日本包装学会誌VbL6jVbb6（1997)

股論文

ＬａＬｐＬｊＬ」Ｌ凸▲凸ＬｄＬｊＬｄｂｊＬｄＬＳＬｄＬｄＬＤＬごしづ■ｎｈｊｈａＬ⑪しり■」ＬｄＬｄＬ≦し▲Ｌ△■」Ｌ■Ｌ己ら■Ｌ凸已■Ｌ■Ｌ■■■ら■Ｌ凸已ｊＬ■ＬｄＬ凸Ｌ■Ｌ■Ｌ▲▲凸已△い■■△い▲ＬｊＬ４Ｌ４
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き裂を有する積層プラスチックフィルムの強度
小泉堯掌頗羅堕弘掌
StrengthoftheCrackedLaminatedPｌａｓｔｉｃＦｉｌｍ
ＴａｋａｓｈｉＫＯＩＺＵＭｒ，ＨｉｍｓｈｉＨＡＲＡＤＡ＊

Inthispaper,wehavestudiedthemechanicalchal己cteristicsoflmlinatedfilmswithclzrk
underthetensile］oads、Thisfilmconsistsofthelowdensitypolyethylenefilmwhichis
sandwichedthepolyethyleneterephthalatefi1m、Thevanouschar己cteristicsofeachfilmaIe
evaluatedThenonlmearfiactuにmechanicsisappUedtoevaluatethestrengthoffnms・Itisshownthatthetensilest正ngthofthelEminatedfilmwithclackbeccmeshi獣]ｅｒｔｈａｎｔｈａｔｃｆ
ＬＤＰＥａｎｄＰＥＴｆｉｌｍｓｕｎｄersimultaneoustension,whichdependsonsheanngstrBssesmduced
onthemterfE迄ｅｏｆｔｈｅｆＵｍｓ

Keywords：PlZ遇ticfilm，Ｓｔ正ngth，Laminate，CIBck

包装材料として近年広く利用されている積層フイルムにき裂を生じたときの強度評価について論じている。すなわち、高圧法低密度ポリエチレン（LDPE）を内皮とし、ポリエチレンテレフタレート（PET）を外皮とする積層フィルムについて、それぞれのフイルムの特性を色々の観点から評価している。とくに大規模降伏条件下におけるき裂付き工業用材料の強度評価手法をフイルム材に適用し、その有用性を確認している。つぎに、あらかじめLDPEとＰＥＴを瞬間接着剤で接合した試験片を用いて接着部のせん断強さを評価した。この後、接着剤で接合したき裂付き積層フィルム材の強度を測定し、併せて進展き裂のモニ
ターテレビによる観察から、き製先端領域に生ずるせん断応力により、積層フイルムの強度低下は緩和されることを示した。

キーワード：プラスチックフィルム、強度、積層、き裂｡中央大学理工学部（〒１１２束京都文京区春日1-13-27）：FEmltyofScienceandEngineering>ChuoUniveIsityｳ１３－
２７，１－ChomaKasugaBunlq/o-ku，ＴＯＩﾛﾉ･’１１２333

き製を有する満層プラスチックフィルムの強度

1．緒言

thickness

LDPEO1mmPE「００５ｍｍプラスチックフイルムは包装用、農業用、民生用、工業用、医療用などの広い分野で利口 ｡＝１０ｍｍ用されている。特に包装用フイルムでは高度

Ｗ＝３０ｍｍ↓l＝１０ｍｍな利用法も考案されている。機能性内皮と強Ｌ＝９０ｍｍ

度維持用外皮からなる積層構造のものでは、

Fｌｇ１ＧｅｏｍｅｔｒｙｏｆｔｅｎｓｉＩｅｓｐｅｃｉｍｅｎ

内皮に対しては衛生性やバリアー性などの品質保持性が、そして外皮に対しては化学的安方向によって異方性を生ずる。この異方性を定性と共に良好な機械的特性が要望されている。

考慮し、分子鎖セグメント、結晶主軸の配列

本論文では、積層フイルムにき製が生じた方向を（Ｍ）で指示し、これらに垂直な方向として、これの機械的強さを評価するためを(Ｔ)で指示することとした。なお用いた材に、き製を有する積層フイルムに引張荷重が料はメーカ受け入れ状態のまま使用し、とも作用するときの力学的挙動を、金属材料の強に結晶性高分子材料である。

度解析に適用される非線形破壊力学に基づいＦｉｇ．１に引張試験片を示す。図中には参考て検討している。なお、プラスチックの製のため、中央き裂形状が併記されている。試造・用途・経済性・環境適用性などを記載し

