JP7430598B2 - 発泡断熱紙容器用シートの評価方法、及び製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、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。
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。
上記先行技術を踏まえて、本発明者らがラミネート加工の高速化を検討したところ、発泡層に斑が生じて断熱性が低下するという課題が明らかになってきた。
また、発泡前の工程であるラミネート工程で問題が発生していても、実際にポリエチレン樹脂を発泡させないと発泡断熱紙容器用シートの断熱性を評価することができという課題があった。
すなわち、本発明の課題は、高速でラミネートした場合であっても、斑なく発泡させることのできる発泡断熱紙容器用シートを提供すること、及び発泡工程を経ることなく発泡断熱紙容器用シートの断熱性を評価する方法を提供することにある。
本発明者らは、ポリエチレン樹脂の流れ方向の引張強度を測定することを特徴とする発泡断熱紙容器用シートの評価方法により、発泡工程を経ることなく、発泡断熱紙容器用シートの断熱性を評価することを可能にした。
また、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、ラミネート条件が引取速度70m/分以上であり、且つ、ポリエチレン樹脂の流れ方向の引張強度が7.0N/mm2以下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、ラミネート加工を高速化しても、良好な品質の発泡断熱紙容器用シートを提供することを可能にした。
本発明の完成により、高速でラミネートした場合であっても、斑なく発泡させることのできる発泡断熱紙容器用シートを提供すること、及び発泡工程を経ることなく発泡断熱紙容器用シートの断熱性を評価することが可能になる。
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発泡性を、発泡工程を経ることなく評価する方法であって、ポリエチレン樹脂の流れ方向の引張強度を測定することを特徴とする発泡断熱紙容器用シートの評価方法に関するものである。
さらに、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、ラミネート条件が引取速度70m/分以上であり、且つ、ポリエチレン樹脂の流れ方向の引張強度が7.0N/mm2以下である、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。
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。
また、紙基材は、異方性を有するのが一般的である。これは、紙基材を製造する際に、紙原料が製造ラインの進行方向に引っ張られながら圧搾・搾水・乾燥されるため、紙繊維が進行方向に配列するためである。なお、紙の製造時の進行方向は「紙の流れ目」と呼ばれる。
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。また、本発明におけるポリエチレン樹脂は、特に断らない限り低密度ポリエチレン樹脂（密度910～925kg/m3、融点105～120℃）を指す。中密度ポリエチレン樹脂（密度925～940kg/m3、融点115～130℃）、高密度ポリエチレン樹脂（密度940～970kg/m3、融点125～140℃）は、融点が高く発泡性が劣るため、発泡用途では通常用いられない。
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。また、本発明におけるポリエチレン樹脂は、特に断らない限り低密度ポリエチレン樹脂（密度910～925kg/m3、融点105～120℃）を指す。中密度ポリエチレン樹脂（密度925～940kg/m3、融点115～130℃）、高密度ポリエチレン樹脂（密度940～970kg/m3、融点125～140℃）は、融点が高く発泡性が劣るため、発泡用途では通常用いられない。
さらに、温度130℃、引取速度10m/分における低密度ポリエチレン樹脂の溶融張力（以下、「MS」という場合がある）が70～120mNであることが好ましく、80～100mNであることがより好ましい。溶融張力が70mN未満の場合にはネックインしやすい傾向があるため、ポリエチレン樹脂の溶融張力を70mN以上とすることが好ましく、80mN以上とすることがより好ましい。
なお、ネックインとは、Ｔダイ押出機によってポリエチレン樹脂を押出しフィルム化する際、Ｔダイの有効幅よりも押し出されたポリエチレン樹脂フィルムの幅が小さくなり過ぎる現象である。フィルム幅が狭くなるだけであれば、Tダイの有効幅を広げれば対処可能であるが、ネックインが酷い場合にはポリエチレン樹脂フィルムの両端部の厚みが増し、この部分を除去する為に廃棄量が増え、生産性が著しく低下する。
