熱成形可能なバリアフィルム: 材料、構造、および包装用途

A 熱成形可能なバリアフィルム は、加熱して三次元の空洞を形成するように設計された多層プラスチック構造であり、延伸後もガスおよび湿気のバリア特性を維持します。中心的な技術的課題は、バリア層、通常は EVOH（エチレンビニルアルコール）またはPVDC（ポリ塩化ビニリデン） - 本質的に脆く、伸ばすと亀裂が入ったり薄くなったりする傾向があります。成功裏に設計された熱成形可能なバリア フィルムは、成形中に機械的負荷がかかるポリプロピレン、ポリエチレン、またはナイロンの構造層の間にバリア ポリマーを挟むことでこの問題を解決し、バリアが破断することなく均一に伸びることを可能にします。その結果、生肉、チーズ、医薬品錠剤、調理済み食品などの酸素に敏感な製品を保護する成形トレイ、カップ、またはブリスターが得られ、賞味期限が数日から数週間、さらには数か月まで延長されます。

多層アーキテクチャ: バリアフィルムが決してモノリシックではない理由

優れた熱成形性、高い酸素バリア、湿気バリア、シール性、およびコスト効率を 1 つの材料で兼ね備えたポリマーは存在しません。ポリプロピレンは美しく熱成形し、湿気を遮断しますが、酸素バリアとしては不十分です。 EVOH は、低湿度ではほぼ完全に酸素を遮断しますが、湿気にさらされるとバリア特性が劇的に失われ、単独では形成するには硬すぎます。この解決策は、複数のポリマー層を共押出または積層して単一フィルムにし、各層が特定の機能を実行することです。典型的な 7 ～ 9 層の熱成形可能なバリア フィルム構造は、外側から内側まで次のようになります。

1. 外側の不正使用レイヤー (PP または HDPE): 表面硬度、印刷適性、成形加工時の耐熱性を提供します。
2. 結合層 (無水マレイン酸グラフトポリマー): 無極性ポリオレフィンを極性バリアポリマーに結合します。この層がないと、構造は成形時の応力によって剥離してしまいます。
3. 酸素バリア層 (EVOH または PVDC): 映画の機能的中心部、通常は 厚さ3～10ミクロン 合計 300 ～ 500 ミクロンのフィルムに含まれます。この薄いバリア層により、フィルムに酸素を排除する能力が与えられます。
4. タイ層（第二の接着剤）。
5. 防湿層およびバルク層 (PP または PE): EVOH を湿気から保護します。湿気により EVOH は可塑化され、酸素バリアが破壊されます。
6. 結合層 (第 3 の接着剤)。
7. シーラント層 (LLDPE、EVA、またはアイオノマー): 最内層は、通常 120°C ～ 180°C の温度で蓋フィルムにヒートシールし、気密封止を形成します。

フィルムの総厚と層間の厚さの比率は、熱成形キャビティの延伸比に基づいて調整されます。深さと幅の比が 1:3 を超えるレディーミール トレイなどの深絞り用途では、伸びが最大で残留バリアが最小になるポイントであるコーナーで発生する薄化を補うために、より厚いバリア層が必要です。

バリアポリマーの選択: EVOH vs. PVDC vs. 代替品

バリアポリマーの選択は、酸素透過率 (OTR) と環境条件に対する OTR の感度を定義するため、フィルム設計において最も重要な材料の決定です。 2 つの主要なバリアポリマーは、基本的に異なる性能プロファイルを持っています。

EVOH は、その優れた乾燥状態酸素バリア性とポリオレフィン結合層システムとの適合性により、食品包装用途の大部分で選択されるバリアーです。ただし、そのアキレス腱は湿気に敏感です。エチレンコモノマー含有量 (通常 27 ～ 44 mol%) は調整パラメータです。エチレン含有量が高くなると、耐湿性と熱成形性が向上しますが、絶対酸素バリアが低下します。 EVOHと 38 mol% エチレン これは、相対湿度 65% で 0.5 cc/m²/日未満の酸素透過率を提供するため、熱成形可能なフィルムの一般的な妥協点です。これは、加工肉製品の 10 ～ 21 日間の保存期間目標には十分です。

