JP2020049941A - ガスバリア性蒸着フィルム、ガスバリア性積層体、ガスバリア性包装材料及びガスバリア性包装体。 - Google Patents
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Abstract
Description
な多層構造をとらずに、優れたガスバリア性と共に、ハイレトルト性を有するガスバリア性蒸着フィルム及び該ガスバリア性蒸着フィルムを用いた、積層体、包装材料、及び包装体を提供することである。
前記、Al2O4Hで表される物質の割合は、ガスバリア性蒸着フィルムの前記バリア性被覆層と前記無機酸化物蒸着膜層とを飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)を用いたエッチングを行うことで検出されるものであり、最大強度比Al2O4H/Al2O3が、0.20以上、0.65以下とすることが好ましい。
また、本発明の積層フィルムは、プラスチック基材の表面に酸化アルミニウムを主成分とする酸化アルミニウム蒸着膜を形成したバリア性を備える積層フィルムにおいて、基材フィルム表面と形成された酸化アルミニウム蒸着膜を主体する蒸着膜との密着強度を規定する該蒸着膜の遷移領域が形成されており、該遷移領域は、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)を用いてエッチングを行うことで検出される水酸化アルミニウムに変成する元素結合Al2O4Hを含み、TOF−SIMSを用いてエッチングを行うことで規定される酸化アルミニウム蒸着膜に対する、TOF−SIMSを用いて規定される該変成される遷移領域の割合により定義される遷移領域の変成率が、5%以上、60%以下とするものである。
ルミニウム蒸着膜の最表面からエッチングを行い、酸化アルミニウム蒸着膜とプラスチック基材との界面の元素結合及び蒸着膜の元素結合を測定し、測定された元素および元素結合について、それぞれの実測グラフを得(図4:グラフ解析図)、酸化アルミニウム蒸着膜における水酸化アルミニウムが形成するプラスチック基材と蒸着膜の界面の遷移領域を極力狭くするために、元素結合Al2O4Hに注目し、1)元素C6のグラフの強度が半分になる位置を、プラスチック基材と酸化アルミニウムの界面として、表面から界面までを酸化アルミニウム蒸着膜として求め、2)元素結合Al2O4Hを表すグラフにおけるピークを求め、そのピークから界面までを遷移領域とし、求め、3)(元素結合Al2O4Hのピークから界面までの遷移領域/酸化アルミニウム蒸着膜)×100(%)として遷移領域の水酸化アルミニウムへの変成率を求めるものである。
したがって、本発明の酸化アルミニウム蒸着膜は、プラスチック基材との界面における密着性を改善できるだけでなく、バリア性能においてもレトルト処理後の耐湿熱性、耐熱水性に優れており耐レトルト性を改善できるものである。
1.樹脂フィルムからなる基材層と、酸化アルミニウムを主成分とする無機酸化物蒸着膜層と、バリア性被覆層とを含む、ガスバリア性蒸着フィルムであって、
前記無機酸化物蒸着膜層は、前記基材層上に形成されており、
前記無機酸化物蒸着膜層中には、Al2O4Hで表される物質が分布し、
前記バリア性被覆層と前記無機酸化物蒸着膜層とをTOF−SIMSを用いてエッチングを行うことで得られる前記無機酸化物蒸着膜層の、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)における最大強度比Al2O4H/Al2O3が、0.20以上、0.65以下であり、
前記バリア性被覆層は、前記無機酸化物蒸着膜層の、基材層とは反対側の表面上に、隣接して積層されており、金属アルコキシドと、水酸基含有水溶性樹脂とを含む樹脂組成物から形成されたものである、ガスバリア性蒸着フィルム。
2.前記最大強度比Al2O4H/Al2O3が、前記無機酸化物蒸着膜層と前記樹脂フィルムとの界面中心から、前記無機酸化物蒸着膜層側の0nm以上、6nm以下の深さ位置で示される上記1に記載のガスバリア性蒸着フィルム。
3.前記酸化アルミニウムを主成分とする無機酸化物蒸着膜中には、前記樹脂フィルムからなる基材の表面と前記酸化アルミニウムを主成分とする無機酸化物蒸着膜との密着強度を規定する遷移領域が形成されており、
該遷移領域は、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)を用いてエッチングを行うことで検出される、水酸化アルミニウムに変成する元素結合Al2O4Hを含み、
前記バリア性被覆層と前記酸化アルミニウム蒸着膜とをTOF−SIMSを用いてエッ
チングを行うことで規定される前記酸化アルミニウム蒸着膜に対する、TOF−SIMSを用いて規定される該変成される前記遷移領域の割合により定義される遷移領域の変成率が、5%以上、60%以下である上記1又は2に記載のガスバリア性蒸着フィルム。
4.前記樹脂フィルムの表面が、酸素プラズマ処理面である上記1〜3のいずれかに記載のバリア性積層フィルム。
5.酸素プラズマ処理面にインラインで酸化アルミニウム蒸着膜が積層された、上記1〜4の何れかに記載のガスバリア性蒸着フィルム。
6.前記樹脂フィルムが、含水率を0.1質量%以上、0.33質量%以下とした樹脂フィルムである上記1〜5の何れかに記載のガスバリア性蒸着フィルム。
7.前記樹脂フィルムが、含水率を0.1質量%以上、0.22質量%未満とした樹脂フィルムである上記1〜5の何れかに記載のガスバリア性蒸着フィルム。
8.前記樹脂フィルムが、含水率を0.22質量%以上、0.33質量%以下とした樹脂フィルムである上記1〜5の何れかに記載のガスバリア性蒸着フィルム。
9.前記樹脂フィルムが、ポリエチレンテレフタレートフィルムである上記1〜8の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルム。
10.前記樹脂フィルムが、リサイクルポリエチレンテレフタレートフィルムを含む上記1〜8の何れかに記載のガスバリア性蒸着フィルム。
11.前記樹脂フィルムが、ポリブチレンテレフタレートフィルムである上記1〜8の何れかに記載のガスバリア性蒸着フィルム。
12.前記樹脂フィルムが、バイオマス由来のポリエステルフィルムである上記1〜8の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルム。
13.前記樹脂フィルムが、高スティフネスPETフィルムである上記1〜8の何れかに記載のガスバリア性蒸着フィルム。
14.上記1〜13の何れかに記載のガスバリア性蒸着フィルムと、シーラント層とを含むガスバリア性積層体。
15.上記14に記載のガスバリア性積層体から作製されたガスバリア性包装材料。
16.上記15に記載のガスバリア性包装材料から作製されたガスバリア性包装体。
17.レトルト殺菌用包装に用いられる上記16に記載のガスバリア性包装体。
18.上記1〜13の何れかに記載のガスバリア性蒸着フィルムの品質管理方法であって、加熱処理を行うことによって、該最大強度比Al2O4H/Al2O3を0.20以上、0.65以下に調節することを特徴とするガスバリア性蒸着フィルムの品質管理方法。
19.前記加熱処理は、酸素濃度が18%以上、25%以下の雰囲気下で行われることを特徴とする上記18に記載の品質管理方法。
20.上記18または19に記載の品質管理方法を適用して、上記1〜13の何れかに記載のガスバリア性蒸着フィルムを製造することを特徴とするガスバリア性蒸着フィルムの製造方法。
21.前記バリア性被覆層を、塗布、乾燥、硬化によって形成することを特徴とする上記1〜13の何れかに記載のガスバリア性蒸着フィルムの製造方法。
22.上記1〜13の何れかに記載のガスバリア性蒸着フィルムの製造方法であって、 樹脂フィルムからなる基材層の表面に、物理蒸着法により無機酸化物蒸着膜層を形成し、
該無機酸化物蒸着膜層の上に、金属アルコキシドと水酸基含有水溶性樹脂とを含む樹脂組成物を塗布および乾燥することによって、塗布膜を硬化してバリア性被覆層を、形成および積層し、
該物理蒸着法は、該バリア性被覆層と該無機酸化物蒸着膜層とをTOF−SIMSを用いてエッチングを行うことで得られる、該無機酸化物蒸着膜層の飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)における最大強度比Al2O4H/Al2O3が、0.20以上、0.65以下であるAl2O4Hで表される物質が分布する該無機酸化物蒸着膜層を形成する物理蒸着法であることを特徴とするガスバリア性蒸着フィルムの製造方法。
