TWI487822B - Printing fast - drying environment - friendly biaxially - stretched polypropylene synthetic paper - Google Patents

Description

印刷快乾環保型雙軸延伸聚丙烯合成紙

本發明係有關印刷快乾環保型雙軸延伸聚丙烯合成紙，特別是關於以二個不同的聚丙烯樹脂配合料分別由一台主押出機及二台副押出機與予共擠押彙流經同一T模頭押出成為三層結構之塗佈素材，通過冷卻定型，雙軸延伸後，再以水性無毒底塗塗料、上塗塗料作為紙面層處理劑表面處理成為聚丙烯合成紙。

以聚烯烴合成紙取代天然抄造紙，目前係以聚丙烯之雙軸延伸薄膜為中間基材層，於其表面貼或塗佈含有無機鹽微細粉末之聚丙烯單軸延伸薄膜作為紙面層構成合成紙，早已被日本王子油化公司開發提出專利申請(日本特公昭46-40794號、日本特開昭56-141339號及日本特開昭56-118437號)且已實用化。為提高合成紙的凹版印刷性，日本特開昭50-10624號、特開昭50-161478號等案在其紙面上塗佈劑量在0.005~0.1 g/m2之內的丙烯酸系共聚体或聚伸乙基亞胺等之水溶液；另日本特開平3-87255號案係採用含有順式度98%以上之結晶性聚丙烯35~95重量%與滑石粉及/或雲母粉末65~5重量%之樹脂，經擠押、雙軸延伸之塗佈素材薄膜作為基材層(中間層)，並於此基材層之至少一面上貼合或塗佈另由含有順式度98%之高結晶性聚丙烯20~90重量%及無機鹽微細粉末80~10重量%之樹脂，經單軸延伸所形成的薄膜紙面層構成不透明度90%以上之複層樹脂合成紙。

上述公開專利案製得的合成紙，雖具有防水、抗撕裂、剛性、機械強度與打印頭之密著性優點，然而在印刷的過程中由於油墨乾燥速度不甚理想，未能廣泛作為適用於書寫用、印刷用文化用紙。其原因在於合成紙面之微細空孔量及空孔串聯程度遠比天然紙張不理想，使得印刷加工後，油墨的乾燥時間相當長(4色印刷需約8小時)，必需再以曬紙的方式使油墨乾燥，同時也會使堆疊量受到限制，造成背面反印。再以4色雙面印刷而言，無形中需要增加印刷作業人員數，及預留等候乾燥之作業空間外，又因其紙面是含有無機鹽微細粉末之聚丙烯單軸延伸薄膜結構，著墨量也不如天然紙張理想，需由印刷機加強提供放墨量來達成色彩飽和度；同時亦需要為避免印墨中之溶劑侵入而造成紙面變形及尺寸變化而使用價格遠比天然紙張印刷用油墨貴3-4倍之合成紙專用墨來印刷。換言之，以含有無機鹽微細粉末之聚丙烯單軸延伸薄膜紙面結構之合成紙無法廣泛取代天然紙類產品諸多用途的主因是，在於印刷加工及印刷過程所花費的費用與天然紙張之差異很大使然。

另日本日清紡績株式會社，用表面處理方式在聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯或聚酯之有/無延伸膜片上作紙面層處理所得的合成紙，其合成紙的品質特性(印刷適性、乾燥性)雖然遠超越前述用含有無機鹽微細粉末之聚丙烯單軸延伸薄膜作為紙面層之合成紙好，理應廣泛取代天然紙張文化用紙之用途，但事實上以此法製得之合成紙的各項成本相當高，在市場的銷售並不較利用含有無機鹽微細粉末之聚丙烯單軸延伸薄膜作為紙面層之合成紙理想。因其製程係利用二甲基甲醯胺(Dimethyl formamide,DMF)溶劑作為表面層處理用劑，塗佈後之紙面層厚度相當厚，未能低於10μm以下的塗佈厚度，溶劑的毒性又相當強，且在製程中會硬化、在發泡的階段又會副產大量具毒性廢水，尚需投資價昻之廢水處理設備作廢水處理，否則會造成環境污染的公害問題。

