JP2011510106A - Inorganic particle additives surface treated to increase polymer toughness - Google Patents

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Abstract

バイオプラスチック組成物は、10重量%乃至40重量%の被覆された無機粒子を含むバイオポリマーを含んでいる。その粒子は、脂肪酸、脂肪酸誘導体、ロジン、ロジナート、ポリオレフィン系ワックス、オリゴマーおよびミネラル・オイル、およびこれらの組合せ、の中の1つ以上のもので被覆されている。それによって、剛性および靱性が改善され、結晶化速度が改善された。それは、押出し成形、射出成形、および熱成形に有用である。The bioplastic composition includes a biopolymer comprising 10% to 40% by weight of coated inorganic particles. The particles are coated with one or more of fatty acids, fatty acid derivatives, rosins, rosinates, polyolefin waxes, oligomers and mineral oils, and combinations thereof. Thereby, the rigidity and toughness were improved and the crystallization rate was improved. It is useful for extrusion, injection molding, and thermoforming.

Description

本発明は、ポリマーの組成(compositions:配合、組成物、配合物)におけるまたはそれに関連する改良に関する。特に、本発明は、バイオポリマー(生重合体、生物高分子)材料(物質)を含むバイオプラスチック・システムであって、そのバイオポリマー材料が生分解性(biodegradable:生分解可能)でありおよび/または再生可能(renewable)資源から生成され(derived)および充分な改善された強度を有するものであるバイオプラスチック・システムに関する。   The present invention relates to improvements in or related to the composition of polymers (compositions, compositions, formulations). In particular, the present invention is a bioplastic system comprising a biopolymer (biopolymer, biopolymer) material (substance), wherein the biopolymer material is biodegradable and / or Or it relates to a bioplastic system that is derived from renewable resources and has sufficiently improved strength.

その改善された強度(strength)は、剛性(stiffness)と靱性(toughness:強靱性、堅牢性、硬度)の組合せによって表される(manifest)。一実施形態において、その改善された強度によって、そのポリマーは、フィルム(膜)として処理することが可能となり、経済的に魅力的な薄い厚さで使用することが可能となる。また、それ(改善された強度)によって、例えば食品トレイのような熱成形された(thermoformed)物品を薄い材料から製造または生産することが可能になる。プラスチック・フィルムは多数の用途があり、フィルムの製造および使用の経済性は、頻繁に、或る機械的特性(mechanical properties:力学的特性)を付与するのに必要なフィルムの厚さによって支配され(その影響を受け)る。所望の特性を与えるフィルムが薄ければ薄いほど、良好である。また、本発明によって、バイオポリマーの結晶化動力学(kinetics:反応速度(論))を改善することができ、それによって、例えば、押出(extrusion)成形、射出(injection)成形およびブロー(blow)成形のような技術におけるそのポリマーのプロセス(加工、処理)可能性を改善できる。   The improved strength is manifested by a combination of stiffness and toughness. In one embodiment, the improved strength allows the polymer to be processed as a film and used in economically attractive thin thicknesses. It (improved strength) also makes it possible to manufacture or produce thermoformed articles, such as food trays, from thin materials. Plastic films have numerous applications, and the economics of film manufacture and use are often governed by the film thickness required to impart certain mechanical properties. (Affected by it) The thinner the film that gives the desired properties, the better. In addition, the present invention can improve the crystallization kinetics of biopolymers, for example, extrusion molding, injection molding and blow. The polymer processability in technologies such as molding can be improved.

プラスチックの処理(処分、廃棄)はますます関心事になり、生分解性(biodegradablity:生分解可能性)は使い捨てでないプラスチックの廃棄物の量を減少させるのに重要である。生分解性は、様々な形態を取ることができ、例えば、おそらく化学物質の助けを借りて堆肥にでき(compostable)自然生分解性のポリマーから生成されるフィルムの形態を取る。自然生分解性は、例えば農業マルチング(mulching)フィルムのようなフィルムを使用後に土壌に埋め込む場合に生じ得るものである。生分解性のための種々のポリマーが開発されてきた。しかし、それらのポリマーは、或る用途に適さない低い機械的強度を有する傾向があり、または、例えば、破壊(fracture:割れ目)を生じさせずに処理し巻き取るには不所望な厚い厚さのフィルムを必要とする低い機械的強度を有する傾向がある。耐衝撃性(impact resistance:衝撃抵抗)、引裂抵抗(tear resistance)および破損(破壊)モード(mode of failure)は、全て、フィルム、熱成形されたパーツ(部品)、および射出成形されたパーツの重要な特性である。特に、本発明に関連する生分解性ポリマーは、破壊前にエネルギを吸収する能力として表現される固有の低靱性に起因して、脆い(brittle:脆性を示す)傾向がある。この脆性(brittleness)は、例えば食品のような製品におけるパッケージ(包装)材料からポリマー破片(fragments)を生じさせ得る衝撃を受けたときに破壊(fracture:破砕、破裂)および分裂(splintering)を生じる原因となり得る。 本発明の一実施形態では、熱成形および射出成形の適用例のための、フィルムとして有用な延性破損(破壊)機構(ductile failure mechanism)を有するバイオプラスチックを実現する。   Plastic processing (disposal, disposal) is an increasing concern, and biodegradablity is important in reducing the amount of non-disposable plastic waste. Biodegradability can take a variety of forms, for example, in the form of films produced from naturally biodegradable polymers, possibly compostable with the aid of chemicals. Natural biodegradability can occur when a film, such as an agricultural mulching film, is embedded in the soil after use. Various polymers have been developed for biodegradability. However, these polymers tend to have low mechanical strength that is unsuitable for certain applications, or, for example, thick thicknesses that are undesirable for processing and winding without causing fractures. Tend to have a low mechanical strength that requires the film. Impact resistance, tear resistance and mode of failure are all the same for films, thermoformed parts and injection molded parts. It is an important characteristic. In particular, the biodegradable polymers associated with the present invention tend to be brittle due to the inherent low toughness expressed as the ability to absorb energy prior to failure. This brittleness causes fracture and splintering when subjected to impacts that can cause polymer fragments from packaging materials in products such as food, for example. It can be a cause. In one embodiment of the present invention, a bioplastic having a ductile failure mechanism useful as a film for thermoforming and injection molding applications is realized.

本発明に関連するバイオポリマーの各例は、ポリポリラクチド(polylactide)(PLA)として時々知られているポリ乳酸(polylactic acid)、ポリグリコナート(polyglyconate:ポリグリコネート)、ポリ(ジオキサノン)(poly(dioxanone))、ポリヒドロキシアルカノアート(polyhydroxy alkanoates:ポリヒドロキシアルカノエート、ポリヒドロキシアルカン酸塩)(PHA)、特に、ポリヒドロキシ酪酸塩(polyhydroxybutyrates:ポリヒドロキシブチラート、ポリヒドロキシブチレート)、ポリヒドロキシヴァタラート(polyhydroxy vatarates:ポリヒドロキシヴァタレート)、高分子(重合体)の熱可塑性澱粉(polymeric thermoplastic starches)(60%より高いアミロース(amylose)レベル)および(または)これらの組合せであり、これらはまとめて(collectively:集合的に)バイオポリマー(生重合体)として知られている。ポリラクチド(polylactides)は、ポリプロピレンおよびポリスチレンに対する生分解性の代替物質として提案されているが、充分な強度を持たない。 本発明によれば、ポリラクチドにそのような充分な強度を与え、ポリラクチドに、ポリカーボナート(polycarbonates:ポリカーボネート、ポリ炭酸塩)に対する生分解性の代替物質として競争力を与えることができる。   Examples of biopolymers relevant to the present invention are polylactic acid, polyglyconate, sometimes known as polylactide (PLA), polyglyconate, poly (dioxanone) (poly). (dioxanone)), polyhydroxy alkanoates (polyhydroxyalkanoates, polyhydroxyalkanoates) (PHA), especially polyhydroxybutyrates (polyhydroxybutyrates), polyhydroxy Polyhydroxy vatarates, polymeric thermoplastic starches (amylose levels higher than 60%) and / or combinations thereof, these Collectively It is known as biopolymers (biopolymer). Polylactides have been proposed as biodegradable alternatives to polypropylene and polystyrene, but do not have sufficient strength. According to the present invention, such a sufficient strength can be imparted to polylactide, and competitiveness can be imparted to polylactide as a biodegradable alternative to polycarbonates (polycarbonates).

これらのポリマー、特に非結晶PLAは、低い熱たわみ温度(heat deflection temperature)(HDT)を有し、それ(低いHDT)によって高い温度の適用例(アプリケーション)に用途が限定される。さらに、それら(ポリマー)は、特に射出成形において、長い成形サイクル時間(周期)を必要とする低速の結晶化反応速度(動力学)(crystallisation kinetics)を有し得る。   These polymers, particularly amorphous PLA, have a low heat deflection temperature (HDT), which limits their use to high temperature applications (applications). Furthermore, they (polymers) may have slow crystallisation kinetics that require long molding cycle times (periods), particularly in injection molding.

従って、本発明の目的は、何ら生分解性を実質的に低下させることなく、バイオプラスチックの強度を増大させ、成形サイクル時間を短くし、結晶化反応速度(動力学)を向上させることである。 以前に、ポリラクチドにゴムを含ませてその靱性を改善することを提案した。しかし、ポリラクチドの靱性は改善されたが、ポリラクチドの剛性は低下し、通常のゴムは生分解性でない。最近入手可能な生分解性のゴムは、かなり高価である。   Accordingly, it is an object of the present invention to increase the strength of bioplastics, shorten the molding cycle time, and improve the crystallization reaction rate (kinetics) without substantially reducing biodegradability. . Previously it was proposed to improve the toughness of rubber by including it in polylactide. However, although the toughness of polylactide has been improved, the stiffness of polylactide is reduced and normal rubber is not biodegradable. Recently available biodegradable rubber is quite expensive.

様々な理由で高分子材料にフィラー(充填材、充填剤)を含ませることは、良く知られている。フィラーは、一般的に、強度を与え、および/または高分子材料で形成された物品のコストを低くするために含ませる(添加する)。フィラーは、全ての形状およびサイズ(大きさ、寸法)の成形(成型、モールド)および押出し(成形)において含ませ(添加し)てもよい。炭酸カルシウム(calcium carbonate)は、ポリマー用のフィラーとして良く知られており、炭酸カルシウムのサイズおよび形態(morphology)を調整して(tailor)、それ(炭酸カルシウム、フィラー)が添加される(含ませられる)ポリマーに或る所望の特性を与えることができることが知られている。例えば、英国特許公開公報GB2336366Aにおいて炭酸カルシウムをポリエチレンに含ませてもよいことが提案されており、同様に米国特許第6911522号には、炭酸カルシウムをε−カプロラクトン(e-caprolactone)ポリマーに含ませることが記載されている。Zhiyong Xia(ジヨン シア)、Dennis(デニス)、Prendes(プレンデス)、Patrick Wernett(パトリック ウェルネット)の文献“The Reinforcement of Poly (Lactic Acid) using High Aspect Ratio Calcium Carbonate based Mineral Additive”(高アスペクト比(扁平率)の炭酸カルシウムに基づく(を基材とする、系の)ミネラル添加物を用いたポリ (乳酸)の補強)には、靱性(強靱性)および剛性を改善するために、ポリ乳酸に、炭酸カルシウム添加物であるエムフォース.バイオ(EMforce(登録商標)Bio)を含ませることが記載されている。   It is well known to include fillers (fillers, fillers) in polymeric materials for various reasons. Fillers are generally included (added) to provide strength and / or to lower the cost of articles formed of polymeric materials. The filler may be included (added) in molding (molding, molding) and extrusion (molding) of all shapes and sizes (sizes, dimensions). Calcium carbonate is well known as a filler for polymers, tailoring the size and morphology of calcium carbonate and adding it (calcium carbonate, filler). It is known that certain desired properties can be imparted to the polymer. For example, it has been proposed in British Patent Publication GB 2336366A that calcium carbonate may be included in polyethylene, and US Pat. No. 6,911,522 similarly includes calcium carbonate in ε-caprolactone polymers. It is described. Zhiyong Xia, Dennis, Prendes, Patrick Wernett, “The Reinforcement of Poly (Lactic Acid) using High Aspect Ratio Calcium Carbonate based Mineral Additive” (high aspect ratio ( Poly (lactic acid) reinforcement with mineral additives (based on the base), based on calcium carbonate with a flattening ratio), in order to improve toughness (toughness) and stiffness, M Force, a calcium carbonate additive. Inclusion of bio (EMforce® Bio) is described.

