JP2023516481A - 包装用のラミネートされた金属シートを製造する方法及びそれにより製造された包装用のラミネートされた金属シート - Google Patents

包装用のラミネートされた金属シートを製造する方法及びそれにより製造された包装用のラミネートされた金属シート Download PDF

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Abstract

本発明は、包装用のラミネートされた金属シートを製造する方法及びそれにより製造された包装用のラミネートされた金属シートに関する。

Description

本発明は、包装用のラミネートされた金属シートを製造する方法及びそれにより製造された包装用のラミネートされた金属シートに関する。
包装用のラミネートされた金属シートは、金属シートと、金属シートの少なくとも片面を覆うラミネート層とを含む。このようなラミネートされた金属シートは、ラミネート層を金属シートにラミネートすることによって製造される。ラミネート層が少なくとも部分的にポリエステルを含む場合には、ラミネート層は、i)ラミネート層を金属シートに熱接着すること、又はii)ラミネート層と金属シートとの間に接着促進剤を使用すること、又はiii)接着層を含むラミネート層を使用することによって金属シートに適用される。ラミネート層を、インラインで製造し、統合されたラミネート工程において金属シートにラミネートしてもよく、又は事前に製造されたラミネート層を、別個のラミネートプロセスの工程において金属シートにラミネートしてもよい。
ラミネート層を金属シートにラミネートする前にラミネート層を製造する方法は、すべてではないにしてもほとんどの場合には、厚いキャストフィルムを薄いラミネート層に延伸することによって製造し、多くの場合、金属シートへのラミネート中のラミネート層の収縮を避けるためのアニーリング(熱固定)段階が続く。ほとんどの延伸ラミネート層では、フィルムが二軸延伸されたか一軸延伸されたかに応じて、ポリマー分子は二軸配向又は一軸配向のいずれかになる。ラミネート層が横断方向(transverse direction)に延伸された場合には、熱固定は特に重要である。
最も一般的に使用されるラミネート層は、二軸延伸(又は二軸配向(BO))されており、ラミネート層は、機械方向(MD)及び機械方向に対して垂直な方向(幅方向又は横断方向(TD))において同じくらいの配向度を有する。半結晶性ポリエステル、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)及びポリブチレンテレフタレート(PBT)並びにそれらのブレンドに基づく、鋼基材上にラミネートされたBOラミネート層の例は、EP0312304に開示されている。ほとんどの場合、BOラミネート層は機械方向(MD)及び横断方向において同じ程度まで延伸される。これは一般に、ポリマー鎖の配向の面内均一性がより高い材料をもたらす。
ラミネート層の別の種類の延伸は、米国特許第9346254B2号に開示されている一軸延伸である。金属基材の片面又は両面に機械方向配向(MDO)ラミネート層が設けられる。熱固定を行わないと、この一軸延伸により、延伸方向においてポリマー鎖の強い配向を保持するラミネート層が得られる。ラミネート層はまた、横断方向において一軸延伸されていてもよく(TDO)、横断方向におけるポリマー鎖の強い配向をもたらす。MDO及びTDOラミネート層の両方において、両方の面内方向(MD及びTD)におけるラミネート層の特性は異なる。
熱固定なしでMDOラミネート層を使用する場合の欠点は、ラミネート中のMDOラミネート層の皺及び収縮に関する安定性が、熱固定された一軸又はBOラミネート層の安定性よりも低いことである。一方で、熱固定されたラミネート層はより高価であり、事前に準備されたフィルムとしてのみ入手可能である。したがって、この場合、ラミネートプロセスとラミネート層の製造との統合は実用的ではない。さらに、ポリエステル、例えば、PET及びPBT並びにそれらのブレンドに基づく熱固定されたBOラミネート層を製造するための設備は、多額の出費を必要とし、ラミネートの組成又はレシピの変更に対して柔軟性がない。
加熱された金属シートへのラミネート層の熱接着は、少なくとも金属基材の表面におけるラミネート層の再溶融による残留配向を低減又は排除する。残留配向が十分に低減されないと、ラミネートされた金属シートの成形性、耐食性及び外観が不十分となることが知られている。したがって、ラミネートされた金属シートにおけるラミネート層の残留配向を評価することは、顧客に高品質のラミネートされた金属シートを保証するために最も重要である。
ラミネート層における残留配向を確認する通常の手順には、引張強度測定(WO1997030841)、複屈折(US5753328)及び広角X線散乱(WAXS)(JP2011008170)が含まれるが、これらは、金属シートを溶解させることにより、ラミネートされていた金属シートからラミネート層を取り出した後のラミネート層の分析にのみ適している。
したがって、これらの方法は、製造物としてのラミネートされた金属シートの分析には適していない。さらに、複屈折は、再現性の問題を引き起こす可能性があるポリマー微結晶のサイズに対する複屈折の感度のために、透明フィルムの評価にのみ適している。偏光ラマン分光法は、ラミネートされた金属シートの半結晶性ポリマーの評価に使用され得る(US20160257099)。しかしながら、半結晶性ポリマーに偏光ラマン光を使用することは、散乱の問題があるため、透明(非着色)ポリマーフィルム/コーティングの品質管理にのみ適している(Technical Note AN-922, 2001, W.M. Doyle, Axiom Analytical)。さらに、これらの方法は非常に時間がかかり、完了するまでに数日又は数週間かかり、サンプルの準備にはかなりの労力が必要である。評価の結果がわかるのは、ラミネートされた金属シートの製造プロセスの完了後しばらくしてからであるため、これらの期間及び準備は、連続生産ラインとは互換性がない。したがって、望ましくない残留配向を特定した場合の迅速な対応は不可能であり、かなりの量の不合格材料につながる可能性がある。
本発明の目的は、ラミネート層の残留配向が低く制御されているか又は残留配向がない、ラミネートされた金属シートを製造する方法を提供することである。
本発明の目的はまた、ラミネート層の残留配向が少ないか又は全くなく、不合格材料の量が少ない、ラミネートされた金属シートを製造する方法を提供することである。
本発明の目的はまた、不合格材料の量を減らすために残留配向の程度を迅速に決定する方法を提供することである。
