JP5348393B2 - 積層フィルムの巻取り方法 - Google Patents

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Description

本発明は、積層フィルムの巻取り方法、特に巻きしわアウトやブロッキング等の発生を好適に抑制し巻き品質の高い巻きロールを好適に製造することが出来る積層フィルムの巻取り方法に関するものである。
薄い積層フィルムを効率良く巻き取る技術は古くから研究・開発されている。最近の傾向としては、組み合わせ素材の複雑化(多層化)、巻取速度の高速化、或いはロール巻長の長尺化に伴う高効率巻取に関する研究・開発が進んでいる。その反面、巻き品質の問題もクローズアップされてきている。
品質の良い巻きロールとは、一般に、巻き取られる際の空気の混入量(層間空気量)が少なく且つ適度な巻固さによって巻き取られた巻きロールと言われている。
巻き品質不良の例を挙げると、硬巻きの場合、古くから知られている菊模様(スターディフェクト)や骨(ゲージバンド)等の不良が挙げられる。一方、軟巻きの場合は竹の子(テレスコープ)やコア抜け等の不良が挙げられる。
これらの巻取り不良は、空気の巻き込みを排除しながら巻きロールを適正な巻き固さになるように巻き取ることによって防止することが重要である。
空気の巻き込みを排除するための方法としては、押圧機構(タッチロール)によって巻きロールを押しつけながらフィルムを巻き取る高分子フィルムの巻取り装置が知られている(例えば、特許文献1を参照。)。
また、巻取応力解析に対し従来から広く用いられているアルトマン(Altmann)の式を、空気膜の影響(空気膜厚さh、空気膜のヤング率E2、およびウェブ半径方向等価ヤング率Er)を考慮した補正を行い、その補正アルトマンの式によって算出された半径方向応力σrが予めウェブ巻取半径に基づいて設定した適正範囲に入るような最適な巻取速度Vおよび巻取テンションパターンを決定し、ウェブ巻取時における実際のウェブの巻取テンションが、前記最適な巻取テンションパターンになるように制御することにより、ウェブ巻取半径方向にわたって良好な巻取りが出来るとしたウェブの巻取り方法も知られている(例えば、特許文献2を参照。)。
図3は、積層フィルムの巻取り工程の一例を示す説明図である。
この巻取り工程は、フィルム1とフィルム4が積層された2層の積層フィルムの巻き取る工程を示している。
簡単に説明すると、ロールAから引っ張り出されたフィルム1に接着剤2を塗布し、オーブン3に導入する。そこでフィルム1を加熱し接着剤2中の溶剤を蒸発させる。加熱されたフィルム1を、ロールBから引っ張り出されたフィルム4と押圧・接合させてラミネートフィルム5としながらロールCに巻き取る。その後、ロールCをエージング炉6に導入し、そこで時間をかけて加熱し接着剤を硬化させる。その後、ロールCをスリッタ7に導入し用途に応じ所定の幅に切断し、或いは巻き替えを行いパウチ、或いは積層フィルムロールDを製造する。
また、図4はロールCの半径方向応力の変化を示す説明図である。
半径方向応力σrは、フィルムの張力の半径方向成分が重畳される為、内側に行くに従い大きくなる。すなわち、巻き完了時の半径方向応力の関係は、σra>σrb>σrcとなる。
ここで、コア近傍の半径方向応力σraに注目する。エージング中は、熱応力が更に加わるためにクリープ変形し、径が縮小して半径方向応力σraは更に増大する。これに対して、中央の半径方向応力σrbは、raの径縮小によって半径方向応力σrbは低下する。従って、raとrbとの間では半径方向応力差が大きくなり、これによりシワが発生するものと考えられている。
従って、半径方向応力のギャップ(応力差)が小さくなる(適度な巻き固さになる)ように、フィルムを巻き取ることにより、エージング(クリープ変形)に伴うシワの発生は抑制されるものと考えられる。
特開2002−220143号公報 特公平7−33198号公報
適度な巻き固さは、適度な巻取り張力によってフィルムを巻き取ることによって得られる。従って、巻取り時の張力(テンション)を適切に制御することが重要である。