また、炭酸カルシウムが使用されるポリマーとの適合性(compatibility)を改善するために炭酸カルシウムを被覆してもよいことが知られている。例えば、英国特許公開公報GB2336366Aでは、ポリマーが押出されるときのダイリップ堆積(付着)(die lip build up)を回避するために、ステアリン酸(stearic acid)で被覆された炭酸カルシウムをポリエチレンに充填し(添加し)ており、米国特許第6815479号には、ポリマーの衝撃強度を改善するために、ポリマー キャプロン(Capron)ナイロン用のフィラー(充填剤)として、2.50乃至4.00重量%のステアリン酸で被覆された炭酸カルシウムを使用することが記載されている。   It is also known that calcium carbonate may be coated to improve compatibility with the polymer in which it is used. For example, in GB2336366A, polyethylene is filled with calcium carbonate coated with stearic acid to avoid die lip build up when the polymer is extruded. U.S. Pat. No. 6,815,479 discloses 2.50 to 4.00% by weight as a filler for polymer Capron nylon to improve the impact strength of the polymer. The use of calcium carbonate coated with stearic acid is described.

英国特許公開公報GB2336366ABritish Patent Publication GB2336366A 米国特許第6911522号US Pat. No. 6,911,522 米国特許第6815479号US Pat. No. 6,815,479

バイオプラスチックに或るフィラーを使用すると、バイオプラスチックの生分解性を損なうことなくその強度を増大させることができること、特に、ポリマーの剛性を損なうことなく耐衝撃抵抗および延性(ductability)が改善されること、を発見した。延性(ductability)は、応力−歪み曲線(stress strain curve)の形状によって示され、また、(破断点側の)最大ピークまでのその曲線の下の面積(領域)がその応力−歪み曲線の下の合計面積の35%よりも大きい面積である(一般的に材料が延性破損モードを有すると見なせる)場合に、そのバイオプラスチックが延性を有するという指標(indication)によって示される。これは、生分解性を損なうことなく所望の機械的特性を有するより薄いフィルムの製造を可能とするので、そのフィラーを含むそのバイオポリマーを用いてフィルムを製造するときに特に有用であること、を発見した。それは、使用後に土壌に埋め込んで堆肥にし得るごみ袋(refuse sacks:廃棄物袋)および農業用フィルムの製造に特に有用である。また、延性および減じられた脆性によってそのバイオプラスチックの破壊(splinter:分裂)が減少するような熱成形および射出成形の適用例(アプリケーション)において有用である。   The use of certain fillers in bioplastics can increase their strength without compromising the biodegradability of the bioplastic, in particular impact resistance and ductability without compromising the polymer's stiffness. I discovered that. Ductility is indicated by the shape of the stress-strain curve, and the area (region) under the curve up to the maximum peak (on the break side) is below the stress-strain curve. If the area is greater than 35% of the total area (generally considered to have a ductile failure mode), it is indicated by an indication that the bioplastic is ductile. This is particularly useful when producing films using the biopolymer containing the filler, as it allows the production of thinner films having the desired mechanical properties without compromising biodegradability, I found It is particularly useful in the manufacture of refuse sacks and agricultural films that can be embedded in soil after use and composted. It is also useful in thermoforming and injection molding applications (applications) where ductility and reduced brittleness reduce the bioplastic's splinter.

従って、本発明の一実施形態は、10乃至40重量%の被覆されたフィラーを含む(含有する)バイオプラスチックを実現するものであり、その被覆されたフィラーは、200℃に加熱して一定の重量になったときの重量減少した状態で測定した場合に1%未満の水分を含有する。   Accordingly, one embodiment of the present invention provides a bioplastic that includes (contains) 10 to 40% by weight of a coated filler that is heated to 200 ° C. to provide a constant It contains less than 1% moisture when measured in a reduced weight state when it reaches weight.

本発明の別の実施形態では、約2.3重量%またはそれより多い重量%の、脂肪酸(fatty acid)、脂肪酸誘導体、ロジン(rosin)、ロジナート(rosinate:ロジン酸塩、ロジネート)、ポリオレフィン系の(を基材とする)ワックス、オリゴマー、および(または)ミネラル・オイル(油)、および(または)それらの組合せ、で被覆された10乃至40重量%の無機粒子を含むバイオプラスチックを実現する。   In another embodiment of the invention, about 2.3% or more by weight of fatty acid, fatty acid derivative, rosin, rosinate, polyolefin-based A bioplastic comprising 10 to 40% by weight of inorganic particles coated with a (based on) wax, oligomer, and / or mineral oil (oil), and / or combinations thereof .

本発明の別の実施形態では、バイオプラスチックの剛性を犠牲にすることなくバイオプラスチックの耐衝撃性(impact resistance:衝撃抵抗)を改善するために、脂肪酸、脂肪酸誘導体、ロジン、ロジナート、ポリオレフィン系の(を基材とする)ワックス、オリゴマー、およびミネラル・オイル(油)の中の1種またはそれより多くのもので被覆された無機粒子を使用する。   In another embodiment of the invention, in order to improve the impact resistance of bioplastics without sacrificing the stiffness of the bioplastics, fatty acids, fatty acid derivatives, rosins, rosinates, polyolefin based Inorganic particles coated with one or more of (based on) waxes, oligomers, and mineral oils (oils) are used.

本発明の別の実施形態では、溶融物(状態)からバイオポリマーの結晶化反応速度(動力学)を加速するために、脂肪酸、脂肪酸誘導体、ロジン、ロジナート、ポリオレフィン系の(を基材とする)ワックス、オリゴマー、およびミネラル・オイル(油)の中の1種またはそれより多くのもので被覆された無機粒子を使用する。   In another embodiment of the present invention, a fatty acid, a fatty acid derivative, a rosin, a rosinate, a polyolefin-based (based on the base material) is used to accelerate the crystallization reaction rate (dynamics) of the biopolymer from the melt ) Use inorganic particles coated with one or more of waxes, oligomers, and mineral oils.

フィラー上の被覆と少ない水分含有量の組合せが、高い強度の生分解性材料の製造を可能にするのにおよび溶融物(状態)からの結晶化を加速するのに、重要であること、を発見した。その被覆の1つの機能は、分散剤(dispersant)として作用することである。それは、溶融状態のときのバイオポリマーによって被覆が取れないようにフィラー粒子に付着する極性頭部(polar head)を有する分子であることが好ましい。また、それは、ポリマー内のフィラーの分散(dispersion)を助けるためにポリマー構造と一体化する(integrate with)実質的に非極性尾部(non polar tail)を有することが好ましい。適した分散剤の例は、脂肪酸(fatty acids)およびその誘導体(例えば、脂肪酸アミド(fatty acid amides)、および脂肪酸エステル(fatty acid esters))、またそのアルカリ金属塩(alkali metal salts)である。例えば、C10〜C22の飽和および不飽和カルボン酸(carboxylic acids)およびそのアルカリ金属塩、例えば、ステアリン酸(stearic acid)、パルミチン酸(palmitic acid)、ミリスチン酸(myristic acid)、オレイン酸(oleic acid)、リノール酸(linoleic acid)、リノレン酸(linolenic acid)、およびこれらのナトリウム塩(sodium salts)は、特に有用である。ロジン、ロジナート、およびアビエチン酸を基材とする(アビエチン酸系の)材料(materials based on abietic acid)は、使用してよいその他の適した材料である。その他の使用可能な次に好ましい被覆材料には、ポリオレフィン系の(を基材とする)ワックス(waxes)、オリゴマー(oligomers)およびミネラル・オイル、およびこれらの組合せが含まれる。 The combination of coating on the filler and low moisture content is important to enable the production of high strength biodegradable materials and to accelerate crystallization from the melt (state), discovered. One function of the coating is to act as a dispersant. It is preferably a molecule with a polar head attached to the filler particles so that it cannot be covered by the biopolymer when in the molten state. It also preferably has a substantially non polar tail that integrates with the polymer structure to aid dispersion of the filler within the polymer. Examples of suitable dispersants are fatty acids and derivatives thereof (eg fatty acid amides and fatty acid esters), and alkali metal salts thereof. For example, saturated and unsaturated carboxylic acids (Carboxylic Acids) and alkali metal salts of C 10 -C 22, for example, stearic acid (Stearic acid), palmitic acid (palmitic acid), myristic acid (myristic acid), oleic acid ( oleic acid, linoleic acid, linolenic acid, and their sodium salts are particularly useful. Rosin, rosinate, and abietic acid based (abetic acid based) materials are other suitable materials that may be used. Other next preferred coating materials that can be used include polyolefin-based waxes, oligomers and mineral oils, and combinations thereof.

使用される被覆の量は、バイオプラスチックの特性の改善を得るのに重要であること、を発見した。その必要な量は、バイオポリマーの性質(nature)に応じて、およびバイオプラスチックのユーザが関心を持つ特定の1つまたは複数の特性に応じて決まる(に依存する)。発明者は、ポリラクチド(polylactides)を用いる場合、その被覆が、少なくとも2.3重量%の量のフィラー材料において存在することが好ましく、最大で10.0重量%のフィラー材料の量を用いてもよいこと、を発見した。L−ポリラクチドは、典型的には、最大で約40重量%の結晶材料と、残り(残りの重量%)をアモルファス(非晶質)(材料)とすることができる。本発明で使用される被覆されたフィラーは、特にポリ乳酸において2つの作用(functions:機能)を提供すると考えられる(信じられている)。第1に、それ(フィラー)は、そのポリマーの結晶化の核となって、結晶化速度(レート)を速くし、より均一な結晶を生成することである。第2に、それ(フィラー)は、衝撃を受けたときにそのポリマーのアモルファス相(アモルファス相のポリマー)から剥離し、従って、エネルギを吸収し、割れ目(crack:クラック)の伝播(広がり)を減少させそのポリマーの脆性を小さくする一方で、材料の強度を増大させる。そのポリマーが、高い結晶化度(crystallinity:結晶性)を有するポリ−3−ヒドロキシブチレート(poly-3-hydroxy butyrate)である場合には、より少ない量の分散剤で済むかもしれない。   It has been discovered that the amount of coating used is important in obtaining improved bioplastic properties. The amount required depends on (depends on) the nature of the biopolymer and the particular property or properties of interest of the bioplastic user. When the inventor uses polylactides, it is preferred that the coating be present in an amount of filler material in an amount of at least 2.3 wt%, even if an amount of filler material up to 10.0 wt% is used. I found a good thing. L-polylactide can typically be up to about 40% by weight crystalline material with the remainder (remaining weight%) being amorphous (material). The coated filler used in the present invention is believed (believed) to provide two functions, particularly in polylactic acid. First, it (filler) is the crystallization nucleus of the polymer, increasing the crystallization rate (rate) and producing more uniform crystals. Secondly, it (the filler) peels from the amorphous phase of the polymer (amorphous phase polymer) when impacted, thus absorbing energy and propagating (spreading) cracks. Reduces the brittleness of the polymer while increasing the strength of the material. If the polymer is poly-3-hydroxy butyrate with high crystallinity, a smaller amount of dispersant may be required.

