“ハイバリア” これは非常に望ましい特性であり、多くのポリマー包装材料に必要な特性です。専門用語での高バリアとは、ガスや有機化合物などの低分子量化学物質に対する透過性が非常に低いことを指します。ハイバリア包装材は、製品本来の性能を効果的に維持し、製品寿命を延長します。
一般的なハイバリア材料
現在、ポリマー材料で一般的に使用されているバリア材料には主に次のものがあります。
- ポリ塩化ビニリデン (PVDC)
PVDC は酸素や水蒸気に対する優れたバリア特性を持っています。
PVDC は結晶性が高く、密度が高く、疎水基の存在により酸素透過性と水蒸気透過性が極めて低いため、優れたガスバリア性を有しており、他の素材に比べて包装品の保存寿命を長くすることができます。また、印刷適性が良く、ヒートシールが容易なため、食品や医薬品の包装分野で広く使用されています。
- エチレン－ビニルアルコール共重合体（EVOH）
EVOH は、非常に優れたバリア特性を備えたエチレンとビニルアルコールのコポリマーです。 これは、EVOHの分子鎖中に水酸基が含まれており、分子鎖上の水酸基同士で水素結合が形成されやすいため、分子間力が強くなり、分子鎖がより緻密になり、結晶性が高くなるためバリア性に優れています。パフォーマンス。
しかし、EVOHの構造には親水性の水酸基が多く含まれているため、水分を吸収しやすくなり、バリア性が大きく低下します。さらに、分子内および分子間凝集力が強く、結晶化度が高いため、ヒートシール性能が低下します。
- ポリアミド(PA)
一般にナイロンはガスバリア性に優れていますが、水蒸気バリア性に劣り、吸水性が強いのが特徴です。吸水率の増加に伴って膨張するため、ガスバリア性や水分バリア性が急激に低下し、強度やパッケージサイズの安定性にも影響します。
さらに、ナイロンは優れた機械的特性、靭性と耐摩耗性、良好な耐寒性と耐熱性、良好な化学的安定性、容易な加工、良好な印刷適性を備えていますが、ヒートシール性は劣ります。
PA樹脂はある程度のバリア性を持っていますが、吸湿率が大きくバリア性に影響を与えるため、一般的に外層としては使用されません。
- ポリエステル(PET、PEN)
ポリエステルの中で最も一般的で広く使用されているバリア素材は PET です。 PET は、その対称的な化学構造、優れた分子鎖の平面性、緊密な分子鎖の積み重ね、および容易な結晶配向により、優れたバリア特性を備えています。
近年、PENの用途は急速に発展しており、優れた耐加水分解性、耐薬品性、耐紫外線性を備えています。 PEN の構造は PET の構造と似ていますが、PET の主鎖がベンゼン環を含むのに対し、PEN の主鎖はナフタレン環である点が異なります。
ナフタレン環はベンゼン環よりも共役効果が大きいため、分子鎖がより剛直で、構造がより平面的であるため、PENはPETよりも優れた総合的特性を備えています。
ハイバリア素材のバリア技術
バリア材料のバリア特性を向上させるために、次の技術的手段が一般的に使用されます。
- 多層複合材料
多層複合材とは、特定のプロセスを経て、異なるバリア特性を持つ 2 つ以上のフィルムの複合材を指します。このように、透過性分子はパッケージの内部に到達するまでに複数の膜層を通過する必要がありますが、これは透過経路を延長することと同等であり、それによってバリア性能が向上します。
この方法は、さまざまなフィルムの長所を総合して作製される総合特性に優れた複合フィルムであり、プロセスも簡単です。
しかし、この方法で作製したフィルムは真性ハイバリア材料に比べて膜厚が厚く、バリア性能に影響を与える気泡やクラックなどの問題が発生しやすく、設備要件も比較的複雑でコストも高くなります。
- 表面コーティング
表面コーティングには、物理蒸着 (PVD)、化学蒸着 (CVD)、原子層蒸着 (ALD)、分子層蒸着 (MLD)、レイヤーバイレイヤー自己組織化 (LBL)、またはマグネトロン スパッタリング蒸着が使用されます。金属酸化物や窒化物などの材料がフィルムの表面に堆積され、フィルムの表面に優れたバリア特性を備えた緻密なコーティングが形成されます。
しかし、これらの方法は工程に時間がかかり、高価な設備や複雑な工程が必要であり、使用中に塗膜にピンホールやクラックなどの欠陥が発生する可能性があるなどの問題がありました。
- ナノコンポジット