為使合成紙的品質在適用上能廣泛取代天然造紙的用途，同時亦為避免因製造成本過高造成合成紙之特性取代的較小使用範圍；申請人公司在本發明申請案的15年前亦提供有一種將聚丙烯樹脂組合物經由一台主押出機及二台副押出機共擠押之擠押物彙流經同一T型模頭擠押製成三層結構之聚丙烯白色不透明樹脂塗佈素材膜片，再經冷卻定型、雙軸延伸、電暈處理後，視厚度需要再以表面層處理機施予含有油性有機溶劑(氯化聚丙烯、苯)的無機鹽類之紙面層處理劑塗佈，構成印刷快乾型雙軸延伸聚丙烯珠光合成紙(TW288074，申請案號85100270)。

此發明所製得的合成紙，因其紙面微細空孔量及空孔串聯程度與天然紙類產品極為接近，在4色印刷之油墨能完全乾燥的時間為10分鐘，而避免反印之印刷印墨外層乾燥時間為1分鐘以內使印刷作業完全與天然紙張相當，並不需再作堆疊量控制、增加印刷廠作業人員及預留等候乾燥作業時間之外，油墨被吸收亦只限於塗佈層，並不會侵入塗佈素材膜層，可使用一般印刷天然造紙類產品之油墨；同時其著墨量亦與天然紙張相當，不用再增加印刷機之放墨量。可見該發明所製得之合成紙，其品質特性已超越當時公知的一般合成紙，能廣泛取代天然紙在印刷用、書寫用的文化用紙用途。

惟上述申請人公司的發明，因其紙面層處理劑的無機鹽類化合物使用有含毒性的氯化聚丙烯、苯有機溶劑的塗佈配方，又必然在製造合成紙過程經過10~25M溫度80℃~120℃的烘箱設備乾燥，不但廠房及作業人員受到由乾燥而產生的溶劑廢氣污染，合成紙亦尚殘留有微量氯、苯的工安疑慮，為此本案申請人乃再殫精竭慮經無數次之試驗、檢討及改進發現，將該發明之雙軸延伸聚丙烯白色不透明樹脂的三層結構塗佈素材膜片(中間層)，以一台主押出機對含有順式97%以上之高結晶性聚丙烯90~40重量%與碳酸鈣複合粒(碳酸鈣45~85%及聚丙烯樹脂55~15%組成)10~40重量%，二氧化鈦複合粒(二氧化鈦40~60重量%及聚丙烯樹脂60~40重量%組成)0.1~15重量%及抗靜電劑0.1~5重量%，紫外線吸收劑0.1~2%所組成的樹脂組合物予以擠押；膜片上、下的表面以二台副押出機對含有聚丙烯50~99%、聚乙烯0.1~5%及抗黏劑5~0.1%組成的樹脂組合物予以擠押的三台押出機共擠押擠押物彙流經同一T型模頭壓出形成三層結構之塗佈素材膜片，經雙軸延伸、電暈處理後，再以由壓克力樹脂8~20重量%，碳酸鈣20~60重量%，白土0.1~5重量%，二氧化鈦0.1~2重量%，水30~90%及抗靜電劑0~2%組成之紙面層處理劑，用凹版塗佈輪對塗佈素材膜片施以厚度10μm以下塗佈之紙面層處理，可得印刷快乾環保型雙軸延伸聚丙烯合成紙而完成本發明。

鑑於上述，本發明的目的係提供一種印刷快乾環保型雙軸延伸聚丙烯合成紙及其製法。本發明為製出適於書寫用、印刷用外尚可包裝食品用的環保文化用紙，採用順式97%以上之高結晶度聚丙烯樹脂為主要原料，製成塗佈素材膜片所用之聚丙烯樹脂為選自熔流指數(以下簡稱MFI)2~6(230℃/2.16Kg ASTM D1238)之高結晶度順式(Isotactic)均一聚合物，以丙烯為主成份而與乙烯、丁烯-1、己烯-1、庚烯-1、4-甲基戊烯----等之α-烯烴共聚體。此共聚體為無規共聚體，亦可為嵌段共聚體，其熔流指數(JIS K 7210；230℃、2.16kg負載)為0.5~50g/10min，結晶化度(X射線法)為20%以上以40~75%為較宜，熔點在140~190℃之間。

