JP2018505266A - フィルムおよびフィルムレーザー変換装置 - Google Patents
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Abstract
ポリオレフィンフィルムをレーザー切断する多様な方法、特に二酸化炭素レーザーを用いたレーザー切断方法が説明されている。レーザー切断され得る改質されたポリオレフィン材料も説明されている。
Description
本出願は2014年12月30日付で出願された米国仮出願第62/098,010号の利益を主張し、これは全体的に本明細書内に参照として含まれる。
本発明は二酸化炭素(CO2)レーザーを利用したレーザー切断ポリオレフィンフィルムおよびラベル組立体(assembly)に関するものである。
接着ラベルおよびフィルム組立体は、一般に、商業的な販売のために製品を包装したり準備するために製造業者、流通業者および/または小売り業者などの「変換者(converters)」によって使用される。変換者は、処理装備または「ライン(lines)」を使用して所望通りにラベルおよび/またはフィルム組立体を選択的に切断し、例えば、多様な商業用製品のためのパッケージを形成する。このような変換ラインはまた例えば印刷などのラベルおよびフィルム組立体での追加的な作業を行うことができる。
典型的な変換ラインは、一般にラベルおよび/またはフィルム組立体を選択的に印刷および切断するためのフレキソ印刷および機械的ダイ切断装備を含む。機械的ダイ切断は、多くの側面で、特に大量の変換ラインに適している。
最近、ラベルおよび/またはフィルム組立体を切断するために一つ以上のレーザーを用いるデジタル変換ラインが徐々に大衆化している。デジタル変換ラインは、少量の処理に有用であり、典型的な機械的ダイ切断(die cutting)と比較して、切断深さおよびパターンのような切断媒介変数の変更において柔軟性をより高めることができる。ラベルおよびフィルム組立体のレーザー変換は、簡単に調整でき、大量のラベルまたはフィルムラミネートにおいて多様な形状を切断することができる。切断媒介変数に対する変更は、レーザーカッターを制御するソフトウェアを通じて容易に行われ得る。
ほとんどのデジタル変換ラインは、典型的に約10.6ミクロンまたは約10.2〜10.60ミクロンの範囲内の波長を有する光を放出するCO2レーザーを用いる。CO2レーザーのこのような放出波長は、しばしば、「中間赤外線」波長または波長範囲および/または「長赤外線」波長または波長範囲と称される。
ラベルおよびフィルムラミネートを変換するためにCO2レーザーでデジタル変換ラインを使用する際に発生する問題は、このようなラベルおよびフィルムラミネートに使用される多くの重合体フィルムがCO2レーザーから放出される光に相対的に透明であるということである。このようなフィルムの例はポリエチレンである。比較的高い光透過率およびこれによるCO2レーザーによって放出される光に対するポリエチレンの低い光学吸光度によって、レーザーによる劣悪な切断性能が現れる。したがって、例えばポリエチレン材料のような特定ラベルおよびフィルムラミネートを変換するためにCO2レーザーの使用を可能にする方法の必要性が存在する。
劣悪なレーザー切断の結果は、遅い切断速度である。特定の適用のために、例えば切断形状またはパターンを容易に変形させることができる能力といった工程柔軟性の増加が伴えば、遅い切断速度は許容され得る。しかし、遅い切断速度は、特に大量変換ラインの場合、一般には許容されない。一般に、多くの応用分野において、切断速度を高めるためにレーザー電力を単純に増加させることはできない。ラベルおよびフィルムラミネートに使用される多くの材料は、より高いレーザー出力レベルによる損傷に影響を受けやすい。そして材料の過度な加熱、好ましくない切断面および切断面に隣接した材料特性の変化などの、さらに高いレーザー電力水準の使用によって所望しない結果が発生する可能性がある。したがって、言及された問題が伴うことなくレーザー切断速度を増加させる方法の必要性が存在する。
多くの適用において、ライナーを切断または損傷させずにラベルの一つ以上のフィルムが切断されるように、ラベルとライナー組立体を「キスカット(kiss cut)」することが好ましい。このような切断作業を行うために、一般に機械的切断組立体が使用されている。しかし、これは切断工程の精密な制御と機械的部品を必要とする。レーザーを使用してラベルおよびライナー組立体をキスカットすることは本技術分野において公知であるが、ライナーに対する損傷は共通の問題である。例えば、特定等級(grade)のポリエチレンフィルムをレーザー切断する場合、レーザーのために比較的高い電力レベルを用いる必要がある。このようなレーザー電力レベルは、典型的にライナーまたはライナーを介して切断される一部の適用物(application)に深刻な損傷を与える。したがって、ライナーを損傷させたり切断せずにラベルおよびライナー組立体をレーザー切断、特にレーザーキスカットする方法の必要性が存在する。
以前の取り組みと関連する問題点が本発明で次の通り扱われる。
一態様において、本発明は、CO2レーザーを使用してポリオレフィンフィルムをレーザー切断する方法を提供する。本方法は、ポリオレフィン材料を提供することを含む。本方法はまたポリオレフィン材料内に少なくとも一つの試剤を混入させることを含む。この試剤は、少なくとも一つの無機剤、少なくとも一つの有機剤、そしてこれらの組合わせからなるグループから選択され、これによって増加した光学吸光度を有する改質されたポリオレフィン材料が形成される。本方法はまた改質されたポリオレフィン材料からフィルムを形成することを含む。またこの方法は、少なくとも一つのCO2レーザーを使用してフィルムをレーザー切断することを付加的に含む。
一態様において、本発明は、CO2レーザーを使用してポリオレフィンフィルムをレーザー切断する方法を提供する。本方法は、ポリオレフィン材料を提供することを含む。本方法はまたポリオレフィン材料内に少なくとも一つの試剤を混入させることを含む。この試剤は、少なくとも一つの無機剤、少なくとも一つの有機剤、そしてこれらの組合わせからなるグループから選択され、これによって増加した光学吸光度を有する改質されたポリオレフィン材料が形成される。本方法はまた改質されたポリオレフィン材料からフィルムを形成することを含む。またこの方法は、少なくとも一つのCO2レーザーを使用してフィルムをレーザー切断することを付加的に含む。
他の態様において、本発明はCO2レーザーを用いて切断できる多層フィルムを提供する。多層フィルムは、コア層および少なくとも一つのスキン層を含む。コア層と少なくとも一つのスキン層のうち少なくとも一つは、ポリオレフィンおよび特定濃度の少なくとも一つの試剤を含み、多層フィルムは10.6ミクロンの波長または10.2ミクロン〜10.25ミクロンの範囲内の波長を有する光に対する増加した光学吸光度を示す。
理解できるように、本明細書に記述された本発明は他の実施例および相違する実施例が可能であり、そのいくつかの細部事項はすべて請求された範囲を逸脱することなく多様な点において変形され得る。したがって、説明は例示的なものであり制限的なものではないと見なされるべきである。
本発明は、ポリエチレンおよび類似の材料などのポリオレフィンを含有するフィルムのレーザー切断を可能にする多様な方法、特にCO2レーザーを使用したレーザー切断を提供する。特定試剤を特定濃度でフィルムに混入させることによって、(i)10.6μmおよび/または(ii)10.2μm〜10.25μmの波長に対するフィルムの光学吸光度がかなり増加することがあり、それによってフィルムのCO2レーザー切断が可能である。特定フィルムを特定の延伸比率で特定方向に延伸することもフィルムのレーザー切断を顕著に向上させることができる。言及した試剤の混入は、フィルムの戦略的延伸と組み合わせて用いられ、レーザー切断、特にCO2レーザーを用いて切断され得るフィルムを生産することができる。
本発明は、また、ライナー上に配置された一つ以上のフィルムを含むラベル組立体をキスカットする多様な方法を提供する。フィルムは、典型的に本明細書に説明しているようなポリオレフィンフィルムであり、これは言及し試剤を含み、それによって10.6μmおよび/または10.2μm波長を有する光に対するフィルムの光学吸光度を増加させる。フィルムはまた特定延伸率で特定方向に延伸して、フィルムのレーザー切断性を促進することができる。
本発明は、また、(i)例えばポリエチレンおよび類似の材料であり得るポリオレフィンフィルムなどのポリマーフィルム内に特定濃度の特定試剤を混入させること、および/または(ii)特定延伸率で特定方向にフィルムを延伸させることによって、レーザー電力を増加することなくレーザー切断速度を増加させる多様な方法を提供する。この方法は、CO2レーザーのためにレーザー切断速度を増加させることおよび/またはポリエチレンのような重合体材料の切断に特に有用である。
本発明は、また、レーザーによって、特にCO2レーザーによって容易に切断され得る多様なフィルムを提供する。多様なフィルムは単層フィルムであり得、重合体材料の多重層を含むことができる。本発明のこの態様および他の態様のすべては、本明細書でさらに詳細に説明される。
光学吸光度
本主題の多様な態様に注目する前に、材料の光学吸光度、その測定および光学吸光度の一般的な定量化方法について検討することが有益である。
本主題の多様な態様に注目する前に、材料の光学吸光度、その測定および光学吸光度の一般的な定量化方法について検討することが有益である。
