JP2017190541A - バリア紙およびその製造方法、紙カップ - Google Patents
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Abstract
Description
「バリア紙」
図1は、本発明の実施形態に係るバリア紙を模式的に示す断面図である。
本実施形態に係るバリア紙10は、図1に示すように、紙基材1と、紙基材1上、すなわち、紙基材1の一方の面1aに形成されたセルロース繊維を含むバリア層2と、を有する。
紙基材1の坪量が400g/m2以下であれば、バリア紙10を屈曲させたときに、バリア層2にかかる応力が大きくなり過ぎることがなく、その応力によりバリア層2にクラックが生じることもなく、ガスバリア性が低下することもない。また、紙基材1の坪量が400g/m2以下であれば、コストの増加を抑えることができる。
また、バリア紙10を通常包装用途に用いる場合、紙基材1の坪量が180g/m2以上であることが好ましい。紙基材1の坪量が180g/m2以上であると、通常包装用途において、紙基材1は十分な強度を保つことができる。
オキサゾリン基は、セルロース繊維、または後述する化学処理によって得られた酸化セルロース中の水酸基、カルボキシ基、アルデヒド基と反応して、エステル結合、アミド結合を形成する。これにより、バリア層2の機械的強度、耐水性、耐湿性、紙基材1またはバリア層2上に形成される樹脂層への密着性が向上する。
セルロース繊維の繊維幅が上記の範囲内であれば、緻密で隙間が十分に小さく、ガスバリア性に優れるバリア層2となる。また、セルロース繊維の繊維幅が3nm以上100nm以下の範囲内であれば、セルロース繊維同士の絡み合いがより緻密となるため、ガスバリア性や強度等の性能に優れたバリア層2となる。
また、セルロース繊維の繊維長は、100nm以上10μm以下であることが好ましい。
セルロース繊維の繊維幅の測定方法は、例えば、表面形状を原子間力顕微鏡(AFM、商品名:ナノスコープ、日本ビーコ社製)により観察し、マイカ基材とセルロース繊維の高低差を繊維幅とみなして計測する。
化学処理方法としては、特に限定されないが、例えば、触媒として上述のTEMPOを用い、pHを調整しながら次亜塩素酸ナトリウムなどの酸化剤、臭化ナトリウムなどの臭化物を用いて、セルロース繊維を酸化してカルボキシル化する方法が挙げられる。この方法により、セルロースのC6位の水酸基がカルボキシル化されたセルロース繊維、すなわち、セルロースのC6位にカルボキシ基を有するセルロース繊維が得られる。このカルボキシル化されたセルロース繊維は、セルロース繊維相互の静電反発が高まり膨潤するため、低エネルギーを投入した機械処理によってセルロース繊維の分散液を調製することができる。
この化学処理方法の一例としては、例えば、次のような方法が挙げられる。
セルロース繊維を含む溶媒に、マーセル化剤として水酸化ナトリウム、水酸化カリウムを添加する。次いで、セルロース繊維と、溶媒と、マーセル化剤とを混合し、セルロース繊維のマーセル化処理を行った後、カルボキシメチル化剤をグルコース残基当たり0.05倍モル〜10.0倍モル添加し、エーテル化反応を行い、カルボキシメチル基を導入したセルロース繊維が得られる。このカルボキシメチル基を導入したセルロース繊維は、カルボキシメチル基に起因して、セルロース繊維相互の静電反発が起こるため、容易に微細化することができる。
前処理したセルロース繊維を洗浄したもの、またはその前処理の処理液を懸濁液として微細化して得られるセルロース繊維を、バリア層2の材料として用いることができる。
バリア層2の塗工量が乾燥質量で0.2g/m2以上であると、紙基材1の凹凸の影響を受けて、バリア層2に欠陥が生じ難く、バリア層2のガスバリア性を向上することができる。バリア層2の塗工量が乾燥質量で30.0g/m2以下であると、製造コストの増加を抑制できる。
バリア層2におけるセルロース繊維の含有量が50質量%以上であると、バリア層2は耐屈曲性とガスバリア性が向上する。
キャストフィルムの比重は、デジタル比重計(商品名:AND−DMA−220、安藤計器製工所社製)を用いて測定することができる。キャストフィルムは、セルロース繊維の水分散液をポリスチレン製の角型ケース内に所定量流し込み、50℃で24時間加熱乾燥することにより作製することができる。
これらの水溶性高分子は、成膜性、透明性、柔軟性等に優れ、セルロース繊維との相性もよいため、容易にセルロース繊維の間隙を充填し、強度と密着性を併せ持つバリア層2を形成することができる。また、ポリビニルアルコール(PVA)は、ポリ酢酸ビニルをけん化して得られるものであるが、酢酸基が数十%残存している、いわゆる部分けん化PVAから、酢酸基が数%しか残存していない完全けん化PVAまでを含む。