23.さらに、前記バリア性被覆層の積層後に、前記ガスバリア性蒸着フィルムに加熱処理を行うことを特徴とする上記1〜13の何れかに記載のガスバリア性蒸着フィルムの製
造方法。
また、本発明では、酸化アルミニウム蒸着膜における水酸化アルミニウムが形成されるプラスチック基材との界面の遷移領域を極力狭くし、水酸化アルミニウムに変性する割合を適正化するために、元素結合Al2O4Hに注目し、積層フィルムにおける酸化アルミニウム蒸着膜の遷移領域の変成率を60%以下として、相対的に水酸化アルミニウムが少ない、酸化アルミニウム膜の比率を上げることにより、レトルト処理による水分子による微視的な蒸着膜破壊、プラスチック基材との界面破壊を大きく抑制するものである。
それにより、密着性が改善され、従来にないレトルト耐性を有する積層フィルム及び該性層フィルムを含むガスバリア性蒸着フィルムを提供することができる。
一方で、プラスチック基材界面近傍に水酸化アルミニウムがほとんど無い場合は、緻密な酸化アルミニウム膜が形成されず水蒸気バリアの悪い膜が形成されてしまうため変成率を5%以上としている。
本発明のガスバリア性蒸着フィルムは、プラスチック基材と酸化アルミニウム蒸着膜との界面における密着強度が、ハイレトルト処理、セミレトルト処理後においても、2.1N/15mm以上で、かつ、ハイレトルト処理、セミレトルト後の酸素透過度、水蒸気透過度が、それぞれ、0.2cc/m2・24hr以下、0.9g/m2・24hr以下のバリア性能を有し、耐レトルト性に優れている。
さらに、本発明によれば、多層構造を採らずにバリア性に優れたガスバリア性蒸着フィルムが得られるので、製造上有利なガスバリアフィルムを提供できる。
また、ポリエチレンテレフタレートはPET、ポリブチレンテレフタレートはPBTとも表記する。
本発明のガスバリア性蒸着フィルム1は、図1に示したように、樹脂フィルムからなる基材層2と、基材層2上に形成された酸化アルミニウムを主成分とする無機酸化物蒸着膜層3と、無機酸化物蒸着膜層を機械的・化学的に保護するとともに、ガスバリア性蒸着フィルムのバリア性能を向上させるバリア性被覆層4を含む。
また更には、図示はされていないが、必要に応じて、種々の機能層を積層することもできる。
無機酸化物蒸着膜における上記物質の分布は、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)によって無機酸化物蒸着膜層を分析することにより、それらの存在が検出され、その濃度は検出の強度として得られる。
本発明におけるガスバリア性蒸着フィルムは、前記最大強度比Al2O4H/Al2O3が、0.20以上、0.65以下であり、該最大強度比Al2O4H/Al2O3が、前記無機酸化物蒸着膜層と前記樹脂フィルムとの界面中心から、前記無機酸化物蒸着膜層側の0nm以上、6nm以下の深さ位置で示されることを特徴とする。
前記最大強度比Al2O4H/Al2O3と前記深さ位置が上記範囲内にあることによって、優れたガスバリア性を発現することができる。
基材層には、特に制限なく、公知の樹脂フィルム又はシートを使用することができる。(以下、樹脂フィルムに統一して記載する。)例えば、ポリエチレンテレフタレート、バイオマス由来のポリエステル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、リサイクルポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンフラノエートなどのポリエステル系樹脂;ポリアミド樹脂6、ポリアミド樹脂66、ポリアミド樹脂610、ポリアミド樹脂612、ポリアミド樹脂11、ポリアミド樹脂12などのポリアミド系樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレンなどのα−オレフィンの重合体などのポリオレフィン系樹脂等からなるフィルムを使用することができる。
上記の樹脂の中でも、ポリエステル系樹脂は好ましく用いられ、ポリエステル系樹脂の中でも、ポリエチレンテレフタレートフィルムとポリブチレンテレフタレートフィルムが特に好ましく用いられる。
ポリブチレンテレフタレートフィルムは、熱変形温度が高く、機械的強度、電気的特性にすぐれ、成型加工性も良いことなどから、食品などの内容物を収容する包装袋に用いると、レトルト処理を施す際に包装袋が変形したり、その強度が低下したりすることを抑制することができる。
また、ポリブチレンテレフタレートフィルムは、高温高湿度環境下で加水分解するためレトルト処理後の密着強度、バリア性の低下がみられるが、ナイロンに比べて水分を吸収しにくいという特性を有する。このため、ポリブチレンテレフタレートフィルムを包装用材料の外面に配置した場合であっても、包装袋の包装用材料間のラミネート強度が低下してしまうことを抑制することができる。このような性質を持つので、ポリブチレンテレフタレートフィルムをレトルト包装袋に用いると、従来のポリエチレンテレフタレートフィルムとナイロンフィルムの貼り合せ包装材に置き換えることができることから、好ましく用いられる。
主たる構成成分として用いるPBTは、ジカルボン酸成分として、テレフタル酸が90モル%以上であることが好ましく、より好ましくは95モル%以上であり、さらに好ましくは98モル%以上であり、最も好ましくは100モル%である。
グリコール成分として1,4−ブタンジオールが90モル%以上であることが好ましく、より好ましくは95モル%以上であり、さらに好ましくは97モル%以上である。
PBT以外のポリエステル樹脂としては、PET、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリブチレンナフタレート(PBN)、ポリプロピレンテレフタレート(PP T)などのポリエステル樹脂のほか、イソフタル酸、オルソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ビフェニルジカルボン酸、シクロヘキサンジカルボン酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸などのジカルボン酸が共重合されたPBT樹脂や、エチレングリコール、1,3−プロピレングリコール、1,2−プロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、シクロヘキサンジオール、ポリエチレングリコール、ポリテトラメチレングリコール、ポリカーボネートジオール等のジオール成分が共重合されたPBT樹脂を挙げることができる。
複数の単位層はそれぞれ、主成分としてPBTを含む。例えば、複数の単位層は、それぞれ、60質量%以上のPBTを含む。なお、複数の単位層においては、n番目の単位層の上にn+1番目の単位層が直接積層されている。
すなわち、複数の単位層の間には、接着剤層や接着層が介在されていない。このようなポリブチレンテレフタレートフィルムは、少なくとも10層以上、好ましくは60層以上、より好ましくは250層以上、更に好ましくは1000層以上の単位層を含む多層構造部からなる。
第2の構成に係るPBTの含有率は、70質量%以上が好ましく、さらには80質量%以上が好ましく、最も好ましくは90質量%以上である。
PBTと配合するポリエステル樹脂としては、エチレンテレフタレートを主たる繰返し単位とするポリエステルを用いることができる。例えば、グリコール成分としてのエチレングリコール、二塩基酸成分としてのテレフタル酸を主成分としたホモタイプを好ましく用いることができる。
バイオマス由来のポリエステルフィルムは、ジオール単位とジカルボン酸単位とからなるポリエステルを主成分として含んでなる樹脂組成物からなり、前記樹脂組成物が、ジオール単位がバイオマス由来のエチレングリコールであり、ジカルボン酸単位が化石燃料由来のジカルボン酸であるポリエステルを、樹脂組成物全体に対して、50〜95質量%、
好ましくは50〜90質量%含んでなるものである。
したがって、本発明の積層フィルムおよびそれを用いたガスバリア性蒸着フィルムは、カーボンニュートラルな材料からなる層を有するため、従来の化石燃料から得られる原料から製造された積層フィルムおよびそれを用いたガスバリア性蒸着フィルムに比べて、化石燃料の使用量を大幅に削減することができ、環境負荷を減らすことができる。
