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JP2018522133A - スターチ含有接着性組成物およびその使用 - Google Patents

スターチ含有接着性組成物およびその使用 Download PDF

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Abstract

本発明はスターチを備える水性接着性組成物に関し、特に、紙製品を接着するためのスターチ系接着剤に関する。提供されているのは、スターチ誘導体と粘土とを含む水性接着性組成物であって、前記スターチ誘導体は、グリコーゲン分枝酵素(EC2.4.1.18)を用いてスターチまたはスターチ誘導体を処理することにより得られる、高度に分枝したスターチ(HBS)であり、かつ前記HBSの前記粘土に対する重量比は約1:1〜1:4の範囲内である接着性組成物。【選択図】なし

Description

本発明は、スターチを包含する水性接着性組成物に関し、特に紙製品を接着するための、スターチ系接着剤に関する。
連続的に紙を結合して例えば積層されたまたは波形の板紙を形成するための商用接着装置は、例えば175〜325フィートの板紙/分の高速で動作するように設計されている。そのような高速を使用すると商業的に使用することができる接着剤の選択の幅が大幅に制限される。例えば、接着剤は、高速で機械により紙に塗布することができるように、適切な粘度その他の特性を有していなければならないことは明らかである。これらの特徴は容易に制御することが可能であるとともに比較的安定していることが必要である。混合バットまたは供給タンク内の接着剤が少しでも厚くなると、もちろん、重大な結果を招き、プロセスが失敗してしまうおそれがある。
高速を用いると、接着作業の間、紙パイルにかなり大きな圧力をかけることができない。このことは、特に波形板紙について当てはまるが、その理由は波形がつぶれてしまう危険性があるからである。その結果、接着されるパイル同士の接触不良が頻発する可能性がある。したがって、接着剤は十分な粘度を有し、それによって紙の表面上に滞留して(stand up)、接触不良の領域があればその領域に充填されるようにすることが必要であるとともに、同時に紙を十分に濡らして良好な接着ゾーンを形成することが必要である。
また、高速を使用することの直接の結果として、接着剤の硬化(setting)が短時間の間に達成されなければならない。これら数秒の間に、接着剤が完全に乾燥することは必要ではないが、十分に強い接着が形成され、板紙が直ちに切断され、取り扱うことができることが必須である。波形板紙の接着では、迅速な硬化が特に重要である。その理由は、硬化操作の間は圧力をかけることができないことによる初期接触不良のために層が分離してしまう傾向を克服するためである。
スターチ系接着剤は工業的生産において、特に包装産業において大きな役割を果たしている。スターチとデキストリンは、主に紙製品を接着するのに使用されている。カートン(carton)を作成するための波形ボール紙はほとんどスターチ系接着剤を用いて接着され、他の多孔質基体はこれらの多用途接着剤を用いて容易に接合することができる。スターチ系接着剤は入手が容易であり、低価格であり、かつ塗布が容易である。これらスターチ系接着剤は最も廉価な部類の紙製包装用の接着剤と考えられている。処方されたスターチ系接着剤は熱間または冷間で塗布することができる。これらの接着剤は一般に粉体状で供給され、使用前に水と混合されて比較的に粘着性の高い接着剤を形成する。スターチ系接着剤は水分を失うと固まる。これらの接着剤は優れた耐熱性を有する。
非修飾スターチは通常粉体状になるか、または高粘度の固形分の少ない、経時粘度安定性を示さないペーストになる。したがって、いくつかの処理が開発されていて、老化(retrogradation)しない、かつ多くの用途に対してより適した粘度とレオロジーを有する液状接着剤が提供されるようになった。これらの処理方法には、アルカリ処理、酸処理、酸化処理および酵素処理がある。
例えば、米国特許出願公開第2012/0121873号明細書(欧州特許出願公開第2455436号明細書としても公開されている)は、分枝酵素を用いた酵素修飾により得られたスターチを包含するスターチ系糊組成物に関する。分枝したスターチは、液状または水性状態において、糊組成物に長期間の高い安定性を付与するといわれている。また、スターチ系糊は粘度が低く、接着強度が高いと考えられる。
国際公開第2014/200344号に開示されているように、グリコーゲン分枝酵素(EC 2.4.1.18)を用いてスターチまたはスターチ誘導体を処理することにより得られた高度に分枝したスターチ(HBS)がバインダとして、これに組み合わされてカルボキシメチル化ポリサッカライドがレオロジー調整添加剤として、水性分散物接着性組成物において使用されている。分枝したスターチとカルボキシメチル化ポリサッカライドを組合せると、多くの予期しない望ましい機能的性質:剪断減粘性挙動(shear−thinning behaviour)、高い固形分含量、速い硬化速度、高い湿潤タック(wet tack)、良好な粘度安定性(老化しないこと)および低い噴霧性/跳ね返り(splashing)性が接着剤に付与されることが分かった。
このように、水性接着剤に酵素的に分枝されたスターチを添加すると、多くの望ましい性質が付与されることが知られている。しかしながら、本発明の発明者らの観察では、高度に分枝したスターチを備える既知の糊組成物には、紙を接着するための硬化速度は使用する紙のタイプに強く依存するという欠点がある。例えば、標準PKL紙に対する硬化速度は10秒であったが、リフレックス(Reflex)特殊紙上で硬化するにはほぼ2倍の硬化速度が必要であった。明らかに、硬化速度がそのように変動するのは産業用の紙接着プロセスには望ましくない。その理由は、機械の設定の再調整が必要となるが、機械の再調整はたいていの場合に不可能であるからである。さらに、機械が低速であることは商業的には魅了がなく、すべての紙質について機械が高速で稼働することがおおいに望ましい。
