JP4949424B2 - 延伸フィルムの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、延伸フィルムの製造方法に関するものである。

延伸フィルムは、シート状に形成された樹脂フィルム（無延伸フィルム）を加熱しながら直交する二軸方向に引き伸ばすことによって製造される。無延伸フィルムを引き伸ばす延伸方法としては、逐次二軸延伸法と同時二軸延伸法とが知られている。前者では、無延伸フィルムを縦方向（長さ方向）に予め引き伸ばした後に、横方向（幅方向）に引き伸ばす。後者では、無延伸フィルムを縦横の二方向に同時に引き伸ばす。

逐次二軸延伸法においても、同時二軸延伸法においても、二列に並べられた複数のクリップで無延伸フィルムの幅方向両端部を把持するとともに、フィルムの幅方向におけるクリップの間隔（横方向間隔）を次第に広げることによって無延伸フィルムを幅方向に引き伸ばす。なお、同時二軸延伸法においては、クリップの横方向間隔とともに、フィルムの長さ方向におけるクリップの間隔（縦方向間隔）も次第に広げて、フィルムを縦横の二方向に同時に延伸する。

これら二軸延伸法では、フィルムの幅方向中央部の変形が幅方向端部の変形に比べて先行する現象（凸ボーイング現象）や、フィルムの幅方向中央部の変形が幅方向端部の変形に比べて遅延する現象（凹ボーイング現象）が発生する。図２に示すように、横延伸工程では、延伸開始初期においては、フィルムの幅方向中央部が同方向端部に比べてフィルムの進行方向へ突出するボーイング現象（凸ボーイング現象）が発生し、延伸後半から延伸後の加熱処理工程にかけては、フィルムの幅方向中央部が同方向端部に比べてフィルムの進行方向とは逆方向へ突出するボーイング現象（凹ボーイング現象）が発生する。

図１に示すように、ボーイング歪みは、一般的に、フィルムの幅（Ｗ）とフィルムの走行方向（搬送方向）の位相（ｂ）との比（ｂ／Ｗ×１００）[％]で表わされる。ボーイング歪みは、フィルムの材質、横延伸倍率、フィルムの走行速度などによって異なる。光学部品用の延伸フィルムは、低速かつ低倍率で横延伸されるので、ボーイング歪みは１．０％以下であることが多い。一方、一般包装用のナイロンフィルムやポリプロピレンフィルムなどは、高速かつ高倍率で横延伸されるので、ボーイング歪みが１０．０％程度になることもある。

ボーイング現象がフィルムの幅方向において発生すると、フィルムの幅方向における分子配列が不均一になり、フィルムの幅方向における物性にムラが生じる。具体的には、フィルムの幅方向において光学的な異方性が生じたり、強度や耐久性が低下したりする。

そこで、逆ボーイング現象やボーイング現象の発生を抑制するための手段が多数提案されてきた。特許文献１、２には、横延伸された熱可塑性樹脂フィルムに熱固定処理を行うに際して、熱固定前のフィルムを一旦ガラス転移温度以下に冷却することによって横延伸工程において発生するボーイング現象を減少させることが記載されている。

特許文献３には、横延伸後、熱処理工程の前に、フィルムを冷却する冷却工程を設け、かつ、熱処理工程における昇温速度を所定速度[℃／秒]以上とすることによってボーイング現象を減少させることが記載されている。

特許文献４には、所定の結晶化度を有するプラスチックフィルムを昇温結晶化温度以上、融点以下の横延伸温度にて延伸することによってボーイング現象を減少させることが記載されている。

特許文献５には、横延伸工程と熱処理工程の間に冷却工程を設けるとともに、熱処理工程を温度の異なる２つ以上のゾーンに分けることによってボーイング現象を減少させることが記載されている。

これら特許文献１〜５に記載されている技術は、処理温度を好適化してボーイング現象の発生を抑制することを基本とするものであって、温度によってフィルムが収縮するなどの特性を利用したものである。

