JP2009515734A - ポリ乳酸ベースの容器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

ポリ乳酸シート材料から作られる、可撓性折り線を備えた容器用ブランクを形成するための工程。工程においては、容器用ブランクとして使用するのに好適なポリ乳酸材料のシートは、形成工具と略平坦な面との間に配置されている。形成工具の温度は、ポリ乳酸シートの軟化温度と溶解温度との間の温度に維持されている。次いで、高周波の電界が、形成工具及び平坦面との間に作られ、よって、形成工具をシートの厚さの少なくとも２５％の深さまでシートに押し込み、工具の反対側に隣接したシートに隆起部を形成する間に、それらの間に挟まれたポリ乳酸シートの所定の部分を加熱する。次に、ポリ乳酸シートは、略平坦な状態に維持しつつ冷却される。その後、容器は、折り目がついたポリ乳酸シートを使って形成される。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、「容器用ブランク及びこの容器用ブランクの形成方法」の名称で、２００５年１１月１０日に出願された米国仮出願６０／７３５，９３１号及び「２軸配向されたポリ乳酸ベースの容器及びこの容器の製作方法」の名称で２００６年４月１０日に出願された米国仮出願６０／７９０，６２３号の優先権を主張しており、これらの明細書の開示は、その全体の参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、容器及びパッケージを対象とし、更に詳しくは、生物分解性のポリマーシート材料である、ポリ乳酸（Polylactic Acid，ＰＬＡ）で作られた容器用ブランク及びパッケージを形成するための方法を対象とする。

現在、プラスチックは、パッケージ産業によって大量に使用されている。プラスチックパッケージは、湿気、ごみに対する保護、衛生状態の防護を提案し、人を引きつける製品を提供している。今日、パッケージのための多くの異なるタイプの石油ベースのプラスチック、例えば、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、グリコール変性ポリエステル（ＰＥＴＧ）、非晶質ポリエチレンテレフタラート（ＡＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、等が使用されている。しかし、プラスチック廃棄物の環境影響への世界的関心が増しており、代わりとなる処分方法は、限られている。また、石油資源には限りがあり、限界を迎えようとしているため、石油ベースのプラスチックシート材料のコストは上昇している。

継続的に増している石油ベースのプラスチックによって生じる環境影響に対する懸念が、ポリエチレン及びポリスチレン等のような従来の非分解性ポリマーに代わる生分解性ポリマーに関する調査を促進している。Cargill Dow有限責任会社は、ポリ乳酸（ＰＬＡ）と呼ばれる新しいプラスチック材料を開発しており、この材料は植物中の糖質から得られ、その完全所有子会社であるNature Works 有限責任会社によって製造されている。

これまで、ＰＬＡは、押出しプラスチック容器、カップ及びボトルを製造するために使用されていたが、材料の脆弱性によって、及び従来の技術を使用してシート／フィルム材料に折り線を形成することができないことによって、折りたたみブランクから作られる箱又は容器のための素地として使用されることはなかった。

プラスチックシートに折り線を形成するための、ナイフ刻み目（knife-scoring）、ラジオ周波数（ＲＦ）軟質折り目付け（radio frequency soft creasing）、及び極小のミシン目（micro-perforation）のような、いくつかの技術が知られている。熱可塑性シートに折り線を作るための１つの方法は、特許文献１に記載されている。この方法によれば、ナイフエッジが、プラスチックの溶融温度より高い温度に抵抗加熱され、このエッジがプラスチックシートに押し込まれる。

この特許に記載の説明に反して、所望の角度にするためには、折られたエッジにおける跳ね返り弾力が避けられないということがわかっている。これが、ナイフエッジとプラスチックとの間の接触面に沿って最高温度が見られるという事実によることであるのは明らかである。ここから、プラスチック材料の内部に向かって、温度が減少している。

ポリマー素地に折り目をつけるための別の技術がSeufertによる特許文献２に開示されており、その全体の参照により本明細書に組み込まれている。このSeufert特許には、交互に深さが違う溝状のくぼみを使用して、材料内に折り線を作り出す、機械的折り目付け手順が開示されている。

