JP6849669B2 - 密なフィルムの表面サイジング - Google Patents
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Description
本書面は密なフィルムの製造方法に関し、該フィルムはミクロフィブリル化セルロース(microfibrillated cellulose (MFC))を含む。
より具体的には、本開示は密なフィルム又はウェブの表面サイジングに関する。
多孔性の(porous)紙又は紙板は多くの場合表面サイジング又はブレード塗工により表面を閉じて(close)、それにより表面強度、光学特性を強化したり、改善が例えば印刷特性についてなされる。
しかしながら、含浸や表面サイジングを密なウェブ、例えば薄膜(thin films)としてセルロースナノファイバー又はミクロフィブリル化セルロースから作られ、坪量がおよそ10〜30 g/m2であるものについては、ほぼ不可能である。その理由は表面が閉じられていているため表面サイジング薬剤の吸収ができないためである。
実際、坪量約30g/m2を有する密なフィルムは、酸素透過率(OTR)として特に50%RH以下で測定される比較的良好なバリア特性を有することができる(参照:例えば、Aulinら、Oxygen and oil barrier properties of microfibrillated cellulose films and coatings、Cellulose(2010年)17:559〜574頁、Lavoineら、Microfibrillated cellulose−Its barrier properties and applications in cellulosic materials:A review、Carbohydrate polymers 90(2012年)735〜764頁、Kumarら、Comparison of nano−and microfibrillated cellulose films、Cellulose(2014年)21:3443〜3456頁)。
従って、表面サイジング、フィルムプレスサイジング、又は他の種類のインパクトコーティングプロセスは、非常に密な基質には有効ではなく、しばしば、基質が構造化され、即ちトップ層、ミドル層及びバック層間での差が明確になる。
従って、ウェブ破断が生じない、密なフィルム又はウェブを表面サイジングする方法が必要である。更に、この方法は、高速プロセス及びより広幅の抄紙機に適用できる必要がある。
概要
本発明は、添付の独立請求項によって定義される。実施形態は、添付の従属請求項及び以下の説明に記載される。
第1の態様に従い、坪量50g/m2未満且つフィルム密度750kg/m3超過のフィルムを抄紙機で製造する方法であって、前記方法が、以下の工程を含む方法を提供する:
ミクロフィブリル化セルロース(MFC)を、懸濁液の固形分の全重量に基づいて、少なくとも30重量%、好ましくは少なくとも50重量%の量(anount)で含む懸濁液を提供する工程;
前記懸濁液のウェブを多孔質ワイヤ上に形成する工程;
前記ウェブを表面サイジングする工程であって、前記ウェブが、前記表面サイジング工程の始めに、10から50重量%の範囲の水分含量を有する、工程;
前記表面サイズ化ウェブを乾燥させて、最終的な水分含量を0.1から20重量%にして、前記フィルムを形成する工程。
更に、フィルムは非常に薄いので、特にウェブにホールがある場合、ウェブは、ウェブ破断をより引き起こし易い。ミクロフィブリル化セルロース(MFC)を含むウェブを表面サイジングする場合、フィルムが未だ湿潤状態にある、即ち比較的高い水分含量を有する間、サイジング化学薬品のフィルムへの吸収且つ固定が高められることがわかった。湿潤ウェブは、(乾燥ウェブと比較して)より多孔質であり、繊維の角化構造はより少ないので、化学薬品のフィルムへの吸収をより容易にすることができる。湿潤ウェブでは、硬化又は強い繊維間の相互作用は未だ生じておらず、即ち、湿潤ウェブでは、乾燥中にMFC繊維の角化は起こらない。従って、ウェブは、表面サイジング化学薬品により容易にアクセスすることができ、これにより、異なるタイプの薄い含浸フィルムを製造することができる。
更に、湿潤ウェブ上の表面サイジングは、アニオン性(MFC)−カチオン性(表面サイズ)の相互作用をより高めることができる。
一実施形態に従い、前記ウェブを表面サイジングする工程では、水分含量は、25から50重量%の範囲、又は30から50重量%の範囲、又は40から50重量%の範囲であることができる。
これは、表面サイジング工程の開始時又は初めには、ウェブは未だ実質的に湿潤状態であるか又は湿気を帯びている可能性があることを意味する。
一実施形態に従い、乾燥後のフィルムの水分含量は、1から8重量%の範囲、又は3から6重量%の範囲であることができる。
フィルムの密度は、950kg/m3超過、又は1050kg/m3超過であることができる。
