JP7146667B2 - 電子レンジ耐性を有する発泡断熱紙容器用シートの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電子レンジ耐性を有する発泡断熱紙容器用シートの製造方法に関する。
カップ入り即席麺用の容器、コーヒーやスープなどのホット飲食用の容器などでは、一般的に断熱容器が使用されている。
従来、この用途に使用される断熱容器としては、発泡ポリスチレン製の容器が知られていたが、容器全体を発泡させているため嵩が大きく、ゴミが増加するという問題があった。また、紙製の容器比べると強度が低く、硬い内容物（麺塊等）を入れたまま輸送すると破損しやすいという課題があった。
この課題を解決するため、紙容器の外壁面に低融点のポリエチレン樹脂をラミネートし、加熱することにより、基材である紙に含まれている水分の蒸気圧を利用してポリエチレン樹脂を発泡させて発泡断熱紙容器を製造する技術が開示されている（特許文献１～３）。しかしながら、発泡層（断熱層）をコントロールするのは難しいという課題があった。
発泡層をコントロールする方法としては、ポリエチレン樹脂の組成並びに紙基材の水分量及び秤量を制御する方法（特許文献４）、紙基材のポリエチレン層を積層する面の王研式平滑度及び透気抵抗度を制御する方法（特許文献５）、ポリエチレン樹脂の分子量分布、メルトフローレート及び溶融張力を制御する方法（特許文献６）などが知られている。
特開昭５７－１１０４３９号公報 特開平０５－０４２９２９号公報 特開２００１－０９７３５５号公報 特開２００７－１６８１７８号公報 特開２０１２－２１４０３８号公報 特開２０１８－０９４９０６号公報
上記先行技術を踏まえて、本発明者らが電子レンジ耐性を有する発泡断熱紙容器用シートを検討したところ、電子レンジ処理の過程で容器に火脹れが生じるという課題が明らかになった。すなわち、本発明の課題は、電子レンジ処理の際に火脹れの生じない発泡断熱紙容器用シートを提供することにある。なお、「電子レンジ耐性」については別途詳細に説明する。
本発明者らは、エアギャップ150ｍｍ以上、引取速度65m/分以下であり、且つポリエチレン樹脂の密度が923～930kg/m3であることを特徴とする発泡断熱紙容器用シートの製造方法により本願発明の課題を解決できることを見出した。
本発明の完成により、電子レンジ耐性を有する発泡断熱紙容器用シート、及び発泡断熱容器を提供することが可能になった。
シートC１から得られた発泡断熱容器の発泡層の拡大平面像であり、レンジ耐性評価前の外観評価における「良好」の基準である。発泡層に微細で均一な発泡セルが存在することがわかる。 シートD１（比較例１）から得られた発泡断熱容器の発泡層の拡大平面像であり、レンジ耐性評価前の外観評価における「不良」の基準である。発泡セルが肥大化しており、不均一であることがわかる。 シートD４（比較例４）から得られた発泡断熱容器のレンジ処理前の外観である。 シートD４（比較例４）から得られた発泡断熱容器のレンジ処理直後の外観である。電子レンジ処理により火脹れが生じていることがわかる。 シートD４（比較例４）から得られた発泡断熱容器のレンジ処理後（１０分後）の外観である。火脹れが萎んで、大きなシワが生じていることがわかる。
本発明は、紙基材の少なくとも片面にポリエチレン樹脂をラミネートする発泡断熱紙容器用シートの製造方法であって、ラミネート条件が、エアギャップ150ｍｍ以上、引取速度65m/分以下であり、且つポリエチレン樹脂の密度が923～930kg/m3であることであることを特徴とする発泡断熱紙容器用シートの製造方法に関するものである。以下、詳細について説明を行う。
紙基材
本発明の発泡断熱紙容器用シートを構成する紙基材には特に限定はないが、クラフト紙や上質紙を用いることができる。また、容器としての強靭さを実現する観点から紙基材の坪量は150～400g/m２好ましく、更に好ましくは、250～350g/m２である。さらに、ポリエチレンを好適に発泡させる観点から紙基材に含まれる水分は5～10重量％が好ましく、6～8重量％がより好ましい。
ポリエチレン樹脂
本発明におけるポリエチレン樹脂は、ラミネート適性及び発泡性に優れるため本発明において必須の成分である。ここで、発泡層に用いられるポリエチレン樹脂の密度は923～930 kg/m3である必要があり、924～926 kg/m3がより好ましい。密度923kg/m3未満のポリエチレン樹脂を使用すると、電子レンジ調理した際に発泡セル同士が結合して肥大化して、火脹れが生じる。また、容器が冷却されると、火膨れが発生した領域では発泡断熱層が潰れて、断熱性が損なわれる。
一方、密度が930 kg/m3を超えるポリエチレン樹脂を使用すると、ポリエチレン樹脂が発泡しにくく、電子レンジ耐性を評価する以前に、一次発泡（発泡層の形成）の段階で均一な発泡層を得にくい。
