JP2013531112A - 成形体のための均質生分解性混合物を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
均質生分解性混合物を製造する方法は、成形体を製造するために記載されている。
【解決手段】
補強充填剤は、様々な天然源、特に様々な製造業からのそれらの廃棄物からの繊維である。長く細かい繊維は、竹廃棄物の長さ方向の研磨によって得られる。繊維を水にｐＨ８で２０分間沸騰させ、クロロフィルを取り除くために上清が取り出される。繊維は、さらに２ｍｍ〜４ｍｍの好ましい長さに粉砕される。処理された繊維は、ローターで他のすべての成分と混合され、室温で１，８００ｒｐｍ〜２，０００ｒｐｍの速度で５分間〜１０分間回転する。でんぷん粒子及び他の成分は、繊維材料に浸透かつよく混合する。水は、混練しながら徐々に添加され、所望の成形体を製造するために用意される完璧な生地が得られる。
【選択図】なし

Description

本発明は、高粘度流体を使用せず、かつ混合に消費されるエネルギーが非常に少なく、マトリックス全体にわたって繊維成分の均一分散を可能にすることを可能とする、成形体用混合物を製造するための組成物及び方法に関する。

改善された機械的特性のある安定した物品におけるマトリックスにわたって均一に分散した繊維成分を有するボディを成形するための混合物を製造する方法である。

本発明は、成形でんぷんベースの成形体用組成物において繊維を均一に分散させる方法に関する。また、本発明は、商業的に競争力を持たせるため、生産コストを最小限に抑えることをもたらす大幅なエネルギー削減を示す。

環境への現在の懸念は、合成の非分解性使い捨て物品の使用量を減少しようとする多量の試みにつながっている。多くの人は、生分解性、環境に優しく、かつ再生可能な材料の物品を製造することを試みてきた。その材料の中で、最もよく使われるのは豊富で、天然の、かつ再生可能なでんぷんである。食べられる食品容器、例えばトレイ、コーン及びカップは、防湿、食品等級及びバリアコーティングを含むようになされている。脂肪又は油は、ベーキングモールドから成形体の取り出しを援助するために加えられることが多い。これらの脂肪の酸化は、これらの容器を腐敗させられる原因になる。その上、これらのでんぷんベースの容器は、不十分に低い破壊エネルギー及び低い柔軟性強度を持って、その両方ともが包装材料に対してとても重要な特性であるので、一般的に非常にもろくかつとても壊れやすい。効率的に物品を使う他の弱点は、その物品が、腐敗及び損傷をもたらす乾燥し過ぎる又は水分の多過ぎる条件下で、かなり短い貯蔵寿命を有することである。

製造者は、それ故に、そのようなでんぷんベースの物品を様々な長さの繊維で満たすことによって強度を高めるために試みを行っている（Ａｎｄｅｒｓｏｎら、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３）。繊維を使う１つの重要問題は、適切かつ均一に繊維を成形体にわたって分散させることができないことであるので、でんぷんベースの容器は非常に低い品質となる。繊維の凝集を防ぐ目的で、より多くの液体成分が、繊維のより良い分散を得るために使用されている。それでも、Ａｎｄｅｒｓｏｎらが述べたように、そのようなでんぷんベースの材料に大量の水が最大８０％まで加えられても、いかなる長さの繊維の適切な分散にはならない（特許文献２）。より短い長さの繊維の分散でさえ効果がないだけでなく、そのような大量の水の含有は、形成された生産物から過剰な水分を除去するのに必要な時間及びエネルギーの増加による物品の生産コストの大幅な増加を引き起こす。従って、全体として、商業的に競争力を持つようにでんぷんベースの物品の強度を増加するために繊維が必要であるが、生分解性容器の最も良い費用便益の製造を達成する最も重要なステップは、繊維を成形体にわたって均一に分散させることである。このような問題は、でんぷんベースの物品を製造する多くの発明において強調されてきた。材料のコストを削減するために、でんぷんベースの組成物に少量の不活性無機充填剤を取り入れるような試みがさらに行われる。しかし、無機充填剤の増加につれて成形品の機械的性質及び強度が急激に低下する原因のために、そのような充填剤の少量のみの添加、すなわち、体積で１０％未満の添加は可能である。ほとんどの試みは失敗した。これらのすべての問題は、でんぷんベースの物品が商業的に実現可能かつ世界的に使用できる前に解決すべき、非常に重要な問題である。