例えば、バイオマスエタノールを、従来公知の方法により、エチレンオキサイドを経由してエチレングリコールを生成する方法等により、バイオマス由来のエチレングリコールを得ることができる。また、市販のバイオマスエチレングリコールを使用してもよく、例えば、インディアグライコール社から市販されているバイオマスエチレングリコールを好適に使用することができる。
これらの中でも、テレフタル酸が好ましく、芳香族ジカルボン酸の誘導体としては、ジメチルテレフタレートが好ましい。
合で含まれてもよいポリエステルは、化石燃料由来のポリエステル、化石燃料由来のポリエステル製品のリサイクルポリエステル、バイオマス由来のポリエステル製品のリサイクルポリエステルである。
また、化石燃料中には14Cが殆ど含まれていないことも知られている。したがって、ポリエステル中の全炭素原子中に含まれる14Cの割合を測定することにより、バイオマス由来の炭素の割合を算出することができる。
Pbio(%)=P14C/105.5×100
ポリエチレンテレフタレートを例にとると、ポリエチレンテレフタレートは、2炭素原子を含むエチレングリコールと8炭素原子を含むテレフタル酸とがモル比1:1で重合したものであるため、エチレングリコールとしてバイオマス由来のもののみを使用した場合、ポリエステル中のバイオマス由来の炭素の含有量Pbioは20%となる。
本発明においては、樹脂組成物中の全炭素に対して、放射性炭素(14C)測定によるバイオマス由来の炭素の含有量が、10〜19%であることが好ましい。
樹脂組成物中のバイオマス由来の炭素含有量が10%未満であると、カーボンオフセット材料としての効果が乏しくなる。一方、上記したように、樹脂組成物中のバイオマス由来の炭素含有量は20%に近いほど好ましいが、フィルムの製造工程上の問題や物性面から、樹脂中には上記したようなリサイクルポリエステルや添加剤を含む方が好ましいため、実際の上限は18%となる。
本発明の樹脂基材として、メカニカルリサイクルによりリサイクルされたポリエチレンテレフタレート(以下、ポリエチレンテレフタレートをPETとも記す)を含むものを使用できる。
具体的には、樹脂基材は、PETボトルをメカニカルリサイクルによりリサイクルしたPETを含み、このPETは、ジオール成分がエチレングリコールであり、ジカルボン酸成分がテレフタル酸およびイソフタル酸を含む。
イソフタル酸成分の含有量が0.5モル%未満であると柔軟性が向上しない場合があり、一方、5モル%を超えるとPETの融点が下がり耐熱性が不十分となる場合がある。
また、重縮合反応は、重合触媒の存在下で行うことが好ましい。重合触媒の添加時期は、重縮合反応以前であれば特に限定されず、原料仕込み時に添加しておいてもよく、減圧開始時に添加してもよい。
具体的には、固相重合は、PETをチップ化して乾燥させた後、100℃以上180℃以下の温度で1時間から8時間程度加熱してPETを予備結晶化させ、続いて、190℃以上230℃以下の温度で、不活性ガス雰囲気下または減圧下において1時間〜数十時間加熱することにより行われる。
ヴァージンPETとしては、上記したようなジオール成分がエチレングリコールであり、ジカルボン酸成分がテレフタル酸およびイソフタル酸を含むPETであってもよく、また、ジカルボン酸成分がイソフタル酸を含まないPETであってもよい。また、樹脂基材層は、PET以外のポリエステルを含んでいてもよい。例えば、ジカルボン酸成分として、テレフタル酸およびイソフタル酸などの芳香族ジカルボン酸以外にも、脂肪族ジカルボン酸等が含まれていてもよい。
これらの中でも、脂肪族ジカルボン酸としては、アジピン酸、コハク酸、ダイマー酸またはこれらの混合物が好ましく、コハク酸を主成分とするものが特に好ましい。脂肪族ジカルボン酸の誘導体としては、アジピン酸およびコハク酸のメチルエステル、またはこれらの混合物がより好ましい。
樹脂基材に上記したようなリサイクルPETを用いる場合は、最外層である上層、中層、シーラント層に近い下層の3層を備えた樹脂基材としてもよい。
この場合、中層をリサイクルPETのみから構成される層またはリサイクルPETとヴァージンPETとの混合層とし、上層および下層は、ヴァージンPETのみから構成される層とすることが好ましい。
また、樹脂基材層は、上記における上層を設けることなく、中層および下層の2層を備えた樹脂基材層としてもよい。さらに、樹脂基材層は、下層を設けることなく、上層および中層の2層を備えた樹脂基材層としてもよい。これらの場合においても、中層をリサイクルPETのみから構成される層またはリサイクルPETとヴァージンPETとの混合層とし、上層および下層は、ヴァージンPETのみから構成される層とすることが好ましい。
添加剤は、PETを含む樹脂組成物全体中に、5質量%以上50質量%以下、好ましくは5質量%以上20質量%以下の範囲で含有されることが好ましい。
溶融押出機としては、一軸押出機、二軸押出機、ベント押出機、タンデム押出機等を目的に応じて使用することができる。
従来公知の方法で行うことができる。例えば、上記のようにして冷却ドラム上に押し出されたフィルムを、続いて、ロール加熱、赤外線加熱などで加熱し、縦方向に延伸して縦延伸フィルムとする。この延伸は2個以上のロールの周速差を利用して行うのが好ましい。
縦延伸は、通常、50℃以上100℃以下の温度範囲で行われる。また、縦延伸の倍率は、フィルム用途の要求特性にもよるが、2.5倍以上4.2倍以下とするのが好ましい。延伸倍率が2.5倍未満の場合は、PETフィルムの厚み斑が大きくなり良好なフィルムを得ることが難しい。
本発明に係る無機酸化物蒸着膜層は、主成分として酸化アルミニウムを含む無機酸化物の薄膜であり、微量の、アルミニウムの窒化物、炭化物、水酸化物の単独又はその混合物などのアルミニウム化合物や、ケイ素酸化物、ケイ素窒化物、ケイ素酸化窒化物、ケイ素炭化物、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム等の金属酸化物、またはこれらの金属窒化物、炭化物及びその混合物などを含むことができる。
Al2O4Hで表される物質の存在率は、Al2O3(酸化アルミニウム)との存在比で表現することができ、具体的には、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)によって検出されるAl2O4Hの強度と、Al2O3の強度との比である、強度比Al2O4H/Al2O3によって表現することができる。
最大強度比Al2O4H/Al2O3が上記範囲よりも小さい場合は、該蒸着膜中にAl2O4Hで表される元素結合構造部が少な過ぎることによって、充分なガスバリア性を発現
し難くなり易い。また、上記範囲よりも大きい場合には、Al(OH)3の存在量も多く
なり過ぎることによって、無機酸化物蒸着膜の組成が水蒸気で劣化しやすいものになり、水蒸気バリア性が劣り易い。
前記最大強度比部分が、該界面中心から、前記無機酸化物蒸着膜層側の0nm以上、6nm以下の深さ位置に存在することがより好ましい。
上記深さ位置に存在することによって、蒸着膜の緻密性を向上させるとともに、基材層との接着がさらに良くなる。
本発明における含水率は、カールフィッシャー水分測定装置によって測定されるものである。詳細な測定方法は、実施例に記載した通りであるが、要は、含水率は(試料から出てきた水分量[g])/(試料重量[g])から算出されるものである。試験片はフィル
ム状であっても、粒状であっても測定できる。
ガスバリア性蒸着フィルムは、用いる基材層としての樹脂フィルムの含水率によって、ガスバリア性が左右され、含水率が低い(0.1質量%以上0.22質量%未満)と良好なバリア性が発現されないが、本発明の無機酸化物蒸着膜とすることで、良好なバリア性を発現することができる。
無機酸化物蒸着膜層の厚みは、5nm以上、100nm以下が好ましい。上記範囲よりも小さいとバリア性が不十分になり易く、上記範囲よりも大きいと無機酸化物蒸着膜層の剛性が強くなり過ぎて剥離等が発生し易い傾向になる。
本発明の密着性が改善されたバリア性を備える酸化アルミニウム蒸着膜を有する積層フィルムの製造に好適に用いられるローラー式連続蒸着膜成膜装置10は、図5に示すように、減圧チャンバ12内に隔壁35a〜35cが形成されている。該隔壁35a〜35cにより、基材搬送室12A、プラズマ前処理室12B、成膜室12Cが形成され、特に、隔壁と隔壁35a〜35cで囲まれた空間としてプラズマ前処理室12B及び成膜室12Cが形成され、各室は、必要に応じて、さらに内部に排気室が形成される。
