JP2004216777A - 発泡体の製造方法及びその製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】原料ペレットが加熱溶融されて発生する水蒸気の逆流をなくし、かつ粉化し難い均一な品質を有する発泡体を効率よく得るための製造方法及び製造装置の提供。
【解決手段】澱粉、澱粉部分加水分解物及び澱粉完全加水分解物からなる群から選ばれる少なくとも一種と水とを含む原料を加熱下に射出して発泡させることにより発泡体を得る発泡体の製造方法及び製造装置であって、搬送工程と、溶融工程と、射出工程とを有する製造方法、並びに搬送工程を行うスクリューバレルと、溶融工程を行う延長バレルと、射出工程を行うダイとを有する製造装置。
【選択図】 図１
【解決手段】澱粉、澱粉部分加水分解物及び澱粉完全加水分解物からなる群から選ばれる少なくとも一種と水とを含む原料を加熱下に射出して発泡させることにより発泡体を得る発泡体の製造方法及び製造装置であって、搬送工程と、溶融工程と、射出工程とを有する製造方法、並びに搬送工程を行うスクリューバレルと、溶融工程を行う延長バレルと、射出工程を行うダイとを有する製造装置。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商品の箱詰めなど各種の用途に使用することのできる発泡体の製造方法及び製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発泡体としては発泡ポリスチロールが広く使用されてきた。しかし、この発泡ポリスチロールは、廃棄処分のため焼却すると高熱を発するため、焼却炉を損傷させるという問題や、焼却しない場合には非分解性であるため、埋立地を確保しなければならないという問題を有していた。そこで、最近ではこのような問題の少ない澱粉を主成分とした原料を用いた発泡体が上記発泡ポリスチロールの代替品として開発され使用されている。
【０００３】
上記澱粉を主成分とした発泡体の製造方法及び製造装置として、従来、特許文献１に記載の方法及び装置が知られている。以下、図４を参考にしながら、従来の製造方法及び装置を説明する。
【０００４】
図４に示されるように、澱粉を主成分とする原料ペレットは、ペレット供給フィーダー４１からスクリューバレル４２内に供給され、ペレット供給用スクリュー４３の回転によって連続的にバレル先端に取付けた発泡用のダイ４４の空間（以下、「溶融発泡室４５」という）に押し込まれる。ダイ４４は、ダイ取付用フランジの外側に取り付けられたバンドヒーター４６により通常２２０℃前後まで加熱される。溶融発泡室４５内に押し込まれた原料ペレットは、加熱されたダイ４４に接触することにより溶融を始め、さらに加熱されることにより原料ペレット中に含まれていた水分が水蒸気化し、沸騰することでダイ４４の先端に設けられている射出ノズル４７より膨張発泡し、発泡体を得ることができる。
【０００５】
前記製造装置において、ダイ４４は、ペレット供給用スクリュー４３から押し出される原料ペレットを２２０℃前後のバンドヒーター４６で外側から加熱し、原料ペレットの溶融及び含有水分の蒸気化に必要な１６０〜１８０℃にする必要がある。さらにダイ４４は、装置を小型化しつつ、発泡までの立ち上がり時間を短くし、かつ必要な発泡体の生産量を満足させる必要がある。さらに、ダイ４４の射出ノズル４７の口径を２．２ｍｍ以下とすれば原料ペレットが装置内部で詰まってしまい、３．３ｍｍ以上とすれば耐荷重性に欠け、緩衝材として発泡体を使用できない。
このような理由から、従来の製造装置ではダイの射出ノズル４７の口径は２．６ｍｍ程度が最適とされ、その結果、ダイ４４の溶融発泡室４５の大きさ及び体積も自ずと限定され、内径６５ｍｍ、体積４５ｍｌ程度とされていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の製造装置において、生産量をさらに増加させるためには、単位時間当たりの原料ペレットの供給量を増加させる必要がある。しかしながら、従来のダイ４４内の溶融発泡室４５の容積は上記のとおり４５ｍｌ程度であるため、一度に多量の原料ペレットを供給すると、溶融速度が追いつかず、ダイ４４の射出ノズル４７が詰まり、原料ペレットがスクリューバレル４２側に逆流して装置が稼動しなくなってしまうという問題があった。さらに、従来の溶融発泡室４５では原料ペレットを溶融するための充分なスペースを確保できなかったため、不充分な溶融状態のまま原料ペレットの沸騰が開始され、その結果、発泡むらのある発泡体となり、発泡体の品質が低下するという問題があった。
【０００７】
また、従来の製造装置では、装置を稼動させても直ちに原料ペレットの溶融及び沸騰が始まらないため、ダイ４４の射出ノズル４７から原料ペレットを射出させるために、原料ペレットを少量ずつ溶融発泡室４５内に搬送して原料ペレットを溶融させ、溶融発泡室４５内の圧力を充分高める必要があった。しかし、射出開始までには約１５分程度の時間（立ち上がり時間）を要していたため、この間に消費される原料ペレットはロスになるという問題があった。
【０００８】
また、従来の製造装置では、搬送された原料ペレットをダイ４４の溶融発泡室４５内で加熱溶融させる必要があった。しかるに、溶融発泡室４５内で原料ペレットの急激な加熱溶融が行われると、発泡に使用されない水蒸気が多く発生する。この水蒸気は、ダイ４４の射出ノズル４７から放出されずにスクリューバレル４２側に逆流し、その水蒸気熱により新たに搬送されてくる原料ペレットを溶融してしまう。その結果、従来の製造装置では溶融した原料ペレットがペレット供給用スクリュー４３やペレット投入口に付着又は粘着し、安定した装置の稼動を著しく阻害してしまうという問題があった。さらに、発生した水蒸気がスクリューバレル４２側へ逆流すると、溶融発泡室４５内の圧力が非常に不安定になり、品質の悪い不均一な発泡体が生成されてしまうばかりではなく、装置の安定した連続稼働を妨げる原因にもなっていた。
【０００９】
さらに、原料ペレット中に含まれる水分が水蒸気としてスクリューバレル４２側に逆流してしまうと、発泡体の組成に必要な水分が水蒸気として流出してしまうことから、発泡体が乾燥して弾力性を失い、その結果、得られる発泡体は著しく不安定であり、かつ簡単に粉砕・粉化されてしまうため、緩衝材として機能し得なくなるという問題があった。
【００１０】
また、従来の製造装置は、図４に示されるように、ダイ４４がフランジによってスクリューバレル４２に極めて近い位置に直接連結される構造を有する。このため、稼働時間が嵩むと、熱伝導によりスクリューバレル４２及びペレット供給スクリュー４３もダイ４４と同程度の温度まで加熱され、搬送途中の原料ペレットが途中で溶融してしまい、上記同様、安定した品質の発泡体の提供と、安定した装置の連続稼動が困難になるという問題があった。
【００１１】
安定した装置の連続稼動における上記問題を解決するために、従来は操作員が製造された発泡体の状態を確認しながら、常時原料ペレットの搬送量を調節していた。さらに装置内で原料の付着又は粘着が生じた場合には、これを手動で取り除く作業が行われていた。しかし、これらの作業は、操作員が常時装置を監視する必要があり、労力を要するほか、大変煩わしいものであった。また、原料ペレットの含水量不足による発泡体の粉化の問題に対しては、不足水分を補うために、発泡体を成形した後に再加湿をする等の方法がとられていた。
【００１２】
その一方で、従来の装置ではダイの溶融発泡室の容量が小さく熱伝導を受け易かったため、製造装置を停止すると原料残留物が急速に炭化し、焼き付きを起こしてしまう。これを防止するために、操作員は装置を停止した後、速やかにダイを取り外して溶融発泡室の残留物を取り除く必要があった。しかしながら、この作業は高温加圧された溶融発泡室を解放する必要があったため、解放と同時に沸騰蒸気が一気に噴出し、大変危険な作業であった。さらに、機械的にはスクリューバレル４２とペレット供給用スクリュー４３が恒常的に高温高圧状態にさらされるため腐食が激しく、機械の主要部品である高価な部品を頻繁に交換する必要があった。
【００１３】
【特許文献１】
特許第２７２２０５６号公報（請求項２、第２頁［００１３］〜第３頁［００１９］、図１〜図６）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の製造装置における種々の問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、原料ペレットの溶融物から発生する水蒸気が原料供給側へ逆流することなく、かつ粉化し難い均一な品質を有する発泡体を効率よく得ることができる発泡体の製造方法及び製造装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために原料の溶融方法に着目して鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。