パッケージ用途のための、プラスチック素地の軟質折り目付けが望まれている。なぜならば、この折り目により、パッケージの角部又はヒンジ部は、破断することなしに何回も折り曲げることができるようになり、繰り返しの曲げの結果として、強く折り目がつけられたポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）のように白くなることがないからである。軟質折り目は、刻み曲げ比（score bend ratio）によって定義することができ、この比は曲げ剛性の基準であって、折り目がつけられていない同一の素地を９０（度）に曲げるのに必要な力で割った折り目において折り目がつけられた素地を９０（度）の角度に曲げるのに必要な力として定量化することができる。典型的に、軟質折り目は、約０．２から約０．４の折り曲げ比を有している。

その全体の参照により本明細書に組み込まれている特許文献３には、熱可塑性シートの軟質折り目付けのための技術が開示されており、この技術では、折たたみ箱において、それらを展開する間に、不便な跳ね返り弾力は少しも生じることはない。開示されている技術は、熱可塑性シートの溶解温度より低い温度に維持されている、折り線又はエッジ形成工具を利用している。エッジ形成工具が、好適には少なくとも材料の厚さの２５％の深さまで熱可塑性シートに押し込まれるとき、高周波数の電界が、エッジ形成工具と金敷（anvil）又は対向する工具（counter tool）との間に構築される。熱可塑性シートは、次いで、曲げられる又は折りたたまれる前に、冷却させられる。

それゆえ、伝統的な石油ベースのプラスチックに代わる、ＰＬＡのような生分解性材料から作られる容器用ブランク及びパッケージの要求がある。更に、生分解性材料から作られる容器用ブランクを製造するための、経済的な方法に対する要求もある。
独国特許発明第２２３６６１７号明細書 米国特許第５７４１５７０号明細書 米国特許第４３４８４４９号明細書

本開示は、ポリ乳酸シート材料から作られる、可撓性折り線を備えた容器用ブランクを形成するための工程を対象としている。開示された工程においては、容器用ブランクとして使用するのに好適なポリ乳酸材料のシートは、形成工具と略平坦な面との間に配置されている。形成工具の温度は、ポリ乳酸シートの軟化温度と溶解温度との間の温度に維持されている。次いで、高周波の電界が、形成工具及び平坦面との間に作られ、よって、形成工具をシートの厚さの少なくとも２５％の深さまでシートに押し込み、工具の反対側に隣接したシートに隆起部（bulge）を形成する間に、形成工具と平坦な面との間に挟まれたポリ乳酸シートの所定の部分を加熱する。次に、ポリ乳酸シートは、略平坦な状態に維持しつつ冷却される。その後、容器は、折り目がついたポリ乳酸シートを使って形成される。

また、本開示は、ＰＬＡシート材料から作られる容器を成形する方法を対象としている。ＰＬＡ材料は、２軸配向されていることが現在のところ好ましい。開示された方法においては、ＰＬＡ材料で作られた容器用ブランクは、複数のフラップ、複数のパネル、及び複数の折り線を備えた容器用ブランクを形成するように寸法を定められ、切断され、刻み目をつけられる。次いで、容器用ブランクの第１部分に接着剤が塗布され、容器用ブランクが折られ、よって前記容器用ブランクの第１部分は接着剤によって容器用ブランクの第２部分と固定されて、少なくとも１つの開口端を備えた容器を形成する。ＰＬＡ容器用ブランクには、以下に詳細に記述するＲＦ軟質折り目付け手順を使用して折り目がつけられる。

２軸配向のポリ乳酸材料は、現在、摂氏約１１０度から摂氏１３０度の温度で、アニール（anneal）されることが好ましい。加えて、所定の好適な実施形態においては、２軸配向されたポリ乳酸材料は、機械方向においては、約１．５から約５の比率まで、交差方向においては、約１．５から約５の比率まで、引き伸ばされている。

また、本開示は、２軸配向されたポリ乳酸紙素地を含んでいる容器用ブランクを対象としており、前記素地は、カレンダー法又は押出法によって形成され、複数のフラップ、複数のパネル、及び複数の折り線を備えた容器用ブランクを形成するように寸法を定められ、切断され、刻み目をつけられる。

