JP2838874B2 - 植物繊維質成分を含む原料からなる成形体の製造方法、及び生分解性成形体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、植物繊維質成分を含む
原料からなる成形体の押出成形機を用いた製造方法、及
びかかる製造方法により得られる生分解性成形体に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、合成プラスチック系素材は、環境
問題に対する世界的な関心の高まりとともに、環境汚染
を引き起こす大きな原因の一つとして、その廃棄、さら
にはその使用についても厳しい制限が加えられつつあ
り、多くの分野でこれらの素材を生分解性のものに代替
する研究が進められている。

【０００３】これは包装資材の分野でも例外ではなく、
例えばカートン、トレーを始めとする種々の包装用袋・
容器、そして緩衝材等でこうした研究が行われ、また現
に生分解性であることを大きな特徴としてうたったこれ
らの商品も市販され始めている。

【０００４】こうした情況を背景として本発明者らは先
に、澱粉を主たる成分とし、他の成分として植物繊維質
成分、あるいは植物繊維質成分と蛋白質成分とを含む原
料からなる生分解性の緩衝材を提案した（特開平７−１
７５７１）。かかる緩衝材は入手容易な素材を原料とし
て用いながら、主にその植物繊維質成分の効果により、
必要な強度が与えられ、かつ使用環境中の湿度の影響に
よるべとつきや強度の低下等の問題が改善された、従来
の澱粉系緩衝材にはない優れた性能を有するものであ
り、押出成形機等を用いて製造することにより効率的に
連続生産することも可能であった。

【０００５】しかし、このような原料組成の成形体を押
出成形法により製造する場合、原料中の植物繊維質成分
の割合を多くすると、その流動性が悪化するため、原料
の混練や押出成形の際などに押出成形機に多大の負荷が
かかって生産性が低下し、甚だしい場合には装置内部で
の原料の焦つき等のトラブル、更には装置の損傷といっ
た事態をも引き起こすこととなる。つまり原料中には、
澱粉質成分を糊化させる等のため、上記成分の他５〜３
０重量％程度の水分も含まれており、それにより押出成
形機内におけるその流動性も確保されているのである
が、原料中の植物繊維質成分の割合が多くなると、この
程度の水分ではこれが十分確保できなくなるのである。
かと言って原料中の水分増は、成形に必要な粘度や最終
製品の強度の確保、及び製品の乾燥に要するエネルギー
等の面から好ましくない。本発明者らの検討によるとか
かる問題を回避するため、例えば緩衝材を押出成形する
場合には、植物繊維質成分の澱粉質成分に対する割合は
６５重量％以下、原料全量に占める割合としては３０重
量％以下とする必要があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、植物繊維質
成分及び澱粉質成分、あるいは植物繊維質成分、澱粉質
成分及び蛋白質成分を骨格成分とする成形体の押出成形
による製造にあたって、押出成形機に大きな負荷をかけ
ることなく、原料中の植物繊維質成分の増配を可能とす
る方法、及びかかる方法を用いて製造される生分解性成
形体を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記の課題
を解決すべく検討を重ねた結果、成形体の原料としてこ
れらの骨格成分と共に高吸水性ポリマーを用いることに
より、成形体原料の混練時や押出成形時等に機械にかか
る負荷を大幅に軽減できることを見出だした。

【０００８】即ち本発明の製造方法及びこの方法により
製造される成形体は、植物繊維質成分、澱粉質成分及び
高吸水性ポリマー、あるいは植物繊維質成分、澱粉質成
分、蛋白質成分及び高吸水性ポリマーを含む混合物を原
料とすること、そしてこれを押出成形機にて押出成形す
ること、もしくは押出成形したものであることを特徴と
する。

