(57)【要約】【課題】延伸フィルムの変形量の検討を小規模かつ低コストで行える手法を提供すること。【解決手段】逐次二軸延伸フィルムの変形量解析方法は、製品となるフィルムと同一素材の試験片から物性データを予め測定し、測定した物性データに基づいて構築した構造解析モデルを用いてＦＥＭ解析を行うことにより、フィルムの延伸成形時のボーイング量をシミュレーション予測する。構造解析モデルのパラメータに用いる物性データは、フィルムの応力−ひずみ特性、クリープひずみ速度特性などであり、これらは小型のバッチ延伸機を使って試験片から測定される。【選択図】図２
2020203483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
製品となる延伸フィルムと同一素材の試験片から物性データを測定し、前記物性データに基づき構築した構造解析モデルを用いて前記延伸フィルムの変形量を予測する解析方法であって、前記物性データが、前記試験片を延伸させたときの応力ひずみ特性と、クリープひずみ速度特性とを含む、延伸フィルムの変形量解析方法。
【請求項２】
前記試験片を延伸させ一定時間経過するまでの反力時間推移特性を測定し、前記クリープひずみ速度特性に関する構造解析モデルのパラメータの値を、前記反力時間推移特性と一致するように較正することを含む、請求項１に記載の延伸フィルムの変形量解析方法。
【請求項３】
延伸前のフィルムを第一軸の方向に搬送しながら延伸し、そしてそれに直交する第二軸の方向に当該フィルムを連続的に延伸する逐次二軸延伸成形プロセスにおいて、二軸延伸フィルムの前記第一軸におけるボーイング量を予測する、請求項１又は２の何れか１項に記載の延伸フィルムの変形量解析方法。
【請求項４】
前記逐次二軸延伸成形が、前記延伸前のフィルムを第一温度で延伸する延伸工程ゾーンと、当該延伸工程後に当該フィルムを第二温度に保持する熱固定工程ゾーンとを含み、前記延伸工程ゾーンの解析においては前記第一温度で測定した物性データに基づく構造解析モデルを適用し、前記熱固定工程ゾーンの解析においては前記第二温度で測定した物性データに基づく構造解析モデルを適用する、請求項３に記載の延伸フィルムの変形量解析方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項の解析方法を用い、延伸フィルムの変形量が最小になる温度、歪み速度を求める方法。
【請求項６】
請求項５の方法から得られるデータを用いる延伸フィルムの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、延伸フィルムの品質予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
逐次二軸延伸フィルム成形とは、フィルム材を第一軸方向に延伸搬送し、それに直交する第二軸方向に連続的に延伸成形する工業的製膜法のひとつである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
逐次二軸延伸成形においては、フィルムの幅方向に対し分子配向が変化する、いわゆる「ボーイング現象」の低減がフィルムの商品価値を高めることにおいて重要である。しかし、現状では、実際の製造ラインを稼働させた連続系での成形中および／又は成形後でしかボーイング量を観測することができず、そのため、製品フィルムのボーイング量の低減といった品質向上の検討には、大規模な設備と多くの人的・時間的コストを要するという課題がある。
【０００４】
本発明は、こうした事情に鑑み、延伸成形時のフィルムの変形量等の品質予測の検討を小規模かつ低コストで行える新たな手法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するため、本発明は、製品となる延伸フィルムと同一素材の試験片から物性データを測定し、前記物性データに基づき構築した構造解析モデルを用いて前記延伸フィルムの変形量を予測する解析方法であって、前記物性データが、前記試験片を延伸させたときの応力ひずみ特性と、クリープひずみ速度特性とを含む、延伸フィルムの変形量解析方法。
【０００６】
延伸フィルムの変形量解析方法は、前記試験片を延伸させ一定時間経過するまでの反力時間推移特性を測定し、前記クリープひずみ速度特性に関する構造解析モデルのパラメータの値を、前記反力時間推移特性と一致するように較正することを含むことが好ましい。
