依存するコーティングのＭＦＦＴに依存する。基材の坪量が高ければ高いほど、またはコーティング重量が高いほど、またはコーティング固形物が低いほど、また機械速度が速いほど、シートを乾燥させて連続的なフィルム形成を達成するためにより多くのエネルギーが必要となる。ポリマーのＴ_ｇおよびＴ_ｍは、ポリマーの組成および結晶化度、架橋度および分子量などの他の因子に依存する。半結晶質ポリマーにおける比較的強い分子間力は、ガラス転移温度を超えても軟化を防止する。それらの弾性率は、高い（融解）温度においてのみ有意に変化する。Ｇ. Ｗ. Ｅｈｒｅｎｓｔｅｉｎ、ＲｉｃｈａｒｄＰ. Ｔｈｅｒｉａｕｌｔ（２００１）、「高分子材料：構造、特性、用途」、ＨａｎｓｅｒＶｅｒｌａｇ．ｐｐ．６７−７８．ＩＳＢＮ１−５６９９０−３１０−７。

コーティングされた及び／又は印刷された紙及び板紙に一般に使用される乾燥システムは、塗布されたコーティングから連続相（水性ＰＨＡ分散液の場合には水）を除去するのを補助するために、熱エネルギーを与えることによって全て機能する。ベースシートおよびコーティングからの水の物質移動は、熱伝達プロセスと同時に行われる。

熱伝達は、温度差による遷移中のエネルギーとして定義される。乾燥工程中、熱伝達のための駆動力は、乾燥されたシートと乾燥機内の周囲温度との間の温度差である。紙または板紙上のコーティングの乾燥のための熱伝達の３つの基本的なメカニズムは、伝導、対流、および放射である。７５０°Ｆ（４００℃）以下の動作温度では、伝導と対流の両方が熱伝達の主要なモードであるが、より高い温度では熱伝達の主なモードは放射である。これらの熱伝達機構を利用する異なる乾燥プロセスの例は、蒸気シリンダ乾燥機（伝導）、空気衝突および空気浮揚乾燥機（対流）、および赤外線乾燥機（放射）であるが、これらに限定されない。

物質移動は、コーティング水分の蒸発の結果として起こる。水が蒸発すると、その塊がコーティング表面から周囲の空気流に輸送される。発生する物質移動の量は、コーティング中の水と周囲の空気中の水蒸気との間の分圧の差の関数である。この差が大きいほど、蒸発のための駆動力が高くなる。乾燥は、コーティング中の水の分圧が周囲の空気中の水蒸気の分圧よりも大きくなると開始する。これは、蒸発のための駆動力を生成するために差圧を維持するのに十分な熱エネルギーが加えられた場合に起こる。

伝統的な乾燥プロセスでは、ＰＨＡバイオポリマーコーティングは、所望のバリア特性を得るために、長時間の乾燥時間および／または高熱を連続フィルム形成に到達させることが必要である。これは、ＰＨＡバイオポリマーコーティングの魅力がない点である。乾燥機内の温度を上昇させることによって乾燥時間を短縮することができるが、製紙業者および印刷業者によって使用される多くの一般的な基材に、このような乾燥器内の温度上昇が行われると、基材に燃焼、黄変、ふくれなどの悪影響が生じる。例えば、乾燥温度１７０℃で１０分間の乾燥では、クラフト紙上にＰＨＡ粒子の連続的なフィルムを形成することができるが、より低い乾燥温度１２２℃で１０分間の乾燥では連続的なフィルム形成ができないと報告されている。最適なバリア性能には、連続的にフィルムが形成されることとピンホールが無いことが必要である。

さらに、粒子を連続フィルムに変換するのに必要な乾燥時間が長いため、ＰＨＡ分散液の適用は大きく制限される。滞留時間を増加させるために処理のスループットを遅くする結果、生産性が低下し、コストが高くなるからである。例えば、ＰＨＡ粒子が連続膜を形成するには、１５５℃の温度で１０分間の乾燥時間が必要である。その同じサンプルを１２２℃の温度で１０分間の乾燥時間で処理すると、結果としてＰＨＡ粒子の溶融が不完全になる。

