JP3605908B2 - Barrier laminate and method for producing the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素、水蒸気等のガスバリアー性に優れ、かつ、蒸着工程、印刷工程、ラミネート工程、製袋工程等における薄膜の剥離防止、包装形態で使用時の薄膜の剥離防止性能を持つバリアー性積層体とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、食品、医療品等の包装に用いられる包装材料は、内容物の変質、特に食品においては蛋白質や油脂等の酸化、変質を抑制し、さらに味、鮮度を保持するために、また、無菌状態での取扱いが必要とされる医療品においては、有効成分の変質を抑制し、効能を維持するために、包装材料を通過する酸素、水蒸気、その他内容物を変質させる気体による影響を防止する必要があり、これら気体(ガス)を遮断するガスバリアー性を備えることが求められている。
【0003】
そのため、従来酸素を遮断するバリアー性フィルムとしてポリビニルアルコールフィルム、エチレンビニルアルコール共重合体フィルム、ポリアクリロニトリルフィルム等、また、水蒸気を遮断するバリアー性フィルムとしてポリプロピレンフィルム、ポリエチレンフィルム等がガスバリアー性積層体を構成する包装材料として用いられており、この包装材料からなる包装フィルムが一般的に使用されてきた。
【0004】
ところがこれらのフィルム単独では、酸素と水蒸気の両方に対する十分なガスバリアー性を備えておらず、一般にガスバリアー性が比較的高いといわれる特性の異なる性質の高分子樹脂組成物をラミネートまたはコーティングにより積層した積層フィルムとして包装材料に用いられてきたが、保存や使用環境における温度や湿度の影響を受け十分なガスバリアー性を発揮できない場合もあった。
【0005】
また単独で酸素、水蒸気両方のバリアー性を備えている樹脂フィルムとして、ポリ塩化ビニリデンフィルム、あるいはポリエステルフィルムに塩化ビニリデン共重合体樹脂をコーティングしたフィルム、ポリプロピレンフィルムに塩化ビニリデン共重合体樹脂をコーティングしたフィルム、ナイロンフィルムに塩化ビニリデン共重合体樹脂をコーティングしたフィルム等がある。このような樹脂フィルムは使用後廃棄され焼却すると有毒ガスが発生し、環境上の問題となる恐れがある。
【0006】
一方、高度なガスバリアー性が要求される包装材料には、樹脂フィルム(適当な高分子樹脂組成物で単独では高いガスバリアー性を有していない樹脂であっても)とアルミニウム等の金属または金属化合物からなる金属箔との積層フィルムが用いられてきた。しかしここで使用されるアルミニウム箔等の金属箔は、酸素、水蒸気等の気体に対するバリアー性は優れているが、使用後廃棄物として焼却されると残滓として金属が残り、また、再利用も難しいため、この金属箔の廃棄は環境への影響を避けることはできない。
【0007】
また、上述のような問題を解決するものとして、最近では一酸化ケイ素(SiO)等のケイ素酸化物(SiO) 、酸化アルミニウム(Al)、アルミニウム(Al)等の金属、金属酸化物の薄膜を樹脂フィルム上に蒸着等の形成手段により成膜した蒸着フィルムが開発されており、これらは高分子樹脂組成物からなるガスバリアー材よりも優れたガスバリアー特性を有しており、高湿度下での劣化も少なく包装材料に用いられはじめている。
そしてこれらの蒸着フィルムからなる包装材料は、蒸着フィルム単体で用いられることはほとんどなく、蒸着後の後加工として包装容器、包装袋等に加工される。例えば、包装袋は蒸着フィルムをさらに他の基材と貼り合わせ、製袋工程を経て袋状に加工されている。
【0008】
しかしながら、上述の金属、金属酸化物を樹脂フィルム上に薄膜形成させた蒸着フィルムは、有機化合物である樹脂フィルムと、その樹脂フィルムに接する無機化合物である蒸着薄膜とでは、両者の機械的性質、化学的性質、熱的性質、電気的性質等の諸物性が非常に異なっている。
従って、蒸着加工、印刷加工、ラミネート加工等の包装材料としての製造工程や、包装袋としての使用方法、使用環境によっては、蒸着薄膜に機械的ストレス、熱的ストレス等が付加され蒸着薄膜に傷を生じ、クラック、ピンホール等の損傷、欠陥が発生し、それらの損傷部分、欠陥部分から酸素、水蒸気等の気体が通過して本来有しているはずの高いバリアー性能が低下する問題を有している。
また、無機化合物の蒸着薄膜と有機化合物である樹脂フィルム間では強固な結合が得られ難く、樹脂フィルム、インキ、接着剤等との間で剥離が生じ、十分な密着性が得られないと共に、蒸着薄膜も損傷が生じバリアー性劣化する問題を有している。
【0009】
このような問題に対して、蒸着基材となる樹脂フィルムと蒸着フィルムとの密着性を改良する方法に、例えば樹脂フィルムの表面をコロナ放電処理、紫外線照射処理、プラズマ処理、火炎処理、または熱やアルカリ等の薬品による表面処理等により、表面を活性化してから金属または金属化合物の蒸着を行うものがある。ところが樹脂フィルムの濡れ性向上にて蒸着薄膜との二次結合力の増減により接着性の向上は期待できるが、その活性能力が経時と共に減少し、この処理方法によっても必ずしも満足する接着力が得られないなどの問題を有しており十分なものとはいえない。
【0010】
別な方法として、樹脂フィルムとその他の樹脂成分等と共重合させた共重合樹脂フィルム、樹脂フィルムの製膜時に他の樹脂を共押出しさせた共押出多層樹脂フィルムを用いる方法や、蒸着基材となる樹脂フィルム表面に、樹脂フィルムの製膜時にオフラインまたはインラインで、エチレンイミン系、アミン系、エポキシ系、ウレタン系またはポリエステル系等のコーティング剤を塗布する方法があるが、両方法とも、密着性は向上するが耐熱性が劣るため熱寸法安定性が悪く、蒸着、印刷、ラミネート等の各工程における熱負荷時に蒸着薄膜が機械的ストレスを受け、それにより蒸着薄膜にクラック、ピンホール等が発生し、バリアー性が低下し十分なものとはいえない。
【0011】
さらに樹脂フィルムに形成された蒸着薄膜と、印刷、ラミネートの工程によって付加されるインキ、接着剤等との密着性の改良も行われており、エチレンイミン系、アミン系、エポキシ系、ウレタン系またはポリエステル系等のコーティング剤を塗布する方法がある。コーティング剤の樹脂成分によっては、密着性の悪化あるいはバリアー性の低下が見られ、密着性とバリアー性の両者を満足させるものではない。これによればコーティング時の熱寸法安定性が悪いため、経時あるいは製袋工程や成形工程で受ける熱負荷により体積膨張または体積収縮を起こし蒸着薄膜が機械的ストレスを受け、それにより蒸着薄膜にクラック、ピンホール等が発生し、インキ、接着剤等からの剥離が発生しバリヤー性が低下した。