第1の態様の一実施形態に従い、表面サイジング工程は、サイズプレス、あるいは所謂フィルムプレスで行うことができる。
以前は、セルロースのナノ繊維又はミクロ繊維の薄い即ち坪量の低い密なフィルムは、サイズプレスで表面をサイジングする前に、乾燥する必要がある、そうでなければ、フィルムが弱くなり過ぎて、破断する恐れがあると考えられていた。しかしながら、以前の懸念とは逆に、本発明の発明者らは、驚くべきことに、フィルムに、ミクロフィブリル化セルロース等のミクロフィブリル化セルロース(MFC)が多量に含まれる場合、サイズプレスで、湿潤状態の薄いフィルムを表面サイジングすることが可能であることを見出した。
第1の態様の実施形態に従い、本方法は、ウェブ又はフィルムをコーティングする工程を更に含むことができる。
一実施形態に従い、表面サイジングの工程は、泡沫で行うことができる。これは、泡沫が湿潤ウェブに塗布され、その泡沫に、表面サイジング化学薬品が含まれていることを意味する。
抄紙機は、幅2m超過、又は幅3.3m超過であることができる。
第2の態様に従い、フィルムが坪量50g/m2未満及び密度750kg/m3超過を有する、第1の態様に従う方法によって得ることができるミクロフィブリル化セルロース(MFC)を含むフィルムが提供される。
第2の態様の一実施形態に従い、フィルムの坪量は、45g/m2未満、又は35g/m2未満、又は25g/m2未満であることができ、フィルムの密度は、950kg/m3超過、又は1050kg/m3超過である。本発明の方法によって形成されたフィルムは、標準ASTMD3985−05に従って測定された50%RHで24時間当たり100ml/m2未満の酸素透過率(OTR)値、又は50ml/m2未満/日、又は10ml/m2未満/日、又は1ml/m2未満/日を示す。
本発明の一実施形態に従い、密なウェブ又はフィルムを製造又は表面サイジングする方法が提供される。
1つの実施形態に従い、ウェブあるいはベースウェブは、湿式ウェブであることができる。ウェブ、即ちベースウェブは、抄紙機の多孔質ワイヤ上に形成することができる。
一実施形態に従い、フィルム又はウェブの密度は750kg/m3から1750kg/m3の範囲であることができる。一実施形態に従い、密度は750kg/m3超過であり、別の実施形態に従い、密度は950kg/m3超過であり、更に別の実施形態に従い、密度は1050kg/m3超過である。従って、フィルムは所謂密なフィルムであることができる。
セルロース繊維は、BET法を用いて凍結乾燥物質について測定した場合、形成されたMFCの最終比表面積が約1〜約300m2/g、例えば1〜200m2/g、更に好ましくは50〜200m2/gであるような程度までフィブリル化されることが好ましい。
上述したMFCの定義には、新規に提案されたTAPPI規格W13021であって、結晶質領域と非晶質領域の両方を有する複数のエレメンタリーフィブリルを含有するセルロースナノファイバ(cellulose nanofbire)材料を定義し、5〜30nmの幅の高いアスペクト比及び通常50を越えるアスペクト比を有するセルロースナノフィブリル(cellulose nanofbril)(CMF)に関して新規に提案されたTAPPI規格W13021が含まれるが、これに限定されない。
一実施形態に従い、MFCは90超過のSchopperRiegler値(SR°)を有することができる。別の実施形態に従い、MFCは93超過のSchopperRiegler値(SR°)を有することができる。更に別の実施形態に従い、MFCは95超過のSchopperRieglerの値(SR°)を有することができる。Schopper−Rieglerの値は、ENISO5267−1に定義されている標準的な方法によって得ることができる。この高いSR値は、追加の化学薬品の有無にかかわらず、リパルプ化した湿潤ウェブについて測定され、従って、繊維はフィルムと一体化しておらず、且つ例えば角化を開始していない。
これは、従来の抄紙機、即ち、紙、板紙、ティッシュ又は類似の製品を製造するために使用される、当業者に既知の任意の種類の抄紙機で行うことができる。一実施形態に従い、抄紙機の幅は2m以上である。別の実施形態に従い、抄紙機の幅は3.5m以上である。これは、抄紙機が比較的広幅であることを意味する。
本発明の方法に従い、前記の形成された湿潤ウェブは、次に、ウェブを乾燥させてフィルムを形成する前に、表面サイズ化されるか、又は表面サイジングプロセスに供される。
別の実施形態に従い、表面サイジング化学薬品は、従来の方法で密なベースウェブに加えられる。別の実施形態に従い、表面サイジング工程は、泡沫をベースウェブに加えることによって行う。