上記問題の解決を図るため、上記特許文献2に記載されているように初期張力や張力パターン等の巻取り条件を試行錯誤しながら、巻き品質が良いとされた時の巻取り条件を経験的に求め、その巻取り条件で生産し対処しているが、未だ十分な問題解決には至っていないのが現状である。その結果、膨大なアウト損失が発生し、この経済損失を減らすことは重要課題となっている。
上述した通り、薄手積層フィルムを製造する場合、各種ラミネーターやコーターで積層し、それを巻き取る。製品によっては、この積層フィルムを高温下でキュアリングするものもある。その後、スリッター機でスリティングや巻き替えを行い、パウチ製造等の二次加工が施される場合もある。薄手積層フィルムの製造で生じる巻取技術上の一般的な問題は上記品質トラブル(品質不良)があり、これらは初期張力やその後の張力変化パターン、タッチロール有無やその押圧荷重等の巻き取り条件に依るところが大きく、材料構成によって巻き取りの張力条件も大きく影響される難しさがある。
特に、ロール内部でフィルムが座屈変形して発生する巻きしわアウトが顕著であり、これを防止しようと初期張力アップや張力パターンを変更してより硬巻きにすると今度はフィルム間が固着するブロッキングが発生し、パウチの開口性不良を引き起こす。
つまり、上記巻きしわアウトやブロッキング等の問題を解決するために初期張力や張力パターンを変更し、試行錯誤で適正な張力条件を決めるのが従来のアプローチ方法であるが、手間のかかる方法であった。
そこで、本発明は、上記実情に鑑み創案されたものであって、その目的は、巻きしわアウトやブロッキング等の発生を好適に抑制し巻き品質の高い巻きロールを好適に製造することが出来る積層フィルムの巻取り方法を提供することである。
前記目的を達成するために、請求項1に記載の積層フィルムの巻取り方法は、積層フィルムの試験片を水平に且つ横方向の移動を拘束した状態で前記積層フィルムの試験片の一端を固定し他端に静的な張力を負荷しながら、前記積層フィルムの試験片の表面に0.5m以上隔てて設けられた2標点間の距離を計測することによって該積層フィルムの試験片についての伸びと張力の相関データを取得し、次に該積層フィルムの基準伸びを設定し、次に前記相関データから前記基準伸び時の張力を算出し、該基準伸び時の張力を基にして前記積層フィルムを巻き取る張力を算出・設定することからなる積層フィルムの巻取り方法であり、
前記基準伸びは、前記積層フィルムについての0.1%伸び率であり、該0.1%伸び時張力を基準にした所定伸び時張力(張力設定値)を算出し、次に前記積層フィルムの張力が前記張力設定値になるように制御しながら前記積層フィルムを巻き取り、
巻取り初期においては、前記積層フィルムの張力が0.03〜0.07%の伸び時張力になるように制御しながら前記積層フィルムを巻き取ることを特徴とする。
本願発明は、巻き固さを径方向に対してどのようなパターンにすれば高品質の巻きロールが得られるかを検討した結果、「巻き始め」と「巻き終わり」における内部応力のギャップ(差)が小さければ小さい程、巻き品質が向上し、その内部応力のギャップを小さくするための張力パターンとして、低張力一定巻きが有効であることを見出した。このように、初期張力を低く設定して一定巻きとすることによって、コア部の巻き固さは下げられ、かつ巻き中間付近の巻き固さがより高めになる結果、シワの発生が好適に抑制されることになる。
ところで、巻取り張力を決定するための指標として積層フィルムのヤング率(弾性率)が使用されることが多いが、JISなどで規定される試験方法ではサンプル長が100mm程度であり、ごく小さな伸びの測定には必ずしも適当でない。すなわち、低張力時の積層フィルムの伸びはごく小さいため、JIS規格等の引張試験機を用いて測定した引張荷重−伸びの関係図(相関関係)は、セッティング時の試験片のタルミによるばらつき、引張試験機の引張速度のばらつき、並びに標点間距離の測定精度等が影響して伸びの小さい領域においてはデータの信頼性が低いこと、それに加えて引張荷重−伸びの関係を生産現場にて簡便に測定することが出来ない等の問題があった。