【0012】
包装材料としての性能面の問題に加えて、樹脂フィルムと蒸着薄膜の間に介在するコーティング層の塗布工程、蒸着膜と印刷層あるいは接着剤層の間に介在するコーティング層の塗布工程は、樹脂フィルム製造時にインラインでコーティング層を設ける以外、つまりほとんどの場合は、それぞれ各層別工程となるため、製造コストが非常にかかる問題がある。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、バリアー性積層体に関する上記のような問題点を除去するためになされ、樹脂フィルムと金属蒸着薄膜との密着性が良く、かつ、ガスバリアー性に優れたバリヤー性積層体とその製造方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の発明は、樹脂フィルムの片面に低温プラズマCVD法によりシリコン化合物の薄膜を形成させ、その薄膜上に物理蒸着法により金属または金属化合物の薄膜を積層させ、さらに前記低温プラズマCVD法によりシリコン化合物の薄膜を積層させてなることを特徴とするバリアー性積層体である。
【0018】
【作用】
上記のように本発明によれば、樹脂フィルム上に形成される低温プラズマCVD法によるシリコン化合物薄膜の作用は、その薄膜内部での強固な−O−Si−O−Si−結合をすると共に、基板となる樹脂フィルムとの間でも強固な化学結合を形成し、十分な密着性を発揮する。また、低温プラズマCVD法によるシリコン化合物の薄膜と物理蒸着法による金属または金属化合物の薄膜との間でも、−O−Si−O−M(金属)のような強固な化学結合を形成するため十分な密着性を発揮する。プラズマCVDシリコン化合物の薄膜は、物理蒸着法による金属または金属化合物の薄膜は内部応力、熱膨張係数等近似しているため両者の層間に生じる歪みが小さいことからも強い密着性が得られる。
【0019】
さらに、プラズマCVDシリコン化合物は膜質が緻密で架橋が進んでいること、ドライ加工であるために粉塵等の異物の混入が少なく、ピンホールが非常に少ないことから、自身の膜でも良好なガス遮断性があると同時に、その薄膜上に物理蒸着法にて金属または金属化合物の薄膜を形成する際の膜形成ポイントが非常に多くなること、残留溶剤、脱ガスがなく蒸発粒子の付着に妨害を与えない等から、金属または金属化合物の薄膜の膜質も緻密化しバリアー性能が向上する。物理蒸着法にて形成された金属または金属化合物の薄膜は比較的多くのピンホールが存在するが、その膜上にプラズマCVDシリコン化合物膜を形成した場合、段差被覆性が良いためピンホールを覆い隠すことができ、ガス遮断性が良好になる。
【0020】
プラズマCVDシリコン化合物膜は強い硬度を持ち、耐熱性が良好であり、ウェットコーティング膜程厚みを必要とせず、しかも膜厚制御性も良好である。これは加工性、生産性に非常に有利である。
従って、プラズマCVDシリコン化合物膜は、物理蒸着法による金属または金属化合物の薄膜に対するアンカーコート層、トップコート層として従来のウェットコート層より非常に有効である。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下本発明を詳細に説明する。
図1(a)、(b)、(c)はそれぞれ本発明のバリアー性積層体の構成を説明する断面図であり、図2は本発明のバリアー性積層体を製造する装置の模式説明図である。
図1(a)、(b)、(c)において、4、5、6はバリアー性積層体であり、1は樹脂フィルム、2は低温プラズマCVDシリコン化合物薄膜、3は金属または金属化合物蒸着薄膜である。
【0022】
樹脂フィルム(1)は、シート状またはフィルム状のものであって、ポリオレフィン(ポリエチレン、ポリプロピレン等)、ポリエステル(ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン2,4−ナフレート等)、ポリアミド(ナイロン6、ナイロン12等)、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミドポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン、ポリアリレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、テトラフルオロエチレン、一塩化三フッ化エチレン、フッ化エチレンプロピレン共重合体、ポリイミドなど通常包装材料として用いられるものが使用できる。これら樹脂フィルム(1)は用途に応じて上記材料から適宜選択される。必要に応じて二軸延伸フィルムを使用できる。
また、これらの樹脂フィルムには、例えば帯電防止剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤等公知の添加剤を加えることができ、必要に応じて適宜添加される。
【0023】
さらに樹脂フィルム(1)の表面をコロナ放電処理、プラズマ活性化処理、グロー放電処理、逆スパッタ処理、または粗面化処理などの表面活性化処理、また、クリーニング処理、帯電除去処理など公知の表面処理を行うこと、または、オフラインやインラインで、エチレンイミン系、アミン系、エポキシ系、ウレタン系、ポリエステル系などのコーティング剤を塗布し、樹脂フィルム(1)と低温プラズマCVDシリコン化合物薄膜(2)、あるいは、金属あるいは金属化合物蒸着薄膜(3)との密着性を向上させることも可能である。
樹脂フィルム(1)の厚さは特に制限されないが、蒸着工程の加工適性などを考慮すると2〜400μmの範囲が好ましい。
【0024】
低温プラズマCVDシリコン化合物薄膜(2)は、例えばSiO、SiOなどシリコン酸化膜(SiO)、Siなどシリコン窒化膜(SiN)、SiOなどシリコン酸化窒化膜等である。
形成方法は直流(DC)プラズマ、低周波プラズマ、高周波(RF)プラズマ、パルス波プラズマ、3極構造プラズマ、マイクロ波プラズマ、ダウンストリームプラズマ、カラムナープラズマ、プラズマアシスッテドエピタキシー等の低温プラズマ発生装置が用いられる。プラズマの安定性の点から高周波(RF)プラズマ方式がより好ましい。
原料ガスとして、SiH、Si、SiH、TEOS等と、O、NO、HO、NH、N、PSG等の混合ガスが用いられる。これらの原料ガスを前記方式にてプラズマ化させ、樹脂フィルム上に堆積させる。
【0025】
低温プラズマCVDシリコン化合物薄膜(2)の膜厚は、10〜5000Åの範囲で良く、好ましくは50〜500Åの範囲である。これは膜厚が10Åを下回ると膜に抜けが生じ易く、また、5000Åを超えると蒸着薄膜のフレキシビリティーが損なわれ、クラック、ピンホールが発生し易くなる。なお、CVDシリコン化合物薄膜(2)は単一成分のみでなく多成分であっても、あるいは単層膜に限らず多層膜であっても良い。
