JP4616287B2 - 剥がれと破れシール混成ヒートシール方法 - Google Patents

Description

本発明はプラスチックのヒートシールの熱接着面に剥がれシールと破れシールを混成させたヒートシール方法に関するものである。

プラスチックのフイルムやシートを使った袋や容器の生産や封緘にはヒートシールが適用されている。

従来のヒートシールは熱接着層が液状になる高温域の加熱が行われ、接着面が一様に破れシールになっている。

一方、ヒートシールには、上記の破れシールに加えて剥がれシールの存在も知られており、本発明者は、この剥がれシールについても研鑽を重ね、特許出願も行ってきた（特許文献１、２）

しかしながら、破れシールに比べて剥がれシールは形成される加熱温度領域が狭くかつ微妙であり、従来、この破れシールと剥がれシールを意図的に混成させた例もなく、また混成させる必要性も知られていなかった。

特許第３８１１１４５号 特許第３８７６９９０号

従来の破れシールの状態に加熱したシールでは、シール線に力がかかり接着面は剥離せず、エッジで破れが発生する。
破れシールでは、破れ応力をヒートシール線のエッジのみで受けて面全体では受けていない。
接着層が液状になる高温加熱状態では加熱体の圧着圧で溶融した接着層がヒートシール線にはみ出してポリ玉を形成する。

密封された袋や容器に外力が加わると不均一に変形するので、応力が集中したタックが発生する。
タックの先端とヒートシールエッジにできたポリ玉の生成個所が一致すると微細面に更に応力が集中して破袋やピンホールの発生につながっている。

従来はこの対策のために接着層を厚くしたり丈夫な材料を選択しているが、この方法は材料コストが高くなったり、加熱時間の延長又は加熱温度の高温化になっていて、破れやピンホールの原因の抜本的な改良になっていない。

従来の破れシール領域の加熱のヒートシール方法では接着面は凝集接着となり、ＪＩＳ法（Ｚ ０２３８）のヒートシール強さは大きくなるが、接着線には破壊力の緩衝機能がないので、微小部位に破壊応力が集中すると破袋やピンホールの発生は避けがたく、材料の厚さの増加や丈夫な材料の選択となり、包装材料の持つ平均的な耐破袋性能を利用できずコストアップなっている。

一方、剥がれシールは、ヒートシール強さは破れシールを下回るが、破壊応力がかかると界面剥離を起す。界面剥離では剥離強さと剥離面積の積に相当するエネルギーの消費が発生するので、破壊応力の吸収緩衝機能を有している。
しかし従来の被加熱材は剥がれシールが発現する加熱温度帯が数℃なので適当な調節方法がなく剥がれシールを避けてきている。

本発明の目的は、ポリ玉の生成がなく、また、破袋応力を分散して破袋やピンホールが発生しにくく、廉価な包装材料で高い信頼性でヒートシールできるヒートシール方法を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するべく鋭意検討の結果、ヒートシールの被包装物側に剥がれシール帯を設けて、破れシールと剥がれシールの併用を考えた。しかしながら、この方法は、ヒートシールを２回行うことになって実用的に成立しない。そこで、ヒートシールを一段で破れシールと剥がれシールを同時に形成できる方法を開発すべくさらに検討を重ねた。そしてまず、２つのヒータを用いて加熱面に強弱をもたせる方法を検討したが、これは、境界を上手く設定できなかった。つぎに、加熱体に、勾配を設けた台を載せて、ヒートシールの圧力差で破れシールと剥がれシールを形成する方法を検討した。この方法はうまく行ったが、不安定なため実用上問題があった。

そこで、さらに検討を進め、加熱体表面に熱伝導率の異なる台を装着する方法を考え、実験を重ねた結果、この方法は、剥がれシールと破れシールを所定位置に正確に形成しうるものであることを見出し、この知見に基いて本発明を完成するに至った。