そこで、上記積層フィルムの巻取り方法では、上記問題を解決するために、積層フィルムの試験片を水平にし且つ横方向の移動を拘束した状態で積層フィルムの一端を固定し他端に張力を静的に加えることにより、セッティング時の積層フィルムのタルミによるばらつき(不安定な張力−伸び特性)、並びに試験機の引張速度のばらつきをなくし上記問題を解決した。また、標点間距離の測定精度については、後述するように標点間距離を長く確保することにより測定精度を向上させた。これにより、信頼性の高い積層フィルムの張力−伸びの相関データを取得することが出来るようになる。
また、上記積層フィルムの巻取り方法では、積層フィルムの基準伸びを予め設定し、上記信頼性の高い相関データを用いてその基準伸び時の張力を算出する。そして、実際に積層フィルムを巻き取る際の巻取張力は、その基準伸びを基にした所定伸び時の張力となる。つまり、上記積層フィルムの巻取り方法では「伸び」を基準(ベース)に適正張力が設定されることになる。上記信頼性の高い伸び−張力の相関データから、基準伸び時の張力は容易に求まるため、単純な比例計算によって所定伸び時の張力を容易に求めることが出来る。
また、基準伸び時の張力を求める試験装置は、後述するように簡便に構成することが出来るため、生産現場にて簡便に測定することが出来る。
また、上記基準伸び時の張力、並びにそれから求められる所定伸び時の張力を、積層フィルムごとにデータベース化することにより、積層フィルムを巻き取る適正張力の設定が容易となる。
また、低張力一定巻きは材料にやさしいというメリットもある。
請求項に記載の積層フィルムの巻取り方法では、前記積層フィルムの試験片の表面に0.5m以上隔てて設けられた2標点間の距離を計測し、標点間距離を長く確保することによって計測精度を向上させた。
また、請求項1に記載の積層フィルムの巻取り方法では、前記基準伸びは、前記積層フィルムについての0.1%伸び率であり、該0.1%伸び時張力を基準にした所定伸び時張力(張力設定値)を算出し、次に前記積層フィルムの張力が前記張力設定値になるように制御しながら前記積層フィルムを巻き取ることによって、巻きしわアウトやブロッキングに有効な巻取張力は、伸び率換算で0.03〜0.07%の範囲になる。従って、基準伸び率としては、この範囲の近傍で張力と伸びの関係が安定している0.1%伸び率とした。従って、0.1%伸び時張力を基にすることにより、従来信頼性の低かった小さい伸びに対応した張力を精度良く求めることが出来る。
さらに、請求項1に記載の積層フィルムの巻取り方法では、積層フィルムを巻き取る巻取張力として、0.03〜0.07%の伸び時張力を採用することにより、特に巻きしわアウトやブロッキングを好適に防止することが出来る。
請求項に記載の積層フィルムの巻取り方法では、巻き取りが進むにつれて前記伸び時張力をテーパ率0〜50%の範囲内で低下させながら前記積層フィルムを巻き取ることとした。
巻きしわは周方向応力がゼロ〜マイナス(圧縮力)のところで発生すると言われている。テーパ率を大きくすると周方向応力がプラス方向へ増大するようになる。つまり、テーパ巻きは巻きしわの抑制に有効と考えられている。
そこで、上記積層フィルムの巻取り方法では、初期の伸び率を低く設定した上でテーパ巻きによって積層フィルムを巻き取ることによって、低張力の効果とテーパ巻きの効果が相俟って巻きしわアウトやブロッキングを好適に抑制することが出来るにした。
本発明の積層フィルムの巻取り方法によれば、特に巻きしわアウトやブロッキングのない高品質の巻きロールを好適に製造することが可能となる。
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
図1は、本発明に係る基準伸び時張力測定装置100を示す説明図である。図1(a)は平面図であり、同(b)はA−A要部断面図である。
この基準伸び時張力測定装置100は、積層フィルムの引張荷重(張力)−伸びの相関関係を正確に測定することが出来る。特に、伸びの小さい範囲における張力−伸びの相関関係を正確に測定することが出来る。その構成は、所定の巾・長さの積層フィルムの試験片10と、試験片10の一端部を拘束する端部拘束治具20と、試験片10の横方向の移動を拘束する横方向拘束治具30と、引張荷重(張力)が加えられた時の試験片10の軸方向の伸びを示すマーカー(標点)40,40と、試験片10の他の端部に張力を加える張力負荷治具50とから構成されている。