熱成形プロセスとバリアの完全性に対するその影響

バリアフィルムの熱成形には、通常、フィルムを軟化点まで加熱する必要があります。 ポリプロピレンベースのフィルムの場合は 130°C ～ 170°C —そして、真空、圧縮空気、またはメカニカルプラグを使用して、冷却された金型に押し付けます。フィルムは二軸方向に伸び、その伸びの程度は形成されたキャビティ全体で劇的に変化します。平らなフランジ領域は伸ばされずに残り、元のバリアの厚さを維持します。側壁は適度な伸びを経験し、底角は最大の伸びを経験し、多くの場合、面積延伸比は 3:1 を超えます。

重要な品質指標は、 最小残留バリア厚さ 形成されたキャビティの最も薄い点。これは通常、フィルムが縦方向と横方向の両方に同時に延伸される、下隅の半径で見られます。元の EVOH 層の厚さが 8 ミクロンで、コーナーの面積延伸比が 3.5:1 の場合、そのコーナーの EVOH の厚さは約 2.3 ミクロンになります。以下おおよそ 1.5～2ミクロン 、EVOH層は連続性を失い始めます。微小な空隙やピンホールが形成され、その局所領域の酸素透過率が 1 ～ 2 桁増加する可能性があります。これはバリア トレイの主な故障モードです。バリアの均一な劣化ではなく、製品がパッケージと接触し、酸素の侵入により変色や腐敗が引き起こされるコーナーでの局所的な故障です。

プラグアシスト成形と材料分配制御

均一な材料分布を達成し、バリアの完全性を維持するために、熱成形可能なバリア フィルムはほとんどの場合、プラグ支援成形を使用して加工されます。予熱されたプラグ (通常はシンタクティック フォーム、PTFE コーティングされたアルミニウム、または断熱複合材料で作られています) は、真空または圧力が適用される前に、軟化したフィルムを金型キャビティに押し込みます。プラグはフィルムに接触し、材料をキャビティの底に押し込み、側壁で優先的に薄くなり、フランジに余分な材料が蓄積するフィルムの自然な傾向を妨げます。適切に設計されたプラグ形状と、正確なプラグ速度および温度制御を組み合わせることで、成形品全体の厚さのばらつきを低減できます。 プラグアシストなしで±30%、±10%以上 最適化されたプラグプロファイルを備えています。

プラグの材質とその表面仕上げは、フィルムのバリア層に直接影響します。プラグが熱すぎるとシーラント層に張り付き、引きずり跡ができてフィルムが局所的に薄くなります。プラグが冷たすぎるとフィルムが冷えて均一に伸びなくなります。プラグの温度は通常、次のように維持されます。 PPベースのバリアフィルムの場合は60℃～100℃ 、フィルムの形成温度よりも大幅に低い温度で、延伸プロセスを安定させる制御された温度勾配を作成します。プラグ表面は、フィルムが結合せずにスムーズに滑るように、ホットシーラント層に対して 0.2 未満の低い摩擦係数になるまで研磨またはコーティングする必要があります。

成形後のバリア性能とレトルト衝撃

熱成形トレイのバリア性能は静的な特性ではありません。製品のライフサイクル中に変化します。形成されたトレイは、バリアの完全性を失うことなく、充填、密封、および場合によっては低温殺菌、ホットフィル、またはレトルト滅菌などの熱処理に耐えなければなりません。レトルト加工 121℃で30分 バリアフィルムに極度の熱的および機械的衝撃を与えます。ポリマー層は湿気を吸収し、EVOH が膨張して酸素バリアが一時的に低下し、層の熱膨張差により結合層界面で層間剥離が発生する可能性があります。

レトルト対応用途の場合は、フィルムの設計をアップグレードする必要があります。 EVOH は、次のようなレトルト耐性バリアで置き換えられるか、追加されます。 追加のポリプロピレンオーバーレイヤーで保護されたMXD6ナイロンまたはSiOxコーティングされたPET層 。結合層は、高温での接着保持を考慮して配合する必要があります。追加の延伸と熱サイクルの後、最小のバリア厚さを維持するために、フィルムの総厚は通常、非レトルトバージョンと比較して 20% ～ 30% 増加します。レトルト対応バリアフィルムは、ASTM F2095 または同等のパッケージ完全性試験を通じて、レトルト後の酸素透過率がレトルト前の値と比較して 2 倍を超えて増加していないことを証明する必要があります。

