(57)【要約】ミクロフィブリル化セルロースを含むフィルムの製造方法は、第１の懸濁液を準備する工程であり、ミクロフィブリル化セルロースを含み、乾燥分含有量が0.2〜2.0％であり、第１のショッパー・リーグラ（SR）値を有した第１の懸濁液を準備する工程と、第１の懸濁液の第１のウェブを形成する工程と、第１のウェブを少なくとも部分的に脱水する工程と、第２の懸濁液であり、ミクロフィブリル化セルロース及び／又は微繊維及び／又は繊維を含み、第１のショッパー・リーグラ値よりも高い第２のショッパー・リーグラ値を有する第２の懸濁液を、形成され少なくとも部分的に乾燥させた第１のウェブの面に塗布し、これによってフィルムを形成する工程と、を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の工程を含むミクロフィブリル化セルロースを含むフィルムの製造方法：
第１の懸濁液を準備する工程であり、前記第１の懸濁液の固形分の総重量を基準としてミクロフィブリル化セルロースを少なくとも50重量％含み、乾燥分含有量が0.2〜2.0％であり、第１のショッパー・リーグラ（SR）値を有した第１の懸濁液を準備する工程と、
前記第１の懸濁液の第１のウェブを形成する工程；
前記第１のウェブを少なくとも部分的に脱水する工程；
第２の懸濁液として、ミクロフィブリル化セルロース及び／又は微繊維及び／又は繊維を含むものを、前記形成され少なくとも部分的に脱水した第１のウェブの表面に適用し、第２の懸濁液は前記第１のショッパー・リーグラ値より高い第２のショッパー・リーグラ値を有し、これによってフィルムを形成する工程。
【請求項２】
第１の懸濁液が、前記懸濁液の固形分の総重量を基準として、3〜40重量％の量又は5〜15重量％の量の填材をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１の懸濁液が、前記懸濁液の固形分の総重量を基準として、5〜50重量％の量又は5〜15重量％の量の長繊維をさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
第１の懸濁液のSR値が、40〜90の範囲又は60〜85の範囲にある、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
第２の懸濁液が、微繊維及び／又は短繊維、填材、保持化学物質、凝集添加剤、解こう添加剤、湿潤強度化学物質、乾燥強度添加剤、軟化剤、又はこれらの混合物のうちのいずれか１種をさらに含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
第２の懸濁液が、ヘッドボックス内の第１のウェブの表面に供給される、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
第２の懸濁液が、サイズプレスによって第１のウェブの表面に供給される、請求項１〜５に記載の方法。
【請求項８】
第２のSR値が、第１のSR値より5％〜30％高い、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
第２の懸濁液の乾燥分含有量が、第１の懸濁液より少ない、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
第２の懸濁液が、第１のウェブの表面に泡の形態により適用される、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
形成されたフィルムを脱水する工程をさらに含む、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
脱水が真空によって行われる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
脱水が機械的圧力によって行われる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