本發明(1)塗佈素材所用的填充劑碳酸鈣；其主要作用係使於雙軸延伸製程中的塗佈素材藉該填充劑之不規則構造延伸出微細孔隙，使塗佈素材之比重在未添加發泡劑下大幅降低至0.55~0.83以上，並賦與塗佈素材極佳的不透明性。為慮及無機填充劑之分散性亦可使用無機填充劑與聚丙烯樹脂先經捏練製成複合粒。另外無機填充劑除碳酸鈣外，亦可用矽薄土、白土、矽酸鈣、粘土等。

(2)二氧化鈦為金紅石型二氧化鈦；其主要作用為調整合成紙之遮蔽性及強化抗紫外線效果。

(3)抗靜電劑；是採用現行一般雙軸延伸聚丙烯所用的抗靜電劑，主要為一~三級胺，亦可由一~三級胺之電荷移行性以消除因塗佈加工過程所產生之靜電效應。

為防止塗佈素材膜片捲取時之膜面相互黏結，於製造塗佈素材膜片的過程，尚需加入現行一般雙軸延伸聚丙烯所用的抗黏劑二氧化矽類。此外，由於塗佈素材膜片是三層結構，其上、下素材層於膜片冷卻製程時能得到較佳之貼輪性而有較佳之膜面品質，使塗佈素材膜片能有更佳之遮蔽性及塗佈堅牢度，亦可考慮添加無機填充劑如碳酸 鈣、二氧化鈦、白土、矽酸鈣或粘土等，同時亦可只使用於上或下層僅單層結構。

(4)聚乙烯；其主要作用為熱封性，同時另與PP混鍊為母粒(Master Batch,MB)時有利提升膜片之遮蔽性作為表層之紙面效果顯現。

本發明的紙面層處理劑所使用之1)壓克力樹脂；其主要作用是改善塗層與素材之接著性，紙面之剛性及耐刮性，同時對耐候能力之改善亦有相當大的幫助，但為考慮紙面柔軟性亦可選擇不用。

2)碳酸鈣及白土；其粒徑範圍為0.5~5μm，主要作用是改善印刷時之油墨乾燥能力。除此之外矽藻土、矽酸鈣、粘土或高嶺土等亦可作為原料之一使用。

3)二氧化鈦；主要是提供合成紙面有較佳之白度及視覺質感，同時對合成紙之遮蔽性及抗紫外線也有很大幫助。

4)抗靜電劑；為水性型錯化合物抗靜電液，其主要成份為醯胺(amide)類，主要作用是消除印刷加工過程所產生之靜電，及賦于雷射列表機亦能列印合成紙。

為延長合成紙在户外使用的時間及防止合成紙受紫外線作用而老化分解，在三層結構之原料亦可採用少量紫外線吸收劑，其用量為1~2重量%。

本發明改良之印刷快乾環保型雙軸延伸聚丙烯合成紙製品比重可達0.94~0.65，最佳可達0.89~0.75，較日本特開平3-87255號案之比重0.79低24%以上，較日本日清紡績公司的合成紙0.85低29%以上，使消費使用者可在相同單位重量下，在使用上有較多的使用面積及更加經濟。

【具體的實施型態】

以下就本發明製造印刷快乾環保型雙軸延伸合成紙所採用的改良製法配以製造流程裝置(圖式)作進一步的詳細說明：圖1為依本發明之改良方法製得的合成紙之斷面結構示意圖。

1)圖2之(1)為押出機裝置：包括一台主押出機及二台副押出機，其操作溫度受樹脂組合物之原料，MFI、結晶度、黏度、添加劑及生產線速(捲取速度)之不同而異，通常都設定在200~280℃範圍內，採用三層共擠押方式進行，此三層之押出物係利用T型模頭之流道設計組合，經彙流由T型模頭押出。