本発明の目的はまた、配向度の低いラミネートされた金属シートを提供することである。
本発明の第1の態様において、1又は2以上の目的が、包装用のラミネートされた金属シート(9)を製造する方法であって、
前記ラミネートされた金属シートが、金属シート(1)と、前記金属シートの少なくとも片面を覆うラミネート層(3a)とを含み、
前記ラミネート層(3a)が、ポリエステルを50質量%以上含む単層、又はそれぞれがポリエステルを50質量%以上含む複数の層(3a’,3a’’,3a’’’)を含み、
前記金属シート(1)にラミネートされる前の前記ラミネート層(3a)が、一方向に優先的な分子配向(preferred molecular orientation)を有し、前記金属シート(1)にラミネートされる前の前記ラミネート層(3a)の第1及び第2のATR-FTIRスペクトル間のユークリッド距離行列D(Euclidean distance matrix D)の値が少なくとも0.20(すなわち、0.20以上)であり、
前記金属シートにラミネート後の前記ラミネート層の第1及び第2のATR-FTIRスペクトル間のDの値が、0.10以下であり、
第1のスペクトルが、前記ラミネートされた金属シートの機械方向に対して平行又は垂直な入射IRビームを使用してATR-FTIR分光計で測定され、
第2のスペクトルが、前記ラミネートされた金属シートを70~110°から選択された角度αで、ラミネート層と同一平面内において回転させた後に前記分光計で測定され、
ATR-FTIRスペクトルが、1160~1520cm-1を含むスペクトル範囲で測定される、前記方法によって達成される。
WO2017102143には、コーティングラインにおいて金属ストリップの主面にポリエステルフィルムをラミネートする方法であって、フィルムの張力、ライン速度及びポリエステルフィルムの降伏応力の適切な組み合わせを選択することによって、ラミネート中にポリエステルフィルムの折り目及び皺を防止することに重点が置かれている方法が開示されている。
WO2019110616には、ブリキに複数の細いポリマーストリップをラミネートすることにより、3ピース缶用のポリマーコーティングされた鋼シートを製造する方法が開示されている。
WO2017102143及びWO2019110616のいずれにも、ラミネート後に低結晶性又は非晶性のポリマーフィルムを達成することを意図したラミネート後の後加熱工程の使用が開示されているが、いずれにも結晶化度のレベルを迅速に決定する方法が開示されていない。時間のかかるオフラインの方法、例えば、X線回折、密度測定及びDSC法のみが一般的な用語において記載されている。
第1及び第2のATR-FTIRスペクトル間のユークリッド距離行列Dは、角度αの選択に依存する。したがって、角度αを特許請求の範囲に記載の範囲において選択する必要があり、比較可能で明確な結果を得るために、ラミネート層の第1及び第2のATR-FTIRスペクトルを比較するときは、同じ角度を使用する必要がある。
ラミネートされた金属シートの機械方向(MD)は、金属シートの圧延方向(RD)及びラミネートプロセスにおける金属シートの移動方向と同一である。
好ましくは、第1のスペクトルは機械方向における配向で測定され、第2のスペクトルは70~110°で選択された角度で回転させた後に測定される。或いは、第1のスペクトルは機械方向に対して垂直な配向で測定され、第2のスペクトルは70~110°で選択された角度で回転させた後に測定される。
Dの値がゼロであるとは、第1及び第2のスペクトルが観測された範囲領域で一致し、2方向におけるポリマーコーティングの配向に違いがないことを意味する。D>0の値は、ラミネート層における残留配向の存在を示す。最大0.10(すなわち、0.10以下)であるDの許容レベルは、参照サンプルに基づいて決定される。Dの値が0.20である場合には、2つのスペクトル間に大きな差があり、これは、ラミネート層のポリマー鎖の配向が2方向で異なることを意味する。少なくとも0.30又は少なくとも0.40であるDの値において、差はますます顕著になり、したがって、配向度の差もより顕著になる。
本発明は、金属シートにラミネートする前のラミネート層が、圧延方向及び横断方向(TD)における配向に明確な違いを有する場合に適用可能である。ラミネート前に両方の方向における配向が同じである場合には、ラミネート前のDは低くなる可能性がある。これは、RD及びTDにおいて同じ程度まで延伸された二軸配向ラミネート層と、中間の固化及び延伸なしで金属に直接ラミネートされた押出ラミネート層との場合である。
本発明は、ラミネート層が機械方向にのみ又は横断方向にのみ延伸される場合に特に適用可能である。
好ましい実施形態は、従属請求項2~14によって提供される。
図1は、工業用連続コーティングラインを示す概略図である。 図2は、2つのスペクトル間の距離を示す概略図である。 図3は、CS1-上についての不良サンプルに関するスペクトルを示す図である。 図4は、TS1-上についての良好なサンプルに関するスペクトルを示す図である。 図5は、CS2-上についての不良サンプルに関するスペクトルを示す図である。 図6は、TS2-上についての良好なサンプルに関するスペクトルを示す図である。 図7は、CS2-下についての不良サンプルに関するスペクトルを示す図である。 図8は、TS2-下についての良好なサンプルに関するスペクトルを示す図である。 図9は、ラミネート前の機械方向配向フィルムPET5に関するスペクトルを示す図である。 図10は、TS3-上についての良好なサンプルに関するスペクトルを示す図である。 図11は、ラミネートされた金属シートの構成を示す図である。 図12は、本発明による方法の図式的解釈を示す図である。
本発明は、連続コーティングラインにおいて、ラミネートされた金属シートを製造する方法であって、以下の工程:
金属シートを準備する工程;
金属シートの少なくとも片面にコーティングするための、第1及び第2のATR-FTIRスペクトル間のユークリッド距離行列Dが0.20以上であるラミネート層(3a)を準備する工程;
ラミネート層(3a)を金属シート(1)にラミネートして、ラミネートされた金属シート(9)を製造する工程;
ラミネートされた金属シート(9)を、ラミネート層(3a)を溶融するのに十分高い温度まで後加熱する工程;
後加熱されたラミネートされた金属シート(9)を冷却、好ましくは急速冷却して、ラミネート層(3a)の第1及び第2のATR-FTIRスペクトル間のユークリッド距離行列Dが0.10以下であるラミネートされた金属シート(9)を製造する工程
を含む、方法において具体化される。