【0026】
金属あるいは金属化合物蒸着薄膜(3)には、アルミニウム、シリカ、チタニウム、亜鉛、ジルコニウム、マグネシウム、錫、銅、鉄などの金属やこれらの金属の酸化物、窒化物、硫化物、フッ化物など、例えば酸化アルミニウム(Al)一酸化ケイ素(SiO)、二酸化ケイ素(SiO)、酸化チタニウム(TiO)、酸化亜鉛(ZnS)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化マグネシウム(MgO)、フッ化マグネシウム(MgF)、酸化錫(SnO)、酸化銅(CuO)、酸化鉄(Fe)などが用いられる。
形成方法は、真空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリングなどの蒸着法を用いることができるが、真空蒸着、イオンプレーティングが生産性の点から好ましい。蒸着装置の加熱方式は抵抗加熱、エレクトロンビーム(EB)加熱、高周波誘導加熱などが用いられる。
【0027】
金属あるいは金属化合物蒸着薄膜(3)の膜厚は50〜5000Åの範囲で良く、好ましくは200〜1500Åの範囲である。これは膜厚が50Åを下回ると蒸着薄膜に抜けが生じ、バリアー性にバラツキが生じ易く、また、5000Åを超えると蒸着薄膜のフレキシビリティーが損なわれ、クラック、ピンホールが発生し易くなり、バリアー性が低下する。なお、蒸着薄膜は単一成分の単層に限られることなく、上記の蒸着材料の混合物からなる蒸着薄膜であっても、また2層以上の多層膜であっても良い。
【0028】
低温プラズマCVDシリコン化合物薄膜(2)と金属あるいは金属化合物蒸着薄膜(3)は、図2に示す同一の真空蒸着兼低温プラズマCVD発生装置(10)内でそれぞれ別々の部屋(22−1、22−2と23)に分かれてコントロールされ、連続的に順次積層される。
真空蒸着兼低温プラズマCVD発生装置(10)は内部を2×10−6〜8×10−3Torr、好ましくは8×10−6〜8×10−5Torrまで真空に引いた後、低温プラズマCVD及び蒸着処理を行う。
【0029】
【実施例】
以下、図2を用い本発明の具体的な実施例を挙げ詳細に説明する。
〈実施例1〉
樹脂フィルム(1)である例えば厚み12μmの二軸延伸ポリエチレンテレフタレートフィルム(以下PETと略称する)の巻出しロール(11)が、真空蒸着兼低温プラズマCVD発生装置(10)内のロール室(21)に装填されている。
このPETフィルム(1)は、ガイドロール(12)を通り金属製の冷却ドラム(13)に抱かれながら低温プラズマCVD発生室(22−1)、ついで蒸着源(14)を有する蒸着室(23)、低温プラズマCVD発生室(22−2)、を順次通って、最後に冷却ドラム(13)から離れてガイドロール(12)を経てロール室(21)に設置されている巻取りロール(15)に巻取られる構造を有している。
【0030】
先ず真空蒸着兼低温プラズマCVD発生装置(10)全体を真空度1.5×10−5Torrとした後、低温プラズマCVD発生室(22−1)の冷却ドラム(13)上を走行しているPETフィルム(1)に、原料ガス源(16−1)より流量調整されたTEOSと酸素ガス(25%)の混合ガスを供給し、1 .0Torrとした。同時に高電圧源(17−1)より周波数13.56MHzの周波(RF)をプラズマ発生電源(カソード、18−1)に印加し、500Wのパワーにて供給ガスを励起させプラズマを発生させた。アノードとなる冷却ドラム(13)上を走行しているPETフィルム(1)の表面に厚さ100ÅのSiO(H)のプラズマCVD膜(2)を堆積させた。
【0031】
さらに蒸着室(23)の冷却ドラム(13)を抱くように走行している、低温プラズマCVDシリコン化合物薄膜(2)を堆積させたPETフィルム(1)の低温プラズマCVDシリコン化合物薄膜(2)の上に、酸化ケイ素SiOをEB−Power 30KV−0.75A、圧力 2×10−4Torrの条件で膜厚500Åに蒸着積層し、PET(1)/CVDシリコン化合物薄膜(2)/SiO(3)構成の蒸着フィルムを作製した。
【0032】
さらに低温プラズマCVD発生室(22−2)のアノードとなる冷却ドラム(13)を抱くように走行しているPET(1)/CVDシリコン化合物薄膜(2)/SiO蒸着フィルム(3)のSiO蒸着薄膜上に、原料ガス源(16−2)より流量調整されたTEOSと酸素ガス(25%)の混合ガスを供給し、圧力 1.0Torrとした。同時に高電圧源(17−2)より周波数13.56MHzの周波(RF)をプラズマ発生電源(カソード、18−2)に印加し、500Wのパワーにて供給ガスを励起させプラズマを発生させ、厚さ100Åの組成SiO(H)のプラズマCVD膜(2)を堆積させ、ついでこのPETフィルムは冷却ドラム(13)を離れ、ガイドロール(12)を通り巻取りロール(15)に連続的に巻取られ、本発明のバリアー性積層体(5)、PET(1)/CVD−SiO(2)/SiO(3)/CVD−SiO(2)が作製される(図1(b)参照)。
【0033】
得られたバリアー性積層体(5)の最外層プラズマCVD膜面に、熱接着性樹脂として厚さ30μmの未延伸ポリプロピレンフィルムをドライラミネート法により貼り合わせた。
【0034】
〈参考例2〉低温プラズマCVD発生室(22−2)にてプラズマCVD−SiO2 膜を積層しなかった以外は、実施例1と同様にしてバリアー性積層体(4)を作製した。すなわち、PET(1)/CVD−SiO(2)/SiO(3)構成の積層体(4)である(図1(a)参照)。
【0035】
〈参考例3〉低温プラズマCVD室(22−1)にてプラズマCVD−SiO 膜を積層しなかった以外は、実施例1と同様にしてバリアー性積層体(6)を作製した。すなわち、PET(1)/SiO(3)/CVD−SiO(2)構成の積層体(6)である(図1(c)参照)。
【0036】
〈実施例4〉
蒸着材料を酸化アルミニウム(純度99.99%)、蒸着条件をEB−Power 30KV−0.75Aとした以外は、実施例1と同様にしてバリアー性積層体を作製した。すなわち、PET/CVD−SiO/Al/CVD−SiO構成の積層体である。
【0037】
〈実施例5〉
2つの低温プラズマCVD発生室(22−1、22−2)にて、原料ガス源(16−1、16−2)より流量調整された混合ガスにSiHとNH(25%)の混合ガスを用い、シリコン窒化膜SiNを堆積した以外は、実施例1と同様にしてバリアー性積層体を作製した。すなわち、PET/SiN/SiO/SiN構成の積層体である。
【0038】
〈比較例1〉
