Press Release

「熱を逃がさない」だけでOPPフィルムを強力にヒートシール

～和紙の多孔質構造を利用した放熱制御で、リサイクルしやすいモノマテリアル包装へ～

【背景】　プラスチックフィルムは、食品、医薬品、日用品などを安全かつ衛生的に包装するために、現代社会に欠かすことのできない材料です。プラスチック使用量の削減や生分解性材料への転換が進められる一方、現在広く使用されているプラスチックを、いかに少ない材料とエネルギーで効率よく利用し、使用後にリサイクルしやすくするかも重要な課題です。包装材料として広く利用される二軸延伸ポリプロピレン（OPP）フィルムは、透明性、剛性、防湿性などに優れています。しかし、製造時の延伸によって高分子鎖が高度に配向しているため、OPPフィルム単体ではヒートシールが難しいという問題があります。そのため一般的な包装では、OPPに比較的低温で溶融する無延伸ポリプロピレン（CPP）やポリエチレンなどのシール層を組み合わせた多層フィルムが使用されています。しかし、異なる材料や接着剤を組み合わせることは、使用後のリサイクルを難しくする要因となります。そこで近年、できるだけ同一系統の材料で包装を構成する「モノマテリアル化」が求められています。

高温にするのではなく、「熱を逃がさない」

OPPフィルムを直接シールするために単純に加熱温度を高くすると、エネルギー消費が増えるだけでなく、フィルムの収縮や変形、シワ、力学特性の低下などにつながります。そこで本研究では、「より強く加熱する」のではなく、「加えた熱を逃がさない」という考え方に着目しました。市販のインパルスシーラーを用い、2枚のOPPフィルムとシリコーンゴム製の受け部との間に、厚さ約110 µmの和紙を1枚挿入しました。和紙をOPP同士の接着界面に挟むのではなく、フィルムの外側に置いて受け部方向への放熱を抑えるというシンプルな方法です。その結果、通常のシール方法やOPP、ポリイミドを挿入した場合には155 ℃でも剥離強度が約0.5 N/15 mm以下であったのに対し、和紙を挿入すると150 ℃で約6 N/15 mm、155 ℃では8 N/15 mmを超える高い剥離強度が得られました。さらに150 ℃以上ではシール界面が剥がれるのではなく、OPPフィルム自体が破れるほど強固に接合されました。

なぜ「和紙」で強くシールできるのか？

電子顕微鏡観察から、本研究で使用した楮（こうぞ）を原料とする和紙は、コピー用紙と比較して太い繊維が絡み合い、その間に多くの空隙をもつ多孔質な構造を形成していることが分かりました。こうした空気を多く含む構造が断熱層として働き、インパルスシール時に熱が受け部側へ逃げることを抑えたと考えられます。実際に、厚さ20 µmの極薄熱電対を2枚のOPPフィルムの界面に挿入し、10 ms間隔で温度を直接測定したところ、和紙を使用した場合に最も高い界面温度が得られました。つまり、同じヒーター設定温度でも、熱の逃げ方を制御することでフィルムに与えられる熱をより有効に利用できることが明らかになりました。

フィルム表面だけでなく、厚さ方向全体の分子構造が変化

さらに、偏光観察、DSC、ATR-FTIR、顕微ラマン分光法を組み合わせ、OPP内部で起こる構造変化を解析しました。特に顕微ラマン分光法による断面マッピングでは、通常のシールでは分子配向の変化が主にヒーター側の表面付近に限られていました。一方、和紙を挿入すると、分子配向の緩和が厚さ40 µmのOPPフィルム全体に及ぶことが明らかになりました。これらの結果から、和紙による放熱抑制によってOPP内部で分子鎖の配向緩和、部分的な融解、冷却時の再結晶化が進み、フィルム厚さ方向全体で構造が再編成されることで、強固なシールが形成されたと考えられます。

プラスチックを「なくす」だけではなく、「より効率よく使う」

食品や医薬品を安全かつ衛生的に保護するプラスチック包装は、現在の社会に不可欠です。一方で、異なる材料を何層も積層した包装はリサイクルが難しく、包装工程で消費されるエネルギーも課題となります。本研究は、OPPフィルムそのものを化学的に改質したり、新たな接着剤やシール層を追加したりするものではありません。既存のヒートシール装置における「熱の逃げ方」を制御することで、これまで直接シールが難しかった延伸OPPフィルム同士を強固に接合できることを示しました。重要なのは、和紙そのものを工業用シール装置に使用することだけではなく、受け部の熱伝達や断熱構造を設計することで、加えた熱をより有効に利用できることを実証した点です。今後、シール装置の受け部材や断熱構造を最適化することで、より低い設定温度や短いシール時間でも十分な接合強度を得られる可能性があります。さらに他の延伸ポリオレフィンフィルムへ展開することで、リサイクルしやすいモノマテリアル包装と、包装工程の省エネルギー化を両立する技術につながることが期待されます。