好ましいフィラーは炭酸カルシウムであり、その炭酸カルシウムは沈降炭酸カルシウム(PCC)であってもよく、または重質(ground)炭酸カルシウム(GCC)であってもよい。沈降炭酸カルシウムが好ましく、その炭酸カルシウムは、針状の(acicular)形態でそのアスペクト比(長さ:幅、長さ対幅)が4より大きく、好ましくは5より大きいこと、が好ましい。重質炭酸カルシウム(GCC)のアスペクト比は、典型的には約1である。そのフィラー粒子のアスペクト比は、射出成形されたポリマー−金属複合片を用いて決定(判定)された。そのポリマーは、プラズマ・エッチングされてミネラル粒子を露出し、そのミネラル粒子は2−プロパノールを用いてその表面から除去された。その収集されたミネラル粒子は、ジョエル社(JOEL LTD.)のJEM 1200 EXII計測器を用いて、透過電子顕微鏡法(TEM)によって分析された。ディジタル画像はアドヴァンスト マイクロスコピーテクニクス社(Advanced Microscopy Techniques, Incorporated)のディジタル・カメラ・システムを用いて収集され、そのフィラー寸法はイメージプロ プラス(ImagePro Plus(登録商標))のソフトウェアを用いて測定された。各サンプル(標本)について、24枚のTEM画像を収集し分析した。次いで、平均アスペクト比の値を、粒子(アスペクト比)分布データの長い寸法と短い寸法の比(長い寸法 対 短い寸法)に適合する曲線によって導出した。   A preferred filler is calcium carbonate, which may be precipitated calcium carbonate (PCC) or ground calcium carbonate (GCC). Precipitated calcium carbonate is preferred, and the calcium carbonate is acicular and has an aspect ratio (length: width, length to width) greater than 4, preferably greater than 5. The aspect ratio of heavy calcium carbonate (GCC) is typically about 1. The aspect ratio of the filler particles was determined (determined) using an injection molded polymer-metal composite piece. The polymer was plasma etched to expose the mineral particles, which were removed from the surface using 2-propanol. The collected mineral particles were analyzed by transmission electron microscopy (TEM) using a JOEL LTD. JEM 1200 EXII instrument. Digital images were collected using the Advanced Microscopy Techniques, Incorporated digital camera system, and the filler dimensions were measured using ImagePro Plus® software. It was. For each sample (specimen), 24 TEM images were collected and analyzed. The average aspect ratio value was then derived by a curve that fits the ratio of the long dimension to the short dimension (long dimension vs. short dimension) of the particle (aspect ratio) distribution data.

また、その炭酸カルシウムは、PCCまたはGCCのいずれであっても、マイクロメトリックス5001セディグラフで測定して95%粒子サイズ(粒度)を有することが好ましい。特に、全粒子の90%が、そのセディグラフで測定して20ミクロン以下(僅か20ミクロン)のサイズ、より好ましくは18ミクロン以下(僅か18ミクロン)のサイズ、最も好ましくは2ミクロン以下(僅か2ミクロン)のサイズを有することが好ましい。その粒子サイズの測定は、50mlの0.2%のDAXAD溶液中に2gの被覆されてない炭酸カルシウムを用いて、セディグラフ計測器に導入する前に5分間だけ、(5の中の)3.5の電力設定で、そのスラーリ(slurry)を超音波で分解(sonicate)して、実行される。   The calcium carbonate, whether PCC or GCC, preferably has a 95% particle size (particle size) as measured by a Micrometrics 5001 Cedigraph. In particular, 90% of all particles have a size of 20 microns or less (only 20 microns), more preferably 18 microns or less (only 18 microns), most preferably 2 microns or less (only 2 Preferably having a size of micron). The particle size was measured using 2 g of uncoated calcium carbonate in 50 ml of 0.2% DAXAD solution for only 5 minutes prior to introduction into the sedigraph instrument. With a power setting of .5, the slurry is sonicated with ultrasound and executed.

そのフィラーの水分含有量がそのフィラーの重量に基づいて(を基準にして)1重量%以下(1重量%位)であり、より好ましくは水の含有量はバイオポリマーの処理温度で0.5重量%より小さいことが、重要である。その水分含有量は、200℃まで加熱したときのサンプルのカール・フィッシャー(Karl Fischer)滴定によって測定される。本発明に係るバイオポリマーは、生分解性であり、堆肥にでき、水分の存在下で分解する傾向があり、その分解はバイオポリマーを処理するのに典型的に用いられる高い温度で加速(促進)される。例えば、ポリ乳酸は典型的には180℃乃至210℃の範囲内の温度で処理され、水の存在によってこれらの温度においてそのポリマーの速い生分解を生じさせることができる。   The moisture content of the filler is 1% by weight or less (about 1% by weight) based on (based on) the weight of the filler, more preferably the water content is 0.5 at the treatment temperature of the biopolymer. It is important that it is less than% by weight. Its moisture content is measured by Karl Fischer titration of the sample when heated to 200 ° C. The biopolymers according to the present invention are biodegradable, can be composted and tend to degrade in the presence of moisture, and the degradation accelerates (accelerates) at the high temperatures typically used to process biopolymers. ) For example, polylactic acid is typically treated at temperatures in the range of 180 ° C. to 210 ° C., and the presence of water can cause fast biodegradation of the polymer at these temperatures.

従って、本発明の好ましい実施形態によれば、例えば脂肪酸で被覆された炭酸カルシウム(CaCO)粒子のような無機添加物(添加剤)によって、例えばポリマーの靱性(強靱性)、および例えば生分解性のまたは堆肥にできるポリラクチド(PLA)ポリマーのような特にバイオポリマーの靱性(強靱性)のような機械的特性が、ポリマーの堆肥化性能(compostablity)を妨げずに、改良される。靱性は、破壊中でのエネルギを吸収する材料の能力であり、例えばPLAのような生分解性のポリマーはその固有の低い靱性のせいで脆性がある。バイオポリマーのこの特性はその用途に制限を与えていたが、本発明の開示内容に従って無機添加物を用いて増強されたとき、バイオポリマーのその靱性は実質的にまたは充分に(大幅に)改善され、そのバイオポリマーの有用性は増強される。脂肪酸で被覆された無機添加物、例えば脂肪酸で被覆された炭酸カルシウムを用いて、バイオポリマーの靱性または耐衝撃抵抗を増強することができる。そのようなバイオポリマーは、例えば、PLA、ポリグリコナート(polyglyconate:ポリグリコナート)、ポリ(ジオキサノン)(poly(dioxanone))、ポリヒドロキシアルカノアート(polyhydroxyalkanoates)(PHA)、特に、ポリヒドロキシブチラート(polyhydroxbutyrates:ポリヒドロキシブチレート)、および(または)熱可塑性のポリマー(高分子)澱粉(例えば60%より多いアミロースを含むもの)、および(または)それらの組合せである。 Thus, according to a preferred embodiment of the present invention, for example by means of inorganic additives (additives) such as, for example, calcium carbonate (CaCO 3 ) particles coated with fatty acids, the toughness (toughness) of the polymer and for example biodegradation Mechanical properties such as the toughness (toughness) of biopolymers such as biolactide (PLA) polymers that can be made or composted are improved without impeding the compostablity of the polymer. Toughness is the ability of a material to absorb energy during fracture, for example biodegradable polymers such as PLA are brittle due to their inherent low toughness. Although this property of the biopolymer has limited its use, its toughness of the biopolymer is substantially or sufficiently (significantly) improved when enhanced with inorganic additives in accordance with the present disclosure. And the usefulness of the biopolymer is enhanced. Inorganic additives coated with fatty acids, such as calcium carbonate coated with fatty acids, can be used to enhance the toughness or impact resistance of the biopolymer. Such biopolymers are, for example, PLA, polyglyconate, poly (dioxanone), polyhydroxyalkanoates (PHA), in particular polyhydroxybutyrate. (Polyhydroxbutyrates), and / or thermoplastic polymer (polymer) starch (eg containing more than 60% amylose), and / or combinations thereof.

ここでバイオポリマーと称するものには、天然の再生可能な資源から生成された(derived)ポリマー、および/または一般的に堆肥にできまたは一般的に生分解性のポリマー(であるポリマー)が含まれる。バイオプラスチック材料はそれらのバイオポリマーを含んでいる。本発明によれば、バイオプラスチックの靱性の改善(改良)は、被覆材料で被覆された無機粒子を含む添加物を組み込むことによって行われる。その被覆材料は、例えば、脂肪酸、脂肪酸誘導体(例えば、脂肪酸アミド、および脂肪酸エステル)、ロジン、ロジナート、オリゴマー、ポリオレフィン系の(を基材とする)ワックス、およびミネラル・オイルの中の1種のようなものである。その無機粒子は、その無機粒子の重量当たり約2.3重量%またはそれより多い重量%の被覆レベルの被覆材料で被覆されることが好ましい。本発明によるバイオプラスチックは、改善された物理的特性(靱性、延性および/または剛性を含む)を有し、種々の製品に組み込んでもよい。その種々の製品には、自動車(automotive)、電子機器(electronics)、電気器具(appliance)のコンポーネント(構成部品)(例えば、バンパー、ダッシュボード、コンピュータ/移動(携帯)電話機ハウジング(筐体)、等)、消費者商品(消費財)(例えば、クレジット・カード材料(stock)、食器(eating utensils)、カップ、食品トレイ、ファスト・フード・コンテナ(容器、入れ物)、食器(plateware)、等)、およびパッケージ(包装)製品(例えば、食品コンテナ(容器、入れ物)、ボトル(瓶)、例えば農業用フィルムのようなフィルム、ごみ袋(refuse sacks)、等)が含まれる。   What is referred to herein as a biopolymer includes a polymer derived from a natural renewable resource and / or a polymer that is generally compostable or generally biodegradable. It is. Bioplastic materials contain those biopolymers. According to the invention, the improvement (improvement) of the toughness of the bioplastic is effected by incorporating an additive comprising inorganic particles coated with a coating material. The coating material is, for example, one of fatty acids, fatty acid derivatives (eg fatty acid amides and fatty acid esters), rosins, rosinates, oligomers, polyolefin-based (based on) waxes, and mineral oils. It ’s like that. The inorganic particles are preferably coated with a coating material at a coating level of about 2.3% by weight or more per weight of the inorganic particles. Bioplastics according to the present invention have improved physical properties (including toughness, ductility and / or stiffness) and may be incorporated into various products. Its various products include automotive, electronics, appliance components (eg, bumpers, dashboards, computer / mobile (portable) phone housings (housings), Etc.), consumer goods (consumer goods) (eg, credit card materials (stock), eating utensils, cups, food trays, fast food containers (containers, containers), plateware, etc.) And packaged products (eg, food containers (containers, containers), bottles (bottles), films such as agricultural films, refuse sacks, etc.).

また、本発明によって、被覆されたフィラーをバイオプラスチックに組み込むことによって、バイオポリマーの結晶化反応速度(動力学)が改善されることが分かった。より速い結晶化によって、特にPLAの成形に必要な時間がかなり長い例えば射出成形および熱成形のような処理(操作、オペレーション)の成形(モールド)サイクルをより短くできる。   It has also been found by the present invention that the crystallization reaction rate (kinetics) of the biopolymer is improved by incorporating the coated filler into the bioplastic. Faster crystallization makes it possible to shorten the molding cycle of processes (operations) such as injection molding and thermoforming, in particular the time required for the molding of PLA is considerably longer.

