JP2009051008A - ベルトシーラーおよび混成ヒートシール方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 完全シールと剥がれシールよりなる混成ヒートシールをベルトシーラーで形成する。
【解決手段】 上記課題は回転ロール間に掛架され、互いに対向する面の間に被ヒートシール体を挟持して搬送する１対の金属無端ベルトと、該金属無端ベルトに熱を与える加熱体よりなるヒートシール装置において、該加熱体の加熱面の一部が該ベルトの走行方向に切欠かれていることを特徴とするヒートシール装置によって解決される。
【選択図】 図２

Description

本発明はプラスチックのヒートシールの熱接着面に剥がれシールと破れシール（完全シール）を混成させたヒートシールを形成するベルトシーラー及びこのヒートシールを形成する方法に関するものである。

プラスチックのフイルムやシートを使った袋や容器の生産や封緘にはヒートシールが適用されている。

従来のヒートシールは熱接着層が液状になる高温域の加熱が行われ、接着面が一様に破れシールになっている。

一方、ヒートシールには、上記の破れシールに加えて剥がれシールの存在も知られており、本発明者は、この剥がれシールについても研鑽を重ね、特許出願も行ってきた（特許文献１、２）

しかしながら、破れシールに比べて剥がれシールは形成される加熱温度領域が狭くかつ微妙であり、従来、この破れシールと剥がれシールを意図的に混成させた例もなく、また混成させる必要性も知られていなかった。

特許第３８１１１４５号 特許第３８７６９９０号

従来の破れシールの状態に加熱したシールでは、シール線に力がかかり接着面は剥離せず、エッジで破れが発生する。
破れシールでは、破れ応力をヒートシール線のエッジのみで受けて面全体では受けていない。
接着層が液状になる高温加熱状態では加熱体の圧着圧で溶融した接着層がヒートシール線にはみ出してポリ玉を形成する。

密封された袋や容器に外力が加わると不均一に変形するので、応力が集中したタックが発生する。
タックの先端とヒートシールエッジにできたポリ玉の生成個所が一致すると微細面に更に応力が集中して破袋やピンホールの発生につながっている。

従来はこの対策のために接着層を厚くしたり丈夫な材料を選択しているが、この方法は材料コストが高くなったり、加熱時間の延長又は加熱温度の高温化になっていて、破れやピンホールの原因の抜本的な改良になっていない。

従来の破れシール領域の加熱のヒートシール方法では接着面は凝集接着となり、ＪＩＳ法（Ｚ ０２３８）の引張強さは大きくなるが、接着線には破壊力の緩衝機能がないので、微小部位に破壊応力が集中すると破袋やピンホールの発生は避けがたく、材料の厚さの増加や丈夫な材料の選択となり、包装材料の持つ平均的な耐破袋性能を利用できずコストアップになっている。

一方、剥がれシールは、引張強さは破れシールを下回るが、破壊応力がかかると界面剥離を起す。界面剥離では剥離強さと剥離面積の積に相当するエネルギーの消費が発生するので、破壊応力の吸収緩衝機能を有している。
しかし従来の被加熱材は剥がれシールが発現する加熱温度帯が数℃なので適当な調節方法がなく剥がれシールを避けてきている。

そこで、本発明者は、ポリ玉の生成がなく、また、破袋応力を分散して破袋やピンホールが発生しにくく、廉価な包装材料で高い信頼性でヒートシールできるヒートシール構造として、クレーム３の「剥がれと破れシール混合ヒートシール構造」を特許出願した（特願２００７−２６３７７号）。
そして、本発明者は、さらに研鑽を重ね、このヒートシール構造がベルトシーラーにも適用できることを見出して本発明を完成した。

このベルトシール方法は薄い金属ベルトで被加熱物を挟んで、加熱体にベルトの外側を摺動させて、全面同時でなく加熱面に順次の加熱を行う。熱接着面を固定した状態できるので安定した加熱操作ができる特徴がある。