工業的に使用される接着剤、例えばスターチ系接着剤およびPVAc/PVOH系接着剤の硬化速度を増加させる一つの方法は、ホウ素化合物を添加することである。毒性の懸念から、ホウ素化合物の存在は、特に食品に接触する用途に使用される可能性がある接着剤について、近年ますます望ましくなくなっている。スターチ系接着剤は、また、制限のない著量の、苛性ソーダのような強塩基を含んでいることがあり、望ましいものではなくなっている。これらの強塩基は多くの建築材料に対して攻撃性を有する。これらの強塩基が存在すると一般的でない建築材料が必要とされることとなり、プロセスが複雑となるとともに投資コストがかかる。強塩基はまた皮膚に攻撃的であり、したがってプロセスを稼働する要員の安全に対してより複雑な処置が必要となる。したがって、いくつかの構成においては、接着剤と段ボール製造業の高pHの流れにおいて用いられているような強塩基の使用はますます規制が強まっており、いつか禁止されさえするかも知れない。したがって、ボロン含有量がより低い接着性組成物、好ましくはボロンを含まず、および/またはpHがほぼ中性またはそれより低い接着性組成物に対する需要が増している。
したがって、本発明の発明者らが着手したのは、従前は認識されていなかったこの実地上の制限を克服し、HBS系の、ボロンを含まず、多種類の紙および段ボール上のタックおよび硬化速度に優れる接着剤を提供することである。理想的には、高速バインダとして適しているのは、迅速に硬化する、多用途の水系接着剤であって、したがって、管巻き取り(tubewinding)を始めとする紙の接着において、既知のHBS系接着剤と比べて改善されたより多用途の工業的性能を有する接着剤である。
意外なことに、これらの目的の少なくともいくつかを達成することができるのは、粘土を含めることであることが分かった。ただし、HBSの粘土に対する重量比が約1:1〜1:4の範囲内であることが前提とされる。粘土を用いると、HBS系接着剤の硬化時間の紙の型による影響はずっと少なくなる。特に、5種類の異なる型の紙を接着した場合の「HBS単味」接着剤の硬化時間は、10〜19秒であったが、粘土を添加すると、わずか8.5〜12秒にまで減少した。したがって、定義された重量比で粘土を添加すると、硬化時間の変動性が低下するだけでなく、粘土はさらに硬化速度向上剤として働く。
したがって、一実施の形態において、本発明が提供するのは、スターチ誘導体と粘土とを備える水性接着性組成物であって、前記スターチ誘導体は、グリコーゲン分枝酵素(EC2.4.1.18)を用いてスターチまたはスターチ誘導体を処理することにより得られる、高度に分枝したスターチ(HBS)であり、かつ前記HBSの前記粘土に対する重量比は約1:1〜1:4の範囲内である接着性組成物である。また、本発明が提供するのは、グリコーゲン分枝酵素(EC2.4.1.18)を用いてスターチまたはスターチ誘導体を処理することに得られるHBSと、硬化速度向上剤としての粘土との水系分散性接着性組成物における使用である。好ましくは、前記HBS/粘土の組み合わせは可塑剤を含まない接着剤において、特にポリビニルアセテート(PVAc)の代替物として、使用される。分枝の程度は、意図された用途に合わせて変えることができる。
本発明の接着性組成物は、従来技術では知られていないか、または従来技術から示唆されない。本出願人が出願人である国際公開第2014/200344号に開示されている水性接着性組成物は、グリコーゲン分枝酵素を用いてスターチまたはスターチ誘導体を処理することによって得られる、高度に分枝したスターチ(HBS)を備え、さらにカルボキシメチル(CM)ポリサッカライド誘導体、例えばセルロースやスターチのカルボキシメチルエーテルまたはそれらの組合せを備える。HBSを粘土と組み合わせて使用することについてはなにも記載されていない。
無機充填剤、例えばカオリン粘土、炭酸カルシウムおよび二酸化チタンは、コストを低減するとともに多孔質基体への浸透を制御するためにスターチ接着剤にしばしば用いられているけれども、これら無機充填剤は、一般に5〜50%の濃度で通常使用されている。例えば、米国特許第2,892,731号明細書記載の発明は、カオリン型粘土と接着性材料とを含む接着剤に関する。接着性材料の例としてはポリビニルアルコール、スターチまたはデキストリンが挙げられる。カオリンの接着性材料に対する比は、一般に、約1:10〜約4:1の範囲内であると教示されている。とりわけ、米国特許第2,892,731号明細書の教示によると、スターチ系しわ寄せ接着剤の場合、4部または5部のスターチ材料のそれぞれに対して約1部のカオリンを用いるのが適切である。さらに、米国特許第2,892,731号明細書には、高度に分枝したスターチについての記載はまったくない。
本出願人の出願に係る国際公開第2014/003556号に記載の発明は、紙コーティングの分野に関する。提供されているのは、コーティングされた紙を調製する方法であって、下記の工程:a)水と、2〜20部のバインダと、100部の色素とを備え、前記バインダの少なくとも50%はHBSであり、前記色素の少なくとも70%は炭酸カルシウムからなる色素添加湿潤コーティング処方を用意する工程;およびb)前記色素添加湿潤コーティング処方を、フィルムコーティングにより紙に塗布し、かつコーティングされた紙を乾燥する工程、を備えるコーティングされた紙を調製する方法である。欧州特許第0690170号明細書によると、実施例2に開示されているのは、対照コーティング組成物R2であり、このものは100部のカオリン色素(SPS粘土)と12.5部のHBSを備える。この粘土の使用量は、HBSに対して重量にして10倍を超える過剰量である。これは本願の特許請求の範囲に記載の範囲外である。
上述の米国出願公開第2012/0121873号明細書の実施例7には、表示用段ボールを接着する糊が開示されている。この糊は、ワクシートウモロコシスターチ(waxy maise starch)から得られた20kgの50%HBSと、10kgのカオリンサスペンジョン(FSG=68%)とを備え、HBS:粘土の重量比は約1:0.7に相当する。これに対して、本発明の接着剤は、HBSに対する粘土の量が少なくとも等量であることを特徴とする。
