2012.10 王子計測機器株式会社包装用フィルムの配向とヒートシール後のカールに関する実験結果 ● はじめに包装には様々な材料が使用されますが、中でも高分子材料は成形のし易さと高い機能性から数多く利用されています。高分子材料には、押出し・キャスト加工によって製膜される未延伸フィルムや、それらを延伸することによって引張強さや耐衝撃性などの物性を向上させた延伸フィルムがあります。延伸によって高分子の分子鎖が特定の方向に引き揃えられ、力学的特性をはじめとした諸物性は異方性を示すようになります。包装に関するトラブルはフィルムに起因するものや、印刷・ラミネート・スリット・製袋の各工程で発生するものがあり、包装形態や材料の組み合わせを考えると非常に多岐にわたります。ここでは、ドライラミネートフィルムをヒートシール加工して袋にした場合に発生するカールと、フィルムの配向角との関連について実験的に調べた結果を報告します。 ● 結論図１のようにヒートシール後の試料（４０×２０ｍｍ）の長辺の片側を押え、反対側の辺の浮き量のｍａｘ、ｍｉｎを測定し、カール特性を次式で定義したそり量とねじれ量で表すことにして、貼合角を変えた試料について測定した各値を図示すると図２のようになりました。そり量＝（ｍａｘ＋ｍｉｎ）／２ねじれ量＝ｍａｘ－ｍｉｎカール現象で問題となるのは主にねじれ量と考えられ、今回の実験から貼合角が約１０°以上のときにはねじれ量が大きくなることが分かりました。図１カール現象の評価方法図２貼合角に対するねじれ量とそり量のまとめ 1 ● 使用した装置と試料・装置：位相差測定装置ＫＯＢＲＡ－ＷＲ使用ソフト：位相差測定ＲＥソフト・試料：ドライラミネートフィルム（以下、ラミネートフィルム）ＰＥＴ（厚み１２μｍ）とＬ－ＬＤＰＥ（厚み３０μｍ）をドライラミネートしたフィルム、幅８００ｍｍ ● 実験方法１）準備実験に当たり、Ｌ－ＬＤＰＥは無延伸フィルムのためその配向角は無視して、ラミネートフィルムの配向角は主にＰＥＴフィルムの配向角とみなしました。 ① ヒートシール用試料の作製予め、ＫＯＢＲＡ－ＷＲでラミネートフィルム全幅の面内位相差を１００ｍｍ間隔で測定し、位相差と配向角を確認して、図５のように５０×１００ｍｍの大きさで配向角が、９０°、１００°、１１０°、１２５°になるように切り出しました。図３試料サイズと切り出した試料の配向角 ② ヘアアイロン（市販品）：温度設定ｍａｘ２００℃、１０℃毎に設定可（図６） ③ 試料セット台図４ヘアアイロン 2 ２）実験手順 ① 図５のように、２枚のラミネートフィルムをＬ－ＬＤＰＥ面が内側になるよう重ねて試料セット台にテープ止めし、たるみやしわが無いように確認しながらおもりを付けました。 ② ヘアアイロンの温度を１５０℃に設定し、①で準備したフィルムを１０秒間挟んでヒートシールしました。 ③ 配向角９０°品に対し、９０°、１００°、１１０°、１２５°品を順番に重ねて①②の手順でヒートシールしました。（貼合角は０°、１０°、２０°、３５°に相当）各貼合角条件の試料を４～５点作製し、同じ測定をしました。図５ヒートシール方法 ● 評価方法図５の方法でヒートシールしたフィルムを４０×２０ｍｍに切り出し、それを図１のように平らな板の上に置き、長辺の片側をおもり（金属板３ｇ）で抑え、反対側のフィルム端が板から浮いた量をデジタルノギスで測定し、浮き量のｍａｘとｍｉｎとしました。 ● 実験結果の詳細１）ラミネートフィルムの幅方向プロファイルＫＯＢＲＡ－ＷＲを用いて、ラミネートフィルム全幅の位相差と配向角を１００ｍｍ間隔で測定した結果をまとめると図６のようになり、配向角の変化量は１５°、位相差の変化量は１０２ｎｍでした。したがって、複屈折は０．０１１～０．０１９の範囲となります。 3 260 90 240 85 80 位相差 200 75 180 70 160 65 配向角 140 配向角　(°) 位相差　(nm) 220 60 120 55 100 50 100 200 300 400 500 幅方向位置　(mm) 600 700 図６ラミネートフィルム全幅の位相差と配向角の測定結果２）ヒートシール後のカール特性ヒートシール後の浮き量、ねじれ量およびそり量と貼合角との関係をまとめると、表１のようになります。