JP6418158B2 - シート材及びそれを用いたバリア性包装容器並びにシート材の製造方法 - Google Patents
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Description
この金属酸化物膜をプラスチック基材(樹脂フィルム)の表面上に形成する方法として、例えば、真空成膜法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理気相成長法(PVD)、あるいはプラズマ化学気相成長法、熱化学気相成長法、光化学気相成長法等の化学気相成長法(CVD)等を利用する方法がある。
上記のようなバリアフィルムは、従来のアルミニウム箔等を使用したバリアフィルムと比較して、透明性に優れ、酸素や水蒸気に対して高いバリア性を有するという点で、食品包装に限らず、幅広く産業用用途としても期待されている技術である。
さらに、水溶性でんぷんや水溶性セルロース誘導体をはじめとする多糖類等バイオマス由来のガスバリア性のコーティング剤も開発されている。これらは天然由来ということで環境的にも安全上の観点からも優れていると言える。しかし、水溶性多糖類のコーティング材料の温度・湿度依存性や高湿度下でガスバリア性の劣化は避けられない。
また、本発明の別の態様は、基材の少なくとも一方の面に、微細繊維層と保湿層とを積層したことを特徴とするシート材である。
また、上記シート材において、前記微細繊維層と前記保湿層とは、直に接していることとしてもよい。
また、上記シート材において、前記基材上に、前記保湿層と前記微細繊維層とをこの順番に形成したこととしてもよい。
また、上記シート材において、前記基材上に、前記微細繊維層と前記保湿層とをこの順番に形成したこととしてもよい。
また、上記シート材において、前記微細繊維層は、微細繊維を含有しており、前記微細繊維の幅は、2nm以上50nm以下の範囲内であり、前記微細繊維の長さは、0.2μm以上50μm以下の範囲内であることとしてもよい。
また、上記シート材において、前記微細繊維層は、可塑剤を含有していることとしてもよい。
また、上記シート材において、前記基材は、紙、織布、不織布、多孔質膜のいずれかにより構成されていることとしてもよい。
また、本発明の別の態様は、上記シート材の製造方法であって、前記基材の少なくとも一方の面に、ウェット塗工により前記微細繊維層を形成する工程と、前記基材の前記微細繊維層が形成された側の面を覆うように、真空蒸着により蒸着層を形成する工程と、を具備することを特徴とするシート材の製造方法である。
図2は、本発明の第2実施形態に係るシート材の断面概略図である。図2に示されたシート材4は、基材2の少なくとも一方の面に微細繊維層5と保湿層6とをこの順番に設けてなるシート材である。ここで、基材2と微細繊維層5との間になんらかの積層体が形成されていてもよい。また、保湿層6の微細繊維層5が形成されている面とは逆側の面になんらかの積層体が形成されていてもよい。また、基材2の微細繊維層5が形成されている面とは逆側の面になんらかの積層体が形成されていてもよく、例えば、微細繊維層が形成されていてもよい。
次に、シート材1、4、7を形成する各層の構成内容の詳細を記載する。
<基材2>
上記各実施形態に係るシート材に用いられる基材2は、特に限定されないが、環境配慮の面から紙が好ましい。さらに、比表面積が大きいことや細孔を保有することにより様々な機能性付与が期待できることから、織布、不織布や多孔質膜を用いることが好適である。すなわち、これら紙、織布、不織布、多孔質膜といった表面形状が平坦でなく、コーティング剤の塗工において染込みや濡れ、乾燥など本来製造工程上不具合が発生しやすい基材を用いることで、上記各実施形態に係るシート材の優位性が更に発揮される。
また、基材2上に微細繊維層3、5または保湿層6の形成向上のため、基材2に表面処理を施し、濡れ性やアンカー効果を付与してもよい。表面処理については特に限定されないが、上記各実施形態に係るシート材の趣旨やコスト面、工程の簡便さから、コロナ放電処理やプラズマ処理、紫外線照射、アルカリ表面処理などの改質が好ましい。