連続的な膜形成に必要な乾燥時間を短縮することができれば、代替の塗布技術や、より薄いコーティング、処方者の選択範囲の広がりによって、ＰＨＡ懸濁液を利用することで製品を最適化することができる。したがって、紙およびフィルムなどの基材上に、溶液処理可能なＰＨＡコーティングからＰＨＡフィルムを迅速に形成するための高エネルギープロセスを開発する必要がある。

本出願は、紙および板紙上のポリヒドロキシアルカン酸（ＰＨＡ）バリアコーティングの製造方法に関する。この方法は、例えば、紙および板紙の包装用途に望ましい、耐水性、耐油性、耐脂性等の所望のバリア特性又は接着特性を生成するためのＰＨＡ粒子の適切なフィルム形成のさいに、抄紙機、プリンタまたはコンバーターによる商業的処理に適した十分な速度で、ＰＨＡコーティングを乾燥させることができない用途に特に適している。他のバリア特性の例としては、水蒸気透過率の低下、酸素透過率の低下、および石油系プラスチックが影響を及ぼすことが知られている特性が挙げられるが、これらに限定されない。ＰＨＡは、微生物バイオマス（例えば、細菌、酵母および真菌、藻類バイオマスおよび植物バイオマス）のような、様々なバイオマス系で生成されたバイオベースの生分解性ポリマーである。ＰＨＡは、射出成形のような石油系熱可塑性ポリマーを処理するのに用いられる同様の方法を用いて熱処理することができる。

本出願は、ポリヒドロキシアルカノエート（ＰＨＡ）フィルムを基材に塗布する方法に関する。基材は、ＰＨＡコーティングを形成するためにＰＨＡ水性エマルションまたは分散液でコーティングされる。次いで、光エネルギーを基材上のＰＨＡコーティングに加えて溶媒を除去し、ＰＨＡを溶融させて連続膜を形成する。

この方法は、基材上のＰＨＡコーティングをフォトニック加熱することが、キセノンフラッシュランプから基材上のＰＨＡコーティングに高強度の光パルスを送ることを含むことができる。

この方法は、基材上のＰＨＡコーティングにエネルギーを与えることが、基材上にＰＨＡコーティングを乾燥させることをさらに含むことができる。基材上のＰＨＡコーティングの乾燥は、基材上のＰＨＡコーティングをフォトニック加熱する前に行うことができる。基材上のＰＨＡコーティングの乾燥は、基材上のＰＨＡコーティングをフォトニック加熱した後に行うことができる。

この方法は、基材が紙または板紙を含むことを含むことができる。

別の実施形態では、この方法は、紙または板紙から構成された基材を処理することに関する。ポリヒドロキシアルカン酸（ＰＨＡ）粒子を含むコーティングが基材に適用される。次いで、ＰＨＡ粒子は光により加熱され、ＰＨＡ粒子を急速に溶融させて基材上に耐湿性バリア層を形成させる。

この方法は、光源に対してＰＨＡ粒子を有する基材を移動させ、フォトニック加熱してＰＨＡ粒子を溶融させることを含むことができる。

この方法は、対流、伝導、およびＩＲ乾燥のうちの１つを使用してＰＨＡ粒子を乾燥させることを含み、この追加の乾燥はフォトニック加熱の前または後に起こる。

別の実施形態では、この方法は、ポリヒドロキシアルカノネート（ＰＨＡ）フィルムを基材に塗布する。基材は、ＰＨＡコーティングを形成するためにＰＨＡ水性エマルションまたは分散液でコーティングされる。基材上のＰＨＡコーティングを乾燥させ、基材上のＰＨＡコーティングをキセノンフラッシュランプからの高強度の光パルスに供することにより、基材上のＰＨＡコーティングをフォトニック加熱することによって、基材上のＰＨＡコーティングにエネルギーが印加される。溶媒が除去され、ＰＨＡが溶融して基材上に連続膜を形成する。

この方法は、基材上のＰＨＡコーティングを乾燥させる前にＰＨＡコーティングを基材上で乾燥させる工程を含むことができる。この方法は、基材上のＰＨＡコーティングをフォトニック加熱した後に、基材上のＰＨＡコーティングを乾燥させることを含むことができる。