本発明の方法は、折たたみ箱用ブランクの用意に限定されず、様々な別の折たたみ包装材料、折たたみの底部又は頂部を備えた箱及び別の類似の物品の製造においてもまた使用することができる。加えて、耐衝撃性及び実用範囲内の溶融温度のような必要な物理特性が満たされるのであるならば、特定のプラスチック材料であることは重要ではない。

本発明は、石油ベースプラスチックの代わりとして、数ある中でも、生分解性プラスチックから作られるパッケージを作るための方法を提供することによって、前述の要求を満たしている。

開示された付随する発明に関する当業者であれば、発明に開示された容器を作り、かつ使用する方法を、図面を参照してより容易に理解することができるだろう。

本発明の容器用ブランクの、これら及び別の特徴は、好適な実施形態の以下の詳細な記述から、当業者であればより容易に理解されるようになるであろう。

今、本開示の好適かつ代表的な実施形態を詳細に記述する目的のために、添付の図面を参照する。図面及び添付の詳細な記述は、代表的な方法を記述及び図示するように提供されており、開示された題材は作ることができる、及び使用することができるが、その範囲を制限することを意図したものではない。

今、本発明による代表的な容器用ブランク１００を図示した図１〜４を参照する。ブランク１００は、２軸配向されたＰＬＡ材料の単一のシートから形成されており、４枚のメインパネル１０，１２，１４，１６を有している。接着フラップ１８がパネル１６に固定された状態で示されている。また、メインパネル１０，１２，１４，１６を互いに区分する、及びブランク１００の残余部を区分する折り線４０が図示されている。また、メインパネル１２及び１６は、第２折り線４２を含んでいる。

フラップ２０，２２，２４，２６が、メインパネル１０，１２，１４，１６それぞれの一端に固定されて示されており、フラップ３４は、メインパネル１４（フラップ２４の反対側）に固定されて示されている。容器用ブランクのための、多くの別の形状及び構成が可能であることが理解される。例えば、容器は、図示したものより多い又は少ないメインパネルを有することができ、同様に、図示したものより多い又は少ないフラップを有することができる。

図１〜４の容器用ブランク１００は、容器用ブランクの一般的な図として、提供されている。また、容器用ブランクは、ブリスター容器又はパッケージ用貝型容器と結合するように設計することができることも、更に理解されるべきである。その上更にまた、容器用ブランクは、別の箱、容器、パッケージ、又は製品の周りを包むように設計することができる。加えて、容器用ブランクは、１以上の開口を有することができる。例えば、容器は、また、使い捨てカミソリ又は錠剤を収容するブリスターパッケージを固定する折りフラップを有することもできる。更に、任意の開口は透明素材で覆うことができる。

図２及び３は、その頂部付近に配置された開口端を有している容器に折られた容器用ブランク１００を図示している。図４は、ブランク１００を使用して作られた、完全に組立てられた容器を図示している。

ＰＬＡのようなポリマーフィルム素材に一般的に使用される製造方法は、ポリマーを溶融吹き込み（melt blowing）、溶融成型（melt casting）、及び１軸又は２軸延伸（配向）する方法である。吹き込み及び成型によるフィルムは、ポリマー内に低レベルの分子配向を有しており、それゆえ、引張りに対して比較的弱く、非常に伸張性があるが、素晴らしい引き裂き及び衝撃抵抗度を有している。本願の発明者は、実験を通じて、現在利用できる成型押出しＰＬＡシート材料は、カートン用ブランク（carton blank）として使用するために必要とされる物理的及び熱的安定性を有していないということを突き止めている。

ＰＬＡの２軸配向又は、「引張り」は、材料に対して特有の特徴を与え、その結果のフィルムは、厚さが著しく減少する。引張りの結果、分子配向が著しく増加し、物理特性は劇的に向上する。伸び、引裂き抵抗、及び気体及び液体浸透性は低下するものの、引張り強さ及び剛性は、両方向において劇的に高まる。

２軸配向ＰＬＡ（機械方向において３．５の比率（3.5x in Machine Direction）及び走行方向において５の比率（5x in Travel Direction））用の典型的な材料及び利用特性は、表１に提供されている。

