JP2024065972A - ポリ乳酸樹脂組成物、ポリ乳酸樹脂発泡体及びその製造方法、並びに製造物 - Google Patents

ポリ乳酸樹脂組成物、ポリ乳酸樹脂発泡体及びその製造方法、並びに製造物 Download PDF

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Abstract

【課題】高温時の強度及び外観に優れ、かつリサイクル性と生分解性に優れるポリ乳酸樹脂組成物を提供すること。【解決手段】下記(i)及び(ii)の条件を満たすポリ乳酸樹脂を90質量%以上含有するポリ乳酸樹脂組成物である。(i)190℃における溶融粘度が2,000Pa・s以上40,000Pa・s以下及び(ii)ゲル浸透クロマトグラフィーにより測定される重量平均分子量(Mw)が100以上の領域の分子量分布において、重量平均分子量(Mw)が1,000以下の領域が10%以下であり、かつ、重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域が20%以上である。【選択図】なし

Description

本発明は、ポリ乳酸樹脂組成物、ポリ乳酸樹脂発泡体及びその製造方法、並びに製造物に関する。
プラスチック製品は、袋、トレー、容器等の様々な形状に加工されて広く流通している。しかし、プラスチック製品は、殆どが自然界で分解されにくい性質を有しているため、使用後の廃棄処理が問題となっている。そのため、プラスチック製品について、自然界で分解されにくい非生分解性プラスチックから、自然界で分解される生分解性プラスチックへ置き換えるための材料開発が盛んに行われている。生分解性プラスチックの中でもポリ乳酸は、生分解性を有しつつ、かつその物性が、プラスチックとして従来使用されているポリスチレンなどと似ていることから、非生分解性プラスチックの代替品として注目されている。
ポリ乳酸を広く用いるために、発泡させて使用量を減らし、成型加工性の良いシートとした発泡シートが提案されている。しかし、ポリ乳酸は、加熱して軟化及び溶融させた際、すぐに低粘度液体となり、発泡に適した溶融粘度を示す範囲が狭いため、発泡させにくい樹脂として知られている。
そこで、ポリ乳酸に発泡成形に適した溶融粘度及び張力を得るため、高分子量のアクリル樹脂を添加すること(例えば、特許文献1参照)や、乳酸をコハク酸とエチレングリコールとの脱水縮合した他のポリエステル構造と共重合させた変性ポリ乳酸(例えば、特許文献2参照)などが提案されている。しかし、これらの提案では、十分な溶融粘度及び張力が得られず、高温下における形状維持と発泡の両立は困難であり、生分解性にも劣る。
また、発泡シートの耐熱容器への応用を考えた場合、高温下で形状がだれず、寸法が変わらないことが求められる。十分な厚みがある場合は、ほぼポリ乳酸単体で構成されていても機械的強度を保持し、断熱材などに適用することが提案されている(例えば、特許文献3参照)。しかし、この提案では、成型加工性が良く、省資源である薄い発泡シートにて、耐熱性、機械的強度、及び生分解性を両立することは困難であった。
一方、生分解性を有し、強度及び柔軟性に優れた発泡体を提供するために、無機粒子を含んだゲル分率が低い発泡体(例えば、特許文献4参照)などが提案されている。しかし、この提案では、高い溶融粘度および耐熱性の両立が困難であった。
本発明は、高温時の強度及び外観に優れ、かつリサイクル性と生分解性に優れるポリ乳酸樹脂組成物を提供することを目的とする。
前記課題を解決するための手段としての本発明のポリ乳酸樹脂組成物は、下記(i)及び(ii)の条件を満たすポリ乳酸樹脂を90質量%以上含有することを特徴とする。
(i)190℃における溶融粘度が2,000Pa・s以上40,000Pa・s以下、及び
(ii)ゲル浸透クロマトグラフィーにより測定される重量平均分子量(Mw)が100以上の領域の分子量分布において、重量平均分子量(Mw)が1,000以下の領域が10%以下であり、かつ、重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域が20%以上である。
本発明によれば、高温時の強度及び外観に優れ、かつリサイクル性と生分解性に優れるポリ乳酸樹脂組成物を提供することができる。
図1は、本発明のポリ乳酸樹脂組成物の製造及び本発明のポリ乳酸樹脂発泡体の製造で好適に用いられる圧縮性流体の温度と圧力に対する物質の状態を説明する相図である。 図2は、本発明のポリ乳酸樹脂組成物の製造及び本発明のポリ乳酸樹脂発泡体の製造で好適に用いられる圧縮性流体の範囲を定義するための相図である。 図3は、本発明のポリ乳酸樹脂発泡体の製造方法に用いる連続式混練装置の一例を示す概略説明図である。 図4は、本発明のポリ乳酸樹脂発泡体の製造方法に用いる連続式樹脂発泡体作製装置の一例を示す概略図である。 図5は、本発明のポリ乳酸樹脂組成物の製造に用いる連続式発泡装置の別の一例を示す概略図である。
(ポリ乳酸樹脂組成物)
本発明のポリ乳酸樹脂組成物(以下、「樹脂組成物」と略記することがある)は、下記(i)及び(ii)の条件を満たすポリ乳酸樹脂(以下、「ポリ乳酸」と略記することがある)を90質量%以上含有し、更に必要に応じてその他の成分を含有する。
(i)190℃における溶融粘度が2,000Pa・s以上40,000Pa・s以下、及び
(ii)ゲル浸透クロマトグラフィーにより測定される重量平均分子量(Mw)が100以上の領域の分子量分布において、重量平均分子量(Mw)が1,000以下の領域が10%以下であり、かつ、重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域が20%以上である。
詳細は後述するが、本発明のポリ乳酸樹脂組成物は良好な耐熱性を有し、例えば、耐熱性食品容器としても使用することが可能となる。なお、本発明において、前記ポリ乳酸樹脂組成物とは、発泡させる前の状態をいう。
本発明のポリ乳酸樹脂組成物は、前記ポリ乳酸樹脂が前記(i)及び(ii)の条件を満たすことによって、生分解性を有しながら、生産性、高い溶融粘度及び張力、耐熱性、及び機械的強度に優れるものである。換言すると、本発明のポリ乳酸樹脂組成物は、微生物等による分解が可能で、使用後処分するに際しても地球環境への負荷が少なく、高い生産性を有し、実用に耐え得るものである。
以下に本発明のポリ乳酸樹脂組成物について実施形態を挙げて説明するが、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、又は削除などの当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用及び効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
<ポリ乳酸樹脂(A)>
前記ポリ乳酸樹脂は、微生物により分解されるため、環境に優しい低環境負荷高分子材料として注目されている(例えば、「脂肪族ポリエステルの構造、物性、生分解性」、井上 義夫、高分子、2001年、50巻、6号、p374-377参照)。
前記ポリ乳酸樹脂としては、例えば、乳酸のD体(D-乳酸)と乳酸のL体(L-乳酸)との共重合体(DL-乳酸);D-乳酸又はL-乳酸のいずれか一方の単独重合体;ラクチドのD体(D-ラクチド)、ラクチドのL体(L-ラクチド)、及びDL-ラクチドからなる群より選ばれた一又は二以上のラクチドの開環重合体などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。前記ポリ乳酸としては、適宜合成したものを用いても、市販されているものを用いてもよい。
[溶融粘度]
前記ポリ乳酸樹脂の190℃における溶融粘度は、2,000Pa・s以上40,000Pa・s以下であり、2,000Pa・s以上30,000Pa・s以下が好ましく、2,000Pa・s以上20,000Pa・s以下が更に好ましい。前記ポリ乳酸樹脂の190℃における溶融粘度が2,000Pa・s未満であると、高温時の強度、外観、及び発泡倍率が不十分となる。また、前記ポリ乳酸樹脂の190℃における溶融粘度が40,000Pa・s超であると、高温時の強度及びリサイクル性が不十分となる。一方、前記ポリ乳酸樹脂の190℃における溶融粘度が2,000Pa・s以上40,000Pa・s以下であると、高温時の強度及び外観に優れ、かつリサイクル性と生分解性に優れるだけでなく、加水分解を受けにくく、混練又は押出し時に前記ポリ乳酸樹脂が変質しにくいという利点がある。
前記ポリ乳酸樹脂の溶融粘度は、80℃にて2時間以上乾燥した前記ポリ乳酸樹脂組成物を、下記測定条件でフローテスターにて測定することにより確認することができる。
[測定条件]
・ フローテスター:CFT-100D又はCFT-100EX(いずれも、株式会社島津製作所製)
・ 試験温度:190℃
・ 測定モード:定温法
・ ノズル寸法:直径1mm×長さ10mm
なお、前記ポリ乳酸樹脂の190℃における溶融粘度は、前記ポリ乳酸樹脂組成物が前記ポリ乳酸樹脂以外のその他の成分を含まない場合は、前記ポリ乳酸樹脂そのものの溶融粘度が測定され、前記ポリ乳酸樹脂組成物が2種以上のポリ乳酸樹脂を含有する場合は、これらの2種以上のポリ乳酸樹脂混合物の特性に基づく溶融粘度が測定される。
また、前記ポリ乳酸樹脂組成物が後述する架橋剤を含有し、1種又は2種以上のポリ乳酸樹脂間で架橋反応が生じた場合は、架橋したポリ乳酸樹脂の溶融粘度が測定される。
[分子量]
-重量平均分子量(Mw)が1,000以下の領域-
前記ポリ乳酸樹脂の重量平均分子量(Mw)が100以上の領域の分子量分布において、重量平均分子量(Mw)が1,000以下の領域は10%以下であるが、5%以下が好ましく、3%以下がより好ましい。前記重量平均分子量(Mw)が1,000以下の領域が10%超であると、粘度低下と加水分解促進により、前記ポリ乳酸樹脂組成物をポリ乳酸樹脂発泡体の製造に用いる場合、発泡を阻害する。
-重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域-
前記ポリ乳酸樹脂の重量平均分子量(Mw)が100以上の領域の分子量分布において、重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域は20%以上であるが、30%以上が好ましく、50%以上がより好ましく、65%以上が更に好ましい。前記重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域が20%未満であると、粘度の上昇が十分に得られず、前記ポリ乳酸樹脂組成物をポリ乳酸樹脂発泡体の製造に用いる場合、発泡時の安定性が低下する。前記ポリ乳酸樹脂の重量平均分子量(Mw)が100以上の領域の分子量分布において、重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域の上限値としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、粘度の点から、80%以下が好ましい。
-重量平均分子量(Mw)-
前記ポリ乳酸樹脂の重量平均分子量(Mw)としては、上記(ii)の条件を満たす限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、250,000以上が好ましく、280,000以上がより好ましい。また、前記ポリ乳酸樹脂の重量平均分子量(Mw)の上限値としても、特に制限はないが、600,000以下が好ましく、450,000以下がより好ましい。前記ポリ乳酸樹脂の重量平均分子量(Mw)の下限値と上限値とは適宜組み合わせることができ、250,000以上600,000以下が好ましく、280,000以上450,000以下がより好ましい。
前記ポリ乳酸樹脂の重量平均分子量(Mw)が250,000以上であると、前記ポリ乳酸樹脂組成物を後述するポリ乳酸樹脂発泡体に使用する場合において、発泡させる際の発泡温度における発泡セル内の表面張力が増加し、破泡が少なくなるため、発泡倍率の高い発泡体を作製できるという利点がある。また、この重量平均分子量(Mw)領域のポリ乳酸樹脂組成物をリサイクル材の樹脂組成物に混合することにより、耐熱性の補強を行うことができるという利点がある。
-分子量分布(Mw/Mn)-
前記ポリ乳酸樹脂の重量平均分子量(Mw)を数平均分子量(Mn)で除した分子量分布(Mw/Mn)としては、上記(ii)の条件を満たす限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、1.3以上が好ましく、1.5以上がより好ましく、1.7以上が更に好ましい。また、前記分子量分布(Mw/Mn)の上限値としても、特に制限はないが、2.8以下が好ましく、2.65以下がより好ましく、2.4以下が好ましく、2.2以下がより好ましい。前記分子量分布(Mw/Mn)の下限値と上限値とは適宜組み合わせることができ、1.3以上2.8以下が好ましく、1.5以上2.65以下がより好ましく、1.7以上2.4以下が更に好ましく、1.7以上2.2以下が特に好ましい。前記分子量分布(Mw/Mn)が1.3以上2.8以下であると、分解や架橋反応などの重合反応での意図しない副反応が起きにくい。また、前記分子量分布(Mw/Mn)が1.7以上であると、分子鎖の長さのばらつきが大きくなり、前記ポリ乳酸樹脂組成物をポリ乳酸樹脂発泡体の製造に用いる場合、粘度の低い領域と高い領域とが介在することにより、破泡が起こりにくく、発泡倍率が向上する点で好ましい。
前記ポリ乳酸樹脂の重量平均分子量(Mw)の測定方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)によって、サイズによる成分の分離を行うことによって測定することができる。
具体的には、前記ポリ乳酸樹脂組成物を濃度0.5質量%となるように、クロロホルムで溶解して測定用試料を調製する。調製した測定用試料を20μL注入し、下記測定条件で測定する。また、単分散ポリスチレン標準試料を用いて、同様の方法でゲル浸透クロマトグラフィーを行い、予め分子量校正曲線を作成する。
前記ポリ乳酸樹脂の分子量分布から、前記分子量校正曲線を使用して、前記ポリ乳酸樹脂の数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)、重量平均分子量(Mw)が100以上の領域の分子量分布において、1,000以下の領域(%)、及び重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域(%)を算出することができる。
[測定条件]
