BOPEフィルムの物理と力学性能に影響する要素はどれらがありますか？

高分子フィルムの原材料の合成と変性と平膜法の二軸延伸技術の発展に従って、次々と多くの性能の優れた二軸延伸フィルムが現れ、現在主要な平膜法の二軸延伸フィルム（略称：二軸延伸フィルム）はBOPP、BOPET、BOPAがある。

ポリエチレン（PE）はすでに何年も登場しているが、そのフィルム生産における使用量は巨大で、主にブローフィルム、流延と一軸延伸フィルムであるが、平膜法二軸延伸技術を採用して製造した二軸延伸ポリエチレンフィルム（BOPE）が新しいフィルム材料として提案されたのは2009年である。優れた性能、相当な経済性により、BOPEは従来のPEフィルムと比べて明らかな優位性を示し、同時にいくつかの従来のPEフィルムにない独特な性能も備えている。

BOPP、BOPET、BOPAの二軸延伸の理論的基礎は数年前に確立され、実際の生産に広く使われているが、フィルム用の常用材料であるPEの二軸延伸理論はまだ係統的に確立されておらず、その主な原因の一つは二軸延伸に適したPE原料の研究開発が遅いことである。

平膜法二軸延伸は技術要求が非常に高いプラスチック成形加工方法であり、性能の良い加工設備と適切な原料を備える必要があるほか、さらに重要なのは生産者が原料の性能と加工条件が製品の性能に与える影響を深く理解し、把握する必要がある。原料の開発と改良と生産技術及び理論の確立は互いに影響し合い、互いに製約し合うため、現在平膜法で生産したBOPEの販売はまだ見られない。BOPEに特化した成熟したプロセス技術や生産設備がないため、BOPEの開発過程では多くのことを模索しなければならない。BOPEフィルムの主な生産プロセス

BOPEは平膜法で逐次二軸延伸生産を採用し、その生産プロセスはBOPP、BOPET、BOPAと類似している。

BOPEフィルム用主原料PE。ポリエチレン合成技術の発展に伴い、多種の異なる重合方式、多種のタイプの触媒と重合技術が開発され、そしてそれによって多くのポリエチレン品種が開発された：高密度ポリエチレン（HDPE）、低密度ポリエチレン（LDPE）、線状低密度ポリエチレン（LLDPE）、メタロセンポリエチレンなど。通常、ポリエチレン樹脂の分子構造、モル質量及びその分布は、コモノマーの種類及び量、重合方法及び触媒の種類を変えることによって製御される。

PEの原材料は品種が多く、性能も大きく異なり、現在大量のLDPEとLLDPEがブローフィルム製品の生産に応用されている。現在、BOPEは平膜法で生産されているものはまだ多くない。本発明者らは、実際に、低メルトマスフローレート（通常、MFR値が4g/10rain未満）、広いモル質量分布、さらには二峰性分布を有するLDPEまたはLLDPEがBOPEの製造に適していることを見出した。

LLDPEは，低圧法で配位構造を持つ高活性触媒の作用によりエチレンとα−オレフィンを共重合させたものであり，その重合方法はHDPEとほぼ同じであるため，その分子構造はHDPEと同様に直鎖状である。しかし、α-オレフィンの導入により、分子鎖には短くて規則的な分岐が多く存在するようになった。LLDPEの分岐の長さは一般にHDPEの分岐よりも長く、分岐の数も多い。LDPEに比べて、LLDPEにはLDPE特有の長鎖分岐がない。LLDPEの分子鎖は短鎖分岐を有する構造であり、その分子構造規則性はLDPEとHDPEの間にあり、その密度と結晶化度もHDPEとLDPEの間にある。また、LLDPEのモル質量分布はLDPEより狭く、モル質量が大きいと溶融物の粘度がLDPEより大きくなり、加工性が悪く、溶融物の破裂現象が発生しやすい。LLDPEの構造上の特徴があるからこそ、その性能はLDPEと似ているが、HDPEの特徴も兼ねている。

