フィルム

フィルムは、一般に合成樹脂などの高分子成分などを薄い膜状に成型したものを指す。

1. 定義
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薄い膜状のものを指す用語として、「フィルム」の他に「シート」「膜」「箔」などがある。これらの区分は明確には定義されておらず、慣用的に使い分けられている。現実には、発明者や製造者または使用者が便宜的に名づけた呼称がそのまま広まるケースが多い。

素材による区分 基本的に「フィルム」「シート」は人工物のうち高分子原料を主に使用したものを対象とした呼称に当たる。ただし、紙や布などファイバー状の原料を積層して製造されるものを指して「シート」と呼称することはあるが「フィルム」と呼ぶことは非常に稀である。「メンブレン」は自然物から概念的なものまでをも含む広い範囲を対象とした包括的な用語であり、逆に「箔」は金属原料を主に使用したものに限定する傾向がある。 一方、ケイ酸成分を原料とした薄膜成型材料について「無機フィルム」、微生物が形成する薄膜について「バイオフィルム」、オブラートなどの薄膜状の食べ物について「フィルム食品」または「可食性フィルム」という語句が使用されているように、「フィルム」の呼称は必ずしも合成樹脂など有機系の工業材料に限定される用語ではなくなりつつある。 その他の用例では、化粧品成分が肌の表面で形成する膜成分を「フィルム」と呼称することから転じて、一部の液体状化粧品を「アイフィルム」などと名づけている。 厚みによる区分 日本国内では一般に200µm以下の厚さを「フィルム」と称す 事が多い。それに対しJISの包装用語や欧米では10ミル＝250µm以下を指す。ただし、ロール状に巻けるなどの柔軟性を保持するものはより厚いものでも「フィルム」と呼称することもしばしばあり、いずれにしろ明確に定義されてはいない。100～200µmの範囲を境界とし、薄いものを「フィルム」、厚いものを「シート」と慣例的に区別するケースが多い。 形状による区分 「フィルム」は一般に、製造時に支持基盤を必要とするか否かに関わらず、成型後にそれ単体で薄膜状の構造を成り立たせているものを指す。成型した基板から単独では事実上分離できないものは「膜」や「層」などの用語を使用する場合が多い。また、「フィルム」は長い製造品を巻き取ったロール状で供出される場合が多く、同一の製造品ながらロール状のものを「フィルム」、適当な大きさに切り出したものを「シート」とそれぞれ呼称される場合もある。また、産業分野では通常「テープ」とは幅の狭い「フィルム」を指す。ただし、セロテープなどの粘着テープやビデオテープなど一般に流通するものと区別するためにあえて「スリットしたフィルム」と称されることもある。 用語「フイルム」
日本語において「フイルム」とは写真フィルムを限定して指し、これにはロール状でないものも含まれる。 用語「ビニール」 日本語独特の言い回しとして、包装用や農業資材用分野でのフィルムを指して俗に「ビニール」と呼称する場合がある。これは、本来はビニル樹脂のことを意味するが、他の素材から製造されたフィルムをも混同する形で使われるケースが多い。

2. 主な製造方法
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2.1. 溶融押出成型法
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熱可塑性樹脂をフィルム化する一般的な方法。合成樹脂の射出成型法と同じくシリンダー内で加熱しスクリューで加圧した溶融状態の樹脂を、押出金型の吐出口から押し出し、冷却工程を経て成型する。金型の形状や冷却方法などにより細分類される。

2.1.1. インフレーション法
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押出機の先端にリングダイスと呼ばれる環状のリップを持つ金型を設置し、チューブ状に材料を押し出して連続的に成型する。リングダイス中央には空気孔が設置されており、ここから圧搾空気を吹き込んでチューブを2~3倍程度に膨張させ、ピンチロールと呼ばれるローラーで引っ張りながら冷却してフィルムを巻き取る。ダイスの径および送り込む空気の圧力を調整することでフィルムの幅を、材料の吐出量とピンチロールの引っ張り速度を調整することでフィルムの厚みを変更する。空冷法では吐出速度が遅くフィルムの透明性も劣ってしまうので、樹脂の種類によっては水冷法が選択される。 通常の製法では下からフィルムを上向きに押し出すが、ポリプロピレン樹脂を押し出す場合は、設備の上部にリングダイスを設置し下向きに押し出してフィルム化する。 設備そのものが簡易なため操作が容易であり、小さな金型から幅の広いフィルムを製造できる。通常は巻き取る前に一端を切り開いて平らなフィルムとするが、この工程を省略するとチューブ状のフィルムを得られるため包装用フィルムの製造に多く採用される。しかし、一般に厚みの制御が難しく、精度が劣る。

