JP2023521823A - 高度に精製されたセルロース繊維を含む多層フィルム - Google Patents

高度に精製されたセルロース繊維を含む多層フィルム Download PDF

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Abstract

本発明は、高度に精製されたセルロース繊維を含む多層フィルムを製造するための方法であって、a)高度に精製されたセルロース繊維を含む第1のパルプ懸濁液を第1のワイヤー上に塗布することにより第1の湿潤ウェブを形成する工程;b)第1の部分的に脱水されたウェブを得るために、第1の湿潤ウェブを部分的に脱水する工程;c)高度に精製されたセルロース繊維と発泡剤とを含む発泡した第2のパルプ懸濁液を第2のワイヤー上に塗布することにより第2の湿潤ウェブを形成する工程;d)第2の部分的に脱水されたウェブを得るために、発泡した第2の湿潤ウェブを部分的に脱水する工程;e)多層ウェブを得るために、第1および第2の部分的に脱水されたウェブを接合する工程;ならびにf)高度に精製されたセルロース繊維を含む多層フィルムを得るために、多層ウェブをさらに脱水し、かつ任意選択で乾燥する工程を含む、方法に関する。【選択図】なし

Description

本開示は、ガスバリアフィルム、例えば紙および板紙ベースの包装材料において有用なガスバリアフィルムに関する。より具体的には、本開示は、高度に精製されたセルロース繊維を含むフィルム、特にミクロフィブリル化セルロース(MFC)を含むフィルムを製造するための方法に関する。
効果的なガスバリア、芳香バリア、および/または水分バリアが、感受性製品を遮蔽するために包装産業において必要とされている。特に、酸素感受性製品は、それらのシェルフライフを延長するために酸素バリアを必要とする。酸素感受性製品には多くの食品が含まれるが、医薬製品および電子産業製品も含まれる。酸素バリア特性を備える既知の包装材料は、通常は多層コーティング構造の一部としての、1つもしくはいくつかのポリマーフィルムから、または酸素バリアポリマーの1つもしくはいくつかの層でコーティングされた繊維性の紙またはボードからなり得る。食品用包装のための別の重要な特性は、グリースおよび油に対する耐性である。
さらに最近では、ミクロフィブリル化セルロース(MFC)フィルムが開発されており、そこでは脱フィブリル化セルロース系フィブリルが懸濁され、例えば水に懸濁され、再組織化され、互いに再結合されて、連続フィルムが形成されている。MFCフィルムは、良好なガスバリア特性ならびにグリースおよび油に対する良好な耐性を与えることが見出された。
MFCフィルムは、ポリマーまたは金属基材など、非多孔質キャスト基材上にMFC分散体を塗布すること、およびエバポレーションにより前記フィルムを乾燥することを含む、キャスティング技術の使用により作ることができる。この技術の利点には、均一な厚さ分布およびフィルムの平滑な表面が含まれる。公報EP2771390 A4は、MFCフィルムの調製を記載しており、そこでは水性セルロースナノファイバー分散体が紙またはポリマー基材の上にコーティングされ、乾燥され、最後にナノファイバーフィルムシートとして剥離される。
キャスティングプロセスに関係する問題は、フィルムが乾燥工程において形成するとき、水の遅い拡散が乾燥率を制限することである。フィルムを通じた水蒸気の拡散は、プロセス効率に対して悪影響を有する遅いプロセスである。乾燥速度が増加すると、ピンホールがフィルム内に形成され、そのバリア特性を悪化させることがある。キャストプロセスのさらなる問題は、破壊歪みまたは引張強度など、その強度特性に対して悪影響を有し得る、形成されたフィルムにおける収縮張力の形成である。
あるいは、フィルムは、ウェブを形成する多孔質基材上にMFC懸濁液を塗布し、その後、フィルムを形成するために基材を通じて水を排出することによるウェブの脱水をすることにより作ることができる。多孔質基材は、例えば、膜もしくはワイヤーファブリックでよく、またはそれは、紙もしくは板紙基材であり得る。ウェブの形成は、例えば抄紙機または板紙抄紙機タイプのプロセスの使用により達成することができる。米国特許出願US20120298319 A1は、MFCを含む完成紙料を多孔質基材上に直接的に塗布し、したがってMFCを脱水および濾過することを可能にすることによるMFCフィルムの製造の方法を教示している。
排出が非常に遅い高度に精製されたセルロースまたは懸濁液からのフィルムおよびバリア基材の製造は、ピンホールの発生のために良好なバリアを作り出すことが困難であるため、抄紙機上では困難である。ピンホールは、形成プロセスの間にウェブ内に現れ得る微視的な穴である。ピンホールの出現の理由の例には、パルプ懸濁液における不規則性、例えば、フィブリルの凝集もしくは再凝集、ファブリックの粗脱水、ワイヤー上の不均等なパルプ分布、または低すぎるウェブ坪量により発生される、パルプ懸濁液における不規則性が含まれる。ピンホール形成は、典型的には、脱水速度の増加と共に増加する。しかし、ピンホールフリーの領域において、酸素透過率値は、坪量が20~40g/mを上回るとき良好である。
バリア特性を改善する1つの手法は、いくつかのピンホールを含む薄いベース基材を作り、次いで、基材をポリマーコーティング組成物でコーティングすることであった。しかし、この手法は、コーティング概念、および表面充填に関して最適化され、同時にバリアを提供するコーティング処方を必要とする。コーティングがウェブ破壊を引き起こすことがあるため、薄いウェブのコーティングは困難でもある。追加の各工程はコストを増加させるため、基材が再湿潤および乾燥される回数も最小限に保たれるべきである。ポリマーコーティングはまた、フィルムの再パルプ性を低下させ、それによって、フィルムを含む製品のリサイクル性を低下させることがある。
先行技術において論じられた別の可能性は、極めて緩慢な脱水時間を有することであろうが、しかしこれは、高速かつ徹底的な排出概念には実現可能ではない。
別の解決策は、フィルムの坪量または粗さを増加させることであろうが、それは、それぞれ、脱水時間を著しく増加させ、ピンホールのリスクを増加させることになる。
技術的および経済的観点から、速い脱水を可能にし、同時にフィルムの機械的特性もしくはバリア特性のいずれか、またはその両方を改善する解決策を見出すことが好ましいであろう。
本開示の目的は、先行技術の方法に関連する上述の問題の少なくともいくつかを緩和する、ミクロフィブリル化セルロース(MFC)など、高度に精製されたセルロース繊維を含むフィルムを製造するための方法を提供することである。
本開示のさらなる目的は、ピンホール形成が減少した、高度に精製されたセルロース繊維を含むフィルムを製造するための方法を提供することである。
本開示のさらなる目的は、抄紙機または板紙抄紙機タイプのプロセスにおいて高度に精製されたセルロース繊維を含むフィルムを製造するための改善された方法を提供することである。
本開示のさらなる目的は、再生可能原料に基づいている紙または板紙ベースの包装材料においてガスバリアとして有用なフィルムを提供することである。
本開示のさらなる目的は、フィルムを含む包装製品の高いリサイクル性を提供しながら、高い再パルプ性を備える紙または板紙ベースの包装材料においてガスバリアとして有用なフィルムを提供することである。
上述の目的、ならびに本開示に照らして当業者により実現されるであろう他の目的は、本開示の様々な態様により達成される。
本明細書に例示される第1の態様によれば、高度に精製されたセルロース繊維を含む多層フィルムを製造するための方法であって、
a)高度に精製されたセルロース繊維を含む第1のパルプ懸濁液を第1のワイヤー上に塗布することにより第1の湿潤ウェブを形成する工程;
b)第1の部分的に脱水されたウェブを得るために、第1の湿潤ウェブを部分的に脱水する工程;
c)高度に精製されたセルロース繊維と発泡剤とを含む発泡した第2のパルプ懸濁液を第2のワイヤー上に塗布することにより第2の湿潤ウェブを形成する工程;
d)第2の部分的に脱水されたウェブを得るために、発泡した第2の湿潤ウェブを部分的に脱水する工程;
e)多層ウェブを得るために、第1および第2の部分的に脱水されたウェブを接合する工程;ならびに
f)高度に精製されたセルロース繊維を含む多層フィルムを得るために、多層ウェブをさらに脱水し、かつ任意選択で乾燥する工程
を含む、方法が提供される。
本明細書において使用されるフィルムという用語は、薄い連続シート形成材料を一般に指す。パルプ懸濁液の組成に応じて、フィルムは、薄い紙、またはさらに膜とみなすこともできる。フィルムは、好ましくは、100g/mを下回る、好ましくは20~100g/mの範囲内の坪量を有する。多層フィルムは、典型的には比較的密である。いくつかの実施形態において、多層フィルムは、600kg/mを上回る、好ましくは900kg/mを上回る密度を有する。
