JP5169246B2 - 発泡紙カップの製造方法及び発泡紙カップ - Google Patents

Description

本発明は、紙カップに関するものであり、さらに詳しくは、ホット飲料用紙カップ、インスタント食品用紙カップなどで、優れた断熱性を有する発泡紙カップとその製造方法に関するものである。

断熱性カップとしては、発泡性を持つ合成樹脂、とくに発泡ポリスチレン樹脂を原料とするものが、多く使用されている。また、紙カップの全周に波形状などの紙製の胴巻きをした形のもの、あるいは内側と外側の二重構造とし、二層間に空間を持たせた形のもの、そして、紙の両面をポリエチレン樹脂層で積層された材料を使用した、紙カップの表面のポリエチレン樹脂層を発泡させたものなどがある。

しかし、前述の断熱性カップにおいて、発泡ポリスチレン樹脂によるカップは、発泡剤を加えた樹脂を成形加工することによって製造され、断熱性では優れているが、使用後、廃棄物として処理しにくく、環境対応の点で問題がある。また、表面の平滑性が低く、印刷適性に劣るなどの欠点もある。

また、全周に波形状などの紙製の胴巻きをした形の紙カップは、断熱性、および環境対応の点では優れているが、製造上、胴巻き部を波形状にし、本体に巻き付ける工程が必要で、技術的難しさがあり、コスト高になっている。

また、内側カップと外側カップの二重構造をもつカップは、平滑性の良い材料を外側のカップに使い、印刷適性が良いなどの特徴はあるが、材料、および製造上のコストが高い。

これらの断熱性カップに対して、断熱性があり、印刷適性があり、使用後は廃棄物として捨てやすく、そして製造工程が簡単でコストが安いという特徴をもったものが、表面のポリエチレン樹脂層を発泡させた紙カップである。

この発泡紙カップは、特許文献１に開示されている、不規則な凹凸表面をエンボスロールなしで作る方法、すなわちポリエチレン樹脂加工紙を加熱し、紙の含有水分の蒸気圧により、表面のポリエチレン樹脂層を発泡させる方法を紙カップの断熱層の形成に応用したものである。

例えば、特許文献２では、胴部材の片側壁面が熱可塑性合成樹脂フィルムの発泡層がコーティングまたはラミネートされている胴部材および底板部材から成る紙製容器として、その紙カップへの応用が開示されている。さらに、特許文献３、特許文献４ではポリオレフィン系樹脂層と紙を主体とする基材層との間に、着色インキによる印刷層を有する断熱性紙容器として、印刷部分で厚い発泡層を持たせる製造方法を開示している。

少なくとも外面側から熱可塑性樹脂の発泡層、印刷層、紙を主体とする基材層、熱可塑性樹脂層とを備え、熱可塑性樹脂の発泡層と紙を主体とする基材層との間に発泡前に透明ニス層を形成する発泡紙カップが特許文献５では提案されている。

しかし、紙の水分の逃げ道の跡である樹脂の発泡部分はその状態がいくつかの要因によって、たとえばポリエチレンの押出しの時の樹脂温度、紙の表面性、貼り合せ時のニップ圧等々の条件によって発泡の程度や均一性がばらついてくる。
特公昭４８−３２２８３号公報 特開昭５７−１１０４３９号公報 特開平５−５０５３６号公報 特開平７−２３２７７４号公報 特開平９−１４２４３５号公報

以上のように、表面のポリエチレン樹脂層を発泡させた紙カップは断熱性と作業性、使い易さの点で優れた特長を持つにもかかわらず、これまでの方法では、発泡が不十分であったり、ムラが多かったりして、全体的に均一で、断熱効果の十分な発泡層を得ることが難しかった。これに対して本発明では、発泡が十分に行われ、ムラがなく、全面的に均一な、断熱効果が十分ある発泡層を有する発泡紙カップの製造方法及びそれによる発泡紙カップを提供することが課題である。

本発明は請求項１に示した通り、少なくとも外面側から熱可塑性樹脂の発泡層、紙を主体とする基材層、熱可塑性樹脂層とを備えている胴部と底部からなる発泡紙カップの製造方法において、紙を主体とする基材層の片側に、外面側発泡層となる熱可塑性樹脂のコーティング前に微細なエンボス加工を施し、
前記エンボス加工が、深さが２０μｍから２００μｍの範囲であり、かつ、直径が５０μｍから３００μｍの範囲にある一定の形状の凹部を単位とする均一なピッチで形成されていることを特徴とする発泡紙カップの製造方法である。