前処理ローラー20は、前処理ローラー内を循環させる温度調節媒体の温度を調整することにより、−20℃から100℃の間で、一定温度に調節することが可能であることが好ましい。
それにより、該空隙の空間にプラズマ供給ノズル22a〜22cを開口させてプラズマを基材表面に向かって噴射し、該空隙内をプラズマ形成領域とし、さらに、前処理ローラー20とプラスチック基材Sの表面近傍にプラズマ密度の高い領域を形成することで、プラスチック基材Sの片面にプラズマ処理面を形成する本発明の酸素プラズマ前処理が行えるように構成されている。
そのノズル開口は前処理ローラー20上のプラスチック基材Sに向けられ、プラスチック基材Sの表面全体に均一に酸素プラズマPを拡散、供給させることが可能となるように配置、構成され、プラスチック基材Sの大面積の部分に均一なプラズマ前処理が可能となる。
混合比率を6/1〜1/1とすることで、プラスチックフィルム基材上での蒸着アルミニウムの膜形成エネルギーが増加し、更に3/2.5〜3/1とすることで、水酸化アルミニウムの形成が基材の界面近傍で形成される、すなわち該遷移領域の変成率が低下する。
本発明で採用する単位面積あたりのプラズマ強度として50〜8000W・sec/m2であり、50W・sec/m2以下では、プラズマ前処理の効果がみられず、また、8000W・sec/m2以上では、基材の消耗、破損着色、焼成などプラズマによる基材の劣化が起きる傾向にある。特に、本発明の酸化アルミウム蒸着膜の遷移領域の変成率とするため酸素プラズマ前処理のプラズマ強度としては、100〜1000W・sec/m2が好ましく、さらに好ましくは100〜500W・sec/m2である。
プラスチック基材に垂直にバイアス電圧を持ち上記プラズマ強度を与えることにより、
安定的に酸化アルミニウム蒸着膜との密着性等を従来法より強化される。
したがって、マグネットケースと電極は電気的に絶縁されており、マグネットケースを減圧チャンバ12内に設置、固定しても電極は電気的にフローティングレベルとすることが可能である。
マグネット21は、電極兼プラズマ供給手段であるプラズマ供給ノズル22a〜22cからの酸素プラズマPが基材Sに集中して適用するために設けられる。マグネット21を設けることにより、基材表面近傍での反応性が高くなり、良好なプラズマ前処理面を高速で形成することが可能となる。
酸化アルミニウムを主成分とする無機酸化物蒸着膜を形成する蒸着法としては、物理蒸着法、化学蒸着の中から種々の蒸着法が適用できる。物理蒸着法としては、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、イオンビームアシスト法、クラスターイオンビーム法からなる群から選ぶことができ、化学蒸着法としては、プラズマCVD法、プラズマ重合法、熱CVD法、触媒反応型CVD法からなる群から選ぶことができる。
本発明においては、物理蒸着法が好適であり、蒸着膜成膜手段は抵抗加熱方式が好ましい。
蒸着膜成膜装置12内の減圧された蒸着膜成膜室12Cに、被蒸着基材搬送室12Aの搬送ローラー14で樹脂フィルムを搬送する。
搬送された樹脂フィルムは、蒸着成膜処理する成膜ローラー23に巻きかけられる。
そして、成膜ローラー23に対向して配置された蒸着成膜源24のターゲットを蒸発させて樹脂フィルムの表面に蒸着膜を形成し、順次巻き取りローラー15で巻き取られロールになる。
酸素は、酸素単体でも、アルゴンのような不活性ガスとの混合ガスでの供給でも良いが
、酸素量を調整できることが好ましい。
また、アルミニウムの蒸発は、例えば、舟形(「ボートタイプ」という)蒸着容器に、ローラー23の軸方向にアルミニウム金属からなる線材を複数配置し、抵抗加熱式により加熱することで行うことができる。
加熱処理条件は、酸素濃度が18%〜25%で、50℃以上、100℃以下の温度で、72時間以上、350時間以下が好ましい。
上記温度範囲よりも低温だと加熱処理効果が発現し難く、充分な効果を得る為には長時間の処理を要する為に生産性が悪化する。上記温度範囲よりも高温だと、樹脂層部分が劣化し易くなる。
上記時間範囲よりも短時間だと、加熱処理効果が発現し難く、上記時間範囲よりも長時間だと、樹脂層部分が劣化し易く、生産性が悪化する。
加熱処理は、無機酸化物蒸着膜の構成化合物の反応によって、本発明の最大強度比部分が存在する無機酸化物蒸着膜の組成とする為に行うことであって、必要に応じて、何度繰り返してもよい。
上述のように、この加熱処理は、無機酸化物蒸着膜の組成を変化させるものであり、従来行われている蒸着時の不完全なストイキオメトリーの酸化アルミニウムを、完全なストイキオメトリーの酸化アルミニウムにする為に行う加熱処理とは異なる。
そして、含水率の低い樹脂フィルムを基材としたバリア性が良好でないガスバリア性蒸着フィルムでも、加熱処理を施して、本発明の最大強度比部分が存在する組成とすることで、バリア性能を向上させることができる。
製造条件1
透明蒸着層の厚さが8nm以上である。
製造条件2
酸素プラズマ処理における酸素ガスと不活性ガスとの混合比率が3/2.5以上3/1以下である。
製造条件3
酸素プラズマ処理における前処理圧力が1Pa以上20Pa以下である。
製造条件4
酸素プラズマ処理におけるプラズマ強度が100W・sec/m2以上500W・sec/m2以下である。
本発明において、無機酸化物蒸着膜中の、Al2O4H強度とAl2O3強度、更には、それぞれの深さ位置は、TOF−SIMSを用いて測定され、最大強度比Al2O4H/Al2O3の値が算出されて、深さ位置も特定される。
Secondary Ion Mass Spectrometry)は、一次イオン銃から一次イオンビームを被分析固体試料表面に照射して、該試料表面からスパッタリングされて放出される二次イオンを、その飛行時間差(飛行時間は重さの平方根に比例)を利用して質量分離して、質量分析する方法である。
ここで、スパッタリングを進行させつつ二次イオン強度を検出することによって、二次イオン、即ち被検出元素イオン又は被検出元素と結合した分子イオンのイオン強度の時間推移のデータに対して、推移時間を深さに換算することで、該試料表面の深さ方向の被検出元素の濃度分布を知ることができる。
そして、予め、一次イオンの照射により試料表面に形成された窪みの深さを表面粗さ計を用いて測定して、この窪みの深さと推移時間とから平均スパッタ速度を算出しておき、スパッタ速度が一定であるとの仮定の下に、照射時間(即ち、推移時間)または照射サイクル数から、深さ(スパッタ量)を算出することが可能である。
により、各イオンの強度比を算出できる。
酸化アルミニウムに対して充分な強度を有し、且つ酸化アルミニウム由来の複数のイオン種の中から本発明が測定対象とするイオン種を切り分けて、Al2O4Hの濃度分布に近似計算できる深さ分布を得る為には、Csイオンが適している。
Csを用いて、バリア性被覆層の最表面からエッチングを行い、バリア性被覆層と酸化アルミウム蒸着膜と樹脂フィルム基材との界面の元素結合及び蒸着膜の元素結合の分析を実施し、測定された元素および元素結合の図4の各グラフを得る。
グラフにおいて、バリア性被覆層の構成元素であるSiO2(質量数59.96)の強度が、先ず、バリア性被 覆層の半分になる位置をバリア性被覆層と酸化アルミニウム蒸着膜の界面として、次いで、樹脂フィルム基材の構成材料であるC6(質量数72.00)の層部分の半分になる位置を、樹脂フィルム基材と酸化アルミニウム蒸着膜の界面として、最初の界面から2番目の界面までを酸化アルミニウム蒸着膜とする。
本発明のケースでは、バリア性被覆層と酸化アルミ層の界面に、Al2O4H(質量数118.93)と同一質量の反応物AlSiO4が生じるため、AlSiO4とAl2O4Hの波形を分離する。このような波形分離は、バリア性被覆層の材料によって適宜対象化合物を設定して行う。
以上の重複波形の分離操作を行い、各サイクルにおける無機酸化物蒸着膜内の深さと、Al2O4H強度、Al2O3強度が得られ、強度比Al2O4H/Al2O3を求めることで、最大強度比の値と、無機酸化物蒸着膜層中の界面からの深さ距離を知ることができる。
バリア性被覆層は、無機酸化物蒸着膜層を機械的・化学的に保護するとともに、ガスバリア性蒸着フィルムのバリア性能を向上させるものであり、無機酸化物蒸着膜層上に隣接して積層される。