本発明は、同一温度の加熱体の一部を切り欠き、摺動時間を減少することによって加熱の低減を図り、混成ヒートシール法を実施する。

すなわち、本発明は、回転ロール間に掛架され、互いに対向する面の間に被ヒートシール体を挟持して搬送する１対の金属無端ベルトと、該金属無端ベルトに熱を与える加熱体よりなるヒートシール装置において、該加熱体の加熱面の一部が該ベルトの走行方向に切欠かれていることを特徴とするヒートシール装置と、このヒートシール装置を用いて、帯状ヒートシールの長手方向に剥がれシール帯と破れシール帯を有し、該剥がれシール帯の幅が２〜２０ｍｍ該破れシール帯の幅が１〜１０ｍｍであり、剥がれシール帯の幅／破れシール帯の幅の比が０．２〜２０であるヒートシール構造を有するヒートシールの製造方法に関するものである。

加熱温度の上昇と共にヒートシール強さが上昇する領域を剥がれシール（Ｐｅｅｌ Ｓｅａｌ；ＡＳＴＭ Ｆ８８−００の定義）と呼ばれ、接着状態は分子間力結合の界面接着状態である。この剥がれシールでヒートシールされている片の非ヒートシール端を掴んで引張ると、ヒートシール片は破断せず接着面が剥離する。

引張強さが上限を超えて平坦になる領域が破れシール（Ｔｅａｒ Ｓｅａｌ；ＡＳＴＭ Ｆ８８−００の定義、本明細書ではこれを「完全シール」という。）と呼ばれる。この加熱領域では接着層は液状となり、２つの接着面の接着層は混合状態となる。

破れシールでは加熱後の冷却状態では接着面のない一体状態となり、加熱部位は接着前の厚さより厚くなるので、接着部位は他の部位より引張強さは強くなる。引張試験では強い結果を示す。しかし液状となった接着層は圧着圧でヒートシールエッジに容易に不均一にはみ出してポリ玉になる。この破れシールでヒートシールされている片の非ヒートシール端を掴んで引張ると、ヒートシール線の直近で破断が起こる。

引張試験では剥がれシールより破れシールの破断強さの方が大きいので、従来は良好な加熱とされていた。しかし、密封された袋や容器に、外力が加わると不均一に変形するので、応力が集中したタックが発生する。タックの先端とヒートシールエッジにできたポリ玉の生成個所が一致すると１ｍｍ以下の微細面に応力が集中する。破れシールは凝集接着の状態なので微細部分が破断して破袋の起点やピンホールの発生につながっている。

平面のフイルムやシートを成型して被包装物を充填すると容積が増加するので、タック発生は避けることができない。本発明では、ヒートシール代に集中した破袋応力を先ず剥がれシール面の界面接着で剥離を起させ、破壊エネルギーを吸収緩衝した。そして破袋応力の受圧線長を大きくして集中応力を半円形に分散させ単位長さ当たりの負荷を小さくしたところで剥離の進行が止まるようにした。

剥がれが進行してシール代の外端付近に到達したときには接着力の強い破れシールゾーンで剥がれを食い止め剥がれ破袋を避ける。この間に消費されるエネルギーは破れシールの耐力の数倍になる。本発明の加熱方法では剥がれシールと破れシールが連続する。従って材料の持つ最適な接着の境界温度の確実な加熱ができるのでポリ玉の生成も防御することができる。

本発明の混成ヒートシール構造は、
（１）剥がれと破れの境界温度の加熱が確実にできるので、材料の最適な接着状態をヒートシール代の中で達成できる。
（２）破れ耐力より大きな破袋応力がヒートシール線にかかったときに剥がれのエネルギーで破袋エネルギーを消費して緩衝できるので破袋、ピンホールの発生を防御できる。
（３）ヒートシール面に温度傾斜ができるので袋又は容器の内側から剥がれシールと破れシール状態が連続化できるのでポリ玉の生成が制御できる。
（４）破袋応力を接着面で分散できるので材料の厚さや丈夫な材料の選択をしなくとも廉価な包装材料で不具合の発生の防御が図れる。
（５）合理的な方法でヒートシール調節ができるのでヒートシールの信頼性の保証と向上が図れる。

この混成ヒートシール構造をベルトシーラーで形成することにより、熱接着面を二枚のベルトで挟んだ状態で加熱できるので、安定して混成ヒートシールを形成することができる。

