JP2024518885A - 結合剤で付着させた金属化層とポリマー製バリア層とを含むリサイクル可能な紙製包装材料 - Google Patents

Abstract

本発明は、可撓性又は半剛性の単一シートとして形成され、金属化紙（２）を含むバリア多層包装材料構造体（１）であって、上記金属化紙（２）は、上記材料構造体（１）の内側に、純粋なエチレン－アクリル酸、純粋なメタクリル酸コポリマー、純粋なポリエステル、純粋なポリ酢酸ビニル、純粋なポリウレタンから選択されるポリマー結合剤（５）で更にコーティングされ、その最内側に純粋なポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）の耐水性酸素バリア層（６）で更にコーティングされている、バリア多層材料構造体に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、水分及び酸素に対して高いバリア特性を有し、紙リサイクルストリームにおいてリサイクル可能である紙系包装材料に関する。

プラスチック包装は、経済活動及び人々の日常生活においてしばしば使用されている。プラスチック包装は、可撓性及び軽量性など、複数の利点を有する。軽量化は、例えば、輸送時の燃料の節約及びＣＯ_２削減に寄与する。プラスチック包装のバリア特性は、保存期限の延長にプラスの効果があることから、食品廃棄物を減らすのに役立つ。バリア特性はまた、食品の安全性を確保するのに役立つ。

しかしながら、欧州委員会によって最近公表された、循環型経済におけるプラスチックに関する欧州戦略によれば、欧州では毎年約２５８０万トンのプラスチック廃棄物が発生しており、かかる廃棄物のうちリサイクルのために回収されるのは３０％未満であり、毎年１５００００～５０００００トンものプラスチック廃棄物が海洋に侵入している。

プラスチック廃棄物の削減を確保するために、産業及び商業において多大な努力がなされている。いくつかのスーパーマーケットでは、例えば、ビニール袋を紙系の袋に置き換えている。しかしながら、食品包装においてプラスチックを紙に置き換えることは容易な課題ではない。包装材料の変更は、消費者の安全を損なわない必要がある。包装は、食品を保護する役割を果たす必要があるだけでなく、製造プロセス中に機械によって取り扱われるのに十分に丈夫なものである必要もあり、かつ食品製品が効果的に提示され得るようなものである必要もある。

したがって、改善されたバリア特性を有する紙系材料が必要とされている。特に、従来の紙リサイクルプロセスにおいてリサイクルできる改善されたバリア特性を有する紙系材料が必要とされている。

水分又はグリースに対する一定レベルのバリアを達成するために、紙の金属化を含む解決策が開発されてきた。ガス（特に酸素）バリア特性も達成するために、ポリマーフィルム層が押出又は積層プロセスによって追加されることもある。しかしながら、そのようなポリマーが押出又は積層プロセスによって厚い層状に堆積されることにより、当該材料のポリマー含有量は高くなることから、当該材料は紙リサイクルプロセスでリサイクル可能なものではなくなってしまう。

また、現在の金属化バリア紙の解決策は、高レベルの酸素バリア及び水蒸気バリアを提供し得るが、（パッケージを形成するときの）折り畳みなどの機械的作用に対する堅牢性に欠けることが判明した。更に、そのような紙系構造体は、非常に高いレベルの相対湿度に曝されたときに、シワが生じることも判明している。

したがって、紙系であり、紙リサイクルプロセスに不適合なものにする多量のポリマー材料を含有せず、水分及び酸素に対する優れたバリアを有すると同時に、包装製造プロセス中に遭遇するような機械的応力への耐性がある、包装材料が必要とされていた。

ポリ塩化ビニリデン又はポリ二塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）は、ポリマーフィルム構造体において酸素に対する非常に良好なバリアであると同時に、包装製造プロセスにおいて使用されるタイプのシーリングツールによって発生する熱にさらされたときに実質的に劣化しないことから、優れたヒートシール能力も提供することが見出された。しかしながら、ＰＶＤＣは多層構造体中のアルミニウム金属層に適切に接着しないことも判明しており、そのため、包装における水分及び酸素の両方に対する高いバリアを達成するには金属層をＰＶＤＣと合わせるべきではないと、当業者から長い間一般的に考えられていた。