・装置:HLC-8320GPC(東ソー株式会社製)
・カラム:TSKgel(登録商標) SuperHZM-H(東ソー株式会社製)
・温度:40℃
・溶媒:クロロホルム
・注入量:20μL
・流速:0.6mL/分間
なお、前記ポリ乳酸樹脂の前記分子量に関する各特徴は、前記ポリ乳酸樹脂の190℃における溶融粘度の場合と同様に、前記ポリ乳酸樹脂組成物が前記ポリ乳酸樹脂以外のその他の成分を含まない場合は、前記ポリ乳酸樹脂そのものの分子量の特徴が測定され、前記ポリ乳酸樹脂組成物が2種以上のポリ乳酸樹脂を含有する場合は、これらの2種以上のポリ乳酸樹脂混合物の特性に基づく分子量の特徴が測定される。
また、前記ポリ乳酸樹脂組成物が後述する架橋剤を含有し、1種又は2種以上のポリ乳酸樹脂間で架橋反応が生じた場合は、架橋したポリ乳酸樹脂の分子量の特徴が測定される。
[ひずみ硬化係数]
前記ポリ乳酸樹脂の融点±10℃の範囲における溶融1軸伸長粘度測定で得られる[(時間)-(1軸伸長粘度)]の両対数プロット曲線において、前記ポリ乳酸樹脂は、下記式(1)に基づき算出されるひずみ硬化係数が2以上であり、2以上50以下が好ましく、2以上25以下がより好ましく、2以上9以下が更に好ましい。前記ひずみ硬化係数が2未満であると、前記ポリ乳酸樹脂組成物のレオロジー改良効果が乏しい。また、前記ひずみ硬化係数が2以上50以下であると、前記ポリ乳酸樹脂組成物を簡便に効率良く製造でき、更に成形安定性に優れる。
ひずみ硬化係数=a2/a1 ・・・ 式(1)
ただし、前記式(1)において、a1は、[(時間)-(1軸伸長粘度)]の両対数プロット曲線における線形領域の傾きを示し、a2は、[(時間)-(1軸伸長粘度)]の両対数プロット曲線における非線形領域の傾きを示す。
本発明において、前記ひずみ硬化係数は、前記ポリ乳酸樹脂組成物を80℃にて2時間以上乾燥し、下記測定条件でレオメーターにより測定することにより確認することができる。
[測定条件]
・ 測定装置:ARES-G2(TA Instruments社製)
・ 測定治具:伸長粘度フィクスチャー(EVF)(TA Instruments社製)
・ 測定条件:測定対象のポリ乳酸樹脂の示差走査熱量測定(DSC)による融点より少なくとも10℃~50℃高い温度範囲までの温度で、ひずみ速度は少なくとも1.0(s-1)で行い、得られた時間-1軸伸長粘度の両対数プロット曲線において前記式(1)で表されるひずみ硬化係数を算出する。
前記a1は、簡易法によらず、以下のようにして求めることができる。
具体的には、ARES-G2(TA Instruments社製)と、測定治具として25mmのパラレルプレートを用いて、ひずみ=10%、温度=1軸伸長粘度測定と同温度、GAP=0.7mm~1.5mmの測定条件で周波数0.1rad/s~100rad/s範囲のせん断粘度の周波数依存性データを求め、これより求めたせん断粘度の3倍値:3ηsを、時間-せん断粘度の両対数プロット上にプロットし、そのプロット線の傾きを時間-伸長粘度の両対数プロット曲線における線形領域の傾きa1とする。
[L体又はD体の比率]
前記ポリ乳酸樹脂は、その構成モノマー単位として乳酸のD体及び乳酸のL体のいずれか一方が、前記ポリ乳酸樹脂中に、90.0%以上99.8%以下であることが好ましく、94.0%以上99.8%以下であることがより好ましい。特に制限されるものではないが、前記ポリ乳酸樹脂の構成モノマー単位として乳酸のD体及びL体のいずれか一方が、該ポリ乳酸樹脂中98.0%を超えるものは高光学純度領域のポリ乳酸樹脂とも言え、98.0%未満のものは98.0%以上のものに比べて低光学純度領域のポリ乳酸とも言える。前記ポリ乳酸樹脂の構成モノマー単位として乳酸のD体及びL体のいずれか一方が、該ポリ乳酸樹脂中94.0%以上99.8%以下であると、食品分野に適用しやすくなる。また、食品分野への適用を考えると、乳酸のL体が94%以上であることが好ましい。乳酸のL体が94%以上である場合、40℃以上においてポリマーの分解を抑え、ラクチドの溶出量を抑えることができる。
前記ポリ乳酸樹脂として、D-乳酸とL-乳酸との共重合体(DL-乳酸)、又はD-ラクチド、L-ラクチド、及びDL-ラクチドからなる群より選ばれた一又は二以上のラクチドの開環重合体を用いる場合、D体及びL体のうち少ない方の光学異性体が減少するに従って、結晶性が高くなり融点や結晶化速度が高くなる傾向がある。また、D体及びL体のうち少ない方の光学異性体が増加するに従って、結晶性が低くなり、やがて非晶性となる傾向がある。前記ポリ乳酸樹脂の結晶性は、前記ポリ乳酸樹脂組成物を後述するポリ乳酸樹脂発泡体に用いた場合、該ポリ乳酸樹脂発泡体の耐熱性や、発泡の成型温度に関連し、高光学純度のポリ乳酸を用いた場合は、耐熱性は良くなるが、発泡倍率が高いシートを得るのは困難である。
前記ポリ乳酸樹脂組成物中の前記ポリ乳酸樹脂の構成モノマー単位である乳酸のD体及び乳酸のL体のいずれか一方の含有量は、光学活性カラムを用いた液体クロマトグラフィー(LC-MS)で分析することにより確認することができる。LC-MSによる測定手順、測定装置、及び測定条件は次の通りである。
まず、ポリ乳酸樹脂組成物を凍結粉砕し、凍結粉砕した該ポリ乳酸樹脂組成物の粉末を精密天秤にて三角フラスコに200mg量り取り、1Nの水酸化ナトリウム水溶液30mLを加える。次に、三角フラスコを振盪しながら65℃に加熱して、ポリ乳酸樹脂組成物を完全に溶解させる。続いて、1N塩酸を用いてpHが4~7となるように調整し、メスフラスコを用いて所定の体積に希釈してポリ乳酸溶解液を得る。次に、前記ポリ乳酸溶解液を0.45μmのメンブレンフィルターで濾過した後、下記測定条件で液体クロマトグラフィーにより測定する。
得られたチャートに基づいて、乳酸のD体由来のピーク面積及び乳酸のL体由来のピーク面積と、これらの合計面積とから、乳酸のD体由来のピーク面積比及び乳酸のL体由来のピーク面積比を算出し、これを存在比として、D体量比及びL体量比を算出する。上記操作を3回行って得られた結果の算術平均した値を、前記ポリ乳酸樹脂組成物におけるポリ乳酸樹脂を構成する乳酸のD体量及びL体量とする。
[測定条件]
・ HPLC装置(液体クロマトグラフ):PU-2085Plus型システム(日本分光株式会社製)
・ カラム:Chromolith(登録商標) coated with SUMICHIRAL OA-5000(内径4.6mm、長さ250mm)(株式会社住友分析センター製)
・ カラム温度:25℃
・ 移動相:2mM CuSO水溶液と2-プロパノールとの混合液(CuSO水溶液:2-プロパノール(体積比)=95:5)
・ 移動相流量:1.0mL/分間
・ 検出器:UV254nm
・ 注入量:20μL
前記ポリ乳酸樹脂組成物に対して上記の測定を行い、乳酸のD体由来のピーク面積及び乳酸のL体由来のピーク面積の合計面積に対して、乳酸のD体由来のピーク面積及び乳酸のL体由来のピーク面積のうち、ピーク面積が大きい方の面積が90%以上である場合、前記ポリ乳酸樹脂組成物中の前記ポリ乳酸樹脂の構成モノマー単位である乳酸のD体及び乳酸のL体のいずれか一方が90%以上であると言える。
前記ポリ乳酸樹脂組成物における前記ポリ乳酸樹脂の含有量は、生分解性及びリサイクル性の観点から、前記ポリ乳酸樹脂組成物中の全質量に対して、90質量%以上であるが、95質量%以上が好ましく、97質量%以上がより好ましく、98質量%以上が更に好ましく、99質量%以上が更により好ましく、99.9質量%以上が特に好ましい。前記ポリ乳酸樹脂の含有量が90質量%未満であると、良好な生分解性が得られない。また、他の成分のブレンド、共重合等はポリ乳酸樹脂のグリーンプラスチック、バイオマスプラスチックの特性を損ねるため、好ましくない。一方、前記ポリ乳酸樹脂の含有量が90質量%以上であると、ポリ乳酸樹脂が生分解しても、生分解しないその他の成分が残存してしまうという不具合を防止できる。
前記ポリ乳酸樹脂組成物は、前記ポリ乳酸樹脂以外の有機物を含有していてもよい。
前記ポリ乳酸樹脂以外の有機物としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、エポキシ基を有する化合物(B)、イソシアネート基を有する化合物(C)、オキサゾリン基を有する化合物(D)、カルボジイミド基を有する化合物(E)などが挙げられる。
このように、前記ポリ乳酸樹脂組成物が、前記ポリ乳酸樹脂以外の有機物を含有する場合、前記ポリ乳酸樹脂組成物における前記ポリ乳酸樹脂の含有量は、生分解性及びリサイクル性の観点から、前記ポリ乳酸樹脂組成物中の有機物の全質量に対して、90質量%以上が好ましく、95質量%以上がより好ましく、97質量%以上が更に好ましく、98質量%以上が更により好ましく、99質量%以上が特に好ましい。
前記ポリ乳酸樹脂の含有量は、前記ポリ乳酸樹脂組成物を製造する際に仕込む材料の割合から算出できる。仕込む材料の割合が不明な場合、例えば、下記測定条件でガスクロマトグラフィー質量分析(GC-MS)を行い、既知のポリ乳酸を標準試料とした比較により成分を特定することができる。必要に応じて、核磁気共鳴(NMR)測定によるスペクトルの面積比や、その他の分析方法も組み合わせて算出することが可能である。
[測定条件]
・ GC-MS装置(ガスクロマトグラフ質量分析):GC-MS QP2010(株式会社島津製作所製)、補器 Py3030D(フロンティア・ラボ株式会社製)
・分離カラム:Ultra ALLOY UA5-30M-0.25F(フロンティア・ラボ株式会社製)
・試料加熱温度:300℃
・カラムオーブン温度:50℃(1分間保持)~昇温速度15℃/分間~320℃(6分間保持)
・イオン化法:Electron Ionization(E.I)法
・検出質量範囲:25~700(m/z)
なお、同様のGC-MS分析により、エポキシ基を有する化合物(B)、イソシアネート基を有する化合物(C)、オキサゾリン基を有する化合物(D)、及びカルボジイミド基を有する化合物(E)の含有量についても求めることができる。
<<ポリ乳酸樹脂の製造方法>>
前記ポリ乳酸樹脂組成物の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、一般的には、乳酸の環状二量体であるL-ラクチドを、触媒存在下で開始剤を用いて開環重合させる方法が挙げられる。したがって、前記ポリ乳酸樹脂組成物の製造方法は、重合工程を含むことが好ましく、更に必要に応じて、原材料混合工程、重合停止工程、脱モノマー工程などのその他の工程を含んでいてもよい。
前記ポリ乳酸樹脂組成物の製造に用いる重合装置としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、連続重合プロセス及び回分式プロセスのいずれの反応プロセスも採用することができ、各段階で前記ポリ乳酸樹脂組成物の溶融粘度に対応した重合装置を使用することが好ましい。これらの中でも、前記重合装置としては、装置効率や製品の特性、品質等を勘案し、連続重合プロセスを選択することが好ましい。また、前記ポリ乳酸樹脂組成物の原材料モノマー(ラクチドなど)、更に必要に応じて、触媒、開始剤等のその他の材料を混合する工程や、ラクチドを10質量%~30質量%含有するポリラクチドは、ラクチドの含有量が10質量%未満のポリラクチドに比較して溶融粘度が大きく低下しており、その時の粘度に合わせて連続重合プロセスとすることが好ましい。
前記ポリ乳酸樹脂組成物の190℃における溶融粘度は2,000Pa・s以上40,000Pa・s以下と高いため、モノマー(例えば、ラクチド)の重合反応で生じる副反応として、エステル交換反応や分子鎖切断を抑制しつつ、反応熱を除去する必要があり、前記ポリ乳酸樹脂組成物の製造に用いる重合装置としては、例えば、1軸押出機、2軸押出機、ニーダー、無軸籠型撹拌槽、バイボラック(住友重機械工業株式会社製)、N-SCR(三菱重工業株式会社製)、めがね翼(株式会社日立製作所製)、格子翼、ケニックス式、又はズルツァー式SMLXタイプスタチックミキサー具備管型重合槽などを使用できる。これらの中でも、混練性、生産効率、前記ポリ乳酸樹脂組成物の色調、安定性、耐熱性などの点から、前記重合装置としては、2軸押出機を使用するのが特に好ましい。
前記連続重合プロセスを採用する場合は、重合装置に先行する仕込み溶融槽を使用することが好ましい。前記仕込み溶融槽としては、特に制限はないが、効率よく撹拌できるフルゾーン翼撹拌槽を使用することが好ましい。
<<原材料混合工程>>
前記原材料混合工程は、前記重合工程の前に行われ、前記ポリ乳酸樹脂組成物の原材料を混合及び溶融する工程である。
前記原材料を溶融する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記ポリ乳酸樹脂組成物の原材料を昇温して溶融する方法などが挙げられる。
前記原材料を混合及び溶融する際の加熱温度としては、前記原材料を混合及び溶融することができれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記ポリ乳酸樹脂のモノマーの溶融温度以上であることが好ましく、100℃以上がより好ましく、105℃~170℃が更に好ましい。前記溶融工程の温度を前記ポリ乳酸樹脂のモノマーの溶融温度以上に設定することで、前記原材料を混合及び溶融することができる。
前記重合工程において、前記触媒を使用することができ、前記原材料混合工程において、予め前記原材料として前記触媒を添加してもよい。
前記触媒の使用量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記モノマーに対して、50ppm以上5,000ppm以下が好ましく、100ppm以上1,000ppm以下がより好ましい。前記触媒の使用量が前記モノマーに対して50ppm以上であると、該触媒が失活することなく、ラクチドの開環付加重合を定量的に進行することができる。また、前記触媒の使用量が前記モノマーに対して5,000ppm以下であると、過剰に反応することによる副反応で、前記ポリ乳酸樹脂が着色したり、前記ポリ乳酸樹脂の分子量が低下したりすることを防ぐことができる。
また、前記重合工程において、不均一に重合が開始されることを防ぐために、モノマーが前記触媒に触れる前に、予めモノマーと開始剤とをよく混合しておくことが好ましい。
前記原材料混合工程は、前記仕込み溶融槽で行うこともできる。