2つの低温プラズマCVD発生室(22−1、22−2)にて、プラズマCVD−SiO膜を積層しなかった以外は、実施例1と同様にして積層体を作製した。すなわち、PET/SiO構成の積層体である。
【0039】
〈比較例2〉
2つの低温プラズマCVD発生室(22−1、22−2)にて、プラズマCVD−SiO膜を積層しなかった以外は、実施例4と同様にして積層体を作製した。すなわちPET/Al構成の積層体である。
【0040】
〈比較例3〉
積層体基材フィルムとして、厚さ12μmのPETフィルム面に、グラビアコート法によりTEOS水溶液を塗布乾燥し、厚さ0.1μmのコーティング膜を形成したコーティングPETを用いた以外は、比較例1と同様にして積層体を作製した。すなわち、PET/コーティング層/SiO構成の積層体である。
【0041】
〈比較例4〉
比較例3で得られた積層体の酸化ケイ素SiO蒸着膜面に、グラビアコート法によりTEOS水溶液を塗布乾燥し、また厚さ0.1μmのコーティング膜を形成したコーティングPETを用いた以外は、比較例1と同様にして積層体を作製した。すなわち、PET/コーティング層/SiO/コーティング層構成の積層体である。
【0042】
以上のようにして作製した実施例、比較例、合計9例の積層体のバリアー特性を示す酸素透過率、透湿度と、積層体のプラズマCVD膜および蒸着膜の密着特性を示す剥離強度を示す剥離強度の各物性について、以下に示す測定条件に従って測定した。その結果を表1に示す。
酸素透過率‥‥モコン法(MOCON OXTRAN−10/50A)、25°C−100%RH、試料は蒸着フィルムとラミネートフィルム。
透湿度 ‥‥モコン法(MOCON PERMATRAN−W6)、40°C−90%RH、試料は蒸着フィルムとラミネートフィルム。
剥離強度 ‥‥インストロン型引張試験機、試料15mm幅、剥離角度90度、剥離速度300mm/min.、試料はラミネートフィルム。
【0043】
【表1】

Figure 0003605908
【0044】
表1から考察すると、酸素、水蒸気に対するバリアー性は、実施例1、4、5は非常に良好な結果が得られ、比較例1、2はやや良好なバリア性が得られた。比較例3、4はやや不良あるいは不良であった。
積層体のプラズマCVD膜および蒸着膜の密着性を示す剥離強度は、実施例1、4、5は非常に良好な密着性が得られ、比較例3、4はやや良好な結果が得られ、比較例1、2はやや不良あるいは不良であった。
【0045】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、樹脂フィルム上で金属、金属化合物蒸着膜間、または金属、金属化合物蒸着膜上に、低温プラズマCVD法によるシリコン化合物薄膜を設けることにより、積層体のガスバリアー性および積層体の密着性が向上する。
また、低温プラズマCVD法によるシリコン化合物薄膜層は耐熱性、熱寸法安定性、硬度に優れることから、蒸着、印刷、ラミネート、製袋等の積層体製造工程における機械的ストレス、熱的ストレスからくる歪みによるクラック、ピンホールが発生しにくく、バリアー性劣化が起き難い。
さらに、ウェットコーティング膜程厚みを必要とせず、しかも膜厚制御性も良好であるため、加工性、生産性に非常に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)本発明のバリアー性積層体の一実施例を示す断面図である。
(b)本発明のバリアー性積層体の別の実施例を示す断面図である。
(c)本発明のバリアー性積層体のさらに別の実施例を示す断面図である。
【図2】本発明のバリアー性積層体を製造する装置を説明する模式説明図である。
【符号の説明】
1‥‥樹脂フィルム
2‥‥低温プラズマCVDシリコン化合物薄膜、CVD−SiO
3‥‥金属または金属化合物蒸着薄膜、SiO
4‥‥バリアー性積層体
5‥‥バリアー性積層体
6‥‥バリアー性積層体
10‥‥真空蒸着兼低温プラズマCVD発生装置
11‥‥巻出しロール
12‥‥ガイドロール
13‥‥冷却ドラム
14‥‥蒸着源
15‥‥巻取りロール
16−1、16−2‥‥原料ガス源
17−1、17−2‥‥高電圧源
18−1、18−2‥‥プラズマ発生電源
21‥‥ロール室
22−1、22−2‥‥低温プラズマCVD発生室
23‥‥蒸着室[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is a barrier having excellent gas barrier properties against oxygen, water vapor, etc., and having a performance of preventing a thin film from being peeled off in a vapor deposition process, a printing process, a laminating process, a bag making process, etc., and a thin film when used in a packaging form. The present invention relates to a functional laminate and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, packaging materials used for packaging of foods, medical products, etc. are used to suppress deterioration of contents, especially oxidation and deterioration of proteins and oils and fats in foods, and to maintain taste and freshness. For medical products that need to be handled in a state, prevent the effects of oxygen, water vapor, and other gas that alters the contents of the packaging material to prevent deterioration of the active ingredient and maintain the efficacy, in order to maintain the efficacy. It is necessary to provide a gas barrier property for blocking these gases.