そのフィラーは、典型的には無機粒子であり、カルボナート(炭酸塩)、シリカ、カオリン(kaolin)、タルク(talc:滑石)、金属微粒子(fine metal particles)、珪灰石(wollastonite)、および(または)ガラス・マイクロスフェア(微小球)、および(または)これらの組合せの中の1種(1つ)とすることができる。好ましい一実施形態によれば、その無機粒子は、炭酸カルシウムの重量当たり約2.3乃至10重量%の範囲の被覆レベルに、C10〜C22の脂肪酸またはその誘導体で被覆された炭酸カルシウム粒子である。その炭酸カルシウムは任意のタイプ(種類)の炭酸カルシウムであることができ、それ(タイプ)は、例えば、沈降炭酸カルシウム(PCC)、重質炭酸カルシウム(GCC)、および(または)それらの混合物(ブレンド)であってもよい。 The filler is typically inorganic particles, carbonate, silica, kaolin, talc, fine metal particles, wollastonite, and / or ) Glass microspheres (microspheres) and / or one (or one) of these combinations. According to one preferred embodiment, the inorganic particles are calcium carbonate particles coated with a C 10 to C 22 fatty acid or derivative thereof at a coating level in the range of about 2.3 to 10% by weight of calcium carbonate. It is. The calcium carbonate can be any type of calcium carbonate, for example, precipitated calcium carbonate (PCC), heavy calcium carbonate (GCC), and / or mixtures thereof ( Blend).

PLAポリマーの靱性を増強するための一実施形態では、その無機添加物は、例えばPCC、GCCまたはそれらの混合物のような粒子状の形態の炭酸カルシウム添加材料であり得る。本明細書の開示内容を実現できる炭酸カルシウムの添加物の幾つかの例は、オムヤ社北米(OMYA Inc. North America)より市販されているオムヤカーブUFT製品(Omyacarb UFT product)、およびスペシャルティ ミネラルズ インコーポレイテッド(Specialty Minerals Inc.)より市販されているスーパーフィル(Superfil(登録商標))製品である。その炭酸カルシウム粒子は、例えばステアリン酸のような脂肪酸で被覆することができる。それ(ステアリン酸)は、多くの動物性および植物性の脂肪および油(オイル)に由来する飽和脂肪酸の有用なタイプ(種類)の1種である。   In one embodiment for enhancing the toughness of PLA polymer, the inorganic additive may be a particulate form of calcium carbonate additive material such as PCC, GCC or mixtures thereof. Some examples of calcium carbonate additives that can realize the disclosure herein are the Omyacarb UFT product available from OMYA Inc. North America, and Specialty Minerals Inc. Superfil (registered trademark) product commercially available from Specialty Minerals Inc. The calcium carbonate particles can be coated with a fatty acid such as stearic acid, for example. It (stearic acid) is one of the useful types of saturated fatty acids derived from many animal and vegetable fats and oils (oils).

上述の増強されたポリマーの調製(prepare)は、その被覆された炭酸カルシウム粒子をバイオプラスチック材料用のポリマー樹脂前駆体(precursor)に混合し(compound)、その複合材料を所望の形状(形態)に形成することによって、行うことができる。その被覆された炭酸カルシウム粒子は、2軸スクリュー押出し機(twin screw extruder)または類似装置を用いて溶融混合する(melt compound)ことによってそのポリマー樹脂前駆体に混合することができる。そのような押出し機の例は、ライストリッツ社(Leistritz Corporation)によって製造された2軸スクリュー押出し機である。PLAポリマーの靱性を増強するための添加物として、約2.3重量%、および約2.3重量%から、最大約10.0重量%(約2.3乃至約10.0重量%)の、好ましくは最大約6.0重量%(約2.3乃至約6.0重量%)の、より好ましくは最大約4.0重量%(約2.3乃至約4.0重量%)の脂肪酸を、PLAポリマーの重量当たり15乃至30重量%の充填(loading)レベルでPLAに混合することができる。   The above-described enhanced polymer preparation involves compounding the coated calcium carbonate particles into a polymer resin precursor for a bioplastic material and forming the composite into the desired shape (form). This can be done by forming the film. The coated calcium carbonate particles can be mixed into the polymer resin precursor by melt compounding using a twin screw extruder or similar device. An example of such an extruder is a twin screw extruder manufactured by Leistritz Corporation. Additives for enhancing the toughness of PLA polymers from about 2.3 wt%, and from about 2.3 wt% up to about 10.0 wt% (about 2.3 to about 10.0 wt%) Preferably up to about 6.0% by weight (about 2.3 to about 6.0% by weight), more preferably up to about 4.0% by weight (about 2.3 to about 4.0% by weight) fatty acids. Can be mixed into the PLA at a loading level of 15-30% by weight of the PLA polymer.

本明細書の開示内容の方法によりミネラル粒子を被覆することによって、結果として、バイオプラスチック・システムの靱性の予期しないかなりの(significant:有意な)増大が得られた。ポリマー・システムにおけるミネラル・フィラー粒子の表面処理によって、その粒子における吸収水分を減らしそのミネラル粒子の表面エネルギを低くすることによってそのポリマーの機械的特性が幾分か改善されることが、一般的に知られている。その結果として、ポリマー・システムにおけるそのミネラル粒子の良好な分散が得られる。しかし、以前知られていた表面処理をミネラル・フィラー粒子に用いると、ポリマー・システムの靱性がほんの少しだけ増大することが観測された。   Coating mineral particles according to the methods disclosed herein resulted in an unexpected significant increase in the toughness of the bioplastic system. In general, the surface treatment of mineral filler particles in a polymer system generally improves the mechanical properties of the polymer somewhat by reducing the absorbed moisture in the particles and lowering the surface energy of the mineral particles. Are known. The result is a good dispersion of the mineral particles in the polymer system. However, it has been observed that the use of previously known surface treatments on mineral filler particles only slightly increases the toughness of the polymer system.

本明細書の開示内容の方法によりミネラル粒子を被覆することによって、バイオプラスチック複合体の靱性の実質的(大幅な)増大が達成される。それは、結果として得られたポリマー複合マトリックス(母体)におけるその被覆されたミネラル粒子が、他のポリマー・システムにおける通常の表面処理されたミネラル・フィラーと比較して、より効率的に粒子とポリマーの界面において剥離すること(界面剥離)によってエネルギを吸収することによる(起因)する、と思われる。粒子とバイオポリマーの界面における剥離は、そのポリマー複合体中を伝播する割れ目(クラック)のエネルギを吸収する。これは、特に、例えば充分な量のアモルファス領域を含むPLAのようなポリマーを用いた事例で、そのようになると考えられる。   By coating the mineral particles according to the methods disclosed herein, a substantial (significant) increase in the toughness of the bioplastic composite is achieved. The result is that the coated mineral particles in the resulting polymer composite matrix (matrix) are more efficient for the particles and polymers compared to the normal surface treated mineral fillers in other polymer systems. It seems to be due to (cause) energy absorption by peeling at the interface (interface peeling). Delamination at the interface between the particles and the biopolymer absorbs the energy of the cracks that propagate through the polymer composite. This is believed to be the case, particularly in the case of using a polymer such as PLA containing a sufficient amount of amorphous regions, for example.

その被覆されたフィラーを含むバイオプラスチックを処理して、従来プラスチックで形成される広い範囲の物品を製造してもよい。それらは、製造される物品の性質(nature:特質、種類)に応じて、射出成形され、押し出し成形され、熱成形され、またはブロー成形されてもよい。射出成形において、その組成物は、10乃至40重量%の被覆されたフィラー、より好ましくは15乃至30重量%の被覆されたフィラー、特に20乃至30重量%の被覆されたフィラーを含むことが好ましい。押し出し成形において、最大で40重量%の被覆されたフィラーを含む材料を使用すべきである。その材料を用いて、輸送産業、家庭用品(household goods)、パッケージ(包装)材料、および建設材料、等用の成形されたコンポーネント(構成部品)を製造してもよい。1つの特定の用途は、フィルム、特に堆肥にでき、農業用フィルムおよびごみ袋として使用し得るフィルムの製造である。ここで、本発明の添加物の使用によって、所望の機械的特性を有する薄いフィルムの製造が可能になることを、発明者は発見した。例えば、ポリ乳酸製の堆肥にできる農業用フィルムとして、所要の(必要な)機械的特性を有するものが得られてもよい。その所要の機械的特性は、例えば、フィラーなしの匹敵する(同等の)フィルムの50%未満の厚さの衝撃強度、引裂き抵抗、および延性破損である。或る幾つかの事例では、その所要の機械的特性は、1枚の未充填(フィラーのない)フィルムの厚さの30%の厚さまたは25%の厚さであっても得られることがある。これらのフィルムは、発泡(bubble expansion:泡膨張)処理、またはテンター(stenter:幅出し機、ステンター)処理によって製造されてもよい。また、それらのポリマーを熱成形して生分解性の食品トレイを製造(形成)してもよい。   Bioplastics containing the coated filler may be processed to produce a wide range of articles conventionally formed of plastic. They may be injection molded, extruded, thermoformed or blow molded depending on the nature of the article being manufactured. In injection molding, the composition preferably comprises 10 to 40% by weight coated filler, more preferably 15 to 30% by weight coated filler, in particular 20 to 30% by weight coated filler. . In extrusion, materials with up to 40% by weight coated filler should be used. The material may be used to produce molded components for the transportation industry, household goods, packaging materials, construction materials, and the like. One particular application is the production of films, especially those that can be composted and can be used as agricultural films and garbage bags. Here, the inventor has discovered that the use of the additive of the present invention allows the production of thin films having the desired mechanical properties. For example, an agricultural film that can be made into a polylactic acid compost may have a required (necessary) mechanical property. Its required mechanical properties are, for example, impact strength, tear resistance, and ductile failure of less than 50% thickness of comparable (equivalent) film without filler. In some cases, the required mechanical properties can be obtained even with a thickness of 30% or 25% of the thickness of a single unfilled (filler-free) film. is there. These films may be produced by a bubble expansion process or a stenter process. Alternatively, biodegradable food trays may be manufactured (formed) by thermoforming these polymers.

その他のポリマー・システムの処理において、通常は、処理を助けるために、種々の添加物をそのポリマーに含ませること必要がある。その例は、スリップ剤(slip agents)、帯電防止剤(antistatic agents)、および粘度調整剤(viscosity modifiers)、等である。本発明の別の利点は、本発明に係るバイオポリマーを、いかなる追加的な添加物を必要とすることなく処理してもよいことである。従って、本発明の別の実施形態では、本発明のバイオプラスチック組成は、追加的な(他の)添加物が実質的に使われていない。   In processing other polymer systems, it is usually necessary to include various additives in the polymer to aid processing. Examples are slip agents, antistatic agents, viscosity modifiers, and the like. Another advantage of the present invention is that the biopolymer according to the present invention may be processed without the need for any additional additives. Thus, in another embodiment of the present invention, the bioplastic composition of the present invention is substantially free of additional (other) additives.

本発明を、次の例を参照して説明する。   The invention will now be described with reference to the following example.

例1
実験室内の実験において、発明者は、PLAポリマーの靱性の改善において、脂肪酸で被覆された炭酸カルシウム添加物の有益な効果を示す(実証する)ことができた。特に、室温および低温での衝撃靱性の改善、およびPLAの剛性の改善が示された(実証された)。
Example 1
In laboratory experiments, the inventors have been able to demonstrate (demonstrate) the beneficial effects of fatty acid coated calcium carbonate additives in improving the toughness of PLA polymers. In particular, improved impact toughness at room and low temperatures and improved PLA stiffness has been demonstrated (proven).