一方、特許文献６には、二軸延伸されるフィルムの端部を把持しているクリップの縦方向間隔を狭めると（リラックス処理を行うと）、熱収縮率と平面性を向上させることができる、との記載がある。同文献にはボーイング現象の抑制については明記されていないが、熱処理工程においてクリップの縦方向間隔を狭めると、フィルムの幅方向の安定性が向上する、との指摘がなされている。

特許文献７には、横延伸後のフィルムを幅方向に弛緩させ、その後幅方向に再度延伸することが記載されている。また、特許文献８には、延伸フィルムを把持しているクリップの縦方向間隔を広げて該フィルムを縦方向へ再度延伸することが記載されている。また、特許文献９、１０には、フィルムを横延伸する過程で、該フィルムを把持しているクリップの間隔を縦方向に狭めることが記載されている。特許文献１１には、同時二軸延伸工程における縦延伸の起点を横延伸の起点よりも先行させることが記載されている。

特開平０３−１９３３２８号公報 特開平０３−２１６３２６号公報 特開平０６−２６２６７５号公報 特開平０７−８０９２８号公報 特開平０６−２９７５６１号公報 特開昭６２−２１１１２４号公報 特開２００３−７１９２４号公報 特開昭６３−２２１０２９号公報 特開２００４−３５８７４２号公報 特開２００６−１３３７２０号公報 特開２００２−３７０２７８号公報

特許文献６〜１１に記載されている技術は、クリップで把持されたフィルムを縦方向に延伸または弛緩させるのみであり、横延伸工程において発生するボーイング歪みの抑制量には限界がある。

本発明の目的は、従来よりもボーイング歪みの抑制効果が高い延伸フィルムの製造方法を提供することである。

一般的な横延伸工程では、フィルムの伸長変化に伴って、フィルム自体のポアソン比による歪みが発生する。具体的には、フィルムの幅方向中央部が同方向と交差する方向に縮んで歪みが発生する。ポアソン比は、図２（ａ）に示す模式図に従って次式で定義される。

ポアソン比＝σ₂／σ₁

プラスチックのポアソン比はその材料により異なるが、一般的には０．３〜０．４５程度である。一方、フィルムの幅方向端部をクリップで把持した状態（長さ方向の伸長が拘束された状態）で同フィルムを幅方向（横方向）に伸長させると、図２（ｂ）に示すように、クリップで把持されている辺と垂直な辺が弓なりに変形する。もっとも、実際にはフィルムは縦方向に連続しているので、横延伸されている領域の前後の領域によって縦方向の収縮が抑制される。よって、実際の横延伸工程ではポアソン比ほどの歪みは生じない。しかし、ボーイング現象は、フィルムの幅方向両端部におけるクリップによる縦方向拘束と幅方向中央部の収縮とによる位相によって発生すると考えることができる。

そこで、縦方向に連続したフィルムを同方向に三分割し、分割された各要素間における力学的バランスについて図３を参照しながら考察する。図３では、要素３のみが幅方向（横方向）に延伸されていると仮定している。もっとも、全要素の幅が同一である図３の模式図は現実とはやや矛盾しているが、ここでは力学的バランスを明確に説明するために、敢えて全要素の幅を同一としてある。

フィルムの幅方向両端部がクリップによって等間隔で把持された状態で要素３が幅方向に延伸されると、図２（ｂ）に示す傾向に従って、要素３の幅方向中央部が圧縮変形される。すると、隣接する要素２の幅方向中央部が引っ張られて歪みが発生する（要素３で生じた歪みの影響は要素１には及ばず、要素２のみに影響すると仮定する）。これにより、凸ボーイングと凹ボーイングとが発生する。