少なくとも一方が加熱体である圧着体の間に、ヒートシールするヒートシール材料を溶着面を合せて挟んで、帯状にヒートシールする方法であって、次の工程よりなる、帯状ヒートシールの長手方向に沿って剥がれシール帯と破れシール帯を有し、該剥がれシール帯の幅が２〜２０ｍｍそして該破れシール帯の幅が１〜１０ｍｍであり、剥がれシール帯の幅／破れシール帯の幅の比が０．２〜２０であるヒートシール装置を用いたヒートシール方法に関するものである。
（１）ヒートシールしようとするヒートシール材料の溶着面温度と、その温度で圧着された材料のヒートシール強さの関係を求めて、剥がれシール帯を形成する温度域と破れシール帯を形成する温度域を求める。
（２）圧着体間にこのヒートシール材料を挟んでヒートシール材料の溶着面温度の経時変化を測定し、溶着面が破れシール帯を形成する温度に到達する時間を求める。
（３）加熱体である圧着体のヒートシール材料圧着面に熱流調節台を厚さを変えて設置してそれを介してヒートシール材料を挟んで、ヒートシール材料の溶着面温度の経時変化を測定し、(２）項の破れシール帯を形成する温度に到達する時間に、該溶着面温度が剥がれシール帯を形成する温度になるように熱流調節台の厚さを設計する。
（４）加熱体である圧着体のヒートシール材料圧着面の、剥がれシール帯を形成させる部位にこの設計された熱流調節台を設置してヒートシールを行う。

加熱温度の上昇と共にヒートシール強さが上昇する領域を剥がれシール（Ｐｅｅｌ Ｓｅａｌ；ＡＳＴＭ Ｆ８８−００の定義）と呼ばれ、接着状態は分子間力結合の界面接着状態である。この剥がれシールでヒートシールされている片の非ヒートシール端を掴んで引張ると、図１（ａ）に示すように、ヒートシール片は破断せず接着面が剥離する。

ヒートシール強さが上限を超えて平坦になる領域が破れシール（Ｔｅａｒ Ｓｅａｌ；ＡＳＴＭ Ｆ８８−００の定義）と呼ばれる。この加熱領域では接着層は液状となり、２つの接着面の接着層は混合状態となる。

破れシールでは加熱後の冷却状態では接着面のない一体状態となり、加熱部位は接着前の厚さより厚くなるので、接着部位は他の部位よりヒートシール強さは強くなる。引張試験では強い結果を示す。しかし液状となった接着層は圧着圧でヒートシールエッジに容易に不均一にはみ出してポリ玉になる。この破れシールでヒートシールされている片の非ヒートシール端を掴んで引張ると、図１（ｂ）に示すように、ヒートシール線の直近で破断が起こる。

引張試験では剥がれシールより破れシールの破断強さの方が大きいので、従来は良好な加熱とされていた。しかし、密封された袋や容器に、図２に示すように、外力が加わると不均一に変形するので、応力が集中したタックが発生する。タックの先端とヒートシールエッジにできたポリ玉の生成個所が一致すると１ｍｍ以下の微細面に応力が集中する。破れシールは凝集接着の状態なので微細部分が破断して破袋の起点やピンホールの発生につながっている。

平面のフイルムやシートを成型して被包装物を充填すると容積が増加するので、タック発生は避けることができない。本発明では、ヒートシール代に集中した破袋応力を先ず剥がれシール面の界面接着で剥離を起させ、破壊エネルギーを吸収緩衝した。そして破袋応力の受圧線長を大きくして集中応力を半円形に分散させ単位長さ当たりの負荷を小さくしたところで剥離の進行が止まるようにした。この様子を図３に示した。

剥がれが進行してシール代の外端付近に到達したときには接着力の強い破れシールゾーンで剥がれを食い止め剥がれ破袋を避ける。この間に消費されるエネルギーは破れシールの耐力の数倍になる。本発明の加熱方法では剥がれシールと破れシールが連続する。従って材料の持つ最適な接着の境界温度の確実な加熱ができるのでポリ玉の生成も防御することができる。

（１）剥がれと破れの境界温度の加熱が確実にできるので、材料の最適な接着状態をヒートシール代の中で達成できる。
（２）破れ耐力より大きな破袋応力がヒートシール線にかかったときに剥がれのエネルギーで破袋エネルギーを消費して緩衝できるので破袋、ピンホールの発生を防御できる。
（３）ヒートシール面に温度傾斜ができるので袋又は容器の内側から剥がれシールと破れシール状態が連続化できるのでポリ玉の生成が制御できる。
（４）破袋応力を接着面で分散できるので材料の厚さや丈夫な材料の選択をしなくとも廉価な包装材料で不具合の発生の防御が図れる。
（５）合理的な方法でヒートシール調節ができるのでヒートシールの信頼性の保証と向上が図れる。