フィルムの酸素透過率（OTR）が、500ml/m2/24時間未満、又は100ml/m2/24時間未満、又は50ml/m2/24時間未満、又は10ml/m2/24時間未満、又は1ml/m2/24時間未満である、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法によって得られたフィルム。
【請求項１５】
フィルムの坪量が、50g/m2未満、又は35g/m2未満、25g/m2未満、又は20g/m2未満である、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法によって得られたフィルム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本書類は、バリア特性が向上した薄紙フィルムの製造に関する。
【０００２】
背景
先行技術により、薄いウェブ及び薄膜をミクロフィブリル化セルロース（MFC）から製造できることが知られている。「薄膜（thin film）」という用語は、30g/m2未満の坪量を有するフィルムを定義する目的のものである。この目的は、プラスチック基材上にMFCを塗布することによって、又はワイヤに繊維を塗布し、非常に長い時間にわたって真空吸引を用いることによって、達成することができる。
【０００３】
高い生産速度では、通常、振動脱水要素（pulsating dewatering elements）が、ワイヤセクション（レジスターロール、ホイル、真空ホイルなど）に用いられる。これらの振動脱水要素は、形成された湿潤ウェブ構造を開いて、脱水を更に速くさせ、これによって、生産速度が更に速くなる。しかしながら、このことによって、生産されたフィルムの酸素バリア特性に対し負の効果も及ぼされ、フィルム中にピンホールが生じる場合がある。
【０００４】
したがって、高い酸素バリア特性を示し、そして、先行技術の解決策と関連するピンホールに関する問題を回避する、製紙機械又は板紙製造機において薄いMFCフィルムを高速で製造する方法が必要である。
【０００５】
概要
本発明の目的は、MFCフィルムが高い酸素バリア特性を示し、そして、先行技術の解決策と関連するピンホールに関する問題を回避するように、抄紙機において薄いMFCフィルムを高速で製造可能にすることである。
【０００６】
この目的は、添付の独立請求項に係る方法によって、全体的又は部分的に達成される。実施形態を、添付の従属請求項及び次の説明に示す。
【０００７】
第１の態様によれば、ミクロフィブリル化セルロースを含むフィルムの製造方法において、第１の懸濁液を準備する工程であり、第１の懸濁液の固形分の総重量を基準としてミクロフィブリル化セルロースを少なくとも50重量％含み、乾燥分含有量（dry content）が0.2〜2.0％であり、第１のショッパー・リーグラ（Schopper-Riegler）（SR）値を有した第１の懸濁液を準備する工程と、第１の懸濁液の第１のウェブを形成する工程と、第１のウェブを少なくとも部分的に脱水する工程と、第２の懸濁液であり、ミクロフィブリル化セルロース及び／又は微繊維及び／又は繊維を含み、第１のショッパー・リーグラ値よりも高い第２のショッパー・リーグラ値を有する第２の懸濁液を、形成され少なくとも部分的に乾燥させた第１のウェブの面に塗布し、これによってフィルムを形成する工程と、を含む。乾燥分含有量（dry content）という用語は、懸濁液の総重量を基準とした懸濁液中の乾燥物質の含有量を意味する。
【０００８】
フィルムは、湿式法（wet laid technologies）によって、例えば、製紙機械又は板紙製造機により製造されることが好ましい。
【０００９】