2.1.2. Tダイ法
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押出機の先端にTダイと呼ばれる直線状のリップを持つ金型を設置し、平たく材料を押し出して連続的に成型する。Tダイの基本構造は片面に刻まれたT字型の溝を向かい合わせ二枚重ねたもので、T字の縦棒にあたる部分の先端部から溶融した樹脂を投入し、横棒にあたるマニホールドを介して樹脂がダイ両端まで広がり、リップの空隙からフィルム状に吐出される。フィルムは鏡面処理された冷却ローラーを通して冷却し、最終的に巻き取られるまでの過程で端部の切り落としなどを行いフィルムの幅を調整する。冷却にはチルドロールの代わりに水槽を用いる製造法もある。 フィルムの厚みをリップの開口幅やチョークと呼ばれる弁の調整でコントロールすることが容易であり、生産性が高い。ただし、延伸などの別工程を経なければ、フィルムの最大幅はダイのリップ長までに限定される。また、押し出し方向と垂直方向との物性差が生じやすい。

2.2. 溶液流延法
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材料を溶媒に溶融させ流動性を持たせた溶液を、表面を平滑にしたドラムやステンレス製の平滑ベルト上に流し込んで付着させ、これを加熱する工程に通して溶媒を蒸発させ、フィルムを成型する。

フィルムに物理的な圧力を加えないため高分子の配向が起こらず、強度や光学特性などに方向性が生じない。厚み精度が極めて高い。溶融押出成型法に比べ樹脂にかける熱量が低く、熱安定剤などの添加量を低減できる。また、溶液をろ過する工程を設置できるため樹脂の塊が発生せず、キズもつきにくいため透明性の高いフィルムを成型できる。しかしながら脱溶媒が必要なため特に厚いフィルムの生産性には劣り、また溶剤回収工程などが必要なため設備が大きくなってしまう傾向にある。

2.3. カレンダー法
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主に塩化ビニル樹脂をフィルム化する際に用いられる手法。複数のローラーを使い、あらかじめ溶融状態に加熱した熱可塑性樹脂を挟んでフィルム状に圧延し成型する。通常は4～5本のローラーをL型やZ型など様々に設置し、加熱した最初の2本挟み込みながら圧延する。途中何本かのローラーを配して更なる加熱または冷却を行い、最後に冷却されたローラーの表面を沿わせて成型を終え巻き取られる。各カレンダーロールの径や温度、回転数などを調整することによってフィルムの厚さ精度を高めたり物性に特色を持たせたりするなどの工夫が施されている。

生産設備は大型化するが製造能力は極めて高い。ただし加工技術は複雑かつ熟練を要求され、条件設定が難しく精度の調整は難しい。

3. 延伸
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合成樹脂の、ある程度の加熱をしながら一定方向に引き揃えると分子が変形方向に並び強度が増す性質を利用して、フィルムを一軸方向または二軸方向に引っ張る加工。更に耐薬品性や透明性の向上も図れる。ポリエステル・ポリプロピレン・ナイロンなどで特にその性質が顕著にあらわれる。この延伸加工を施すフィルムは、引き伸ばし後に薄くなることを計算して一次製造時に厚く成型する。

延伸する際にかけた温度を超える熱量がかかると、延伸フィルムは収縮する。この特性を利用し、緩やかに巻きつけたフィルムに熱を加えて縮ませ、梱包物を固定させるものは「シュリンクフィルム」と呼ばれる。一方、高熱下で延伸したものは熱寸法安定性に優れる性質を帯びる。これを熱固定と言う。

4. 多層加工法
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近年、求められる機能が高度化するに伴い、フィルムは複数の層を重ねた形状に加工される場合が多くなっている。それらを接合・積層させる方法は多様にあり、素材それぞれの溶融温度や相溶性または厚みの構成や製造費用など、様々な要素が考慮されつつ選択される。