PLAポリマーの特性は、PLAを含む立体異性体(stereoisomer)の比率を制御(調製)することによって制御することができる。例えば、約15モル(mole)%より多いモル%(比率)のD−ラクチドまたはメソ−ラクチドのいずれか(either:いずれも)と共に主に(主要成分の、大部分)L体(L−ラクチド)を重合化することによって、アモルファスのPLAのランダム(無秩序)コポリマーが生成される。一方、L体の乳酸を重合化することによって、最大40%またはそれより高い割合の結晶度を有する半結晶性ポリマーであるポリ−L−ラクチド(PLLA)が生じる。   The properties of the PLA polymer can be controlled by controlling (preparing) the ratio of stereoisomers containing PLA. For example, predominantly (major component, most) L-form (L-lactide) with greater than about 15 mole% of mole% (ratio) of either D-lactide or meso-lactide (either). ) To produce an amorphous PLA random (disordered) copolymer. On the other hand, polymerization of L-form lactic acid yields poly-L-lactide (PLLA), a semi-crystalline polymer having a degree of crystallinity of up to 40% or higher.

発明者は、多数の異なる炭酸カルシウム・ベースの(炭酸カルシウム系の、炭酸カルシウムを基材とする)添加物を使用し、それらをステアリン酸で被覆して、PLLAポリマーのサンプル(標本)に混合して、PLAの機械的特性に対するステアリン酸で被覆された炭酸カルシウムの有益な効果を確認した。開始物質として使用された特定の炭酸カルシウム添加物のサンプルは、スペシャルティ ミネラルズ インコーポレイテッドのエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)、スーパーフィル(Superfil(登録商標))、オムヤ社(OMYA Inc.)のオムヤカーブUFT(Omyacarb UFT)、および50:50の比率で混合したエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)とスーパーフィル(Superfil(登録商標))であった。スペシャルティ ミネラルズ インコーポレイテッドのエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)は、製造された2.7重量%より多い重量%の脂肪酸で被覆された工業用(engineered)炭酸カルシウム・フィラー添加物であり、バイオポリマーを強化(補強)するよう意図されたものである。その他の炭酸カルシウム添加物のサンプルは、実験室用ヘンシェル(Henschel)混合機(ミキサ)を用いてそれぞれ被覆レベル濃度(0.0乃至4.0重量%)に被覆された。各炭酸カルシウム添加物質は、約25重量%レベルの目標濃度でPLLA樹脂に混合された。   The inventor uses a number of different calcium carbonate based (calcium carbonate based, calcium carbonate based) additives, which are coated with stearic acid and mixed into a sample of PLLA polymer Thus, the beneficial effect of calcium carbonate coated with stearic acid on the mechanical properties of PLA was confirmed. Samples of specific calcium carbonate additives used as starting materials are available from Specialty Minerals, Inc., EMforce® Bio, Superfil®, OMYA Inc. Omyacarb UFT), and Emforce Bio (Superforce® Bio) and Superfil® mixed in a 50:50 ratio. Specialty Minerals, Inc.'s EMforce (R) Bio is an engineered calcium carbonate filler additive coated with greater than 2.7% by weight fatty acid produced. , Intended to reinforce (reinforce) biopolymers. Other calcium carbonate additive samples were each coated to a coating level concentration (0.0 to 4.0 wt%) using a laboratory Henschel mixer. Each calcium carbonate additive was mixed into the PLLA resin at a target concentration of about 25% by weight level.

炭酸カルシウム添加物のPLLAへの混合は、2軸スクリュー押出し機を用いて溶融混合することによって実行できる。この例では、L/D比40、直径27mm、10個の独立した加熱ゾーンを有するライストリッツ社の2軸スクリュー押出し機を用いて、全ての配合物(formulations)を混合した。その押出し機を同速回転モード(co-rotating mode)で動作させて、PLLA中で確実に炭酸カルシウムを良好に分散させた。PLLA樹脂を、K−トロン社(K−TRON)のホッパ供給式のロス・オン・ウェイト・フィーダ(loss on weight feeder:重量検出方式連続定量供給フィーダ)を用いて、その押出し機の供給口に(周囲温度で)注入した。全てのフィラーは、K−トロン社のロス・オン・ウェイト・フィーダを介して押出し機のゾーン5中へと側部(横方向)から供給された。   Mixing of the calcium carbonate additive into PLLA can be performed by melt mixing using a twin screw extruder. In this example, all formulations were mixed using a Leistritz twin screw extruder having an L / D ratio of 40, a diameter of 27 mm, and 10 independent heating zones. The extruder was operated in a co-rotating mode to ensure good dispersion of calcium carbonate in PLLA. The PLLA resin is fed into the feed port of the extruder using a K-TRON (K-TRON) hopper-fed loss on weight feeder (weight detection type continuous feed feeder). Injected (at ambient temperature). All fillers were fed from the side (lateral direction) into zone 5 of the extruder via a K-Tron loss-on-weight feeder.

エムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)材料は、スペシャルティ ミネラルズ インコーポレイテッドの製造設備で製造されたものであり、製造品として3.3重量%の被覆レベルを有し、0.5重量%より低い水分含有率を有する。その他の炭酸カルシウム添加物のサンプルは実験室で合計3.3重量%の被覆レベルに調製(調合)された。エムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)は、他のフィラーと比較して、最大の衝撃/剛性バランスを形成したが、3.3重量%被覆レベルにおいて、全てのフィラー(オムヤ社のUFT製品を含めて)は、PLLAの靱性を同様に増大させた。50:50の比率で混合したエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)とスーパーフィル(Superfil(登録商標))は、その2つの純粋な成分の間の中間の特性を形成したものであり、潜在的な低廉化された製品としての“次世代の”エムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)(EMforce(登録商標)Bio)製品として有望なオプション(選択肢)である。3.3重量%の脂肪酸をPLLA樹脂に炭酸カルシウム添加物なしで加えると、未充填(フィラーなし)の樹脂と比較して、機械的特性が改善されなかった。   EMforce (R) Bio material is manufactured at Specialty Minerals, Inc.'s manufacturing facility and has a coating level of 3.3% by weight and 0.5% by weight. Has a lower moisture content. Other calcium carbonate additive samples were prepared (prepared) in the laboratory to a total coating level of 3.3% by weight. EMforce® Bio formed the greatest impact / stiffness balance compared to other fillers, but at 3.3 wt% coverage level, all fillers (Omya UFT products) Increased the toughness of PLLA as well. Emforce Bio (Superforce® Bio) and Superfil® mixed in a 50:50 ratio form an intermediate property between the two pure components, This is a promising option for the “next generation” EMforce® Bio (EMforce® Bio) product as a potential low-cost product. When 3.3 wt% fatty acid was added to the PLLA resin without the calcium carbonate additive, the mechanical properties were not improved compared to the unfilled (no filler) resin.

その炭酸カルシウム添加物は、20、25および30重量%の目標濃度で同速回転モードで動作するライストリッツ社の27mmの2軸スクリュー押出し機上でPLLA(ネイチャーワークス(Natureworks)4042D)に溶融混合された。また、3.3重量%の脂肪酸も、PLLAと混合されて、その脂肪酸だけでPLLAの靱性が改善されたかどうかが判定された。アルバーグ社(Argburg)の88トンのオールラウンダ・マシン上で射出成形する前に、複合サンプルを、ステアリン酸アルミニウムのブロッキング防止剤でまぶした(dusted with:全体的に付着した)。機械的試験を行う前に3日間、テスト(試験用)試料(specimens)は、制御された温度および湿度環境(23℃、50%R.H.(相対湿度))で、調製された。   The calcium carbonate additive is melt mixed with PLLA (Natureworks 4042D) on a Leistritz 27 mm twin screw extruder operating in the same speed mode with target concentrations of 20, 25 and 30 wt%. It was done. In addition, 3.3% by weight of fatty acid was also mixed with PLLA, and it was determined whether the toughness of PLLA was improved only by the fatty acid. Prior to injection molding on an 88 ton all-rounder machine from Argburg, the composite samples were dusted with aluminum stearate antiblocking agent. Test specimens were prepared for 3 days in a controlled temperature and humidity environment (23 ° C., 50% RH (relative humidity)) for 3 days prior to mechanical testing.

この研究において使用された炭酸カルシウムの粒子サイズ分布は、テーブル1に示されており、図1にプロットで示されている。プロットされたサンプルは、3.3重量%レベルにステアリン酸で被覆されたスーパーフィル(Superfil(登録商標))の炭酸カルシウム11;3.3重量%レベルにステアリン酸で被覆されたUFT炭酸カルシウム12;製造された3.3重量%被覆レベルを有するエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)(パレット(Pallet)#12)13;および50/50混合のエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)/スーパーフィル(Superfil(登録商標))14である。スーパーフィル(Superfil(登録商標))11は最大の最大サイズと中央値(median:メジアン)粒子サイズを有し、エムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)13は最小の最大サイズと中央値粒子サイズを有していた。   The particle size distribution of calcium carbonate used in this study is shown in Table 1 and plotted in FIG. The plotted samples are Superfil® calcium carbonate 11 coated with stearic acid at a 3.3 wt% level; UFT calcium carbonate 12 coated with stearic acid at a 3.3 wt% level. EMforce® Bio (Pallet # 12) 13 with a produced 3.3 wt% coating level; and 50/50 mixed EMforce® Bio (EMforce® Bio); ) / Superfil (registered trademark) 14. Superfil (R) 11 has the largest maximum size and median particle size, and EMforce (R) Bio 13 has the smallest maximum size and median particle. Had a size.

Figure 2011510106
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図2は、23℃(室温)で測定された種々のポリマー・サンプルの曲げ弾性率(flexural modulus)を示している。上述のように、PLLA樹脂サンプルは、目標濃度20、25および30重量%まで炭酸カルシウムと混合された。図示されたそれぞれの線プロットは、スーパーフィル(Superfil(登録商標))(3.3重量%の被覆レベル)を充填したPLLA21;UFT(3.3重量%の被覆レベル)を充填したPLLA22;エムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)(3.3重量%の被覆レベル)を充填したPLLA23;50/50混合のエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)/スーパーフィル(Superfil(登録商標))混合物(3.3重量%の被覆レベル)を充填したPLLA24である。さらに、未充填のPLLA比較対照(コントロール)25、およびほんの3.3重量%(ポリマー複合物の合計重量に基づく(を基準とする))のステアリン酸を有するPLLA26の各比較参照(コントロール)サンプルを、調製して測定した。その2つの比較参照サンプルは炭酸カルシウムが充填されていないので、それらの添加物濃度レベルは0.0重量%である。全ての炭酸カルシウム添加物は、未充填のPLLA25およびステアリン酸−PLLA樹脂混合物26と比較して、曲げ弾性率をかなり(有意に)増大させた。エムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)を充填したPLLA23は、曲げ弾性率に最大の増加を生じさせた。スーパーフィル(Superfil(登録商標))を充填したPLLA21は、複合物質を含む全ての炭酸カルシウムの曲げ弾性率に最小の増大を生じさせた。50/50のエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)/スーパーフィル(Superfil(登録商標))混合物24は、予期した通りの中間の結果を生じさせた。   FIG. 2 shows the flexural modulus of various polymer samples measured at 23 ° C. (room temperature). As described above, PLLA resin samples were mixed with calcium carbonate to target concentrations of 20, 25 and 30 wt%. Each line plot shown is PLLA21 filled with Superfil® (3.3 wt% coating level); PLLA 22 filled with UFT (3.3 wt% coating level); PLLA23 loaded with EMforce (R) Bio (3.3 wt% coating level); 50/50 mixed EMforce (R) Bio / Superfil (R) ) PLLA 24 filled with the mixture (3.3 wt% coating level). In addition, each reference reference (control) sample of PLLA 26 with an unfilled PLLA control (control) 25 and only 3.3 wt% stearic acid (based on the total weight of the polymer composite). Were prepared and measured. The two comparative reference samples are not filled with calcium carbonate, so their additive concentration level is 0.0 wt%. All calcium carbonate additives significantly (significantly) increased flexural modulus compared to unfilled PLLA 25 and stearic acid-PLLA resin mixture 26. PLLA23 filled with EMforce® Bio produced the greatest increase in flexural modulus. PLLA21 filled with Superfil (R) caused a minimal increase in the flexural modulus of all calcium carbonate containing composite materials. A 50/50 EMforce® Bio / Superfil® mixture 24 produced intermediate results as expected.

