JP3425959B2 - 高度に糊化していない内容物を有する組成物 - Google Patents

高度に糊化していない内容物を有する組成物

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クリステンセン,ブルース,ジェイ.
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イー.カショギ インダストリーズ
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    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
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    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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    • E05D1/02Pinless hinges; Substitutes for hinges made of one piece
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    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B11/00Single-unit hand-held apparatus in which flow of contents is produced by the muscular force of the operator at the moment of use
    • B05B11/01Single-unit hand-held apparatus in which flow of contents is produced by the muscular force of the operator at the moment of use characterised by the means producing the flow
    • B05B11/10Pump arrangements for transferring the contents from the container to a pump chamber by a sucking effect and forcing the contents out through the dispensing nozzle
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    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05CAPPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C5/00Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work
    • B05C5/02Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work the liquid or other fluent material being discharged through an outlet orifice by pressure, e.g. from an outlet device in contact or almost in contact, with the work
    • B05C5/0245Apparatus in which liquid or other fluent material is projected, poured or allowed to flow on to the surface of the work the liquid or other fluent material being discharged through an outlet orifice by pressure, e.g. from an outlet device in contact or almost in contact, with the work for applying liquid or other fluent material to a moving work of indefinite length, e.g. to a moving web
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    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/32Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C43/34Feeding the material to the mould or the compression means
    • B29C2043/3433Feeding the material to the mould or the compression means using dispensing heads, e.g. extruders, placed over or apart from the moulds
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    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C43/00Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor
    • B29C43/32Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C43/44Compression means for making articles of indefinite length
    • B29C43/46Rollers
    • B29C2043/461Rollers the rollers having specific surface features
    • B29C2043/463Rollers the rollers having specific surface features corrugated, patterned or embossed surface
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    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C49/00Blow-moulding, i.e. blowing a preform or parison to a desired shape within a mould; Apparatus therefor
    • B29C49/02Combined blow-moulding and manufacture of the preform or the parison
    • B29C2049/023Combined blow-moulding and manufacture of the preform or the parison using inherent heat of the preform, i.e. 1 step blow moulding
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    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C49/00Blow-moulding, i.e. blowing a preform or parison to a desired shape within a mould; Apparatus therefor
    • B29C49/42Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C49/46Component parts, details or accessories; Auxiliary operations characterised by using particular environment or blow fluids other than air
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    • B29C2049/4605Blowing fluids containing an inert gas, e.g. helium
    • B29C2049/4608Nitrogen
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    • B29C2949/07Preforms or parisons characterised by their configuration
    • B29C2949/0715Preforms or parisons characterised by their configuration the preform having one end closed
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    • B29C43/02Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C43/04Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles using movable moulds
    • B29C43/06Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles using movable moulds continuously movable in one direction, e.g. mounted on chains, belts
    • B29C43/08Compression moulding, i.e. applying external pressure to flow the moulding material; Apparatus therefor of articles of definite length, i.e. discrete articles using movable moulds continuously movable in one direction, e.g. mounted on chains, belts with circular movement, e.g. mounted on rolls, turntables
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    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29C48/001Combinations of extrusion moulding with other shaping operations
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    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/001Combinations of extrusion moulding with other shaping operations
    • B29C48/0011Combinations of extrusion moulding with other shaping operations combined with compression moulding
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    • B29C48/00Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/001Combinations of extrusion moulding with other shaping operations
    • B29C48/0017Combinations of extrusion moulding with other shaping operations combined with blow-moulding or thermoforming
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    • B29C48/00Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/001Combinations of extrusion moulding with other shaping operations
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 1.発明の属する技術分野 本発明は、成形シートおよびそれを用いた製品を製造
するための組成物および方法に関する。より詳細には、
本発明は、繊維で強化される澱粉で結合されるマトリク
スを有し、および必要に応じて無機鉱物の充填剤を含ん
でもよいシートに関する。慣用の紙および板紙製品をそ
の成形シートに代替してもよい。
2.関連する技術 A. シート、容器、および他の製品 紙、板紙、プラスチック、ポリスチレンおよび金属の
ような材料から作成される薄く柔軟なシートは、印刷材
料、ラベル、台紙として、および容器、セパレータ、仕
切り、封筒、蓋、栓、缶、および他の包装材料のような
他の製品の製造において、莫大な量が今日用いられてい
る。高度の加工および包装技術は、莫大な種類の液体お
よび固体の物資を、有害な要素から保護しながら貯蔵
し、包装し、または輸送することを可能にする。
容器および他の包装材料は、環境の影響および流通の
損傷から、特に化学的および物理的影響から、物資を保
護する。包装は、ガス、湿度、光、微生物、害虫、物理
的衝撃、圧縮力、振動、漏出すること、または流出する
ことから莫大な種類の物資を保護するのを助ける。いく
つかの包装材料は、製品の起源、内容物、広告、使用説
明書、ブランドの識別および価格のような、消費者に対
する情報の宣伝のための媒体を提供する。
典型的には、大抵の容器およびカップ(使い捨て容器
も含めて)は、紙、板紙、プラスティック、ポリスチレ
ン、ガラスおよび金属材料から作成される。毎年1000億
個を越えるアルミニウム缶、数十億本のガラス瓶、およ
び数千トンの紙およびプラスティックが、ソフトドリン
ク、ジュース、加工食品、穀類、ビール等を貯蔵するこ
とおよび分配することに用いられる。食品および飲料産
業の他でも、前述の材料で作成された包装容器(および
特に使い捨て容器)は至る所に存在する。印刷し、筆記
しおよび写真複写するための紙も、雑誌、新聞、本、包
装材、および木から得られる紙シートで主として作成さ
れる他の平面の部材も、同様に毎年莫大な量が生産され
ている。米国のみにおいて、約550万トンの紙が毎年包
装の目的に消費され、それは年間の国内の紙の生産量全
体の約15%に相当するにすぎない。
B.紙、プラスティック、ガラスおよび金属の影響 最近これらの材料(たとえば紙、板紙、ラスティッ
ク、ポリスチレン、ガラスまたは金属)が環境を最も害
しているかに関する論争が続いている。意識昂揚団体は
より環境的に“適当”であるために一方の材料を他方に
置換することを多くの人々に納得させてきた。その論争
は、これらの材料の各々がそれら自身の特異な環境的な
欠点を有する点をしばしば見落とす。特定の環境問題の
観点から見たときには、一方の材料が他方よりも優れて
いるように見えるが、一方、推定では好ましい材料に付
随する別個の(しばしばより大きい)問題を無視してい
る。実際、紙、板紙、プラスティック、ポリスチレン、
ガラスおよび金属材料は、各々それら自身に固有の環境
的な欠点を有する。
ポリスチレン製品は、特に容器および他の包装材料
は、より最近になって環境保護グループの怒りを買って
いる。ポリスチレン自身は比較的不活性な物質であると
はいえ、その製造は種々の有害な化学物質および出発材
料の使用を含む。未重合のスチレンは非常に反応性が高
く、したがってそれを取り扱わねばならない人達に健康
上の問題を引き起こす。スチレンはベンゼン(既知の突
然変異原、かつおそらく発ガン物質)から製造されるの
で、残存量のベンゼンをスチレン中に見いだすことがで
きる。最後に、重合されたスチレンは通常の条件下で比
較的に安定であるので、自然環境中に捨てられたとき
に、それから作成されている容器、パッキングの小片、
および他の製品は分解に抵抗して、したがって長い期間
にわたって存続する。
より潜在的な損害を与えるものは、“ブローされた”
すなわち“発泡させた”ポリスチレン製品の製造におけ
るクロロ−フルオロカーボン類(すなわちCFC類)の使
用であった。これはCFC類がオゾン層の破壊に関連づけ
られたためである。ブローされたポリスチレンを含めて
発泡体の製造において、CFC類(これは高度に揮発性の
液体である)はポリスチレンを“発泡”すなわち“ブロ
ー”して発泡した材料にするために用いられ、それらは
次にカップ、平皿、トレイ、箱、“クラムシェル”容
器、スパーサ、または包装材料の形態へと成形される。
より“環境的に被害を与えない”発泡剤(たとえば、HC
FC、CO2およびペンタン)でさえも依然として著しく有
害であり、それらの除去は有益である。
結果として、会社に対して、より環境的に安全な材料
の方を選んでポリスチレン製品を使用することを止めよ
うとする広まった圧力が存在している。ある環境保護グ
ループは、生分解性であると信じられる紙のようなより
“天然の”製品または他の木材パルプ製の製品の使用へ
の一時的な回帰に好意を示した。それにもかかわらず、
他の環境保護グループは木材の伐採および森林の消耗を
最小化するために反対の考え方をとった。
紙製品は表面上は生分解性であり、かつオゾン層の破
壊にも関連づけられていないにもかかわらず、紙の製造
がポリスチレンの製造が行うよりもおそらく強い影響を
環境に与えることを、最近の研究が示した。実際、木材
パルプおよび紙産業は、米国内の5つの上位の公害源の
1つとして認定された。たとえば、同等のポリスチレン
製品に比べて、紙製の製品は10倍の蒸気、14から20倍の
電気および2倍の冷却水を必要とする。紙製造業からの
排水が、ポリスチレンフォームの製造において生産され
る汚染物質の10から100倍の量を含有することを、種々
の研究が示した。
紙および板紙の製造の別の欠点は、紙を製造するため
に必要である比較的に大量のエネルギーである。これ
は、その繊維が充分に脱リグニン化され、およびほぐさ
れてその繊維がウェブの物理現象の原則のもとで自己結
合性になるような点まで、木材パルプを加工するために
必要なエネルギーを含む。加えて、約99.5体積%までの
量で水を含有する慣用の紙スラリー内の水を除去するた
めに大量のエネルギーが必要である。スラリーから非常
に大量の水を除去しなければならないので、シートを乾
燥するために用いることができる加熱されるローラーの
直前において文字どおりスラリーから水を吸い出す必要
がある。さらに、脱水する工程の間にシートから吸い出
された水の大部分は、自然環境内へ捨てられる。
金属シートから容器(特にアルミニウムとスズから作
成された缶)を形作ること、ガラス瓶を吹いて作ること
およびセラミック容器を形作ることの製造プロセスは、
溶融しそしてその後に未加工の材料から中間製品あるい
は最終製品を別個に加工しかつ成形する必要性のため
に、大量のエネルギーを利用する。これらの高エネルギ
ーおよび加工の必要条件は貴重なエネルギー源を用いる
だけではく、またそれらは著しい空気、水および熱汚染
を自然環境に与える。ガラスはリサイクルすることがで
きるとはいえ、最後に埋め立てごみになる部分は本質的
に非分解性である。破壊されたガラスの破片は非常に危
険であり、そして何年もの間存続する。
多くの人に生分解性であると信じられている紙または
板紙でさえ、空気、光および水、通常の生分解活動に必
要であるもの全て、から遮閉される埋立てごみ内で、何
年もの間、数十年間でさえ存続する。数十年間埋められ
ていたごみ捨て場から掘り出された電話帳および新聞の
報告がある。この紙の長命性はさらに面倒にさせられ
る。なぜなら、紙を種々の分解をさらに遅くするあるい
は防止する保護材料で処理し、覆い、または含浸するこ
とが普通であるためである。
紙、板紙、ポリスチレンおよびプラスティックに関す
る別の問題はこれらの各々が比較的高価な有機物の出発
材料を必要とすることであり、その内のいくつかはポリ
スチレンおよびプラスティックの製造における石油の使
用のように再生不可能である。紙および板紙を作成する
のに用いられる木は、言葉の厳格な意味においては再生
可能であるとはいえ、それらが広い土地を必要とするこ
とおよび世界の一定の区域における迅速な消耗が、この
観念の根底をくずす。それゆえ、本質的に再生不可能な
出発材料からシートおよび製品を作成することにおける
それらの大量の使用は維持することができず、そして長
期の展望から賢明でない。さらに包装資源の原料(紙パ
ルプ、スチレンまたは金属シートのようなもの)は非常
にエネルギー集約型であり、大量の水および空気の汚染
をもたらし、そして著しい資金需要を必要とする。
上述のことを考慮して、議論をこれらの材料のどれが
環境に対してだいたい有害であるかに向けるべきではな
く、むしろこれらの現在用いられる材料の各々に関連す
る種々の環境的問題の大部分(全てではないとしても)
を解決する代替の材料が開発できるかどうかを問うこと
に向けるべきである。
C.澱粉結合剤 より最近に、多くの人が澱粉類および澱粉誘導体を結
合剤すなわち成形された製品の単独の構成要素として利
用することを試みてきた。澱粉を形成することのための
ひとつの方法は“非構造化澱粉(destructured starc
h)”として当該技術において知られているものを形成
することによる。非構造化澱粉の製造において、“ガラ
ス転移温度”より下まで冷却することにより凝固される
“ホットメルト”を作成するために天然の澱粉または澱
粉誘導体を可塑剤と混合し、そして高温高圧下で液化さ
れる。この方法において、澱粉は熱可塑性材料のように
処理される。非構造化またはホットメルトの澱粉は理論
上容易に思われるとしても、実際上はその製造方法は非
常に高価であり、そしてそれから作成された製品は一般
的に不満足でありかつ低品質である。
澱粉をベースとする混合物を製品へと成形することの
ための他の方法は、加熱されたダイの間で水性の澱粉混
合物を成形することを含む。好ましくはその澱粉結合剤
は当初は成形可能な水性混合物中で未変性の糊化されて
いない状態にある。さもなければ、澱粉のゲル化のため
の同一の成形適性の特性を維持するためおよび水中での
糊化された澱粉の途方もない粘度増加効果のために、そ
の混合物はさらにより多くの水を含まなければならなく
なる。澱粉を糊化するためと同様に成形可能な混合物か
ら大部分の水を除去するために、充分高い温度までその
澱粉水混合物は型の間で加熱される。得られる成形され
た製品は型から取り出すことができるが、それらが水分
を再吸収するために、長い時間にわたり高湿度チャンバ
ーにそれらを置くことによって“コンディショニングさ
れる(conditioned)”までは、それらは当初は非常に
脆い。
もし充分に乾燥されかつ硬化していないならば、発泡
した多孔質の澱粉マトリックスの崩壊する傾向のため
に、残余の水分を有する製品を単純に型から取り出すこ
とが適しているとは判明していない。しかし、崩壊を避
けるのに充分な強度を有する多孔質の澱粉マトリックス
を得ることは、澱粉の過度に乾燥することを必要とす
る。そのようなコンディショニングが成形プロセスの後
に必要とされる。上述の成形プロセスが多少の用途を有
する可能性があるとはいえ、それは慣用の紙作成プロセ
スのような連続シートの連続製造を可能にしない。
澱粉誘導体も、紙の細孔を埋めて、そして滑らかなよ
り低浸透性の表面を作成するためのサイズ剤および被覆
剤として、紙産業において広く用いられている。しか
し、慣用の紙製造プロセスは例外なくウェブ(web)の
物理の原理に依存しており、シートの結合するマトリッ
クスを形成するためのその原理は繊維がからみ合うこと
および繊維間の水素結合である。紙スラリーまたは完成
紙料に添加される澱粉結合剤は2次的な結合剤としての
み作用する。なぜなら大部分の澱粉は、紙作成プロセス
の間に完成紙料から排出される水と一緒に成形する抄紙
網を通過するからである。それゆえ、完成紙料に添加さ
れる多量の澱粉が浪費される。したがって、慣用の紙に
おいて単独または主要な結合剤として澱粉を用いること
は非常に不経済である。
その上、澱粉結合剤に対するひとつの問題点は、ひと
たび水中に溶解されたまたは糊化されたときに、それら
は一般的に非常に粘着性であることである。これがそれ
らを一般に良好な結合剤にするとはいえ、それは製造プ
ロセスを複雑にする。なぜなら大量の溶解されたまたは
糊化された澱粉結合剤を用いて形成されるシートまたは
製品が型またはシートを形成する装置に粘着するからで
ある。一方、未変性の澱粉粒は一般に水に不溶性であ
り、そして澱粉粒を含有する組成物が澱粉のゲル化温度
より高くまで加熱されない限り受動的な微粒子充填剤と
して機能するにすぎない。しかし、ひとたびゲル化され
れば、もちろん、未変性の澱粉粒は非常に粘着性にな
り、成形装置、特に加熱された成形装置に粘着する傾向
がある。
上述のことに基づいて、必要とされるものは、紙、板
紙、ポリスチレン、プラスティックまたは金属シートに
類似の特性を有する低コストで環境にやさしいシートの
ための、改善された組成物および方法である。
そのようなシートが、紙、板紙、ポリスチレン、プラ
スティックまたは金属シートから製品を形成するために
用いられる現存の製造装置および技術を用いて種々の容
器または他の製品へと成形できるならば、それは当該技
術における重要な改善点である。
もし環境にやさしいシートが、慣用の紙を作成するの
に用いられる典型的なスラリー中に含有される水および
/または繊維の少量のみを含有し、およびシートを形成
するプロセス中に大量の脱水を必要としない成形コンパ
ウンドで形成され得るならば、それはさらにシート作成
における進歩である。
もし前述のシートと同様に、それから作成される容器
またはその外の製品も容易に生分解され、および/また
は地中に一般的に見いだされる物質に分解可能であるな
らば、それは当該技術における重要な改善点である。
実際的な観点から、紙、プラスティックまたは金属製
品を製造する現存の方法のコストと同等あるいはより低
いコストでシート、容器およびそれらで作成される他の
製品の製造を可能にする組成物および方法を提供するこ
とは、重要な改善点である。具体的には、紙、プラステ
ィックまたは金属の望ましい特性を有する製品を作成す
るためのエネルギーの要求条件および初期資本投資コス
トを削減することが望ましい。
シート内に比較的大量の澱粉を包含することと同時
に、澱粉(特に糊化された澱粉)の成形すなわちシート
形成装置への粘着に関連する問題点を克服する組成物お
よび方法を提供することは、当該技術のさらなる改善点
である。
前述のシート内に著しい量の天然の無機鉱物の充填剤
を必要に応じて包含することを可能にする組成物および
方法を提供することも、当該技術のすばらしい改善点で
ある。詳細には、もし前述の無機的に充填されたシート
が高含有量の無機充填剤を有する先行の材料に比較して
大きな柔軟性、引張強さ、靭性、成形適性、および大量
生産性を有するならば、それは当該技術の重要な改善点
である。
上述したシートを製造するためのそのような組成物お
よび方法を、本明細書に開示し、そして請求する。
概要 本発明は、比較的高い濃度の澱粉および必要に応じて
無機鉱物の充填剤を有する環境にやさしいシートを製造
するための組成物および方法に関する。その澱粉成分が
主要な結合剤を構成しているので、本発明のシートをこ
れ以後“澱粉で結合されたシート”と呼ぶことにする。
前述のシートは、それらを慣用の木由来の紙と同等およ
びさらに優れるようにする強度および他の性能特性を有
する。
澱粉で結合されたシートを形成するのに用いられる成
形コンパウンドは、典型的には糊化されていない澱粉
粒、セルロース系エーテル、均一に分散された繊維、水
および必要に応じて無機鉱物の充填剤および他の必要に
応じた成分を含む。適切なセルロース系エーテルは、
“熱析出”を受けるそれを含む。その熱析出とは、その
水性系をその特定のセルロース系エーテルの熱析出点の
上まで加熱するときに、水性系の中のセルロース系エー
テルが水を開放して凝固する現象である。この方法にお
いてセルロース系エーテルはシート外部上に非粘着のフ
ィルムを形成し、それは水分をシート内部に封入し、そ
してそれによってシートを形成するプロセスの引き続く
段階中に、成形コンパウンド中の澱粉粒の糊化によるシ
ートを成形ローラーに粘着することを防止する。
成形コンパウンドは好ましくは、セルロース系エーテ
ルの熱析出温度以上であるが澱粉のゲル化温度より下の
温度まで加熱された成形ローラーの間を通過させること
によりシートに形成される。成形ローラーは熱析出され
たセルロース系エーテルの非粘着のフィルムを有する未
乾燥のシートを与える。この時点において、その未乾燥
のシートは比較的乾燥した表面を有するが、その内部は
相当の水分を含有している。その後、そのシートは澱粉
粒が糊化するのに充分な温度まで加熱されたローラーの
間を通過させられる。そのゲル化された澱粉粒はシート
内で融合させられ非常に強い結合マトリックスを形成す
るが、その糊化された澱粉が熱析出されたセルロース系
エーテルの非粘着の表面フィルム内に封入されているた
めに、そのシートがローラーに粘着する原因とならな
い。そのシートはさらに加熱されて、蒸発により相当量
の水を除去され、実質的に乾燥されたシートを与える。
好ましいプロセスにより成形されたシートは実質的に均
一に分散された繊維により強化される澱粉で結合される
マトリックスを含む。そのシートは必要に応じて無機鉱
物の充填剤およびその他の混合物を含んでもよい。
シートを形成するために好ましい組成物は、組成物中
の全固形物の約5重量%から約90重量%までの範囲の濃
度を有する糊化されていない澱粉結合剤;組成物中の全
固形物の約0.5重量%から約10重量%までの範囲の濃度
を有するセルロース系エーテル;組成物中の全固形物の
約3重量%から約40重量%までの範囲の濃度を有する繊
維質材料;必要に応じて組成物中の全固形物の約0重量
%から約90重量%までの範囲の濃度を有する無機骨材;
および成形コンパウンドを与えるために充分な量の水を
含む。成形コンパウンド中のそのセルロース系エーテル
は流動性部分の降伏応力を増大する増粘剤として作用