本発明の方法は、抄紙機タイプのプロセスにおける高度に精製されたセルロース繊維を含むフィルムの製造を可能にする。さらに重要なことには、方法は、そのフィルムが非常に低いピンホール発生率を有するか、または実質的にピンホールフリーである、20~100g/mの範囲内の比較的高い坪量を有するフィルムの製造を可能にする。高度に精製されたセルロース繊維の含有量のために、生じる多層フィルムは、典型的には、600kg/mを上回る、好ましくは900kg/mを上回る密度を有することになる。そのようなフィルムは、ガスバリアフィルムとして、例えば包装用途において、非常に有用であることが見出された。フィルムは、紙または板紙包装製品のリサイクル性を低下させる合成ポリマーフィルムなど、従来のバリアフィルムを置き換えるために使用することができる。本発明のフィルムは、フィルムおよびフィルムを含む紙または板紙包装製品の高いリサイクル性を提供しながら、高い再パルプ性を有する。
製造方法は、高度に精製されたセルロース繊維を含む2つのより低い坪量のウェブの別々の調製および部分的な脱水を伴う。ウェブのうちの1つは、発泡したパルプ懸濁液から調製される。発泡していないパルプ懸濁液から形成されるウェブと発泡したパルプ懸濁液から形成されるウェブとの組合せは、発泡していないウェブにより得られる優れたガスバリア特性を、発泡したウェブにより可能になる良好なガスバリア特性と良好な強度特性との組合せと組み合わせる多層フィルムを提供する。
発泡したパルプ懸濁液は、発泡していないパルプ懸濁液と比較して、より高い固体含有量(より低い水含有量)でのウェブ形成を可能にする。
発泡していないパルプ懸濁液と比較して発泡したパルプ懸濁液は、それが、ピンホール形成およびバリア特性減損の問題を引き起こすことなく、より多量の精製されていないか、またはわずかに精製されたセルロース繊維および他の長繊維を加えることを可能にするという点でさらに有利である。
発泡したパルプ懸濁液から形成された2つのウェブから多層フィルムを形成することも可能であるが、発泡していないパルプ懸濁液から形成されたフィルムは、典型的には、より良いガスバリア特性を有することになるため、ウェブのうちの1つが、発泡していないパルプ懸濁液から形成されることが典型的に好ましい。したがって、いくつかの実施形態において、第1のパルプ懸濁液は発泡していない。
部分的に脱水された、しかし依然として湿潤したウェブは、より高い坪量の多層ウェブを形成するために接合され、それは、続いて、高度に精製されたセルロース繊維を含む多層フィルムを得るために、さらに脱水され、かつ任意選択で乾燥される。ウェブが依然として湿潤している間にそれらを接合することは、層間の良好な接着を確実にする。実際、2つの層の組成が同一である場合、生じる多層フィルムは、対応する厚さの単層フィルムと区別することが困難であることさえある。部分的な脱水および部分的に脱水された状態のウェブのラミネーションは、完成多層フィルム内のピンホールの発生を実質的に排除する一方、依然として高い生産速度を可能にすることが見出された。先行技術において、脱水速度の増加は、時には、凝集の増加を引き起こしながら、プロセスのウェットエンドにおいて大量の保持および排出化学薬品を使用することにより達成されてきた。しかし、保持および排出化学薬品は、より多孔質のウェブ構造の原因となることもあり、したがってそのような化学薬品の使用を最小限にすることが必要とされている。本発明の方法は、保持および排出化学薬品の添加への依存がより少ない、脱水速度を増加させる代替方法を提供する。
本発明の方法の工程を実施するための異なる構成が当業者により企図され得るが、本発明の方法は、抄紙機において、より好ましくはフォードリニア抄紙機において有利に実施され得る。
抄紙機(または製紙機)は、高速で大量に紙を作り出すためにパルプおよび紙産業において使用される産業機械である。最近の製紙機は、典型的には、フォードリニア・マシンの原理に基づいており、それは、移動する織メッシュである「ワイヤー」を使用して、パルプ懸濁液中に保持された繊維を濾過して取り出し、連続的に移動する繊維の湿潤ウェブを生産することにより連続ウェブを作り出す。この湿潤ウェブは、機械内で乾燥されて、強い紙ウェブを生産する。
本発明の方法の形成、脱水および接合工程は、好ましくは、ウェットエンドと一般に呼ばれる抄紙機の形成セクションにおいて実施される。湿潤ウェブは、抄紙機の形成セクション内の異なるワイヤー上で形成される。本発明との使用のための形成セクションの好ましいタイプは、支持ワイヤーと組み合わせた2つまたは3つのフォードリニアワイヤーセクションを含む。ワイヤーは、好ましくはエンドレスワイヤーである。本発明の方法において使用されるワイヤーは、好ましくは、速い脱水および高い排出能を可能にするために比較的高い多孔度を有する。ワイヤーの透気度は、好ましくは100Paで5000m/m/時間を上回る。ワイヤーは、好ましくは、繊維マーキングを減少させるために1cm当たり少なくとも500ナックル、より好ましくは1cm当たり少なくとも1000ナックルを含み得る。
第1および第2のパルプ懸濁液は、セルロースベースの繊維性材料と任意選択で非繊維性添加剤との水懸濁混合物を含む。本発明の方法は、高度に精製されたセルロース繊維を含むパルプ懸濁液を使用する。セルロースパルプのリファイニング、または叩解は、それらに所望の特性を与えるためのセルロース繊維の機械的処理および改質を指す。高度に精製されたセルロース繊維は、異なる原材料、例えば針葉樹パルプまたは広葉樹パルプから生産することができる。高度に精製されたセルロース繊維は、好ましくは未乾燥セルロース繊維である。
本明細書において使用される高度に精製されたセルロース繊維という用語は、好ましくは、ISO規格5267-1により決定されるとき65以上、好ましくは70以上のショッパー・リーグラー(SR)値を有する精製されたセルロース繊維を指す。
いくつかの実施形態において、第1および/または第2のパルプ懸濁液は、65~99の範囲内、好ましくは70~90の範囲内のショッパー・リーグラー(SR)値を有するセルロース完成紙料から形成される。
いくつかの実施形態において、発泡した第2のパルプ懸濁液は、第2のパルプ懸濁液のセルロース完成紙料のSR値よりも小さいSR値を有するセルロース完成紙料から形成される。発泡した第2のパルプ懸濁液は、例えば、第1のパルプ懸濁液ほど高度に精製されていなくてよいか、またはより多くの量が精製されていないか、もしくはわずかに精製されたセルロース繊維を含まなくてよい。いくつかの実施形態において、第1のパルプ懸濁液は、80以上のSR値を有するセルロース完成紙料から形成されてよく、第2のパルプ懸濁液は、80を下回るSR値を有するセルロース完成紙料から形成されてよい。
発泡したパルプ懸濁液を使用する1つの利点は、それが、発泡していないパルプ懸濁液と比較して、より高い固体含有量(より低い水含有量)でのウェブ形成を可能にすることである。
第1のパルプ懸濁液の乾燥固体含有量は、典型的には0.1~0.7wt%の範囲内、好ましくは0.15~0.5wt%の範囲内、より好ましくは0.2~0.4wt%の範囲内である。
発泡した第2のパルプ懸濁液の乾燥固体含有量は、典型的には第1のパルプ懸濁液の乾燥固体含有量よりも高い。第2のパルプ懸濁液の乾燥固体含有量は、典型的には0.1~15wt%の範囲内、好ましくは0.2~10wt%の範囲内、より好ましくは1~8wt%の範囲内である。
第2のパルプ懸濁液は発泡している。泡および発泡したという用語は、本明細書において使用されるとき、固体または液体の内部に空気またはガス気泡を閉じ込めることにより作られる物質を指す。典型的には、ガスの体積は、液体または固体の体積よりもはるかに大きく、薄いフィルムがガスポケットを分離している。泡が形成するためには3つの要件が満たされなければならない。機械的仕事が、表面積を増加させるために必要とされる。これは、撹拌、大体積のガスを液体中に分散させること、またはガスを液体に注入することにより起こり得る。第2の要件は、泡形成剤、典型的には両親媒性物質、界面活性剤または界面活性成分が、表面張力を低下させるために存在しなければならないことである。最後に、泡は、それが崩壊するよりも急速に形成しなければならない。
発泡した第2のパルプ懸濁液は、著しい量のガス、典型的には空気を液体、典型的には水性のパルプ懸濁液に取り込むことにより調製される。いくつかの実施形態において、発泡は、泡発生装置を使用して達成される。懸濁液は、所望のガス含有量または泡密度に達するために泡発生装置を通じて1回または数回ポンプ輸送されてよい。いくつかの実施形態において、液体パルプ懸濁液は、泡を発生させる高剪断ミキサーまたはリファイナーを介してポンプ輸送される。泡は、抄紙機においてオフラインまたはインラインのいずれかで発生させることができる。発泡した第2のパルプ懸濁液の空気含有量は、典型的には40~90体積%の範囲内である。組成物および泡発生装置に応じて、異なる気泡サイズが作り出され得る。気泡の平均半径は、好ましくは、20~2000μmの範囲内など、20μmを上回る。発泡は、発泡していないパルプ懸濁液と比較してパルプ懸濁液の密度を低下させる。したがって、いくつかの実施形態において、発泡した第2のパルプ懸濁液の密度は、800kg/mを下回り、好ましくは600kg/mを下回り、より好ましくは400kg/mを下回る。泡のpHは、典型的には4~10の範囲内、好ましくは6~8の範囲内である。泡の温度は、好ましくは一定に保たれ、好ましくは60℃を下回る。