【００１６】
すなわち、本発明の目的は、以下の製造方法により達成される。
（１）澱粉、澱粉部分加水分解物及び澱粉完全加水分解物からなる群から選ばれる少なくとも一種と水とを含む原料を加熱下に射出して発泡させることにより発泡体を得る発泡体の製造方法であって、原料の融点より低い温度で前記原料を射出方向へ搬送する搬送工程と、前記搬送された原料を加熱して原料を原料塊にし、該原料塊を射出方向へ押し出す溶融工程と、前記押し出された原料塊を射出して発泡体を得る射出工程とを有することを特徴とする前記方法。
（２）前記溶融工程における加熱温度が１６０〜１８０℃である（１）に記載の方法。
【００１７】
本発明の製造方法では、原料の加熱溶融をダイの溶融発泡室ではなく、溶融工程で行うため、安定した加熱溶融が可能であり、その結果、従来の射出工程で問題となっていた原料の急激な溶融もなく原料を射出でき、かつ高品質の発泡体を得ることができる。また、本発明の製造方法は、溶融工程において原料塊が形成されるため、原料から発生する水蒸気の搬送工程側への逆流を防ぎ、搬送工程における原料の付着又は粘着を防止することができる。また、本発明の製造方法では、高温高圧に接する部分の材料として極めて安価な鉄材を用いることができるため、前記部分の交換が容易になるメリットがある。
【００１８】
また、本発明のもう一つの目的は、以下の製造装置により達成される。
（１）澱粉、澱粉部分加水分解物及び澱粉完全加水分解物からなる群から選ばれる少なくとも一種と水とを含む原料を加熱下に射出して発泡させることにより発泡体を得る発泡体の製造装置であって、原料の融点より低い温度で前記原料を搬送するための搬送用スクリューを内部に有するスクリューバレルと、前記スクリューバレルの射出側先端に連結された延長バレルであって、内部に前記搬送用スクリューの射出側先端に連結された心棒を有する延長バレルと、前記延長バレルの射出側先端に連結され、前記延長バレルから押し出された原料を加圧して発泡させて発泡体を得るためのダイとを有し、前記延長バレルは、前記心棒の外周面と前記延長バレルの内周面とにより挟まれた空間において、前記スクリューバレルから搬送された原料を加熱して原料塊にし、かつ前記原料塊を射出方向へ押し出すためのものであることを特徴とする発泡体の製造装置。
（２）前記延長バレルが円筒状である（１）に記載の製造装置。
（３）前記心棒が円柱状である（１）又は（２）に記載の製造装置
（４）前記延長バレルが前記スクリューバレルとの連結部分に断熱のための空気層を有する（１）〜（３）のいずれかに記載の製造装置。
（５）前記延長バレルがプレヒーターを有する（１）〜（４）のいずれかに記載の製造装置。
（６）前記延長バレルが、少なくとも１つの溝を有する（１）〜（５）のいずれかに記載の製造装置。
【００１９】
本発明の製造装置は、スクリューバレルとダイとの間に延長バレルを有する。このため、本発明の製造装置であれば、延長バレル内で従来よりも多量の原料の連続、かつ安定した加熱溶融が可能である。さらに、本発明の製造装置では、延長バレル内に原料が搬送されると直ちに溶融が開始されるため、立ち上がり時間を削減でき、原料ロスを少なくできる。このため、本発明の製造装置であれば、発泡体の生産効率を大幅に向上できる。さらに、本発明の製造装置では、延長バレル内で原料塊が形成されるため、原料の加熱溶融に伴い、発生する水蒸気のスクリューバレル側への逆流を防止できる。これにより本発明の製造装置であれば、スクリューバレル内での原料の付着又は粘着もなく、安定した原料の搬送が可能となる。さらに、安定した原料の搬送によってダイの溶融発泡室内の圧力も均一となり、良品質の発泡体が得られるほか、装置の安定した連続稼動も可能となり、操作上の手間も大幅に軽減される。
【００２０】
さらに、本発明の製造装置は、延長バレルとダイを合わせた容積を有するため、装置の稼動を停止すると、延長バレル及びダイは速やかに冷却され、延長バレル内及びダイ内に残っている溶融物が焼き付いて炭化するという現象を回避することができる。さらに、冷却することにより、残留ペレットは収縮し、その後は、簡単にとることができ、清掃時における危険も回避できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の製造方法及びその製造装置を、実施例として示した図面に基づいてさらに詳細に説明する。
【００２２】
［本発明の製造装置］
本発明の製造装置を図１を用いて以下に説明する。
本発明の製造装置１は、原料の融点より低い温度において、前記原料を射出方向へ搬送するための搬送用スクリュー３を内部に有するスクリューバレル２と、スクリューバレル２の射出側先端に連結され、内部に搬送用スクリュー３の射出側先端に連結された心棒４ａを有する延長バレル４と、延長バレル４の射出側先端に連結され、延長バレル４から押し出された原料を射出して発泡させて発泡体を得るためのダイ５とを備えている。
【００２３】
スクリューバレル２は、円筒状のシリンダであり、その長さは特に限定されないが、装置の小型化の観点からは、通常の押出機に使用されるバレルよりも長さが短い方が好ましい（例えば、内径が約３０〜１５０ｍｍ、長さが２００〜６００ｍｍ）。スクリューバレル２の内径と長さは、後述する搬送用スクリュー３の外径と主モータの大きさに合わせて適宜変更できる。
【００２４】
スクリューバレル２は、例えば、ヒーター（図示せず）により原料の融点より低い温度であって、原料ペレットから水蒸気が発生しない程度の温度で予熱しておくこともできる。スクリューバレル２内で原料を予熱しておくことにより、後述するダイ５から射出開始までの立ち上がり時間を短縮できる。
【００２５】
搬送用スクリュー３は、その前部のスクリュー部３ａをスクリューバレル２内に位置させるとともに、後部のロッド部３ｂの後端を、インバータ（図示せず）により速度を制御することができる主モータ（図示せず）に連結させることができる。スクリュー部３ａは、スクリューバレル２の長さに応じて適宜ピッチや長さを変更できる。また、スクリュー部３ａは、スクリュー羽根の形状や数を変更したものを用いることもできる。
【００２６】
スクリューバレル２から延長バレル４へ搬送する原料の単位時間当たりの搬送量は、延長バレル４の加熱溶融領域４ｂの容積、心棒４ａの回転速度、ダイ５からの射出量などに応じて適宜決定できる。好ましくは、単位時間当たりの搬送量は、１２０〜２９０ｇ／分であり、さらに好ましは２３０〜２７０ｇ／分であり、最も好ましくは２７０ｇ／分程度である。
【００２７】
スクリューバレル２の射出側先端には延長バレル４が連結される。本発明の製造装置は、スクリューバレル２から搬送された原料を延長バレル４内で加熱溶融する。延長バレル４は、心棒４ａの外周面と延長バレル４の内周面との間に空間（以下「加熱溶融領域」という）４ｂを有し、この加熱溶融領域４ｂにおいて、スクリューバレル２から搬送された原料を加熱して原料塊にし、さらにこの原料塊を混練することなく射出方向へ押し出すことができる。加熱溶融領域４ｂにおいて原料塊が形成されることにより、これまで課題とされていたスクリューバレル２内への水蒸気の逆流を防止できる。また、加熱溶融領域４ｂにおいて原料塊を混練しない状態で射出方向へ押し出しながら直線的又は段階的な加熱をすることにより、延長バレル４内での急激な溶融を防止し、かつ原料の安定した加熱が可能である。
【００２８】
延長バレル４は、その内径がスクリューバレル２の内径と同等以上であることが好ましい。延長バレル４は、延長バレル４内に原料の適度に滞留させて安定した加熱を行うために、その全長は、例えば、５０〜２２０ｍｍの範囲であることが好ましく、７５〜１５０ｍｍの範囲であることがより好ましく、１１０ｍｍ程度であることがさらに好ましい。延長バレル４の形状は、その内径がスクリューバレル２の内径と同等以上に保持できれば、特に限定されない。好ましくはスクリューバレル２の形状と同じく円筒状である。
【００２９】
延長バレル４は、その内部に搬送用スクリュー３の射出側先端に連結される心棒４ａを有する。心棒４ａは、搬送用スクリュー３に連結されるため、搬送用スクリュー３の回転と同一の回転方向及び同一の回転速度で回転させることができる。これにより、延長バレル４内での原料塊の押出速度は、搬送用スクリュー３の延長バレル４内への原料の搬送速度にほぼ一致させることが可能である。このため、延長バレル４内では原料の搬送速度が変化して急激な溶融が発生するのを防止でき、安定した原料の加熱が可能である。さらに、心棒４ａは、装置の稼動中に後述するプレヒーター７により加熱された原料及び原料塊からの熱を蓄熱することが可能であり、その結果、加熱溶融領域４ｂでは、外側のプレヒーター７と内側の心棒４ａとの両側から原料（原料塊を含む）を加熱できる。
【００３０】
