JP7207622B1 - 超音波シール用多層フィルム、及び積層体 - Google Patents
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Abstract
Description
<1> 熱可塑性樹脂を含有する熱可塑性樹脂層と、
ランダムポリプロピレン及びαオレフィン樹脂を含有するシール層と、を少なくとも有し、
前記αオレフィン樹脂が、ブテン系αオレフィン樹脂を含有し、
超音波によりシール可能であることを特徴とする超音波シール用多層フィルムである。
<2> 前記シール層における前記ランダムポリプロピレンの含有量が、50質量%以上95質量%以下である前記<1>に記載の超音波シール用多層フィルムである。
<3> 前記シール層における前記ブテン系αオレフィン樹脂の含有が、20質量%以上50質量%以下である前記<1>から<2>のいずれかに記載の超音波シール用多層フィルムである。
<4> 前記シール層の厚みが、20%以上である前記<1>から<3>のいずれかに記載の超音波シール用多層フィルムである。
<5> 総厚みが40μm以上である前記<1>から<4>のいずれかに記載の超音波シール用多層フィルムである。
<6> 示差走査熱量測定によって測定される融解熱量が65mJ/mg以下である前記<1>から<5>のいずれかに記載の超音波シール用多層フィルムである。
<7> 前記熱可塑性樹脂が、ポリエチレン、及びポリプロピレンの少なくともいずれかを含有する前記<1>から<6>のいずれかに記載の超音波シール用多層フィルムである。
<8> 前記<1>から<7>のいずれかに記載の超音波シール用多層フィルムと、熱可塑性樹脂フィルムとを超音波によりシールした積層体である。
本発明の超音波シール用多層フィルムは、熱可塑性樹脂層と、シール層とを少なくとも有し、超音波によりシール可能である超音波シール用多層フィルムである。
前記熱可塑性樹脂層は、熱可塑性樹脂を主たる樹脂成分として含有する。
前記熱可塑性樹脂層は、単層であってもよく、複数の層であってもよい。
前記熱可塑性樹脂層は、包装用フィルムの印刷を設けることができる表面層であってもよい。
前記熱可塑性樹脂としては、特に制限はなく目的に応じて公知の熱可塑性樹脂を適宜選択することができ、例えば、αオレフィン樹脂、スチレン樹脂、エステル樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。これらの中でも、モノマテリアル化できる点から、αオレフィン樹脂が好ましい。
前記αオレフィン樹脂としては、例えば、αオレフィン単量体の単重合体(ポリエチレン単重合体、ポリプロピレン単重合体等);αオレフィン単量体を主成分とした共重合体(プロピレン-エチレンブロック共重合体、プロピレン-エチレンランダム共重合体、エチレン-ブテン-1共重合体、プロピレン-ブテン-1共重合体等)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種類以上を併用してもよい。これらの中でも、ポリエチレン、及びポリプロピレンの少なくともいずれかを含有する、エチレン単重合体、プロピレン単重合体、プロピレン-エチレンブロック共重合体、プロピレン-エチレンランダム共重合体が好ましい。
前記αオレフィン樹脂中のαオレフィン単量体の含有量としては、50モル%~100モル%が好ましく、70モル%~100モル%がより好ましい。
ここで、前記メルトフローレート(MFR)は、JISK7210に準拠して、190℃、荷重2.16kg(21.18N)で測定した値である。
前記シール層は、ランダムポリプロピレン及びαオレフィン樹脂を主たる樹脂成分として含有する。
前記ランダムポリプロピレンとは、プロピレン90質量%~98質量%とエチレン及び/又は炭素数4以上のα-オレフィン10質量%~2質量%とのランダム共重合体である。前記炭素数4以上のα-オレフィンとしては、例えば、1-ブテンなどが挙げられる。前記ランダムポリプロピレンは、1種単独で使用してもよく、2種類以上を併用してもよい。
前記αオレフィン樹脂は、少なくともブテン系αオレフィン樹脂を含有し、更に必要に応じて、ブテン系αオレフィン樹脂以外のαオレフィン樹脂を含有する。
