JP3759170B2 - 生分解性成形パッキング - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は生分解性成形パッキングに関しまたこのようなパッキングを製造する方法に関する。特に本発明は主成分が澱粉をベースとする生分解性成形パッキングに関する。
発明の背景
硬化発泡体である膨張されたパッキング製品はゆるく充填されるパッキング材料として広く使用されている。ポリスチレンをベースとするゆるく充填されるパッキングは膨張された発泡体のパッキング製品の主要なマーケットを構成している。しかしながら、このようなプラスチック発泡体はいくつかの欠点を有する。まず第１にこれを製造する方法は複雑であり、従って費用がかかる。第２にこれの製造における膨張（発泡）工程はペンタンのような膨張剤を伴い、これは火災の危険性またはクロロフルオロカーボンを生じ、このためより一層高価なハイドロフルオロカーボンの別な膨張剤を代わりに使用しないかぎり環境上許容されない。さらにこのようなパッキングは直射日光で劣化しうるように（余分な費用をかけて）処方できるが、それでもなお、堆肥用、埋め立てあるいは他の通常の処分方法において支配的な環境条件下で生分解性に乏しくあるいは加水分解によって劣化しないという重大な欠陥をまぬがれない。
ProtzmanのU.S. 3,137,592には、水を液体状態に保つのに十分な圧力下で澱粉と水との混合物を125〜250℃に加熱し、そして押出成形機において温度と圧力とを低減することが開示されている。
DolinarのU.S. 4,588,638およびU.S. 4,644,733は、使用時の粒子の移動を低減するために「粒子の大部分」の表面の「少なくとも一部」を接着剤（例えばにかわ、ポリマーラテックスまたは「澱粉をベースとする接着剤」）によってコートしたポリマー粒子（例えばポリエチレン）からなるゆるく充填される膨張されたパッキングに関連する。これらの特許はこのようなゆるく充填されるポリマー粒子によって物品を容れ物の中に包装する方法も開示している。
WittwerのU.S. 4,673,438には、組成物のTgおよび融点を越える温度まで加熱されている澱粉−水混合物の射出成形が開示されている。混合物の水含有率は成形工程を通して維持される。
LacourseらのU.S. 4,863,655には、21％に達する水分の存在下で澱粉を押出成形することによってつくられる膨張させた高アミロース澱粉からなる生分解性パッキング材料が開示されている。
WilkersonらのU.S. 5,300,333は、ポップコーンのような膨張した殻粒からなる成形可能な混合物に関し、膨張した殻粒は澱粉糊のような生分解性接合剤の連続相中に分散されている。
KolaskaらのU.S. 5,413,855は、澱粉の膨張したビーズ、ポリ（ビニルアルコール）および水からなる成形体に関し、これら三つの成分は閉鎖された鋳型中に入れられ、次いで低湿度の空気または乾燥水蒸気によって加熱され、ビーズの表面が融解され互いに粘着性となる。
LayらのU.S. 5,095,054は、構造破壊された（destructured）澱粉と、数種類の有機ポリマーおよびコポリマーのいずれか、例えば変性ポリサッカライド、ポリ（ビニルピロリドン）、陽イオン性および陰イオン性の澱粉、ポリ（ビニルアセテート）ポリマーおよびコポリマーなどからなる材量を押出成形することによる成形品の製造に関する。ポリマーを添加する目的は、成形品の安定性、剛性、弾力性などを増大するためである。
この種のゆるく充填されるパッキングを使用することは広く受けいれられてはいるが、電子部品やその他の脆い品物を包装するのに使用するようなパッキング成形品を製造しようとしても、これまでの環境にやさしいパッキングは利用しうるものではなかった。このようなパッキング成形品は従来、ポリスチレンのような非劣化性の合成ポリマー物質から主として製造されていた。