し、成形コンパウンド全体にわたる繊維の均一な分散を
可能にする。
本発明の組成物および方法を用いて形成されるシート
は、約0.01mmほどの低さから10cm以上ほどの高さの厚さ
を有することができる。しかし、そのシートが紙または
板紙に類似の性質を有するために、それらシートは通常
約1cm未満の、好ましくは約5mm未満の、およびより好ま
しくは3mm未満、最も好ましくは約1mm未満の厚さを有す
る。加えて、そのシートの澱粉で結合される構造マトリ
ックスは水への長期の暴露の後に分解するようになる。
本発明者が、熱析出するセルロース系エーテルと組み
合わせて比較的高い量の澱粉を用いる能力を発見する前
は、無機的に充填されたシートを成形するための好まし
い主要結合剤は事実上セルロース系エーテルそれら自身
であった。未変性の澱粉粒(すべての澱粉類の中で最も
安価)は以前は結合剤としての用途はほとんど見いださ
れていなかった。なぜなら、それはひとたび糊化すると
非常に粘着性であるという欠点を有しているからであ
る。シート形成プロセスにおける主要な結合剤として用
いることの試みは押出加工またはシート成形装置に対す
る澱粉の満足できない粘着に直面した。
本発明は、シートを作成するための組成物中で以前に
用いられた多量のセルロース系エーテルを大量の澱粉で
置換することを提供する。より大量の安価な未変性の澱
粉粒と一緒に少量の比較的高価なセルロース系エーテル
を用いることの組合わせは、これらの結合剤のそれぞれ
を単独で用いることの上記の欠点を除去する。シートを
形成するのに用いられる成形コンパウンド中のセルロー
ス系エーテルの量を削減することは、シートを作成する
コストを大いに削減する。加えて、セルロース系エーテ
ルに比較して澱粉ははるかに安価なだけではなく、より
優れた結合剤でもあり、そしてセルロース系エーテルを
単独の結合剤として利用したシートよりもはるかに高品
質のシートをはるかに少ないコストで与える。
成形コンパウンドの成分を混合するときに、澱粉をそ
の澱粉粒を切断あるいは破壊するのに充分に大きい剪断
力にかけないことが重要である。混合物をその澱粉のゲ
ル化温度より低い温度に維持して、シート形成プロセス
を開始する前の澱粉結合剤の早すぎるゲル化を回避する
こともまた重要である。さもなければ、セルロース系エ
ーテルが最初に析出してシートの表面上に非粘着のフィ
ルムを形成する前に、シートの表面の澱粉がシート形成
装置に粘着する可能性がある。
したがって、本発明のシートを形成するのに用いられ
る成形コンパウンドを形成するための好ましい方法は、
水、繊維およびセルロース系エーテルを強い剪断での混
合を用いて混合して、繊維を実質的に均一に分散して繊
維の混合物を形成することを具備する。その後、未変性
の澱粉粒、無機鉱物の充填剤および他の必要に応じた混
合剤をその繊維の混合物に混合して成形コンパウンドを
形成する。この時に追加の水も添加してもよい。その成
形コンパウンドを少なくとも一組のセルロース系エーテ
ルの熱析出温度まで加熱されたローラーを通過させるこ
とにより、その成形コンパウンドがシートへと形成され
る。その成形コンパウンドは押出装置を用いて、好まし
くは“ウィグ・ワグ(wig wag)”系を用いて、直接成
形ローラーの間に送り込まれてもよい。あるいはまた、
押出機がシートを形成するダイを有してもよい。上記で
議論したようにセルロース系エーテルが、シート中の澱
粉結合剤がローラーに粘着することを防止する。
その後に、未乾燥のシートは、澱粉のゲル化温度以上
に加熱されている澱粉ゲル化ローラーの間を通過させら
れる。ジャガイモの澱粉のようないくつかの澱粉は約65
℃においてゲル化し、一方コーンスターチのような他の
澱粉は約95℃でゲル化する。モチトウモロコシ(waxy c
orn)の澱粉は約70℃でゲル化する。そのときにシート
は、蒸発により相当量の水を除去することにより、加速
された方法で相当の程度まで硬化される。水の除去は、
少なくとも部分的には、ゲル化ローラーを用いて行うこ
とができる。しかし、澱粉をゲル化するのに用いられる
ローラーと水を除去するのに用いられるそれの間にはほ
とんど差がない。水を除去するのに充分なほど熱いロー
ラーは同様に澱粉粒もゲル化することができる。乾燥さ
れたシート内の繊維は、強化材として澱粉マトリックス
全体にわたって実質的に均一に分散されている。
単純なシート形成プロセスに加えて、たとえば、蒸発
により構造マトリックスから水が除去されるときに生成
される不必要な気泡を除去する、結合剤と繊維の間の粘
着力を増加する、および表面の平滑性を増大するため
に、未乾燥でおよび少なくとも部分的に成形可能な条件
に依然としてある間に、シートは必要に応じて圧縮され
てもよい。圧縮はシートの厚さよりも小さいロール間隔
を有する1組以上のローラーの間をシートを通過させる
ことにより実行される。
シートの表面は、堅いローラーおよび軟らかいローラ
ーから成る1組以上の仕上げローラーの間を通過させる
ことにより改善することができる。その軟らかいローラ
ーはシートを保持するのに充分な摩擦力を有するので、
その接線速度をシート速度と実質的に同一になる。その
“堅いローラー”は非常に平滑であり、かつシート速度
よりも充分に大きな接線速度で回転してそれがシート表
面を磨くようにする。他の仕上げローラーは表面模様を
付けたローラーおよび波形のローラーを含み、それぞれ
シートに表面模様を付けるあるいは波形をつける。
本発明にしたがって作成されたシートは、紙、プラス
ティック、または薄肉の金属のそれと同等の特性を有
し、そのシートを容器または他の包装材料のような種々
の製品を形成するのに直ちに用いることができる。ある
いはまた、紙または板紙とほぼ同様に、前述のシートを
大きなスプール状に巻き付けるか、あるいはシート状に
カットしそしてパレット上に積み重ね、そして必要にな
るまで貯蔵することができる。その後、積み重ねられた
かあるいは巻き付けられたシートを切断して、そして所
望の製造品に成形することができる。
本発明のシートは必要に応じて再加湿されて、それら
シートをより柔軟にするか、および/またはそれらシー
トに自己粘着特性を与えてもよい。増大された柔軟性
は、そのシートが所望の製品に形成される間に割れるあ
るいはひびが入る可能性を減少する。加えて、澱粉は熱
可塑性物質として作用することができる。もし本発明の
シートが澱粉のガラス転移温度より上まで加熱されるな
らば、それらを所望の形状に成形することができる。ガ
ラス転移温度より低くまで冷却するときに、シートはそ
れらが成形されたどのような形状も維持することができ
る。シート内の澱粉を熱的に溶融することはまた澱粉を
自己粘着性にし、それはたとえば螺旋巻きなどによって
容器へと形成されたときにはいつもシートの粘着および
封止を可能にする。シートを再加湿することおよび熱成
形することの組合わせは、シートの融通性およびシート
に用いることが可能な製造手段の範囲を増大させるため
に、好都合に利用される。
本発明のシートは、澱粉および繊維の含有量に依存し
ていくつかの場合には100MPaに至る、高い引張高さを有
する。それらは、紙または板紙とほぼ同様に、上に印刷
され、被覆され、積層され、層状にされ、ひだをつけら
れ、クレープ加工され、引き伸ばされ、押印され、曲げ
られ、折りたたまれ、巻かれ、巻込まれ、螺旋上に巻か
れ、プレス加工され、折りたたまれ、溝をつけられ、波
形にされ、および接着されて、種々の製品を形成するこ
とができる。いくつかの場合においては、製造プロセス
の間に、シートに折り目をつけ(score)、シートに切
れ目を入れ(score cut)、シートを波形にし、または
シートを穿孔して(perforate)シート内のあらかじめ
定めた位置に折り目すなわち蝶番を形成するのを補助す
ることが有利である。
本発明の結果は、以前は紙、板紙、プラスティック、
ポリスチレン、または金属から製造される広範な種類の
種々の製品を、通常はこれら先行の材料と競争でき、お
よび大抵の場合これら先行の材料を用いるときに必要な
コストよりもさらに低いコストで、大量生産する能力で
ある。コストの節約は原材料の削減されるコストからだ
けでなく、製造プロセスからもまた生じ、そのプロセス
はより小さなエネルギーおよびより低い初期資本投資を
必要とする。詳細には、本発明のシートの製造に用いら
れる組成物は紙の製造でよりもはるかに少ない脱水しか
必要とせず、同様にプラスティックまたは金属の製造と
比較して必要な原材料を供給することにおいてはるかに
低い支出を必要とする。
さらに、本発明の澱粉で結合されたシートはより環境
に優しい成分を含むので、前述のシートの製造は、先行
の材料からのシート製造が行うよりもはるかに少ない大
きさでしか環境に影響を与えない。本シートは、紙、プ
ラスティック、または金属からのシートまたは他の製品
の製造がするほどに、高濃度の木材パルプ、石油製品ま
たは他の天然資源の使用を必要としない。
澱粉およびセルロース系エーテル成分は容易に水に溶
解し、それはリサイクルまたは生分解を容易にする。使
い古したシートまたは他の製品は水中で容易に微粉砕さ
れて、同等の製品の製造に再使用される。もし環境中に
捨てられたならば、澱粉およびセルロース系エーテルが
水を吸収し、そして迅速に溶解してなくなり、少量の個
々の繊維と変化する量の天然鉱物の充填剤を後に残し、
その充填剤は土と同等または同一の成分を有する。溶解
された澱粉およびセルロース系エーテルおよび分散され
た繊維は土壌に存在する微生物の力により容易に分解さ
れる。
図面の簡単な説明 本発明の上述のおよび他の利点および目的が得られる
方法を理解するために、上述で簡単に特徴づけられる本
発明のより詳細な記載を添付の図面に示されるそれらの
実施の形態の参照により与える。これらの図面は典型的
な本発明の実施の形態のみを描き、したがって本発明の
範囲を限定するものとみなされるべきではないことを理
解して、本発明を添付する図面の使用によりさらなる特
殊性および詳細とともに記載する。その図面において: 図1Aは、押出されたシートはが圧延ローラーの間を通
過する澱粉で結合されたシートを製造するための好まし
いシステムの概略の図である。
図1Bは、無定形の混合物が直接シート成形ローラーの
間を通過する澱粉で結合されたシートを製造するための
別の好ましいシステムの概略の図である。
図2Aは、図1Aのシステムに用いられる排気チャンバー
およびダイヘッドを有するオーガー押出し機(auger ex
truder)の一部を切り取った透視図である。
図2Bは成形コンパウンドを成形ローラーの間に送り込
むための“ウィグ・ワグ”押出システムをしめす図であ
る。
図3はピストン押出し機の側面図である。
図4は1対の圧延ローラーおよびそのローラーにより
厚さが減少されるシートの側面図である。
図5はその間で圧縮されるシートを伴う1対の圧縮ロ
ーラーの側面図である。
図6は“堅い”ローラーおよび“軟らかい”ローラー
を含む1対の仕上げローラーの透視図である。
図7は波形のシートを形成するのに用いられる1対の
波形のローラーの側面図である。
図8はカットされそして別個のシートとして積み重ね
られる連続シートを示す透視図である。
発明の詳細な記載 本発明は、必要に応じて大量の無機鉱物の充填剤を含
む澱粉で結合されたシートを製造するための組成物およ
び方法に関する。澱粉で結合されたシートを、紙、板紙
または他のシート材料のそれと同等の特性を有して製造
することができる。前述のシートは大量の澱粉を結合剤
としての混合のために優れた強度特性を有し、それ澱粉
はそれらシートのコストをも削減し、およびそれらシー
トの慣用の3種の紙製品に比較してはるかに環境に優し
くする。その澱粉はウェットエンドにおいて、慣用的に
行われるようにサイズ剤として添加されるよりはむし
ろ、シートを作成するのに用いられる成形コンパウンド
の一部としてシートに添加される。そのシートは強化お
よび付加される柔軟性および靭性のための実質的に均一
に分散される繊維をも含む。本発明の澱粉で結合された
シートは一般的に、多成分で、多様な尺度で、繊維で強
化された、ミクロ複合材料として記載することができ
る。分離しているがそれでも共同的に関連する特性を付
与することが可能な種々の別個の材料を注意深く組み込
むことにより、強度、靭性、環境安定度、大量生産性、
および低コストの優れた特性を有する特異な種類すなわ
ち範囲のミクロ複合材料を創造することが可能である。
“多成分”という術語はシートを作成するための組成
物が典型的には3個以上の、化学的または物理的に別個
の材料または相を含む事実を参照しており、それらは
水、水で処置できるセルロース系エーテル、シート形成
の間により遅れて糊化する最初は不溶性の澱粉粒、繊
維、無機鉱物の充填剤、および他の混合物のようなもの
である。これらの広いカテゴリーの材料のそれぞれが1
つ以上の特異な性質を、それらから形成される最終的な
シートと同様に、シートを形成するのに用いる組成物に
対して付与する。これらの広いカデゴリーの中で、シー
トに別個だが補足的な特性を付与することができる2種
以上の無機充填剤または繊維のような、別個の成分をさ
らに具えることが可能である。これは製造プロセスと組
み合わせて、シート内の所望の特性の具体的な設計を可
能にする。
本発明の澱粉で結合されたシートの多成分(およびそ
のゆえに多様な特性)の特徴は、本質的に単一成分系で
あるプラスティック、ポリスチレン、紙および金属のよ
うな慣用の材料からの重要な離脱である。単一成分の材
料から作成された薄いシートは、一般的にそれらを作成
する材料の特有の特性を有することに限定される。たと
えば、脆いシートは一般的にシートを傷つけることなく
曲げるあるいは折りたたむことができないし、一方柔軟
であるシートはしばしばそれら自身の重さを支持できな
い。対照的に、本発明の材料の多成分の特徴は、それか
ら作成されるシート内に多様な特性の導入を可能にす
る。
“多様な尺度”という術語は本発明の組成物および材
料が別個のレベルまたはスケールで定義できる事実を呼
ぶ。具体的には本発明のシート内に、典型的には約10ナ
ノメートルから最高約10ミリメートルまでの範囲のマク
ロ成分組成物、約1マイクロメートルから約100マイク
ロメートルまでのミクロ成分、およびサブミクロン成分
がある。これらのレベルはフラクタルではなくてもよい
にもかかわらず、それらは通常互いに非常に類似してお
り、かつ各レベルの範囲内では均一および一様である。
鍵となる術語は“強化される”であるが、“繊維で強
化される”という術語は自己説明的であり、それは本発
明のシートを慣用の紙または紙製品から明らかに区別す
る。慣用の紙は“ウェブ(web)”の物理、すなわち繊
維を絡み合わせることに依存して、結合することも、紙
の構造的マトリックスおよび塊も提供する。しかし、本
発明のシート内の結合マトリックスは澱粉結合剤、繊維
および必要に応じた無機鉱物の充填剤成分(およびある
程度はセルロース系エーテル)の間の相互作用を含む。
繊維は強化する成分として主に作用し具体的には引張強
さおよび柔軟性を添加するが、いかなる実質的な程度に
おいてもウェブの物理によって結合していない。
最後に、“ミクロ複合材料”という術語は、そのシー
ト組成物が合成物すなわち混合物というだけでなく、異
なるサイズ、形状および化学的性質を有する特定で別個
の材料のミクロレベルで設計されたマトリックスでもあ
る事実を参照している。材料は充分によく結合されおよ
び相互に作用して、それぞれの特有の性質が最終の複合
材料において完全に明示される(たとえば、マトリック
スの引張強度は、繊維および澱粉結合剤の引張強さに直
接の相関性を有する)。
これらの定義および原理の観点から、澱粉結合剤、繊
維(有機物および無機物の双方)および必要に応じて無
機骨材を含む材料を組み合わせて、そして種々の製品
(慣用の紙または板紙のそれと同等の特性を有するシー
トを含む)へと成形することができる。本発明の澱粉で
結合されたシートはプラスティック、ポリスチレンおよ
び金属から作成されるシートを同様に置換することがで
きる。シートはカットされて、そして(たとえば曲げる
こと、折りたたむことまたは巻くことなどにより)種々
の容器および他の製造品へと形成することができる。そ
れから作成されるシートを含む本発明の組成物および方
法はファーストフード産業用のような使い捨て容器およ
び包装材の大量生産に特に有用である。
I.一般的議論 A. 慣用の紙製品 “紙”は広い範囲のマット化されるかあるいはフェル
ト状にされた植物繊維(大抵は木)のウェブに対する一
般的な用語であり、それは水懸濁液からスクリーン上に
形成されてきた。大抵の人々が“紙”または“板紙”と
して呼ぶシート製品は一般的に“木の紙”である。その
理由はそれらは木由来の木材パルプから製造されるから
である。木の紙は無機充填剤または増量剤、澱粉、ある
いは他の少量の成分を含むにもかかわらず、それは一般
的に紙シートの約80体積%から最高98体積%までの比較
的高い木材繊維含有量を典型的に有する。これは、繊維
が常にそれらがウェブの物理により結合するのに充分な
高い濃度を有する必要があるからである。
紙の特徴を示すよく知られている性質を得るために、
代用繊維基質が木由来の繊維に代えて添加されてきた。
これらはわら、亜麻、マニラ麻、大麻、バガスのような
種々の草木の繊維(“2次繊維”として知られる)を含
む。得られた紙はしばしば“草木紙(plant paper)”
と呼ばれる。セルロースを基盤とする紙の広範なカテゴ
リー(主として草木、植物性または木の紙)をこれ以後
集合的に“慣用の紙”と呼ぶことにする。
慣用の紙の製造において、クラフト(Kraft)または
亜硫酸法のいずれかがパルプのシートを作成するのに典
型的に用いられる。クラフト法において、パルプ繊維は
水酸化ナトリウムプロセスにおいて“煮沸”されて繊維
を解体する。亜硫酸法においては、繊維分散プロセスに
おいて酸が用いられる。これらのプロセスの双方におい
て、繊維の壁の中に閉じ込められているリグニン類を放
出するために、繊維は最初に処理される。しかし、リグ
ニン類が繊維から除去されるときに、繊維の強度の大部
分が失われる。亜硫酸法はよりいっそう過酷であるの
で、亜硫酸法により作成された紙の強度は、一般にクラ
フト法で作成された紙の強度の約70%にすぎない。
クラフト法または亜硫酸法にいずれかによって、ひと
たび木が木材パルプにされたならば、繊維内のリグニン
およびヘミセルロースをさらに放出しおよび繊維をほぐ
れさすために、それは叩解機内でさらに加工される。充
分なヘミセルロースを放出し、および水素結合を含めて
繊維間の絡み合わせるウェブ効果により本質的に自己結
合性である繊維質混合物を形成するのに充分な繊維をほ
ぐすために、得られたスラリー(一般に約99.5%の水と
わずか約0.5%の木材パルプを含有する)を、激しい叩
解にかける。しかしそのような過酷な処理の代価は繊維
が繊維の全長に沿った大きい傷を発現させることであ
り、それによってそれらの引張、引裂、および破裂強さ
の大部分の喪失をもたらす。紙の製造は必然的にウェブ
の物理に依存して紙シートに要求される必要な結合およ
び構造的結着性を得るので、比較的高いパーセントの繊
維(通常少なくとも80%以上)が紙シートに添加されな
ければならない。
次に、高度に水性のスラリー、すなわち完成紙料は、
最初にそのスラリーを多孔性スクリーンまたは網篩上に
置き、つぎにローラー間隙を用いて水を“絞り取る”こ
とによって、実質的に脱水される。この第1の脱水プロ
セスは約50〜60%の水含有量を有するシートを与える。
慣用の紙の製造のいかなる点においても、繊維質のスラ
リーすなわち完成紙料は、本発明におけるように成形す
ることができるような“成形可能な”条件にはない。初
期脱水の後に部分的に乾燥された紙はシートを加熱する
ことによって、しばしば加熱されたローラーを用いて、
さらに乾燥される。ウェブの物理により課される制限と
同様、紙製造プロセスのために、慣用の紙シート内に注
入することができる無機骨材の充填剤の量は上限がずっ
と存在している。
はっきりと対照的に、本発明はウェブの物理に依存し
ないで、澱粉で結合されたシートの成分を結合する。む
しろ、澱粉成分およびある程度のセルロース系エーテル
の結合力がシートの引張および曲げ強さの大部分を提供
する。澱粉結合剤は、自分自身とも、ある程度は繊維お
よび他の固体成分とも、結合マトリックスとして相互作
用する。
その結果は、繊維によって付与される引張、引裂、お
よび破裂強さの有益な効果および柔軟性を維持しなが
ら、シート内にはるかに少ない繊維を含む能力である。
良好な強度特性を維持しながらより少ない繊維を利用す
ることが、(紙に比べて)より経済的に生産されるシー
ト、容器、または他の製品を可能にする。なぜなら、
(1)繊維は無機充填剤およびさらに澱粉結合剤よりも
高価である、(2)加工装置のための資本投資がより少
ない、および(3)繊維含有量を最小化することが、同
様に繊維の製造に関連する環境への汚染物質の量をも削
減するからである。
本発明中においてわずか約50分の1から3分の1の量
の繊維が用いられているにもかかわらず、本発明のシー
トは、木または植物の紙のそれと同等の性質(引張、曲
げおよび凝集強さのようなもの)を有する。これは、部
分的には本発明に用いられる繊維が紙を作成するのに用
いられる繊維よりもはるかに少ない加工しか受けない事
実のためである。それは、比較的大量の澱粉を結合剤お
よび構造成分として含有することの結果でもある。
必要に応じたより高濃度の無機骨材の充填剤の包含の
他に、本発明は多くの点で慣用の紙製造プロセスと異な
る。第1に、本発明の成形可能な混合物において慣用の
紙スラリー(典型的には少なくとも97重量%の量の水、
および99.9%ほどに多い水でさえも含有する)に比較し
てはるかに少ない水(通常約50重量%未満)しか用いな
いことである。より重要なことには、本発明のシート
は、ひとたび型に置かれたならば、さらに成形されるか
あるいは影響を及ぼされるまでその形状を一般に保持す
るような水性のスラリーよりもむしろ、高度に凝集性だ
がなお成形可能な混合物から形成される。
B. シート、容器および他の製品 本明細書および添付される請求の範囲において用いら
れるように、“シート”という術語は、ここに記載され
た組成物および方法を用いて形成されるいかなる実質的
に平面状の、波形の、湾曲した、折り曲げられたまたは
表面模様を付けたシートをも含むことを意図している。
唯一の本質的な組成の制限は結合マトリックスがシート
形成プロセスの間に澱粉粒の糊化により形成される澱粉
を含むことである。澱粉で結合されたシートは有機被
膜、印刷、その上に積層される他のシート等を含んでも
よい。
本発明の範囲内のシートは、シートの目的である個々
の用途に依存する大きく変化する厚さを有してもよい。
シートは約0.01mm程に薄くても、および、強度、耐久性
および/または容積が重要な理由である場合に1cm以上
に厚くてもよい。
本明細書および添付される請求の範囲において用いら
れるように、“容器”という術語は、種々の製品または
物体(食品および飲料製品を含むが、これに制限されな
い)を貯蔵すること、分配すること、包装すること、分
割することまたは輸送することに利用されるいかなる製
品、容器、液体用容器をも含むことを意図している。そ
のような容器の具体的な例を以下に詳細に示し、そして
それらは、中でも、箱、カップ、“クラム・シェル”、
ジャー、瓶、平皿、ボウル、盆、カートン、ケース、枠
組箱、シリアルの箱、冷凍食品の箱、ミルクカートン、
飲料容器用のキャリア(carrier)、盛り皿、卵用カー
トン、蓋、ストロー、封筒、または他の種類の入れ物を
含む。加えて一体形成された容器、容器と組み合わせて
用いられる封じ込め製品もまた、“容器”という術語の
中に含まれることを意図されている。たとえば、そのよ
うな製品は、容器内の物体を包装すること、貯蔵するこ
と、輸送すること、分割すること、給仕することまたは
分配することに用いられる、ふた、裏地、仕切り、包装
材、クッション材料、調理具、および、いかなる他の製
品をも含む。
シートおよび容器に加えて、ここに記載される澱粉で
結合されたシートを用いて形成することができるいかな
る製品もまた、本発明の範囲内である。これらはたとえ
ば、模型飛行機、ブックカバー、ゲーム板、おもちゃ、
ベネチアン・ブラインド、輸送用円筒、シャツ包装用
型、テーブルのプレースマットおよび一時的な車の窓の
日除けなどのように共通点のない製品を含む。
本明細書および添付される請求の範囲において“大量
生産可能”または“商業的”あるいは“経済的”な方法
で製造されるとは、それらの製造を、他の材料(紙、板
紙、ポリスチレンまたは金属のようなもの)から作成さ
れるシートと経済的に同等にする速度において迅速に生
産されるここに記載されているシートの能力を参照する
ことを意図されている。本発明は加熱された成形ローラ
ーを用いて製造される大量生産されるシート内の高い割
合の澱粉に関連する先行技術の問題点を解決する革新的
組成物に関する。
“固体”または“全固体”という術語は、水と混合さ
れる前に固定であるいかなる混合剤をも含むことを意図
している。これは繊維、無機充填剤、澱粉またはセルロ
ース系エーテル等を含む。
本発明の澱粉で結合されたシート(容器、印刷された
材料、またはそれから作成されるほかの製品も同様に)
の利点は、それらの処分が、環境に対して紙、板紙、ポ
リスチレン、ガラスまたは金属製品よりはるかに少ない
影響しか与えないことである。本発明のシートおよび製
品は双方とも、容易にリサイクルが可能であり、もしリ
サイクルされなかったとしても、湿気、圧力、および他
の環境的な力にさらされたときに、それらは容易に解体
されそして地中の成分と相補的である成分に分解され
る。澱粉およびセルロース系エーテル成分は水にゆっく
りと溶解し、次に微生物の活動により速やかに解体され
る。繊維も同様に迅速に解体されるし、および初めに紙
に比べてはるかに少ない量しか含まれていない。無機充
填剤は不活性であり、かついずれにしても土壌も混和性
である。
対照的に、湖や川に投げ込まれたポリスチレン、プラ
スティック、または金属のカップまたは缶は数十年にわ
たって、おそらく数世紀ですら存続するだろう。紙また
は板紙の製品でさえ、数ヶ月間、もし分解の条件が理想
的でないならば数年にわたってさえ存続することができ
る。対照してみると、本発明のシートで形成されたシー
トまたは容器または他の製品は、存在する水分の量に依
存しておよそ数時間または数日間で、迅速に分解され
る。
C. 成形コンパウンド “成形コンパウンド”、“成形可能な混合物”または
“澱粉をベースとする混合物”は交換可能な意味を有
し、そしてここに開示されおよび請求されるシートへと
成形できる澱粉が充填された混合物を呼ぶことにする。
そのような混合物は大量の糊化されていない澱粉粒、よ
り少ない量のセルロース系エーテル、変化する量の繊維
および鉱物の充填剤、および水を有して、成形可能なプ
ラスティック類似の稠度を有することにより特徴づけら
れる。本明細書および添付される請求の範囲において用
いられるように、“全固体”という術語は、それらが混
合物の水相の中で懸濁されるか溶解されるかにかかわら
ず、すべての固体を含む。成形可能な混合物は、可塑
剤、潤滑剤、分散剤、水硬性でセット可能な材料、およ
び空隙を形成する作用剤のような他の混合剤も含む。
成形可能な混合物は、比較的高い降伏応力を有するこ
とで特徴づけられ、それ降伏応力はそれら混合物を高度
に加工可能で、かつ凝集性にするが、依然として所望の
形状をかたどられた後に直ちにまたは短時間で形態を安
定にする。術語“成形コンパウンド”、“成形可能な混
合物”または“澱粉をベースとする混合物”は行われた
乾燥の程度に無関係にその混合物を呼ぶことにする。そ
のような混合物は、高度に加工可能な混合物、不充分に
乾燥したそれ、および完全に乾燥したそれ(しかしある
程度の量の水は通常、澱粉結合剤内の結合水としてシー
ト内に残る)を含む。
成形コンパウンドがシートに形成され、加熱されて澱
粉粒が糊化し、および少なくとも不充分に乾燥した後
に、それから形成されたシートまたは製品は、“澱粉で
結合された構造マトリックス”あるいは“無機的に充填
された澱粉で結合されたマトリックス”を有するように
なる。
D. 有機ポリマー結合剤 本発明の澱粉で結合されたシートおよび他の製品を製
造するのに用いられる成形コンパウンドは、しっかりと
溶媒和された水に分散可能な有機ポリマー結合剤、主に
澱粉結合剤を充分に乾燥させることによって強度特性を
発現する。最初に、熱可塑性様の特性を有する混合物を
形成するのに充分な量の水を混合物に添加することによ
り、成形コンパウンドは加工性および流動特性を発現す
る。その後に、水に分散可能な有機結合剤が蒸発による
水の除去を通してその最大の強度特性を発現するように
なる。有機結合剤は、冷水の存在下溶解するかあるいは
ゲル化する成形コンパウンド、特にセルロース系エーテ
ルの、レオロジーに影響を及ぼす。
本発明により熟慮された水に分散可能な有機ポリマー
結合剤を、一般的に以下のカテゴリーにまとめることが
できる:(1)澱粉、一般的に未変性の澱粉粒と;
(2)熱析出およびフィルムを形成する能力を有するセ
ルロース系エーテルと;(3)多糖類、蛋白質、および
合成有機材料のような、澱粉およびセルロース系エーテ
ルと相溶性である他の有機増粘剤および/または結合剤
とである。
1. 澱粉 本発明のシートは、水中の澱粉をベースとする結合剤
の澱粉のゲル化と引き続いて起きる蒸発による水の除去
によってそれらの強度の大部分を発展させる。澱粉は天
然において細粒の形態で見いだされる重合したグルコー
スの分子を含む天然の炭水化物の連鎖である。澱粉粒は
2つの種類のグルコース連鎖を含み:それは分枝しない
単一に連鎖されるアミロースおよび分枝され多重に連鎖
されたアミロペクチンである。
一般には、澱粉粒は冷水に不溶性である:しかし、も
し細粒の外部膜がたとえば粉砕することなどで破壊され
ているならば、その細粒は水中で膨潤してゲルを形成す
る。無傷の細粒が温水にさらされるとき、その細粒は膨
潤し、可溶性澱粉の部分(アミロース)が細粒の壁を貫
いて拡散しペーストを形成する。熱水においては、その
細粒はそれらが破裂するような程度まで膨潤し、混合物
のゲル化をもたらす。澱粉をベースとする結合剤が膨潤
およびゲル化する温度は澱粉の種類に依存する。
ゲル化は、最初は細粒内部に圧縮されている直線状の
アミロースポリマーが広がることそして互いにおよびア
ミロペクチン連鎖と絡み合うことの結果である。水が除
去されて後、得られる相互連結したポリマー連鎖の網は
固体材料を形成し、それは約40〜50MPaまでの引張強さ
を有することができる。繊維で強化された澱粉で結合さ
れたシートは、シート内の澱粉および繊維の種類および
濃度に依存して、約100MPaまでの変化する引張強さを有
することができる。
澱粉は多くの植物内で生産されるとはいえ、最も重要
な供給源は細粒および砕いた状態でも用いることができ
るトウモロコシ、モチトウモロコシ(waxy corn)、小
麦、サトウモロコシ、米およびもち米のような穀物の種
子である。澱粉の他の供給源は、ジャガイモのような根
茎類、タピオカ(すなわちキャッサバおよびマニオ
カ)、サツマイモ、クズウコンのような根葉類、および
サゴヤシの髄を含む。ジャガイモ澱粉およびモチトウモ
ロコシの澱粉が現在好ましい澱粉である。
別個の天然の澱粉は著しく変化するゲル化温度を有す