これによって、いわゆる「自己修復効果」が生じ、第２の懸濁液の微細な（高いSR値によって定義される。）MFC／微繊維／繊維が、穴若しくは脆弱性が存在するか又は空隙率が高いウェブ又はフィルムの領域に濃縮されることが示されている。後続する脱水工程では、物質（及び水）の流れは、ウェブの最も多孔性である領域において最も高い。この流れにより、多くの物質が多孔質領域を通って流れ、その結果、流れ中の物質がこれらの多孔質領域を塞ぐ。本発明の方法は、劇的に増加した生産速度により、特に、抄造工程において通常望ましい増加した脱水速度により、酸素バリアが高いフィルムを生産することができる。これは、部分的に、本発明の方法が乾燥中に高い真空レベルを用いることができるのと同時に、ワイヤに微細物質が付着（pick up）しないようにするという事実によるものである。この方法によって、更に効果的に脱水することが可能な基材を、すなわち、ヘッドボックス内に少ない微繊維を、そして、必要とされる領域のみに非常に微細な微繊維を用いることができる。この方法によって、酸素バリアフィルムの十分な全脱水工程を達成することが可能である。
【００１０】
第１の懸濁液は、懸濁液の固形分の重量を基準として、少なくとも50重量％、又は少なくとも70重量％、又は80重量％を超える量のミクロフィブリル化セルロース（MFC）を含む。一実施形態において、懸濁液のミクロフィブリル化セルロース含有量は、70〜95重量％の範囲、70〜90重量％の範囲、又は70〜90重量％の範囲にあり得る。
【００１１】
一実施形態によれば、第１の懸濁液は、さらに、懸濁液の固形分の重量を基準として、3〜40重量％の量又は5〜15重量％の量の填材を含み得る。
【００１２】
第１の懸濁液は、さらに、懸濁液の固形分の重量を基準として、5〜50重量％の量又は5〜15重量％の量の長繊維を含み得る。「長繊維（long fibers）」とは、0.8mmを超える長さの、あまり叩解されていないパルプ中の繊維を意味する。
【００１３】
一実施形態によれば、第１の懸濁液のSR値は、40〜90の範囲又は60〜85の範囲にあり得る。
【００１４】
第２の懸濁液は、さらに、微繊維及び／又は短繊維、填材、保持化学物質、凝集添加剤、解こう添加剤（deflocculating additives）、湿潤強度化学物質、乾燥強度添加剤、軟化剤、又はこれらの混合物のうちのいずれか１種を含み得る。填材は、例えば、沈降炭酸カルシウム（PCC）、ナノ粘土又はナノPCCであってもよい。また、填材は、有機填料、例えば、ポリエチレン粒子、又はポリエチレン繊維も含んでいてもよい。
【００１５】
一実施形態によれば、第２の懸濁液は、ヘッドボックス内の第１のウェブの面に供給され得る。
【００１６】
第２の懸濁液は、サイズプレスによって又はサイズプレスを介して、第１のウェブの面に供給することができる。
【００１７】
第２のSR値は、第１のSR値よりも5％〜30％高くてもよい。
【００１８】
さらに、第２の懸濁液の乾燥分含有量は、第１の懸濁液よりも少なくてもよい。希釈された微繊維を含む、この第２の懸濁液は、例えば、抄紙機の白濁水から採取してもよい。これらの採取された微繊維は、そのまま用いるか、又は、分画若しくは機械的及び／又は化学的処理によって更に細かくすることができる。この目的のために、別のMFCを生産することもできる。第２の懸濁液は、MFC、微繊維及び／又は短繊維を含み得る。
【００１９】
方法は、さらに、形成されたフィルムを脱水する工程を含み得る。
【００２０】
一実施形態によれば、脱水は、真空によって行うことができる。真空を用いる脱水は、本発明により可能となり、第２の懸濁液の湿潤微繊維／MFC／繊維がウェブの細孔に流れ込み、これによって、非常に緻密なMFCフィルムが形成し、先行技術におけるMFCフィルムの形成に関連するピンホールに関する問題は回避される。ピンホールは紙の欠陥であり、シートを透かして見ると微小な穴として現れる。
【００２１】
別の実施形態によれば、脱水は、機械的圧力によって行うことができる。機械的圧力は、第２の懸濁液の湿潤微繊維／MFC／繊維をウェブの穴に流し込むのに用いられる。
【００２２】
第２の態様によれば、第１の態様に係る方法によって得られるフィルムが提供され、フィルムの酸素透過率（OTR）が、500ml/m2/24時間未満、又は100ml/m2/24時間未満、又は50ml/m2/24時間未満、又は10ml/m2/24時間未満、又は1ml/m2/24時間未満である。
【００２３】
第３の態様によれば、第１の態様に係る方法によって得られるフィルムが提供され、フィルムの坪量が、50g/m2未満、又は35g/m2未満、25g/m2未満、又は20g/m2未満である。
【００２４】