[0003]
Therefore, as a barrier film that conventionally blocks oxygen, a polyvinyl alcohol film, an ethylene vinyl alcohol copolymer film, a polyacrylonitrile film, and the like, and as a barrier film that blocks water vapor, a polypropylene film, a polyethylene film, and the like are gas barrier laminates. And a packaging film made of the packaging material has been generally used.
[0004]
However, these films alone do not have sufficient gas barrier properties against both oxygen and water vapor, and are generally laminated or coated with polymer resin compositions having different properties, which are said to have relatively high gas barrier properties. Although it has been used as a laminated film for packaging materials, there have been cases where sufficient gas barrier properties cannot be exhibited due to the effects of temperature and humidity in storage and use environments.
[0005]
In addition, as a resin film alone having both oxygen and water vapor barrier properties, a polyvinylidene chloride film, or a polyester film coated with a vinylidene chloride copolymer resin, and a polypropylene film coated with a vinylidene chloride copolymer resin. Films and films obtained by coating a vinylidene chloride copolymer resin on a nylon film are available. Such a resin film is discarded after use and, when incinerated, generates toxic gas, which may cause environmental problems.
[0006]
On the other hand, packaging materials that require high gas barrier properties include resin films (even if the resin alone does not have high gas barrier properties with a suitable polymer resin composition) and a metal such as aluminum or the like. A laminated film with a metal foil made of a metal compound has been used. However, metal foils such as aluminum foil used here have excellent barrier properties against gases such as oxygen and water vapor, but when incinerated as waste after use, the metal remains as residues and is difficult to reuse. Therefore, disposal of this metal foil cannot avoid the influence on the environment.
[0007]
In order to solve the above problems, recently, silicon oxide (SiO x ) such as silicon monoxide (SiO), aluminum oxide (Al x O y ), metal such as aluminum (Al), and metal oxide Vapor deposition films have been developed in which a thin film of a product is formed on a resin film by a forming means such as vapor deposition, and these have better gas barrier properties than a gas barrier material composed of a polymer resin composition. It has started to be used for packaging materials with little deterioration under high humidity.
A packaging material made of these vapor-deposited films is rarely used as a vapor-deposited film alone, and is processed into a packaging container, a packaging bag, or the like as post-processing after vapor deposition. For example, a packaging bag is processed into a bag through a bag-making process by attaching a vapor-deposited film to another base material.
[0008]
However, a vapor-deposited film in which the above-mentioned metal and metal oxide are formed as a thin film on a resin film is a resin film that is an organic compound, and a vapor-deposited thin film that is an inorganic compound in contact with the resin film, the mechanical properties of both, Various physical properties such as chemical properties, thermal properties, and electrical properties are very different.
Therefore, depending on the manufacturing process as a packaging material such as vapor deposition, printing, laminating, etc., the method of use as a packaging bag, and the usage environment, mechanical stress, thermal stress, etc. are applied to the vapor deposited thin film, and the vapor deposited thin film is damaged. This causes problems such as cracks, pinholes, and other damages and defects, and the passage of gases such as oxygen and water vapor from those damaged and defective portions, which lowers the high barrier performance that should be originally possessed. are doing.
In addition, it is difficult to obtain a strong bond between the vapor-deposited thin film of the inorganic compound and the resin film that is an organic compound, and peeling occurs between the resin film, the ink, the adhesive, and the like, and sufficient adhesion cannot be obtained. The vapor-deposited thin film also has a problem that the barrier property deteriorates due to damage.
[0009]
In order to solve such a problem, methods for improving the adhesion between the resin film serving as the deposition base material and the deposition film include, for example, corona discharge treatment, ultraviolet irradiation treatment, plasma treatment, flame treatment, or heat treatment on the surface of the resin film. In some cases, a metal or a metal compound is deposited after activating the surface by a surface treatment with a chemical such as alkali or alkali. However, the improvement of the wettability of the resin film can be expected to improve the adhesiveness by increasing or decreasing the secondary bonding force with the deposited thin film. However, the activity ability decreases with time, and even with this treatment method, a satisfactory adhesive force is not necessarily obtained. And it is not sufficient.
[0010]
As another method, a method using a co-extruded multilayer resin film obtained by co-extrusion of another resin at the time of forming a resin film, a copolymer resin film obtained by copolymerizing a resin film with other resin components, or a vapor-deposited base material There is a method of applying an ethyleneimine-based, amine-based, epoxy-based, urethane-based or polyester-based coating agent on the surface of the resin film to be formed off-line or in-line during the formation of the resin film. Although the heat resistance is poor, the thermal dimensional stability is poor because the heat resistance is inferior, and the deposited thin film is subjected to mechanical stress at the time of heat load in each step such as vapor deposition, printing, lamination, etc., so that cracks, pinholes, etc. Occurs, and the barrier property is lowered, which is not sufficient.