従来、積層フィルムの伸び−張力の関係は、JIS規格のプラスチック 引張特性の試験方法(例えば、JIS K 7127 第3部:フィルム及びシートの試験条件)を用いて求めていた。しかし、上記JIS規格の試験方法は標点間距離が50mm程度であるため、その試験方法を積層フィルムに適用する場合には、種々の問題点があり、引張荷重−伸びの関係を正確に求めることは出来なかった。例えば、積層フィルム等の極めて薄いフィルムの場合には、セッティング時の積層フィルムのタルミによるばらつき等の変形が発生し、標点間距離の伸び変化が不安定になるという問題点があった。また、引張速度により標点間距離の伸び変化についてのデータ(結果)が大きく異なるという問題もあった。特に、本発明に係る低張力一定巻きは、伸びが0.1%以下時の張力を用いるため、従来の金属材料試験方法によって得られた引張荷重−伸びの相関データから、0.1%以下の伸び時張力を直接に求めることが出来ないという問題があった。
しかし、上記基準伸び時張力測定装置100では、セッティング時のタルミ等の変形を防止するために、試験片10を寝かせた状態でなお且つ試験片10の横方向についての移動を拘束した上で、試験片10の一端を固定し他端に静的な引張荷重(張力)を負荷するように構成されている。そのため、横方向拘束治具30には試験片10を嵌め込む凹状溝部が軸方向に沿って形成されている。また、試験片10の軸方向の伸び変化は、引張荷重(張力)を負荷した際のマーカー40,40の相対距離の変化を測定することによって求める。その際、積層フィルムの伸び変化の信頼性を高めるために、初期のマーカー間距離(初期の標点間距離)を出来るだけ大きく(例えば、500〜2000[mm])確保することが好ましい。本実施例では、初期の標点間距離として1000[mm]を確保した。また、標点間距離の測定は、最小単位0.1[mm]が測定可能なスケール又はCCDカメラ等によって行われるようにした。
所定伸び率における張力(所定伸び時張力)の算出方法としては、先ず上記基準伸び時張力測定装置100を用いて積層フィルムの引張荷重−伸びの関係データを取得し、そのデータを直線近似し、その直線近似式から積層フィルムの所定伸び率における張力を算出する。そのため、先ずは所定伸び率における張力を算出するための基準伸び率を設定する。ここで、基準伸び率としては、例えば0.1%伸び率を採用することが出来る。0.1%を採用した理由は、実際に積層フィルムを巻き取る際の巻取張力は伸び率が0.03〜0.07%に対応した張力であり、伸び率0.1%はその範囲に近く、引張荷重(張力)−伸びの関係が安定した特性を示し、標点間距離の伸び変化の信頼性が高いからである。具体的には、図2に示すように、上記基準伸び時張力測定装置100を用いて必要数の引張荷重−伸びに関するデータを取得・プロットし、そしてこれらの点についてほぼ原点を通る直線で直線近似する。次に、その近似直線を用いて基準伸び率0.1%における0.1%伸び時張力T0.1を求める。次に、その0.1%伸び時張力T0.1を用いて、0.1%以下例えば0.05%伸び時張力T0.05を求める。なお、近似直線がほぼ原点を通る直線であるため、所定の伸び時張力は基準伸び時張力を基にした比例計算によって求めることが出来る。
上記0.1%基準伸び時張力T0.1をデータベース化することによって、例えば、製品巾が変更する場合であっても適正張力を容易に求めることが出来る。
表1は、上記基準伸び時張力測定装置100を用いて各積層フィルム(包材)の0.1%伸び時張力およびヤング率を求めた結果を示している。なお、表中の「従来法」とは、巾15mm、標点間距離50mmの試験片の両端部を引張試験機の掴み装置で固定・保持しながら、引張速度20mm/minの速度条件で一方の掴み装置を他方の掴み装置に対し相対移動させることにより、試験片に引張荷重を加えて引張荷重−伸びのチャート図を取得し、そのデータの立ち上がり初期段階の接線勾配を算出し、その接線勾配を基にして所定伸び時張力とヤング率を求める方法である。