ベルトシーラーの一般的な構造を図１に示す。同図に示すように、回転ロール間に掛架され、互いに対向する面の間に被ヒートシール体（包装袋５）を挟持して搬送する１対の金属無端ベルト２と、該金属無端ベルト２に熱を与える加熱体１よりなっている。

回転ロールの数は、原則として各金属無端ベルト当り２個、従って４個である。回転ロールは、被ヒートシール体の入口側は被ヒートシール体が進入しやいよう少し離して配置するのがよい。一方、被ヒートシール体が加熱体を通過する間は、両金属無端ベルト間に圧着圧が付与されるよう、両金属無端ベルトの間隔が被ヒートシール体の厚みより小さくなるようにする。そのために、被ヒートシール体の入口側の間隔を規制するガイドロールを加熱体への入口側に配置することができる。このガイドロールはさらに出口側にも配置することができる。

金属無端ベルトは、ステンレススチール、アルミニューム、真鍮などの２００℃程度の加熱で錆が出にくい伝熱性シートで形成され、厚みは０．０１〜０．２ｍｍ程度である。幅は、ヒートシール幅が、それよりやや広い程度である。ヒートシール幅は通常５〜１０ｍｍ程度であるので、このベルトの幅は５〜１５ｍｍ程度が適当である。表面は、両面とも平滑面である。

加熱体は、金属無端ベルトを通じて被ヒートシール体を加熱するものであり、通常はアルミニューム、真鍮、ステンレススチールなどの２５０℃程度の加熱で錆が出にくい伝熱性材料で形成される。加熱体の熱源には、通常電気ヒータが用いられ、これは加熱体の内部に設置される。この加熱体は、さらに被ヒートシール体に圧着圧を加えるため、少なくとも一方が押し付け方向に付勢されている。この圧着圧は０．１〜０．２ＭＰａ程度が適当である。

加熱体の加熱面は、金属無端ベルトの走行方向に、長尺の長方形状とされ、その長さは破れシールを形成できるように定められる。また、幅は、被ヒートシール体と重なる部分がヒートシール幅になるようにする。ヒートシールに剥がれシール部分を形成させるために加熱面の一部に切欠を設ける。この切欠も短冊状とされ、加熱面の片側に設けられる。この切欠の長さは残余の加熱面が剥がれシールを形成しうるように定められ、幅は剥がれシールの幅である。切欠部は、当該部分の加熱がほとんど進行しなければよく、深さで２ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上であればよい。この切欠部分には、熱伝導率の低い材料を埋設することができる。

この材料は、ヒートシール温度で熱変性しないものが用いられ、例えばポリ四フッ化エチレン（商標名：テフロン）などのフッ素樹脂、フッ素樹脂を含浸加工したシート状のガラス繊維、セラミック板などが好ましい。この場合の切欠部の深さは、材質やヒートシール材料等によって異なるが、大体０．１〜２ｍｍ程度、通常０．１〜１ｍｍ程度でよい。埋設部の表面と加熱面の間は、通常は平面で段差や隙間がないようにする。

次に、混成ヒートシール構造について説明する。
本発明のヒートシール構造は、帯状ヒートシールの長手方向に剥がれシール帯と破れシール帯を有するのであるが、内側（被包装物側）に剥がれシール帯がそして外側に破れシール帯が配置される。

全ヒートシール幅は、袋や容器の容積や被包装物の容量、従って、ヒートシールされるフィルムやシートの材質や厚み等により変わるが、３〜３０ｍｍ程度、通常５〜２０ｍｍ程度、多くは７〜１５ｍｍ程度である。剥がれシール帯の幅は、２〜２０ｍｍ程度、好ましくは７〜１０ｍｍ程度である。この幅は、剥がれシールを設置した効果を破れシールの破れエネルギーと同等〜４倍になる範囲と従来のヒートシール代を越さない寸法を考慮して設定したものである。

一方、破れシール帯の幅は、１〜１０ｍｍ程度、好ましくは２〜５ｍｍ程度、特に好ましくは２〜３ｍｍ程度である。この幅は、破れシールの効果は１ｍｍの接着面があれば十分である。しかし、破れシールを正確に実施するのには装置の位置決め性能等から最低２ｍｍがあることが好ましい。

