JP4805906B2 - 繊維ベース材料をシールする方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールポイントに存在するポリマーを溶融させることによって、繊維ベース材料(fibre-based material；繊維をベースとする材料)を、該材料に接着されるべき対向面に対して、シーリング(sealing)するための方法に関する。

ヒートシーリングは、ポリマー被覆された繊維ベース材料（例えば、コートされた紙やボードのようなもの）を接合するのに通常使用される技法である。このシーリングは、シールされるべき面同士を、加熱可能なシーリング要素の間で加圧することによって達成され得、それは、熱がコーティングプラスチックを溶融し、それが前記面同士を共にシールさせるようにであるか、または、シールされるべき面同士が一体になる前に、熱風のブロウによってコーティングプラスチックが溶融し得るように行われる。これらヒートシーリングの技法は、袋、容器、ケーシング、箱の製造のためのパッケージング技術において、そして、製品のパッケージを閉じるための技術において、広く使用されている。

従来、プラスチック被覆した紙やボードを、ポリマーを溶融させるレーザービームによってシールすることも知られている。そのようなシーリングは、例えば、ＥＰ１０６９９８４Ｂ１、ＵＳ４５４０３９２、ＵＳ５６９０７７５に叙述されている。レーザービームは、紙やボードのプラスチックコーティングに向けられ、次いで、シールすべき面同士が互いに対して加圧され、溶融したプラスチックが、冷えて固化するときに、シールポイント(sealing point)において該面同士を互いに接合（ボンディング）するのである。

レーザーシーリングは、主としてＣＯ_２レーザーによって行われきており、コーティングやフィルムに使用されるポリマーは、ビームがポリマーに当たると直ちに該ポリマーを溶融するように、これによって発生する波長を吸収する。しかしながら、ＷＯ０２／００１４４は、照射を吸収し、吸収熱の効果の下で加熱される顔料の使用に基づいた、プラスチックフィルムのためのレーザーシーリング法を開示している。この公報では、レーザー源としてＮｄ：ＹＡＧレーザーまたはダイオードレーザーを用いており、これらの波長は、プラスチック層に吸収されることなくその中を透過する。この方法は、互いの上部が合わさったプラスチックフィルム間の界面に対するシーリングにおいて、それらフィルムは溶融することがなく、結果としてそれら全体の厚さに亘って互いに対する融合をもたらすシール法を目的としている。ビームの効果の下で加熱され、周囲のポリマーを溶融させるその顔料は、プラスチックフィルム同士の間の界面に配置されていてもよいし、或いはシールされたフィルムは、吸収性顔料で完全に分散されていてもよい。

ポリマーコートされた紙またはボードのＣＯ_２レーザーを用いたシーリングのための公知の方法では、レーザービームは、対向するレーザー源からそのコーティングに向けられる。ポリマーを溶融させるレーザービームが紙やボードのファイバー層を通過してシールポイントに導入されるという方法を用いることは、該レーザービームがその紙やボードを燃やすので、これまで可能ではなかった。本願出願人の知る限り、この理由から、レーザーシーリングは、コートされた紙やボード同士を予め互いに対面して置かれたものをシールするのには適用されず、コーティングが先ずレーザーで溶融させられ、その後、互いの接合のためにその表面同士が互いに対し加圧されるという方法のみが用いられてきた。

本発明の目的は、従って、上記問題点に対する解決手段を見出すことにあり、それによれば、紙やボードなどのような繊維ベース材料を、レーザービームが向けられる前にそのシールされるべき表面同士が互いに隣接配置されている状態において、レーザービームでシールすることができる。本発明の解決手段は、レーザービームが前記材料の繊維層を通過してシール領域に配置された照射吸収顔料(radiation-absorbing pigment)に対し向けられて、その吸収熱がシールポイントに存在するポリマーを溶融させそれによってシーリングを生じさせるように、シールが行われることを特徴とする。