[0011]
Furthermore, the adhesion between the deposited thin film formed on the resin film, the ink added by the printing and laminating processes, the adhesive, and the like has also been improved, and ethyleneimine-based, amine-based, epoxy-based, urethane-based or There is a method of applying a coating agent such as polyester. Depending on the resin component of the coating agent, the adhesiveness is deteriorated or the barrier property is lowered, and both the adhesiveness and the barrier property are not satisfied. According to this method, the thermal dimensional stability during coating is poor, and the volume expansion or volume contraction occurs due to aging or the thermal load applied during the bag making process or the molding process, and the deposited thin film receives mechanical stress, thereby cracking the deposited thin film. Then, pinholes and the like were generated, and peeling from the ink, the adhesive and the like occurred, and the barrier property was lowered.
[0012]
In addition to the problem of performance as a packaging material, the coating process of the coating layer interposed between the resin film and the vapor-deposited thin film, and the coating process of the coating layer interposed between the vapor-deposited film and the printed layer or adhesive layer, Except for providing a coating layer in-line at the time of film production, that is, in most cases, since each layer is a separate step, there is a problem that the production cost is extremely high.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in order to eliminate the above-described problems relating to the barrier laminate, has good adhesion between the resin film and the metal-deposited thin film, and has excellent gas barrier properties and a barrier laminate having excellent gas barrier properties. The aim is to provide a method.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, a thin film of a silicon compound is formed on one side of a resin film by a low-temperature plasma CVD method, and a thin film of a metal or a metal compound is laminated on the thin film by a physical vapor deposition method. This is a barrier laminate obtained by laminating silicon compound thin films by a method.
[0018]
[Action]
As described above, according to the present invention, the action of the silicon compound thin film formed on the resin film by the low-temperature plasma CVD method causes a strong -O-Si-O-Si- bond inside the thin film, A strong chemical bond is formed even with the resin film serving as the substrate, and sufficient adhesion is exhibited. In addition, a strong chemical bond such as -O-Si-OM (metal) is sufficiently formed between a silicon compound thin film formed by low-temperature plasma CVD and a metal or metal compound thin film formed by physical vapor deposition. Demonstrate good adhesion. Since a thin film of a plasma CVD silicon compound is similar to a thin film of a metal or a metal compound formed by physical vapor deposition in terms of internal stress, thermal expansion coefficient, and the like, strong adhesion can be obtained because distortion generated between the two layers is small.
[0019]
Furthermore, the plasma CVD silicon compound has a dense film quality and the cross-linking is advanced. Since it is a dry process, there is little foreign matter such as dust, and the number of pinholes is very small. At the same time, the number of film formation points when forming a metal or metal compound thin film by physical vapor deposition on the thin film becomes extremely large, there is no residual solvent and degassing, and it hinders the adhesion of evaporated particles. Since it is not provided, the film quality of the metal or metal compound thin film is also made dense, and the barrier performance is improved. A metal or metal compound thin film formed by a physical vapor deposition method has a relatively large number of pinholes. However, when a plasma CVD silicon compound film is formed on the film, the pinholes are covered because of good step coverage. It can be concealed, and the gas barrier property becomes good.
[0020]
The plasma CVD silicon compound film has strong hardness, good heat resistance, does not require a thickness as much as a wet coating film, and has good film thickness controllability. This is very advantageous for workability and productivity.
Therefore, the plasma CVD silicon compound film is much more effective as an anchor coat layer and a top coat layer for a metal or metal compound thin film formed by physical vapor deposition than a conventional wet coat layer.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
1 (a), 1 (b) and 1 (c) are cross-sectional views illustrating the configuration of the barrier laminate of the present invention, respectively, and FIG. 2 is a schematic explanatory view of an apparatus for producing the barrier laminate of the present invention. It is.
1 (a), 1 (b) and 1 (c), 4, 5 and 6 denote barrier laminates, 1 is a resin film, 2 is a low-temperature plasma CVD silicon compound thin film, and 3 is a metal or metal compound deposited thin film. It is.
[0022]
The resin film (1) is in the form of a sheet or a film, and includes polyolefin (polyethylene, polypropylene, etc.), polyester (polyethylene terephthalate, polyethylene 2,4-naphthate, etc.), polyamide (nylon 6, nylon 12, etc.), Polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, aromatic polyamide, polyamide imide, polyether imide polysulfone, polyether sulfone, polyether ketone, polyarylate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, tetrafluoroethylene, ethylene trifluoride, ethylene fluoride Those usually used as packaging materials such as ethylene propylene copolymer and polyimide can be used. These resin films (1) are appropriately selected from the above materials depending on the application. If necessary, a biaxially stretched film can be used.
In addition, known additives such as an antistatic agent, an ultraviolet absorber, a plasticizer, a lubricant, and a coloring agent can be added to these resin films, and are appropriately added as necessary.
[0023]
Further, the surface of the resin film (1) is a known surface such as a corona discharge treatment, a plasma activation treatment, a glow discharge treatment, a reverse sputtering treatment, a surface activation treatment such as a roughening treatment, a cleaning treatment, and a charge removal treatment. Processing, or applying a coating agent such as ethyleneimine, amine, epoxy, urethane, polyester, etc., off-line or in-line, resin film (1) and low-temperature plasma CVD silicon compound thin film (2) Alternatively, it is also possible to improve the adhesion to the metal or metal compound vapor-deposited thin film (3).
The thickness of the resin film (1) is not particularly limited, but is preferably in the range of 2 to 400 μm in consideration of the suitability for processing in the vapor deposition step.
[0024]
The low-temperature plasma CVD silicon compound thin film (2) is, for example, a silicon oxide film (SiO x ) such as SiO, SiO 2 , a silicon nitride film (SiN y ) such as Si 3 N 4, or a silicon oxynitride film such as SiO x N y. .
The forming method is a low-temperature plasma generator such as direct current (DC) plasma, low frequency plasma, high frequency (RF) plasma, pulse wave plasma, triode structure plasma, microwave plasma, downstream plasma, columnar plasma, plasma assisted epitaxy, etc. Is used. From the viewpoint of plasma stability, a radio frequency (RF) plasma method is more preferable.
As a raw material gas, a mixed gas of SiH 4 , Si 2 H 6 , SiH x F y , TEOS and the like, and O 2 , N 2 O, H 2 O, NH 3 , N 2 , PSG and the like is used. These source gases are turned into plasma by the above-mentioned method and deposited on the resin film.