【０００９】高吸水性ポリマーは、高度の架橋構造を有
する不溶化された高分子電解質であり、その網目状構造
の中に水を取り込んで膨潤することにより吸水し、これ
をこの構造中に保持し続けるという特性を持つ。その吸
水力は製品により差が大きいが、パルプ等の天然吸水性
素材が最大でも２０ｃｃ／ｇ程度（純水で測定。以下同
じ。）であるのに対し、現在では約４０ｃｃ／ｇから約
１０００ｃｃ／ｇに達するものまで開発・市販されてお
り、その構造にしても、例えばポリアクリル酸系、澱粉
／ポリアクリル酸系、ポリビニルアルコール／ポリアク
リル酸系、ポリビニルアルコール系、澱粉／ポリアクリ
ロニトリル系、イソブチレン／マレイン酸系等、種々の
ものが知られている。本発明においてはこれらの高吸水
性ポリマーを単独で、または２種以上併用して使用する
ことができるが、原料中のこの高吸水性ポリマー含有量
は０．３〜４．０重量％となるようにすることが望まし
い。この含有量が０．３重量％未満では、たとえ吸水力
の大きいものを使用したとしてもその効果を十分に発揮
させることができず、また４．０重量％を超えると、高
吸水性ポリマーによる効果よりもそのポリマー自体の物
性がもたらす影響の方が大きくなってしまう。しかもこ
のように高吸水性ポリマーを多く含む原料は成形体製造
工程中に過剰の水分を吸収するため、押出成形時の乾燥
に伴って成形体に収縮、ひびわれ等が生じたり、発泡押
出成形を行う場合には発泡が阻害されるおそれがあるか
らである。

【００１０】植物繊維質成分としては、例えば木材パル
プ、コーンファイバー、または麻、棉、藁等より得られ
る繊維、更には古紙の粉砕物もしくは解繊物を単独で、
あるいは２種以上併用して使用することができる。また
その使用量は原料全量に対して５〜５０重量％の範囲に
あることが望ましい。これが５重量％未満では成形体へ
強度を与え、環境湿度の影響を軽減するというその役割
を果たすことができず、５０重量％を超えた場合には、
高吸水性ポリマーの使用によっても原料の流動性の十分
な確保が難しくなるからである。なお、これらの素材の
中でも古紙の粉砕物もしくは解繊物の使用はその価格、
入手の容易性の上で特に有利である。かかる古紙の粉砕
・解繊物を得るには、新聞、雑誌、ＯＡ用紙、証券用
紙、板紙、段ボール等の古紙をハンマーミル、ターボミ
ル、ターボカッター等で０．１〜５ｍｍ程度に粉砕すれ
ばよい。

【００１１】また澱粉質成分としては一般に用いられて
いるすべての澱粉、例えばとうもろこし、もちとうもろ
こし、小麦、大麦、裸麦、えん麦、米、もち米などの穀
類、もしくは馬鈴薯、さつまいも、タピオカ、キャッサ
バなどの根茎類から得られた精製澱粉、あるいはデキス
トリン、カルボキシメチル化澱粉、エーテル化澱粉、エ
ステル化澱粉などの加工澱粉等を単独で、または２種以
上併用して使用することができる。

【００１２】なお本発明においては、上記の精製澱粉以
外にもコーンフラワー、小麦粉、おからなど、澱粉質成
分の他に蛋白質成分を含む未精製澱粉等を、単独でまた
は２種以上併用して使用することも可能である。さらに
蛋白質成分は、澱粉とは別個に原料中に加えてもよい。
この場合に用いられる蛋白質成分はその起源に制約され
るものではなく、例えば大豆タンパク、小麦タンパク、
コーンタンパク等の植物性蛋白質、あるいは乳タンパ
ク、卵白等の動物性蛋白質、さらにはこれらを精製して
得られるカゼイン、グルテン、アルブミン、ゼラチン、
コラーゲン等を使用することができる。

