日本包装学会誌 Vol.20 No.2（2011）

一般論文～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～

リサイクル PET フィルムの未延伸と延伸フィルムの熱接合及び熱接合部の評価
小 西礼 一＊，宮 田剣＊＊，山 田 和 志＊＊＊，Yew.W. LEONG＊＊＊，橋 本 靜 生＊＊＊＊， 濱 田 泰 以＊＊＊Influence of Draw Ratio on Adhesion of Heat-sealed
Recycled-PET Films
Reiichi KONISHI*, Ken MIYATA**, Kazushi YAMADA***, Yew.W.Leong***,Yasuo HASHIMOTO**** and Hiroyuki HAMADA**
現在、様々な分野で環境配慮型の取り組みが行われている．その中でも最終的にゴミとなる包装資材分野では環境に配慮された材料の選定が行われている．PETに結合剤と触媒を添加し、反応させることで溶融粘度をコントロールすることフィルムにリサイクルすることが可能になった．包装資材としての可能性について検討を行った．但し、包装資材は、排出されるゴミを減らすことを目的に軽量化する取組も重要なため、未延伸のフィルム及び延伸したフィルムについて検討を行った．包装資材として検討する上ではヒートシール性について評価する必要がある．本報告ではヒートシール性に及ぼす未延伸と延伸の影響について検討した．その結果、PETを包装資材から包装資材へとマテリアルリサイクルし、循環型社会構築に貢献できる可能性を明らかにした．

Recent technology developments require some form of consideration for the environment. For
example, poly(ethylene terephthalate) (PET) bottles have been recycled to form new commercial products
such as trays and kitchen utensils. However, recycled PET is still not widely adopted for commercial
packaging film applications. We developed a novel recycling system involving the use of recycled PET toproduce films for labelling purposes. In general, the PET film has to be drawn to control its thickness.
During the drawing process, however, molecular orientation would induce crystallization, which tend toaffect the mechanical properties and heat sealability of the films. In this study, the effects of draw ratio onheat seal strength as well as the mechanical properties of the heat seal region were investigated. Theresults reveal that heat seal strength of undrawn film was ca. 32 N/15 mm at 160 ℃. In addition, heatseal temperature increased with increasing draw ratio.
キーワード：リサイクルＰＥＴ、延伸倍率、ヒートシール
Keywords : Recycle PET, draw ratio, heat seal
*連絡者(Corresponding author), 中本パックス株式会社(〒543-0012 大阪市天王寺区空堀町2-8)
Nakamoto Packs Co.,Ltd. 2-8 karahori, Tennoujiku, Osaka 543-0012, Japan
Tel: 06-6762-2502, Fax: 06-6762-2582, E-mail: konishi@npacks.co.jp**山形大学,YamagataUniversity***京都工芸繊維大学,Kyoto Institute of Technology****富士インパルス株式会社, Fuji-Impulse Co.,Ltd－ 107 －リサイクル PET フィルムの未延伸と延伸フィルムの熱接合及び熱接合部の評価の違いにより、包装資材に対する要求性能は１． 緒言様々である．要求性能を満足するためには、現在、様々な分野で環境配慮型の取り組み

フィルムの材質も重要であるが、フィルムのが行われている．その中でも最終的にゴミと成形加工方法も重要である．例えば、基材フなる包装資材分野では環境に配慮した材料のィルムの場合、一般的に延伸ナイロンフィル選定が行われており、バイオマス資源やリサムや延伸 PET フィルムが使用される．4)延伸

イクル原料を使用した包装資材の開発が進めにより引張強度が高くなることに加え、薄膜られている．特に飲料用のポリエチレンテレ化されるため、使用資材の低減につながる．

フタレート(PET)ボトルは 2007 年度販売量

近年、廃棄物となる包装資材は減らす方向に

573,198t に対して回収量 396,529t で回収率あり、薄く強靱なフィルムが要求される傾向

69.2%、2008 年度販売量 571,363t と販売量がにある．しかしこれらの延伸フィルムは熱接減少しているにも関わらず回収量は 445,457t合性に劣る．包装資材として使用する場合、で回収率 77.9%と増加傾向にある．2008 年度