ケース1の試験片は、15μNy.(二軸延伸ナイロン)と150μLLDPE(無延伸直鎖低密度ポリエチレン)とを接着剤でラミネートした透明2層包材から切り取った試験片である。ケース2の試験片は、12μPET(二軸延伸ポリエステル)と15μNy.(二軸延伸ナイロン)と50μPP(無延伸ポリプロピレン)とをそれぞれ接着剤でラミネートした透明3層包材から切り取った試験片である。ケース3の試験片は、12μPET(二軸延伸ポリエステル)と7μAl.(アルミ箔)と70μPP(無延伸ポリプロピレン)とをそれぞれ接着剤でラミネートした3層包材から切り取った試験片である。
表中の0.1%伸び時張力を見てみると、本発明の方法によって求めた値と従来法によって求めた値との間には、大きな差があることが分かる。同様に、ヤング率を見てみると、本発明の方法によって求めた値と従来法によって求めた値との間には、大きな差があることが分かる。これは、上述した通り、従来法の場合は、セッティング時の積層フィルムのタルミにより不安定な伸び変化(ばらつき)等によって実際の値よりも過小評価されるためと考えられる。上記基準伸び時張力測定装置100によって、特に、伸び率の小さい範囲における伸び−張力の相関関係を正確に測定することが出来るため、0.1%伸び時張力が過小評価されることはなくなる。
従って、表1に示す0.1%伸び時張力から積層フィルムを巻き取る際の巻取張力を決定することが出来る。ここで、ケース2の包材(透明3層品)を巻き取る際の巻取張力を求める方法を記すことにする。但し、製品巾は1080mmであり、巻取張力は伸び率換算で0.05%とする。
先ず、製品巾1080mmにおける0.1%伸び時張力は、172×1080/1000=186[N/m]となる。次に、0.05%伸び時張力は、186×0.05/0.1=93[N/m]となる。従って、製品巾1080mmのケース2の包材を巻き取る際の巻取張力設定値は93[N/m]となる。従って、ケース2の包材の張力は93[N/m]となるように制御され、ケース2の包材がローラによって巻き取られることになる。
以上の通り、表1に示すように各包材についての0.1%伸び時張力をデータベース化することによって、実際の包材を巻き取る際の巻取張力は、製品巾と伸び率から容易に求めることが出来る。つまり、0.1%伸び時張力をデータベース化することによって、巻取張力は、後述する表3に示すように伸び率によって標準化され適正張力を容易に求めることが出来る。
表2は、各積層フィルム(包材)の巻き取り条件を示す。ケース1の包材は、ロール巻き長3000m、巻き速度100m/分、Φ230のメタルコア、タッチロール荷重100Nである。ケース2の包材は、ロール巻き長4000m、巻き速度100m/分、Φ230のメタルコア、タッチロール荷重100Nである。ケース3の包材は、ロール巻き長4000m、巻き速度100m/分、Φ230のメタルコア、タッチロール荷重100Nである。
また、ケース1の包材は巻き取られた後、炉に入れられ庫内温度35℃の温度環境下で5日間エージング処理(キュアリング処理)される。ケース2の包材についても同じく35℃の温度環境下で5日間エージング処理される。また、ケース3の包材については、50℃の温度環境下で5日間エージング処理される。
表3は、表2の巻き取り条件で巻かれエージング処理された巻きロールに対し巻きしわアウト及びブロッキングの発生状況を示す。なお、巻取方式(張力パターン)は、低張力一定巻き又はテーパ巻きとした。また、初期伸び率は、0.03%、0.05%、0.07%、0.1%、及び0.2%と、またテーパ率は50%とした。
結果は、0.1%伸び時張力基準において伸び率が0.03〜0.07%である低張力一定巻きによって巻き取られた巻きロールについては、巻取張力の値に拘わらず巻きしわアウトやブロッキングは全く発生しなかった。これは0.1%伸び率張力に基づいて算出される低張力を目標張力値(張力設定値)として、積層フィルムの張力を目標張力値となるように制御して積層フィルムを巻き取ることによって巻きしわアウトやブロッキングの発生が好適に抑制されることを示している。
一方、0.1%伸び時張力基準において初期伸び率が0.07%であるテーパ巻きについても巻きしわアウトやブロッキングが発生しなかった。