また、剥がれシール帯の幅／破れシール帯の幅の比は０．２〜２０程度、好ましくは１〜５程度、特に好ましくは２〜５程度である。これは、上述の通り、剥がれシール部での破壊エネルギーの消費の効果は５〜１０ｍｍの剥がれで同等〜４倍になる。破れシールの２ｍｍを基準に剥がれシールの寸法を考慮するとこの比率になる。

剥がれシール帯と破れシール帯の幅の確認は、本発明者が先に開発したヒートシールの剥がれと破れの識別方法（特許第３８７６９９０号）とヒートシール幅の決定方法（特許第３８１１１４５号）を利用することができる。

次に、加熱体の加熱面の長さと切欠部の長さの求め方を説明する。
ヒートシール条件は、ヒートシールする材料によって異なる。そこで、まずヒートシールしようとするヒートシール材料の溶着面温度と、その温度で圧着された材料の引張強さの関係を求める。その結果、例えば、図４に示す関係が得られる。この図から、溶着面温度（ヒートシールされる面の温度）が１５６℃以上で破れシール、１４４〜１５５℃で剥がれシールになることがわかる。

次に加熱面温度を１６５℃として圧着時間と溶着面温度の関係を求めると図５に示すようなグラフが得られる。溶着面温度を１６５℃としたのは、被加熱物内に起こる熱流によって溶着面温度は加熱体の表面温度より低い温度でバランスする補正である。そこで、図４と図５の結果から、この被ヒートシール体においては、溶着面の温度を１６０℃に設定した場合には、剥がれシールの中央部位の温度を圧着時間を０．２４秒にすれば剥がれシールに、０．３８秒以上にすれば破れシールになることがわかる。

これを基に、加熱面の長さと切欠部の長さを求める。図１において、加熱面の長さをＬ（ｃｍ）ベルトの走行速度をＶ（ｃｍ／ｓ）とすると加熱時間はＬ／Ｖ（ｓ）となる。
この場合のヒートシール面は同一温度の加熱になる。ヒートシールされる部分は同時に加熱されないが、加熱面を摺動する時間の全体ではヒートジョー方式の圧着加熱時間と同等になる。

そこで、図２に示すように、加熱体１の加熱面全長であるＡ＋Ｂ（ｃｍ）の内下流側の長さＢ（ｃｍ）を、包装袋５の製品が充填される側を幅Ｃ（ｃｍ）で短冊状に切欠く。この切欠部の形状の例を図３に示す。図３は、図１の加熱体１の切欠部を設けた部分を、走行方向と、直角方向の断面で示したものであり、断面が先端を切落したホームベース状である加熱体１を、一方の斜辺を平行に、断面が菱形形状に切り欠いて切欠部３−１、３−２を形成している。そこで、図３において、包装袋５のこの切欠部３−１、３−２にある部分はそこでは加熱が減少して、ヒートシールが進行しないことになる。

切欠部を設けた場合の温度変化の例を模式的に図６に示す。同図に曲線（ｂ）で示すように、切欠部を設けなかった部分を通過する包装袋の溶着面は、加熱体に進入すると温度が上昇して、加熱体の出口端までの通過時間ｔ_２で温度がＴｔ（℃）まで上昇し、加熱体の出口端を出ると温度が下降する。一方、切欠部を設けた部分は、曲線（ａ）で示すように、切欠部の入口端までの通過時間ｔ_１をやや過ぎたところで温度がＴｐ（℃）まで上昇し、その後下降する。

加熱面の長さをＬ（ｃｍ）ベルトの走行速度をＶ（ｃｍ／ｓ）とすると加熱時間はＬ／Ｖ（ｓ）となる。そこで、図４と図５の例では、ベルトの走行速度を１０ｃｍ／ｓとすると加熱面の長さは３．８ｃｍ以上、切欠部の長さは加熱面の長さ２．５ｃｍとなる。そこで、例えば、少し大きい加熱面の長さを４．５ｃｍ、切欠部の長さを３．０ｃｍに設定する。