上記各実施形態に係るシート材に用いられる微細繊維層3、5を構成する微細繊維の原料には、例えば、セルロース、キチン、キトサンなどが挙げられ、特に構造配列が規則的であり剛直な骨格を有するセルロース繊維が好ましい。セルロース繊維の原料となるセルロースとしては、例えば、木材パルプ、非木材パルプ、コットン、バクテリアセルロース等を用いることができる。微細繊維の微細化方法としては特に限定されないが、例えば、高圧ホモジナイザー、超音波ホモジナイザー、グラインダー磨砕、凍結粉砕、メディアミルなどの機械処理を挙げることができ、いずれの方法を用いてもよい。また、上記機械処理を行う前工程として、例えば、化学処理を実施してもよい。上述の機械処理や化学処理の処理度を任意に制御することにより、所望の繊維形状を有する微細繊維を得ることができる。なお、上記化学処理の詳細については後述する。また、微細繊維層3、5に含まれる微細繊維は、高結晶性であることが好ましい。これは、微細繊維の結晶性が高いと、シート材のガスバリア性、力学強度、耐水性、熱安定性が向上するからである。
さらに微細繊維層3、5は、耐水性の点から、架橋剤によって架橋構造が形成されていることが好ましい。上記架橋剤としては、例えばオキサゾリン、ジビニルスルホン、カルボジイミド、ジヒドラジン、ジヒドラジド、エピクロルヒドリン等を挙げることができる。なお、上記架橋剤は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
上記各実施形態に係るシート材は、微細繊維層3中に保湿剤が含有されること、あるいは微細繊維層5と保湿層6とが隣接してなることが好ましい。以下、この点に関して詳しく説明する。
従来技術に係る微細繊維層の多くは、剛直で可とう性に乏しい。このため、微細繊維層を、例えばガスバリア層として基材上に形成した場合には、折り曲げによりガスバリア層にクラックが生じて、バリア性の劣化が生じるなど、製品設計において大きな制約がかかることがある。ここで、微細繊維層が剛直性や低い可とう性を示す主たる原因は、微細繊維、特にセルロースが分子内に多数保有する水酸基により、分子内、分子鎖間に水素結合を形成し、密にパッキングされている点にある。そこで、保湿剤を微細繊維層3に含有させること、あるいは保湿層6を微細繊維層5に近接させることにより、より多くの水分子を微細繊維層内に取り込み、微細繊維間に水分子を配置することによって水素結合形成を緩和することができる。これにより、微細繊維層3、5からなるガスバリア層のフレキシビリティーを格段に向上させることができる。
糖アルコール系可塑剤としては、例えば、ソルビトール、マルチトール、キシリトール、エリスリトール、ラクチトール等を挙げることができる。糖アルコール系可塑剤は、高いガスバリア性を維持したままフレキシビリティーを向上させることが可能であり、好適である。
保湿剤を含む微細繊維層3の形成方法は、特に限定されるものではない。例えば、微細繊維分散液に保湿剤を添加して調整した保湿剤を含む微細繊維分散液をコーティングして微細繊維層3を形成してもよいし、微細繊維分散液に、分散剤により分散させた保湿剤分散液を混合して調整した保湿剤を含む微細繊維分散液をコーティングして微細繊維層3を形成してもよい。または、微細繊維層を形成した後に保湿剤分散液をコーティングしても構わない。なお、保湿剤の分散媒へ分散性改善や保湿剤の効果を向上させる目的で加熱したり、各種添加剤を加えても構わない。
上記各実施形態に係るシート材において、基材2の微細繊維層3、5が形成された側の面を覆うように真空蒸着により蒸着層(図示せず)を形成することができる。この蒸着層を形成する蒸着方法としては、例えば、真空成膜法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理気相成長法(PVD)、あるいはプラズマ化学気相成長法、熱化学気相成長法、光化学気相成長法等の化学気相成長法(CVD)などを挙げることができる。より詳しくは、これらの真空プロセスにより形成した、酸化ケイ素、酸化アルミニウム等の金属酸化物の蒸着層を上記各実施形態に係るシート材上に形成して、当該シート材を使用することができる。
なお、上記蒸着層を形成する前工程として、プラズマ処理などを行うことにより、微細繊維層3、5表面の水分や塵等を除去すると共にその表面の平滑化、活性化を促進させてもよい。
上述のように、基材2の少なくとも一方の面に、保湿剤を含有した微細繊維層3を備えたシート材1、または基材2の少なくとも一方の面に、微細繊維層5と保湿層6とを積層したシート材4、7を用いれば、良好なガスバリア性とフレキシビリティーを兼ね備えたガスバリア性包装容器を作製することができる。