発明の概要
従って本発明は、第１の局面では、
（1）澱粉と生分解性ポリマーとの発泡混合物からなり、0.003〜0.03ｇ／ccの密度を有する、粒径が１〜50ミリの複数の粒子を形成し；
（2）粒子の表面の湿潤と軟化とを行うために粒子の表面に液体を施し；
（3）表面が軟化した粒子を圧縮して、軟化した粒子の表面を合着させ、粒子を緻密化しそして成形物を形成し；
（4）湿潤液を粒子に吸着させそして湿潤液を蒸発させることにより、粒子の表面を非粘着性にするのに十分な時間、成形物をある温度および圧力下に維持する
工程から順次なる、パッキング成形品を製造する方法に関する。
第２の局面にあっては、本発明は澱粉と水溶性ポリマーとの発泡組成物の合着する粒子の集塊物からなる包装に好適な成形品に関する。
【図面の簡単な説明】
図面は図１および図２ａ〜ｅからなり、ともに本発明の好ましい態様を実施するのに使用する装置および手順を示す。
発明の詳述
澱粉成分：
本発明で使用できる澱粉／ポリマー組成物には、熱および圧力を加えることによってゼラチン化が可能なかぎり、任意の天然源の澱粉が利用できる。従ってジャガイモ、小麦、タピオカ、米、とうもろこし、サゴの変性されていないおよび変性された澱粉およびそれらの混合物が使用できる。加えて分枝鎖と非分枝鎖との割合が変わっている遺伝子的に変性された澱粉も、押出機操作に特有の温度および圧力の条件下でゼラチン化が可能であるかぎりやはり使用しうる。この点からすると、直鎖の澱粉分子からなる高アミロースとうもろこしは、沸騰水中においてさえゼラチン化が困難であるので好ましくないと思われる。
ポリマー成分：
コポリマーを含めて広汎な種類のポリマーは、それらが生分解性である限り、上述した澱粉組成物と一緒に使用することができる。さらにこれれらのポリマーは熱可塑性であるとともに水分散性でなければならない。ポリ（ビニルアルコール）のような水溶性ポリマーが好ましい。しかしながら、水分散性ポリマーと少量の水不溶性ポリマーとの混合物が使用できる。このようなポリマーはLayらのU.S. 5,095,054中に開示されておりそれには以下の種類がある。
（1）官能基の少なくとも一個がヒドロキシルである多官能性ポリマー；
（2）官能基の少なくとも一個がカルボキシルである多官能性ポリマー；
（3）第３級または第４級アミノ基を含むポリマーあるいはその塩；
（4）ヒドロキシアルキル、アルキルエーテルまたはエステル基を含む変性されたポリサッカライド；
（5）ビニルピロリドンのコポリマー；
（6）陽イオン的に変性されたポリサッカライド；
（7）陰イオン的に変性されたポリサッカライド；
（8）エステル基が加水分解されている、ビニルエステルと非官能性モノマーとのコポリマー；
（9）ポリサッカライドのグラフトコポリマー；
（10）ポリ（アルキレンイミン）およびそのコポリマー；
（11）スチレンスルホン酸のポリマーおよびコポリマーならびに
（12）カルボン酸のポリマー塩およびコポリマー塩。
水溶性ポリマーと水不溶性ポリマーとの混合物が使用されてよい。
本発明で使用するのに好ましい水溶性ポリマーは、価格の低さおよび物性の優れている点からみて、ポリ（ビニルアルコール）である。ポリ（ビニルアルコール）〔PVA〕が水溶性であるかぎり、ポリマーの加水分解の程度は重要な変数ではない。しかしながらPVAの最も入手し易い等級は少なくとも88％加水分解されているものであり、また多くの場合少なくとも93％加水分解されているものである。本発明で使用される場合、ポリマーはそれが水溶性の多水酸基化合物と容易に混合されうるように顆粒の形態で供給されるのが好ましい。本発明では全組成物に基づき２〜20wt％のPVAが通常必要であるが、12〜18wt％が好ましい。
