JP2007502225A - 発泡体の製造 - Google Patents

Abstract

生物分解性ポリマー混合物を鋳型（１０）に入れ、鋳型でそれを加熱して発泡体を形成し、且つ鋳型を満たすことによって、発泡体を製造する。鋳型は、互いにかみ合う2つの対向する部品（１２、１４）の間に構成され、そのそれぞれの鋳型部品は導電性材料であり、且つその鋳造用表面は電気的絶縁材料（１６）の層で被覆されている。高周波信号をそれらの鋳型部品（１２、１４）の間に供給し（２５）、そのポリマー混合物を誘導加熱によって加熱し、それによって発泡体トレーが15秒以下で形成される。これは、加熱された鋳型を用いるよりも速いサイクル時間を提供する。高周波信号は、27.12MHz又は40.68MHzでよい。ポリマーは、スターチベースでよい。
【選択図】 図３

Description

発明の詳細な説明

本発明は、発泡体を製造するための方法及び装置、特に、限定はしないが、生物分解性又は水溶性ポリマー材料と共に製造されるものに関する。

近年、かなりの研究が、生物学的分解性ポリマー、例えばスターチに基づくものの開発に行われた。例えば、米国特許第5,705,536号（Tomka）は、スターチ発泡体が、粉末スターチを水と混合し、その水を蒸気に転化しながらその混合物を押し出し成形することによって、製造することができることを記載している。Tomkaは、熱可塑性スターチ、又は熱可塑性スターチを含むポリマー混合物を、そのような発泡体の製造において使用するのに有利となり得ることを示している。そのようなスターチは典型的に、1質量%よりも少ない水を含んでおり、Tomkaは、それを、湿気を含むラミー繊維などの繊維質材料と混合することを教示する。その混合物は、約200℃において押し出し成形することによって、発泡体へ転化することができる。得られた生成物の特性は、例えば可塑化剤及び潤滑剤をその混合物に加えることによって修飾されてもよい。米国特許第6,235,815B号明細書（Loercksら）に説明されているように、熱可塑性スターチは、グリセロール又はソルビトールなどの可塑剤の添加を伴う押し出し成形方法で均質化され、且つ120℃〜220℃の温度範囲内で溶解される、本質的に無水物であるスターチから製造することができる。熱可塑性スターチを、ポリカプロラクトンなどの他の生物分解性ポリマーと組み合せてもよい。Loercksらは、ポリマー混合物が、乾燥条件下において、脂肪族ポリエステルなどの疎水性ポリマーと直接混合された無水物スターチから製造され得ることを教示する。また、米国特許第6,494,704B号明細書（Andersenら）は、ボウル又はトレーなどの物品を製造するための鋳型プレスを記載しており、それらの物品は、オス及びメスの鋳型半体の間で形成され、且つ水も含み、及び繊維質及び無機充填剤も含んでもよいスターチベース組成物から製造され、前記鋳型は、170℃〜220℃に加熱される。鋳型は、鋼又は真鍮などの金属製でもよく、及びPTFEの汚れがこびりつかない被覆を提供されてもよい。生じる水蒸気のいくらかは、通気孔を通して逃すのが可能であり、一方でいくらかは、鋳型における材料の発泡膨張を引き起こす。30秒〜2分間の好ましい時間の後、鋳型半体を離し、発泡体をはずすことができる。より速い加熱サイクルが有益であることは、言うまでもない。

本発明では、生物分解性発泡体を製造するための方法であって、生物分解性ポリマー及び水を含むポリマー混合物を鋳型に入れ、その鋳型は互いにかみ合う2つの対向する部品の鋳造用表面の間に構成され、各鋳型部品は導電性材料であり、且つその鋳造用表面のそれぞれは電気的絶縁材料の層で被覆されており、高周波信号をそれらの鋳型部品の間に供給して、そのポリマー混合物を誘導加熱によって水が蒸気となるまで加熱することで、ポリマー混合物が15秒以下で、発泡体を形成し、鋳型に充填し、及び硬化する方法を提供する。

高周波供給源は、原則的に1MHz〜200MHz、通常は10MHz〜100MHzの周波数でよいが、厳密な制限がいかなる放出電波にも課せられる。従って実際には、周波数の選択はさらに制限され得る。例えば、供給周波数は、27.12MHz又は40.68MHzでよい。これは、ポリマー混合物のさらに速い加熱方法を提供するので、加熱、発泡及び硬化に15秒以下、好ましくは5〜10秒を必要とする。

本発明は、さらにポリマー混合物から発泡体を製造するための装置を提供し、その装置は、互いにかみ合う2つの対向する部品の鋳造用表面の間に構成される鋳型を含み、各鋳型部品は導電性材料からなり、且つその鋳造用表面のそれぞれは電気的絶縁材料の層で被覆されており、及び鋳型部品の間に高周波信号を供給し、それらの鋳型部品の間にあるポリマー混合物を誘導加熱によって加熱することになる。