様々な実施形態の様々な態様は、望む通り、単独で、または任意の組み合わせで使用することができる。

図１は、本明細書に記載の方法を実施する方法を示す１つの例示的な実施形態の図である。図２は、本明細書に記載の方法を実施する方法を示す第２の例示的な実施形態の図である。図３は、本明細書の方法をどのように実施するかを示す第３の例示的な実施形態の図である。図４は、本明細書に記載の方法を実施する方法を示す第４の例示的な実施形態の図である。

本出願は、連続ＰＨＡフィルムを形成する方法に関する。ＰＨＡポリマーのための例示的な用途には、不織繊維、射出成形器具および熱成形トレイが含まれ、これらの全てがＰＨＡ樹脂粒子の溶融および加工を含む。処理温度および圧力は、使用される樹脂の物理的および化学的特性に依存する。

ＰＨＡ材料の処理経路の１つは、非水溶性ポリマーの水性ＰＨＡエマルションまたは分散液への変換である。本明細書で使用される場合、ＰＨＡエマルションおよび分散液はＰＨＡを含み、追加の非ＰＨＡ成分を含んでも含まなくてもよい。これらの材料が固体樹脂粒子よりも優れていることは、紙や建築用塗料、ＰＨＡフィルムの特性が有益な塗料やインクのバインダーなどの用途でソリューションとして適用できることである。例えば、耐水性、耐油性、耐脂性、耐湿性、耐ＵＶ性、および濡れおよび接着に有益な高い表面エネルギーを有する。

しかしながら、紙コーティングおよびインクの場合、それらが適用される基材は、製品スループットを維持または達成しながらＰＨＡ膜形成を誘導するために既存の乾燥装置によって必要とされる温度に耐えることができない。ＰＨＡ膜を達成するために必要なエネルギー入力を満たすことができる技術は、フォトニックエネルギーエミッタである。従来の乾燥システムとは異なり、フォトニックエネルギー放出ユニットは、コーティングまたは表面下のキャリア層の光学的または物理的特性に悪影響を与えることなく、表面層の迅速な加熱および乾燥を可能にする。

粒子を互いに密接に接触させるために水を追い出すためのエネルギーを必要とすることに加えて、ＰＨＡ粒子の温度を十分に上昇させてそれらが溶融して流れて連続膜を形成するためのエネルギーも必要である。固体の温度を融点まで上昇させるために熱が必要なだけでなく、溶融自体が融解熱と呼ばれる熱を必要とする。ＰＨＡポリマー内の分子間の引力は、ＰＨＡの融点に影響を及ぼす。より強い分子間相互作用は、より高い融点をもたらす。ＰＨＡは、構造および化学の多様性を介して、様々な融解温度（Ｔ_ｍ）およびガラス転移温度（Ｔ_ｇ）の広範なＰＨＡポリマーを製造することを可能にしている。

コーティングされた紙を乾燥するのに必要な総乾燥エネルギーを計算するには、水、コーティング、および紙の蒸発および敏感な熱負荷を測定し、加えなければならない。顕熱負荷は、次の式から計算できる。
Ｑｓ＝ＷＴ／ＲＭ×Ｓ×６０×ＳＨ×(Ｔ_２−Ｔ_１)
Ｑｓ＝顕熱性負荷＝幅１フィートあたりのエネルギー（Ｂｔｕ／ｈｒ−ｆｔ）
ＷＴ＝紙の基本重量（乾燥）（ｌｂ／ｒｅａｍ）
ＲＭ＝リームサイズ（ｆｔ^２）
Ｓ＝生産速度（ｆｔ／ｍｉｎ）
ＳＨ＝物質の比熱（Ｂｔｕ／ｌｂ−ｆｔ°Ｆ）
Ｔ_１＝乾燥機に入るシート温度（°Ｆ）
Ｔ_２＝乾燥機を出るシート温度（°Ｆ）
Ｑｓｔ＝総顕著な熱負荷＝Ｑ_紙＋Ｑ_紙の水分＋Ｑ_{コーティング固形分}＋Ｑ_{コーティング中の水}

蒸発熱負荷は以下のように計算される。
Ｅｖ=ＣＷ／ＲＭ×Ｓ×６０×(Ｒ_１−Ｒ_２)
ＣＷ=塗布されたＰＨＡコーティングの重量（ｌｂ）
ＲＭ=リームサイズ（ｆｔ^２）
Ｓ=生産速度（ｆｔ／ｍｉｎ）
Ｒ_１=乾燥機に入る固形分に対する水の比
Ｒ_２=乾燥機を出る固形分に対する水の比