ここで用いられているように、「粘土」という用語は辞書の定義を参照している。すなわち、「粘土」は種々の形態の水和アルミノケイ酸塩、例えばxを水和度として一般式AlSiO・xHOの水和アルミノケイ酸塩を指す。粘土の広く知られた例としては、フラー土、ベントナイト、カオリン(陶土)および珪藻土が挙げられる。2種類以上の粘土の混合物も含まれる。ただし、粘土の量が上述のHBSに対する粘土の重量比を満たしていることが前提となる。本発明において使用される好適な粘土は、カオリンであり、例えば約45〜50重量%のAlと、約35〜45重量%のSiOとを備えるカオリンである。
一実施の形態において、粘土はカオリン粘土を備えるか、またはカオリン粘土のみからなる。カオリン(陶土)は、数百万年にわたる花崗岩の熱水分解(hydrothermal decomposition)により形成された水和アルミニウムケイ酸塩の結晶性鉱物(カオリナイト)である。含水カオリンは、粒径が細かいこと、粒子の形状が板状または層状であること、および化学的に不活性であることを特徴とする。しかしながら、カオリン粘土は単一の鉱物種カオリナイト(kaolinite)から構成される粘土に限定されず、明確に異なる少なくとも4種類の鉱物、すなわちカオリナイト、ナクライト(nacrite)、アノーキサイト(anauxite)およびディッカイト(dickite)により代表され、これら全ても前記処方が与えられる。
粘土の粒径分布は需要に合わせて変えることができる。明確に異なる粒径分布を有する粘土を組み合わせてもよい。この粒子径分布は、D値として適切に表現される。D値は「質量分割半径」として考えることができる。D値は、一つのサンプル中の全ての粒子が質量の昇順に配列された場合、このサンプルの質量をそれぞれ特定の百分率に分割する直径である。例えば、D10直径は10%のサンプルの質量がより小さい粒子からなる直径であり、D90直径は90%のサンプルの質量がより小さい粒子からなる直径である。D50直径は質量によりサンプルを等しく分割するので「質量中央径」(mass median diameter)としても知られている。本発明において使用するための好ましい粘土は、平均粒径が10μm以下、より好ましくは2μm未満である。良好な結果が得られたのは、D90が約1〜20μm、好ましくは1〜10μm、より好ましくは2〜5μmの範囲内である粘土を備える接着性組成物を用いた場合である。所望であれば、本発明の方法を行う前に、粘土に剪断力をかけて凝集体の粒径を低減し、粒径分布の均質性を改善してもよい。この専断力は、例えば、高速ミキサーのような機械的手段により、または超音波により適用することができる。
本発明の方法に用いられる粘土のBET表面積は臨界的ではないが、一般的に、例えば5m2/g〜20m2/gである。本発明の方法において用いられる好ましいカオリン粘土のBET表面積は、8m2/g〜16m2/gである。
特定の一態様では、粘土は、D90が約1〜20μm、好ましくは1〜10μm、より好ましくは2〜5μmの範囲内であるカオリン型粘土を備えるか、またはこれのみからなる。これらの粘土は市販されており、例えば、商品名スプリーム(Supreme(登録商標))またはスペスホワイト(Speswhite(登録商標))で販売されている超微細粒径の高精製カオリンを英国イメリス・ミネラルズ社(IMERYS Minerals Ltd.)社から入手できる。
一般に、接着性組成物に用いられるHBSの分子分枝度は少なくとも4%、好ましくは少なくとも5%である。さらなる添加物を含ませて製品の安定性を向上させてもよい。一実施の形態において、HBSの分子分枝度は少なくとも6%である。これにより、安定性の高い製品が提供される。好ましくは、HBSの分子分枝度は、少なくとも6.5%、例えば約7%〜約10%の範囲内である。本発明に用いられている分子分枝度は、α−1,6グリコシド結合およびα−1,4グリコシド結合の全量に対するα−1,6グリコシド結合の相対量((α−1,6/(α−1,6+α−1,4)100%)を指し、当技術において既知の方法により測定することができる。これら既知の方法としては、例えば、還元末端の測定/イソデンプン分解(isoamylolysis)の組合せを使用する方法(パロモ、M他著、2009年、アプライド・エンバイロンメンタル・ミクロバイオロジー、第75巻、第1355〜1362頁(Palomo M et al.2009 Appl.Environm. Microbiology,75,1355−1362);ティーマン、V.他著、2006年、アプライド・ミクロバイオロジー・アンド・バイオテクノロジー、第72巻、第60〜71頁)(Thiemann,V.et al,2006 Appl.Microb.and Biotechn.72:60−71)および炭水化物の全存在量をアンスロン/硫酸法により測定する方法(例えば、フェイルズ、F.著、1951年、ジャーナル・オブ・バイオロジカル・ケミストリー、第193巻、第113〜124頁(Fales,F.1951 J.Biol.Chem.193:113−124))参照)が挙げられる。一般的には、分枝度は11〜12%を超えない。
グリコーゲン分枝酵素(EC2.4.1.18)は、任意の適切な微生物源に由来するものであってもよい。好ましくは、グリコーゲン分枝酵素(EC2.4.1.18)は、中等温度好性(mesophilic)または好熱性(thermophilic)生物から得られた熱安定性グリコーゲン分枝酵素、好ましくはアクイフェックス・エオリクス(Aquifex aeolicus)、アネロブランカ・ゴシャルキイ(Anaerobranca gottschalkii)またはロドテルムス・オバメンシス(Rhodothermus obamensis)のグリコーゲン分枝酵素である。この酵素は従来の分子生物学的技法およびタンパク質発現技法を用いて組み換えにより生産することができる。この酵素の使用量は、酵素源の活性と、スターチ源と、プロセスパラメータ、例えばpHおよび温度、とによって決まる。一般に、50〜400U/g乾燥重量が用いられる。1単位(U)は、ヨウ化アミロース複合体の660nmにおける吸光度を1%/分減少させる酵素の量として定義されている。pHと温度に関しては、従来技術に用いられている酵素と本発明において使用されている酵素の最適値は多種多様である。転化条件と酵素の添加量は、出発材料、使用される酵素のタイプおよび所望の転化度とによって大幅に変わる。当業者は、通常の試行錯誤法により、適切な条件を決定することができる。例えば、乾燥物質スターチの1グラム当たり1000酵素単位を用いると、約20時間のインキュベーション期間の間に10%の分枝を生じることが可能である。