一方、溶融張力が120mNを超える場合には、ラミネートの際にポリエチレン樹脂が配向しやすく、発泡外観が悪化する傾向がある。このため、ポリエチレン樹脂の溶融張力を120mN以下とすることが好ましく、100mN以下とすることがより好ましい。
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、8～28g/10分が好ましく、10～20g/10分がより好ましい。この範囲であれば、ポリエチレン樹脂を安定して発泡させることができるため、断熱性や発泡後の外観が良好である。
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。
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、130m／分以下が好ましく、110m/分以下がより好ましい。引取速度が速すぎるとポリエチレン樹脂がネックインしやすく、生産性が低下するためである。
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以上であることが好ましく、160mm以上がより好ましい。詳細は後述するが、エア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。
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。
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、酸化被膜が消失するの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の下限は0.08秒以上が好ましく、0.10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。
流れ方向の引張強度
先ず、本発明における引張強度（N/mm2）とは、ポリエチレン樹脂を引張ったとき、破断するまでに要した力によって求められる機械的強度をいい、破断する際に要した力（N）を断面積（mm2）で割ることで求められる。
先ず、本発明における引張強度（N/mm2）とは、ポリエチレン樹脂を引張ったとき、破断するまでに要した力によって求められる機械的強度をいい、破断する際に要した力（N）を断面積（mm2）で割ることで求められる。
次に、流れ方向（ＭＤ：machine direction）の引張強度（以下「ＭＤ強度」と記載する場合がある）とは、ラミネート加工の流れ方向に沿って切り出したポリエチレン樹脂の引張強度である。なお、流れ方向と垂直な方向を垂直方向（ＴＤ：transverse direction）と呼ぶ。
次に、酸化被膜の形成と、本発明のパラメータであるＭＤ強度との関係について説明する。
ＭＤ強度が強いということは、ポリエチレン樹脂の配向が強いことを示している。そして、配向が強いということは、ラミネート時にポリエチレン樹脂が引っ張られて酸化被膜が消失していることの指標になる。したがって、ＭＤ強度を低く抑えることで、発泡断熱紙容器用シートを製造する際に高速でラミネートした場合であっても、その後の発泡工程で好適な発泡層を実現ですることが可能となる。
具体的には、ポリエチレン樹脂の流れ方向の引張強度を7.0N/mm2以下とすることが好ましく、6.0N/mm2以下とすることがより好ましい。流れ方向の引張強度が7.0N/mm2を超えると発泡時にセルが肥大化し、不均一になりやすい。
本実施例で用いた低密度ポリエチレン樹脂は以下の通りである。
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
低密度ポリエチレン樹脂（B1）：日本ポリエチレン社製「ノバテックLC701」、MFR15g/10分、密度918kg/m3
低密度ポリエチレン樹脂（B2）：東ソー社製「ペトロセン07C03C」、MFR15g/10分、密度918kg/m3
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
低密度ポリエチレン樹脂（B1）：日本ポリエチレン社製「ノバテックLC701」、MFR15g/10分、密度918kg/m3
低密度ポリエチレン樹脂（B2）：東ソー社製「ペトロセン07C03C」、MFR15g/10分、密度918kg/m3
試作例１
（工程１）紙基材の片面に、中密度ポリエチレン樹脂（A1）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（B3）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）紙基材の片面に、中密度ポリエチレン樹脂（A1）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（B3）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）
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）；溶融張力（温度130℃、引取速度10m/分）93mN