本発明は、例えば紙やボードのような繊維材料に対するレーザー照射効果に関する本発明者の知見に基づいている。上に述べたように、ポリマーを溶融してシールするＣＯ_２レーザーは、紙やボードを燃焼させることが知られているので、このプロセスは、とりわけこれらに他の物との間での識別マークを作るために利用されてきた。ダイオード、Ｎｄ：ＹＡＧ、またはファイバーレーザーは、紙を燃やさない波長を発生させることができるが、強い照射の散乱が繊維層内で起きる。５００〜１５００ｎｍの波長領域において作用するレーザービームが適している。一般的な考え方によれば、レーザービームは、紙やボードのような繊維材料の中を通過して送ることはできない。本発明者により実施された測定からもやはり照射の散乱を確認した；繊維層の反対側にあるレーザー源に対向して置かれた測定センサーは、低い照射強度を検出したが、それは元の強度のほんの何分の１かにすぎなかった。

上記の事実にも係らず、その試行の結果は次のような予期しない観察に至った。即ち、吸収性顔料を含んだポリマー層によってレーザービームの入射方向とは反対側の面が被覆されたボードに該ビームが向けられたとき、その照射が被覆層の溶融を引き起こしたのである。この観察は、ダイオードとＮｄ：ＹＡＧレーザーの両方の場合になされたが、それらは、繊維層を燃やしたり、または、ポリマーを直接的に（即ち、顔料の寄与無し）溶融させる効果を有してはいない。

本発明に関連してさらに、顔料は、必ずしも繊維層と直接接触していなければならないということはなく、レーザービームは繊維層に隣接して位置する透明ポリマー層を通過しても繊維層に到達すること、そしてまた、顔料の溶融効果は、前記隣接する透明ポリマー層に達するので、この層は、顔料と反対側にもシール可能となることも観察された。

上記の前提のゆえに、本発明は、多数の様々な応用の可能性を提供している。顔料は、シールすべき繊維ベース材料中に入れてもよく、或いは任意に、顔料は、繊維ベース材料がシールされる相手部材に含有されてもよい。顔料は、繊維ベース材料のポリマーコーティング内に、または、繊維ベース材料がシールされるポリマーフィルム内に分散させてもよい。任意に、顔料は、シールされるべき材料の表面またはこの材料層の上に配置してもよく、そのとき顔料は、材料層同士の間に介在して、例えば、透明ポリマー層下の繊維層に隣接していてもよい。

本発明の好適な適用対象の一例として、灰色着色ポリマー層で被覆したパッケージングボードの、対向面(counter-surface)への、例えばそれ自体への、シーリングを挙げることができる。そのようなパッケージングボードは、そのポリマーコーティングがアルミニウムフォイルを模したものであり、ＷＯ特許明細書０１／７６９７６およびＦＩ特願２００２１３５９に記載されている。光を遮蔽する灰色コーティング層が、製品パッケージのボードの内面に設けられており、本発明は、着色されたポリマー層を溶融するすレーザービームを、パッケージの外側からボードを通してシールポイントへ送って、該パッケージのシーリングによる閉鎖を可能にしている。普通の線状シール部に加えて、本発明者は例えばヨーグルト容器の蓋のシール部のような成形シール部を含む他の適用対象を挙げることもできる。

本発明を、実施例により、かつ、添付図面を参照して、以下により詳細に説明する。

図１、２は、プラスチックコートされたボードの二重折りシート１を、管形状にするシーリングの概略図である。シート１の対向する縁部２、３は、ボード４、４’のプラスチックコーティング層５、５’を互いに隣接させた状態で対向させられており、シーリングの間に該シートを所定位置に保持するために、縦長のホルダー６の間でプレスされている。シーリングは、ホルダー６に位置合わせ(alignment)されながら移動するレーザーヘッド７によって行われ、該レーザーヘッドは、例えば、９４０ｎｍの波長を発生するダイオードレーザーである。レーザーヘッド７は、レーザービーム８をシート１の接合縁部の側からシールポイント９へ送り、シーリングは、レーザーヘッドをシールラインの一端から他端へ図１の矢示方向に移動させることによって行われる。