好ましい実施形態において、金属シートにコーティングするためのラミネート層は、1又は2以上の層からなり、かつ、以下の工程:
1又は2以上の層を形成するために、1又は2以上の押出機において熱可塑性ポリマー顆粒を溶融する工程;
1又は2以上の溶融したポリマーを、フラット(共)押出ダイ及び/又は2若しくは3以上のカレンダーロールに通すことによって、2又は3以上の層からなる熱可塑性ポリマーフィルムを形成する工程;
場合により、
熱可塑性ポリマーフィルムを冷却して、固体の熱可塑性ポリマーフィルムを形成する工程;
場合により、熱可塑性ポリマーフィルムの端部をトリミングする工程;
長手方向にのみ延伸力を作用させることにより、延伸ユニット内で固体のポリマーフィルムを延伸して、固体の熱可塑性ポリマーフィルムの厚みを減少させる工程;
場合により、延伸した熱可塑性ポリマーフィルムの端部をトリミングする工程
によって製造される。
一実施形態において、本発明による方法は、後加熱及び冷却後のラミネート層のユークリッド距離行列Dが0.10を超える場合に、連続コーティングラインにおけるプロセスパラメータ、例えば、連続コーティングラインの後加熱セットポイント(post-heat set-point)(T2)及びライン速度(v)の一方又は両方を調整するために使用される。Dがこの閾値を超えるとすぐに、配向度が過度に大きくなり、製造物の性能が低下する可能性が高くなり、材料の不合格又はより価値の低い製造物への再分類(declassification)をもたらす。従来技術と比較した本発明による方法の速度は、不合格の量を大幅に削減可能であることを保証する。
一実施形態において、金属シートは鋼シートであり、好ましくは、鋼は、コーティングされていない冷間圧延鋼、ブリキ、ECCS(別名TFS)、TCCT、亜鉛めっき鋼又はアルミめっき鋼であり、好ましくは、熱可塑性ポリマーフィルムは、単層又は多層のポリエステル又はポリオレフィンのポリマーフィルムである。
一実施形態において、1又は2以上の熱可塑性ポリマーフィルムは、二軸配向ポリマーフィルムである。
一実施形態において、1又は2以上の熱可塑性ポリマーフィルムは、一軸配向ポリマーフィルムである。
好ましい実施形態では、ラミネート層を金属シートにラミネートして、連続ラミネートプロセスを中断することなくラミネートされた金属シートを製造する。
一軸又は二軸配向ポリエステル系フィルムのラミネートによって得られるラミネートされた金属シートのポリマーコーティング中の残留配向をラインにおいて(at-line)モニターする方法は、以下の工程:
a.ラミネートされた金属シートのサンプルを入手する工程;
b.ラミネートされた金属シートの圧延方向が、分光計の赤外光源からATR結晶への赤外光の入射面に対して平行になるように、ATR-FTIR分光計のATR検出器にサンプルを配置する工程;
c.少なくとも周波数範囲1160~1520cm-1にわたって反射率プロファイルを記録する工程;
d.フーリエ変換を使用して、この周波数範囲におけるサンプルの第1のATR-FTIRスペクトルを生成する工程;
e.ラミネートされた金属シートのサンプルを、サンプル表面の法線に対して垂直な平面内において70~110°から選択された角度αで回転させ、工程c及びdを繰り返して、第2のATR-FTIRスペクトルを生成する工程;
f.2つのスペクトル間のユークリッド距離行列Dで表されるスペクトル距離(spectral distance)を計算することによって、少なくとも1160~1520cm-1の周波数範囲における第1及び第2のスペクトル間の相関を数学的に比較する工程
を含む。
Dの値がゼロであるとは、第1及び第2のスペクトルが観測された範囲領域で一致し、2方向におけるポリマーコーティングの配向に違いがないことを意味する。D>0の値は、ラミネート層における残留配向の存在を示す。最大0.10であるDの許容レベルは、参照サンプルに基づいて決定される。Dの値が0.20である場合には、2つのスペクトル間に大きな差があり、これは、ラミネート層のポリマー鎖の配向が2方向で異なることを意味する。
全反射赤外分光法(ATR-FTIR)では、低屈折率の物質(サンプル)を、高屈折率の物質、例えば、ゲルマニウム又はダイヤモンドの結晶と接触させる。高屈折率の物質を通じて照射された中赤外光は、2つの物質の界面で全反射する。次いで、反射したIR光は、IR検出器によって収集され、フーリエ変換によって数学的に処理され、ATR-FTIRスペクトルが得られる。ATR-FTIRスペクトルには、(例えば、FTIRライブラリデータベースを使用して)特定の化学組成に直接割り当て可能な、強い特徴を有する再現性のあるバンドが含まれているため、物質の表面層(通常は1~2μm)の化学組成に関する情報が得られる。サンプルに入る前のIR光は、少なくとも部分的に偏光している(追加の偏光子を使用するか、又は単に高屈折率の物質を通過した後)。IR光の偏光のために、ポリマーの分子双極子との相互作用は、ポリマー分子の配向に依存する。ラミネート層に残留配向が存在する場合には、スペクトルはATR結晶とサンプルとの角度に依存する。サンプルが残留配向を有しない場合には、ATR-FTIRスペクトルは、ATR結晶及びサンプル間の角度に依存しない。
従来技術における残留配向の測定におけるいくつかの制限は、例えば、全反射-フーリエ変換赤外分光計(ATR-FTIR)の場合、ラミネートされた金属シートに部分的に偏光した赤外光を照射し、次いで、反射した赤外光を収集及び分析することによって克服される。この方法は、配向マーカーとして使用される成分のうちの1つであるATR-FTIRスペクトルにおける二色性のIRバンド(dichroic IR band)を使用する。二色性のIRバンドのバンド強度は、入射する偏光赤外光に対するポリマー鎖の配向に大きく依存する。例えば、ラミネートされた金属シートのIR検出器に対する2方向における、二色性のIRバンドの強度を比較することによって、配向度を評価することができる。等方性(isotropic)のラミネート層の場合には、二色性のIRバンドのバンド強度は、ラミネートされた金属シートのサンプルのIR検出器に対するすべての位置で同じになる。通常、二色性のIRバンドの強度は、サンプル表面の欠陥等を補正するために、非二色性のIRバンドの強度に対して正規化される。ポリエチレンテレフタレート(PET)を含むポリマーコーティング及びそのブレンドを含むポリマーコーティングの場合には、配向度は通常、PETのCH部分のトランス形態(1340cm-1、JP2003127307)又はゴーシュ形態(1043cm-1、JP2002160721)に割り当てられた二色性ピークの強度に従い、次いで、1410cm-1の非二色性IRバンド(PETベンゼン環の面内変角振動)に対して正規化されて評価される。このアプローチの限界は、PETの場合では、ポリエステルブレンド全体ではなく、ただ1つの成分(配向マーカー)の挙動に基づいて半結晶性ポリマーブレンドの全体的な表面配向を評価することである。さらに、この方法は、十分に分解された二色性のIRバンドの存在に大きく依存するが、多くの場合、IRバンドはいくつかの別個のバンドの重ね合わせであるため、いつでも当てはまるというわけない。そのため、ポリエステルの新しい各ブレンドの分析では、それらがPETに基づいていないか、又はPETをほとんど含んでいない場合には、完全に異なる二色性のIRバンドが必要になる場合がある。二色性のIRバンド強度の単純な分析では、ATR-FTIR分光計に関して異なる位置にあるサンプルの二色性のIRバンドの形状又はスペクトル位置の変化も無視される。
