JP2019503915A - 生分解性ポリマーシート - Google Patents

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Abstract

本発明のある態様は、50重量パーセント以下(例えば、25%以下)の多糖と、ポリマーマトリックスと、を含み、水に接触したときに水バリアを形成するように構成された第1レイヤーと、40重量パーセント以上の多糖と、ポリマーマトリックスと、を含む第2レイヤーと、を含む生分解性ポリマーシートに関する。生分解性ポリマーシートは、50重量パーセント以下(例えば、25%以下)の多糖と、ポリマーマトリックスと、を含み、水に接触したときに水バリアを形成するように構成された第3レイヤーと、をさらに含む。生分解性ポリマーシートは、自由大気および自然光への曝露に反応して地表において生分解される。【選択図】図1

Description

生分解性素材製のパッケージやプラスチックシートの必要性が高まっている。生分解性を有するように製造されたポリマーパッケージやプラスチックシートは、処理方法と整合的であることが必要とされる。処理方法として、ポリマー素材の崩壊、堆肥化、使用済みのパッケージやプラスチックシートの地中への埋設、パッケージやプラスチックシートを土で覆うこと、が知られている。
崩壊には、紫外線(例えば、太陽からの紫外線)にポリマーを曝すことで、ポリマー鎖間の少なくともいくつかの結合を分解することが伴う。以上のようにして、ポリマーパッケージが小片へと崩壊する。上記の小片は、さらに分解されなければ、ゴミの集積所や容器の中に長期に亘って残留する。また、堆肥化や地中への埋設を行うには、視認可能な残留物や有毒残留物を残さずに、ポリマーが二酸化炭素、水、無機化合物、およびバイオマス等に完全に分解されることが必要である。
堆肥化プロセスは、温度および湿度のレベルが制御された環境下で、密閉された容器にて実施される。地中への埋設には、プラスチック残留物を覆い隠すために重機を用いる必要がある。堆肥化プロセスや地中分解プロセスには、微生物によってポリマーが消化され有害な化合物となることが伴う。上記のようなポリマーは、通常、微生物のための「基質(substrate)」として作用するデンプン等の消化可能な材料を大量に含んでいる。
野外かつ地表において、ポリマーパッケージやポリマーシートを、二酸化炭素、水、および他の有害な化合物へと完全に崩壊させ分解することが非常に好ましい。さらに、偶然にまたは意図的に焼却された場合に、ポリマーパッケージの焼却生成物にいかなる有害ガスも含まれないことが好ましい。
本発明の実施形態は、生分解性ポリマーシートを対象とし得る。上記の生分解性ポリマーシートは、自由大気および自然光への曝露に反応して地表において生分解されるように構成され得る。上記の生分解性ポリマーシートは、水に接触したときに水バリアを形成するように構成された第1レイヤーと、多糖が豊富な混合物を含む第2レイヤーと、を含み得る。また、本発明の実施形態は、前述した生分解性ポリマーシートから作られた液体を保持する容器という形であり得る。
本発明として扱われる対象は、本明細書の結びの部分において、具体的に示され明確に請求される。しかしながら、添付の図面と共に後述の詳細な説明を参照することにより、本発明が、構成と作用方法との双方に関して、その目的、特徴、および利点と共に、最もよく理解されるであろう。
本発明の実施形態に係る例示的な生分解性ポリマーシートにおける種々のレイヤーの図である。 本発明の実施形態に係る例示的な容器の図である。
説明を簡単かつ明瞭にするために、図面に示す要素は、必ずしも縮尺通りに描かれていないことが理解されるであろう。例えば、いくつかの要素の寸法は、明瞭化のために他の要素に対して誇張されていることがある。さらに、適切であると考えられる場合、対応するまたは類似する要素を示すために、図面間で参照番号を繰り返していることがある。
以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の特定な詳細が記載されている。
しかしながら、当業者であれば、これらの特定の詳細なしで本発明を実施できることを理解するであろう。また、他の例では、本発明を不明瞭にしないために、周知の方法、手順、および構成要素については詳細に説明していない。