これに対し、図４に示すように、要素３を把持しているクリップの縦方向間隔を狭める一方で、要素２を把持しているクリップの縦方向間隔を広げることにより、幅方向端部と幅方向中央部の歪み量を一致させれば、ボーイング歪みを抑制することができる。つまり、要素２は延伸前或いは延伸初期のフィルム要素、要素３は延伸後期或いは延伸後のフィルム要素と考えることができ、それぞれの段階でクリップの縦方向間隔を広げる（延伸）操作と、狭める（弛緩）操作とを行えば、ボーイング歪みを抑制することができる。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、本発明の一つは、フィルムの対向する二辺を把持している複数のクリップを移動させて前記フィルムをオーブン内で搬送しつつ、前記フィルム延伸させる延伸フィルムの製造方法において、前記フィルムの搬送方向と直交する横方向に対向しているクリップの間隔を前記横方向に拡張して前記フィルムを延伸させる延伸工程を有し、前記延伸工程では、前記クリップの間隔を前記横方向に拡張しつつ、前記搬送方向と平行な縦方向にも拡張する第１の処理を実施した後に、前記クリップの間隔を前記横方向に拡張しつつ、前記縦方向には縮小する第２の処理を実施することを特徴とする。

また、本発明の他の一つは、フィルムの対向する二辺を把持している複数のクリップを移動させて前記フィルムをオーブン内で搬送しつつ、前記フィルム延伸させる延伸フィルムの製造方法において、前記フィルムの搬送方向と直交する横方向に対向しているクリップの間隔を前記横方向に拡張して前記フィルムを延伸させる延伸工程を有し、前記延伸工程では、前記クリップの間隔を前記横方向に拡張しつつ、前記搬送方向と平行な縦方向にも拡張する第１の処理を実施した後に、前記クリップの前記横方向の間隔を維持しつつ、前記縦方向の間隔を縮小する第２の処理を実施することを特徴とする。

本発明によれば、ボーイング歪みの発生が効果的に抑制されるので、分子配列が均一で物性ムラのない延伸フィルムが得られる。

一般的なフィルムをその幅方向に引っ張った際に生じる伸長変形の様子を示す模式図である。 フィルムを幅方向に引っ張ったときの伸長変化を示す模式図であって、（ａ）はフィルムの長さ方向の伸長が拘束されていない状態での伸長変化、（ｂ）はフィルムの長さ方向の伸長が拘束されている状態での伸長変化を示す図である。 縦方向に連続したフィルムを同方向に三分割し、分割された各要素間における力学的バランスを示す模式図である。 本発明の課題解決原理を示す模式図である。 各ゾーンにおけるフィルムの状態を示す模式図である。 クリップの間隔変位の一例を示す図である。 クリップの間隔変位の他例を示す図である。

以下、本発明の延伸フィルムの製造方法の実施形態の一例について説明する。本実施形態に係る延伸フィルムの製造方法では、樹脂フィルムの対向する二辺を各辺に沿って並んだ複数のクリップで把持し、それらクリップを移動させて（走行させて）フィルムをオーブン内で搬送する。そして、フィルムをオーブン内で搬送中に、前記クリップの間隔を適宜変更することによって、フィルムを延伸させる。なお、以下の説明では、フィルムの搬送方向と平行な方向を「縦方向」または「長さ方向」、搬送方向と直交する方向を「横方向」または「幅方向」と呼ぶ。もっとも、かかる定義は説明の便宜上の定義に過ぎない。

フィルムの対向する二辺の一方に沿って並んだ複数のクリップのそれぞれは、他方の辺に沿って並んだ複数のクリップのそれぞれと対向して対をなしている。換言すれば、フィルムの幅方向に対向する２つのクリップからなるクリップ対がフィルムの長さ方向に沿って複数組並べられている。そして、各クリップ対は、その間に配置されたフィルムの幅方向端部をフィルムの長さ方向に沿って所定間隔で把持する。