【０００７】
また、延伸フィルムの変形量解析方法は、延伸前のフィルムを第一軸の方向に搬送しながら延伸し、そしてそれに直交する第二軸の方向に当該フィルムを連続的に延伸する逐次二軸延伸成形プロセスにおいて、二軸延伸フィルムの前記第一軸におけるボーイング量を予測することが好ましい。
【０００８】
また、延伸フィルムの変形量解析方法は、前記逐次二軸延伸成形が、前記延伸前のフィルムを第一温度で延伸する延伸工程ゾーンと、当該延伸工程後に当該フィルムを第二温度に保持する熱固定工程ゾーンとを含み、前記延伸工程ゾーンの解析においては前記第一温度で測定した物性データに基づく構造解析モデルを適用し、前記熱固定工程ゾーンの解析においては前記第二温度で測定した物性データに基づく構造解析モデルを適用することが好ましい。
【０００９】
また、本発明は、前記解析方法を用い、延伸フィルムの変形量が最小になる温度、歪み速度を求める方法である。
【００１０】
また、本発明は、上記方法で得られるデータを用いる延伸フィルムの製造方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、多くの人員、時間及び経済的費用をかけずに、小規模な試験設備のみで、延伸成形フィルムの品質評価や延伸プロセス条件等の事前検討を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】逐次二軸延伸フィルム成形法を説明するための図である。
【図２】本発明に係る延伸成形フィルムの変形量解析方法を説明するためのフロー図である。
【図３】小型二軸バッチ延伸機を使った試験を示す写真である。
【図４】ＭＤ一次延伸試験を説明するための平面図である。
【図５】ＴＤ二次延伸試験を説明するための平面図である。
【図６】各測定温度における、試験片の応力−ひずみ特性を測定した結果を例示するグラフである。
【図７】各測定温度における、試験片の応力−クリープひずみ速度特性を例示するグラフある。
【図８】各測定温度における、試験片延伸時の反力時間推移を測定した結果を例示するグラフである。
【図９】フィルム幅方向１／２中心軸対称解析モデルと解析条件を例示する図である。
【図１０】フィルム幅方向１／２中心軸対称モデルによる解析結果を例示する図である。
【図１１】材料Ａにおけるボーイングプロファイルの解析結果を示すグラフである。
【図１２】材料Ｂにおけるボーイングプロファイルの解析結果を更に示すグラフである。
【図１３】材料Ａのボーイングの状態（フィルム幅方向１／２中心軸対称表示）の解析結果を例示する図である。
【図１４】材料Ｂのボーイングの状態（フィルム幅方向１／２中心軸対称表示）の解析結果を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、逐次二軸延伸フィルム成形プロセスを例に、延伸工程で発生するボーイング量をシミュレーション解析により予測する新たな解析手法を説明する。図１に示すように、逐次二軸延伸フィルム成形は、フィルム材を第一軸方向に延伸搬送し、そして第一軸に直交する第二軸の方向に当該フィルムを連続的に延伸成形するフィルム製膜法をいう。以下の説明において、フィルム材が搬送される長手方向の第一軸方向をＭＤ（Machine Direction）又はｘと表記し、フィルム材の幅方向である第二軸方向をＴＤ（Transverse Direction）又はｙと表記する。
【００１４】
図２は、本発明の一実施形態による延伸成形フィルム変形量解析方法のフロー図である。本実施形態においては、製品となるフィルムと同一素材の試験片フィルムから物性データを予め測定し、測定した物性データに基づいて構築した構造解析モデルを用いて、有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）解析を行う。以下、実施例を詳細に説明するように、本解析手法によれば、大規模な製膜設備を用いなくても、延伸フィルムのボーイング量を予測することができる。
＜素材＞
