要約 — 主なポイント

セロファン包装において、ヒートシール校正が最も重要でありながら最も軽視されている工程である理由

再生セルロースフィルムに携わってきた14年間で、19か国にわたる80以上の包装ラインを視察してきました。セロファンベースのフローラップ包装工程で最もよく見られる問題は、フィルムの品質でも、機械のキャリブレーションでも、製品の配合の不適合でもありません。それは、実際のフィルムロットのばらつきに対応してヒートシール設定を調整できていないことです。

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ほとんどの工場では、フローラップ包装機のシール温度を135℃などの固定温度に設定し、調整せずに数ヶ月間稼働させています。フィルムのロットがすべて同じであれば、これで問題ありません。しかし、セロファンは木材パルプから作られる天然ポリマーであり、製造ロットごとに水分含有量、コーティング重量、表面エネルギーがわずかに異なります。 なぜなら こうしたロットごとのばらつきはヒートシール性能に影響を与え、135℃に設定された機械はロットAでは優れたシールを実現するが、ロットBでは剥離したシールを実現する可能性がある。そして、機械オペレーターは、生産中に品質管理検査員がパッケージの漏れを指摘するまで、そのことに気づかない。

約3年前、ドイツの菓子メーカーから慌てた様子で電話がかかってきました。彼らは6年間、大きな問題なく同じセロファン包装のチョコレートバーを製造していました。ところが、毎分200個の包装が可能なサーボ駆動のフローラップ包装機を備えた新しい生産ラインを導入したところ、従来の設備のほぼ2倍の速度になったのです。ところが、2シフトのうちに、気密シール不良率が4.2%にまで上昇してしまいました。この生産量では、4.2%というのは1時間あたり約336個の包装不良に相当します。根本原因は、従来の機械の0.8秒の保持時間に合わせて調整されていた標準シール温度140℃が、新しい機械の高速サイクルによって実効保持時間が0.4秒に短縮されたことでした。つまり、包装がシールステーションから出る前に、シールが完全に形成されるのに十分な時間がなかったのです。

修正には20分かかりました。シール温度を140℃から128℃に下げ（温度を下げることで熱容量効果が軽減され、保持時間が短縮されるため、シール形成が速くなります）、シール圧力を0.4N/mm²から0.55N/mm²に上げました。シール不良率は0.3%に低下し、品質仕様の範囲内となりました。 なぜなら 機械オペレーターは、シールパラメータの調整ではなくフィルムの品質に問題があると想定し、技術サポートに連絡する前に2日間かけてフィルムの張力を調整したり、フィルムロールを交換したりしていた。

このガイドでは、自動フローラップ包装機におけるセロハンフィルムのヒートシール校正プロセス全体を順を追って説明します。シール形成の基本的なメカニズムの理解から、体系的な校正手順、そして最も一般的な故障モードに対する生産上のトラブルシューティングまでを網羅します。

セロファンのヒートシール形成の基礎

ヒートシール設定を効果的に調整するには、熱と圧力によって2枚のセロハン表面が融合する際に、分子レベルで実際に何が起こっているのかを理解する必要があります。

再生セルロースフィルムとは何ですか？

再生セルロースフィルム（RCF）、一般にセロファンとして知られるこのフィルムは、木材パルプ（主にユーカリ、マツ、またはカバノキ由来）をアルカリと二硫化炭素の溶液に溶解し、スリットダイを通して酸浴に押し出すことで、連続フィルムとして再生されます。こうして得られるフィルムは生分解性、透明性、そして食品安全性を兼ね備えているため、最も古くから広く使用されているフレキシブル包装材の一つとなっています。

再生セルロースフィルムは、そのままの状態では熱溶着できません。水分が可塑剤として働き、セルロースポリマー鎖が界面を介して相互拡散することで、水分活性化メカニズムによって溶着します。 なぜなら この湿気活性化シールは高速自動包装には実用的ではないため、フローラップ用途で使用される市販のセロハンフィルムはほぼすべて、熱シール可能なコーティング層でコーティングされている。