2)圖2之(2)為冷卻定型輪裝置：係採用水冷式或氣冷式冷卻裝置，對高溫200~280℃三層共擠壓出之擠押物加以冷卻定型。此製程之冷卻溫度控制成功與否，將對其後的執行步驟及製程之順利與否有很大關係，因之，冷卻溫度是視該塗佈素材膜片之厚度及生產線速，通常都設定在15~80℃之間以此範圍內的溫度加以調整。

3)圖2之(3)為縱向延伸裝置：經冷卻定型之塗佈素材膜片送入本裝置之前，先在100~160℃(視所需製造之塗佈素材膜片厚度及生產線速設定)予以預熱使素材軟化，再以一段或二段延伸作低速及高速延伸，以加強塗佈素材縱向之機械強度，再予以回火定形，通常的縱向延伸倍率都設定在4~6倍。

4)圖2之(4)為橫向延伸裝置：是將經上述縱向延伸處理的較薄塗佈素材膜片在150~190℃(視紙膜厚度及生產線速設定)予以預熱軟化，再作橫向延伸，最後再以回火定形，使塗佈素材膜片回縮增加尺寸安定性，通常橫向延伸倍率都設定在5~10倍。

5)圖2之(5)為電暈處理裝置：係為使塗佈素材膜片能改善表面特性品質，增進塗佈素材膜片表面與紙面處理劑之堅牢度，採用功率為20~150KW高週波放電裝置(視生產線速調整)，使表面之潤濕張力達到38~48 dyne/cm² 。

6)圖2之(6)為捲取裝置：係由一管狀型物將上述所生產完成之塗佈素材膜片捲取成8M寬成品的器具。

7)圖3為表面層處理機裝置：是對於由圖2裝置所生產之250μ以下厚度，及經圖4積層貼合裝置所製成300μm以上厚度之塗佈素材膜片施以紙面處理形成含有多微細空孔量及空孔串聯程度極佳如天然紙張般之紙面層的一種每面兩版單或雙面線上(on-line)的塗佈裝置。係一種可將300μ以下或以上之塗佈素材膜片置於塗佈發送段(圖3之(1))，再經第1版之凹塗佈輪(圖3之(2))將紙面層處理劑塗佈在塗佈素材膜片表面，作第一道單面紙面處理。第一道單面紙面處理後之塗佈素材膜片通過第一版與第二版間之10~25M、溫度80℃~120℃烘箱設備(圖3之(3))乾燥後，再經第二版之凹版塗佈輪(圖3之(4))作第二道單面紙面處理。最後再進入10~25M、溫度80℃~120℃烘箱設備(圖3之(5))乾燥。若需作雙面塗佈，可同上述第一道單面紙面處理步驟，將已完成第一面塗佈之塗佈素材膜片，經第三版凹版塗佈輪(圖3之(6))，10~25M、溫度80℃~120℃烘箱設備(圖3之(7))，第四版凹版塗佈輪(圖3之(8))，最後再進入10~25M、溫度80℃~120℃烘箱設備(圖3之(9))作第二面塗佈及乾燥。

上述裝置為一種每面兩版單或雙面線上塗佈裝置，可依產品用途選擇單或雙面紙面塗佈，或每面一或二道塗佈；而凹版塗佈輪之版深，可由10μm至60 μm；網目可由100篩目至400篩目加以變化組合。

8)圖4為積層貼合裝置：是將兩捲相同或不同低於200μm厚度的塗佈素材膜片予以積層貼合；在貼合之前須對各該層之表面上膠成為塗佈素材膜片厚度超過300μm的積層貼合裝置。圖4中之(2)為上膠輪，其型式(多線條淺版深或少線條深版深)決定於上膠之塗佈量及底塗粘膠劑之黏度。其底塗粘膠劑可用適於聚丙烯材質貼合用之聚胺脂系或其他聚伸乙基醯亞胺、多元胺聚醯胺之伸乙基醯亞胺加成物或含四級銨之丙烯酸酯系聚合体。