バリア性被覆層は、金属アルコキシドと水酸基含有水溶性樹脂とを含む樹脂組成物からなるバリア性被覆層用コート剤から形成される。バリア性被覆層内で、金属アルコキシドは、縮合反応生成物を生成しているが、水酸基含有水溶性樹脂との間で共縮合物を生成していてもよい。
まず、上記金属アルコキシド、水酸基含有水溶性樹脂、反応促進剤(ゾルゲル法触媒、酸等)、及び溶媒としての水、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロパノール等のアルコール等の有機溶媒を混合して、樹脂組成物からなるバリア性被覆層用コート剤を調製する。
また、本発明においては、必要に応じて、バリア性被覆層形成後に加熱処理を施すことができる。
上記温度範囲よりも低温だと加熱処理効果が発現し難く、充分な効果を得る為には長時間の処理を要する為に生産性が悪化する。上記温度範囲よりも高温だと、樹脂層部分が劣化し易くなる。
上記時間範囲よりも短時間だと、加熱処理効果が発現し難く、上記時間範囲よりも長時間だと、樹脂層部分が劣化し易く、生産性が悪化する。
加熱処理を施すことによって、バリア性被覆層形成後に無機酸化物蒸着膜の構成化合物の反応が起こり、本発明の最大強度比部分が存在する組成とすることができる。すなわち、該加熱処理によって、最大強度比Al2O4H/Al2O3が、0.20未満、または、0.65を越えたガスバリア性蒸着フィルムであっても、0.20以上、0.65以下に調節することができる。
上述のように、本発明の加熱処理は、無機酸化物蒸着膜の組成を変化させるものであり、従来行われている蒸着時の不完全なストイキオメトリーの酸化アルミニウムを、完全なストイキオメトリーの酸化アルミニウムにする為に行う加熱処理とは異なる。
また、加熱処理条件は、ガスバリア性蒸着フィルムの基材層である樹脂フィルムの含水率、ガスバリア性蒸着フィルムの形態(ロール状態か、枚葉か)によって、加熱温度、加熱時間が異なる。
金属アルコキシドは、一般式R1nM(OR2)m(ただし、式中、R1、R2は、水素原子または炭素数1〜8の有機基を表し、Mは、金属原子を表し、nは、0以上の整数を表し、mは、1以上の整数を表し、n+mは、Mの原子価を表す。1分子中の複数のR1、 R2のそれぞれは、同一であっても、異なっていてもよい。)で表される。
アルコキシシランは、一般式R1nSi(OR2)m(ただし、n+m=4。)で表される。
上記において、OR2の具体例としては、水酸基、メトキシ基、エトキシ基、n−プロ ポキシ基、n−ブトキシ基、i−プロポキシ基、ブトキシ基、3−メタクリロキシ基、3−アクリロキシ基、フェノキシ基、等のアルコキシ基またはフェノキシ基等が挙げられる。
上記において、R1の具体例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプ ロピル基、フェニル基、3−クロロプロピル基、トリフルオロメチル基等が挙げられる。
官能基を有する有機基であるR1としては、例えば、γ−グリシドキシプロピル基、脂 環式エポキシ基、(メタ)アクリロキシ基、ウレイド基、ビニル基、p−スチリル基、γ−アミノプロピル基、イソシアヌレート基またはイソシアネート基を有する官能基が挙げられる。
R2としては、例えば、炭素数1〜8の有機官能基であり、好ましくは分岐を有していてもよい炭素数1〜8のアルキル基または炭素数3〜7のアルコキシアルキル基である。例えば、炭素数1〜8のアルキル基としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基等が挙げられる。
また、炭素数3〜7のアルコキシアルキル基としては、メチルエチルエーテル、ジエチルエーテル、メチルプロピルエーテル、メチルイソプロピルエーテル、エチルプロピルエーテル、エチルイソプロピルエーテル、メチルブチルエーテル、エチルブチルエーテル、メチルsec−ブチルエーテル、エチルsec−ブチルエーテル、メチルtert−ブチルエーテル、エチルtert−ブチルエーテル等の直鎖又は分岐鎖状エーテルから1個の
水素原子を除いた基等が挙げられる。なお、複数の(OR2)は、それぞれ同一であっても、異なっていてもよい。
シランカップリング剤の具体例としては、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルジメチルメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルジメチルエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)ジメチルメトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)ジメチルエトキシシラン、β−(3、4−エポキシシクロヘキシル)メチルジメトキシシラン、β−(3、4−エポキシシクロヘキシル)メチルジエトキシシラン、β−(3、4−エポキシシクロヘキシル)エチルジメトキシシラン、β−(3、4−エポキシシクロヘキシル)エチルジエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、p−スチリルトリメトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリエト キシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、等が挙げられ、これらの中でも、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランが好適である。
本発明において、水酸基含有水溶性樹脂は、金属アルコキシドと脱水共縮合し得るものであり、ケン化度は、90%以上、100%以下が好ましく、95%以上、100%以下がより好ましく、99%以上、100%以下が更に好ましい。ケン化度が上記範囲よりも小さいと。バリア性被覆層の硬度が低下し易くなる。
具体的には、例えば、ポリ酢酸ビニルをケン化して得られたポリビニルアルコ一ルや、
エチレンと酢酸ビニルとの共重合体をケン化して得られたエチレン・ビニルアルコール共重合体を使用することができる。
本発明のガスバリア性積層体5は、図2に示されたように、本発明のガスバリア性蒸着フィルム1に、更に、少なくとも、ヒートシール可能なシーラント層6を、接着剤を介して、あるいは介することなく、ガスバリア性蒸着フィルムの最表面に積層したものである。
また、シーラント層は、ガスバリア性蒸着フィルムの、バリア性被覆層側に積層されていることが好ましい。
更に必要に応じて、包装材料に用いた場合に付与したい機能、例えば、遮光性を付与するための遮光性層、装飾性、印字を付与するための印刷層、絵柄層、レーザー印刷層、臭気を吸収又は吸着する吸収性・吸着性層など各種機能層を層構成として含むことも出来る。
シーラント層は、1種または2種以上のヒートシール性樹脂を含む層であり、加熱によって接着することができる層であり、樹脂フィルムあるいは樹脂塗布膜等から形成される。
シーラント層は、単層であっても、2層以上の多層構成であってもよい。多層構成の場合には、それぞれの層の組成が同一であってもよく、異なっていてもよく、ヒートシール性樹脂のみからなる層や、ヒートシール性樹脂を含まない層を含むこともできる。更には、種々の機能を備えた機能層や、接着剤層を含むこともできる。しかし、包装材料の片面最表層を構成する層は、ヒートシール性に優れた樹脂を含むことが好ましい。
本発明のバリア性包装材料は、本発明のガスバリア性積層体から作製される包装材料であり、該ガスバリア性積層体に、用途に応じた機能フィルムを更に積層させて作製することができる。
例えば、レトルト用の包装材料であれば、耐ピンホール構造として、ナイロンフィルムを、また耐熱構造として耐熱シーラントCPPなどを積層した多層フィルムの包装材料、或いは、液体紙容器用の包装材料であれば、紙を積層した積層体の包装材料である。
本発明のガスバリア性包装体は、本発明のガスバリア性包装材料から作製される包装体である。
例えば、多層フィルムからなるガスバリア性包装材料のシーラント層を熱融着させるようなヒートシール加工によって、ピロー包装袋、三方シール、四方シール、ガセットタイプ等の形態のガスバリア性包装体を作製できる。また、紙を積層した積層体の包装材料であれば、酒、ジュース等のゲーベルトップ型の液体紙容器包装体を作成できる。
[実施例1]
(無機酸化物蒸着膜形成)