図3は、23℃(室温)におけるダイナタップ(Dynatup)の多軸衝撃エネルギの結果を示している。エムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)を充填したPLLA複合物質33は、その他の炭酸カルシウムを充填したPLLA複合物質31および34と比較して室温での最大の靱性を形成した。但し、同等の(匹敵する)靱性を有する30重量%の充填量のUFTを充填したPLLA32の場合を除く。以前の研究では、PLLA複合物質の靱性を実質的に(充分、大幅に)増大させるには、未充填の比較参照PLLA35と比較して、最低限20重量%のエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)が必要であることが示された。最大の靱性は、約25重量%のエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)を充填して達成され、その靱性は30重量%より上で減少し始める。これと同じ傾向が、スーパーフィル(Superfil(登録商標))を充填したPLLA31およびエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)/スーパーフィル(Superfil(登録商標))混合物34について、観測される。   FIG. 3 shows the result of Dynatup's multiaxial impact energy at 23 ° C. (room temperature). PLLA composite material 33 filled with EMforce® Bio formed maximum toughness at room temperature compared to PLLA composite materials 31 and 34 filled with other calcium carbonate. However, the case of PLLA 32 filled with 30% by weight of UFT having the same (comparable) toughness is excluded. In previous studies, to increase the toughness of PLLA composites substantially (sufficiently and significantly), a minimum of 20% by weight of Emforce Bio (EMforce®) compared to the unfilled comparative reference PLLA35. ) Bio) was shown to be necessary. Maximum toughness is achieved by filling approximately 25% by weight of EMforce® Bio, which toughness begins to decrease above 30% by weight. This same trend is observed for PLLA31 and Superforce® 34 filled with Superfil® and EMforce® Bio / Superfil® mixture 34.

図4は、0℃におけるダイナタップ(Dynatup)の多軸衝撃エネルギの結果を示している。全てのPLLA複合物質は、脆性モードで破損(障害)を起こした(またはほぼ全ての脆性の破損(障害)、テーブル2参照)。この場合、スーパーフィル(Superfil(登録商標))を充填したPLLA41は、最大の靱性を生じさせ、UFTを充填したPLLA42が30重量%濃度でそれと一致(マッチ)した。これは、最小の表面積を有するスーパーフィル(Superfil(登録商標))の表面積被覆レベル効果に起因すると思われる。スーパーフィル(Superfil(登録商標))製品のより小さい表面積は、より大きい表面積の粒子と比較して、粒子をカプセル化(encapsulaet:封入)するのに必要なステアリン酸分子がより少なくなるであろう。これによって、スーパーフィル(Superfil(登録商標))粒子の回りにより厚い(濃い)被覆レベルを形成することが、期待されるであろう。ネイチャーワークス4032DのPLLAにおける以前の研究では、エムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)が、PLLAの0℃の衝撃エネルギを大きく増大させることができ、約3.5重量%またはそれより大きい重量%の被覆レベル濃度で延性破損(障害)機構を生じさせることが示された。   FIG. 4 shows the results of the Dynatup multi-axis impact energy at 0 ° C. All PLLA composites failed (failure) in brittle mode (or almost all brittle failure (failure), see Table 2). In this case, PLLA41 filled with Superfil (R) produced the greatest toughness, and PLLA42 filled with UFT matched it at 30 wt% concentration. This is believed to be due to the surface area coverage level effect of Superfil® having the smallest surface area. The smaller surface area of Superfil® products will require less stearic acid molecules to encapsulate particles compared to larger surface area particles. . This would be expected to form a thicker (darker) coating level around Superfil® particles. In previous work at NatureWorks 4032D PLLA, EMforce® Bio can greatly increase the impact energy of PLLA at 0 ° C., with a weight of about 3.5 wt% or greater. It has been shown that a ductile failure (failure) mechanism occurs at a coating level concentration of%.

また、テーブル2は、熱たわみ温度(heat deflection temperature:荷重たわみ温度、熱変形温度)(“HDT”)のデータを含んでいる。この研究において検査した全ての各濃度の全てのミネラル・フィラーは、PLLAのHDTを増大させる効果を持たなかった。ミネラル・フィラーが存在しないときのステアリン酸の添加は、PLLAのDHTのかなりの(有意な)減少を示した。   Further, the table 2 includes data of heat deflection temperature (heat deflection temperature: heat deflection temperature) (“HDT”). All mineral fillers at all concentrations tested in this study had no effect on increasing HDL of PLLA. The addition of stearic acid in the absence of mineral filler showed a significant (significant) decrease in PLLA DHT.

Figure 2011510106
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図5は、ポリマーのサンプルに対して行われた室温の切欠き(ノッチ付き)アイゾッド衝撃試験(notched Izod impact test)の結果を示している。ステアリン酸を被覆した炭酸カルシウムを充填した全てのPLLA複合物質は、未充填およびステアリン酸−PLLA比較参照サンプルよりも僅かに良好であり、互いに類似していた。図示されたプロット線は、スーパーフィル(Superfil(登録商標))を充填したPLLA51、UFTを充填したPLLA52、エムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)を充填したPLLA53、50/50混合のエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)/スーパーフィル(Superfil(登録商標))混合物を充填したPLLA54、未充填のPLLA比較参照サンプル55、およびステアリン酸を有するPLLA比較参照サンプル56である。   FIG. 5 shows the results of a room temperature notched Izod impact test performed on a polymer sample. All PLLA composites loaded with stearic acid coated calcium carbonate were slightly better than the unfilled and stearic acid-PLLA comparative reference samples and were similar to each other. The plotted lines shown are: PLLA 51 filled with Superfil®, PLLA 52 filled with UFT, PLLA 53 loaded with EMforce® Bio, 50/50 mixed emforce. A PLLA 54 filled with a bio (EMforce® Bio) / Superfil® mixture, an unfilled PLLA comparative reference sample 55, and a PLLA comparative reference sample 56 with stearic acid.

上述の実験では、3.3重量%の被覆レベルにおいて、2.7重量%の被覆レベルで達成された性能に対して(と比較して)、例えば衝撃靱性のようなPLLAの機械的特性上の更なる改善は観測されない。   In the above experiment, at a coating level of 3.3% by weight, compared to the performance achieved with a coating level of 2.7% by weight, compared to the mechanical properties of PLLA, for example impact toughness. No further improvement is observed.

例2
図6は、最適な被覆レベルを決定するための、被覆されていないエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)の炭酸カルシウム前駆体粒子に関する被覆レベルの研究の結果を示している。種々の被覆レベルの炭酸カルシウム粒子と混合されたポリマー樹脂から調製されたPLAのサンプルについて、落下衝撃試験エネルギ(falling weight impact energy)を測定した。炭酸カルシウム前駆体サンプルを、各被覆レベル濃度(0.0乃至4.0重量%)に対して実験室用ヘンシェル(Henschel)混合機(ミキサ)を用いて乾燥被覆(dry-coated)した。但し、被覆処理は、乾燥被覆処理に限定されるものではない。湿潤(液状)被覆処理を用いることもできる。各炭酸カルシウム材料を目標濃度25重量%のPLLAに混合した。この試験における靱性の測定(値)は落下重量である。図6の結果のプロットは、PLLAの衝撃靱性を改善するのに必要な最小被覆レベルを実証する古典的な“S字状”曲線60を示している。“S字状曲線”の急勾配の部分62から、 PLLA複合物質の衝撃靱性を大幅に約25フィート・ポンド(ft.lbs.)(約3.5mkg)またはそれより良好な値に改善するのに必要な最小被覆量約2.3重量%が推定される。テーブル3A〜3Cは、図6のプロットの基礎データを示している。
Example 2
FIG. 6 shows the results of a coating level study for uncoated EMforce® Bio carbonate calcium carbonate particles to determine the optimal coating level. The falling weight impact energy was measured for PLA samples prepared from polymer resin mixed with various coating levels of calcium carbonate particles. The calcium carbonate precursor samples were dry-coated using a laboratory Henschel mixer (mixer) for each coating level concentration (0.0 to 4.0 wt%). However, the coating process is not limited to the dry coating process. Wet (liquid) coating treatment can also be used. Each calcium carbonate material was mixed with PLLA with a target concentration of 25% by weight. The toughness measurement (value) in this test is the drop weight. The resulting plot of FIG. 6 shows a classic “S-shaped” curve 60 that demonstrates the minimum coating level required to improve the impact toughness of PLLA. From the steep portion 62 of the “S-curve”, the impact toughness of the PLLA composite material is greatly improved to about 25 ft.lbs. (About 3.5 mkg) or better. A minimum coating amount of about 2.3% by weight is estimated. Tables 3A to 3C show the basic data of the plot of FIG.

Figure 2011510106
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注記:全てのサンプルを、2.3kg(5ポンド)のバッチ(単位の束)でアニールせずに評価した。   Note: All samples were evaluated in a 2.3 kg (5 lb) batch (unit bundle) without annealing.

上述のデータによれば、室温において、脆性−延性の間の遷移が約2.0重量%の被覆レベルより高いレベルで生じる。落下重量破損(破壊)では、約2.5重量%より高い全ての値において延性が残り、有益な効果が室温での適用例において約3.0重量%より幾分高い所で平らになると思われる。この遷移点は、試験条件が変化した場合には変化する可能性が最も高い。従って、少なくとも室温の適用例では、PLAポリマー・システムにおいて、被覆レベルを、被覆量を最小にするために約2.3乃至4.0重量%の範囲内に制御することができる。図6の曲線に示されているように、ダイナタップ(Dynatup)の落下(低下)エネルギは、約2.0重量%の被覆レベルより高いレベルで改善し始め、別の好ましい実施形態では被覆レベルを約2.5乃至4.0重量%の範囲内に制御することができる。衝撃速さが高ければ高いほど、または温度が低ければ低いほど、延性破損(破壊)を生じるのにより高い被覆レベルが必要になるにちがいない。0(ゼロ)℃の試験温度において延性を生じさせるには、3.5重量%より高い被覆レベルが必要である、と思われる。   According to the data described above, at room temperature, the transition between brittleness and ductility occurs at a level higher than a coating level of about 2.0% by weight. Falling weight failure (fracture) will remain ductile at all values above about 2.5% by weight, and the beneficial effect will be flattened somewhat above about 3.0% by weight in room temperature applications. It is. This transition point is most likely to change if the test conditions change. Thus, for at least room temperature applications, in PLA polymer systems, the coating level can be controlled within the range of about 2.3 to 4.0 weight percent to minimize the coverage. As shown in the curve of FIG. 6, the Dynatup drop energy begins to improve above a coating level of about 2.0 wt%, and in another preferred embodiment the coating level Can be controlled within the range of about 2.5 to 4.0 weight percent. The higher the impact speed or the lower the temperature, the higher the coating level must be required to cause ductile failure (fracture). It appears that a coating level higher than 3.5% by weight is required to produce ductility at a test temperature of 0 (zero) ° C.

