JP2019089321A - フィルム、積層体、およびフィルムの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、なるべく少ない樹脂材料で曲げ強度などの機械物性の向上を図ることが切望されている。例えば、ポリ乳酸のフィルムは強度があり、生分解性を有することから環境保護の観点からも注目を集めているが、比較的伸度が低く耐衝撃性に劣るため用途が制限されている。
このように、強度と伸度とを両立できるフィルム材料の要請に対し、複数材料の混合や、複数種のフィルムの貼り合わせ等による対応策が検討されているが、手間やコストがかかる一方で、十分な効果を得ることは難しいというのが現状である。
フィルムの表面及び裏面が、少なくとも1つ以上の区画に区分されており、
前記区画は、前記区画を区分する縁を有し、
前記区画の少なくとも1つにおいて、
前記区画の表面において、前記縁と前記縁の間で延在する山状の表面稜線及び谷状の表面稜線を有し、
前記区画の裏面において、前記表面の山状の表面稜線と対応する位置に谷状の裏面稜線を有し、また前記表面の谷状の表面稜線と対応する位置に山状の裏面稜線を有し、
前記山状の表面稜線と前記谷状の表面稜線の高低差が、前記フィルムの厚さよりも大きく、
前記フィルムの厚さが500μm以下であり、
前記表面稜線に沿った第1の方向及び前記フィルムの厚み方向に沿って前記フィルムを切断したときの第1切断面の単位長さ当たりの断面二次モーメントは、前記第1の方向に直交する第2の方向及び前記フィルムの厚み方向に沿って前記フィルムを切断したときの第2切断面の単位長さ当たりの断面二次モーメントよりも小さいこと
を特徴とするフィルムである。
本明細書で用いる「区画」とは、フィルムの表面または裏面に設けられた領域を示す用語であり、それぞれの区画の最外周を「縁」と称する。一連のフィルムに存在する、区画は1つでも良いし、複数であっても良い。複数の区画が存在する場合には、それぞれの区画の縁は相互に接していても良いし、離間していても良い。縁については、縁に固有の形状や領域が存在している必要は無いが、存在していても良い。
図1は、本実施形態のフィルムにおける断面図の一例を示す断面図であり、図2は斜視図であって、フィルムは図の左右方向に延在しているものとする。本実施形態にかかるフィルムは、表裏面に周期的な凹凸構造を有する。かかる凹凸構造は、以下に述べるように山状稜線と谷状稜線とを有する。「稜線」とは面と面との境界線をいい、より具体的には凹凸構造の表面断面又は裏面断面における線の交点又は変曲点を複数の断面ごとに求め、各々を繋いで得られる線をいう。
本実施形態にかかるフィルム1によれば、いわゆる蛇腹状の構造をとるため、通常のフラットなフィルムと比較し、曲げ剛性を向上させることができる。また、表面のみの凹凸構造を持つようなフィルムと比較し、同じ樹脂量であれば、山谷形状の高低差を高くすることができるため、より曲げ剛性を向上させることができる。言い換えれば、等しい曲げ剛性を確保するのに少ない樹脂量で実現できるため、安価に製造することが可能となる。
図4(a)は、例えば図3に示すような高い伸び性を持つフィルム1における凹凸構造の1ピッチ分につき、図の左右方向に引っ張った場合の局所的な歪み量を計算して図示した図であり、図4(b)は、比較例としてフラットな従来のフィルムを、図の左右方向に引っ張った場合の局所的な歪み量を計算して図示した図である。かかる計算には、汎用非線形有限要素解析ソリューションMarc(登録商標)を用いた。図4に示すフィルム断面において、白からグレー、さらに黒になるにつれて歪が大きくなっていることを示す。上記計算結果を比較すると、図4(b)に示すようにフラットなフィルムの場合、引っ張り応力は一様である。これに対し、図4(a)に示すように本実施形態のフィルム1では、頂点を挟んだ両側において高い歪を発生する箇所が生じており、そのため、それ以外のフィルムの部位における引っ張り応力を低減させる効果があることがわかる。