まず、含水率0.228%のPETフィルムを巻き取ったロール巻きを準備した。
次に、加熱手段として反応性抵抗加熱方式を用いた下記条件の真空蒸着法により、このPETフィルムの片面上に、厚さ12nmの酸化アルミニウム蒸着膜を形成して、無機酸化物蒸着膜が積層されたロール巻きを得た。
得られたロール巻きから一部を切り取り、55℃、168時間の加熱処理を施した。
(酸化アルミニウム成膜条件)
・圧力:8.1×10-2Pa
・搬送速度:400m/min
・酸素のガス供給量:8000sccm
上記の樹脂フィルムの酸化アルミニウム蒸着膜上に、下記で調製したバリアコート剤を用いて、スピンコート法によりコーティング膜を形成した。その後、180℃で60秒間、オーブンにて加熱処理して、厚さ約400nmのバリア性被覆層を無機酸化物蒸着膜上に形成して、さらに55℃で72時間の加熱処理をして、ガスバリア性蒸着フィルムを得た。そして、TOF−SIMSによる最大強度比Al2O4H/Al2O3と位置、酸素透過度、水蒸気透過度を測定した。
水300g、イソプロピルアルコール146g及び0.5N塩酸7.3gを混合し、pH2.2に調整した溶液に、テトラエトキシシラン175gとグリシドキシプロピルトリメトキシシラン9.2gを10℃となるよう冷却しながら混合させて溶液Aを調製した。
ケン価度99%以上の重合度2400のポリビニルアルコール14.7g、水324g、イソプロピルアルコール17gを混合した溶液Bを調製した。
A液とB液を重量比3.5:6.5となるよう混合して得られた溶液をバリアコート剤とした。
含水率0.204%のPETフィルムを用いたことと、バリア性被覆層を形成後、55℃で72時間の加熱処理の後に、さらに135℃、40分の加熱処理をしたこと以外は、実施例1と同様に操作して、ガスバリア性蒸着フィルムを得て、同様に測定した。
バリア性被覆層を形成後、135℃、40分の加熱処理をしなかったこと以外は、実施例2と同様にしてガスバリア性蒸着フィルムを得て、同様に測定した。
[樹脂フィルムの含水率]
カールフィッシャー水分測定装置(三菱ケミカルアナリテック(株)社製、CA−200,VA−236S)を用いて、樹脂フィルムの含水率を測定した。
約1gの樹脂フィルムを23℃、相対湿度40%RHの環境下で3日間以上保管した後に、短冊状に折り畳んで、測定セルの半分以下の高さになるようにセットし、下記の条件及び環境下で含水率を測定した。各サンプルをn=3で測定し、その平均値を含水率として採用した。
滴定継続時間:10分
終点感度:0.1μg/秒
加熱温度:120℃
窒素ガス流量:250ml/分
測定環境:室温23℃相対湿度40%RH
カールフィッシャー試薬:三菱ケミカル(株)社製「アクアミクロンAX/CXU
ガスバリア性蒸着フィルムに対して、飛行時間型二次イオン質量分析計(ION TOF社製、TOF.SIMS5)を用いて、下記測定条件で、ガスバリア性蒸着フィルムのバリア性被覆層側から、Cs(セシウム)イオン銃により一定の速度でソフトエッチングを繰り返しながら、基材層の樹脂フィルム由来のC6(質量数72.06)、ガスバリア性被覆由来のSiO2(質量数59.96)、酸化アルミニウム蒸着膜由来のAl2O4H(質量数118.93)、Al2O3(質量数101.96)イオンの質量分析を行った。
次に、プラスチック基材の構成材料であるC6(質量数72.00)の層(C6のグラフが一定の位置)の半分になる位置を、フィルム基材と酸化アルミニウム蒸着膜の界面として、最初の界面から2番目の界面までを酸化アルミニウム蒸着膜とした。
以上の重複波形分離操作を行い、無機酸化物蒸着膜の表面から6nm以下の深さまでの間で、Al2O4Hの強度と深さ位置を求めて、最大強度比Al2O4H/Al2O3と深さ位置を算出した。
・一次イオン種類:Bi3++(0.2pA,100μs)
・測定面積:150×150μm2
・エッチング銃種類:Cs(1keV、60nA)
・エッチング面積:600×600μm2
・エッチングレート:3sec/Cycle
・真空引き時間:1×10-6mbar以下で15h以上
・真空引き開始後、30h以内に測定
酸素透過度測定装置(MOCON社製、OX−TRAN2/22)を用いて、ガスバリア性蒸着フィルムの基材層側が酸素供給側になるようにセットして、JIS K 7126に準拠して、23℃、相対湿度90%RH環境下における酸素透過度を測定した。
水蒸気透過度測定装置(MOCON社製、PERMATRAN―W3−34G)を用いて、ガスバリア性蒸着フィルムの基材層側がセンサー側になるようにセットして、JIS
K 7129に準拠して、40℃、相対湿度100%RH環境下における水蒸気透過度を測定した。
実施例、比較例の測定結果を表1にまとめた。
強度比Al2O4H/Al2O3が本願規定の0.20〜0.65を満たす全実施例は良好な酸素バリア性と水蒸気バリア性を示した。
比較例1では、元素結合Al2O4Hピークが小さすぎてPETフィルム界面側に隠れ、分離できなかった為に、強度比が計算できない結果(0%以下の数値)となった。
含水率0.204質量%の同じ樹脂フィルムを基材層に用いたガスバリア性蒸着フィルムであっても、該規定を満たす実施例2は良好な水蒸気バリア性を示したが、該規定を満たさない比較例1は、劣った水蒸気バリア性を示した。
[実施例1]
<酸化アルミニウム蒸着膜の形成>
まず、プラスチック基材である厚さ12μmの石油由来のポリエチレンテレフタレートフィルム(以下、PETフィルム)を巻き取ったロールを準備した。
次に、このPETフィルムの蒸着膜を設ける面に、酸素プラズマ前処理装置を配置した前処理区画と成膜区画を隔離した連続蒸着膜成膜装置を用いて、前処理区画において下記条件下でプラズマ供給ノズルからプラズマを導入し、搬送速度400m/minで酸素プラズマ前処理を施し、連続搬送した成膜区画内で、酸素プラズマ処理面上に、下記条件において真空蒸着法の加熱手段として反応性抵抗加熱方式により、厚さ12nmの酸化アルミニウム蒸着膜をPETフィルム上に形成した。
(酸素プラズマ前処理条件)
・プラズマ強度:200W・sec/m2
・プラズマ形成ガス比:酸素/アルゴン=2/1
・前処理ドラム−プラズマ供給ノズル間印加電圧:340V
・前処理区画の圧力:3.8Pa
(酸化アルミニウム成膜条件)
・圧力:8.1×10-2Pa
・搬送速度:400m/min
・酸素ガス供給量:20000sccm
水307g、イソプロピルアルコール147gおよび0.5N塩酸7.3gを混合し、pH2.2に調整した溶液に、金属アルコキシドとしてテトラエトキシシラン175gと、シランカップリング剤として3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン8.7gを
10℃となるよう冷却しながら混合させて溶液Aを調製した。
水溶性高分子として、ケン価度99%以上の重合度2400のポリビニルアルコール14.7g、水324g、イソプロピルアルコール17gを混合した溶液Bを調製した。
A液とB液を重量比6.5:3.5となるよう混合して得られた溶液をバリアコート組成物とした。
上記のPETフィルムの酸化アルミニウム蒸着膜上に、上記で調製したバリアコート組成物をスピンコート法によりコーティングした。
その後、180℃で60秒間、オーブンにて加熱処理して、厚さ約400nmのバリアコート層を酸化アルミニウム蒸着膜上に形成して、バリアフィルムを得た。
酸素プラズマ前処理条件を100W・sec/m2に変更したこと以外は、実施例1と同じにして、ガスバリア性蒸着フィルムを得た。
プラスチック基材として厚さ12μmのバイオマス由来のPETフィルムを使用したこと、プラズマ前処理条件を150W・sec/m2に変更したこと以外は、実施例1と同じにして、ガスバリア性蒸着フィルムを得た。
プラスチック基材として厚さ12μmの石油由来のポリブチレンテレフタレートフィルム(以下、PBTフィルム)を使用したことと、酸化アルミニウム蒸着膜の厚さを10nmに変更したこと、酸素プラズマ前処理条件を150W・sec/m2に変更したこと以外は、実施例1と同じにして、ガスバリア性蒸着フィルムを得た。
但し、レトルト条件はセミレト条件で行った。
高湿度下で長期保管することで含水率の高まった、厚さ12μmの石油由来のPETフィルムを用いたことと、酸化アルミニウム蒸着膜の厚さを14nm変更したこと以外は、実施例1と同じにして、ガスバリア性蒸着フィルムを得た。
酸化アルミニウム蒸着膜の厚さを10nmに変更したこと以外は、実施例1と同じにして、ガスバリア性蒸着フィルムを得た。