本発明のいくつかの態様は、生分解性ポリマーシートに関連し得る。上記のシートを使用して、水や他の水溶液を保持するためのパッケージおよび容器を形成し得る。本明細書において、「生分解」は、ポリマーが二酸化炭素、水、およびバイオマスに分解されることを意味する。いくつかの実施形態において、「生分解」が少量の無機物(例えば、鉄や炭酸カルシウム)をさらに含んでもよい。本発明の実施形態に係る生分解性ポリマーシートは、例えば、デンプン、セルロース、リグニン、キチン等の多糖が豊富な混合物を含んでいてもよい。多糖が豊富な混合物は親水性が高い。したがって、そのような化合物がポリマーシートに含まれると、そのポリマーシートで水溶液用の容器を形成することは困難である。
いくつかの実施形態において、生分解性ポリマーシートは、自由大気および自然光への曝露に反応して、地表(例えば、地上、土壌上)において生分解され得る。本発明の実施形態に係る生分解性ポリマーシートや上記のポリマーシートから作られた容器は、地表および自由大気中に放置されると、二酸化炭素、水、およびバイオマスに分解され得る。生分解は、微生物(例えば、バクテリア)、菌類、または地表にいる他の生物によって、ポリマーシートが消化および/または消費されることによって引き起こされ得る。生分解プロセスは、例えば、6月、12月、18月、または24月のような比較的短い期間にて生じ得る。
いくつかの実施形態において、生分解を促進するために、ポリマーシートが小さなポリマー断片に分解されるように構成されていてもよい。(日中に)太陽から来る紫外線は、ポリマー鎖の分解を引き起こし得る。このプロセスは、酸化促進性の添加剤をポリマーに添加することによって促進し得る。
それゆえ、本発明の実施形態に係る生分解性ポリマーシートは、2以上のレイヤーを含み得る。第1レイヤーは、水や水溶液を保持するための効果的な水バリアとして機能するように構成され得る。第2レイヤーは、ポリマーシート全体の生分解を促進するように構成され得る。
次いで、本発明の実施形態に係る例示的な生分解性ポリマーシートにおける種々のレイヤーの図である図1を参照する。生分解性ポリマーシート100は、多糖が豊富な混合物を含んだ、第1レイヤー110および第2レイヤー120を含む。第1レイヤー110は、水に接触したときに少なくとも1週間は持続する水バリアを形成するように構成され得る。生分解性ポリマーシート100は、自由大気および自然光への曝露に反応して地表において生分解され得る。生分解性ポリマーシート100は、多層ポリマーを製造する任意の既知の手法を使用して製造され得る。生分解性ポリマーシート100は、30μm以上、40μm以上、50μm以上、またはそれ以上の総厚を有し得る。いくつかの実施形態において、ポリマーシート100の総厚は、100μm以下、150μm以下、200μm以下、300μm以下、500μm以下、または1mm以下であり得る。
いくつかの実施形態において、第1レイヤー110は、ポリマーマトリックスおよび充填剤を含み得る。ポリマーマトリックスは、ポリエステルやポリエチレン等を含み得る。充填剤は、デンプン、セルロース、リグニン、キチンまたはこれらの任意の組合せ等の、多糖が豊富な混合物を含み得る。いくつかの実施形態において、第1レイヤーは、25重量パーセント以下の多糖を含み得る。また、いくつかの実施形態では、第1レイヤーは、50重量パーセント以下(例えば、40重量パーセント以下)の多糖を含み得る。いくつかの実施形態において、第1レイヤー110は、5μm以上の厚さ、例えば、10μm以上、20μm以上、30μm以上の厚さを有し得る。
いくつかの実施形態において、第1レイヤーは、自然光に暴露されたときにポリマーシートの崩壊を促進させるように構成された添加剤をさらに含んでもよい。上記の添加剤は、酸化促進性の添加剤(OXO添加剤としても知られている)を含み得る。例示的なOXO添加剤は、低濃度(例えば、5000PPM以下)でポリオレフィンの断片化および分解を誘導することが知られている遷移金属ステアリン酸塩(transition metal stearates)を含み得る。遷移金属は、分解プロセスを促進するヒドロペルオキシドへの触媒分解をもたらす2つの酸化状態の間で切り替えることが可能である。