サイジング化学薬品は、水溶性ポリマーとして例えばカルボキシメチルセルロースナトリウム(NaCMC)、ヒドロキシエチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロース、セルロースナノクリスタル(CNC)、デンプン、ポリビニルアルコール(PVA)、部分加水分解ポリビニルアルコール、ポリジアリルジメチルアンモンニウムクロリド(PDADMAC)、ポリビニルアミン、ポリエチレンイミン、ポリ酢酸ビニル、スチレン/ブタジエンラテックス、スチレン/アクリラートラテックス、タンパク質、カゼイン、改質デンプンポリマー又は粒子、上記ポリマーの組合せ又は改質体が包含され、並びに色素として例えば沈降炭酸カルシウム(PCC)、重質炭酸カルシウム(GCC)、カオリン、タルク、ジプサム、ベントナイト、シリカ、及びヘミセルロース、及びリグニン、更に機能性添加剤として例えば蛍光増白剤、架橋剤、柔軟剤、浸透促進剤、潤滑剤、染料、疎水性/疎油性化学薬品、生物活性化学薬品、又はそれらの混合物の任意の1種であることができる。
一例としては、プラスチックバッグ等に代わって使用することができるフィルムを形成するための、例えばウレタン等のストレッチ性増加化学薬品を挙げることができる。
より剛性の高い製品、例えばプレート及び床材を製造するための添加剤は、メラミン、尿素ホルムアルデヒド、リグニン−フェノール−ホルムアルデヒド配合物等であることができる。
ある代替の態様により可能であるのは、ミクロフィブリル化セルロース又はナノフィブリル化セルロースを表面サイジングを行うステップに加えることである。さらに可能であるのは、セルロースナノクリスタル(CNC)、ヘミセルロース及びリグニンを加えることである。表面サイジング又は表面処理プロセスのステップのために可能なのは、異なるタイプのコーティング方法又は含浸方法を用いることである。ある代替の態様によれば、表面サイズプレスを用いてよい。
ある態様において、被覆ウェブはカレンダーされてよい。最終の密度、フィルムの物性及び水分含量は、このようにレンダーにおいて調節されてよい。公知の手法であるハードニップ、ソフトニップ、ソフトハードニップ、シリンダー又はベルトのような手法を、種々の形態及び組合せにより用いることができる。
ある態様において、フィルムの最終の水分含量は0.1〜20重量%の範囲である。他の態様において、フィルムの最終の水分含量は1〜20重量%の範囲である。代替の態様において、フィルムの最終の水分含量は3〜10重量%の範囲である。代替の態様において、フィルムの最終の水分含量は3〜6重量%の範囲である。ある態様において、フィルムの最終の水分含量は約6重量%である。
ある態様においてさらに可能なのは、種々の非衝撃コーティング法によりコーティングを適用することを包含することであり、これは機械的な衝撃であるスプレー、発泡、スロットダイ、カーテン等が適用される前になされる。さらに可能であるのは、コーティングの適用を種々のフェーズにおいて行うことであり、ヤンキーシリンダーの前、カレンダーニップの前、乾燥セクションの前、プラスチックコーティングの前などである。
他の態様において、製品はシングルコートされてもダブルコートされてもよい。
乾燥ステップの実施は、あらゆる通常の手段により行ってよい。例えば脱水をウェブ上においてエアー、温風、真空により行うこと、又は加熱ロールを用いて行うこと、である。乾燥をさらに行ってよく、赤外熱(IR)、近赤外熱(NIR)又は空気が用いられる。
透過度の増大
ウェットサイジングにより、光反射表面(すなわち光学的な接触を行うこと)を減じ、フィルムをより透明にすることが可能である。
柔軟性の増大
材料中のフィブリル/フィブリル結合を阻害することにより、フィルムの柔軟性を改変することが可能である。かかるフィルムは、例えば、変換することがより容易であり、フィルムの亀裂(cracking)や断裂(tearing)等がより少ない場合がある。
強度の増大
材料中のフィブリル/フィブリル結合を増大することにより、フィルムの強度を改めることが可能である。かかるフィルムは、例えば、変換することがより容易であり、フィルムの亀裂(cracking)や断裂(tearing)等がより少ない場合がある。
濡れ強度を高めるためにフィブリル/フィブリル結合をフィルムに浸透する化学薬品により保護して、フィルムの濡れ強度を高めるを高めることが可能である。
トライアル1
第1のトライアル(トライアル1)においては、ベースシートは坪量として25 g/m2を有し、製造速度は15 m/minであった。
本トライアルの実施はサイズプレスであってパウンドサイズプレス又はフラッディドニップサイズプレス型への表面サイズ懸濁液の処理(dosing)又はフィードをより行い、CMCを表面サイジング薬剤として添加した。トライアルの実施は2つの異なる固体含量のウェットウェブ又はフィルムにより、すなわち異なる水分含量において、行った。ピックアップによりフィルムの表面サイジング薬剤の吸収の程度が示された。
サイズプレスが行われる前の固体含量は74%、すなわちウェットウェブ、であり、トータルピックアップ又はコート重量は約2.2 g/m2、すなわち面あたり1.1 g/m2であった。サイズプレスが行われる前の固体含量が>95%である場合、すなわち従来の乾燥ウェブの場合、前記ピックアップは約0.58g/m2、すなわち面あたり0.29 g/m2であった。