本明細書で使用する場合、「水溶性」という用語は水道水または周囲温度または室温の水のような加熱されていない水中でのポリマーの溶解性をいう。
他の成分：
本発明で使用するための生分解性澱粉−ポリマー混合物は湿潤剤、増核剤などのような添加剤を通常少量含有してよくまた含有するであろう。本発明の増核剤としてタルク、フュームドシリカ、シリカなどを使用することができる。好適な潤滑剤にはポリ（エチレングリコール）、水素化されたおよび水素化されていない植物油、置換されているおよび置換されていない脂肪酸、石鹸およびグリースのような物質が含まれる。このような添加剤は、澱粉とポリマーとの合計重量基準で全体で約５wt％以上使用されることは通常ない。
ゆるく充填される粒子の製造：
本発明で使用するためのゆるく充填されるパッキングは、生分解性の澱粉と水分散性で生分解性のポリマーと水との以下の範囲の濃度をもつ混合物からつくられるのが好ましい：
澱粉 80〜90wt％（望ましくは82〜88wt％）
生分解性ポリマー 20〜10wt％（望ましくは18〜12wt％）
これらの成分はリボンミキサーまたは櫂型撹拌機のような低剪断混合装置に装入することにより容易に混合される。乾燥成分を最初に配合しその後、水を添加するのが好ましい。乾燥成分の重量に対して添加される水の量は粒子に対して所望する密度に従って変化する。添加する水の量は、ゆるく充填されるほとんどのパッキングの場合、乾燥成分を基準として典型的には約12wt％のオーダーである。
上記した澱粉／ポリマー混合物から本発明の成形パッキングがつくられるゆるく充填される粒子は、一個以上のダイヘッドがあってよい慣用の一軸スクリューまたは二軸スクリュー押出機を使用して押出すことによりゆるく充填されるパッキングへと加工される。本発明のためには、500〜3000psiのダイ圧力、120℃より低いダイ温度および１分以下そして好ましくは30秒以下の滞留時間で押出機を操作するのが好ましい。
押出可能な組成物が押出機内で圧縮されるにつれ、組成物の温度はダイの温度を越えるかも知れないことが認められている。しかしながら押出機内の滞留時間が１分より短いかぎり、組成物および発泡製品の熱的劣化はほとんどない。
押出操作を行う好ましい方法においては、押出したゆるく充填されるパッキングの水の含量が測定され、そして押出機に入れる混合物の水の含量が押出される製品の嵩密度に応じて調整される。押出機に供給される混合物中の水の量は固体の澱粉の基準で約20〜25wt％でなければならない。多くの操作において、押出成形物の嵩密度は出来るだけ低いのが好ましく、また商業的規模の製造を行うために好適な嵩密度が規定される。嵩密度が予め選定した値より低い場合、押出機への供給物中の水の量は低減される。他方、嵩密度が予め選定した値を越えるかあるいは製品がもろいならば、供給物中の水の量は増加される。
原料の一部が熱分解により過度に劣化しないように、混合物の押出機内の滞留時間は約１分を越えず、また押出機内で供給物が到達する最高温度は約120℃を越えないのが好ましい。押出機内の最高温度は通常ダイヘッドの温度より高く、またある場合には押出機のジャケットを冷却するのが好ましいことが認められよう。押出機内の滞留時間は30秒を越えないのがさらに好ましい。押出機への供給物中に含まれる澱粉がゼラチン化することは当該技術に熟達する者にとって明らかであろうが、Layらの特許で教示されるように澱粉が構造破壊される必要はない。それにもかかわらず、このように構造破壊された澱粉／ポリマー混合物が本発明で使用されてよい。
経済的な操作のほとんどにおいて、押出機からの排出は室内の周囲条件へと直接に行われる。室温での急速な固化をするための特別な冷却は必要ではない。