本発明が提供されるヒートシールの形状の例を図４に示す。図の左側は４方シール袋、右側はカップ容器の例を示している。この外、３方シール袋、２方シール袋、口部のみシール袋等にも適用されることは言うまでもない。

本発明のヒートシール構造は、帯状ヒートシールの長手方向に剥がれシール帯と破れシール帯を有するのであるが、内側（被包装物側）に剥がれシール帯がそして外側に破れシール帯が配置される。両シール帯は、特段の事情がなければ連設され、かつ略均一幅（図３では誇張して描かれている。）である。

全ヒートシール幅（図４のヒートシール代）は、袋や容器の容積や被包装物の容量、従って、ヒートシールされるフィルムやシートの材質や厚み等により変わるが、３〜３０ｍｍ程度、通常５〜２０ｍｍ程度多くは７〜１５ｍｍ程度である。剥がれシール帯の幅は、２〜２０ｍｍ程度、好ましくは５〜１０ｍｍ程度、特に好ましくは５〜８ｍｍ程度である。この幅は、剥がれシールを設置した効果を破れシールの破れエネルギーと同等〜２倍になる範囲と従来のヒートシール代を越さない寸法を考慮して設定したものである。

一方、破れシール帯の幅は、１〜１０ｍｍ程度、好ましくは２〜５ｍｍ程度、特に好ましくは２〜３ｍｍ程度である。この幅は、破れシールの効果は１ｍｍの接着面があれば十分である。しかし、破れシールを正確に実施するのには装置の位置決め性能等から最低２ｍｍがあることが好ましい。

また、剥がれシール帯の幅／破れシール帯の幅の比は０．２〜２０程度、好ましくは１〜５程度、特に好ましくは２〜５ｍｍ程度である。これは、上述の通り、剥がれシール部での破壊エネルギーの消費の効果は５〜１０ｍｍの剥がれで同等〜２倍になる。破れシールの２ｍｍを基準に剥がれシールの寸法を考慮するとこの比率になる。

剥がれシール帯と破れシール帯の幅の確認は、本発明者が先に開発したヒートシールの剥がれと破れの識別方法（特許第３８７６９９０号）とヒートシール幅の決定方法（特許第３８１１１４５号）を利用することができる。

本発明の構造のヒートシールは、通常のヒートシール装置の加熱体表面に熱伝導率の異なる台を装着したものを使用して形成できる。すなわち、破れシールを形成しようとする部位には熱伝導率の高い材料、剥がれシールを形成しようとする部位には熱伝導率の低い材料の台を装着するのである。破れシールを形成しようとする部位には加熱体よりも熱伝導率の高い材料を使用することもできるが、加熱体には、通常熱伝導率の高い材料が使用されているので、これと同じ材料でよい。

従って、剥がれシールを形成しようとする部位に熱伝導率の低い材料（これを使用した台を「熱流調節台」という）を使用するのである。この材料は、ヒートシール温度で熱変性しないものが用いられ、例えばポリ四フッ化エチレン（商標名：テフロン）などのフッ素樹脂、フッ素樹脂を含浸加工したシート状のガラス繊維、シート状のカーボン繊維、セラミック板などが好ましい。台の厚みは、材質やヒートシール材料等によって異なるが、大体０．１〜２ｍｍ程度、通常０．１〜１ｍｍ程度でよい。破れシールを形成しようとする台と剥がれシールを形成しようとする台の間は、通常は平面で段差や隙間がないようにする。

破れシールを形成しようとする部位に加熱体と同じ材料を使用する場合は、加熱体の一部を熱流調節台の寸法分を削って、ここに熱流調節台を設置することもできる。

ヒートシールされる被加熱材を圧着する部材は、一方のみ移動するタイプ、両方共移動するタイプがあり、さらに、その一方のみが加熱体である場合と両方共加熱体である場合がある。両方共加熱体である場合、本発明の熱流調節台は、通常両方に設けるか、一方で足りる場合もある。