ナノ複合材料は、不浸透性でアスペクト比の大きなシート状ナノ粒子を用いて、インターカレーション複合法、その場重合法、ゾルゲル法などにより作製されたナノ複合材料である。フレークナノ粒子の添加は、システム内のポリマーマトリックスの体積分率を減らして透過性分子の溶解度を低下させるだけでなく、透過性分子の透過経路を延長し、透過性分子の拡散速度を低下させ、バリア特性を改善することもできます。
- 表面改質
ポリマー表面は外部環境と接触することが多いため、ポリマーの表面吸着性、バリア性、印刷に影響を与えやすくなります。
ポリマーを日常生活でよりよく使用できるようにするために、通常、ポリマーの表面は処理されます。主に、表面化学処理、表面グラフト改質、プラズマ表面処理が含まれます。
この方法の技術的要件は満たしやすく、装置は比較的単純で、一度の投資コストは低いですが、長期的に安定した効果を達成することはできません。表面が損傷すると、バリア性能が重大な影響を受けます。
- 二軸延伸
二軸延伸により高分子フィルムを縦横に配向させることで、分子鎖の配列秩序が改善され、積層がより緊密になり、低分子が通過しにくくなり、バリア性が向上します。特徴的なハイバリアポリマーフィルムの作製プロセスは複雑であり、バリア性を大幅に向上させることは困難です。
ハイバリア素材の応用
実際、バリア性の高いフィルムはすでに日常生活の中に登場しています。現在、ハイバリアポリマー材料は主に食品および医薬品の包装、電子デバイスの包装、太陽電池の包装、およびOLEDの包装に使用されています。
- 食品および医薬品の包装
食品および医薬品の包装は、現在、高バリア材料の最も広く使用されている分野です。主な目的は、空気中の酸素や水蒸気が包装内に侵入して食品や医薬品が劣化し、賞味期限が大幅に短くなるのを防ぐことです。
食品および医薬品の包装の場合、バリア要件は一般に特に高くなく、バリアを必要とする材料の水蒸気透過率 (WVTR) および酸素透過率 (OTR) は、それぞれ 10g/m2/日および 100cm3/m2/日未満である必要があります。
- 電子機器の梱包
現代の電子情報の急速な発展に伴い、人々は電子部品に対する要求をさらに高め、携帯性と多機能を目指して発展しています。これにより、電子デバイスのパッケージ材料に対する要求がさらに高まり、優れた絶縁性を備えているだけでなく、外部の酸素や水蒸気による腐食から保護でき、また一定の強度も必要となるため、高分子バリア材料の使用が必要となります。
一般に、電子機器用の包装材料のバリア特性は、水蒸気透過率 (WVTR) および酸素透過率 (OTR) がそれぞれ 10-1g/m2/day および 1cm3/m2/day 未満である必要があります。
- 太陽電池のパッケージング
太陽エネルギーは一年中空気にさらされているため、空気中の酸素や水蒸気によって太陽電池の外側の金属層が容易に腐食され、太陽電池の使用に重大な影響を与えます。したがって、太陽電池コンポーネントを高バリア材料でカプセル化する必要があります。これにより、太陽電池の耐用年数が確保されるだけでなく、電池の抵抗強度も向上します。
包装材料用の太陽電池のバリア特性は、水蒸気透過率 (WVTR) と酸素透過率 (OTR) がそれぞれ 10-2g/m2/day と 10-1cm3/m2/day 未満である必要があります。
- OLEDパッケージング
OLEDは開発の初期段階から次世代ディスプレイの役割を任されてきましたが、その寿命の短さは商業用途を制限する大きな問題となってきました。これらはいずれも非常に敏感で汚染されやすいため、デバイスの性能が低下し、発光効率が低下して寿命が短くなります。
製品の発光効率を確保し、耐用年数を延ばすために、パッケージ中にデバイスを酸素や水から隔離する必要があります。
また、フレキシブル OLED ディスプレイの耐用年数が 10,000 時間以上であることを保証するには、遮断材料の水蒸気透過率 (WVTR) と酸素透過率 (OTR) がそれぞれ 10-6g/m2/日と 10-5cm3/日未満でなければなりません。この基準は、有機太陽光発電、太陽電池のパッケージング、食品、医薬品、電子機器のパッケージング技術の分野におけるバリア特性の要件をはるかに上回っています。したがって、デバイスをパッケージするには、優れたバリア特性を備えたフレキシブル基板材料を使用する必要があります。製品寿命の厳しい要件を満たすために。