本発明を実施するには、ゆるく充填される粒子の寸法は約１ミリより小さいものでないのが好ましく、少なくとも３ミリであるのが好ましい。他方、粒子の最大寸法は約50ミリ以下であるのが好ましい。直径が約15〜20ミリでそして長さが約30ミリであるほぼ円筒状の形状の粒子は、緻密性および充填特性がより優れているので一層好ましい。勿論、押出しにより発泡粒子を形成する場合、円筒状の形状にするのが便利である。円筒状の形状が有利であることが判っているが、不規則な形状および別な規則的形状が用いられてよく、例えば球状体および楕円体のようなものが用いられてよい。
湿潤液の施用
発泡澱粉−ポリマー混合物の粒子の表面を湿潤しそして軟化するために液体を施す方法は難しくない。この液体は例えば、粒子を空気中で分散しそして液体を粒子上に噴霧することによって施すことができる。この液体は、湿潤液の微細な液滴の噴霧の中に粒子を落下させることによっても施すことができる。粒子の表面の主要な部分が湿潤されるかぎり、液体を施す特定の方法は重要ではない。粒子の表面が水で処理される場合、表面にある水は、粒子中への吸着および空気中への蒸発によって表面から急速に除去される傾向がある。従って、表面を水で処理した直後に粒子を成形にかけるのが好ましい。このため周囲温度で湿潤操作および成形操作を行い、また粒子あるいは湿潤液のいずれにも加熱しないのが好ましい。
ゆるく充填されるパッキングの成形は多くの方法で実施されうる。例えば湿潤されたパッキングは成形型に入れられ、またゆるく充填される物質が型の内側の形状をとるように圧力を加えることによって慣用の方法で成形することができる。
しかしながら好ましい使用方法はその場での成形である。この成形方法では、湿潤したゆるく充填されるパッキングの層が輸送用の容器の底部におかれ、そして紙またはプラスチックの薄いシートで覆われるか、あるいは紙またはプラスチックからできた薄い袋で包まれて輸送用の容器の底部におかれる。次いで輸送される物品がパッキングの被覆された層あるいは包まれた層の上に置かれる。輸送される物品がかなり重い場合には、湿潤したパッキングが物品そのものの重量によって物品の底部の形状に変形する。物品がそれ程重くない場合には、物品の上面に下向きの弱い圧力を加えることにより、湿潤したパッキングを適当な形状に変形させることができる。次いで追加のゆるい充填物を物品のまわりの空間に、そして容器の側面の上端を越えるまで物品の上部に入れそして紙またはプラスチックの薄いシートで覆うか、あるいは湿潤したゆるい充填物の袋を使用することができる。この場合、ゆるい充填物の追加的な２回目の添加物は、容器を閉じる時に湿潤したゆるい充填物に圧力が加わり、充填物が物品の上部および閉じる物の内面の形状をとるように多めに充填すべきである。
本発明を用いるこのような方法にあってはすべて成形圧力を加える時にゆるく充填されるパッキングの表面が湿潤されまた軟化されることが重要である。しかしながら、粒子に施される水の量は、成形された粒子からの水の吸着および蒸発によって粒子が非粘着性になりうるような量であることが重要である。湿潤されそして成形された粒子の表面が成形が終了した後、５分以内そして望ましくは２分以内に非粘着性となるのが好ましい。粒子の乾燥時間が長すぎるなら、施される水の量は減らすべきである。しかしながら粒子があまりにも急速に乾燥しすぎるならば、施される水の量は増加すべきである。
同様に、ゆるい充填物の表面の湿潤の程度は、成形工程が終了するまで表面が十分に湿っているような量でなければならないことが認められよう。成形工程が終了する時に、表面の湿分が粒子中に、そしてカバーあるいは袋が使用される場合にはこの中に吸着されかつ（あるいは）蒸発されるにつれ、成形された物体が徐々に非粘着性となる。成形パッケージを形成するこれらの方法を使用することの特別な利点は、成形操作の段階のいずれにおいても加熱が必要でないことである。実際、熱を加えないのが好ましい。