鋳造用表面を被覆するのに用いられる電気的絶縁材料は、好ましくは誘導加熱されないもの、例えばPFA（ペルフルオロアルコキシアルカン）である。シリコンゴムも好適であり、良好な熱及び電気装置を提供する。表面をPTFEで被覆するのも有益であり、これはいったん硬化した発泡体の取り外しを容易にする。電気的絶縁材料の層は、好ましくは2mm以下の厚みである。

ポリマー混合物は水を含み、この水は加熱すると蒸気を形成する。すなわち、他の発泡剤を用いない。ポリマー混合物は、好ましくはスターチベースポリマーであり、熱可塑性スターチを含んでもよい。よく発泡させるためには、蒸気が生成するように型内の圧力が高くなることが重要であり、そのために蒸気を自由に排出してはならない。

本発明を、ここで単に例証として、且つ添付する図面を参照して、さらに詳細に記載する。

図１及び２を参照すると、発泡スターチベースポリマー材料のトレーを製造するための装置１０は、上部及び下半分、それぞれ１２及び１４を含み、これらは互いにかみ合い、それらの間に狭い空洞１５を残し、そこでトレーが形成されることとなる。それぞれの鋳型半体１２及び１４は真鍮製であり、且つそれぞれは、空洞１５に対向する全表面上に、PFA電気的絶縁体の被覆１６を有する。図１に示されるように分離された2つの鋳型半体１２及び１４を用い、ポリマー材料を下半分１４に入れ、次に上半分１２をその位置まで下げる。下半分１４にある電気的絶縁アルミナの外周リッジ１８は、傾斜した内面を有し、上半分１２にある対応する形状の外周縁に接触して、空洞１５が均一な厚み2.5mmであり、且つ鋳型半体１２及び１４が正しく位置合わせされる。次に、高周波信号を2つの鋳型半体１２及び１４の間に供給し、これらの鋳型半体が電極として作用する。アルミナリッジ１８は、高周波信号が確実に空洞１５全体に集中するようにする。ポリマー材料が熱くなり、水がポリマー混合物中で沸騰することで、材料は空洞１５の全体を満たす発泡体となる。

外周リッジ１８に直接隣接して、上の鋳型半体１２は、狭い溝を通じて鋳型空洞１５と係合する外周凹部２０を構成する。いくつかの細いダクト２２（その一つを示す）が、この外周凹部２０から上半分１２に通して伸びている。熱いポリマー混合物からの蒸気は、外周凹部２０内に漏れ、それによって細いダクト２２を通して排気することができるが、ダクト２２は蒸気の流れを制限するので、空洞１５内の圧力は、ポリマーが発泡するように速やかに上昇する。例えば、10気圧よりも高く上昇し得る。これは、蒸気及びポリマー混合物が、約185℃よりも高い温度に到達するのに相当する。約8秒後、ポリマー混合物は、自立（self-supporting）トレーを形成し、2つの半体を再び分離してトレーを取り外す。

そのような装置を、適切な形状の鋳型を用いることによって、広い範囲の異なる製品を製造するのに用いてもよく、その製品を、いかなる所望の形状にしてもよいものと理解される。例えば、多区画トレー、円形又は正方形のプレート又はボウル、又はカップ、又は直線状のふちに沿ってヒンジで一緒にされた2つのシェルから形成されるクラムシェル（clam-shell）容器をつくるのに用いてもよい。装置は一つの鋳型のみを含むように示したが、その代わりに、配列を形成するいくつかの鋳型であって、全ての鋳型が、共通の高周波供給源に接続されているものでもよいと理解される。

図３を参照すると、電気回路が図式で示されている。ソリッドステート装置である高周波信号発生装置２５は、同軸ケーブル２６を介してマッチング回路２８に高周波信号を供給し、そこから、信号は同軸ケーブル３０を介して、上鋳型半体１２に供給され、下鋳型半体１４は接地されている。マッチング回路２８を、さらに詳細に示す。信号は可変コンデンサー３２、インダクター３３、及び可変コンデンサー３４を通り、ケーブル３０を通過する。モニタリング回路（示さず）は、高周波電流及び電圧を監視し、発生装置２５にあるインピーダンスを50オームほどの一定値にとどめるよう、可変コンデンサー３２及び３４の値を調整する。コンデンサー３２及びインダクター３４の間にある接合器は、コンデンサー３６を通ってアース電位に接続されており、このコンデンサー３６の有効電気容量は調整することができる。これは、電流の通じた電極（上部の鋳型半体１２）と、対向するアースされた電極（下部の鋳型半体１４）との間に供給される高周波電圧、及び供給されるRF電流を微細に調整する効果を有する。従って、鋳型半体１２及び１４の間に実際に供給される電力を制御する。