Ｗａｎｇ（特許文献４）は、１，０００ｒｐｍ／ｍｉｎ〜１，８００ｒｐｍ／ｍｉｎの範囲の速度で軟化竹繊維、バインダー、固化剤、撥水剤、でんぷん、及び水の混合物を攪拌することが強調される、生分解性繊維材料組成物を製造する方法を開示している。しかし、竹繊維を軟化させるために、水を使用して、３５℃〜４５℃の温度下で且つ５ｍｉｎ〜３０ｍｉｎを要求するように、１，０００ｒｐｍ／ｍｉｎ〜１，８００ｒｐｍ／ｍｉｎの速度で攪拌することにより２５重量％〜３５重量％で竹粉と混合し、その結果、繊維が混合物において不均一に分散することになった。これは、成形体の製造において望ましくない性能を引き起こす。

Ａｎｄｅｒｓｏｎ及びＨｏｄｓｏｎ（特許文献１及び特許文献２）は、でんぷん結合した細胞マトリックスにおいて繊維を均一に分散させるために、二段階混合プロセスを使用した。この二段階混合プロセスには、繊維が十分に均一に分散しようと試みる高降伏応力液相を形成するために、でんぷんベースのバインダー又は他の増粘剤の一部を水においてゲル化させることによって、事前混合された混合物を形成した。その後、残りのでんぷんベースのバインダー、水、並びに離型剤、無機充填剤、レオロジー改質剤、可塑剤、一体型コーティング又はシーリング材、及び分散剤などの他の成分は、事前混合された混合物に添加され、成形可能なでんぷんベースの組成物を形成した。しかし、これは明らかに、任意の粘性液相に繊維を均一に分散させるためにかなりの時間及びエネルギーを消費する。彼らの開示された方法は、従って、物品の効果的な製造を実現する困難さを含み、高価な器具及びより多い労働力を必要とする。製品が受け入れられないことに加えて、生産コストが大幅に増加して、かつ商業的に競争力がない。また、彼らの開示で述べたように、成形品の強度を増加させるために長繊維（＞２ｍｍ）が添加されることは、出発組成物におけるでんぷんベースの液体成分からの繊維の極めて悪い分散、凝集、及び／又は分離によって、改善されない特性が得られたり、さらに劣る物品が得られたりという悪影響をもたらす。彼らの分散のための方法が使用される成形体の製造は、それ故に、不可能である。

Ｔａｎａｋａ（特許文献５）は、植物繊維粉末が分散した水溶性多糖類を使用してみた。彼の開示された方法において、植物繊維材料（６０メッシュ〜２００メッシュ）は、洗浄され、酵素作用を停止させかつ植物繊維材料の自然な色を維持させる１５０℃〜１８０℃の蒸気によって高温で滅菌された。彼の発明は、でんぷん粉末、ガム質の粉末、及び水を混合して、射出成形のために用意された植物繊維成形材料を形成した。植物繊維の成形材料は湿気パウダーであり、ノズルからモールドに噴射されるまで、流動性を有さない。従って、６０℃〜１３０℃に制御された高温は、でんぷんをゼラチン化させるために必要であり、かつ材料の流れをモールドに充填させるようにする。この範囲よりも低い又は高い温度は、最初の場合において材料が射出成形機の射出ノズルから排出されないように、モールドへの充填性の欠如を引き起こす。後者の場合には、１３０℃よりも高い温度で、射出成形機のノズルから吹き出される蒸気量が増加することによって、気体でモールドのキャビティの端部を充填し、その結果、充填不足を引き起す。従って、Ｔａｎａｋａによって述べられる方法は、一貫しておらずかつ低い再現性を有するので、理想的ではなく、製造上の競争力を持たない方法である。