水を蒸発させるためのエネルギーの量は、以下を用いて求められる。
Ｑ_ＥＶ=Ｅｖ×(１０００ＢＴＵ／ｌｂ)
シートを乾燥させるのに必要な総エネルギーは、Ｑ_ＳＴ+Ｑ_ＥＶの合計である。

上記の式から、塗布された湿潤フィルムを乾燥させるのに必要なエネルギーの量にコーティング、基材および処理条件がどのように影響するかは明らかである。本明細書で使用される場合、基材は、その上に膜が形成され得る任意の表面を含む。一般的な基材としては、紙および板紙が挙げられるが、これらに限定されない。基材上に連続したＰＨＡ膜を形成するためには、水分を除去するだけでなく、ＰＨＡ粒子を溶融させるためのエネルギーも必要である。提供される式によって示されるように、これは、コーティングおよび基材の両方を、基材使用に適した最高温度を超える均一な高温に加熱することによって達成される。

本明細書に記載の方法において、ＰＨＡフィルムは、伝導、対流または赤外線タイプの乾燥機で現在可能であるものより著しく速いＰＨＡコーティング、好ましくは水性ＰＨＡコーティングから形成される。

このプロセスは、ＰＨＡ粒子を乾燥および溶融させるために、高強度、短時間の光パルスを送るキセノンフラッシュランプを含む。フォトニック焼結は、パルス熱処理（ＰＴＰ）および強パルス光（ＩＰＬ）処理としても知られている。一例として、ＮｏｖａＣｅｎｔｒｉｘのＰｕｌｓｅＦｏｒｇｅ（登録商標）３２００およびＸｅｎｏｎ（商標）ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＳ５１００は、それぞれキセノンランプ光エネルギーを使用し、これらの発明と共に利用され得る適用可能なパルス光システムである。

フォトニックと従来の乾燥プロセスとの主な違いは、ＩＰＬが、粒子と基材との間の熱平衡が達成されないように、高強度のエネルギーの短いパルスを放出することである。結果として、ＰＨＡコーティングは、従来の乾燥プロセスを使用してできるだけ高い温度まで迅速に加熱することができる。ＩＰＬによる高温は、実質的な熱伝達が紙基材に悪影響を引き起こすよりも早く、ＰＨＡ粒子がフィルムを形成し、その後冷却することを可能にする。さらに重要なのは、長時間オーブンに入れたり、貴重な床面積を占有する高価な乾燥機に追加投資しなくとも、この方法によれば、マイクロ秒のオーダー以下で、ＰＨＡコーティングを乾燥し、ＰＨＡ粒子を溶かすことができることである。この技術により、紙またはフィルムの表面のＰＨＡの融点を超える温度でコーティングを損傷することなく処理することができる。

乾燥したＰＨＡラテックスコーティング層を、ＰＨＡポリマーの最高Ｔ_ｍより１０〜５０℃高く、０.１〜５秒間加熱することにより、連続ＰＨＡフィルムを得ることができることが理解される。（いくつかのＰＨＡ材料は、異なる融点を有し得る複数のポリマー成分を有することに留意されたい）。

本方法は、ＰＨＡ粒子の迅速な膜形成のためにフォトニックエネルギーのみを使用してもよい。あるいは、本方法は、他の乾燥方法と組み合わせてフォトニックエネルギーを使用してもよい。これらの方法は、最初に、１つ以上の異なる従来の乾燥方法に続いてフォトニックエネルギーを与えることができる。この方法はまた、１つ以上の異なる従来の乾燥方法を含み、続いてフォトニックエネルギーを与えることもできる。１つの特定の方法は、フォトニックエネルギーを与えることに続くＩＲ乾燥を含む。別の方法は、対流熱風乾燥に続いてフォトニックエネルギーを与えることを含む。さらに別の方法は、導電性乾燥に続いてフォトニックエネルギーを与えることを含む。