このようなヒートシール装置の一例の概略構成を図５に示す。この装置は、被加熱材６を圧着する部材の両方が加熱体１−１、１−２であり、内部に電気ヒーター２−１、２−２が埋設され、加熱面近傍には温度センサ３−１、３−２が設けられている。そして、電気ヒータ２−１、２−２はそれぞれスイッチを介して商用電源に接続されている。温度センサ３−１、３−２は温度調節計４に接続されていて、この温度センサ３−１、３−２で加熱体１−１、１−２の温度制御ができるようになっている（加熱体１−２については図示されていない。）。そして両加熱体１−１、１−２の加熱面には、図５の右側両面に示すように、左側半分には熱流調節台５−１、５−２が、右側半分には破れシールを形成する平面台７−１、７−２が装着されている。

加熱圧着部の拡大図を図６に示す。同図において１は平面台７−２と熱流調節台５−２の厚さ、２は破れシール幅、３は剥がれシール幅を示している。平面台７−１と熱流調節台５−１の厚さも、通常は７−２と熱流調節台５−２と同じである。

２連以上の複数の製袋に本発明を適用する場合には、図７に示すように、中央部に平面台７−１、７−２を、そして両面に熱流調節台５−１、５−２を設けて、中心に切断線を設けることができる。

本発明をインパルスシールに適用した例を図８に示す。
この装置は、固定架台１１と、上方から加工して被加熱材６を圧着する垂直移動架台１２からなり、両架台１１、１２の圧着面にはいずれも耐熱カバー１３、１４が装着されている。そして、固定架台１１の上には、２本のヒータ線８、９（従来は１本のみ）が設置されている。２本のヒータ線８、９は同一の厚さとして接近させて配置し、前述の熱伝導率の低い材料、例えばテフロン（登録商標）などのシートを熱流調節シート１０として、図８に示すように、一方のヒータ線９は上面を、他方のヒータ線８は底面を通るように敷く。このように設置して、表面に段差を生じないようにして熱流差の発生と２つのヒータ線８、９は、絶縁が得られるようにする。熱流調節は熱流調節シートの厚さを変えることによってもできるが、図８（ロ）に示すように、２本のヒータ線８、９は別個の電源に接続されているので、それぞれの電源調節や通電時間で細やかな加熱調節ができる。

この他に超音波シールや電界シールにおいても、上記のインパルスシールと同様に加熱操作部を２列設置して加熱調節することによって剥がれシールと破れシールを混成させることができる。

図４の右側図面に示すようなカップ容器の場合には、片面加熱が行われるが、その場合も加熱面に平面台および熱流調節台を設置し、加熱体の設定温度を両面加熱の場合より高くしてヒートシールを行えばよい。

次に、本発明のヒートシール構造の形成方法を説明する。
ヒートシール条件は、ヒートシールする材料によって異なる。そこで、まずヒートシールしようとするヒートシール材料の溶着面温度と、その温度で圧着された材料のヒートシール強さの関係を求める。その結果、例えば、図９に示す関係が得られる。

これは、ヒートシール面内側が加熱終了の時の溶着面温度が１４４℃から１５６℃になるようすれば、剥がれシール帯のヒートシール強さ１０Ｎ／１５ｍｍから５０Ｎ／１５ｍｍまでの連続した剥がれシールになる。破れシール面は１６０℃になっているから破れシールの加熱になる。