熱溶着可能なセロハンの主なコーティングシステムは以下の3種類です。

• PVDC（ポリ塩化ビニリデン）コーティング最も一般的なヒートシールコーティングであり、優れた防湿性、130～145℃でのヒートシール性、そして幅広い包装形態への適合性を備えています。PVDCコーティングされたセロファンは、防湿性が特に重要な食品包装に広く使用されています。
• PVP（ポリビニルピロリドン）コーティング：低温（110～125℃）でシール開始が可能なので、熱に弱い製品に適しています。PVPコーティングは優れたガスバリア性と高いシール透明度（低ヘイズ）を提供します。
• ニトロセルロース（NC）コーティング歴史的に重要であったが、製造工程における可燃性への懸念から、現在ではあまり使用されていない。中程度のシール温度において、優れたシール強度と加工性を発揮する。

Xiadecnでは、再生セルロースフィルム製品群にPVDCとPVPの両方のコーティングシステムを採用しています。 コーティングされたセルロースフィルム製品 両方のコーティングタイプを含み、生産試験に基づいたロット固有のシーリングパラメータを示す詳細な技術データシートが付属します。

シール形成メカニズム：熱、圧力、そして時間

コーティングされたセロファンのヒートシール形成は、2つのフィルム表面の界面で同時に起こる3つのプロセスによって構成されます。

熱軟化コーティングポリマー（PVDC、PVP、またはNC）は、温度がガラス転移温度（Tg）に近づくと軟化します。PVDCのTgは約80～90℃、PVPのTgは約145～170℃です。しかし、これらのポリマーのヒートシール開始温度は通常Tgより30～40℃高いため、PVDCは（Tgが低いにもかかわらず）約110℃でシールを開始するのに対し、PVPは約120℃で開始します。

圧力による接触シールバーの圧力（通常0.3～0.8 N/mm²）の下で、軟化したコーティング層が変形して互いに流れ込み、界面全体に密接な分子接触が生じる。この圧力誘起接触は不可欠である。なぜなら シール温度においても、微細なレベルで押し付けられた2つの平面には、ポリマー鎖の相互拡散を妨げる隙間が存在する。圧力を加えることで、これらの隙間が閉じられる。

ポリマー鎖の相互拡散コーティングのシール開始温度を超えると、界面のポリマー鎖は十分な可動性を獲得し、元の界面を横断して相互に浸透します。この相互拡散によってシール強度が生まれます。これは、ポリマー科学者が熱可塑性樹脂界面の「自己修復」または「再溶接」と呼ぶ、2つのポリマー表面の修復に似ています。

によると ASTM F88/F88M柔軟性バリア材のシール強度を測定する標準試験方法であるヒートシール剥離強度は、シール工程中に達成されるポリマー鎖の相互拡散の程度に正比例します。温度、圧力、または保持時間が不十分な場合、それぞれ異なる方法でこの相互拡散が制限され、特定の根本原因を診断できる予測可能な故障モードが発生します。

校正手順：ステップバイステップ

ステップ1：フィルムの前処理 ― 誰もチェックしない変数

シーリングパラメータを調整する前に、フィルムを適切に調整する必要があります。セロファンは吸湿性があり、周囲の湿度に応じて水分を継続的に吸収・放出します。フィルムの水分含有量は、シーリング性能に直接影響します。

• 水分含有量6％未満フィルムが脆くなり、シール強度が30～50％低下し、高速でのフローラッピング中にフィルムに亀裂が生じる可能性がある。
• 水分含有量8～10％シール性能に最適な範囲。フィルムは柔軟で、コーティングは適切に可塑化され、シール強度は最大となる。
• 水分含有量12％以上フィルムが過度に軟化し、取り扱いが困難になるほか、シール圧力下でフィルム表面の凹凸によりシールの空隙が生じる可能性がある。

調整手順：フィルムロールを開封し、製造環境（20～25℃、相対湿度50～60%）に最低24時間置きます。湿度が低い環境で保管されていたロール（例えば、加湿されていない倉庫での冬季保管など）の場合は、調整時間を48時間に延長してください。調整されていないフィルムでシーリングパラメータの校正を試みないでください。結果は実際の製造性能を反映しません。