フォトニックエネルギーは、異なる方法で適用することができる。これは、高周波−低エネルギーパルスを使用してフォトニックエネルギーを与えることを含むことができる。これには、低周波−高エネルギーパルスの使用も含まれる。さらに、光エネルギーの適用は、様々な組み合わせを使用することができる。

連続的なＰＨＡ膜を形成するのに必要なフォトニックエネルギーの量は、コーティングおよび基材によって吸収されるフォトニックエネルギーの量、および除去される必要がある溶媒の量（例えば、いくつかの実施形態では、水）に依存する。フォトニックエネルギーを効率的に吸収するコーティングおよび基材は、連続フィルムを得るために必要なエネルギーをより少なくすることができる。処理スピードに関わらず、同じ所望のコーティング特性を得るためには、所与のコーティング−基材ペアリングに適用され、吸収されるのに必要なＩＰＬエネルギーの量を維持しなければならない。ＩＰＬ乾燥のためには、ランプの数の増加、冷却システムの追加（ランプの冷却能力を高めるため）などの強力なパルス光ユニット内の物理的構成要素を変更すること、及び、実際のランプ自体を変更することによって、エネルギーの量がより高い処理速度で維持される。

ＰＨＡコーティングの迅速な膜形成にＩＰＬを使用する本発明の方法は、様々な異なる基材に適用することができる。これらの基材には、紙および板紙製品、特に包装、包装、焼成に使用されるものが含まれるが、これらに限定されない。冷凍食品、肉製品、およびピーナッツ含有製品および焼き製品などの高油分含有食品の輸送に使用することができる。基材はまた、（耐水性のために）カップおよび蓋、高生物蓄積性の堆肥化可能なバッグ、および生産物、家禽および肉の輸送に使用される段ボール箱を含み得る。

紙および板紙基材に加えて、本方法は、低温プラスチックおよびバイオプラスチックフィルム上にＰＨＡフィルムを迅速に形成するために使用することもできる。

図１は、基材１００を処理する１つの例示的プロセスを概略的に示す。基材１００は最初にＰＨＡ粒子１１０の分散液で被覆される。コーティング１１０は、基材１００の限定された部分を覆う、例えば一方の側または限定された部分に沿って、または基材１００の全体を覆うことができる。一実施形態では、液体として適用されるＰＨＡ粒子分散液は、様々な方法によって適用することができる。他の実施形態では、ＰＨＡ粒子分散液を固体または半固体として適用することができる。

次いで、フォトニックエネルギーがコーティングされた基材１００に適用される。一実施形態では、コーティングされた基材１００は、フォトニックデバイス１２０を通過して移動される。他の実施形態は、基材を処理するために移動されるフォトニックエネルギー源を含むことができる。図１は、コーティングされた基材１００がコンベア１３０に沿って移動し、フォトニックデバイス１２０を通過する実施形態を含む。

フォトニック装置１２０は、様々な周波数及びエネルギーレベルで光エネルギー（例えば、パルス光）を放射するフラッシュランプ又はアークランプなどの様々な構成を含むことができる。フォトニックエネルギーは、コーティング１１０の乾燥を促進し、したがって、このプロセスを商業的用途にさらに適用可能にする。フォトニックエネルギーは、さらに、連続したＰＨＡフィルムを生じさせ、耐水性、耐油性および耐脂性を有するバリアを生成する。さらに、フォトニックデバイスを使用することで、有害な熱コーティングや基材に対する悪影響を生じることなく、ＰＨＡ粒子のコーティングおよび膜形成の乾燥および／または溶融を提供する。

本出願は、紙および板紙用のポリヒドロキシアルカン酸（ＰＨＡ）バリアコーティングの製造方法に関する。この方法は、例えば、紙および板紙の包装用途に望ましい、耐水性ならびに耐油性及び耐脂性の所望のバリア特性をＰＨＡ粒子が有するように、抄紙機、プリンタまたはコンバーターによる商業的処理に適した十分な速度で、連続ＰＨＡフィルムを形成するのに十分な温度までＰＨＡ分散液またはコーティングを上昇させることができない場合に、特に適している。ＰＨＡは、光エネルギー放出ユニットを用いて乾燥させ、溶融させることができる。従来の乾燥システムとは異なり、フォトニックエネルギー放出ユニットは、コーティングまたは表面下のキャリア層の光学的または物理的特性に悪影響を与えることなく、表面層の迅速な加熱および乾燥を可能にする。