完成したヒートシールサンプルのヒートシール強さは（ｂ）から（ａ）の温度目盛を加熱幅に置き換えたパターンとして見られる。

そこで、まず、熱流調節台の設計を行う。加熱体１−１、１−２の表面温度を上記（ａ）より３〜５℃高く成るように設定し、使用予定の材質の熱流調節台の厚さを変えて、熱流調節台の外縁から内側に1ｍｍと平面台代中点付近に位置するように溶着面温度センサを被加熱材で挟んで圧着時間と溶着面温度の関係を求める。その結果、例えば図１０に示すようなグラフが得られる。この結果から、まず、熱流調節台を設けなかった場合（平面台の方に位置する溶着面温度センサで得られた図１０の全圧着面の線）の溶着面温度が（ａ）に達した時間を求め、これをヒートシールの圧着時間とする。そして、この圧着時間において、剥がれシールを形成しうる溶着面温度になる熱流調節台の厚みを選択する。図９の例では、１０Ｎ／１５ｍｍから５０Ｎ／１５ｍｍまでの剥がれシールが形成される温度が１４４〜１５６℃であるので、下限の１４４℃に相当する熱流調節台の厚さは、図１０において熱流調節台の方に位置する溶着面温度センサで得られた溶着面温度がこの温度範囲に入る約０．３ｍｍ程度にする。

こうして熱流調節台の設計が終わったら、その熱流調節台と平面台を加熱体１−１、１−２の加熱面に取付けて、ヒートシールを行うことにより、本発明の構造のヒートシールを形成することができる。その際の加熱体１−１、１−２の設定温度と圧着時間は、上記の熱流調節台の設計におけるそれらを用いればよい。

被加熱材６として、市場に出ているレトルト包装に使用されているアルミニュームラミネーションされた総厚さ０．０９ｍｍの包装材料を用いることとし、その溶着面温度と引張強さの関係を特許第３４６５７４１号記載の方法で求め、図９に示す結果を得た。この結果から、破れシールが確実に得られる最低温度として、溶着面温度を１６０℃（図中の（ａ））とした。

ヒートシール装置には、図５に示す構成のものを用いた。この装置の加熱体１−１、１−２は、いずれも、縦３．５ｃｍ、横３ｃｍ、長さ２０ｃｍ、加熱面代１．７ｃｍであり、これに４００ｗ、太さ０．８ｃｍ、長さ２０ｃｍの電気ヒータ２−１、２−２を装着した。長さ方向の温度ムラを少なくするために電気ヒータ２−１、２−２と加熱体１−１、１−２の表面との間にヒートパイプ（図示せず。）を装着した。温度センサ３−１、３−２には、線径０．２ｍｍの微細型電対を使用した。電気ヒータ２−１、２−２は、ＰＩＤ機能を持たせたＯＮ―ＯＦＦ方式で調節した。溶着面温度は特許第３４６５７４１号で用いた装置で測定した。

加熱体１−１、１−２の設定温度を１６５℃にし、熱流調節台としていずれも厚さが０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍのテフロン（登録商標）シートを装着し当該サンプルに２つのセンサ挟んで熱流調節台の外縁から1ｍｍと平面台の中央の溶着面温度を計測した。その結果は図１０である。熱流調節台の厚さを０．３ｍｍ、加熱時間を０．３８秒と決定した。

そこで、加熱体１−１、１−２の両加熱面に、０．３ｍｍのテフロンシートを幅（図６の３）９ｍｍ、残部を０．３ｍｍの加熱体と同一材質のステンレススチールシートを幅（図６の２）５ｍｍを貼着した。

このヒートシール装置を用いて、次の条件でヒートシールを行った。
加熱体表面温度 ：１６５℃
圧着時間 ：０．３８秒
熱流調節台材料 ：テフロン（登録商標）
熱流調節台厚さ（１） ：０．３ｍｍ
剥がれシール代（３） ：９ｍｍ
破れシール代（２） ：５ｍｍ
初期圧着圧 ：０．１Ｍｐａ

得られた剥がれシールと破れシールの混成ヒートシールサンプルの引張試験を行った結果を図１１に実線で示す。熱流調節台を設けないで、熱分析の結果を基にした１７０℃で行なった従来の破れシールのみのヒートシールサンプルについて同様に引張試験を行った結果も同図に破線で示す。

図１１に示すように、本発明の混成ヒートシールでは、立ち上がりが緩やかで接着面剥離が明確に観察された。そして、ヒートシール強さは最大値の５７Ｎ／１５ｍｍとなり、剥離が進んで破れシール領域の約０．８５ｃｍの（ｄ）で破断した。０．８ｃｍ付近までは剥がれシールと破れシールの境界領域の良好な剥がれシールであった。