国際公開第９２１１９５２号（Ａ１）（出願人ＤＵＰＯＮＴ ｄｅ ＮＥＭＯＵＲＳ Ｃｏｍｐａｎｙ）は、改善されたバリア層コーティング接着性とヒートシール特性とを示す、１つ以上の表面上に金属コーティングを有する金属化材料を開示している。上記の材料は、少なくとも８０％の塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、少なくとも４％のエチレン性不飽和アクリルモノマーのポリビニリデンコポリマーのコーティング、並びにフィルム特性を改変するためのコーティング添加剤を含む。ＰＶＤＣは、良好な酸素バリア特性を提供しながら、機械的応力に対する優れた耐性を達成する。この特許公報において、発明者らは、ＰＶＤＣを添加剤と混合することによって、金属層とＰＶＤＣ酸素バリア層との間に適度に良好な結合を達成できることを見出した。より正確には、国際公開第’９５２号に記載されている金属化材料は、少なくとも１つの金属表面をその上に有する基材材料（例えば紙）を、コーティング添加剤と塩化ビニリデンコポリマーとの配合溶液で処理することによって製造されることから、改善されたバリア層コーティング接着性とヒートシール特性とを示す。上記のポリ塩化ビニリデンコポリマーは、少なくとも８０重量％のポリ塩化ビニリデン、少なくとも４重量％のエチレン性不飽和アクリル酸エステルを含む。

国際公開第９２１１９５２号に開示された発明は、ＰＶＤＣの金属への接着を改善するが、本発明者らは、塩化ビニリデンを金属へのＰＶＤＣの接着を可能にする同じ添加剤と混合することで、ＰＶＤＣが広範に変性を受けることを見出した。この化学変性は、ＰＶＤＣのバリア特性の実質的な低下をもたらす。

上記を考慮すると、既に利用可能な解決策の主な欠点を回避し、かつ、紙リサイクルプロセスにおいてリサイクル可能であり、高い水分バリアのために金属化され、優れた酸素バリア及びヒートシール特性のための追加の層を更に含む、包装材料が必要とされている。

［発明の概要］
上記の目的は、バリア多層包装材料構造体であって、可撓性又は半剛性の単一シートとして形成され、その外側表面から内側表面に、
（ｉ）４０ｇ／ｍ^２～１５０ｇ／ｍ^２の坪量を有する可撓性又は半剛性紙層と、
（ｉｉ）紙層と金属層との間に配置された、金属被覆より外側にある（ｐｒｅ－ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）層であって、１～１０ｇ／ｍ^２の範囲内に含まれる量で存在する、金属被覆より外側にある層と、
（ｉｉｉ）
１．５～４に相当する光学密度を有するアルミニウム物理蒸着、
酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）又は酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）の物理蒸着又は化学蒸着、からなるリストの範囲で選択される薄い金属層であって、上記金属又は酸化物の層が７ｎｍ～１００ｎｍの間に含まれる厚さを有する、薄い金属層と、
（ｉｖ）純粋なエチレン－アクリル酸、純粋なメタクリル酸コポリマー、純粋なポリエステル、純粋なポリ酢酸ビニル、純粋なポリウレタンからなるリストから選択されるポリマー結合剤であって、０．１ｇ／ｍ^２～１０ｇ／ｍ^２の間に含まれる量で存在する、ポリマー結合剤と、
（ｖ）４ｇ／ｍ^２～２０ｇ／ｍ^２、好ましくは５ｇ／ｍ^２～８ｇ／ｍ^２の量の純粋なポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）の耐水性酸素バリア層と、
を含む、バリア多層包装材料構造体によって達成される。

ＰＶＤＣ化学構造が添加剤による変性を受けた従来技術の構造体とは異なり、ＰＶＤＣ層が純粋であるという事実により、上記構造体のバリア性能及び耐熱性能が改変されず、また卓越していることが証明されている。更に、金属層とＰＶＤＣ層との間に中間結合層が存在すると、これら２つの層の間には優れた接着性が提供されることが見出された。公知技術において利用可能な解決策には、このような利益の全てを同時に提供できるものはなかった。

金属被覆より外側にある層は、特に紙の表面を滑らかにすることから、金属層が紙の表面に適切に接着することを可能にし、堆積される金属原子に対して化学的に適合する界面を提供する。