全体的に、物品の強度を増強するために様々な長さの繊維をでんぷんベースのマトリックスにわたって均一に分散させるように、非常に多くの試みが行われた。これまで、水又はそれ以上の粘度の液相を使用することは、凝集の問題解決の助けにはならないので、かなりの時間及びエネルギーを消費することに加えて、悪い性質で許容されない製品が得られ、その結果、商業的に実現可能ではない。

Ｐｏｏｖａｒｏｄｏｍ及びＰｒａｄｉｔｄｏｕｎｇ（特許文献６）は、非合成の生分解性でんぷんベースの組成物、及びその組成物が様々な泡状の製品に変換するプロセスを開示している。そのプロセスは、現在、時間及びエネルギーの最小量の利用で、でんぷんマトリックスにわたって均一に分散する天然繊維を添加することによって、成形体の強度を高めるためにうまく改善された。

これは、成形体のための均質生分解性混合物を製造する望ましい方法が提供される、当該技術分野で驚異的な改善になった。この方法は、混合中に水が添加されていない製造プロセス及びその再現性の費用便益に関して、先行技術の全体的な大幅な改善である。適切な速度で遠心分離する間にすべての成分が繊維と混合されることは、でんぷん粒子を他の粒子成分とともに繊維成分に均一に浸透かつ混合させ、その結果、すぐに使える均質の大きい塊が得られた。増粘剤又はいかなる粘性液相は、混合中に不要である。最終の混合物のマトリックスにおいて、凝集は検出されなかった。混練中に最適量の水を添加すると、所望の成形体に変換するために用意される完璧な生地が得られた。

米国特許第５，６１８，３４１号 米国特許第５，６７９，１４５号 米国特許第６，１６８，８５７号 米国特許公開第２００９／０２５５６３９号 米国特許公開第２００５／０１５８５４１号 米国特許第７，０６７，６５１号

均質生分解性混合物を製造する方法は、成形体を製造するために記載されている。補強充填剤は、商業的に許容されるように、容器の強度を高めるために必要とする。様々な天然源からの繊維、特に様々な製造業からのそれらの廃棄物は、充填剤として適用できる。使用される繊維材料は、竹製品から得られた廃棄物である。長く細かい繊維が得られる。処理は、繊維を水にｐＨ８で２０分間沸騰させ、クロロフィルを取り除くために上清が取り出されることである。繊維は、さらに２ｍｍ〜４ｍｍの好ましい長さに粉砕される。処理された繊維は、ローターで他のすべての成分と混合され、室温で１，８００ｒｐｍ〜２，０００ｒｐｍの速度で５分間〜１０分間回転する。でんぷん粒子及び他の成分は、繊維材料に浸透しかつよく混合する。混練しながら水を乾燥混合物に徐々に添加する結果、成形体を製造するための最良の特性を備えた生地が得られる。乾燥混合物は、使用する前に、室温で少なくとも６ヶ月間保存できる。

本発明は、生分解性成形体を形成するための成分を天然繊維と混合して、マトリックスにわたって繊維成分が実質的に凝集しない均質の混合物を得る方法を説明する。混合物は、さらなる処理のために用意される。大きな付加的利点は、乾燥混合物が適当量の水（０．５倍〜１．０倍）と混練される前に、最大６ヶ月までのかなり長い貯蔵寿命を有することである。これは、液体分散剤を用いる先行技術で説明したすべての混合物によっては不可能であり、その上、保存する場合に過大な場所を取るなど、短い貯蔵時間であっても不可能である。