前記αオレフィン樹脂としては、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができ、例えば、エチレン、プロピレン等のαオレフィン単量体の単重合体、αオレフィン単量体を主成分としたエチレン-プロピレン共重合体、エチレン-ブテン-1共重合体又はプロピレン-ブテン-1共重合体などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種類以上を併用してもよい。
前記αオレフィン樹脂中のαオレフィン単量体の含有量としては、50モル%~100モル%が好ましく、70モル%~100モル%がより好ましい。
前記ブテン系αオレフィン樹脂としては、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ブテン-1単量体の単重合体、ブテン-1単量体を主成分としたエチレン-1-ブテン共重合体又はプロピレン-1-ブテン共重合体などが挙げられる。これらの中でも、プロピレン-1-ブテン共重合体が好ましい。これらは、1種単独で使用してもよく、2種類以上を併用してもよい。
前記ブテン系αオレフィン樹脂中のブテン-1単量体の含有量としては、50モル%~100モル%が好ましく、70モル%~100モル%がより好ましい。
前記含有量が5質量%以上50質量%以下であると、超音波シール性が発現する点で有利である。また、前記含有量が20質量%以上50質量%以下であると、シール長の全長で均一かつ安定な超音波シール性が担保される点で特に有利である。
前記熱可塑性樹脂層、及び前記シール層の樹脂には、その他の成分として、ポリオレフィンに汎用される酸化防止剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、滑剤(ブロッキング防止剤、スリップ剤)などの配合剤を適宜配合してもよい。
前記超音波シール用多層フィルムにおける前記熱可塑性樹脂層は、単層であってもよく、複数の層であってもよい。複数の前記熱可塑性樹脂層は、互いに同じ組成であってもよく、異なる組成であってもよい。
前記熱可塑性樹脂層が単層である場合、前記超音波シール用多層フィルムは、熱可塑性樹脂層/シール層の順で積層される多層フィルムである。
前記熱可塑性樹脂層が複数の層である場合、前記熱可塑性樹脂層は、前記超音波シール用多層フィルムの表面層となる基材層と、(1層~複数層の)中間層とを有し、前記超音波シール用多層フィルムは、基材層(熱可塑性樹脂層)/中間層(熱可塑性樹脂層)/シール層の順で積層される多層フィルムである。
前記超音波シール用多層フィルムは、各層が共に押し出されて積層される共押出多層フィルムであってもよく、一部の層を接着して積層されるラミネートフィルムであってもよい。
前記追加基材層をラミネートする際の接着方法としては、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ドライラミネーション、ウエットラミネーション、ノンソルベントラミネーション、押出ラミネーションなどが挙げられる。
前記熱可塑性樹脂層が複数の層である場合の各層の平均厚みの合計としては、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができるが、15μm~60μmが好ましく、30μm~50μmがより好ましい。
前記熱可塑性樹脂層の層みは、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができるが、前記熱可塑性樹脂層、及び前記シール層の合計厚みに対する前記熱可塑性樹脂層の平均厚みの比率(%)として、90%以下が好ましく、20%~90%がより好ましく、50%~80%が更に好ましい。
前記シール層の層みは、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができるが、前記熱可塑性樹脂層及び前記シール層の合計厚みに対する前記シール層の平均厚みの比率(%)として、10%以上が好ましく、20%以上がより好ましく、30%以上が更に好ましい。また、10%以上50%以下が好ましく、20%以上50%以下がより好ましく、30%以上50%以下が更に好ましい。