前記仕込み溶融槽の反応条件としては、原材料モノマーの融点(例えば、ラクチドの融点は100℃)より高い限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、内温105℃~190℃、不活性雰囲気下、微加圧であることが好ましく、内温110℃~180℃、不活性雰囲気下、内圧10kPa~550kPaであることがより好ましく、反応系内に外気、水分などを取り込まないようにする点から、101.3kPa~304kPaであることが更に好ましく、内圧が111.5kPa~202.7kPaであることが、扱いが簡単で、水分、外気の防護効果も十分大きいため、特に好ましい。
前記仕込み溶融槽で得られた前記ポリ乳酸樹脂組成物の前駆体(「プレポリマー」と称することがある)は、製造効率を向上させるため、固化させることなく溶融状態を維持したまま、次の重合工程における重合槽に移送されることが好ましいが、場合によっては所定の形状、例えばチップとして固化させた後移送することも可能である。特に重合途中のプレポリマーはチップ化され、適宜保存された後、次の重合槽に移送することもできる。このとき溶融重合法の常として、プレポリマーが水分を吸収、光、酸素などにより劣化を防ぐ必要がある。
次工程での重合活性を十分高いレベルに保つためには、前記プレポリマーの水分の含有量としては、20ppm以下が好ましく、10ppm以下がより好ましく、5ppm以下が更に好ましい。
<<重合工程>>
前記重合工程は、前記ポリ乳酸樹脂組成物の原材料である乳酸又はラクチド、更に必要に応じて、その他のモノマーを重合させる工程である。
前記ポリ乳酸樹脂のモノマーを重合させる方法としては、特に制限はなく、公知の高分子量のポリ乳酸樹脂の製造方法の中から適宜選択することができ、例えば、乳酸の直接溶融重合法、固相重合法、乳酸の2量体であるラクチドの溶融開環重合法(ラクチド法)などが挙げられる。これらの中でも、前記ポリ乳酸樹脂のモノマーを重合させる方法としては、ラクチドの溶融開環重合法が、縮合水が生成しない製造プロセスであり、高分子量化しやすく、重量平均分子量(Mw)300,000以上の高分子量体を得る観点から好適に用いられる。
前記ポリ乳酸樹脂組成物中のポリ乳酸樹脂の酸価は、残存モノマー(乳酸)に関連付けられる数値である。前記乳酸は、上記した通り、加水分解により分子量を低下させる水酸基と、触媒活性を失活させるカルボキシル基とを併せ持つため、ラクチドの開環付加重合の反応プロセスにおいて、乳酸の存在は好ましくない。したがって、前記ポリ乳酸樹脂の酸価としては、0.5mgKOH/g以下が好ましく、0.1mgKOH/g以下がより好ましい。
前記ポリ乳酸樹脂の酸価は、JIS K 0070-1992などにより測定することができる。
前記ポリ乳酸樹脂組成物は、圧縮性流体中で重合して製造することができる。前記圧縮性流体中で重合して製造する方法は、高温での加熱を避けることができ、劣化した生成物をより生じ難い点で好ましい。
-圧縮性流体-
ここで、図1及び図2を用いて、前記ポリ乳酸樹脂組成物の製造方法の一実施形態で用いられる圧縮性流体について説明する。
図1は、前記ポリ乳酸樹脂組成物の製造で好適に用いられる圧縮性流体の温度と圧力に対する物質の状態を示す相図である。図2は、前記ポリ乳酸樹脂組成物の製造で好適に用いられる圧縮性流体の範囲を定義するための相図である。
本実施形態における「圧縮性流体」とは、物質が、図1で表される相図の中で、図2に示す(1)、(2)、及び(3)のいずれかの領域に存在するときの状態を意味する。このような領域においては、物質はその密度が非常に高い状態となり、常温常圧時とは異なる挙動を示すことが知られている。なお、物質が(1)の領域に存在する場合には超臨界流体となる。
「超臨界流体」とは、気体と液体とが共存できる限界(臨界点)を超えた温度(臨界温度)及び圧力(臨界圧力)領域において非凝縮性高密度流体として存在し、圧縮しても凝縮しない流体のことである。また、物質が(2)の領域に存在する場合には液体となるが、一実施形態においては、常温(25℃)、常圧(1気圧)において気体状態である物質を圧縮して得られた液化ガスを表す。また、物質が(3)の領域に存在する場合には気体状態であるが、一実施形態においては、圧力が臨界圧力(Pc)の1/2(1/2Pc)以上の高圧ガスを表す。前記圧縮性流体は、臨界圧力以上かつ臨界温度以上の超臨界流体であることが好ましい。
前記圧縮性流体を構成する物質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、一酸化炭素、二酸化炭素、一酸化二窒素、窒素、メタン、エタン、プロパン、2,3-ジメチルブタン、エチレン、ジメチルエーテルなどが挙げられる。これらの圧縮性流体は、1種を単独で使用しても、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、二酸化炭素は、臨界圧力が約7.4MPa、臨界温度が約31℃であって、容易に超臨界状態を作り出せること、不燃性で取扱いが容易であることなどの点で好ましい。
前記溶融状態となった前記ポリ乳酸樹脂組成物の原材料への前記圧縮性流体の供給量としては、前記ポリ乳酸樹脂の種類と前記圧縮性流体との組合せ、温度、圧力などによって、前記圧縮性流体の前記ポリ乳酸への溶解度が変わるため、特に制限はなく、適宜調整することができる。例えば、前記ポリ乳酸と前記二酸化炭素の組合せであれば、前記ポリ乳酸樹脂組成物の原材料を100質量部とした場合、前記二酸化炭素の供給量は、2質量部以上30質量部以下が好ましい。前記ポリ乳酸樹脂組成物100質量部に対して、前記二酸化炭素の供給量が2質量部以上であると、前記ポリ乳酸樹脂組成物を可塑化し、前述の副反応を抑制することができる。また、前記ポリ乳酸樹脂組成物100質量部に対して、前記二酸化炭素の供給量が30質量部以下であると、前記二酸化炭素と前記ポリ乳酸樹脂組成物が分離することがなく、均一に反応することができる。
重合時の圧力、即ち圧縮性流体の圧力は、圧縮性流体が液化ガス(図2の相図の(2))、又は高圧ガス(図2の相図の(3))となる圧力でもよいが、超臨界流体(図2の相図の(1))となる圧力が好ましい。圧縮性流体を超臨界流体の状態とすることで、ラクチドの開環重合性モノマーの溶解又は可塑化が促進され、均一かつ定量的に重合反応を進めることができる。
なお、二酸化炭素を圧縮性流体として用いる場合、反応の効率化やポリマー転化率等を考慮すると、その圧力としては、3.7MPa以上が好ましく、5MPa以上がより好ましく、臨界圧力の7.4MPa以上が更に好ましい。また、二酸化炭素を圧縮性流体として用いる場合、同様の理由により、その温度は25℃以上であることが好ましい。
一実施形態において、圧縮性流体の濃度としては、圧縮性流体に開環重合性モノマー及び開環重合性モノマーから生成されるポリマーを溶解又は可塑化させることが可能な濃度である限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記圧縮性流体中で重合して前記ポリ乳酸樹脂組成物を製造する方法は、後述する連続式混練装置、連続式樹脂発泡体作製装置、又は連続式発泡装置を使用して行うことができる。
<<重合停止工程>>
前記重合停止工程は、前記重合反応を停止する工程である。
前記重合反応を停止する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記重合工程で得られた生成物に、末端封止剤を添加する方法などが挙げられる。
前記末端封止剤としては、ポリ乳酸樹脂の水酸基と反応するものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、リン系化合物、カルボン酸化合物、塩酸、又はこれらの無水物などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
前記リン系化合物としては、例えば、リン酸、ホスホノ酢酸トリエチル、メタリン酸などが挙げられる。
前記カルボン酸化合物としては、例えば、安息香酸、酢酸、乳酸、クエン酸などが挙げられる。
これらの中でも、モノカルボン酸化合物が好ましく、無水酢酸、酢酸、クエン酸が、前記ポリ乳酸樹脂の末端水酸基と効率良く反応することができる点でより好ましい。
なお、これらの末端封止剤としての酸成分は、前記触媒を失活させる効果も有する。
前記末端封止剤の使用量としては、特に制限はなく、添加する目的や、前記ポリ乳酸樹脂組成物中の前記添加剤の種類などに応じて適宜選択することができるが、前記ポリ乳酸樹脂組成物100質量部に対して0.5質量部以下が好ましい。前記末端封止剤の使用量を、前記ポリ乳酸樹脂組成物100質量部に対して0.5質量部以下とすることで、コンポスト可能な樹脂であるポリ乳酸樹脂の特徴を生かすことができる。
前記末端封止剤は、前記ポリ乳酸樹脂が有する水酸基と反応することが必須であり、カルボン酸等の酸成分が好ましい。したがって、前記ポリ乳酸樹脂組成物の原材料として前記触媒を含む場合、前記重合停止工程は、該触媒を失活させるための触媒失活工程としても作用する。
前記ポリ乳酸樹脂組成物が前記触媒を含む場合、該触媒は、解重合(分解)反応の触媒としても機能するため、前記重合反応後に触媒活性を残すことは好ましくない。前記触媒は物質的に除去することが困難であるため、失活させることが好ましい。
<<脱モノマー工程>>
前記脱モノマー工程は、前記重合工程後、好ましくは、前記重合停止工程後に未反応モノマーを除去する工程である。前記脱モノマー工程は、前記ポリ乳酸樹脂の分子量低下の抑制や副反応の抑制に有利である。
前記未反応モノマーを除去する方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記ポリ乳酸樹脂組成物中を真空ポンプ等で減圧処理し、フィルターで除去する方法などが挙げられる。
前記未反応モノマーは前記圧縮性流体に溶解する性質を有するため、効率的に前記未反応モノマーを除去することができる。したがって、前記脱モノマー工程により、同時に前記圧縮性流体も除去することができる。
<その他の成分>
前記ポリ乳酸樹脂組成物は、本発明の効果を損なわない限り、前記ポリ乳酸樹脂以外のその他の成分を含有していてもよい。
前記その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、エポキシ基を有する化合物(B)、イソシアネート基を有する化合物(C)、オキサゾリン基を有する化合物(D)、カルボジイミド基を有する化合物(E)、セルロース化合物(F)、開始剤、触媒、添加剤などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
これらの中でも、前記ポリ乳酸樹脂組成物は、前記エポキシ基を有する化合物(B)、前記イソシアネート基を有する化合物(C)、前記オキサゾリン基を有する化合物(D)、前記カルボジイミド基を有する化合物(E)、及び前記セルロース化合物(F)含有することが好ましい。
<<エポキシ基を有する化合物(B)>>
前記エポキシ基を有する化合物(B)(以下、架橋剤(B)と称することがある)としては、前記ポリ乳酸樹脂の水酸基及び/又はカルボン酸基と反応性を有する化合物であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、分子内に2つ又は3つ以上のエポキシ基を有するエポキシ官能性(メタ)アクリル-スチレン系架橋剤などが挙げられる。
前記分子内に2つ又は3つ以上のエポキシ基を有するエポキシ官能性(メタ)アクリル-スチレン系架橋剤とは、エポキシ基を有する(メタ)アクリルモノマーとスチレンモノマーとを共重合させて得られた重合体である。
前記エポキシ基を有する(メタ)アクリルモノマーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、グリシジルアクリレート、グリシジルメタクリレート等の1,2-エポキシ基を含有するモノマーなどが挙げられる。
また、前記スチレンモノマーとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、スチレン、α-メチルスチレンなどが挙げられる。
前記分子内に2つ以上のエポキシ基を有するエポキシ官能性(メタ)アクリル-スチレン系架橋剤としては、特に制限はなく、その共重合成分にエポキシ基を有しない(メタ)アクリルモノマーを含有していてもよい。このような(メタ)アクリルモノマーとしては、例えば、メチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、ブチルアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、プロピルメタクリレート、ブチルメタクリレート、シクロヘキシルメタクリレートなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
<<イソシアネート基を有する化合物(C)>>
前記イソシアネート基を有する化合物(C)(以下、架橋剤(C)と称することがある)としては、前記ポリ乳酸樹脂の水酸基及び/又はカルボン酸基と反応性を有する化合物であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、分子内に2つ以上のイソシアネート基を有するポリイソシアネートなどが挙げられる。
前記分子内に2つ以上のイソシアネート基を有するポリイソシアネートとしては、例えば、1,6-ヘキサメチレンジイソシアネート、3-イソシアネートメチル-3,5,5-トリメチルシクロヘキシルイソシアネート(イソホロンジイソシアネート)、1,4-テトラメチレンジイソシアネート、2,4,4-トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、2,2,4-トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタン-4,4’-ジイソシアネート、メチルシクロヘキシル-2,4-ジイソシアネート、メチルシクロヘキシル-2,6-ジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、1,3-ビス(イソシアネート)メチルシクロヘキサン、テトラメチルキシリレンジイソシアネート、トランスシクロヘキサン-1,4-ジイソシアネート、リジンジイソシアネート等の脂肪族ジイソシアネート;イソホロンジイソシアネート、水添ジフェニルメタンジイソシアネート、水添トリレンジイソシアネート、水添キシリレンジイソシアネート、水添テトラメチルキシリレンジイソシアネート、シクロヘキサンジイソシアネート等の脂環族ポリイソシアネート;2,4-トルイレンジイソシアネート、2,6-トルイレンジイソシアネート、ジフェニルメタン-4,4’-イソシアネート、1,5’-ナフテンジイソシアネート、トリジンジイソシアネート、ジフェニルメチルメタンジイソシアネート、テトラアルキルジフェニルメタンジイソシアネート、4,4’-ジベンジルジイソシアネート、1,3-フェニレンジイソシアネート等の芳香族ジイソシアネート;リジンエステルトリイソシアネート、トリフェニルメタントリイソシアネート、1,6,11-ウンデカントリイソシアネート、1,8-イソシアネート-4,4-イソシアネートメチルオクタン、1,3,6-ヘキサメチレントリイソシアネート、ビシクロヘプタントリイソシアネート、トリメチロールプロパンと2,4-トルイレンジイソシアネートとのアダクト体、トリメチロールプロパンと1,6-ヘキサメチレンジイソシアネートなどジイソシアネートとのアダクト体等のトリイソシアネート化合物、グリセリン、ペンタエリストール等の多価アルコールとを前記の脂肪族及び芳香族ジイソシアネート化合物及び前記のトリイソシアネート化合物などと反応させて得られる変性ポリイソシアネート化合物などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