図5は、フィルムの凹凸構造の形状を変えた場合における、全体の伸びと局所的な歪みの最大値との関係を示したものであり、縦軸が局所的な歪みの最大値であり、横軸がフィルム全体の伸びであって、点線で示す凹凸構造を持たない(形状なし)フィルムを比較例としている。また、図5の演算で用いた高い伸び性を持つフィルム1の断面形状を、図6に示す。図6(a)に示す形状Aは、凹凸構造の山谷の高低差Hが比較的大きく、図6(c)に示す形状Cは、凹凸構造の山谷の高低差Hが比較的小さく(ただしフィルム厚さより大きく)なっており、図6(b)に示す形状Bは、凹凸構造の山谷の高低差Hがその中間程度である。図5より、本実施形態の高い伸び性を持つフィルム1は、その凹凸構造により全体の伸びと局所的な歪みの最大値の関係が大きく変化することが分かる。
また、フィルム1の厚さは500μm以下であると好ましく、より好ましくは100μm以下である。なお、フィルムの厚さは、必ずしも均一である必要は無い。凹凸形状加工後のフィルムにあっては、稜線付近のフィルムの厚さは、他の部分のフィルムの厚さと異なっていても良い。
また、凹凸構造の山谷の高低差Hは、5μm〜500μmであると良い。山谷の高低差Hが5μmよりも小さい場合には、曲げ強度の効果も小さく、また歪の調整効果を得ることは難しい。また、500μmを超える場合には、製造上凹凸構造をつけることが難しくなる。より好ましくは、10μm〜200μmの範囲内であるとより良い。さらに、フィルム1の厚さは凹凸構造の山谷の高低差Hの半分以下あるとより好ましい。このようにすることで、より良好な伸度を得ることができる。
本実施形態のフィルムは、異なる方向の断面で断面2次モーメントが異なるという特性を有する。これにより、方向毎に曲げ強度が異なるので、例えば貼付剤の支持部材に用いた場合において、関節など人体の局所的な曲げ特性に対応することができる。この異方性について、具体的に説明する。
Ib≒4.6×103(μm4)
となる。
Ia=WT3/12≒1.4×103(μm4)
となる。
上記比較より、同じフィルムでも、断面を取る方向に応じて単位長さ当たりの断面2次モーメントが異なることが明らかである。
また、本実施形態のフィルム1は、応力をかけた際に伸びる効果があるため、衝撃耐性も高く、凹凸構造が潰れることによる衝撃吸収性も高い。さらに、本実施形態のフィルム1はラミネートした場合、フィルム1の凹凸形状により、フィルムの上下に空隙、つまり空気層を有していることから、断熱性が高いという特性も有している。
フィルム1の材料としては、熱可塑性樹脂、硬化樹脂(熱硬化性樹脂、UV硬化性樹脂等)であると好ましい。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、エチレン酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリ塩化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリ乳酸、環状ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、およびこれらの誘導体などが挙げられる。また、硬化樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、およびこれらの誘導体などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの材料は単独で用いられてもよいし、これらのうちの複数の材料が組み合わされて用いられてもよい。また、複数の層が重ね合わさった多層構成(積層体ともいう)を形成しても良い。
本発明によるフィルムの製造方法については、例えば熱プレスによる方法や、押出成形による方法を用いることができる。
フィルム1は、図1のように1層であっても良いし、さらに図11に示すように、複数のフィルム1を積層して積層体とすることもできる。フィルムの積層は3層以上であってよい。また、フィルム1に対して、後工程で蒸着層や、ハードコート層、反射防止層などの機能層を積層した積層体とすることもできる。