本開示において、成形体の強度を高めるために使用される天然繊維は、家具及び木材、又は果肉、果皮、米ぬか、堅果の殻、キャッサバパルプなどの食品製造からの廃棄物であってもよい。最も良い天然繊維は、竹、又は他のイネ科、カヤツリグサ科の適切な植物からの廃棄物である。４０％以上のヘミセルロースを有するすべての繊維は、ヘミセルロース及び異物が連続マトリックスにおいて繊維のバインダーとして機能することができ、最も望ましい。繊維は、製造業からの竹廃棄物の粉砕による長さ方向の研磨によって得られ、その廃棄物は、さもなければ燃え尽きる必要があって、地球温暖化の問題を悪化させる。繊維は、水にｐＨ８で２０分間沸騰し、クロロフィル及び色素を取り除くように上清が取り出される。２０重量％〜３０重量％の水分を有する繊維は、さらに２ｍｍ〜４ｍｍの最終の長さに粉砕され、８重量％〜１２重量％の水分を有する。処理された繊維は、ローターで他のすべての成分と混合され、室温で１，８００ｒｐｍ〜２，０００ｒｐｍの速度で５分間〜１０分間回転する。

無水の場合に、遠心力はでんぷん粒子及び他の成分を順調に繊維部分に均一に浸透させかつ完全に混合させる。これは、すべての先行技術と著しく相違する乾式混合であり、その乾式混合は、優れた再現性があるプロセスの商業的な競争力を高めるために利用される時間及びエネルギーの点で非常に効率的であり、その結果、最も良い特性を有する最終製品の混合物が得られる。適当量の水、すなわち重量で約０．５倍〜１．０倍、好ましくは重量で０．６倍の量の水は、混練しながら徐々に添加され、所望の成形体を製造するために用意される完璧な生地が得られる。有用な製品を作る様々な産業からの廃棄物の使用は、環境省エネの面で役に立ち、その廃棄物は、さもなければ取り除かれるために途方もなく費用がかかる可能性があって、環境に非常に大きな問題になる。

実施例１：成形体用組成物（重量で％）
でんぷん ３０％〜７０％
可塑剤 ０％〜１０％
バインダー ０％〜５％
アルカリ又は塩 ０．１％〜０．５％
水 １００％まで

でんぷんは、単独又は混合物として、小麦粉、でんぷん、又は加工でんぷんの形で、キャッサバ、米、もち米、サツマイモ、トウモロコシ、ジャガイモ、モロコシ、又はサゴから調製したものとすることができる。可塑剤は、単独又は混合物として用いられてもよく、グリセロール又はソルビトールであるポリオールと、砂糖、ブドウ糖、果糖、グルコースシロップ、又は蜂蜜である糖類と、脂肪酸、脂肪酸エステル、モノグリセリド、ジグリセリド、蒸留されたアセチル化モノグリセリド、又はリン脂質である脂質又はその誘導体とからなる群より選ばれる。補強充填剤は、単独又は混合物として用いられてもよく、竹、イネ科又はカヤツリグサ科の草、キャッサバパルプからの繊維などの天然繊維材料と、石灰石、珪藻土、ベントナイト、ゼオライト、タルクなどの不活性多孔質粉末とからなる群より選ばれる。バインダーは、単独又は混合物として用いられてもよく、アルギン酸塩、ガム、寒天、カラギーナン、及びコンニャク粉である親水コロイドからなる群より選ばれる。アルカリ又は塩は、単独又は混合物として用いられてもよく、混合物のｐＨを中性または弱アルカリ性に近づくために添加され、水酸化カルシウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウム、炭酸水素ナトリウム、及び炭酸水素アンモニウムから選ばれる。

成形体の連続マトリックスは、３０％〜７０％の範囲におけるでんぷん又は小麦粉であり、ここで、製造廃棄物からのキャッサバパルプはこれらのでんぷん又は小麦粉を代用することができ、このようにして生産コストの削減に役立つ。