<<オキサゾリン基を有する化合物(D)>>
前記オキサゾリン基を有する化合物(D)(以下、架橋剤(D)と称することがある)としては、前記ポリ乳酸樹脂の水酸基及び/又はカルボン酸基と反応性を有する化合物であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、分子中に2以上のオキサゾリン基を有する化合物などが挙げられる。
前記分子中に2以上のオキサゾリン基を有する化合物としては、例えば、オキサゾリン基含有ポリスチレン(エポクロス RPS-1005、エポクロス PX-3-RP-37、以上、株式会社日本触媒製)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
<<カルボジイミド基を有する化合物(E)>>
前記カルボジイミド基を有する化合物(E)(以下、架橋剤(E)と称することがある)としては、前記ポリ乳酸樹脂の水酸基及び/又はカルボン酸基と反応性を有する化合物であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、分子中に2以上のカルボジイミド基を有する化合物(ポリカルボジイミド系架橋剤)などが挙げられる。
前記分子中に2以上のカルボジイミド基を有する化合物(ポリカルボジイミド系架橋剤)としては、例えば、ポリカルボジイミド(カルボジライト HMV-5CA-LC、日清紡ケミカル株式会社製)、環状かルボジイミド(カルボジスタ、帝人株式会社製)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
これらの架橋剤の中でも、分子内に2つ以上のエポキシ基を有するエポキシ官能性(メタ)アクリル-スチレン系架橋剤、又は分子内に2つ以上のイソシアネート基を有するポリイソシアネートが好ましい。また、前記ポリ乳酸樹脂に分岐構造を導入し、溶融強度を効率的に向上でき、未反応物の残留を少なくできる点から、分子内に3つ以上のエポキシ基を有するエポキシ官能性(メタ)アクリル-スチレン系架橋剤、又は分子内に3つ以上のイソシアネート基を有するポリイソシアネートがより好ましい。このような架橋剤を用いると、前記ポリ乳酸樹脂組成物を後述するポリ乳酸樹脂発泡体に用いる場合、気泡の合一及び破泡を抑制でき、発泡倍率を向上させることができる。
また、前記架橋剤(B)、前記架橋剤(C)、前記架橋剤(D)、又は前記架橋剤(E)を含有することにより、溶融張力を付与でき、前記ポリ乳酸樹脂組成物を後述するポリ乳酸樹脂発泡体に用いる場合、該ポリ乳酸樹脂発泡体の発泡倍率を調整することができる。溶融張力を付与するその他の手段としては、例えば、架橋剤あるいは架橋助剤等を用いて樹脂組成物を架橋する方法、電子線等により樹脂組成物を架橋する方法、高い溶融張力を有する別の樹脂組成物を添加する方法などが挙げられる。
前記架橋剤(B)、前記架橋剤(C)、前記架橋剤(D)、又は前記架橋剤(E)の含有量としては、特に制限はなく、前記ポリ乳酸樹脂(A)の重量平均分子量(Mw)や前記ポリ乳酸樹脂の分子量分布(Mw/Mn)によっても異なる。低分子量のポリ乳酸樹脂が多くなると、発泡に適した溶融強度を付与するためにより多くの添加量が必要となる傾向がある。しかし、前記架橋剤の添加量が増えると生分解性に劣る傾向があることから、前記ポリ乳酸樹脂組成物において、前記架橋剤(B)、前記架橋剤(C)、前記架橋剤(D)、又は前記架橋剤(E)の含有量は、前記ポリ乳酸樹脂(A)100質量部に対して、0.1質量部以上20質量部以下が好ましく、0.1質量部以上10質量部以下がより好ましく、0.5質量部以上5質量部以下が更に好ましい。
前記エポキシ基を有する化合物(B)の含有量としては、ポリ乳酸樹脂(A)100質量部に対して、0.1質量部以上10質量部以下であることが好ましく、0.5質量部以上5質量部以下がより好ましい。
前記イソシアネート基を有する化合物(C)の含有量としては、ポリ乳酸樹脂(A)100質量部に対して、0.1質量部以上10質量部以下であることが好ましく、0.5質量部以上5質量部以下がより好ましい。
<<セルロース化合物(F)>>
前記ポリ乳酸樹脂組成物が、前記セルロース化合物(F)を含有することにより、前記ポリ乳酸樹脂組成物を後述するポリ乳酸樹脂発泡体に使用した場合、発泡を微細かつ均一にすることができ、更に強度を付与することができる点で好ましい。また、前記セルロース化合物(F)は、生分解性を有しており、前記ポリ乳酸樹脂組成物のリサイクル性を損ねないものである。
前記セルロース化合物(F)としては、繊維を微細に解きほぐしたものや、疎水性を高めた化合物が好ましく、例えば、セルロースナノファイバー(STARCEL(登録商標) T-NC-374、星光PMC社製)、セルロースマイクロファイバー(グリーンチップ(登録商標)CMF(登録商標)、エフピー化成株式会社製)、フルオレンセルロースファイバー(大阪ガスケミカル株式会社製)などが挙げられる。
前記セルロース化合物(F)の含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記ポリ乳酸樹脂(A)100質量部に対して、0.1質量部以上10質量部以下であることが好ましく、0.5質量部以上5質量部以下がより好ましい。
<<開始剤>>
前記ポリ乳酸樹脂の一次構造は前記開始剤の種類と量で制御できる。具体的には、ラクチドと開始剤の比率で分子量を調整でき、開始剤の構造(水酸基等の活性水素を有する官能基の数)により分岐構造を形成できる。適度な分岐構造を持ち、かつ高分子量のポリ乳酸は溶融粘度が高くなる点で好ましい。
前記開始剤は、前記ポリ乳酸樹脂の開環付加重合反応において、該ポリ乳酸樹脂の分子量を制御するために用いられる。
前記開始剤としては、特に制限はなく、公知のものの中から目的に応じて適宜選択することができ、例えば、アルコール系開始剤、アミン系開始剤などが挙げられる。
前記アルコール系開始剤としては、脂肪族アルコールのモノアルコール、脂肪族アルコールのジアルコール、及び多価アルコールのいずれであってもよく、また飽和アルコール及び不飽和アルコールのいずれであってもよい。
前記開始剤の具体例としては、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、ノナノール、デカノール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール等のモノアルコール;エチレングリコール、1,2-プロパンジオール、1,3-プロパンジオール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、ヘキサンジオール、ノナンジオール、テトラメチレングリコール、ポリエチレングリコール等のジアルコール;グリセロール、ソルビトール、キシリトール、リビトール、エリスリトール、トリエタノールアミン等の多価アルコール;乳酸メチル、乳酸エチルなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
前記開始剤の含有量としては、特に制限はなく、目標とするポリ乳酸樹脂の分子量に応じて適宜選択することができるが、モノマー1モルに対し、1/10,000モル以下が好ましく、1/20,000モル以下がより好ましく、1/40,000モル以下が更に好ましい。
前記開始剤の水分含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、充分乾燥させ水分量を低減したものが好ましく、100ppm以下がより好ましく、50ppmが更に好ましく、10ppm以下が特に好ましい。
<<触媒>>
前記ポリ乳酸樹脂組成物の製造で用いられる触媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、金属原子を含有する金属触媒であっても、金属原子を含有しない有機触媒であってもよい。
前記金属触媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、オクチル酸スズ、ジブチル酸スズ、ジ(2-エチルヘキサン酸)スズ等のスズ系化合物;アルミニウムアセチルアセトナート、酢酸アルミニウム等のアルミニウム系化合物;テトライソプロピルチタネート、テトラブチルチタネート等のチタン系化合物;ジルコニウムイソプロオイキシド等のジルコニウム系化合物;三酸化アンチモン等のアンチモン系化合物などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
安全性及び安定性を必要とする用途では、金属原子を含まない有機化合物(有機触媒)が好適に用いられることが好ましい。前記触媒として金属原子を含まない有機触媒を用いた場合、従来の製造方法で金属原子を含まない有機触媒を用いて開環重合性モノマーを開環重合させた場合と比較して、重合反応に要する時間を短くすることができ、ポリマー転化率に優れたポリ乳酸樹脂の製造方法を提供することができる点で好ましい。前記有機触媒は、開環重合性モノマーの開環重合反応に寄与し、開環重合性モノマーとの活性中間体を形成した後、アルコールとの反応で脱離、再生するものであればよい。
前記有機触媒は、塩基性を有する求核剤として働く化合物が好ましく、塩基性を有する求核性の窒素原子を含有する化合物がより好ましく、塩基性を有する求核性の窒素原子を有する環状化合物が更に好ましい。なお、求核剤(性)とは、求電子剤と反応する化学種(及びその性質)である。
上記のような化合物としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、環状モノアミン、環状ジアミン(アミジン骨格を有する環状ジアミン化合物)、グアニジン骨格を有する環状トリアミン化合物、窒素原子を含有する複素環式芳香族有機化合物、N-ヘテロサイクリックカルベンなどが挙げられる。なお、カチオン系の有機触媒は、上記の開環重合反応に用いられるが、ポリマー主鎖から水素を引き抜く(バック-バイティング)ため、分子量分布が広くなり高分子量のポリ乳酸樹脂を得にくい。
前記環状モノアミンとしては、例えば、キヌクリジンなどが挙げられる。
前記環状ジアミンとしては、例えば、1,4-ジアザビシクロ-[2.2.2]オクタン(DABCO)、1,5-ジアザビシクロ(4,3,0)-5-ノネンなどが挙げられる。
前記アミジン骨格を有する環状ジアミン化合物としては、例えば、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]ウンデカ-7-エン(DBU)、ジアザビシクロノネンなどが挙げられる。
前記グアニジン骨格を有する環状トリアミン化合物としては、例えば、1,5,7-トリアザビシクロ[4.4.0]デカ-5-エン(TBD)、ジフェニルグアニジン(DPG)などが挙げられる。
前記窒素原子を含有する複素環式芳香族有機化合物としては、例えば、N,N-ジメチル-4-アミノピリジン(DMAP)、4-ピロリジノピリジン(PPY)、ピロコリン、イミダゾール、ピリミジン、プリンなどが挙げられる。
前記N-ヘテロサイクリックカルベンとしては、例えば、1,3-ジ-tert-ブチルイミダゾール-2-イリデン(ITBU)などが挙げられる。
これらの中でも、立体障害による影響が少なく求核性が高い、或いは、減圧除去可能な沸点を有するという理由により、DABCO、DBU、DPG、TBD、DMAP、PPY、ITBUが好ましい。
前記有機触媒のうち、例えば、DBUは室温で液状であって沸点を有する。このような有機触媒を選択した場合、得られたポリ乳酸樹脂を減圧処理することで、該ポリ乳酸樹脂中から有機触媒をほぼ定量的に取り除くことができる。なお、有機溶媒の種類や除去処理の有無は、生成物の使用目的等に応じて決定される。
前記有機触媒の種類及び使用量は、圧縮性流体と開環重合性モノマーとの組合せによって変わるので一概に特定できないが、前記開環重合性モノマー100モル%に対して、0.01モル%以上15モル%以下が好ましく、0.1モル%以上1モル%以下がより好ましく、0.3モル%以上0.5モル%以下が更に好ましい。前記有機触媒の使用量が、0.01モル%未満では、重合反応が完了する前に有機触媒が失活して、目標とする重量平均分子量のポリ乳酸が得られない場合がある。一方、前記使用量が、15モル%を超えると、重合反応の制御が難しくなる場合がある。
触媒の活性に応じてポリ乳酸の反応温度を設定すればよく、前記オクチル酸スズの場合180℃以上が好ましい。有機分子触媒の場合、例えば、DBUでは、60℃以下が好ましく、系中を固化させないためにも、溶液重合、又は圧縮性流体中でポリ乳酸を合成することが好ましい。
<<添加剤>>
前記添加剤としては、例えば、熱安定剤、酸化防止剤、可塑剤などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
前記添加剤の含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記ポリ乳酸樹脂組成物の原材料の全質量に対して、2質量%以下が好ましい。前記添加剤の含有量が、前記ポリ乳酸樹脂組成物の原材料の全質量に対して2質量%以下であると、リサイクル性がより良好になる。
前記ポリ乳酸樹脂組成物の用途としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、粒子、フィルム、シート、発泡シート、発泡ビーズ、射出成形品、繊維などに成形して、例えば、日用品、工業用資材、農業用品、衛生資材、医薬品、化粧品、電子写真用トナー、包装材料、電気機器材料、家電筐体、自動車材料等の用途に幅広く用いることができる。