ＰＬＡ材料を２軸配向することで、カートン製造おいて使用するために必要な最終的な特性を有する素地が作り出される。好適には、ＰＬＡシートは、機械方向において１．５〜５の比率まで及び交差方向又は走行方向において１．５〜５の比率まで引き伸ばされ、２軸引張り工程の間にアニールされる。アニールは、摂氏１１０度から摂氏１３０度の範囲で行われるべきである。上で特定された比率及びアニール温度においてＰＬＡ材料を２軸配向することは、材料のひどい歪み又は劣化なしに、フィルムに、（ＲＦ軟質折り目付け、極小のミシン目、又は別の機械的技術を使用して）印刷、切断、及び折り目をつけることを可能にする。材料を２軸配向することは、寸法安定性を高め、この安定性がより良い方向性のある強度を導く結果となる。更に、ＰＬＡ素地を２軸配向することによって、０．０１０インチのＰＬＡシートが、２キャリパーポイント分（caliper points）厚いＰＶＣ又はＡＰＥＴと同一の剛性を有するようになる（すなわち０．０１０インチのＰＬＡ素地が、０．０１２インチのＰＶＣ又はＡＰＥＴに対応する）。

上で示したように、２軸配向ＰＬＡ材料は、ＲＦ軟質折り目付けを使用して折り目をつけられる。しかし、ＰＶＣ材料、ＡＰＥＴ及びポリプロピレンのような別の石油ベースのプラスチックに軟質折り目をつけることは、ＲＦ折り目付け技術を使用して、うまく折り目がつかないことが知られている。本願の発明者は、ＰＶＣはうまく軟質の折り目をつけることを突き止めた。なぜなら、ＰＶＣは、約４から約８の範囲の誘電率を有する、比較的極性を有する分子であるからである。より高い誘電率は、より強い極性及びより強いＲＦエネルギー吸収力を示す。ＲＦエネルギーは、刻み目又は折り目の範囲において、軟化点まで素地を加熱し、材料の再固化が耐久性のある再折り曲げ可能なヒンジ又は角部を生じさせる。ＡＰＥＴの誘電率は、ＰＶＣよりも著しく低く（例えば約２．５から約４．５）、その結果、ＲＦの適用によって、軟質折り目をつけることは容易ではない。しかしＰＬＡは、約１．０の誘電率を有しており、予想に反して、本願の発明者によるＲＦ技術を使用して、容易に折り目がつけられている。

図５は、ＲＦエネルギーを使用してＰＬＡ材料のシートに折り線を形成するための、代表的な装置の斜視図を提供している。形成工程において、容器用ブランクとして使用するのに好適なポリ乳酸材料のシート２００は、形成工具２１０と略平坦な面２２０との間に配置されている。形成工具２１０の温度は、ポリ乳酸シート２００の軟化温度と溶融温度との間の温度に維持されている。次いで、高周波の電界が形成工具２１０及び平坦面２００との間に作られ、よって、形成工具をシートの厚さの少なくとも２５％の深さまでシートに押し込み、工具の反対側に隣接したシートに隆起部を形成する間に、それらの間に挟まれたポリ乳酸シートの所定の部分を加熱する。次に、ポリ乳酸シート１００は、略平坦な状態に維持しつつ冷却される。その後、折り目がついたポリ乳酸シートを使って、容器が形成される。

上で示したように、本方法においては、ＲＦ軟質折り目付け工程において使用されるエッジ形成工具の温度は、２軸配向ＰＬＡシートの溶融温度より低く維持されている。更に、本発明者は、実験を通じて、アルミニウムから作られたエッジ形成工具を使用することが好適であることを突き止めた。アルミニウムの使用は、複合材料（例えばポリエステル織物（polyfabric））から作られた従来のエッジ形成工具と比較して、ＲＦエネルギーがＰＬＡ材料の中へより良く分配されるのを可能にする。