一方、オーブン内には、フィルムの搬送方向に沿って、温度の異なる予熱ゾーン、延伸ゾーンおよび熱処理ゾーンがこの順で設けられており、フィルムを把持している前記クリップがオーブン内で予熱ゾーン側から熱処理ゾーン側へ向けて走行することよって、フィルムは前記各ゾーンを通過する。フィルムは予熱ゾーンを通過する際に主に予熱され、延伸ゾーンを通過する際に主に延伸され、熱処理ゾーンを通過する際に主に熱固定される。

次に、本発明の特徴である延伸ゾーンにおける延伸工程について詳細に説明する。延伸工程では、クリップの間隔をフィルムの横方向に拡張して、フィルムを幅方向に延伸させる。具体的には、クリップの間隔をフィルムの横方向に拡張しつつ、縦方向にも拡張する第１の処理と、クリップの横方向の間隔をさらに拡張しつつ、縦方向の間隔は第１の処理が終了した時点の間隔に維持する第３の処理と、クリップの横方向の間隔をさらに拡張しつつ、縦方向の間隔は縮小する第２の処理とをこの順で実施する。なお、第１の処理では、クリップの間隔が縦方向にも拡張されるので、フィルムは長さ方向にも若干延伸される。しかし、ここでクリップの間隔を縦方向に拡張するのは、フィルムを積極的に縦延伸させるためではなく、後の処理との相乗効果によってボーイング現象を抑制するためであることは、これまでの説明及び今後の説明から容易に理解できるはずである。

図５に、オーブン内に各ゾーンおけるフィルムの延伸を模式的に示し、図６にクリップの間隔の変化（間隔変位）を示す。図６に示すグラフ中の破線は、フィルムの横方向に対向しているクリップ間の間隔変位（横方向間隔変位）を示している。一方、同グラフ中の実線は、フィルムの縦方向に沿って並んでいるクリップ間の間隔変位（縦方向間隔変位）を示している。このグラフより、延伸工程中、クリップの横方向間隔は一貫して同方向に拡張し続けている。すなわち、フィルムは幅方向に線形的に延伸されている。一方、クリップの縦方向間隔は、ある程度まで拡張された後にその間隔を維持し、その後、次第に縮小されている。すなわち、フィルムは縦方向に延伸された後に同方向に弛緩されている。換言すれば、フィルムは、第１の処理では縦方向および横方向の両方向に延伸され、第３の処理では横方向にのみ延伸され、第２の処理では、横方向には延伸されるが縦方向には弛緩される。

さらに付言すれば、上記第１の処理はフィルムを加熱するオーブンの延伸ゾーンの前半区間において実施し、上記第２の処理は延伸ゾーンの後半区間において実施し、第３の処理は、前半区間と後半区間の間である中間区間において実施されている。

もっとも、上記各処理の実施される区間は上記区間に限定されない。例えば、図７に示すように、予熱ゾーンと延伸ゾーンとに跨る区間において第１の処理を実施し、熱処理ゾーンにおいて第２の処理を実施してもよい。また、延伸ゾーンと熱処理ゾーンとに跨る区間において第２の処理を実施してもよい。要するに、第１の処理は、予熱ゾーン後半から延伸ゾーン前半の間の任意の区間で実施すればよく、第２の処理は、延伸ゾーン後半から熱処理ゾーン前半の間の任意の区間で実施すればよい。

第１の処理では、第１の処理の開始前におけるクリップの縦方向間隔（初期間隔）の０．１％〜２０．０％に相当する距離だけクリップの縦方向間隔を拡張することが好ましい。具体的な拡張量（％）は、フィルムの材質その他の条件に応じて適宜設定することができ、フィルムの材質その他の条件によっては、上記初期間隔の０．１％〜１０.０％に相当する距離だけクリップの縦方向間隔を拡張することによって十分にボーイング歪みが抑制される場合もある。さらには、上記初期間隔の０．１％〜５．０％に相当する距離だけクリップの縦方向間隔を拡張することによって十分にボーイング歪みが抑制される場合もある。