上記各実施形態に係るシート材であって、基材2上に微細繊維層5と保湿層6を個別に形成する場合において、基材2側から保湿層6と微細繊維層5がこの順番に形成(基材2/保湿層6/微細繊維層5=構成I)されてもよく、微細繊維層5と保湿層6がこの順番に形成(基材2/微細繊維層5/保湿層6=構成II)されてもよい。このように異なる順番で積層された構成Iと構成IIとは、異なる効果を有する。なお、構成I、構成IIいずれの場合も微細繊維層5と保湿層6が隣接して形成されることが好ましい。
構成Iの場合、保湿層6は微細繊維層5に水分子を供給するとともに、基材2に由来して微細繊維層5に掛かる伸張や圧縮応力を保湿層6の緩衝作用によって低減することにより、微細繊維層5の歪みや割れを抑制することができる。一方、構成IIの場合、微細繊維層5が基材2側に配置されることから、微細繊維の絡まりにより基材2内への染込みを抑制する目止め効果が発揮されるため、保湿層6の成分を有効利用することが可能となる。
次に、上記各実施形態に係るシート材に用いられる微細繊維に化学処理を施し、さらにこれに続く機械処理を施すことにより、低エネルギーで所望の形状の微細繊維を得ることができる。微細繊維としてセルロースを用いた場合の化学処理の一例を以下に示す。
セルロースを化学処理する方法としては、触媒として2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペジニルオキシラジカル(TEMPO)を使用し、pHを調整しながら次亜塩素酸ナトリウム等の酸化剤、臭化ナトリウム等の臭化物を添加する処理方法が提案されている。この方法により、セルロースC6位の水酸基がカルボキシル化されると、セルロース繊維相互の静電反発が高まり膨潤するため、低エネルギー投入による機械処理によってセルロースがナノファイバー化し、セルロースの水分散液が得られる。さらに、本方法を利用すると、得られたセルロースナノファイバーの分子量低下が抑えられるため、微細繊維層は高い力学強度を有する。
まず、水中で分散させたセルロースにニトロキシラジカルと臭化ナトリウムとを添加し、次に室温で撹拌しながら次亜塩素酸ナトリウム水溶液を添加して、セルロースの酸化を行う。酸化反応中に水酸化ナトリウムを添加し、反応系内のpHを10.5に制御する。この時、セルロース繊維表面のC6位の水酸基がカルボキシル基に酸化される。その後、十分水洗し、得られたセルロースを微細化したものを微細繊維層3、5の構成材料として用いる。
なお、酸化剤としては、例えば、次亜ハロゲン酸またはその塩、亜ハロゲン酸またはその塩が使用できるが、その中でも次亜塩素酸ナトリウムが好ましい。臭化物としては、例えば、臭化リチウム、臭化カリウム、臭化ナトリウム等を挙げることができ、その中でも臭化ナトリウムが好ましい。
本実施例で使用した材料を以下に示す。
<基材:A>
本実施例に使用する基材として紙を用いた。
・基材A−1:市販上質紙(坪量64g/m2、表面粗さ(Ra)1.5μm)
表面粗さについては、JIS B 0601に規定される算術平均粗さ(Ra)を使用した。
本実施例に使用する微細繊維としてセルロースナノファイバーを用いた。
・微細繊維B−1:平均繊維長1.0μmのセルロースナノファイバー(固形分濃度2質量%)
・微細繊維B−2:平均繊維長0.1μmのセルロースナノファイバー(固形分濃度2質量%)
(1)試薬・材料
・セルロース:漂白クラフトパルプ(フレッチャー チャレンジ カナダ「Machenzie」)
・TEMPO:市販品(東京化成工業株式会社製、98%)
・次亜塩素酸ナトリウム:市販品(和光純薬株式会社製、Cl:5%)
・臭化ナトリウム:市販品(和光純薬株式会社製)
2Lのガラスビーカー中に、乾燥質量10gの漂白クラフトパルプとイオン交換水500mlとを投入して一晩静置し、パルプを膨潤させた。これを温調付きウォーターバスにより40.0℃に温度調整し、TEMPO0.1gと臭化ナトリウム1gを添加して撹拌し、パルプ懸濁液とした。さらに撹拌しながら、セルロース質量当たり5mmol/gの次亜塩素酸ナトリウムを添加した。この際、約1Mの水酸化ナトリウム水溶液を添加して、パルプ懸濁液のpHを約10.5に保持した。その後、120分間反応を行い、イオン交換水でパルプを充分に水洗して、TEMPO酸化セルロースを得た。