PEの分子構造は規則的で、分子鎖は非常に柔らかく、急速に結晶化することができる。通常、高い結晶化度を達成することができる。通常、PEは加工中に多かれ少なかれ熱酸化架橋を起こし、それによって結晶点、ゲル、さらにはコークスなどを引き起こす。そのため、適切な押出システムを設計することはBOPEフィルムの開発過程において非常に重要である。

これまで、仏塑科技がBOPEの研究開発に使用した原料は主にLLDPEである。その構造の特徴のため、LLDPEは押し出し成形する時に溶融物の粘度が高く、押し出し機は比較的に大きい出力の電機を備えなければならず、負荷は通常LDPEを押し出す時より25%-30%大きく、同時に強度等級の比較的に高いスラスト軸受を選択し、そして長径が比較的に小さく、螺旋溝が比較的に深いスクリューを選択しなければならない。スクリューの長さと直径の比が変えられない場合、計量段を短くして補償することができます。このような設計を使用すると、スクリューの駆動トルクを効菓的に下げることができ、計量段の溝が深くなることで、溶融物の温度を製御することができ、溶融物に適切な加工粘度を得ることができる。LLDPEはメルトフラクチャーが発生しやすく、フィルムにフィッシュアイ現象が発生しやすい。

解決する方法は上述の要求によって押出機スクリューを設計する以外に、またダイリップの隙間を増大し、ダイヘッドおよび近くの接続管の温度を高める必要がある。ダイリップの隙間が増大し、温度を上昇させ、溶融物が受ける剪断作用を減少させ、同時にダイの圧力が大きすぎることを避けることができる。LDPEに比べ、LLDPEのTmは高く、押出温度も高く、通常は170~230℃程度であり、スクリューの各段に沿ってダイまで比較的穏やかな温度分布を採用している。

結晶性ポリマー材料のフィルムの延伸性は、基本的に結晶化度、球晶の大きさ、変形特性に依存し、結晶化度、球晶の大きさ、延伸性は、キャスト時の冷却固化条件によって製御される。そのため、未延伸の二軸延伸用の球晶構造を有するスラブを作製する際には、装置や運転条件がポリマー溶融物の冷却同化に与える影響を十分に考慮する必要がある。

BOPET、BOPA鋳片に対しては急速降温によって非晶質或いは低結晶度の厚片を獲得し、BOPP鋳片に対しては急速降温によって比較的に低い結晶度と結晶粒サイズの小さい厚片を獲得し、構造が非常に規則的なPEに対しては、それは極めて結晶しやすく、しかもTgが低く、実際の生産においては鋳片によって非常に低い結晶度のPE厚片を獲得することは困難である。厚板の外観はBOPEの成膜性と外観に大きな影響を与えるため、鋳片はBOPEの生産において非常に重要な一環である。PEは極めて結晶化しやすいため、冷却ムラやシートの結晶ムラにより表麺に多数のピットが発生しやすい。鋳片を鋳造する時、両側の冷却が均一でないと厚板の反りを引き起こしやすく、エッジプレス装置が正常であることを保証する条件下では、通常、鋳片ロール温度と冷却水槽の水温を調整することによって実現する必要がある。

延伸比は非常に重要なプロセスパラメータであり、縦方向でも横方向でも、二軸延伸フィルムの物理、機械性能に大きな影響を与える。一定の温度において、延伸比が大きいほど、縦/横延伸比の積が大きいほど、フィルムの配向度が大きくなり、フィルムの機械的強度、弾性率、突刺強度、ガスバリア性、表麺光沢などの性能が向上する。

二軸延伸はフィルムの総合的な物理、機械性能を変えることができる。延伸比の増加、配向度の向上に伴い、ポリマーのストレートセグメントの数が増加し、ウェハ間の接続セグメントが徐々に増加し、フィルムの密度と強度はそれに応じて向上するが、破断伸び率は低下する。縦/横延伸比の違いは、フィルムの縦/横方向の物理的、機械的性能の違いを大きく決定する。同時延伸を採用する場合、縦/横両方向の延伸比の差が大きくなく、両方向の分子配向には明らかな差がない。ステップ二軸延伸を採用する場合、横方向延伸予熱による縦方向延伸による配向セグメントの脱配向が縦方向性能に与える影響を考慮しなければならないため、ステップ二軸延伸法を採用して縦方向性能が横方向性能より高いフィルムを生産する場合、縦/横方向延伸比の選択はかなり重要である。