このトライアルにより示されるのは、表面サイジングをウェットウェブになすことよりピックアップは一般に増大することである。
本発明についての上記の詳細な説明に鑑みれば、他の改変体及び変形体は当業者に明らかになる。しかしながら、そのような他の改変体及び変形体がもたらされてよいのは、本発明の範囲及び主旨(spirit)から離れない限りにおいてであることは明らかである。
第2のトライアル(トライアル2)においては、ベースシートは坪量として30 g/m2を有し、製造速度は30 m/minであった。
本トライアルの実施はサイズプレスであってパウンドサイズプレス又はフラッディドニップサイズプレス型への表面サイズ懸濁液の処理(dosing)又はフィードをより行い、カチオン性多糖類、ファインMFC、及びポリウレタンエラストマーを表面サイジング薬剤として添加した。トライアルの実施は2つの異なる固体含量のウェットウェブ又はフィルムにより、すなわち異なる水分含量において、行った。ピックアップによりフィルムの表面サイジング薬剤の吸収の程度が示された。
ピックアップについての結果を、ウェットウェブ(dmcはおよそ55 w%)及びドライウェブ(dmc>55 w%)について表1にまとめる。
Results for pick-up are summarized for wet-web (dmc approximately 55 w%) and dry web (dmc >95 w%) in Table 1.
Claims (11)
- 以下のステップを含む、フィルムを製造する方法、ただし該フィルムは坪量として50 g/m2未満を有し、前記フィルムの密度は750 kg/m3より大きい:
懸濁液を基質に与えること、ここで懸濁液は該懸濁液の固体の総重量に対して少なくとも30重量%のミクロフィブリル化セルロース(MFC)を、前記懸濁液のウェブを形成するものとして含む;
前記ウェブの表面サイジングを行うこと、ここでウェブは前記表面サイジングの開始において水分含量として10〜50重量%の範囲を有する;
前記表面サイジングが行われたウェブを乾燥し、最終の水分含量を0.1〜20重量%にし、前記フィルムを形成する。 - フィルムが製紙機により製造され、ウェブが上に形成された基質が多孔性ワイヤである、請求項1に記載の方法。
- ウェブの表面サイジングを行うステップにおいて、水分含量が25〜50重量%の範囲、もしくは30〜50重量%の範囲、又は40〜50重量%の範囲である、請求項1又は2に記載の方法。
- 乾燥後のフィルムの水分含量が1〜8重量%、又は3〜6重量%の範囲である、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
- フィルムの密度が950 kg/m3より大きいか、又はフィルムの密度が1050 kg/m3より大きい、請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
- ミクロフィブリル化セルロース(MFC)がショッパーリーグラー値(Schopper Riegler value) (SR°)として90 SR°より大きい値、もしくは93 SR°より大きい値、又は95 SR°より大きい値を有する請求項1〜5のいずれかに記載の方法。
- 表面サイジングを行うステップがサイズ工程又はフィルムプレスにおいて行われる、請求項1〜6のいずれかに記載の方法。
- 表面サイジングを行うステップが泡を用いて行われる、請求項1〜7のいずれかに記載の方法。
- 表面サイジングを行うステップにおいて表面サイジングを行う化学薬品が添加され、例えば以下のものである請求項1〜8のいずれかに記載の方法:カルボキシメチルセルロースナトリウム(NaCMC)、ヒドロキシエチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、 メチルセルロース、 セルロース ナノクリスタル (CNC)、 デンプン、 ポリビニルアルコール (PVA)、 部分加水分解ポリビニルアルコール、 ポリジアリルジメチルアンモンニウムクロリド(PDADMAC)、 ポリビニルアミン、 ポリエチレンイミン、ポリ酢酸ビニル、 スチレン/ブタジエンラテックス、スチレン/アクリレートラテックス、タンパク質、カゼイン、改質デンプンポリマー又は粒子、上記ポリマーの組合せ又は改変体が包含され、ならびに色素として例えば沈降炭酸カルシウム(PCC)、重質炭酸カルシウム(GCC)、カオリン、タルク、ジプサム、ベントナイト、シリカ、及びヘミセルロース、さらに機能性添加剤として例えば蛍光増白剤、架橋剤、柔軟剤、浸透促進剤、潤滑剤、染料、疎水性/疎油性化学薬品、生物活性化学薬品、又はそれらの混合物。
- コーティングをウェブ又はフィルムに行うステップをさらに含む、請求項1〜9のいずれかに記載の方法。
- 製紙機が2 mより大きい幅、又は3.3 mより大きい幅を有する、請求項1〜10のいずれかに記載の方法。
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