スターチの酵素処理の工業的用途に対しては、60℃以上の温度において活性である分枝酵素またはそれらの突然変異体を用いるか、または比較的高温において少なくとも生き残ることができる分枝酵素またはそれらの突然変異体を用いるのが好ましい。一般に、温度上昇に安定性を増す結果をもたらす突然変異は、すぐ近くにあるアミノ酸残基同士の間の相互作用(水素結合、ファン・デア・ワールス相互作用、静電相互作用、疎水性相互作用)の量を増加させる突然変異であるか、またはイオウ架橋を形成するイオウ側鎖残基(システインのような)を含有する1種または2種のアミノ酸の特異的導入である。
任意の野生型のまたは修飾されていないスターチを出発材料として用いて本発明に用いられるHBSを得ることができる。スターチは、植物の種子、根および葉に由来する天然のポリマー(ポリサッカライド)である。経済的にひきあう十分な量のスターチを産生するいくつかの植物は、トウモロコシ、コムギ、ジャガイモ、コメ、タピオカおよびサゴヤシである。スターチの品質は、高品質な接着剤を製造するために、高品質でなければならない。スターチは、2つの分子、アミロースとアミロペクチン、から構成されている。アミロースは、長い螺旋状鎖のみからなり、アミロペクチンは、分枝構造を有する。スターチの分枝構造およびアミロース/アミロペクチン比は、植物源に従って変わる。したがって、加工特性と最終的性質も変化する。スターチ同士の間のもっとも重要な相違点は、アミロース部分の分子量とアミロペクチンに対するアミロースの比率にある。例えば、高度に分枝した誘導体は、種々の植物源の非GMO植物変異体およびGMO植物変異体、例えばジャガイモ、トウモロコシ、コムギ、タピオカ、ワクシージャガイモ(waxy potato)、ワクシートウモロコシ(waxy corn)、ワクシータピオカ(waxy tapioca)、高アミロース−ジャガイモ(high amylose potato)、高アミロース−トウモロコシ(high amylose corn)等から誘導することができる。一実施の形態において、HBSは部分的にまたは完全にゼラチン化された形のスターチまたはスターチ誘導体から得られる。好ましくは、このスターチまたはスターチ誘導体は、天然の、修飾されていないスターチおよび化学的に修飾されたスターチであって、遺伝子組み換えされていないおよび遺伝子組み換えされた植物変種(variant)、例えばジャガイモ、トウモロコシ、コムギ、タピオカ、ワクシージャガイモ、ワクシートウモロコシ、ワクシータピオカ、高アミロース−ジャガイモ、高アミロース−トウモロコシ、から得られたもの、および修飾されたスターチから選択される。
適切な修飾されたスターチとしては、低DEマルトデキストリンまたはアミロマルターゼ処理されたスターチ(例えば、エテニア(Etenia)が挙げられる。一実施の形態において、スターチ誘導体はαアミラーゼ処理されたスターチである。化学的に修飾されたスターチも修飾されたスターチに含まれる。例えば、出発材料は、スターチの酸加水分解または酵素的加水分解の生成物および任意のタイプのスターチの化学的修飾または物理的修飾の生成物のみからなる群から選択されるスターチ誘導体である。好適な一実施の形態では、本発明は、非穀物スターチから得られるHBS、好ましくはジャガイモスターチから得られるHBSを備える接着性組成物を提供する。
好ましくは、スターチまたはスターチ誘導体は、まずゼラチン化してから分枝酵素と接触させられる。スターチのゼラチン化は、水と熱の存在下にスターチ分子の分子間結合を破壊し、水素結合サイト(ヒドロキシの水素および酸素)がより多くの水と係合することを可能にするプロセスである。これによりスターチの顆粒が不可逆的に分解される。水が侵入すると、全体的な顆粒構造におけるランダム性が高まり、結晶構造の領域の数と大きさが減少する。スターチのゼラチン化温度が決まるのは、植物源と、レシピ中の水の存在量、pH、塩、糖、脂肪およびタンパク質のタイプおよび濃度と、使用される誘導体化技術とによる。いくつかのタイプの修飾されていない天然スターチでは55℃において膨潤が開始し、他のタイプのスターチでは85℃において膨潤が開始する。
例えば、スターチのゼラチン化は、水蒸気圧入装置(ジェットクッカー)内でバッチ方式または連続方式で行われる。ゼラチン化されたスターチは、酸または塩基を添加して所望のpHにすることができ、所望の温度に達した後に分枝酵素を添加し、得られた溶液を所望の時間、所望の温度に保つ。あるいはまた、分枝酵素は室温でスターチ懸濁液に添加することができ、撹拌中、得られたスラリーを所望の温度に加熱し、所望の時間、所望の温度に保つ。
転化が所望の程度まで進んだ後、インキュベーション混合物の温度を上昇させることにより、またはインキュベーション混合物のpHを低下させることにより、酵素を不活化することができる。この不活化に続いて、ろ過およびイオン交換工程を実施してタンパク質を分離することができる。その後、pHを所望のpHに調整し、スターチ混合物を、例えば噴霧乾燥または蒸発により乾燥させて水を除去し、高乾燥固形混合物を生成する。
例えば、本発明の接着性組成物は、20〜80重量%の乾燥物質、好ましくは25〜75重量%の乾燥物質、より好ましくは30〜65重量%の乾燥物質を含有していてもよい。接着剤中のHBSと粘土の量は、具体的な需要に合わせて変えることができる。ただし、これらの量は定義された重量比の範囲内になければならない。一般に、接着性組成物中に存在するHBSの量は、その組成物の全重量の5〜40重量%(w/w)、好ましくは10〜30重量%(w/w)である。粘土の含有量は、当該組成物の全重量の10〜70重量%(w/w)、好ましくは20〜50重量%(w/w)の量から適切に選択される。特定の一態様では、接着剤組成物は50〜65重量%の乾燥物質を含有し、HBSの粘土に対する重量比は約1:2〜1:3の範囲内である。
