JP4681404B2 - ラミネート方法 - Google Patents

Description

本発明は、缶、家電、建築分野で使用されるラミネート材、即ち、樹脂フィルムを金属帯に積層した材料に関し、特に樹脂フィルムと金属帯との間に巻き込まれるガスの体積を効果的に減少させたラミネート方法に関する。

缶、家電、建築分野では、めっき鋼板あるいはアルミ板に塗装を施した板が多く使われてきたが、溶剤の排出による環境汚染を防止すべきであると言う社会の声が年々高まっている。また、塗装・焼き付け工程における生産性の向上や省エネルギー化に限界が見えてきたこともあり、塗装に代わって、樹脂フィルムラミネート材の生産量が増加している。

樹脂フィルムラミネートは、金属帯上に塗装の数倍の速度で樹脂層を付与できるプロセスであり、高速化するほど製造コストが削減される。しかし、樹脂フィルムを高速で金属帯表面に向けて供給すると、金属帯や樹脂フィルムの表面近傍にある空気が、それらの走行に随伴されて、圧着部に巻き込まれる。巻き込まれた空気は、樹脂フィルム又は接着剤の溶融層に入り込み、固化した後も気泡となって残留する。その面積率が大きい場合、ラミネート金属帯が絞り・しごき加工等を受ける際、樹脂フィルム層が剥離したり、破れたりする欠陥の原因となる。絞り・しごき加工を受けない場合でも、過酷な曲げ加工を受けると樹脂フィルム層に欠陥を生じることになる。

気泡の巻き込みを防止する方法として、特許文献1に鋼帯と樹脂フィルム間の角度を30〜90度に維持しながら樹脂フィルムを鋼帯に向けて送給して、圧着ロールにより圧着する方法が開示されている。また、特許文献2には、圧着直前の樹脂フィルムと金属帯により挟まれる空間に、加熱気体を吹き付ける方法が開示されている。この方法は、気泡として取り込まれた気体がラミネート後の冷却により収縮して気泡体積が減少すると言う原理を用いている。

特許文献3には、金属帯に樹脂フィルムをラミネ−トする圧着部の周囲をシ−ルボックスで囲み、内部雰囲気を、空気を除く分子量44以下のガスで体積率50%以上に制御すると共に内部圧力を50〜750Torrの範囲に制御するラミネ−ト装置が開示されている。これは、樹脂フィルムの透過性の高いガス雰囲気でラミネートすることで、ガスが巻き込まれても、樹脂フィルムを透過して系外に排出されることを狙ったものである。さらに、ラミネートの雰囲気を減圧することで、巻き込まれるガスの量を少なくすると言う狙いがある。

特許文献4は、特許文献3と同様に、樹脂フィルムの透過性の高いガス雰囲気でラミネートすることで、ガスが巻き込まれても、樹脂フィルムを透過して系外に排出されることを狙ったラミネート方法である。

特開昭63-233824号公報 特開平7-125169号公報 特開平9-52286号公報 特開平9-141741号公報

しかしながら、特許文献1に開示された方法は、空気流体のくさび効果を防止するものと理解されるが、ラミネート速度が150m/分以上になると、やはり空気巻き込みによる気泡面積が増大してしまうため、この対策では十分ではない。特許文献2に開示された方法は、巻き込まれるガスの温度を非常に高くしておかなければ気泡低減の効果として現われないが、ラミネートに適した温度を超える温度の気体を圧着部に吹き付けると、ラミネート温度を一定に制御することが困難になるし、樹脂フィルムが極端に軟化したり膨張したりして形状が悪化し、良好なラミネート金属帯を得るのが難しくなる。

特許文献3に開示された装置は、巻き込みガスの低減効果が現われるほどに減圧するためにはポンプ等、装置が大掛かりになって、初期コスト、ランニングコストが膨大になってしまう。特許文献3及び特許文献4に開示された、樹脂フィルム透過性の高いガス雰囲気でラミネートする方法は、気泡面積率の低減に有効である。しかし、その出願後、ラミネート金属帯の使用環境がますます厳しくなり、さらなる気泡の低減が求められるようになっている。例えば、電解クロムめっき鋼板(ティンフリースチール)にポリエステルフィルムを積層したラミネート鋼板は、製缶メーカーにおいて非常に厳しいアイアニング(しごき)加工が施される用途が増加しており、巻き込み気泡低減の重要性が増している。

そこで、本発明は上記従来技術の問題点を解決し、高速でのラミネートで生じる気泡のさらなる低減を実現する方法を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記の課題に対して鋭意検討し、樹脂フィルム透過性の高い雰囲気中で熱ラミネートし、直後に再加圧することで、気泡面積率が著しく減少することや個々の気泡の面積が小さくなることを見出し、本発明に至ったものである。