これらの問題は、例えば、全反射-フーリエ変換赤外分光計(ATR-FTIR)の場合、部分的に偏光した赤外光を照射し、収集することによる、本発明の方法によって克服される。部分的に反射された偏光赤外光を照射及び収集することにより、
本発明者らは、金属シートにラミネートされた半結晶性ブレンドの配向が、サンプルの法線に対して設定された角度で回転したラミネートされた金属シートサンプルの2つの異なる方向において測定される特定の周波数範囲(1160~1520cm-1の範囲を包含するが必ずしも限定されない)における2つのATR-FTIRスペクトルを比較することによって決定され得ることを見出した。
好ましい周波数範囲は1160~1520cm-1である。サンプルの2つの方向の間の回転角度αは、好ましくは約90°である。2つのATR-FTIRスペクトルの測定に基づいて残留配向を評価するこのような方法の利点は、PET及び/又はPBT系ポリエステルのブレンド、コポリエステル並びにブレンドの幅広い範囲に対して実行可能であることである。このアプローチは、複屈折測定と同様の情報を提供するが、ポリマー微結晶のサイズに関係なく、ラミネートされた金属シートにおいても測定を実行することができるという利点がある。さらに、このアプローチでは、異なる位置に配置されたポリマーコーティングサンプルのIRバンドの強度の変化だけでなく、様々なIRバンドの形状又はスペクトル位置(シフト)に対するサンプル位置の影響も考慮される。
本発明によるラミネートされた金属シートは、金属シートの片面又は両面にラミネート層を備えることができる。後者の場合、ラミネート層(図1の3a,3b)は、組成、厚み又は構成に関して同一であってもよいし、異なっていてもよい。
一実施形態において、本発明によるラミネートされた金属シートは、0.00~0.07の範囲である、ラミネート層の2つのATR-FTIRスペクトル間のユークリッド距離行列Dを有する。Dの値が小さいほど、2つのスペクトルの差が小さくなり、ラミネート層の配向度が小さくなる。好ましい実施形態において、ラミネート層の2つのATR-FTIRスペクトル間のユークリッド距離行列Dは、0.00~0.05であり、より好ましくは、Dは最大0.03である。
本発明によるラミネート層は、少なくとも50%のポリエステルを含む熱可塑性単層/多層半結晶配向フィルムである。好ましくは、ラミネート層は、半結晶性ポリエステル又はポリエステルのブレンド、特にPET、PETg、IPA-PET、CHDM-PET及びPBT(任意の比率)に基づく半結晶性ポリエステル又はポリエステルのブレンドを含む。ラミネート層中のポリエステルの総量は、少なくとも60%以上であることが好ましい。好ましくは、その量は少なくとも70%、より好ましくは少なくとも80%、より一層好ましくは少なくとも90%又は少なくとも95%である。
金属シートは、金属シート、例えば、冷間圧延鋼、ブリキ原板、ブリキ、ECCS、TCCT(登録商標)、亜鉛めっき鋼、アルミニウム又はアルミニウム合金等の群から選択される。金属シートは、コイル状の形態で供給されることが好ましい。ラミネートされた金属シートもまた、金属シート又はブランクの形態で顧客に供給可能であるが、コイル状の形態で供給されることが好ましい。
一実施形態において、ラミネート層は、包装、例えば、容器又は缶の内側となる金属シート面に少なくとも適用され、ラミネート層におけるポリエステルは、少なくとも70mol%のエチレンテレフタレート単位を含む。好ましくは、ラミネート層は、少なくとも80mol%又は少なくとも85mol%のエチレンテレフタレート単位を含む。
一実施形態において、ラミネート層は、包装、例えば、容器又は缶の内側となる金属シート面に少なくとも適用され、ラミネート層におけるポリエステルは、少なくとも85mol%のブチレンテレフタレート単位を含む。
一実施形態において、ラミネート層は、包装、例えば、容器又は缶の内側となる金属シート面に少なくとも適用され、ラミネート層におけるポリエステルは、ポリエチレンテレフタレート(PET)及びポリブチレンテレフタレート(PBT)のブレンドを含み、好ましくは、PETのPBTに対する比が60:40又はそれ以上である。好ましくは、比は70:30である。
一実施形態において、ラミネート層は、包装、例えば、容器又は缶の内側となる金属シート面に少なくとも適用され、ラミネート層におけるポリエステルは、85mol%のエチレンテレフタレート単位を含むポリエステルと、少なくとも85mol%のブチレンテレフタレート単位を含むポリエステルとのブレンドの少なくとも85mol%を含む。
本発明の第2の態様によれば、本発明による包装用のラミネートされた金属シートが請求項15において提供される。
本発明を説明するために、ラミネートされた金属シートを製造した。いずれの場合も、金属シートの両面に熱可塑性ポリマーのラミネート層が設けられている。金属シートは、一般に電解クロムめっき鋼(「ECCS」)と呼ばれる低炭素の冷間圧延された包装用鋼であり、金属クロムと酸化クロムの層とにより両面が電解コーティングされ、各面におけるクロムの総量は約90mg/mである。
表1のポリエステルフィルムを使用して、比較サンプル及び試験サンプルを製造した。
Figure 2023516481000002