(ポリ乳酸樹脂発泡体)
本発明のポリ乳酸樹脂発泡体は、本発明のポリ乳酸樹脂組成物を発泡してなるものである。即ち、本発明のポリ乳酸樹脂発泡体は、本発明のポリ乳酸樹脂組成物を発泡させた後の状態をいう。
本発明のポリ乳酸樹脂発泡体は、後述する本発明のポリ乳酸樹脂発泡体の製造方法により好適に製造される。
前記ポリ乳酸樹脂発泡体の形状、構造、大きさなどとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記ポリ乳酸樹脂発泡体の形状としては、例えば、ブロック状、シート状などが挙げられる。これらの中でも、成形のしやすさの点から、シート状であることが好ましい。以下、シート状のポリ乳酸樹脂発泡体を「発泡シート」、「ポリ乳酸樹脂発泡シート」などと称することがある。
本明細書において「シート状」とは、平均厚みが5mm以下の形状を意味し、0.3mm以上2mm以下が好ましく、0.5mm以上1.5mm以下がより好ましい。
前記ポリ乳酸樹脂発泡シートの厚みは、ノギス(例えば、ABSデジマチックキャリパ CD-AX、株式会社ミツトヨ製)を用いて測定することができる。前記ポリ乳酸樹脂発泡シートの任意の10か所について厚みを測定し、10点の平均値を「平均厚み」とする。
[発泡倍率]
前記ポリ乳酸樹脂発泡体の発泡倍率としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、2倍~50倍が好ましく、5倍~45倍がより好ましく、10倍~40倍が更に好ましい。前記発泡倍率が2倍以上であると、軽量性に優れ、50倍以下であると、強度に優れる。
前記ポリ乳酸樹脂発泡体の発泡倍率の測定方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、浮力式比重測定装置などによって測定することができる。
上述の通り、本発明のポリ乳酸樹脂組成物は、190℃における溶融粘度が2,000Pa・s以上40,000Pa・s以下であり、GPCにより測定される重量平均分子量(Mw)が100以上の領域の分子量分布において、重量平均分子量(Mw)が1,000以下の領域が10%以下であり、かつ、重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域が20%以上である。これにより、高発泡倍率の前記ポリ乳酸樹脂発泡体を作製することが容易となり、発泡倍率が40倍程度の高発泡倍率のものでも安定して作製することができる。
なお、前記ポリ乳酸樹脂組成物の溶融粘度、重量平均分子量(Mw)、数平均分子量(Mn)、ひずみ硬化係数、L体又はD体の比率等の物性は、測定対象を前記ポリ乳酸樹脂組成物から前記ポリ乳酸樹脂発泡体に変更すること以外は同様にして測定することができ、これにより得られる前記ポリ乳酸樹脂発泡体の各物性値は、前記ポリ乳酸樹脂組成物の各物性値と同じである。
<揮発成分>
前記ポリ乳酸樹脂組成物には揮発成分が実質含まれないことが好ましい。揮発成分が実質含まれていないことにより、寸法安定性が向上することに加え、人体や環境に与える影響を低減できる。
前記揮発成分としては、例えば、有機溶剤やブタン等の発泡剤が挙げられる。
前記ポリ乳酸樹脂発泡体は、後述するポリ乳酸樹脂発泡体の製造方法に記載するように、圧縮性流体として用いられる、例えば二酸化炭素(CO)等が発泡剤としての機能も担うことができる。このため、圧縮性流体として二酸化炭素等を使用する場合、前記発泡剤として揮発成分が使用されることを回避でき、前記ポリ乳酸樹脂発泡体に前記揮発成分が実質含まれない状態にしやすくなる。
前記揮発成分が実質含まれないとは、検出限界以下であることを意味し、具体的には、前記揮発成分の含有量が、前記ポリ乳酸樹脂組成物の全質量に対して、0.0001質量%以下であることを意味する。
また、前記ポリ乳酸樹脂発泡体は、下記ガスクロマトグラフィー測定を行った際に、1atmでの沸点が-20℃以上150℃未満の有機化合物が検出されないことが好ましい。
前記ポリ乳酸樹脂発泡体中の前記揮発成分は、以下のようにして定量することができる。
まず、前記ポリ乳酸樹脂発泡体の一部を測定用試料とし、該測定用試料1質量部に対して2-プロパノール2質量部を加え、超音波で30分間分散させた後、冷蔵庫(5℃)にて1日間以上保存し、前記揮発成分の抽出液を得る。前記揮発成分の抽出液をガスクロマトグラフ(GC-14A、株式会社島津製作所製)で分析し、前記ポリ乳酸樹脂発泡体中の前記揮発成分を定量する。測定条件は以下の通りである。
[測定条件]
・ GC装置(ガスクロマトグラフ装置):GC-14A(株式会社島津製作所製)
・ カラム:CBP20-M50-0.25(株式会社島津ジーエルシー製)
・ 検出器:FID
・ 注入量:1μL~5μL
・ キャリアガス:He 2.5kg/cm
・ 水素流量:0.6kg/cm
・ 空気流量:0.5kg/cm
・ チャートスピード:5mm/分間
・ 感度:Range101×Atten20
・ カラム温度:40℃
・ Injection Temp:150℃
前記ポリ乳酸樹脂発泡体に対して上記ガスクロマトグラフィーで測定を行った際に前記有機化合物が検出されないようにするには、上述のように、前記ポリ乳酸樹脂発泡体の発泡剤として有機化合物以外の成分(例えば、二酸化炭素等)を使用する方法が挙げられ、例えば、このようにすることで前記揮発成分の含有量を実質0質量%にできる。前記有機化合物が検出されないポリ乳酸樹脂発泡体にすることで、臭気等を発生することなく安全に扱うことができる。
(ポリ乳酸樹脂発泡体の製造方法)
本発明のポリ乳酸樹脂発泡体の製造方法は、本発明のポリ乳酸樹脂発泡体を製造する方法であって、A.ポリ乳酸樹脂の融点以上かつ融点+40℃以下の温度範囲で本発明のポリ乳酸樹脂組成物を溶融する工程(以下、「溶融工程」と称することがある)と、B.発泡剤として圧縮性流体を加え、前記ポリ乳酸樹脂組成物に溶解させる工程(以下、「圧縮性流体供給工程」と称することがある)と、C.前記ポリ乳酸樹脂の融点-60℃以上かつ融点+120℃以下の温度範囲で押出発泡する工程(以下、「発泡工程」と称することがある)とを含み、更に必要に応じてその他の工程を含む。
<A.溶融工程>
前記溶融工程は、前記ポリ乳酸樹脂の融点以上かつ融点+40℃以下の温度範囲で前記ポリ乳酸樹脂組成物を溶融する工程である。
前記溶融工程は、前記ポリ乳酸樹脂組成物を昇温して溶融する。
なお、前記ポリ乳酸樹脂発泡体の製造方法における溶融工程は、前記ポリ乳酸樹脂組成物の製造方法における原材料混合工程と同様にして行うことができる。そのため、前記溶融工程は、前記ポリ乳酸樹脂組成物の原材料を混合及び溶融する工程であってもよい。
前記溶融工程における加熱温度としては、前記ポリ乳酸樹脂組成物を溶融することができれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記ポリ乳酸樹脂の溶融温度以上であることが好ましい。前記溶融工程における加熱温度を前記ポリ乳酸樹脂の溶融温度以上とすることで、前記ポリ乳酸樹脂組成物を溶融することができる。これにより、次の圧縮性流体供給工程において、前記ポリ乳酸樹脂組成物を圧縮性流体と均一に混合できる状態にすることができる。
前記溶融工程において、前記ポリ乳酸樹脂組成物に加え、発泡核材、前記架橋剤、前記添加剤等のその他の成分を添加し、これらを溶融混合することが好ましい。
前記架橋剤、前記添加剤は、前記(ポリ乳酸樹脂組成物)の項目で説明したものを用いることができるため、これらの説明を省略する。
-発泡核剤-
前記発泡核材(以下「フィラー」と称することもある)は、前記ポリ乳酸樹脂発泡体の気泡径及び数密度などを調節するために含有することが好ましい。
前記発泡核材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、無機系核材、有機系核材などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
前記無機系核材としては、例えば、タルク、カオリン、炭酸カルシウム、層状珪酸塩、炭酸亜鉛、ワラストナイト、シリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、酸化チタン、ケイ酸カルシウム、アルミン酸ナトリウム、アルミン酸カルシウム、アルミノ珪酸ナトリウム、珪酸マグネシウム、ガラスバルーン、カーボンブラック、酸化亜鉛、三酸化アンチモン、ゼオライト、ハイドロタルサイト、金属繊維、金属ウイスカー、セラミックウイスカー、チタン酸カリウム、窒化ホウ素、グラファイト、ガラス繊維、炭素繊維などが挙げられるこれらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、前記無機系核材としては、効率的に分散が可能で添加量を少なくでき、環境負荷を低くできる点から、シリカ、酸化チタン、層状珪酸塩が好ましい。
前記有機系核材としては、例えば、澱粉、セルロースナノファイバー、セルロース微粒子、木粉、おから、モミ殻、フスマ等の天然に存在するポリマーやこれらの変性品、またグリセリン化合物、ソルビトール化合物、安息香酸及びその化合物の金属塩、燐酸エステル金属塩、ロジン化合物などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
前記発泡核材の個数平均粒径としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、添加量当たりの表面積を大きくでき、添加量を少なくできる観点から、短軸方向の長さの個数平均粒径が100nm以下であることが好ましい。
前記発泡核材の含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記ポリ乳酸樹脂発泡体の原材料の全質量に対して、3質量%以下が好ましい。前記発泡核材の含有量が3質量%以下であると、前記ポリ乳酸樹脂発泡体の物性が硬くなり、脆くなることを防ぐことができる。また、生分解性のない発泡核材の含有量はより少ない方が好ましいため、前記発泡核材の含有量は、前記ポリ乳酸樹脂発泡体の原材料の全質量に対して、1質量%以下であることがより好ましい。
なお、前記有機発泡核材の含有量は、下記測定条件でガスクロマトグラフィー質量分析(GC-MS)を用いて求めることができる。
[測定条件]
・ GC-MS装置(ガスクロマトグラフ質量分析):GC-MS QP2010(株式会社島津製作所製)、補器 Py3030D(フロンティア・ラボ株式会社製)
・分離カラム:Ultra ALLOY UA5-30M-0.25F(フロンティア・ラボ株式会社製)
・試料加熱温度:300℃
・カラムオーブン温度:50℃(1分間保持)~昇温速度15℃/分間~320℃(6分間保持)
・イオン化法:Electron Ionization(E.I)法
・検出質量範囲:25~700(m/z)
また、前記無機発泡核剤の含有量は、例えば、JIS K 7250-1:2006(プラスチック-灰分の求め方-第1部:通則)に準拠した方法で求めることができる。
<圧縮性流体供給工程>
前記圧縮性流体供給工程は、前記圧縮性流体を加え、前記ポリ乳酸樹脂組成物に溶解させる工程である。これにより、前記溶融工程で溶融したポリ乳酸樹脂組成物を可塑化させることができ、また前記ポリ乳酸樹脂組成物中に前記架橋剤等のその他の成分を均一に分散させることができる点で好ましい。前記圧縮性流体が、前記発泡剤と同じである場合、前記溶融工程における前記発泡剤の混練と、前記発泡工程における発泡とを一連のプロセスで実施できるため、環境負荷低減の観点でより製造形態として好ましい。
なお、前記ポリ乳酸樹脂発泡体の製造方法における圧縮性流体供給工程は、前記ポリ乳酸樹脂組成物の製造方法における重合工程と同様にして行うことができる。そのため、前記圧縮性流体供給工程は、前記ポリ乳酸樹脂組成物の原材料に圧縮性流体を供給する工程であってもよい。
<<圧縮性流体>>
一般的に、圧縮性流体によって樹脂は可塑化され、樹脂の溶融粘度が下がることが知られている(「超臨界流体の最新応用技術」NTS社参照)。しかし、前記圧縮性流体供給工程においては、前記ポリ乳酸樹脂組成物の溶融粘度が高い方が、前記架橋剤等のその他の成分に高いせん断応力を作用させることができるため、凝集塊を微細化しやすく、分散の観点から好ましい。
したがって、圧縮性流体の含浸による前記ポリ乳酸樹脂組成物の溶融粘度の低下は、混練性の向上と矛盾しているように見える。実際、一般的な発泡核材の混練で圧縮性流体を用いないで圧力をかける場合があるが、これは樹脂の自由体積を減少させ、樹脂同士の相互作用の増加(粘度増加)を狙ったものであり、樹脂の可塑化は逆効果である(「k.Yang.R.Ozisik R.Polymer,47.2849(2006)」参照)。
しかし、本発明者らは、前記ポリ乳酸樹脂組成物と前記架橋剤等のその他の成分との混練に圧縮性流体が活用できないか鋭意検討した結果、圧縮性流体存在下において、前記ポリ乳酸樹脂の融点より低い温度、具体的には、前記ポリ乳酸樹脂の融点-60℃以上かつ融点+120℃以下の温度範囲であれば、ポリ乳酸の粘度を混練に適した粘度とすることができ、架橋剤等のその他の成分を均一に分散できることを見出した。本発明では、圧縮性流体を用いてポリ乳酸の融点より低い温度の高粘度状態で混練することができるため、架橋剤等のその他の成分の分散性を一層向上させることができる。
また、圧縮性流体は種類等によって発泡剤としての機能も担うことができる。樹脂発泡体を作製する際には、通常発泡剤を用いるが、前記ポリ乳酸樹脂組成物からなる前記ポリ乳酸樹脂発泡体の製造において、二酸化炭素や窒素等の圧縮性流体を発泡剤として使用できることを見出した。前記圧縮性流体を発泡剤として用いる場合、混練と発泡を一連のプロセスで実施できるため、環境負荷低減の観点でより製造形態として好ましい。
上述したように、前記ポリ乳酸樹脂発泡体には揮発成分が実質含まれないことが好ましく、前記ポリ乳酸樹脂発泡体は沸点が-20℃以上150℃未満の有機化合物を実質含まないことがより好ましい。なお、「実質含まれない」とは、前記(ポリ乳酸樹脂発泡体)の物性における[揮発成分]の項目で述べた通りである。二酸化炭素や窒素等の圧縮性流体が発泡剤としての機能を有し、揮発成分としての発泡剤を使用しないことで、臭気がなく、より安全に取り扱えるポリ乳酸樹脂発泡体とすることができる。
前記ポリ乳酸樹脂発泡体の製造に用いられる混練装置としては、連続プロセスを採用することもできるし、回分式プロセスを採用することもできるが、装置効率や製品の特性,品質等を勘案し適宜、反応プロセスを選択することが好ましい。