本明細書に開示される、成形体の製造のための均質生分解性混合物を製造する方法の大きな改善は、液体分散剤を使用するそれらの先行技術と比較してよりずっと良い製品が得られる乾式混合である。液体分散剤の使用は、受け入れられない特性がある非常に悪い製品が得られるという悪影響をもたらす、繊維材料の凝集の問題を克服するための試みである。本発明は、従って、成形体の連続マトリックスにわたって繊維材料を分散させる簡単なプロセスを提供する。そのプロセスは、高価又は高性能な機器が不要であり、製造プロセス中に発生する不一致を最小限に抑えることに加えて、作業コストを最小限に抑え、それ故に、成形体の製造が最良かつ最も効率的であることを可能にする。その混合物は、最小スペースを使用して室温で保存することができ、使用する前に、最大少なくとも６ヶ月間までの長い貯蔵寿命を有する。その長い貯蔵寿命は生産コストの削減に非常に役立ち、さもなければ、液体分散剤を使用するそれらの混合物によって一定期間の保存が不可能である。

本明細書に開示される発明によって製造される、均一に分散した繊維状材料を有する強化された容器又は物品は、合成非分解性ポリマー又は樹脂を含まない。その容器又は物品は、それ故に、生分解可能なものとして分散してかつ土壌の成分になるので、自然環境に優しい。従って、その容器又は物品は、容器リサイクル法に違反しない通常の有機廃棄物として捨てられることができる。

本発明は、適切な長さで連続マトリックスにわたって均一に分散した繊維を有する成形体のための均質生分解性混合物を製造する方法を提供する。そのプロセスは、最小限の時間及びエネルギーを消費するが、最良の特性、特に最良の強度を持つ製品が得られる。本発明は、当業者が本発明の範囲から逸脱することなく、他の特定の形態で実施することができる。それに応じて、これは、上記の説明に含まれるすべての事項は限定的な意味よりも記述的なものとして解釈されることを意図している。

また、当然のことながら、以下の特許請求の範囲は、本明細書に記載される本発明のすべての包括的及び具体的な特徴をカバーすることを意図しており、言語の問題とする本発明の範囲のすべての記載は、それらの間に落ちるといえる。

Claims (7)

1. 望ましい強度を持つ成形体の製造のための均質生分解性混合物を製造する方法であって、
   遠心力を利用して、乾燥混合繊維によって繊維補強充填剤を他のすべての成分と均一に分散させるステップを含む、
   ことを特徴とする均質生分解性混合物を製造する方法。
2. 前記繊維補強充填剤は、竹、又はイネ科若しくはカヤツリグサ科の他の草、木材産業又は食品産業からの廃棄物から製造され、且つ、乾燥混合繊維は竹の長さ方向の研磨によって得られる、
   ことを特徴とする請求項１記載の均質生分解性混合物を製造する方法。
3. 前記繊維補強充填剤は、長さが２ｍｍ〜４ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項２記載の均質生分解性混合物を製造する方法。
4. 前記利用される遠心力は、１，８００ｒｐｍ〜２，０００ｒｐｍで室温で５分間〜１０分間である、
   ことを特徴とする請求項１記載の均質生分解性混合物を製造する方法。
5. 前記他のすべての成分は、
   でんぷん ３０％〜７０％
   可塑剤 ０％〜１０％
   バインダー ０％〜５％
   アルカリ又は塩 ０．１％〜０．５％
   水 １００％まで
   ことを特徴とする請求項１記載の均質生分解性混合物を製造する方法。
6. 前記繊維補強充填剤は、当該均質生分解性混合物の５％〜３０％を占める、
   ことを特徴とする請求項１記載の均質生分解性混合物を製造する方法。
7. 前記繊維補強充填剤は、単独又は混合物として用いられてもよく、竹、イネ科又はカヤツリグサ科の草、キャッサバパルプからの繊維などの天然繊維材料と、石灰石、珪藻土、ベントナイト、ゼオライト、タルクなどの不活性多孔質粉末とからなる群より選ばれる、
   ことを特徴とする請求項１記載の均質生分解性混合物を製造する方法。