本発明のシールは、シールポイント９に配置された顔料の効果に基づいており、コーティングプラスチックの照射吸収と溶融とをその結果もたらす。図２に示された実施態様において、ボードのプラスチックコーティング５（上記のように形成されたチューブの内面を構成する）は、均一に分散された吸収性顔料、例えば、カーボンブラックを含んでいる。ボードがパッケージ用途にシールされるとき、プラスチックコーティングの着色は、パッケージ製品に対する光遮蔽を提供してもよく、黒色と白色の顔料を組み合わせることによって、例えば、カーボンブラックと二酸化チタンとを組み合わせることによって、コーティングにアルミフォイルに似た灰色の色合い(grey colourshade)を付与することができる。レーザーヘッド７からシールポイント９に送られたレーザービーム８（一本の矢印で図中に示されている）は、ボード層４に当たり、そこでボードへの損傷なしに、様々な方向に散乱させられる。ビーム８のうちの十分な部分がボード層を透過して、プラスチックコーティング層５、５’に含まれる顔料に吸収され、その顔料は加熱され、そしてシールポイント９のコーティングプラスチックはこの熱を受けて溶融する。コーティングプラスチックは、例えば、押出し(extruded)ヒートシールコーティングのために通常使用される、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、あるいはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）でもよい。他の種々のプラスチック、例えば、ＡＢＳ、ＣＡ、ＣＯＣ、ＥＶＡ、ＨＩＰＳ、ＰＡ、ＰＣ、ＰＥＥＫ、ＰＥＩ、ＰＥＮ、ＰＥＴＧ、ＰＭＭＡ、ＰＰＯ、ＰＳ、ＰＶＣ、ＰＶＤＦ、ＰＯＭ、ＰＳＵ、および、ＰＵも、適用可能である。溶融したプラスチック層５，５’は、溶け合って、固化すると、シート１の縁部同士の間にタイトなシールを形成する。

図３の実施態様では、ボード４は、内側の透明コーティング層１０と、外側の着色されたコーティング層５とを備えている。透明層１０は、例えば、エチレンビニルアルコールポリマー（ＥＶＯＨ）またはポリアミド（ＰＡ）からなっていてもよく、これらは、酸素、芳香族、および／または、水蒸気のための、パッケージされた製品をシールドするバリアーを可能にし、着色層５は、図２に示されたものと同様でもよい。透明層１０が上記ダイオードレーザーの波長に対して透過性であるとき、着色層５、５’は、上記のようにしてシールされることになる。

図４のコートされたボードは、着色されたプラスチックが内側コーティング層を形成し、その上に薄い透明コーティング層１１が塗工(apply)されている点において、図２のそれとは相違する。着色層５と透明層１１の両者は、コーティングプラスチックとしてポリエチレンを含んでいてもよい。ボード４を透過するレーザービーム８は、主として内側の着色コーティング層５に吸収されるが、かくして発生した吸収熱は、透明プラスチック層１１、１１’をも溶かして、それらが互いにシールするのに十分である。

図５においては、ボードシートの縁部２，３（該ボードシートは、図２に対応する着色されたプラスチックコーティング５を備えたボード４である）が、シーリングを目的として、重なり合った状態で配置されている。このシーリング様式は、例えば、ケーシングや容器のパッケージの製造において適用可能である。レーザービーム８は、パッケージの外側からシールポイントに送られ、そして、レーザービームがボード４を透過し、結果、着色層５の加熱とコーティングプラスチックの溶融とをもたらすという作用に、シーリングは基づいている。固化する時に、コーティングプラスチック（例えば、ポリエチレン）は、コートされていないボードの表面に接着して、そのパッケージのその側を閉じるシールを生成する。所望に応じて、ボード４は、例えばポリエチレン製の、透明なプラスチック層を備えることができ、該層は、パッケージの外側表面を形成することになり、そのときポリエチレンを含む二つのコーティング層同士の間でシーリングが行われる。

図６の実施態様では、透明なプラスチックコーティング層１２を備えたボード４に関するシールが行われている。シールを目的として、照射を吸収する顔料１３が、対向するコーティング層１２、１２’の間に配置されている。顔料１３は、例えば、透明層１２の上に施された印刷インクに含まれていてもよい。レーザービーム８は、透明層１２を透過して、顔料１３を加熱し、その結果コーティング層１２，１２’を溶融し互いにシールされた状態にする。

図７、８は、プラスチックコートされたボードと、これに対向して配置されたプラスチックフィルム１４とのシーリングの例である。図７では、ボード４のプラスチックコーティング５は着色されており、他方、着色された層にシールされるべきプラスチックフィルム１４は透明である。シーリングは、レーザービーム８の作用に基づいており、該ビームは、ボード４を透過し、その結果顔料の加熱と、プラスチック５、１４同士の溶け合いとをもたらす。図８では、ボード４のプラスチックコーティング１２も透明であり、シーリングを遂行するために、吸収性の顔料（例えば、印刷インク中の成分）は、ボード４と透明コーティング層１２との間に配置した。レーザービーム８の下で加熱される顔料１３の作用（透明層１２、１４のプラスチックの溶融をもたらす作用）は、それら層の互いの融合にとって十分である。