分光学において、材料の吸光度(「光学密度」ともいう)は材料に照射される放射線の量と材料を通じて透過する放射線の量の対数比率である。吸光度の測定は、しばしば分析化学で行われる。物理学において、用語「分光吸光度」は「分光吸収率」または「吸収能」ともいう。密接に関連した用語は下記で説明される「透過率」である。
Aλで表される、光の特定波長(λ)における吸光度は、式(1)で表される定量的な測定値である。
したがって、吸光度Aλは、材料に照射される放射線(材料を通過する前の放射線または入射放射線の強度)IOと、材料を通過した放射線(材料を通過した放射線または透過した放射線の強度)Iとの間の符号のない対数比率である。このように、吸光度は透過率Tと密接な関連がある:
用語「吸収」は、光を吸収する物理的過程を示し、「吸光度」は、数学的量を示す。
吸光度、は適切な単位はないが、しばしば「吸光度単位」またはAUで報告される。しかし、科学的研究者を含む多くの人々は、このような任意単位の面から吸光度測定実験の結果を誤って述べる。
吸光度、は適切な単位はないが、しばしば「吸光度単位」またはAUで報告される。しかし、科学的研究者を含む多くの人々は、このような任意単位の面から吸光度測定実験の結果を誤って述べる。
典型的に、材料の吸光度は、吸収分光法を用いて測定される。これは、関心のある材料を通じて光を誘導すること、およびどれほど多くの光とどのような波長が検出器に伝送されたかを記録することを含む。この情報を用いて吸収された波長が決定され得る。式(1)を参照すれば、光源の透過強度はIOである。サンプルを通過した光の強度はIである。与えられた波長における材料の吸光度は、式(1)によって決定され得る。
透明な試片または材料の吸収および散乱挙動は、どれほど多くの光が通過し、透明な材料を通じて対象物がどのように現れるかを決定するであろう。
総透過率は、透過した光の入射光に対する比率である。これは、試片または材料の吸収および反射特性によって影響を受ける。総透過光は、直接透過光と拡散光とで構成される。拡散された部分の角度分布によって透明な試片が異なって現れるであろう。
視覚的知覚は、一般に広角および狭角散乱の二つの現象を区別することができる。
広角散乱はヘイズ(haze)をもたらす。光はあらゆる方向に拡散して明暗(contrast)の損失を引き起こす。ASTM D 1003は、通過時に平均して約2.5度以上の入射光線から外れる光の百分率でヘイズを限定する。
広角散乱はヘイズ(haze)をもたらす。光はあらゆる方向に拡散して明暗(contrast)の損失を引き起こす。ASTM D 1003は、通過時に平均して約2.5度以上の入射光線から外れる光の百分率でヘイズを限定する。
狭角散乱は、透視(see−through)品質および透明度に影響を及ぼす。光は小さい角度範囲にて大きな集中度を有して拡散する。この効果は、試片または材料を通じて非常に微細な細部構造をどれほどよく見ることができるかを説明する。透視品質または透明度は、一般に2.5度未満の角度範囲で決定される。ヘイズおよび透明度品質の測定および分析は、均一で一貫した製品品質を促進し、工程媒介変数および材料特性、例えば冷却速度または原材料の適合性に影響を及ぼす分析に役立つ。
ヘイズメーター(haze meter)は、フィルムの透明度を客観的に測定する。ヘイズメーターにおいて、光線が試片にぶつかりながら積分球に入る。球体の内部表面は無光白色材料で均一に被覆されて拡散を許容する。球体内の検出器は、総透過率および透過ヘイズを測定する。球体の出口ポートに装着されたリングセンサーは、狭い角度の散乱光を検出して順に透明度の表示を提供する。ヘイズメーターの例は、ヘイズガードプラス(HAZEGARD PLUS)という名称でオークランドインスツルメント社から商業的に購入できる器具である。
試剤
本発明に係るポリオレフィンフィルム、特にポリエチレンに多様な試剤が混入され得る。第1グループの試剤は、例えば(i)二酸化チタン、(ii)シリカ微粒子、(iii)二酸化チタンでコーティングされたマイカ微粒子、(iv)ナノ粘土および無機IR拡散剤(diffuser)および(v)これらの組合わせを含むことができる無機剤である。これら無機剤は、不透明または白色フィルムに混入させるのに有用である。
本発明に係るポリオレフィンフィルム、特にポリエチレンに多様な試剤が混入され得る。第1グループの試剤は、例えば(i)二酸化チタン、(ii)シリカ微粒子、(iii)二酸化チタンでコーティングされたマイカ微粒子、(iv)ナノ粘土および無機IR拡散剤(diffuser)および(v)これらの組合わせを含むことができる無機剤である。これら無機剤は、不透明または白色フィルムに混入させるのに有用である。
多様な等級および類型の二酸化チタン粒子(TiO2)が使用され、二酸化チタン粒子の濃度によって多少差のあるフィルムに白色を付与することができる。この粒子は、白色ポリプロピレンフィルムに広く使用される。他のポリプロピレン(PP)フィルムが0%〜20%の多様な濃度のTiO2で作られる。単に5%の濃度のTiO2は、(10.6μmのCO2レーザーを用いて)実質的に非−レーザー切断可能なフィルムをレーザー切断可能なPPフィルムに変形させる。高濃度のTiO2は、一般に切断性を向上させる。すなわち、一般に25%以上の濃度でレーザー切断性への影響がなくなるまでは、このようなフィルムを切断するためにより少ないエネルギーが必要である。この「飽和」水準は、フィルムの厚さと方向だけでなく、生成されたフィルムの類型、例えばフィルムがブロウン(blown)フィルム、ステンター(stenter)フィルムまたは空洞(cavitated)フィルムであるか否かにより決定される。二酸化チタンは、例えばTI−PUREという名称でデュポン(DuPont)社から購入でき、1μm未満の粒子の大きさで広範囲に求めることができる。
多様な等級および類型のシリカ微粒子が使用され得る。例えば、天然および/または合成のシリカ微粒子が使用され得る。シリカ充填剤マスターバッチ(Silica filler master batch)、特に、例えばポリエチレンまたはポリプロピレン内のシリカ濃縮物が使用され得る。使用され得る、商業的に購入できるシリカの非制限的な例は、A.シュールマン社から購入できるポリバッチ(POLYBATCH)IR 1515および/またはIR 2994を含む。多くの実施例において、シリカはポリオレフィン樹脂、特にポリエチレンおよび/またはポリプロピレンに7.5%〜15%の範囲内の重量%で混入される。
前記した通り、無機剤は、二酸化チタン(TiO2)で被覆されたマイカ微粒子を含むことができる。マイカ微粒子は、典型的にフレーク(flake)形態であるが、本発明は多様な他の形状および構成を含む。典型的にフレーク状であるマイカ微粒子は、光散乱によって測定される通り、微粒子の95%が1〜15ミクロンの範囲内にある粒子の大きさの範囲を有する。一般的な平均粒子の大きさは4ミクロンである。しかし、本発明は、最終用途の適用に好適な任意の粒子の大きさの使用を含むことが理解されるであろう。マイカは、二酸化チタンで被覆される。多様な類型および等級の二酸化チタンで被覆されたマイカが商業的に購入可能であり、本発明によって使用され得る。このような被覆されたマイカの非制限的な例は、BASFのMAGNAPEARL 3000である。多くの実施例において、二酸化チタンで被覆されたマイカは、2%〜20%、特に2.5%〜10%の範囲内の重量濃度でポリオレフィンに混入され、5%が特定実施例で有用である。
言及の通り、無機剤はまたナノ粘土および無機IR拡散剤を含むことができる。無機IR拡散剤の代表的且つ非制限的な例は、カラーテック(COLORTECH)100LT7969、カラーテック(COLORTECH)100LM4529およびカラーテック(COLORTECH)100LM4559という名称でカラーテック社から商業的に購入可能なものを含む。
第2グループの試剤は、例えば(i)少なくとも一つの酢酸ビニル基を含有するポリマー、(ii)少なくとも一つのビニルアルコール基を含有するポリマー、(iii)ポリエチレンテレフタレートグリコール(PETG)、(iv)ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)などの特定アクリル、(v)ナイロンおよび(vi)これらの組合わせを含むことができる有機剤である。このような有機剤は、透明フィルムに混入するのに有用である。特定の適用において、このような試剤は、不透明そして特に白色フィルムに混入するのに有用である。
本発明の多くの実施例において、有機剤は、酢酸ビニルおよび/または例えば、エチレン酢酸ビニルおよび/またはエチレン酢酸ビニル共重合体などの酢酸ビニル基を含有する試剤であり得る。エチレンと酢酸ビニルの共重合体が使用される本発明の特定形態において、共重合体は2.5〜55%の範囲内の酢酸ビニル含有量を有する。エチレン酢酸ビニルおよび/またはエチレン酢酸ビニル共重合体のために多様な商業的供給源が存在する。例えば、エチレン酢酸ビニル共重合体は、ATEVAという名称でセラニス社から商業的に購入することができる。適切な等級は、18%の酢酸ビニルを含むATEVA 1821Aを含む。エチレン酢酸ビニル共重合体の他の商業的供給源は、アルケマ(ARKEMA)からのエバタネ(EVATANE)という名称で購入することができる。好適な等級は、28%の酢酸ビニルを含むエバタネ28−03を含む。多様な等級のエチレンビニルアルコールおよび/またはエチレンビニルアルコールを含む成分が有機剤として使用され得る。特定の形態において、EVOH中のビニルアルコールの重量%は約62.5%である。多くの実施例において、有機剤は、少なくとも一つのオレフィン単量体と、エチレン酢酸ビニル共重合体、エチレンアクリル酸共重合体、エチレンアクリレート共重合体、エチレンメチルアクリレート共重合体およびエチレンブチルアクリレート共重合体などの単量体を含有する少なくとも一つのエステル基との反応物である改質されたポリオレフィン共重合体樹脂を含む。有機剤はまたポリエチレンテレフタレートグリコール(PETG)および/またはこれの誘導体形態であり得る。特定アクリルは、例えばポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)のような有機剤のために使用され得る。有機剤は、非晶質ナイロンまたは脂肪族ポリアミドの形態であり得る。有機剤がナイロンである特定の実施例において、ナイロンは非晶質ナイロンまたは結晶質ナイロンであり得る。ナイロンが結晶質ナイロンである形態において、m−キシレンジアミン(MXDA)から製造された多様なポリアミドを含むナイロン−MXD6が使用され得る。ナイロン−MXD6は、MXDAとアジフ酸の縮合によって生産された結晶質ポリアミドである。ナイロン−MXD6は、主鎖に芳香環を含有した脂肪族ポリアミドであり、したがってナイロン6およびナイロン6,6と区別することができる。一つ以上の有機剤の付加的な細部事項がフィルムと共に本明細書で説明される。