本発明に用いられる素材は、特に制限はなく、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン／プロピレン共重合体（ＥＰＲ）、エチレン／ブテン共重合体（ＥＢＲ）、エチレン／酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、エチレン／酢酸ビニル共重合体鹸化物（ＥＶＯＨ）、エチレン／アクリル酸共重合体（ＥＡＡ）、エチレン／メタクリル酸共重合体（ＥＭＡＡ）、エチレン／アクリル酸メチル共重合体（ＥＭＡ）、エチレン／メタクリル酸メチル共重合体（ＥＭＭＡ）、エチレン／アクリル酸エチル共重合体（ＥＥＡ）等のポリオレフィン系樹脂及び、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、クロトン酸、メサコン酸、シトラコン酸、グルタコン酸、シス−４−シクロヘキセン−１，２−ジカルボン酸、エンドビシクロ−［２．２．１］−５−ヘプテン−２，３−ジカルボン酸等のカルボキシル基及びその金属塩（Ｎａ、Ｚｎ、Ｋ、Ｃａ、Ｍｇ）、無水マレイン酸、無水イタコン酸、無水シトラコン酸、エンドビシクロ−［２．２．１］−５−ヘプテン−２，３−ジカルボン酸無水物等の酸無水物基、アクリル酸グリシジル、メタクリル酸グリシジル、エタクリル酸グリシジル、イタコン酸グリシジル、シトラコン酸グリシジル等のエポキシ基等の官能基が含有された化合物により変性された、上記ポリオレフィン系樹脂、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）等のポリエーテル系樹脂、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）等のポリスルホン系樹脂、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリチオエーテルスルホン（ＰＴＥＳ）等のポリチオエーテル系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）等のポリケトン系樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメタクリロニトリル、アクリロニトリル／スチレン共重合体（ＡＳ）、メタクリロニトリル／スチレン共重合体、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン共重合体（ＡＢＳ）、メタクリロニトリル／スチレン／ブタジエン共重合体（ＭＢＳ）等のポリニトリル系樹脂、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリメタクリル酸エチル（ＰＥＭＡ）等のポリメタクリレート系樹脂、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡｃ）等のポリビニルエステル系樹脂、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、塩化ビニル／塩化ビニリデン共重合体、塩化ビニリデン／メチルアクリレート共重合体等のポリビニル系樹脂、酢酸セルロース、酪酸セルロース等のセルロース系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）等のポリカーボネート系樹脂、熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド等のポリイミド系樹脂、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、エチレン／テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン／クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＴＦＥ／ＨＦＰ，ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン／フッ化ビニリデン共重合体（ＴＦＥ／ＨＦＰ／ＶＤＦ，ＴＨＶ）、テトラフルオロエチレン／フルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体（ＰＦＡ）等のフッ素系樹脂、熱可塑性ポリウレタン系樹脂、ポリアミド、ポリウレタンエラストマー、ポリエステルエラストマー、ポリアミドエラストマー等が挙げられ、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミドが好ましい。
＜有限要素法解析＞
本発明に用いられる有限要素法解析は、特に制限はなく、市販の解析ソフトを用いて解析してもよい。
＜延伸フィルムの変形量の解析方法＞