4.1. 共押出法
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溶融押出成型法において、複数の素材を一度に押し出して重ねる手法。基本的に、積層させる材料の種類と同じ数の押出機を使用する。異なる素材同士を合わせる位置関係によって、その製造法はさらに区分される。

インフレーション法による共押出 異なる樹脂を合わせる位置により3種類に分類される。各溶融樹脂を金型手前のフィードブロック内で接触させるダイ前積層法、金型内部の経路で接触させるダイ内積層法、同心円状の複数リップから吐出し接触させるダイ外積層法がある。 比較的簡便な設備で共押出しが可能だが、樹脂の種類が限定されてしまい、層間接着性に劣る組み合わせには使用できない。 Tダイ法による共押出 異なる樹脂を合わせる位置により2種類に分類される。 シングルマニホールド法は、ダイの直前にフィードブロックを設置し、そこにアダプターを介して複数の押出機を接続する。フィードブロック内で樹脂接触させてからダイを通してフィルムを成型する。層の数はアダプターを交換することで設定でき、比較的簡単に多層のフィルムを得られる。しかしながら、溶融温度や粘度が大きく異なる材料を同時に使用できない欠点がある。 マルチマニホールド法は、内部に複数のマニホールドを持つTダイを使用し、複数の押出機から供給された樹脂をリップ部の直前で接触させ積層する。粘度差などの物性差が大きな材料を共押し出しできる上、各層の厚みを調整することも容易。しかしながら、Tダイの構造が複雑かつ大型となり、費用も高価となってしまう。

4.2. ラミネート法
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2種類以上のフィルムを重ね合わせる手法は、前出の共押出法の他に、ラミネート法がある。

押出しラミネート法 Tダイ法溶融押出成型法の設備を使用し、材料を他のフィルム上に直接押し出してから圧着・冷却する。Tダイ共押出法と併用し多層フィルムを成型することも可能。また、剥離ライナーがついたフィルムは、この手法をもってライナーの上に樹脂を押し出して製造する。 接着剤を使用したラミネート法 複数のフィルムを接着剤を使用して貼り合わせる手法。また、フィルムと紙や布または金属箔などとの貼り合わせにも用いられる。接着剤の種類により「ウエットラミネート」、「ドライラミネート」、「ホットメルトラミネート」に大別される。 コストに優れ、セロファンが多用されていた頃は主流だったウエットラミネートは、貼り合わせる少なくとも片方の素材が蒸発水分を透過させる性質を持たなければならないためフィルム同士の重ね合わせには不向きで、現在では紙とのラミネートにおいて用いられる程度となった。 ドライラミネートはフィルムの種類に幅広く適応し、貼り合わせ速度も早い。溶剤系接着剤を使用する場合は、片方のフィルムに塗布しある程度溶媒を蒸発させてからもう一方のフィルムと重ねる。反応系接着剤で主に用いられるのは適応範囲が広いウレタン系二液型であり、二液を混合させてから塗布し、硬化するまでの可使時間内にフィルムを貼り合わせる。 ホットメルトラミネートの手法は、加熱して流動性を持たせたホットメルト接着剤を塗布し、硬化するまでの時間内にフィルムを貼り合わせる。粉体やフィルム形状の接着剤をあらかじめフィルム間に挟みこんでから加熱する手法は、基本的に後述するヒートシールに準ずる。

4.3. ヒートシール
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フィルムに熱をかけて貼り合わせる手法。原理は同じだが、フィルム全面を均一に接合させるラミネートの一手段とする場合と、部分的に接着させる二次加工として活用する場合とがある。材料である合成樹脂の性質によって作業性が大きく左右され、高融点すなわち耐熱性が高い樹脂はかける熱量が高くなってしまう。同様に、非晶性樹脂は軟化する温度＝ガラス転移点における流動性が低いため、同様に高温での溶融が求められる。ヒートシールには、外側から熱を加えて接合する外部加熱法と、エネルギー波を照射して接合する内部発熱法とがある。