水溶性高分子(B)の質量比が1以上であると、水溶性高分子(B)により、セルロース繊維の間隙を充填することができる。一方、水溶性高分子(B)の質量比が50以下であると、紙基材1に対するバリア層2の密着性が向上するとともに、バリア層2に欠損が生じない。また、紙基材1に対して、バリア層2の材料となる塗液が染み込み過ぎて、バリア層2の成膜性が低下すること抑制できる。
屈曲後の酸素透過率が上記の範囲内であれば、バリア紙10は、加工・成型後も良好なガスバリア性を発揮することができる。
図1を参照して、本実施形態に係るバリア紙10の製造方法について説明する。
始めに、セルロース繊維を微細化(解繊)する(セルロース繊維の微細化工程)。
セルロース繊維の微細化方法としては、特に限定されず、例えば、高圧ホモジナイザー、超音波ホモジナイザー、グラインダー磨砕、凍結粉砕、メディアミル等の分散装置を用いた機械処理が挙げられる。
また、機械処理を行う前工程として、セルロース繊維に上述の化学処理を施してもよい。機械処理や化学処理の処理度を任意に制御することにより、所望の繊維形状や粒子径を有するセルロース繊維を得ることができる。
このとき、セルロース繊維の分散液に、上述の化学処理に用いられる化合物を添加し、その分散液を用いて、セルロース繊維の微細化処理と化学処理を行う。
セルロース繊維の微細化工程で得られた、微細化されたセルロース繊維を用いる場合、予めそのセルロース繊維を水に分散させて、セルロース繊維を含む分散液を調製する。
塗工液のpHの調整には、例えば、塩酸水溶液等の希酸が用いられる。
なお、セルロース繊維の塗工液のpHが高い場合、塗工液に希塩酸等を加えて、pHを調整した後に架橋剤を加えることが好ましい。
オキサゾリン基の数が1以下では、セルロース繊維同士、またはセルロース繊維と紙基材1の一方の面1aを架橋することができない。また、オキサゾリン基を2つ以上有する化合物を用いれば、多くの架橋点を広い範囲で形成することができるため、セルロース繊維同士、またはセルロース繊維と紙基材1の一方の面1aの間で密着性が向上する。
架橋剤の分子量が1000以上であれば、架橋剤が長くなり、多くの架橋点を広い範囲で形成することができるため、セルロース繊維同士、またはセルロース繊維と紙基材1の一方の面1aの間で密着性が向上する。
セルロース繊維を含む分散液と、水溶性高分子を含む水溶液とを混合する場合、上述の通り、セルロース繊維(A)と、水溶性高分子(B)との質量比((A)/(B))が、50/50〜99/1であることが好ましい。
これにより、紙基材1と、紙基材1の一方の面1aに形成されたセルロース繊維を含むバリア層2と、を有するバリア紙10を得る。
乾燥温度は、100℃〜180℃であることが好ましい。乾燥温度が100℃以上であれば、セルロース繊維同士、またはセルロース繊維と紙基材1の一方の面1aの架橋点が多くなり、バリア層2の強度、セルロース繊維同士、またはセルロース繊維と紙基材1の一方の面1aの間で密着性が向上する。また、塗膜内の水分が抜けるため、セルロース同士の水素結合が増えて、バリア層2の凝集力が高くなり、耐屈曲性が向上する。一方、乾燥温度が180℃以下であれば、バリア層2が熱により劣化して変色することを防止できる。
図2は、本発明の実施形態に係るシート材を模式的に示す断面図である。図3は、本発明の実施形態に係る紙カップを模式的に示す斜視図である。
本実施形態に係る紙カップは、本実施形態のバリア紙10からなり、バリア層2が内面側に配置されたものである。
本実施形態に係る紙カップ200は、本実施形態のバリア紙10に対し樹脂からなる層(以下「樹脂層」と言う。)20を積層しシート材100としたものから成型することができる。図2に示すように、樹脂層20は、バリア紙10のバリア層2上および紙基材1上に形成する。
樹脂層20の材料としては、ヒートシール可能な樹脂を用いることもできる。ヒートシール可能な樹脂としては、低密度ポリエチレン樹脂(LDPE)、中密度ポリエチレン樹脂(MDPE)、高密度ポリエチレン樹脂(HDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)等のポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン樹脂、プロピレン-エチレンランダム共重合体、プロピレン−エチレンブロック共重合体等のポリプロピレン系樹脂等から選択可能であるが、作業性、加工適性、経済性等の面から直鎖状低密度ポリエチレン樹脂(LLDPE)が好ましい。
また、樹脂層20の厚みは、10μm以上50μmであることが好ましい。