生分解性プラスチックシートの溶融温度は、表１及び／又はプラスチック製造者の工程指示書から得ることができる。特許文献３に示されているように、また、冷えたエッジ形成工具、すなわち室温に維持されている工具の表面によっても、本発明の工程を実施することは可能である。最良の結果のために、エッジ形成工具の温度は、熱可塑性シートの軟化温度より高い温度に維持されている。熱の上昇に必要なプラスチックの分子の振動が活性化されるため、プラスチックの軟化温度と溶融温度との間の温度が、最も有利である。温度勾配がエッジ形成工具の表面から始まらないということではなく、むしろ、最高温度が、材料内部に生じていることが重要である。これは、高周波数の電界の使用によって達成することができ、エッジ形成工具の押圧（impression）の深さとの組合せることで、詳細に後述されるように、独自の折り線断面を生じさせる。

加熱するために高周波数の電界を使用することによって、ＰＬＡプラスチックシートの外側表面は、その硬度を維持する。加えて、プラスチック材料の内部の細長い片だけが溶解し、表面がエッジ形成工具によって共にプレスされた場合に、溶融したプラスチックは、僅かに横移動し、隆起部（bulge）を形成し、この隆起部は、独特の断面及び独特の曲げ性質の折り線をもたらす。

ＲＦ軟質折り目付けを使用して作られた折り線は、厚紙（cardboard）の箱と同一の方法で組立てることができる、２軸配向のＰＬＡポリマーシートを材料とした箱用ブランクを作ることを可能にしている。箱用ブランクは、いかなる跳ね返り弾力も示さず、よって、これらの箱用ブランクは、通常の厚紙及びパッキング機械上で処理を行うことができ、このようにして、厚紙及び熱可塑性の箱を交互に処理することを可能としている。新規の設備の製造又は購入のために、多額の支出を必要とすることがないため、この有利点は重要である。

本発明の好適な実施形態においては、ドイツ連邦郵政事業の規則に従って、電界の周波数は２７．５ＭＨｚとしている。ＰＬＡフィルムと接触状態での、２７．５ＭＨｚにおけるＲＦ誘起ダイの使用は、ＰＬＡを作り上げる−ＯＨ及び−ＣＯＯＨ基の極を活発に振動させる。

しかし、周波数は、８０又は９０ＭＨｚまで高めることができる。所定の材料であれば、周波数が高くなるほど、工程が速くなる。与えられた周波数が２７．５ＭＨｚであると、高周波数の押圧はおよそ１秒を必要とし、それに続く冷却に更におよそ１秒を必要とする。従って、折り線は約２秒で作られる。

ＲＦ軟質折り目付けによる複数の刻み線を有するＰＬＡプラスチックシート材料から作られた容器用ブランクの平面図である。 図１の容器用ブランクから作られた、部分的に組立てられた容器／カートンの前部の斜視図である。 図１の容器用ブランクから作られた、部分的に組立てられた容器／カートンの後部の斜視図であって、ブランクの端フラップが容器の後部パネルに接着されている。 図１の容器用ブランクから作られた完全に組立てられた容器／カートンの前部の斜視図である。 ＲＦエネルギーを使用してＰＬＡ材料のシートに折り線を形成するための代表的な装置の斜視図である。

符号の説明

１０ メインパネル
１２ メインパネル
１４ メインパネル
１６ メインパネル
１８ 接着フラップ
２０ フラップ
２２ フラップ
２４ フラップ
２６ フラップ
３４ フラップ
４０ 折り線
４２ 第２折り線
１００ 容器用ブランク
２００ ポリ乳酸シート
２１０ 形成工具
２２０ 平坦面

Claims (13)