この方法は、別の乾燥装置によるさらなる乾燥を含むこともできる。図２は、コンベヤ１３０に沿って配置された乾燥装置１１５を有する一実施形態を示す。コーティングされた基材１００がフォトニックデバイス１２０でフォトニックエネルギーによって処理される前に、基材１００はまず乾燥デバイス１１５で処理される。乾燥装置１１５は、伝導、対流、および赤外線などの熱伝達を介して、様々な異なる乾燥技術を提供することができる。図２は、フォトニックデバイス１２０の前にコーティングされた基材１００を乾燥デバイス１１５で処理する実施形態を含む。他のプロセスは、図４に示されるフォトニックデバイス１２０の後にコーティングされた基材１００を処理する乾燥デバイス１１５を含むことができる。

図３は別の実施形態を示す。基材はベルト１３０に沿って送られる。ベルト１３０は、巻き戻しリール１５０と、巻き取りリール１６０と、張力ガイド１７０とを含む。基材をロッドまたはフレキソコーター１４０に通し、乾燥装置１１５で乾燥させ、フォトニックデバイス１２０で熱処理する。

本明細書に記載の方法を利用することにより、ＰＨＡコーティングを紙および板紙の工業プロセスに組み込むことが可能である。例えば、本明細書の方法は、板紙および紙プロセスが、伝統的な再生不能コーティングと同じ速度で、例えば、板紙で１，０００ｆｔ／ｍｉｎおよび紙で４，０００ｆｔ／ｍｉｎのように動作し続けることを可能にする。

マサチューセッツ州ケンブリッジのＭｅｔａｂｏｌｉｘ（登録商標）により供給される水性ＰＨＡコーティング（Ｍｉｒｅｌ（商標）８０００ラテックス）を３つの異なる基材に塗布した。試験された基材は、１６５ｇｓｍの漂白されたクラフト紙、７３ｇｓｍの未漂白のクラフトライナー、および５４ｇｓｍの漂白されたクラフト機械の艶出し紙であった。様々なマイヤー（Ｍｅｙｅｒ）ロッドを用いて、約５〜３８ｇｓｍの範囲のコート重量を得るために、ベースペーパにコーティングを加えた。コーティング後、サンプルを以下の２つの異なる方法で乾燥した。
１)強制空気乾燥オーブン中、１５５℃で１０分間
２)１４.８Ｊ／ｃｍ^２を放出するＮｏｖａｃｅｎｔｒｉｘＰｕｌｓｅＦｏｒｇｅを使用したＩＰＬ
パスの回数は、１〜３パス／サンプルから変化させた。乾燥後、ＴＡＰＰＩ標準試験方法Ｔ−５５９に従った３Ｍキット試験を用いて、コーティングされたサンプルの耐油性および耐脂性を測定した（表１参照）。フォトニック処理されたサンプルの油に対するバリア抵抗およびグリースに対するバリア抵抗の結果は、オーブン乾燥結果およびこの作業で製造されたオーブン乾燥処理サンプルのオーブン乾燥結果と一致する。

１４.７ｇｓｍのＰＨＡ（それぞれ３パスおよび２パス）で被覆されたＩＰＬ処理された１６５ｇｓｍおよび５４ｇｓｍ紙のＳＥＭ写真は、ＰＨＡ粒子が完全に溶解されていることを実証した。ランプからプラテンまでの距離は、窓の下１５ｍｍに設定されていた。使用された波形パラメータは、単一パルス、バンク電圧４５０Ｖ、パルス持続時間１０，０００μｓ、固定位置モードおよび１.０Ｈｚの発射速度であった。上記の設定は、１４.８Ｊ／ｃｍ^２のエネルギーを与えた。コーティングされた表面は、同様の倍率（約５０００Ｘ）で１５５℃、１０分間のオーブン乾燥処理で観察されたものと同様であった。

第２の研究では、同じ水性ＰＨＡコーティング（Ｍｉｒｅｌ（商標）８０００ラテックス）が、マサチューセッツ州ケンブリッジのＭｅｔａｂｏｌｉｘ（登録商標）を連続ウェブに塗布し、ワイヤー巻線メイヤーロッドで計量した。供給業者によって報告された材料の物理的特性を表２に示す。