たとえば高曲げ強度や高い伸び性を持つフィルム1やそれを用いた積層体を、包装材、バリアフィルムとして利用することが考えられる。また、湿布などの貼付剤の支持体として利用するという応用も考えられるが、用途はこれらに限られるものではない。適用例である貼付剤の支持体では、貼付剤に含まれる薬剤や添加剤に対する耐性や非吸着性もしくはバリア性が求められ、さらには伸び性があると望ましいとされる。耐薬品性、非吸着性、バリア性の高い材料に対して、凹凸構造を付加し、高い伸び性を持つフィルム1とすることで、これらすべての要求を満たすことができる。耐薬品性、非吸着性、バリア性の高い材料としては、例えば、環状ポリオレフィンやポリエチレンテレフタレート、エチレン−ビニルアルコール共重合体などが挙げられる。
図13〜17は、一連のフィルム1において、複数の区画を有する場合の実施形態を示す表面図であり、山状稜線を実線で示し、谷状稜線を点線で示している。図13において、フィルム1はそれぞれ縁Frにより囲まれた16個の区画1Aを有しており、各区画1Aの一つの縁Fr(「縁端」とも言う)から、これと対向する他の縁端へと山状稜線2aと谷状稜線2bとが異なる方向に延在している。図示していないが、裏面側の山状稜線と谷状稜線も同様である。伸び性をもつフィルムでは、加工時にフィルムが伸びて安定製膜が難しい一面を持つが、このような配置とすることで、成形加工時に安定して製膜ができ、最終製品では区画毎にカットしたり、打ち抜き加工を行うことで、所望の一方向へ伸びる貼付剤用支持体フィルム1を提供できる。隣接する区画1A同士の間には、明確な境界がなくても良い。また、一連の貼付剤用支持体に好適なフィルム上に存在する区画1Aの数は任意である。複数の区画を分離しないで用いる場合、区画ごとに断面2次モーメントの高い方向を異ならせることで、いずれの方向にも高い曲げ強度を確保できる。
フィルム1の材料として、NatureWorks社製のポリ乳酸(PLA)であるIngeo 3052D(商品名)とし、共押出の異なる材料として、日本ポリエチレン株式会社製の低密度ポリエチレン(LDPE)であるノバテックLD LC600A(商品名)とした。フィルム1(PLA)の厚みを8μm、LDPEの厚みを30μmとした。また、冷却ロール表面の山谷形状は、波形断面形状を周期的に並べた形状とした。波形凹凸構造のピッチは50μm、高低差は25μmである。
これら2種の材料を図8の押出装置で共押出し、PLAが冷却ロールの表面形状に当たるように配置し、ゴム製のニップロールで押付けた後、共押出フィルムを冷却ロールに沿わせて冷却、固化した。その後、固化した共押出フィルムをPLA/LDPE界面で剥離をし、図18(b)に示す波形断面の蛇腹構造を持つPLAフィルムを得た。
実施例1において、冷却ロール表面の山谷形状は、台形断面形状を周期的に並べた形状とした。これにより図18(c)に示す台形断面の蛇腹構造を持つPLAフィルムを得た。台形断面形状は、上辺61μm、下辺68μm、高低差31μmで、ピッチが140μmである。それ以外は、実施例1と同様の方法でサンプルを作製した。
実施例1において、冷却ロール表面を凹凸のない鏡面ロールを用いた以外は、実施例1と同様の方法でサンプルを作製した。これにより図18(a)に示すフラット断面のPLAフィルムを得た。
実施例1において、フィルム1の材料として、ポリプラスチックス株式会社製の環状オレフィン・コポリマー(COC)であるTOPAS 8007(商品名)とし、共押出の異なる材料として、PSジャパン株式会社製のポリスチレン(PS)HF77(商品名)とした。また、冷却ロール表面の山谷形状は、波形断面形状を周期的に並べた形状とした。これにより図18(b)に示す波形断面の蛇腹構造を持つCOCフィルムを得た。波形凹凸構造のピッチは500μm、高低差は250μmである。また、フィルム厚さを125μmとした。
実施例3において、冷却ロール表面を凹凸のない鏡面ロールを用いた以外は、実施例3と同様の方法でサンプルを作製した。これにより図18(a)に示すフラット断面のCOCフィルムを得た。
実施例1において、フィルム1の材料として、日本ポリプロ株式会社製のポリプロピレン(PP)であるノバテックPP FB3B(商品名)とし、共押出の異なる材料として、日本ポリエチレン株式会社製の低密度ポリエチレン(LDPE)であるノバテックLD LC600A(商品名)とした。また、冷却ロール表面の山谷形状は、台形断面形状を周期的に並べた形状とした。これにより図18(c)に示す台形断面の蛇腹構造を持つPPフィルムを得た。台形断面形状は、上辺61μm、下辺68μm、高低差31μmで、ピッチが140μmである。また、フィルム厚さを28μmとした。