將兩捲相同或不同厚度之250μm以下的合成紙塗佈素材膜片分別置於上膠及貼合之發送段(圖4之(1)、(5))，在上膠發送段(圖4之(1))之塗佈素材膜片是藉凹版上膠輪(圖4之(2))的塗佈置於塗液槽(圖4之(3))之塗劑液進行上膠塗佈素材膜片面，上膠後之塗佈素材膜片通過溫度為40~80℃之乾燥烘箱(圖4之(4))乾燥，使塗粘膠劑液中之溶劑驅除，再將已驅除溶劑之塗佈素材膜片在40℃~80℃的貼合輪(圖4之(6))處與另一貼合發送段(圖4之(5))發送之另一同或不同厚度之塗佈素材膜片進行積層貼合，兩者貼合後利用捲取機(圖4之(7))捲取完成300μm以上之塗佈素材膜片製品。

為使本案的技術內容能進一步更加明瞭，以下以實施範例加以詳細說明，但本發明之專利範圍不受其限定。

實施例一：(厚度250μm以下之雙面印刷快乾環保型雙軸延伸聚丙烯合成紙)

(1)取順式度97%以上之聚丙烯(MFI：2.7~3.3)70重量%與聚乙烯3重量%，碳酸鈣複合粒(60%)21重量%，二氧化鈦複合粒(45%)5重量%及抗靜電劑4重量%混合後，進入主押出機；另取聚丙烯99重量%，抗黏劑1重量%，以混合機混合後，進入二台副押出機；在主副押出機溫度200~280℃下，以三層共押出彙流經同一T型模頭押出塗佈素材膜片，經冷卻輪在15~80℃溫度範圍下，將此聚丙烯塗佈素材膜片冷卻定型，再進入縱向延伸裝置，在溫度設定在100~160℃下先予以預熱再作4~6倍縱向延伸，延伸後予以回火冷卻；冷卻後再進入橫向延伸裝置，在溫度設定150~190℃下，先予以預熱，再作5~10倍延伸，延伸後再予以回火冷卻以控制塗佈素材膜片之回縮率；離開橫向延伸裝置後，再經電暈處理，使塗佈素材膜片能在塗佈後有更好的紙面層堅牢度，製成所需厚度250μm以下之塗佈素材膜片。

(2)取厚度68μm的塗佈素材膜片置於表面層處理機上，以壓克力樹脂8~20重量%、碳酸鈣20~60重量%、白土0.1~5重量%、二氧化鈦0.1~2重量%、水30~90重量%之紙面層處理劑，經第一版200篩目30~40μm版深之凹版塗佈輪施行1~3μm厚度之第一面第一版紙面塗佈，再經10~25M烘箱設備進行80~120℃乾燥，乾燥後再經第二版150篩目40~50μm版深之凹版塗佈輪，以相近第一版處理劑調整其固形份達55~65%完成4~7μm厚度之第一面第二版紙面塗佈，再進入10~25M烘箱設備作80~120℃之完全乾燥然後再將已完成第一面兩道塗佈之素材再進入第三版200篩目30~40μ版深之凹版塗佈輪，以同第一版處理劑施行第二面第三版塗佈，再經80~120℃之烘箱設備乾燥，乾燥後再經第二面第四版150篩目40~50μm版深之凹版塗佈輪，以相近第一版處理劑調整固形份達55~65%完成第二面第四版塗佈，再進入10~25M烘箱設備作80~120℃之完全乾燥，製得印刷乾燥性極佳，在約1分鐘以內使印刷層外層乾燥，10分鐘以內印刷層完全乾燥，廣泛用之於書寫、印刷、包裝等用之各類文化用紙用途之80 μm雙面印刷快乾環保型雙軸延伸聚丙烯合成紙。依上述步驟製得之合成紙各特性表示於表1。

實施例二：(厚度300 μm以上之雙面印刷快乾環保型雙軸延伸聚丙烯合成紙)