有機剤の量は、ポリオレフィン材料内での有機剤の総量が2.5%〜55%、特に15%〜50%の重量%の範囲内にあるように選択される。特定の実施例において、有機剤が酢酸ビニルおよび/または酢酸ビニル含有試剤を含む場合、試剤の量は、ポリオレフィン材料内での酢酸ビニルの総量が2.5%〜15%、特に7.5%〜15%の重量%の範囲内にあるように選択され、そして特定形態では約10%である。
使用された第3グループの有機剤は、ハンツマンインターナショナルLLC(Huntsman International,LLC)からKRYSTAGRAMという名称で商業的に購入可能なアクリル、ポリスチレン(PS)、ポリ乳酸(PLA)、ポリカーボネート(PC)および熱可塑性ポリウレタン(TPU)である。PLAとPSはいずれもポリエチレン(PE)と非混合性である。非混合性材料に起因する不良な混合および劣悪な機械的特性によって、典型的にPLAとPSはフィルム製造時にPEと混合されない。しかし、本発明の特定実施例において、これらの材料、すなわちPLAとPSを多層フィルムで単一層として混合することによってこれらはアクリルおよびポリカーボネ−トとともに使用され得る。一般に、タイ層(tie layer)は、PLAおよびPS双方のために必要である。
言及の無機剤の一つ以上そして言及の有機剤の一つ以上の組合わせが用いられ得る。
多様な試剤がフィルムの形成前にフィルム材料に混入され、これは、この実行がフィルム上の被覆またはフィルム内での試剤の非均一分布ではなく、フィルム内で試剤の比較的均一な分布を促進するためである。一つ以上の試剤をフィルム材料に混入させるために多様な技術が使用され得る。多くの実施例において、フィルム材料が流動性または液体状態にある間に、試剤がフィルム材料に混入される。通常の混合(mixing)および/またはブレンド(blending)する動作を使用して、フィルム材料内で一つ以上の試剤を均一に分散させることができる。言及の試剤を含有した改質されたポリオレフィンフィルムを形成した後、フィルムを形成するために通常の技術が使用され得る。
多様な試剤がフィルムの形成前にフィルム材料に混入され、これは、この実行がフィルム上の被覆またはフィルム内での試剤の非均一分布ではなく、フィルム内で試剤の比較的均一な分布を促進するためである。一つ以上の試剤をフィルム材料に混入させるために多様な技術が使用され得る。多くの実施例において、フィルム材料が流動性または液体状態にある間に、試剤がフィルム材料に混入される。通常の混合(mixing)および/またはブレンド(blending)する動作を使用して、フィルム材料内で一つ以上の試剤を均一に分散させることができる。言及の試剤を含有した改質されたポリオレフィンフィルムを形成した後、フィルムを形成するために通常の技術が使用され得る。
特定の実施例において、一つ以上の試剤は、一つ以上のポリオレフィンと結合して改質されたポリオレフィンを形成し、改質されたポリオレフィンフィルムの透明度は試剤を含まないポリオレフィンの対応するフィルムと類似している。本明細書で使用されている用語「類似している(comparable)」は、ポリオレフィンフィルムの光学透明度に対する改質されたポリオレフィンフィルムの光学透明度と関連する。具体的に、この用語は、改質されたポリオレフィンフィルムの光学的透明度が試剤のないポリオレフィンフィルムの光学的透明度の90%以内、ある実施例では95%以内、そして特定実施例では100%以内であることを示す。本明細書で使用されている用語「光学的透明度」は、可視光線に関するフィルムの透明度または透明性に言及する。光学的透明度は、当業界で利用可能な透明度計測器によって測定でき、一般にASTM D1746によって限定される。
フィルム
言及の通り、本発明は、レーザー切断の対象となり得、レーザーによって効果的に切断、成形および/またはパターン化され得るポリオレフィンフィルムに関するものである。ポリオレフィンは、一つ以上の炭素−炭素二重結合を有する脂肪族炭化水素であるオレフィンの単独重合体または共重合体を含む。オレフィンは、1−ブテンなどの、アルファ−オレフィンとしても知られている1−アルケン、および2−ブテンなどの、炭素鎖の非末端炭素原子上に炭素−炭素二重結合を有する内部アルケンを含むアルケン;シクロヘキセンおよびノルボルナジエンなどの、一つ以上の炭素−炭素二重結合を有する環状オレフィン;および1,4−ブタジエンおよびイソプレンのような、2以上の炭素−炭素二重結合を有する非環状脂肪族炭化水素である環状ポリエンを含む。ポリオレフィンは、単一アルケン単量体からの、ポリプロピレン単独重合体などのアルケン単独重合体と、少なくとも一つのアルケン単量体および一つ以上の更なるオレフィン単量体からの、プロピレン−エチレン共重合体およびプロピレン−エチレン−ブタジエン共重合体などのアルケン共重合体(ここで最初に挙げられたアルケンは共重合体の主な構成成分である)と、単一環状オレフィン単量体からの環状オレフィン単独重合体と、少なくとも一つの環状オレフィン単量体と一つ以上の更なるオレフィン単量体からの環状オレフィン共重合体(ここで最初に挙げられた環状オレフィンは共重合体および前記オレフィン重合体の任意の混合物の主な構成成分である)と、を含む。
言及の通り、本発明は、レーザー切断の対象となり得、レーザーによって効果的に切断、成形および/またはパターン化され得るポリオレフィンフィルムに関するものである。ポリオレフィンは、一つ以上の炭素−炭素二重結合を有する脂肪族炭化水素であるオレフィンの単独重合体または共重合体を含む。オレフィンは、1−ブテンなどの、アルファ−オレフィンとしても知られている1−アルケン、および2−ブテンなどの、炭素鎖の非末端炭素原子上に炭素−炭素二重結合を有する内部アルケンを含むアルケン;シクロヘキセンおよびノルボルナジエンなどの、一つ以上の炭素−炭素二重結合を有する環状オレフィン;および1,4−ブタジエンおよびイソプレンのような、2以上の炭素−炭素二重結合を有する非環状脂肪族炭化水素である環状ポリエンを含む。ポリオレフィンは、単一アルケン単量体からの、ポリプロピレン単独重合体などのアルケン単独重合体と、少なくとも一つのアルケン単量体および一つ以上の更なるオレフィン単量体からの、プロピレン−エチレン共重合体およびプロピレン−エチレン−ブタジエン共重合体などのアルケン共重合体(ここで最初に挙げられたアルケンは共重合体の主な構成成分である)と、単一環状オレフィン単量体からの環状オレフィン単独重合体と、少なくとも一つの環状オレフィン単量体と一つ以上の更なるオレフィン単量体からの環状オレフィン共重合体(ここで最初に挙げられた環状オレフィンは共重合体および前記オレフィン重合体の任意の混合物の主な構成成分である)と、を含む。
一実施例において、フィルムは、一つ以上の重合体または重合体成分のブレンドである。例えば、フィルムは、約60%〜約80%のポリオレフィンと約20%〜約40%のエチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)との混合比率で、一つ以上のポリオレフィンとEVAとのブレンドを含む単層フィルムの形態であってもよく、ここで80/20、70/30および60/40の特定比率がそれぞれ有用である。
一実施例において、フィルムは、コア層と少なくとも一つのスキン層とを含む多層フィルムである。スキン層は、印刷可能なスキン層であり得る。一実施例において、多層フィルムは、コア層および二つのスキン層を含み、少なくとも一つのスキン層が印刷可能である。他の実施例において、多層フィルムは、二つのスキン層、二つのタイ層(tie layer)およびコア層を含む5層フィルムである。各タイ層は、スキン層とコア層との間に位置する。多くの応用分野において、言及した3層または5層フィルムなどの多層フィルムは、スキン層の組成物が同一および/またはタイ層の組成物が同一である対称配列を用いることができる。
一実施例において、フィルムは、(a)アルファオレフィンと共にエチレンまたはプロピレンの共重合体を含み、上部表面と下部表面とを有するコア層、(b)コア層の上部表面上の一つ以上のスキン層および(c)コア層の下部表面上の一つ以上の印刷可能な層を含む、ハロゲンのない多層フィルムを含み、ここでスキン層はポリオレフィンまたはポリオレフィンブレンド(blend)を含む。