紙接着用の従来の水性接着剤のpHはたいていわずかに酸性であり、例えば約4〜5の範囲内にある。非穀物スターチ、例えばジャガイモスターチ、タピオカスターチ、サゴヤシスターチまたはヤエナリ(mung bean)スターチ、から得られたHBSがpH7未満の接着剤において有利に使用されることが分かった。例えば、ジャガイモHBSに基づく接着剤の硬化速度は、pH3〜10の範囲内において標準紙を用いた場合、8.5〜11秒であったが、用紙C上では、最適値はpH4において得られた。これに対して、ワクシートウモロコシスターチから得られたHBSについては、許容し得る硬化速度はpH7以上においてのみ観察された。したがって、一実施の形態では、本発明の接着性組成物は、非穀物スターチ由来のHBS、好ましくはジャガイモスターチHBSを備え、pHが7未満、好ましくは6未満、より好ましくはpH3〜5の範囲内にある。
この接着性組成物は、全体として、好ましくは、紙接着用途における跳ね返りの防止に関する有利な性能−これに対してはある粘度が必要であると考えられている−を、ポンプ能力および流動の結果の内部摩擦による発熱の防止のような他の態様における有利な性能と組み合わせることができる。本発明の接着剤のブルックフィールド(Brookfield)粘度は、25℃の温度および20rpmにおいて測定した場合、一般に約300〜10000mPa.s、好ましくは500〜6000mPa.s、より好ましくは1000〜5000mPa.sの範囲内である。好ましくは、このブルックフィールド粘度は、4400、4300、4200、4100mPa.s以下、または4000mPa.s以下にさえなる。
一般に考えられているように、スターチポリマーの化学的構成は良好な接着剤を作るためには適しているものの、その湿潤タックは多くの工業的用途に対しては低すぎる。ボラックス(四ホウ酸ナトリウム十水和塩)とメタホウ酸ナトリウム(本質的にボラックスと水酸化ナトリウムの混合物)はスターチの性質を劇的に変化させる。ボラックスの含有量を増加すると粘度が増加し、ボラックスを添加するとタック特性と凝集性も大いに増加する。少量の水酸化ナトリウムの存在下にボラックスを添加すると、スターチポリマーが、より大きな分子量を持つ、より高度に分枝した鎖状ポリマーに変化し、湿潤タックを改善するものと考えられる。しかしながら、2009年にEUの化学材料に対する第30次ATP(Adaptation to Technical Progress(技術進歩に対する適応))によりホウ酸、ボラックスおよびホウ酸塩はCMR物質(発ガン物質、突然変異物質および生殖に対する毒物質)に分類された。厳密にいうと、ボラックス化合物は、生殖に対するカテゴリー2のR60とR61について毒性であり、骸骨を用いてラベルしなければならない。特別の欧州規則があり、ホウ酸が5.5%未満の混合物はこの厳格な分類に従う必要がなかった。しかしながら、2011年6月の第20次REACHの範囲内で、すべてのホウ素化合物がSVHC物質(Substances of Very High Concern(高懸念物質))に分類された。このため、より厳格な分類が採用され、0.1%の含有量から関連するようになった。生殖毒性の毒物に分類されたため、ボラックスは、紙および波形段ボール工業界がその代替物を模索する、物議をかもしている原料となった。特に、食品と接触する紙、板紙および段ボールを製造するのに利用することができる、ホウ素を含まない接着剤に対する需要が急速に高まっている。
本出願人がさらに見出したことは、定義された重量比でHBSと粘土を組み合わせると、ホウ素化合物、例えばボラックス、を添加することはもはや必要ではなく、ホウ素化合物なしで済ますことができることである。本発明の接着性組成物は、このように、遊離強塩基または遊離苛性ソーダを実質的に含まず、および/またはいかなるホウ素含有化合物、例えばボラックス、を実質的に含まないようにすることができる。このようにできることによる利点として、本発明が提供する接着性組成物は、ホウ素、ボラックスおよび/または苛性ソーダに関連する最近の毒性および/または産業衛生上の懸念のいずれをも生じることなく使用することができる。したがって、本発明の接着性組成物は、「無公害の(green)」または「環境に優しい(environmentally friendly)」とみなすことができる。これは、良好な接着性能を得るために、不所望の(合成)成分、例えばポリビニルアセテート、ホウ酸塩(ボラックス)等を少しも存在させる必要がないという意味においてである。これにより、本発明の接着性組成物は、ピザボックス若しくは菓子類の包装のような食品関連製品または医薬、化粧品、若しくはティッシューボックスのようなパーソナルケア包装を含む任意の紙製品に広汎に利用可能である。したがって、一実施の形態において、本発明の接着性組成物は、非天然物成分、特にPVAcおよび/またはホウ酸塩を本質的に含まないので、食品接触等級の接着剤、すなわち食品と接触することを意図されているか、または食品と接触することが予想されている材料である食品接触材料に用いる接着剤として利用可能である。
当業者には了解されるように、本発明の接着性組成物は、さらに、従来使用されている混ぜ物若しくは充填剤、添加物、塩類、緩衝成分または殺生物剤を含有していてもよい。そのような添加物または充填剤は、特に粘度、固形分、安定性、付着強度、レオロジー、乾燥速度、柔軟性、耐水性および耐菌性を精密に調整するために使用してもよい。さらに、本発明は「無公害の(green)」接着剤にいささかも限定または制限されない。PVAc、PVOHおよび/またはホウ酸塩を始めとする任意の添加物を需要に合わせて添加してもよい。