得られたTEMPO酸化セルロースをイオン交換水中で所定濃度となるように調整し、ミキサー(大阪ケミカル株式会社製、アブソルートミル、14,000rpm)を用いて30分間撹拌し、微細化することにより、透明なセルロースナノファイバー水分散体(固形分濃度2質量%)を得た(微細繊維B−1)。さらに、前記セルロースナノファイバー水分散体を超高圧ホモジナイザー(アドバンスト・ナノ・テクノロジィ社製、Servo・Labo、150MPa、10パス)で処理した(微細繊維B−2)。微細繊維B−1及びB−2を固形分濃度0.0001質量%に希釈し、マイカ上に少量展開して乾燥させた。その後、微細繊維B−1及びB−2をそれぞれAFM観察したところ、10本平均の繊維長は、それぞれ1.0μm及び0.1μm、繊維径(繊維幅)はいずれも4nmであった。
本実施例に使用する保湿剤としてグリセリンを用い、水溶液として使用した。
・保湿剤C−1:グリセリン(坂本薬品工業株式会社製、固形分濃度10質量%)
<可塑剤:D>
本実施例に使用する可塑剤としてソルビトールを用い、水溶液として使用した。
・可塑剤D−1:ソルビット(DSP五協フード&ケミカル株式会社製、固形分濃度40質量%に調整)
保湿剤C−1の水溶液を、微細繊維B−1と保湿剤C−1とを合せた固形分重量に対する保湿剤C−1の添加重量を調整して微細繊維B−1と表1に記載の配合比で混合した。その後、この混合液を基材A−1にコーターバーにより塗工し、乾燥炉にて120℃で20分間乾燥させた。こうして、固形分重量換算で1.5g/m2の微細繊維層を形成し、実施例1、実施例2に係るシート材を得た。
(実施例3)
保湿剤C−1の水溶液と可塑剤D−1の水溶液を、微細繊維B−1と保湿剤C−1と可塑剤D−1とを合せた固形分重量に対する添加重量を調整して微細繊維B−1と表1に記載の配合比で混合した。その後、この混合液を基材A−1にコーターバーにより塗工し、乾燥炉にて120℃で20分間乾燥させた。こうして、固形分重量換算で1.5g/m2の微細繊維層を形成し、実施例3に係るシート材を得た。
基材A−1に微細繊維B−1の水分散液をコーターバーにより塗工した以外は、実施例1と同様にして、比較例1に係るシート材を得た。
(比較例2、比較例3)
保湿剤C−1の水溶液を、微細繊維B−1と保湿剤C−1と保湿剤を合せた固形分重量に対する保湿剤C−1の添加重量を調整して微細繊維B−1と表1に記載の配合比で混合した。その後の工程は、実施例1と同様にして、比較例2、比較例3に係るシート材を得た。
基材A−1上に保湿剤C−1の水溶液をバーコーターにより塗工し、乾燥炉にて120℃で20分間乾燥させた。こうして、固形分重量換算で0.8g/m2の保湿層C−1を形成した。その後、さらに保湿層C−1上に微細繊維B−1の水分散液をコーターバーにより塗工し、乾燥炉にて120℃で20分間乾燥させた。こうして、固形分重量換算で1.5g/m2の微細繊維層を形成し、実施例4に係る基材A/保湿層C/微細繊維層Bの層構成を有するシート材を得た。
基材A/微細繊維層B/保湿層Cの順となるよう形成した以外は、実施例4と同様にして、実施例5に係るシート材を得た。
(実施例6)
基材A−1上に保湿剤C−1の水溶液をバーコーターにより塗工し、乾燥炉にて120℃で20分間乾燥させた。こうして、固形分重量換算で0.8g/m2の保湿層C−1を形成した。その後、さらに保湿層C−1上に、微細繊維B−1と可塑剤D−1とを合せた固形分重量に対する可塑剤D−1の添加重量配合比が20質量%となるよう調整し混合した混合液をコーターバーにより塗工し、乾燥炉にて120℃で20分間乾燥させた。こうして、固形分重量換算で1.5g/m2の微細繊維層を形成し、実施例6に係る基材A/保湿層C/可塑剤を含む微細繊維層B2の層構成を有するシート材を得た。
微細繊維層Bを形成しない以外は、実施例4と同様にして、比較例4に係るシート材を得た。
(比較例5)
保湿層Cを形成しない以外は、実施例5と同様にして、比較例5に係るシート材を得た。
(比較例6)
微細繊維層Bに微細繊維B−2を用いる以外は、実施例4と同様にして、比較例6に係るシート材を得た。
(比較例7)
微細繊維層Bに微細繊維B−2を用いる以外は、実施例5と同様にして、比較例7に係るシート材を得た。