即ち、本発明の主旨とするところは、
(1) 150m/分以上の速度で金属帯に樹脂フィルムを熱ラミネートする方法において、窒素を除く分子量45未満のガスを90vol%以上含む雰囲気で金属帯に樹脂フィルムを熱ラミネートした後、1.5秒以内にロールで1×10⁶Pa以上6×10⁷Pa以下の面圧を0.002秒以上0.04秒以下かけることを特徴とするラミネート方法、
(2) 前記雰囲気ガスが、炭酸ガス、ヘリウムガス、酸素ガスの中のいずれか、あるいは2種以上の混合ガスであることを特徴とする前記(1)記載のラミネート方法、
である。

本発明の樹脂ラミネート方法によれば、巻き込み気泡の著しく少ない樹脂ラミネート金属帯を高速で安定して生産できるようになる。また、本発明の方法によって製造されたラミネート金属帯は、強加工を施しても樹脂フィルム層の剥離等の欠陥が生じ難いので、加工製品製造の歩留まり向上、生産性向上にも寄与するところが大きい。

以下に本発明を詳細に説明する。

金属帯に樹脂フィルムをラミネートする場合、速度が上がるほど雰囲気ガスを多く巻き込むが、150m/分以上になると巻き込まれるガス量が多くなり、樹脂フィルムと金属帯との間に気泡として残留してしまう。そこで、巻き込まれたガスをできるだけ多く、樹脂フィルムを通して系外に排出させることで、ラミネート金属帯の気泡の面積及び面積率を小さくするのが、本発明の基本的な考え方である。

分子量が45以上のガス、例えばシクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、四塩化炭素の蒸気等でも樹脂の透過性が高いが、これらは製造時の安全性、食品衛生、風味への影響、臭気等の問題があるため、避けるべきである。したがって、分子量45未満で、ラミネート樹脂中の透過速度が窒素に比べて大きいガスにより圧着部の雰囲気を制御するとよい。

圧着部の雰囲気を制御する装置については、本発明では限定しない。圧着部のみ、あるいは圧着ロール部全体を箱型シールボックスで覆ってもよいし、ラミネートセクション全体を雰囲気制御室としてもよいが、経済性、作業の安全性の観点からは、前者が好ましい。

ラミネート圧着部の雰囲気ガスの濃度は、50vol%以上で気泡面積の低減効果が現われ始めるが、これでは窒素の占める割合が多いため、十分な気泡低減効果が得られない。重要なことは窒素の割合を低減することであり、10vol%以下に抑える必要がある。したがって、窒素を除く分子量45未満のガスを90vol%以上含む雰囲気で樹脂フィルムを金属帯に熱ラミネートする必要がある。理論的には100vol%が好ましいが、高濃度を保つためのシール機構が複雑で高価な設備となるため、より経済的な設備で可能な濃度、90〜99vol%程度とするとよい。

雰囲気温度については本発明で限定しない。雰囲気温度は高いほど、ラミネート後の体積収縮が大きくなるので有利ではあるが、ガス種や再加圧の効果と比べれば、その効果は大きくない。例えば400℃程度まで加熱すれば、体積収縮による気泡低減効果が大きくなると考えられるが、樹脂フィルムへの影響もあるため、実際的な方法ではない。

雰囲気ガスの圧力については、減圧した方が巻き込まれるガス量が減るので有利であるが、減圧のための設備は非常に大掛かりになり、経済的でない。

樹脂フィルムの熱圧着後の再加圧は、1.5秒以内に行う必要がある。樹脂フィルムを熱ラミネートする場合、樹脂フィルムが完全に溶融するような温度では行わず、通常、樹脂の融点をやや超える温度で圧着するため、圧着後、短い時間のうちに樹脂フィルムが固化する。巻き込まれたガスは、圧着時に樹脂フィルムの溶融した部分に入り込むが、樹脂フィルムが冷えて固化してしまうと、巻き込みガスによる気泡の形状が決まってしまい、再加圧を施しても、その面積を減少させることができなくなってしまう。本発明者らが種々検討したところ、熱圧着から再加圧までの時間は、1.5秒以内である。1.5秒を超える時間経過すると、再加圧をしても気泡低減の効果が認められなくなる。