る。たとえば、ジャガイモの澱粉は典型的には約65℃
の;コーン・スターチは約95℃の;モチトウモロコシの
澱粉は約70℃のゲル化温度を有する。いかなる未変性の
澱粉も本発明の範囲内で機能することができる。しか
し、一般的に、用いられる澱粉の種類が、同一の成形コ
ンパウンドにおいて利用されるセルロース系エーテルの
熱析出温度よりも高いゲル化温度を有する限り、新規に
形成されるシートの粘着は大いに減少されるようにな
る。これは、セルロースの熱析出温度以上だが、澱粉の
ゲル化温度より低い温度を有する成形ローラーの使用を
可能にする。同様にこれは、新規に形成される未乾燥の
シートが成形ローラーの間を通過しながら、セルロース
エーテルの熱析出の結果新規に形成される未乾燥のシー
トの表面上にセルロースエーテルの薄皮の有利な形成お
よびシートの表面の部分的な乾燥を可能にする。
未変性の澱粉をベースとする結合剤は、一般に変性さ
れた澱粉をベースとする結合剤よりも好ましい。なぜな
ら、未変性の澱粉は著しく安価だからである。より重要
なことには、そこでシートが澱粉のゲル化温度まで加熱
されるシート形成プロセスの時点まで、未変性の澱粉は
ゲル化しないでいる。変性された澱粉またはセルロース
エーテルの乾燥により非粘着物のフィルムの形成の前に
糊化する澱粉は、未乾燥のシートが成形ローラーに粘着
する原因となる。
純粋な澱粉組成物は空気から周囲の湿気を吸収するこ
とができるので、平衡において、水は一般に組成物の約
10〜12重量%で存在する。本発明におけるように、無機
骨材および繊維が澱粉の組成物内に導入されるときに
は、組成物中のより少ない総澱粉のために、水は平衡に
おいて全組成物の約3〜6重量%の量で存在する。成形
された製品内の最終の水含有率は澱粉の約10から15重量
%までである。
本発明の成形可能な混合物中の澱粉をベースとする結
合剤の濃度は、全固体の約5重量%から約90重量%まで
の、好ましくは約15重量%から約75重量%までの、およ
びより好ましくは約30重量%から約60重量%までの範囲
にある。
2. セルロース系エーテル 本発明に用いられるセルロース系エーテルは、澱粉結
合剤と比較して、非常に少ない量が成形可能な混合物中
に含まれる。セルロース系エーテルが無機的に充填され
るシートの形成において澱粉結合剤無しに単独で用いら
れてきたとはいえ、セルロース系エーテルのみを結合剤
として用いることのコストは澱粉が主要な結合剤である
ときより非常に高い。したがって、比較的低い量のセル
ロース系エーテルとともに高い澱粉含有量を用いて粘着
を防止することが経済的により適している。その結果は
より大きな柔軟性および引張強さを有するより高品質の
シートである。熱析出特性を有するいかなるセルロース
系エーテルも用いることができる。
好適なセルロース系エーテルは、たとえば、メチルヒ
ドロキシエチルセルロース、ヒドロキシメチルエチルセ
ルロース、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロ
ース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロー
ス、ヒドロキシエチルプロピルセルロースその他同様の
ものを、それらの混合物または誘導体と同様に含む。可
能な組合わせの全範囲は莫大であり、ここには列挙しな
いことにするが、熱析出特性を有するほかのセルロース
系エーテルも用いることができる。
好ましいセルロース系エーテルは、メチルセルロース
製品である、Methocel(商標)(ダウ・ケミカル(Dow
Chemical)から入手可能)である。Methocelは約70℃の
熱析出温度を有する。もうひとつの好ましいセルロース
系エーテルはTylose(商標)FL 15002でり、それは約8
5℃の熱析出温度を有する。変化する特性および熱析出
温度を有するセルロース系エーテルの混合物を利用して
もよい。シート形成プロセス中のローラーと未乾燥のシ
ートの間の粘着を減少するために澱粉粒のゲル化温度よ
り低い熱析出温度を有するセルロース系エーテルを選択
する方法を、当業者は知るであろう。
いくつかのセルロースをベースとする結合剤を溶液中
で交差重合(cross−polymerize)させることができ;
この例は、ユニオン・カーバイド(Union Carbide)か
ら入手可能なヒドロキシエチルセルロース製品であるCe
llosize(商標)である。Cellosize(商標)は水中でジ
アルデヒド、メチロール尿素またはメラミン−ホルムア
ルデヒド樹脂と架橋することが可能で、それによりより
水溶性の小さい結合剤を形成する。
本発明の成形可能な混合物に用いられるセルロースエ
ーテルは、好ましくは全固体の約0.5重量%から約10重
量%までの範囲で、より好ましくは約1重量%から約5
重量%の範囲で、および最も好ましくは約2重量%から
約4重量%で、含まれる。
3. 他の有機結合剤 澱粉結合剤およびセルロース系エーテル結合剤が本発
明の組成物において好ましいにもかかわらず、加えて他
の結合剤材料もまた用いることができる。たとえば、用
いることができる他の多糖類をベースとする結合剤は、
アルギン酸、フィココロイド(phycocolloids)、寒
天、アラビアゴム、ガーゴム、ローカストビンゴム(lo
cust bean gum)、カラヤゴム、トラガカントゴム、お
よびそれらの混合物または誘導体を含む。好適な蛋白質
をベースとする結合剤は、たとえば、Zein(商標)(ト
ウモロコシ由来のプロラミン)、コラーゲン(動物の結
合組織および骨から抽出される)およびゼラミンとニカ
ワのようなそれらの誘導体、カゼイン(牛乳中の主要な
蛋白質)、およびそれらの混合物または誘導体を含む。
水に分散可能な合成の有機結合剤を用いることがで
き、およびたとえばポリビニルピロリドン、ポリエチレ
ングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルメチ
ルエーテル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸の塩、ポ
リビニルアクリル酸、ポリビニルアクリル酸の塩、ポリ
アクリルイミド、エチレンオキシドポリマー、ポリ乳
酸、ラテックス(それは水乳化物中で形成される種々の
重合可能な物質を含む広範なカテゴリーである、その例
はスチレン−ブタジエン共重合体である)、およびそれ
らの混合物または誘導体を含む。
硬化したシート中の有機結合剤の総含有率は、好まし
くは硬化したシートの全固体の約6重量%から約90重量
%までの範囲であり、より好ましくは約20重量%から約
80重量%までの範囲であり、および最も好ましくは約30
重量%から約60重量%までの範囲である。
4. シート形成中の有機結合剤の特徴 セルロース系エーテル(たとえばMethocel)が押出お
よびローラープロセスを用いてシートを作成するときに
最良の性能を提供することを本発明者が認めているとは
いえ、セルロース系エーテルはシートの作成に用いられ
る他の成分に比べて非常に高価であるという欠点を有す
る。澱粉は良好な結合剤でありそしてセルロース系エー
テルよりもはるかに安価であるが、シート形成プロセス
中の単独の有機結合剤として用いるときに非常に粘着性
であるかあるいはねばねばするという欠点を有し、しば
しばシートをローラーに粘着させ、それはシートの大量
生産を問題のあるものにする。
本発明は大量のセルロース系エーテルの代りに澱粉の
使用を提供する。少量のセルロース系エーテルと澱粉結
合剤との組合わせはシートを作成するコストの実質的に
削減する利点を提供すると同時に、シート形成プロセス
中に澱粉がローラーに粘着することを防止する。加えて
比較的大量の澱粉を含むことは、大量のセルロース系エ
ーテル結合剤を含むシートより強くおよびより脆くない
シートを与える。
本発明の好ましいシート形成プロセスにおいて、未変
性の糊化されていない澱粉粒は、より詳細にわたり、以
下で議論されるシート形成プロセス中の加熱の前に成形
可能な混合物に添加される。その成形可能な混合物は、
加熱されているセルロース系エーテルの熱析出(Methoc
elについては約70℃である)させる1組の熱ローラーの
間を通過させられ、その工程はそれセルロース系エーテ
ルを析出させ、形成されたシートの表面上に非粘着の薄
皮を形成する。その澱粉粒はそのシートの表面で析出し
たセルロース系エーテルフィルム結合剤により封入さ
れ、それによって澱粉粒のゲル化時に澱粉結合剤がロー
ラーに粘着することを防止する。このようにセルロース
系エーテルは形成されるシートにおけるフィルム結合剤
として機能する。シート内部の澱粉が糊化して次に水の
蒸発による除去によって乾燥されるにしたがって、それ
澱粉はシートの構造マトリックス内の他の固体成分を結
合する主要な結合剤になる。
成形可能な混合物の成分を混合することにおいて、澱
粉をベースとする結合剤を、未変性の澱粉粒を破壊ある
いは破裂するのに充分な大きさの剪断力にかけないこと
が重要である。これは、早すぎるゲル化および混合物の
ローラーへの粘着をもたらす可能性がある。同じ理由か
ら澱粉をベースとする結合剤のゲル化温度より低い温度
にその混合物を維持することも同様に重要である。好ま
しい澱粉をベースとする結合剤は未変性の澱粉を含み、
それはセルロース系エーテルの熱析出温度以上の温度で
ゲル化して、澱粉粒のゲル化の前にシートの表面におけ
るセルロース系エーテルの薄皮の形成を可能にする。
E. 水 水は混合物内の有機結合剤を溶解する、あるいは少な
くとも分散するために、成形可能な混合物に添加され
る。水は、繊維または無機充填剤のような他の固体成分
を成形可能な混合物全体にわたって分散することを促進
する。水それ自体として粘性および降伏応力を含めて所
望のレオロジー的特性を有する成形可能な混合物を生成
する機能に便宜を与える。
成形可能な混合物が適切な加工性を有するために、無
機骨材粒子、繊維、または他の固体粒子のそれぞれをぬ
らし、有機結合剤を溶媒和するかあるいは少なくとも分
散し、および、少なくとも部分的に粒子間の隙間または
空隙を充填するのに充分な量で、水は一般に含まれなけ
ればならない。分散剤または潤滑剤が添加された場合の
ような、いくつかの場合においては、最初により少ない
水を用いると同時に適切な加工性を維持することができ
る。
成形コンパウンドに対して添加される水の量は注意深
くバランスさせて、その混合物が充分に加工可能である
ようにしなければならず、一方同時に初期の水含有量を
低下させることが硬化したシートを形成するために除去
されなければならない水の量を削減することも認める必
要がある。これらの必要性を満たすべき適切なレオロジ
ーは降伏応力の点から規定できる。成形可能な混合物の
降伏応力は、好ましくは約2kPaから約5MPaまでの範囲
に、より好ましくは約100kPaから約1MPaまでの範囲に、
最も好ましくは約200kPaから約700kPaまでの範囲にあ
る。降伏応力の所望のレベルをシートを形成するのに用
いられる特定のプロセスに対して調整し、そして最適化
することができる。
いくつかの場合において、最初に比較的大量の水を含
むことが望ましい。なぜなら過剰の水は蒸発により除去
できるからである。それにもかかわらず、慣用の紙の製
造に比較して本発明の重要な特徴の一つは、成形可能な
混合物中の初期の水の量が慣用の紙を作成するのに用い
られる繊維質スラリー内に通常見いだされるよりはるか
に少なくできることである。これは、紙を作成するスラ
リーに比較して、はるかに大きな降伏応力および形状安
定性を有する混合物を与える。自立のおよび凝集性の材
料(すなわち形状安定な材料)を得るために成形可能な
混合物から除去されなければならない水の総量は、慣用
の紙を製造するのに用いられるスラリーと比較して、本
発明の混合物の場合においてははるかに少ない。さら
に、本発明の中間体の未乾燥のシートは、湿式堆積(we
t−laid)される繊維質のスラリーに比べて、はるかに
大きな内部凝集性および凝集を有する。
混合物に添加されなければならない水の量は、澱粉ま
たは他の吸水成分の量、繊維、無機充填剤および充填剤
の粒子充填密度に大いに依存する。それは成形可能な混
合物の所望のレオロジーにも依存する。本発明の成形可
能な混合物を形成するために添加される水の量は、成形
可能な混合物の約5重量%から約80重量%までの範囲で
あり、より好ましくは約10重量%から約70重量%までの
範囲であり、最も好ましくは約20重量%から約50重量%
までの範囲である。当業者は、任意の与えられた製造プ
ロセスに対して適切な加工性を得るための水のレベルを
調整することができるだろう。
大抵の場合において、成形可能な混合物に所望のレベ
ルの加工性を与えるのに必要な最低量の水を含み、それ
によって加工されるシートから除去されなければならな
い水の量を削減することが好ましい。除去されなければ
ならない水の量を削減することは一般的に製造のコスト
を削減する。なぜなら蒸発により水を除去することはエ
ネルギーの入力を必要とするからである。
F. 無機充填剤 紙産業において一般的に用いられる無機材料を、コン
クリート産業で用いられる微細に粉砕された骨材と同様
に、必要に応じて本発明の成形可能な混合物において用
いてもよい。それにもかかわらず、骨材すなわち無機充
填材料のサイズは、紙産業において用いられる無機充填
剤材料よりもしばしば何倍も大きい。紙産業で用いられ
る無機充填剤の中の粒子の平均直径は通常2マイクロメ
ートル未満であるのに対して、本発明に用いられる骨材
材料の平均粒径は、得られるシートの壁の厚さに依存し
て、いくつかの場合には、100マイクロメートル以上で
あってもよく、それゆえ一般に安価であり、そしてより
低い比表面積を有する。
紙産業で用いられる無機充填剤材料は、本発明で用い
られる充填剤に比較して、一般により均一な大きさに作
られている。混合物中の充填剤の自然な粒子充填密度を
増大するために、本発明において広い範囲の充填剤の粒
子サイズを用いることは一般的にしばしば好ましい。一
般的により大きくそして変化するサイズの粒子を用いる
ことは、紙産業で用いられる無機充填剤材料に比較し
て、無機充填剤成分のコストのさらなる削減をもたら
す。紙産業において必要とされる非常に小さな粒子サイ
ズ許容範囲を維持することは、粒子サイズの全般的な均
一性を維持することと同様に、はるかに高価である。
大いに増大された粒子サイズの範囲は、慣用の紙の製
造に比較して、ずっと広い種類の無機骨材材料を本発明
で用いることを可能にする。それゆえ、本発明の骨材材
料は最終のシートにずっと広い種類の特性を付与するよ
うに選択することができる。加えて、慣用の紙を作成す
るのに用いられる典型的なスラリーに比較して、粒子の
詰込まれた骨材充填剤はより成形可能性の高い混合物を
供給する。慣用の紙の比較して、はるかに多くの無機骨
材が本発明の材料中に必要に応じて組み込まれてもよ
い。なぜならウェブの物理よりむしろ有機結合がシート
を結合させるからである。
有用な骨材の例は、真珠岩、バーミキュライト、砂、
砂利、岩石、石灰岩、砂岩、ガラス・ビーズ、エーロゲ
ル、キセロゲル、シーゲル(seagel)、雲母、粘土、合
成粘土、アルミナ、シリカ、フライ・アッシュ、ヒュー
ムドシリカ、石英ガラス、平板状アルミナ(tabular al
umina)、カオリン、ミクロスフェア(microsphere)、
中空ガラス球、多孔性セラミック球、石膏、石膏2水和
物、炭酸カルシウム、アルミン酸カルシウム、コルク、
種子、軽量ポリマー、キソノトライト(xonotlite)
(結晶性ケイ酸カルシウムゲル)、軽量発泡粘土、水和
されたまたは水和されていない水硬性セメント粒子、廃
コンクリート製品、軽石、薄片化した岩石、および他の
地質学上の材料を含む。部分的に水和されたセメントお
よび水和されたセメントも、シリカ・フューム(silica
fume)と同様に高度の表面積を有し、そして新規に形
成されるシートの高い初期粘着性のような優秀な利益を
与える。
別個の無機骨材はそれ自身の特異な表面特性をシート
に付与することができ、そして適宜選択されてもよい。
たとえば、カオリンはより滑らかなより多孔性でない仕
上げを与え、一方雲母や他の粘土のような板状の材料は
光沢のある表面を与える。典型的には、炭酸カルシウム
のようなより大きな骨材はつや消しの表面を生成し、一
方より小さい粒子はガラスのような表面を生成する。慣
用の紙の製造に優る本発明の利点は、これらの骨材材料
の任意のものを直接マトリックス中に添加できることで
ある。
本発明における使用のために好ましい骨材材料は炭酸
カルシウムである。乾式粉砕された炭酸カルシウムがと
くに好ましい。なぜならそれは、湿式粉砕により得られ
る炭酸カルシウムの3分の1のコストで得ることができ
るからである。好ましい炭酸カルシウムはR040であり、
それは約42マイクロメートルの平均粒子サイズとともに
約10から150マイクロメートルの粒子サイズの範囲、お
よび低い比表面積を有する。
粘土および石膏の双方は、それらの容易な入手可能
性、非常に低いコスト、加工性、形成の容易さのため
に、および、もし充分に高い量で添加されるならば、そ
れらはある程度の結合、凝集性および強度をも提供する
ことができるので、それらは特に有用な骨材材料であ
る。石膏半水和物(焼き石膏)は水和可能であり、水の
存在下で硫酸カルシウムの2水和物を形成し、それは水
硬性でセット可能な結合剤の1つの種類である。水和す
るときに、石膏はその濃度に依存して硬直した構造へと
硬化し、それにより最終製品に遅効性のさらなる結合強
度を付与する。
ポルトランド・セメントのような水硬性セメントを、
本発明の成形可能な混合物中に無機充填材料として添加
することができる。水中で硬化するセメントは比較的安
価および豊富であり、もし十分に高い量で含まれれば澱
粉で結合されたマトリックスにある程度の結合を付与す
ることができる。加えて、水硬性セメントは水と化学的
に反応し、それにより成形可能な混合物の中で内部的乾
燥効果をもたらし、それは少なくともいくらかの混合物
中の水を蒸発の必要無しに効果的に除去する。同じ事が
石膏半水和物および焼成クレーにつてもあてはまる。あ
らかじめ水和されたセメント粒子もまた骨材充填剤とし
て添加してもよい。
成形可能な混合物およびそれから形成されるシートの
特徴のために、成形されたシートに断熱(insulation)
効果を付与するために大量の隙間の空間を有する軽量骨
材を含むことが可能である。シートに軽量および断熱の
特性を添加することができる骨材の例は、真珠岩、バー
ミキュライト、ガラス・ビーズ、中空ガラス球、合成材
料(たとえば多孔性セラミック球、平板状アルミナ
等)、コルク、および軽量発泡粘土、砂、砂利、岩石、
石灰岩、砂岩、軽石および他の地質学上の材料である。
紙およびセメント産業で用いられる慣用の骨材に加え
て、広い範囲の他の骨材を本発明の範囲内の成形可能な
混合物に添加してもよく、金属および金属合金(たとえ
ば、ステンレス・スティール、鉄、および銅)のような
補強剤、球または中空の球状の材料(たとえばガラス、
ポリマー、および金属)、やすり粉、ペレットおよび粉
体(たとえばミクロシリカ(microsilica))を含む。
種子、ゼラチンおよび寒天種の材料のような材料でさえ
骨材として組み込むことができる。これら後者の骨材は
有機物であり容易に生分解可能であるにもかかわらず、
それらが結合剤としてでなく主として充填剤として機能
するので、それらはここに含まれる。
成形可能な混合物に添加してもよい他の種類の骨材
は、シリカゲル、ケイ酸カルシウムゲル、ケイ酸アルミ
ニウムゲルその他同様のもののような無機物のゲルおよ
びミクロゲルを含む。これらは固体の形態で添加するこ
ともできるし、あるいはその場で析出させてもよい。ゲ
ルおよびミクロゲルは水を吸収する傾向があるので、そ
れらを添加して成形コンパウンドの水含有量を減少さ
せ、それによりその混合物の降伏応力を増大させること
ができる。加えて、シリカをベースとするゲルおよびミ
クロゲルの強い吸湿特性は、それらを最終の硬化したシ
ート内の水分調整剤として用いることを可能にする。空
気から水分を吸収することによって、ゲルおよびミクロ
ゲルは、通常の周囲条件下においてシートに予定される
量の水分を保持させる。もちろん、空気からの水分吸収
速度は空気の相対湿度に相関する。シートの水分含有量
を制御することは、シートの伸長、弾性率、曲げ可能性
(bendability)、折れ可能性(foldability)、柔軟性
および延性のより徹底した制御を可能にする。
成形可能な混合物内に重合可能なシリケート(silica
te)のような重合可能な無機骨材材料を含むこともまた
本発明の範囲内である。これらは通常のシリカまたはシ
リケートとしてその混合物に添加することができ、それ
は次にその場での重合反応をもたらすように処理されて
重合したシリケートの骨材を作成する。重合した無機骨
材は、他の無機骨材材料に比べてそれらの増大した柔軟
性のために、一定の用途においてしばしば有利である。
本発明にしたがって、成形可能な混合物内で骨材粒子
と繊維の間の隙間をより完全に満たすことができる、複
数の別個にサイズ分けされおよび徐々に変化する骨材を
含むことは、一般的に好ましい。粒子の充填密度を最適
化することは、間隙水(しばしば“毛管水”と呼ばれ
る)によって別な方法で満たされる空間を除去すること
によって、所望のレベルの加工性を得るために必要な水
の量を削減する。
充填密度を最適化するために、約0.05マイクロメート
ルほどの小ささから約2ミリメートルほどの大きさまで
の範囲の粒子サイズを有する異なるサイズの骨材を用い
ることができる。所望の目的および得られる製品の厚さ
が用いられる種々の骨材の適切な粒子サイズを規定す
る。最終の硬化されたシートまたは製品の最終の強度お
よび重量の特性と同様に未乾燥の成形可能な混合物の所
望のレオロジー的特性を達成するために、用いる骨材の
独自性およびサイズを知ることは当業者の技術の範囲内
である。
本発明のある好ましい実施の形態においては、骨材の
特性および特徴(たとえば強度、低密度、または高断熱
の特徴など)を最大化するために、成形可能な混合物内
の骨材の量を最大化することが望ましい。そのような骨
材の量を最大化するために、粒子充填技術の効用を成形
コンパウンド内で用いられる。
粒子充填技術の詳細な議論は、本発明の発明者の一人
が共同執筆した以下の論文内に見いだすことができる:
ジョンソン・ヴイ(Johnson,V.)とアンダーセン・ピー
・ジェイ(Andersen,P.J.)、“粒子充填とコンクリー
ト特性(Particle Packing and Concrete Propertie
s)”、マテリアル・サイエンス・オブ・コンクリート
(Material Science of Concrete)IIの111−147、ジ・
アメリカン・セラミック・ソサエティ(The American C
eramic Society)(1991)。さらなる情報はアンダーセ
ン・ピー・ジェイ(Andersen,P.J.)の博士論文“コン
クリート製造の制御と監視−粒子充填とレオロジーの研
究(Control and Monitoring of Concrete Production
−A Study of Particle Packing and Rheology)”、ザ
・ダニッシュ・アカデミー・オブ・テクニカル・サイエ
ンス(The Danish Academy of Technical Science)に
おいて得られる。開示の目的のために、上述の論文およ
び博士論文は具体的引用により本明細書の一部をなすも
のとする。
そこで高い断熱能力を有するシート(またはそれで作
成される物体)を得ることが望ましい実施の形態におい
て、澱粉で結合されるマトリックス中に低い熱伝導率す
なわち“k因子(W/mKで規定される)”を有する軽量骨
材を組み込むことが好ましい。一般に非常に低いk因子
を有する骨材は、大量の閉じ込められた隙間の空間、空
気、ガスの混合物、または不完全な真空をも有し、それ
らはまた前述の骨材の強度を大きく減少させる傾向があ
る。したがって、断熱および強度の関係は競争する傾向
にあり、そして個々の混合設計を設計するときに慎重に
バランスをとらなければならない。
上記の観点から、本発明の成形可能な混合物に添加さ
れる骨材の量は、その骨材自身の粒子充填密度と同様に
他の添加される成分の量および特性も含む、種々の因子
に依存する。したがって、本発明のシート内の骨材の濃
度は、好ましくは全固体の0重量%から約90重量%まで
の範囲にあり、より好ましくは約20重量%から約80重量
%までの範囲にあり、最も好ましくは約30重量%から約
70重量%までである。
G. 繊維 広範な範囲の繊維が本発明中で用いられて良好な結果
を示す。本明細書および添付される請求の範囲において
用いられるように、“繊維”および“繊維質の材料”は
無機繊維および有機繊維の双方を含む。繊維は成形可能
な混合物に添加されて、得られるシートおよび製品の曲
げおよび引張強さと同様に、柔軟性、延性、曲げ可能
性、凝集、伸長可能性、たわみ可能性、靭性および破壊
エネルギーを増加させる。繊維質材料は、澱粉で結合さ
れたシートまたはそれで作成される製品が横断する力を
加えられたときに粉砕する可能性を減少させる。
シートまたは製品の澱粉で結合されるマトリックス中
の組み込まれてもよい繊維は、麻、綿花、植物の葉、
木、または茎から取り出されるセルロース系繊維のよう
に天然に見いだされる有機繊維を含む。アグリビジネス
(agribusiness)の環境において植えられそして収穫す
ることができるいかなる豊富な繊維を、本発明において
利用することができる。そのような繊維質材料の使用は
我々の次第に減少する森林を保存することにさらなる有
益な効果を有する。加えて、ガラス、グラファイト、シ
リカ、セラミック、または金属材料で作成される無機繊
維もまた利用できる。
綿、木材繊維(硬木または軟木双方の繊維、それらの
例は、それぞれ南部硬木(southern hardwood)および
南部マツ(southern pine)である)、亜麻、マニラ
麻、大麻およびバガスのような繊維が好ましい。なぜな
らそれらは通常の条件下で容易に分解するからである。
しかし、グラスファイバーのような他の繊維も、シート
または製品の所期の用途および性能基準次第で好ましい
可能性がある。非常に安価および豊富であるリサイクル
された紙の繊維でさえ用いることができる。
本発明のシートおよび他の製品を作成するのに用いら
れる繊維は、好ましくは高い長さと幅の比(すなわち
“アスペクト比”)を有する。なぜなら、より長く、よ
り細い繊維は、マトリックスに対して著しい堆積および
質量を添加することなく、澱粉で結合されたマトリック
スにより大きな強度を付与することができる。繊維は少
なくとも約10:1のアスペクト比を、より好ましくは少な
くとも約100:1を有する必要がある。
本発明の成形可能な混合物に添加される繊維の量は、
最終製品の所望の特性に依存して変化し、引張強さ、靭
性、柔軟性およびコストがいかなる混合設計においても
添加される繊維の量を決定する本質的基準である。した
がって本発明のシートの中の繊維の濃度は、全固体の約
3重量%から約40重量%までの範囲であり、好ましくは
約5重量%から約30重量%までの範囲であり、より好ま
しくは約7重量%から約20重量%までである。
用いる繊維の量を決定する際に繊維の強さは非常に重
要な特徴であることは認識されるだろう。繊維の引張強
さが大きいほど、得られる製品において所定の引張強さ
を得るために用いなければならない繊維が少なくなる。
いくらかの繊維は高い引張、引裂、および破裂強さを有
するとはいえ、より低い引張強さを有する他の種類の繊
維がより弾力性のある可能性がある。比較的高い繊維の
濃度を有することは、シートが折り目をつけられたとき
および大きな角度にわたって曲がることが予測されると
きに特に有用である。
より小さいアスペクト比の繊維はより容易にシート内
に配置され、そしてより高い均一性およびより少ない欠
陥を有するシートを与える。南部マツおよびマニラ麻の
ようなある繊維は高い引裂および破裂強さを有し、一方
綿のような他のものはより低い強度だがより高い柔軟性
を有する。より良好なプレースメント(placement)、
より高い柔軟性、より高い引裂および破裂強さが望まし
い場合においては、変化するアスペクト比および強度特
性を有する繊維の組合わせを混合物中に添加することが
できる。たとえば、南部硬木および南部マツの混合物は
成形可能な混合物全体にわたる繊維の良好な拡散を可能
にして、良好な繊維の分散および折り畳み耐久性を有す
るシートをもたらす。いずれにしても本発明において用
いられる繊維は好ましくは、慣用の紙を作成するのに用
いられる繊維の激しい加工を受けずに、したがってそれ
らの本来の強度のはるかに多くを維持する。
より良好な耐水性は、繊維をロジンおよびミョウバン
(Al2(SO4またはNaAl(SO4)で処理すること
で得ることができる。その処理はロジンを繊維上に析出
させ、その表面を高度に疎水性にする。ミョウバンによ
り形成されるアルミニウムの凝集塊は、繊維表面上にカ
チオン性澱粉のような正に荷電された有機結合剤に対す
るアニオン性の吸着点を作成する。
H. 分散剤 ここでは“分散剤”という術語は、成形可能な混合物
の粘性および降伏応力を減少させることができる材料の
種類を呼ぶのに用いられる。分散剤は、個々の無機骨材
粒子または繊維を分散することにより混合物の粘性を減
少させるように作用する。これはより少ない水の使用と
同時に適切なレベルの加工性を維持することを可能にす
る。分散剤は、ぬれた状態にある間でさえ固体成分を結
び合わせる有機結合剤と比較して反対の方法で作用す
る。
分散剤は一般的に骨材の表面上におよび/または粒子
のコロイド二重層の中に吸着されることにより機能す
る。これは粒子表面上またはその周囲に負の電荷を発生
し、それらを互いに反発させ、それは粒子が凝集するこ
とを防止する。この粒子の反発は、摩擦または他の方法
でその粒子(複数)により大きな相互作用をさせる引力
を減少させることによって、“潤滑”を付加する。これ
は材料の充填密度をやや増大し、そして成形可能な混合
物のより少ない水の添加と同時に加工性を維持すること
を可能にする。分散剤はセルロース系エーテルの添加の
前に添加されなければならない。
分散剤の使用のより詳細な記述は、アンダーセン・ピ
ー・ジェイ(andersen,P.J.)の修士論文“有機の超塑
性化混合剤およびその成分の、セメント材料のゼータ電
位および関連する特性に対する効果(Effects of Organ
ic Superplasticizing Admixtures and their Componen
ts on Zeta Potential and Related Properties of Cem
ent Materials)”(ペンシルバニア州立大学マテリア
ル・リサーチ・ラボラトリー(The Pennsylvania State
University Material Research Laboratory)、1987)
に見いだすことができる。開示の目的のために、上記の
修士論文は具体的な参照により本明細書の一部をなすも
のとする。
好ましい分散剤はスルホン化されたナフタレン−ホル
ムアルデヒド縮合物であり、その例はダブリュ・アール
・グレイス・インコーポレーテッド(W.R.Grace,Inc.)