酸化アルミニウム蒸着膜の厚さを14nmに変更したこと以外は、実施例1と同じにし
て、ガスバリア性蒸着フィルムを得た。
プラスチック基材として厚さ12μmのバイオマス由来のPETフィルムを使用し、プラズマ前処理条件を150W・sec/m2に変更し、酸化アルミニウム蒸着膜の厚さを10nmに変更したこと以外は、実施例1と同じにして、ガスバリア性蒸着フィルムを得た。
プラスチック基材として厚さ12μmのバイオマス由来のPETフィルムを使用し、プラズマ前処理条件を150W・sec/m2に変更し、酸化アルミニウム蒸着膜の厚さを14nmに変更したこと以外は、実施例1と同じにして、ガスバリア性蒸着フィルムを得た。
前処理を行わないこと以外は、実施例1と同じにして、ガスバリア性蒸着フィルムを得た。
酸素ガス/Arガスの比率を、4/1にした以外は、実施例1と同じにしてガスバリア性蒸着フィルムを得た。
酸素プラズマ前処理の真空度圧力を50Paにした以外は、実施例1と同じにしてガスバリア性蒸着フィルムを得た。
プラズマ強度を、1200W・sec/m2にした以外は、実施例1と同じにしてガスバリア性蒸着フィルムを得た。
比較例1,2では、元素結合Al2O4Hのピークが小さすぎて基材界面側に隠れ、分離できなかった為に、該遷移領域の変成率が計算できない結果(0%以下の数値)となった。
そして、比較例1と2ではレトルト処理後の水蒸気バリア性が悪かったり、急激な剥離強度の劣化によりデラミネーションの発生が見られたりした。
上記各実施例又は比較例に示した条件下で製造したガスバリア性蒸着フィルムを測定用のサンプルとし、蒸着膜の遷移領域の変成率、酸素透過度、水蒸気透過度、及び密着強度について、下記の方法を用いて測定した。
本発明において、蒸着膜の遷移領域の変成率は、ガスバリア性蒸着フィルムのバリア性被覆層表面にCs(セシウム)イオン銃により一定の速度でソフトエッチングを繰り返しながら、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)を用いて、バリア性被覆層由来のイオンと、酸化アルミウム蒸着膜由来のイオンと、プラスチック基材に由来するイオンを測定することにより図4のグラフ解析図が得られる。ここで、グラフの縦軸の単
位(intensity)は、測定されたイオンの強度、横軸の単位(cycle)は、エッチングの回数である。
上記TOF−SIMSに用いられる飛行時間型二次イオン質量分析計としてはION TOF社製、TOF.SIMS5を用い、下記測定条件で測定を行なった。
(TOF−SIMS測定条件)
・一次イオン種類:Bi3++(0.2pA,100μs)、測定面積:150×150μm2
・Et銃種類:Cs(1keV、60nA)、Et面積:600×600μm2、Etレート:3sec/Cycle
なお、測定対象となる酸化アルミニウム由来のイオンを測定するためにイオン銃としては、通常、複数ある酸化アルミニウム由来のイオンの中から他の成分由来のイオンとの切り分けが必要であり、且つ十分な強度を有するものを選択する必要があること及び、特に元素結合Al2O4Hの濃度分布に近似換算できる深さ分布を得る目的から、本発明においては、Csイオンを選択することとした。
次に、測定された元素結合Al2O4H(質量数118.93)を表すグラフにおけるピークを求め、そのピークから界面までを遷移領域とし、求めることができる。
ただし、バリア性被覆層の成分がAl2O4H(質量数118.93)と同じ質量数の材料で構成させる場合、118.93の波形を分離する必要がある。
今回のケースでは、バリア性被覆層と酸化アルミ層の界面に、被覆層との界面に生じる反応物AlSiO4と、水酸化物Al2O4Hが生じるため、それらとフィルム界面に存在するAl2O4Hを分離する。これはバリア性被覆層の材料によって適宜対応する。
波形分離の方法例を以下に示す。
TOF−SIMSで得られた、質量数118.93のプロファイルを、Gaussian関数を用いて非線形のカーブフィッティングを行い最小二乗法Levenberg Marquardt アルゴリズムを使用して重複ピークの分離を行う。
以上の操作を行い、酸化アルミニウム蒸着膜の遷移領域の変成率を
(元素結合Al2O4Hのピークから界面までの遷移領域厚/酸化アルミニウム蒸着膜厚)×100(%)として求めた。
酸素透過度測定装置(モダンコントロール(MOCON)社製〔機種名:オクストラン(OX−TRAN)2/21〕)を用いて、測定のために作製したバリアフィルム/接着剤/ナイロンフィルム15μm/接着剤/CPP70μmの包装材料とし、酸素供給側がバリアフィルムの基材層面となるように上記試験用サンプルをセットし、23℃、90%RH雰囲気下の測定条件で、JIS K7126 B法に準拠して測定した。
測定サンプルとして、
1)レトルト処理前の複合積層フィルム
2)ハイレトルト処理条件:135℃、40分間の処理をした袋の状態にした包装材料の袋片面の包装材料
3)セミレトルト処理条件:121℃、40分間の処理をした袋の状態にした包装材料の袋片面の包装材料
を用いた。
水蒸気透過度測定装置(モコン(MOCON)社製の測定機〔機種名、パーマトラン(PERMATRAN)3/33〕)を用いて、センサー側がバリアフィルムの基材層面となるように上記試験用サンプルをセットし、40℃、100%RH雰囲気下の測定条件で、JIS K7126 B法に準拠し、測定した。
測定サンプルとして、
1)レトルト処理前の包装材料
2)ハイレトルト処理条件:135℃、40分間の処理をした袋の状態にした包装材料の袋片面の包装材料
3)セミレトルト処理条件:121℃、40分間の処理をした袋の状態にした包装材料の袋片面の包装材料
を用いた。"
バリアフィルムのバリアコート層側に2液硬化型ポリウレタン系接着剤を塗工し、乾燥処理したものと、厚さ70μmの無延伸ポリプロピレンフィルムに2液硬化型ポリウレタン系接着剤と厚さ15μmの延伸ナイロンフィルムと貼り合わせたフィルムとをドライラミネートし、包装材料を作製した。
上記包装材料を用いてB5サイズに作製した四方パウチに水100mLを注入し、135℃、40分間で熱水式レトルト処理(ハイレトルト処理)を行った。
該レトルト処理後、中身の水を抜いた四方パウチから15mm幅の短冊状にカットしたサンプルを作成した。このサンプルについて、引張試験機(株式会社オリエンテック社製[機種名:テンシロン万能材料試験機])を用いてJIS K6854−2に準拠し、バリアフィルムの基材層と酸化アルミウム蒸着膜との剥離強度を測定した。
なお、実施例4については、121℃、40分間で熱水式レトルト処理(セミレトルト処理)を行った。
測定は、まず、図7に示すように、基材層(PETフィルムまたはPBTフィルム)52と、無機酸化物蒸着層(酸化アルミニウム蒸着膜)53、バリアコート層54、中間層(延伸ナイロンフィルム)55およびヒートシール層(無延伸ポリプロピレンフィルム)56(以下、無機酸化物蒸着層53側とも称する)とを長辺方向において15mm剥離させた状態の矩形状の試験片60を準備した。
その後、図8に示すように、基材層52および無機酸化物蒸着層53側のうち既に剥離されている部分をそれぞれ、測定器のつかみ具61およびつかみ具62で把持した。また、つかみ具61,62をそれぞれ、基材層52と無機酸化物蒸着膜53とがまだ積層されている部分の面方向に対して直交する方向において互いに逆向きに(180°剥離:T字剥離法)、50mm/分の速度で引っ張り、安定領域(図9参照)における引張応力の平均値を測定した。
引っ張りを開始する際の、つかみ具61,62間の間隔Sは30mmとし、引っ張りを終了する際の、つかみ具61,62間の間隔Sは60mmとした。
図9は、つかみ具61,62間の間隔Sに対する引張応力の変化を示す図である。図9に示すように、間隔Sに対する引張応力の変化は、第1領域を経て、第1領域よりも変化率の小さい第2領域(安定領域)に入る。安定領域における引張応力の平均値を測定し、その値をバリアフィルムの基材層と酸化アルミウム蒸着膜との剥離強度とした。
水付け剥離強度は、以下に記載する点を除き、常態剥離強度を測定する方法と同様の方法によって測定した。水付け剥離強度の測定においては、試験片の基材層と無機酸化物蒸着層(酸化アルミニウム蒸着膜)側とを15mm引き剥がした上で、基材層と酸化アルミ
ニウム蒸着膜側との接着界面の剥離強度を測定した。