本解析手法によれば、大規模な製膜設備を用いなくても、延伸フィルムのボーイング量を予測することができる。即ち、温度や歪み速度を適当に入力し、変形量が最小になるような条件（温度や歪み速度等）を求めることもできる。
変形量が最小になるような条件（温度や歪み速度等）を求めることができれば、その条件を用い、変形量が最小になる延伸フィルムの製造も可能になる。
【実施例】
【００１５】
（物性データの取得）
はじめに、延伸成形フィルムのＦＥＭ解析を行うための構造解析モデルを規定する基礎的な物性データを、図３に示す小型の二軸バッチ延伸機を使って取得する。試験条件は下記のとおりである。試験片フィルム２０の基礎的な物性データ１１として、応力−ひずみ特性（図６）と応力−クリープひずみ速度特性（図７）を測定した。
【００１６】
〔試験片フィルム〕
寸法  ：ＭＤ  ９０ｍｍ，ＴＤ  ９０ｍｍ，厚さ  １００μｍ
材料Ａ  ：ナイロン６（宇部興産株式会社製１０２２Ｂ）
材料Ｂ  ：ナイロン６（宇部興産株式会社製１０２２Ｂ）＋ナイロン６／６６（宇部興産株式会社製５０２３）
〔測定温度〕
Ｔ１＝８０℃，Ｔ２＝１００℃，Ｔ３＝１２０℃，Ｔ４＝１４０℃，Ｔ５＝１５０℃，Ｔ６＝１６０℃，Ｔ７＝１８０℃，Ｔ８＝２００℃
【００１７】
〔チャック〕
チャック数          ：ＭＤ  ５個，ＴＤ  ５個，対角線方向  ４個
初期チャック間距離  ：ＭＤ  ７０ｍｍ，ＴＤ  ７０ｍｍ
〔延伸条件〕
延伸倍率            ：ＭＤ  ３．０，ＴＤ  ２．５
延伸パターン        ：
【表１】
2020203483.tif 000003
延伸速度            ：０．５６ｍ／ｓｅｃ
応力緩和測定時間    ：３０ｓｅｃ
【００１８】
試験は、まず、試験片フィルム２０をＭＤ方向に延伸し、次にＴＤ方向に延伸することにより行った。最初のＭＤ一次延伸においては、図４に示すように、ＴＤチャック２２で試験片２０を並進拘束し、ＭＤチャック２１を定速で移動させた。次にＴＤ二次延伸においては、図５に示すように、ＭＤチャック２１で試験片２０を並進拘束し、ＴＤチャック２２を定速で移動させた。延伸速度（つまりチャックの移動速度）は、実際の延伸プロセスと同一の歪み速度になるように制御した。
【００１９】
試験片フィルムの表面には、予め、格子状のスケールと、スケールで囲まれたマス内の中央に円形のドットをマーキングされている。スケール及びドットの変形量から、試験片フィルムに生じた変形量（ひずみ）を測定した。また、チャックの引張力（反力）とフィルムの断面積とから、フィルム内部に生じている応力を演算した。
【００２０】
図６は、各測定温度における、試験片フィルム２０の応力−ひずみ特性を測定した結果の例である。応力−ひずみ特性は、延伸成形フィルムの静的な構造解析モデルを構築する上で基礎となる物性データである。応力−ひずみ特性は、クリープが生じない弾性変形領域、つまり延伸の初期段階か又は予備試験において測定してもよい。
【００２１】
図７は、各測定温度における、試験片フィルム２０の内部応力とクリープひずみ速度との関係を測定した結果の例である。延伸により内部応力が降伏に到ると塑性変形が開始しクリープが加速する。その一方、応力が時間の経過とともに緩和され、最終的に内部応力の一部が残存する。このような複雑な応力変化を伴うフィルムの配向状態や変位の挙動を、静的な解析モデルのみで再現することは困難である。
【００２２】
（モデル定数のフィッティング）
そこで、発明者等は、時間要素を含む応力緩和特性を定めるパラメータを実際の延伸プロセスの値に可能な限り近づけることを試みた。そのために、試験片フィルム２０のＴＤ二次延伸開始から一定時間経過するまでの反力の推移を測定した。具体的には、ＴＤチャック２２を実際の延伸プロセスと同じ延伸速度で定速移動させ、ＴＤチャック２２の距離が１７５ｍｍ（延伸倍率２．５）となった位置で３０秒間保持し、その間、ＴＤチャック２２が受ける反力を計測した。なお、ＭＤ一次延伸（延伸倍率３）により試験片フィルム２０の厚みは３３μｍ（初期値の１／３）に減少する。そのため、ＴＤ二次延伸時の解析においては、試験片フィルム２０の厚みの初期値を３３μｍとして応力を演算した。図８に、各測定温度における反力時間推移の結果を示す。
【００２３】