製袋し使用するため、熱接合可能であり、かの回収率は欧州で 46%、米国で 27%1)と日本

つ強靱であることが重要である．5)6)に比べ低い、年々増加傾向にあり、世界的に本研究では、リサイクル PET フィルムを 3

PET ボトルリサイクルの取組みが行われてい倍及び 4 倍に延伸したフィルムと未延伸フィる．その用途としては繊維やシートなどに概

ルムについて、シール強度及び接合部の強度ね限定されており 2)、包装資材用フィルムにを熱分析により延伸及びヒートシールにおけはほとんど使用されていない．PET は、バーる高次構造形成と比較することで包装資材へジン材料でも溶融粘度が低いため、未延伸のの展開可能性について検討した．

状態で薄膜フィルムを製造することは困難である．そのため、リサイクル材も同様に単層２． 実験方法

で包装用フィルムに成形することは不可能で2.1 使用フィルムあった．しかし、PET にカップリング剤と触リサイクル PET ボトルフレーク 95wt%にカ媒を添加し、反応させることで溶融粘度を制ップリング剤としてエポキシ基を有する化合御することが可能になった．3)この技術を利物と触媒として有機酸の金属塩の複合体マス用し未延伸の薄膜 PET フィルムを製造した．

ターバッチを 5wt%添加し、1 軸押出機を用い，本研究では廃棄 PET ボトルをフィルムにリ厚さ 60µm の未延伸フィルム(以下 C-RPET とサイクルすることにより、包装資材としての略す）を得た．3)さらに，中本パックス㈱オ展開可能性について検討を行った．包装資材

リジナル縦 1 軸延伸装置を用い、延伸温度の目的は、運送などの作業性を良くするほか100℃、アニール温度 120℃で延伸倍率 3 倍及に被包装物を保護することにある．被包装物

び 4 倍の延伸フィルムを製造した．

－ 108 －

日本包装学会誌 Vol.20 No.2（2011）て垂直方向）に，それぞれ幅 15 mm,長さ2.2 熱接合装置と接合方法
熱接合装置には,温度センサーをヒーター100mm に切り出した．これを 2 枚重ね、中央の裏側に内蔵し，クローズドループで温度制部を幅 10mm で熱接合した試験片を 6 片準備御の可能な，インパルス式オートシーラー（加熱出力 1.5 kW，富士インパルス社製）を用いた．熱接合部分の模式図を Fig.1 に示す．各加した．試験は，180°開き，つかみ具間距離 50mm，試験速度 300 mm/min で行った．
2.4 円孔引張強度試験

熱温度の試験片作成においては，プラスチッ

実際の破損事例は，必ずしも界面での破壊クフィルムを圧着板と受け板の間に挟み込み，だけではなく，接合部での破壊も含まれる．

設定圧力まで加圧した後に各設定温度まで加そのため円孔引張試験にて，熱接合部自体の熱，設定温度到達後，実験装置の最も短い接強度，破断形態について検討した．Fig.2(b)に合温度保持時間である 0.1 sec，保持し，加圧示すように，幅 15 mm，長さ 100 mm の試験下で自然冷却した後，フィルムを開放した．

片を MD，TD にそれぞれ切り出し，10 mm 幅

自然冷却時間は 5.0 sec とした．熱接合時の加で熱接合したのち，熱接合部で破断するよう圧力は，本装置の固有の値である 0.42 MPaに半径 5 mm の円孔切り欠きを両側に施したであった．

試験片を 6 片準備した．試験条件は，つかみ具間距離 50 mm，試験速度 20 mm/min とした．

15Heat Seal Part

10100unit：mmFig.2 (a)Specimen of peel test

15Fig.1 Schematic diagram of heat sealing

ヒートシール強度試験には，インストロン

100型万能試験機（4466 型，インストロン社製）

R52.3 ヒートシール強度試験を用いた．JIS Z 0238 に基づき，Fig.2(a)に示すように，フィルムを MD（フィルム成形時unit：mmの巻取り方向）及び TD（巻取り方向に対しFig.2(b) Specimen of semi-circular tensile test