パルプの発泡を可能にするために、発泡した第2のパルプ懸濁液は発泡剤を含む。典型的には、発泡した第2のパルプ懸濁液は、高度に精製されたセルロース繊維と発泡剤との発泡した水性混合物を含む。
発泡剤は、水性パルプ懸濁液中の泡の形成を容易にし、かつ形成された泡を安定化するのに適した任意の発泡剤でよい。発泡剤は、一般にアニオン性、非イオン性、双性イオン性、またはカチオン性界面活性剤である。界面活性剤は、液体の表面張力を減少させることにより泡を作り出すのに必要とされる仕事を減少させ、かつ気泡の合体を抑制することにより泡のコロイド安定性を増加させる。
いくつかの実施形態において、発泡剤は非イオン性界面活性剤である。
ある種のポリマー発泡剤は、水性パルプ懸濁液中の泡を形成および安定化するのに特に有用であることが見出された。発泡剤として作用することに加えて、ポリマー発泡剤は、ポリマー分散剤および/またはレオロジー調整剤として作用することもできる。したがって、ポリマー発泡剤の使用は、追加のポリマー分散剤および/もしくはレオロジー調整剤の添加を減少させたり、または完全に省いたりすることができる。ポリマー性発泡剤は、パルプ懸濁液がワイヤー上で脱水されるとき、形成されるウェブの安定性および機械的特性を改善することもできる。いくつかの用途におけるポリマー発泡剤の別の利点は、それらが低分子量界面活性剤または表面活性剤よりも完成品から本質的に移動しにくいことである。したがって、いくつかの好ましい実施形態において、発泡剤はポリマー発泡剤である。
いくつかの実施形態において、発泡剤は両親媒性ポリマーである。
いくつかの実施形態において、発泡剤は、任意選択で疎水的に修飾された多糖類、タンパク質、ポリビニルアルコール(PVOH)、部分的に加水分解されたポリ酢酸ビニル(PVOH/Ac)、およびそれらの混合物からなる群から選択される。任意選択の疎水性修飾は、典型的には、発泡剤に共有結合された1つまたは複数の疎水性基、例えばアルキル基を含む。
いくつかの実施形態において、発泡剤は、リグニンまたはリグニン誘導体、好ましくはリグニンである。
いくつかの実施形態において、発泡剤は、セルロース、デンプン、ヘミセルロースおよびそれらの混合物からなる群から選択される任意選択で疎水的に修飾された多糖である。
いくつかの実施形態において、発泡剤は、任意選択で疎水的に修飾された酢酸セルロース(CA)、エチル(ヒドロキシエチル)セルロース(EHEC)、メチルセルロース(MC)、エチルセルロース(EC)、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、スルホエチルセルロース、デンプン、およびそれらの混合物からなる群から選択される任意選択で疎水的に修飾された多糖である。
いくつかの実施形態において、発泡剤は、エチル(ヒドロキシエチル)セルロース(EHEC)、ポリビニルアルコール(PVOH)および部分的に加水分解されたポリ酢酸ビニル(PVOH/Ac)からなる群から選択される。
いくつかの実施形態において、発泡剤は、任意選択で疎水的に修飾されたメチルセルロースである。
いくつかの実施形態において、発泡剤は、5000g/molを上回る、好ましくは10000g/molを上回る分子量を有する。
発泡した第2のパルプ懸濁液、および完成多層フィルムは、好ましくは、材料から移動し得る低分子量界面活性剤または表面活性剤を含まない。いくつかの実施形態において、発泡した第2のパルプ懸濁液は、1000g/molを下回る分子量を有する界面活性化学薬品を含まない。
いくつかの実施形態において、発泡した第2のパルプ懸濁液は、発泡した第2のパルプ懸濁液の総乾燥重量に基づいて0.1~80wt%の範囲内、好ましくは0.1~50wt%の範囲内、好ましくは0.1~10wt%の範囲内、より好ましくは0.1~5wt%の範囲内の発泡剤を含む。
第2のパルプ懸濁液は、泡形態でワイヤーに塗布される。発泡した状態の第2のパルプ懸濁液を形成することは、より高い固体含有量を有する可能性およびパルプ懸濁液中により多くの量の長繊維を含む可能性を含む、いくつかの利点を有する。しかし、完成多層フィルム内に泡構造を保持することは必ずしも望ましくない。むしろ、ウェブの加工の間に、例えばフィルムのバリア特性を改善するために、泡を崩壊させることが望まれ得る。ワイヤー上、部分的な脱水を経て、泡構造の少なくとも部分的な崩壊にもつながる。第1の部分的に脱水されたウェブとの第2の部分的に脱水されたウェブの接合、および任意選択で圧力または吸引が適用される、形成された多層ウェブのさらなる脱水は、泡構造のさらなる崩壊につながることになる。泡構造は、蒸気または放射加熱を使用してさらに崩壊されてよい。したがって、ウェブ内に閉じ込められたガスの量は、典型的には、ウェブが加工されるにつれて著しく減少することになる。いくつかの実施形態において、完成多層フィルムは、発泡したパルプ懸濁液からの残留するガス気泡を含まなくなるか、または実質的に含まなくなる。
いくつかの実施形態において、泡崩壊をさらに加速するために消泡剤が第2の湿潤ウェブまたは第2の部分的に脱水されたウェブに加えられてよい。いくつかの実施形態において、多層ウェブを得るためにウェブを接合する前に、第1および第2の部分的に脱水されたウェブの間に消泡剤が塗布されてよい。消泡剤は、湿潤ウェブまたは部分的に脱水されたウェブに液体または固体形態で塗布されてよく、例えば、吹付またはカーテンコーティングにより塗布されてよい。
消泡剤が、発泡していない第1のパルプ懸濁液中に直接的に加えられてもよい。第1および第2の部分的に脱水されたウェブが接合されるとき、第1のウェブからの消泡剤は、第2のウェブ内に移動することになる。したがって、いくつかの実施形態において、第1のパルプ懸濁液は、消泡剤をさらに含む。
第1および/または第2のパルプ懸濁液の乾燥固形分は、高度に精製されたセルロース繊維だけからなってよく、またはそれは、高度に精製されたセルロース繊維と他の成分または添加剤との混合物を含むことができる。第1および/または第2のパルプ懸濁液は、好ましくは、パルプ懸濁液の総乾燥重量に基づくその主成分として、高度に精製されたセルロース繊維を含む。いくつかの実施形態において、第1および/または第2のパルプ懸濁液は、パルプ懸濁液の総乾燥重量に基づいて少なくとも50wt%、好ましくは少なくとも70wt%、より好ましくは少なくとも80wt%または少なくとも90wt%の高度に精製されたセルロース繊維を含む。
いくつかの実施形態において、第1および/または第2のパルプ懸濁液の高度に精製されたセルロース繊維は、精製されたクラフトパルプである。精製されたクラフトパルプは、典型的には、少なくとも10%のヘミセルロースを含むことになる。したがって、いくつかの実施形態において、第1および/または第2のパルプ懸濁液は、高度に精製されたセルロース繊維の量の10~25%の範囲内など、少なくとも10%の量でヘミセルロースを含む。
第1および/または第2のパルプ懸濁液は、天然デンプンもしくはデンプン誘導体、カルボキシメチルセルロースナトリウムなどのセルロース誘導体、充填剤、保持および/もしくは排出化学薬品、凝集添加剤、解膠添加剤、乾燥強度添加剤、柔軟剤、架橋助剤、サイジング化学薬品、色素および着色剤、湿潤強度樹脂、固定剤、脱泡助剤、微生物およびスライム抑制助剤、またはそれらの混合物などの添加剤をさらに含んでよい。第1および/または第2のパルプ懸濁液は、フィルムの延性を向上させるためのラテックスおよび/またはポリビニルアルコール(PVOH)などの、混合物および/または生産されたフィルムの異なる特性を改善することになる添加剤をさらに含んでよい。本発明の方法は、保持および排出化学薬品の添加への依存がより少ないが、より少量の保持および排出化学薬品が依然として使用されることがある、脱水速度を増加させる代替方法を提供する。
本発明の方法は、いわゆるミクロフィブリル化セルロース(MFC)のフィルムを製造するのに特に有用である。したがって、いくつかの実施形態において、高度に精製されたセルロース繊維はMFCである。