切欠きアイゾッド衝撃強度は、被覆レベルに対して線形に増大した。被覆レベルが増大するにしたがって、引張係数(tensile modulus)が増大する間に、曲げ弾性率は被覆レベルによる影響を受けなかった。その理由は、被覆が、フィラーとポリマーの間の接着力を減少させるからである。引っ張り応力を加えると、フィラー粒子がポリマーから抜け出す(pull out)のがより容易になる。また、被覆レベルが増加するにしたがって引っ張り応力が減少することに留意されたい。その抜け出す力は、曲げ試験におけるものより低く、従って、曲げ弾性率は影響を受けない。   Notched Izod impact strength increased linearly with coating level. As the coating level increased, the flexural modulus was not affected by the coating level while the tensile modulus increased. The reason is that the coating reduces the adhesion between the filler and the polymer. Applying tensile stress makes it easier for the filler particles to pull out of the polymer. It should also be noted that the tensile stress decreases as the coating level increases. Its pull-out force is lower than in the bending test and therefore the flexural modulus is not affected.

PLLA樹脂の衝撃靱性を確実に改善するには、約3.0乃至4.0重量%の被覆レベルが好ましい被覆の範囲である、と思われる。衝撃靱性バランス(均衡)は、被覆レベルが増大するにしたがって改善されるが、引張り力および引張り係数とトレードオフ(妥協、得失)の関係にある。   To reliably improve the impact toughness of PLLA resin, a coating level of about 3.0 to 4.0% by weight appears to be the preferred coating range. Impact toughness balance improves as the coating level increases, but is in a trade-off relationship with tensile force and tensile modulus.

本明細書の開示内容の被覆された炭酸カルシウムのフィラーを用いることによって、PLA樹脂の靱性を、未充填の樹脂の靱性の10倍も改善することができる。炭酸カルシウム・フィラー用の被覆材料としてのステアリン酸は、一例に過ぎず、他の脂肪酸被覆でもその樹脂の靱性の同様の改善が得られることが予期されるであろう。   By using the coated calcium carbonate filler disclosed herein, the toughness of the PLA resin can be improved by as much as 10 times that of the unfilled resin. Stearic acid as a coating material for calcium carbonate filler is only an example, and other fatty acid coatings would be expected to provide similar improvements in the toughness of the resin.

例3
可変(異なる)量の被覆された炭酸カルシウムを含む可変(異なる)厚さのPLAの試験ストリップ(細長い片)を、可変間隙ダイ(die)および可変速ストリップ・プラー(strip puller)と共に単軸スクリュー押出し機を用いてバラベンダー・インテリトルク(Brabender Intellitorque)上で生成した。その機械的特性は、23℃でガードナー(Gardner)の衝撃試験およびエルメンドルフの引裂き(破断)(Elmendorf Tear)試験を用いて、測定した。その結果が、図8および9に示されており、フィラーがガードナーの耐衝撃性においてかなりの(有意な)増大を有することを示している。図8は、変化する量の被覆されたフィラーを含むPLAのサンプルに破損を生じさせるのに必要な平均落下(低下)高さを示している。
Example 3
A variable (different) thickness PLA test strip containing variable (different) amounts of coated calcium carbonate, along with a variable gap die and variable speed strip puller, single screw It was produced on a Brabender Intellitorque using an extruder. Its mechanical properties were measured at 23 ° C. using a Gardner impact test and an Elmendorf Tear test. The results are shown in FIGS. 8 and 9 and show that the filler has a significant (significant) increase in Gardner impact resistance. FIG. 8 shows the average drop (decrease) height required to cause failure for PLA samples containing varying amounts of coated filler.

図9は、被覆されたフィラーを含むPLAの種々のサンプルのエルメンドルフの引裂き試験による引裂き(裂傷)を伝播させるのに必要な力を示しており、充填されたサンプルにおける引裂き強度のかなりの(significant:有意な)増大を示している。   FIG. 9 shows the force required to propagate the tear (tear) from the Elmendorf tear test of various samples of PLA with coated filler, and shows the significant amount of tear strength in the filled sample. : Significant) increase.

その材料のアスペクト比分布は、先に文で説明し図7に示したように、TEMマイクログラフによって測定された。   The aspect ratio distribution of the material was measured by a TEM micrograph as previously described in the text and shown in FIG.

例4
被覆された添加物を含むPLAを、例1の場合と同様に調製した。試験ストリップは、目標厚さ4ミリインチ(mil)(0.102mm)、9ミリインチ(mil)(0.229mm)、および15ミリインチ(mil)(0.381mm)を有する例3のものと同様に、生成された。
Example 4
A PLA containing the coated additive was prepared as in Example 1. The test strips were similar to those of Example 3 with target thicknesses of 4 mils (mil) (0.102 mm), 9 mils (mil) (0.229 mm), and 15 mils (mil) (0.381 mm). Generated.

図10には、試験ストリップのガードナー(Gardner)の衝撃強度が示されている。図11には、エルメンドルフ(Elmendorf)の引裂き(破断)強度が示されている。これらの図は、添加物が存在しない場合に経験的に靱性が減少するのに対して、添加物の存在によって、シート厚さが増大するに従って靱性が増大することを示している。ガードナー(Gardner)の衝撃強度の増大によって、同等の機械的特性を達成するための厚さが3乃至4倍(回)だけ減少させることができる。   FIG. 10 shows the impact strength of the test strip Gardner. FIG. 11 shows the tear (break) strength of Elmendorf. These figures show that toughness decreases empirically in the absence of additives, whereas the presence of additives increases toughness as sheet thickness increases. By increasing the Gardner impact strength, the thickness to achieve comparable mechanical properties can be reduced by 3 to 4 times (times).

例5
種々の量のフィラーを含む例1において設定したプロセス(処理、方法)によって得られた化合物(複合物)は、アルバーグ社(Arburg)のオールラウンダ(Allrounder)370c射出成形機で射出成形して、ASTM(規格)に適合するサンプルが生成された。
Example 5
The compound (composite) obtained by the process set forth in Example 1 containing various amounts of filler was injection molded in an Arburg Allrounder 370c injection molding machine and ASTM A sample conforming to (standard) was generated.

図12には、各サンプルの曲げ弾性率が示されている。図13には、インストロン社(Instron Corporation)のダイナタップ(Dyanatup)9250HVの計測機器を備えた多軸衝撃テスタ(試験装置)によって測定された室温での多軸衝撃合計破壊(fracture)エネルギが示されており、15重量%乃至35重量%の被覆されたフィラーを使用したときに達成される破壊に必要な衝撃エネルギおよび延性(ductability)の改善が示されている。   FIG. 12 shows the bending elastic modulus of each sample. FIG. 13 shows the multiaxial impact total fracture energy at room temperature measured by a multiaxial impact tester (tester) equipped with an Instron Corporation Dynatup 9250HV instrument. It shows the impact energy and ductility improvements required for failure achieved when using 15 to 35 wt.% Coated filler.

これらの図は、添加物によってポリラクチドの靱性および剛性がかなり(有意に)改善されたことを示し、さらに、添加物の添加によって脆性破損が延性破損に変換されたことを示している。   These figures show that the additive significantly improved (significantly) the toughness and stiffness of the polylactide, and that addition of the additive converted brittle failure into ductile failure.

例6
種々の温度における30重量%のエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)を含むPLAのサンプルの結晶化反応速度を、未充填のPLAサンプルと比較した。
Example 6
The crystallization kinetics of PLA samples containing 30% by weight of EMforce® Bio at various temperatures were compared to unfilled PLA samples.

図14には、微分(差分)走査熱測定(calorymetry)によって測定された溶融状態からの半結晶化時間(crystallisation half time)およびその結果が示されており、溶融状態からの半結晶化時間のかなりの(有意な)減少が本発明によって達成できることを示している。   FIG. 14 shows the crystallisation half time from the molten state and the result measured by differential (difference) scanning calorimetry, and shows the half crystallization time from the molten state. It shows that a significant (significant) reduction can be achieved by the present invention.

例7
図15には、ダイニスコ社(Dynisco lncorpoated)のLCR7001のキャピラリー(capillary)レオメータ(rheometer)を用いて測定された0、10、15、20、25、30および40重量%のエムフォース バイオ(EMforce(登録商標)Bio)を含むPLAの溶融(melt:融解)粘度(viscosity:粘着性)およびその結果が示されており、添加物によって溶融粘度がかなり(有意に)減少することを示している。
Example 7
FIG. 15 shows 0, 10, 15, 20, 25, 30 and 40 wt. The melt viscosity (viscosity) and the results of PLA, including (registered trademark) Bio) are shown, indicating that the additive significantly reduces the melt viscosity.

図1。FIG. 図2。FIG. 図3。FIG. 図4。FIG. 図5。FIG. 図6。FIG. 図7。FIG. 図8。FIG. 図9。FIG. 図10。FIG. 図11。FIG. 図12。FIG. 図13。FIG. 図14。FIG. 図15。FIG.

Claims (53)