心棒４ａは、搬送用スクリュー３と同一方向に同一速度で回転することができるため、回転時の原料との抵抗を少なくする観点からは、円柱状であることが好ましい。さらに心棒４ａは、空間４ｂのための所定の容積を確保する観点から、心棒４ａの内径は、搬送用スクリュー３の内径よりも小さい方が好ましく、例えば、搬送用スクリュー３の内径が５２ｍｍである場合には、３８〜５２ｍｍであることが好ましく、４５ｍｍであることがさらに好ましい。さらに全長は延長バレル４と同長であることが好ましい。
【００３１】
加熱溶融領域４ｂでは、スクリューバレル２側から順次搬送されてくる原料を加熱し、原料塊を形成し、該原料塊を混練することなく射出方向へ押し出すことができる。加熱溶融領域４ｂは、原料を安定した状態で加熱できれば、その容積は限定されず、原料の搬送量及び射出量に応じて適宜決定できる。例えば、ノズル９の内径が２．６ｍｍである場合には、加熱溶融領域４ｂの容積は、８５〜３７６ｃｍ３、好ましくは１２８〜２４５ｃｍ３、さらに好ましくは１８８ｃｍ３程度である。
【００３２】
スクリューバレル２側より搬送された原料は、加熱溶融領域４ｂに入ると直ちに加熱され、溶融が開始され、原料塊を形成できる。形成された原料塊は、その後、スクリューバレル２側より新たに搬送されてくる原料により順次、射出方向へと押し出される。原料塊は、さらに加熱され、次第に原料塊に含まれる水分が沸騰し始め、ダイ５との連結部付近では原料塊の発泡状態にすることができる。その後、原料塊は、ダイ５内の溶融発泡室５ａへと移動し、さらに加熱されてノズル９から外部へ一気に射出されて発泡体を形成することができる。
【００３３】
なお、本発明の製造装置１では、加熱溶融領域４ｂとダイ５の溶融発泡室５ａの両室において連続した原料の溶融及び原料塊の加熱を行うことができる（両室の容積の合計は１９０〜２３３ｃｍ３程度）。このため、本発明の製造装置１は、溶融発泡室５ａのみを有する従来の製造装置と比べて単位時間当りの生産量を多くできる。
【００３４】
図２及び３に示されるように延長バレル４は、その内周面の長手方向に少なくとも一つの溝６を有することが好ましい。延長バレル４の加熱溶融領域４ｂでは、スクリューバレル２側から搬送された原料が加熱されて原料塊が形成される。この原料塊が心棒４ａに付着して心棒４ａと一緒に回転してしまうと、原料塊が射出方向へ押し出されずに延長バレル４内に滞留し、順次搬送される原料が延長バレル４内へ押し込まれずに、スクリューバレル２へ逆流してしまう可能性がある。そこで、このような原料塊の滞留及び原料の逆流を防止する目的で溝６が設けられる。
【００３５】
溝６は、延長バレル４の内周の長手方向に少なくとも一つ、好ましくは二つ以上設けられる（図２参照）。溝６の長さは、特に限定されないが、好ましくは延長バレル４の全長の１／４以上の長さであり、さらに好ましくは、１／２以上の長さであり、最も好ましくは延長バレル４の全長と同一の長さである。溝６の幅は、原料が溝内に残留せず、かつ原料塊の延長バレル４内での滞留を防止するために、５〜１０ｍｍ程度であることが好ましい。また溝６の深さは、２〜５ｍｍ程度であることが好ましい。
【００３６】
延長バレル４は、その外周側に原料及び原料塊を加熱するためのプレヒーター７を備えている。プレヒーター７は、延長バレル４全体が段階的に加熱できるよう、延長バレル４の外周に設けられることが好ましく、スクリューバレル２から搬送された原料が加熱溶融領域４ｂで水蒸気を発生させないようにするために、スクリューバレル２側よりできるだけ遠い位置に設けられることが好ましい。プレヒーター７の温度は、延長バレル４内の加熱溶融領域４ｂで原料を段階的に溶融し、かつ原料塊を加熱沸騰できるようにするため、１６０〜２００℃の範囲であることが好ましく、１７０〜１８０℃の範囲であることがさらに好ましく、１８０℃程度であることが最も好ましい。
【００３７】
延長バレル４は、スクリューバレル２との連結部分に空気層８を有すること好ましい（図２参照）。空気層８は、加熱された延長バレル４の熱がスクリューバレル２側に熱伝導されるのを防止するための断熱層として機能することができる。さらに、空気層８を設けることにより延長バレル４とスクリューバレル２との連結部の外周に設けられたフランジ全体が放熱ファンとしての役割を果たすため、延長バレル４からスクリューバレル２への熱伝導を有効に阻止できる。その結果、スクリューバレル２内の温度を常に原料の融点より低い温度に維持できるため、スクリューバレル２内で原料が溶融発泡することはない。
【００３８】
ダイ５は、延長バレル４の射出方向の先端に連結される。ダイ５には原料塊をダイ５側から外部へ射出するための射出ノズル９が設けられている。ダイ５では、スクリュー３によって連続的に搬送される原料ペレットにより原料塊が押し込まれる圧力と、延長バレル後端で沸騰を始めた水蒸気の圧力とにより加圧が行われる。ダイ５における加圧は、加熱した状態で行うことが好ましい。ダイ５の外周には、好ましくはヒーター１０が設置され、このヒーター１０によりダイ５の溶融発泡室５ａで原料をさらに加熱できる。加圧及び加熱された原料塊は、ダイ５の射出ノズル９から外部へ連続的に一気に射出され、発泡体１１（図３参照）が得られる。
【００３９】
ヒーター１０は、ダイ５に取付け可能とされ、前記原料を射出寸前に延長バレル４よりも高温で加熱することが好ましい。ヒーター１０は、装置の稼動中にダイ５の温度が２２０℃を超えることがないよう常時ＯＮ／ＯＦＦ制御され得る。さらに、カートリッジヒーター（図示せず）をダイ５近傍に埋込めば、精密な温度制御が可能となるためさらに好ましい。
【００４０】
本発明の製造装置１は、さらに原料供給用シリンダ１２や切断機１３を設けることもできる。
原料供給用シリンダ１２は、原料をスクリューバレル２内に供給するためのシリンダであり、スクリューバレル２の射出方向とは反対側の上部に設けられる。原料供給シリンダ１２は、例えば、対角９０ｍｍ程度の長さ２００〜３００ｍｍのシリンダとすることができ、スクリューバレル２から逆流する熱気をシリンダ中間部に設けられた開口部１４から放出することにより、この熱気が長時間稼働において原料供給用スクリュウに悪作用を及ぼすことを回避することができる。さらに、原料供給用シリンダ１２の上部にはファンモータなどの駆動装置を取付けることもできる。
【００４１】
原料供給用シリンダ１２からスクリューバレル２内への原料の供給は、例えば、原料供給用シリンダ１２の側面に連結した押出スクリュー（図示せず）を介して供給用シリンダ１２内に原料が搬送され、次いで原料供給用シリンダ１２からスクリューバレル２内に原料を供給することができる。原料供給用シリンダ１２からスクリューバレル２内への原料の供給をファンモータなどの駆動装置を用いて気体を給気しながら行えば、スクリューバレル２に外気を供給することで、スクリューバレル２の温度が上昇して、原料ペレットが溶融し稼働を困難にする等の不測の事故を防ぐことができる。
【００４２】
切断機１３は、ダイ５の射出ノズル９から射出された発泡体１１を切断するためのものであり、発泡体１１をペレット状に切断するペレタイザとすることができる。
【００４３】
その他、本発明の製造装置１は、通常の押出装置に装備されている装置を適宜有することもできる。
【００４４】
［本発明の製造方法］
次に、本発明の製造方法について適宜図面を参照しながら説明する。
本発明の発泡体の製造方法は、澱粉、澱粉部分加水分解物及び澱粉完全加水分解物からなる群から選ばれる少なくとも一種と水とを含む原料を加熱下に射出して発泡させることにより発泡体を得る。
【００４５】
ここで、本明細書における「澱粉部分加水分解物」とは、澱粉全体のうちの一部分が加水分解されたものを意味し、長鎖状の澱粉（アミロース及び／又はアミロペクチン）と加水分解され比較的短鎖状となった成分の双方が含まれる。また、本明細書における「澱粉完全加水分解物」とは、澱粉が完全に加水分解された成分を含むが、澱粉自体は含まれないものを意味する。これらのうち加水分解による生じる成分の分子量は、使用する澱粉の種類、加水分解の割合などにより適宜決定される。
【００４６】
本発明の製造方法で用いられる澱粉としては、例えば、コーンスターチ、馬鈴薯澱粉、タピオカ澱粉、小麦澱粉、米澱粉、豆澱粉、甘藷澱粉、サゴ澱粉等の各種の澱粉が挙げられる。また、前記澱粉の含水量は、射出発泡する際のバレル内における原料の糊化を適度に低く抑える必要があるため、好ましくは１０〜３０％、より好ましくは１２〜２２％、最も好ましくは１４〜１９％にすることができる
【００４７】
また、前記原料は、必要に応じてポリビニルアルコール、気泡調整剤、補助添加物、サリチル酸などの防腐剤等を混合したものとすることができる。例えば、ポリビニルアルコールは、０〜２０質量％の含有量の範囲で混合することができる。また、気泡調整剤としては、炭酸カルシウム、卵殻粉、貝殻粉、タルクから選択することができ、その含有量は０〜２質量％の範囲とすることができる。さらに、補助添加物としては、植物性油脂、グルテン、大豆タンパク質、乾燥卵白、ポテトパルプ、木粉、古紙粉末、パルプ、小麦、コーンファイバーから適宜選択することができ、その含有量は０〜１０質量％の範囲とすることができる。これらの補助添加物を発泡体に混合すると、製造される発泡体の耐水性や剛性を向上させることができる。