請求項２の発明は、外面側発泡層となる熱可塑性樹脂が、ＭＦＲが１から１５の範囲であり融点が９０℃から１３０℃の範囲の低密度ポリエチレン樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の発泡紙カップの製造方法である。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発泡紙カップの製造方法で製造されたことを特徴とする発泡紙カップである。

本発明によれば、紙を主体とする基材層の発泡層になる熱可塑性樹脂層をコーティングする側にエンボス加工を行うことにより、基材の表面のばらつきによる発泡不十分や、発泡ムラ、全体的な発泡不均一を解消することが出来る。その結果、断熱効果が十分あり、滑り止め効果がある発泡層を有する発泡紙カップを得ることができる。

以下に、図面を参照しながら、本発明について、さらに詳しく説明する。図１は発泡紙カップの一例の断面模式図である。発泡紙カップＡは、胴部Ｃと底部Ｄとから構成されている。図２は、図１の発泡紙カップＡの胴部Ｃの一部Ｂの断面拡大図である。胴部Ｃの材料構成は、カップ原紙１を基材として、表面側には均一にエンボスされた凹部から紙の中の水分を蒸発させ、その蒸気圧の力で表面の熱可塑性樹脂層を発泡させた均一な気泡３を含む低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）発泡層４があり、内側は高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）層２によって、被覆されている。カップ原紙１とＨＤＰＥ層２との間には、バリア性などを上げるためにアルミニウム箔層などを設けることもある。

本発明の発泡紙カップの製造方法について模式図を用いて以下に説明する。

図５は発泡紙カップに用いる基材としてのカップ原紙１の表面側の形状のばらつきを模式的に示した断面模式図である。図６はカップ原紙１に均一な凹部を形成するエンボスを行った後の表面形状を模式的に示した断面模式図である。図７は図６のカップ原紙１の表面にＬＤＰＥ層４とＨＤＰＥ層２を設けた発泡前の胴部Ｂの断面形状を模式的に示した断面模式図である。図２は図７の状態から加熱して発泡した後の胴部Ｂの状態を示している。

本発明の発泡紙カップの製造方法の特徴は両面を熱可塑性樹脂でコーティングされた断熱発泡カップにおいて、基材となるカップ原紙の表側の樹脂をコーティングする面に、事前に微細なエンボス加工を施して表側樹脂層とカップ原紙表面との間に細かい均一な空間を作ることにより加熱発泡時に大きさの安定した気泡を表側樹脂層に形成するというものである。

カップ原紙の表面形状による発泡後の特徴を模式的に示した断面模式図を図３と図４に示した。図３は表面平滑性が高いカップ原紙を用いた場合の発泡後の断面模式図であり、表面のカップ原紙表面と樹脂層の空隙が小さいために発泡した後の気泡が小さく、発泡層の厚みが少ないために断熱性が小さくなってしまう例である。図４は表面平滑性がばらついているカップ原紙を用いた場合の発泡後の断面模式図であり、表面のカップ原紙表面と樹脂層の空隙がばらついているために、発泡した後の気泡の大きさがばらつき発泡層の厚みも不均一になり断熱性がばらつくだけでなく表面形状の凹凸が大きいために取り扱いもし難くなってしまう例である。

以上の事柄を前提として、本発明の製造方法の実施形態の一つについて説明する。

（１）カップ原紙の表側（カップの外側）に微細なエンボスを付けたエンボスロールで全面に微細な窪みをつける。

カップ原紙としては、坪量が１００〜４００ｇ／ｍ² の範囲が、紙カップの製造上好ましい。また、カップ原紙の裏側（カップの内側）に内容物保護のためのバリア層があってもよく、表側（カップの外側）に印刷等の加飾層があっても良い。エンボス方法は任意であるが、連続加圧が出来るようなエンボスロールでの加圧エンボスが望ましい。

均一な発泡層を得るためには、エンボスロールの形状は細かい突起が規則正しく付いているものが必要である。エンボスの深さは２０μｍから２００μｍの範囲であることが望ましい。エンボスの深さが２０μｍ未満であると、元の表面形状を部分的に残す結果となり均一な発泡層を得るという効果が少なくなってしまう。エンボスの深さが２００μｍ超であると、発泡時に個々の気泡が大きくなってしまい、均一な発泡層にならないだけでなくカップ原紙表面とＬＤＰＥ層が剥がれる結果となること多い。

また、エンボスの凹部の間口の大きさは５０μｍから３００μｍの範囲であることが望ましい。凹部の間口の大きさが５０μｍ未満であると、発泡時の気泡が小さいだけでなく元の紙の表面形状やＬＤＰＥの押出しコーティングの条件によっても影響を受ける。凹部の間口の大きさが３００μｍ超であると、発泡時の気泡が大きくなり美粧性が低くなってしまう。以上により図６に断面を模式的に示すような、凹部が表面に規則的に配置された表面をもつカップ原紙が得られる。
（２）表側（カップの外側）に微細なエンボスを付けたカップ原紙のエンボス面にＬＤＰＥを一定の厚みで押出しコーティングを行う。その裏側にはＨＤＰＥを押出しコーティングを行う。