10乃至40重量%の被覆された無機粒子を含むバイオポリマーを含むバイオプラスチック組成物であって、
前記粒子は、前記粒子の重量を基準にして約2.3重量%以上の量の、脂肪酸、脂肪酸誘導体、ロジン、ロジンナート、ポリオレフィン系ワックス、オリゴマーおよびミネラル・オイル、およびこれらの組合せの中の1種以上で被覆されたものである、バイオプラスチック組成物。
A bioplastic composition comprising a biopolymer comprising 10 to 40% by weight of coated inorganic particles,
The particles are one of fatty acids, fatty acid derivatives, rosins, rosinates, polyolefin waxes, oligomers and mineral oils, and combinations thereof in an amount of about 2.3 wt% or more based on the weight of the particles. A bioplastic composition that is coated with more than a seed.
10乃至40重量%のフィラーを含むバイオプラスチック組成物であって、
前記フィラーは分散剤で被覆された無機粒子からなり、
前記フィラーは200℃で1重量%未満の水を含む分散剤で被覆されているものである、バイオプラスチック組成物。
A bioplastic composition comprising 10 to 40 wt% filler,
The filler consists of inorganic particles coated with a dispersant,
The bioplastic composition, wherein the filler is coated with a dispersant containing less than 1% by weight of water at 200 ° C.
前記被覆材料がステアリン酸またはその誘導体である、請求項1または2に記載のバイオプラスチック組成物。   The bioplastic composition according to claim 1 or 2, wherein the coating material is stearic acid or a derivative thereof. 前記無機粒子が炭酸カルシウムからなる、請求項1乃至3のいずれかに記載のバイオプラスチック組成物。   The bioplastic composition according to any one of claims 1 to 3, wherein the inorganic particles are made of calcium carbonate. 前記炭酸カルシウム粒子が、沈降炭酸カルシウム、重質炭酸カルシウム、およびそれらの混合物からなる群から選択されたものである、請求項4に記載のバイオプラスチック組成物。   The bioplastic composition according to claim 4, wherein the calcium carbonate particles are selected from the group consisting of precipitated calcium carbonate, heavy calcium carbonate, and mixtures thereof. 前記無機粒子は、ポリカーボナート、シリカ、カオリン、タルク、珪灰石、金属微粒子、ガラス・マイクロスフェアおよびこれらの組合せの中の1種を含むものである、請求項1乃至5のいずれかに記載のバイオプラスチック組成物。   The bioplastic according to any one of claims 1 to 5, wherein the inorganic particles include one of polycarbonate, silica, kaolin, talc, wollastonite, fine metal particles, glass microspheres, and combinations thereof. Composition. 被覆レベルが約2.3乃至10.0重量%の範囲にある、請求項1乃至6のいずれかに記載のバイオプラスチック組成物。   The bioplastic composition according to any of claims 1 to 6, wherein the coating level is in the range of about 2.3 to 10.0 wt%. 被覆レベルが約2.3乃至4.0重量%の範囲にある、請求項7に記載のバイオプラスチック組成物。   The bioplastic composition of claim 7, wherein the coating level is in the range of about 2.3 to 4.0 wt%. 前記バイオポリマーがポリラクチドである、請求項1乃至8のいずれかに記載のバイオプラスチック組成物。   The bioplastic composition according to any one of claims 1 to 8, wherein the biopolymer is polylactide. 前記バイオポリマーが、ポリラクチド(PLA)、ポリグリコナート、ポリ(ジオキサノン)、ポリヒドロキシアルカノアート(PHA)、高分子の澱粉ポリマー樹脂、およびこれらの組合せの中から選択されるものである、請求項1乃至9のいずれかに記載のバイオプラスチック組成物。   The biopolymer is one selected from polylactide (PLA), polyglyconate, poly (dioxanone), polyhydroxyalkanoate (PHA), polymeric starch polymer resin, and combinations thereof. The bioplastic composition according to any one of 1 to 9. 前記フィラーが、4より大きいアスペクト比を有する針状形態の沈降炭酸カルシウムである、請求項1乃至10のいずれかに記載のバイオプラスチック組成物。   The bioplastic composition according to any one of claims 1 to 10, wherein the filler is a precipitated calcium carbonate in the form of needles having an aspect ratio greater than 4. 前記アスペクト比が5より大きい、請求項11に記載のバイオプラスチック組成物。   The bioplastic composition of claim 11, wherein the aspect ratio is greater than 5. 前記フィラーは炭酸カルシウムであり、前記粒子の少なくとも90%が20μm以下の大きさを有する、請求項1乃至12のいずれかに記載のバイオプラスチック組成物。   The bioplastic composition according to any one of claims 1 to 12, wherein the filler is calcium carbonate, and at least 90% of the particles have a size of 20 µm or less. 前記粒子の少なくとも90%が18μm以下の大きさを有する、請求項13に記載のバイオプラスチック組成物。   14. The bioplastic composition according to claim 13, wherein at least 90% of the particles have a size of 18 [mu] m or less. 前記粒子の少なくとも90%が2μm以下の大きさを有する、請求項13または14に記載のバイオプラスチック組成物。   15. The bioplastic composition according to claim 13 or 14, wherein at least 90% of the particles have a size of 2 [mu] m or less. 実質的に他の添加物がない、請求項1乃至14のいずれかに記載のバイオプラスチック組成物。   The bioplastic composition according to any one of claims 1 to 14, which is substantially free of other additives. 請求項1乃至16のいずれかに記載のバイオプラスチックを含む自動車部品。   An automobile part comprising the bioplastic according to any one of claims 1 to 16. 請求項1乃至16のいずれかに記載のバイオプラスチックを含む家庭用電気器具部品。   A household electrical appliance component comprising the bioplastic according to any one of claims 1 to 16. 請求項1乃至16のいずれかに記載のバイオプラスチックを含む電子機器部品。   The electronic device component containing the bioplastic in any one of Claims 1 thru | or 16. 請求項1乃至16のいずれかに記載のバイオプラスチックを含む消費者商品。   A consumer product comprising the bioplastic according to any one of claims 1 to 16. 請求項1乃至16のいずれかに記載のバイオポリマー(バイオプラスチック)を含む包装用製品。   A packaging product comprising the biopolymer (bioplastic) according to any one of claims 1 to 16. 請求項21に記載の食品トレイおよび容器。   The food tray and container according to claim 21. 請求項1乃至16のいずれかに記載のバイオプラスチックを含むフィルムおよび袋。   A film and a bag comprising the bioplastic according to any one of claims 1 to 16. 農業マルチング・フィルムからなる請求項23に記載のフィルム。   24. A film according to claim 23 comprising an agricultural mulching film. 請求項1乃至16のいずれかに記載のバイオプラスチックを含むごみ袋。   A garbage bag comprising the bioplastic according to any one of claims 1 to 16. バイオプラスチックの靱性を増大させる方法であって、
樹脂の形態のバイオポリマーを供給し、
前記バイオポリマー樹脂に、約2.3重量%以上の被覆レベルの被覆材料で被覆された無機添加粒子を混合し、
前記被覆材料は、脂肪酸、脂肪酸誘導体、ロジン、ロジナート、ポリオレフィン系ワックス、オリゴマーおよびミネラル・オイル、およびこれらの組合せの中から選択されるものである、方法。
A method for increasing the toughness of a bioplastic,
Supplying a biopolymer in the form of a resin,
Into the biopolymer resin, inorganic additive particles coated with a coating material having a coating level of about 2.3% by weight or more are mixed.
The method wherein the coating material is selected from among fatty acids, fatty acid derivatives, rosins, rosinates, polyolefin waxes, oligomers and mineral oils, and combinations thereof.
前記無機添加粒子が炭酸カルシウム粒子である、請求項26に記載の方法。   27. The method of claim 26, wherein the inorganic additive particles are calcium carbonate particles. 前記炭酸カルシウム粒子が、沈降炭酸カルシウム、重質炭酸カルシウム、およびそれらの混合物からなる群から選択されたものである、請求項27に記載の方法。   28. The method of claim 27, wherein the calcium carbonate particles are selected from the group consisting of precipitated calcium carbonate, heavy calcium carbonate, and mixtures thereof. 前記被覆材料がステアリン酸またはその誘導体である、請求項26乃至28のいずれかに記載の方法。   29. A method according to any of claims 26 to 28, wherein the coating material is stearic acid or a derivative thereof. 前記被覆レベルが約2.3乃至10.0重量%の範囲にある、請求項26乃至29のいずれかに記載の方法。   30. A method according to any of claims 26 to 29, wherein the coating level is in the range of about 2.3 to 10.0 wt%. 前記被覆レベルが約2.3乃至4.0重量%の範囲にある、請求項30に記載の方法。   32. The method of claim 30, wherein the coating level is in the range of about 2.3 to 4.0 weight percent. 前記被覆無機添加粒子が200℃で1重量%未満の水分を含む、請求項26乃至31のいずれかに記載の方法。   32. A method according to any of claims 26 to 31 wherein the coated inorganic additive particles comprise less than 1 wt% moisture at 200 <0> C. 前記バイオポリマーがポリラクチドである、請求項26乃至32のいずれかに記載の方法。   33. A method according to any of claims 26 to 32, wherein the biopolymer is polylactide. 前記混合された材料が射出成形または押出し成形によって処理される、請求項26乃至33のいずれかに記載の方法。   34. A method according to any of claims 26 to 33, wherein the mixed material is processed by injection molding or extrusion. 前記材料が押出し成形されてフィルムを形成する、請求項34に記載の方法。   35. The method of claim 34, wherein the material is extruded to form a film. 前記混合された材料が180℃乃至210℃の範囲の温度で処理される、請求項32乃至35のいずれかに記載の方法。   36. A method according to any of claims 32 to 35, wherein the mixed material is treated at a temperature in the range of 180C to 210C. 前記材料が熱成形される、請求項26乃至36のいずれかに記載の方法。   37. A method according to any of claims 26 to 36, wherein the material is thermoformed. バイオプラスチックの靱性および延性を改善するために、脂肪酸、脂肪酸誘導体、ロジン、ロジナート、ポリオレフィン系ワックス、オリゴマーおよびミネラル・オイル、およびこれらの組合せの中の1種以上のもので被覆された無機粒子の使用。   Of inorganic particles coated with one or more of fatty acids, fatty acid derivatives, rosins, rosinates, polyolefin waxes, oligomers and mineral oils, and combinations thereof to improve the toughness and ductility of bioplastics use. 前記被覆された無機粒子および前記バイオポリマーの組合せ(合計)重量を基準として10乃至40重量%の範囲にある前記無機粒子の請求項38に記載の使用。   39. Use according to claim 38, wherein the inorganic particles are in the range of 10 to 40% by weight, based on the combined (total) weight of the coated inorganic particles and the biopolymer. 前記被覆された無機粒子および前記バイオポリマーの組合せ(合計)重量を基準として被覆された2.3乃至10重量%の前記無機粒子の請求項38または39の使用。   40. Use according to claim 38 or 39 of 2.3 to 10% by weight of said inorganic particles coated, based on the combined (total) weight of said coated inorganic particles and said biopolymer. 前記無機粒子が炭酸カルシウムからなり、前記被覆がC10乃至C22の脂肪酸またはその誘導体からなる、請求項38乃至40のいずれかに記載の使用。 Wherein the inorganic particles are calcium carbonate, wherein the coating consists of a fatty acid or a derivative thereof to C 10 to C 22, Use according to any one of claims 38 to 40. 前記炭酸カルシウムが、4より大きいアスペクト比を有する針状形態の沈降炭酸カルシウムである、請求項41に記載の使用。   42. Use according to claim 41, wherein the calcium carbonate is a precipitated calcium carbonate in the form of needles having an aspect ratio greater than 4. 前記炭酸カルシウム粒子の少なくとも90%が20μm以下の大きさを有する、請求項41または42に記載の使用。   43. Use according to claim 41 or 42, wherein at least 90% of the calcium carbonate particles have a size of 20 [mu] m or less. 前記炭酸カルシウム粒子の少なくとも90%が2μm以下の大きさを有する、請求項43に記載の使用。   44. Use according to claim 43, wherein at least 90% of the calcium carbonate particles have a size of 2 [mu] m or less. 前記被覆された無機粒子が200℃で1重量%未満の水分含有量を有する、請求項38乃至44のいずれかに記載の使用。   45. Use according to any of claims 38 to 44, wherein the coated inorganic particles have a moisture content of less than 1 wt% at 200C. バイオポリマーの溶融状態からの結晶化を促進するために、脂肪酸、脂肪酸誘導体、ロジン、ロジナート、ポリオレフィン系ワックス、オリゴマーおよびミネラル・オイル、およびこれらの組合せの中の1種以上で被覆された無機粒子の使用。   Inorganic particles coated with one or more of fatty acids, fatty acid derivatives, rosins, rosinates, polyolefin waxes, oligomers and mineral oils, and combinations thereof to promote crystallization from the molten state of the biopolymer Use of. 前記被覆された無機粒子および前記バイオポリマーの組合せ(合計)重量を基準として10乃至40重量%の前記無機粒子の請求項46に記載の使用。   47. Use according to claim 46, wherein 10-40% by weight of the inorganic particles, based on the combined (total) weight of the coated inorganic particles and the biopolymer. 前記被覆された無機粒子および前記バイオポリマーの組合せ(合計)重量を基準として被覆された2.3乃至10重量%の前記無機粒子の請求項46または47に記載の使用。   48. Use according to claim 46 or 47 of 2.3 to 10% by weight of said inorganic particles coated, based on the combined (total) weight of said coated inorganic particles and said biopolymer. 前記無機粒子が炭酸カルシウムからなり、前記被覆がC10乃至C22の脂肪酸またはその誘導体からなる、請求項38乃至48のいずれかに記載の使用。 Wherein the inorganic particles are calcium carbonate, wherein the coating consists of a fatty acid or a derivative thereof to C 10 to C 22, Use according to any one of claims 38 to 48. 前記炭酸カルシウムが、4より大きいアスペクト比を有する針状の形態の沈降炭酸カルシウムである、請求項49に記載の使用。   50. Use according to claim 49, wherein the calcium carbonate is a precipitated calcium carbonate in the form of needles having an aspect ratio greater than 4. 前記炭酸カルシウム粒子の少なくとも90%が20μm以下の大きさを有する、請求項49または50に記載の使用。   51. Use according to claim 49 or 50, wherein at least 90% of the calcium carbonate particles have a size of 20 [mu] m or less. 前記炭酸カルシウム粒子の少なくとも90%が2μm以下の大きさを有する、請求項51に記載の使用。   52. Use according to claim 51, wherein at least 90% of the calcium carbonate particles have a size of 2 [mu] m or less. 前記被覆された無機粒子が200℃で1重量%未満の水分含有量を有する、請求項46乃至52のいずれかに記載の使用。   53. Use according to any of claims 46 to 52, wherein the coated inorganic particles have a water content of less than 1% by weight at 200C.
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