ミクロフィブリル化セルロース(MFC)は、本特許出願の文脈において、100nm未満の少なくとも1つの寸法を有するナノスケールセルロース粒子繊維またはフィブリルを意味すると理解されるものとする。MFCは、部分的に、もしくは完全にフィブリル化したセルロースまたはリグノセルロース繊維を含む。遊離したフィブリルが100nm未満の直径を有する一方、実際のフィブリルの直径または粒子サイズ分布および/またはアスペクト比(長さ/幅)は、源および製造方法に依存する。最小のフィブリルはエレメンタリーフィブリルと呼ばれ、およそ2~4nmの直径を有し(例えばChinga-Carrasco,G.、Cellulose fibres,nanofibrils and microfibrils,:The morphological sequence of MFC components from a plant physiology and fibre technology point of view、Nanoscale research letters 2011年、6:417参照)、一方、ミクロフィブリルとしても定義される、エレメンタリーフィブリルの凝集形態(Fengel,D.、Ultrastructural behavior of cell wall polysaccharides、Tappi J.、1970年3月、第53巻、第3号。)は、例えば拡張リファイニングプロセスまたは圧力降下分解プロセスを使用することにより、MFCを製造するとき得られる主生成物であることが一般的である。源および製造プロセスに応じて、フィブリルの長さは、およそ1マイクロメートルから10マイクロメートル超まで変化し得る。粗いMFCグレードは、かなりの割合のフィブリル化繊維、すなわち仮道管(セルロース繊維)から突出しているフィブリルを、仮道管(セルロース繊維)から遊離したある一定量のフィブリルと共に含み得る。
MFCには、セルロースミクロフィブリル、フィブリル化セルロース、ナノフィブリル化セルロース、フィブリル凝集体、ナノスケールセルロースフィブリル、セルロースナノファイバー、セルロースナノフィブリル、セルロースマイクロファイバー、セルロースフィブリル、ミクロフィブリル状セルロース、ミクロフィブリル凝集体およびセルロースミクロフィブリル凝集体などの異なる頭字語が存在する。MFCは、その大きい表面積、または水中に分散したときに低固形物(1~5wt%)でゲル様材料を形成するその能力などの様々な物理的もしくは物理化学的特性によっても特徴付けることができる。
1回または複数回のパスリファイニング、前加水分解とその後に続くリファイニングまたは高剪断分解またはフィブリルの遊離など、MFCを製造する様々な方法が存在する。MFC製造をエネルギー効率的かつ持続可能にするために、1つまたはいくつかの前処理工程が通常必要とされる。したがって、利用されるパルプのセルロース繊維を、例えば酵素的または化学的に前処理して、繊維を加水分解したり、もしくは膨潤させたり、またはヘミセルロースもしくはリグニンの量を減少させたりしてよい。セルロース分子が、天然セルロースに見出されるもの以外の(より多くの)官能基を含むように、セルロース繊維が、フィブリル化前に化学修飾されてよい。そのような基には、とりわけ、カルボキシメチル(CMC)、アルデヒドおよび/またはカルボキシル基(N-オキシル媒介酸化、例えば「TEMPO」により得られるセルロース)、第四級アンモニウム(カチオン性セルロース)またはホスホリル基が含まれる。上記の方法のうちの1つにおいて修飾または酸化された後、繊維をMFCまたはナノフィブリルへと分解するのはより容易である。
ナノフィブリル状セルロースは、数種のヘミセルロースを含んでよく、その量は、植物源に依存する。前処理された繊維、例えば加水分解、前膨潤、または酸化されたセルロース原材料の機械的分解は、リファイナー、粉砕機、ホモジナイザー、コロイダー、摩擦粉砕機、超音波ソニケーター、マイクロフルイダイザー、マクロフルイダイザーまたはフルイダイザー型ホモジナイザーなどのフルイダイザーなどの適した設備を用いて行われる。MFC製造方法に応じて、生成物は、微細繊維、またはナノ結晶セルロース、または木材繊維中または製紙プロセス中に存在する他の化学薬品も含み得る。生成物は、効率的にフィブリル化されていない様々な量のミクロンサイズの繊維粒子も含み得る。
MFCは、広葉樹繊維および針葉樹繊維の両方からの木材セルロース繊維から生産される。それは、微生物源、麦わらパルプ、竹、バガスなどの農業繊維、または他の非木材繊維源からも作ることができる。それは、好ましくは、バージン繊維からのパルプ、例えばメカニカル、ケミカルおよび/またはサーモメカニカルパルプを含むパルプから作られる。それは、損紙または再生紙からも作ることができる。
第1および/または第2のパルプ懸濁液の乾燥固形分は、MFCだけからなってよく、またはそれは、MFCと他の成分または添加剤との混合物を含むことができる。第1および/または第2のパルプ懸濁液は、好ましくは、パルプ懸濁液の総乾燥重量に基づくその主成分として、MFCを含む。いくつかの実施形態において、第1および/または第2のパルプ懸濁液は、パルプ懸濁液の総乾燥重量に基づいて50~99wt%、好ましくは少なくとも70~99wt%、より好ましくは少なくとも80~99wt%のMFCを含む。
いくつかの実施形態において、MFCの少なくとも一部はMFC損紙から得られる。
高度に精製されたセルロース繊維に加えて、第1および/または第2のパルプ懸濁液は、ある一定量の精製されていないか、またはわずかに精製されたセルロース繊維も含んでよい。本明細書において使用される精製されていないか、またはわずかに精製された繊維という用語は、好ましくは、ISO規格5267-1により決定されるとき30を下回る、好ましくは28を下回るショッパー・リーグラー(SR)値を有するセルロース繊維を指す。精製されていないか、またはわずかに精製されたセルロース繊維は、脱水を促進させるのに有用であり、かつ多層フィルムの強度および破壊靭性を改善することもできる。いくつかの実施形態において、第1および/または第2のパルプ懸濁液は、パルプ懸濁液の総乾燥重量に基づいて0.1~50wt%、好ましくは0.1~30wt%、より好ましくは0.1~10wt%の精製されていないか、またはわずかに精製されたセルロース繊維を含む。精製されていないか、またはわずかに精製されたセルロース繊維は、例えば、晒もしくは未晒またはメカニカルもしくはケミメカニカルパルプあるいは他の高収率パルプから得ることができる。精製されていないか、またはわずかに精製されたセルロース繊維は、好ましくは未乾燥セルロース繊維である。
発泡したパルプ懸濁液は、それが、驚くべきことにピンホール形成およびバリア特性減損の問題を引き起こすことなく、より多量の精製されていないか、またはわずかに精製されたセルロース繊維ならびに他の長繊維、例えば再生セルロース繊維またはPLAもしくはPVOH繊維などの熱可塑性繊維を加えることを可能にするという点で有利である。本明細書において使用される長繊維という用語は、0.5mmを上回る、好ましくは1mmを上回る、より好ましくは2mmを上回るまたは3mmを上回る、4mmを上回る、または5mmを上回る平均繊維長を有する繊維を指す。長繊維は、典型的には、10~50μmの範囲内、好ましくは10~40μmの範囲内、より好ましくは10~30μmの範囲内または10~20μmの範囲内の平均直径を有してもよい。精製されていないか、またはわずかに精製されたセルロース繊維および他の長繊維は、フィルムの機械的特性を改善することができる。いくつかの実施形態において、発泡した第2のパルプ懸濁液は、パルプ懸濁液の総乾燥重量に基づいて1~50wt%、好ましくは1~30wt%、より好ましくは1~10wt%の長繊維を含む。
好ましくは、発泡した第2のパルプ懸濁液は、発泡していない第1のパルプ懸濁液よりも大量の精製されていないか、もしくはわずかに精製されたセルロース繊維または他の長繊維を含む。
いくつかの実施形態において、発泡した第2のパルプ懸濁液の長繊維は、精製されていないか、またはわずかに精製されたセルロース繊維、再生セルロース繊維、および熱可塑性ポリマー繊維からなる群から選択される。
第1および/または第2のパルプ懸濁液のpH値は、典型的には、4~10の範囲内、好ましくは5~8の範囲内、より好ましくは5.5~7.5の範囲内であり得る。
第1および/または第2のパルプ懸濁液の温度は、典型的には、30~70℃の範囲内、好ましくは40~60℃の範囲内、より好ましくは45~55℃の範囲内であり得る。
第1および第2のパルプ懸濁液は、好ましくは、2つの異なるヘッドボックスから2つの異なるワイヤー上に供給される。発泡した第2のパルプ懸濁液は、ヘッドボックスの代わりにカーテンコーティング配列により塗布されてもよい。ヘッドボックスおよびワイヤーは、好ましくは、それぞれ異なるパルプ懸濁液の異なる特性を扱うように適合される。すなわち、第1のヘッドボックスおよび第1のワイヤーは、第1の発泡していないパルプ懸濁液を形成するために適合される一方、第2のヘッドボックスおよび第2のワイヤーは、発泡した第2のパルプ懸濁液を形成するために適合される。ヘッドボックスは、異なるように、例えば異なるコンシステンシー、ヘッドボックスジェット角度、またはジェット対ワイヤー比で操作することができる。
本発明の方法において使用されるワイヤーは、好ましくは、速い脱水および高い排出能を可能にするために比較的高い多孔度を有する)。ワイヤーの透気度は、好ましくは100Paで5000m/m/時間を上回る。
ワイヤーは、好ましくは、微細な材料が構造に入り込まないように、ならびにより少ないワイヤーマーキング、および粗い、かつ開いた裏側を生じさせるために、典型的には190を上回る高い繊維支持指数(F.S.I)を有する。