[0025]
The thickness of the low-temperature plasma CVD silicon compound thin film (2) may be in the range of 10 to 5000 °, preferably in the range of 50 to 500 °. This is because if the film thickness is less than 10 °, the film is liable to escape, and if it exceeds 5000 °, the flexibility of the deposited thin film is impaired, and cracks and pinholes are liable to occur. The CVD silicon compound thin film (2) may be not only a single component but also a multi-component, or may be a multi-layer film instead of a single-layer film.
[0026]
Metals or metal compound deposited thin films (3) include metals such as aluminum, silica, titanium, zinc, zirconium, magnesium, tin, copper and iron, and oxides, nitrides, sulfides and fluorides of these metals. For example, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) silicon monoxide (SiO), silicon dioxide (SiO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnS), zirconium oxide (ZrO 2 ), magnesium oxide (MgO), fluorine oxide Magnesium oxide (MgF 2 ), tin oxide (SnO 2 ), copper oxide (CuO), iron oxide (Fe 2 O 3 ), and the like are used.
As a forming method, an evaporation method such as vacuum evaporation, ion plating, and sputtering can be used, but vacuum evaporation and ion plating are preferable in terms of productivity. As a heating method of the vapor deposition apparatus, resistance heating, electron beam (EB) heating, high-frequency induction heating, or the like is used.
[0027]
The thickness of the metal or metal compound deposited thin film (3) may be in the range of 50 to 5000 °, preferably in the range of 200 to 1500 °. This is because if the film thickness is less than 50 °, the vapor-deposited thin film tends to fall out and the barrier property tends to vary, and if it exceeds 5000 °, the flexibility of the vapor-deposited thin film is impaired, and cracks and pinholes are easily generated. The barrier properties decrease. The deposited thin film is not limited to a single layer of a single component, and may be a deposited thin film made of a mixture of the above-described deposition materials, or may be a multilayer film having two or more layers.
[0028]
The low-temperature plasma CVD silicon compound thin film (2) and the metal or metal compound vapor-deposited thin film (3) are respectively separated into separate chambers (22-1, 22) in the same vacuum deposition and low-temperature plasma CVD generator (10) shown in FIG. -2 and 23), and are sequentially and sequentially laminated.
The vacuum deposition and low-temperature plasma CVD generator (10) is evacuated to 2 × 10 −6 to 8 × 10 −3 Torr, preferably 8 × 10 −6 to 8 × 10 −5 Torr, and then the low-temperature plasma is generated. Perform CVD and vapor deposition processing.
[0029]
【Example】
Hereinafter, a specific embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
<Example 1>
An unwinding roll (11) of, for example, a biaxially stretched polyethylene terephthalate film (hereinafter abbreviated as PET) having a thickness of 12 μm, which is a resin film (1), is provided in a roll chamber (21) in a vacuum deposition / low-temperature plasma CVD generator (10). ).
This PET film (1) passes through a guide roll (12) and is held by a metal cooling drum (13) while being held in a low-temperature plasma CVD generation chamber (22-1), and then a vapor deposition chamber (23) having a vapor deposition source (14). ), A low-temperature plasma CVD generation chamber (22-2), and finally a take-up roll (15) installed in a roll chamber (21) via a guide roll (12) apart from the cooling drum (13). ).
[0030]
First, the entire vacuum vapor deposition / low-temperature plasma CVD generator (10) is set to a degree of vacuum of 1.5 × 10 −5 Torr, and then is run on the cooling drum (13) in the low-temperature plasma CVD generation chamber (22-1). To the PET film (1), a mixed gas of TEOS and oxygen gas (25%) whose flow rate was adjusted was supplied from the raw material gas source (16-1). 0 Torr. At the same time, a frequency (RF) of 13.56 MHz was applied to the plasma generation power supply (cathode, 18-1) from the high voltage source (17-1), and the supply gas was excited with 500 W power to generate plasma. A plasma CVD film (2) of SiO 2 (H) having a thickness of 100 ° was deposited on the surface of a PET film (1) running on a cooling drum (13) serving as an anode.
[0031]
Further, the low-temperature plasma CVD silicon compound thin film (2) of the PET film (1) on which the low-temperature plasma CVD silicon compound thin film (2) is deposited, running while holding the cooling drum (13) of the vapor deposition chamber (23). On top, silicon oxide SiO was vapor deposited and laminated to a film thickness of 500 ° under the conditions of EB-Power 30KV-0.75A and pressure of 2 × 10 −4 Torr, and PET (1) / CVD silicon compound thin film (2) / SiO (3 ).
[0032]
In addition, the PET (1) / CVD silicon compound thin film (2) / SiO vapor deposition of the SiO vapor deposition film (3) running so as to hold the cooling drum (13) serving as the anode of the low temperature plasma CVD generation chamber (22-2). A mixed gas of TEOS and oxygen gas (25%) whose flow rate was adjusted was supplied from the source gas source (16-2) to the thin film, and the pressure was set to 1.0 Torr. At the same time, a 13.56 MHz frequency (RF) is applied from a high voltage source (17-2) to a plasma generation power supply (cathode, 18-2) to excite the supply gas with a power of 500 W to generate plasma, A plasma CVD film (2) of composition SiO 2 (H) having a thickness of 100 ° is deposited, and then this PET film leaves the cooling drum (13), passes through a guide roll (12) and is continuously fed to a winding roll (15). wound taken, barrier laminate of the present invention (5), PET (1) / CVD-SiO 2 (2) / SiO (3) / CVD-SiO 2 (2) is produced (see FIG. 1 (b) reference).
[0033]
An unstretched polypropylene film having a thickness of 30 μm was bonded as a heat-adhesive resin to the outermost layer plasma CVD film surface of the obtained barrier laminate (5) by a dry lamination method.
[0034]
Reference Example 2 A barrier laminate (4) was produced in the same manner as in Example 1, except that the plasma CVD-SiO2 film was not laminated in the low-temperature plasma CVD generation chamber (22-2). That is, it is a laminate (4) having a PET (1) / CVD-SiO 2 (2) / SiO (3) configuration (see FIG. 1A).