なぜなら 水分平衡は拡散制御プロセスであり、ロールの中心部のフィルムは外層よりも平衡に達するのに時間がかかります。直径500mmを超える大型ロールを使用する場合は、中心部のフィルムが周囲環境と平衡状態に達するまで最大72時間かかる場合があります。

ステップ2：ベースラインマシン設定を確立する

調整を行う前に、現在の機械パラメータを基準値として記録してください。

• シールバーの温度（℃）—機械のディスプレイではなく、校正済みの接触式高温計で測定してください（ディスプレイの表示は±5℃の誤差が生じる可能性があります）。
• シール圧力（N/mm²）—油圧または空気圧システムの圧力とシールバーの接触面積から算出
• 滞留時間（秒）—ストップウォッチで10サイクルにわたって計測し、平均値を算出
• フィルム張力（N）—巻き戻し張力トランスデューサから読み取った値
• 線路速度（m/分）—校正済みのタコメーターで確認済み

ステップ3：温度校正 ― 出発点

まず、温度掃引試験から始めます。試験装置を3つの試験温度に設定します。コーティングメーカーが推奨する開始温度（フィルムの技術データシートに記載）、その10℃低い温度、および10℃高い温度です。各温度で50個のパッケージを処理後、ASTM F88剥離試験を使用してシール強度を測定します。

予想される結果：シール強度は温度の上昇とともに最適温度まで増加し、その後、横ばいになる（適切なシールが達成されたことを示す）か、低下する（コーティングの劣化または過度の熱軟化による押し出しを示す）。PVDCコーティングされたセロファンの場合、最適なシール強度は、コーティングのグレードにもよるが、通常125℃～145℃の間で横ばいになる。

PVPコーティングされたセロファンの場合、最適温度は105℃～125℃の間である。 なぜなら PVPはPVDCよりもガラス転移温度が高く、有効なシール範囲が狭いため、安定した結果を得るには、より厳密な温度制御（±5℃ではなく±2℃）が必要となる。

最も高いシール強度が得られる温度（すべての試験パッケージの平均値）を記録してください。これが、このフィルムロットにおける最適なシール温度です。

ステップ4：圧力校正 - イコライザー

ステップ3で特定した最適温度に温度を設定した後、0.3 N/mm²、0.5 N/mm²、0.7 N/mm²の3つの圧力レベルで圧力掃引試験を実施します。そして、各圧力レベルでシール強度（ASTM F88）を測定します。

圧力校正において重要なパラメータは、圧力の大きさだけでなく、均一性です。感圧フィルム（富士フイルム プレスケールまたは同等品）を使用して、シールバーの幅全体にわたる実際の圧力分布をマッピングしてください。 なぜなら シールバーは完全に平らではなく（油圧によってたわむ）、バーの中央部の実際の圧力は端部よりも15～20％高くなる可能性があり、バーの両端に弱点が生じる。

当社の生産基準では、シールバーの幅全体にわたって圧力の均一性が±10%以内であることが求められています。圧力マッピングの結果、この許容範囲を超える変動が認められた場合は、シールバーの表面研磨または交換が必要です。このような問題は、シールバーが5年以上連続稼働し、表面研磨が行われていない旧型のフローラップ包装機で最も頻繁に発生します。長期間にわたる熱サイクルによってバーに反りが生じ、圧力分布が不均一になるためです。

ステップ5：滞留時間校正 ― 速度と強度のトレードオフ

シールバーがフィルムに接触している時間（ドウェルタイム）は、シールパラメータの三要素のうちの3番目です。自動フローラップ包装機の場合、ドウェルタイムは主にライン速度によって決まり、温度や圧力のように個別に調整することはできません。

保持時間とシール強度の関係は線形ではありません。保持時間が非常に短い場合（0.2秒未満）、コーティングに十分な熱が伝わらないため、ポリマーの可動性が十分に得られず、シール強度が低下します。保持時間が長くなるにつれてシール強度は向上しますが、ある最大値を超えると、それ以上の保持時間の増加は効果が逓減します。

自動フローラップ包装機におけるほとんどのセロハンフィルムの場合、最適な保持時間は0.3～0.6秒です。0.3秒未満では、通常、確実な気密シールに必要なシール強度が得られません。0.6秒を超えると、生産性の低下がシール性能のわずかな向上を上回り、フィルムの熱損傷のリスクが高まります。