ウェブの総乾燥重量に基づく第1および/または第2の湿潤ウェブのそれぞれの坪量は、好ましくは、50g/m未満、より好ましくは30g/m未満である。50g/m未満または30g/m未満の坪量は、ピンホール形成がほとんどない湿潤ウェブの急速な部分的な脱水を可能にすることが見出された。ウェブの総乾燥重量に基づく第1および/または第2の湿潤ウェブの坪量は、好ましくは少なくとも5g/mである。したがって、いくつかの実施形態において、ウェブの総乾燥重量に基づく第1および/または第2の湿潤ウェブの坪量は、5~50g/mの範囲内、より好ましくは5~30g/mの範囲内である。
形成された後、第1および第2の湿潤ウェブは部分的に脱水される。ワイヤー上のウェブの脱水は、当技術分野において既知の方法および設備を使用して実施されてよく、例には、テーブルロールおよびフォイル、無摩擦脱水ならびに超音波支援脱水が含まれるが、これらに限定されない。部分的な脱水は、湿潤ウェブの乾燥固体含有量がパルプ懸濁液の乾燥固体含有量と比較して減少するが、脱水されたウェブが依然として著しい量の水を含むことを意味する。いくつかの実施形態において、湿潤ウェブの部分的な脱水は、第1および第2の部分的に脱水されたウェブの乾燥固体含有量が1wt%を上回るが、25wt%を下回ることを意味する。いくつかの実施形態において、湿潤ウェブの部分的な脱水は、第1および第2の部分的に脱水されたウェブの乾燥固体含有量が1wt%を上回るが、20wt%を下回ることを意味する。第1のウェブの固体含有量は、部分的な脱水後に第2のウェブの固体含有量よりも少なくてよい。いくつかの実施形態において、第1の部分的に脱水されたウェブの乾燥固体含有量は、1wt%を上回るが、15wt%を下回る。いくつかの実施形態において、湿潤ウェブの部分的な脱水は、第1の部分的に脱水されたウェブの乾燥固体含有量が1wt%を上回るが、10wt%を下回ることを意味する。これらの範囲内の第1および第2の部分的に脱水されたウェブの乾燥固体含有量は、多層ウェブ内に第1および第2の湿潤ウェブを接合するのに特に適していることが見出された。いくつかの実施形態において、接合工程の前の第1および第2の部分的に脱水されたウェブの乾燥固体含有量は、1.5~15wt%の範囲内、好ましくは2.5~10wt%の範囲内、より好ましくは3~8wt%の範囲内である。接合工程の前の第1の部分的に脱水されたウェブの乾燥固体含有量は、1.5~8wt%の範囲内、好ましくは2.5~6wt%の範囲内、より好ましくは3~4.5wt%の範囲内でよい。
部分的に脱水された、しかし依然として湿潤したウェブは、より高い坪量の多層ウェブを形成するために接合される。それらが接合されるときの第1および第2の部分的に脱水されたウェブの乾燥固体含有量は、好ましくは、1wt%を上回るが、25wt%を下回り、より好ましくは1wt%を上回るが、20wt%を下回る。いくつかの実施形態において、ウェブが接合されるときの第1の部分的に脱水されたウェブの乾燥固体含有量は、1wt%を上回るが、15wt%を下回る。いくつかの実施形態において、接合工程の前の第1および第2の部分的に脱水されたウェブの乾燥固体含有量は、1.5~15wt%の範囲内、好ましくは2.5~10wt%の範囲内、より好ましくは3~8wt%の範囲内である。いくつかの実施形態において、ウェブが接合されるときの第1の部分的に脱水されたウェブの乾燥固体含有量は、1.5~8wt%の範囲内、好ましくは2.5~6wt%の範囲内、より好ましくは3~4.5wt%の範囲内である。部分的に脱水されたウェブは、好ましくは、ウェットラミネーションにより接合される。
パルプ懸濁液がワイヤー上で脱水されるとき、目に見える境界線が、反射水層を有する、ウェブがそこから進む点からこの反射層が消える点まで現れることがある。反射ウェブと無反射ウェブの間のこの境界線は水線と呼ばれる。水線は、ウェブのある一定の固体含有量を示している。ウェブは、好ましくは、水線の後に接合される。ウェブが依然として湿潤している間にそれらを接合することは、層間の良好な接着を確実にする。接合することは、部分的に脱水されたウェブのうちの1つを他のウェブの上に付与することにより達成することができる。ウェブは、任意の順番で接合されてよい。第1のウェブは底層として使用することができ、第2のウェブが上に、またはその逆に付与される。接合することは、非ワイヤー側に対して非ワイヤー側で、または非ワイヤー側に対してワイヤー側で行われてよい。形成された多層ウェブの接合およびさらなる脱水は、様々な追加の操作により改善され得る。いくつかの実施形態において、接合することは、第1および第2の部分的に脱水されたウェブを一緒にプレスすることをさらに含む。いくつかの実施形態において、接合することは、接合された第1および第2の部分的に脱水されたウェブに吸引を適用することをさらに含む。形成された多層ウェブへの圧力および/または吸引の適用は、ウェブ層間の接着を改善する。抄紙機のワイヤーセクションは、ブレード、テーブルおよび/もしくはフォイル要素、サクションボックス、無摩擦脱水、超音波支援脱水、クーチロール、またはダンディロールなどの様々な脱水デバイスを有してよい。
ワイヤーに向いているウェブの表面はワイヤー側と呼ばれ、ワイヤーと反対の方向を向いているウェブの表面は非ワイヤー側と呼ばれる。
高度に精製されたセルロース繊維、特にMFCをワイヤー上で脱水するとき、非ワイヤー側とワイヤー側の間に微細繊維含有量の差が生じることが見出された。微細繊維は、典型的には非ワイヤー側で濃縮され、より多くの微細繊維が、脱水が起こるワイヤー側から洗い落とされる。ウェブ組成のこの差または不均衡は、湿度の変化に起因する完成フィルムのカーリングの問題を引き起こす。本発明にしたがって多層フィルムを形成することは、ウェブ組成の不均衡を軽減することにより、この問題を解決または改善することができる。
ウェブの接合は、好ましくは、非ワイヤー側に対して非ワイヤー側で、またはワイヤー側に対して非ワイヤー側で行われてよい。非ワイヤー側に対して非ワイヤー側で、または非ワイヤー側に対してワイヤー側でウェブを接合することは、微細繊維のより大部分が多層フィルムの中央に向かって濃縮されるという点で追加の利点を与える。微細繊維のこの濃縮は、層間の接着およびフィルムのガスバリア特性の両方に寄与する。微細繊維は自己治癒現象にも寄与することができ、ここで、微細繊維は再分布して、湿潤ワイヤー上のフェルト状シート内のボイドを充填し、したがって、生産されるフィルムの多孔性をより低くする。
非ワイヤー側に対して非ワイヤー側でウェブを接合することが好ましく、その理由は、i)微細繊維が中央で濃縮されることになる、ii)フィルム構造が対称になり、カーリング問題を軽減する、iii)接触表面における高濃度の微細繊維が、層間の良好な結合を確実にすることになる、iv)より多孔質の外面(ワイヤー側)が、プレスセクションにおけるより効率的な脱水およびより速い乾燥を可能にするからである。
多層ウェブの乾燥固体含有量は、典型的には、接合工程の間にさらに増加する。乾燥固体含有量の増加は、ワイヤー上の多層ウェブの脱水ならびにウェブに適用される任意選択の圧力および/または吸引によることができ、さらに接合の間または直後に実施される乾燥操作、例えばインピンジメント乾燥または空気もしくは蒸気乾燥によることができる。接合、ならびに圧力および/または吸引の任意選択の適用後の多層ウェブの乾燥固体含有量は、典型的には8wt%を上回るが、35wt%を下回る。いくつかの実施形態において、さらなる脱水および任意選択の乾燥工程の前の多層ウェブの乾燥固体含有量は、8~35wt%の範囲内、好ましくは10~20wt%の範囲内、より好ましくは12~18wt%の範囲内である。
ウェブの総乾燥重量に基づく、多層ウェブ、および多層フィルムの坪量は、典型的には100g/m未満、好ましくは60g/m未満、より好ましくは40g/m未満である。いくつかの実施形態において、ウェブの総乾燥重量に基づく、多層ウェブ、および多層フィルムの坪量は、10~100g/mの範囲内、好ましくは10~60g/mの範囲内、より好ましくは10~40g/mの範囲内である。これらの範囲内の坪量を有するピンホールフリーのフィルムは、良好な酸素バリア特性を有することが見出された。
本発明は、高度に精製されたセルロース繊維を含む2つのウェブ層から多層フィルムが形成される実施形態を主に参照して本明細書に記載される。しかし、多層フィルムは、高度に精製されたセルロース繊維を含む追加のウェブ層も含んでよいことが理解される。したがって、形成される多層フィルムは、3つ、4つ、5つ、6つ、または7つの層など、高度に精製されたセルロース繊維を含む3つ以上のウェブ層から形成されることも可能である。追加の各層の形成、組成および構造は、第1および第2のウェブ層を参照して上記したようにさらに特徴付けることができる。したがって、いくつかの実施形態において、多層フィルムを製造するための方法は、
c2)高度に精製されたセルロース繊維を含む第3のパルプ懸濁液を第3のワイヤー上に塗布することにより第3の湿潤ウェブを形成する工程;
d2)第3の部分的に脱水されたウェブを得るために、第3の湿潤ウェブを部分的に脱水する工程;
e2)多層ウェブを得るために、第1、第2および第3の部分的に脱水されたウェブを接合する工程
をさらに含む。