【００４８】
本発明の製造方法は、原料の融点より低い温度において、前記原料を射出方向へ搬送する搬送工程と、前記搬送された原料を加熱して、原料塊にし、該原料塊を混練することなく射出方向へ押し出す溶融工程と、前記押し出された原料塊を射出して発泡体を得る射出工程とを有する。
以下、搬送工程、溶融工程及び射出工程の順に説明する。
【００４９】
搬送工程では、原料の融点より低い温度において、原料を射出方向へ搬送する。搬送工程では、原料を射出方向へ搬送できれば特に制限はない。搬送工程では溶融工程への搬送が行われる。原料の搬送は、例えば、搬送用スクリュー３のスクリュー部３ａにより行われ、搬送用スクリュー３を一定方向に回転させることにより射出方向へ原料を連続的に搬送することができる。
【００５０】
溶融工程では、前記搬送工程から搬送された原料を加熱して、原料を原料塊にし、該原料塊を混練することなく射出方向へ押し出す。本発明の溶融工程は、例えば、本発明の製造装置における延長バレル４において行うことができる。
原料の射出方向への押し出しは、搬送工程からの原料の搬送に伴う押込力により行われ、例えば、本発明の製造装置における搬送用スクリュー３の押込力により行うことができる。
【００５１】
原料の加熱は、例えば、本発明の製造装置におけるプレヒーター７などを用いて行うことができる。加熱温度は、溶融工程で原料を原料塊とすることができ、かつ原料及び原料塊が炭化しない温度であることが望ましく、通常、１６０〜２００℃であることが適当であり、１７０〜１８０℃であることが好ましく、１７５〜１８０℃であることがさらに好ましい。
溶融工程における温度分布は、搬送工程側から射出工程側へ向かって、連続的又は段階的に変化することが望ましい。例えば、溶融工程における加熱温度を上記の１６０〜２００℃とした場合、搬送工程側が１６０℃であり射出方向へ向かって昇温し、射出工程側では１８０℃と連続的又は段階的に変化することができる。
【００５２】
本発明の製造方法の溶融工程における原料の流れを図３に示す。図３に示されるように、溶融工程において、搬送工程から搬送された原料は、プレヒーター７の加熱により直ちに溶融を開始し、原料塊２０を形成する。原料塊２０は、溶融状態の原料であり、原料よりも高密度化しており、いわば気密性の高い蓋として役割を果たす。このため、溶融工程で発生する水蒸気は、原料塊によって搬送工程側（スクリューバレル側）へ逆流するのを防止できる。これにより搬送工程内における搬送量と押込力とを一定に維持することができる。また、発生する水蒸気を射出工程へ原料塊と共に押し出すことができるため、射出工程での圧力を高めることができる。
【００５３】
原料塊２０は、順次、溶融工程に搬送される原料の押込力により徐々に射出方向へと押し込まれる。原料塊２０は、臨界点を超えた温度になると発泡を開始し、水蒸気を発生する。発泡を開始した原料塊は、さらに射出方向へと押し出され、射出工程へと移動する。この際、発生した水蒸気は、上述のように原料塊２０が形成されることにより搬送工程側へ逆流せず、常に射出方向へ排出される。
【００５４】
次に射出工程について説明する。射出工程では、溶融工程から押し出された原料塊を加圧し、射出ノズルから外部へ一気に射出して発泡体を得ることができる。射出工程における加圧は、例えば、本発明の製造装置における延長バレル４の押出力により行うことができる。また、射出工程では、原料塊をより発泡させるために、加熱して行うことが好ましい。加熱は、例えば、本発明の製造装置のダイ５の外周に設けられたヒーター１０を用いて行われる。温度の制御のしやすさを考慮すると、例えば、カートリッジヒーターなどを用いて、ダイ５の射出ノズル近傍を加熱することが望ましい。
【００５５】
射出工程における原料の加圧条件及び加熱条件は、発泡体の原料や発泡効率を考慮して適宜決定することができる。加熱時間は、加熱温度に応じて適宜決定することができ、例えば、２２０℃の加熱温度では、加熱時間は１０〜２０秒であるが好ましく、１２〜１６秒であることがより好ましく、１３〜１４秒であることが最も好ましい。また、加圧条件は、例えば、０．８〜２．５ＭＰａであることが好ましく、１〜２ＭＰａであることがさらに好ましい。
【００５６】
射出工程後の発泡体１１はそのまま使用することもでき、また商品の箱詰め時に適当な大きさに切断して使用することも可能である。また、切断機１３などを用いて所望の大きさに発泡体を切断することもできる。射出速度と発泡体の大きさ及び形状は、製造される発泡体の機能及び用途に合わせて適宜決定される。
【００５７】
本発明の製造方法及び製造装置は、各種商品の箱詰めなど各種の用途に使用できる発泡体を得るために好適に用いることができる。
【００５８】
【実施例】
本発明の製造装置と従来の製造装置（特許文献１に記載の装置）搬送量、生産量、原料ロス率及び得られた発泡体の比重を同一条件下で比較した。結果を表１に示す。
【００５９】
【表１】
【００６０】
表１より本発明の製造装置は、従来の製造装置よりも１分当りに２．２５倍の原料を搬送することができる。また、本発明の製造装置における生産量は、従来の製造装置の２．５倍であり、ロス率も従来の製造装置の約１／４と生産効率が優れていることが分かる。また、製造される発泡体も本発明の製造装置では軽くて良質のものが得られた。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明の製造方法は、搬送工程と射出工程との間に溶融工程を有する。この構成を有することにより、本発明であれば、従来の射出工程における原料の急激な溶融を起こすことなく、原料を射出でき、かつ高品質の発泡体を得ることができる。また、本発明の製造方法であれば、溶融工程において原料塊が形成されるため、押し出し途中で原料塊から発生する水蒸気の逆流を防ぎ、搬送工程における原料の付着・粘着を防止することができる。
【００６２】
また、本発明の製造装置は、スクリューバレルとダイとの間に延長バレルを有する。この構成により、本発明の製造装置であれば、延長バレル及びダイ内において一度に多量の原料の加熱溶融が可能である。さらに、本発明の製造装置では、延長バレル内に原料が搬送されると直ちに溶融が開始されるため、立ち上がり時間を削減でき、原料ロスを少なくすることができる。このため、本発明の製造装置であれば、発泡体の生産効率を大幅に向上することができる。
【００６３】
さらに、本発明の製造装置では、延長バレル内において原料塊が形成されるため、原料の加熱溶融に伴い発生する水蒸気のスクリューバレル側への逆流を防止できる。これにより本発明の製造装置であれば、スクリューバレル側での原料の付着・粘着もなく、安定した原料の搬送が可能となるため、ダイの溶融発泡室内の圧力も均一となり、良品質の発泡体が得られるほか、装置の安定した連続稼動が可能であり、かつ操作上の手間も大幅に軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造装置の断面概略図である。
【図２】本発明の製造装置のＩ−Ｉ面における背面図である。
【図３】本発明の溶融工程における原料の流れを説明するための説明図である。
【図４】従来の製造装置の断面概略図である。
【符号の説明】
１ 本発明の製造装置
２ スクリューバレル
３ 搬送用スクリュー
３ａ スクリュー部
３ｂ ロッド部
４ 延長バレル
４ａ 心棒
４ｂ 加熱溶融領域
５ ダイ
６ 溝
７ プレヒーター
８ 空気層
９ 射出ノズル
１０ ヒーター
１１ 発泡体
１２ 原料供給用シリンダ
１３ 切断機
１４ 開口部
２０ 原料塊
４１ ペレット供給用フィーダー
４２ スクリューバレル
４３ ペレット供給用スクリュー
４４ ダイ
４５ 溶融発泡室
４６ バンドヒーター
４７ 射出ノズル
【発明の属する技術分野】
本発明は、商品の箱詰めなど各種の用途に使用することのできる発泡体の製造方法及び製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発泡体としては発泡ポリスチロールが広く使用されてきた。しかし、この発泡ポリスチロールは、廃棄処分のため焼却すると高熱を発するため、焼却炉を損傷させるという問題や、焼却しない場合には非分解性であるため、埋立地を確保しなければならないという問題を有していた。そこで、最近ではこのような問題の少ない澱粉を主成分とした原料を用いた発泡体が上記発泡ポリスチロールの代替品として開発され使用されている。
【０００３】
上記澱粉を主成分とした発泡体の製造方法及び製造装置として、従来、特許文献１に記載の方法及び装置が知られている。以下、図４を参考にしながら、従来の製造方法及び装置を説明する。
【０００４】