本発明で発泡層に使用するポリエチレン樹脂は基材のカップ原紙１の表側（エンボスを付けた側）に積層される。積層する方法には、樹脂を熱溶融して塗布する押出しコーティング法、あるいはフィルムになったものを貼り合わせるラミネート法などがあるが、本発明の効果を安定して発現するためには熱で溶融させた樹脂をダイスから押出し紙面にコーティングする押出しコーティング法が好ましい。

発泡層となる表面のポリエチレン樹脂層４の厚さは、通常１５〜１００μの範囲であるが特に限定はない。ただし発泡層を形成するためには樹脂の特性に合わせた適切な範囲を選定することは必要である。厚すぎても、薄すぎても発泡しにくくなる。

発泡層となる表面のポリエチレン樹脂層４に用いるＬＤＰＥ樹脂としてはその熱的特性が以下の範囲にあることが必要である。即ち、樹脂のメルトフローレイト（ＭＦＲ）がＪＩＳ Ｋ７２１０の方法で測定して１〜１５の範囲にあり、かつ、融点がＪＩＳ Ｋ７１２１の方法で測定して９０℃〜１３０℃の範囲にあることである。

ＬＤＰＥ樹脂のＭＦＲが低いと気泡の保持が困難になり発泡層を形成しがたく、ＭＦＲが１５より高いと押出しがたくなるだけではなく内容物の味覚が悪くなったりする。好ましくは４〜８の範囲である。

また、ＬＤＰＥ樹脂の融点は発泡層形成と内容物保護性から決まるが、発泡時の温度すなわち原紙に含有される水分が一気に水蒸気に変化する温度である１００℃以下で軟化することが必要であり、そのため融点の下限は９０℃が適当である。また、融点の上限は主に裏面（カップ内側）のＨＤＰＥ層に使用するＨＤＰＥ樹脂の融点との関係で決まり、融点を１３０℃以上にすると裏面のＨＤＰＥ樹脂の融点をそれ以上にしなければならずカップの成型が行いがたくなる。

ＬＤＰＥ樹脂の押出し条件としては、特に制約はなく、通常の押出し条件である押出し温度がダイス直下で２８０℃〜３６０℃程度、ニップ圧は通常設定条件の７０％〜１２０％程度でとくに変更する必要はない。

一方、裏面のＨＤＰＥ層２の厚さは、特に限定されない。ただ、裏面を発泡させずに、表面だけを発泡させるために、裏面からの水蒸気の蒸発を防ぐために表面のＬＤＰＥ樹脂より軟化点の高い熱可塑性樹脂を使うことは必要である。

このようにして図７に断面を模式的に示すような、カップ原紙表面に規則的に配置された凹部にほぼ一定の空隙を残してＬＤＰＥ層が積層され、裏面にＨＤＰＥ層が積層されたカップ原紙が得られる。

（３）次に、上記のようにして得られた積層カップ原紙に絵柄印刷を行った後、打ち抜きで紙カップの胴部の形状のブランク板に加工し、底部と合わせて、紙カップに成形する。底部にも、積層カップ原紙を使うことができる。

この紙カップは、一般的な紙カップ成型機で製造ができる。この成型された紙カップを加熱することにより、紙の中の水分が蒸発し、その蒸気圧と空気の熱膨張とが加わって作用し、図２に断面を模式的に示すような、表面に規則的に配置された凹部の空隙を基点にＬＤＰＥ層が発泡して均一な発泡構造を生成させる。

加熱方法としては、熱風、赤外線、遠赤外線、マイクロ波、高周波などを使うことができる。静置して加熱する方法、あるいはコンベアーにより送りながら加熱する方法がある
。オーブン中での熱風乾燥の場合、加熱条件としては、熱風温度が１２０℃で加熱時間６分間が基準であるが範囲について格別の限定はない。