外部加熱法 一般にアイロンのような加熱した金属体をフィルム外部から押し当て、伝導した熱がフィルムを溶融させて接着する。金属体の形状は、全面を接着するケースでは板状や広幅のローラー、部分接着をする場合は円盤状のローラーや刃型のホットナイフなどがある。板状のうち、片面に円柱状の凹を規則的に並べフィルムを溶融させる際に意図的に空気を封入させる機能を持たせたものは、エアキャップ緩衝材の製造に使用される。 加熱した刃型や針金などでフィルムを圧着しつつ、同時に強い圧力をかけて溶断する手法を溶断シール法という。 内部発熱法 高周波の電波や超音波によってフィルムに熱を発生させ接合する手法。熱伝導性が悪い比較的厚めのフィルムに対して有効である。

5. 表面処理
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極性の小さなポリエチレンやポリプロピレンなどはコーティングやラミネートまたは印刷などの接着力が弱い。そのため、フィルム表面を改質してこれらの欠点を改良する。手法は、物理的な処理と化学的な処理がある。

物理的処理 コロナ処理は、フィルム表面に放電処理を行い、極性を持つカルボキシル基や水酸基を生成させ、かつ荒面化する。 プラズマ処理は、フィルム表面でガスを電離させて生じた粒子の電荷を利用して、極性を持つ塩基を生成させる。 フレーム処理は、プロパンガスなどの可燃性ガスに酸素を吹き込みながらフィルム表面上で燃焼させ、酸化反応を起こして極性を持つ塩基を精製させる。 化学的処理 フィルム表面を酸やアルカリなどで改質する。手法はJIS K 6843-3:1999で規定されている。 マット加工 フィルム表面に微細な凸凹をつけ、いわゆるシボ状態にする加工。一般的には表面積を増してコーティングやラミネートの強度向上を狙い、転写フィルム用途では転写層表面につや消し効果を与える。砂を吹き付けて物理的に加工する手法と、薬品で腐食させる化学的手法がある。

6. コーティング
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フィルムに特定の機能を持つ層を付着させる手法。

6.1. ウエット・コーティング
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液体に溶融または分散する材料をコーティングする手法。フィルムの上に液状の材料を塗布し、蒸発・硬化させて皮膜を形成する。ほぼ流延成型法と同様の手法である。目的に応じたコーティングを行うためには溶液の種類や粘度の調整および塗布量のコントロールと、幾種もあるコーティング技法からの適切な選択が求められる。

コーティング剤の種類 コーティングにおいて、積層させたい材料は本来の固体から流動性を持つ液体状に変質させなければならない。その手法は、有機溶剤や水などの溶媒に溶かす溶液法、エマルジョン化させる方法、加熱して流動状態にするホットメルト法などがある。溶融しない材料を液体内で攪拌しコーティングする場合は、材料を均一に分散させるための高度な制御が必要となる。 塗布量調整の手法 フィルムに塗布されたコーティング剤の厚みを一定にする主な手法は、塗布後のフィルムにエアナイフから圧搾空気を吹き付けて均す方法、ドクターナイフと呼ばれるヘラを当てる方法、複数のローラーを組み合わせて塗布時の量を一定に保つ方法がある。その他には、ブラシを使用する例やスプレーで吹き付けるなどの方法もある。

6.2. ドライ・コーティング
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主に金属類を膜状に付着させる手法。

蒸着 フィルム表面に金属層を付着させる加工法としては主に真空蒸着が用いられる。包装用途において湿度やガスのバリア性を向上させるために施すアルミ蒸着の他にも、シリカやアルミナ,ジルコニア主成分剤やフッ化マグネシウム蒸着がある。一般に、密着性を向上させるためのアンダーコーティングと、蒸着面保護のためのトップコーティングが併用される。 イオンめっき 真空中で蒸発させたチタンやクロムなどの金属をイオン化し、負の荷電をさせたフィルムに覆膜させる手法。蒸着の一種に含まれるが、通常の蒸着よりも早くかつ強度が高い金属膜を形成できる。 スパッタリング 蒸着よりも高い精度で金属などを付着させる手法。真空中で付着させようとする物質に高エネルギーを照射し、飛び出した粒子をフィルムに付着させる。導電性付与加工では、インジウム－錫酸化物などをスパッタリングでフィルム表面に付着させる。厚みの均一成型が容易だが、蒸着と比較してコストが高いのが難点。

7. コンパウンド
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合成樹脂の原料そのものに特定の機能を持つ添加材料を混ぜ込み、フィルムを製造することで機能を付加する手法。着色材料を混ぜ込みカラーフィルムを製造する際によく用いられる。着色剤の他にも、安定剤・紫外線吸収剤・導電材料などを配合する例があり、焼却時の発生熱量を抑える目的で炭酸カルシウムをフィルムに混入させる手法もコンパウンドによって行われている。