また、0.1%伸び時張力の値の観点から、巻きしわアウトやブロッキングの発生状況を見てみると、0.1%伸び時張力が100N/m以下であるケース1では、初期伸び率が0.1%以下である低張力一定巻き及びテーパ巻きの場合、巻きしわアウトやブロッキングが全く発生しなかった。このことは、0.1%伸び時張力が100N/m以下であるケース1では、上記基準伸び時張力測定装置100を用いて取得した引張荷重−伸びの関係から求めた伸び率が0.1%以下の低張力一定巻き、又は初期伸び率が0.1%以下であるテーパ巻きが巻きしわアウトやブロッキングの抑制に有効であることを示している。
一方、0.1%伸び時張力が100N/mを超えるケース2及びケース3では、初期伸び率が0.07%以下である低張力一定巻き及びテーパ巻きの場合、巻きしわアウトやブロッキングが発生しなかった。このことは、0.1%伸び時張力が100N/mを超えるケース2及びケース3では、上記基準伸び時張力測定装置100を用いて取得した引張荷重−伸びの関係から求めた伸び率が0.07%以下の低張力一定巻き、又はテーパ巻きが巻きしわアウトやブロッキングの抑制に有効であることを示している。
なお、上記実施例においては、巻きしわアウトやブロッキングの抑制に有効な初期伸び率が0.03〜0.07%であることから、基準伸び時張力として、積層フィルムの試験片の0.1%伸び時張力を採用した。従って、巻きしわアウトやブロッキングの抑制に有効な初期伸び率の範囲、或いは積層フィルムの材料構成によっては、その基準伸び時張力は変わって来る場合がある。しかし、基準伸び時張力が変わる場合であっても、上記基準伸び時張力測定装置100を用いて図2に示す張力−伸びの相関データ(近似直線)を取得し、その近似直線を用いて新たな基準伸び時張力を求め、その基準伸びを基に積層フィルムを巻き取る所定伸び時張力を算出し、その所定伸び時張力を張力設定値として積層フィルムを巻き取ることによって、巻きしわアウトやブロッキングの発生しない高品質の巻きロールを好適に製造することが可能である。
本発明の積層フィルムの巻取り方法は、巻長の長い薄手積層フィルムの巻き取りに好適に適用され得る。
本発明に係る基準伸び時張力測定装置を示す説明図である。 本発明に係る引張荷重(張力)−伸びの相関関係を示す説明図である。 積層フィルムの巻取り工程を示す説明図である。 ロールCの半径方向応力の変化を示す説明図である。
10 試験片
20 端部拘束治具
30 横方向拘束治具
40 マーカー
50 張力負荷治具
100 基準伸び時張力測定装置
Figure 0005348393
Figure 0005348393
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Claims (2)

  1. 積層フィルムの試験片を水平に且つ横方向の移動を拘束した状態で前記積層フィルムの試験片の一端を固定し他端に静的な張力を負荷しながら、前記積層フィルムの試験片の表面に0.5m以上隔てて設けられた2標点間の距離を計測することによって該積層フィルムの試験片についての伸びと張力の相関データを取得し、次に該積層フィルムの基準伸びを設定し、次に前記相関データから前記基準伸び時の張力を算出し、該基準伸び時の張力を基にして前記積層フィルムを巻き取る張力を算出・設定することからなる積層フィルムの巻取り方法であり、
    前記基準伸びは、前記積層フィルムについての0.1%伸び率であり、該0.1%伸び時張力を基準にした所定伸び時張力(張力設定値)を算出し、次に前記積層フィルムの張力が前記張力設定値になるように制御しながら前記積層フィルムを巻き取り、
    巻取り初期においては、前記積層フィルムの張力が0.03〜0.07%の伸び時張力になるように制御しながら前記積層フィルムを巻き取ることを特徴とする積層フィルムの巻取り方法。
  2. 巻き取りが進むにつれて前記伸び時張力をテーパ率0〜50%の範囲内で低下させながら前記積層フィルムを巻き取る請求項1に記載の積層フィルムの巻取り方法。
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