取兩捲一為168μm一為170μm的塗佈素材膜片，先分別置於積層貼合裝置(圖4)之上膠及貼合之發送段(圖4之(1)(5))，使上膠發送段(圖4之(1))之168μm塗佈素材膜片，利用175線35 μm版深之凹版上膠輪(圖4之(2))塗佈上膠置於塗劑液槽(如圖4之(3))之塗液進行塗佈素材膜面塗佈；上膠後之168μm塗佈素材膜片通過乾燥溫度40~80℃，10公尺長之乾燥烘箱(圖4之(4))將塗劑液中的溶劑驅除，再將已驅除溶劑之上膠後168μm塗佈素材膜片在40℃~80℃貼合輪(圖4之(6))處與另一貼合發送段(圖4之(5))發送之另一170μm塗佈素材膜片進行積層貼合，貼合後之338μm塗佈素材膜片再以捲取機捲取作為待經表面處理機作紙面處理之338μm厚度塗佈素材膜片。再與實施例一相同僅將塗佈6μm厚度改為膜面每面各2μm厚度用表面層處理機處理紙面製得印刷解析度佳，印刷乾燥性佳的350μ雙面印刷快乾環保型雙軸延伸聚丙烯合成紙。依上述步驟製得之合成紙各特性表示於表1。

表1

圖1為本發明合成紙之斷面結構圖。

A：降低密度之發泡層

B：紙面處理劑之接著層

C：吸收印刷油墨之紙面層

圖2為本發明合成紙之製造裝置流程圖。

(1)押出機裝置

(2)冷卻成型裝置

(3)縱向延伸裝置

(4)橫向延伸裝置

(5)電暈處理裝置

(6)捲取裝置

圖3為本發明紙表面處理機裝置示意圖。

(1)塗佈發送段

(2)凹版塗佈輪(第一版)

(3)版間乾燥設備

(4)凹版塗佈輪(第二版)

(5)下層乾燥烘箱

(6)凹版塗佈輪(第三版)

(7)版間乾燥設備

(8)凹版塗佈輪(第四版)

(9)上層乾燥烘箱

(10)捲取機

圖4為本發明積層貼合裝置示意圖。

(1)上膠發送段

(2)凹版上膠輪

(3)膠槽

(4)乾燥烘箱

(5)貼合發送段

(6)貼合輪

(7)捲取機

A．．．降低密度之發泡層

B．．．紙面處理劑之接著層

C．．．吸收印刷油墨之紙面層

Claims (1)

1. 一種印刷快乾環保型雙軸延伸聚丙烯合成紙之改良製法，包括；1)將順式度97%以上之高結晶性聚丙烯樹脂90~40重量%與碳酸鈣複合粒10~40重量%、二氧化鈦複合粒0.1~15重量%及抗靜電劑0.1~5重量%、紫外線吸收劑0.1~2重量%組成之聚丙烯樹脂組合物和由聚丙烯50~99重量%及抗黏劑5~0.1重量%組成的樹脂組合物，分別由溫度均設定在200~280℃的一台主押出機及二台副押出機予以擠壓並予彙流經同一T模頭擠壓出成為三層結構之塗佈素材膜片；2)經15~80℃冷卻輪冷卻定型後對此膜片施予雙軸延伸，即先於100~160℃下作4~6延伸倍率之縱向延伸的預熱、延伸、回火處理，再送入溫度設定在150~190℃下作5~10延伸倍率之橫向延伸的預熱、延伸、回火處理；3)再經20~150KW功率高週波電暈處理成為具有厚度250μm以下的塗佈素材膜片，其改良在於；4)在塗佈素材膜片上，以含有壓克力樹脂8~20重量%、碳酸鈣20~60重量%、白土0.1~5重量%、二氧化鈦0.1~2重量%、水30~90重量%、抗靜電劑0.1~2重量%所組成之紙面層處理劑，用100~400篩目，60μm~10μm版深之凹版塗佈輪施予10μm以下厚度之紙面塗佈處理後，通過10~25M、溫度80℃~120℃的烘箱設備成為厚度250μ以下之合成紙。