ただし、一般に合成樹脂はマスターをコンパウンドすることで脆くなる。また、添加物が時間経過とともにフィルム表面に凝集するブリードアウト現象などの問題もあり、コンパウンドを行うに当って使用するマスターの種類選定や配合処方の設計には充分な検討が求められる。

8. 二次加工
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切断加工 フィルムを、その使用目的に応じた幅に切る加工。ロール状のフィルムを巻き出しナイフまたは櫛状の刃を通して切り出す手法と、ロール状のままのフィルムを油圧プレス機の刃で輪切りにする方法がある。 端部加工 袋状の包装フィルムの端部に切り欠きを設け、開封を容易にするための加工。切り欠きローラーにフィルムを通して加工する方法が一般的。近年、一辺のどこからでも開封できる袋があるが、これは「マジックカット」または「マジックオープン」と呼ばれ、フィルムの辺全体に微細な穴を無数に空けたものである。

9. 素材別フィルム概要
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アイオノマーフィルム アメリカのデュポン社が開発したアイオノマー樹脂を素材とする。透明かつピンホールに耐えうる強靭性を持つため角があるものの包装に対応でき、スライスハムなどの深絞り包装にはこのフィルムが使用される。また、ヒートシール性にも優れ、ラミネーション材料として多層フィルムの中間層に使用されることも多い。 ポリエチレンフィルム ポリオレフィンの一種ポリエチレン樹脂は、フィルムの素材としては最も多く利用されている。構造や密度の違いにより、高密度、中密度、低密度、リニア低密度、メタロセン触媒系リニア低密度の5種類の樹脂に区分され、それぞれフィルム製品化されている。比較的安価な材料であり、ヒートシール性に優れるなど加工も容易なためコンビニなどのポリ袋に使われる一方、HDPEフィルムは耐熱性を有するため包装したままの高温殺菌も可能となり、食品包装用途で広く使用される。しかしながら引き裂きには弱く、Tダイ法で成型したフィルムは押し出し方向に裂けやすい。この性質を逆利用し、おしぼりや冷凍食品の袋など簡易に破くことができる利点を生かした簡易包装用途にも使用されている。比較的近年に開発されたL-LDPEフィルムはLDPEとHDPEの中間的な物性を持ち、価格優位な点からも採用が増えつつある。 ポリ塩化ビニルフィルム ポリ塩化ビニルフィルムは、可塑剤の添加量によって硬質・半硬質・軟質に区分され、また無延伸と延伸フィルムがある。耐水耐油性や透明性、難燃性、電気絶縁性など優れた物性を持ち、レインコートなどの衣料分野、軽包装、農業分野、遮水シートなどの土木建築分野で広く使用される。無可塑塩化ビニルが開発されてからは食品包装にも採用されてきた。しかし、環境問題などからソフトポリオレフォンフィルムへの切り替えが進行している。 ポリ塩化ビニリデンフィルム アメリカのダウケミカル社が開発したポリ塩化ビニリデン樹脂は、防湿性とガスバリア性の両方に優れる他にない特性を持ち、フィルムのコーティング材料としても多用される。またフィルム同士の密着性が高いため、単層で家庭用やパレット梱包用ラップフィルムになど使用される。 ポリビニルアルコールフィルム ポリビニルアルコール
フィルムは透明かつ帯電防止性を持ちガスバリア性や耐油性にも優れるため繊維製品や機械部品の包装に使用される。水に可溶な性質を逆利用し、袋のまま投入できる洗剤の小分け包装などにも利用される。農業用途では2枚のフィルムの間に均一に分散させた種子を挟み、これを農地に敷くことで撒種作業の効率化を図るフィルムとしても使用されている。 近年は、その特性から光学フィルムの一分類ともなっている。 ポリプロピレンフィルム オレフィンの一種ポリプロピレンを成型したフィルムは、比重の小ささや耐熱性・透明性などに優れ、さらには防湿性や燃焼による有毒ガス発生がない点などが評価されている。ただしガスバリア性には劣り、バリア層がコーティングまたはラミネートされている場合が多い。またヒートシール性にも劣るため、袋状に成型する際には接着部分にのみPEフィルムなどをコーティングする。 