第1、第2および第3の部分的に脱水されたウェブは、任意の順番で接合されてよい。例えば、泡形成された第2の部分的に脱水されたウェブが、第1のウェブと第3のウェブの間に挟まれた中層として、または外層として配列されてよい。
さらなる脱水および任意選択の乾燥工程f)において、多層ウェブの乾燥固体含有量は、典型的には、さらに増加する。生じる多層フィルムは、好ましくは、90wt%を上回る乾燥固体含有量を有する。
さらに脱水することは、典型的には、できるだけ多くの水を絞り出すためにウェブをプレスすることを含む。さらに脱水することは、例えば、形成された多層ウェブを抄紙機のプレスセクションに通過させることを含んでよく、ここで、ウェブは、できるだけ多くの水を絞り出すために高圧下で負荷された大きいロール間を通過する。除去された水は、典型的には、ファブリックまたはフェルトにより受け取られる。いくつかの実施形態において、さらなる脱水後の多層フィルムの乾燥固体含有量は、15~48wt%の範囲内、好ましくは18~40wt%の範囲内、より好ましくは22~35wt%の範囲内である。
任意選択の乾燥は、例えば、一連の加熱された乾燥シリンダーの周りに多層ウェブを通すことにより多層ウェブを乾燥することを含んでよい。乾燥することは、典型的には、水含有量を約1~15wt%のレベルまで、好ましくは約2~10wt%まで除去することができる。
最終的な多層フィルムの乾燥固体含有量は、フィルムの意図される使用に応じて変化してよい。例えば独立した製品としての使用のためのフィルムは、85~99wt%の範囲内、好ましくは90~98wt%の範囲内の乾燥固体含有量を有してよい一方、紙または板紙ベースの包装材料を形成するためのさらなるラミネーションにおける使用のためのフィルムは、30~85wt%の範囲内など、90wt%未満、好ましくは85wt%未満の範囲内の乾燥固体含有量を有してよい。
ピンホールは、形成プロセスの間にウェブ内に現れ得る微視的な穴である。ピンホールの出現の理由の例には、パルプ懸濁液における不規則性、例えば、フィブリルの凝集もしくは再凝集、ファブリックの粗脱水、ワイヤー上の不均等なパルプ分布、または低すぎるウェブ坪量により発生される、パルプ懸濁液における不規則性が含まれる。いくつかの実施形態において、多層フィルムは、EN規格13676:2001にしたがって測定されるとき10ピンホール/m未満、好ましくは8ピンホール/m未満、より好ましくは2ピンホール/m未満を含む。測定は、多層フィルムを着色溶液(例えばエタノール中の染料E131 Blue)で処理すること、および微視的に表面を検査することを伴う。
多層フィルムは、典型的には、グリースおよび油に対する良好な耐性を示すことになる。多層フィルムの耐グリース性は、ISO規格16532-2にしたがってKIT試験により評価された。試験は、ヒマシ油、トルエンおよびヘプタンの一連の混合物を使用する。溶媒に対する油の割合が減少するにつれて、粘度および表面張力も低下し、続く混合物が耐えるのはより困難となる。性能は、15秒後にシートを黒ずませない最大の数が付けられた溶液により格付けされる。不良を引き起こすことなく紙の表面上に残留する最大の数が付けられた溶液(最も攻撃的)が「kit格付け」(最大12)として報告される。いくつかの実施形態において、多層フィルムのKIT値は、ISO規格16532-2にしたがって測定されるとき少なくとも6、好ましくは少なくとも8である。
いくつかの実施形態において、多層フィルムは、ISO規格5636/6にしたがって測定されるとき少なくとも10000s/100ml、好ましくは少なくとも25000s/100ml、より好ましくは少なくとも40000s/100mlのガーレー・ヒル値を有する。
多層フィルムは、好ましくは、高い再パルプ性を有する。いくつかの実施形態において、多層フィルムは、PTS-RH 021/97試験法にしたがってカテゴリーII材料として試験されるとき、30%未満、好ましくは20%未満、より好ましくは10%未満の残留物を示す。
多量の高度に精製されたセルロース繊維を含むフィルムは、典型的には可視光に対して透明または半透明である。したがって、いくつかの実施形態において、多層フィルムは、可視光に対して透明または半透明である。
さらに特定の実施形態において、本発明の方法は、
i)15~25の範囲内、好ましくは20~25の範囲内のショッパー・リーグラー(SR)値を有する5~15wt%の精製されていないか、もしくはわずかに精製された晒針葉樹または広葉樹クラフトパルプと、少なくとも90のSR値を有するMFCの形態の95~85%の高度に精製された晒針葉樹または広葉樹クラフトパルプとを含む繊維ミックスから第1の完成紙料を調製することを含む。セルロース系材料はすべて、同じクラフトパルプ源から調製することができ、ここで、高度に精製された繊維は、繊維の徹底的なリファイニングおよび/または均質化ならびに任意選択の酵素的前処理により得られる。第1の完成紙料のpHは、6.5~8.5の間である。
混合物の保水値(WRV)は、約300~350%である。ミックス(任意のさらなる化学薬品が加えられていない)のSR値は、少なくとも80、好ましくは少なくとも85である。したがって、混合物は、高い耐排出性を示すことになる。
第1の完成紙料は、0.15~0.35wt%のコンシステンシーおよび35~45℃の温度に調製される。完成紙料に、保持助剤(一成分または二成分または多成分)、形成助剤(CMCなどの非イオン性またはアニオン性水溶性ポリマー)のようなプロセス化学薬品、および任意選択で充填剤などの他の添加剤(<10wt%)、湿潤強度添加剤、疎水化化学薬品(<5kg/tn)が加えられる。
ii)15~25の範囲内、好ましくは20~25の範囲内のショッパー・リーグラー(SR)値を有する20%の精製されていないか、もしくはわずかに精製された晒針葉樹または広葉樹クラフトパルプと、少なくとも90のSR値を有するMFCの形態の80%の高度に精製された晒針葉樹または広葉樹クラフトパルプとを含む繊維ミックスの水性懸濁液を形成し、かつ繊維ミックスの1~20kg/tnの量のエチル(ヒドロキシエチル)セルロース(EHEC)を加えることにより第2の完成紙料を調製すること。使用されるセルロース系材料は、第1の完成紙料と同じである。
水性懸濁液は、40~90体積%の空気含有量に達するまで泡発生装置を通じて懸濁液を数回ポンプ輸送することにより発泡される。
第2の完成紙料は、約0.5wt%のコンシステンシーに調製される。発泡した第2の完成紙料は、タンクに供給された後、ヘッドボックスにさらにポンプ輸送される。pHおよび温度は、第1の完成紙料と同じである。
iii)第1のワイヤー上でフォードリニア技法を使用して第1の完成紙料の第1のウェブ層を形成および脱水すること。第1の層の坪量は20g/mである。
iv)第2のワイヤー上でフォードリニア技法を使用して発泡した第2の完成紙料の第2のウェブ層を形成および脱水すること。第2の層の坪量は20g/mである。
v)第1のウェブ層を第2のウェブ層上に移すこと、ならびに第1のウェブ層を第2のウェブ層に接合すること、ならびに層間の接触および接着を確実にするために、かつ形成された多層ウェブをさらに脱水するために2つの層を一緒にプレスすること。接合工程の前の第1および第2のウェブ層の乾燥固体含有量は、1.5~8wt%の範囲内である。第2の層の固体含有量は、第1の層の固体含有量よりもわずかに少ない。
vi)多層フィルムを得るために、多層ウェブをさらに脱水し、かつ任意選択で乾燥する工程。
得られる生成物は、ピンホールを含まず、かつ良好な酸素バリア特性(相対湿度50%および23℃でASTM規格D-3985にしたがって測定されるとき15cc/m/24時間/atm未満)およびグリースバリア特性(KIT>11)を有する。カレンダー処理されていないベースのPPS10表面粗さは、3.0を上回り、密度は、600~900kg/mの範囲内である。フィルムのガーレー-ヒル値は42300s/100mlである。
本明細書に例示される第2の態様によれば、高度に精製されたセルロースを含む多層フィルムであって、第1の態様を参照して記載されるような本発明の方法により得ることができる、多層フィルムが提供される。
本発明の多層フィルムは、熱可塑性ポリマーの1つまたは複数の層でコーティングまたはラミネートされるとき薄い包装フィルムとして特に適している。したがって、多層フィルムは、好ましくは、1つまたは複数のポリマー層でコーティングまたはラミネートされてよい。
多層フィルムは、片側または両側にポリマー層が備えられてよい。
ポリマー層は、一般に紙もしくは板紙ベースの包装材料において一般に使用される熱可塑性ポリマーまたは特に液体包装ボードにおいて使用されるポリマーのいずれかを含んでよい。例には、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレン(PP)、ポリ乳酸(PLA)、ポリグリコール酸(PGA)、デンプンおよびセルロースが含まれる。ポリエチレン、特に低密度ポリエチレン(LDPE)および高密度ポリエチレン(HDPE)が、液体包装ボードにおいて使用される最も一般的かつ汎用的なポリマーである。