から入手可能な、WRDA19の商標の下で販売されている。
同様に用いることができるほかの分散剤は、スルホン化
されたメラミン−ホルムアルデヒド縮合物、リグノスル
ホナート、およびポリアクリル酸を含む。
添加される分散剤の量は、一般的に成形可能な混合物
中の水の約5重量%までの範囲であり、好ましくは約0.
5重量%から約4重量%までの範囲であり、最も好まし
くは約1重量%から約2重量%までである。
I. 他の混合剤 成形可能な混合物に対して種々の他の成分を必要に応
じて添加して、最終のシートおよび製品に所望の特性を
付与することができる。成形可能な混合物に可塑剤を添
加することにより、柔軟性を増大させることができる。
可塑剤は澱粉をベースとする結合剤に吸収されて形成さ
れるシートまたは製品の構造マトリックスを柔らかくす
ることができる材料を含む。潤滑材としても同様に機能
する前述の可塑剤は成形プロセスの間にマトリックスか
ら蒸発しないために充分に高い沸点を有し、そして好ま
しくはシートまたは製品が形成された後に安定に残存す
る。
本発明における使用のために好適な可塑剤は、ポリエ
チレングリコール(分子量600未満)、グリセリン、お
よびソルビトールを含み、それらは水の代りをしてそし
て5%ほどの低い水分とともに可塑剤として機能する。
好ましい可塑剤は、澱粉で結合されたマトリックスを柔
らかくするために、成形プロセスの間に蒸発せずに、成
形されるシートおよび製品の中に残存する。
シートに増大された柔軟性を導入し、かつ湿潤剤とし
て作用するために、グリセリン(水を除去するプロセス
の間に水とともに除去されることが見いだされた)を別
法としてシート形成後の処理プロセスとしてシートに付
着することができる。そのグリセリン処理はシートを安
定化する傾向もあるので、もしシートに対して水を含有
する被覆剤を付着させるときのように少量の水にさらさ
れたとしても、反りに対してより抵抗性を高くする。
ジアルデヒド、メチル尿素、およびメラミンホルムア
ルデヒド樹脂のような架橋する混合剤を混合物に添加し
て、より水溶性の低い澱粉で結合されたマトリックスを
生成することができる。その架橋する混合物は澱粉をベ
ースとする結合剤のヒドロキシル・イオンと結合して、
それは澱粉をベースとする結合剤の水の再吸収速度を減
速する。その結果として、最終の製品はより速い速度で
形状安定性を得られ、より高い強度を有し、そして故障
の前により長く液体を保持できる(たとえばカップは、
それが漏れ始める前により長く水を保持できる)。
J. 隙間の空隙 強度ではなく断熱が優先する因子である場合(すなわ
ち熱いあるいは冷たい材料を断熱することが望ましい場
合)、シートまたはそれから作成される製品の断熱特性
を増大させるために、軽量骨材に加えてシートの構造マ
トリックス内に極めて小さな空隙を組み込むことが望ま
しい。その空気の組込みは慎重に計算されて、シートの
強度を過度に低下させることなしに必要な断熱および軽
量の特性を付与する。断熱が重要でない場合、強度を最
大化しかつ体積を最小化するために空隙を最小限にする
ことが望ましい。
気泡を、その混合物に添加して空気の空隙の組み込み
および保持を補助する発泡剤または安定化剤を伴う強い
剪断(成形可能な混合物の高速混合)により導入するこ
とができる。好適な発泡およびAE剤は一般的に用いられ
る界面活性剤を含む。1つの発泡およびAE剤はvinsol樹
脂である。成形可能な混合物をシートに形成するプロセ
スの間、水を除去するために成形可能な混合物を加熱す
ることが望ましい。もしシートが圧縮されなければこれ
はその後を多孔性(porosity)にして、それはシートの
密度を低下させる。
用いることができる別の発泡剤は、クエン酸と炭酸水
素塩の混合物、または小さな細粒または粒子に加工され
てワックス、澱粉または水に可溶の被膜で被覆された炭
酸水素塩である。これらは2つの方法で空隙形成に用い
ることができる:(1)澱粉で結合されたマトリックス
内に細胞状の泡構造を生成して水と反応させてCO2を形
成する、あるいは(2)マトリックスの一部としてその
粒子を充填し、そしてマトリックスの硬化の後に、180
℃を越えて製品を加熱することにより泡粒子を除去し、
それはその粒子の吸熱分解をもたらし、その後を良好に
制御された細胞状の軽量構造にする。
最後に、気泡は成形プロセス中にその混合物に発泡剤
を加えることにより成形可能な混合物中に導入されても
よく、それはその混合物に熱が加えられたときに膨張す
る。発泡剤は典型的には低沸点液体および微細に分割さ
れた炭酸カルシウムで構成される。これらは成形可能な
混合物中に均一に混合され、加熱されるまで加圧下で保
存される。液体発泡剤は個々の炭酸カルシウム粒子の孔
隙に浸透し、それは、圧力が突然減少した途端の発泡剤
の熱膨張時に、そこから発泡剤が蒸発できる点として機
能する。
II. 成形可能な混合物からのシートの製造 第1にセルロース系エーテルの薄皮の形成させ、第2
に澱粉粒を糊化させ、そして第3に蒸発による水の除去
をさせるために、本発明の澱粉で結合されたシートは成
形可能な澱粉を充填された混合物を次第に増加する温度
において成形することで製造される。
好ましいシート形成プロセスの詳細な記述を、パー・
ジャスト・アンダーセン(Per Just Andersen)Ph.D.お
よびサイモン・ケイ・ホドソン(Simon K.Hodson)の名
義の1993年11月19日に出願された“高度に無機的に充填
された有機ポリマーマトリックスを有するシート(Shee
ts Having A Highly Inorganically Filled Organic Po
lymer Matrix)”と題した共に係属中の米国特許出願出
願番号第08/152,354号中に見いだすことができる。無機
的に充填されるシート製造も含む開示の目的のために、
この出願は具体的な参照により本明細書の一部をなすも
のとする。
本発明の澱粉で結合されたシート(容器または他の製
品を形成することができる)の製造に用いられる総合的
製造シーケンスは、以下の製造工程を実行するための装
置を含めて図1Aに示す: (1)成形コンパウンドの調製するおよび混合する工程
と; (2)その混合物を適当なダイを通してシートまたは他
の形状に押出す工程と; (3)所望の厚さを有する棒状物(stick)を形成する
ために、その押出された混合物を少なくとも1組の成形
ローラーを通過させる工程と; (4)さらなる組のローラーの間をそのシートを通過さ
せて、それを一つ以上のより大きな直径の加熱された乾
燥ローラー上を巻き付けることにより澱粉を糊化させ、
そして少なくとも一部の水をその混合物から除去するこ
とによりさらに乾燥させる工程と; (5)不必要な空隙を除去し、かつシートの強度を増大
するために、わずかに湿った条件にある間にそのシート
を圧縮する必要に応じて設けてもよい工程と; (6)そのシートが圧縮された後にそれを乾燥する、必
要に応じて設けてもよい工程と; (7)そのシートを1組以上の仕上げローラーの間を通
過させることによりそれを仕上げる、必要に応じて設け
てもよい工程と; (8)実質的に乾燥したシートをスプール上に巻き付け
て、貯蔵しそして必要なときに用いることができるロー
ルを形成する、必要に応じて設けてもよい工程。これら
の製造工程のそれぞれは、以下により完全に示す。
図1Bに示すように、別法として成形可能な混合物をシ
ート成形ローラーの間に直接送り込むことができる。図
1Cは、別の好ましいプロセスとして、材料のビード(be
ad)をシート成形ローラーの縦方向の前後に速やかに送
り込む“ウィグ・ワグ(wig wag)”押出し装置を描い
た図である。
大抵の混合設計に好適な第2の方法は: (1)混練機内で成形可能な混合物を混合し、およびそ
のときに減圧下で空気を除去する工程と; (2)その混合物を押出し、そして(円柱のような)適
切な形状の個々のユニットに切り分ける工程と; (3)その押出されたユニットをホッパ中へ運搬する工
程と; (4)その押出されたユニットを1組の自己供給型の押
出ローラーの間を通過させて、シートを形成する工程
と; (5)必要に応じて設けてもよい、シートを乾燥するま
たは仕上げをする工程を具えた。その押出工程は成形可
能な混合物の脱気を補助し、そして個々の押出されたユ
ニットは押出ローラーの入り口における成形可能な混合
物のより均一な供給を提供する。
A.成形可能な混合物の調製 シートの製造の第1の工程は、最終の硬化されたシー
トの強度、柔軟性、靭性および分解性と同様に、加工性
および未乾燥の強度の所望の特性を有する好適な成形可
能な混合物の形成を含む。成形可能な混合物に関して一
般的に好ましいとみなされる特性のいくつかは、所定の
押出、圧延、および/または成形プロセスに対する適切
な加工性、熱可塑性様の特性、および未乾燥の強度であ
る。上述のように、水、有機結合剤および(必要に応じ
た)分散剤のレベルが、骨材、繊維、可塑剤、AE剤のよ
うな混合物中の他の成分と同様に、混合物の加工性およ
び押出適性を決定する。しかし、いかなる単独の成分も
成形可能な混合物のレオロジーおよび他の特性を完全に
決定することはできない。むしろ、成分のそれぞれが相
互関係のある様式で一緒に機能する。
1. 混合物のレオロジーに対する成分の効果 適切な加工性および流動性を有する混合物を得るため
に添加されなければならない水の量は、無機充填剤の濃
度および粒子充填密度、繊維の量、有機結合剤の個性お
よび量、および(分散剤、可塑剤、または潤滑剤のよう
な)他の混合剤の個性および量に依存する。しかし、一
般的にはより多くの水の添加は混合物の粘性および降伏
応力を減少させ、それによって混合物の流動性が増加
し、そしてそれから成形された物体の形状安定性が減少
する。
有機結合剤は、その個性、濃度、および湿った混合物
における有機結合剤のゲル化または溶解の程度に依存し
て、混合物のレオロジーに大きな影響を与える。セルロ
ース系エーテルは一般に水に溶解するかあるいは少なく
とも完全に分散される。澱粉粒は好ましくは、成形され
るまでは湿った混合物中で糊化されないままである。
セルロース系エーテルは変化する粘性および降伏応力
のレベルと同様に、大きく変化する水に対する溶解性ま
たは分散性を有する。たとえば、20℃においてTylose
(登録商標)FL 15002の2%溶液は約15000cpsの粘度
を有し、一方Tylose(登録商標)4000の同様の溶液は約
4000cpsの粘度を有する。前者は成形可能な混合物の降
伏応力および熱可塑性様の特性を大きく増大させ、一方
後者はむしろ潤滑剤または可塑剤として作用する。
澱粉成分はシート形成プロセス中のより後期にゲル化
する。澱粉のような多くの有機ポリマー結合剤が、成形
可能な混合物に添加されたときに、重合も解重合もどち
らもせずに、むしろゲル化し、そして乾燥して結合マト
リックスを形成するにもかかわらず、成形可能な混合物
に対して水に可溶性あるいは水に分散性の重合可能なユ
ニットを添加することは、本発明の範囲内であり、その
混合物がその後に自然にその場で重合する。その重合反
応の速度は、混合物の温度を調整することおよび/また
は触媒または禁止剤を添加することで調節できる。成形
可能な混合物に添加してもよい重合可能なユニットの例
は、Cellosizeおよびラテックスを形成するモノマー類
を含む。
ゲル化に関して、大抵のセルロース系エーテルは室温
において水中で容易にゲル化する。多くの澱粉類のよう
な他のものはより高い温度において水中でゲル化するに
すぎない。しかし、特定の変性された澱粉は室温でゲル
化することができる。セルロース系エーテルは一般にほ
ぼ直ちにそれらの最大のレオロジーの効果を付与する
が、一方重合可能な結合剤は自然に硬化し、そして澱粉
をベースとする結合剤は一般にその混合物の温度が高く
なるにつれて硬化する。
添加されて成形可能な混合物のレオロジーに直接影響
を与える他の混合剤は、分散剤、可塑剤、および潤滑剤
を含む。スルホニル基をベースとする材料のような分散
剤は成形可能な混合物の粘性を大きく減少させかつその
加工性を増大させ、同時に水の量を一定に保つ。分散剤
を使用することは、より少ない水の含有を可能にすると
同時に同一のレベルの加工性を維持する。
無機骨材充填剤の量、個性、および粒子充填密度は成
形可能な混合物のレオロジーおよび加工性に大きな影響
を与える。多孔性であるかあるいは大きな比表面積を有
する無機骨材は、無孔の無機骨材よりも多くの水を吸収
し、それによって粒子を潤滑するのに利用できる水の量
を減少させる。それはより硬い、より粘性の高い混合物
を与える。粒子充填密度も、隙間の空間の量を決定する
ことによって、その混合物のレオロジーにおびただしい
影響を有する。その隙間の空間は、その混合物を流動さ
せるために水、潤滑剤、有機ポリマーまたは他の液体で
満たされなければならない。
例として、粒子の間の隙間の空間を実質的に満たすた
めに、0.65の自然な充填密度を有する骨材系は一般に約
35体積%の液体(水を含めて)を必要とする。一方、0.
95の自然な充填密度を有する骨材系は、空隙を実質的に
満たすために、一般に約5体積%の液体を必要とするに
すぎない。このように、粒子充填密度は、その混合物の
加工性のレベルを含むレオロジー的特性に直接相関して
いる。骨材粒子のサイズおよびモルホロジーも、成形可
能な混合物のレオロジーおよび流動特性にある程度影響
する。
水硬性セメント、焼き石膏、および酸化カルシウムの
ような水硬性でセット可能な無機骨材を水吸収機構とし
て利用することができる。これらは水と化学的に反応
し、それによって加熱あるいは乾燥技術に頼ることなく
成形可能な混合物内の水の有効レベルを減少させる。そ
のような材料は、水和の量の関数(これは時間の関数で
ある)にしたがって成形可能の混合物のレオロジーに大
きな影響を与える。加えて、水硬性セメントは未乾燥の
成形可能な混合物およびそれから作成されるフレッシュ
のシートの凝集力を増大することが見いだされている。
凝集は成形された材料を結びあわせて、そのシートをロ
ーラーにより引っ張ること、そして充分な引張強さが得
られるのに充分なほど乾燥されるまでその形態を依然と
して維持することができるようにする。
最後に、繊維のような混合物内の他の固体成分も、無
機骨材と類似の様式でその混合物のレオロジーに影響を
与えることができる。特定の繊維は、それらの空隙率お
よび膨潤能力に依存して水を吸収してもよい。加えて、
特定の繊維はイオン的に荷電されるように処理すること
ができ、その処理はそれらをイオン的に荷電された有機
可塑剤と化学的に相互作用することを可能にする。この
方法において繊維はその混合物のレオロジーにある程度
影響を与えることができる。
2. 最終的な特性に対する成分の効果 最終的な乾燥されあるいは硬化された製品に関して、
シートの構造マトリックス内に設計することが一般に望
ましいとみなされる特性のいくつかは、高い引張強さ
(一般的あるいは特定の方向に沿って)、柔軟性、およ
び伸長する、撓むあるいは曲がる能力を含む。いくつか
の場合においては、慣用の紙または板紙の製品の特性を
実質的に組み込むシートを得ることが望ましい。しか
し、他の場合においては、通常の木材パルプまたは他の
慣用の紙作成の出発材料を用いては得られない特性を有
する構造マトリックスを得ることが望ましい。これらは
増大された靭性、より高い弾性率、耐水性またはより低
いかさ密度を含んでもよい。
シートの特性が用いられるパルプの特性にきわめて依
存している慣用の紙または板紙と対照的に、本発明の澱
粉で結合されたシートはシートを作成するのに用いられ
る繊維の特性に実質的に依存しない。確かに、より長く
より柔軟な繊維を用いることは、より短くより硬い繊維
よりも大きな柔軟性を一般的に付与する。しかし、慣用
の紙において大きくパルプに依存している特性が、用い
られる加工技術と同様に成形可能な混合物の非繊維質の
成分の濃度を調整することで、澱粉で結合されたシート
内に設計することができる。
柔軟性、引張強さ、または弾性率は、成形コンパウン
ド中の成分および成分の相対濃度を変更することによ
り、シート、容器またはそれらから作成されるほかの物
体の独特の性能基準に適合させることができる。ある場
合においてはより高い引張強度が重要な特徴である。他
方においてはそれはそれほど重要でないかもしれない。
あるシートは好ましくはより柔軟でなければならない
が、一方で他方はより剛直でなければならない。あるも
のは比較的密度が高いが、いっぽうで他方はより厚く、
より軽くおよびより断熱性である。重要な事は、個々の
用途に対して適切な特性を有する材料を達成することで
あり、同時に認識しているコストおよび他の実地の製造
ラインのパラメータをそのままにすることである。“大
きすぎる”あるいは“小さすぎる”特定の性能を有する
ことは性能の観点からは瑣末なものであるかもしれない
とはいえ、コストの観点からはその特定の性能を提供す
ることは浪費的あるいは効率の悪いことである可能性が
ある。
一般的に、有機ポリマー結合剤を増加することは最終
的に硬化したシートの引張強さを増大させ、同時にシー
トの柔軟性および弾性をも増加させ、一方弾性率を同様
に低下させる。
同様に、混合物内の繊維の濃度を増加させることは、
最終的なシートの引張強さ、柔軟性、引裂強さおよび破
裂強さを増大させる。別の繊維は引き裂きおよび破裂強
さ、柔軟性、引張強さ、破壊すること無く伸長する能力
および剛性の大きく変化する程度を有する。異なる種類
の繊維の有利な特性を得るために、いくつかの場合にお
いては2つ以上の異なる種類の繊維を成形可能な混合物
中で組み合わせることが好ましい。
押出しまたは圧延のような特定のシート形成プロセス
が繊維をその混合物またはシートの伸長方向に配向する
傾向があることも理解されなければならない。これは特
定の方向においてシートの引っ張り強さを最大化するた
めには有利である。たとえば、シートが蝶番に沿って曲
がる必要がある場合、その折り線に垂直に配向させるこ
とにより蝶番の2つの側をより効果的に架橋するような
方法において繊維を配向させて、シート内の蝶番を強化
することが好ましい。加えて、蝶番またはシートが増大
された靭性および強さを必要とする区域においてより多
くの繊維を集中することが望ましい。
骨材の種類も同様に最終的な硬化されたシートの特性
に影響を与える。粘土、カオリン、または白亜のような
一般に固く、柔軟性がなく、小さい粒子を含む骨材は、
一般的に増加した脆性を有するより滑らかなシートをも
たらす。真珠岩または中空ガラス球のような軽量骨材は
より低密度、より低脆性、およびより高い断熱能力を有
するシートをもたらす。破砕した砂、シリカ、石膏また
は粘土のような骨材は非常に安価であり、そしてそれか
ら作成されるシートの製造におけるコストを大きく削減
することができる。高い比表面積を有する任意の材料は
増大した乾燥収縮および収縮欠陥を与える。より低い比
表面積を有する材料は、それらがそれほど粘着性ではな
いので有益であり、それは粘着することなしに低温のロ
ーラーにより加工されるシートを可能にする。
水硬性セメント、焼き石膏、酸化カルシウムのような
水硬性のセット可能な骨材は、そのような水硬性のセッ
ト可能な骨材が添加される量に依存して、硬化されたシ
ート内にわずかな結合から著しい結合までを提供する。
これらは最終的なシートの剛性および圧縮強さを増大さ
せ、および引張強さもある程度増大させる。水硬性セメ
ントはシートの水に対する溶解性も同様に減少させ、そ
れにより水分解に対するシートの抵抗性を増大させる。
最後に、たとえば混合物にロジンまたはミョウバンを
添加することによるなど、成形可能な混合物内の他の混
合剤が最終的な製品に防水特性を添加することができ
る。これらは澱粉で結合されたマトリックス内で相互作
用して非常に防水性の高い成分を形成する。そのような
防水剤の充分な量がないときは、特にシートが容器のよ
うな他の製造品へと成形される場合に、水を用いてシー
トを再び湿らせて、そして柔軟性、曲げ可能性、および
シートの破壊前の伸長を一時的に増大させることができ
る。もちろん水は同様に、それが捨てられた後のシート
の分解を容易にする。
一般的な規則として、より低い濃度の有機ポリマー結
合剤および繊維を有する澱粉で結合されたシートは、よ
り難くなり、より高い断熱性を有しおよび水分解に抵抗
する(特にもしそれらが水硬性セメントを含有するなら
ば、その含有物は同様に最終的製品の圧縮強さを増大さ
せることができる)。
より低い濃度の有機結合剤を有するがより高い繊維含
有量を有するシートは、一般的により高い引張強さを有
し、より高い靭性を有し、より低い圧縮および曲げ強さ
を有し、より低い剛性およびより高い柔軟性を有し、そ
して水分解に顕著に抵抗力がある。
より高い濃度の有機ポリマー結合剤およびより低い濃
度の繊維を有するシートは、水に対する溶解性および分
解性がより高く、より容易に成形され(より薄いシート
の製造を可能にする)、適度に高い圧縮および引張強
さ、より高い靭性、適度な柔軟性およびより低い剛性を
有する。
最後に、より高い濃度の有機ポリマー結合剤および繊
維を有するシートは、慣用の紙に最も類似した特性を有
し、より高い引張強さ、靭性および折りたたみ耐久性を
有し、適度に高い圧縮強さを有し、非常に低い水分解に
対する抵抗性を有し、より低い熱に対する抵抗性(特に
繊維の着火点または結合剤の分解温度に接近するとき)
を有し、およびより高い柔軟性およびより低い剛性を有
する。
ここに記載した組成物を用いて形成された澱粉で結合
されたシートは、好ましくは約0.05MPaから約100MPaま
での範囲の、およびより好ましくは約5MPaから約80MPa
までの範囲の引張強さを有する。加えて、そのシートは
好ましくは2g/cm3未満の、およびより好ましくは約0.4g
/cm3から約1.5g/cm3までの範囲のかさ密度を有する。シ
ートがこの範囲のより低い、中間、またはより高い端の
密度を有するかどうかは、所定の使用法のための所望の
性能基準に依存する。上述に関して、本発明の澱粉で結
合されたシートは、好ましくは約2MPa・cm3/gから約500
MPa・cm3/gまでの範囲の、およびより好ましくは約5MPa
・cm3/gから約150MPa・cm3/gまでの範囲の引張強さとか
さ密度の比を有する。
本発明の澱粉で結合されたシートの方向特異的(dire
ction−specific)な強度特性は、引張および引裂強さ
に関して強いおよび弱い方向を有することが知られてい
る紙のそれと、より対照をなす必要がある。慣用の紙の
強い方向は縦方向であり、一方弱い方向は縦方向に直交
した方向である。慣用の紙において強いおよび弱い方向
における強度の比は約3:1であるが、用いられる特定の
成形プロセスに依存して、本発明においてシートは均等
に分散された強度(すなわち約1:1の強度の比)を有す
るように製造することができる。
本明細書および添付される請求の範囲において澱粉で
結合されたシートに関して用いられる“伸長する”とい
う術語は、そのシートの構造マトリックスが破断される
ことなく引き伸ばされることが可能で、そしてなお仕上
げられた表面を有することを意味する。言い換えると、
シートの澱粉で結合されたマトリックスが、引っ張るま
たは引き延ばすような力の適用により、破断なしに移動
するまたは形状を変化することが可能である。そのシー
トの構造マトリックスが破断の前に伸びる能力は、イン
ストロン(Instron)引張試験および応力−歪み試験で
測定される。
混合設計を最適化することにより、引裂きまたは破断
が発生する前にフレッシュおよび湿った時に約30%ま
で、およびそのシートが乾燥しているときに約0.5から
約12%まで、伸長することが可能な構造マトリックスを
有するシートの製造が可能である。すなわち、そのシー
トは2つの断片に割れることなしにこれらの範囲内で伸
長することが可能である。加えて、蒸気または水分をシ
ートの乾燥重量の約20重量%までのオーダーでシートに
添加することにより、乾燥したシートの伸長を増大させ
ることができる。しかし、再湿潤化工程は、それが再び
乾燥されるまでシートの強さを一時的に減少するにすぎ
ない。
本明細書および添付される請求の範囲において澱粉で
結合されたシートに関して用いられる“撓む”という術
語は、そのシートが仕上げられた表面の破断および変化
なしに曲がること、折りたたむこと、または巻くことが
可能な構造マトリックスを有することを意味する。シー
トが撓む能力は、当該技術において知られている手段を
用いてそのシートの弾性率および破壊エネルギーを測定
することにより測定される。任意の材料に対するよう
に、本発明にしたがって製造されるシートの曲がる能力
はそのシートの厚さに大きく依存する。
強度、曲げ可能性、断熱性、靭性、重量、また他の性
能基準の所望の特性を有するシートを得るために、以下
により完全に示すように、シートの厚さをローラーの間
の間隔を調整することにより変化させることができる。
厚さおよび所望の性能基準に依存して、詳細なシートの
厚さに適応するために成分およびそれらの相対濃度を調
整することができる。本発明のシートは大きく変化する
厚さを有するように設計することができる;しかし、薄
肉の材料を必要とする大抵の製品は、一般に約1cm未満
の、好ましくは約5mm未満の、より好ましくは約3mm未満
の、および最も好ましくは約1mm未満の厚さを有する。
それにもかかわらず、断熱能力またはより高い強度ある
いは剛性がより重要である用途においては、シートの厚
さは約1cmまで変化してもよい。もちろん、組成物は10c
m以上のシートに成形することもできる。
英国の単位において、段ボール箱を作成するのに用い
られるシートは好ましくは約0.010インチの厚さ、ミル
クカートンには約0.020インチ、ジュースの箱には約0.0
10インチの厚さを有する。
雑誌および他の読み物を印刷するのに用いられるシー
トの場合、それは慣用の紙製品と同等の厚さを有し、そ
れは典型的には約0.05mmの厚さを有する。より大きな柔
軟性およびより低い剛性を必要とする印刷できるシート
(雑記の一般のページまたはパンフレットのようなも