バリア層2上に樹脂層20を形成する際には、密着性改善のため、予めバリア層2に、コロナ処理、オゾン処理、プラズマ処理、グロー放電処理、化学薬品を用いた酸化処理等公知の表面処理を施してもよい。あるいは、バリア層2と樹脂層20の間に、プライマーコート層、アンカーコート層、接着剤層等を任意に形成してもよい。 さらに、必要に応じて、印刷層、帯電防止層等を積層したりすることができる。
次に、別に作製した蓋材を剥離可能な様にシールし密閉することにより、紙カップ200が得られる。
ここで、胴材、底部材、蓋材の全てが本実施形態のバリア紙である必要はなく、必要に応じて異なるシート材を用いてもよい。
漂白クラフトパルプ10gを水500mL中に12時間静置し、漂白クラフトパルプを膨潤させた。
この膨潤した漂白クラフトパルプを含む水を20℃に温度調整し、その水に、2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペジニルオキシラジカル0.1gと、臭化ナトリウム1gとを添加し、パルプ懸濁液を調製した。
さらに、パルプ懸濁液を攪拌しながら、ここにセルロース質量当たり10mmol/gの次亜塩素酸ナトリウムを添加した。
このとき、パルプ懸濁液に約1Nの水酸化ナトリウム水溶液を添加して、パルプ懸濁液のpHを約10.5に保持した。
続いて、240分間酸化反応を行った後、パルプ懸濁液をろ過し、回収物を十分に水洗して、パルプを得た。
得られたパルプにイオン交換水を加えて、固形分濃度が1質量%となるように調整し、高速回転ミキサーを用いて約60分間攪拌し、透明なセルロース繊維を含む分散液1を得た。
分散液に含まれるセルロース繊維の平均繊維径を、以下に示す方法で測定した。
セルロース繊維の平均繊維径の測定は、上述のセルロース繊維を含む分散液を、レーザー回折式粒度分布測定装置(商品名:SALD−7000H、島津製作所社製)を用いて測定した。
その結果、セルロース繊維の平均繊維径は2.85nmであった。
分散液に含まれるセルロース繊維のカルボキシ基量を、以下に示す方法で測定した。
絶乾質量換算で0.2gの湿潤酸化セルロースをビーカーに量りとり、蒸留水を加えて60gとした。0.1mol/LのNaCl水溶液を0.5mL加え、0.5mol/Lの塩酸でpHを3とした後、0.5mol/LのNaOH水溶液を滴下して伝導度測定を行った。伝導度測定はpHが11程度になるまで続けた。
弱酸の中和段階に相当する部分がカルボキシ基量となるため、得られた伝導度曲線からNaOHの添加量を読み取ると、カルボキシ基量は1.6mmol/gであった。
漂白クラフトパルプ50gを水350mLに懸濁させ、漂白クラフトパルプを膨潤させた。
この膨潤した漂白クラフトパルプのグルコースユニット当たり70gの水酸化ナトリウムを混合し、30℃に温度調整し、1時間マーセル化処理を行った。
続いて、70℃まで昇温し、モノクロロ酢酸ナトリウムを90g添加し、1時間反応を行った。
反応後のパルプを中和、洗浄した後、パルプにイオン交換水を加えて、アニオン化パルプの固形分濃度が1質量%となるように調整し、高速回転ミキサーを用いて約60分間攪拌し、透明なセルロース繊維を含む分散液2を得た。
得られた分散液に含まれるセルロース繊維の平均繊維径を、評価1と同様に測定した結果、3.55nmであった。
得られた分散液に含まれるセルロース繊維のカルボキシ基量を、評価2と同様に測定した結果、0.21mmol/gであった。
漂白クラフトパルプ10gを水500gに懸濁させ、漂白クラフトパルプを膨潤させた。
この膨潤した漂白クラフトパルプを含む水に、水酸化ナトリウム25gを添加し、5%NaOH水溶液を調製し、25℃で24時間静置し、パルプ懸濁液を調製した。
続いて、このパルプ懸濁液にイオン交換水を加えて、固形分濃度が1質量%となるように調整した。
続いて、この懸濁液を石臼式磨砕機(商品名:スーパーマスコロイダー MK CA 6−2、増幸産業社製)に入れ、砥石により10回処理を繰り返すことにより、白色クリーム状のセルロース繊維を含む分散液3を得た。
得られた分散液に含まれるセルロース繊維の平均繊維径を、評価1と同様に測定した結果、100nmであった。
市販のポリビニルアルコール(商品名:PVA−124、クラレ社製)5gをビーカーに量りとり、純水を加えて500gとした。これを100℃に加熱しながら攪拌し、純水にポリビニルアルコールを溶解させて、ポリビニルアルコールの1質量%水溶液を調製した。
市販のカルボキシメチルセルロース(商品名:F10LC、日本製紙社製)5gをビーカーに量りとり、純水を加えて500gとした。これを100℃に加熱しながら攪拌し、純水にカルボキシメチルセルロースを溶解させて、カルボキシメチルセルロースの1質量%水溶液を調製した。