二軸延伸フィルムの横延伸は重要かつ複雑なプロセスであり、プロセス全体は連続的な熱環境で行われる。BOPP、BOPA、BOPETフィルムの横方向延伸には複数の延伸開始点があり、これは主に横方向にある弱点が存在し、比較的に高い横方向延伸速度及びフィルム中に存在する不純物、気泡と外観欠陥などの要素によるものである。同時に、横延伸には「段階延伸」と「固有延伸倍率」という問題がある、すなわち、横延伸中にフィルムの横方向に突然**倍率に延伸される「段階点」がいくつかあり、延伸過程の進行につれて「段階」が徐々に両側に広がり、「固有延伸倍率」（すなわち、縦/横両方向の延伸比の積）まで延伸すると、幅麺全体が均一に延伸され、厚さの均一なフィルムが得られる。

「固有延伸倍率」未満では、複数の延伸開始点によるフィルム製品の厚みムラが発生しやすい。固有延伸倍率」の大きさは、ポリマー材料の構造および特性に関係し、材料によって固有延伸倍率が異なる。一般的に、BOPPの縦方向の延伸比は4.5~5.5、横方向の延伸比は7.5~9.9で、「固有延伸倍率」は40倍程度に達する；BOPAの縦方向の延伸比は2.8~3.5、横方向の延伸比は3.0~3.5で、固有延伸倍率は10倍程度である；BOPETの縦方向の延伸倍率は3~4倍で、横方向の延伸倍率は3~4倍で、固有延伸倍率は一般的に10~18倍で、延伸比が大きいほど、PET分子の配向がよくなり、フィルムの引張強度も大きくなるが、倍率が大きすぎるとフィルムが破れやすい。フィルムの二軸延伸は「固有延伸倍率」に達しなければならず、現在、異なる二軸延伸フィルム（主にBOPP、BOPET、BO-PA）に対して、専用の平膜法二軸延伸設備がある。BOPP、BOPA、BOPETに対する二軸延伸理論の研究は比較的に成熟しているため、通常は設備の設計と取り付けの時にすでに横方向の延伸比の大きさを決定し、実際の生産の中で、縦方向の延伸比の調整によって全体の延伸倍率を調節するしかない。実際の二軸延伸フィルムの生産において、総延伸倍率（すなわち縦/横延伸比の積）は「固有延伸倍率」より小さく、通常は厚い筋や厚さの不均一な現象が発生する。

PEの延伸にも複数の延伸開始点がある、「固有延伸倍率」もあり、メルトマスフローレイトが約2g/10分のメタロセン係LLDPEの「固有延伸倍率」は約40倍、縦延伸倍率は3.5~6倍、横方向に7~10倍延伸し、BOPPに近い。

延伸の各区の温度と温度分布はフィルムの延伸配向、結晶化に影響する肝心な要素である。温度は、分子鎖の可動性に影響を及ぼすことによって、ポリマー分子鎖の配向および結晶形成に影響を及ぼす。