図４に示されるように、澱粉を主成分とする原料ペレットは、ペレット供給フィーダー４１からスクリューバレル４２内に供給され、ペレット供給用スクリュー４３の回転によって連続的にバレル先端に取付けた発泡用のダイ４４の空間（以下、「溶融発泡室４５」という）に押し込まれる。ダイ４４は、ダイ取付用フランジの外側に取り付けられたバンドヒーター４６により通常２２０℃前後まで加熱される。溶融発泡室４５内に押し込まれた原料ペレットは、加熱されたダイ４４に接触することにより溶融を始め、さらに加熱されることにより原料ペレット中に含まれていた水分が水蒸気化し、沸騰することでダイ４４の先端に設けられている射出ノズル４７より膨張発泡し、発泡体を得ることができる。
【０００５】
前記製造装置において、ダイ４４は、ペレット供給用スクリュー４３から押し出される原料ペレットを２２０℃前後のバンドヒーター４６で外側から加熱し、原料ペレットの溶融及び含有水分の蒸気化に必要な１６０〜１８０℃にする必要がある。さらにダイ４４は、装置を小型化しつつ、発泡までの立ち上がり時間を短くし、かつ必要な発泡体の生産量を満足させる必要がある。さらに、ダイ４４の射出ノズル４７の口径を２．２ｍｍ以下とすれば原料ペレットが装置内部で詰まってしまい、３．３ｍｍ以上とすれば耐荷重性に欠け、緩衝材として発泡体を使用できない。
このような理由から、従来の製造装置ではダイの射出ノズル４７の口径は２．６ｍｍ程度が最適とされ、その結果、ダイ４４の溶融発泡室４５の大きさ及び体積も自ずと限定され、内径６５ｍｍ、体積４５ｍｌ程度とされていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の製造装置において、生産量をさらに増加させるためには、単位時間当たりの原料ペレットの供給量を増加させる必要がある。しかしながら、従来のダイ４４内の溶融発泡室４５の容積は上記のとおり４５ｍｌ程度であるため、一度に多量の原料ペレットを供給すると、溶融速度が追いつかず、ダイ４４の射出ノズル４７が詰まり、原料ペレットがスクリューバレル４２側に逆流して装置が稼動しなくなってしまうという問題があった。さらに、従来の溶融発泡室４５では原料ペレットを溶融するための充分なスペースを確保できなかったため、不充分な溶融状態のまま原料ペレットの沸騰が開始され、その結果、発泡むらのある発泡体となり、発泡体の品質が低下するという問題があった。
【０００７】
また、従来の製造装置では、装置を稼動させても直ちに原料ペレットの溶融及び沸騰が始まらないため、ダイ４４の射出ノズル４７から原料ペレットを射出させるために、原料ペレットを少量ずつ溶融発泡室４５内に搬送して原料ペレットを溶融させ、溶融発泡室４５内の圧力を充分高める必要があった。しかし、射出開始までには約１５分程度の時間（立ち上がり時間）を要していたため、この間に消費される原料ペレットはロスになるという問題があった。
【０００８】
また、従来の製造装置では、搬送された原料ペレットをダイ４４の溶融発泡室４５内で加熱溶融させる必要があった。しかるに、溶融発泡室４５内で原料ペレットの急激な加熱溶融が行われると、発泡に使用されない水蒸気が多く発生する。この水蒸気は、ダイ４４の射出ノズル４７から放出されずにスクリューバレル４２側に逆流し、その水蒸気熱により新たに搬送されてくる原料ペレットを溶融してしまう。その結果、従来の製造装置では溶融した原料ペレットがペレット供給用スクリュー４３やペレット投入口に付着又は粘着し、安定した装置の稼動を著しく阻害してしまうという問題があった。さらに、発生した水蒸気がスクリューバレル４２側へ逆流すると、溶融発泡室４５内の圧力が非常に不安定になり、品質の悪い不均一な発泡体が生成されてしまうばかりではなく、装置の安定した連続稼働を妨げる原因にもなっていた。
【０００９】
さらに、原料ペレット中に含まれる水分が水蒸気としてスクリューバレル４２側に逆流してしまうと、発泡体の組成に必要な水分が水蒸気として流出してしまうことから、発泡体が乾燥して弾力性を失い、その結果、得られる発泡体は著しく不安定であり、かつ簡単に粉砕・粉化されてしまうため、緩衝材として機能し得なくなるという問題があった。
【００１０】
また、従来の製造装置は、図４に示されるように、ダイ４４がフランジによってスクリューバレル４２に極めて近い位置に直接連結される構造を有する。このため、稼働時間が嵩むと、熱伝導によりスクリューバレル４２及びペレット供給スクリュー４３もダイ４４と同程度の温度まで加熱され、搬送途中の原料ペレットが途中で溶融してしまい、上記同様、安定した品質の発泡体の提供と、安定した装置の連続稼動が困難になるという問題があった。
【００１１】
安定した装置の連続稼動における上記問題を解決するために、従来は操作員が製造された発泡体の状態を確認しながら、常時原料ペレットの搬送量を調節していた。さらに装置内で原料の付着又は粘着が生じた場合には、これを手動で取り除く作業が行われていた。しかし、これらの作業は、操作員が常時装置を監視する必要があり、労力を要するほか、大変煩わしいものであった。また、原料ペレットの含水量不足による発泡体の粉化の問題に対しては、不足水分を補うために、発泡体を成形した後に再加湿をする等の方法がとられていた。
【００１２】
その一方で、従来の装置ではダイの溶融発泡室の容量が小さく熱伝導を受け易かったため、製造装置を停止すると原料残留物が急速に炭化し、焼き付きを起こしてしまう。これを防止するために、操作員は装置を停止した後、速やかにダイを取り外して溶融発泡室の残留物を取り除く必要があった。しかしながら、この作業は高温加圧された溶融発泡室を解放する必要があったため、解放と同時に沸騰蒸気が一気に噴出し、大変危険な作業であった。さらに、機械的にはスクリューバレル４２とペレット供給用スクリュー４３が恒常的に高温高圧状態にさらされるため腐食が激しく、機械の主要部品である高価な部品を頻繁に交換する必要があった。
【００１３】
【特許文献１】
特許第２７２２０５６号公報（請求項２、第２頁［００１３］〜第３頁［００１９］、図１〜図６）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の製造装置における種々の問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、原料ペレットの溶融物から発生する水蒸気が原料供給側へ逆流することなく、かつ粉化し難い均一な品質を有する発泡体を効率よく得ることができる発泡体の製造方法及び製造装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために原料の溶融方法に着目して鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。
【００１６】
すなわち、本発明の目的は、以下の製造方法により達成される。
（１）澱粉、澱粉部分加水分解物及び澱粉完全加水分解物からなる群から選ばれる少なくとも一種と水とを含む原料を加熱下に射出して発泡させることにより発泡体を得る発泡体の製造方法であって、原料の融点より低い温度で前記原料を射出方向へ搬送する搬送工程と、前記搬送された原料を加熱して原料を原料塊にし、該原料塊を射出方向へ押し出す溶融工程と、前記押し出された原料塊を射出して発泡体を得る射出工程とを有することを特徴とする前記方法。
（２）前記溶融工程における加熱温度が１６０〜１８０℃である（１）に記載の方法。
【００１７】
本発明の製造方法では、原料の加熱溶融をダイの溶融発泡室ではなく、溶融工程で行うため、安定した加熱溶融が可能であり、その結果、従来の射出工程で問題となっていた原料の急激な溶融もなく原料を射出でき、かつ高品質の発泡体を得ることができる。また、本発明の製造方法は、溶融工程において原料塊が形成されるため、原料から発生する水蒸気の搬送工程側への逆流を防ぎ、搬送工程における原料の付着又は粘着を防止することができる。また、本発明の製造方法では、高温高圧に接する部分の材料として極めて安価な鉄材を用いることができるため、前記部分の交換が容易になるメリットがある。
【００１８】
また、本発明のもう一つの目的は、以下の製造装置により達成される。
（１）澱粉、澱粉部分加水分解物及び澱粉完全加水分解物からなる群から選ばれる少なくとも一種と水とを含む原料を加熱下に射出して発泡させることにより発泡体を得る発泡体の製造装置であって、原料の融点より低い温度で前記原料を搬送するための搬送用スクリューを内部に有するスクリューバレルと、前記スクリューバレルの射出側先端に連結された延長バレルであって、内部に前記搬送用スクリューの射出側先端に連結された心棒を有する延長バレルと、前記延長バレルの射出側先端に連結され、前記延長バレルから押し出された原料を加圧して発泡させて発泡体を得るためのダイとを有し、前記延長バレルは、前記心棒の外周面と前記延長バレルの内周面とにより挟まれた空間において、前記スクリューバレルから搬送された原料を加熱して原料塊にし、かつ前記原料塊を射出方向へ押し出すためのものであることを特徴とする発泡体の製造装置。
（２）前記延長バレルが円筒状である（１）に記載の製造装置。