印刷スキン層は、少なくとも一つのポリエチレン(PE)および少なくとも一つのポリプロピレン(PP)を含む。ポリエチレンは、最大約0.97g/cm3の範囲、または約0.86若しくは0.87〜約0.94g/cm3の範囲の密度を有するポリエチレンを含む。ポリエチレンは、極低密度ポリエチレン(VLDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、線形低密度ポリエチレン(LLDPE)、中密度ポリエチレン(MDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、または前述したポリエチレンのうち任意のものが混合物を含むことができる。ポリエチレンの混合物は、例えば、2個の線形低密度ポリエチレンの混合物のような同じ類型の2以上のポリエチレンを含むことができるか、例えば、LLDPEとMDPEとの混合物のような2以上の他の類型から得られた2以上のポリエチレンを含むことができる。VLDPEは、一般に0.88〜0.915g/cm3の範囲の密度を有し、3〜20個の炭素原子を有するアルファ−オレフィンコモノマーとエチレンからメタロセンまたはチーグラーナッタ(Z−N)触媒作用を通じて製造されたポリエチレン共重合体を含むことができる。ここで、コモノマー含有量は4〜25モル%以上である。一般に、メタロセン触媒は、Z−N触媒と比較して重合体内により均一な分岐およびより優れた均質性を提供する。LDPEは、一般に0.86または0.87〜0.935の範囲の密度を有し、ポリエチレン単独重合体、エチレンと一つ以上のC3−C20アルファ−オレフィンコモノマーからのポリエチレン共重合体、または前記重合体のうち任意のものの混合物を含むことができ、ここで、LDPEは、フリーラジカル触媒作用を用いて高圧下で製造される。LDPEは、短鎖および長鎖分岐を有する。LLDPEは、一般に0.86または0.87〜0.93g/cm3の範囲の密度を有し、Z−Nまたはメタロセン触媒作用を用いてエチレンおよび一つ以上のC3−C20アルファ−オレフィンコモノマーから製造されたポリエチレン共重合体を含むことができる。ここで、コモノマー含有量は2.5〜3.5モル%である。LLDPEは短鎖分岐を有する。MDPEは、一般に0.925〜0.94g/cm3の範囲の密度を有し、Z−Nまたはメタロセン触媒作用を用いてエチレンおよび一つ以上のC3−C20アルファ−オレフィンコモノマーから製造されたポリエチレン共重合体を含むことができる。ここで、コモノマー含有量は1〜2モル%である。本発明の一実施例の印刷スキン層(A)は、チーグラーナッタ触媒作用からの低粘度LLDPEおよびメタロセン触媒作用からのLLDPEを含む。Z−N触媒作用からの低粘度LLDPEは、ASTM法D1238によって、190℃/2.16kgで、3−40、5−30または7−20のg/10分の溶融指数を有することができる。前述したポリエチレンは、ダウケミカル社(Dow Chemical Co.)およびエクソン−モビルケミカル社(Exxon−Mobil Chemical Co.)などの樹脂供給者から購入することができる。有用なZ−Nポリエチレンの特定例は、ダウのダウレックス2517;ホツマンのシェブロンフィリップのL2101またはL8148(0.9の溶融指数)およびマフレックス7105 DL(0.5の溶融指数)を含む。ダウレックス2517は、0.917g/ccの密度および25g/10分の溶融指数を有し、L2101は24g/10分の溶融指数を有する。メタロセン触媒化されたLLDPEの例は、エクソン−モビルEXACT 4049(密度0.873g/ccおよび4.5g/10分の溶融指数);およびダウAFFINITY 8200G(0.870g/ccの密度)およびAFFINITY KC8852(3.0の溶融指数)を含む。商業的に購入可能なHDPEの例は、ダウケミカル社から購入できるHDPE DMDA 8904 NT7である。
ポリプロピレンは、ポリプロピレン単独重合体、ポリプロピレン共重合体、または前記重合体のうち任意のものの混合物を含むことができる。ポリプロピレンは、Z−Nまたはメタロセン触媒を用いて製造され得る。特定形態において、ポリプロピレンは、ホモポリプロピレンである。かかる例としては、フリント・ヒルズ・リソース(Flint Hills Resources)から商業的に購入できるP4G3Z−050Fがある。
他の実施例において、ポリプロピレンはプロピレン共重合体であってもよく、プロピレン共重合体はプロピレンの重合体、およびエチレンと4個〜約12個または4個〜約8個の炭素原子を含有するアルファ−オレフィンから選択された、少なくとも約40重量%以下の少なくとも一つ以上のアルファ−オレフィンを含む。有用なアルファ−オレフィンの例は、エチレン、1−ブテン、1−ペンテン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセン、1−ヘプテンおよび1−オクテンを含む。一実施例において、本発明で用いられたプロピレンの重合体は、エチレン、1−ブテン、1−ヘキセンまたは1−オクテンを有するプロピレンの重合体を含む。本発明で有用なプロピレンアルファ−オレフィン重合体は、ランダム共重合体だけでなくブロック共重合体を含むが、ランダム共重合体が一般に特に有用である。一実施例において、フィルムは、耐衝撃性共重合体を含有しない。二以上のプロピレン共重合体のブレンドだけでなく、プロピレン共重合体とプロピレン単独重合体のブレンドが使用され得る。
一実施例において、プロピレン共重合体は、約0.2重量%〜約10重量%のエチレン含有量を有するプロピレン−エチレン共重合体である。他の実施態様において、エチレン含有量は、約3重量%〜約10重量%、または約3重量%〜約6重量%である。プロピレン−1−ブテン共重合体に関して、約15重量%までの1−ブテン含有量が有用である。一実施例において、1−ブテン含有量は、一般に約3重量%〜約15重量%までの範囲であってもよく、他の実施例では範囲が約5重量%〜約15重量%であってもよい。プロピレン−1−ヘキセン共重合体は、約35重量%までの1−ヘキセンを含有することができる。一実施例において、1−ヘキセンの量は、約25重量%までである。本発明で有用なプロピレン−1−オクテン共重合体は、約40重量%までの1−オクテンを含有することができる。非常に頻繁にプロピレン−1−オクテン共重合体は、約20重量%までの1−オクテンを含有するであろう。
本発明のフィルム・フェースストック(facestock)の製造に有用なプロピレン共重合体は、当業者に公知の技術によって製造が可能であり、多くのこのような共重合体が商業的に購入可能である。例えば、本発明に有用な共重合体は、単一−サイトメタロセン触媒を使用した、エチレンまたは1−ブテンのようなアルファ−オレフィンとのプロピレンの共重合によって得ることができる。
一実施例において、外部または印刷スキンは、重量基準で、約60%〜約90%の少なくとも一つのポリエチレンおよび約10%〜約40%の少なくとも一つのポリプロピレンを含む。他の実施例において、印刷スキン層は、約70%〜約90%の少なくとも一つのポリエチレンおよび約10〜約30%の少なくとも一つのポリプロピレンを含む。他の実施例において、印刷スキン層は、約37〜53%の低粘度ZN LLDPE、約23〜37%のメタロセンLLDPEおよび約10〜40%のプロピレン単独重合体を含む。
他の実施例において、他のまたはスキン層は、約50%〜100%の高密度ポリエチレンHDPEおよび約10%〜50%のLLDPEを含む。特定実施例において、HDPEは、コアにEVAを有する3つの層の剤形(formulations)およびEVA層が例えばPPまたはHPPの2つの層で囲まれた5つの層の剤形双方のスキン層で単独材料として使われる。
特定実施例において、多層フィルムは、コア内のエチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)および各スキン層内の100%の高密度ポリエチレン(HDPE)を有する3層対称フィルムである。フィルムは、フィルム厚全体に対する厚さ比率によって限定された個別層内の各材料で製造される。この剤形は、約50%〜約80%のEVA層比率および約10%〜約30%のHDPE比率、15/70/15、20/60/20、22.5/65/22.5および25/50/25の特定比率を有して製造される。すべての原料は商業的に購入可能であり、例えばダウケミカル社からHDPE DMDA 8904 NT7が購入できる。
一実施例において、多層フィルムは、コア内に一つ以上のエチレンビニルアルコール(EVOH)共重合体を有する5層対称フィルムである。多様なEVOH共重合体が使用され得るが、このような材料の代表的な例は、52%(モルパーセント)のビニルアルコール含有量を有するもので、EVALCA G176Bという名称でクラレイアメリカ社から商業的に購入することができる。この5層対称フィルムは、HDPEをそれぞれ含む二つのスキン層を含むことができ、特定形態ではHDPEのみを、すなわち各スキン層にHDPEを100%含むことができる。コア層と各スキン層との間にはタイ層または中間層が配置される。多様なタイ層が使用され得るが、代表的な例は、アルケマ社(Arkema)から商業的に購入できるロタダー(LOTADER)4700などの、エチレン、酢酸エチルおよびマレイン酸無水物のランダム三元共重合体を含む層である。このような三元共重合体は、典型的に約30%の酢酸エチルと約1.5%のマレイン酸無水物とを含む。しかし、本発明は、一つ以上のタイ層で用いるために多様な他の三元共重合体、重合体および/または重合体成分を含むことが理解できるであろう。例えば、特定実施例において、タイ層は、オレフィンの共重合体または三元共重合体、および酢酸ビニル、メチルアクリレート、エチルアクリレート、ブチルアクリレート、マレイン酸無水物などの他の極性グループからなるグループから選択された一つ以上の化合物を含む。