混練装置としては、混練に好適な粘度に対応できる点から、前記ポリ乳酸樹脂組成物の製造に用いる重合装置と同様のものを使用することができ、好ましい態様も同様である。
混練装置の一例を図3に示す。図示される連続式混練装置100としては、例えば2軸押出機(JSW社製)を用いることができる。例えば、スクリュー口径42mm、L/D=48とする。本実施形態では、第1の供給部1と第2の供給部2から原材料混合及び溶融エリアaに、例えば、前記ポリ乳酸樹脂組成物、前記架橋剤等のその他の成分などの原材料が供給され、混合及び溶融される。混合及び溶融された原材料は、圧縮性流体供給エリアbで圧縮性流体供給部3により圧縮性流体が供給される。次いで、混練エリアcにて混練される。次いで、圧縮性流体除去エリアdにて圧縮性流体Fが除去された後、成型加工エリアeで例えばペレットPにされる。このようにして、組成物前駆体としてのマスターバッチを作製することができる。
なお、圧縮性流体(液体材料)は、例えば、計量ポンプで供給し、また樹脂ペレットや架橋剤などのその他の成分などの固体の原材料は例えば定量フィーダーで供給する。
-原材料混合及び溶融エリア-
前記原材料混合及び溶融エリアでは、前記ポリ乳酸樹脂組成物のペレットと、前記架橋剤等のその他の成分との混合及び昇温を行う。
前記原材料混合及び溶融エリアにおける加熱温度は、前記ポリ乳酸樹脂の溶融温度以上に設定を行い、続く圧縮性流体供給エリアで、前記圧縮性流体と均一に混合できる状態にする。
-圧縮性流体供給エリア-
前記ポリ乳酸樹脂組成物のペレットが加温により溶融状態となり、前記架橋剤等のその他の成分を濡らした状態にて、前記圧縮性流体を供給し、溶融樹脂を可塑化させる。
-混練エリア-
前記ポリ乳酸樹脂組成物の混練に好適な粘度となるように、混練エリアの温度設定を行う。設定温度は、反応装置の仕様や樹脂種、樹脂の構造、分子量などで変わるため、特に限定するものではないが、重量平均分子量(Mw)180,000程度の市販されているポリ乳酸樹脂の場合、通常の混練はポリ乳酸の融点+10℃~+20℃で行われる。
これに対して、本発明では、ポリ乳酸樹脂の融点より低い温度で混練することを特徴とし、融点より低い温度での比較的高い粘度で混練することが可能である。具体的には、融点から-20℃~-80℃、より好ましくは-30℃~-60℃である。簡便的には、装置の撹拌動力の電流値などを目安に温度設定すればよいが、これらの設定値は本発明でなければ、通常到達しえない領域であると言える。
<発泡工程>
前記発泡工程は、前記ポリ乳酸樹脂の融点-60℃以上かつ融点+120℃以下の温度範囲で押出発泡する工程である。
前記発泡工程は、前記圧縮性流体を除去することで行うことができ、これにより前記ポリ乳酸樹脂組成物を発泡させることができる。
前記圧縮性流体は、圧を開放させることで除去することができる。前記発泡工程の際の温度としては、ポリ乳酸樹脂の融点以上に加温することが好ましい。
前記混練工程(圧縮性流体供給工程)と前記発泡工程とは、同時に行ってもよく、別々の工程として行ってもよい。
前記発泡工程においては、ポリ乳酸樹脂組成物に溶解していた圧縮性流体が、減圧や加温など圧縮性流体の溶解度を低下し過飽和とする操作に対して、前記混練エリアで生じた少量の結晶が発泡核を形成し、前記発泡核に、前記ポリ乳酸樹脂組成物に溶解している圧縮性流体が拡散することで前記発泡核が気泡へと成長し、均一かつ微細な発泡を有するポリ乳酸樹脂発泡体を製造することができる。
<その他の工程>
その他の工程としては、通常の樹脂発泡体の製造において行われる工程であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、シートに加工する成形工程などが挙げられる。
前記成形工程としては、例えば、真空成型、圧空成形、プレス成型などが挙げられる。前記成形工程により、シート状の成形物(発泡シート)が得られる。
<<ポリ乳酸樹脂発泡体作製装置>>
次に、樹脂発泡体作製装置により前記ポリ乳酸樹脂発泡体を作製する方法について説明する。前記樹脂発泡体作製装置としては、例えば、前記混練装置(前記重合装置)で例示した装置を使用することができる。前記混練装置と前記樹脂発泡体作製装置とを1つの装置としてもよいし、別々の装置としてもよい。
樹脂発泡体作製装置の別の一例を図4に示す。連続式樹脂発泡体作製装置110としては、前記混練装置と同様に、例えば、2軸押出機を用いることができる。連続式樹脂発泡体作製装置110では、例えば、第1の供給部1と、第2の供給部2とから原材料混合及び溶融エリアaにマスターバッチ、前記ポリ乳酸樹脂組成物、前記架橋剤等の原材料が供給され、混合及び溶融される。混合及び溶融された原材料は圧縮性流体供給エリアbで圧縮性流体供給部3により圧縮性流体が供給される。
次いで、混練エリアcで混練され、ポリ乳酸樹脂組成物を得る。次いで、加熱エリアdに供給され、加熱エリアdでは加熱、混練を行い、その後、例えば大気開放することにより押出発泡させる。押出発泡されたシート状のポリ乳酸樹脂発泡体4をマンドレル上に沿わせて巻き取る。
連続式樹脂発泡体作製装置110において、原材料混合及び溶融エリアa、圧縮性流体供給エリアb、混練エリアcを第1押出機とも称し、加熱エリアdを第2押出機とも称する。本実施形態では、混合、溶融、及び混練された原材料が第1押出機により第2押出機に押し出され、第2押出機によりシート状のポリ乳酸樹脂発泡体が押出発泡される。第2押出機では、例えば、サーキュラーダイを用いることができる。
本実施形態では、混練装置と樹脂発泡体作製装置の第1押出機により混練工程を行い、樹脂発泡体作製装置の第2押出機により後述の発泡工程を行っている。しかし、本発明ではこのような構成に制限されるものではない。例えば、混練工程と発泡工程を行う領域を適宜変更することができる。
本発明のポリ乳酸樹脂組成物、及びポリ乳酸樹脂発泡体は、そのまま使用されてもよいし、製造物として使用されてもよい。本発明のポリ乳酸樹脂発泡体は軽量性や耐熱性に優れているため、食品用容器、食器などとして好適に用いられる。また、耐熱性食品容器として好適であるが、このような用途に限定されるものではない。また、本発明のポリ乳酸樹脂発泡体にそのまま印字などをして使用してもよい。
(製造物)
本発明の製造物一実施形態は、本発明のポリ乳酸樹脂発泡体を含有するものである。これは、本発明のポリ乳酸樹脂発泡体からなる製造物であってもよく、更に必要に応じて、その他の成分を含んでいてもよい。
また、本発明の製造物の別の一実施形態は、ポリ乳酸樹脂発泡体を加工(例えば、成形など)してなるものであり、更に必要に応じて、その他の成分を含んでいてもよい。
前記その他の成分としては、通常の樹脂製品に用いられるものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
ポリ乳酸樹脂発泡体の加工としては、特に制限されるものではなく、例えば、型を用いて加工して製品を得るプロセスに供してもよい。型を用いたポリ乳酸樹脂発泡体の加工方法としては、特に制限はなく、従来公知の熱可塑性樹脂の方法を用いることができ、例えば、真空成型、圧空成型、真空圧空成型、プレス成型などが挙げられる。
前記製造物(消費材とも称される)としては、例えば、生活用品として、袋、包装容器、トレー、食器、カトラリー、文房具、緩衝材などが挙げられる。この製造物の概念には、製造物を加工するための中間体として、前記ポリ乳酸樹脂発泡シートをロール状にした原反や、単体としての製造物のみでなく、トレーの取っ手のような製造物からなる部品や、取っ手が取り付けられたトレーのような製造物を備えた製品なども含まれる。
前記袋としては、例えば、レジ袋、ショッピングバッグ、ごみ袋等が挙げられる。
前記文房具としては、例えば、クリアファイル、ワッペンなどが挙げられる。
また、前記製造物は、前記生活用品以外の用途としても適用でき、例えば、工業用資材、日用品、農業用品、食品用、医薬品用、化粧品等のシート、包装材等の用途として幅広く適用することができる。
前記ポリ乳酸樹脂発泡体を成形してなる製造物の製造方法は、本発明のポリ乳酸樹脂発泡体を原材料として使用する限り特に制限はなく、本発明のポリ乳酸樹脂発泡体を所望の形状に成形する成形工程を含み、更に必要に応じて、その他の工程を含む。
このような製造物においては、前記ポリ乳酸樹脂発泡体の性状を維持していない場合もあるが、前記ポリ乳酸樹脂発泡体を原材料として使用している限り、本発明の範囲内である。
以下に合成例、実施例、及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの合成例及び実施例に何ら限定されるものではない。なお、以下の合成例、実施例、及び比較例において、別段の断りない限り、「部」は「質量部」を表し、「%」は「質量%」を表す。
(合成例1:ポリ乳酸樹脂(A-1)の合成)
図5に示される装置を用い、ポリ乳酸樹脂を製造した。図5は、モノマータンク21、モノマーポンプ22、触媒タンク23、触媒ポンプ24、開始剤タンク25、開始剤ポンプ26、圧縮性流体用ボンベ27、圧縮性流体用ポンプ28、添加剤タンク29、添加剤ポンプ210、トラップ211、真空ポンプ212、及び2軸ロール213を有する連続式発泡装置の図である。
モノマータンク21に収容されたモノマーとしてのL-ラクチド(Purac Japan社製)を、モノマーポンプ22を用いて流量1kg/時間で供給し、開始剤タンク25に収容された開始剤としての1-ヘキサノール(富士フィルム和光純薬株式会社製)を、開始剤ポンプ26を用いて流量0.01g/時間で供給し、触媒タンク23に収容された触媒としての2-オクチル酸スズ(富士フィルム和光純薬株式会社製)を、触媒ポンプ24を用いて流量0.5g/時間で供給し、圧縮性流体用ボンベ27から圧縮性流体1としての二酸化炭素(昭和電工ガスプロダクツ株式会社製、純度99.999%)を、圧縮性流体用ポンプ28を用いて50g/時間で供給し、添加剤タンク29に収容された金属酸化物前駆体としてのメチルトリエトキシシラン(信越化学工業株式会社製)を、添加剤ポンプ210を用いて流量0.05g/時間で供給し、60分間重合反応を行い、「ポリ乳酸樹脂(A-1)」を得た。
図5に示される連続式発泡装置の各エリアの温度は、原材料混合エリアa:170℃、プレ重合エリアb:170℃、核剤成長エリアc:90℃、本重合エリアd:180℃、脱モノマーエリアe:185℃、樹脂押出エリアf:180℃とした。また、圧力は、押出機入口から本重合エリアdまでを10MPaとし、脱モノマーエリアeを0.05kPaとし、Tダイを5MPaとした。
(合成例2~6:ポリ乳酸樹脂(A-2)~(A-6)の合成)
ポリ乳酸樹脂(A-1)の合成において、開始剤流量、金属触媒流量、及び重合時間を、表1に示すように変更したこと以外は、ポリ乳酸樹脂(A-1)の合成と同様にして、ポリ乳酸樹脂(A-2)~(A-6)を合成した。
<分子量の測定>
合成例1~6で得られたポリ乳酸樹脂(A-1)~(A-6)の分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により下記分析条件で測定した。
具体的には、各ポリ乳酸樹脂を濃度0.5質量%となるように、クロロホルムで溶解して測定用試料を調製した。調製した測定用試料を20μL注入し、下記測定条件で測定した。また、単分散ポリスチレン標準試料(東ソー株式会社製)を用いて、同様の方法でゲル浸透クロマトグラフィーを行い、予め分子量校正曲線を作成した。
ポリ乳酸樹脂の分子量分布から、前記分子量校正曲線を使用して、各ポリ乳酸樹脂の数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)を算出した。なお、分子量分布はMwをMnで除した値(Mw/Mn)である。下記表1に、重量平均分子量(Mw)の結果を示した。
[測定条件]
・装置:HLC-8320GPC(東ソー株式会社製)
・カラム:TSKgel(登録商標) SuperHZM-H(東ソー株式会社製)
・温度:40℃
・溶媒:クロロホルム
・注入量:20μL
・流速:0.6mL/分間
Figure 2024065972000001
(実施例1)
<原材料混合及び溶融工程>
図4に示す連続式樹脂発泡体作製装置110を用い、ポリ乳酸樹脂(A-4)50.00質量%と、ポリ乳酸a-1(Revode190、HISUN社製、融点170℃、重量平均分子量[Mw]220,000)50.00質量%とを混合し、第1の供給部1から混合物の流量が10kg/時間となるように、第1押出機の原材料混合及び溶融エリアaに供給した。
<圧縮性流体供給工程>
次いで、圧縮性流体供給部3から圧縮性流体として、二酸化炭素0.99kg/時間(対ポリ乳酸で10質量%相当)を供給し、第1押出機の圧縮性流体供給エリアbに供給した。これらを第1押出機の混練エリアcで混合、溶融、及び混練し、第2押出機に供給した。
<重合工程>
次いで、第2押出機の加熱エリアdにおいて温度170℃で混練し、樹脂組成物(ポリ乳酸樹脂組成物)とした。
<発泡工程>
次いで、第2押出機の先端に取り付けたスリット口径70mmのサーキュラー金型4からポリ乳酸樹脂組成物を吐出量10kg/時間で吐出し、吐出したポリ乳酸樹脂組成物の温度を140℃まで冷却させ、該ポリ乳酸樹脂組成物から圧縮性流体を除去することによりポリ乳酸樹脂組成物を押出発泡させ、筒状のポリ乳酸樹脂発泡体を得た。
このとき、金型温度を140℃、金型の流路先端のクリアランスは第2押出機の加熱エリアd先端の圧力が30MPaになるように調整した。
<成形工程>
押出発泡された筒状のポリ乳酸樹脂発泡体を冷却されているマンドレル上に沿わせると共に、その外面をエアリングからエアーを吹き付けて冷却成形し、カッターにより切開して平坦シート状にすることで、実施例1のポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
なお、実施例1において、各エリアの温度条件は、下記の通りとした。
・ 第1押出機の原材料混合及び溶融エリアa:190℃
・ 第1押出機の圧縮性流体供給エリアb:190℃
・ 第1押出機の混練エリアc:170℃
・ 第2押出機の加熱エリアd:170℃
(実施例2)
実施例1において、原材料混合及び溶融工程を以下の方法の変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2のポリ乳酸樹脂組成物及びポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
<原材料混合及び溶融工程>