また、水付け剥離強度の測定においては、剥離強度の測定を行う際に、試験片の長手方向にそってみた場合における、基材層と酸化アルミニウム蒸着膜側とが接合を維持している部分と、基材層と酸化アルミニウム蒸着膜側とが引き剥がされている部分との境界部分にスポイトで水を滴下した状態で、測定を行った。
分光測色計(コニカミノルタ株式会社製[機種名:CM−700d)を用いて、測定用のサンプル1枚(基材層/酸化アルミニウム蒸着膜/バリアコート層)のL*a*b*表色系におけるL*値、a*値およびb*値を測定した。
2 基材層
3 無機酸化物蒸着膜層
4 バリア性被覆層
5 バリア積層体
6 シーラント層
S プラスチック基材
P プラズマ
10 ローラー式連続蒸着膜成膜装置
12 蒸着膜成膜装置、減圧チャンバ
12A 被蒸着基材搬送室
12B プラズマ前処理室
12C 蒸着膜成膜室
14 a〜d ガイドロール
15 巻き取りローラー
18 原料ガス揮発供給装置
20 前処理ローラー
21 マグネット
22 プラズマ供給ノズル
23 成膜ローラー
24 蒸着膜成膜手段
31 電力供給配線
32 電源
35a〜35c 隔壁
52 基材層
53 無機酸化物蒸着層
54 バリアコート層
55 中間層
56 ヒートシール層
60 試験片
61、62 つかみ具
Claims (23)
- 樹脂フィルムからなる基材層と、酸化アルミニウムを主成分とする無機酸化物蒸着膜層と、バリア性被覆層とを含む、ガスバリア性蒸着フィルムであって、
前記無機酸化物蒸着膜層は、前記基材層上に形成されており、
前記無機酸化物蒸着膜層中には、Al2O4Hで表される物質が分布し、
前記バリア性被覆層と前記無機酸化物蒸着膜層とをTOF−SIMSを用いてエッチングを行うことで得られる前記無機酸化物蒸着膜層の、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)における最大強度比Al2O4H/Al2O3が、0.20以上、0.65以下であり、
前記バリア性被覆層は、前記無機酸化物蒸着膜層の、基材層とは反対側の表面上に、隣接して積層されており、金属アルコキシドと、水酸基含有水溶性樹脂とを含む樹脂組成物から形成されたものである、ガスバリア性蒸着フィルム。 - 前記最大強度比Al2O4H/Al2O3が、前記無機酸化物蒸着膜層と前記樹脂フィルムとの界面中心から、前記無機酸化物蒸着膜層側の0nm以上、6nm以下の深さ位置で示される、請求項1又は2に記載の、ガスバリア性蒸着フィルム。
- 前記酸化アルミニウムを主成分とする無機酸化物蒸着膜中には、前記樹脂フィルムからなる基材の表面と前記酸化アルミニウムを主成分とする無機酸化物蒸着膜との密着強度を規定する遷移領域が形成されており、
該遷移領域は、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)を用いてエッチングを行うことで検出される、水酸化アルミニウムに変成する元素結合Al2O4Hを含み、
前記バリア性被覆層と前記酸化アルミニウム蒸着膜とをTOF−SIMSを用いてエッチングを行うことで規定される前記酸化アルミニウム蒸着膜に対する、TOF−SIMSを用いて規定される該変成される前記遷移領域の割合により定義される遷移領域の変成率が、5%以上、60%以下である、請求項1に記載の、ガスバリア性蒸着フィルム。 - 前記樹脂フィルムの表面が、酸素プラズマ処理面である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のバリア性積層フィルム。
- 酸素プラズマ処理面にインラインで酸化アルミニウム蒸着膜が積層された、請求項1〜4の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルム。
- 前記樹脂フィルムが、含水率を0.1質量%以上、0.33質量%以下とした樹脂フィルムである、請求項1〜5の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルム。
- 前記樹脂フィルムが、含水率を0.1質量%以上、0.22質量%未満とした樹脂フィルムである、請求項1〜5の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルム。
- 前記樹脂フィルムが、含水率を0.22質量%以上、0.33質量%以下とした樹脂フィルムである、請求項1〜5の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルム。
- 前記樹脂フィルムが、ポリエチレンテレフタレートフィルムである、請求項1〜8の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルム。
- 前記樹脂フィルムが、リサイクルポリエチレンテレフタレートフィルムを含む、請求項1〜8の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルム。
- 前記樹脂フィルムが、ポリブチレンテレフタレートフィルムである、請求項1〜8の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルム。
- 前記樹脂フィルムが、バイオマス由来のポリエステルフィルムである、請求項1〜8の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルム。
- 前記樹脂フィルムが、高スティフネスPETフィルムである、請求項1〜8の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルム。
- 請求項1〜13の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルムと、シーラント層とを含む、ガスバリア性積層体。
- 請求項14に記載のガスバリア性積層体から作製された、ガスバリア性包装材料。
- 請求項15に記載のガスバリア性包装材料から作製された、ガスバリア性包装体。
- レトルト殺菌用包装に用いられる、請求項16に記載のガスバリア性包装体。
- 請求項1〜13の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルムの、品質管理方法であって、
加熱処理を行うことによって、該最大強度比Al2O4H/Al2O3を0.20以上、0.65以下に調節することを特徴とする、ガスバリア性蒸着フィルムの品質管理方法。 - 前記加熱処理は、酸素濃度が18%以上、25%以下の雰囲気下で行われることを特徴とする、請求項18に記載の、品質管理方法。
- 請求項18または19に記載の品質管理方法を適用して、請求項1〜13の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルムを製造することを特徴とする、ガスバリア性蒸着フィルムの製造方法。
- 前記バリア性被覆層を、塗布、乾燥、硬化によって形成することを特徴とする、請求項1〜13の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルムの製造方法。
- 請求項1〜13の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルムの、製造方法であって、
樹脂フィルムからなる基材層の表面に、物理蒸着法により無機酸化物蒸着膜層を形成し、
該無機酸化物蒸着膜層の上に、金属アルコキシドと水酸基含有水溶性樹脂とを含む樹脂組成物を塗布および乾燥することによって、塗布膜を硬化してバリア性被覆層を、形成および積層し、
該物理蒸着法は、該バリア性被覆層と該無機酸化物蒸着膜層とをTOF−SIMSを用いてエッチングを行うことで得られる、該無機酸化物蒸着膜層の飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)における最大強度比Al2O4H/Al2O3が、0.20以上、0.65以下であるAl2O4Hで表される物質が分布する該無機酸化物蒸着膜層を形成する物理蒸着法であることを特徴とする、ガスバリア性蒸着フィルムの製造方法。 - さらに、前記バリア性被覆層の積層後に、前記ガスバリア性蒸着フィルムに加熱処理を行うことを特徴とする、請求項1〜13の何れか1項に記載のガスバリア性蒸着フィルムの製造方法。
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