ホットタック試験（ASTM F1921）は、保持時間の校正において特に重要です。ホットタック試験では、シール形成後0.5秒以内、つまりシールが完全に冷却される前に、シールの強度を測定します。 なぜなら フローラップ包装機では、包装物がシーリングステーションから出る際に、製品の重量とフィルムの張力によってすぐに負荷がかかります。そのため、ホットタック強度が不十分だと、高速生産時に「シール失敗」エラーが発生する主な原因となります。自動フローラップ包装用途では、最低1.5 N/15mmのホットタック強度を推奨します。

Xiadecnの自動フローラップ用セロファンフィルム製品

Xiadecnは、自動フローラップ包装用途に適した再生セルロースフィルム製品を主に2種類提供しています。

私たちの コーティングセルロースフィルム製品ライン PVDCコーティンググレードは、防湿用途（菓子、焼き菓子、生鮮食品などに典型的）に最適化されたもの、およびPVPコーティンググレードは、透明性と低温シール用途（医薬品のブリスター包装や熱に弱い食品などに典型的）に最適化されたものが含まれます。

私たちの 再生セルロースフィルム製品 水活性化シーリング用途向けの無コーティンググレードや、光に敏感な製品用途向けに紫外線遮断特性を強化した特殊グレードなどが含まれます。

当社の標準フローラップグレードのPVDCコーティングは、1.5～3.0g/m²（グレードによって異なります）のコーティング重量で施されており、コーティングされていない再生セルロースフィルムと比較して、水蒸気透過率（MVTR）を約60～80%低減します。 ASTM F90 そして ISO 15106-2 （プラスチックフィルムの水蒸気透過率の測定）当社の標準的なPVDCコーティングセロファンは、38℃/90%RHで約15～25g/m²/日のMVTRを達成しており、コーティングされていない再生セルロースフィルムの80～120g/m²/日よりも大幅に優れています。

トラブルシューティング：最も一般的な5つのシール故障モードの診断

故障モード1：完全なシール剥離（剥離中にフィルム層が分離する）

症状シールは無傷（連続しており、目に見える隙間がない）に見えますが、2つのフィルム層は剥がすときれいに分離します。繊維状の裂け目や抵抗はありません。

根本原因の診断コーティングがシール開始温度に達していません。温度が低すぎるか、保持時間が短すぎるか、またはフィルム表面に熱伝達を妨げる物質（油、ほこり、製品残留物など）が付着している可能性があります。

修理シール強度が向上するまで、シール温度を5℃ずつ上げてください。温度を上げても改善しない場合は、フィルム表面をイソプロピルアルコールで拭き、再度テストしてください。シール面に製品が付着していないか確認してください。シールステーションに到達する前にフィルムに製品が残っていると、断続的なシール不良の一般的な原因となります。

故障モード2：シール強度が低すぎるがフィルムが破れる

症状シールはきれいに剥離せず、剥離強度も規格値以下です。剥離は界面ではなく、フィルム内部（凝集破壊）で発生します。

根本原因の診断コーティングは適切に密封されていますが、フィルムの機械的特性が損なわれています。一般的な原因としては、フィルムの水分含有量が6%未満（脆化の原因となる）、巻き取り時のフィルムの張力が過剰で材料にストレスがかかる、またはフィルムポリマーの紫外線劣化などが挙げられます。

修理水分計（カールフィッシャー法または乾燥減量法）でフィルムの水分含有量を確認してください。6%未満の場合は、フィルムを再調整してください。フィルムが規格内であっても凝集破壊が見られる場合は、巻き出し張力を確認してください。15Nを超える過剰な巻き出し張力は、フィルムを弱めるのに十分な応力を発生させる可能性があります。