図4に示す連続式樹脂発泡体作製装置110を用い、ポリ乳酸樹脂(A-4)49.55質量%と、ポリ乳酸a-1(Revode190、HISUN社製、融点170℃、重量平均分子量[Mw]220,000)49.55質量%とを混合し、第1の供給部1から混合物の流量が9.91kg/時間となるように、第1押出機の原材料混合及び溶融エリアaに供給した。
次いで、第2の供給部2からエポキシ系架橋剤(B-1)としてグリシジル基含有アクリルポリマー(マープルーフ(登録商標) G-0250SF、日油株式会社製)を0.09kg/hr(有機成分量に対して0.90質量%相当)で第1押出機の原材料混合及び溶融エリアaに供給した。
(実施例3~5、7、及び9~14)
実施例1において、ポリ乳酸樹脂A及びポリ乳酸樹脂aの組成及び配合量を、それぞれ下記表2~表4に示す組成及び配合量に変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例3~5、7、9、及び10~14のポリ乳酸樹脂組成物及びポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
(実施例6、8、18~20、27~29、及び31)
実施例2において、ポリ乳酸樹脂A、ポリ乳酸樹脂a、及びエポキシ系架橋剤Bの組成及び配合量を、それぞれ下記表3、表5、及び表7に示す組成及び配合量に変更したこと以外は、実施例2と同様の方法で、実施例6、8、18~20、27~29、及び31のポリ乳酸樹脂組成物及びポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
(実施例21及び22)
実施例2において、エポキシ系架橋剤Bをイソシアネート系架橋剤Cに変更し、ポリ乳酸樹脂A、ポリ乳酸樹脂a、及びソシアネート系架橋剤Cの組成及び配合量を、それぞれ下記表6に示す組成及び配合量に変更したこと以外は、実施例2と同様の方法で、実施例21及び22のポリ乳酸樹脂組成物及びポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
(実施例23及び24)
実施例2において、エポキシ系架橋剤Bをオキサゾリン系架橋剤Dに変更し、ポリ乳酸樹脂A、ポリ乳酸樹脂a、及びオキサゾリン系架橋剤Dの組成及び配合量を、それぞれ下記表6に示す組成及び配合量に変更したこと以外は、実施例2と同様の方法で、実施例23及び24のポリ乳酸樹脂組成物及びポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
(実施例25及び26)
実施例2において、エポキシ系架橋剤Bをカルボジイミド系架橋剤Eに変更し、ポリ乳酸樹脂A、ポリ乳酸樹脂a、及びカルボジイミド系架橋剤Eの組成及び配合量を、それぞれ下記表6及び表7に示す組成及び配合量に変更したこと以外は、実施例2と同様の方法で、実施例25及び26のポリ乳酸樹脂組成物及びポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
(実施例15)
実施例1において、原材料混合及び溶融工程を以下の方法の変更したこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例15のポリ乳酸樹脂組成物及びポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
<原材料混合及び溶融工程>
図4に示す連続式樹脂発泡体作製装置110を用い、ポリ乳酸樹脂(A-5)97.00質量%と、セルロースファイバー(F-1)(STARCEL(登録商標) T-NC-374、星光PMC社製)3.00質量%とを混合し、第1の供給部1から混合物の流量が9.91kg/時間となるように、第1押出機の原材料混合及び溶融エリアaに供給した。
(実施例16及び17)
実施例15において、セルロースファイバーFの種類を変更し、ポリ乳酸樹脂A、ポリ乳酸樹脂a、及びセルロースファイバーFの組成及び配合量を、それぞれ下記表5に示す組成及び配合量に変更したこと以外は、実施例15と同様の方法で、実施例16及び17のポリ乳酸樹脂組成物及びポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
(実施例30)
実施例15において、ポリ乳酸樹脂A、ポリ乳酸樹脂a、及びセルロースファイバーFの組成及び配合量を下記表7に示す組成及び配合量に変更したこと以外は、実施例15と同様の方法で、実施例30のポリ乳酸樹脂組成物及びポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
(比較例1~6)
実施例1において、ポリ乳酸樹脂Aを配合せず、下記表8及び表9に示すポリ乳酸樹脂aのみを配合したこと以外は、実施例1と同様にして、比較例1~6のポリ乳酸樹脂組成物及びポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
(比較例7、8、11、12、及び14)
実施例2において、ポリ乳酸樹脂Aを配合せず、ポリ乳酸樹脂a及びエポキシ系架橋剤Bの組成及び配合量を、それぞれ下記表9及び表10に示す組成及び配合量に変更したこと以外は、実施例2と同様の方法で、比較例7、8、11、12、及び14のポリ乳酸樹脂組成物及びポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
(比較例9及び13)
実施例2において、ポリ乳酸樹脂aを配合せず、ポリ乳酸樹脂A及びエポキシ系架橋剤Bの組成及び配合量を、それぞれ下記表9及び表10に示す組成及び配合量に変更したこと以外は、実施例2と同様の方法で、比較例9及び13のポリ乳酸樹脂組成物及び比較例9のポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
なお、比較例13では、溶融粘度が高く、ポリ乳酸樹脂発泡シートを作製できなかった。
(比較例10)
実施例15において、ポリ乳酸樹脂Aを配合せず、ポリ乳酸樹脂a及びセルロースファイバーFの組成及び配合量を、それぞれ下記表9に示す組成及び配合量に変更したこと以外は、実施例15と同様の方法で、比較例10のポリ乳酸樹脂組成物及びポリ乳酸樹脂発泡シートを得た。
なお、下記表2~表10において、有機成分量中のポリ乳酸樹脂A、ポリ乳酸樹脂a、エポキシ系架橋剤B、イソシアネート系架橋剤C、オキサゾリン系架橋剤D、カルボジイミド系架橋剤E、及びセルロースファイバーFの割合は、下記表2~表10に示す処方に基づくものである。即ち、仕込み材料の割合から算出したものである。
前記有機成分量とは、ポリ乳酸樹脂A、ポリ乳酸樹脂a、エポキシ系架橋剤B、イソシアネート系架橋剤C、オキサゾリン系架橋剤D、カルボジイミド系架橋剤E、及びセルロースファイバーFの合計含有量を意味する。
<物性の評価>
実施例1~31並びに比較例1~12及び14で得られたポリ乳酸樹脂発泡シートについて、以下のようにして、重量平均分子量(Mw)、分子量分布(Mw/Mn)、重量平均分子量(Mw)が1,000以下の領域、重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域、ポリ乳酸のL体又はD体の比率、溶融粘度(Pa・s)、ひずみ硬化係数、及び発泡倍率を評価した。なお、比較例13は、ポリ乳酸樹脂発泡シートに代えてポリ乳酸樹脂組成物を用いて同様にして、重量平均分子量(Mw)、分子量分布(Mw/Mn)、重量平均分子量(Mw)が1,000以下の領域、重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域、ポリ乳酸のL体又はD体の比率、溶融粘度(Pa・s)、及びひずみ硬化係数を評価した。結果を下記表2~表10に示した。下記表2~表10において、評価できなかった項目は「N.D」で示した。
<<重量平均分子量(Mw)、分子量分布(Mw/Mn)、重量平均分子量(Mw)が1,000以下の領域、及び重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域>>
実施例1~31並びに比較例1~12及び14で得られたポリ乳酸樹脂発泡シート、及び実施例13で得られたポリ乳酸樹脂組成物中のポリ乳酸樹脂の分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により下記分析条件で測定した。
具体的には、各ポリ乳酸樹脂発泡シート又はポリ乳酸樹脂組成物を濃度0.5質量%となるように、クロロホルムで溶解して測定用試料を調製した。調製した測定用試料を20μL注入し、下記測定条件で測定した。また、単分散ポリスチレン標準試料(東ソー株式会社製)を用いて、同様の方法でゲル浸透クロマトグラフィーを行い、予め分子量校正曲線を作成した。
ポリ乳酸樹脂の分子量分布から、前記分子量校正曲線を使用して、各ポリ乳酸樹脂の数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)、重量平均分子量(Mw)が1,000以下の領域(%)、及び重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域(%)を算出した。なお、分子量分布はMwをMnで除した値(Mw/Mn)である。下記表2~表10に、重量平均分子量(Mw)の結果を示した。
[測定条件]
・装置:HLC-8320GPC(東ソー株式会社製)
・カラム:TSKgel(登録商標) SuperHZM-H(東ソー株式会社製)
・温度:40℃
・溶媒:クロロホルム
・注入量:20μL
・流速:0.6mL/分間
<<ポリ乳酸のL体の比率>>
実施例1~31並びに比較例1~12及び14で得られたポリ乳酸樹脂発泡シート、又は実施例13で得られたポリ乳酸樹脂組成物を凍結粉砕し、凍結粉砕した該ポリ乳酸樹脂発泡シート又はポリ乳酸樹脂組成物の粉末を、三角フラスコに精密天秤にて200mg量り取り、1Nの水酸化ナトリウム水溶液30mLを加えた。次に、三角フラスコを振盪しながら65℃に加熱して、ポリ乳酸樹脂を完全に溶解させた。続いて、1N塩酸を用いてpHが7となるように調整し、メスフラスコを用いて所定の体積に希釈してポリ乳酸樹脂溶解液を得た。次に、前記ポリ乳酸樹脂溶解液を0.45μmのメンブレンフィルターで濾過した後、下記測定条件で液体クロマトグラフィーにより分析した。
得られたチャートに基づいて、乳酸のD体由来のピーク面積及び乳酸のL体由来のピーク面積と、これらの合計面積とから、乳酸のD体由来のピーク面積比及び乳酸のL体由来のピーク面積比をそれぞれ算出し、これを存在比として、D体量比及びL体量比を算出した。上記操作を3回行って得られた結果の算術平均した値を、ポリ乳酸樹脂発泡シート又はポリ乳酸樹脂組成物中のポリ乳酸樹脂を構成する乳酸のD体量又は乳酸のL体量とした。結果は、「L体の比率」として、下記表2~表10に示した。
[測定条件]
・ HPLC装置(液体クロマトグラフ):PU-2085Plus型システム(日本分光株式会社製)
・ カラム:Chromolith(登録商標) coated with SUMICHIRAL OA-5000(内径4.6mm、長さ250mm)(株式会社住友分析センター製)
・ カラム温度:25℃
・ 移動相:2mM CuSO水溶液と2-プロパノールとの混合液(CuSO水溶液:2-プロパノール(体積比)=95:5)
・ 移動相流量:1.0mL/分間
・ 検出器:UV254nm
・ 注入量:20μL
<<溶融粘度>>
実施例1~31並びに比較例1~12及び14で得られたポリ乳酸樹脂発泡シート、又は実施例13で得られたポリ乳酸樹脂組成物中のポリ乳酸樹脂の溶融粘度は、80℃にて2時間以上乾燥したポリ乳酸樹脂発泡シート又はポリ乳酸樹脂組成物を、下記測定条件でフローテスターにより測定した。
[測定条件]
・ フローテスター:CFT-100D(株式会社島津製作所製)
・ 試験温度:190℃
・ 測定モード:定温法
・ ノズル寸法:直径1mm×長さ10mm
<<ひずみ硬化係数>>
実施例1~31並びに比較例1~12及び14で得られたポリ乳酸樹脂発泡シート、又は実施例13で得られたポリ乳酸樹脂組成物中のポリ乳酸樹脂のひずみ硬化係数は、80℃にて2時間以上乾燥したポリ乳酸樹脂発泡シート又はポリ乳酸樹脂組成物を、下記測定条件でレオメーターにより測定した。
[測定条件]
・ 測定装置:ARES-G2(TA Instruments社製)
・ 測定治具:伸長粘度フィクスチャー(EVF)(TA Instruments社製)
・ 測定条件:測定対象のポリ乳酸樹脂発泡シート又はポリ乳酸樹脂組成物の示差走査熱量測定(DSC)による融点より少なくとも10℃~50℃高い温度範囲までの温度で、ひずみ速度は少なくとも1.0(s-1)で行い、得られた時間-1軸伸長粘度の両対数プロット曲線において下記式(1)で表されるひずみ硬化係数を算出した。
ひずみ硬化係数=a2/a1 ・・・ 式(1)
ただし、前記式(1)において、a1は、[(時間)-(1軸伸長粘度)]の両対数プロット曲線における線形領域の傾きを示し、a2は、[(時間)-(1軸伸長粘度)]の両対数プロット曲線における非線形領域の傾きを示す。
前記a1は、簡易法によらず、以下のようにして求めた。
具体的には、ARES-G2(TA Instruments社製)と、測定治具として25mmのパラレルプレートを用いて、ひずみ=10%、温度=1軸伸長粘度測定と同温度、GAP=0.7mm~1.5mmの測定条件で周波数0.1rad/s~100rad/s範囲のせん断粘度の周波数依存性データを求め、これより求めたせん断粘度の3倍値:3ηsを、時間-せん断粘度の両対数プロット上にプロットし、そのプロット線の傾きを時間-伸長粘度の両対数プロット曲線における線形領域の傾きa1とした。
<<発泡倍率>>
実施例1~31並びに比較例1~12及び14で得られたポリ乳酸樹脂発泡シートの発泡倍率は、浮力式比重測定装置(Electronic densimetor;MD-300S、MIRAGE社製)により、発泡前の<重合工程>で得られたポリ乳酸樹脂組成物の真比重と、<成形工程>で得られたポリ乳酸樹脂発泡シートの見かけ比重を測定し、下記式(2)及び式(3)より算出した。
前記式(2)及び前記式(3)において、「サンプル密度[g/cm]」はポリ乳酸樹脂発泡シートの見かけ比重を示し、「樹脂の真密度」[g/cm]」は発泡前のポリ乳酸樹脂組成物の真比重を示す。
<評価>