実施形態の説明
一実施形態によれば、フィルムは、当業者に周知である長網抄紙機などの従来の製紙機械により生産又は製造される。フィルムは、ミクロフィブリル化セルロース繊維を含む第１の水性懸濁液を準備することによって製造される。この第１の懸濁液は、40〜90の範囲又は60〜85の範囲のショッパー・リーグラ（SR）値、すなわち、第１の脱水性を有し得る。
【００２５】
ショッパー・リーグラ値は、EN ISO 52671/1において定義されている標準的な方法によって取得することができる。
【００２６】
ミクロフィブリル化セルロース（MFC）とは、本特許出願に照らして、100nm未満の少なくとも１つの寸法を有するナノスケールセルロース粒子繊維又はフィブリルを意味するものとする。MFCは、部分的又は完全にフィブリル化されたセルロース又はリグノセルロース繊維を含む。遊離したフィブリルの径は100nm未満であるが、実際のフィブリルの径若しくは粒度分布及び／又はアスペクト比（長さ／幅）は、供給源及び製造方法によって異なる。最も小さなフィブリルは、エレメンタリーフィブリル（elementary fibril）と呼ばれ、径がおよそ2〜4nmである（例えば、Chinga-Carrasco, G.の文献：Cellulose fibres, nanofibrils and microfibrils,: The morphological sequence of MFC components from a plant physiology and fibre technology point of view, Nanoscale research letters 2011, 6:417を参照）が、ミクロフィブリルとしても定義されているエレメンタリーフィブリルの凝集形態（Fengel, D.の文献：Ultrastructural behavior of cell wall polysaccharides, Tappi J., March 1970, Vol 53, No. 3.）が、例えば拡張叩解工程又は圧力降下離解工程を用いて、MFCを製造するときに得られる主産物であることが一般的である。供給源及び製造工程に応じて、フィブリルの長さは、1マイクロメートル前後から10マイクロメートルを超える範囲に及び得る。粗いMFCグレードは、フィブリル化された繊維の相当な部分、すなわち、仮導管から突き出ているフィブリル（セルロース繊維）と、仮導管から遊離した特定量のフィブリル（セルロース繊維）と、を含有し得る。
【００２７】
セルロースミクロフィブリル、フィブリル化セルロース、ナノフィブリル化セルロース、フィブリル凝集体、ナノスケールセルロースフィブリル、セルロースナノファイバ、セルロースナノフィブリル、セルロースミクロファイバ、セルロースフィブリル、ミクロフィブリル状セルロース、ミクロフィブリル凝集体、及びセルロースミクロフィブリル凝集体などのMFCには、種々の頭字語が存在する。また、MFCは、大きな表面積、又は、水中に分散するときの、低い固形分（1〜5重量％）におけるゲル状物質形成能などの、種々の物理特性又は物理化学特性を特徴ともし得る。
【００２８】
セルロース繊維は、BET法を用いて凍結乾燥物質について測定した場合、形成されたMFCの最終比表面積が約1〜約300m2/g、例えば1〜200m2/g、更に好ましくは50〜200m2/gであるような程度までフィブリル化されることが好ましい。
【００２９】
MFCを製造するには、例えば、単一又は複数叩解（single or multiple pass refining）、予備加水分解、続いて、叩解又は高剪断離解又はフィブリルの遊離といった種々の方法が存在する。MFCの製造にエネルギー効率と持続可能性をともにもたらすには、通常、１つ以上の前処理工程が必要である。このため、供給されるパルプのセルロース繊維は、例えばヘミセルロース又はリグニンの量を減少させるように、酵素的又は化学的に前処理され得る。セルロース繊維は、フィブリル化前に化学的に修飾されてもよく、セルロース分子は、元のセルロースにみられる官能基以外の（又は元のセルロースにみられる官能基よりも多くの）官能基を含有する。このような基としては、とりわけ、カルボキシメチル（CMC）、アルデヒド及び／又はカルボキシル基（N-オキシル媒介酸化によって得られるセルロース、例えば「TEMPO」）、又は第四級アンモニウム（カチオン性セルロース）が挙げられる。上述した方法のうちの１つにより修飾又は酸化された後、繊維は、MFC又はナノフィブリルサイズ又はNFCへ更に容易に分解する。