熱可塑性ポリマーは、それらを押出コーティング技法により簡便に加工して、良好な液体バリア特性を有する非常に薄く、かつ均質なフィルムを形成することができるため有用である。いくつかの実施形態において、ポリマー層は、ポリプロピレンまたはポリエチレンを含む。好ましい実施形態において、ポリマー層は、ポリエチレン、より好ましくはLDPEまたはHDPEを含む。
ポリマー層は、同じポリマー樹脂または異なるポリマー樹脂で形成された1つまたは複数の層を含んでよい。いくつかの実施形態において、ポリマー層は、2種以上の異なるポリマー樹脂の混合物を含む。いくつかの実施形態において、ポリマー層は、2つ以上の層からなる多層構造であり、ここで、第1の層は、第1のポリマー樹脂からなり、第2の層は、第2のポリマー樹脂からなり、それは、第1のポリマー樹脂と異なる。
いくつかの実施形態において、ポリマー層は、多層フィルムの表面上へのポリマーの押出コーティングにより形成される。押出コーティングは、それにより、溶融したプラスチック材料が基材に塗布されて、非常に薄く、平滑で、かつ均一な層を形成するプロセスである。コーティングは、押出されたプラスチック自体により形成することができ、または溶融したプラスチックを接着剤として使用して、固体プラスチックフィルムを基材上にラミネートすることができる。押出コーティングにおいて使用される一般的なプラスチック樹脂には、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、およびポリエチレンテレフタレート(PET)が含まれる。
多層フィルムの各ポリマー層の坪量は、好ましくは50g/m未満である。連続的かつ実質的に欠陥のないフィルムを達成するために、少なくとも8g/m、好ましくは少なくとも12g/mのポリマー層の坪量が典型的には必要とされる。いくつかの実施形態において、ポリマー層の坪量は、8~50g/mの範囲内、好ましくは12~50g/mの範囲内である。
本発明の多層フィルムは、好ましくは、紙または板紙ベースの包装材料内、例えば液体または製品を含む液体の包装における使用のための液体包装ボード(LPB)内のガスバリア層として使用されてよい。したがって、本明細書に例示される第3の態様によれば、
紙または板紙基材;および
本発明の方法により得ることができる多層フィルム
を含む紙または板紙ベースの包装材料が提供される。
紙は、一般に、例えば上に書字、描画、もしくは印刷するために、または包装材料として使用される、木材のパルプまたはセルロース繊維を含む他の繊維性物質からシートまたはロールで製造された材料を指す。紙は、晒されても、晒されなくても、コーティングされても、コーティングされなくてもよく、最終使用要件に応じて、様々な厚さで生産することができる。
板紙は、一般に、例えば平坦な基材、トレイ、箱および/または他のタイプの包装として使用される、セルロース繊維を含む強い、厚い紙またはボール紙を指す。板紙は、晒されても、晒されなくても、コーティングされても、コーティングされなくてもよく、最終使用要件に応じて、様々な厚さで生産することができる。
第2の態様による紙または板紙ベースの包装材料の多層フィルムは、第1の態様を参照して上述のようにさらに定義することができる。
いくつかの実施形態において、多層フィルムは、例えば多層フィルムが、基材上に湿式積層されるとき、紙または板紙基材に直接的に結合される。したがって、いくつかの実施形態において、多層フィルムは、基材と直接接触している。
他の実施形態において、多層フィルムは、例えば多層フィルムが、基材と多層フィルムの間に配置された接着剤層を使用して基材上にラミネートされるとき、紙または板紙基材に間接的に結合される。したがって、いくつかの実施形態において、紙または板紙ベースの包装材料は、基材と多層フィルムの間に配置された接着剤層をさらに含む。
いくつかの実施形態において、紙または板紙ベースの包装材料は、相対湿度50%および23℃でISO規格15106-2/ASTM規格F1249にしたがって測定される200g/m/24時間未満の水蒸気透過度(WVTR)を有する。
いくつかの実施形態において、紙または板紙ベースの包装材料は、相対湿度50%および23℃でASTM規格D-3985にしたがって測定される1000cc/m/24時間/atm未満、好ましくは500cc/m/24時間/atm未満、より好ましくは100cc/m/24時間/atm未満、最も好ましくは50cc/m/24時間/atm未満の酸素透過度(OTR)を有する。
一般に、生成物、ポリマー、材料、層およびプロセスは、様々な構成要素または工程「を含む」という表現で記載されるが、生成物、ポリマー、材料、層およびプロセスは、様々な構成要素および工程「から本質的になる」または「からなる」こともできる。
本発明は、様々な例示的な実施形態を参照して記載されてきたが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更が加えられてよく、その要素を均等物で置換してよいことが当業者により理解されるであろう。加えて、その本質的な範囲から逸脱することなく特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正が加えられてよい。したがって、本発明は、本発明を行うために企図される最良の形態として開示される特定の実施形態に限定されないこと、しかし、本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことが意図される。
2つのフォードリニアワイヤーセクションを使用して脱水速度、および結果として走行速度も増加させることができることを示すためにパイロットフォードリニア・マシンにおいて実験を実施した。
走行条件
パルプ混合物:100% MFC
保水値:>350%
SR:>90
添加剤:カチオン性デンプン、カチオン性保持助剤、アニオン性保持助剤、疎水性サイジング、湿潤強度剤
pH:7.5
温度:45℃
湿式加圧:3ニップ 10/15/15kN/m
基準試行点
基準として、30g/mウェブをワイヤーセクション1で30m/分の走行速度で走行させた。ワイヤー保持率は99%であった。水線は非常に遅かったので、走行速度増加は、このセットアップでは可能ではなかった。
試行点1
第1のウェブをワイヤーセクション1で走行させ、第2のウェブをワイヤーセクション2で走行させた。各ウェブを20g/mで30m/分の走行速度で走行させた。各ワイヤー上のワイヤー保持率は99.6%であった。ウェブを湿潤状態で接合して、40g/mの合算重量を有する多層ウェブを形成し、多層ウェブをさらに脱水した。水線位置に基づいて、はるかに高い走行速度が可能であったであろうことは明らかであった。
試行点2
第1のウェブをワイヤーセクション1で走行させ、第2のウェブをワイヤーセクション2で走行させた。各ウェブを15g/mで45m/分の走行速度で走行させた。各ワイヤー上のワイヤー保持率は98.8%であった。ウェブを湿潤状態で接合して、30g/mの合算重量を有する多層ウェブを形成し、多層ウェブをさらに脱水した。水線位置に基づいて、さらに高い走行速度が可能であったであろうことは明らかであった。
結果は、2つのフォードリニアワイヤーセクションを使用して脱水速度、および結果として走行速度も増加させることができることを示す。得られた3つすべてのフィルムが、高いガーレー・ヒル値(ISO規格5636/6にしたがって測定されたとき42300s/ml、それは機器の最大値であった)を有していた。それは、より高い走行速度がフィルムのバリア特性に著しく影響しなかったことを示す。

Claims (37)

  1. 高度に精製されたセルロース繊維を含む多層フィルムを製造するための方法であって、
    a)ISO規格5267-1により決定されるとき65以上のショッパー・リーグラー(SR)値を有する高度に精製されたセルロース繊維を含む第1のパルプ懸濁液を第1のワイヤー上に塗布することにより第1の湿潤ウェブを形成する工程;
    b)第1の部分的に脱水されたウェブを得るために、第1の湿潤ウェブを部分的に脱水する工程;
    c)ISO規格5267-1により決定されるとき65以上のショッパー・リーグラー(SR)値を有する高度に精製されたセルロース繊維と発泡剤とを含む発泡した第2のパルプ懸濁液を第2のワイヤー上に塗布することにより第2の湿潤ウェブを形成する工程;
    d)第2の部分的に脱水されたウェブを得るために、発泡した第2の湿潤ウェブを部分的に脱水する工程;
    e)多層ウェブを得るために、第1および第2の部分的に脱水されたウェブを接合する工程;ならびに
    f)高度に精製されたセルロース繊維を含む多層フィルムを得るために、多層ウェブをさらに脱水し、かつ任意選択で乾燥する工程であって、多層フィルムが、ISO規格5636/6にしたがって測定されるとき少なくとも10000s/100mlのガーレー・ヒル値および600kg/mを上回る密度を有する、多層ウェブをさらに脱水し、かつ任意選択で乾燥する工程
    を含む、方法。
  2. 第1のパルプ懸濁液の乾燥固体含有量が、0.1~0.7wt%の範囲内、好ましくは0.15~0.5wt%の範囲内、より好ましくは0.2~0.4wt%の範囲内である、請求項1に記載の方法。