（３）前記心棒が円柱状である（１）又は（２）に記載の製造装置
（４）前記延長バレルが前記スクリューバレルとの連結部分に断熱のための空気層を有する（１）〜（３）のいずれかに記載の製造装置。
（５）前記延長バレルがプレヒーターを有する（１）〜（４）のいずれかに記載の製造装置。
（６）前記延長バレルが、少なくとも１つの溝を有する（１）〜（５）のいずれかに記載の製造装置。
【００１９】
本発明の製造装置は、スクリューバレルとダイとの間に延長バレルを有する。このため、本発明の製造装置であれば、延長バレル内で従来よりも多量の原料の連続、かつ安定した加熱溶融が可能である。さらに、本発明の製造装置では、延長バレル内に原料が搬送されると直ちに溶融が開始されるため、立ち上がり時間を削減でき、原料ロスを少なくできる。このため、本発明の製造装置であれば、発泡体の生産効率を大幅に向上できる。さらに、本発明の製造装置では、延長バレル内で原料塊が形成されるため、原料の加熱溶融に伴い、発生する水蒸気のスクリューバレル側への逆流を防止できる。これにより本発明の製造装置であれば、スクリューバレル内での原料の付着又は粘着もなく、安定した原料の搬送が可能となる。さらに、安定した原料の搬送によってダイの溶融発泡室内の圧力も均一となり、良品質の発泡体が得られるほか、装置の安定した連続稼動も可能となり、操作上の手間も大幅に軽減される。
【００２０】
さらに、本発明の製造装置は、延長バレルとダイを合わせた容積を有するため、装置の稼動を停止すると、延長バレル及びダイは速やかに冷却され、延長バレル内及びダイ内に残っている溶融物が焼き付いて炭化するという現象を回避することができる。さらに、冷却することにより、残留ペレットは収縮し、その後は、簡単にとることができ、清掃時における危険も回避できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の製造方法及びその製造装置を、実施例として示した図面に基づいてさらに詳細に説明する。
【００２２】
［本発明の製造装置］
本発明の製造装置を図１を用いて以下に説明する。
本発明の製造装置１は、原料の融点より低い温度において、前記原料を射出方向へ搬送するための搬送用スクリュー３を内部に有するスクリューバレル２と、スクリューバレル２の射出側先端に連結され、内部に搬送用スクリュー３の射出側先端に連結された心棒４ａを有する延長バレル４と、延長バレル４の射出側先端に連結され、延長バレル４から押し出された原料を射出して発泡させて発泡体を得るためのダイ５とを備えている。
【００２３】
スクリューバレル２は、円筒状のシリンダであり、その長さは特に限定されないが、装置の小型化の観点からは、通常の押出機に使用されるバレルよりも長さが短い方が好ましい（例えば、内径が約３０〜１５０ｍｍ、長さが２００〜６００ｍｍ）。スクリューバレル２の内径と長さは、後述する搬送用スクリュー３の外径と主モータの大きさに合わせて適宜変更できる。
【００２４】
スクリューバレル２は、例えば、ヒーター（図示せず）により原料の融点より低い温度であって、原料ペレットから水蒸気が発生しない程度の温度で予熱しておくこともできる。スクリューバレル２内で原料を予熱しておくことにより、後述するダイ５から射出開始までの立ち上がり時間を短縮できる。
【００２５】
搬送用スクリュー３は、その前部のスクリュー部３ａをスクリューバレル２内に位置させるとともに、後部のロッド部３ｂの後端を、インバータ（図示せず）により速度を制御することができる主モータ（図示せず）に連結させることができる。スクリュー部３ａは、スクリューバレル２の長さに応じて適宜ピッチや長さを変更できる。また、スクリュー部３ａは、スクリュー羽根の形状や数を変更したものを用いることもできる。
【００２６】
スクリューバレル２から延長バレル４へ搬送する原料の単位時間当たりの搬送量は、延長バレル４の加熱溶融領域４ｂの容積、心棒４ａの回転速度、ダイ５からの射出量などに応じて適宜決定できる。好ましくは、単位時間当たりの搬送量は、１２０〜２９０ｇ／分であり、さらに好ましは２３０〜２７０ｇ／分であり、最も好ましくは２７０ｇ／分程度である。
【００２７】
スクリューバレル２の射出側先端には延長バレル４が連結される。本発明の製造装置は、スクリューバレル２から搬送された原料を延長バレル４内で加熱溶融する。延長バレル４は、心棒４ａの外周面と延長バレル４の内周面との間に空間（以下「加熱溶融領域」という）４ｂを有し、この加熱溶融領域４ｂにおいて、スクリューバレル２から搬送された原料を加熱して原料塊にし、さらにこの原料塊を混練することなく射出方向へ押し出すことができる。加熱溶融領域４ｂにおいて原料塊が形成されることにより、これまで課題とされていたスクリューバレル２内への水蒸気の逆流を防止できる。また、加熱溶融領域４ｂにおいて原料塊を混練しない状態で射出方向へ押し出しながら直線的又は段階的な加熱をすることにより、延長バレル４内での急激な溶融を防止し、かつ原料の安定した加熱が可能である。
【００２８】
延長バレル４は、その内径がスクリューバレル２の内径と同等以上であることが好ましい。延長バレル４は、延長バレル４内に原料の適度に滞留させて安定した加熱を行うために、その全長は、例えば、５０〜２２０ｍｍの範囲であることが好ましく、７５〜１５０ｍｍの範囲であることがより好ましく、１１０ｍｍ程度であることがさらに好ましい。延長バレル４の形状は、その内径がスクリューバレル２の内径と同等以上に保持できれば、特に限定されない。好ましくはスクリューバレル２の形状と同じく円筒状である。
【００２９】
延長バレル４は、その内部に搬送用スクリュー３の射出側先端に連結される心棒４ａを有する。心棒４ａは、搬送用スクリュー３に連結されるため、搬送用スクリュー３の回転と同一の回転方向及び同一の回転速度で回転させることができる。これにより、延長バレル４内での原料塊の押出速度は、搬送用スクリュー３の延長バレル４内への原料の搬送速度にほぼ一致させることが可能である。このため、延長バレル４内では原料の搬送速度が変化して急激な溶融が発生するのを防止でき、安定した原料の加熱が可能である。さらに、心棒４ａは、装置の稼動中に後述するプレヒーター７により加熱された原料及び原料塊からの熱を蓄熱することが可能であり、その結果、加熱溶融領域４ｂでは、外側のプレヒーター７と内側の心棒４ａとの両側から原料（原料塊を含む）を加熱できる。
【００３０】
心棒４ａは、搬送用スクリュー３と同一方向に同一速度で回転することができるため、回転時の原料との抵抗を少なくする観点からは、円柱状であることが好ましい。さらに心棒４ａは、空間４ｂのための所定の容積を確保する観点から、心棒４ａの内径は、搬送用スクリュー３の内径よりも小さい方が好ましく、例えば、搬送用スクリュー３の内径が５２ｍｍである場合には、３８〜５２ｍｍであることが好ましく、４５ｍｍであることがさらに好ましい。さらに全長は延長バレル４と同長であることが好ましい。
【００３１】
加熱溶融領域４ｂでは、スクリューバレル２側から順次搬送されてくる原料を加熱し、原料塊を形成し、該原料塊を混練することなく射出方向へ押し出すことができる。加熱溶融領域４ｂは、原料を安定した状態で加熱できれば、その容積は限定されず、原料の搬送量及び射出量に応じて適宜決定できる。例えば、ノズル９の内径が２．６ｍｍである場合には、加熱溶融領域４ｂの容積は、８５〜３７６ｃｍ３、好ましくは１２８〜２４５ｃｍ３、さらに好ましくは１８８ｃｍ３程度である。
【００３２】
スクリューバレル２側より搬送された原料は、加熱溶融領域４ｂに入ると直ちに加熱され、溶融が開始され、原料塊を形成できる。形成された原料塊は、その後、スクリューバレル２側より新たに搬送されてくる原料により順次、射出方向へと押し出される。原料塊は、さらに加熱され、次第に原料塊に含まれる水分が沸騰し始め、ダイ５との連結部付近では原料塊の発泡状態にすることができる。その後、原料塊は、ダイ５内の溶融発泡室５ａへと移動し、さらに加熱されてノズル９から外部へ一気に射出されて発泡体を形成することができる。
【００３３】
なお、本発明の製造装置１では、加熱溶融領域４ｂとダイ５の溶融発泡室５ａの両室において連続した原料の溶融及び原料塊の加熱を行うことができる（両室の容積の合計は１９０〜２３３ｃｍ３程度）。このため、本発明の製造装置１は、溶融発泡室５ａのみを有する従来の製造装置と比べて単位時間当りの生産量を多くできる。
【００３４】
図２及び３に示されるように延長バレル４は、その内周面の長手方向に少なくとも一つの溝６を有することが好ましい。延長バレル４の加熱溶融領域４ｂでは、スクリューバレル２側から搬送された原料が加熱されて原料塊が形成される。この原料塊が心棒４ａに付着して心棒４ａと一緒に回転してしまうと、原料塊が射出方向へ押し出されずに延長バレル４内に滞留し、順次搬送される原料が延長バレル４内へ押し込まれずに、スクリューバレル２へ逆流してしまう可能性がある。そこで、このような原料塊の滞留及び原料の逆流を防止する目的で溝６が設けられる。