また、ポリエチレン樹脂の融点は108～117℃が好ましく、111℃～115℃がより好ましい。融点が108℃未満のポリエチレン樹脂を使用すると、電子レンジ調理した際に発泡セル同士が結合して肥大化し、火脹れが生じる。また、容器が冷却されると、火膨れが発生した領域では発泡断熱層が潰れて、断熱性が損なわれる。また、融点が117℃を超えるポリエチレン樹脂を使用すると、ポリエチレン樹脂が発泡しにくく、一次発泡（発泡層の形成）の際に均一な発泡層を得にくい。
一方、非発泡層に用いられるポリエチレン樹脂の密度には特に限定はないが、一次発泡の際に発泡することがないように、935kg/m3以上とすることが好ましい。
また、ポリエチレン樹脂のメルトフローレート（以下、「ＭＦＲ」という場合がある）は4～15g/10分が好ましく、6～10g/10分がより好ましい。メルトフローレートが記載の範囲の場合、ポリエチレン樹脂層の押出成形性が良好である。
押出ラミネート条件
押出ラミネートの方法としては、シングルラミネート法、タンデムラミネート法、サンドウィッチラミネート法、共押出ラミネート法などを適宜選択することができる。
ラミネート時のポリエチレン樹脂の（Tダイ直下）温度としては、260～350℃が好ましく、280～330℃がより好ましい。この範囲であれば、ポリエチレン樹脂層と紙基材間のラミネート強度や、発泡後の外観を好適なものとすることができる。また、冷却ロールの表面温度は10～50℃の範囲で制御することが好ましい。
ラミネート後（発泡前）のポリエチレン樹脂層の厚みには特に限定はないが、30～150μmが好ましく、40～100μmがより好ましい。この範囲であれば、発泡後のポリエチレン樹脂層に充分な厚みを持たせることができるため、断熱性が良好である。
本発明における引取速度は65m/分以下である。詳細は後述するが、引取速度が65m/分を超えるとエアギャップ通過時間が短くなり、一次発泡後の外観が損なわれる。
次に、エアギャップについて説明する。ここで、エアギャップとはTダイの押出口からニップロールまでの距離を指す。
ラミネート加工時のエアギャップは150ｍｍ以上であることが必要であり、160mm以上がより好ましい。詳細は後述するが、エアギャップを広げることで、ポリエチレン樹脂表面に生じた酸化被膜を保持したままラミネートすることができるため、良好な発泡層を実現できる。
一方、エアギャップを広げすぎるとポリエチレン樹脂がネックインし、生産性が低下すため、エアギャップの上限については250mm以下が好ましく、200mm以下がより好ましい。
このメカニズムについて、詳細は明らかではないが、本発明者らは以下のように推定している。
樹脂がエアギャップを通過する過程でポリエチレン樹脂表面に酸化被膜が生じる。この酸化被膜は内側のポリエチレン樹脂層と比較すると強靭であるため、部分的な過発泡を抑えて、均一な発泡層を実現することができる。したがって、酸化被膜を保持したままラミネートすることが重要である。
一方、酸化被膜は、主にポリエチレン樹脂をニップロールで延伸する際に消失しやすい。具体的には、ニップの際には樹脂を伸ばす力と押し込む力が瞬時に掛かるため、酸化被膜が切断されたり、内部の樹脂と交じり合うことで、酸化被膜が消失すると考えられる。
酸化被膜を保持する方法としては、引取速度を下げる方法が考えられる。引取速度を下げた場合には、ニップロールの速度も遅くなるため、力の掛かり方が緩慢になり、酸化被膜を保持したまま延伸することができる。しかしながら、引取速度を下げると生産性が低下するという問題があった。
そこで、本発明者らは、エアギャップを広げることでこの課題を解決した。
一般的に、Tダイから押し出されたポリエチレン樹脂の厚みは均一ではなく、Tダイから押し出された直後が最も厚く、ニップされる直前が最も薄くなる。さらに、エアギャップを広げた場合には、ニップ直前のポリエチレン樹脂の厚みは、エアギャップを広げる前よりもさらに薄くなる。このため、エアギャップを広げることで、ニップ直前のポリエチレン樹脂の厚みが薄くなり、ニップの際にポリエチレン樹脂に掛かる力が緩慢になるため、酸化被膜が消失を抑制することができる。
次に、エアギャップ通過時間について説明する。ここで、エアギャップ通過時間とは、Tダイから押し出されたポリエチレン樹脂がエアギャップを通過する時間を指す。
エアギャップ通過時間は0.16秒以上がより好ましい。上記の通り、均一な発泡層を実現するためには、ポリエチレン樹脂表面に形成される酸化被膜が重要であるが、エアギャップ通過時間が短すぎると酸化被膜が形成されにくい。なお、充分なエアギャップ通過時間を確保できない場合（例えば0.04秒）には、オゾンガス及び／又は酸素ガスで処理することにより、エアギャップ通過時間を延ばすのと同じ効果を実現できる。