再加圧に用いるロールは限定しないが、耐熱性の高いシリコンゴムを貼った金属ロールが望ましい。これによって、適当なニップ長と面圧を得ることが可能である。

再加圧には1×10⁶Pa以上6×10⁷Pa以下の面圧を0.002秒以上0.04秒以下かけることが必要である。1×10⁶Pa未満では気泡低減の効果が不十分である。一方、6×10⁷Paを超える面圧では、金属帯の張力の変動が大きく、ラミネート条件を一定に保つことが困難になる。また、フィルム面に擦り疵が入り易くなる。ここで言う面圧は、ラミネートロールの軸受けにかかる総力を、ロールと金属板が接触する面積で除した値と定義される。ロールと金属板が接触する面積は、例えばラインを停止した状態で、鋼帯と感圧紙とを重ねてラミネートロールで加圧し、感圧紙の変色が認められた面積であるとすればよい。前記の面圧を0.002秒以上かけなければ、ガスがフィルムを透過するのに短過ぎ、気泡の低減効果が十分に得られない。一方、150m/分以上の高速ラミネートでは、0.04秒を超える加圧時間を確保するためには、ロール径を非常に大きくしなければならず、実際的でない。

樹脂フィルムに対する雰囲気ガスの透過係数は、窒素ガスの透過係数の3倍以上であることが望ましく、さらに望ましくは、炭酸ガス、ヘリウムガス、酸素ガスの中のいずれか、あるいは2種以上の混合ガスであることである。このようなガス雰囲気中で熱圧着し、前記の再加圧を施すことで、ラミネート金属帯に残存する気泡の面積率を非常に小さくすることができる。

前記特許文献4には、封入されるガスの例として、水蒸気も挙げられているが、水蒸気は非常に高温になると危険でもあり、また、ラミネートする樹脂がポリエステルの場合は、加水分解させる可能性が大きい。

本発明で用いる金属帯としては、鋼板、錫めっき鋼板、薄錫めっき鋼板(LTS)、ニッケルめっき鋼板、電解クロムめっき鋼板、亜鉛めっき鋼板、合金化亜鉛めっき鋼板、鉛-錫めっき鋼板、アルミめっき鋼板やこれらの合金めっき鋼板等の鋼帯、アルミニウム板(例えば、3000番系、5000番系合金)のアルミニウム帯等を使用できる。熱圧着可能な樹脂フィルムとして、ポリエステル樹脂(ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、これらのイソフタレート共重合物等)、酸変成ポリオレフィン樹脂(ポリエチレン、ポリプロピレン、あるいはこれらの共重合物等の酸変成物)、ポリアミド樹脂(ナイロン等)、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン等を使用するとよい。

樹脂フィルムの厚みは特に限定するものではないが、5〜200μmの範囲にあることが好ましい。5μm未満ではピンホールが発生し易く、十分な耐食性が得られない。一方、200μmを超えると経済的ではない。

熱圧着時の金属帯の温度は、示差走査熱量計を用いた測定で現われる吸熱ピークとして定義される樹脂フィルムの融点より2〜20℃高い温度とし、熱圧着法は金属帯から樹脂フィルムに向かって熱を与えると言う常法でよい。また、接着剤を介してラミネートする所謂ドライラミネートも本発明の範囲内である。

樹脂-金属板界面に雰囲気ガスが巻き込まれて生じる気泡のうち、最大のものの金属板面投射面積が300μm²以下であることが必要である。300μm²を超える面積の気泡上の樹脂フィルムは、例えばドロー＆アイアニング(絞り-扱き)加工のような厳しい成形加工を受けると破れ易く、金属板加工製品の被覆に欠陥が生じることとなる。より好適には、100μm²以下であることが好ましい。100μm²以下であれば、フィルムを通して水分や他の腐食因子が非常に入り難くなり、金属板の腐食や変色が極めて生じ難いと言う利点がある。樹脂-金属板界面の気泡の金属板面投射面積は、例えばラミネート鋼板を適当なサイズに切り出し、樹脂フィルム側からCCDカメラを通して50倍程度の光学顕微鏡像をコンピューターに取り込み、画像処理ソフトを利用して算出することができる。

以下、実施例に基づき本発明を説明する。

金属帯として、金属クロムめっき100mg/m²と、その上層にクロム水和酸化物15mg/m²を有する厚さ0.24mmの電解クロムめっき鋼帯を用いた。樹脂フィルムとして、ポリエチレンテレフタレートとポリエチレンイソフタレートの共重合樹脂からなるクリアフィルム(融点240℃、厚さ25μm)を用いた。

電解クロムめっき鋼帯を速度150〜500m/分で走行させ、誘導加熱とジャケットロールを用いてラミネート時に245±2℃となるように加熱した後、両面に前記樹脂フィルムを供給して熱ラミネートした。圧着ロールはシリコンゴムで被覆した鋼製ロールとし、その入り側に雰囲気シールボックスを設置して、内部の雰囲気を圧力と酸素濃度を測定することによって制御した。シールボックス内のガスの種類、濃度は、表1に示す通りとした。