験片の長さＬは、JIS3)に規定される３～4号試た著書､や単層フイルムの強度を研究したも験片を参照し、き裂材の引張試験に不都合をの2)などはあるが、この分野の強度解析に関生じないＬ＝９０ｍｍに選んだ。一方、幅Ｗにする研究は殆ど見当たらない。

ついては、中央き製試験片の採用時に不都合を生じないため、き製やリガメントの長さを2．供試材試験条件4)が満たされるように、Ｗ＝３０ｍｍとした。また引張試験における引張速度は積層フイルムの内皮には、厚さ１００以ｍのJIS試験法3)における速度Ｂ対応値として高圧法低密度ポリエチレン（三菱化学（株）2ｍｍ／ｍｉｎとした。なお試験は室温２３℃の製、LDPE）を、外皮には厚さ５ｑＬＬｍのポリ下で行った。得られた機械的性質をＴａｂｌｅｌ

エチレンテレフタレート（帝人（株）製、に示す。

PET）を使用した。ＰＥＴは押出し方向、延伸

Ｆｉｇ．２はＬＤＰＥの応力０－ひずみＥ曲線を

TabIelMechanicalpropertiesofmaterialused

Properties

FrHctu妃tou獣ｍｅｓｓ几(kN／、）

8２

9９
0．１３３
1６２

0.136
２２０157

6.50－３３４－２

Materialcostantoo(MPa）

、

4８４０
0.40

５２
４３ １ ７０

Yield ｐｏｍｔｏｙ(MPa）
WOrk haldenmgexponent

4840
0.40

ＬＤＰＥ
７０８０ ５５
１１２

Poisson，ｓ ｍｎｏｖ

PET（Ｍ）

２Young，s modulusE（MPa）

PET（Ｔ）

日本包装学会誌ＶｂＬ６１ＶＯ６Ｑ９９７ノ、、示す。これより図中に示すように1.2MPaまでは線形性が保持されると見なして縦弾性係セットを生ずる応力として降伏応力を求め似式（１）を決めた。

0０，２OＱ４０ＤＯＯｐ３001ＯＬ'２０L１４
Ｓｔｍｉｎ

÷T=(‐:Tソ（１）Fig.３StrBss-stmincurvesfbrPET（Machinedircction）（Elasticrange：Ｏ～76MPa）
釦、

１１

加工硬化指数ｎはｏ－Ｅ曲線を基に推定して求めた。

２２００５。

》『“’１５（呵凸》二）密別⑪邑的８６４０００

Ｑ１Ｚ３》。》》・》・■Ｌ□鋼■●、ｌトーＬｌｉｉ・Ｉトー肥、Ⅱ（甸凸］皇）功痘芯』一四

９８７０５４３２１０

8 8 85EHgHｴ鎚西H H額HgUmU UHUH 5O．

0002Oｐ４Oｐ８Oｐ８０．１

srain

Fig.４st雁ss-straincurvesforPET（Crossmachinedirection）（Elastjcmnge：０～60MPa）

0.15０２０２５０．３０３５0０５

画⑪てそれらの曲線より構成方程式のべき乗則近０》一一ｍ０

みと縦ひずみとの結果の比より求めた。そし|…綴．》．》

た。ポアソン比は顕微鏡下で測定した横ひず的的⑩（甸凸乏盲盟層四数Ｅを求めた。また永久ひずみ0.2％のオフs0面iｎ

Ｆｉｇ．２sｂ巳ss-st7aincurvesfWLDPE

このとき、弾塑性破壊じん性値Ｊ積分が採用（EIasticIange：０～1.2MPa）される。Ｊ積分を正確に測定することもでき

Ｆｉｇ．３は延伸方向PET（Ｍ）について、まるが、構成方程式が式（１）で示される材料にたＦｉｇ．４はこれと直交する方向のＰＥＴ（Ｔ）について試験片を採取して、等しい引張速度

対して、き裂が深い場合に簡便式が提案され、Ｊ積分評価に用いれるようになった。すで試験したものである。これらの結果からそなわち、き裂が十分深い（α／Ｗ＞0.3）とれぞれの弾性係数、降伏応力、ポアソン比なき、引張荷重を受ける中央き裂試験片では、どを求めた。

き裂がないときの引張応力をｏとすればJ積分は次のように表わされる。

3．破壊靭性Ｊ一一十=÷｡.(CTOD）（２）

初期き製の進展中に、き裂先端に大きな塑

ここでＣＴＯＤは、Ｆｉｇ．５に示すように、き性変形領域が形成されるようなき裂材の強度製が進展を開始し始める寸前のき製先端開口は、非線形破壊力学に基づいて論じられる。