いくつかの実施形態において、第1レイヤーは、少なくとも3時間、6時間、半日、1日、2日、5日、1週間、またはそれ以上の期間に亘って、水分子の移動をブロックするように構成され得る。例えば、第1レイヤーは、第1レイヤー110を有するシート100の第1面が水と接触しているとき、少なくとも3時間、6時間、半日、1日、2日、5日、1週間、またはそれ以上の期間に亘って、シート100の第1面から第2面への水の拡散(diffusion)を10%以下にするように構成され得る。いくつかの実施形態では、レイヤー110の全ての外部部分が水と接触するように、シート100が水に完全に接触していてもよい。いくつかの実施形態では、図2に関して以下に開示されるように、水がポリマーシート100に圧力を与え、与えられた圧力下でレイヤー110が水バリアを保持してもよい。いくつかの実施形態では、生分解性ポリマーシート100の全水蒸気透過度は、ASTM E−96基準に従って、37℃において50〜800[g/(m・日)]を超えないとよい。ポリマーシートから作られた例示的な容器(例えば、ミルクバッグ)は、複数の容器(例えば、水または水系溶液で満たされた複数のバッグ)がタンク内に一緒に入れられ、上側の容器が下側の容器を圧迫しているような状態であっても、水または水系溶液を少なくとも1週間に亘って保持し得る。図2に、例示的な容器が示されている。
例えば、第1レイヤー110は、20〜40重量パーセントの熱可塑性デンプンと、0.5重量パーセントのC54105FeO(FeSt OXO)とを有するポリエステルを含み得る。上記の組成物は、良好な耐衝撃性および強度特性を有する水バリアを形成し得る。しかしながら、デンプン含有量が相対的に低いので、上記のレイヤーは中程度の生分解性しか有さない可能性がある。
第2レイヤー120は、ポリマーマトリックスおよび充填剤を含み得る。充填剤は、例えば、レイヤー120の総重量に対して少なくとも40重量パーセントの、多糖が豊富な混合物を含み得る。多糖が豊富な混合物は、例えば、デンプン、セルロース、リグニン、キチン、またはこれらの組合せであり得る。マトリックスは、ポリエステルやポリエチレン等のポリマーを含み得る。第2レイヤー120は、バクテリア、菌類、または他の微生物が消費するための栄養材を設けて、シート100の生分解を促進するように構成され得る。第2レイヤー内の多糖が豊富な混合物は、栄養材を供給し得る。いくつかの実施形態では、第1レイヤー120が、20μm以上の厚さ、例えば、40μm以上、60μm以上、またはそれ以上の厚さを有し得る。
いくつかの実施形態において、第2レイヤー120は、自然光に暴露されたときにポリマーシートの崩壊を促進させるように構成された添加剤をさらに含んでもよい。上記の添加剤は、本明細書にて論じたような酸化促進性の添加剤(OXO添加剤としても知られている)を含み得る。
いくつかの実施形態において、多糖が豊富な混合物を大量に添加すると、レイヤーの機械的強度が低下し得ると共にレイヤーの親水性が高くなり得る。したがって、非常に良好な生分解性を有するものの、第2レイヤー120自体が水系溶液を保持するための容器を形成しない可能性がある。
いくつかの実施形態において、生分解性シート100は、第3レイヤー130をさらに含み得る。第3レイヤー130は、第2レイヤー120がレイヤー110および130によって両側から覆われるように、図示の通り、レイヤー110に接せずにレイヤー120の反対側に配置され得る。レイヤー130は、水に接触したときに水バリアを形成するように構成され得る。水バリアは、少なくとも3時間、6時間、半日、1日、2日、5日、1週間、またはそれ以上の期間に亘って持続し得る。レイヤー130は、ポリマーマトリックスおよび充填剤を含み得る。ポリマーマトリックスは、ポリエステルやポリエチレン等を含み得る。充填剤は、デンプン、セルロース、リグニン、キチンまたはこれらの任意の組合せ等の多糖が豊富な混合物を含み得る。いくつかの実施形態において、第1レイヤーは、25重量パーセント以下の多糖が豊富な混合物を含み得る。また、いくつかの実施形態では、第1レイヤーは、25重量パーセント以下の多糖を含み得る。いくつかの実施形態において、第3レイヤーは、50重量パーセント以下(例えば、40重量パーセント以下)の多糖を含み得る。いくつかの実施形態において、第1レイヤー130は、5μm以上の厚さ、例えば、20μm以上の厚さを有し得る。