【００３５】
溝６は、延長バレル４の内周の長手方向に少なくとも一つ、好ましくは二つ以上設けられる（図２参照）。溝６の長さは、特に限定されないが、好ましくは延長バレル４の全長の１／４以上の長さであり、さらに好ましくは、１／２以上の長さであり、最も好ましくは延長バレル４の全長と同一の長さである。溝６の幅は、原料が溝内に残留せず、かつ原料塊の延長バレル４内での滞留を防止するために、５〜１０ｍｍ程度であることが好ましい。また溝６の深さは、２〜５ｍｍ程度であることが好ましい。
【００３６】
延長バレル４は、その外周側に原料及び原料塊を加熱するためのプレヒーター７を備えている。プレヒーター７は、延長バレル４全体が段階的に加熱できるよう、延長バレル４の外周に設けられることが好ましく、スクリューバレル２から搬送された原料が加熱溶融領域４ｂで水蒸気を発生させないようにするために、スクリューバレル２側よりできるだけ遠い位置に設けられることが好ましい。プレヒーター７の温度は、延長バレル４内の加熱溶融領域４ｂで原料を段階的に溶融し、かつ原料塊を加熱沸騰できるようにするため、１６０〜２００℃の範囲であることが好ましく、１７０〜１８０℃の範囲であることがさらに好ましく、１８０℃程度であることが最も好ましい。
【００３７】
延長バレル４は、スクリューバレル２との連結部分に空気層８を有すること好ましい（図２参照）。空気層８は、加熱された延長バレル４の熱がスクリューバレル２側に熱伝導されるのを防止するための断熱層として機能することができる。さらに、空気層８を設けることにより延長バレル４とスクリューバレル２との連結部の外周に設けられたフランジ全体が放熱ファンとしての役割を果たすため、延長バレル４からスクリューバレル２への熱伝導を有効に阻止できる。その結果、スクリューバレル２内の温度を常に原料の融点より低い温度に維持できるため、スクリューバレル２内で原料が溶融発泡することはない。
【００３８】
ダイ５は、延長バレル４の射出方向の先端に連結される。ダイ５には原料塊をダイ５側から外部へ射出するための射出ノズル９が設けられている。ダイ５では、スクリュー３によって連続的に搬送される原料ペレットにより原料塊が押し込まれる圧力と、延長バレル後端で沸騰を始めた水蒸気の圧力とにより加圧が行われる。ダイ５における加圧は、加熱した状態で行うことが好ましい。ダイ５の外周には、好ましくはヒーター１０が設置され、このヒーター１０によりダイ５の溶融発泡室５ａで原料をさらに加熱できる。加圧及び加熱された原料塊は、ダイ５の射出ノズル９から外部へ連続的に一気に射出され、発泡体１１（図３参照）が得られる。
【００３９】
ヒーター１０は、ダイ５に取付け可能とされ、前記原料を射出寸前に延長バレル４よりも高温で加熱することが好ましい。ヒーター１０は、装置の稼動中にダイ５の温度が２２０℃を超えることがないよう常時ＯＮ／ＯＦＦ制御され得る。さらに、カートリッジヒーター（図示せず）をダイ５近傍に埋込めば、精密な温度制御が可能となるためさらに好ましい。
【００４０】
本発明の製造装置１は、さらに原料供給用シリンダ１２や切断機１３を設けることもできる。
原料供給用シリンダ１２は、原料をスクリューバレル２内に供給するためのシリンダであり、スクリューバレル２の射出方向とは反対側の上部に設けられる。原料供給シリンダ１２は、例えば、対角９０ｍｍ程度の長さ２００〜３００ｍｍのシリンダとすることができ、スクリューバレル２から逆流する熱気をシリンダ中間部に設けられた開口部１４から放出することにより、この熱気が長時間稼働において原料供給用スクリュウに悪作用を及ぼすことを回避することができる。さらに、原料供給用シリンダ１２の上部にはファンモータなどの駆動装置を取付けることもできる。
【００４１】
原料供給用シリンダ１２からスクリューバレル２内への原料の供給は、例えば、原料供給用シリンダ１２の側面に連結した押出スクリュー（図示せず）を介して供給用シリンダ１２内に原料が搬送され、次いで原料供給用シリンダ１２からスクリューバレル２内に原料を供給することができる。原料供給用シリンダ１２からスクリューバレル２内への原料の供給をファンモータなどの駆動装置を用いて気体を給気しながら行えば、スクリューバレル２に外気を供給することで、スクリューバレル２の温度が上昇して、原料ペレットが溶融し稼働を困難にする等の不測の事故を防ぐことができる。
【００４２】
切断機１３は、ダイ５の射出ノズル９から射出された発泡体１１を切断するためのものであり、発泡体１１をペレット状に切断するペレタイザとすることができる。
【００４３】
その他、本発明の製造装置１は、通常の押出装置に装備されている装置を適宜有することもできる。
【００４４】
［本発明の製造方法］
次に、本発明の製造方法について適宜図面を参照しながら説明する。
本発明の発泡体の製造方法は、澱粉、澱粉部分加水分解物及び澱粉完全加水分解物からなる群から選ばれる少なくとも一種と水とを含む原料を加熱下に射出して発泡させることにより発泡体を得る。
【００４５】
ここで、本明細書における「澱粉部分加水分解物」とは、澱粉全体のうちの一部分が加水分解されたものを意味し、長鎖状の澱粉（アミロース及び／又はアミロペクチン）と加水分解され比較的短鎖状となった成分の双方が含まれる。また、本明細書における「澱粉完全加水分解物」とは、澱粉が完全に加水分解された成分を含むが、澱粉自体は含まれないものを意味する。これらのうち加水分解による生じる成分の分子量は、使用する澱粉の種類、加水分解の割合などにより適宜決定される。
【００４６】
本発明の製造方法で用いられる澱粉としては、例えば、コーンスターチ、馬鈴薯澱粉、タピオカ澱粉、小麦澱粉、米澱粉、豆澱粉、甘藷澱粉、サゴ澱粉等の各種の澱粉が挙げられる。また、前記澱粉の含水量は、射出発泡する際のバレル内における原料の糊化を適度に低く抑える必要があるため、好ましくは１０〜３０％、より好ましくは１２〜２２％、最も好ましくは１４〜１９％にすることができる
【００４７】
また、前記原料は、必要に応じてポリビニルアルコール、気泡調整剤、補助添加物、サリチル酸などの防腐剤等を混合したものとすることができる。例えば、ポリビニルアルコールは、０〜２０質量％の含有量の範囲で混合することができる。また、気泡調整剤としては、炭酸カルシウム、卵殻粉、貝殻粉、タルクから選択することができ、その含有量は０〜２質量％の範囲とすることができる。さらに、補助添加物としては、植物性油脂、グルテン、大豆タンパク質、乾燥卵白、ポテトパルプ、木粉、古紙粉末、パルプ、小麦、コーンファイバーから適宜選択することができ、その含有量は０〜１０質量％の範囲とすることができる。これらの補助添加物を発泡体に混合すると、製造される発泡体の耐水性や剛性を向上させることができる。
【００４８】
本発明の製造方法は、原料の融点より低い温度において、前記原料を射出方向へ搬送する搬送工程と、前記搬送された原料を加熱して、原料塊にし、該原料塊を混練することなく射出方向へ押し出す溶融工程と、前記押し出された原料塊を射出して発泡体を得る射出工程とを有する。
以下、搬送工程、溶融工程及び射出工程の順に説明する。
【００４９】
搬送工程では、原料の融点より低い温度において、原料を射出方向へ搬送する。搬送工程では、原料を射出方向へ搬送できれば特に制限はない。搬送工程では溶融工程への搬送が行われる。原料の搬送は、例えば、搬送用スクリュー３のスクリュー部３ａにより行われ、搬送用スクリュー３を一定方向に回転させることにより射出方向へ原料を連続的に搬送することができる。
【００５０】
溶融工程では、前記搬送工程から搬送された原料を加熱して、原料を原料塊にし、該原料塊を混練することなく射出方向へ押し出す。本発明の溶融工程は、例えば、本発明の製造装置における延長バレル４において行うことができる。
原料の射出方向への押し出しは、搬送工程からの原料の搬送に伴う押込力により行われ、例えば、本発明の製造装置における搬送用スクリュー３の押込力により行うことができる。
【００５１】
原料の加熱は、例えば、本発明の製造装置におけるプレヒーター７などを用いて行うことができる。加熱温度は、溶融工程で原料を原料塊とすることができ、かつ原料及び原料塊が炭化しない温度であることが望ましく、通常、１６０〜２００℃であることが適当であり、１７０〜１８０℃であることが好ましく、１７５〜１８０℃であることがさらに好ましい。
溶融工程における温度分布は、搬送工程側から射出工程側へ向かって、連続的又は段階的に変化することが望ましい。例えば、溶融工程における加熱温度を上記の１６０〜２００℃とした場合、搬送工程側が１６０℃であり射出方向へ向かって昇温し、射出工程側では１８０℃と連続的又は段階的に変化することができる。
【００５２】