－ 109 －

リサイクル PET フィルムの未延伸と延伸フィルムの熱接合及び熱接合部の評価

2.5 示差走査熱量測定(DSC)

倍延伸の C-RPET については TD 方向で 220℃、測定には DSC2920(TA Instruments 社製)を用いた．試料は，約 5 mg のフィルムを精密MD 方向で 210℃から接合が開始されることがわかった．

電子天秤（XS105，メトラー･トレド社製）にフィルムの延伸に伴い分子配向度が増加すて精密に質量測定し，アルミパンにクリンプる．ヒートシールにおいては分子鎖の緩和時した．測定は，窒素雰囲気下, 50～300℃の間間がヒートシール温度と密接に関連する．分を，10℃/min の昇温速度で行った．

子配向度の増加に伴い、緩和時間は長くなる
ため、フィルムの延伸によりヒートシール開３． 結果と考察

始温度は高温へシフトしていると考察される．

3.1 ヒートシール強度ヒートシール強度の最大値は延伸倍率の増加

Fig.3, Fig.4, Fig.5 に，未延伸、3 倍延伸及びに伴い低下傾向を示すことがわかった．

4 倍延伸した MD 及び TD 方向の C-RPET フ
ィルムについて 100～240℃の接合温度範囲

Fracture at boundary

でヒートシールし、その後ヒートシール強度試験を行った結果を示す．破壊形態はヒートシール温度により異なり、グラフ上にその違いを領域で示した．破壊時の最大荷重をヒートシール強度とし、その平均値をプロットした．
未延伸の C-RPET フィルムは MD 及び TD
方向とも 120℃からヒートシールが可能なことがわかった．接合温度の上昇とともにはく離強度は増加し、130℃程度から破壊形態が界Fig. 3 Effect of heat seal temperature on heat seal
strength for as-cast C-R PET Films

面でのはく離からシール部の破壊に変化し、Peelより強固な接合となっていることがわかった．

Fracture at boundary

160℃ に お い て MD 方 向 フ ィ ル ム で 、32N/15mm の最大値を示した．180℃以上から破壊形態も接合部と非熱接合部の境界部での破壊に変化した．200℃以上になると強度は低下傾向を示し、さらに 220℃以上では、やや増加傾向示した．
3 倍延伸の C-RPET フィルムについては TD方向で 200℃、MD 方向で 210℃から接合が開始された．はく離強度の最大値は接合温度240℃の MD 方向で 14.6N/15mm であった．4

Fig. 4 Effect of heat seal temperature on heat seal
strength for drawn C-R PET Films (Draw ratio=3)－ 110 －

日本包装学会誌 Vol.20 No.2（2011）

Fig.8 に 4 倍延伸 C-R PET の円孔引張強度とPeelFracture at boundary

ヒートシール温度の関係を示す．シール前フィルムの強度は、TD 方向で 60MPa、MD 方向で 240MPa になっていた．MD 方向は 3 倍
延伸よりもさらに延伸倍率の増加により、高強度になっている．MD 方向の円孔引張強度は、ヒートシール温度 210℃から低下傾向を示し、240℃以上で未延伸フィルムと同程度の円孔引張強度を示した．この未延伸フィルムと同程度の円孔引張強度を示す 240℃以上の温度範囲は Fig.5 でシール部の破壊領域に一Fig. 5 Effect of heat seal temperature on heat seal
strength for drawn C-R PET Films (Draw ratio=4)

致している．このように延伸倍率の増加に伴い円孔引張強度は MD 方向と TD 方向で異方性が大きくなる．さらにヒートシールにより3.2 円孔引張強度

分子配向が緩和し、MD 方向の円孔引張強度

Fig.6 に未延伸 C-R PET の円孔引張強度と熱接合温度の関係を示す．シール前フィルムの強度は、TD 方向で 56MPa、MD 方向で 52MPaであった．熱接合部の円孔引張強度は、TDは低下する．240℃以上のヒートシール温度では、未延伸フィルムと同程度まで分子配向が緩和し、円孔引張強度も同程度の強度になると考察される．