前記厚みが10%以上であると、超音波シール性が発現する点で有利である。また、前記厚みが20%以上であると、シール長の50%から全長で均一かつ安定な超音波シール性が担保される点で特に有利である。
前記超音波シール用多層フィルムにおける示差走査熱量測定(DSC)によって測定される融解熱量としては、超音波シールによる均一な溶着性の点で、65mJ/mg以下が好ましい。
示差走査熱量測定(DSC)によって測定される融解熱量は、昇温1回目の融解熱量であり、例えば、示差走査熱量計(株式会社日立ハイテクサイエンス製、DSC7020)を用いて以下の手順で測定することができる。
まず、対象試料である超音波シール用多層フィルムの約5.0mgをアルミニウム製の試料容器に入れ、試料容器をホルダーユニットに載せ、電気炉中にセットする。次いで、窒素雰囲気下、30℃から昇温速度10℃/minにて200℃まで加熱(昇温1回目)し、示差走査熱量計を用いてDSC曲線を計測する。
得られたDSC曲線から、示差走査熱量計の解析プログラムを用いて、1回目の昇温時におけるDSC曲線を選択し、対象試料の昇温1回目における融解熱量[mJ/mg]を求めることができる。
前記超音波によりシールする方法としては、特に制限はなく目的に応じて、公知の超音波シール方法や、公知の超音波シール装置を用いた方法などを適宜選択することができる。
ここで、「超音波シール」とは、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換した超音波振動振幅を利用して、超音波によって振動エネルギーを送り出す「超音波ホーン」と固定治具「アンビル」との間に接合対象となるフィルムを挟み、フィルム材料の界面に均一に摩擦エネルギーを発生させ、瞬時に溶融溶着する技術である。用語「超音波シール」、「超音波溶接」、「超音波溶融溶着」、及び「超音波融着接合」は、互いに同義であり得る。
シール層が互いに接した部分やシール層が熱可塑性樹脂フィルムに接した部分を超音波シールして接合部を形成することにより、後述する積層体が得られる。
前記圧力は、超音波シール装置において、接合対象に対する超音波ホーンによる押しつけ圧力を意味し、単位[Pa](パスカル)、[MPa](メガパスカル)などで表される。前記圧力としては、0.15[MPa]~0.3[MPa]が好ましく、0.25[MPa]~0.3[MPa]がより好ましい。
前記振幅は、超音波振動の大きさを意味する。前記振幅としては、20μm以上50μm以下が好ましく、均一かつ安定なシール強度を有することにより、35μm以上50μm以下がより好ましい。
前記溶着時間は、超音波の発振時間を示し、超音波ホーンが接合対象に接触して溶着する時間を意味する。前記溶着時間としては、0.2秒間以上1秒間以下が好ましく、0.5秒間以上1秒間以下がより好ましい。
前記ホールド時間は、超音波発振機の保持時間かつ溶着部の硬化時間を意味する。前記ホールド時間としては、0.2秒間以上1.0秒間以下が好ましく、0.5秒間以上1.0秒間以下がより好ましい。
前記連続超音波シールタイプの装置は、一般に「連続超音波融着接合」として知られている。連続超音波融着接合は、通常、略連続的に超音波シール装置内に供給することができ、略連続的に接合対象を封止するために使用される。連続超音波融着接合では、超音波ホーンは通常固定されており、接合対象がその真下を移動する。一種の連続超音波融着接合は、固定されたホーンと回転アンビル面とを使用する。連続超音波融着接合中、接合対象は、超音波ホーンと回転アンビルとの間に引っ張られる。超音波ホーンは、通常、接合対象に向かって長手方向に延在し、振動は超音波ホーンに沿って軸方向に材料まで伝達する。
本発明の積層体は、本発明の超音波シール用多層フィルムを少なくとも含み、前記超音波シール用多層フィルム2枚を各々の前記シール層が互いに接するように配置して超音波によりシールした積層体であってもよく、一続き(1枚)の前記超音波シール用多層フィルムを前記シール層が互いに接するように折畳んで配置して超音波によりシールした積層体であってもよく、或いは、前記超音波シール用多層フィルムと、熱可塑性樹脂フィルムとを、前記超音波シール用多層フィルムの前記シール層が前記熱可塑性樹脂フィルムに接するように配置して超音波によりシールした積層体であってもよい。