その場で成形を行う技術で使用される紙またはプラスチックもまた、ゆるく充填されるパッキングおよびシートの廃棄処理を容易にするようにやはり生分解性であるのが好ましい。ポリ（ラクチド）またはポリ（ビニルアルコール）からできたシートまたは袋はこの応用において特に有用である。ポリ（ビニルアルコール）の袋またはフィルムのさらなる利点は、それらが水溶性であることである。湿潤した粒子との相互作用により、フィルムは粒子に結合し、水溶性であるとともに水分解性である一層強靭な緩衝材が形成される。
本発明の著しい利点は、本発明の方法のいかなる工程においても加熱の必要がないことである。実際、加熱により湿潤液の粒子への吸着ならびに表面からの湿潤液の蒸発速度が増大するので、熱を加えることは不利である。従って、粒子が圧縮されるにつれ、粒子の適切な合着が行われうる時間間隔がかなり減少する。他方、パッキングの表面の湿潤および軟化が一層緩慢となるので湿潤液の冷却は好ましくない。従って効率を最大とするために、本発明の方法は周囲温度、つまり約20°〜約45℃で実施されるべきである。
本発明の方法に関する以下の詳細な説明においては、使用されるゆるく充填されるパッキングは、ジャガイモ澱粉、小麦澱粉、ポリ（ビニルアルコール）、タルク、水素化植物油および水の混合物をベースとした。これらの成分をリボンブレンダー内で一緒に混合しそして二軸スクリュー押出機に供給して長さが約30ミリでそして直径が約15ミリであり、また密度が約0.022ｇ／ccである円筒形状に成形した。
本発明を実施するのに好ましい方法を図１に示す。上述の乾燥したゆるく充填されるパッキングを貯蔵サイロ１から充填管路３を経て分配ホッパー５に送入する。ホッパーの出口には乾燥したパッキングを噴霧室９内に重力で放出するためのフラッパー弁７が装備されている。噴霧チャンバー９には噴霧ノズル11が装備されている。水の流量が弁15により調節される水管路13を経て、加熱されていない水を供給する。水噴霧器の上方の噴霧チャンバー９の側壁および分配ホッパー５の下方端が濡れるのを避けるために水噴霧は放射状にそして（あるいは）下向きに配向するのが好ましい。噴霧器をこのように配置することにより、ゆるく充填される粒状体が噴霧操作に際して噴霧チャンバー９の側壁に固着するのを著しく低減する。噴霧操作が開始すると、水弁15とフラッパー弁７とが同時に開くのが好ましい。水の噴霧を通過しそして噴霧チャンバー９の下方端を通過して落下するゆるく充填される粒子は、開放された輸送用の容器19の底部におかれ、頂部の蓋の折り返しが開かれている生分解性の袋17ａを開いたものの内部に直接に落下する（図２ａ参照）。物品の底部を保護するための粒子の袋17の中への装入が十分になると、粒子への噴霧および粒子の流れがともに停止され、そして袋の開放端をたたむことによって袋が閉じられる（図２ｂ参照）。輸送すべき物品21をゆるく充填れさるパッキングの入った袋17の上部におき、容器19の内側面と輸送される物品21の外側面との間に空間を残す。輸送する物品の重量が十分である場合、さらに圧縮することは不必要である。しかしながら物品21そのものの重量が、袋の中にある湿潤したゆるい充填物を圧縮するのに不十分であるなら、置かれた輸送する物品を下方に押圧することによって袋17ａに僅かな圧力を手で加えることができる(図２ｃ参照)。