図９、１０に示された実施態様は、コートされていないボード４に隣接配置されたプラスチックフィルムへの、該ボードのシールに関する。図９では、シーリングを生じさせる吸収性の顔料は、プラスチックフィルム１５に分散させられているが、図１０では、顔料１３は、ボード４と、そのボードにシールさせる透明プラスチックフィルム１４との間に位置している。顔料１３は、ボード４やプラスチックフィルム１４のいずれかの上に予め塗工された印刷インクに含まれていてもよい。

プラスチックコートされたパッケージングボードシート同士を、図１の技術を用いて、該シートのプラスチックコート側同士を互いに隣合せた状態でシールすることによって、本発明を試験した。レーザーヘッドは、ダイオードレーザーからなり、該レーザーは、波長９４０±１０ｎｍ、電力９０Ｗ、ボード面からの焦点距離５ｍｍ、シールラインに沿う移動速度２０−７５ｍｍ／ｓを有するものである。下記は、試験材料、および、それらの層の重量に、シールが成功した材料についてのレーザーヘッド速度を一緒に加えたリストである：
１．Board Natura Barr Silver (Stora Enso)、ボード（３００ｇ／ｍ^２）＋１２％のＴｉＯ_２と０．１５％のカーボンブラックとを含有するＰＥ（５８ｇ／ｍ^２）、
レーザーヘッド速度６０−７５ｍｍ／ｓ
２．Board Performa (Stora Enso)（２１０ｇ／ｍ^２）＋２％のカーボンブラックを含有するＰＥＴ（４０ｇ／ｍ^２）、
レーザーヘッド速度７０ｍｍ／ｓ
３．Board Trayforma(Stora Enso)（３５０ｇ／ｍ^２）＋１２％のＴｉＯ_２を含有するＰＥＴ（４０ｇ／ｍ^２）、
４．Trayforma（３１５ｇ／ｍ^２）＋ＰＥ（４０ｇ／ｍ^２）
５．Trayforma（２５０ｇ／ｍ^２）＋ＰＥＴ（４０ｇ／ｍ^２）
６．Trayforma（２５０ｇ／ｍ^２）＋ＰＰ（２０ｇ／ｍ^２）
７．Trayforma（３１５ｇ／ｍ^２）＋表面に黒色墨(black Indian ink)を有するＰＥ（４０ｇ／ｍ^２）、
レーザーヘッド速度２０−２５ｍｍ／ｓ
８．Trayforma（２５０ｇ／ｍ^２）＋表面に黒色墨を有するＰＥＴ（４０ｇ／ｍ^２）、
レーザーヘッド速度５０−８０ｍｍ／ｓ
９．Trayforma（２５０ｇ／ｍ^２）＋表面に黒色墨を有するＰＰ（２０ｇ／ｍ^２）、
レーザーヘッド速度５０ｍｍ／ｓ
１０．表面に黒色の印刷インクを有するTrayforma（３５０ｇ／ｍ^２）＋ＰＥＴ（４０ｇ／ｍ^２）、
レーザーヘッド速度６０−７０ｍｍ／ｓ
１１．表面に赤色の印刷インクを有するTrayforma（４２０ｇ／ｍ^２）＋ＰＥ（２０ｇ／ｍ^２）、
レーザーヘッド速度７０ｍｍ／ｓ
１２．表面に青色の印刷インクを有するTrayforma（４２０ｇ／ｍ^２）＋ＰＥ（２０ｇ／ｍ^２）、
レーザーヘッド速度７０ｍｍ／ｓ
１３．表面にオレンジ色の印刷インクを有するTrayforma（４１０ｇ／ｍ^２）＋ＰＥ（２０ｇ／ｍ^２）

これら試験において、シールは、試料１−２、および、７−１２の場合に発生した。試料３−６、および、１３の場合、シール部は形成されなかったか。または接着が不十分であった。シーリングの間に、ボードの燃焼は観測されなかった。