ポリマーは生物分解性でなければならいが、その性質は本発明にとって重要ではなく、好ましくは少なくとも部分的にスターチベースである。ポリマーは、熱可塑性スターチを含んでもよいが、これは大量の水を含んではならないので、発泡体を形成するために必須な水を提供する別の成分を含んでいる必要がある。熱可塑性スターチを用いる利点は、得られる発泡体が、生物分解性ではあるが、水に容易に溶解しないということである。それとは別に、ポリマーは、水と反応することによって少なくとも部分的にゼラチン化されたスターチ顆粒を含んでもよい。その混合物は、塩（例えばNaCl）を含むことでその導電率を変えてもよく、また、ソルビトールなどの可塑剤を含んでもよい。ポリマー混合物は、他のポリマー材料を含んでもよく、また、補強繊維、例えば麻又は綿又は他の植物からつくられるようなセルロース有機繊維を含んでもよい。それらの繊維は、生じる発泡製品を強化するが、繊維の濃度が好ましくは約50%を超えず、好ましくは全質量の25%以下である。ポリマー混合物は、フィルム、顆粒、ペレット、予成形品又は糊状混合物の形態で鋳型内に入れられてもよく、湿った外観でもよいと理解される。

例えば、発泡スターチトレーを、等しい質量のコーンスターチ（コーンフラワー）と水とを混合することによって製造した。次に、この混合物を、上記の鋳型（ただし、空洞１５が厚み2mm且つ直径110mm）に入れた。高周波エネルギーを供給したとき、そのスターチ混合物は発泡し、空洞を満たす発泡トレーが製造された。体積増加は、3倍よりも多い。

装置は種々の方法によって修正されてもよく、例えば、電気的絶縁体の被覆１６の厚みを、20〜50μmとしてもよいと理解される。また、上記のように、鋳型形状は、所望の製品の形状に依存する。ヒンジを含む製品（例えばクラムシェル容器）を製造するときは、ヒンジを、ポリマー非発泡材料の小板（例えば、ヒドロキシプロピルメチルセルロースの小板）を混合物と共に鋳型に配置して、その混合物を発泡体に形成し、ヒンジの小板を、ヒンジのそれぞれの側の発泡体部分と一体化させて提供してもよい。

分離されたときの、鋳型上及び下半分の断面図。 鋳型内において発泡体製造中である、図１に対応する図。 鋳型を含む当該装置の電気回路の線図。

符号の説明

１０ 装置
１２ 上半分
１４ 下半分
１５ 空洞
１６ 被覆
１８ 外周リッジ
２０ 外周凹部
２２ ダクト
２５ 発生装置
２６ 同軸ケーブル
２８ マッチング回路
３０ 同軸ケーブル
３２ 可変コンデンサー
３３ インダクター
３４ 可変コンデンサー
３６ コンデンサー

Claims (8)

1. 生物分解性発泡体を製造するための方法であって、生物分解性ポリマー及び水を含むポリマー混合物を鋳型に入れ、当該鋳型は互いにかみ合う2つの対向する部品の鋳造用表面の間に構成され、各鋳型部品は導電性材料であり、且つ前記鋳造用表面のそれぞれは電気的絶縁材料の層で被覆されており、高周波信号を前記鋳型部品の間に供給して、そのポリマー混合物を誘導加熱によって水が蒸気となるまで加熱することで、ポリマー混合物が15秒以下で、発泡体を形成し、鋳型に充填し、及び硬化する、方法。
2. 高周波信号が、ポリマー混合物が10秒以下で、発泡体を形成し、鋳型に充填し、及び硬化するように供給される、請求項１記載の方法。
3. 高周波信号が、20MHz〜50MHzの周波数で供給される、請求項１又は２に記載の方法。
4. ポリマー混合物の少なくとも一部が、スターチベースである、請求項３記載の方法。
5. 鋳型における圧力が、発泡工程中に、10気圧よりも上昇する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. ポリマー混合物から発泡体を製造するための装置であって、互いにかみ合う2つの対向する部品の鋳造用表面の間に構成される鋳型を含み、前記各鋳型部品は導電性材料からなり、且つ電気的絶縁材料の層で被覆されており、前記鋳型部品の間に高周波信号を供給することで、前記鋳型部品の間にあるポリマー混合物を誘導加熱によって加熱する、装置。
7. 鋳造用表面を被覆するのに用いられる電気的絶縁材料が、誘導加熱されないものである、請求項６記載の装置。
8. 鋳型部品が一緒になるときに、それらが、鋳型を構成する間隙よりも厚い電気的絶縁体によって、離されて保持される、請求項６又は７に記載の装置。

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