変位の略称である。（１）はき裂の状態を示
335

き製を有する澗層プラスチックフィルムの強度引く。そして尺曲線と鈍化直線との交点を求める。このとき

ｂｂｌ－ファJ＝（ｏｙ＋０｡）△･で与えられる鈍化直線を

ｏ／２，Ｗ＞200J／ｏｙ(3)

上式が満たされるとき、交点の縦座標をjlcとしている。本邦では、現在までプラスチック

Fig51ncreaseofcracktipopening
ｄｉｓｐＩａｃｅｍｅｎｔｄｕｅｔｏＩｏａｄｓ

材料のJ値を求める規格は制定されていない。

そこで上述の手法を参考とし、Ｆｉｇ．１に示すし、（２）はき裂面に垂直な引張応力が作用し長さｏ＝１０ｍｍの中央き裂を挿入した試験片て、僅かに開口した状態であり、（3）は先端のＣＴＯＤを、マイクロスコープを用いて測定部近傍で塑性変形が起こり、開口変位を生じし、式（２）よりＪ値を計算し、鈍化直線とのた状態であり、（4）はその限界状態を僅かに交点からj)cを求めて、フイルムの強度データ超えて先端の一部に割れを生じてき裂が進展として提供している。Ｔａｂｌｅｌに示される破を始める状態を示している。Ｆｉｇ．６は、Ｆｉｇ．

壊靭性値はこのようにして決められたもので１に示す形状のき裂付き試験片（PFT（Ｍ)）

ある。

を用いて、ポテンシャル・エネルギのき裂長さによる変化からＪ値を求める理論式に基づ

4．実験結果いて得られた実験結果（Ｒ曲線）を実線で示し、式（２）を用いて得られたJ値の実験結果

4.1接着強さ

積層フィルム製品に負荷を生じたとき、品を黒丸印で示した。これより簡便式は実用上質の不均質性が存在する部分では一様な変形十分な精度で利用できることが分かる。

ASTM5L6)に示される試験法では、き裂先は保証されない。このようなとき、積層フィ端が進展を開始する寸前の開口変位ＣTODをルム内に起こりうる可能性として、界面に生測定し、Ｊ値を計算し、Ｒ曲線を描く。さらにじるせん断応力、フィルム面の凹凸の発生が考えられる。このような現象に対する力学的知見を得る目的で、き製付き積層フィルムの
Ｊ０００６

宕一ｚ己「

引張試験を行ってき裂近傍における変形挙動を調べた。この結果を理解するためには、予め界面がせん断応力および引張応力によって剥離を生ずる限界値を知っておく必要がある。そこで積層フイルム界面のせん断応力に対する強さと引張応力に対する強さを測定した。