第3レイヤー130は、水分子がポリマーシート100を通り抜けるのをブロックするように構成され得る。例えば、水を保持する容器にシート100が含まれる場合、第3レイヤー130は、容器からの蒸発を、容器に保持された水の10%以下にするように構成され得る。シート100の3レイヤー構造は、水および水蒸気が親水レイヤー120に接触しないように構成され得る。いくつかの実施形態において、シート100が3つ以上のレイヤーを含んでもよい。
いくつかの実施形態において、生分解性シート100は、10MPa以上の引張強度、例えば、15MPa以上、20MPa以上、30MPa以上、またはそれ以上の引張強度を有し得る。いくつかの実施形態において、生分解性シート100は、100%以上、200%以上、300%以上、400%以上、またはそれ以上の破断点伸びを有し得る。いくつかの実施形態において、第1レイヤー110は、水バリアを提供するのに加えて、ポリマーシート100が用いられる種々の応用に必要な引張強度を提供し得る。例えば、シート100から作られた容器に水を保持するための強度である。
いくつかの実施形態において、レイヤー110が厚くなるほどシート100が強靭になり得る。第2レイヤー120よりも厚い第1レイヤー110を有するシート100は、第2レイヤー120よりも薄いまたは同じ厚さの第1レイヤー110を有するシートよりも高い引張強度を有し得る。例えば、同じ総厚(例えば、100μm)を有するシート100に関し、60%の厚さ比(例えば、60μm)のレイヤー110と40%の厚さ比(例えば、40μm)のレイヤー120とを含むシート100は、各々のレイヤーが50%の厚さ比(例えば、50μm)を有するシート100よりも、強靭であり得る。レイヤー110と類似したまたは近い性質を持つレイヤー130等の追加の第3レイヤーを設けると、上記の強靭さがさらに増大する。したがって、同じ総厚を有する3レイヤーシートに関し、30%の厚さ比のレイヤー110と40%の厚さ比のレイヤー120と30%の厚さ比のレイヤー130とを有する3レイヤーシートは、25%の厚さ比のレイヤー110と50%の厚さ比のレイヤー120と25%の厚さ比のレイヤー130とを有する3レイヤーシートよりも、より高い引張強度を有し得る。いくつかの実施形態において、シート100の総厚、並びに第1レイヤー、第2レイヤー、およびオプションの第3レイヤーの間の厚さ比は、最終的に必要な引張強度に従って決定され得る。例えば、図2の容器のような水(または他の液体)用の容器に必要な引張強度である。
次いで、本発明の実施形態に係る水系溶液を保持する容器200の図である図2を参照する。容器200は生分解性シート100から作られ得る。容器200はシーリング210を含み得る。シーリング210は、分解や水の蒸発無しに、容器200内に水を保持するのに十分なほどに強靭であるとよい。容器200は、1日、2日、5日、1週間、またはそれ以上の期間に亘って、容器内に保持された水の蒸発が10重量パーセント以下に抑えられるように封印されるとよい。容器200は、相異なる量の液体を保持するように、種々のサイズであり得る。容器200は、1ミリリットル(ml)から100リットル(l)までの液体を保持するように設計され得る。例えば、10ml、50ml、100ml、200ml、500ml、1l、5l、および10lである。
いくつかの実施形態において、容器200の強度は、複数の容器200を積み重ねられるように、例えば、タンク内のシート100とシーリング210との双方が、複数の容器200の各々の中に水を保持できるように、設定されるとよい。例えば、シート100とシーリング210の強度は、容量200mlの水で満たされた容器200が、30kg以上、40kg以上、50kg以上、またはそれ以上の外部荷重によってその容器に与えられた圧縮圧力に耐えられるように設定されるとよい。
いくつかの実施形態において、生分解性シート100および容器200は、24月以内の間に、例えば、18月以内の間、12月以内の間、または6月以内の間に、自由大気および自然光への曝露に反応して地表において生分解されるように構成され得る。生分解性シート100および容器200は、ISO 20200、ASTM 6400、ISO 14855、およびEN13432のうち、少なくともいずれか1つの基準に照らして、環境的に無害な素材へと生分解され得る。例えば、自由大気中の地表に放置されたシート100および容器200は、土壌に存在するバクテリアおよび/または菌類によって、二酸化炭素、水、およびバイオマスへと生分解される。