実施例1~31及び比較例1~12及び14で得られたポリ乳酸樹脂発泡シートについて、以下のようにして、強度、加熱後の外観変化(平坦さ)、加熱後の外観変化(垂れ)、生分解度、リサイクル性、及び揮発成分量を評価した。なお、比較例13は、上述の通り、ポリ乳酸樹脂発泡シートを作製できなかったため、比較例13で得られたポリ乳酸樹脂組成物の生分解度、リサイクル性、及び揮発成分量のみを評価した。結果を下記表2~表10に示した。下記表2~表10において、評価できなかった項目は「N.D」で示した。
<<強度>>
実施例1~31及び比較例1~12及び14で得られたポリ乳酸樹脂発泡シートを、JISK6767:1999に準拠して、120℃における引張り強度の測定を行い、発泡していないシート(ポリ乳酸樹脂組成物からなるシート)の強度に対し、各ポリ乳酸樹脂発泡シートがどの程度の強度を有しているかについて、下記評価基準に基づき評価した。
なお、発泡していないシートは、実施例1~31及び比較例1~12及び14の<重合工程>で作製したポリ乳酸樹脂組成物を190℃に加熱したプレス機によりプレスすることで作製した。発泡していないシートの測定結果は、55MPaであった。
[評価基準]
◎:発泡していないシートに対して60%以上の引張り強度
〇:発泡していないシートに対して40%以上60%未満の引張り強度
×:発泡していないシートに対して40%未満の引張り強度
<<加熱後の外観変化(平坦さ)>>
加熱後の平坦さの程度の評価は、以下のようにして行った。
実施例1~31及び比較例1~12及び14で得られたポリ乳酸樹脂発泡シートを、温度23℃、相対湿度50%の環境下で24時間以上放置し、上下面が平行な箇所を長さ15cm、幅15cmの正方形になるように切り出して測定用サンプルとし、専門評価者が加熱前の外観(平坦さ)を目視にて観察した。
次に、測定用サンプルを、熱風循環式乾燥機(DN-400、ヤマト科学株式会社製)を用いて、90℃±2℃に温調された環境で、測定用サンプル同士が触れ合わないようにして90分間保管した。その後、温度23℃、相対湿度50%の環境下で1時間放置し、専門評価者が加熱後の外観(平坦さ)を目視にて観察し、下記評価基準に基づき評価した。
[評価基準]
◎:加熱保管後のポリ乳酸樹脂発泡シートが平坦なままである
〇:加熱保管後のポリ乳酸樹脂発泡シートの端のみわずかに反る
×:加熱保管後のポリ乳酸樹脂発泡シートが大きく波打つ、反りかえるなど、平坦ではない
<<加熱後の外観変化(垂れ)>>
加熱後の垂れの程度の評価は、以下のようにして行った。
実施例1~31及び比較例1~12及び14で得られたポリ乳酸樹脂発泡シートを、温度23℃、相対湿度50%の環境下で24時間以上放置し、上下面が平行な箇所を長さ15cm、幅15cmの正方形になるように2枚切り出して2つの測定用サンプルとした。この2つの測定用サンプルについて、熱風循環式乾燥機(DN-400、ヤマト科学株式会社製)を用いて、90℃±2℃に温調された環境内で直方体状の台から、一方の測定用サンプルについては長さ方向に5cm×15cm分突き出すした状態で、他方の測定用サンプルは幅方向に5cm×15cm分突き出した状態で90分間保管した。その後、これら2つの測定用サンプルを台に乗せたまま温度23℃、相対湿度50%の環境下で1時間放置し、2つの測定用サンプルに対して直方体状の台の端からの垂れ方を求めた。
なお、測定用サンプルが15cm角で切り出せない場合は、最大となる正方形のサンプルを切り出し、長さ方向、幅方向の両方とも面の1/3だけ突き出した状態で加熱保管し、同様に垂れ方を確認し、下記評価基準に基づき評価した。
[評価基準]
◎:2つの測定用サンプルの垂れ方がともに2°未満
〇:2つの測定用サンプルの垂れ方がともに2°以上5°未満
×:2つの測定用サンプルの垂れ方のうち少なくとも一方が5°以上
<<生分解度>>
実施例1~31及び比較例1~12及び14で得られたポリ乳酸樹脂発泡シート、及び比較例13で得られたポリ乳酸樹脂組成物の生分解度は、JISK6953-2:2010に準拠して求め、下記の評価基準に基づき評価した。
[評価基準]
◎:45日間で生分解度60%以上
〇:6か月間で生分解度60%以上
×:6か月間で生分解度60%未満
<<リサイクル性>>
リサイクル性は、単一な材質であることが最も重要である。ポリ乳酸樹脂が生分解しても、その他の成分が残存してしまうと、リサイクル性の観点から好ましくない。そこで、実施例1~31及び比較例1~12及び14で得られたポリ乳酸樹脂発泡シート、及び比較例13で得られたポリ乳酸樹脂組成物における有機物中の成分の単一性から、下記の評価基準に基づき評価した。
[評価基準]
◎:有機物の100%が生分解性をもつ成分である
〇:有機物の99.0%以上100%未満が生分解性をもつ成分である
×:有機物の99.0%未満が生分解性をもつ成分である
<<揮発成分量>>
実施例1~31及び比較例1~12及び14で得られたポリ乳酸樹脂発泡シートを縦(MD方向)5mm×横(TD方向)5mmの正方形に裁断したものを測定用サンプルとし、この測定用サンプルの1質量部に2-プロパノール2質量部を加え、超音波で30分間分散させた後、冷蔵庫(5℃)にて1日間以上保存し、揮発成分の2-プロパノール抽出液を得た。前記揮発成分の2-プロパノール抽出液をガスクロマトグラフ(GC-14A、株式会社島津製作所製)を用いて下記測定条件で測定し、ポリ乳酸樹脂発泡シート中の揮発成分を定量した。
また、比較例13で得られたポリ乳酸樹脂組成物については、ポリ乳酸樹脂発泡シート中の揮発成分を定量において、ポリ乳酸樹脂発泡シートを縦(MD方向)5mm×横(TD方向)5mmの正方形に裁断したものと同質量のポリ乳酸樹脂組成物を測定用試料として用い、同様の方法でポリ乳酸樹脂組成物中の揮発成分を定量した。
測定条件は以下の通りである。下記表2~10において、定量された揮発成分が検出下限以下(即ち、揮発成分が検出されない場合)であれば「〇」で示し、揮発成分が検出された場合は「×」とした。
[測定条件]
・装置:GC-14A(株式会社島津製作所製)
・カラム:CBP20-M50-025(株式会社島津ジーエルシー製)
・検出器:FID
・注入量:1μL~5μL
・キャリアガス:He 2.5kg/cm
・水素流量:0.6kg/cm
・空気流量:0.5kg/cm
・チャートスピード:5mm/分間
・感度:Range101×Atten20
・カラム温度:40℃
・Injection Temp:150℃
Figure 2024065972000004
Figure 2024065972000005
Figure 2024065972000006
Figure 2024065972000007
Figure 2024065972000008
Figure 2024065972000009
Figure 2024065972000010
Figure 2024065972000011
Figure 2024065972000012
上記表2~表10の結果より、実施例1~31は、比較例1~14に比べて、良好な生分解性を有し、高温時の外観及び強度に優れるポリ乳酸樹脂発泡シートが得られたことがわかった。
なお、前記表2~表10中の実施例1~31及び比較例1~14における、各成分の詳細については、下記表11及び表12に示す通りである。
Figure 2024065972000013
Figure 2024065972000014
本発明の態様としては、例えば、以下のものなどが挙げられる。
<1> 下記(i)及び(ii)の条件を満たすポリ乳酸樹脂を90質量%以上含有することを特徴とするポリ乳酸樹脂組成物である。
(i)190℃における溶融粘度が2,000Pa・s以上40,000Pa・s以下、及び
(ii)ゲル浸透クロマトグラフィーにより測定される重量平均分子量(Mw)が100以上の領域の分子量分布において、重量平均分子量(Mw)が1,000以下の領域が10%以下であり、かつ、重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域が20%以上である。
<2> 前記ポリ乳酸樹脂の構成モノマー単位として乳酸のD体及び乳酸のL体のいずれか一方が97%以上である、前記<1>に記載のポリ乳酸樹脂組成物である。
<3> 前記ポリ乳酸樹脂の重量平均分子量(Mw)が250,000以上である、前記<1>又は<2>に記載のポリ乳酸樹脂組成物である。
<4> エポキシ基を有する化合物、カルボジイミド基を有する化合物、及びセルロース化合物の少なくともいずれかを更に含有する、前記<1>から<3>のいずれかに記載のポリ乳酸樹脂組成物である。
<5> 前記ポリ乳酸樹脂を99.9質量%以上含有する、前記<1>から<4>のいずれかに記載のポリ乳酸樹脂組成物である。
<6> 前記ポリ乳酸樹脂の重量平均分子量(Mw)を前記ポリ乳酸樹脂の数平均分子量(Mn)で除した分子量分布(Mw/Mn)が1.7以上である、前記<1>から<5>のいずれかに記載のポリ乳酸樹脂組成物である。
<7> 前記ポリ乳酸樹脂の融点±10℃の範囲における溶融1軸伸長粘度測定で得られる[(時間)-(1軸伸長粘度)]の両対数プロット曲線において、前記ポリ乳酸樹脂は、下記式(1)に基づき算出されるひずみ硬化係数が2以上である、前記<1>から<6>のいずれかに記載のポリ乳酸樹脂組成物である。
ひずみ硬化係数=a2/a1 ・・・ 式(1)
ただし、前記式(1)において、a1は、[(時間)-(1軸伸長粘度)]の両対数プロット曲線における線形領域の傾きを示し、a2は、[(時間)-(1軸伸長粘度)]の両対数プロット曲線における非線形領域の傾きを示すである。
<8> 前記<1>から<7>のいずれかに記載のポリ乳酸樹脂組成物を発泡してなることを特徴とするポリ乳酸樹脂発泡体である。
<9> 発泡倍率が10倍~40倍である、前記<8>に記載のポリ乳酸樹脂発泡体である。
<10> シート状である、前記<8>又は<9>に記載のポリ乳酸樹脂発泡体である。
<11> 前記<8>又は<9>に記載のポリ乳酸樹脂発泡体の製造方法であって、
A.ポリ乳酸樹脂の融点以上かつ融点+40℃以下の温度範囲で前記<1>から<7>のいずれかに記載のポリ乳酸樹脂を溶融する工程と、
B.発泡剤として圧縮性流体を加え、前記ポリ乳酸樹脂組成物に溶解させる工程と、
C.前記ポリ乳酸樹脂の融点-60℃以上かつ融点+120℃以下の温度範囲で押出発泡する工程と、
を含むことを特徴とするポリ乳酸樹脂発泡体の製造方法である。
<12> 前記<8>又は<9>に記載のポリ乳酸樹脂発泡体を含有することを特徴とする製造物である。
<13> 前記<8>又は<9>に記載のポリ乳酸樹脂発泡体を成形してなることを特徴とする製造物である。
前記<1>から<7>のいずれかに記載のポリ乳酸樹脂組成物、前記<8>から<10>のいずれかに記載ポリ乳酸樹脂発泡体、前記<11>に記載のポリ乳酸樹脂発泡体の製造方法、及び前記<12>又は<13>に記載の製造物は、従来における前記諸問題を解決し、前記本発明の目的を達成することができる。
1 第1の供給部
2 第2の供給部
3 圧縮性流体供給部
4 ポリ乳酸樹脂発泡体
21 モノマータンク
22 モノマーポンプ
23 触媒タンク
24 触媒ポンプ
25 開始剤タンク
26 開始剤ポンプ
27 圧縮性流体用ボンベ
28 圧縮性流体用ポンプ
29 添加剤タンク
100 連続式混練装置
110 連続式発泡シート化装置
210 添加剤ポンプ
211 トラップ
212 真空ポンプ
213 2軸ロール
a 原材料混合及び溶融エリア
b 圧縮性流体供給エリア
c 混練エリア
d 圧縮性流体除去エリア
d 加熱エリア
e 成型加工エリア
f 樹脂押出エリア
F 圧縮性流体
P ペレット
特開2015-093952号公報 特開平8-198992号公報 特許第4299490号 特開2022-27146号公報

Claims (13)

  1. 下記(i)及び(ii)の条件を満たすポリ乳酸樹脂を90質量%以上含有することを特徴とするポリ乳酸樹脂組成物。
    (i)190℃における溶融粘度が2,000Pa・s以上40,000Pa・s以下、及び
    (ii)ゲル浸透クロマトグラフィーにより測定される重量平均分子量(Mw)が100以上の領域の分子量分布において、重量平均分子量(Mw)が1,000以下の領域が10%以下であり、かつ、重量平均分子量(Mw)が500,000以上の領域が20%以上である。
  2. 前記ポリ乳酸樹脂の構成モノマー単位として乳酸のD体及び乳酸のL体のいずれか一方が97%以上である、請求項1に記載のポリ乳酸樹脂組成物。
  3. 前記ポリ乳酸樹脂の重量平均分子量(Mw)が250,000以上である、請求項1又は2に記載のポリ乳酸樹脂組成物。
  4. エポキシ基を有する化合物、カルボジイミド基を有する化合物、及びセルロース化合物の少なくともいずれかを更に含有する、請求項1に記載のポリ乳酸樹脂組成物。
  5. 前記ポリ乳酸樹脂を99.9質量%以上含有する、請求項1に記載のポリ乳酸樹脂組成物。
  6. 前記ポリ乳酸樹脂の重量平均分子量(Mw)を前記ポリ乳酸樹脂の数平均分子量(Mn)で除した分子量分布(Mw/Mn)が1.7以上である、請求項1に記載のポリ乳酸樹脂組成物。
  7. 前記ポリ乳酸樹脂の融点±10℃の範囲における溶融1軸伸長粘度測定で得られる[(時間)-(1軸伸長粘度)]の両対数プロット曲線において、前記ポリ乳酸樹脂は、下記式(1)に基づき算出されるひずみ硬化係数が2以上である、請求項1に記載のポリ乳酸樹脂組成物。
    ひずみ硬化係数=a2/a1 ・・・ 式(1)
    ただし、前記式(1)において、a1は、[(時間)-(1軸伸長粘度)]の両対数プロット曲線における線形領域の傾きを示し、a2は、[(時間)-(1軸伸長粘度)]の両対数プロット曲線における非線形領域の傾きを示す。
  8. 請求項1に記載のポリ乳酸樹脂組成物を発泡してなることを特徴とするポリ乳酸樹脂発泡体。
  9. 発泡倍率が10倍~40倍である、請求項8に記載のポリ乳酸樹脂発泡体。
  10. シート状である、請求項8又は9に記載のポリ乳酸樹脂発泡体。
  11. 請求項8又は9に記載のポリ乳酸樹脂発泡体の製造方法であって、
    A.ポリ乳酸樹脂の融点以上かつ融点+40℃以下の温度範囲で請求項1に記載のポリ乳酸樹脂を溶融する工程と、
    B.発泡剤として圧縮性流体を加え、前記ポリ乳酸樹脂組成物に溶解させる工程と、
    C.前記ポリ乳酸樹脂の融点-60℃以上かつ融点+120℃以下の温度範囲で押出発泡する工程と、
    を含むことを特徴とするポリ乳酸樹脂発泡体の製造方法。
  12. 請求項8又は9に記載のポリ乳酸樹脂発泡体を含有することを特徴とする製造物。
  13. 請求項8又は9に記載のポリ乳酸樹脂発泡体を成形してなることを特徴とする製造物。
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