本発明のさらなる一態様は、第1の基体を第2の基体に接着する方法に関する。この方法は、少なくとも前記第1基体または前記第2基体に本発明の水系接着性組成物を塗布することを含む。好ましくは、ここで前記基体の少なくとも一方は、紙、段ボール、ガラスまたは木質基体である。さらに好ましくは、両基体とも紙と段ボールから選ばれる。一実施の形態において、本発明の方法は管の製造を備える。
特定の一実施の形態において、前記第1基体および/または前記第2基体は、下記の性質の少なくとも1つを有する紙基体である。
(i)約60〜約250g/mの範囲内の坪量、
(ii)12〜40g/mの範囲内のコッブ(Cobb)30として表現される吸水度、
(iii)約10〜25の範囲内のデニソン(Dennison)ワックス番号。好ましくは、この紙基体は、上述の性質の少なくとも2つ、好ましくはすべてを有する。
本発明の方法は、さらに、積層された波形紙または段ボールの製造を備えてもよい。この積層された波形紙は、随意に、間に挟んだ紙の平坦なシートにより相互に結合された、波形紙または段ボールの複数の重ね合わされた層を含み、上述の接着性組成物のある量が波形の頂部に塗布され、その後にこれらの層が加圧下に相互に接着されて製造されるものである。
また、本発明の範囲内に含まれるのは、本発明の方法に従って第1の基体に第2の基体を接着することにより得られる接着された製品である。本発明の方法により作製された製品は、随意に管または螺旋状管の形をした、積層された非波形若しくは波形の紙または板紙、段ボール、波形段ボール、および段ボールまたは波形段ボールを備える容器または包装容器からなる群から選ぶことができる。
実験セクション
方法
・ブルックフィールド粘度
溶液(25±1℃)の粘度を、ディジタルブルックフィールドDV−I粘度計(mPa.s)を用い、正確に塗布可能なスピンドルを20rpmで15秒間(または5回転)使用して測定する。
・固形分
1.5〜2.5グラムの接着剤を、200μmのワイヤ巻き付けロッドを用いて、予備乾燥されたIRバランス用ガラス繊維フィルター(材料番号:6909640)上に塗布し、80℃のIRを用いて乾燥して恒量にした。
・屈折率
屈折率は、ベリンガム(Bellingham)+スタンレイ(Stanley)RFM300+屈折計を用いて25±0.1℃で測定する。
・接着−硬化時間
接着剤の硬化速度は、フィパゴ(Fipago)接着試験器(PKLシステム)を用いて状態調節された室(RH=50±2%、T=23±1℃)内で測定する。液状接着剤(23±1℃)の薄い接着剤フィルム(標準:60μm)を、ワイヤ巻き付けロッドを用いて標準クラフト紙のストライプ(天然のマシーン・グレーズド(machine glazed)等級のクラフト紙(一方の側が平滑で光沢があり、他方の側がつや消し)(製造元:ソーパル・デーチンケム(Sopal Doetinchem)オランダ国;ガーリー(Gurley)気孔率:72秒;PPS平滑度(平滑側):3.42μm;コッブ(Cobb)60:24g/m2;坪量:85g/m2;デニソンワックステスト:18;30×200mm)の滑面上に塗布する。オープンタイムは0秒に設定する。糊付けされた紙ストリップを他方の紙(クラフトライナー ピーテオ・ロイヤル・ブラウン(Pitea Royal Brown)紙、製造元:カッパ・スマーフィット(Kappa Smurfit)社、スウェーデン国;供給元:フィパゴ(Fipago)、オランダ国(Fipago 2006 クラフトライン);坪量:200g/m2;コッブ1800:86g/m2;デニソンワックステスト:18;60×100mm)の上に金属製の圧力ローラー(標準500g)を用いて置く。クローズタイムが過ぎた後(0...20秒間隔で変えられるが、繊維がまだ引き裂かれていなければ、より長くすることができる)、2片の紙が相互に分離される。接着剤は、それぞれ、少なくとも5つの異なるクローズドタイムにより特徴づけられ、おおよそシグモイド曲線を生じる。この曲線は、クローズドタイムの関数としての接着強度に打ち勝つために必要とされる仕事を表している。結果は、仕事(cJ)として与えられる。硬化時間の値は、ピール強度が40cJを超えたときの時間である。
調製
・HBS
HBSはジェットクッキング(jet cooking)により製造した。17%の乾燥固形ジャガイモスターチスラリーをジェットクッキングした(149〜153℃、滞留時間8分間、圧力4バール)。70℃に冷却し、pHを6.1に調整した後、スターチの乾燥物質1g当たり1000単位の分枝酵素(ヨウ素/ヨウ化スターチ複合体の660nmにおける吸光度の変化として測定される)を添加した。使用した分枝酵素は、ノボザイムズ(Novozymes)社の製品NS28067であり、ロドテルムス・オバメンシス(Rhodothermus obamensis)の分枝酵素を含有するパイロットプラント製品である。20時間インキュベーションを行った後、4M HClを用いてpHを2.5に低下させて酵素を不活化した。35分後、pHを再調整してpH4.5にした。ついで、孔径2〜4μmのフィルターを用いてこの溶液をろ過し、引き続きイオン交換(アクアデム(Aquadem)E200、クルーガー(Kruger)社)を行った。最後に、この溶液を乾燥した。この乾燥は、まず61℃で水を蒸発させ、ついで200℃でスプレー乾燥(外気温度82℃)することによって行った。これにより、分枝度10%のスターチが生成した。
分枝酵素の活性の測定は、分枝酵素作用の結果としてのヨウ素/ヨウ化物/アミロース複合体の変化を監視することにより行う。基質溶液の調製は、10mgのアミロース・タイプIII(シグマ(Sigma)社)を0.5mlの2M NaOHに添加し、ついで1mlの超純水を添加し、0.5mlの2M HClと7.8mlのリン酸塩バッファ(pH7.2)を添加してpHを調整することによって行う。ヨウ素/ヨウ化物ストック溶液の調製は、0.26gのIと2.6gのKIとを10mlの超純水に添加することにより行う。このストック溶液の100μlに50μlの2M HClを添加し、そして26mlの超純水(停止試薬)を添加する。この酵素の活性の測定は、50μlの適切に希釈された酵素を、50μlのアミロース基質溶液に混合し、この混合物を30分間60℃においてインキュベーションすることにより行う。ついで、2mlの停止試薬を添加し、よく混合した後、660nmにおいて吸光度を測定する(吸光度は0.15〜0.3でなければならない)。