前記積層体は、包装体として好適に利用できる。前記包装体としては、例えば、洋菓子、スナック、パン、和菓子、調味料等の食品用包装体などが挙げられる。
前記積層体は、モノマテリアル化に対応でき、シール面のみ加熱可能な超音波シールによりシールできるためシール幅を狭くでき、材料の省量化を図ることができる。
前記熱可塑性樹脂フィルムの材料としては、特に制限はなく目的に応じて、公知の熱可塑性樹脂を適宜選択することができるが、モノマテリアル化の観点から、αオレフィン樹脂が好ましい。
前記αオレフィン樹脂としては、前記熱可塑性樹脂層において説明したαオレフィン樹脂を適宜採用することができる。
また、図2に示すように、本発明の超音波シール用多層フィルム10は、複数の熱可塑性樹脂層を有してもよく、熱可塑性樹脂層(基材層)1a、熱可塑性樹脂層(中間層)1b、及びシール層2からなり、基材層/中間層/シール層の順で積層される多層フィルムであってもよい。
アンビル110と超音波ホーン120との間に通される接合対象は、例えば、2枚重ねの超音波シール用多層フィルム10であってもよく(図3A)、超音波シール用多層フィルム10と熱可塑性樹脂フィルムとを2枚重ねにしたものであってもよく(不図示)、金属棒130に引っ掛けて2枚重ねになるように折り畳んだ1枚の超音波シール用多層フィルム10であってもよい(図3B)。接合対象のうち、アンビル110の外周面のシール突起と超音波ホーン120との間に挟まれる部分を、超音波ホーン120から伝達される超音波振動による摩擦熱で溶融シールして、超音波シール用多層フィルム10を少なくとも含む積層体50を製造する(図3C参照)。超音波シール装置は、接合対象に接する超音波ホーンの先端から接合対象に振動エネルギーを伝えて、接合対象を摩擦熱で溶着するものであり、溶着形状は、アンビル110の外周面のシール突起と超音波ホーン先端との接触面の形状とほぼ同じとなる。図3Aの超音波シール装置では、アンビル110の外周面のシール突起は、200mm×2mmの形状を有し、これにより、シール長200mm×シール幅2mmで溶着した積層体50を製造することができる。
<超音波シール用多層フィルムの作製>
基材層(A)、中間層(C)及びシール層(B)の各層を形成する樹脂成分として、各々下記の樹脂を使用して、各層を形成する樹脂混合物を調整した。
基材層(A):プロピレン-エチレンブロック共重合体(密度0.91g/cm3、MFR7.0g/10min)(以下、COPP(1)と称する。)70部と、プロピレン-エチレンブロック共重合体(密度0.91g/cm3、MFR4.0g/10min)(以下、COPP(2)と称する。)30部との混合物。
中間層(C):プロピレン-エチレンランダム共重合体(密度0.90g/cm3、MFR6.0g/10min)(以下、COPP(3)と称する。)50部と、COPP(1)50部との混合物。
シール層(B):COPP(3)76部と、プロピレン-1-ブテン共重合体(密度0.90g/cm3、MFR4.0g/10min、融点100℃)(以下、BP(1)と称する。)24部との混合物。
<<超音波シール性>>
得られた超音波シール用多層フィルムを210mm×600mmにカットし、シール層を金属棒に引っ掛けて2枚重ねになるように折り畳んで2枚重ねにし、図3に示す超音波シール装置のアンビル上に張るよう設置した。超音波シール装置として、超音波プラスチックウェルダーW3080(日本アビオニックス製、周波数:20kHz)を用いた。パラメータ(圧力=0.3MPa、振幅=50μm、溶着時間=1sec、ホールド時間=1sec)を設定し、スイッチを入れ、超音波シール用多層フィルムの210mm長の一辺をシール長200mm×シール幅2mmで超音波シールした。
シール長210mmを目視で観察した後、剥離を行い、下記の評価基準で超音波シール性を評価した。
[評価基準]
〇:シール全長に対し、80%以上が溶着した。