【００１３】本発明において成形体は、これらの成分
を、常温下で撹拌混合機を用い、あるいはヘンシェルミ
キサー、混練ロール、加圧ニーダー等で加熱混練するな
どして均質に混合した後、押出成形機に導入して押出成
形することにより製造される。この過程において原料中
の澱粉質成分は、水の存在下で加熱・加圧されることに
よりその分子中の水素間結合が破壊される一方、破壊さ
れずに残った一部の強い水素結合を結び目とした網目構
造の中に、多量の水分子を取り込んで不可逆的に大きく
膨潤して粘性のある糊液を与える。この現象を糊化と呼
ぶが、本発明においては成形体の製造に必要な原料の流
動性と粘性、そして最終製品の強度確保の上から、この
糊化のため、全原料に対する澱粉質成分の割合を２０〜
７０重量％、同じく水分を７．５〜２０重量％とするこ
とが望ましい。

【００１４】押出成形法においては、ホッパーから押出
成形機内のシリンダーに導入された水分含量７．５〜２
０重量％の原料は、平均品温（第１混練ゾーン、第２混
練ゾーン、及び押出し出口における原料温度を平均した
もの）１０５〜１９５℃で加熱されながら、シリンダー
内をスクリューで混練されつつ第１、第２混練ゾーンを
経て、押出し出口、即ち押出用ダイに向かって輸送され
る。原料はダイに近付くにつれて、シリンダー内壁と回
転するスクリューの相互作用から生じる圧力を受け、最
終的には１０〜２００ｋｇ／ｃｍ² ・ゲージの吐出圧で
ダイから押し出され、ダイの形状に応じた形態をした成
形物を与える。このとき、原料中の水分、加熱温度、ス
クリューの形状や回転数、押出速度等の押出条件を調整
することで、押出し出口における加圧下から常圧下への
急激な圧力変化を利用して、混練された原料中に含まれ
ている水分、空気等のガスにより原料を発泡させれば、
多孔性あるいは海綿状の形態を有し弾性を与えられた、
緩衝材として有用な成形体を得ることができる。なお、
本発明において原料中の水分は、その殆どが押出し出口
における上記した圧力変化に伴ない気化するため、得ら
れる成形体については多くの場合、特別な乾燥工程を必
要としない。しかしこの成形工程の後に別途、乾燥工程
を加えることももちろん可能である。

【００１５】以上、本発明の特徴を説明してきたが、本
発明においてはその特徴を損ねない範囲内において、そ
の他の構成を付加することができる。例えば本発明にお
いては上記成分の他、可塑剤、滑剤、接着剤、整泡剤、
膨脹剤、抗菌・坑カビ剤、漂白剤、色素、香料等の一般
に使用される各種添加剤を、その目的に応じて使用する
ことも可能である。

【００１６】

【作用】本発明において、その原料中の植物繊維質成分
は、製造される成形体の物理的強度を高めるフィラーと
しての役割を果たしていると考えられる。従来、澱粉質
成分を骨格成分とする成形体では、強度を確保するた
め、アミロース高含量の澱粉等、特殊な澱粉を使用しな
ければならなかったが、本発明の成形体ではかかる植物
繊維質成分の効果により、特殊な澱粉を使用する必要は
なく、一般に用いられているいかなる澱粉をも使用でき
ることとなった。

【００１７】しかも、この植物繊維質成分を原料中に存
在させることにより、使用環境中の湿度による成形体の
べとつきや強度の低下等の問題が解決される。これはこ
の成分が、高湿度下においては成形体中の余剰の水分を
吸収してその内部、例えば繊維間隙等に保持し、また低
湿度下においては吸収した水分をその周囲の水分含量に
応じて放出する、いわば成形体中の水分分布調節機構と
して働き、結果として、高湿度下では過剰の水分により
溶解してべとつきやすく、低湿度下では乾燥して強度が
低下しやすい糊化澱粉中の水分含量の変動を、抑制する
ためであると考えられる。さらにこの植物繊維質成分
は、原料中に蛋白質成分が含まれていた場合に、成形体
製造過程において一部の蛋白質が分解して生じる臭気を
吸着し、その発生を防止する効果をも有している。