の)は、典型的には約0.025〜0.075mmの厚さを有する。
より大きな強度、剛性およびより低い柔軟性を必要とす
るそれら(雑誌またはパンフレットの表紙のようなも
の)は約0.1〜2mmの厚さを有する。いかなる個々のシー
トの厚さおよび柔軟性も、問題の読み物または他の印刷
された材料の所望の性能基準に依存する。
以下でより完全に議論されるように、通常、成形可能
な混合物は、かなりの量の水を除去しおよび高い未乾燥
の強度を有するシートを成形するのを補助する、一連の
加熱されたローラーの間を通過する。それにもかかわら
ず、当業者は水含有量を調製して、成形コンパウンドが
適切なレオロジーを有し、それは容易にかつ効果的に特
定のダイを通して押出され、さらに充分な形状安定性を
有して、それが他のプロセス中に一連のローラーを通過
する際にシートの完全な状態を維持するようにすること
が可能である。
工業用の装置において適切な成形可能な混合物を調製
するための現在の好ましい実施の形態は、そこで成形可
能な混合物に組み込まれる材料が自動的かつ連続的に計
量され、混合され(あるいは混練され)、脱気され、そ
してオーガー(auger)押出装置により押出される装置
を含む。必要に応じていくつかの成分を容器内で予備混
合して、その予備混合された成分を混練する混合装置内
にポンプで送り込むことも可能である。
押出のためにオーガーを有する2軸シグマブレード混
練混合機(sigma blade kneading mixer)が好ましい種
類の混合機である。その混合機は、別個の成分に対して
異なる毎分回転数、したがって異なる剪断力を有するよ
うに調製される。典型的には、成形可能な混合物は最高
約10分間にわたり混合され、その後最高約3分間で押出
により混合機の中身を空にされる。
一定の状況においては、より良好に分散された均一の
混合物を形成するために、強い剪断の混合でいくつかの
成分を混合することが望ましい。たとえば、ある繊維
は、お互いから離れて完全に脱凝集化(disagglomerat
e)するまたは切断するために、そのような混合が必要
である。強い剪断の場合はより均一に混合された混合物
を与え、それは、最終的に硬化されたシートの強度を増
加するのと同様に、未硬化の成形可能な混合物の稠度も
改善する。これは強い剪断の混合が繊維、骨材粒子、お
よび結合剤をその混合物全体にわたってより均一に分散
するためであり、それにより硬化されるシートの内部
に、より均一な構造マトリックスを作成する。
異なる混合機は、成形可能な混合物に対する異なる剪
断を付与することが可能である。たとえば、混練機は通
常のセメントミキサーに比べて強い剪断を付与するが、
しかしそれはエイリッチ・インテンシブ・ミキサー(Ei
rich Intensive Mixer)またはツイン・オーガー食品押
出機(twin auger food extruder)に比べて低い。
しかし、強い剪断の高速度での混合は、そのような条
件で破壊されるまたは分解する傾向を有する材料に対し
て用いてはならないことを理解する必要がある。澱粉粒
は強い剪断条件下で早すぎる糊化を起こす可能性があ
る。真珠岩または中空ガラス球のような一定の軽量骨材
は、強い剪断条件下で破砕されるあるいは押しつぶされ
る傾向を有する。加えて、プロペラによる強い剪断の場
合は一般に混合物が比較的低い粘性を有する場合にのみ
有効である。より凝集性の高い、熱可塑性様の混合物を
得ることが望ましいそれらの場合において、水を含めた
いくつかの成分を強い剪断の混合機内で混合し、その後
に低剪断の混練混合機を用いて繊維または骨材のような
固体の濃度を増大することが望ましい。強い剪断混合
は、成形可能な混合物内にAE剤を添加することにより、
小さな非凝集の気泡を組み込むことが望ましい場合に特
に有用である。
ここに記載されるようにより均一な混合物を作成する
ことに有用な強い剪断の混合機は、“混合および攪拌す
る装置(Mixing and Agitating Device)”と題された
米国特許第4,225,247号;“コロイド状の混合物を生産
するための方法および装置(Method and Apparatus for
Producing a Colloidal Mixture)”と題された米国特
許4,552,463号;“回転ミル(Rotary Mill)”と題され
た米国特許4,889,428号;“セメント建材を生産するた
めの装置(Apparatus for Producing Cement Building
Material)”と題された米国特許4,944,595号;“セメ
ント建材を生産するためのプロセス(Process for Prod
ucing Cement Building Material)”と題された米国特
許5,061,319号に開示されている。開示の目的のため
に、上記の特許は具体的な参照により本明細書の一部を
なすものとする。これらの特許の範囲内の強い剪断の混
合機は、カリフォルニア、サンタ・バーバラのイー・カ
ッショギ・インダストリー(E.Khashoggi Industries o
f Santa Barbara,Caligornia)から入手可能である。
B.成形可能な混合物からのシートの形成 ひとたび成形可能な混合物が適切に混合されたなら
ば、それはシートを形成する装置に輸送され、その装置
は典型的には押出機および一連のローラーを具備する。
いくつかの場合においては、操作を合理化しおよびシス
テム内に種々の構成部分の調整を最小化するために、成
形可能な混合物を混合することおよび押出成形すること
が可能な装置を用いてもよい。成形可能な混合物からシ
ートを製造するための現在好ましいシステムを図示した
図1Aを参照する。このシステムは混合装置10、オーガー
押出機20、1対のシート成形ローラー40、第1の組の乾
燥ローラー50、1対の圧縮ローラー60(任意)、第2の
組の乾燥ローラー70(任意)、一連の仕上げローラー80
(任意)およびスプーラ90(任意)を具備する。
第1の現在好ましいシート形成工程において、成形可
能な混合物は、その混合物を適切な押出機のダイを通し
て押出すこと、および次にその押出された材料を少なく
とも1対の圧延または成形ローラーの間を通過させるこ
とによりシートに形成する(図1A)。あるいはまた、成
形可能な混合物を、図1Bに描いたように直接シート成形
ローラーの間に送り込むこともできる。図2Bに描かれた
ものはウィグ・ワグ(wig wag)押出システムであり、
それは成形コンパウンドをシート成形ローラーの間に送
り込むさらに異なる好ましい実施の形態である。
図2Aはオーガー押出し機20の拡大図であり、それは押
出し機20の中の第1の内部チャンバー24へ成形可能な混
合物を送り込む供給機22を具備する。第1の内部チャン
バー24の中には第一のオーガースクリュー26があり、そ
れは内部チャンバー24に排気チャンバー28へ向かう前進
圧力を働かせ、そしてそれにより成形可能な混合物を前
進させる。典型的には、成形可能な混合物内の不必要な
気泡を除去するために、負の圧力すなわち減圧が排気チ
ャンバー28に用いられる。
その後、成形可能な混合物は第2の内部チャンバー30
内に送られる。第2のオーガースクリュー32がその混合
物を、ダイの幅38およびダイの厚さ39を有する横方向の
スリット36を有するダイヘッド34に向けて前進させる。
スリット36の断面形状を、所望の幅および厚さのシート
を形成するように設定し、それは一般にダイの幅38およ
びダイの厚さ39に対応する。
あるいはまた、図3に描いたように、押出し機がオー
ガー押出し機の代りにピストン押出機20'を具備しても
よい。ピストン押出機20'は、アーム24'の内部チャンバ
ーに前進圧力を働かせ、そしてそれによって成形可能な
混合物を前進させるために、オーガースクリューの代り
にピストン22'を利用する。ピストン押出機を用いるこ
との利点は、より大きな圧力を成形可能な混合物に及ぼ
す能力である。それにもかかわらず、本発明に典型的に
利用される混合物の強い熱可塑性様の性質のために、そ
れはオーガー押出し機を用いて達成されるそれよりも大
きな圧力を及ぼすことは一般に必要でもなく、あるいは
有利ですらない。
ダイの好ましい幅および厚さは製造される個々のシー
トの幅および厚さに依存するが、押出されたシートの厚
さは通常最終的なシートの厚さの少なくとも2倍、また
は時には何倍にもなる。圧延の量(および、それに相応
して厚さの乗数)は、問題となるシートの特性に依存す
る。圧延プロセスが繊維の配向を制御することを補助す
るので、圧延の量はしばしば所望の配向の程度に対応す
る。加えて、厚さの減少が大きくなるほど、シートの伸
びが大きくなる。
ローラー間隔とそのシートがその圧延ローラーの間を
通過する前のシートの厚さの間の差が小さい場合、繊維
を配向する材料の流れはシートの表面にまたはその近傍
に局在化して、その内部が繊維を配向する流れにかけら
れない傾向がある。これは、その表面またはその近傍に
おいて有意の1方向性または2方向性配向の繊維を有
し、かつそのシートの内部によりランダムな配向の繊維
を有するシートの製造を可能にする。しかし、初期のシ
ートの厚さに比較してロール間隔を減少させることによ
り、シート内部の中で繊維を配向する材料の流れを増大
させることによって、シート内部での繊維の配向を増大
することが可能である。
平面のシートを形成するための狭いダイのスリットに
加えて、他の対象または形状を形成するために他のダイ
を用いてもよく、唯一の基準は押出された形状がその後
シートへと成形できることである。たとえば、いくつか
の場合において非常に広いシートを押出すことは望まし
くない。したがって、パイプすなわちチューブが押出さ
れ、そしてダイヘッドのすぐ外側に設置されたナイフを
用いて連続的に切断され、そして広げられてもよい。
成形可能な混合物を押出するために加えられる圧力の
量は一般に、所望の押出の速度と同様に、その混合物を
ダイヘッドを通して押しやるために必要な圧力に依存す
る。シート形成の速度をそのシートがその後の圧延する
工程中にローラーの間を通過する時点での速度に対応さ
せるために、押出の速度は慎重に制御されなければなら
ないことを理解する必要がある。もし押出の速度が高す
ぎれば、過剰の材料がローラーの後ろに蓄積される傾向
になり、それはついにはシステムの詰まりをもたらす。
反対に押出の速度が低すぎれば、ローラーが押出された
シートを引き延ばすの傾向になり、それは破砕されたす
なわち均質でない構造マトリックスを、さらに悪いもの
は、シートの破壊または引裂をもたらす可能性がある。
後者は連続的シート形成プロセスの完全な崩壊をももた
らす可能性がある。
押出の速度に影響を与えることができるすべての変数
を制御することが時には不可能になるので、押出の速度
を測定するか、あるいはローラーの背後の過剰の物質の
いかなる蓄積をも検出することができるトランスデュー
サーの統合されたシステムを有することが好ましい。こ
の情報は次にコンピュータ処理装置に送り込まれて、そ
れはその時に全体のシステムを細かく調整するために、
押出の圧力および速度を調整するために押出機に信号を
送ることができる。以下に示すように、適切に統合され
たシステムは同様にローラー速度を監視することおよび
調整することが可能である。
押出プロセス中に成形可能な混合物に及ぼされる圧力
は、もし用いられた場合に軽量で低い強度の骨材を押し
つぶすあるいは砕くように大きくてはならないことを理
解する必要がある。大量の空隙を含有する軽量の骨材の
構造完全性を押しつぶすあるいは他の方法で破壊するこ
とは、その空隙を除去することによりそれらの断熱効果
を減少する。それにもかかわらず、真珠岩、薄片状の
岩、または他のそのような材料は比較的安価であるの
で、ある程度の骨材粒子を押しつぶすことまたは砕くこ
とは容認である。過剰の圧力および剪断は澱粉粒の早す
ぎる糊化をも同様にもたらす。
繊維により硬化されたシートに付与される特性は、シ
ート内の繊維の単一方向性のまたは2方向性の配向によ
り増大される。押出機のダイヘッドの形状に依存して、
ダイヘッドを通した成形可能な混合物の押出は、押出さ
れたシートの“Y"軸すなわち縦方向に沿って、成形可能
な混合物内の個々の繊維を単一方向に配向する傾向があ
る。以下で詳細にわたり議論される圧延プロセスも、圧
延プロセスの間にシートがさらに伸長されるにつれて、
繊維を“Y"方向にさらに配向する。加えて、“Z"方向に
変化するギャップ間隔を有する(勾配コロのような)ロ
ーラーを利用することにより、繊維のいくらかを“X"方
向(すなわち、シートの幅すなわち流れに交差する方
向)にも配向することができる。このように、圧延と組
み合わせた押出により、2方向に配向された繊維を有す
るシートを作成することが可能である。
上記に示したもののような慣用の押出法の使用に加え
て、いくつかの場合においては、個々の混合物の塊を押
出して、それを2つの水平に配向される押出ローラーの
すぐ上に位置されたホッパーに運搬すること、あるいは
成形可能な混合物を単にホッパーを運搬することのいず
れかが好ましい。これは、圧延プロセスの前に成形可能
な混合物をシートへと最初に押出成形する必要を除去す
る。1つの運搬法はオーガーコンベアーであり、それは
成形可能な混合物をローラーを通過する供給圧力の変化
を可能にする。
当業者は、押出工程が当該技術で用いられる術語とし
ての“押出機”の効用を形式的に利用する必要がないこ
とを認識するだろう。押出工程の目的は成形コンパウン
ドをローラに対する連続的に良好に調整された供給を提
供することである。これは、材料の“押出”すなわち流
動を適切なすき間を通して行う当業者に知られているほ
かの機構によって達成されてもよい。成形可能な混合物
に流動させるのに必要とされる力は、たとえば、重力に
より供給されてもよい。
図1Bを参照して、それは別の好ましい実施の形態を示
し、そこでは成形可能な混合物は混合機10から直接に1
対の押出圧延ローラー40に供給され、それは無定形の成
形可能な混合物を、押出機のダイを用いることなく、直
接シートへと変換する。図1Aに示したシステムにおいて
と同様に、成形ローラー40により成形されたシートは第
1の組の乾燥ローラー50、1対の圧縮ローラー60(任
意)、第2の組の乾燥ローラー70(任意)、一連の仕上
げローラー80(任意)へと送り込まれ、そして次にスプ
ーラ90(任意)上に巻きつけられる。成形ローラーは、
セルロース系エーテルにより形成される最初のフィルム
をもたらし、澱粉粒の糊化が続いて起きるのに充分な温
度まで加熱される。それらは蒸発によりいくらかの水を
も除去する。本発明の好ましいシート形成法を用いて、
いかなる有意な量の水も液体状態において除去されな
い。
本発明のシート形成プロセスの1つの実施の形態を示
す図1Aを再び参照して、シート形成プロセス中に一連の
加熱されたシート形成ローラーが利用される。圧延ロー
ラー40の拡大した側面図を図4に示した。圧延ローラー
40は、あらかじめ決められたギャップ間隔(あるいはロ
ール間隔)44をその間に有して互いに隣接して設置され
る2つの独立したローラー42を具備する。個別のローラ
ー42の間のギャップ間隔は、ローラー42の間を通過する
圧延されるシート46の所望の厚さ44'に対応する。
1組のローラーを通過される時点でシートの厚さが減
少されるに従って、それシートはまた前方に動く(すな
わち“Y")方向に、そうでなければ“縦方向”として知
られる方向に伸長される。シートの伸長の1つの結果
は、繊維を少なくとも部分的にさらに配向するすなわち
縦方向に並べることである。この方法において、最初の
押出プロセスと組み合わされた圧延プロセスが、縦方向
に実質的に単一方向に配向された繊維を有するシートを
作成することができる。しかし、圧延ローラーの速度を
増加させることは、シート全体にわたる繊維のより良い
ランダム化を引き起こすことが見いだされている。
シート内の繊維のランダム配向を維持する他の方法
は、ローラーの微分成形速度を減少することである。す
なわち、成形可能な混合物がより低い圧力下で押出ロー
ラーの間に供給される場合、混合物がローラーの間を通
過するときの縦方向の速度の突然の増加およびそれに伴
う剪断が、縦方向に繊維を配向するのに役立つ。しか
し、それがローラー間に供給されるときの混合物の圧力
を増大させることにより、縦方向の剪断のレベルを減少
して、それによってよりランダム化された繊維配向を有
するシートをもたらすことが可能である。
シートの伸長の他の結果は、1組の圧延ローラーの間
を通過するときにシートが“スピードアップ”すること
である。図4を再び参照して、ローラーの回転速度v
1が、それがローラーを出るときの圧延され伸長された
シートの速度v1に対応し、およびそれがローラーの間の
ギャップに入るときの速度v0ではないことをしめす。例
として、もしシートの厚さが50%に減少されるならば、
そして圧延プロセスの間にシートが広がらないことを仮
定したとき、そのシートはその本来の長さの2倍に伸長
される。これは、ローラーに入る前からシートがローラ
ーを出たときまでにシート速度を2倍にすることに相当
する。したがって、もしシートの厚さが50%に縮小され
るならば、その時にv1は2×v0になる。
1対のローラーを通過する間に、回転するローラーで
より薄いシートへと圧搾されるまたはプレスされること
により、そのシートは“スピードアップ”する。シート
を圧搾するまたはプレスするこのプロセスは、入ってい
くシートとローラーとの間の速度差と同様に、シート上
に変化する剪断力を発生することができる。過度に大き
な剪断力の適用はシートの構造マトリックスの完全性を
崩壊させ、そしてシート内に割れ目を発生させ、それに
よりシートを弱める可能性がある。それにもかかわら
ず、ローラーに対して非常に低い粘着力を有し、そして
高度に熱可塑性である混合設計に対しては、1対の比較
的大きな直径のローラーを用いて、ただ1度の工程にお
いて押出されたシートを最終的な厚さまで圧延すること
が可能であることが見いだされている。
ローラーのそれぞれの直径は、成形可能な混合物の特
性および澱粉で結合されたシートの厚さの減少の量に依
存して最適化される必要がある。そのローラーの直径を
最適化するときには、2つの競争的な利害関係を考慮し
なければならない。第1はより小さなローラーはシート
がローラー間を通過する際にシートにより大きな量の剪
断力を付与する傾向がある事実に関係する。これは、よ
り大きな直径のローラーを用いたときよりも、シート上
への圧縮の下向きの角度が平均してより大きいからであ
る。
しかし、より大きな直径のローラーの使用は、成形コ
ンパウンドがより長い時間にわたってローラーと接触す
るようになり、それによって特にローラー温度が高めら
れたときにシート形成プロセスの間のシートの乾燥が増
大することをもたらす欠点がある。いくらかの乾燥が有
利であるとはいえ、圧延プロセス中の迅速すぎるシート
の乾燥は、構造マトリックス内の割れ目および他の欠陥
の導入をもたらす可能性がある。
シートの厚さの最大量の減少を達成するためのローラ
ーの直径の最適化と、一方同時に成形されるシートの過
剰乾燥を防止することが、製造プロセスにおいて圧延工
程の数を減少するために好ましい。作動部分の数の削減
の他にも、圧延工程の数の減少は、(ローラーが遅すぎ
る回転をしている場合における)ローラーの背後のシー
トの蓄積または(ローラーが速すぎる回転をしている場
合における)シートの引裂を防止するためにその速度を
慎重に同調しなければならないローラーの数もまた取り
除く。
澱粉で結合されたシートの粘着または接着を防止する
ためにローラー表面を処理することが好ましい。1つの
方法はローラーを単に加熱することを必要とし、それが
成形可能な混合物内のいくらかの水の蒸発をもたらし、
それによってシートとローラーの間に蒸気の障壁を作成
する。いくらかの水の蒸発はまた成形可能な混合物内の
水の量を削減し、それによりシートの未乾燥強度を増大
させる。しかし、ローラーの温度は、残留応力、割れ
目、剥落またはシートの他の変形あるいは不規則さを引
き起こす点までシートの表面を乾燥または硬化するほど
高くてはならない。
一般に、最初のシート成形ローラーは好ましくはセル
ロース系エーテルの熱析出温度と同等である温度を有す
る。Methocelの場合において約70℃の温度を有するシー
ト成形ローラーを用いることが好ましく;Tylose FL150
02に対しては、シート成形ローラーは好ましくは約85℃
の温度を有する。シート成形ローラーの温度はセルロー
ス系エーテルの熱析出温度より高くてもよいが、しかし
未乾燥のシートのローラーに対する接着を減少するため
に、一般に澱粉粒のゲル化温度より低くするものであ
る。未乾燥のシートの表面上にセルロース系エーテルの
薄皮が形成された後は、シートは好ましくは澱粉のゲル
化温度以上に加熱された1つ以上のローラーの間を通過
させられる。澱粉のゲル化温度および後者のローラーの
温度に依存して、シート形成プロセスの間のいかなる点
においても多少の澱粉がゲル化する可能性がある。これ
は、別個のゲル化温度を有する2つ以上のデンプンが用
いられる場合に特にありそうなことである。当業者はロ
ーラー温度を調整して、成形コンパウンド内で用いられ
ているセルロース系エーテルおよび澱粉の種類に依存し
てシート形成プロセスを最適化することができる。
一般に、混合物中の水の量が増えるにつれて成形可能
な混合物の粘着性が増大する。したがって、混合物がよ
り多くの水を含有する場合においては粘着を防止するた
めに、ローラーは一般により高い温度まで加熱されなけ
ればならない。より高度の水含有量を含有するシート
は、適切な未乾燥強度を得るためにより多くの水を除去
しなければならないので、これは有利である。加えて、
ローラー速度を増加することは、シートのローラーに対
する接着を防止するためにローラーの温度の対応する増
加を、一般に可能にするであろうし、および必要とする
可能性がある。
ローラーと澱粉で結合されたシートの間の接着のレベ
ルを減少させる別の方法は、接着に対してより影響を受
けにくくするためにローラー表面を処理することであ
る。ローラーは典型的には磨かれたステンレススティー
ルで作成され、そして磨かれたクロム、ニッケルまたは
テフロン(Teflon)(登録商標)のような非粘着材料で
被覆される。
最後に、成形可能な混合物の熱可塑性特性および比較
的高レベルの加工性のために、圧延プロセスはシートの
大きな圧縮を通常与えないことを理解しなければならな
い。言い換えれば、特にシートが圧延ローラーの間を通
過すると同時にかなり乾燥された場合に、いくらかの圧
縮が予期されるにもかかわらず、シートの密度は圧延プ
ロセス全体を通じて実質的に一定のままである。圧縮が
望まれる場合、以下により完全に示すように、そのシー
トは乾燥工程に続いて1対の圧縮ローラー60(図1A)の
間を通過させてもよい。
このように、圧延プロセスの範囲内で重要なパラメー
ターは“ニップ高さ”(すなわちギャップ間隔)と同様
に、ローラーの直径、速度および温度を含むことが見い
だされた。ニップ高さと同様に、ローラーの直径を増加
することは、それぞれローラーにより成形可能な混合物
およびシートに付与される剪断速度を減少させる傾向が
あり、一方ローラーの速度を増大させることは剪断速度
を増加する。
C. 乾燥プロセス シート成形ローラーが部分的におよび実質的にさえシ
ートを乾燥することが可能であるにもかかわらず、引張
強さおよび靭性の所望の特性を有するシートを得るため
にシートをさらに乾燥することが好ましい。シートは徐
々に自然に乾燥されるだろうが、シートが自然に空気乾
燥するのを待つことは便利ではない。多くの方法におい
て加速された乾燥が達成され、その各々が過剰の水を除
去するためにシートを加熱することを含む。
一般に対をなして整列された圧延ローラーとは対照的
に、乾燥ローラーは個別に整列されて、シートが各ロー
ラーの表面の広い区域の上を個別に順番に通過するよう
にする(図1Aおよび1Bの乾燥ローラー50を見よ)。この
ようにして、シートの2つの側は段階的に交互に乾燥さ
れる。圧延工程中に、シートは一般に直線状の軌道で圧
延ローラーの間を通過したとはいえ、乾燥工程中に乾燥
ローラーの周囲およびその間に巻き付けるときに、シー
トは一般的には正弦波の軌道をたどる。一連のより小さ
なローラーが別法として用いられるにもかかわらず、好
ましい乾燥ローラーは当該技術において“ヤンキー(Ya
nkee)”ローラーとして知られる大きな直径のローラー
を含む。
乾燥ローラーの温度は、個々のローラーを通過すると
きのシートの水分含有量を含めて、多くの因子に依存す
る。いずれにしても、乾燥ローラーの温度は約300℃未
満でなければならない。(有機結合剤またはセルロース
系エテールのような)有機物成分の分解を防止するため
に成形可能な混合物を250℃を超えて加熱してはならな
いが、水の蒸発により材料を冷却する適切な水が混合物
中にあるかぎりは、この温度を超えて加熱されたローラ
ーを用いてもよい。それにもかかわらず、乾燥プロセス
中に水の量が減少するのにしたがって、シート材料が過
熱されるのを防止するためにローラーの温度を減少する
必要がある。
いくつかの場合においては、乾燥ローラーと組み合わ
せて、トンネル乾燥機、乾燥炉あるいは乾燥室を用いる
ことが好ましい。熱対流乾燥の最大限の効果を得るため
に、乾燥プロセスを加速するために過熱された空気を循
環させることがしばしば好ましい。トンネル乾燥機内の
温度は、シートのトンネル内への滞留すなわち留まる時
間と同様に、シート材料内の水の蒸発する量および速度
を決定する。セルロース繊維および有機結合剤の分解を
防止するために、トンネル乾燥機の温度は通常250℃を
超えてはならない。トンネル乾燥機は好ましくは約100
℃から約250℃までの範囲の温度まで加熱される。
ある場合においては、上記に示した乾燥プロセスは、
シートが容器または他の物体を形成するのに用いられる
か、あるいはまた必要になるまでスプールの上に巻き付
けられるか(図1Aおよび1B)またはシートとして積み重