包装構造体の「内側」とは、上記包装構造体から製造されるパッケージの、充填された食品内容物に面することが意図される側を意味する。

「純粋なポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）の層」とは、ポリマーから結合剤、充填剤が除かれ、特に任意の他のタイプのポリマー又は材料が除かれた、完全にＰＶＤＣで作製された層を意味する。

「純粋なエチレンアクリル酸の層」又は「純粋な」メタクリル酸とは、当該層が、それぞれ完全かつ排他的にエチレン－アクリル酸又はメタクリル酸から構成されること、特に、１つのタイプのポリマーのみを含有し、任意の他のタイプのポリマー又は成分を含まないことを意味する。

本発明による多層金属化紙系材料は、通常の紙リサイクルプロセスにおいて、好ましくはＰＴＳ試験法ＰＴＳ－ＲＨ ０２１：２０１２ Ｃａｔｅｇｏｒｙ ＩＩに従うプロセスにおいて、他の紙製包装材料と共にリサイクルすることが可能である。このリサイクル性は、当該材料が含有する特定量のポリマー（ＨＤＰＥ）が分散体コーティングプロセスによって塗布されるという事実によるものである。

ポリマー層の分散体コーティングのおかげで、構造体におけるポリマー材料全体の厚さは紙材料の厚さと比較して非常に低減される。したがって、本発明者らは、酸素及び水分移動に対する優れたバリア特性、並びに液体接触に対する耐性を有する包装多層構造体を実現すると同時に、全材料重量に対して非常に高い割合のセルロース繊維の全含有量を達成した。更に、ポリマーの分散体コーティングは、ポリマーの高凝集及び高接着を回避し、その結果リサイクル性の問題が解決される（基材には、液体ポリマーではなく水キャリア媒体中に分散したポリマー固体粒子を塗布する）。本発明者らが、押出（押出積層又は押出コーティング）によって形成されたポリマー層を完全に除いた多層構造体を形成することに成功したことにより、セルロース系繊維を非セルロース系材料に対してある比で有し、繊維含有量が極めて高い多層構造体が提供される。上記ポリマー層は、ポリマーの凝集強度が比較的低く、かつ同ポリマーの、基材の残りの部分（特にセルロース系繊維）に対する接着性も比較的低いため、紙リサイクルストリームの再パルプ化プロセスにおいて容易に崩壊する。したがって、得られた構造体は、優れた再パルプ化能力及び高い繊維収率を示し、世界のほとんどの国で古紙回収に受け入れ可能である。当該技術分野で知られている既存の構造体とは異なり、非常に低い含有量の非セルロース系ポリマー及び金属材料の真空蒸着金属層は、容易に崩壊し、溶解し、セルロースから分離する。

有利には、本発明による紙系バリア多層構造体において、上記構造体の総繊維含有量は、８５重量％～９５重量％である。

一実施形態では、包装構造体は、インク印刷、オーバープリントワニスを含む最外コーティング層を更に含み、上記最外層は、０．１ｇ／ｍ^２～６ｇ／ｍ^２の量で塗布される。

好ましくは、金属被覆より外側にある層は、エチレンアクリル酸コポリマー、ポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）、ブテンジオールビニルアルコール（ＢＶＯＨ）コポリマー、ニトロセルロース－プロピレン－アクリル酸コポリマー、ポリウレタン、又はこれらの組み合わせからなるリストの範囲で選択される成分を含む。

十分に低レベルのポリマー含有量を有する包装構造体を提供することで、紙リサイクルプロセスにおけるリサイクルを可能にするために、金属被覆より外側にある層は、好ましくはポリマー分散体コーティングプロセスによって、より好ましくはダイレクト若しくはリバースグラビア塗布又はセミフレキソ印刷プロセスを使用して、塗布される。

任意選択で、本発明の包装構造体はまた、有利には、ヒートシールラッカー、液密ポリオレフィン分散体コーティング、又はこれらの組み合わせを有する最内層も含むことができ、上記最内層は、１～１０ｇ／ｍ^２の量で存在する。

本発明は更に、上記のような紙系バリア多層構造体で作製されたパッケージに関する。

本発明の追加の特徴及び利点は、図面を参照して以下に記載の現在好ましい実施形態の説明において記載されており、この説明から明らかになる。
本発明による多層バリア構造体の第１の実施形態の断面の概略図である。 本発明による多層バリア構造体の第２の実施形態の断面の概略図である。

