食品包装用多層フィルム：層間接着剤の発現 - COACE-プラスチック助剤、ポリマー添加剤、接着促進剤、強靭化剤-コアセケミカル株式会社

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食品包装用多層フィルム：層間接着剤の顕在化

2024年2月6日

食品包装用多層フィルムにおける層間接着剤の発現について

ポリマーフィルムにおける様々な種類のポリマーの特性（前編）」と題した記事では、パッケージングビジネスにおけるポリマーフィルムの重要性と、この分野におけるこれらのフィルムの用途について取り上げてきた。多層フィルムとして知られるポリマーフィルムのカテゴリーは、最も重要なタイプのフィルムの一つである。多層フィルムにポリマーを混合することで、酸素や湿気から食品を保護したり、素材そのものの品質を保持したりするなど、多くの重要な役割を果たしている[1]。

これまで述べてきた特性を考慮すると、ポリオレフィンは非常に有用であると考えられる。しかし、ポリオレフィンは、加工が可能であること、水分の拡散がないこと、熱的・機械的特性に優れていることなど、多くの利点があるにもかかわらず、酸素拡散に対する耐性が十分とはいえない。ポリオレフィンとは逆に、エチレンビニルアルコール共重合体（EVOH）のような極性ポリマーは、酸素を通しにくい化学構造を持っている。その結果、この素材はリサイクル可能で透明性が高いため、金属蒸着フィルムやアルミ箔の代わりに使用されている。表1に示した情報によると、多層フィルムの中間層に酸化エチレン（EVOH）を添加すると、LDPEなどのポリオレフィンの単層と比較して、酸素に対する耐性が顕著に向上する[1]。

単層膜と多層膜の酸素拡散速度の比較分析を表1に示す[2]。

酸素拡散速度の比較分析

一方、エチレンオキシド（EVOH）のような極性ポリマーとポリエチレン（PE）のような非極性ポリマーは、互いに相溶性がないため、組み合わせが難しい。このため、この組み合わせで多層フィルムを作るには、層間接着剤やタイレイヤーと呼ばれる新世代の接着剤を利用する必要がある。これらの接着剤の目的は、層間に弱い粘着力を発生させることである。

- 包装用フィルムの特徴：
包装用フィルムがその役割を果たすためには、次のことが求められる：

化学的にも熱的にも安定した環境
耐酸素拡散性、耐湿性、耐湿性
耐摩耗性、耐衝撃性、体積変化に対する耐性など、高い機械的品質
透明度や明るさなど、一定の基準を満たす光学特性
先に述べたように、多層フィルムにポリマーを配合する第一の目的は、食品成分の完全性を保護し、酸素や水分にさらされるのを防ぐことである。ポリオレフィンは、その適切な特性と酸素を通しにくい性質から、多層フィルムの製造において極めて重要な成分である。にもかかわらず、ポリアミドやエチレンオキシド（EVOH）のような極性ポリマーは、酸素輸送に対する耐性を作るために、これらの多層フィルムの中間層に利用される。包装用フィルム事業で利用されている理想的なフィルムの規則的構造を図1に示す。ポリオレフィン層と極性ポリマー層の組み合わせによって、酸素と水分の両方に対するフィルムの耐性が達成される。このようなフィルムは、酸素やその他のガスの流れを抑制することで、食品の腐敗を防ぎ、香りや水分を保持することで食品の品質を維持することができる。

複数の層を持つ完璧なフィルムの機能

食品包装業界では、理想的な多層フィルムの機能を図1に示す。[3]:

異なるポリマーの機能性を比較すると、EVOHの酸素拡散抵抗は1mmでポリエチレンの10mの抵抗に相当することが理解できる[4]。図2は、酸素拡散抵抗に対するポリマーの役割を示したグラフである。この図からわかるように、ポリオレフィンの大部分は、分子の化学構造上、酸素に対する機能が低い。これらの材料とは対照的に、ポリビニルアルコール（PVA）、エチレンビニルアルコール、ポリ塩化ビニル（PVDC）、ポリアミドなどの極性ポリマーの大半は、酸素輸送に対して非常に有効な機能を有している。工程の状況、コスト、環境適合性などを考慮した結果、食品包装の耐酸素拡散層として最も適している材料は酸化エチレン（EVOH）である。

いくつかのポリマーの酸素透過性を図2に示す[4]。

極性ポリマー（PA、EVOH）と非極性ポリマー（PE、PP、PS）は、その構造が互いに異なるため、互いに相容れない。図3によれば、様々な材料の互いの相溶性と傾向を観察することができる。
ある種の素材が櫛状にする能力；

図3.様々な素材の組み合わせやすさの違い [5]。

図4によると、非互換層間の接着強度を高めるためには、二重機能を持つ反応または非反応接着剤を薄く塗布する必要がある。これは、非相溶性ポリマーを別々の層にブレンドするために必要である。複数の層間の接着強度

図4：層間の接着の強さ[5]。

これらの接着剤と通常の接着剤との間には、接着プロセスに差異があり、この差異を説明する一助となっている。この接着剤を構成する成分に基づいて、図5に示すような化学的接触（接着剤接合面またはポリマーの極性層）を確立することが可能であろう。したがって、接着剤とポリマーの間の接着は、共有結合力や水素結合力といった化学的な表面力を利用することで達成できるだろう。

図5.粘着剤と極性ポリマーの相互作用（共有結合）を示す。

共押出技術は、多層フィルム製造の最も効果的な方法として広く認められている。この技術では、2種類以上のポリマーを一緒に押し出し、最終的に複合フィルムを形成する。このため、明確な目的を持ったフィルムを製造することができる。図6に示すように、この製法でフィルムを作るには、キャスティングとブローの2つの手順がある。

共押出法を用いた多層フィルムの製造方法を図6に示す。

層間接着力は、接着剤の製造方法や使用成分によって引き起こされる様々な要素によって影響を受ける可能性がある。例えば製造工程では、温度や時間を上げることで接着剤の厚みを増すことができ、機能性を高めることで化学的接触量を増やすことができます。加えて、接着強度は、生産レベルで起こる操作のたびに低下し、その結果、製品内部で粘着鎖が配向することになる。そのため層間接着剤は、方位による減少を可能な限り最小化するように建設されなければならない。これらの要因の影響は、図7に詳しく示されている。

図7 [7]に見られるように、様々な刺激が接着の変化を引き起こす。