ねられるか(図8)のいずれかの前の最終ステップであ
る。他の場合においては、特により平滑でより紙様の仕
上げが望ましい場合に、圧縮工程および/または仕上げ
工程を含めて、以下により完全に示す追加の工程が、乾
燥工程に続いておきてもよい。
E. 追加の仕上げプロセス 多くの場合において、最終的な厚さ、許容範囲、およ
び表面仕上げを達成するために、澱粉で結合されたシー
トを圧縮することが望ましい。加えて、圧縮は構造マト
リックス内の不必要な空隙を除去するのに用いることが
できる。図5を参照して、シートは、第1の乾燥ローラ
ー50(図1Aおよび1B)により乾燥プロセス中に実質的に
乾燥された後に、必要に応じて1対の圧縮ローラー60の
間を通過してもよい。圧縮プロセスは一般により高い密
度および強度、より少ない表面欠陥、および減少された
厚さを有するシートを与え、そして同様にシート表面内
に圧縮された粒子を固定しおよび整列させる。圧縮ロー
ラーの圧縮力の量はシートの個々の特性に対応して調整
しなければならない。
圧縮ステップは、より密度の高くおよびより均一な構
造マトリックスを作成することにより最終的に硬化され
るシートの強度を改善し、同時により平滑な仕上げを有
するシートも残す。単位厚さあたりの強度を最大化する
必要のあるより薄いシートおよび断熱能力がそれほど重
要ではないより薄いシートの場合において、圧縮ステッ
プは一般に好ましい。高い断熱および/または低い密度
特性を有することを目的とするより厚いシートに対して
は、圧縮は一般に必要ではない。実際、中空ガラス球の
ような、もし押しつぶされればそれらの断熱能力が失わ
れるであろうより弱い骨材を有するシートを圧縮するこ
とは望ましくない。
圧縮プロセスは好ましくは、シートの著しい伸長をも
たらすことなしに、および構造マトリックスを否定的に
崩壊させるあるいは弱くさせることなしに、実行され
る。シートを伸長させることなしにおよび構造マトリッ
クスを弱めることなしに圧縮を達成するために、乾燥プ
ロセスを制御して、わずかに成形可能なシートのレオロ
ジーを維持するのに適当な量の水をシートが含有するよ
うにすることが重要である。水含有量およびローラーニ
ップを制御することによって、シートを著しく伸長する
ことなしに、圧縮ローラーが主として圧縮しそしてシー
トの密度を増加させることを保証することが可能にな
る。もしシートが多すぎる水を含有するならば、圧縮ロ
ーラーは成形または圧延ローラーのいずれかと類似の様
式においてシートを伸長するようになる。実際、圧縮ロ
ーラーは成形または圧延ローラーと実質的に同一であ
り、その違いは、もしシートが充分に乾燥しておりおよ
びシートの厚さの減少が水の蒸発により残った全間隙率
よりも低いならば(すなわち、もし水の蒸発が25%の追
加の間隙率を作成するならば、その時圧縮ローラーニッ
プは少なくとも予備圧縮されたシートの厚さの75%でな
ければならない)、伸長よりもむしろ圧縮が起きること
だけである。
圧縮プロセス(1個以上の圧縮工程を含む)が通常わ
ずかに湿ったシートを必要とするので、必要に応じて設
けてもよい乾燥ローラー70を用いて上記に概略を示した
乾燥プロセスと類似の方法で圧縮工程の後にシートをさ
らに乾燥させることがしばしば好ましい。この必要に応
じて設けてもよい乾燥工程を乾燥ローラー、トンネル乾
燥機、またはそれら2つの組み合わせを用いて実行して
もよい。シートが容器または他の物体を形成するのに直
ちに用いられる場合、シートに折り目をつける場合、あ
るいはわずかに湿ったシートを有することがその他の点
で有利である場合のような、いくつかの場合においては
シートは第2の乾燥ステップなしにさらに加工されても
よい。
図6に示したような1対以上の仕上げ(または“カレ
ンダー加工”)ローラー80の間をシートを通過させるこ
とにより澱粉で結合されたシートの表面をさらに変更す
ることもまた好ましい。たとえば、非常に滑らかな表面
を一方または両方の面上に作成するために、シートは少
なくとも2対の硬いおよび柔らかいローラー82、84の間
を通過させてもよい。“硬いローラー”という術語は非
常に磨き上げた表面を有するローラー82に関連し、それ
は硬いローラーと接触したシートの面を非常に滑らかに
する。“柔らかいローラー”という術語は、柔らかいロ
ーラーとシートの間に充分な摩擦を発生して、そしてシ
ートを硬いおよび柔らかいローラーの対の中に引っ張る
ことができる表面を有するローラー84に関連する。硬い
ローラー82が通常1対の硬いローラーによってシートを
引っ張るには滑らかすぎるので、これは必要である。硬
いローラー82の著しいすべり量はシート表面内の粒子を
整列するために有利である。シートを“スーパーカレン
ダー処理”するために高速で運転され高度に磨き上げら
れた硬いローラーを用いることは、非常に滑らかな表面
仕上げを有するシートをもたらす。仕上げプロセスは、
シート表面に水を噴霧することおよび/または粘土、炭
酸カルシウム、あるいは当業者に知られている他の好適
な塗布材料を塗布することにより、必要に応じて促進し
てもよい。
他の実施の形態において、仕上げローラーは、網状
の、格子縞の、あるいはワッフル状の表面のような所望
の表面模様を付与することができる。別法として、また
はいかなる他の仕上げプロセスとともに、シートは図7
に示すような波形ローラーにより波形にされてもよい。
もし望むならば、ローラーをシート表面にロゴまたは他
のデザインを刷り込むことに用いてもよい。押出ローラ
ー、圧延ローラー、または圧縮ローラーは、そこを通過
するシート内に浮き彫りのあるいはくぼんだ区域のいず
れを生成することにより透かしを生ずる手段を含有して
もよい。
III.乾燥した澱粉で結合されたシートの必要に応じた加
工 上記に示した方法にしたがって調製された澱粉で結合
されたシートを、そのシートに望まれている特性に依存
して追加の加工ステップにかけてもよい。前記特性は、
同様に、そのシートの目的とする最終的用途に依存す
る。これらの必要に応じて設けてもよいプロセスは、積
層、波形成形、被膜の付着、印の印刷、スコーリング
(scoring)、穿孔(perforation)、クレープ加工(cr
eping)、パーチメント化(patchmenting)、またはそ
れらの組み合わせを含む。
A. 積層プロセス 積層することにより澱粉で結合されたシートに種々の
特性を付与することができる。本明細書および添付され
る請求の範囲の目的のために、“積層されたシート”ま
たは“積層物(名詞として用いたとき)”という術語
で、少なくとも1つの層が澱粉で結合されたシートであ
る少なくとも2つの層を有するシートを呼ぶことにす
る。“積層する材料”または“ラミナ(lamina)”とい
う術語で、澱粉で結合されたシートおよび他の積層する
材料の双方を含めて、積層されたシートの任意の構成要
素層を呼ぶことにする。層のいかなる組み合わせを有す
る積層物も、積層物の少なくとも1つの層が澱粉で結合
されたシートである限りは本発明の範囲内である。積層
物は少なくとも2つの層を接着することあるいは他の方
法で結合して一緒にすることにより形成される。積層物
の厚さは積層物の目的とする特性の特徴に依存して変化
してもよい。
澱粉で結合されたシートに接着される。付着されるあ
るいはその他の方法で結合される積層する材料は、もう
1つの澱粉で結合されたシート、その2つが一緒に積層
されるときに澱粉で結合されたシートに所望の特性を付
与する材料、被覆剤あるいは接着剤として以下に記載さ
れる材料、またはそれらの任意の組み合わせを含んでも
よい。澱粉で結合されたシートの特性を拡張するあるい
は変更する材料の例は、有機ポリマーシート、金属箔シ
ート、アイオノマーシート、エラストマーのシート、熱
可塑性樹脂のシート、繊維質のシートまたはマット、紙
シート、セロハンシート、ナイロンシート、ワックスシ
ート、水硬性のセット可能なシート、無機的に高度に充
填されたシートおよび蒸着フィルムシートを含む。
本発明の範囲内の積層物は、澱粉で結合されたシート
および別の層(単数または複数)を接着剤を用いてある
いは用いないで接着させることにより形成することがで
きる。澱粉で結合されたシートと他の層の間(または積
層物の他の層(複数)の間)の接着は、わずかな粘着か
ら接着されているシートまたは材料の強度を超える結合
まで変化することができる。
澱粉で結合されたシートは、シートが個々のラミナの
間に有効な接着を達成するのに充分に未乾燥である限
り、他の層と接着剤を用いることなしに接着することが
できる。わずかに湿った澱粉は接着剤として機能するこ
とができる。水に可溶な材料を含む積層物の層は、わず
かに湿ったあるいは再加湿された澱粉で結合されたシー
トと粘着することができる。
多くの異なるプロセスを通じて、結合は接着剤を用い
て形成され、そのプロセスは湿式結合積層、乾式結合積
層、熱的積層、および圧力積層を含む。有用な接着剤
は、水を含有する接着剤(天然および合成物の双方)、
ホット−メルト接着剤および溶媒を含有する接着剤を含
む。
澱粉で結合されたシートおよびもう1つの層の湿式結
合積層は、2つの層を接着するための任意の液体接着剤
の使用を含む。湿式結合積層に有用な天然の水を含有す
る接着剤は、植物性澱粉をベースとする接着剤、タンパ
ク質をベースとする接着剤、動物性ニカワ、カゼイン、
および天然ゴムラテックスを含む。有用な合成物の水を
含有する接着剤は、水中のポリ酢酸ビニル粒子の安定な
懸濁液のような樹脂乳化物を一般に含む。水を含有する
接着剤は臭気、味覚、色、毒性が低く、広い範囲の接着
力を有し、および優秀な経年変化特性を有する。
熱可塑性ポリマーは有用なホット−メルト接着剤であ
り、それは溶融状態で付着させることができ、そして冷
却時に形を付ける、ホット−メルト接着剤は一般に他の
接着剤よりも迅速に固定される。有用な溶媒を含有する
接着剤は、ポリウレタン接着剤、溶媒を含有するエチレ
ン−酢酸ビニル系およびほかの圧力感受性のラバーレジ
ンを含む。澱粉で結合されたシートの中の澱粉は熱可塑
性材料としても機能することができる。澱粉で結合され
たシートを澱粉のガラス転移温度より上に加熱すること
はシートが溶融することおよび再配置(reconformatio
n)を可能にする。冷却はシートの固体化または新規の
配置の製品をもたらす。溶融されそして冷却された澱粉
は接着剤としても機能し、もしたとえば螺旋状に巻くこ
とによって管または缶を形成するように所望の製品へと
形成されるならば、シートの粘着および密封を可能にす
る。
箔押(foil stamping)により積層物を作成すること
も本発明の範囲内である。箔押は熱および圧力の使用を
含み、キャリアフィルムから澱粉で結合されたシートま
たは容器の表面への薄い金属製または着色された塗膜を
転写し、パターン形成された装飾効果を得る。この技術
を浮き彫り細工を施すことと組み合わせて用いて、反射
し光沢のある浮き彫りの表面を有する積層物を得ること
ができる。
B. 波形成形プロセス 波形成形された厚紙と同様の方法において乾燥した澱
粉で結合されたシートに波形成形することが望ましい可
能性がある。これは、好ましくは半乾燥条件において、
図7に示す1対の波形ローラー86の間をシートを通過さ
せることにより実行される。シートの水分含有量を制御
して、波形成形プロセスが澱粉で結合されたマトリック
スを傷つけないようにしなければならない。もしシート
が乾燥しすぎているならば、波形成形プロセスがマトリ
ックスを傷つけ、およびいくつかの場合においてはシー
トの引裂または割れることさえももたらす可能性があ
る。反対に、もしシートが湿りすぎていたら、波形成形
されたシートは波形の形状を維持するために必要な未乾
燥の強度を欠く可能性がある。好ましくは、波形成形さ
れる澱粉で結合されたシートの中の水の量は、約1重量
%から約30重量%まで、より好ましくは約5重量%から
約20重量%まで、最も好ましくは約7重量%から約15重
量%までである。
波形成形されたシートは単一のシートとして利用する
こともできるし、あるいは上に記載されるように他のシ
ートと組合わせて積層物を形成することもできる。波形
成形されたシートは単一の平面の澱粉で結合されたシー
トまたは他の材料で形成されたシートと積層されて、そ
の時に“片面”の波形シートを与える。波形成形したシ
ートを2つの平面シートの間に挟むことで“両面”のシ
ートを与える。多重層の波形精製されたシートは平面の
層および波形成形された層を交互にすることにより作成
することができる。片面、両面および多重層の波形成形
されたシートは比較的低い密度および比較的高い剛性お
よび圧縮強さによって特徴づけられる、それらは、容器
または包装材料のように、製品がそのような特性を必要
とするときに用いることができる。
単一の波形成形されたシートの強度および柔軟性は、
線フィート当たりのコルゲーションすなわちひだの数を
変化させることにより変更することができる。線フィー
ト当たりのひだの数を増やしてより柔軟なシートを作成
することもできるし、あるいは、ひだを減少させて高度
の緩衝能力を有する強いシートを得ることもできる。多
重層の波形成形されたシートは、2つ以上の別個の線フ
ィート当たりのひだの数を有する波形成形されたシート
を用いて作成することもできる。折り目をつける場合、
切れ目を付ける場合および穿孔の場合(以下でより完全
に記載する)のように、波形成形されるシートの個々の
ひだは、そのシートがより自然に曲がるまたは折りたた
まれる場所に作成される。しかし、そのシートはひだの
列に直角をなす方向においてはより剛直でかつより強
い。したがって、容器または包装材料のような製品は組
み立てられて、波形成形されたシートが必要な場所で最
大の柔軟性を、および製品が積み重ねられる場所のよう
な必要とされる場所で最大の剛直性を与えるようにしな
ければならない。
被覆剤もまた波形成形プロセスの一部として付着させ
ることができる。一定の被覆剤材料(特にワックスまた
はポリエチレン)は、波形成形機(corrugator)上の熱
ロールコーターによって付着させることができる。被覆
剤は、波形成形された半製品が製品に変換される前に、
それにフローコーティングを用いて付着させることがで
きる。波形成形されたシートに関する他の有用な塗布プ
ロセスは、完成品をワックスのような塗料中に浸漬させ
ること、または波形成形された製品のひだを通してまた
はその周囲にそのような塗料を滝のように落とすことを
含む。
C. 被覆剤および塗布プロセス 澱粉で結合されたシートまたは前述のシートから作成
される製品に被覆剤または被覆材料を付着させることは
本発明の範囲内である。被覆剤は、シートまたはそれか
ら作成された製品を密封することおよび保護することを
含めて、多くの方法で澱粉で結合されたシートの表面特
性を変更することに用いられる。被覆剤は湿気、塩基、
酸、グリース、および有機溶媒に対する保護を提供す
る。それら被覆剤はまたより平滑な、より柔軟な、より
光沢のある、または耐擦り傷性の表面を提供し、および
繊維が“飛び去ること”を防止するのを促進する。被覆
剤はまた、反射する、電気伝導性または絶縁性の特性を
付与する。それらは、特に曲がり目または折り目の線に
おいて、澱粉で結合されたシートを強化する可能性さえ
ある。
いくつかの被覆剤は澱粉で結合されたマトリックスを
軟らかくして、それによってより柔軟なシートを与え
る。たとえば、シートまたはシート内の蝶番の区域を永
久的に軟らかくするために、大豆油またはMethocel(登
録商標)(ダウ・ケミカル(Dow Chemical)より入手可
能)のような材料をベースとする被覆剤を、単独あるい
はポリエチレングリコールとの組み合わせのいずれか
で、シート表面に付着することができる。他の被覆材料
をシートをより剛直にするのに使用できる。加えて、エ
ラストマーの、熱可塑性樹脂のあるいは紙の塗膜が、蝶
番の場所において曲げられるときに下にある硬化した構
造マトリックスが破断していようとなかろうと蝶番の完
全な状態を維持することを補助することができる。いく
つかの被覆剤は澱粉で結合されたシートが、シートが折
り目を付けられる場所のように、激しく曲げられる場所
を補強するのに用いることができる。そのような場合に
おいては、柔軟な、できる限りエラストマーの被覆剤が
好ましい。特に折り畳むことあるいは巻き込むことで形
成される製品に対して、被覆剤がエラストマー性である
または変形可能であることが好ましい。いくつかの被覆
剤は積層する材料としてあるいは接着剤として用いるこ
とができる。
被覆工程の目的は通常シートの表面上に最小限度の欠
陥を有する均一なフィルムを達成することである。被覆
剤は、シート形成プロセス中に、製品形成プロセス中
に、または製品が形成された後に付着することができ
る。詳細な塗布プロセスの選択は基体(すなわちシー
ト)の多くの変数と同様に塗布調合物の変数に依存す
る。基体の変数は、シートの強度、ぬれ性、間隙率、密
度、平滑制、および均一性を含む。塗布調合物の変数
は、全固体含有量、溶媒のベース(水溶解性および揮発
性を含む)、表面張力、およびレオロジーを含む。
被覆剤は、紙、板紙、プラスティック、ポリスチレ
ン、シート状金属または他の包装材料の技術において知
られているいかなる塗布手段を用いてシートに塗布され
てもよく、ブレード、パドル(puddle)、エアナイフ、
印刷、ダールグレン(Dahlgren)装置、グラビア、およ
び粉体被覆を含む。被覆剤をシート、製品、または他の
物体に以下に列挙した任意の被覆材料をスプレーするこ
とにより、あるいはシート、製品、またはその他の物体
を適切な被覆材料を含有するバットに浸積することによ
り付着してもよい。最後に、被覆プロセスを押出プロセ
スと統合するために、被覆剤をシートと一緒に共押出し
てもよい。
好適な有機被覆材料は、食用油、メラミン、ポリ塩化
ビニル、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリ
アクリレート、ポリアミド、ヒドロキシプロピルメチル
セルロース、ポリエチレングリコール、アクリル、ポリ
ウレタン、ポリエチレン、ポリ乳酸、Biopol(登録商
標)(ポリヒドロキシ酪酸エステル−ヒドロキシ吉草酸
エステルの共重合体)、ラテックス、澱粉、大豆タンパ
ク、大豆油、セルロース系エーテル(たとえばMethoce
l)ポリエチレン、生分解性ポリマーを含む合成ポリマ
ー、ワックス(みつ蝋、石油ベースのワックス、または
合成蝋のようなもの)、エラストマー、およびそれらの
混合物を含む。Biopolは英国のインペリアル・ケミカル
・インダストリーズ(Imperial Chemical Industries
(ICI))により製造されている。好適な無機の被覆材
料は、ケイ酸ナトリウム、炭酸カルシウム、酸化アルミ
ニウム、酸化ケイ素、カオリン、粘土、セラミックおよ
びそれらの混合物である。無機被覆剤を1つ以上の上記
に示した有機被覆剤と混合してもよい。これらの被覆剤
のほかにも、必要とされる用途に依存していかなる好適
な被覆材料も用いることができる。
耐水被覆は水と接触することを目的とする製品のため
に望ましい。もしシートが食料品と接触するようになる
ことを目的とする容器または他の製品を製造することに
用いられるならば、被覆材料は好ましくはFDAに承認さ
れた被覆剤で構成される。特に有用な被覆剤はケイ酸ナ
トリウムであり、それは酸に抵抗力がある。たとえば、
製品がソフトドリングまたはジュースのような強い酸内
容物を有する食品または飲料にさらされる容器である場
合に、酸性に対する抵抗性が重要である。一般に製品を
塩基性物質から保護する必要はないが、塩基性物質に対
する増大された抵抗性は、紙容器を被覆するのに用いら
れるもののような好適なポリマーまたはワックスの被覆
剤により付与される。
ポリエチレンのようなポリマー被覆剤は一般に低い密
度を有する薄層を形成するのに有用である。低密度ポリ
エチレンは、防水でありおよびある程度まで耐圧でさえ
ある容器を作成するのに特に有用である。ポリマー被覆
剤は、熱封止されるときに接着剤としても利用される。
酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素は、特に酸素およ
び湿気に対する障壁として、有用な被覆剤である。これ
らの被覆剤は当該技術において知られているいかなる手
段を用いても澱粉で結合されたシートに付着することが
でき、高エネルギー電子ビーム蒸着プロセス、化学プラ
ズマ蒸着およびスパッタ蒸着を含む。酸化アルミニウム
または酸化ケイ素塗膜を形成する別の方法は、好適なpH
レベルを有する水溶液で澱粉で結合されたシートを処理
して、シートの組成のためにシート上に酸化アルミニウ
ムまたは酸化ケイ素の形成をもたらすことを含む。
ワックスおよびワックス混合物、特に石油蝋および合
成蝋は、水分、酸素、およびグリースまたは油のような
いくつかの有機液体に対する障壁を提供する。それらは
また容器のような製品を熱シールすることを可能にす
る。石油蝋は食品および飲料の包装において特に有用な
群のワックスであり、および石蝋および微結晶性ワック
スを含む。
D.スコアリングおよび穿孔プロセス いくつかの場合においては、シートが折り畳まれるあ
るいは曲げるところに線を規定するために、シートに選
択的に折り目をつける(score)こと、切れ目を入れる
(score cut)こと、また穿孔することが望ましい。折
り目、切れ目、および穿孔はシート成形の当該技術にお
いて知られている方法を用いてシート内に形成すること
ができる。切れ目はまた連続的打ち抜きローラー(die
cut roller)を用いて作成できる。あるいはまた、折り
目(切れ目ではない)は丸みを帯びたスコーリング押型
または定規を用いてシート内にプレスされてもよい。ス
コーリング押型または定規は単独またはすじ付け台(sc
ore counter)と組み合わせて用いることができる。ス
コーリング定規の形状がシートにすじ付け台の溝の中へ
と変形させる。最後に穿孔は、穿孔カッターを用いて形
成される。
折り目、切れ目、穿孔の目的は、澱粉で結合されたシ
ートの上にシートをより容易に曲げるまたは折ることが
できる場所を作成することである。これはシート内にス
コアされていないまたは穿孔されていないシートで可能
なものよりはるかに大きな曲げ可能性および弾力を有す
る“蝶番”を形成する。いくつかの場合においては、多
重の切れ目または穿孔が望ましい可能性がある。
シート内に切れ目または穿孔を着ることは、多くの理
由によってより良好な折り線を形成する。第1に、それ
はシートがより自然に曲がるまたは折られる場所を提供
する。第2に、切れ目を入れることはスコアのところの
シートを残余のシートよりも薄くして、それはシートを
曲げるときに表面の縦の伸長の量を減少する。表面の伸
長の減少は、澱粉で結合されるマトリックスが折りたた
まれるまたは曲げられるときに破断される傾向を減少す
る。第3に、切れ目または穿孔は、そのマトリックスの
破断が発生する場合に、澱粉で結合されたマトリックス
内の制御された亀裂の形成を可能にする。
切れ目または穿孔が形成される場所において繊維をよ
り高濃度にすることが時には好ましい。これは、切れ目
または穿孔の場所に対応してあらかじめ定められた時間
間隔において、より高い繊維内容物を含有する成形材料
の第2の層を共押出することで実行することができる。
加えて、所望の場所におけるより高い繊維の濃度を達成
するために、押出または圧延プロセス中に、繊維をシー
トの頂面に配置するまたは注入することができる。
澱粉で結合されたシートは、スコーリングまたは穿孔
プロセス中は、実質的に乾燥したまたは半硬化した状態
にあることが好ましい。これは切れ目の中への湿った材
料の移動によって、折り目または穿孔が詰まるのを防止
するために望ましい。スコーリングは一般に(穿孔は常
に)澱粉で結合されるマトリックスの一部を貫いて切る
ことを含むので、スコーリングまたは穿孔プロセスがシ
ートを損なうことなしに、シートはすっかり乾燥してい
ることさえ可能である。しかし、折り目がシート表面を
切るのではなくプレスされる場合においては、シートは
澱粉で結合されるマトリックスの転位のための破損を防
止するのに充分に湿っていなければならない。
切れ目の深さは一般に切れ目の種類、澱粉で結合され
たシートの厚さ、および切れ目の線に沿った所望の曲げ
られる角度に依存する。スコーリング機構は所望の厚さ
のスコアを提供するために調整されなければならない。
もちろん、ダイカッター(die cutter)はシートを実際
に通り抜けるほどに大きくてはならないし、および(容
易に引き裂けるスコアが望ましくないかぎり)それシー
トを薄くしすぎて予期される力に耐えられなくしてはな
らない。好ましくは、切れ目はその目的に適切に合致す
るのにちょうど充分な深さである必要がある。シートの
反対の面のスコア・カットの組み合わせは、曲がる動き
の範囲を増大するいくつかの場合において好ましい。
E.クレープ加工(creping)およびパーチメント化(per
chmenting)プロセス 澱粉で結合されたシートは、突然の歪み速度における
エネルギーを吸収することができる高度に伸長性のある
シートを提供するために、必要に応じて慣用の紙によく
似たクレープ加工をされてもよい。クレープ加工された
シートは輸送袋の生産においてますます重要になってい
る。慣用のクレープ加工は抄紙機の湿潤したプレス・セ
クションにおいて(湿式クレープ)、あるいはヤンキー
(Yankee)乾燥機上で(乾燥クレープ)のいずれかにお
いて実行される。本発明の澱粉で結合されたシートと木
の紙の間で湿式または乾式のクレープ加工プロセスのい
ずれかの正確なパラメータは異なるにもかかわらず、当
業者はクレープ加工された澱粉で結合されたシートを得
るためにどのようにクレープ加工プロセスを調整するか
を認識するであろう。クレープ加工を利用して、より曲
げることが可能なシートを形成すること、および同様に
蝶番を形成することができる。
シートマトリックスの繊維質の表面部分をパーチメン
ト加工するために、澱粉で結合されたシートを強酸で処
理できることを見いだしている。たとえば、シートを濃