いくつかの実施形態において、シート100および容器200は、(意図的であっても非意図的であっても)火中に置かれた際に、燃焼しても有害ガスを排出しないように構成され得る。本明細書において、有害ガスは、種々の量で吸入または摂取したときに人体に有害であるガスを含み得る。さらに、有害ガスは、燃焼し続けるか爆発するガスを含み得る。例えば、不完全燃焼は有毒な一酸化炭素の放出に繋がり、レイヤー110,120,130の少なくともいずれか1つのポリマーマトリックスに対して種々の化学物質を添加すると、他の有害ガスの放出を招き得る。したがって、シート100および容器200は、(外気中で)完全に燃焼して二酸化炭素を形成し、他の有毒または有害ガスを放出しない物質のみを含むとよい。
・実験結果
以下の表1に列挙された構造および構成を有する生分解性ポリマーシートを用いて実験を行った。
Figure 2019503915
・引張試験
表1に開示された構造を有する生分解性ポリマーシートに対して引張試験を行った。生分解性ポリマーシートは、機械方向の2方向、すなわち(MD−押出方向)および横断方向(TD)において7回試験された。表2に、最大荷重における応力および破断点における汚染(stain)を示す。試験は、温度23℃、湿度50%、フルスケール荷重0.5kN、クロスヘッド速度500mm/分の条件下で行った。
Figure 2019503915
明らかに分かるように、両方向の最大荷重における平均応力は10MPaより高く、破断点における歪み(strain)または伸びは100%よりもはるかに高い。
・地表生分解試験
表1に開示された構造を有する生分解性ポリマーシートを、自由大気および自然光への曝露に反応して地表において生分解させる試験を行った。図3Aおよび図3Bは、3タイプのシート310〜330を、カリフォルニア州にて夏期に地表に放置した後の、1日目(図3A)および63日目(図3B)の写真である。シート310は紙製であり、シート320は上記したのと同じ生分解性ポリマーシートであり、シート330はシート320と同じシートを川の水に1時間浸したものであった。明らかに分かるように、63日後、紙製のシートは同じままであった一方で、全ての生分解性ポリマーシートは崩壊し、少なくとも部分的に分解された。予想された通り、少量の水の添加によってシートの生分解性が増大している。
・水透過試験
表1に開示された構造を有する生分解性ポリマーシートの2つのサンプルの水蒸気透過度を試験した。両サンプルの水蒸気透過度は、それぞれ376g/(m・日)、327g/(m・日)であった。いずれのサンプルも水蒸気透過度が380g/(m・日)未満である。
本発明の或る特徴が本明細書において図示され説明されているが、当業者には種々の変形、置換、変更、および均等物が想起されるであろう。したがって、付随する特許請求の範囲は、本発明の真正な本質に含まれる上記のような変形および変更の全てを包摂することを意図していることが理解されよう。

Claims (22)

  1. 25重量パーセント以下の多糖と、ポリマーマトリックスと、を含み、水に接触したときに水バリアを形成するように構成された第1レイヤーと、
    40重量パーセント以上の多糖と、ポリマーマトリックスと、を含む第2レイヤーと、
    25重量パーセント以下の多糖と、ポリマーマトリックスと、を含み、水に接触したときに水バリアを形成するように構成された第3レイヤーと、を含む生分解性ポリマーシートであって、
    自由大気および自然光への曝露に反応して地表において生分解される、生分解性ポリマーシート。
  2. 18月以内の間に前記生分解が生じる、請求項1に記載の生分解性ポリマーシート。
  3. 6月以内の間に前記生分解が生じる、請求項1に記載の生分解性ポリマーシート。
  4. 自然光に曝露されたときにポリマーシートの崩壊を促進させるように構成された添加剤をさらに含む、請求項1または請求項2に記載の生分解性ポリマーシート。
  5. 前記多糖は、デンプン、セルロース、リグニンおよびキチンのうち少なくとも1つを含む、先行する請求項のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシート。