【００３０】
ナノフィブリル状セルロースは、一部のヘミセルロースを含有し得るが、その量は、植物源によって異なる。前処理された繊維の機械的離解、例えば、セルロース原料の加水分解、予備膨潤又は酸化は、叩解機、粉砕機、ホモジナイザー、コロイダー、摩擦粉砕機、超音波処理機、マイクロ流動化装置、マクロ流動化装置又は流動化装置型ホモジナイザーのような流動化装置などの適切な装置によって行われる。MFCの製造方法に応じて、製品は、微繊維若しくはナノ結晶セルロース、又は、例えば、木材繊維に若しくは抄造工程において存在する他の化学物質も含有し得る。また、製品は、効果的にフィブリル化されていない種々の量のミクロンサイズの繊維粒子も含有し得る。
【００３１】
MFCは、木材セルロース繊維から、硬材繊維又は軟材繊維の両方から生産される。また、MFCは、微生物源、麦わらパルプ、竹、バガスなどの農業繊維、又は他の非木材繊維源から製造することもできる。MFCは、バージン繊維由来のパルプ、例えば、機械的、化学的及び／又は熱機械的パルプを含むパルプから製造されることが好ましい。さらに、MFCは、破損した紙又は再生紙から製造することもできる。
【００３２】
上述したMFCの定義には、新規に提案されたTAPPI規格W13021であって、結晶質領域と非晶質領域の両方を有する複数のエレメンタリーフィブリルを含有するセルロースナノファイバ（cellolose nanofbire）材料を定義し、5〜30nmの幅の高いアスペクト比及び通常50を超えるアスペクト比を有するセルロースナノフィブリル（cellulose nanofbril）（CMF）に関して新規に提案されたTAPPI規格W13021が含まれるが、これに限定されない。
【００３３】
この第１の懸濁液は、5〜50重量％の量又は5〜15重量％の量の長繊維も含み得る。「長繊維」とは、0.8mmを超える長さの、あまり叩解されていないパルプ中の繊維を意味する。
【００３４】
一実施形態によれば、第１の懸濁液は、3〜40重量％の量又は5〜15重量％の量の填材も含み得る。填料は、既製の填料として加えられるか、又は第１の懸濁液中に直接形成されるように、例えば、種々の添加剤を反応させて填料を形成させるように加えられ得る。
【００３５】
填材は、例えば、沈降炭酸カルシウム（PCC）、ナノ粘土又はナノPCCであってもよい。
【００３６】
次いで、第１の懸濁液は、形成セクション、通常、第１のウェブを形成する製紙機械の多孔質ワイヤに運ばれる。その後、この第１のウェブは、従来の脱水法によって少なくとも部分的に脱水され得る。
【００３７】
第１のウェブの脱水後、第２のSR値を有する第２の懸濁液が供給される。この第２のSR値は、第１の懸濁液よりも高い。一実施形態によれば、第２のSR値は、第１のSR値よりも5％〜30％高い。
【００３８】
一実施形態によれば、第２の懸濁液の乾燥分含有量は、第１の懸濁液よりも低くてもよい。第２の懸濁液は、MFCと微繊維と短繊維の混合物であり得る。懸濁液には、填材、保持化学物質、凝集添加剤、解こう添加剤、湿潤強度化学物質、乾燥強度添加剤、軟化剤、又はこれらの混合物も含まれ得る。
【００３９】
抄紙機の白濁水流れから、第２の懸濁液を採取することが可能である。これらの採取された微繊維は、そのまま用いるか、又は、さらに、分画若しくは機械的及び／又は化学的処理によって更に細かくすることができる。
【００４０】
また、第２の懸濁液の填材は、例えば、沈降炭酸カルシウム（PCC）、ナノ粘土又はナノPCCであってもよい。填材は、既製の填料として加えられるか、又は水性懸濁液中に直接形成され得る。また、填材は、有機填料、例えば、ポリエチレン粒子、又はポリエチレン繊維も含んでいてもよい。
【００４１】