セルロース繊維を含む分散液1〜3のいずれかを100g採取し、水溶性高分子水溶液として、上記ポリビニルアルコールまたは、カルボキシメチルセルロースの水溶液を100g加えた。
必要に応じて1Nの希塩酸を加えてpHを調整し、スターラーで30分攪拌した。
十分に混合した後、架橋剤を1質量%含む水溶液をセルロース繊維の固形分100質量部に対して10質量部加え、セルロース繊維と架橋剤を含む塗工液を調製した。
耐酸紙(商品名:PC−CUP、坪量280g/m2、日本製紙社製)基材上に、上述のように調製した塗工液をバーコート法により塗工して、乾燥後の厚みが1.0μmとなるように塗膜を形成した後、その塗膜を150℃にて10分間乾燥させて、耐酸紙基材上にバリア層が形成されたバリア紙を得た。
水溶性高分子としては、ポリビニルアルコールを用いた。
架橋剤としては、日本触媒社製のエポクロスWS500を用いた。
塗工液のpHを4.7に調整した。
続いて、押し出しラミネーション法により、バリア紙の両面にヒートシール層を貼り合わせた。
ヒートシール層の材料としては、日本ポリエチレン社製のポリエチレンLC600Aを用いた。
水溶性高分子として、カルボキシメチルセルロースを用いたこと以外は実施例1〜3と同様にして、バリア紙を作製した。
耐酸紙(商品名:PC−CUP、坪量280g/m2、日本製紙社製)基材上に、セルロース繊維を含む分散液1〜3をバーコート法により塗工して、乾燥後の厚みが1.0μmとなるように塗膜を形成した後、その塗膜を150℃にて10分間乾燥させて、耐酸紙基材上にバリア層が形成されたバリア紙を得た。
続いて、押し出しラミネーション法により、バリア紙の両面にヒートシール層を貼り合わせた。
ヒートシール層の材料としては、日本ポリエチレン社製のポリエチレンLC600Aを用いた。
実施例1〜6と比較例1〜3で得られたバリア紙の性能を、下記の方法に従って評価した。
実施例1〜6と比較例1〜3のバリア紙を、幅15mm×長さ10cmの短冊状に切り抜き、試験片とした。
この試験片について、JIS−K−7127に準拠して、引張り速度300mm/minでT字剥離を行って、紙基材とヒートシール層の間の密着強度(N/15mm)を測定した。
また、バリア紙を短冊状に切り抜いた後、純水中に24時間浸漬したサンプルを作製し、同様の密着強度の評価を行った。
結果を表1に示す。
密着強度の評価を行った後のサンプルについて、セルロース繊維のカルボキシ基と紙基材を、o−トルイジンブルーの1%希釈液を用いて染色した。この希釈液により、セルロース繊維のカルボキシ基を紫色、紙基材を青に染色した。
染色後のサンプルを目視により観察し、サンプルのどの部分で剥離しているかを確認した。
実施例1〜6と比較例1〜3で得られたバリア紙について、水に浸漬する前後の酸素透過度(cc/m2・day)を、下記の方法に従って測定した。
酸素透過度測定装置MOCON(商品名:OX−TRAN2/21、モダンコントロール社製)を用いて、30℃、40%RHの雰囲気下におけるバリア紙の酸素透過度を測定した。
結果を表1に示す。
一方、比較例1〜3の架橋剤を添加していないバリア層を有するバリア紙は、水に浸漬前には紙基材とバリア層の界面、水に浸漬後にはバリア層とヒートシール層の界面で剥離していることが分かった。
2・・・バリア層
10・・・バリア紙
20・・・樹脂層
100・・・シート材
200・・・紙カップ
Claims (7)
- 紙基材と、前記紙基材上に形成されたセルロース繊維を含むバリア層と、を有し、
前記セルロース繊維が、オキサゾリン基を介して架橋していることを特徴とするバリア紙。 - 前記バリア層の塗工量は、乾燥質量で0.2g/m2以上30.0g/m2以下であることを特徴とする請求項1に記載のバリア紙。
- 前記セルロース繊維の繊維幅は1nm以上200nm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のバリア紙。
- 前記バリア層は、水溶性高分子を含有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のバリア紙。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のバリア紙からなり、
前記バリア層が内面側に配置されたことを特徴とする紙カップ。 - 紙基材上に、セルロース繊維と、オキサゾリン基を2つ以上有する架橋剤とを含む塗工液を塗工して塗膜を形成する工程と、
前記塗膜を乾燥する工程と、を有することを特徴とするバリア紙の製造方法。 - 前記架橋剤の分子量は、1000以上であることを特徴とする請求項6に記載のバリア紙の製造方法。
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