使用した基材および塗布したコート重量を表３に示す。基材については、３つの異なるエネルギー処理が塗布された。赤外線（ＩＲ）のみ、集中パルス光（ＩＰＬ）、およびＩＲ+ＩＰＬ。これらの処理を施すことに加えて、処理を受けない被覆紙を１５５℃で１０分間オーブン乾燥した。紙をコートして処理するために使用される装置（ＮｏｖａＣｅｎｔｒｉｘ（商標）、ＡｕｓｔｉｎＴｘ）の概略図を図３に示す。

処理後、試料をＴＡＰＰＩ標準Ｔ−４０２（ＲＨ５０％±２％、２３℃±１℃）に従って２４時間調整した。コンディショニング後、標準的な１００ｃｍパンチおよびＣＥＭスマートターボマイクロ波固体分析器を用いて重量を重力測定した。ＴＡＰＰＩ標準試験法Ｔ−４４１に従って、２分間のコッブ試験（ｇｓｍ）を実施することによって、コーティングされたサンプルの水吸収に対する抵抗性を試験した。３Ｍキット試験はまた、ＴＡＰＰＩ標準試験法Ｔ−５５９に従って実施され、耐油性および耐脂性について試験された。

表４に示すように、ＩＲ処理はいずれの基材にも耐油性、耐脂性または耐水性を付与することができなかったが、ＩＲ＋ＩＰＬおよびＩＰＬ処理は両方とも良好なバリア特性をもたらした。ＩＲ処理紙の劣ったバリア特性は、基材表面の色によって明らかである不完全なＰＨＡフィルム形成の結果である。バリア特性を付与できない処理された基材は「黄ばんだ白」（Ｄｕｌｌｗｈｉｔｅ）および／または「白変した白」（Ｃｈａｌｋｙｗｈｉｔｅ）であったが、良好なバリア特性を有する基材は光沢があり、透明なフィルムの存在が明白であった。

観察されたコーティングは透明であり、未漂白の基材をはっきりと見えるようにした。ＩＲ乾燥機は最大出力７.５kVAで運転した。連続ＰＨＡフィルムを形成するのに必要なＩＰＬエネルギーは、未漂白紙では６.２１Ｊ／ｃｍ^２であり、漂白紙では１０.３８J／ｃｍ^２であることが判明した。その違いは、紙の光エネルギー吸収の差に起因する。色がより暗くなるにつれて、未漂白紙の光エネルギー吸収がより高かった。漂白された紙は、より多くの光エネルギーを吸収するよりもはるかに高い白色度を反映している。表４および５の両方の結果は、ＩＰＬおよびＩＲ＋ＩＰＬ処理サンプルに類似のバリア特性を与えた１０分間のオーブン乾燥サンプルが、加熱による悪影響を受けずに５.６ｍｓで乾燥されたことを示している。巻き取りリールのウェブ温度は、巻き戻し送りロールの温度より僅かに温かった。

さらに別の実験では、異なるコート重量のＰＨＡコーティングを＃２０メイヤーロッドを用いたドローダウン法によって２３ｇ／ｍ^２漂白クラフト紙に加えた。コーティング後、サンプルを１５５℃で１０分間オーブン乾燥した。キット試験および２分間のコッブ試験の結果は、１６ｇｓｍコート重量で他の供給業者からの２４ｇ／ｍ^２漂白クラフト紙について上に報告されたものと同様である。

さらに別の実験では、ＰＨＡコーティングを３８ｇ／ｍ^２漂白クラフト紙および９５ｇ／ｍ^２漂白クラフト紙にそれぞれ１５および２０ｇ／ｍ^２で塗布し、２０分間のコッブＩＰＬでの処置後に試験を行った。それぞれのコブ値は、１５ｇｓｍコーティングの場合は１.４１ｇｓｍであり、２９ｇｓｍコーティングの場合は２.７１ｇｓｍであり、同じコーティング重量のオーブン乾燥サンプルと同等の値であった。