図1に概略的に示す熱接着プロセスによって、フィルムPET1~PET6をECCSストリップにラミネートした。金属ストリップ(1)は、第1の加熱装置(2)を通過し、そこで、金属ストリップの温度は、ラミネートに適した予熱温度T1まで上昇する。フィルムのコイル(3a,3b)は同時に巻き戻され、予熱された金属ストリップと一緒に一対のラミネートローラ(4a,4b)を通過する。ラミネートされた製造物(5)は、第2の加熱装置(6)を通過し、そこで、ラミネートされたストリップの温度は後加熱温度T2まで上昇する。第2の加熱装置の後、ラミネートされた製造物は、急冷装置(7)を通過することにより室温まで急冷される。第1の加熱装置において金属ストリップを予熱する方法は特に限定されず、ストリップを加熱されたロール上に通すこと、伝導加熱、誘導加熱、放射加熱等を含むことができる。第2の加熱装置において、ラミネートされた製造物を後加熱する方法は、好ましくは、非接触的方法、例えば、高温ガス環境における加熱又は誘導加熱である。急冷装置における急冷の方法は、特に限定されず、冷風を当てること、冷水浴を通過させること等を含み得る。次いで、ラミネートされた製造物は、乾燥ローラ(8a,8b)を通過し、その後、サンプルのATR-FTIRプロファイルを取得するためにサンプルが収集される。
表2は、広範囲のポリエステルフィルム組成について残留配向を測定するための記載されたATR-FTIR方法論の適用性を実証するために作製された比較サンプル(「CS」)及び試験サンプル(「TS」)を特定する。表2には、これらのサンプルを取得するために使用される対応する処理条件もまた特定されている。TS3サンプルの場合には、後加熱されない又は後加熱温度が低い対応する比較サンプルを、処理中の剥離(delamination)のために製造することができなかった。ラミネート前のPET5フィルムで得られたデータとTS3のデータを比較した。
Figure 2023516481000003
サンプルの製造後、ATR-FTIRスペクトルを記録し、MDOフィルム(PET1,PET3,PET4,PET5)を含む面に対するスペクトル距離Dを導出した。得られたスペクトル距離Dに基づいて、以下に説明するように、金属-ラミネート材料の品質の良し悪しを分類した。次いで、ポリマーコーティングされた金属ストリップのATR-FTIRによって得られた分類結果を、(ポリマーコーティングされた金属ストリップのサンプルについての)製造物の性能試験の結果及びPET5フィルム又は(塩酸により金属を除去した後の)独立の(free-standing)ラミネートフィルムのDSC及び引張強度測定の結果と比較した。
ラミネートされた金属シートのサンプルを7.5×7.5cmのパネルとして切断した。所定の固定入射角45°を有するダイヤモンド結晶を備えたBruker Tensor II ATR-FTIR分光計を使用して、ATR-FTIRスペクトルを記録した。1160~1520cm-1、分解能0.4cm-1で16回のスキャンを使用して、ATR-FTIRシグナルを記録した。実際のATR-FTIRスペクトルを記録する前に、バックグラウンドシグナルを記録した。PET5フィルムのデータと比較されるTS3サンプルの場合には(対応するあまり後加熱されていないフィルムが製造されなかったため)、所定の固定入射角42°を有するZnSe結晶を備えたThermo Scientific Nicolet 650 iS10 ATR-FTIR分光計を使用して、ATR-FTIRスペクトルを記録した。その場合には、同じく0.4cm-1の分解能で8回のスキャンを収集した。
各サンプルについて、2つのスペクトルを記録した。スペクトル1は、分光計の赤外光源からATR結晶への赤外光の入射面に対して垂直であるサンプル圧延方向(これは、連続コーティングラインの機械方向(MD)と同一である)で記録され、スペクトル2は、金属ラミネートサンプルをサンプル面内で90°回転させた後に記録された。
1160~1520cm-1のスペクトル範囲でベクトル正規化(表面欠陥による強度の差を補正するため)後に、スペクトル距離Dを計算することによって、スペクトル1及びスペクトル2の数学的比較を行った。計算されたスペクトル距離Dは、2つのスペクトル間のユークリッド距離行列である。計算されたユークリッド距離行列は、0(スペクトルの完全な一致)~2(スペクトルの完全な不一致)の範囲になり得る。閾値として、既知の良好なサンプル及び不良サンプルの結果を比較することにより、D=0.10を特定した。
Dを計算するために以下の式を使用した。
Figure 2023516481000004
式中、a(k)及びa(k)は、aスペクトル及びbスペクトルの縦座標の値である。合計には、すべての選択されたkのデータポイントが組み込まれる。図2は、2つの曲線の概略的な例を示す。スペクトル距離Dは、2つの正弦曲線の間の灰色面積に比例する。
スペクトル距離Dを決定する前に、データを前処理する必要がある。そうすることにより、Dの値は、0(等しいスペクトル)~2(スペクトル間の最大の不等性)の間にある。この前処理は、最初にスペクトルの平均y値を計算し、選択したスペクトル範囲内のデータポイントのみを使用する正規化プロセスである。次いで、計算した平均値をスペクトルから減算する。これにより、スペクトルはy=0を中心に配置される。これに続いて、すべてのy値の平方和を計算し、それぞれのスペクトルをこの平方和で除算する。得られたスペクトルのベクトルノルムは1である。
Figure 2023516481000005
正規化したスペクトルをn次元空間で表し、nが選択されたデータポイントの数である場合、すべてのスペクトルは単位球(半径1の座標原点の周りのn次元球)上に存在する。2つのスペクトル間の最大距離は、単位球の直径、すなわち、(D=)2である。2つのスペクトルのすべてのポイントが単位球上で重なっている場合の最小距離、すなわち、Dは0(D=0)である。
ポリマーフィルムの熱特性(Tg、Tm、配向誘起性のバルク結晶化度(orientation-induced bulk crystallinity))をDSCによって決定した。Mettler Toledo DSC821e機器を使用し、10℃/分の加熱速度で動作させて、スペクトルを記録した。DSCには、ラミネートされた金属シートから得られた独立のフィルムを分析することが必要である。ラインからの金属-ラミネートのサンプルを18%塩酸に入れて金属基材を溶解させることにより、独立のポリマーフィルムを得た。金属基材の溶解後、ポリマーフィルムを完全にすすぎ、乾燥させた。他の場所で詳細に説明されているように、最初の加熱実行中に記録された再結晶熱及び熱溶融から結晶画分を決定した。配向誘起性の結晶化度の値は、比率:
Figure 2023516481000006
[式中、ΔHは観測された再結晶ピークの面積であり、ΔHは観測された溶融ピークの面積であり、ΔHは溶融エンタルピーであり、100%結晶性PETのΔHは、115.0J/gであるとみなし(J. Brandrup, E. H. Immergut, E. A. Gruike et al, Polymer Handbook, Wiley Interscience, 4th ed (1999), Section VI, Table 7)、結晶性PBTのΔHは、結晶性PETと同じであるとみなす。]