活性(U/ml)は次式を用いて計算する。
U/ml=(OD対照 − ODサンプル)×100%×希釈度/(OD対照 − ODブランク)/30分/0.05ml
・HBS/粘土接着剤
HBSと粘土を適切な重量比で均質になるまで乾式混合した。得られた混合物の溶解は、生成物をプラスチック製ビーカー(f90mm)中の脱イオン水(25±1℃)に、撹拌下に約10秒間かけて(定常流で)添加した。この撹拌は3翼撹拌器(f60mm)を用いて1000rpmにて30分間行った。
実施例1:HBS接着剤およびHBS/粘土接着剤の硬化速度に対する紙のタイプの影響
この実施例は、ジャガイモスターチHBS接着剤およびジャガイモスターチHBS/粘土接着剤の硬化速度に対する紙のタイプの影響を示す。粘度が効果を及ぼす可能性を排除するために、両接着剤を同等の粘度でテストした。
ジャガイモスターチHBS/粘土接着剤:
52.00グラムのHBS
104.00グラムのスペスホワイト(イメリス(Imerys))社から入手した超微細粒径の高精製カオリン)
93.75グラムの水
ジャガイモスターチHBS接着剤:
粘度が3000〜3500mPa.sになるような製品対水の量比でジャガイモスターチHBSを溶解する。
試験した紙のタイプの特性は次の通りである。
Figure 2018522133

Figure 2018522133


実施例1は、HBSのみに基づく接着剤の硬化速度は、被着紙のタイプに強く依存することを示す。これに対して、HBS/粘土接着剤の硬化速度は、被着紙のタイプにほとんど影響されない。このことは、粘土は充填剤であるだけでなく、硬化速度向上剤でもあることを実証している。
実施例2:粘土の量の接着剤の性質に対する影響
この実施例は、接着剤の性質に対するHBS(ジャガイモスターチ):粘土(スペスホワイト)の重量比の影響を実証している。これらの処方の調製に用いた水の量は、2500〜4500mPa.sの粘度が得られる量であった。
Figure 2018522133
実施例2は、ジャガイモスターチHBS:粘土の比が種々のタイプの紙上での硬化速度に影響することを示している。粘土の量が少なすぎると、紙のタイプ同士の間で硬化速度に違いが観察される。一方、粘土の量が多すぎると、処方は接着剤ではなくコーティングのように機能し、内部強度が非常に弱くなる。種々のタイプの紙における硬化を速くするためには、HBS:粘土の比は1:1〜1:4であることが必要である。
実施例3:種々のタイプの粘土と組み合わせたHBSの接着性
レシピ:
52.00グラムのジャガイモスターチHBS
104.00グラムの粘土
93.75グラムの水
調製後、適用可能な場合には、生成物を水で希釈して粘度を3000〜5000mPa.sにした。より少ない量の水を用いて粘度が2000mPa.s未満の生成物を再び調製して2700〜3700mPa.sの粘度を達成した。
Figure 2018522133
実施例3は、粘土のD90が硬化速度に影響を与え、約3μmのD90において最適となることを示している。硬化を速くするために、粘土のD90は、好ましくは1〜20μmである。
実施例4:粘土と組み合わせた種々の植物源由来のHBSの接着性
レシピ
52.00グラムのHBS
104.00グラムのスペスホワイト(超微細粒径の高精製カオリン、販売元:イメリス社)
93.75グラムの水
調製後、適用可能な場合には、生成物を水で希釈して、粘度を3000〜5000mPa.sにした。
Figure 2018522133


実施例4は、意外なことに、ジャガイモスターチ、ワクシージャガイモスターチ、タピオカスターチ、サゴヤシスターチまたはヤエナリスターチから得られたHBSと粘土を組み合わせると、硬化が速い、剪断減粘性(shear thinning)接着剤が酸性pH範囲において得られることを示している。これに対して、トウモロコシ、ワクシートウモロコシまたはコムギから得られたHBSを粘土と組み合わせると、硬化速度が遅い、剪断減粘性接着剤が得られる。エンドウから得られたHBSを粘土と組み合わせるとボーダーラインの硬化速度を示す。
実施例5: HBS:粘土の重量比が1:2である接着剤の接着性に対するpHの影響
この実施例では、HBSと粘土(1:2重量)を用いた接着剤の湿潤タックと硬化速度に対するpHの影響が、ジャガイモ由来のHBSとワクシートウモロコシ由来のHBSについて示されている。
レシピ
52.00グラムのHBS(ジャガイモ(P)由来またはワクシートウモロコシ(WM)由来)
104.00グラムのスペスホワイト
93.75グラムの水
調製後、6N HClまたは25%NaOHを用いて所望のpHにした。これらの溶液は、適用可能な場合には、水で希釈して3000〜5000mPa.sの粘度にした。
Figure 2018522133
この実験は、pH2.8〜10.6において、ジャガイモHBSに基づく接着剤が標準PKL紙において同等の硬化速度を有することを示している。用紙C上では、最適pHは約4である。ワクシートウモロコシHBSに基づく接着剤のpHは少なくとも7であることが必要であり、両被試験紙タイプ上での最適値はともに約9である。pH9以上において、ジャガイモHBSとワクシートウモロコシHBSは標準PKL紙および用紙C上で同等の湿潤タックと硬化時間を示す。
実施例6: HBS:粘土の重量比が1:3である接着剤の接着性に対するpHの影響
この実施例では、HBSと粘土(1:3重量)を用いた接着剤の湿潤タックと硬化速度に対するpHの影響がジャガイモ由来のHBSとワクシートウモロコシ由来のHBSについて示されている。
レシピ
50.0グラムのHBS
150.0グラムのスペスホワイト
110.0グラムの水
調製後、6N HClまたは25%NaOHを用いて所望のpHにした。これらの溶液は、適用可能な場合には、水で希釈して2200〜4000mPa.sの粘度にした。
Figure 2018522133
この実験は、pH3.1〜10.2において、ジャガイモHBSに基づく接着剤は、標準PKL紙において同等の硬化速度を有することを示している。用紙C上では、最適pHは約4である。