実施例5、比較例4、比較例5と同様にして、実施例7、比較例8、比較例9に係るシート材をそれぞれ得た。その後、電子ビーム加熱方式の真空蒸着装置を用いて、酸化ケイ素を加熱によって蒸発させ、成膜中の圧力が1.5×10−2Paの条件下で硬化膜厚が50nmのSiOX膜を上記各シート材上に形成した。
[評価]
実施例1〜7及び比較例1〜9に係る各シート材について、折り曲げ試験前後の酸素透過度及び水蒸気透過度を測定した。さらに、実施例4〜5、比較例4〜7に係る各シート材について、匂いバリア性評価を行った。
実施例1〜6及び比較例1〜7に係る各シート材について、酸素透過度を酸素透過度測定装置(モダンコントロール、OXTRAN 10/50A)を用いて30℃、40%RH雰囲気下で測定した。また、実施例7及び比較例8〜9に係る各シート材については、酸素透過度を同様の装置を用いて30℃、70%RH雰囲気下で測定した。表1から表3にその結果を記載した。
<水蒸気透過度>
実施例1〜7及び比較例1〜9に係る各シート材について、水蒸気透過度を水蒸気透過度測定装置(モダンコントロール、PERMATRAN W6)を用いて40℃、90%RH雰囲気下で測定した。表1から表3にその結果を記載した。
実施例4〜5及び比較例4〜7に係る各シート材について、透湿カップに無水塩化カルシウムを入れて水蒸気透過度を測定するカップ法の原理を利用し、塩化カルシウムの代わりに匂い成分としてメントールを用いて乾燥空気中に2日間保管した後、カップから匂いが漏れているかについて官能試験を行った。表4にその結果を記載した。なお、本官能試験では、以下のような評価を行った。
○:匂いを全く感じない
×:匂いを感じる
実施例1〜7及び比較例1〜9に係る各シート材について、各シート材をA4サイズに切り出し、文鎮状の重りを用いて基材が外側を向くように配置し、曲率半径2mmにて折り曲げ試験を実施した。表1から表4にその結果を記載した。
なお、表2〜4の「繊維長」の欄に示された「−」は、シート材が微細繊維層Bを備えておらず、対応する微細繊維がないことを意味する。
以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態の種々の変形例とともに本発明の別の実施形態も明らかである。従って、請求の範囲は、本発明の範囲及び要旨に含まれるこれらの変形例または実施形態も網羅すると解すべきである。
2:基材
3:保湿剤を含む微細繊維層、または保湿剤及び可塑剤を含む微細繊維層
4:シート材
5:微細繊維層、または可塑剤を含む微細繊維層
6:保湿層
7:シート材
Claims (8)
- 基材の少なくとも一方の面に、微細繊維層と保湿層とを積層し、
前記微細繊維層は、繊維幅が2nm以上50nm以下の範囲内であり、繊維長が0.2μm以上50μm以下の範囲内であるセルロース繊維を含有していることを特徴とするシート材。 - 前記微細繊維層と前記保湿層とは、直に接していることを特徴とする請求項1に記載のシート材。
- 前記基材上に、前記保湿層と前記微細繊維層とをこの順番に形成したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のシート材。
- 前記基材上に、前記微細繊維層と前記保湿層とをこの順番に形成したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のシート材。
- 前記微細繊維層は、可塑剤を含有していることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のシート材。
- 前記基材は、紙、織布、不織布、多孔質膜のいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のシート材。
- 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のシート材を用いて製造したことを特徴とするバリア性包装容器。
- 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のシート材の製造方法であって、
前記基材の少なくとも一方の面に、ウェット塗工により前記微細繊維層を形成する工程と、
前記基材の前記微細繊維層が形成された側の面を覆うように、真空蒸着により蒸着層を形成する工程と、
を具備することを特徴とするシート材の製造方法。
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