から計算された。ラミネートされた金属シートにおける十分に再溶融されたPET及びPBTの非配向ポリマーの結晶化度は、10%未満である。
ストローク長920mmである単一のカラムメインユニット、空気圧式アクショングリップ及び500Nのロードセルを有するShimadzu EZ-LX 引張試験機を使用して、金属除去後のポリマーフィルムの機械的特性を測定した。ISO 527に従って、引張試験を実施した。この試験では、幅15mm、長さ150mmのストリップを独立のポリマーフィルムから切り出した。フィルムの機械方向における引張特性を測定するために、試験の開始から終了(フィルム破断)まで、50mm/分の単一の試験速度を適用した。フィルムの横断方向における引張特性を測定する場合には、最初から60mmの伸びまで50mm/分を適用し、その後、試験速度を破断点まで500mm/分に上げるデュアル速度方式を適用した。機械方向及び横断方向に対する速度方式におけるこの違いは、横断方向における破断時の引張ひずみ及び伸びが、機械方向における破断時の引張ひずみ及び伸びよりもはるかに大きくなる可能性があるためである。各ポリマーフィルムに対してすべての試験を10回実行し、その後、飛び抜けた値を除外して、10%のモジュラス(modulus)における最大限の変動(maximum variation)を得た。次いで、モジュラス値を平均化した。サンプルの機械方向及び横断方向におけるモジュラス(MPa)を比較することによって、配向を評価した。
この試験では、フラットシートから7.5×7.5cmのパネルを切り出した。次いで、パネルを密閉容器内のMaggi(12g/L)+plasmal(2g/L)を含む水溶液に入れ、次いで、121℃で90分間滅菌した(サンプルTS1、TS2、CS1、CS2の場合)。TS3の場合には、サンプルを121℃で90分間、水中で滅菌した。サンプルの滅菌及び冷却後、ISO 2409:1992、第2版に記載される方法に従って、パネルの平坦な部分に4×5mmのクロスハッチを適用し、次いで、粘着テープを適用する。その後、0(優良)~5(不良)にわたるGitterschnittスケールを使用して、剥離を評価する(表3)。すべての試験を、表2の各金属-ラミネートのバリアントの各面に対して3回実行した。次いで、3回の結果のスコアを平均し、最も近い整数に丸めた。
Figure 2023516481000007
試験サンプル及び比較サンプルに対するすべての特性データを表4にまとめる。次いで、独立のフィルムに関する特性データと、金属-ラミネートサンプルに関する接着及び滅菌データとを、対応する金属-ラミネート又はPET5のATR-FTIRスペクトル1及びスペクトル2を比較することによって導出されたスペクトル距離値(spectral distance value)Dと比較する。
表4に見られるように、金属ラミネートTS1をT2=260℃、TS2をT2=270℃、TS3をT2=275℃で後加熱すると、完全に無配向の等方性ポリマーコーティングが得られる。これらでは、機械方向における一軸配向及び残留配向(ラミネート前のPET1、PET3、PET4及びPET5に存在する)が除去されている。加えて、PET系コーティングの場合には、DSCで導出された低い結晶化度値(すべての場合で10%未満)によって裏付けられるように、コーティングは完全に非晶質でもある。これらのポリマーフィルムの無配向の等方性は、それらの機械的特性を測定することによって裏付けられる。特に、TS1及びTS3の上面、及びTS2の両面から得られた遊離ポリマーフィルム(free polymer film)は、機械方向及び横断方向において同様のモジュラス値を示す。接着及び滅菌試験(Gitterschnitt)中のPET1、PET3及びPET4によりコーティングされた面の性能は優れている(5%未満のクロスカット領域が影響を受ける)。Gitterschnitt試験データは、DSCによって確認された完全に再溶融された等方性及び非晶質PETコーティングと、遊離コーティングフィルムの機械的特性と一致している。したがって、サンプルTS1~TS3は、良好な品質のサンプルとして分類される。
対照的に、金属-ラミネートCS1をT2=200℃で後加熱するか、又は、金属-ラミネートCS2の製造の場合に後加熱を行わないと、半結晶性ポリマーコーティングが完全に再溶融されず、これらでは、機械方向における一軸配向(ラミネート前のPET1、PET3、PET4及びPET5に存在する)が保持される。CS3を作製するために275℃未満の後加熱温度でPET5のラミネートを試みたところ、処理中のPET5ラミネート層の完全な剥離をもたらした。完全に再溶融されていない比較サンプルの高い結晶化度は、DSCによって導出された高い結晶化度値によって裏付けられる(すべての場合で30%超)。これらのポリマコーティングフィルムにおける優先的な配向の存在は、それらの機械的特性を測定することによって裏付けられる。特に、CS1及びCS2からのポリマーコーティング又はラミネート前のPET5フィルムに対して測定された、機械方向におけるモジュラス値は、横断方向におけるモジュラス値に対して、2倍(CS1及びCS2の上面)、2.6倍(CS2の下面)及び1.4倍(PET5)以上高い。接着及び滅菌試験中の、PET1、PET3及びPET4でコーティングされたCS1(上面)及びCS2(上面及び下面)からのフィルムのフィルムの性能は、不十分であり、5~15%(TS1上面)及び65~100%(TS2)のクロスカット領域が影響を受ける。金属-ラミネートサンプルCS1及びCS2のGitterschnitt試験データは、上記のこれらのサンプルのポリエステルコーティングにおける結晶化度及び残留配向の発達(development)と一致している。したがって、CS1及びCS2のサンプルは不良な品質のサンプルとして分類される。