一実施形態によれば、第２の懸濁液は、ヘッドボックス内の（少なくとも部分的に脱水した）第１のウェブ上に運ばれる。この実施形態において、第１のヘッドボックスは、ワイヤに第１の懸濁液を塗布するのに用いられ、第１のヘッドボックスの下流に配置された第２のヘッドボックスは、第１のウェブ上に第２の懸濁液を塗布するのに用いられ得る。他の実施形態では、第２の懸濁液は、サイズプレスを用いて第１のウェブ上に塗布される。
【００４２】
第１のウェブに第２の懸濁液を塗布することによって、第２のウェブ又はフィルムが形成される。
【００４３】
第１のウェブに第２の懸濁液を供給した後、形成された第２のウェブ又はフィルムを脱水して、実質的に乾燥したフィルム、又は第２のウェブ又はフィルムと比較して含水量が減少し、最終用途に依存するフィルムを形成することができる。
【００４４】
両方のウェブの脱水は、真空によって行うことができる。二番目に形成されたウェブ又はフィルムは、真空によって脱水できることが好ましい。
【００４５】
また、別の実施形態によれば、脱水は、機械的圧力を加えることによって行い、第２の懸濁液の湿潤微繊維／MFC／繊維をウェブの穴に流し込むこともできる。この機械的圧力を達成する方法の一つは、サイズプレスを用いて、第２の懸濁液を加えるとともに、物質を穴に流し込む圧力を達成することである。
【００４６】
付加的な脱水は、さらに、化学的脱水、乾燥及び／又は蒸発も含む、従来の脱水法によって行うことができる。
【００４７】
本発明の自己修復処理は、形成されたウェブの両面において行うことができ、すなわち、第１の懸濁液よりもSR値が高い第２の懸濁液を、ウェブの第１の面と第２の面の両方に塗布することができる。
【００４８】
この方法によって、従来の湿式紙（wet laid papers）と比較して、酸素透過率（OTR）が顕著に減少する、すなわち、バリア特性が向上するにもかかわらず、非常に薄いフィルムを形成することができる。上述の方法に従って形成された薄膜の坪量は、50g/m2未満、35g/m2未満、25g/m2未満、又は20g/m2未満であり得る。薄膜の厚さは、好ましくは、50μm未満又は40μm未満又は35μm未満であり、最も好ましくは20〜40μmの範囲にある。
【００４９】
OTR値は、ASTM規格D3985-05に従って測定した。この規格は、添付の特許請求の範囲の規定と、以下の実施例において行われる測定の両方に適用可能である。測定は、23℃及び0％ RHにおいて行った。
【００５０】
このフィルムの空隙率は、Bendtsen値もGurley Hill値も測定できない程度に、すなわち、コート紙のグレードと同等である程度に低くてもよい。
【００５１】
例1：
例として、ミクロフィブリル化セルロースフィルムを、従来の製紙機械のワイヤセクションにおいて生産した。参照試験（ref）では、水をサイズプレスに加えた。次に示すように、サイズプレスに種々の濃度のMFCを加えて、本発明の一実施形態による２つの試験を行った。
【００５２】
【表１】
2018527476.tif 000002
【００５３】
試験から、酸素透過率（OTR）によって定義される酸素バリア特性は、サイズプレスにおいてMFCの第２の懸濁液を加えることによって、大幅に低減し、すなわち向上したことが明らかである。
【００５４】
例2
別の例として、紙料の総固形分を基準として100重量％の量のミクロフィブリル化繊維を含む紙料から、15gsmのウェブを形成した。紙料のSR値は、23.5である。
【００５５】
SR値が90を超える微細MFCを含む、種々の量（0〜8gsm）の懸濁液を、湿り部分的に脱水したウェブの上に塗布した。
【００５６】
【表２】
2018527476.tif 000003
【００５７】
参照フィルム（0gsmの微細MFC）と、本発明に従って製造されたフィルムのOTRを、ASTM規格D3985-05に従って測定した（表1）。表1から理解できるように、OTR値は、SR値の低い繊維から形成されたウェブの上に、SR値の高い微細MFCを加えることによって、大幅に低減する。
【国際調査報告】
2018527476.tif 000004
2018527476.tif 000005