△〇:シール全長に対し、50%以上80%未満が溶着した(実用可能レベルである)。
△:シール全長に対し、一部(50%未満)が溶着した。
×:シール全長で溶着しないか0.5N/210mm以下で軽く剥離できた。
得られた超音波シール用多層フィルムを210mm×600mmにカットし、同じサイズにカットした熱可塑性樹脂フィルム(P2161、東洋紡株式会社製)に対しシール層が接するように2枚重ねにし、「超音波シール性」の評価と同様の装置及び条件により、長辺2辺と短辺1辺の計3辺を超音波シールして、実施例1-1の積層体を作製した。
実施例1-1において、総厚み40μmのまま、シール層(B)の厚みの比率を表1に示す通り変更したこと以外は、実施例1-1と同様にして実施例1-2~1-4の超音波シール用多層フィルムを作製し、評価を実施した。結果を表1に示す。
実施例1-1において、表1に示す通り、シール層(B)の樹脂組成をCOPP(3)68部とBP(1)32部との混合物に変更したこと以外は、実施例1-1と同様にして実施例1-5の超音波シール用多層フィルムを作製し、評価を実施した。結果を表1に示す。
実施例1-1において、表1に示す通り、シール層(B)の樹脂組成をCOPP(3)60部とBP(1)40部との混合物に変更したこと以外は、実施例1-1と同様にして実施例1-6の超音波シール用多層フィルムを作製し、評価を実施した。結果を表1に示す。
実施例1-1において、シール層(B)のBP(1)をプロピレン-1-ブテン共重合体(密度0.9g/cm3、MFR4.0g/10min、融点58℃)(以下、BP(2)と称する。)に変更したこと以外は、実施例1-1と同様にして実施例1-7の超音波シール用多層フィルムを作製し、評価を実施した。結果を表1に示す。
実施例1-1において、シール層(B)の樹脂組成をCOPP(3)100部(BP(1)を含まない)に変更したこと以外は、実施例1-1と同様にして比較例1の超音波シール用多層フィルムを作製し、評価を実施した。結果を表1に示す。
実施例1-1において、総厚み40μmを30μmに変更したこと以外は、実施例1-1と同様にして実施例2-1の超音波シール用多層フィルムを作製し、評価を実施した。結果を表2に示す。
実施例1-2~1-7において、総厚み40μmを30μmに変更したこと以外は、実施例1-2~1-7と同様にして実施例2-2~2-7の超音波シール用多層フィルムを作製し、評価を実施した。結果を表2に示す。
実施例2-1において、シール層(B)の樹脂組成をCOPP(3)100部(BP(1)を含まない)に変更したこと以外は、実施例2-1と同様にして比較例2の超音波シール用多層フィルムを作製し、評価を実施した。結果を表2に示す。
実施例1-1において、総厚み40μmを50μmに変更したこと以外は、実施例1-1と同様にして実施例3-1の超音波シール用多層フィルムを作製した。結果を表3に示す。
<<超音波シール性>>
実施例3-1では、実施例1-1において行った超音波シール性の評価に加えて、超音波シール装置のパラメータの条件を変更して追加の評価を行った。
具体的には、圧力を0.30[MPa]から0.25[MPa]、0.20[MPa]、及び0.15[MPa]にそれぞれ低減させた条件、及び振幅を50[μm]から35[μm]、及び20[μm]にそれぞれ低減させた条件に変更した。実施例1-1における超音波シール性の評価基準に従って評価した。結果を表4に示す。
得られた実施例3-1の超音波シール用多層フィルムを幅210mmにカットし、シール層が互いに接するように2枚重ねにし、超音波プラスチックウェルダーW3080(日本アビオニックス製、周波数:20kHz)を用いて、圧力=0.3MPa、振幅=50μm、溶着時間=0.5sec、ホールド時間=1secの条件で超音波シールした。超音波シールした積層体を幅15mmにカットし、23℃、50%RHの恒温室において引張試験機(株式会社エー・アンド・ディー製)を用いて、300mm/分間の速度で90度剥離することによりシール強度を測定した。実施例1-1~1-7の超音波シール用多層フィルムについても同様の測定を行った。結果を図4に示す。