硫酸で処理することはセルロース繊維を途方もなく膨張
させ、そして部分的に溶解されるようになることをもた
らす。この状態において、これらの可塑化された繊維は
それらの孔隙に接近して、周囲の空隙を充填し、および
より広範な水素結合のために他の繊維とより密接な接触
を達成する。水ですすぐことは再析出およびネットワー
クの強化をもたらし、乾燥しているよりむしろ強く湿潤
し、リントフリーの、臭気のない、味覚のない、および
グリースおよび油に対する抵抗力のある繊維を与える。
パーチメント加工物の本来の引張の靭性と湿式クレープ
加工により付与される伸長性を組み合わせることによ
り、大きな衝撃吸収能力を有するシートを生産すること
ができる。
本発明においては、シートの繊維内容物が増加するほ
どパーチメント加工プロセスがより良好に作用すると期
待できるだろうと考えられる。増加された繊維含有量は
孔隙を封止することおよび繊維の増大された水素結合を
容易にする。しかし、炭酸カルシウムのような若干の酸
感受性骨材を、シートがパーチメント加工されることに
なっている場合に、おそらく用いるべきではないことを
理解する必要がある。
F.印刷および関連するプロセス 印刷物または、商標、製品情報、容器の明細、または
ロゴのような他の印を澱粉で結合されたシート上に付着
することが望ましい可能性がある。平版、浮き彫り、沈
み彫り、多孔性(porous)、ノンインパクト(impactle
ss)印刷を含めて紙またはボール紙製品の印刷の当該技
術において知られているいかなる慣用の印刷手段または
プロセスを用いても、これを実行できる。加えて、シー
トまたは製品にエンボス加工しても、または透かしを付
与してもよい。、加えて、デカルコマニア(decal)、
ラベルまたは他の印を、当該技術において知られている
方法を用いて澱粉で結合されたシートに貼付または接着
することができる。印刷された印を、必要とされる印刷
プロセスおよび製品の形状に依存して、連続的シート、
個別のシート、積層されたシート、半製品、または完成
した製品に付着してもよい。
IV.澱粉で結合されたシートで作成される製品 上記に示した方法を用いて、多いに変化する特性を有
する広範な範囲のシートを製造することが可能である。
そのシートは、非常に薄く、柔軟で、かつ軽量のシート
が必要とされる場合においては、約0.1mm以下の薄さで
あってもよい。そのシートは同様に、比較的厚く、強
く、かつ硬いシートが必要とされる場合においては約1c
mの厚さであってもよい。加えて、シートは密度におい
て約0.6g/cm3ほどの低さから約2g/cm3ほどの高さまで変
化してもよい。一般に高密度のシートはより強く、一方
低密度のシートはより断熱性が高い。経済的に無理のな
い方法においてそのシートを生産することを可能にする
コストにおいて、所望の特性を有するシートを得るため
に、個々のシートの正確な厚さと密度が事前に設計され
る。
連続的な澱粉で結合されたシートを個々のシートに切
断することに、紙および板紙に利用される切断機構が同
様に利用できる。図8に示すように、シートはプレスに
取り付けられたナイフ・ブレード・カッターの使用によ
り個々のシートへと切断される。切断することは連続的
打ち抜きローラーを用いて、打ち抜き型をシートへとプ
レスすることにより、あるいは当該技術に知られている
他の手段によっても実行することができる。
本発明のシートを、慣用の紙または板紙が用いられて
いるいかなる用途において用いてもよい。加えて、本発
明の澱粉で結合された材料の他に類を見ない特性のため
に、現在プラスティック、ポリスチレン、または金属の
使用さえ必要とする種々の物体を作成することが可能で
ある。
詳細には、本発明のシートは以下の実例となる製品の
製造に用いられる: シリアルの箱、サンドウィッチ容器、“クラム・シェ
ル”容器(ハンバーガーのようなファースト・フードの
サンドウィッチに用いられる蝶番のついた容器を含む
が、これに限定されない)、冷凍食品の箱、ミルクカー
トン、フルーツ・ジュースの容器、ヨーグルトの容器、
飲料のキャリア(ラップアラウンド(wraparound)のカ
ゴ風のキャリア、および“6本パック”リング風のキャ
リアを含むが、これに限定されない)、アイス・クリー
ムのカートン、カップ類(使い捨てのコップ、ツーピー
スのカップ、ワンピースのひだをつけたカップ、および
コーン・カップを含むが、これに限定されない)、ファ
ースト・フードの小売店に用いられるフレンチ・フライ
容器、およびファースト・フードの持ち帰り用の箱のよ
うな、使い捨ておよび非使い捨ての食品または飲料容器
を含む容器; 包装紙、スペーシング材料、スナック食品用の袋のよ
うな柔軟な包装、食料雑貨類のような開口端を有する
袋、乾燥したシリアルの箱のようなカートン類の中の
袋、多層の袋、大袋(sack)、ラップアラウンドの外
被、ふたを展示する製品(特にランチョンミートのよう
な食料品、事務製品、化粧品、ハードウェア・アイテ
ム、および玩具の上方に配置されるプラスティックのふ
た)のための支持カード、(クッキーおよびキャンディ
ー・バーのような)製品を支持するための支持トレー、
缶、テープ、およびラップ(フリーザー・ラップ、タイ
ヤ・ラップ、肉屋のラップ(butcher wrap)、ミート・
ラップ、ソーセージ・ラップを含むが、これに限定され
ない)のような包装材料;段ボール箱、タバコの箱、菓
子類の箱、および化粧品用の箱のような種々のカートン
および箱; (冷凍ジュース濃縮物、オート・ミール、ポテト・チ
ップス、アイス・クリーム、塩、洗剤、モータ油のよう
な)種々の製品用の容器、輸送用の筒、(包装紙、服飾
材料、紙タオル、およびトイレットペーパーのような)
ころがる材料用のシート・チューブ(sheet tube)、お
よびスリーブ管のための、回旋状のすなわち螺旋状に巻
かれた容器; 本、雑誌、パンフレット、封筒、ガム・テープ、葉
書、3環バインダー、ブック・カバー、フォルダー、お
よび鉛筆のような、印刷された材料および事務用品; 皿、蓋、ストロー、食卓用金物、瓶、ジャー、ケー
ス、竹かご、盆、パン焼き用のトレイ、わん、電子レン
ジにかけられるディナートレイ、“TV"ディナートレ
イ、卵のカートン、肉を包装する大皿、使い捨ての平
皿、販売用の平皿、パイ用の平皿、および朝食用の平皿
のような、種々の食事用家庭用品および貯蔵容器; 非常用嘔吐物容器(すなわち“嘔吐袋”)、実質的に
球状の物体、玩具、医療用水薬瓶、アンプル、動物檻、
不燃性の花火の外皮、模型のロケットのエンジンの外
被、模型のロケットおよび果てのない他の物体のような
種々の雑多な製品。
V.好ましい実施の形態の例 以下の実施例を、本発明にしたがって澱粉で結合され
たシートを形成するための組成物および方法をより詳細
に教示するために示す。その例は、シート、容器および
変化する特性および寸法を有するそのシート製の他の製
品を製造するための方法と同様に、種々の混合設計を含
む。
実施例1 高い澱粉含有率のシートを、以下の成分を示した量で
含む成形可能な混合物から調製した。
この実施例で用いられた繊維は南部マツであり、およ
び未変性の澱粉はコーンスターチであり、それは混合物
に添加されるときに糊化していなかった。水、Methoce
l,および繊維を最初にHobert混練−混合機(kneader−m
ixer)内で強い剪断において10分間にわたって混合し
た。その後混合物に澱粉を添加し、それはさらに4分間
にわたり低い剪断において混合された。
その混合物を、脱気するオーガー押出機を用い、30cm
×0.6cmのダイを通して押出して、対応する寸法の幅お
よび厚さを有する連続的シートを形成した。その押出さ
れたシートを次に、形成されるシートに対応するその間
のギャップ間隔を有し、および約70℃に加熱された1対
の圧延ローラーの間を通過させた。その後、その未乾燥
のシートを、コーンスターチを糊化し、およびその未乾
燥のシートから蒸発により水を除去するために、約100
℃を超える温度を有するローラーの間を通過させた。Me
thocelはシート表面に薄皮を形成し、それがシート形成
プロセス中に澱粉がローラーに粘着するのを防止した。
得られたデンプンで結合されるシートは、0.1mmから1mm
までの変化する厚さを有した。
実施例2 高い澱粉含有量を有する無機的に充填されたシートを
以下の成形コンパウンドから調製した。
水、Methocel,および南部マツ繊維をHobert混練−混
合機内で強い剪断において10分間にわたって混合した。
その後、その混合物に炭酸カルシウムおよびコーンスタ
ーチを添加し、それを低い剪断でさらに4分間にわたり
混合した。
その混合物を、脱気するオーガー押出機を用いて30cm
×0.6cmのダイを通して押出され、対応する寸法の幅お
よび厚さを有する連続的なシートを形成した。その押出
されたシートを次に、形成されるシートの厚さに対応す
るその間のギャップ間隔を有する1対の成形/圧延ロー
ラーの間を通過させた。
炭酸カルシウムが低い比表面積を有したので、その混
合物はローラーに対する低い接着力を有した。加えて、
Methocelがシート形成プロセス中に澱粉がローラーに粘
着することを防止した。ローラー温度は実施例1におい
て用いられた温度と同様であった。これらの実施例のシ
ートは、0.23mm、0.3mm、0.38mmおよび0.5mmの厚さを有
した。
実施例3 高い澱粉含有率を有する無機的に充填されたシートを
以下の組成物から調製した。
その組成物およびシートを、実施例2に示した方法で
調製した。この実施例において形成されたシートは、0.
23mm、0.3mm、0.38mmおよび0.5mmの厚さを有した。
実施例4 高い澱粉含有率を有する無機的に充填されたシートを
以下の組成物から調製した。
その組成物およびシートを、実施例2に示した方法で
調製した。この実施例において形成されたシートは、0.
23mm、0.3mm、0.38mmおよび0.5mmの厚さを有した。
実施例5 高い澱粉含有率を有する無機的に充填されたシートを
以下の組成物から調製した。
その組成物およびシートを、実施例2に示した方法で
調製した。この実施例において形成されたシートは、0.
23mm、0.3mm、0.38mmおよび0.5mmの厚さを有した。
実施例6 高い澱粉含有率を有する無機的に充填されたシートを
以下の組成物から調製した。
その組成物およびシートを、実施例2に示した方法で
調製した。この実施例において形成されたシートは、0.
23mm、0.3mm、0.38mmおよび0.5mmの厚さを有した。
実施例7 高い澱粉含有率を有する無機的に充填されたシートを
以下の組成物から調製した。
その組成物およびシートを、実施例2に示した方法で
調製した。この実施例において形成されたシートは、0.
23mm、0.3mm、0.38mmおよび0.5mmの厚さを有した。
実施例8 高い澱粉含有率を有する無機的に充填されたシートを
以下の組成物から調製した。
その組成物およびシートを、実施例2に示した方法で
調製した。この実施例において形成されたシートは、0.
23mm、0.3mm、0.38mmおよび0.5mmの厚さを有した。
実施例9 高い澱粉含有率を有する無機的に充填されたシートを
以下の組成物から調製した。
その組成物およびシートを、実施例2に示した方法で
調製した。この実施例において形成されたシートは、0.
23mm、0.3mm、0.38mmおよび0.5mmの厚さを有した。
実施例10 高い澱粉含有率を有する無機的に充填されたシートを
以下の組成物から調製した。
その組成物およびシートを、実施例2に示した方法で
調製した。この実施例において形成されたシートは、0.
23mm、0.3mm、0.38mmおよび0.5mmの厚さを有した。
実施例11 高い澱粉含有率を有する無機的に充填されたシートを
以下の組成物から調製した。
その組成物およびシートを、実施例2に示した方法で
調製した。この実施例において形成されたシートは、0.
23mm、0.3mm、0.38mmおよび0.5mmの厚さを有した。
実施例12 高い澱粉含有率を有するシートを、以下の成分を示し
た量で含む成形可能な混合物から調製した。
水、Methocel,および繊維を最初にHobert混練−混合
機内で強い剪断において10分間にわたって混合した。そ
の後、澱粉をその混合物に添加して、それを低い剪断に
おいてさらに4分間にわたって混合した。シートを実施
例2に示した方法で調製した。この実施例において形成
されたシートは0.23mm、0.3mm、0.38mmおよび0.5mmの厚
さを有した。
実施例13 著しい量の澱粉を含有するシートを、8000gの水およ
び以下の成分を含む成形コンパウンドから製造した。
シートを上記のように製造した。そのシートは0.010
インチから0.050インチまでの範囲の厚さおよび1.11g/c
m3の密度を有した。
0.010インチの厚さを有するシートで普通の木の紙か
ら作成されたカップに似たカップを製造した。普通の紙
のカップは、被覆されないカップ当り1.101セント、お
よび紙素材をワックスで被覆したカップ当り1.410セン
トの金額がかかった。本発明のシートの製造に用いられ
た組成物は、被覆されないカップ当り1.270セント、お
よびワックスで被覆されたカップ当り1.455セントの金
額がかかった。被覆されない本発明のカップは紙のカッ
プのコストの115%であり、一方、本発明のカップにお
いてはるかに少ない被覆材料を用いることができること
のために、本発明の被覆されたカップは紙のカップのコ
ストの103%に過ぎなかった。
以下の表は、カップに成形されたシートを作成するの
に用いられた種々の成分のコストを比較する。その表
は、全体のコスト、カップ当りの単位原価および乾燥バ
ッチ中の成分のそれぞれのコスト割合を表にする(水の
コストは無視できると仮定している)。
本発明のシートを製造するのに用いられた成形コンパ
ウンドが成形コンパウンドの乾燥重量の5.9%のMethoce
l240を含んだにすぎないにもかかわらず、それはシート
を製造するための材料費の39%を構成したことを、上記
の表が示している。一方、コーンスターチは成形コンパ
ウンドの乾燥重量の43.3%を構成したとはいえ、それは
総材料費の9%を構成したに過ぎなかった。Methocel24
0はポンド当たり2.75ドルの金額がかかり、一方コーン
スターチはポンド当たり0.09ドルの金額がかかるに過ぎ
ず、Methocelを澱粉で置換することが本発明のシートを
製造する際に費やされる材料費を大きく削減することを
明らかに示している。
実施例14 比較の問題として、澱粉を含まないが代りにメチルセ
ルロースを増加した以下の組成物からシートを製造し
た。加えて、その組成物は、それは一般にすべての成分
の中で最も安価なものである、大量の無機充填剤を含ん
だ。水は11kgの量で含んだ。
大量の無機充填剤の包含にもかかわらず、材料費の70
%に相当する800gのMethocel240の使用は、被覆されな
いカップそれぞれの単位原価を1.509セントに、および
被覆されたカップそれぞれの単位原価を1.694セントに
増大させた。無機充填剤はシートの密度を1.70g/cm3
で増大させた。
実施例15 この実施例で用いた成形コンパウンドは、硬木および
軟木の繊維の50/50混合物をこの実施例において用いた
ことを除いて、すべての点で実施例13において用いられ
た組成物と同一であった。得られたシートは実施例14の
それと同様であった。この実施例のシートからカップを
作成することの材料費は、実施例13のシートからカップ
を作成することのコストと事実上同一であった。
実施例16 この実施例で用いた成形コンパウンドは、マニラ麻の
繊維をこの実施例において用いたことを除いて、すべて
の点で実施例13において用いられた組成物と同一であっ
た。この実施例のシートからカップを作成する材料費
は、実施例13のシートからカップを作成する材料費と事
実上同一であった。
実施例17 この実施例で用いられる成形コンパウンドは、この実
施例でわずか1200gの軟木の繊維が用いられたことを除
いて、すべての点で実施例13の組成物と同一であった。
この実施例のシートからカップを作成する材料費は、実
施例13のシートからカップを作成するコストよりわずか
に多かった。
実施例18 7000gの水を含有する以下の組成物を用いたことを除
いて実施例13の方法にしたがってシートを製造した。
得られたシートは1.37g/cm3の密度を有した。この実
施例のシートから作成される被覆されないカップの単位
原価は0.970セントであり、および被覆されたカップは
1.155セントであった。それらはそれぞれ、被覆されな
いおよび被覆された紙のカップのコストの88%および82
%である。
実施例19 CaCO3の量を3000gに増加すると同時に他の成分を一定
に保持したことを除いて、実施例18の組成物と同様の組
成物を用いてシートを製造した。得られたシートは1.49
g/cm3の密度を有した。この実施例のシートから作成さ
れる被覆されないカップの単位原価は0.846セントであ
り、および被覆されたカップは1.031セントであった。
それらはそれぞれ、被覆されないおよび被覆された紙の
カップのコストの77%および73%である。
実施例20 8000gの水を含有する以下の組成物を用いたことを除
いて、実施例13の方法にしたがってシートを製造した。
得られたシートは1.53g/cm3の密度を有した。この実
施例のシートから作成される被覆されないカップの単位
原価は0.760セントであり、および被覆されたカップは
0.945セントであった。それらはそれぞれ、被覆されな
いおよび被覆された紙のカップのコストの69%および67
%である。
実施例21 300gのグリセリンのさらなる含有を除いて、実施例20
の組成物とすべての点で同様の組成物からシートを製造
した。得られたシートは1.49g/cm3の密度を有した。こ
の実施例のシートから作成される被覆されないカップの
単位原価は0.846セントであり、および被覆されたカッ
プは1.031セントであった。それらはそれぞれ、被覆さ
れないおよび被覆された紙のカップのコストの77%およ
び73%である。
実施例22 コーンスターチの濃度を2500gに増加したことおよび
水の量を9500gに増加したことを除いて、実施例20の組
成物とすべての点で同様の組成物からシートを製造し
た。得られたシートは1.51g/cm3の密度を有した。この
実施例のシートから作成される被覆されないカップの単
位原価は0.729セントであり、および被覆されたカップ
は0.914セントであった。それらはそれぞれ、被覆され
ないおよび被覆された紙のカップのコストの66%および
65%である。澱粉の量を増加することはカップの単位原
価をさらにわずかに減少する効果を有した。
実施例23 Methocel240の濃度を100gに減少したことおよび水の
量を9000gに減少したことを除いて、すべての点で実施
例22と同様の組成物からシートを製造した。得られたシ
ートは1.52g/cm3の密度を有した。この実施例のシート
から作成される被覆されないカップの単位原価は0.620
セントであり、および被覆されたカップは0.850セント
であった。それらはそれぞれ、被覆されないおよび被覆
された紙のカップのコストの56%および57%である。Me
thocel240の量を減少することはカップの単位原価を大
いに減少する効果を有した。
実施例24 9000gの水を含有する以下の組成物を用いたことを除
いて、実施例13の方法にしたがってシートを作成した。
得られたシートは1.44g/cm3の密度を有した。この実
施例のシートから作成される被覆されないカップの単位
原価は0.636セントであり、および被覆されたカップは
0.821セントであった。それらはそれぞれ、被覆されな
いおよび被覆された紙のカップのコストの58%および58
%である。
実施例25 グリセリン100gを用いたことを除いて、すべての点で
実施例24の組成物と同様の組成物からシートを製造し
た。得られたシートは1.43g/cm3の密度を有した。この
実施例のシートから作成される被覆されないカップの単
位原価は0.667セントであり、および被覆されたカップ
は0.852セントであった。それらはそれぞれ、被覆され
ないおよび被覆された紙のカップのコストの61%および
60%である。
実施例26 グリセリン含有量を200gに増加したことを除いて、す
べての点で実施例25の組成物と同様の組成物からシート
を製造した。得られたシートは1.42g/cm3の密度を有し
た。この実施例のシートから作成される被覆されないカ
ップの単位原価は0.696セントであり、および被覆され
たカップは0.881セントであった。それらはそれぞれ、
被覆されないおよび被覆された紙のカップのコストの63
%および63%である。
実施例27 グリセリン含有量を300gにさらに増加したことを除い
て、すべての点で実施例26の組成物と同様の組成物から
シートを製造した。得られたシートは1.41g/cm3の密度
を有した。この実施例のシートから作成される被覆され
ないカップの単位原価は0.725セントであり、および被
覆されたカップは0.910セントであった。それらはそれ
ぞれ、被覆されないおよび被覆された紙のカップのコス
トの65%および65%である。
実施例28 9000gの水を含有する以下の組成物を用いたことを除い
て、実施例13の方法にしたがってシートを製造した。
得られたシートは1.55g/cm3の密度を有した。この実
施例のシートから作成される被覆されないカップの単位
原価は0.695セントであり、および被覆されたカップは
0.880セントであった。それらはそれぞれ、被覆されな
いおよび被覆された紙のカップのコストの63%および62
%である。
実施例29 グリセリンの含有量を400gに増加したことを除いて、
すべての点で実施例28の組成物と同様の組成物からシー
トを製造した。得られたシートは1.54g/cm3の密度を有
した。この実施例のシートから作成される被覆されない
カップの単位原価は0.723セントであり、および被覆さ
れたカップは0.908セントであった。それらはそれぞ
れ、被覆されないおよび被覆された紙のカップのコスト
の66%および64%である。
実施例30 グリセリンを除去したことを除いて、すべての点で実
施例28の組成物と同様の組成物からシートを製造した。
得られたシートは1.59g/cm3の密度を有した。この実施
例のシートから作成される被覆されないカップの単位原
価は0.605セントであり、および被覆されたカップは0.7
90セントであった。それらはそれぞれ、被覆されないお
よび被覆された紙のカップのコストの55%および56%で
ある。
実施例31 組成物中に用いられるMethocel240の量を200gに増加
したことおよび水を10kgに増加したことを除いて、すべ
ての点で実施例30の組成物と同様の組成物からシートを
製造した。得られたシートは1.58g/cm3の密度を有し
た。この実施例のシートから作成される被覆されないカ
ップの単位原価は0.714セントであり、および被覆され
たカップは0.899セントであった。それらはそれぞれ、
被覆されないおよび被覆された紙のカップのコストの65
%および64%である。
実施例32 水の含有量を9000gに減少したことを除いて、すべて
の点で実施例31の組成物と同様の組成物からシートを製
造した。得られたシートは1.58g/cm3の密度を有した。
この実施例のシートから作成される被覆されないカップ
の単位原価は0.714セントであり、および被覆されたカ
ップは0.899セントであった。それらはそれぞれ、被覆
されないおよび被覆された紙のカップのコストの65%お
よび64%である。水含有量は新規に形成されたシートの
特性に基づいた最適値である。
実施例33 300gのグリセリンを用いたことを除いて、すべての点
で実施例32の組成物と同様の組成物からシートを製造し
た。得られたシートは1.54g/cm3の密度を有した。この
実施例のシートから作成される被覆されないカップの単
位原価は0.797セントであり、および被覆されたカップ
は0.982セントであった。それらはそれぞれ、被覆され
ないおよび被覆された紙のカップのコストの72%および
70%である。
実施例34 400gのグリセリンを用いたことを除いて、すべての点
で実施例32の組成物と同様の組成物からシートを製造し
た。得られたシートは1.53g/cm3の密度を有した。この
実施例のシートから作成される被覆されないカップの単
位原価は0.822セントであり、および被覆されたカップ
は1.007セントであった。それらはそれぞれ、被覆され
ないおよび被覆された紙のカップのコストの75%および
71%である。
実施例35 500gのグリセリンを用いたことを除いて、すべての点
で実施例32の組成物と同様の組成物からシートを製造し
た。得られたシートは1.52g/cm3の密度を有した。この
実施例のシートから作成される被覆されないカップの単
位原価は0.847セントであり、および被覆されたカップ
は1.032セントであった。それらはそれぞれ、被覆され
ないおよび被覆された紙のカップのコストの77%および
73%である。
実施例36 9000gの水を含有する以下の組成物を用いたことを除
いて、実施例13の方法にしたがってシートを製造した。
得られたシートは1.14g/cm3の密度を有した。この実
施例のシートから作成される被覆されないカップの単位
原価は0.762セントであり、および被覆されたカップは
0.947セントであった。それらはそれぞれ、被覆されな
いおよび被覆された紙のカップのコストの69%および67
%である。
実施例37 8000gの水を含有する以下の組成物を用いたことを除
いて、実施例13の方法にしたがってシートを製造した。
得られたシートは1.65g/cm3の密度を有した。この実
施例のシートから作成される被覆されないカップの単位
原価は0.644セントであり、および被覆されたカップは
0.829セントであった。それらはそれぞれ、被覆されな
いおよび被覆された紙のカップのコストの59%および59