水蒸気バリアと外層の役割

酸素バリアが最も注目されていますが、水蒸気透過率 (WVTR) も製品の品質にとって同様に重要です。生鮮食品から水分が失われると、しおれや体重減少が起こります。クラッカーや医薬品粉末などの乾燥製品に水分が増えると、固結や腐敗が発生します。バリアフィルムのポリプロピレン外層は、優れた湿気バリアを提供します。 PP の WVTR は約 38°C、90% RH で 0.5 ～ 1.0 g/m²/日 これは 500 ミクロンのフィルムの場合であり、EVOH 単独よりも一桁優れています。シール層は、特に形成されたトレイが蓋フィルムにシールされるフランジ領域において、防湿層にも貢献しなければなりません。シール領域から侵入した湿気はパッケージのヘッドスペースに閉じ込められ、局所的な相対湿度が上昇し、EVOH の酸素バリアが端から内側に向​​かって徐々に劣化します。

リサイクル性と持続可能性のトレンド

熱成形可能なバリアフィルムに性能を与える複数の材料、多層構造は、最大の環境負荷でもあります。ポリプロピレン、ポリエチレン、EVOH、および結合層接着剤の組み合わせは、機械的リサイクルの流れと互換性がありません。これらの層は経済的に分離できず、混合材料の再生材は機械的特性が劣るため、食品と接触する用途には適していません。業界は、いくつかの技術転換により、特に欧州連合の包装および包装廃棄物規制などの規制圧力に対応しています。

最も有望なアプローチは、 モノマテリアルポリオレフィンバリアフィルム 、全体の構造はポリプロピレンまたはポリエチレンをベースにしており、ポリオレフィンベースのバリア層が含まれています。 PP ベースの EVOH は、EVOH 含有量が 5 重量％未満で結合層が PP-g-MAH である場合、すでに PP リサイクル ストリームとの適合性が高くなります。バリア層は PP マトリックス内にカプセル化されており、機械的なリサイクル プロセスを妨げません。 2 番目のアプローチは、バリア フィルムを、PP または PET 基板上の SiOx または AlOx の薄く透明な真空蒸着コーティングに置き換えることです。これらのコーティングの厚さは 100 ナノメートル未満で、リサイクルを妨げません。熱成形中に亀裂が発生しやすいという制限が残っており、現在その使用は延伸比 1.5:1 未満の浅絞り用途に制限されています。

形成されたバリアパッケージの品質試験

熱成形されたバリア トレイが保存期限仕様を満たしていることを検証するには、平坦なフィルムだけでなく、成形された部品に対して物理的および化学的試験を組み合わせる必要があります。フィルムメーカーのデータシートにはフラットフィルムの酸素透過率が記載されていますが、延伸比と成形プロセスの均一性に応じて、成形されたトレイの OTR は 2 ～ 5 倍高くなる可能性があります。

形成されたバリアパッケージの重要なテストには次のものが含まれます。

• パッケージ全体の OTR 測定 (ASTM F1307): 密封されたパッケージ全体の酸素侵入率を測定し、形成されたトレイ、蓋フィルム、およびシールの完全性の複合効果を捕捉します。これは、製品のバリア性能の正確な尺度です。
• 角の厚さの測定: 形成されたトレイの角の断面を顕微鏡で検査し、最も薄くなった時点での残留バリア層の厚さを測定します。これはパッケージ全体の OTR と相関して、許容可能な最小角厚仕様を確立します。
• 染料浸透試験 (ASTM F3039): 形成されたキャビティの内側に着色した染料溶液を塗布し、バリア層のピンホールや亀裂を通した染料の浸透を外側から検査します。バリア層の破壊を検出する合否試験です。
• 加速条件下での保存期間の検証: 実際の製品または類似品を詰めた密封パッケージは、通常、高温多湿で保管されます。 38℃、相対湿度90% 食品の場合、製品の品質特性が長期にわたって監視されます。非破壊光学センサーによって測定されるパッケージのヘッドスペース内の酸素濃度は、保存期間にわたるバリアの完全性を示す最も直接的な指標です。