Ｆｉｇ．６

J-lnte屯raIsobtainedbypotentialene屯ymethodandapproximate

lbnnuIａ（２）Ｆｉｇ．７に示すように、ＰＥＴフイルムとLDPEフイルムの両端部30ｍｍが重ね合うよ－３３６－日本包装学会誌ＶｂＬ６Ｎｂ､６（1997）

前処理は施していない。

90ｍｍ、）

一一一四→

30ｍｍ→４．２単層材の破壊靭性J,ｃ’￣しＦｉｇ．１０は圧延方向採取のＰＥＴ（Ｍ）に対する破壊靭性試験結果を

Ｆｉｇ７ＳｐｅｃｉｍｅｎｇｅｏｍｅｔｒｙｆｏｒｓｈｅａｒｓtrBngth

二二三左岸ク示す。鈍化直線と簡便式（２）に従って求めたＪ値のプロット点を結ぶＲ曲線の交点としてｊｌＣ＝６．０５（kN／、）を得

峪→→

←←

measureｍｅｎｔ

た。同様にして圧延方向に垂直な方向から試験片を採取したＰＥＴ（Ｔ）については、より低い値几＝１．５７（ｋＮ／、）を得た。

『Ｉ‐』

一方ＬＤＰＥについてはjlc＝１５．０（kN／、）と大きな値を得た。

Ｆｉｇ．８ＧｅｏｍｅＵｏｆｌ８０ｏｐｅｅＩｔｅｓｔｉｎｇｓｐｅｃiｍｅｎ６５3５３０４３２１（Ｅ｛ｚエ）「（⑭国字二）心筋⑭』］②

２２１１５０５０５０①ｐ■回５正已函Crackextensiouu△ａ（m、）0０５０５２２５３３５４

Ｆｉｇ．１０ＦｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｔｅｓｔｏｆＰＥＴ

DisplacementbetweenIoadedpoims(m､）（MachinedirBcmn）

Ｆｉｇ．９ExperimentaI尼sultonbothadhesivetests

4.3積層フイルム

うに瞬間接着剤で接合したフイルムの他端に長さＬ＝90ｍｍ､幅Ｗ＝30ｍｍのPET(Ｍ）

長手方向に引張荷重を加えて、接着部にせんとＬＤＰＥフイルムを瞬間接着剤で貼り合わせ断荷重を負荷して破断し、接着界面のせん断て積層フイルムとした。これより、Ｆｉｇ．１に強さてB＝271毎aを得た。またＦｉｇ．８は端部示すような長さｏ＝１０ｍｍの中央き裂を挿入

30ｍｍを瞬間接着剤で接合して作成した剥離した試験片を作成する。これにテンシロン万強さ試験片を示す。図に示すように、これの能試験機により室温２３℃の下で、引張速度非接合端に引張荷重を加えて接合部厚さ方向21ｍ､／ｍｍで引張荷重を加えた。き製の破壊の剥離試験を行って、フイルムの１８０度剥離挙動を、100倍のレンズを装着したＣＣＤカメ強さの評価結果も求めた。Ｆｉｇ．９はこれらのラを通してモニター表示し、ビデオプリン実験結果を示したものである。１８０度剥離強ターに撮影しながら似、単位で観測した。

さは殆ど零に等しい。なお両試験に用いたフ積層材に対するＪ値の定義は現在まで見当

イルムは受け入れ状態のままであり、表面のたらない。このため、実験中のき製形状変化

337

き製を有する積層プラスチックフィルムの強度

釦、

Ｉ０２９ＭｐＯ（珂生三）閉り』】ぬ的釦夘

熟亀乳'’’Z’

Z''、０ノＬ－－■ろデロー

０.ＯＯＯｎｌＯＤ２Ｓｔｒａｉｎ

Ｆｉｇ、１１Str巴ss-straincurvesforIaminatedmｍｓ

Ｆｉｇ．１２Ｐｈｏｔｏｍｉｃｍｇｒａｐｈｏｆｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈ
ｉｎＩａｍｉｎａｔｅｄｍｍの観測結果から、き製先端が開口し、進展がの強度評価には有用であるが、高圧法低開始するときの応力として102.9MPaをＦｉｇ．

密度ポリエチレンのように柔軟な材料の１１に示すｏ－Ｅ曲線から読み取った。一方、強度評価には有用ではない。

二層のそれぞれについて独立に実験を行った(3)Ｊ積分の評価に関する簡便式は、ポリエチ

とき、ＣＴＯＤを生ずる応力はＬＤＰＥが６．１

レンテレフタレート材には適用可能であMPa、ＰＥＴ（Ｍ）が81.3MPaであり、その和ったが、高圧法低密度ポリエチレン材には87.4ＭＰａとなる。この値を積層フイルム対しては有効に適用できなかった。

に対する値と比較して積層フイルムの強度を推定することができれば、積層フイルムの破＜引用文献＞壊靭性値は大きくなると予想した。

1）ＫＲＯｓｂｏｍ＆JenkinsW．Ａ､，PlasticFilmsまたＦｉｇ．１２には積層フイルムのき製が進展を開始しはじめた直後の写真が示してある。

TechnomicPub（Basel川(1992）2）小泉尭、納冨充雄、岸本久雄、プラスチックフ
イルムの破壊過程のその場観察、日本包装学会

5．結言

誌、３(1)，１６（1994）
3）ＪＩＳＫ７２０８

高圧法低密度ポリエチレンを内皮とし、ポ

４）大路清嗣、小倉敬二、久保司郎、全断面塑性におリエチレンテレフタレートを外皮とする積層けるJ積分の簡便式、日本機械学会誌、４４（382)，

フイルムが、微細なき裂を有するとき、これ１８３２（1978）の強度評価について論じ、次の結論を得た。

5）日本機械学会、弾塑性破壊靭性』c試験方法、日本(1)積層フイルムのき裂の進展は接着界面上機械学会、（1981）に生ずるせん断応力によって抑制され、

6）ＡＳＴＭ：StandaldMethodfbrDetelTnin2tion

このせん断応力は積層フイルムのき裂にof几，AMeEBul己cfFIactuleTm副mess,Annual

よる強度低下を抑制するように作用する。

BookofASTMStandaIds，Ｅ８１３－８９(2)非線形破壊力学で導入されているＪ積分（原稿受付1997年９月１０日）

はポリエチレンテレフタレートフイルム（審査受理１９９７年１２月４日）－３３８－