一般に、本明細書において、「押出コーティング」とは、溶融した熱可塑性樹脂（例えば、ポリエチレン）を水平スロットダイを通して基材（例えば、紙）の移動ウェブ上に押し出す押出機を使用することによって、ポリマーの厚い層を提供する方法を意味する。生成物としては、永久的にコーティングされたウェブ構造体が得られる。

「押出積層」とは、ポリマー樹脂が２つの基材（例えば、紙の層とポリマーフィルムの別の層）の間に押し出され、結合剤として作用する、押出コーティングと同種のプロセスを意味する。

「接着積層」とは、１つの紙材料が接着剤でコーティングされ、第２の紙又は板紙材料に積層されるプロセスを意味する。

積層プロセスでは、材料の２つの厚い層が押出積層又は接着積層のいずれかによって組み合わされることで、各層の厚さが、分散体コーティングによって得られる厚さよりもはるかに厚くなる。

「分散体コーティング」又は「ポリマー分散体コーティング」とは、乾燥後に固体の非多孔質フィルムを形成するために、微細なポリマー粒子の水性分散体又はポリマー溶液を紙又は板紙の表面にそのまま塗布するコーティング技術を意味する。分散体コーティングは、グラビア、フレキソグラビア、ロッド、ブレード、スロットダイ、カーテンエアナイフ、又は任意の他の既知の紙コーティング方法によって実施できる。ポリマーが水溶液に混合されることから、分散体コーティングは押出よりもはるかに薄い層を作り出すことができる。このことは、ポリマー使用量、そのバリア性能、及び得られる紙構造体のリサイクル性の点で利点をもたらす。分散体コーティングの目標は、水、水蒸気、グリース、油、ガスなどに対するバリア層を環境に優しいコーティングによって実現することである。別の目標は、真空蒸着プロセスのためにセルロース系材料の表面を調製することである。

図１は、本発明の第１の実施形態を例示している。この図には、外層（すなわち、上記構造体がパッケージへと形成された後、外部雰囲気と接触する層）から始まり、内層（すなわち、上記構造体がパッケージへと形成された後、最終的にパックされた製品と接触する層）までの、複数の層を備える多層構造体１が示されている。

本発明による構造体１のこの第１の実施形態では、図１に示すように、第１の最外層２は、８０ｇ／ｍ^２の坪量を有する可撓性又は半剛性の紙層である。この紙は、ＵＰＭ Ｃｏｍｐａｎｙから入手した、非塗工のスーパーカレンダー加工上質クラフト紙である。

次いで、紙系バリア多層構造体１は、紙層２と真空蒸着金属層４である次の層との間に配置された、ブテンジオールビニルアルコール（ＢＶＯＨ）コポリマーの、金属被覆より外側にある層３を更に含み、上記金属被覆より外側にある層３は、約３ｇ／ｍ^２の量でポリマー分散体コーティングによって塗布される。

次に、金属被覆より外側にある層３は、３に相当する光学密度を有するアルミニウム物理蒸着である薄い金属層４で金属化され、上記アルミニウム層は約４５ｎｍの厚さを有する。

次に、アルミニウム層４の内側は、ポリエステルの水系分散体を含むポリマー接着プライマーコーティング５でコーティングされ、上記プライマー（本明細書の残りの部分では「結合剤」とも呼ばれる）は、分散体コーティングプロセスによって約２ｇ／ｍ^２の量で塗布される。

最後に、この第１の実施形態による構造体１の最内層は、純粋なポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）の耐水性酸素バリア層６であり、該バリア層６は、約８ｇ／ｍ^２の量で適用され、ダイレクトグラビア塗布を使用するポリマー分散体コーティングプロセスによって堆積される。

本発明による構造体１の第２の実施形態では、図２に示すように、構造体は、図１に関連して上に記載した第１の実施形態の構造体と同様である。しかしながら、この実施形態では、紙系バリア多層構造体１は、約５ｇ／ｍ^２の量のインク印刷及びオーバープリントワニスを含む最外コーティング層７を更に含む。材料構造体の最も内側では、ＰＶＤＣ層は、特に材料からパッケージを製造するために材料がヒートシールプロセスにおけるシールを必要とする場合、ヒートシールラッカーとして機能する。