押出温度（Tダイ出口温度）：310℃
引取速度（ラミネート速度）：60m/分
エアギャップ：155mm
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）
低密度ポリエチレン樹脂（B1）；溶融張力（温度130℃、引取速度10m/分）93mN
押出温度（Tダイ出口温度）：310℃
引取速度（ラミネート速度）：60m/分
エアギャップ：155mm
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）
試作例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１の通り変更して、シートC２～C４を製造した。
シートC１～C４を120℃で6分間加熱して発泡させて、発泡層の外観を評価した。評価条件は以下の通りである。
（外観評価）
実体顕微鏡（ニコン社製「MULTIZOOM AZ100M（カメラ：DS-Ri1）」）を用いて、発泡層の表面を観察した。この際、シートC１（試作例１、図２参照）と同等、又はそれ以上に微細で均一な発泡セルが観察された場合を「良好」、シートC２（試作例２、図３参照）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」と評価した。
実体顕微鏡（ニコン社製「MULTIZOOM AZ100M（カメラ：DS-Ri1）」）を用いて、発泡層の表面を観察した。この際、シートC１（試作例１、図２参照）と同等、又はそれ以上に微細で均一な発泡セルが観察された場合を「良好」、シートC２（試作例２、図３参照）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」と評価した。
次に、ＭＤ強度を測定した。測定方法は以下の通りである。
（１）サンプル取得
紙基材にPETフィルムを貼り合わせ、ここに低密度ポリエチレン樹脂（LDPE）をラミネートした。このラミネート物（PET/LDPEラミネート物）から、PETフィルムを剥がして、LDPEフィルム (50μm) を得た。
（１）サンプル取得
紙基材にPETフィルムを貼り合わせ、ここに低密度ポリエチレン樹脂（LDPE）をラミネートした。このラミネート物（PET/LDPEラミネート物）から、PETフィルムを剥がして、LDPEフィルム (50μm) を得た。
なお、低密度ポリエチレン樹脂フィルムは、シートＣ１～４を作製するのと同時に作製した。模式図（図１）を例に説明すると、領域１で発泡外観を評価し、領域２でPET/LDPEラミネート物が形成される。
（２）試験片作成
LDPEフィルムを、流れ方向に切り出した試験片を10個作成した。
ＭＤ強度測定用試験片：15mm（垂直方向）×150mm（流れ方向）
LDPEフィルムを、流れ方向に切り出した試験片を10個作成した。
ＭＤ強度測定用試験片：15mm（垂直方向）×150mm（流れ方向）
（３）
引張強度測定器（エー・アンド・デー社製「テンシロンRTC-1310A」、ロードセル100N) にて引張強度（N/mm2）を測定した。表２には、引張強度の平均値を記載した。
環境条件：25℃、55％RH
チャック間距離：100mm
引張速度：100mm/min
引張強度測定器（エー・アンド・デー社製「テンシロンRTC-1310A」、ロードセル100N) にて引張強度（N/mm2）を測定した。表２には、引張強度の平均値を記載した。
環境条件：25℃、55％RH
チャック間距離：100mm
引張速度：100mm/min
上記結果より、ＭＤ強度に発泡外観の評価が対応していることがわかる。したがって、当該方法により、発泡工程を経ることなく発泡断熱紙容器用シートの断熱性を評価することが可能である。
（符号の説明）
１０ 紙基材
１０ａ 紙の流れ目
ＭＤ ポリエチレン樹脂の流れ方向（ＭＤ）
ＴＤ ポリエチレン樹脂の流れ方向に垂直な方向（ＴＤ）
２０ ＰＥＴフィルム
３０ 領域１
３１ 領域２（引張強度測定用）
１０ 紙基材
１０ａ 紙の流れ目
ＭＤ ポリエチレン樹脂の流れ方向（ＭＤ）
ＴＤ ポリエチレン樹脂の流れ方向に垂直な方向（ＴＤ）
２０ ＰＥＴフィルム
３０ 領域１
３１ 領域２（引張強度測定用）
Claims (2)
- 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発泡性を、発泡工程を経ることなく評価する方法であって、
ポリエチレン樹脂の流れ方向の引張強度を測定する、
ことを特徴とする発泡断熱紙容器用シートの評価方法。 - 発泡性が良好な基準を、ポリエチレン樹脂の流れ方向の引張強度7.0N/mm2以下に設定す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評価方法。
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-
2020
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