対応するサンプルTS1(上面)、TS2(上面及び下面)、CS1(上面)及びCS2(上面及び下面)について、遊離ポリマーコーティングフィルムに対するDSC及び機械的強度に関するデータと、金属-ラミネートに対する接着及び滅菌データとを、対応するスペクトル距離値Dと比較した。金属-ラミネートサンプル又はラミネート前のPET5に関して直接記録された、1160~1520cm-1スペクトル領域のATR-FTIRスペクトル1及びスペクトル2を比較することによってDの値を導出した。表4に見られるように、完全に再溶融された等方性の対応するサンプルTS1(上面)(0.016)、TS2(上面)(0.046)、TS2(下面)(0.006)及びTS3(上面)(0.010)のD値は、0に近く、ATR-FTIR測定による十分に後加熱された等方性の無配向コーティングに対応する。対照的に、機械方向に配向したPET5フィルム(0.424)、完全に再溶融されていない試験サンプルCS1(上面)(0.482)、CS2(上面)(0.480)及びCS2(下面)(0.482)のD値は、0よりも非常に大きく、これらのサンプルに対するDSC及び機械的特性試験のデータに合致して、一方向に優先的に配向を有する配向コーティングに対応する。閾値として、Dの閾値0.10を使用して、不良な品質のサンプルと良好な品質のサンプルとを区別することができる。
図面の簡単な説明
本発明は、以下の非限定的な図によって説明される。
図1は、工業用連続コーティングラインの概略図を示す。
図2は、2つのスペクトル間の距離の概略図を示す。
図3:CS1-上についての不良サンプルに関するスペクトル。
図4:TS1-上についての良好なサンプルに関するスペクトル。
図5:CS2-上についての不良サンプルに関するスペクトル。
図6:TS2-上についての良好なサンプルに関するスペクトル。
図7:CS2-下についての不良サンプルに関するスペクトル。
図8:TS2-下についての良好なサンプルに関するスペクトル。
図9:ラミネート前の機械方向配向フィルムPET5に関するスペクトル。
図10:TS3-上についての良好なサンプルに関するスペクトル。
図11:ラミネートされた金属シートの構成。
図12:本発明による方法の図式的解釈。
ラミネート層は、図1に概略的に示す方法によって金属ストリップにラミネートされる。金属ストリップ(1)は、第1の加熱装置(2)を通過し、そこで、金属ストリップの温度は、ラミネートに適した予熱温度T1まで上昇する。本実施例では、T1は、純粋なPETフィルムのラミネートでは200℃、25%PBTを含むフィルムのラミネートでは220℃、純粋なPBTに基づくフィルムのラミネートでは225℃となるように選択された。フィルムPET1、PET3又はPET5のコイル(3a)と、PET2、PET4又はPET6のコイル(3b)とは同時に巻き戻され、予熱された金属ストリップと一緒に一対のラミネートローラ(4a,4b)を通過する。ラミネートされた金属シート(5)は、第2の加熱装置(6)を通過し、そこで、ラミネートされた金属シートの温度は後加熱セット温度T2まで上昇する。第2の加熱装置の後、ラミネートされた金属シートは、急冷装置(7)を通過することにより室温まで急冷される。第1の加熱装置において金属ストリップを予熱する方法は特に限定されず、ストリップを加熱されたロール上に通すこと、伝導加熱、誘導加熱、放射加熱等を含むことができる。第2の加熱装置において、ラミネートされた金属シートを後加熱する方法は、好ましくは、非接触的方法、例えば、高温ガス環境における加熱又は誘導加熱である。急冷装置における急冷の方法は、特に限定されず、冷風を当てること、冷水浴を通過させること等を含み得る。
スペクトル距離Dは、2つの曲線の間の面積に比例する。図2では、2つのモデルの正弦曲線が描かれている。スペクトル距離は、2つの正弦曲線の間の灰色面積に比例する。
図11は、ラミネートされた金属シートの構成図を示す。上図は、金属シート1に1つのラミネート層3aを設けたラミネート金属シート9の最も単純な形態を示す。下図は、本発明によるより複雑な実施形態を示し、金属シート1の上部に多層ラミネート層3aが設けられており、多層(この例では)は、3つの別個の層3a’、3a’’及び3a’’’を含み、例えば、それぞれトップ層、バルク層及び接着層として機能し、それぞれが個々の別個の層に課される要件に合わせて調整された異なる組成を有する場合があり、金属シートの下部には第2のラミネート層が設けられており、第2のラミネート層は、対称的なラミネートされた金属シートの場合には、上部のラミネート層に対して組成、構成又は厚さに関して同じであってもよいか、又は非対称的なラミネートされた金属シートの場合には、異なっていてもよい。
図12は、ラミネートされた金属シートから採取するサンプルの調製と、その後のATR-FTIR分光計での測定との図式的解釈を示す。第1のスペクトルは、機械方向(MD)(圧延方向(RD)と同じ)に対して平行な入射IRビームの方向で測定され、第2のスペクトルは、機械方向に対しておおよそ垂直(回転角度α)な入射IRビームの方向で測定される。ユークリッド距離行列Dは、これら2つのスペクトル間で決定され、後加熱及び冷却後、本発明によるDの値は最大0.10である。
Figure 2023516481000008

Claims (15)

  1. ライン速度vで運転される連続コーティングラインにおいて、ラミネートされた金属シート(9)を製造する方法であって、
    前記ラミネートされた金属シート(9)が、ラミネート層(3a)を備え、
    前記方法が、以下の工程:
    金属シート(1)を準備する工程;
    前記金属シートの少なくとも片面にコーティングするための、第1及び第2のATR-FTIRスペクトル間のユークリッド距離行列Dの値が0.20以上であるラミネート層(3a)を準備する工程であって、第1のATR-FTIRスペクトルが、前記ラミネートされた金属シートの機械方向に対して平行又は垂直な入射IRビームを使用してATR-FTIR分光計で測定され、第2のATR-FTIRスペクトルが、前記ラミネートされた金属シートを前記ラミネート層と同一平面内において70~110°から選択された角度αで回転させた後に前記分光計で測定され、ATR-FTIRスペクトルが、1160~1520cm-1を含むスペクトル範囲で測定される工程;
    前記ラミネート層(3a)を前記金属シート(1)にラミネートして、ラミネートされた金属シート(9)を製造する工程;
    前記ラミネートされた金属シート(9)を、前記ラミネート層(3a)を溶融するのに十分高い、後加熱セットポイントT2まで後加熱する工程;
    後加熱された前記ラミネートされた金属シート(9)を冷却、好ましくは急速冷却して、前記ラミネート層(3a)の第1及び第2のATR-FTIRスペクトル間のユークリッド距離行列Dの値が0.10以下であるラミネートされた金属シート(9)を製造する工程であって、第1のATR-FTIRスペクトルが、前記ラミネートされた金属シートの機械方向に対して平行又は垂直な入射IRビームを使用してATR-FTIR分光計で測定され、第2のATR-FTIRスペクトルが、前記ラミネートされた金属シートを前記ラミネート層と同一平面内において70~110°から選択された角度αで回転させた後に前記分光計で測定され、ATR-FTIRスペクトルが、1160~1520cm-1を含むスペクトル範囲で測定される工程