故障モード3：シール部の空隙（局所的なシール不良箇所）

症状シールは連続しているように見えるが、2つのフィルム層が融合していない局所的な領域（通常は直径2～10mm）が存在する。

根本原因の診断: 表面汚染（油、製品残留物、ほこり）により2つのコーティング層間の接触が妨げられる、または圧力の不均一性によりシール圧力下で隙間が残る。

修理前述の感圧フィルムマッピングテストを実施してください。圧力が均一であれば、問題はほぼ間違いなく汚染です。シーリングステーションの直前にウェブクリーナー（帯電防止ブラシまたはイオン化空気吹き出しバー）を設置してください。製品供給システムを確認してください。漏れた製品（油性または液体充填物）は、フィルムがシーリングエリアに到達する前にフィルム表面を汚染します。

故障モード4：シール部分の焼け跡または変色

症状シールの縁に茶色または黄色の変色が見られ、場合によっては焦げ付きやフィルムの薄化が見られる。

根本原因の診断ライン速度に対して温度が高すぎます。シーリングバーが高温のフィルムに長時間接触しているため、コーティングやベースフィルムの熱劣化が発生しています。

修理シール温度を5℃ずつ下げてください。コーティングの種類に応じて推奨される最低温度に近い温度でも問題が解決しない場合は、保持時間が長すぎる可能性があります。機械が想定された速度で動作しているか、機械的な問題によって保持時間が長くなっているかを確認してください。推奨温度範囲でフィルムに焦げ跡が見られる場合も、フィルム張力が過剰であることを示しています。張力が高いと、フィルムとシールバー間の接触圧力が高まり、熱伝達と熱損傷が加速します。

故障モード5：気密シールからの漏れ（パッケージは目視検査には合格するが、漏れ試験に不合格となる）

症状シールは見た目には問題ないように見えるが、加圧空気漏れ試験（ASTM F2096）ではシール部分から気泡が漏れていることが確認された。

根本原因の診断シールは連続しているように見えますが、微細なチャネルが存在します。これは通常、ポリマーの相互拡散が不十分なために微細な隙間が生じた部分的なシール形成、または目視では確認できないほど小さな局所的な非シール領域を生じさせる汚染によって引き起こされます。

修理これは多くの場合、ホットタック不足（応力が加わってもシールが完全に形成されない）とシールパラメータの不備が組み合わさった結果です。シール温度を3℃、保持時間を0.05秒上げてください。シール圧力を0.05 N/mm²上げてください。ホットタック試験（ASTM F1921）を再度実行して、改善を確認してください。

相互作用効果：温度、圧力、滞留時間を同時に校正する必要がある理由

ヒートシール校正において見落とされがちな重要な点は、これら3つのパラメータは独立して作用するのではなく、相互に影響し合うということです。つまり、あるパラメータの最適な設定値は、他のパラメータの設定値に依存します。これはプロセス工学において相互作用効果と呼ばれています。

高圧（0.7 N/mm²）の場合、最適点においては、より低い温度とより短い保持時間で、より高い温度とより低い圧力の場合と同じシール強度を達成できる。 なぜなら これら3つのパラメータは相互に影響し合うため、正しい校正手順は、温度、圧力、保持時間の順に個別に最適化することではありません。調整を行うたびに、各ステップでシール強度を再確認する必要があり、真の最適値に収束させるためには、校正手順を2～3回繰り返す必要があるかもしれません。

実務上の意味合いとしては、生産ラインの速度を変更すると（これにより滞留時間が変化する）、温度と圧力の両方を再調整する必要があるということです。ライン速度が20%増加すると、有効滞留時間は約20%減少します。そのため、同等のシール強度を維持するには、通常、シール温度を5～8℃上げるか、シール圧力を10～15%上げる（あるいはその両方を行う）必要があります。

セロファンと合成フィルム：セロファンの方がキャリブレーションが重要な理由

よく聞かれる質問の一つに、「なぜ私のセロハンフィルムは、以前使っていたBOPPフィルムよりも頻繁な校正が必要なのですか？」というものがあります。その答えは、セロハンの天然ポリマーの特性上、合成ポリマーフィルムよりも本質的にばらつきが大きく、このばらつきがシール性能に現れるからです。

BOPP（二軸延伸ポリプロピレン）は、ロットごとの特性が非常に均一な合成フィルムです。ポリプロピレンの製造工程は厳密に管理されており、フィルムの配向性によってセロファンでは実現できない寸法安定性が得られます。一方、天然ポリマーフィルムであるセロファンは、水分含有量、コーティング重量、表面エネルギーなどにロットごとのばらつきがありますが、BOPPにはそのようなばらつきはありません。