次に輸送される物品の上部および容器と輸送される物品との間の空間に生分解性の第２の袋17ｂを置き、袋の上部を上方に開放する。水供給弁13とフラッパー弁７とを再度同時に開放し、表面が湿潤したゆるく充填されるパッキングを第２の袋17ｂ中に移し入れ、それにより、輸送される物品21のまわりのすき間およびその上方に表面が湿潤したゆるく充填される粒子が供給される。輸送される物品をとり囲む空間を満たし、かつ容器19に多めに充填する、つまり容器19の輸送物の上の空間の上部まで充填するように十分な量のゆるく充填される粒状体を供給する。多めに充填した粒子は袋17ｂ内に収納される（図２ｄ参照）。次に蓋の折り返しを閉じ、それによって圧縮力を粒子に加えると第２の袋17ｂ中の湿潤した粒子が合着する（図２ｅ参照）。粒子の水の含量を慎重に調節する限り、粒子の表面上の水が粒子中に吸着されそして（あるいは）粒子の露出表面から蒸発するにつれ粒子が圧縮された後、数分以内に粒子の表面は非粘着性になる。通常、別個の乾燥工程は必要ではない。
上記した操作の場合、成形されたパッキングを収納する袋またはシートが生分解性でないならば、これらは地域の規制に従ってリサイクルあるいは処分されるべきである。しかしながら生分解性であるゆるく充填されるパッキングそのものは、それを堆肥化したりあるいは、地上であるいは地中で単に分解させることによって処分されてよい。袋またはシートとして好適な生分解性物質には、ポリ（ラクチド）、ポリ（エチレンビニルアルコール）、ポリカプロラクトン、およびポリ（ビニルアルコール）がある。メチルヒドロキシプロピルセルロースのようなセルロースロス系材料もまた使用できる。
粒子内への吸着により水の添加を制限して、粒子の圧縮とを組み合わせることにより粒子の密度を増大しそして集塊化した粒子の弾性モジュラスも増大するのに役立つ。従って本発明によってつくられる成形パッキングでは、荷重のかかるカートンの取り扱いおよび輸送に際してしばしば発生する衝撃を吸収する能力が改善される。

Claims (9)

1. （1）澱粉、生分解性ポリマーおよび水との発泡混合物からなり、0.003〜0.03ｇ／ccの密度を有する、粒径が１〜50ミリの複数の粒子を形成し；
   （2）粒子の表面の湿潤と軟化とを行うために粒子の表面に加熱されていない水性溶液を施し；
   （3）表面が湿潤した粒子を輸送用の容器の底部に入れ、そして輸送する物品の外面と容器の内面との間に空間を残してこの物品を湿潤した粒子の上に置き；
   （4）表面の軟化した粒子上に物品を置くことにより、外部加熱することなく圧縮して、軟化した粒子の表面を合着し、粒子を緻密化しそして成形物を形成し；
   （5）物品の外面と容器の内面との間に空間を充たしかつ輸送用の容器の側面を越える高さとなるように湿潤した粒子で物品を覆い；
   （6）容器を閉じて容器の内面および輸送する物品の外面の形状に合うように湿潤した粒子を圧縮し、かつこれを合着させ、そして
   （7）湿潤液を粒子内に吸着させまた湿潤液を蒸発させることにより、粒子の表面を非粘着性にするのに十分な時間、成形物を外部加熱することなく上記のような圧縮下に維持する
   工程から順次なる、パッキング成形品を製造する方法。
2. 底部層の粒子を袋の中に収納する、請求項１記載の方法。
3. 容器の側面を充たしかつ物品の上部を覆う粒子を袋の中に収納する請求項１記載の方法。
4. 工程３が、さらに、輸送する物品を置く前に、輸送用の容器の底部の湿潤した粒子の上面にフィルム材料の薄い可撓性シートを置く工程を含む、請求項１記載の方法。
5. 袋とフィルム材料とが生分解性である請求項３または４に記載の方法。
6. 生分解性の袋およびフィルムがポリ（ラクチド）からつくられる請求項５記載の方法。
7. 生分解性の袋およびフィルム材料がポリ（ラクチド）、ポリ（エチレンビニルアルコール）、ポリカプロラクトンおよびこれらの混合物から選択される請求項５記載の方法。
8. 生分解性の袋およびフィルムがポリ（ビニルアルコール）からつくられる請求項５記載の方法。
9. 生分解性の袋またはフィルムがセルロース系材料からつくられる請求項５記載の方法。

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