【００１８】なお、原料中の蛋白質成分は植物繊維質成
分とともにフィラーとしての役割を果たす。即ち、原料
を押出成形機で処理することにより、蛋白質成分は成形
体中で網目状等に組織化され、これがフィラーとして成
形体の強度に寄与することになるのである。

【００１９】また高吸水性ポリマーは、原料の流動性、
柔軟性を高め、その混練時や押出成形時等に押出成形機
にかかる負荷を大幅に軽減する役割を果たす。これは本
発明の成形体製造過程において、このポリマーが植物繊
維質成分や澱粉質成分、蛋白質成分等の原料と均質に混
合される際に、原料中の水分がこれに吸収されつつ、こ
れとともに原料中にまんべんなく練り込まれることにな
るためであると考えられる。

【００２０】加えて澱粉質成分、植物繊維質成分及び蛋
白質成分は、いずれも生分解性、即ちバクテリア、カ
ビ、酵母等の微生物あるいは他の生物など、自然環境下
で天然に存在する因子により化学的に破壊され得る高分
子物質である。それゆえこれらを骨格成分として製造さ
れる本発明の成形体は、自然環境下で容易に分解されや
すく、またその焼却に際しても、大きな燃焼エネルギー
を発生して焼却設備に過大の負荷を与えることはない。

【００２１】

【実施例】以下に、本発明を実施例に基づいて説明す
る。

【００２２】［実施例１〜５］長さ０．１〜３．０ｍｍ
に粉砕した新聞古紙１２０部（重量部、以下同じ。）に
６５％ハイアミロース澱粉（日本食品加工（株）製）７
０部、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）１０部、グリセ
リン５０部、水１２部、及び高吸水性ポリマーとしてア
ラソープＳ−１００（ポリアクリル酸系、吸水倍率９２
０ｃｃ／ｇ：荒川化学工業（株）製）を１、２、５、１
０、または１５部加え、ニーダーにて混練後、一軸押出
型プロストグラフ（ブラベンダーコーポレーション社
製）に導入してスクリュー回転数２０ｒｐｍ、シリンダ
ー内温度１５０℃、吐出量２０ｇ／分で直径３ｍｍのダ
イから大気中に押出し、その時のプロストグラフ加重係
数を計測した。

【００２３】なおプロストグラフ加重係数は、ある原料
をプロストグラフで押出した際にそのスクリューにかか
る加重を示す値であり、従ってこの値が大きければ大き
いほどその原料は押出され難く、そのとき押出成形機内
には大きな負荷がかかっていると言うことができる。

【００２４】［比較例１］高吸水性ポリマーを添加しな
い以外は、実施例１〜５と全く同様にして一軸押出型プ
ロストグラフによる押出しを行い、その時のプロストグ
ラフ加重係数を計測した。

【００２５】実施例１〜５及び比較例１の結果を表１に
示す。

【表１】

【００２６】表１より明らかなように、高吸水性ポリマ
ーは原料中にわずか０．４重量％（配合量１部）含まれ
ていただけでその効果を十分に発揮し、この含有量が
０．８重量％（配合量２部）のときには押出成形機にか
かる負荷は最小となった。しかし原料中の含有量がこれ
より多くなると負荷は増加する傾向を示し、高吸水性ポ
リマー含有量が５．４重量％（配合量１５部）となる
と、成形機にかかる負荷はこれを添加していない場合よ
りもかえって大きくなったが、これは高吸水性ポリマー
自体の物性が表面に表れた結果であると考えられる。即
ち、そもそも高吸水性ポリマーの流動点は１８０℃前後
であり、実施例１〜５及び比較例１で採用した押出温度
よりも高いため、押出成形時にはこのポリマー自体はほ
とんど流動性を有しない。従って、原料中の高吸水性ポ
リマー含有量が多くなると、その効果よりもこうしたポ
リマー自体の物性がもたらす影響の方が大きくなり、そ
の結果ここに示したような成形機にかかる負荷の増加が
観察されるのである。