熱ラミネート直後の電解クロムめっき鋼板に、再加圧を施した。再加圧ロールは、シリコンゴムで被覆した鋼製ロールとした。

熱ラミネートから再加圧までの時間、再加圧の面圧、再加圧の時間は、表1に示した。

得られたラミネート鋼板を適当なサイズに切り出し、CCDカメラを通して50倍の光学顕微鏡像をコンピューターに取り込み、画像処理することによって気泡の面積及び気泡面積率を算出した。気泡面積率は0.3%以下を合格レベルとした。

また、最薄部の厚みが元の板厚の1/3になるように、ラミネート鋼板を径65mm、高さ127mmの円筒形にドロー＆アイアニング加工して、ERV試験に供した。ERV試験は、0.5%食塩水を介して白金電極とサンプルの間に6Vの電圧を印加し、そのときに流れる電流値を測定した。ERVは、フィルムの貫通する欠陥を表わすものであるから、0mAである必要がある。

これらの結果を表1に示す。

本発明の実施例1〜19は、全て巻き込み気泡の面積率が小さく、アイアニング加工での欠陥もなく、ERVは0mAであった。

比較例1〜3は、炭酸ガス雰囲気中で熱ラミネート後、再加圧を行わなかった例である。巻き込み気泡の面積率が0.3%を超えており、アイアニング加工後のERVが検出された。

比較例4も、炭酸ガス雰囲気中で熱ラミネート後、再加圧を行わなかった例であるが、速度が500m/分と速かったため、気泡面積率が大きく、アイアニング加工でフィルム剥離が生じた。

比較例5は、再加圧の時間が短かった例である。気泡面積率が0.3%を超えており、アイアニング加工後のERVが検出された。

比較例6は、再加圧の面圧が低い例である。気泡面積率が0.3%を超えており、アイアニング加工後のERVが検出された。

比較例7は、熱ラミネート後、再加圧までの時間が長かった例である。気泡面積率が0.3%を超えており、アイアニング加工後のERVが検出された。

比較例8は、雰囲気の炭酸ガス濃度が低い、即ち空気の割合が高い例である。気泡面積率が0.3%を超えており、アイアニング加工後のERVが検出された。

比較例9は、比較例10よりもさらに雰囲気の炭酸ガス濃度が低い例である。気泡面積率が大きく、アイアニング加工でフィルム剥離が生じた。

比較例10〜12は、空気中でラミネートした例である。気泡面積率が大きく、アイアニング加工でフィルム剥離が生じた。

比較例13も、空気中でラミネートした例であるが、速度が500m/分と速かったため、気泡面積率が非常に大きく、アイアニング加工で缶胴が破断した。

表1に挙げた比較例の他、再加圧の時間を0.1秒取る製造条件も計画したが、そのためには再加圧ロールを大きくしなければならず、実施不可能であった。また、再加圧の面圧を1×10⁸Paとする製造条件でも実施を試みたが、電解クロムめっき鋼帯の張力の変動が大きく、ラミネート鋼板の製造条件を一定に保つことができなかった。また、フィルム面に擦り疵が多数入り、評価に供するサンプルの製造ができなかった。

なお、加工の例として製缶加工と称しているが、これは製缶の分野に限ったことでなく、家電や建材分野においても同様の加工工程を経て使用されるのであるから、上述した加工を同様に受けることになる。

また、上記の実施例は、ポリエチレンテレフタレートとポリエチレンイソフタレートの共重合樹脂を圧着温度260℃で行ったものであるが、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン6、酸変成ポリプロピレン、酸変成低密度ポリエチレン、ポリアクリロニトリル、アイソタクチックポリスチレンについても、それぞれの融点近傍の圧着温度で熱ラミネートして、表1と同様の結果を得ている。さらに、前記の例では金属帯として電解クロムめっき鋼帯を用いたが、無めっき鋼帯、錫めっき鋼帯、ニッケルめっき鋼帯、亜鉛めっき鋼帯、合金化亜鉛めっき鋼帯、鉛-錫めっき鋼帯、アルミめっき鋼帯、亜鉛-鉄合金めっき鋼帯、亜鉛-ニッケル合金めっき鋼帯あるいはアルミニウム帯を用いても、表1と同様の結果であった。

Claims (2)

150m/分以上の速度で金属帯に樹脂フィルムを熱ラミネートする方法において、窒素を除く分子量45未満のガスを90vol%以上含む雰囲気で金属帯に樹脂フィルムを熱ラミネートした後、1.5秒以内にロールで1×10⁶Pa以上6×10⁷Pa以下の面圧を0.002秒以上0.04秒以下かけることを特徴とするラミネート方法。

前記雰囲気ガスが、炭酸ガス、ヘリウムガス、酸素ガスの中のいずれか、あるいは2種以上の混合ガスであることを特徴とする請求項１記載のラミネート方法。