方向で 55MPa、MD 方向で 53MPa とほぼ一定であり、ヒートシール温度に依存せず、またヒートシールによる影響を受けないことがわかった．
Fig.7 に 3 倍延伸 C-R PET フィルムの円孔引張強度とヒートシール温度の関係を示す．シ
ール前フィルムの強度は、TD 方向で 51MPa、MD 方向で 81MPa である．MD 方向は延伸により、未延伸フィルムより強度が増加し、異方性が生じていることがわかる．熱接合温度が 210℃で円孔引張強度は 50MPa まで低下し、未延伸フィルムと同等の強度となった．この温度は Fig.4 においてヒートシール強度が増

Fig.6 Tensile strength of semi-circular tensile
test for as-cast C-R PET Films

加する温度に一致し、分子配向の緩和に伴う円孔引張強度の低下であるといえる．

－ 111 －

リサイクル PET フィルムの未延伸と延伸フィルムの熱接合及び熱接合部の評価に伴う発熱ピークが低温側にシフトし、より分子配向が促進していることが確認できた．4
倍延伸になると結晶化に伴う発熱ピークがほとんどなくなり、さらに分子配向等の高次構造形成が示唆された．

Fig.7 Tensile strength of semi-circular tensile
test for drawn C-R PET Films(Draw ratio=3)

Fig.9 DSC thermograms for as-cast, drawn andheat sealed C-R PET films
Fig.10 に未延伸 C-R PET フィルムについて
ヒートシール前と 120～240℃でヒートシールした後の DSC 測定結果を示す．ヒートシー

Fig.8 Tensile strength of semi-circular tensile
test for drawn C-R PET Films(Draw ratio=4)

ルの有無及びヒートシール温度に関わらず、130℃付近で冷結晶化発熱ピークを示し、250℃付近で融解の吸熱ピークを示した．この3.3 熱分析による高次構造形成
Fig.9 に未延伸、3 倍延伸、4 倍延伸したヒことは Fig.6 に示した円孔引張強度がヒートートシール前の C-R PET フィルムについてシールの有無及びヒートシール温度に関わらDSC 測定結果を示す．縦軸は単位質量当たりず、一定であったことによく一致している．の熱量（[W/g]）に換算した．下方向に吸熱を未延伸の C-R PET フィルムはヒートシールと示す．ヒートシール前の未延伸 C-R PET フィ

いうごく短時間の熱履歴により高次構造変化

ルムは 130℃付近で冷結晶化に伴う発熱ピーを起こさないことが示唆された．

クを示し、250℃付近で融解の吸熱ピークを示した．3 倍延伸では未延伸に比べ、冷結晶化－ 112 －

日本包装学会誌 Vol.20 No.2（2011）

傍での熱接合により延伸により形成された高As-cast

次構造が未延伸フィルムと同程度まで緩和したことが示唆された．これは Fig.5 の円孔引← Endothermic120ºC

張強度が 240℃のヒートシールにおいて未延180ºC伸フィルムと同程度になっていることと一致210ºCしている．
Fig.12 に 4 倍延伸 C-R PET フィルムについ240ºCてシール前と 120～240℃でヒートシールした後の DSC 測定結果を示す．3 倍延伸 C-R

Temperature (ºC)

PET フィルム同様に 210℃の DSC カーブにおFig.10 DSC thermograms for as-cast andheat sealed C-R PET films

いては冷結晶化の発熱ピークが消失し、240℃においては未延伸 C-RPET とほぼ同様の結果

Fig.11 に 3 倍延伸 C-R PET フィルムについとなった．このことから、210℃のヒートシーてヒートシール前と 210 及び 240℃でヒート

ルにおいては、延伸による高次構造の成長、シールした後の DSC 測定結果を示す．210℃

240℃においては高次構造の緩和による影響の DSC カーブでは、冷結晶化の発熱ピークがを確認できた．

ほぼ消失し、延伸により形成された高次構造がさらに成長したことが示唆された．

← Endothermic

As-drawn← Endothermic

As-drawn

210ºC

210ºC

240ºC

240ºC

Temperature (ºC)

Fig.12 DSC thermograms for drawn and heatsealed C-R PET films(Draw Ratio=4)

Temperature (ºC)

Fig.11 DSC thermograms for drawn and heatsealed C-R PET films(Draw Ratio=3)