構造解析モデルの構築Ｓ１においては、上記試験を再現する仮モデルを作成し、実験により得た反力時間推移特性結果（図８参照）と、仮モデルによるＦＥＭ解析結果とが最近似（フィッティング）するように、仮モデルのクリープひずみ速度特性（図７参照）に関するパラメータ定数値を較正した。なお、図８には、実データとの比較のため、較正後のモデルによる解析結果を破線で示している。
【００２４】
（実プロセスのＦＥＭ解析）
実際の延伸プロセスを想定したＦＥＭ解析Ｓ２においては、試験片フィルム２０から得た物性データに基づき構築した構造解析モデルを用いたシミュレーション解析を行う。本実施例の解析において設定したフィルム幅方向１／２中心軸対称解析モデルと解析条件を図９に示す。ｘ軸に対するｙ軸方向のフィルム変形を対称とみなし、解析にはハーフモデルを使用した。
【００２５】
図１で説明したように、ＴＤ延伸プロセスは、それぞれの工程ゾーンごとに処理温度が異なっている。したがって、本解析においても、図９に示すように工程ゾーンごとに温度条件を適合させた。具体的には、予熱工程ゾーンの解析においては、実プロセスの予熱温度（Ｔ１＝８０℃）で測定した物性データに基づくモデルを適用し、延伸工程ゾーンの解析においては実プロセスの延伸温度（Ｔ２＝１００℃）で測定した物性データに基づくモデルを適用し、熱固定工程ゾーンの解析においては実プロセスの熱固定温度（Ｔ８＝２００℃）で測定した物性データに基づくモデルを適用した。図１０に、フィルム幅方向１／２中心軸対称モデルによる解析結果１４として、延伸工程ゾーンと熱固定工程ゾーンの温度境界付近における、ｘ方向（ＭＤ）変位分布を示す。
【００２６】
（解析結果の検証）
以上説明したように、ＦＥＭ解析Ｓ２により、延伸プロセスにおける各工程ゾーン全般に亘るフィルムの変位量分布、特にボーイング現象を正確に予測することができる。
【００２７】
実施例のＦＥＭ解析結果として、図１１及び１２にＴＤ延伸後、定常状態となった位置におけるボーイングプロファイルのグラフを示す。なお、図１１はポリアミド材料Ａ（以下「材料Ａ」という。）についての解析結果を示し、図１２は同条件で解析したポリアミド材料Ｂ（以下「材料Ｂ」という。）についての結果を示している。
【００２８】
図１１及び１２から計算される、それぞれの材料のボーイング率の予測値を表２に示す。
【００２９】
【表２】
2020203483.tif 000004
材料Ａと比較し、材料Ｂのボーイング率が高くなる傾向は、実際の延伸プロセスの結果と一致することを確認した。
【００３０】
上記２種類のポリアミドフィルム（材料Ａ、Ｂ）を用いて、逐次二軸延伸ＣＡＥ解析を実施したボーイングの状態（フィルム幅方向１／２中心軸対称表示）を図１３及び１４に示す。これらの解析結果により、ボーイング現象が視覚的に表現できること、及びボーイング量の大小関係が実系と一致することを確認した。
【００３１】
以上、実施例を挙げて説明した延伸成形フィルムの変形量解析方法によれば、大規模な製膜設備を用いなくても、製品仕様に適合したフィルム材料の選択等の検討を事前に行うことができる。また、境界条件を様々に変え実験計画法的にシミュレーション解析をすることにより、ボーイング率を最小にする延伸プロセス条件等の最適化設計も可能となる。したがって、多くの人員、時間及び経済的費用をかけずに、小規模な試験設備を使って、延伸成形フィルムの品質評価や延伸プロセスの条件等の事前検討を行うことができる。
【符号の説明】
【００３２】
１１  基礎的物性データ
１２  反力時間推移データ
１３  実延伸プロセス境界条件
１４  解析結果（x変位分布、ボーイングプロファイル）
２０  試験片フィルム
２１  ＭＤチャック
２２  ＴＤチャック
【図１】
2020203483.tif 000005
【図２】
2020203483.tif 000006
【図３】
2020203483.tif 000007
【図４】
2020203483.tif 000008
【図５】
2020203483.tif 000009
【図６】
2020203483.tif 000010
【図７】
2020203483.tif 000011
【図８】
2020203483.tif 000012
【図９】
2020203483.tif 000013
【図１０】
2020203483.tif 000014
【図１１】
2020203483.tif 000015
【図１２】
2020203483.tif 000016
【図１３】
2020203483.tif 000017
【図１４】
2020203483.tif 000018