  3. 発泡した第2のパルプ懸濁液の乾燥固体含有量が、0.1~15wt%の範囲内、好ましくは0.2~10wt%の範囲内、より好ましくは1~8wt%の範囲内である、請求項1または2に記載の方法。
  4. 発泡した第2のパルプ懸濁液の密度が、800kg/mを下回る、好ましくは600kg/mを下回る、より好ましくは400kg/mを下回る、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 発泡した第2のパルプ懸濁液が、高度に精製されたセルロース繊維と発泡剤との発泡した水性混合物を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 発泡剤がポリマー発泡剤である、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 発泡剤が両親媒性ポリマーである、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 発泡剤が、任意選択で疎水的に修飾された多糖類、タンパク質、ポリビニルアルコール、部分的に加水分解されたポリ酢酸ビニルおよびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 発泡剤が、セルロース、デンプン、ヘミセルロースおよびそれらの混合物からなる群から選択される任意選択で疎水的に修飾された多糖である、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 発泡剤が、任意選択で疎水的に修飾された酢酸セルロース(CA)、エチル(ヒドロキシエチル)セルロース(EHEC)、メチルセルロース(MC)、エチルセルロース(EC)、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、スルホエチルセルロース、デンプン、およびそれらの混合物からなる群から選択される任意選択で疎水的に修飾された多糖である、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 発泡剤が、任意選択で疎水的に修飾されたメチルセルロースである、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 発泡剤が、5000g/molを上回る、好ましくは10000g/molを上回る分子量を有する、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 発泡した第2のパルプ懸濁液が、発泡した第2のパルプ懸濁液の総乾燥重量に基づいて0.1~80wt%の範囲内、好ましくは0.1~50wt%の範囲内、好ましくは0.1~10wt%の範囲内、より好ましくは0.1~5wt%の範囲内の発泡剤を含む、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 発泡した第2のパルプ懸濁液が、1000g/molを下回る分子量を有する界面活性化学薬品を含まない、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 第1のパルプ懸濁液が消泡剤をさらに含む、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
  16. 第1および/または第2のパルプ懸濁液が、パルプ懸濁液の総乾燥重量に基づいて少なくとも50wt%の高度に精製されたセルロース繊維を含む、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 第1および/または第2のパルプ懸濁液が、65~99の範囲内、好ましくは70~90の範囲内のショッパー・リーグラー(SR)値を有するセルロース完成紙料から形成される、請求項1から16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 高度に精製されたセルロース繊維がミクロフィブリル化セルロース(MFC)である、請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。
  19. 第1および/または第2のパルプ懸濁液が、パルプ懸濁液の総乾燥重量に基づいて50~99wt%、好ましくは少なくとも70~99wt%、より好ましくは少なくとも80~99wt%のMFCを含む、請求項18に記載の方法。
  20. 第1のパルプ懸濁液が、パルプ懸濁液の総乾燥重量に基づいて、ISO規格5267-1により決定されるとき30を下回るショッパー・リーグラー(SR)値を有する1~50wt%、好ましくは1~30wt%、より好ましくは1~10wt%の精製されていないか、またはわずかに精製されたセルロース繊維を含む、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
  21. 発泡した第2のパルプ懸濁液が、パルプ懸濁液の総乾燥重量に基づいて1~50wt%、好ましくは1~30wt%、より好ましくは1~10wt%の、0.5mmを上回る平均繊維長を有する長繊維を含む、請求項1から20のいずれか一項に記載の方法。
  22. 前記長繊維が、精製されていないか、またはわずかに精製されたセルロース繊維、再生セルロース繊維、および熱可塑性ポリマー繊維からなる群から選択される、請求項21に記載の方法。
  23. ウェブの総乾燥重量に基づく第1および/または第2の湿潤ウェブの坪量が、50g/m未満、好ましくは5~50g/mの範囲内、より好ましくは5~30g/mの範囲内である、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
  24. 接合工程の前の第1および第2の部分的に脱水されたウェブの乾燥固体含有量が、1.5~15wt%の範囲内、好ましくは2.5~10wt%の範囲内、より好ましくは3~8wt%の範囲内である、請求項1から23のいずれか一項に記載の方法。
  25. 接合することが、第1および第2の部分的に脱水されたウェブのウェットラミネーションにより実施される、請求項1から24のいずれか一項に記載の方法。
  26. 接合することが、第1および第2の部分的に脱水されたウェブを一緒にプレスすることをさらに含む、請求項1から25のいずれか一項に記載の方法。
  27. 接合することが、接合された第1および第2の部分的に脱水されたウェブに吸引を適用することをさらに含む、請求項1から26のいずれか一項に記載の方法。
  28. さらなる脱水および任意選択の乾燥工程の前の多層ウェブの乾燥固体含有量が、8~35wt%の範囲内、好ましくは10~20wt%の範囲内、より好ましくは12~18wt%の範囲内である、請求項1から27のいずれか一項に記載の方法。
  29. ウェブの総乾燥重量に基づく多層ウェブの坪量が、10~100g/mの範囲内、好ましくは10~60g/mの範囲内、より好ましくは10~40g/mの範囲内である、請求項1から28のいずれか一項に記載の方法。
  30. 多層フィルムが、可視光に対して透明または半透明である、請求項1から29のいずれか一項に記載の方法。
  31. 多層フィルムのKIT値が、ISO規格16532-2にしたがって測定されるとき少なくとも6、好ましくは少なくとも8である、請求項1から30のいずれか一項に記載の方法。
  32. 多層フィルムが、EN規格13676:2001にしたがって測定されるとき10ピンホール/m未満、好ましくは8ピンホール/m未満、より好ましくは2ピンホール/m未満を含む、請求項1から31のいずれか一項に記載の方法。
  33. 多層フィルムが、ISO規格5636/6にしたがって測定されるとき少なくとも25000s/100ml、より好ましくは少なくとも40000s/100mlのガーレー・ヒル値を有する、請求項1から32のいずれか一項に記載の方法。
  34. 高度に精製されたセルロースを含む多層フィルムであって、請求項1から33のいずれか一項に記載の方法により得ることができる、多層フィルム。
  35. 紙または板紙基材;および
    請求項1から33のいずれか一項に記載の方法により得ることができる多層フィルム
    を含む紙または板紙ベースの包装材料。
  36. 相対湿度50%および23℃でISO規格15106-2/ASTM規格F1249にしたがって測定される200g/m/24時間未満の水蒸気透過度(WVTR)を有する、請求項35に記載の紙または板紙ベースの包装材料。
  37. 相対湿度50%および23℃でASTM規格D-3985にしたがって測定される1000cc/m/24時間/atm未満、好ましくは500cc/m/24時間/atm未満、より好ましくは100cc/m/24時間/atm未満、最も好ましくは50cc/m/24時間/atm未満の酸素透過度(OTR)を有する、請求項35に記載の紙または板紙ベースの包装材料。
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