加熱面温度、ベルト走行速度を上記から変える場合には、上記と同様にしてその加熱面温度、ベルト走行速度における加熱面の長さと切欠部の長さを求めることが出来る。一方、逆に、加熱面の長さと切欠部の長さと加熱面温度からベルト走行速度を求め、あるいは加熱面の長さと切欠部の長さとベルト走行速度から加熱面温度を求める自由度を持たせることもできる。

このようなヒートシール装置を用いてヒートシールを行う方法を次に説明する。

加熱体１−１、１−２は通常の方法と同様に電気ヒータ６−１、６−２で任意の温度に調節できるようになっている。（温度調節系は図示していない）
加熱体１−１、１−２には加熱体の表面温度を均一化するためにヒートパイプ７−１、７−２を装着している。

加熱体１−１、1−２の双方又は一方は包装体５の接着面に０．１〜０．２ＭＰａの圧着圧が掛るように押し付けられている。（図示せず）

包装袋５のヒートシール部は、完全シール部が１〜５ｍｍになるように位置を決められて、０．０１〜０．２ｍｍ程度の薄い金属ベルト２の入口に送り込まれる。

加熱体１の摺動ゾーンに入ると包装袋５のヒートシール全面は順次、ほぼ同一の温度パターンで上昇する（図６参照）。

包装袋５のヒートシール面が切欠部３に到達すると切り欠きの幅Ｃ（ｃｍ）分は接触伝熱がなくなるので温度上昇は図６の（ａ）に示したように剥がれシールの加熱温度を上限にして低下を始める。
他方、非切欠部は図６の（ｂ）に示したように温度上昇を続け、完全シール（凝集接着）が行われる。

切欠部３の幅Ｃは吸収したい破袋力量によって決められるが、５〜１５ｍｍが実用的に選択される。
ベルトに接触する加熱体に切欠部を設けることで、被加熱面に混成シールを達成できる。

加熱体１の薄い金属ベルト２に摺動する部分はベルト幅と同一にする必要があるが、加熱体の熱容量を大きくするために先端部を台形にすることが好ましい。
ベルト幅は切欠幅に完全シール幅を加算した幅に設定する。
完全シール部の加熱面の幅は２〜１０ｍｍに設定する。

切欠部３に断熱材８−１、８−２を設置して、加熱体からの輻射熱の影響を除くようにすると、温度の制御が正確になるのと切り欠き部の圧着圧が保てる確実な熱接着ができる。
加熱体に接触しないように断熱材８に代えて、良熱伝導体を適用して剥がれシール部の余熱を排除することで更に確実な温度分布の制御ができる。

完全シール部と剥がれシール部の温度差は階段状ではなく連続的に成るようにした方が混成シールには好ましい。
温度段差は被加熱体の熱容量（厚さ、材質で決まる）を参考にして、薄い金属ベルト２の厚さ（熱容量）を０．０１〜０．２ｍｍに代えることで調節できる。この効果の検証は溶着面温度測定法で容易に確認できる。

所定の温度分布を達成するためには（１）加熱体温度、（２）加熱体長さ、（３）切欠部長さ、（４）ベルト速度、（５）切り欠き部への断熱材又は冷却機能の付加がパラメータにできる。

市場に出ているレトルト包装に使用されているアルミニュームラミネーションされた総厚さ０．０９ｍｍの包装材料に適用した事例を図２に示した装置を用いた実施事例を示す。

加熱／圧着条件は以下のように設定した
・完全シール（凝集接着温度）（Ｔｔ）：１６０℃（完全シール面の中点の溶着面温度）
・剥がれシール温度（Ｔｐ）：１５０℃（剥がれシール面のほぼ中央部の溶着面温度）
・金属ベルトの厚さ ：０．０８ｍｍ
・加熱体の表面温度 ：１６５℃
・完全シール（凝集接着）温度到達時間（ｔ２）：１．６秒
・剥がれシール温度到着時間 （ｔ１）：１．０秒

ベルトの速度を１０ｃｍ／ｓとすると、剥がれシールの加熱体長さは（Ａ＝Ｖ×ｔ１）から１０ｃｍ、完全シール（凝集接着）の加熱体長さは［（Ａ＋Ｂ）＝Ｖ×ｔ２］から１６ｃｍが得られる。