実施例4において、冷却ロール表面を凹凸のない鏡面ロールを用いた以外は、実施例4と同様の方法でサンプルを作製した。これにより図18(a)に示すフラット断面のPPフィルムを得た。
フィルム1の材料として、日本合成化学工業株式会社製のエチレン−ビニルアルコール共重合体(EVOH)であるソアノール D2908(商品名)とし、共押出の異なる材料として、日本ポリエチレン株式会社製の低密度ポリエチレン(LDPE)であるノバテックLD LC701(商品名)とした。また、冷却ロール表面の山谷形状は、台形断面形状を周期的に並べた形状とした。これにより図18(c)に示す台形断面の蛇腹構造を持つEVOHフィルムを得た。台形断面形状は、上辺205μm、下辺224μm、高低差60μmで、ピッチが255μmである。また、フィルム厚さを30μmとした。
実施例5において、冷却ロール表面を凹凸のない鏡面ロールを用いた以外は、実施例5と同様の方法でサンプルを作製した。これにより図18(a)に示すフラット断面のEVOHフィルムを得た
各実施例及び比較例におけるフィルム1の伸び性性能を評価するため、引張試験評価を実施した。伸び性評価は、JIS K7127:1999に基づき、株式会社島津製作所製 引張試験機(AGS−500NX)を用いて、ゼロの状態からフィルムが破断するまで引っ張り力を付与しつつ、適時フィルムの伸びを求めることで実施した。測定条件については、サンプル幅は15mm、チャック間距離は50mm、引張速度は100mm/minとした。評価については、フィルム材料が塑性変形を伴いながらネッキングし始めるまでの伸び率が20%以上であるときは『○』とし、それ未満であるときは『×』とした。
各実施例及び比較例におけるフィルム1の曲げ強度性能を評価するため、株式会社東洋精機製作所製ループステフネステスタを用いて評価した。圧縮速度は3.3mm/sec、サンプル幅は25mm、ループ長は85mmとした。評価については、同材質で同厚みのフラットフィルムと比較して曲げ強度比が2倍以上であるときは『○』とし、それ未満であるときは『×』とした。
押出装置により製造したフィルムを顕微鏡で観察して、均一なフィルムが安定して製造できているか否か、及び精度よく凹凸構造が形成できているか否かを評価した。
表1からわかるように、実施例1〜5では、フィルム1が蛇腹構造をとっているため、伸び性または曲げ強度が良好な結果を示した。
一方、比較例1〜4では、フィルム1がフラットな構造のため、伸び性および曲げ強度は材料そのものが持つ性質以上の結果が得られない結果となった。
なお、製膜安定性については、実施例及び比較例のいずれも基準を満たしており、賦形性については、実施例のいずれも基準を満たしていた。
1A 区画
2 表面
2a、3b 山状稜線
3 裏面
2b、3a 谷状稜線
4 別の機能層
5 積層体
7 Tダイ
8 冷却ロール
9 ニップロール
10 異なる材質のフィルム
11 上面平板金型
12 下面平板金型
P ピッチ
H 高低差
T フィルム厚み
Fr 縁
Claims (14)
- フィルムの表面及び裏面が、少なくとも1つ以上の区画に区分されており、
前記区画は、前記区画を区分する縁を有し、
前記区画の少なくとも1つにおいて、
前記区画の表面において、前記縁と前記縁の間で延在する山状の表面稜線及び谷状の表面稜線を有し、
前記区画の裏面において、前記表面の山状の表面稜線と対応する位置に谷状の裏面稜線を有し、また前記表面の谷状の表面稜線と対応する位置に山状の裏面稜線を有し、
前記山状の表面稜線と前記谷状の表面稜線の高低差が、前記フィルムの厚さよりも大きく、
前記フィルムの厚さが500μm以下であり、
前記表面稜線に沿った第1の方向及び前記フィルムの厚み方向に沿って前記フィルムを切断したときの第1切断面の単位長さ当たりの断面二次モーメントは、前記第1の方向に直交する第2の方向及び前記フィルムの厚み方向に沿って前記フィルムを切断したときの第2切断面の単位長さ当たりの断面二次モーメントよりも小さいこと
を特徴とするフィルム。 - 前記山状の表面稜線と前記谷状の表面稜線とは、交互に並んで形成されていること