1. ａ）容器用ブランクとして使用するのに好適なポリ乳酸シートを供給するステップと、
   ｂ）少なくとも１つの形成工具及び略平坦な面を供給するステップと、
   ｃ）前記ポリ乳酸シートを前記形成工具と前記平坦な面との間に配置するステップと、
   ｄ）前記形成工具の温度を、前記ポリ乳酸シートの軟化温度と溶解温度との間の温度に維持するステップと、
   ｅ）前記形成工具と前記平坦な面との間に高周波数の電界を作り出すことで、少なくとも前記シートの厚さの２５％の深さまで前記形成工具を前記シートに押し込み、前記工具の反対側に隣接した前記シートに隆起部を形成する間、前記形成工具と前記平坦な面との間の前記ポリ乳酸シートを加熱するステップと、
   ｆ）前記ポリ乳酸シートを、略平坦な状態に維持しつつ冷却させるステップと、
   ｇ）その後、前記シートから折りたたみ容器を形成するステップと、
   を具備している、ポリ乳酸シート材料から作られた、可撓性折り線を有している容器用ブランクを形成するための工程。
2. 前記少なくとも１つの形成工具は、アルミニウムで作られていることを特徴とする請求項１に記載の工程。
3. 前記ポリ乳酸シートは２軸配向されていることを特徴とする請求項１に記載の工程。
4. 前記２軸配向されたポリ乳酸シートは、摂氏約１１０度から摂氏１３０度の温度でアニールされることを特徴とする請求項３に記載の工程。
5. 前記２軸配向されたポリ乳酸シートは、機械方向においては約１．５から約５の比率まで、交差方向においては約１．５から約５の比率まで、引き伸ばされていることを特徴とする請求項３に記載の工程。
6. ａ）ポリ乳酸材料で作られている容器用ブランクを供給するステップであって、前記ポリ乳酸材料は、複数のフラップ、複数のパネル、及び複数の折り線を備えた容器用ブランクを形成するように寸法を定められ、切断され、刻み目をつけられている、ステップと、
   ｂ）前記容器用ブランクの第１部分に接着剤を塗布するステップと、
   ｃ）前記容器用ブランクの前記第１部分が前記接着剤によって前記容器用ブランクの第２部分に固定され、少なくとも１つの開口端を備えた容器を形成するように、前記容器用ブランクを折りたたむステップであって、前記第１及び第２部分は前記容器用ブランクの一体的に関連した部分である、ステップと、
   を具備していることを特徴とするポリ乳酸シート材料から作られた容器を形成する方法。
7. 前記容器用ブランクは、２軸配向されたポリ乳酸で作られていることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. ａ）少なくとも１つの形成工具及び略平坦な面を提供するステップと、
   ｂ）前記２軸配向されたポリ乳酸材料を前記形成工具と前記平坦な面との間に配置するステップと、
   ｃ）前記形成工具の温度を、前記２軸配向されたポリ乳酸材料の軟化温度と溶解温度との間の温度に維持するステップと、
   ｄ）前記形成工具と前記平坦な面との間に高周波数の電界を作り出すことで、少なくとも前記材料の厚さの２５％の深さまで前記形成工具を前記材料に押し込み、前記工具の反対側に隣接した前記材料に隆起部を形成する間、前記形成工具と前記平坦な面との間の前記２軸配向されたポリ乳酸材料を加熱するステップと、
   ｅ）前記２軸配向されたポリ乳酸材料を、略平坦な状態に維持しつつ冷却するステップと、
   ｆ）その後、前記シートから折りたたみ容器を形成するステップと、
   を具備しているＲＦ軟質折り目付け手順を使用して、前記容器用ブランクに刻み目をつけることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記２軸配向されたポリ乳酸材料は、摂氏約１１０度から摂氏１３０度の温度でアニールされていることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記２軸配向されたポリ乳酸材料は、機械方向においては約１．５から約５の比率まで、交差方向においては約１．５から約５の比率まで、引き伸ばされていることを特徴とする請求項７に記載の方法。
11. 少なくとも１つの前記形成工具は、アルミニウムで作られていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. ２軸配向されたポリ乳酸紙素地を備える容器用ブランクであって、前記素地はカレンダー法又は押出法によって形成され、複数のフラップ、複数のパネル、及び複数の折り線を備えた容器用ブランクを形成するように寸法を定められ、切断され、刻み目をつけられている容器用ブランク。
13. 乳酸の単一のＤ又はＬ異性体又はその混合体から形成される合成紙素地であって、前記素地はカレンダー仕上げされ、複数のフラップ、複数のパネル、及び複数の折り線を有している容器用ブランクを形成するように寸法を定められ、切断され、刻み目をつけられている合成紙素地、を備えている容器用ブランク。

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