  6. 前記生分解性ポリマーシートの水蒸気透過度が、ASTM E−96基準で37℃において50〜800[g/(m・日)]である、先行する請求項のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシート。
  7. 引張強度が少なくとも10MPaである、先行する請求項のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシート。
  8. 破断点伸びが少なくとも100%である、先行する請求項のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシート。
  9. ISO 20200、ASTM 6400、ISO 14855、およびEN13432のうち、少なくともいずれか1つの基準に照らして、環境的に無害な素材へと完全に生分解されるように構成された、先行する請求項のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシート。
  10. 燃焼しても有害ガスを排出しないように構成された、先行する請求項のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシート。
  11. 先行する請求項のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシートから作られた、液体を保持する容器。
  12. 50重量パーセント以下の多糖と、ポリマーマトリックスと、を含み、水に接触したときに水バリアを形成するように構成された第1レイヤーと、
    50重量パーセント以上の多糖と、ポリマーマトリックスと、を含む第2レイヤーと、
    40重量パーセント以下の多糖と、ポリマーマトリックスと、を含み、水に接触したときに水バリアを形成するように構成された第3レイヤーと、を含む生分解性ポリマーシートであって、
    自由大気および自然光への曝露に反応して地表において生分解される、生分解性ポリマーシート。
  13. 18月以内の間に前記生分解が生じる、請求項13に記載の生分解性ポリマーシート。
  14. 6月以内の間に前記生分解が生じる、請求項13に記載の生分解性ポリマーシート。
  15. 自然光に曝露されたときにポリマーシートの崩壊を促進させるように構成された添加剤をさらに含む、請求項12または請求項14に記載の生分解性ポリマーシート。
  16. 前記多糖は、デンプン、セルロース、リグニンおよびキチンのうち少なくとも1つを含む、請求項12から請求項15のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシート。
  17. 前記生分解性ポリマーシートの水蒸気透過度が、ASTM E−96基準で37℃において50〜800[g/(m・日)]である、請求項12から請求項16のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシート。
  18. 引張強度が少なくとも10MPaである、請求項12から請求項17のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシート。
  19. 破断点伸びが少なくとも100%である、請求項12から請求項18のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシート。
  20. ISO 20200、ASTM 6400、ISO 14855、およびEN13432のうち、少なくともいずれか1つの基準に照らして、環境的に無害な素材へと完全に生分解されるように構成された、請求項12から請求項19のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシート。
  21. 燃焼しても有害ガスを排出しないように構成された、請求項12から請求項20のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシート。
  22. 請求項12から請求項21のうちいずれか1項に記載の生分解性ポリマーシートから作られた、液体を保持する容器。
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