本実施形態では、第１の処理において、クリップの縦方向間隔を上記初期間隔の５．０％に相当する距離だけ拡張させた。また、第２の処理では、クリップの縦方向間隔を上記初期間隔の５．０％に相当する距離だけ縮小させた。すなわち、本実施形態では、第１の処理におけるクリップの縦方向間隔の拡張量と、第２の処理におけるクリップの縦方向間隔の縮小量とを同一とした。また、図６に示すように、本実施形態では、予熱ゾーンではクリップ間隔（縦方向間隔及び横方向間隔の双方）を変化させていない。よって、本実施形態では、予熱ゾーンにおけるクリップの縦方向間隔が上記初期間隔に相当する。

本発明の効果を確認するために行った試験の結果を表１に示す。この試験では、検体として同一のポリエチレンテレフタレートフィルム（ＰＥＴフィルム）を３つ用意し、それぞれに対して異なる方法で４倍横延伸を行った。具体的には、検体１については、縦方向については延伸も弛緩も行わず、単純に横延伸のみを行った。検体２については、本実施形態における第２の処理のみを行った。すなわち、横延伸工程中にクリップの間隔を縦方向に縮小して、フィルムを同方向へ弛緩させた。検体３については、本実施形態における第１の処理および第２の処理の双方を行った。何れの検体に対する延伸においても、オーブンの予熱ゾーンの温度は８０[℃]、延伸ゾーンの温度は１２０[℃]、熱処理ゾーンの温度は２００[℃]に設定した。

表１は、前記のようにして横延伸された各検体におけるボーイング歪みの測定結果を示している。表１に示す結果より、検体２については、検体１に比べて５６．９[％]のボーイング歪抑制効果が得られ、検体３については、６５．４[％]のボーイング歪抑制効果が得られたことがわかる。

Claims (7)

1. フィルムの対向する二辺を把持している複数のクリップを移動させて前記フィルムをオーブン内で搬送しつつ、前記フィルム延伸させる延伸フィルムの製造方法において、
   前記フィルムの搬送方向と直交する横方向に対向しているクリップの間隔を前記横方向に拡張して前記フィルムを延伸させる延伸工程を有し、
   前記延伸工程では、前記クリップの間隔を前記横方向に拡張しつつ、前記搬送方向と平行な縦方向にも拡張する第１の処理を実施した後に、前記クリップの前記横方向の間隔を維持しつつ、前記縦方向の間隔を縮小する第２の処理を実施することを特徴とする延伸フィルムの製造方法。
2. 前記延伸工程では、前記第１の処理と前記第２の処理との間に、前記クリップの前記横方向の間隔を拡張しつつ、前記縦方向の間隔を前記第１の処理が終了した時点の間隔に維持する第３の処理を実施することを特徴とする請求項１に記載の延伸フィルムの製造方法。
3. 前記フィルムの搬送方向に沿って、互いに温度が異なる第１のゾーン、第２のゾーン及び第３のゾーンがこの順で設けられたオーブンを用意し、該オーブンの前記３つのゾーンを前記フィルムが通過する間に前記延伸工程を実施することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の延伸フィルムの製造方法。
4. 前記第２のゾーンの前半区間において前記第１の処理を実施し、前記第２のゾーンの後半区間において前記第２の処理を実施することを特徴とする請求項３に記載の延伸フィルムの製造方法。
5. 前記第１のゾーンと前記第２のゾーンとに跨る区間において前記第１の処理を実施し、前記第２のゾーンと前記第３のゾーンとに跨る区間において前記第２の処理を実施することを特徴とする請求項３に記載の延伸フィルムの製造方法。
6. 前記第１のゾーンと前記第２のゾーンとに跨る区間において前記第１の処理を実施し、前記第３のゾーンにおいて前記第２の処理を実施することを特徴とする請求項３に記載の延伸フィルムの製造方法。
7. 前記第１の処理における前記クリップの前記縦方向の間隔の拡張量と、前記第２の処理における前記クリップの前記縦方向の間隔の縮小量とが同一であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の延伸フィルムの製造方法。

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