延伸していないフィルムは、パンや果物類、雑貨などの軽包装分野で採用されている。 二軸延伸したフィルムのうち熱固定を経ていないものは、熱により収縮する傾向が強いため、シュリンクフィルムとして使用される。一方で熱固定を行ったものは寸法安定性や耐水性・耐摩耗性などに優れ、1988年にオーストラリア建国200周年記念として初めて発行され、以後各国でも採用されたプラスチック製紙幣にも使用されている。PVDC樹脂を片面または両面にコーティングし、ガスバリア性や防湿性などを向上させたKコートフィルムは包装用にて多用されている。 ポリエステルフィルム フィルム用ポリエステルは、ほとんどが熱可塑性ポリエステル樹脂を原料に製造され、一般に二軸延伸されている。剛性が高く、食品包装用以外にも磁気テープやフロッピーディスクの基盤などに使用されていたが、近年は包装用・光学フィルムの基盤などへの採用が急拡大している。PVDC樹脂を片面または両面にコーティングしたKコートフィルムもある グリコール変性コポリエステルフィルムはシュリンク特性を有し、延伸したものは紫外線や可視光の遮断性を持つため、高機能包装材料としての開発が行なわれている。 ポリカーボネートフィルム ポリカーボネートフィルムは耐熱耐寒性が高く、電子レンジ
で加熱する冷凍食品の包装などに使用される。保香性や金属蒸着適性が高く光沢や透明性が高い点は、高級化粧品の包装などへの利用から、光学フィルムの基材としても採用されている。 ポリスチレンフィルム 単体では脆くフィルム化に適さないポリスチレンも、二軸延伸することで強靭さと透明性を帯びる。透湿性やガスの透過に優れており、野菜類などの鮮度を維持する包装に適している。また、透明性から封筒の窓など、印刷適性の良さからラベルなどにも使用される。 ポリアクリロニトリルフィルム ポリアクリロニトリルフィルムはガスバリア性や保香性・耐薬品性に優れ、ヒートシール性も良好。防湿性には劣るためラミネートを施す場合が多い。食品や食用油などの他、医薬品・化粧品・防臭剤などにも使用される。 エチレン酢酸ビニル共重合体フィルムEthylene-vinyl acetate 柔軟で引き裂きやひび割れに強く、角があっても裂けにくい特性から土木建築分野の防水シートなどに使われるが、酢酸臭があるため食品に直接接触する包装には使用されない。接着性が良いためラミネート材料や、近年では太陽電池を構成する接着フィルムとしても利用される。 エチレン－ビニルアルコール共重合体フィルム EVAのガスバリア性とPEの加工容易性を併せ持ち、透明かつ光沢を有するために包装材料として使用される。他のフィルムと共押出により多層化されることも多く、包装材料の多機能化に貢献している。 エチレン－メタクリル酸共重合体フィルム ヒートシール性に優れ、アイオノマーフィルムに似た物性を持つ。金属との接着性にも優れ、特に高速自動包装に適応する。 ナイロンフィルム フィルム用として利用されるナイロンは、主に6ナイロンを原料に、無延伸フィルムは耐熱性が高く、二軸延伸したフィルムは耐寒性に優れる。PVDC樹脂を片面または両面にコーティングしたKコートフィルムもある。 セロファン 透明さや印刷適性などからかつては広く包装用材料として使用されてきたが、順次他の材料に切り替わり、現在ではテープ基材やギフト用のラップなどに少々使われる程度になっている。しかし、近年3次元ディスプレイの有力材料として研究が行なわれる など、異分野でふたたび脚光を浴びる可能性を秘めている。溶液流延法によって製造される。

10. 包装用フィルム
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文字通りいろいろなものを包むためのフィルムを包括して定義する。ごみ袋に代表されるようにあらかじめ袋状に成型されたものが多いが、食品用ラップフィルムや梱包用フィルムなどロール状のまま提供されるものも含まれる。冷凍食品やレトルトの多様化など、食品包装分野などを中心に使用されるフィルムには複数の機能が同時に求められるケースが普通となり、それらに対応するために多層化されたものがほとんどとなっている。以下、包装材料の用途と多層構造の対比例を表に纏める。

注）