[0035]
Reference Example 3 A barrier laminate (6) was produced in the same manner as in Example 1, except that the plasma CVD-SiO 2 film was not laminated in the low-temperature plasma CVD chamber (22-1). That is, it is a laminate (6) having a PET (1) / SiO (3) / CVD-SiO 2 (2) configuration (see FIG. 1C).
[0036]
<Example 4>
A barrier laminate was produced in the same manner as in Example 1, except that the deposition material was aluminum oxide (purity 99.99%) and the deposition conditions were EB-Power 30KV-0.75A. That is, a laminate of PET / CVD-SiO 2 / Al 2 O 3 / CVD-SiO 2 configuration.
[0037]
<Example 5>
In two low-temperature plasma CVD generation chambers (22-1, 22-2), a mixture of SiH 4 and NH 3 (25%) is mixed with a mixed gas whose flow rate has been adjusted from source gas sources (16-1, 16-2). using a gas, other than depositing a silicon nitride film SiN x was prepared barrier laminate in the same manner as in example 1. That is, it is a laminate having a PET / SiN x / SiO / SiN x configuration.
[0038]
<Comparative Example 1>
A laminated body was produced in the same manner as in Example 1 except that the plasma CVD-SiO 2 film was not laminated in the two low-temperature plasma CVD generation chambers (22-1, 22-2). That is, it is a laminate having a PET / SiO structure.
[0039]
<Comparative Example 2>
A laminated body was produced in the same manner as in Example 4, except that the plasma CVD-SiO 2 film was not laminated in the two low-temperature plasma CVD generation chambers (22-1, 22-2). That is, it is a laminate having a PET / Al 2 O 3 configuration.
[0040]
<Comparative Example 3>
Comparative Example 1 was repeated except that a 12 μm-thick PET film was coated with a TEOS aqueous solution by a gravure coating method and dried to form a 0.1 μm-thick coating film. A laminate was produced in the same manner. That is, the laminate has a PET / coating layer / SiO structure.
[0041]
<Comparative Example 4>
Comparative Example 3 was performed except that a TEOS aqueous solution was applied and dried by a gravure coating method on the silicon oxide SiO deposited film surface of the laminate obtained in Comparative Example 3, and a coated PET having a 0.1 μm thick coating film was used. A laminate was produced in the same manner as in Example 1. That is, it is a laminate having a structure of PET / coating layer / SiO / coating layer.
[0042]
The oxygen permeability and the moisture permeability indicating the barrier properties of the laminated body of the examples and the comparative examples, which are manufactured as described above, and the peel strength indicating the adhesion properties of the plasma CVD film and the deposited film of the laminated body are shown. Each physical property of the peel strength was measured according to the following measurement conditions. Table 1 shows the results.
Oxygen transmission rate ‥‥ Mocon method (MOCON OXTRAN-10 / 50A), 25 ° C-100% RH, samples are vapor deposition film and laminate film.
Moisture permeability ‥‥ MOCON PERMATRAN-W6, 40 ° C-90% RH, sample is vapor deposition film and laminate film.
Peel strength: Instron type tensile tester, sample 15 mm width, peel angle 90 °, peel speed 300 mm / min. The sample is a laminated film.
[0043]
[Table 1]
Figure 0003605908
[0044]
Considering from Table 1, as for the barrier properties against oxygen and water vapor, Examples 1, 4, and 5 obtained very good results, and Comparative Examples 1 and 2 obtained somewhat good barrier properties. Comparative Examples 3 and 4 were slightly defective or defective.
With respect to the peel strength indicating the adhesion between the plasma CVD film and the deposited film of the laminate, Examples 1, 4, and 5 obtained very good adhesion, and Comparative Examples 3 and 4 obtained somewhat good results. Comparative Examples 1 and 2 were slightly defective or defective.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by providing a silicon compound thin film by a low-temperature plasma CVD method between a metal and a metal compound vapor-deposited film on a resin film, or on a metal and a metal compound vapor-deposited film, The barrier properties and the adhesion of the laminate are improved.
In addition, since the silicon compound thin film layer formed by the low-temperature plasma CVD method has excellent heat resistance, thermal dimensional stability, and hardness, it comes from mechanical stress and thermal stress in a laminate manufacturing process such as vapor deposition, printing, lamination, and bag making. Cracks and pinholes due to distortion are not easily generated, and barrier property deterioration is unlikely to occur.
Furthermore, since the thickness is not required as much as the wet coating film and the controllability of the film thickness is good, it is very advantageous in workability and productivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view showing one embodiment of a barrier laminate of the present invention.
(B) It is sectional drawing which shows another Example of the barrier laminated body of this invention.
(C) It is sectional drawing which shows another Example of the barrier laminated body of this invention.
FIG. 2 is a schematic explanatory view illustrating an apparatus for producing a barrier laminate of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 {resin film 2} low temperature plasma CVD silicon compound thin film, CVD-SiO 2
3) Metal or metal compound deposited thin film, SiO
4 Barrier laminate 5 Barrier laminate 6 Barrier laminate 10 Vacuum evaporation and low-temperature plasma CVD generator 11 Unwinding roll 12 Guide roll 13 Cooling drum 14 {Evaporation source 15} Take-up roll 16-1, 16-2 {Source gas source 17-1, 17-2} High voltage source 18-1, 18-2} Plasma generation power supply 21} Roll chamber 22-1, 22-2 {low temperature plasma CVD generation chamber 23} evaporation chamber

Claims (1)

樹脂フィルムの片面に低温プラズマCVD法によりシリコン化合物の薄膜を形成させ、その薄膜上に物理蒸着法により金属または金属化合物の薄膜を積層させてなり、さらに前記低温プラズマCVD法によりシリコン化合物の薄膜を積層させてなることを特徴とするバリアー性積層体。 Thin on one surface of the resin film to form a thin film of silicon compounds by a low-temperature plasma CVD method, the by physical vapor deposition on the thin film by laminating a thin film of metal or metal compound Ri Na, silicon compound further the low temperature plasma CVD method And a laminate having a barrier property.
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