本発明の可撓性包装材料構造体は、食品製品用包装材料を形成するものとして設計されてもよい。包装材料は、好ましくは一次包装材料であるが、二次包装材料又は三次包装材料を製造するために使用することもできる。食品製品用の一次包装材料は、実際の食品製品と直接接触している。食品製品用二次包装材料は、一次包装に収容された１つ以上の食品製品を固定するのに役立つ食品製品用包装材料であってもよい。二次包装材料は、典型的には、複数の食品製品が単一容器にそれぞれ個別にパックされて消費者に提供される場合に使用される。食品製品用三次包装材料は、一次包装に並びに／又は一次包装及び二次包装に収容された１つ以上の食品製品を輸送中に保護（ｓｅｃｕｒｅ）するのに役立つ食品製品用包装材料である。

本明細書で述べる現在の好ましい実施形態に対する様々な変更及び修正が、当業者には明らかとなる点を理解されたい。このような変更及び修正は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、並びに本発明の付随する利点を減らすことなく、なされてもよい。したがって、このような変更及び修正は、添付の特許請求の範囲によって包含されることが意図されている。

Claims (7)

1. バリア多層包装材料構造体（１）であって、可撓性又は半剛性の単一シートとして形成され、その外側表面からその内側表面に、
   （ｉ）４０ｇ／ｍ^２～１５０ｇ／ｍ^２の坪量を有する可撓性又は半剛性紙層（２）と、
   （ｉｉ）前記紙層（２）と金属層（４）との間に配置された、金属被覆より外側にある層（３）であって、１～１０ｇ／ｍ^２の範囲内に含まれる量で存在する、金属被覆より外側にある層（３）と、
   （ｉｉｉ）
   １．５～４に相当する光学密度を有するアルミニウム物理蒸着、
   酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）又は酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）の物理蒸着又は化学蒸着からなるリストの範囲で選択される薄い金属層であって、前記金属又は酸化物の層が７ｎｍ～１００ｎｍの間に含まれる厚さを有する、薄い金属層（４）と、
   （ｉｖ）純粋なエチレン－アクリル酸、純粋なメタクリル酸コポリマー、純粋なポリエステル、純粋なポリ酢酸ビニル、純粋なポリウレタンからなるリストから選択されるポリマー結合剤であって、０．１ｇ／ｍ^２～１０ｇ／ｍ^２の間に含まれる量で存在する、ポリマー結合剤（５）と、
   （ｖ）４ｇ／ｍ^２～２０ｇ／ｍ^２、好ましくは５ｇ／ｍ^２～８ｇ／ｍ^２の量の純粋なポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）の耐水性酸素バリア層（６）と、
   を含む、バリア多層包装材料構造体（１）。
2. 前記構造体の総繊維含有量が８５重量％～９５重量％である、請求項１に記載の紙系バリア多層構造体（１）。
3. インク印刷、オーバープリントワニスを含む最外コーティング層（７）を更に含み、前記最外層が、０．１ｇ／ｍ^２～６ｇ／ｍ^２の量で塗布される、請求項１又は２に記載の紙系バリア多層構造体（１）。
4. 前記金属被覆より外側にある層（３）が、エチレンアクリル酸コポリマー、ポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）、ブテンジオールビニルアルコール（ＢＶＯＨ）コポリマー、ニトロセルロース－プロピレン－アクリル酸コポリマー、ポリウレタン、又はこれらの組み合わせからなるリストの範囲で選択される成分を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の紙系バリア多層構造体（１）。
5. 前記金属被覆より外側にある層（３）が、ポリマー分散体コーティングプロセスによって塗布される、請求項１～４のいずれか一項に記載の紙系バリア多層構造体（１）。
6. ヒートシールラッカー、液密ポリオレフィン分散体コーティング、又はこれらの組み合わせを含む最内層（８）を更に含み、前記最内層（８）が１～１０ｇ／ｍ^２の量で存在する、請求項１～５のいずれか一項に記載の紙系バリア多層構造体（１）。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の紙系バリア多層構造体で作製されたパッケージ。
   

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