他の実施例において、多層フィルムは、コア内に一つ以上のポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)ポリマーを有する5層対称フィルムである。使用され得るPMMAの非制限的な例は、アルケマ社から商業的に購入できるプレキシグラス(PLEXIGLAS)VM100を含む。特定形態において、コアはPMMAのみを含む。多層フィルムはまた2個のスキン層を含み、各スキン層はHDPEを含む。特定形態において、各スキン層はHDPEのみを含む。多層フィルムは、また、各スキン層とコア層との間に配置されたタイ層を含む。タイ層は、エチレン、酢酸エチルおよびマレイン酸無水物の三元共重合体を含む。タイ層の材料の非制限的な例は、言及したロタダー4700を含むことができる。特定形態において、各タイ層はロタダー4700のみを含む。
他の実施例において、多層フィルムは、コア内に一つ以上のポリエチレンテレフタレートグリコール(PTEG)共重合体を有する5層対称フィルムである。使用され得るPETG共重合体の非制限的な例は、イーストマンケミカル社(Eastman Chemical Company)から商業的に購入できるカデンスコポリエステル(CADENCE COPOLYESTER)GS2を含む。特定形態において、コアはPETG共重合体のみを含む。多層フィルムはまた二つのスキン層を含み、各スキン層はHDPEを含む。特定形態において、各スキン層はHDPEのみを含む。多層フィルムは、また、各スキン層とコア層との間に配置されたタイ層を含む。タイ層は、言及したロタダー4700を含むことができる。特定形態において、各タイ層はロタダー4700のみを含む。
他の実施例において、多層フィルムは、コア内に一つ以上のナイロンMXD6共重合体を有する5層対称フィルムである。使用され得るナイロン共重合体の非制限的な例は、三菱ガスケミカル社から商業的に購入できるポリアミド(POLYAMIDE)MXD6を含む。特定形態において、コアは、ナイロンMXD6共重合体のみを含む。多層フィルムはまた二つのスキン層を含み、各スキン層はHDPEを含む。特定形態において、各スキン層はHDPEのみを含む。多層フィルムは、また、各スキン層とコア層との間に配置されたタイ層を含む。タイ層は、言及したロタダー4700を含むことができる。特定形態において、各タイ層はロタダー4700のみを含む。
5層フィルムの特定実施例において、特定の層厚が用いられる。次の層厚比率の百分率は、5層フィルムの全体厚に基づく。最も外側のスキン層それぞれの厚さは、同一または異なっていてもよく、典型的にはそれぞれ5%〜45%の範囲内、特に10%〜40%の範囲内であり、特定形態では17.5%〜35%の範囲内にある。コア層の厚さは、典型的に5%〜75%、特に10%〜70%であり、特定形態では15%〜50%である。各中間層、すなわちコア層とスキン層との間の層の厚さは、同一または異なっていてもよく、典型的に2%〜15%の範囲内、特に5%〜10%の範囲内であり、特定形態では7.5%である。
本発明の多くの実施例において、フィルムはレーザー切断可能である。すなわち、フィルムは、CO2レーザーを用いて容易に切断でき、優れたフィルム透明度を示し、機械方向および横方向の両方で高い剛性を示す。
レーザー切断可能なフィルムの多様な説明が本明細書に言及されている。次のうち一つ以上を観察することによって、フィルムが良好または有利なレーザー切断性を示すものであるかが分かる。レーザー切断後、フィルムエッジに沿った鋭利な面は、(存在するのであれば)フィルム残留物および接着剤なしでまたは実質的になしで形成される。レーザー切断後、レーザーに露出したフィルムのエッジまたは面に沿ってフィルム材料の低い「リキャスト(recast)」を示す。直線または線形切断の場合、結果として生じた切断面は比較的直線であり、鋸歯状や不規則ではない。
本明細書で説明されるような優れたフィルム透明度は、少なくとも80%、特に90%以上、そして特定実施例では95%以上の透明度の水準で発生する。対応する優れたヘイズ(haze)値は、20%未満、特に10%未満、特定実施例では5%未満のヘイズの水準で発生する。本発明の特定実施例において、本明細書で説明されるような一つ以上の試剤を含有するポリオレフィンフィルムの透明度は、このような試剤を含まないフィルムの透明度と類似する。
本明細書で説明されるようなフィルムの高剛性は、機械方向に7KPSI〜550KPSIの範囲内のヤング率によって現われる。特定実施例において、フィルムは、機械方向に少なくとも150KPSIのヤング率を示す。フィルムのヤング率は、ASTM D882により測定される。
フィルムの延伸および方向
本発明の多くの実施例において、レーザー切断前にフィルムを延伸させることによって、ポリオレフィンフィルムをレーザー切断する能力は改善され得る。具体的に、特定延伸比率での延伸および/または横方向または少なくともレーザー切断方向と異なる方向への延伸は、レーザー切断のためにより少ないエネルギーの要求につながる。横断方向(CD)へのレーザー切断のために、フィルムは、機械方向(MD)に伸張してMDOフィルムを製造する。MDOフィルムは、その後、非延伸フィルムと比較して相対的に低い電力レベルを用いて横方向、すなわちCDにレーザー切断され得る。このような処理のために使用された重合体フィルムおよび装備の延伸は、米国特許US6,835,462号;米国特許出願公開US2009/0297820号;米国特許US5,709,937号;米国特許US5,451,283号、および米国特許出願公開US2013/0192744号の一つ以上に説明されている。
本発明の多くの実施例において、レーザー切断前にフィルムを延伸させることによって、ポリオレフィンフィルムをレーザー切断する能力は改善され得る。具体的に、特定延伸比率での延伸および/または横方向または少なくともレーザー切断方向と異なる方向への延伸は、レーザー切断のためにより少ないエネルギーの要求につながる。横断方向(CD)へのレーザー切断のために、フィルムは、機械方向(MD)に伸張してMDOフィルムを製造する。MDOフィルムは、その後、非延伸フィルムと比較して相対的に低い電力レベルを用いて横方向、すなわちCDにレーザー切断され得る。このような処理のために使用された重合体フィルムおよび装備の延伸は、米国特許US6,835,462号;米国特許出願公開US2009/0297820号;米国特許US5,709,937号;米国特許US5,451,283号、および米国特許出願公開US2013/0192744号の一つ以上に説明されている。
本発明の特定実施例において、3:1〜15:1、特に5:1〜10:1の範囲内の延伸率で延伸したフィルムは、同じ組成物であるが延伸していないフィルムと比較して改善されたレーザー切断性を示す。
本発明のポリオレフィンフィルムは、多様な方法を用いて製造され得る。このような方法の代表的なそして非制限的な例は、キャストフィルムを形成するための鋳造(casting)、ステンターフィルムを形成するためのステンタリング(stentering)、配向されたフィルムを形成するための配向(orienting)、または非−配向フィルムを形成するためのフィルム生産における配向回避を含む。
本発明に係る多様な単層フィルムおよび多層フィルムの更なる細部事項および態様を下記のように表1および表2に提示する。
表1の層比率は、多層フィルムの全体厚に基づいて特定多層フィルム内の各層の厚さの百分率で表した層厚比率である。
表2は、商業的に購入可能で、ポリオレフィン材料との組合わせおよび/または本明細書で説明されるようなフィルムとの使用および混入のために一つ以上の有機性剤として使用され得る特定材料に関する更なるの細部事項を提供する。
多様なフィルムは、一つ以上の付加的な熱可塑性重合体をさらに含むことができる。一つ以上の付加的な熱可塑性重合体は、ポリエチレンとポリプロピレン以外のポリオレフィン、アルケン−不飽和カルボン酸または不飽和カルボン酸誘導体共重合体、スチレン系重合体または共重合体、ポリウレタン、ポリ(塩化ビニル)、ポリカーボネート、ポリアミド、フッ素樹脂、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリアクリロニトリル、ポリエステルまたは前述した重合体のうち任意のものの混合物を含むことができる。特定形態において、フィルムまたは多層フィルムの一つ以上の層は、一つ以上のエチレン酢酸ビニル(EVA)共重合体を含む。商業的に購入可能なこのような共重合体の例は、セラニス社から購入できるATEVA 1821である。
多様な層は、米国特許第6,821,592号で説明されるような一つ以上の添加剤をさらに含むことができる。一つ以上の添加剤は、核剤、粘着防止剤、加工助剤、スリップ剤、帯電防止剤、顔料、空洞化剤、無機充填剤、酸化防止剤、または前記添加剤のうち任意のものの混合物を含むことができる。
フィルムは、典型的に約25ミクロン〜約300ミクロンまたはそれ以上の全体厚を有する。この厚さ値は、フィルム上にまたはフィルムの外部層上に配置され得る一つ以上の接着剤層を含む。特定実施例において、フィルムと接着剤の全体厚は、50ミクロン〜150ミクロンである。特別な実施例において、(接着剤を含まない)フィルムは、25ミクロン〜90ミクロンの厚さを有する。