【００２７】［実施例６〜１０］長さ０．５〜５．０ｍ
ｍに粉砕したオフィス古紙１５部にコーンフラワー（澱
粉含量７４％、蛋白質含量８％の未精製澱粉：（株）ホ
ーネン・コーポレーション製）１８０部、ＰＶＡ１０
部、グリセリン５５部、水１０部、及び高吸水性ポリマ
ーとしてイゲタゲルＰ（ポリビニルアルコール／ポリア
クリル酸系、吸水倍率５００ｃｃ／ｇ：住友化学工業
（株）製）を１、２、５、１０、または１５部加え、ニ
ーダーにて混練後、実施例１〜５と同条件で一軸押出型
プロストグラフによる押出しを行い、その時のプロスト
グラフ加重係数を計測した。

【００２８】［比較例２］高吸水性ポリマーを添加しな
い以外は、実施例６〜１０と全く同様にして一軸押出型
プロストグラフによる押出しを行い、その時のプロスト
グラフ加重係数を計測した。

【００２９】実施例６〜１０及び比較例２の結果を表２
に示す。

【表２】

【００３０】［実施例１１〜１５］原料中のオフィス古
紙を９０部に、コーンフラワーを１００部にした以外
は、実施例６〜１０と全く同様にして一軸押出型プロス
トグラフによる押出しを行い、その時のプロストグラフ
加重係数を計測した。

【００３１】［比較例３］高吸水性ポリマーを添加しな
い以外は、実施例１１〜１５と全く同様にして一軸押出
型プロストグラフによる押出しを行い、その時のプロス
トグラフ加重係数を計測した。

【００３２】実施例１１〜１５及び比較例３の結果を表
３に示す。

【表３】

【００３３】［実施例１６〜２０］原料中のオフィス古
紙を１２０部に、コーンフラワーを７５部にした以外
は、実施例６〜１０と全く同様にして一軸押出型プロス
トグラフによる押出しを行い、その時のプロストグラフ
加重係数を計測した。

【００３４】［比較例４］高吸水性ポリマーを添加しな
い以外は、実施例１６〜２０と全く同様にして一軸押出
型プロストグラフによる押出しを行い、その時のプロス
トグラフ加重係数を計測した。

【００３５】実施例１６〜２０及び比較例４の結果を表
４に示す。

【表４】

【００３６】高吸水性ポリマーの効果は、表２〜４のい
ずれにおいても表１と同様の傾向を示し、この効果がピ
ークに達するその原料中の含有量も０．７重量％から
１．８重量％の間に分布していた。

【００３７】［実施例２１］実施例１７で用いた原料を
ニーダーにて混練後、二軸押出成形機（（株）日本製鋼
所製ＴＥＬ−Ｌ型）に導入し、これを平均品温１５５
℃、吐出圧２０ｋｇ／ｃｍ₂ ・ゲージで直径３ｍｍのダ
イから大気中に押出すことにより発泡させ、吐出量１
０．０ｋｇ／時で発泡成型物を連続して得た。これを３
ｃｍ長さに切断しすると緩衝材として有用なものが得ら
れた。

【００３８】［比較例５］高吸水性ポリマーを添加しな
い以外は、実施例２１と全く同様にして二軸押出成形機
による発泡押出成型を行ったが、この場合には吐出圧を
８０ｋｇ／ｃｍ₂・ゲージまで上げても、吐出量は最高
２．５ｋｇ／時までしか上げることができなかった。