一方、破れシールのみのヒートシールサンプルは、立ち上がりが早く、０．３５ｃｍの剥離寸法で降伏点（ｃ）に達して、本発明の境界領域のヒートシール強さより小さい５１Ｎ／１５ｍｍの引張強さで破断した。

各点のヒートシール強さは各点の微小引張り変化に対する応答である。すなわち測定点毎の仕事量は［（強さ；Ｎ）×（サンプリング゛間の引張り距離）］／［（引張速度）×１５ｍｍ］の破断までの総和となる。引張速度を同一にすれば演算面積の指数化比較で本発明と従来法ヒートシール面破袋防御性の比較ができる。優位性を評価するために図９に示した結果から、従来法の積分は（ｃ）点、本発明の混成法の積分範囲を（ｄ）点まで行った。従来法は９.９、混成法では４１を得た。

この数値は接着面の外部応力に対するエネルギー消費能力に置き換えて評価できるので、混成加熱によって接着面は部分的に剥がれても、ヒートシール代が破袋防御に有効に機能していると評価できる。

本発明のヒートシール構造はヒートシールエッジの破断破れが防止できる、破れ防御のために材料の厚さを増す必要がなくなる、ヒートシールの合理的な信頼性保証ができるという利点を有するので従来のヒートシールに取って代わる可能性がある。

引張試験での破れシールの状態を示す模式図である。 外部圧力によりヒートシール部にかかる応力を説明する模式図である。 本発明のヒートシール構造に剥離応力がかかったときの状態を模式的に説明する図である。 ヒートシール形状の例を示す図である。 本発明のヒートシール構造を形成するヒートシール装置の例を模式的に示した図である。 図５の部分拡大図である。 本発明のヒートシール構造で連袋を製造する状態を示す図である。 本発明のヒートシール構造を形成するヒートシール装置の別例を模式的に示した図である。 ヒートシールする際の溶着面温度とヒートシール強さの変化を示したグラフである。 熱流調節台の厚みを変えて溶着面温度の圧着時間変化を示すグラフである。 本発明のヒートシール構造と従来の破れシールについて引張試験を行い、剥離距離の変化とヒートシール強さの変化を示したグラフである。

符号の説明

１−１、１−２ 加熱体
２−１、２−２ 電気ヒータ
３−１、３−２ 温度センサ
４ 温度調節計
５−１、５−２ 熱流調節台
６ 被加熱材
７−１、７−２ 平面台
８、９ ヒータ線
１０ 熱流調節シート
１１ 固定架台
１２ 垂直移動架台
１３、１４ 耐熱カバー

Claims (2)

1. 少なくとも一方が加熱体である圧着体の間に、ヒートシールするヒートシール材料を溶着面を合せて挟んで、帯状にヒートシールする方法であって、次の工程よりなる、帯状ヒートシールの長手方向に沿って剥がれシール帯と破れシール帯を有し、該剥がれシール帯の幅が２〜２０ｍｍそして該破れシール帯の幅が１〜１０ｍｍであり、剥がれシール帯の幅／破れシール帯の幅の比が０．２〜２０であるヒートシール装置を用いたヒートシール方法
   （１）ヒートシールしようとするヒートシール材料の溶着面温度と、その温度で圧着された材料のヒートシール強さの関係を求めて、剥がれシール帯を形成する温度域と破れシール帯を形成する温度域を求める。
   （２）圧着体間にこのヒートシール材料を挟んでヒートシール材料の溶着面温度の経時変化を測定し、溶着面が破れシール帯を形成する温度に到達する時間を求める。
   （３）加熱体である圧着体のヒートシール材料圧着面に熱流調節台を厚さを変えて設置してそれを介してヒートシール材料を挟んで、ヒートシール材料の溶着面温度の経時変化を測定し、(２）項の破れシール帯を形成する温度に到達する時間に、該溶着面温度が剥がれシール帯を形成する温度になるように熱流調節台の厚さを設計する。
   （４）加熱体である圧着体のヒートシール材料圧着面の、剥がれシール帯を形成させる部位にこの設計された熱流調節台を設置してヒートシールを行う。
2. 加熱体の加熱源がヒータ線であり、熱流調節台が熱流調節シートであり、ヒートシールがインパルスシールである請求項１記載の方法

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