ワクシートウモロコシHBSに基づく接着剤に対して、pHは少なくとも7であることが必要であるが、最適値は両被試験紙タイプ上でともに約9である。
pH7以上において、ジャガイモHBSとワクシートウモロコシHBSは、標準PKL紙上および用紙C上で同等の湿潤タックと硬化時間を示す。
実施例7: 接着特性に対するpH約10.5におけるHBS:粘土比の影響
この実施例は、pH約10.5におけるジャガイモスターチHBS:粘土の重量比の接着特性に対する影響を実証している。これらの処方の調製に用いる水の使用量は、2200〜4000mPa.sの粘度が得られる量にした。
Figure 2018522133
この実施例は、pH約10.5において、ジャガイモ由来のHBSとワクシートウモロコシ由来のHBSがそれぞれの比において同等の硬化速度を両紙上で示すことを示している。

Claims (16)

  1. スターチ誘導体と粘土とを含む水性接着性組成物であって、
    前記スターチ誘導体は、グリコーゲン分枝酵素(EC2.4.1.18)を用いてスターチまたはスターチ誘導体を処理することにより得られる、高度に分枝したスターチ(HBS)であり、かつ
    前記組成物における、前記HBSの前記粘土に対する重量比は約1:1〜1:4の範囲内である接着性組成物。
  2. 請求項1に記載の接着性組成物において、
    前記粘土は、カオリン型粘土である接着性組成物。
  3. 請求項1または2に記載の接着性組成物において、
    前記粘土のD90は約1〜20μm、好ましくは1〜10μm、より好ましくは2〜5μmの範囲内である接着性組成物。
  4. 請求項1から3までのいずれか一項に記載の接着性組成物において、
    前記接着性組成物のブルックフィールドRVF粘度は約300〜10000mPa.s、好ましくは500〜6000mPa.s、より好ましくは1000〜5000mPa.sの範囲内であり、
    前記粘度は25℃および20rpmにおいて測定される接着性組成物。
  5. 請求項1から4までのいずれか一項に記載の接着性組成物において、
    前記HBSの分子分枝度は、少なくとも6%、好ましくは少なくとも6.5%であり、
    前記分子分枝度は、α−1,6グリコシド結合およびα−1,4グリコシド結合の全量に対するα−1,6グリコシド結合の量の百分率((α−1,6/(α−1,6+α−1,4)*100%)として定義される接着性組成物。
  6. 請求項1から5までのいずれか一項に記載の接着性組成物において、
    前記HBSの平均分子量(Mw)は0.5*10g/mol〜1*10g/mol、好ましくは0.8*10g/mol〜1.8*10g/mol、より好ましくは1*10g/mol〜1.6*10g/molの範囲内である接着性組成物。
  7. 請求項1から6までのいずれか一項に記載の接着性組成物において、
    前記HBSは、部分的にまたは完全にゼラチン化された形のスターチまたはスターチ誘導体から得られ、
    好ましくは、前記スターチまたはスターチ誘導体は、天然の、修飾されていないスターチおよび化学的に修飾されたスターチであって、遺伝子組み換えされていないおよび遺伝子組み換えされた植物変種、例えばジャガイモ、トウモロコシ、コムギ、タピオカ、ワクシージャガイモ、ワクシートウモロコシ、ワクシータピオカ、高アミロースジャガイモ、高アミローストウモロコシ、から得られたもの、並びに低DEマルトデキストリンおよびアミロマルターゼ処理したスターチを含む修飾されたスターチから選ばれる接着性組成物。
  8. 請求項1から7までのいずれか一項に記載の接着性組成物において、
    前記HBSは、非穀物スターチから得られ、好ましくはジャガイモスターチから得られる接着性組成物。
  9. 請求項1から8までのいずれか一項に記載の接着性組成物において、
    前記組成物のpHは、7未満であり、好ましくはpH3〜5の範囲内である接着性組成物。
  10. 請求項1から9までのいずれか一項に記載の接着性組成物において、
    前記接着性組成物は、20〜80重量%の乾燥物質、好ましくは25〜70重量%の乾燥物質、より好ましくは30〜60重量%の乾燥物質を含有している接着性組成物。
  11. 請求項1から10までのいずれか一項に記載の接着性組成物において、
    前記HBSの量は、前記組成物の全重量の5〜40重量%(w/w)、好ましくは10〜30重量%(w/w)であり、および/または
    前記粘土の含有量は、前記組成物の全重量の10〜60重量%(w/w)、好ましくは20〜50重量%(w/w)である接着性組成物。
  12. 請求項1から11までのいずれか一項に記載の接着性組成物において、
    前記接着性組成物は、50〜65重量%の乾燥物質を含有し、
    HBSの粘土に対する重量比は、約1:2〜1:3の範囲内である接着性組成物。
  13. 請求項1から12までのいずれか一項に記載の接着性組成物において、
    0.1重量%未満のホウ酸塩を含み、好ましくはホウ酸塩を含まない接着性組成物。
  14. 第1の基体を第2の基体に接着する方法であって、
    少なくとも前記第1の基体または前記第2の基体に、請求項1から13までのいずれか一項に記載の水系接着性組成物を塗布することを備え、
    好ましくは前記基体の少なくとも一方は紙または紙基体またはボール紙基体である方法。
  15. 請求項14に記載の方法において、
    前記第1の基体および/または前記第2の基体は、下記の性質
    (i)約60〜約250g/mの範囲内の坪量、
    (ii)12〜40g/mの範囲内のコッブ30として表現される吸水度、
    (iii)約10〜25の範囲内のデニソンワックス番号
    の少なくとも1つを有する紙基体である方法。
  16. 請求項14または15に記載の方法に従って第1の基体を第2の基体に接着することにより得られる接着された製品。
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