この結果を基に図２に示したような加熱体１の縦３．５ｃｍ、横３ｃｍ、長さ（Ａ＋Ｂ）１６ｃｍ、加熱面代１．５ｃｍ、切欠部長さ（Ｂ）６ｃｍ、高さ（Ｃ）１．０ｃｍの加熱体を作った。
この加熱体に太さ０．８ｃｍ、長さ２０ｃｍの４００Ｗの電気ヒータ２を装着した。

（１）長さ方向の温度ムラを小さくするために電気ヒータ６と薄い金属ベルト２が接触する加熱体１の表面との間にヒートパイプ７を装着してある。
（２）温度調節の温度センサには線径が０．２ｍｍの微細型の“Ｋ”熱電対を使用した。（図示せず）
（３）電気ヒータ６の温度調節はＰＩＤ機能を持たせたＯＮ−ＯＦＦ調節方式とした。
（４）溶着面温度測定は特許番号３４６５７４１号で提示された装置を使用した。

実施性能の評価
得られた剥がれと破れ混成シールの加熱サンプルの接着仕上がりを引張試験によって評価した。 従来法のヒートシールの引張試験結果を添えたデータを図７に示した。

従来法の引張試験パターンは早い立ち上がりの０．３５ｃｍで降伏点（ｃ）に到達している。
本発明の剥がれと完全シールの混成加熱では立ち上がりは緩やかで接着面剥離が明確に観察される。オーバーヒートが抑制されているので接着強さは材料の持つ最大値となって従来法の加熱接着より大きな値を示した。剥離が進んで完全シール領域の約０．８５ｃｍ（ｄ）で破断した。

各点の引張強さは各点の微小引張り変化に対する応答である。
すなわち測定点毎の仕事量は［（強さ；Ｎ）×（サンプリング間の引張り距離）］／[（引張速度）×１５ｍｍ]の破断までの総和となる。引張速度を同一にすれば演算面積の指数化比較で本発明と従来法ヒートシール面破袋防御性の比較ができる。優位性を評価するために図７に示した結果から、従来法の積分は（ｃ）点、本発明の混成法の積分範囲を（ｄ）点まで行った。 従来法は［９.９］混成法では[４１]を得た。
これはヒートジョー方式と同一の結果が得られベルトシールにおいても混成シールが適用できることが分かった。

本発明により、ベルトシールにも混成ヒートシール法が適用できる可能性がある。

従来のベルトシーラーを説明する模式図である。 本発明が、切り欠いた加熱体を用いてヒートシールを行う工程を示す説明図である。 図１の加熱体の切欠部を設けた部分の断面を模式的に示した図である。 ヒートシールされる溶着面の温度とヒートシールされた部分の引張強さの関係の一例を示すグラフである。 加熱体による圧着時間と溶着面温度の関係の一例を示すグラフである。 ベルトシーラーにおける被ヒートシール体が加熱体を通過する時間と溶着面温度との関係を模式的に示したグラフである。 本発明で得られた混成ヒートシールと従来の完全ヒートシールについて引張試験を行い、剥離距離と引張強さの変化を示したグラフである。

符号の説明

１ 加熱体
２ 金属無端ベルト
３ 切欠部
４ 混成ヒートシール部
５ 包装袋（被ヒートシール体）
６ 電気ヒータ
７ ヒートパイプ
８ 断熱材
９ 回転ロール

Claims (3)

1. 回転ロール間に掛架され、互いに対向する面の間に被ヒートシール体を挟持して搬送する１対の金属無端ベルトと、該金属無端ベルトに熱を与える加熱体よりなるヒートシール装置において、該加熱体の加熱面の一部が該ベルトの走行方向に切欠かれていることを特徴とするヒートシール装置
2. 切欠かれている部位に熱伝導率の異なる部材が埋設されている請求項１記載のヒートシール装置
3. 請求項１記載のヒートシール装置を用いて、帯状ヒートシールの長手方向に剥がれシール帯と破れシール帯を有し、該剥がれシール帯の幅が２〜２０ｍｍ該破れシール帯の幅が１〜１０ｍｍであり、剥がれシール帯の幅／破れシール帯の幅の比が０．２〜２０であるヒートシール構造を有するヒートシールの製造方法

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