図1は、一つ以上の重合体フィルム20、特に、少なくとも一つのポリオレフィンフィルム、接着剤30の一つ以上の領域または層、およびライナー40またはライナー組立体を含むラベル組立体10の概略的な断面図である。接着剤30は、フィルム20とライナー40との間に配置される。フィルム20は、本明細書に言及のフィルムおよび/または材料のうち任意のものを含むことができ、特定実施例では、多重重合体フィルムの形態であり得る。接着剤30は、例えば一つ以上の減圧接着剤などの、ラベル構造に典型的に使用される任意の接着剤であり得る。ライナー40は、一つ以上の紙ライナー、一つ以上の重合体ライナー、または紙と重合体材料の組合わせであり得る。特定実施例において、ライナーは、ポリエチレンテレフタレート(PET)である。ラベル組立体10は、外部フィルム面22および逆方向のライナー下部面42を限定する。
言及の通り、フィルム20は、単一層、すなわち単層の形態、または集合若しくは複数の層、すなわち多層フィルムの形態であり得る。図2は、単層フィルム20Aを概略的に図示する。フィルム20Aは、本明細書で説明されるような一つ以上の試剤と結合された、一つ以上の重合体成分を含んで層Aを形成することができる。試剤は、本明細書で説明されるような無機剤および/または本明細書で説明されるような有機剤を含むことができる。多様な試剤は、典型的に分散され、特にフィルム20A内でおよび/またはフィルム全体に亘って均一に分散される。一実施例において、層Aは、少なくとも一つのポリオレフィンを含む重合体成分のマトリックス全体に分散された一つ以上の無機剤を含む。他の形態において、層Aは、ポリエチレンと混合した一つ以上の有機剤を含む。特定実施例において、本明細書で説明される通り、レーザー切断可能となった少なくとも一つの領域を有する組立体でフィルムが用いられる場合に、フィルム20Aは試剤を含まないこともある。
図3は、2層フィルム20Bを概略的に図示する。2層フィルム20Bは、組成が同一または互いに異なる層を含むことができる。一つの形態において、層Bのような一つの層は、いずれの試剤も含まない一つ以上のポリオレフィンを含み、層Cのような他の層は、少なくとも一つのポリオレフィンを含む重合体マトリックス内に分散した一つ以上の無機剤を含む。
図4は、3層フィルム20Cを概略的に図示する。3層フィルム20Cは、組成が同一または互いに異なる層を含むことができる。特定形態において、層Dおよび層Fは組成が同一である。特定形態において、一つ以上の試剤が層D、EおよびFの一つ以上に混入される。例えば、3層フィルム20Cの特定形態は、一つ以上のポリオレフィンを含む層DおよびFのそれぞれを含み、ここで各層DおよびFは試剤を含まず、層Eは一つ以上の重合体成分と結合された一つ以上の有機性剤を含む。
図5は、5層フィルム20Dを概略的に図示する。5層フィルムは、スキン層GおよびK、コア層I、並びにタイ層HおよびJを含む。図示する通り、各タイ層H、Jは、対応するスキン層G、Kとコア層Iとの間に配置される。それぞれの層G、H、I、JおよびKは、本明細書に説明されたものであり得る。
方法
本発明は、レーザー切断を含む多様な方法を提供する。一実施例において、本発明は、CO2レーザーを用いてポリオレフィンフィルムをレーザー切断する方法を提供する。本方法は、ポリオレフィン材料を提供することを含む。本方法は、また、ポリオレフィン材料に少なくとも一つの試剤を混入することを含む。試剤は、少なくとも一つの無機剤、少なくとも一つの有機剤およびそれらの組合わせからなるグループから選択され、これによって増加した光学吸光度を有する改質されたポリオレフィン材料を形成する。前述の通り、典型的に、言及した試剤が混入している間、ポリオレフィン材料は流動可能なまたは液体状態にある。本方法は、また、改質されたポリオレフィン材料からフィルムを形成することを含む。そしてこの方法は、フィルムをレーザー切断する少なくとも一つのCO2レーザーを使用することをさらに含む。フィルムは、単層または多層フィルムであり得る。試剤は、多層フィルムの一つ以上の層に混入され得る。
本発明は、レーザー切断を含む多様な方法を提供する。一実施例において、本発明は、CO2レーザーを用いてポリオレフィンフィルムをレーザー切断する方法を提供する。本方法は、ポリオレフィン材料を提供することを含む。本方法は、また、ポリオレフィン材料に少なくとも一つの試剤を混入することを含む。試剤は、少なくとも一つの無機剤、少なくとも一つの有機剤およびそれらの組合わせからなるグループから選択され、これによって増加した光学吸光度を有する改質されたポリオレフィン材料を形成する。前述の通り、典型的に、言及した試剤が混入している間、ポリオレフィン材料は流動可能なまたは液体状態にある。本方法は、また、改質されたポリオレフィン材料からフィルムを形成することを含む。そしてこの方法は、フィルムをレーザー切断する少なくとも一つのCO2レーザーを使用することをさらに含む。フィルムは、単層または多層フィルムであり得る。試剤は、多層フィルムの一つ以上の層に混入され得る。
他の実施例において、本発明は、レーザー出力またはデューティサイクルを増加させることなくCO2レーザーを用いてポリオレフィンフィルムのレーザー切断速度を増加させる方法を提供する。本方法は、ポリオレフィン材料を提供することを含む。本方法は、また、ポリオレフィン材料内に少なくとも一つの試剤を混入させることを含む。試剤は、少なくとも一つの無機剤、少なくとも一つの有機剤、およびそれらの組合わせからなるグループから選択され、これによって増加した光学吸光度を有する改質されたポリオレフィン材料を形成する。この方法は、さらに、改質されたポリオレフィン材料からフィルムを形成し、少なくとも一つのCO2レーザーを使用してフィルムをレーザー切断することを含む。
レーザー切断は、フィルムまたはラミネートの厚さを通じて全体的に切断することを目標とすることができる。特定実施例において、レーザー切断は、フィルムの厚さを通じて部分的にのみ切断することができる。本明細書に記載されるようなフィルムを切断するために、レーザー切断の典型的な線形速度は、レーザー電力、切断される材料および切断中のラベルの形状に左右される。典型的な線形ウェブ速度は、最大500mm/秒(30m/分)程度と高くてもよく、特定の適用において、例えば最大約1,000mm/秒(60m/分)のようにより速くてもよい。
言及した通り、多くの適用において、下部ライナー層を損傷または切断することなく、一つ以上のフィルム層および選択的に一つ以上の接着剤層をキスカットすることが好ましい。図6は、一つ以上のフィルム層120、ライナーまたはライナー組立体140、およびその間に配置された接着剤130を含むラベル組立体110をキスカットする方法100を概略的に図示する。ラベル組立体は、フィルム面122を限定する。本方法は、本明細書で説明している通り、CO2レーザー150を提供することを含む。レーザーが作動し、フィルム面122に向かうレーザー光155を放出する。本発明の一実施例によれば、ラベル組立体110は、キスカットされてフィルム層120および選択的に接着剤130がレーザー光155により切断され、それによってライナー140の損傷および切断を防止し、切断ライン160を形成する。認識できるとおり、レーザー150を移動するか、ラベル組立体110を移動するか、またはレーザー150とラベル組立体110双方を移動することによって、切断ライン160が形成され得る。
多くのデジタル変換ラインにおけるレーザーのための典型的な電力レベルは、200ワット〜約1,000ワットの範囲内であり、多くの適用において一つまたは二つの400ワットレーザーが使用される。当業者によって認識できるとおり、レーザーは、しばしば、特定のパルス持続時間を有し、特定の間隔または周波数でパルス化される。この二つの媒介変数でデューティサイクルまたはレーザーが放射されている時間の比率を限定することができる。デューティサイクルは、周波数にパルス持続時間を乗じたものと等しい。例えば、60%のデューティサイクルは、与えられた期間の間、レーザーが60%の時間の間オンになっており、40%はオフとなっていることを示す。多くの切断の適用において、典型的なデューティサイクルは、30%〜100%の範囲であり、50%〜80%が多くの切断の応用に有用である。
対象フィルムの向上した耐久性およびレーザー切断性に加えて、開示されているフィルム上でのインクの接着およびインクの硬化時間の向上がある。インクがフィルム基板で硬化する速度は、品質を決定し(早いほどよい)、プレス時間を決定する。言い換えれば、与えられた基板(例えば、ラベル)上でインクがはやく硬化すればするほどプレスをよりはやく稼動することができ、それによって印刷資産の効率性と生産性とを増加させる。多くの場合、インク接着性能とプレス速度の間には証明された逆の関係があるため、インク接着性能とプレス速度の間で均衡をなすために変換者(converter)が必要である。インク接着力とプレス速度の間の折衝を避けるための手段として、本質的に印刷可能なフィルム(すなわち、トップコートであれ印刷プライマーであれ、被覆がないフィルム)が開発されている。代案として、印刷プライマーまたはトップコートが印刷されるラベルストックの表面上に蒸着され得る。もちろん、トップコートまたはプライマーの蒸着はインク接着性能を増加させるものであるが、ラベルストックへのこの材料の追加はまた、ラベルの構成費用を増加させる。増加し続ける食品接触規制、持続性に向けた産業的推進(industrial drive)および費用などの理由を考慮して、ラベルストックをトップ−コーティングすることに起因する更なる費用および時間をかけることなく向上したインク接着性能を得ることが好ましい。