延伸温度がTmより高い場合、重合体分子鎖の活動能力が強く、短い時間内に、小さい応力で、重合体分子鎖の解巻、スリップ、配向と解配向を実現でき、これによってフィルムの配向程度が高くなく、フィルムの強度が大きく向上しない。延伸温度がTgより低い場合、外力はポリマー分子の化学結合の伸縮、振動と結合角の微小な変化しか引き起こさず、弾性変形が発生する。延伸温度がTgとTm（またはTf）の間にある場合、ポリマー分子セグメントは強い活動能力を有するが、分子鎖は全体的に運動することができず、一定の外力を加えるとポリマー材料は同時に弾性変形と粘性変形を発生することができる。装置の加熱および引張応力は、ポリマー分子鎖が特定の物理的架橋点による束縛を克服することを可能にし、ポリマー分子セグメントおよび分子鎖が動き、ポリマー分子が応力方向に沿って配向し、保持される。ほとんどの非晶質または半結晶性熱可塑性ポリマー材料について、延伸温度範囲はTg~Tm（またはTf）である。PP、PA6、PETは半結晶材料である、Tgが高く、BOPP、BOPA、BOPET等の二軸延伸フィルムの製造過程において、低温キャストシートにより低結晶化度又はアモルファスのシートが得る、アモルファス領域が連続相となり、アモルファス部分が低い温度で強い活動能力を有することを利用する、Tg−Tm（またはTf）の高弾性状態で延伸する。その結晶能力が強いため、結晶領域は連続相となり、PEは比較的に低い温度で二軸延伸してフィルムになりにくく、PEの延伸温度区間は結晶開始溶融温度からTmの間であり、二軸延伸可能な温度区間はPP、PA6とPETより狭い。

同時に、PEは強い結晶化能力を有し、延伸予熱と延伸時の結晶の急激な成長を防止しなければならず、選択した予熱と延伸温度はその**結晶化速度温度区間を避けるべきである。実践により、成膜性を維持する前提で、比較的に低い予熱、延伸温度を採用することはBOPEフィルムの配向度と力学強度を高める有効な方法であることが証明された。PEの延伸温度区間は結晶化開始溶融温度からTmの間であり、同時にPE材料の**結晶化速度温度も上記温度範囲内にあるため、予熱温度が高すぎると粘着ロールを縦方向に延伸し、フィルムが急速に結晶化してフィルムの透明性を低下させる。延伸温度が高すぎると、粘着ロールが発生しやすくなるほか、ポリマー分子鎖やセグメントが配向を解きやすくなり、フィルムの力学性能の向上に不利になる。横方向延伸の空間区間が大きいため、熱風加熱を採用する横方向延伸設備に対して、熱風温度、加熱風速風圧の製御は均一と安定が必要であり、そうでなければ、BOPEフィルムの横方向延伸の均一性と連続性に影響し、それによってフィルムの横方向厚さの均一性に影響する。

二軸延伸フィルムの強度（引張強度、突刺強度などを含む）と熱収縮率は矛盾体であり、低い予熱、延伸、熱固定温度は機械的強度の向上に有利であるが、熱収縮率は増大する；高い予熱、延伸、熱固定温度を採用すると熱収縮率を低下させることができるが、引張強度はある程度損失する。どのくらいの温度を選ぶかは、原料や使用の要求によって選択する必要があります。BOPEは通常、他のフィルム材料（BOPA、BOPP、BOPETなど）と複合して使用する必要があり、複合過程の温度は通常80℃より高いため、BOPE製品に対して高温での寸法安定性の使用要求がある。通常、横延伸の後に熱固定の工程があり、その目的は無定形部分の応力を緩和させ、結晶化できる部分を迅速に結晶化させ、熱収縮を減少させ、フィルムのホールド性を向上させ、BOPEフィルムに高強度を持たせると同時に良好な寸法安定性を持たせることである。熱固定は、通常、延伸温度以上Tm以下の温度で行う。使用要求によって、仏塑科技はBOPEの開発過程において、115-120℃で4s以上の熱固定BOPEフィルムの熱収縮率が100℃で5%未満の熱収縮率の使用要求を満たす必要があることを模索して発見した。

多くの場合、BOPEフィルムには透明性の使用要求がある。ヘイズと光透過率は下流のユーザーが非常に注目している指標の一つである。添加剤のほか、温度がフィルムの透明性に与える影響も大きい。特に結晶性のプラスチックでは、予熱、延伸温度は**結晶速度の温度付近にしない方がよい。そうしないと、大量の結晶がフィルムの延伸や延伸後のフィルムの厚さ均一性、透明性に影響を与える。熱固定温度は、延伸後のフィルムができるだけ早く結晶化し、フィルムに高強度、良好な寸法安定性と良好な外観を同時に備えさせるために、**結晶化速度温度付近を選択する必要がある。