を特徴とする請求項1に記載のフィルム。 - 複数の前記山状の表面稜線の一群と、複数の前記谷状の表面稜線の一群とは、交互に並んで形成されていること
を特徴とする請求項1又は2に記載のフィルム。 - 前記山状の表面稜線と前記谷状の表面稜線は、それぞれ直線であること
を特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のフィルム。 - 前記山状の表面稜線と前記谷状の表面稜線は、それぞれ曲線であること
を特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のフィルム。 - 前記区画は複数個設けられて、互いに接していること
を特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のフィルム。 - 前記高低差は、5μm〜500μmであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のフィルム。
- 前記山状の表面稜線と前記谷状の表面稜線は、等間隔で並んでいる
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のフィルム。 - 前記山状の表面稜線と前記谷状の表面稜線の間隔がランダムである
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のフィルム。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載されたフィルムの少なくとも1方の面に、さらに機能層を積層した
ことを特徴とする積層体。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載されたフィルムを複数枚積層したことを特徴とする積層体。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載されたフィルムの製造方法であって、
山谷形状が外周に沿って施された冷却ロールと、同じ山谷形状が外周に沿って施されたニップロールとを、互いの前記山谷形状の山頂と谷底とが一致するように位相を調整し、更に前記冷却ロールと前記ニップロール間のギャップが前記フィルムの厚みよりも小さくなるように設定した状態で、前記冷却ロールと前記ニップロール間に、溶融押出した前記フィルムの素材を進入させ、押付ける第1工程と、
前記フィルムの素材を前記冷却ロールに沿わせて冷却、固化させて、前記フィルムを形成する第2工程と、を含む
ことを特徴とするフィルムの製造方法。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載されたフィルムの製造方法であって、
前記フィルムの素材の融点をTmとするとき、前記フィルムの素材を(Tm−20)℃以上、(Tm+10)℃以下で加熱する第3工程と、
山谷形状が下面に施された上面平板金型と、同じ山谷形状が上面に施された下面平板金型とを、型押し方向において前記山谷形状の山頂と谷底とが一致するように位相を調整した後に、前記上面平板金型と前記下面平板金型の間に、加熱した前記フィルムの素材を挿入し、押付ける第4工程と、
前記フィルムの素材を金型間で押付けた状態で冷却、固化させる第5工程と、
前記フィルムを金型から剥離する第6工程と、を含む
ことを特徴とするフィルムの製造方法。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載されたフィルムの製造方法であって、
前記フィルムの素材と、前記フィルムの素材とは異なる剥離用フィルムの素材を共押出し、溶融している前記2つの素材を表面に山谷形状が施された冷却ロールにニップロールにより押付ける第7工程と、
前記共押出された2つの素材を冷却ロールに沿わせて冷却、固化させて、前記フィルムと、前記剥離用フィルムとを密着した状態で形成する第8工程と、
前記フィルムから前記剥離用フィルムを剥離し、前記フィルムを分離する第9工程と、を含む
ことを特徴とするフィルムの製造方法。
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