その結果は、顔料がコーティングプラスチックと混合させられるか、顔料がプラスチック層の表面に適用されるか、または顔料がプラスチックコーティングの下のボード表面に位置するかであれば、ボードの繊維層を通過するレーザービームによるシーリングが実施可能であることを示している。黒色顔料に加えて、赤色と青色の顔料の場合も、合格結果が得られた。それでも、そのような結果は、使用するレーザービームの波長などの試験条件に依存する。

本発明の適用は、上記例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内であれば種々変更してもよいことは当業者にとって自明である。従って、例えば、ダイオードレーザーを波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザーで置き換えることもできる。

図１は、管形状での、本発明のプラスチックコートされたボードシートのシーリングを示している。 図２は、図１の II−II 断面図であって、シールポイントを示しており、そこでは、ボードの着色プラスチックコーティング層が、互いに対向位置している。 図３は、ボードのプラスチックコーティングが、内側の透明層と、外側の着色層とからなること以外は、図２に対応する図である。 図４は、ボードのプラスチックコーティングが、内側の着色層と、外側の透明層とからなること以外は、図２に対応する図である。 図５は、図２のボードのシーリングを示しており、着色されたプラスチックコーティングを備え、シールされるべきボードの縁部同士が重なり合う関係に配置されている。 図６は、図２に対応しており、コーティング上に施された吸収性顔料による、透明プラスチックコーティングを備えたボードのシーリングを示している。 図７は、着色プラスチックコーティングを備えたボードの、透明プラスチックフィルムへのシーリングを示している。 図８は、着色プラスチックコーティングを備えたボードの、前記ボードとプラスチックコーティングとの間に介在する吸収性顔料による、透明プラスチックフィルムへのシーリングを示している。 図９は、コートされていないボードの、着色プラスチックフィルムへのシーリングを示している。 図１０は、コートされていないボードの、透明プラスチックフィルムへの、シールポイントに位置する吸収性顔料によるシーリングを示している。

Claims (14)

1. シールポイントに存在するポリマーを溶融することによって、繊維ベース材料（１，４）を、該材料に接合すべき対向面へシーリングするための方法であって、
   ダイオードまたはＮｄ：ＹＡＧレーザーをレーザー源（７）とし、
   該シーリングは、前記レーザー源（７）から発せられたレーザービーム（８）を、該材料の繊維層（４）を通過させて、シーリング領域（９）に配置された照射吸収性の顔料へ送ることによって達成され、吸収熱が該ポリマー（５、１１、１２、１４、１５）を溶融させて、該シーリングを生じさせることを特徴とする、前記方法。
2. ポリマーコートされた、紙またはボード（１）が、コーティング（５，１１，１２）に隣接して置かれた対向面（５’、１１’、１２’、１４）にシールされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 繊維ベース材料（１、４）が、該材料に隣接し、ポリマーフィルム（１４，１５）のようなポリマーを含む対向面にシールされることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 顔料が、シールされるべき繊維ベース材料（１）に含まれていることを特徴とする、前記請求項１−３のいずれか１項に記載の方法。
5. 顔料が、対向面を形成する部材（１５）の中に含まれており、そこへ、繊維ベース材料（４）がシールされることを特徴とする、請求項１−３のいずれか１項に記載の方法。
6. 顔料（１３）が、繊維層（４）の表面に位置することを特徴とする、前記請求項１−５のいずれか１項に記載の方法。
7. 顔料（１３）が、紙またはボードのポリマーコーティング（１２）の下に位置していることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 顔料が、コーティングまたはフィルムのポリマー層（５、１５）の中に分散されていることを特徴とする、請求項１−５のいずれか１項に記載の方法。
9. 顔料が、多層のポリマーコーティング（５、１０）またはフィルムの、最上層に含まれていることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 顔料が、多層のポリマーコーティング（５、１１）またはフィルムの、内部の層に含まれていることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
11. 顔料が、カーボンブラックを含んでいることを特徴とする、前記請求項１−１０のいずれか１項に記載の方法。
12. ポリマーコートされた紙またはボード（１）が、隣接するポリマー層（５’、１１’、１２’、１４）にシールされることを特徴とする、前記請求項１−１１のいずれか１項に記載の方法。
13. ポリマーコートされた紙またはボード（１）が、自体に対してシールされることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 当該方法が、ポリマーコートされた紙またはボード（１）で作られた、ケーシング、容器、または、袋パッケージの、側方のシーリングまたは閉止のために用いられることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。

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