エアギャップ通過時間の上限は0.30秒以下が好ましく、0.20秒以下がより好ましい。エアギャップ通過時間が長すぎると、ポリエチレン樹脂がネックインし、生産性が低下するため好ましくない。
本発明では、ポリエチレン樹脂がエアギャップを通過している間に、オゾンガス及び／又は酸素ガスで表面処理することが好ましい。オゾンガス及び／又は酸素ガスで表面処理することにより、酸化被膜の形成を促進し、基材層との接着力を向上させることができる。オゾンガス及び／又は酸素ガスの処理量には特に限定はないが、ポリエチレン樹脂の酸化を促進する観点で0.5mg/m2以上が好ましい。
まず、本実施例で使用する低密度ポリエチレン樹脂の一覧を表１に示す。
Figure 0007146667000001
実施例１
（工程１）紙基材の片面に、中密度ポリエチレン樹脂（A）を押出ラミネートして水蒸気遮断層を形成した。
（工程２）次いで非ラミネート面に低密度ポリエチレン樹脂（B）を押出ラミネートして発泡層を形成し、発泡断熱紙容器用シートC１（以下「シートC１」という）を製造した。ラミネート条件の詳細は以下の通りである。
（工程１）
紙基材：水分量23g/m2、坪量320g/m2
中密度ポリエチレン樹脂（A1）：東ソー社製「ペトロセンLW04-1」、ＭＦＲ6.5g/10分、密度940kg/m3
押出温度（Tダイ出口温度）：320℃
引取速度（ラミネート速度）：80m/分
エアギャップ：130mm
エアギャップ通過時間：0.10秒
厚さ：40μm（ポリエチレン樹脂層の中央部の厚さ）
（工程２）
低密度ポリエチレン樹脂（B1）；密度925 kg/m3、融点112℃、ＭＦＲ8.0g/10分
押出温度（Tダイ出口温度）：320℃
引取速度（ラミネート速度）：60m/分
エアギャップ：160mm
エアギャップ通過時間：0.16秒
厚さ：70μm（ポリエチレン樹脂層の中央部の厚さ）
実施例１において、低密度ポリエチレン樹脂、エアギャップ、及び引取速度を表２の通り変更して、シートC２～C７（実施例２～７）及びシートD１～D４（比較例１～４）を製造した。なお、表中の「低密度PE」は、低密度ポリエチレン樹脂を示す。
発泡断熱紙容器用シートC１～C７及びシートD１～D４を直径96mm、高さ107mmのカップ状に成型し、120℃で6分間加熱して発泡（一次発泡）させて、発泡断熱紙容器を製造した。
Figure 0007146667000002
（レンジ耐性評価前の外観評価（一次発泡評価））
実体顕微鏡（ニコン社製「MULTIZOOM AZ100M（カメラ：DS-Ri1）」）を用いて、シートC１～C７及びシートD１～D４から得られた発泡断熱容器の発泡層を観察した。この際、実施例１（図１）と同じように微細で均一な発泡セルが観察された場合を「○：良好」、比較例１（図２）に示すような大きく不均一な発泡セルが観察された場合を「×：不良」、実施例１と比較例１の間のレベルを「△：普通」とした。
（レンジ耐性評価）
発泡断熱紙容器に水200gを入れ、電子レンジ（1000W）で5分加熱処理し、処理直後の発泡断熱紙容器の外観を観察した。この際、火膨れが発生していないものを「○：良好」、直径5ｍｍ以下の火膨れが発生するものを「△：普通」、直径5mmより大きい火膨れが発生するものを「×：不良」とした。
一次発泡後の評価が低い場合（発泡セルが不均一な場合）には、電子レンジ耐性も低い傾向だった。一次発泡の段階において、不均一で粗大な発泡セルが生じていると、電子レンジ処理（二次発泡）の際に当該発泡セルが火脹れし、ポリエチレン樹脂が伸びきってしまって断熱性が失われると考えられる。
また、一次発泡の段階では均一な発泡セルを有していたとしても、ポリエチレン樹脂の密度が低い場合には火脹れが生じた。これは、ポリエチレン樹脂の密度が低い（融点が低い）と、電子レンジ処理の際にポリエチレン樹脂の軟化・溶融して発泡セルが肥大化するためだと考えられる。

Claims (3)

  1. 紙基材の少なくとも片面にポリエチレン樹脂をラミネートする発泡断熱紙容器用シートの製造方法であって、
    ラミネート条件が、エアギャップ１５０ｍｍ以上、引取速度６５ｍ／分以下、であり、
    且つ、
    ポリエチレン樹脂の密度が９２３～９３０ｋｇ／ｍ３である、ことを特徴とする発泡断熱紙容器用シートの製造方法。
  2. ポリエチレン樹脂の融点が１１１～１１５℃であることを特徴とする請求項１記載の発泡断熱紙容器用シートの製造方法。
  3. ラミネート後のポリエチレン樹脂の厚みが３０～１５０μｍであることを特徴とする請求項１又は２いずれか記載の発泡断熱紙容器用シートの製造方法。
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