次に、本発明について実施例をあげて、さらに具体的に説明する。
＜実施例１＞
坪量３００ｇ／ｍ² 、平滑度６０秒（王研式）の平滑性の高いカップ原紙の表面に凸部のピッチが縦横とも３００μｍで凸部の高さが１００μｍの表面を持つ微細なエンボスロールで加圧エンボス加工を行った。
このカップ原紙のエンボス加工を行った面に融点１０８℃でＭＦＲ７のＬＤＰＥ樹脂を７０μｍの厚みで押出しコーティングを行い、カップ原紙の反対面に融点１３７℃、ＭＦＲ４のＨＤＰＥ樹脂を４０μｍの厚みで押出しコーティングをそれぞれ行って厚み４５０μｍの積層カップ原紙を作成した。この積層カップ原紙を印刷後打ち抜き加工で胴部用のブランクにし、紙カップ成型機によって高さ１１０ｍｍ、口径９５ｍｍ、ボトム径６５ｍｍの紙カップを作成した。さらにこの紙カップを、１２０℃の熱風乾燥機の中で６分間加熱して、表面に発泡層を有する発泡紙カップを得た。

このようにして作成した発泡紙カップについて、以下の項目を測定した。結果を表１に示す。
・発泡層を含む胴部カップ原紙の総厚：厚み計による
・カップの胴部の断熱性：カップに沸騰した湯を入れて３分後の表面温度
・発泡後の平滑性：発泡後の王研式平滑度
・発泡後の美粧性：表面の凹凸度合いを目視で確認
＜実施例２＞
平滑度が３０秒の平滑性の低いカップ原紙を用いた他は実施例１と同様にして発泡紙カップを作成した。このようにして作成した発泡紙カップについて実施例１と同様の項目を測定した。結果を表１に示す。
＜比較例１＞
カップ原紙の表面にエンボス加工を行わなかった以外は実施例１と同様にして発泡紙カップを作成した。このようにして作成した発泡紙カップについて実施例１と同様の項目を測定した。結果を表１に示す。
＜比較例２＞
カップ原紙の表面にエンボス加工を行わなかった以外は実施例２と同様にして発泡紙カップを作成した。このようにして作成した発泡紙カップについて実施例１と同様の項目を測定した。結果を表１に示す。

表１の結果からは、本発明の製造方法で作成した実施例１と実施例２の場合にはカップ原紙の表面平滑性が高い場合でも低い場合でも、表面に微細なエンボスをポリエチレン樹脂のコーティング前に行うことによって、同程度の発泡厚みと断熱性、発泡後表面の平滑性、発泡後表面の凹凸度合いを有する断熱性能及び美粧性の優れた発泡紙カップが得られた。
これに対して、カップ原紙表面に微細なエンボスを行わなかった比較例の場合には、比較例１ではカップ原紙表面の平滑性が高すぎるために発泡後の表面平滑性と美粧性は高いものの、発泡後厚みが不十分で断熱性能が明らかに劣るという結果となった。比較例２ではカップ原紙表面の平滑性が低すぎるために発泡後厚みは確保されているものの、発泡後の表面平滑性と美粧性が低く断熱性能も明らかに劣るという結果となった。

本発明の製造方法によれば、カップ原紙の表面性のばらつきに影響されることなく断熱性に優れ、かつ外観と取り扱いのも優れた発泡紙カップを従来の工程を利用して製造する
ことが出来る。

発泡紙カップの一例の断面模式図 本発明の紙カップの一例の胴部断面拡大図（紙表面に均一なエンボス加工後発泡） 紙カップの一例の胴部断面拡大図（紙表面が平滑な場合） 紙カップの一例の胴部断面拡大図（紙表面が不均一な場合） 紙カップ原紙の一例の胴部断面拡大図（カップ原紙エンボス前） 紙カップ原紙の一例の胴部断面拡大図（カップ原紙エンボス後） 紙カップ原紙の一例の胴部断面拡大図（両面ＰＥコート後）

符号の説明

Ａ…紙カップ
Ｂ…側壁
Ｃ…胴部
Ｄ…底部
１…カップ原紙
２…ＨＤＰＥ層
３…気泡
４…ＬＤＰＥ（発泡）層
５…原紙外側表面

Claims (3)

1. 少なくとも外面側から熱可塑性樹脂の発泡層、紙を主体とする基材層、熱可塑性樹脂層とを備えている胴部と底部からなる発泡紙カップの製造方法において、紙を主体とする基材層の片側に、外面側発泡層となる熱可塑性樹脂のコーティング前に微細なエンボス加工を施し、
   前記エンボス加工が、深さが２０μｍから２００μｍの範囲であり、かつ、直径が５０μｍから３００μｍの範囲にある一定の形状の凹部を単位とする均一なピッチで形成されていることを特徴とする発泡紙カップの製造方法。
2. 外面側発泡層となる熱可塑性樹脂が、ＭＦＲが１から１５の範囲であり融点が９０℃から１３０℃の範囲の低密度ポリエチレン樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の発泡紙カップの製造方法。
3. 請求項１又は２の発泡紙カップの製造方法で製造されたことを特徴とする発泡紙カップ。