処理がコロナ、プラズマ、または火炎処理若しくは火炎プラズマ処理のいずれであれ、樹脂の剤形と表面処理の組合わせが所望の印刷/インク接着の結果を達成できるという点が当業界で認識されている。一つの例において、フィルムは、40:60〜60:40の酸素に対する燃料の比率を利用して、1,800〜2,500btu/inで火炎または火炎プラズマ処理され得る。技術として、表面処理は、ラベルストック表面のダインレベルを増加させ、インク接着力の対応する増加がその結果となる。しかし、印刷テストを通じて予期せず発見したことは、インクの硬化速度が増加するということである。この予期しない結果により、プリンタ変換器がよりはやく稼動し、向上した表面処理の適用によって同一のインク接着力を得ることができるという利点がある。このような硬化速度の増加は、印刷資産をさらに高い速度で稼動させる能力を引き起こし、それによって生産性および効率性を増加させ、結果的に単位面積当たりの費用を減少させる。
実験例
実験例で挙げられたフィルムサンプルを一般的な多層キャストフィルムの同時押出工程を用いて製造した。押出機4機(A、B、CおよびD)のそれぞれは溶融剤形を供給ブロックに供給し、ここで溶融物を組み合わせて4つの相違する層で構成された単一溶融ストリームを形成した。フィードブロックは、層構造ABCDCBAを有する最大7層の多層フィルムが製造され得るように構成した。単層フィルムのために、押出機4機にすべて同じ材料を供給した。3層フィルムに対し、押出機AおよびBに、押出機CおよびDとは異なる材料を供給した。5層フィルムに対し、押出機A、押出機Cおよび押出機Dすべて相違する材料を供給した。押出機Bの材料は、押出機Aの材料と同一であった。各サンプルに対し、溶融したストリームを固形化するクロム仕上げ材とともにキャットロール(cat roll)上に鋳造し、その後、ウェブ張力制御器を有する多数のローラによって運搬した。レーザー切断の評価のためにフィルムサンプルをAvery S−692NまたはS7000の接着剤およびBG40白色ペーパーライナーと積層した。
実験例で挙げられたフィルムサンプルを一般的な多層キャストフィルムの同時押出工程を用いて製造した。押出機4機(A、B、CおよびD)のそれぞれは溶融剤形を供給ブロックに供給し、ここで溶融物を組み合わせて4つの相違する層で構成された単一溶融ストリームを形成した。フィードブロックは、層構造ABCDCBAを有する最大7層の多層フィルムが製造され得るように構成した。単層フィルムのために、押出機4機にすべて同じ材料を供給した。3層フィルムに対し、押出機AおよびBに、押出機CおよびDとは異なる材料を供給した。5層フィルムに対し、押出機A、押出機Cおよび押出機Dすべて相違する材料を供給した。押出機Bの材料は、押出機Aの材料と同一であった。各サンプルに対し、溶融したストリームを固形化するクロム仕上げ材とともにキャットロール(cat roll)上に鋳造し、その後、ウェブ張力制御器を有する多数のローラによって運搬した。レーザー切断の評価のためにフィルムサンプルをAvery S−692NまたはS7000の接着剤およびBG40白色ペーパーライナーと積層した。
良好な剤形は、三つの条件に反応しなければならない:1−優れたレーザー切断性能、2−同じ厚さのPEフィルムと同じ機械的性能、3−透明フィルムの場合、PEと類似する測定された光学透明度およびヘイズ。
一連の評価において、サンプル1〜13が改質されたポリオレフィンフィルムを評価するために製造され、レーザーが本発明にしたがってこのようなフィルムを切断した。下記に提示された表3および表4は、対照サンプル1と比較してサンプル2〜13それぞれの構成、試剤、及びこのような試剤の濃度を要約したものである。EVA−18は、18%のVAを有するエチレン酢酸ビニル共重合体を示し、EVA−28は、28%のVAを有するエチレン酢酸ビニル共重合体を示す。サンプル3および4は、EVAを有するPEの3層構造の2種類の場合を示す。EVAの量がより多い時にフィルムがより切断され得るが、フィルムは10.6umのレーザーへの切断性を示す。サンプル5、6および7は、不透明レーザーが切断可能なPE系フィルムの良好な例である。このような無機添加剤を使用して優れた作業ウインドウ(working windows)を得た。サンプル13は、PEフィルムのような順応性を有し、高い水準のレーザー切断性を付与するPPおよびEVAを有する3層構造を示す。
他の一連の評価において、サンプル14〜20が準備され、本明細書で説明される通りレーザー切断された。下記に提示する表5は、サンプル14〜20それぞれの構成、試剤およびこのような試剤の濃度を要約したものである。
表5は、2セットの実験を要約したものである。特定実験において、HDPEとLLDPEのブレンドの代わりにHDPEを使用し、そして五つの層のフィルムのコアにPP層を用いてより高いe−モジュラスフィルムを形成した。他の実験でEVAとのHPPの新たなブレンドを形成した。PEを基本とした一番目のセットのフィルム(サンプル15および19は除く)の大半はレーザー切断でよく作動し、優れえた引張り弾性率(tensile modulus)とフィルム透明度を示した。二番目のセットは、高い透明度をもたらしてはいないが、以前は切断できなかった透明フィルムを切断可能とした。
他の一連の評価において、レーザー切断可能であり、そしてエイブリィ・デニソン(Avery Dennison)からPE85という名称で商業的に購入できるポリエチレンフィルムと同様に挙動するか同様の特性を示す多層フィルムの開発に対する調査がなされた。PE/EVA/PP/EVA/PEの構造を有する多層フィルムのサンプルを収得して機械方向に配向させた。下記に提示する表6は、これらのサンプルを要約したものであり、CDおよびMD方向に測定ヤング率、CDおよびMD厚並びにCDおよびMD方向での引張り強度を示す。光学測定は、言及のヘイズガード(HAZE GUARD)装備を使って行われた。
現在使用可能なフィルムで表6に挙げられたサンプルの特性および測定値を比較するために、すべてエイブリィ・デニソンから商業的に購入できるフィルムであるGLOBAL MDO、FASCLEAR 250およびPE85に対して相応する特性および測定値を得た。
本発明の一実施例に係る多層フィルムのサンプルは、言及の商業的に購入できるフィルムと比較できるほどの特性を示す。また特定態様において、フィルムのサンプルは、言及の商業的に購入できるフィルムより優れた特性を示す。
他の一連の評価において、多層フィルムのサンプルを得て、評価し、商業的に購入できる特定フィルムと比較した。
具体的に、表7に挙げている通り、二つのキャストフィルムおよび二つのMDOフィルムを得た。CDおよびMD厚の値を測定し、表7に挙げられた多様な物理的特性を得た。
いくつかの光学特性を含む表7のサンプルに対して更なる物理的測定が得られた。表8にこのデータが要約されている。
表7および表8のサンプルの物理的特性および特徴は、表9に提示する通り、商業的に購入できる特定フィルムの物理的特性および特徴と比較できる。
表7〜表9に示す通り、本発明の実施例に係る多層フィルムのサンプルは、言及の商業的に購入可能なフィルムと比較して類似の特性を示し、ある点では優れた特性を示す。紙ライナーに積層された表8中のサンプル番号31、33および34のロール状のレーザー切断並びにマトリックスストリピングは、産業用レーザー変換機械ですべて良好なテスト結果となった。別途の試験で、容器上のラベルの適用性も良好なテスト結果となった。
この技術の今後の適用および開発によって多くの他の利点が明らかになることはいうまでもない。
本明細書で言及されているすべての特許、出願、標準および製品は、全体的に参照として含まれる。
本発明は、本明細書で説明する特徴および態様のすべての作動可能な組合わせを含む。したがって、例えば、一つの特徴が一実施例と関連して説明され、また他の特徴が他の実施例と関連して説明されるのであれば、本発明はこの特徴の組合わせを有する実施例を含むことが理解されるべきである。
前述の通り、本発明は以前の計画、システムおよび/または装置と関連する多くの問題点を解決する。しかし、本発明の特性を説明するために本明細書で説明され図示された構成要素の細部事項、材料および配列での多様な変化が、添付の特許請求の範囲に表されたような本発明の原理および範囲を逸脱することなく当業者によって実施できることが理解できるであろう。
Claims (80)
- ポリオレフィン材料を提供すること;
少なくとも一つの無機剤、少なくとも一つの有機剤、およびその組合わせからなるグループから選択された少なくとも一つの試剤をポリオレフィンフィルムに混入させて増加した光学吸光度を有する改質されたポリオレフィン材料を形成すること;
改質されたポリオレフィン材料でフィルムを形成すること;および
少なくとも一つのCO2レーザーを用いてフィルムをレーザー切断することを含む、CO2レーザーを用いてポリオレフィンフィルムをレーザー切断する方法。 - 前記CO2レーザーは、10.6ミクロンの波長を有する光を発散する、請求項1に記載の方法。
- 前記CO2レーザーは、10.2ミクロン〜10.25ミクロンの範囲内の波長を有する光を発散する、請求項1に記載の方法。
- 前記ポリオレフィン材料はポリエチレンを含む、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記試剤は少なくとも一つの無機剤を含む、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記無機剤は、(i)シリカ微粒子、(ii)二酸化チタンで被覆されたマイカ微粒子、および(iii)その組合わせからなるグループから選択された、請求項5に記載の方法。
- 前記無機剤はシリカ微粒子である、請求項6に記載の方法。
- 前記シリカ微粒子は、7.5%〜15%の範囲内の重量比率で前記ポリオレフィン材料に混入された、請求項7に記載の方法。
- 前記無機剤は、二酸化チタンで被覆されたマイカ微粒子である、請求項6に記載の方法。