実務上の意味合いとしては、BOPPフィルムであれば一度シール条件を設定すれば3ヶ月間調整なしで使用できるのに対し、セロハンでは毎週の検証と毎月の再調整が必要になる場合がある。これはセロハンの品質上の欠陥ではなく、適切な工程管理を必要とする材料特性である。 なぜなら 食品包装業界は過去20年間でBOPPフィルムやPETフィルムへと大きく移行してきた（セロファンのコストが高いこと、加工要件がより厳しいことなどが理由である）。そのため、セロファンのばらつきを管理するために必要な専門知識を持つ人材はますます希少になり、品質問題ではなく工程管理の問題として誤診されることが非常に多い。

よくある質問：セロハンフィルムのヒートシール校正

すべてのセロハンフィルムの種類に同じ密封温度を使用できますか？

いいえ。シール温度範囲はコーティングの化学組成によって決まります。PVDCコーティングされたセロハンは130～145℃、PVPコーティングされたものは110～125℃でシールし、水活性化セロハンは常温で全く異なる水分ベースのメカニズムを利用します。必ずコーティングメーカーの技術データシートに記載されている推奨温度から始めてください。

シールパラメータはどのくらいの頻度で再調整すべきですか？

少なくとも、以下の場合には再校正を行ってください。（1）サプライヤーから新しいフィルムロットを受け取った場合、（2）生産ラインの速度を10%以上変更した場合、（3）フィルムの種類またはサプライヤーを変更した場合、（4）シーリングバーのメンテナンスを行った場合（圧力分布が変化する可能性があります）、または（5）品質管理データでシール強度が下限仕様値に近づいていることが示された場合。大量生産ラインの場合は、材料や設備に変更がない場合でも、毎月校正検証を行うことをお勧めします。

食品包装用セロハンのシール強度に関する仕様は何ですか？

業界標準およびお客様の品質要件に基づき、食品包装のシール剥離強度は最低でも2.0 N/15mm（ASTM F88剥離試験）以上とする必要があります。医薬品包装の場合は、3.0 N/15mm以上となります。高負荷がかかる用途（重量物、不規則な形状など）では、4.0 N/15mm以上を推奨します。これらは剥離強度の仕様であり、ホットタック強度（ASTM F1921）は、シール形成後0.5秒以内に測定した1.5 N/15mm以上である必要があります。

周囲の湿度はセロハンの密封性にどのような影響を与えるか？

周囲の湿度は、フィルムとシール工程の両方に影響を与えます。高湿度（70%RH以上）では、フィルム表面に結露が発生し、これが汚染物質となってシール不良の原因となることがあります。低湿度（30%RH未満）では、フィルム表面からの水分蒸発が促進され、コーティングが乾燥してシール粘着力が低下する可能性があります。製造環境は、20～25℃、50～60%RHに維持することをお勧めします。熱帯地域のモンスーンシーズン中は、シールパラメータの検証頻度を増やしてください。

生産開始時にはシール強度仕様を満たしているのに、2時間後には劣化するのはなぜですか？

これは熱平衡の問題です。生産開始時、シールバーは冷えており、動作温度まで加熱する必要があります。加熱中、実際のシール温度は設定温度よりも低くなる可能性があり、その結果、シール強度がわずかに低下し、下限仕様値で「合格」となります。機械が加熱され、熱平衡が確立されると、シールはわずかに改善されます。その後、生産が継続されるにつれて、シールバーが徐々に過熱（熱ドリフト）したり、フィルムロールが摩擦や周囲環境によって加熱され、フィルムがシールステーションに到達する前に有効温度が変化したりする可能性があります。シールバーに連続温度ロガーを取り付け、シールステーションの直前のフィルム表面温度を測定することで、どの熱変化が劣化の原因となっているかを特定できます。

セロファンフィルム技術に関する詳しい情報については、以下の記事をご覧ください。 帯電防止保護フィルムの用途、 私たちの 鮮度と安全性を保つための食品包装フィルム、 私たちの セルロース包装材料の概要、そして私たちの 透明フィルムの用途ガイド。