表１貼合角に対するねじれ量とそり量のまとめ（単位はｍｍ）目標の浮き量浮き量実際の貼合角ねじれ量そり量貼合角 max min （°） max-min (max+min)/2 1.14 0.67 36.24 0.47 0.9１ 1.05 0 33.96 1.05 0.5３ 0.52 0 34.43 0.52 0.26 1.02 0 34.65 1.02 0.51 1.51 0 33.48 1.51 0.7６ 1.49 0.87 20.42 0.62 1.18 0.39 0 20.54 0.39 0.20 1.15 0 16.83 1.15 0.58 0.86 0 20.76 0.86 0.43 0.91 0 20.03 0.91 0.46 1.83 0.89 11.87 0.94 1.36 0.95 0.8 9.24 0.15 0.88 0.19 0 9.59 0.19 0.10 1.16 0.68 11.77 0.48 0.92 0.96 0.61 0.12 0.35 0.79 1.37 0.59 0.37 0.78 0.98 1.65 0.9 1.89 0.75 1.28 2.04 1.45 1.13 0.59 1.75 0 0 1.97 0 0 ３５° ２０° １０° ０° 4 表１の目標貼合角ごとのねじれ量とそり量の平均値をまとめると、表２および図２のようになります。表２貼合角とねじれ量、そり量の平均値のまとめ（単位はｍｍ）貼合角（°）ねじれ量の平均そり量の平均３４．６０．９１０．５９１９．７０．７９０．５７１０．６０．４４０．８１１．１０．４９０．９６ ● 考察図２より、貼合角が大きいほどねじれ量が大きく、そり量は小さいことが分かります。ヒートシールはラミネートフィルムのＬ－ＬＤＰＥ同士を溶融し、圧接して冷却するため寸法変化が起こり、ＰＥＴとＬ－ＬＤＰＥの変化量の違いからカールが発生すると考えられます。今回の実験は、配向角９０°のラミネートフィルムを中心に考え、もう１方のラミネートフィルムの配向角を変えて試料を作製しましたが、実際のヒートシール工程では１枚のラミネートフィルムを折り返して袋に加工する場合があります。そのとき、図７のように配向角が９０°からずれていると貼合角の大小は様々になります。２枚のラミネートフィルムの貼合角が大きいとき、ねじれ量は今回の値以上に大きくなることも考えられます。図７折り返しによる貼合角の大小逐次二軸延伸法で製造されるＰＥＴフィルムはボーイング現象を示し、例えばｔ１５μｍ幅５ｍ余りのＰＥＴフィルムの位相差と配向角の幅方向プロファイルは図８のようになり、位相差の変化はほぼ２次式で近似できます。中央部では配向角がＴＤ方向になりかつ位相差が小さくなり、端部では位相差が大きく配向角がＴＤ方向から数十度ずれています。図６の幅８００ｍｍのラミネートフィルムの位相差値を２次曲線で近似して、元の全幅を５ｍと仮定すると図９のようになり、今回の試料は幅方向の端寄りの取り位置であると推測されます。 5 図８ PET フィルム（t15μm）の位相差・配向角の幅方向プロファイル 400 350 位相差　(nm) 300 250 200 ２次曲線 150 100 50 0 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 幅方向位置　(mm) 図９ラミネートフィルムの位相差を２次近似した場合 ● おわりに２枚のフィルムをヒートシールして貼り合わせたときに発生するカールは、貼り合わせ時の張力の違いあるいは２枚のフィルムの厚さの違いや厚さムラが原因とも考えられますが、フィルム自体が持っている異方性すなわち分子配向によって発現すると考えることもできます。したがって、特に異方性が大きくフィルム幅方向の取り位置によってその特性が大きく変わるＰＥＴフィルムを、包装材料として使用する場合には、その配向角を管理することが重要となります。それにより、袋のカールが原因で発生する給袋式自動包装機のトラブル防止にもつながると考えられます。以上 6