- 二酸化チタニウムで被覆された前記マイカ微粒子は、2%〜20%の範囲内の重量比率で前記ポリオレフィン材料に混入された、請求項9に記載の方法。
- 前記試剤は、少なくとも一つの有機剤(organic agent)を含む、請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記有機剤は、(i)少なくとも一つの酢酸ビニル基を含有する重合体、(ii)少なくとも一つのビニルアルコール基を含有する重合体、(iii)ポリエチレンテレフタレートグリコール(PETG)、(iv)アクリル、(v)ナイロン、および(vi)それらの組合わせからなるグループから選択された、請求項11に記載の方法。
- 前記有機剤は、少なくとも一つの酢酸ビニル基を含有する重合体を含む、請求項12に記載の方法。
- 前記重合体は、エチレンと酢酸ビニルの共重合体である、請求項13に記載の方法。
- 前記共重合体は、2.5%〜55%の範囲内の酢酸ビニル含有量を有する、請求項14に記載の方法。
- 前記有機剤は、少なくとも一つのビニルアルコール基を含有する重合体を含む、請求項12に記載の方法。
- 少なくとも一つのビニルアルコール基を含有する重合体の量は、2.5%〜55%の範囲内である、請求項16に記載の方法。
- 前記有機剤はPETGである、請求項12に記載の方法。
- 前記PETGの量は2.5%〜55%の範囲内である、請求項18に記載の方法。
- 前記有機剤はアクリルである、請求項12に記載の方法。
- 前記アクリルはPMMAである、請求項20に記載の方法。
- 前記PMMAの量は2.5%〜55%の範囲内である、請求項21に記載の方法。
- 前記有機剤はナイロンである、請求項12に記載の方法。
- 前記ナイロンの量は2.5%〜55%の範囲内である、請求項23に記載の方法。
- 前記ナイロンは非晶質ナイロンである、請求項23に記載の方法。
- 前記フィルムは多層フィルムである、請求項1に記載の方法。
- 前記多層フィルムは2〜5つの複数の層を含む、請求項1〜請求項25のいずれか一項に記載の方法。
- 前記多層フィルムは5つの層を含む、請求項26に記載の方法。
- 前記多層フィルムは、前記多層フィルムの全体厚を基準として5%〜75%の層厚を有するコア層を含む、請求項26に記載の方法。
- 前記多層フィルムは、前記多層フィルムの全体厚を基準として5%〜45%の層厚を有するスキン層を含む、請求項27〜請求項29のいずれか一項に記載の方法。
- 前記多層フィルムは、前記多層フィルムの全体厚を基準として2%〜15%の層厚を有する中間層を含む、請求項27〜請求項30のいずれか一項に記載の方法。
- 前記多層フィルムはタイ層(tie layer)を含む、請求項27〜請求項31のいずれか一項に記載の方法。
- 前記改質されたポリオレフィン材料の透明度は、前記試剤を含まない前記ポリオレフィン材料の透明度の10%以内である、請求項27〜請求項32のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ポリオレフィンフィルムは、前記ポリオレフィンフィルムとライナーとの間の接着剤をさらに含むラベル組立体内に含まれた、請求項1に記載の方法。
- 前記フィルムのレーザー切断は、前記ライナーを損傷または切断しない、請求項34に記載の方法。
- 前記改質されたポリオレフィン材料で形成された前記フィルムは、CO2レーザーを用いてラベル組立体でキス(kiss)切断される、請求項1に記載の方法。
- 前記CO2レーザーは、10.6ミクロンの波長を有する光を発散する、請求項36に記載の方法。
- 前記CO2レーザーは、10.2ミクロン〜10.25ミクロンの範囲内の波長を有する光を発散する、請求項36に記載の方法。
- 前記フィルム成形は、キャスティング(casting)、ステンタリング(stentering)、配向およびそれらの組合わせからなるグループから選択された方法によって行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記フィルムは、前記フィルムを配向させることによって形成された、請求項39に記載の方法。
- 前記配向フィルムは、3:1〜15:1の範囲内の延伸率で延伸する、請求項40に記載の方法。
- 前記フィルムは、5:1〜10:1の範囲内の延伸率で延伸する、請求項41に記載の方法。
- 前記改質されたポリオレフィン材料で形成された前記フィルムは、少なくとも80%の透明度のレベルを示す、請求項1に記載の方法。
- 前記改質されたポリオレフィン材料で形成された前記フィルムは、少なくとも90%の透明度のレベルを示す、請求項43に記載の方法。
- 前記改質されたポリオレフィン材料で形成された前記フィルムは、機械方向に7KPSI〜550KPSIの範囲内のヤング率を示す、請求項1に記載の方法。
- 前記改質されたポリオレフィン材料で形成された前記フィルムは、機械方向に少なくとも150KPSIのヤング率を示す、請求項45に記載の方法。
- CO2レーザーを使用して切断され得る多層フィルムにおいて、
コア層;および
少なくとも一つのスキン層を含み、
前記コア層と前記少なくとも一つのスキン層の少なくとも一つは、ポリオレフィンおよび一定濃度の少なくとも一つの試剤(agent)を含み、多層フィルムが10.6ミクロンの波長または10.2ミクロン〜10.25ミクロンの範囲内の波長を有する光に対して増加した光学吸光度を示す、多層フィルム。 - 前記多層フィルムは2〜5つの複数の層を含む、請求項47に記載の多層フィルム。
- 前記多層フィルムは5つの層を含む、請求項48に記載の多層フィルム。
- 前記多層フィルムの前記コア層は、前記多層フィルムの全体厚を基準として5%〜75%の層厚を有する、請求項47に記載の多層フィルム。
- 前記多層フィルムの前記スキン層は、前記多層フィルムの全体厚を基準として5%〜45%の層厚を有する、請求項47に記載の多層フィルム。
- 中間層をさらに含み、前記多層フィルムの前記中間層は、前記多層フィルムの全体厚を基準として2%〜15%の層厚を有する、請求項47に記載の多層フィルム。
- タイ層(tie layer)をさらに含む、請求項47に記載の多層フィルム。
- 前記ポリオレフィン材料はポリエチレンである、請求項47に記載の多層フィルム。
- 前記試剤は、少なくとも一つの有機剤(organic agent)を含む、請求項47に記載の多層フィルム。
- 前記有機性は、(i)少なくとも一つの酢酸ビニル基を含有する重合体、(ii)少なくとも一つのビニルアルコール基を含有する重合体、(iii)ポリエチレンテレフタレートグリコール(PETG)、(iv)アクリル、(v)ナイロン、および(vi)それらの組合わせからなるグループから選択された、請求項55に記載の多層フィルム。
- 前記有機性剤は少なくとも一つのビニルアセテート基を含有する重合体を含む、請求項56に記載の多層フィルム。
- 前記重合体はエチレンと酢酸ビニルの共重合体である、請求項57に記載の多層フィルム。
- 前記共重合体は、2.5%〜55%の範囲内の酢酸ビニル含有量を有する、請求項58に記載の多層フィルム。
- 前記有機剤は、少なくとも一つのビニルアルコール基を含有する重合体を含む、請求項56に記載の多層フィルム。
- 前記少なくとも一つのビニルアルコール基を含有するポリマーの量は2.5%〜55%の範囲内である、請求項60に記載の多層フィルム。
- 前記有機剤はPETGである、請求項56に記載の多層フィルム。
- 前記PETGの量は2.5%〜55%の範囲内である、請求項62に記載の多層フィルム。
- 前記有機剤はアクリルである、請求項56に記載の多層フィルム。
- 前記アクリルはPMMAである、請求項64に記載の多層フィルム。
- 前記PMMAの量は2.5%〜55%の範囲内にある、請求項65に記載の多層フィルム。
- 前記有機剤はナイロンである、請求項56に記載の多層フィルム。
- 前記ナイロンの量は2.5%〜55%の範囲内にある、請求項67に記載の多層フィルム。
- 前記ナイロンは非晶質ナイロンである、請求項67に記載の多層フィルム。
- 前記多層フィルムの透明度は、前記試剤を含まない多層フィルムの透明度の10%以内である、請求項47に記載の多層フィルム。
- 前記多層フィルムは、前記多層フィルムとライナーとの間の接着剤をさらに含むラベル組立体内に含まれた、請求項47に記載の多層フィルム。
- 前記ラベル組立体は、前記ライナーを損傷または切断せずにレーザーキスカットされ得る、請求項71に記載の多層フィルム。
- 前記レーザーキスカットは、CO2レーザーを用いて行われる、請求項72に記載の多層フィルム。
- 前記コア層と前記ポリオレフィンおよび前記試剤を含む前記スキン層のうち少なくとも一つは、キャストフィルム、ステンターフィルム(stentered film)、配向フィルム、および非配向フィルムからなるグループから選択されたフィルムである、請求項47に記載の多層フィルム。
- 前記フィルムは3:1〜15:1の範囲内の延伸率で延伸される、請求項47に記載の多層フィルム。
- 前記フィルムは5:1〜10:1の範囲内の延伸率で延伸される、請求項75に記載の多層フィルム。
- 前記フィルムは少なくとも80%の透明度のレベルを示す、請求項47に記載の多層フィルム。
- 前記フィルムは少なくとも90%の透明度のレベルを示す、請求項77に記載の多層フィルム。
- 前記フィルムは、機械方向に7KPSI〜550KPSIの範囲内のヤング率を示す、請求項47に記載の多層フィルム。
- 前記フィルムは、機械方向に少なくとも150KPSIのヤング率を示す、請求項79に記載の多層フィルム。
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