本発明の製造方法の溶融工程における原料の流れを図３に示す。図３に示されるように、溶融工程において、搬送工程から搬送された原料は、プレヒーター７の加熱により直ちに溶融を開始し、原料塊２０を形成する。原料塊２０は、溶融状態の原料であり、原料よりも高密度化しており、いわば気密性の高い蓋として役割を果たす。このため、溶融工程で発生する水蒸気は、原料塊によって搬送工程側（スクリューバレル側）へ逆流するのを防止できる。これにより搬送工程内における搬送量と押込力とを一定に維持することができる。また、発生する水蒸気を射出工程へ原料塊と共に押し出すことができるため、射出工程での圧力を高めることができる。
【００５３】
原料塊２０は、順次、溶融工程に搬送される原料の押込力により徐々に射出方向へと押し込まれる。原料塊２０は、臨界点を超えた温度になると発泡を開始し、水蒸気を発生する。発泡を開始した原料塊は、さらに射出方向へと押し出され、射出工程へと移動する。この際、発生した水蒸気は、上述のように原料塊２０が形成されることにより搬送工程側へ逆流せず、常に射出方向へ排出される。
【００５４】
次に射出工程について説明する。射出工程では、溶融工程から押し出された原料塊を加圧し、射出ノズルから外部へ一気に射出して発泡体を得ることができる。射出工程における加圧は、例えば、本発明の製造装置における延長バレル４の押出力により行うことができる。また、射出工程では、原料塊をより発泡させるために、加熱して行うことが好ましい。加熱は、例えば、本発明の製造装置のダイ５の外周に設けられたヒーター１０を用いて行われる。温度の制御のしやすさを考慮すると、例えば、カートリッジヒーターなどを用いて、ダイ５の射出ノズル近傍を加熱することが望ましい。
【００５５】
射出工程における原料の加圧条件及び加熱条件は、発泡体の原料や発泡効率を考慮して適宜決定することができる。加熱時間は、加熱温度に応じて適宜決定することができ、例えば、２２０℃の加熱温度では、加熱時間は１０〜２０秒であるが好ましく、１２〜１６秒であることがより好ましく、１３〜１４秒であることが最も好ましい。また、加圧条件は、例えば、０．８〜２．５ＭＰａであることが好ましく、１〜２ＭＰａであることがさらに好ましい。
【００５６】
射出工程後の発泡体１１はそのまま使用することもでき、また商品の箱詰め時に適当な大きさに切断して使用することも可能である。また、切断機１３などを用いて所望の大きさに発泡体を切断することもできる。射出速度と発泡体の大きさ及び形状は、製造される発泡体の機能及び用途に合わせて適宜決定される。
【００５７】
本発明の製造方法及び製造装置は、各種商品の箱詰めなど各種の用途に使用できる発泡体を得るために好適に用いることができる。
【００５８】
【実施例】
本発明の製造装置と従来の製造装置（特許文献１に記載の装置）搬送量、生産量、原料ロス率及び得られた発泡体の比重を同一条件下で比較した。結果を表１に示す。
【００５９】
【表１】
表１より本発明の製造装置は、従来の製造装置よりも１分当りに２．２５倍の原料を搬送することができる。また、本発明の製造装置における生産量は、従来の製造装置の２．５倍であり、ロス率も従来の製造装置の約１／４と生産効率が優れていることが分かる。また、製造される発泡体も本発明の製造装置では軽くて良質のものが得られた。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明の製造方法は、搬送工程と射出工程との間に溶融工程を有する。この構成を有することにより、本発明であれば、従来の射出工程における原料の急激な溶融を起こすことなく、原料を射出でき、かつ高品質の発泡体を得ることができる。また、本発明の製造方法であれば、溶融工程において原料塊が形成されるため、押し出し途中で原料塊から発生する水蒸気の逆流を防ぎ、搬送工程における原料の付着・粘着を防止することができる。
【００６２】
また、本発明の製造装置は、スクリューバレルとダイとの間に延長バレルを有する。この構成により、本発明の製造装置であれば、延長バレル及びダイ内において一度に多量の原料の加熱溶融が可能である。さらに、本発明の製造装置では、延長バレル内に原料が搬送されると直ちに溶融が開始されるため、立ち上がり時間を削減でき、原料ロスを少なくすることができる。このため、本発明の製造装置であれば、発泡体の生産効率を大幅に向上することができる。
【００６３】
さらに、本発明の製造装置では、延長バレル内において原料塊が形成されるため、原料の加熱溶融に伴い発生する水蒸気のスクリューバレル側への逆流を防止できる。これにより本発明の製造装置であれば、スクリューバレル側での原料の付着・粘着もなく、安定した原料の搬送が可能となるため、ダイの溶融発泡室内の圧力も均一となり、良品質の発泡体が得られるほか、装置の安定した連続稼動が可能であり、かつ操作上の手間も大幅に軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造装置の断面概略図である。
【図２】本発明の製造装置のＩ−Ｉ面における背面図である。
【図３】本発明の溶融工程における原料の流れを説明するための説明図である。
【図４】従来の製造装置の断面概略図である。
【符号の説明】
１ 本発明の製造装置
２ スクリューバレル
３ 搬送用スクリュー
３ａ スクリュー部
３ｂ ロッド部
４ 延長バレル
４ａ 心棒
４ｂ 加熱溶融領域
５ ダイ
６ 溝
７ プレヒーター
８ 空気層
９ 射出ノズル
１０ ヒーター
１１ 発泡体
１２ 原料供給用シリンダ
１３ 切断機
１４ 開口部
２０ 原料塊
４１ ペレット供給用フィーダー
４２ スクリューバレル
４３ ペレット供給用スクリュー
４４ ダイ
４５ 溶融発泡室
４６ バンドヒーター
４７ 射出ノズル
Claims (8)
- 澱粉、澱粉部分加水分解物及び澱粉完全加水分解物からなる群から選ばれる少なくとも一種と水とを含む原料を加熱下に射出して発泡させることにより発泡体を得る発泡体の製造方法であって、
原料の融点より低い温度で前記原料を射出方向へ搬送する搬送工程と、
前記搬送された原料を加熱して、原料を溶融状態の塊（以下「原料塊」という）にし、該原料塊を射出方向へ押し出す溶融工程と、
前記押し出された原料塊を射出して発泡体を得る射出工程とを有することを特徴とする前記方法。 - 前記溶融工程における加熱温度が１６０〜１８０℃である請求項１に記載の方法。
- 澱粉、澱粉部分加水分解物及び澱粉完全加水分解物からなる群から選ばれる少なくとも一種と水とを含む原料を加熱下に射出して発泡させることにより発泡体を得る発泡体の製造装置であって、
原料の融点より低い温度で前記原料を搬送するための搬送用スクリューを内部に有するスクリューバレルと、
前記スクリューバレルの射出側先端に連結された延長バレルであって、内部に前記搬送用スクリューの射出側先端に連結された心棒を有する延長バレルと、
前記延長バレルの射出側先端に連結され、前記延長バレルから押し出された原料塊を射出して発泡させて発泡体を得るためのダイとを有し、
前記延長バレルは、前記心棒の外周面と前記延長バレルの内周面とにより挟まれた空間において、前記スクリューバレルから搬送された原料を加熱して原料塊にし、かつ前記原料塊を射出方向へ押し出すためのものであることを特徴とする発泡体の製造装置。 - 前記延長バレルが円筒状である請求項３に記載の製造装置。
- 前記心棒が円柱状である請求項３又は４に記載の製造装置。
- 前記延長バレルが前記スクリューバレルとの連結部分に断熱のための空気層を有する請求項３〜５のいずれか一項に記載の製造装置。
- 前記延長バレルがプレヒーターを有する請求項３〜６のいずれか一項に記載の製造装置。
- 前記延長バレルが少なくとも一つの溝を有する請求項３〜７のいずれか一項に記載の製造装置。
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|---|---|---|---|
| JP2003008722A JP2004216777A (ja) | 2003-01-16 | 2003-01-16 | 発泡体の製造方法及びその製造装置 |
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| JP2004216777A true JP2004216777A (ja) | 2004-08-05 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008106227A (ja) * | 2006-09-26 | 2008-05-08 | Nard Inst Ltd | セルロース含有生分解性樹脂組成物およびその発泡体 |
| KR100958592B1 (ko) | 2008-04-08 | 2010-05-18 | 주식회사 우진세렉스 | 사출성형기 노즐의 2단계 온도상승 제어방법 |
-
2003
- 2003-01-16 JP JP2003008722A patent/JP2004216777A/ja active Pending
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