    を含む、前記方法。
  2. 前記金属シートにコーティングするための前記ラミネート層が、1又は2以上の層からなり、かつ、以下の工程:
    前記1又は2以上の層を形成するために、1又は2以上の押出機において熱可塑性ポリマー顆粒を溶融する工程;
    1又は2以上の前記溶融したポリマーを、フラット(共)押出ダイ及び/又は2若しくは3以上のカレンダーロールに通すことによって、2又は3以上の層からなる熱可塑性ポリマーフィルムを形成する工程;
    場合により、
    前記熱可塑性ポリマーフィルムを冷却して、固体の熱可塑性ポリマーフィルムを形成する工程;
    場合により、前記固体の熱可塑性ポリマーフィルムの端部をトリミングする工程;
    長手方向にのみ延伸力を作用させることにより、延伸ユニット内で前記固体の熱可塑性ポリマーフィルムを延伸して、前記固体の熱可塑性ポリマーフィルムの厚みを減少させる工程;
    場合により、前記延伸した固体の熱可塑性ポリマーフィルムの端部をトリミングする工程
    によって製造される、請求項1に記載の方法。
  3. 後加熱及び冷却後の前記ラミネート層のユークリッド距離行列Dの値が、0.10を超える場合には、前記連続コーティングラインの後加熱セットポイント(T2)若しくはライン速度(v)の一方、又は前記後加熱セットポイント及び前記ライン速度の両方が、調整される、請求項1又は2のいずれか一項に記載の方法。。
  4. αが、好ましくは80°~100°から選択され、より好ましくは約90°である、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記金属シートが鋼であり、好ましくは、前記鋼が、コーティングされていない冷間圧延鋼、ブリキ、ECCS(別名TFS)、TCCT、亜鉛めっき鋼又はアルミめっき鋼である、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 熱可塑性ポリマーフィルムが、単層又は多層のポリエステル又はポリオレフィンのポリマーフィルムである、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 1又は2以上の熱可塑性ポリマーフィルムが、二軸配向ポリマーフィルムである、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 1又は2以上の熱可塑性ポリマーフィルムが、一軸配向ポリマーフィルムである、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記ラミネート層を前記金属シートにラミネートして、連続プロセスを中断することなくラミネートされた金属シートを製造する、請求項1~8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記ラミネート層(3a)が、包装、例えば、容器又は缶の内側となる金属シート面に少なくとも適用され、前記ラミネート層におけるポリエステルが、少なくとも70mol%のエチレンテレフタレート単位を含む、請求項1~9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記ラミネート層(3a)が、包装、例えば、容器又は缶の内側となる金属シート面に少なくとも適用され、前記ラミネート層におけるポリエステルが、少なくとも85mol%のブチレンテレフタレート単位を含む、請求項1~10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記ラミネート層が、包装、例えば、容器又は缶の内側となる金属シート面に少なくとも適用され、前記ラミネート層におけるポリエステルが、ポリエチレンテレフタレート及びポリブチレンテレフタレートのブレンドを含み、好ましくは、PETのPBTに対する比が60:40又はそれ以上である、請求項1~11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記ラミネート層が、包装、例えば、容器又は缶の内側となる金属シート面に少なくとも適用され、前記ラミネート層におけるポリエステルが、85mol%のエチレンテレフタレート単位を含むポリエステルと、少なくとも85mol%のブチレンテレフタレート単位を含むポリエステルとのブレンドを少なくとも85mol%含む、請求項1~12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記ラミネート層(3a)が、ポリエステルを50質量%以上含む単層、又はポリエステルを50質量%以上含む複数の層(3a’,3a’’,3a’’’)を含み、前記金属シートにラミネートされる前の前記ラミネート層が、一方向に優先的な分子配向を有し、前記金属シートにラミネートされる前の前記ラミネート層の第1及び第2のATR-FTIRスペクトル間のユークリッド距離行列Dが0.20以上であり、前記金属シートにラミネート後の前記ラミネート層の第1及び第2のATR-FTIRスペクトル間のDの値が、0.10以下である、請求項1~13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 請求項1~14のいずれか一項に記載の方法によって得ることができる又は得られた、包装用のラミネートされた金属シート(9)であって、
    前記ラミネートされた金属シートが、金属シート(1)と、前記金属シートの少なくとも片面を覆うラミネート層(3a)とを含み、
    前記ラミネート層(3a)が、ポリエステルを50質量%以上含む単層、又はポリエステルを50質量%以上含む複数の層(3a’,3a’’,3a’’’)を含み、
    前記金属シートにラミネート後の前記ラミネート層(3a)の第1及び第2のATR-FTIRスペクトル間のDの値が、最大0.10であり、
    第1のATR-FTIRスペクトルが、前記ラミネートされた金属シートの機械方向に対して平行又は垂直な入射IRビームを使用してATR-FTIR分光計で測定され、
    第2のATR-FTIRスペクトルが、前記ラミネートされた金属シートを70~110°から選択された角度αで、ラミネート層と同一平面内において回転させた後に前記分光計で測定され、
    ATR-FTIRスペクトルが、1160~1520cm-1を含むスペクトル範囲で測定される、前記ラミネートされた金属シート(9)。
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