「下（ｕｎｄｅｒ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」、「下（ｌｏｗｅｒ）」、「上（ｏｖｅｒ）」、「上（ｕｐｐｅｒ）」などの空間的に相対的な用語は、第２の要素に対する１つの要素の位置付けを説明するための説明を容易にするために使用される。これらの用語は、図に描かれた方向とは異なる向きに加えて、装置の異なる向きを包含することを意図している。さらに、「第１」、「第２」などの用語は、様々な要素、領域、セクションなどを記述するためにも使用され、限定することも意図していない。同様の用語は、説明を通して同様の要素を指す。

本明細書で使用する「有する」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの用語は、記載された要素または特徴の存在を示すが、追加の要素または特徴を排除するものではない、文脈上特に明記しない限り、冠詞「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、複数形および単数形を含むことが意図されている。

本発明は、本発明の範囲および本質的な特徴から逸脱することなく、ここに述べたもの以外の特定の方法で実施することができる。したがって、本実施形態は、すべての点で例示的であり、限定的ではないとみなされるべきである。

Claims

ポリヒドロキシアルカノエート（ＰＨＡ）フィルムを基材に塗布する方法であって、
前記基材を水性ＰＨＡエマルションまたは分散液でコーティングしてＰＨＡコーティングを形成することと、
前記基材上の前記ＰＨＡコーティングをフォトニック加熱することにより前記基材上の前記ＰＨＡコーティングにエネルギーを与え、溶媒を除去し、前記ＰＨＡを溶融させて連続膜を形成することと、
を含むことを特徴とする方法。
前記ＰＨＡコーティングを前記基材上でフォトニック加熱することは、キセノンフラッシュランプからの高強度の光パルスを前記基材上の前記ＰＨＡコーティングに送ることを含む、請求項１に記載の方法。
前記基材上の前記ＰＨＡコーティングにエネルギーを与えることは、前記基材上の前記ＰＨＡコーティングを乾燥させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記基材上の前記ＰＨＡコーティングを乾燥させることは、前記ＰＨＡコーティングを前記基材上でフォトニック加熱する前に行われる、請求項３に記載の方法。
前記基材上の前記ＰＨＡコーティングを乾燥させることは、前記ＰＨＡコーティングを前記基材上でフォトニック加熱した後に行われる、請求項３に記載の方法。
前記基材が紙または板紙を含む、請求項１に記載の方法。
紙または板紙から構成された基材を処理する方法であって、
ポリヒドロキシアルカン酸（ＰＨＡ）粒子を含むコーティングを前記基材に塗布することと、
前記ＰＨＡ粒子をフォトニック加熱し、前記ＰＨＡ粒子を急速に溶融させ、それによって前記基材上に耐湿性バリア層を形成することと
を含むことを特徴とする方法。
前記ＰＨＡ粒子を有する前記基材を光源に対して移動させ、フォトニック加熱して前記ＰＨＡ粒子を溶融させることをさらに含む、請求項７に記載の方法。
対流、伝導、およびＩＲ乾燥のうちの１つを使用して前記ＰＨＡ粒子を乾燥させることをさらに含み、この追加の乾燥は、前記フォトニック加熱の前または後に行われる、請求項７に記載の方法。
ポリヒドロキシアルカノエート（ＰＨＡ）フィルムを基材に塗布する方法であって、
前記基材を水性ＰＨＡエマルションまたは分散液でコーティングしてＰＨＡコーティングを形成することと、
前記基材上の前記ＰＨＡコーティングを乾燥することと、
前記基材上の前記ＰＨＡコーティングをキセノンフラッシュランプからの光の高強度パルスに曝すことにより前記基材上の前記ＰＨＡコーティングをフォトニック加熱することによって、前記基材上の前記ＰＨＡコーティングにエネルギーを与えることと、を含み、
前記基材上の前記ＰＨＡコーティングにエネルギーを与えることにより、溶媒が除去され、前記ＰＨＡが溶融されて前記基材上に連続膜が形成されることを特徴とする方法。
前記基材上の前記ＰＨＡコーティングを乾燥させることは、前記基材上の前記ＰＨＡコーティングをフォトニック加熱する前に行われる、請求項１０に記載の方法。
前記基材上の前記ＰＨＡコーティングを乾燥させることは、前記ＰＨＡコーティングを前記基材上でフォトニック加熱した後に行われる、請求項１０に記載の方法。