3.4 ヒートシール性と高次構造形成

240℃の DSC カーブは未延伸 C-RPET フィ

はく離試験結果から未延伸 C-RPET フィ

ルムの結果とほぼ同様である．これは融点近ルムは 120℃以上で熱接合が可能になるが、3－ 113 －リサイクル PET フィルムの未延伸と延伸フィルムの熱接合及び熱接合部の評価

倍延伸、4 倍延伸では、熱接合可能温度が高C-RPET フ ィ ル ム は 160℃ に お い て温側にシフトした．これらは、DSC 測定結果

32N/15mm のヒートシール強度を示した．延から延伸に伴い、冷結晶化温度が低下し、冷伸した C-RPET フィルムにおいては、ヒート結晶化量も低下する．このことから分子配向シールは高温側にシフトするがヒートシールの促進など高次構造形成が延伸により進行しは可能であった．ていると考えられる．そのため 3 倍延伸, 4 倍

DSC 測定結果及び円孔引張強度試験結果

延伸フィルムは熱接合温度 200℃及び 220℃

より、本研究で用いた C-RPET フィルムは結からヒートシール強度が増加するに伴い、破晶化を大きく抑制されており、ヒートシール壊形態もフィルム界面での破壊からシール部性に優れている一方、PET の持つ優れた機械での破壊に転移した．240℃での接合において特性を併せ持つことが明らかとなった．

は、DSC 測定結果から未延伸フィルムと同様

本研究で用いた C-RPET フィルムは単層での DSC カーブを示した．未延伸 C-R PET フ

袋として使用する場合、はく離試験結果からィルムのヒートシール前の結晶化度は、一般的な CPP フィルムと同程度の低温で熱10.0%で各熱接合温度もほぼ同等であった．3接合が可能であることかつ、PET の優れた機倍延伸フィルムの熱接合温度 240℃の結晶化

械特性を有する包装用フィルムとして展開可度は、10.5%となり、4 倍延伸フィルムの熱接能であることが明らかとなった．また、廃棄合温度 240℃の結晶化度は、10.3%であった．

物の低減を考慮していく立場から、要求されこのことから、延伸及びヒートシール過程にるはく離強度と引張強度を延伸条件と接合温おける高次構造形成が未延伸フィルムと同等度を調整することでより薄膜化及び軽量化しまで緩和されることで熱接合が可能になってた包装資材設計を可能とすることが明らかといると考察される．

なった．

円孔引張試験結果から、延伸倍率の増加に

リサイクル PET ボトルフレークにカップリ伴い、引張強度に異方性が生じ分子配向等異ング剤と触媒を添加することで新規 PET フ方性のもつ高次構造形成であることが明らか

ィルムの製造が可能になり、PET を包装資材となった．これらの構造はヒートシールによから包装資材へとマテリアルリサイクルし、り緩和し、融点近傍の 240℃以上で未延伸試循環型社会構築に貢献できる可能性を明らか

料と同程度まで緩和することが明らかとなっにした．

た．
＜参考文献＞
５． 結言

1) PET ボトルリサイクル推進協議会，統計データ(2008 年) 日米欧の PET ボトルリ

ヒートシール強度試験結果から未延伸－ 114 －サイクル状況比較

日本包装学会誌 Vol.20 No.2（2011）

http://www.petbottle-rec.gr.jp/data/index.html(2010 年 5 月 28 日)
2) PET ボトルリサイクル推進協議会，統計データ(2008 年) 再生 PET 樹脂の用途
http://www.petbottle-rec.gr.jp/data/index.html(2010 年 5 月 28 日)
3) 中本パックス㈱：コンバーティック 38(2),2(2010)4) 保坂範夫，”はじめてのプラスチック成形”,工業調査会出版,P26(2003)
5) ㈱東洋紡パッケージング・プラン・サービ
ス，“包装用フィルム概論”,㈱東洋紡パッケージング・プラン・サービス発行
P230(1997)
6) 菱沼一夫，日本包装学会誌，18(2)，75(2009)（原稿受付 2010 年 6 月 8 日）
（審査受理 2011 年 3 月 9 日）

－ 115 －