得られた実施例3-1の超音波シール用多層フィルムについて、示差走査熱量測定(DSC)によって測定される昇温1回目の融解熱量を、以下の手順で測定した。結果を表3に示す。
示差走査熱量測定(DSC)の昇温1回目の融解熱量は、示差走査熱量計(株式会社日立ハイテクサイエンス製、DSC7020)を用いて測定した。
まず、対象試料である超音波シール用多層フィルムの約5.0mgをアルミニウム製の試料容器に入れ、試料容器をホルダーユニットに載せ、電気炉中にセットする。次いで、窒素雰囲気下、30℃から昇温速度10℃/minにて200℃まで加熱(昇温1回目)し、示差走査熱量計を用いてDSC曲線を計測する。
得られたDSC曲線から、示差走査熱量計の解析プログラムを用いて、1回目の昇温時におけるDSC曲線を選択し、対象試料の昇温1回目における融解熱量[mJ/mg]を求めた。
実施例1-2~1-7において、総厚み40μmを50μmに変更したこと以外は、実施例1-2~1-7と同様にして実施例3-2~3-7の超音波シール用多層フィルムを作製し、実施例3-1と同様に評価を実施した。結果を表3~4及び図4に示す。
実施例3-1において、シール層(B)の樹脂組成をCOPP(3)100部(BP(1)を含まない)に変更したこと以外は、実施例3-1と同様にして比較例3の超音波シール用多層フィルムを作製し、評価を実施した。結果を表3~4に示す。
表1~3の結果から、超音波シール用多層フィルムの総厚み40μm以上で超音波シール強度が増加し、シール長の50%以上から全長で超音波シール性が担保されることがわかった。また、表1、表3及び図4の結果から、超音波シール用多層フィルムの総厚み50μmでは、総厚み40μmと比較して全体的に超音波シール強度が増加し、パラメータ間の影響が見られなくなることがわかった。
1a 熱可塑性樹脂層(基材層)
1b 熱可塑性樹脂層(中間層)
2 シール層
10 超音波シール用多層フィルム
50 積層体
100 超音波シール装置
110 アンビル
120 超音波ホーン
130 金属棒
Claims (9)
- 熱可塑性樹脂を含有する熱可塑性樹脂層と、
ランダムポリプロピレン及びαオレフィン樹脂を含有するシール層と、を少なくとも有し、
前記αオレフィン樹脂が、ブテン系αオレフィン樹脂を含有し、
前記ブテン系αオレフィン樹脂は、プロピレン-1-ブテン共重合体であり、その含有量が前記シール層に含まれる樹脂成分の総量に対して、10質量%以上50質量%以下であり、
前記ランダムポリプロピレンは、プロピレン90質量%~98質量%とエチレン及び/又は炭素数4以上のα-オレフィン10質量%~2質量%とのランダム共重合体であり、
前記プロピレン-1-ブテン共重合体は、ブテン-1単量体を主成分としたプロピレンとブテン-1の共重合体であり、
超音波によりシール可能であることを特徴とする超音波シール用多層フィルム。 - 前記シール層における前記ランダムポリプロピレンの含有量が、50質量%以上95質量%以下である請求項1に記載の超音波シール用多層フィルム。
- 前記プロピレン-1-ブテン共重合体のブテン-1単量体の含有量が、50モル%以上100モル%未満である、請求項1に記載の超音波シール用多層フィルム。
- 前記シール層における前記ブテン系αオレフィン樹脂の含有量が、20質量%以上50質量%以下である請求項1から3のいずれかに記載の超音波シール用多層フィルム。
- 前記シール層の厚みが、20%以上である請求項1から4のいずれかに記載の超音波シール用多層フィルム。
- 総厚みが40μm以上である請求項1から5のいずれかに記載の超音波シール用多層フィルム。
- 示差走査熱量測によって測定される融解熱量が65mJ/mg以下である請求項1から6のいずれかに記載の超音波シール用多層フィルム。
- 前記熱可塑性樹脂が、ポリエチレン、及びポリプロピレンの少なくともいずれかを含有する請求項1から7のいずれかに記載の超音波シール用多層フィルム。
- 請求項1から8のいずれかに記載の超音波シール用多層フィルムと、熱可塑性樹脂フィルムとを超音波によりシールした積層体。
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