【００３９】

【効果】以上述べたように、本発明の成型体製造方法に
よれば、植物繊維質成分を含む原料を押出成型する際
に、押出成形機にかかる負荷を大幅に軽減することがで
きる。従って、かかる原料からなる成形体を一層効率良
く生産することができ、また、この原料中の植物繊維質
成分の割合をこれまで以上に増加させてもその生産性が
低下することがないので、このとき植物繊維質成分とし
て古紙の粉砕物・解繊物等、安価に入手できるものを用
いれば、生産コストの引き下げも可能となる。

【００４０】また本発明の成形体は、原料として植物繊
維質成分を澱粉質成分と併せて用いることにより、成形
体としての必要な強度を備え、しかも、使用環境中の湿
度の影響によるべとつきや強度の低下等の問題を解決し
たものである。従って、本発明の成形体は原料の澱粉質
成分として特殊なものを選択することを要しない。また
その使用環境中の湿度に関わらず、従来のものよりも広
い範囲で使用することができ、例えば緩衝材、苗床シー
ト、培土代替ペレット、臭気吸収ペレット等、種々の製
品としての応用が考えられる。なお、苗床シート、培土
代替ペレットとして本発明の成型体を使用する場合に
は、高吸水性ポリマーによる保湿効果も期待できる。

【００４１】しかも本発明の成形体においては、原料中
の蛋白質成分に起因する臭気の発生も防止される。従っ
て、澱粉質成分の他に蛋白質成分を含む未精製澱粉等も
原料として使用することが可能となる。

【００４２】さらに、本発明において原料として使用さ
れる澱粉質成分、植物繊維質成分及び蛋白質成分はいず
れも生分解性の高分子物質であるため、本発明の成形体
は自然環境下で容易に分解され易く、焼却する場合にも
大きな燃焼にエネルギーを発生しない。また、植物繊維
質成分として古紙の粉砕・解繊物を使用することによ
り、資源の有効活用を図ることもできる。

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 植物繊維質成分、澱粉質成分及び高吸
   水性ポリマーを含む混合物を調製して原料とし、これを
   押出成形機にて押出成形することを特徴とする成形体の
   製造方法。
2. 【請求項２】 植物繊維質成分、澱粉質成分、蛋白質
   成分及び高吸水性ポリマーを含む混合物を調製して原料
   とし、これを押出成形機にて押出成形することを特徴と
   する成形体の製造方法。
3. 【請求項３】 原料中に占める植物繊維質成分の割合
   を５〜５０重量％とすることを特徴とする、請求項１ま
   たは２に記載の成形体の製造方法。
4. 【請求項４】 原料中の高吸水性ポリマー含有量を
   ０．３〜４．０重量％とすることを特徴とする、請求項
   １、２または３に記載の成形体の製造方法。
5. 【請求項５】 植物繊維質成分として紙の粉砕物もし
   くは解繊物を用いることを特徴とする、請求項１、２、
   ３または４に記載の成形体の製造方法。
6. 【請求項６】 植物繊維質成分、澱粉質成分及び高吸
   水性ポリマーを含む混合物からなる生分解性の押出成形
   体。
7. 【請求項７】 植物繊維質成分、澱粉質成分、蛋白質
   成分及び高吸水性ポリマーを含む混合物からなる生分解
   性の押出成形体。
8. 【請求項８】 上記混合物中に占める植物繊維質成分
   の割合が５〜５０重量％であることを特徴とする、請求
   項６または７に記載の生分解性の押出成形体。
9. 【請求項９】 上記混合物中の高吸水性ポリマー含有
   量が０．３〜４．０重量％であることを特徴とする、請
   求項６、７または８に記載の生分解性の押出成形体。
10. 【請求項１０】 植物繊維質成分が紙の粉砕物もしくは
    解繊物であることを特徴とする、請求項６、７、８また
    は９に記載の生分解性の押出成形体。
11. 【請求項１１】 その形状が多孔性あるいは海綿状を示
    すことを特徴とする、請求項６、７、８、９、または１
    ０に記載の生分解性の押出成形体。