%である。
実施例38 8000gの水を含有する以下の組成物を用いたことを除
いて、実施例13の方法にしたがってシートを製造した。
得られたシートは1.12g/cm3の密度を有した。この実
施例のシートから作成される被覆されないカップの単位
原価は0.827セントであり、および被覆されたカップは
1.012セントであった。それらはそれぞれ、被覆されな
いおよび被覆された紙のカップのコストの75%および72
%である。
実施例39 用いられたグリセリンの量を400gに増加したことを除
いて、すべての点で実施例38の組成物と同様の組成物か
らシートを製造した。得られたシートは1.11g/cm3の密
度を有した。この実施例のシートから作成される被覆さ
れないカップの単位原価は0.886セントであり、および
被覆されたカップは1.071セントであった。それらはそ
れぞれ、被覆されないおよび被覆された紙のカップのコ
ストの80%および76%である。
実施例40 8500gの水を含有する以下の組成物を用いたことを除
いて、実施例13の方法にしたがってシートを製造した。
得られたシートは1.22g/cm3の密度を有した。この実
施例のシートから作成される被覆されないカップの単位
原価は0.711セントであり、および被覆されたカップは
0.896セントであった。それらはそれぞれ、被覆されな
いおよび被覆された紙のカップのコストの65%および64
%である。
実施例41 CaCO3の量を1500gに増加したことおよび水を8750gに
増加したことを除いて、すべての点で実施例40の組成物
と同様の組成物からシートを製造した。得られたシート
は1.26g/cm3の密度を有した。この実施例のシートから
作成される被覆されないカップの単位原価は0.688セン
トであり、および被覆されたカップは0.873セントであ
った。それらはそれぞれ、被覆されないおよび被覆され
た紙のカップのコストの62%および62%である。
実施例42 CaCO3の量を2000gに増加したことを除いて、すべての
点で実施例40の組成物と同様の組成物からシートを製造
した。得られたシートは1.29g/cm3の密度を有した。こ
の実施例のシートから作成される被覆されないカップの
単位原価は0.667セントであり、および被覆されたカッ
プは0.852セントであった。それらはそれぞれ、被覆さ
れないおよび被覆された紙のカップのコストの61%およ
び60%である。
実施例43 CaCO3の量を3000gに増加したこと、Methocel240を150
gに、および水を9500gに増加したことを除いて、すべて
の点で実施例40の組成物と同様の組成物からシートを製
造した。得られたシートは1.36g/cm3の密度を有した。
この実施例のシートから作成される被覆されないカップ
の単位原価は0.680セントであり、および被覆されたカ
ップは0.866セントであった。それらはそれぞれ、被覆
されないおよび被覆された紙のカップのコストの62%お
よび61%である。
実施例44 水の量を10kgに増加したことを除いて、すべての点で
実施例43の組成物と同様の組成物からシートを製造し
た。その組成物はシート形成プロセスのための最適値と
思われた。
実施例45 CaCO3の量を3000gに増加したこと、Methocel240を200
gに、および水を10.5kgに増加したことを除いて、すべ
ての点で実施例40の組成物と同様の組成物からシートを
製造した。得られたシートは1.35g/cm3の密度を有し
た。この実施例のシートから作成される被覆されないカ
ップの単位原価は0.732セントであり、および被覆され
たカップは0.917セントであった。それらはそれぞれ、
被覆されないおよび被覆された紙のカップのコストの66
%および65%である。
実施例46 200gのグリセリンを用いたことおよび成形コンパウン
ド中の水の量を10kgに増加したことを除いて、すべての
点で実施例43の組成物と同様の組成物からシートを製造
した。得られたシートは1.34g/cm3の密度を有した。こ
の実施例のシートから作成される被覆されないカップの
単位原価は0.735セントであり、および被覆されたカッ
プは0.920セントであった。それらはそれぞれ、被覆さ
れないおよび被覆された紙のカップのコストの67%およ
び65%である。
実施例47 400gのグリセリンを用いたことおよび成形コンパウン
ド中の水の量を10kgに増加したことを除いて、すべての
点で実施例43の組成物と同様の組成物からシートを製造
した。得られたシートは1.32g/cm3の密度を有した。こ
の実施例のシートから作成される被覆されないカップの
単位原価は0.787セントであり、および被覆されたカッ
プは0.927セントであった。それらはそれぞれ、被覆さ
れないおよび被覆された紙のカップのコストの71%およ
び69%である。
実施例48 600gのグリセリンを用いたことおよび成形コンパウン
ド中の水の量を10kgに増加したことを除いて、すべての
点で実施例43の組成物と同様の組成物からシートを製造
した。得られたシートは1.30g/cm3の密度を有した。こ
の実施例のシートから作成される被覆されないカップの
単位原価は0.835セントであり、および被覆されたカッ
プは1.020セントであった。それらはそれぞれ、被覆さ
れないおよび被覆された紙のカップのコストの76%およ
び72%である。
実施例49 11kgの水を含有する以下の組成物を用いたことを除い
て、実施例13の方法にしたがってシートを製造した。
得られたシートは1.35g/cm3の密度を有した。この実
施例のシートから作成される被覆されないカップの単位
原価は0.832セントであり、および被覆されたカップは
1.017セントであった。それらはそれぞれ、被覆されな
いおよび被覆された紙のカップのコストの76%および72
%である。
実施例50 Methocel240の量を250gに減少したことおよび水を10k
gに減少したことを除いて、すべての点で実施例49の組
成物と同様の組成物からシートを作成した。得られたシ
ートは1.35g/cm3の密度を有した。この実施例のシート
から作成される被覆されないカップの単位原価は0.782
セントであり、および被覆されたカップは0.967セント
であった。それらはそれぞれ、被覆されないおよび被覆
された紙のカップのコストの71%および69%である。
実施例51 Methocel240の量を150gに増加したことおよび水を850
0gに減少したことを除いて、実施例36の組成物とすべて
の点で同様の組成物からシートを作成した。得られたシ
ートは1.14g/cm3の密度を有した。この実施例のシート
から作成される被覆されないカップの単位原価は0.825
セントであり、および被覆されたカップは1.010セント
であった。それらはそれぞれ、被覆されないおよび被覆
された紙のカップのコストの75%および72%である。
実施例52 Methocel240の量を200gに増加したことを除いて、実
施例36の組成物とすべての点で同様の組成物からシート
を作成した。得られたシートは1.14g/cm3の密度を有し
た。この実施例のシートから作成される被覆されないカ
ップの単位原価は0.888セントであり、および被覆され
たカップは1.073セントであった。それらはそれぞれ、
被覆されないおよび被覆された紙のカップのコストの81
%および76%である。
以下の実施例において、非常に薄いシート(複数)を
形成し、それらは、それらを同様の厚さおよび重量の
紙、板紙、プラスティック、ポリスチレン、または金属
シートに非常に類似した使用に好適にする多くの特徴お
よび特性を有する。所望の特性を、微細構造工学のアプ
ローチを用いてシート内に設計する。これは前述の慣用
の材料を用いて現在製造される大量に生産されるシート
類似の物体において一般的に不可能な特性を含む、種々
の所望の特性を有するシートの製造を可能にする。
実施例53〜58 種々の製品(食料または飲料の容器を含む)に成形する
ことができるシートを実施例1〜52に記載されたプロセ
スにしたがって製造した。硬化されたシートを仕上げを
し、必要に応じて被覆し、そして次に多くの別個の食料
および飲料の容器へと成形した。
たとえば、(ファースト・フードの飲食店で冷たいソ
フト・ドリンク類がその中に分配されるもののような)
“コールド・カップ(cold cup)”は、シートから適切
な半製品を切り分けること、その半製品をカップの形状
に巻くこと、およびその巻かれた半製品の端を慣用の水
をベースにした糊を用いて接着することによって作成さ
れる。円盤をカップの底に配置し、カップの底を決まっ
た場所に保持するために巻かれた壁の部分の底をかしめ
る。カップの縁を曲げて、縁を強化しおよびより滑らか
な飲用の表面を作成する。0.3mmの厚さを有するシート
を、カップを作成するのに用いることができる。
(ファースト・フード産業においてハンバーガーを包
装するのに現在用いられているもののような)“クラム
・シェル”容器は、シートから適切な半製品を切り分け
ること、その半製品に切れ目を入れて所望の折り線を形
成すること、その半製品をクラム・シェル容器の形状に
折り畳むこと、およびその折り畳まれた半製品の端を接
着するかまたは組み合わせて容器の完全性を維持するこ
とによって形成される。0.4mmの厚さを有するシート
を、クラム・シェル容器を作成するのに用いることがで
きる。
(ファースト・フード産業において調理したフレンチ
フライを出すために用いられるような)フレンチ・フラ
イ容器は、シートを適切な半製品に切り分けること、そ
の半製品に切れ目を入れて所望の折り線を形成するこ
と、その半製品をフレンチ・フライ容器の形状に折り畳
むこと、およびその折り畳まれた半製品の端を接着剤を
用いて接着して容器の完全性を維持することによって形
成される。0.4mmの厚さを有するシートを、フレンチ・
フライ容器を作成するのに用いることができる。
(冷凍食品を包装するのにスーパーマーケットで用い
られるもののような)冷凍食品の箱は、シートを適切な
半製品に切り分けること、その半製品に切れ目を入れて
所望の折り線を形成すること、その半製品を冷凍食品の
箱の形状に折り畳むこと、およびその折り畳まれた半製
品の端を接着剤を用いて接着してその箱の完全性を維持
することによって作成される。0.5mmの厚さを有するシ
ートを、冷凍食品の箱を作成するのに用いることができ
る。
冷たいシリアルの箱は、0.3mmの厚さのシートから適
切な半製品を切り分けること、その半製品に切れ目を入
れて所望の折り線を形成すること、その半製品を冷たい
シリアルの箱の形状に折り畳むこと、およびその折り畳
まれた半製品の端を接着剤を用いて接着してそのシリア
ルの箱の完全性を維持することによって作成される。
飲用のストローは、0.25mmのシートの一片をストロー
の形状へと巻くことおよびその端を接着することで形成
される。ストローを形成する際には、上記に示した容器
のそれぞれをけいせいする際のように、シートの高度の
柔軟性を維持するために、シートの水分含有量を制御す
ることが有利である。その高度の柔軟性がシートが割れ
ることおよび引き裂かれることを最小限にする。
容器のそれぞれを作成するのに用いられたシートの厚
さを含めて、そのように形成された容器を以下に示す。実施例 容器 シートの厚さ 53 コールド・カップ 0.3mm 54 クラム・シェル 0.4mm 55 フレンチ・フライ容器 0.4mm 56 冷凍食品の箱 0.5mm 57 冷たいシリアルの箱 0.3mm 58 飲用のストロー 0.25mm 実施例59 実施例53にしたがって作成されたコールド・カップ
を、業務用のワックスコーティングマシンに通して、そ
こでその表面にワックスの均一の層を付着させた。その
ワックスの層はカップの表面を湿気から完全に密封しそ
してそれを防水性にする。
実施例60 実施例53にしたがって作成したコールド・カップを、
微細なスプレーノズルを用いて、アクリル被覆剤で被覆
した。実施例59のワックスと同様に、アクリル被覆剤の
層がカップの表面を湿気から完全に密封し、それを防水
性にする。アクリル被覆剤は、それがワックス被覆ほど
目に見えないという付加的な利点を有する。より薄いア
クリル被覆が可能なので、そのカップはほとんど被覆さ
れていないように見える。異なる種類のアクリル被覆剤
を用いることによって、カップの光沢を制御することが
できる。
実施例61〜62 実施例54にしたがって作成されたクラム・シェル容器
を、実施例59〜60においてコールド・カップを被覆する
のに用いた同一の被覆材料で、代りに被覆する。その結
果は、被覆されたカップで達成されたものと実質的に同
一である。実施例 被覆材料 61 ワックス 62 アクリル 実施例63 0.25mmと0.5mmの間の変化する厚さのシートを実施例
1〜52のプロセスにしたがって形成する。それぞれの厚
さの乾燥シートを円形に切断し、そして紙素材からその
ようなプレートを作成するのに用いられる順送り型(pr
ogressive die)を取り付けられた業務用の機械プレス
を用いて使い捨てのプレートへと成形した。成形された
プレートは、慣用の紙製のプレートに比較して、形状、
強度および外観において実質的に同様である。しかし、
澱粉で結合されたシートから作成されたプレートは慣用
の紙のプレートより剛直であり、そしてそれゆえにその
プレートの上または内部に食品が置かれるときにより大
きな構造的完全性を有する。
実施例64 上記に示した混合設計の任意のものを用いたデンプン
で結合されたシートを用いた、雑誌またはパンフレット
のような印刷された読書用の材料を製造する。そのよう
な雑誌およびパンフレットは、より厚くより柔軟でない
シートと同様に、より薄くより柔軟なシートの双方を含
有する。より薄くより柔軟なシートは約0.025〜0.05mm
の厚さを有し、一方より厚くより柔軟でないシートは約
0.1〜0.2mmの厚さを有する。
実施例65 上記の組成物の任意のものを用いて、2枚の平面状の
シートの間に挟まれたひだを付けた内部構造を含有する
波形板を形成する。平面状の外側シートは材料を適切な
厚さの平面状のシートに圧延することによって形成され
る。波形のすなわちひだを付けた内部シート(通常の段
ボール箱のひだを付けたすなわち波形の内部シートと類
似しているもの)は、硬化されたまたは再加湿されたか
のいずれかの適切な厚さの澱粉で結合されたシートを、
互いにかみ合う波形の表面または歯を有する1対のロー
ラーを通過させることにより形成される。
波形のシートの表面に糊を付着して、それを次に2枚
の平面状のシートに挟みそして硬化させる。その波形の
/サンドイッチ状のシート構成物は、慣用の段ボール紙
のシートに比較して、強度、靭性および剛性の優れた特
性を有する。
VI.要約 上記のことから、本発明が低コストの環境的にやさし
いシートを製造するための組成物および方法を提供し、
そのシートが紙、板紙、ポリスチレン、プラスティック
または金属シートを同様の特性を有することを認識する
ことができる。
加えて、紙、板紙、ポリスチレン、プラスティック、
または金属シートから製品を形成するのに現在用いられ
ている現存する製造装置および技術を用いて種々の容器
または他の製品へと成形することができるシートを製造
するための組成物および方法を、本発明が提供する。
さらに、本発明は環境的にやさしいシートを製造する
ための組成物および方法を提供し、それらシートは慣用
の紙を作成するのに用いられる典型的なスラリーに含有
される水のほんの少量を含有し、およびシート形成プロ
セス中に大量の脱水を必要としない成形コンパウンドか
ら形成される。
加えて、本発明は、容易に生分解可能である、および
/または地中に見いだされる物質のみへと分解可能であ
るシートを、それから作成される容器および他の製品と
同様に提供する。
さらに、紙、プラスティック、または金属製品を製造
する現存の方法のコストと同等であるかあるいはいっそ
う低いコストにおいてシート、容器およびそれから作成
される他の製品の製造を可能にする組成物および方法
を、本発明が提供する。
特に、紙、プラスティック、または金属において見い
だされる所望の特徴を有する製品を製造するためのエネ
ルギー要求条件および初期資本投資コストを、本発明は
削減する。
本発明はさらに、シート内に比較的大量の澱粉を含有
することを可能にし、同時に成形するまたはシートを形
成する装置に対する澱粉、特に糊化した澱粉の粘着に関
連する問題点を克服する組成物および方法を提供する。
さらに、本発明は前述のシート内に必要に応じて著し
い量の天然の無機鉱物の充填剤の含有を可能にする組成
物および方法を提供する。
最後に、本発明は大量の無機充填剤を有する初期の材
料に比較して、より大きな柔軟性、引張強さ、靭性、成
形可能性、および大量生産性を有する無機的に充填され
たシートを製造するための組成物および方法を提供す
る。
本発明はその真髄または本質的特徴から離れることな
く他の具体的な形態において実施される可能性がある。
記載された実施の形態はすべての点においてただ単に例
示的であり、かつ限定的でないとみなすべきである。し
たがって、本発明の範囲は上記の記載によってよりもむ
しろ添付される請求の範囲によって示されるべきであ
る。請求の範囲の意味および均等の範囲内にあるすべて
の変更は本発明の範囲内に包含されるべきである。
なお、本発明の態様は以下の通りである。
1.(a)水と; (b)組成物の全固体の約5重量%から約90重量%まで
の範囲の濃度を有する糊化していない澱粉粒と; (c)組成物の全固体の約0.5重量%から約10重量%ま
での範囲の濃度を有するセルロース系エーテルと; (d)組成物の全固体の約20重量%より大きい濃度を有
する無機鉱物の充填剤と; (e)組成物の全固体の約3重量%から約40重量%まで
の範囲の濃度を有する繊維質材料であって、組成物全体
にわたって実質的に均一に分散されている前記繊維質材
料と を含むことを特徴とする澱粉で結合されたシートを作成
するための組成物。
2.前記澱粉粒が前記組成物の全固体の約15重量%から約
80重量%までの範囲で含まれることを特徴とする1.に記
載の組成物。
3.前記澱粉粒が前記組成物の全固体の約30重量%から約
70重量%までの範囲で含まれることを特徴とする1.に記
載の組成物。
4.前記澱粉粒がジャガイモの澱粉を含むことを特徴とす
る1.に記載の組成物。
5.前記澱粉粒がコーンスターチを含むことを特徴とする
1.に記載の組成物。
6.前記澱粉粒がモチトウモロコシの澱粉を含むことを特
徴とする1.に記載の組成物。
7.前記セルロース系エーテルが前記組成物の全固体の約
1重量%から約5重量%までの範囲で含まれることを特
徴とする1.に記載の組成物。
8.前記セルロース系エーテルが、メチルヒドロキシエチ
ルセルロース、ヒドロキシメチルエチルセルロース、カ
ルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、エチル
セルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシ
エチルプロピルセルロース、およびそれらの混合物また
は誘導体から成る群から選択されることを特徴とする1.
に記載の組成物。
9.前記組成物が、プロラミン、コラーゲン、ゼラチン、
ニカワ、カゼイン、およびそれらの混合物または誘導体
から成る群から選択されるタンパク質をベースとする結
合剤をさらに含むことを特徴とする1.に記載の組成物。
10.前記組成物が、アルギン酸、フィココロイド、寒
天、アラビアゴム、ガーゴム、ローカストビンゴム、カ
ラヤゴム、トラガカントゴムおよびそれらの混合物また
は誘導体から成る群から選択される多糖類をさらに含む
ことを特徴とする1.に記載の組成物。
11.前記組成物が、ポリビニルピロリドン、ポリエチレ
ングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルメチ
ルエーテル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸の塩、ポ
リビニルアクリル酸、ポリビニルアクリル酸の塩、ポリ
アクリルイミド、ポリ乳酸、エチレンオキシド重合体、
ラテックス、およびそれらの混合物または誘導体から成
る群から選択される合成の有機結合剤をさらに含むこと
を特徴とする1.に記載の組成物。
12.前記無機鉱物の充填剤が前記組成物の全固体の約20
重量%から約80重量%までの範囲で含まれることを特徴
とする1.に記載の組成物。
13.前記無機鉱物の充填剤が前記組成物の全固体の約30
重量%から約70重量%までの範囲で含まれることを特徴
とする1.に記載の組成物。
14.前記無機鉱物の充填剤が、粘土、石膏、炭酸カルシ
ウム、雲母、シリカ、アルミナ、砂、砂利、砂岩、石灰
岩およびそれらの混合物から成る群から選択されること
を特徴とする1.に記載の組成物。
15.前記無機鉱物の充填剤が、あらかじめ定められた自
然な充填密度を達成するためにその大きさが最適化され
ている個々の粒子で構成されることを特徴とする1.に記
載の組成物。
16.前記無機鉱物の充填剤の前記自然な充填密度が約0.6
5より大きいことを特徴とする15.に記載の組成物。
17.前記無機鉱物の充填剤が、真珠岩、バーミキュライ
ト、中空ガラス球、多孔性セラミック球、軽石、および
それらの混合物から成る群から選択されることを特徴と
する1.に記載の組成物。
18.前記繊維質材料が前記組成物の全固体の約5重量%
から約30重量%までの範囲の濃度で含まれることを特徴
とする1.に記載の組成物。
19.前記繊維質材料が前記組成物の全固体の約7重量%
から約20重量%までの範囲の濃度で含まれることを特徴
とする1.に記載の組成物。
20.前記繊維質材料が、大麻の繊維、綿の繊維、バガス
の繊維、マニラ麻の繊維、亜麻、南部マツの繊維、南部
硬木の繊維、およびそれらの混合物から成る群から選択
される有機繊維を含むことを特徴とする1.に記載の組成
物。
21.前記繊維質材料が、ガラス繊維、シリカ繊維、セラ
ミックの繊維、炭素繊維、金属繊維、およびそれらの混
合物から成る群から選択される無機繊維を含むことを特
徴とする1.に記載の組成物。
22.前記繊維質材料が、少なくとも約10:1のアスペクト
比を有する個々の繊維を含むことを特徴とする1.に記載
の組成物。
23.前記繊維質材料が、少なくとも約100:1のアスペクト
比を有する個々の繊維を含むことを特徴とする1.に記載
の組成物。
24.前記組成物が、約2kPaより大きな降伏応力を有する
ことを特徴とする1.に記載の組成物。
25.前記組成物が、約100kPaより大きな降伏応力を有す
ることを特徴とする1.に記載の組成物。
26.前記澱粉粒がゲル化温度を有し、かつ前記セルロー
ス系エーテルが熱析出温度を有して、前記澱粉粒のゲル
化温度が前記セルロース系エーテルの熱ゲル化温度より
も高くすることを特徴とする1.に記載の組成物。
27.前記組成物が、組成物中の固体の約6重量%から約9
0重量%までの範囲の有機結合剤の合計濃度を有するこ
とを特徴とする1.に記載の組成物。
28.前記組成物が、組成物中の固体の約20重量%から約8
0重量%までの範囲の有機結合剤の合計濃度を有するこ
とを特徴とする1.に記載の組成物。
29.前記組成物が、組成物中の固体の約30重量%から約6
0重量%までの範囲の有機結合剤の合計濃度を有するこ
とを特徴とする1.に記載の組成物。
30.水が前記組成物の約5重量%から約80重量%までの
範囲の濃度を有することを特徴とする1.に記載の組成
物。
31.水が前記組成物の約10重量%から約70重量%までの
範囲の濃度を有することを特徴とする1.に記載の組成
物。
32.水が前記組成物の約20重量%から約50重量%までの
範囲の濃度を有することを特徴とする1.に記載の組成
物。
33.分散剤をさらに含むことを特徴とする1.に記載の組
成物。
34.可塑剤をさらに含むことを特徴とする1.に記載の組
成物。
35.澱粉で結合されたシートを作成するための組成物で
あって、 (a)前記組成物が約2kPaから約5MPaまでの範囲の降伏
応力を有するようにする濃度の水と; (b)前記組成物中の全固体の約5重量%から約90重量
%までの範囲の濃度およびゲル化温度を有する糊化して
いない澱粉粒と; (c)前記組成物の全固体の約0.5重量%から約10重量
%までの範囲の濃度および前記澱粉粒のゲル化温度より
低い熱析出温度を有するセルロース系エーテルと; (d)前記組成物の全固体の約20重量%から約90重量%
までの範囲の濃度を有する無機鉱物の充填剤と; (e)前記組成物の全固体の約3重量%から約40重量%
までの範囲の濃度を有する繊維質材料であって、前記組
成物全体にわたって実質的に均一に分散されている前記
繊維質材料と を含むことを特徴とする組成物。
36.(a)澱粉およびセルロース系エーテルを含む結合
マトリックスであって、前記澱粉はそのシート中の固体
の約5重量%から約90重量%までの範囲の濃度を有し、
前記セルロース系エーテルはそのシート中の固体の約0.
5重量%から約10重量%までの範囲の濃度を有する結合
マトリックスと; (b)前記結合マトリックス全体にわたって実質的に均
一に分散され、かつそのシート中の固体の約3重量%か
ら約40重量%までの範囲の濃度を有する繊維と; (c)そのシートの固体の約0重量%から約90重量%ま
での範囲で含まれる必要に応じて設けてもよい無機鉱物
の充填剤と を含む澱粉で結合されたシートであって、約1cm未満の
厚さおよび約0.5g/cm3より大きな密度を有することを特
徴とする澱粉で結合されたシート。
37.前記澱粉が、シート中の全固体の約15重量%から約7
5重量%までの範囲の濃度を有することを特徴とする36.
に記載のシート。
38.前記澱粉が、シート中の全固体の約30重量%から約7
0重量%までの範囲の濃度を有することを特徴とする36.
に記載のシート。
39.前記澱粉が未変性のジャガイモの澱粉で構成されて
いることを特徴とする36.に記載のシート。
40.前記澱粉が未変性のコーンスターチで構成されてい
ることを特徴とする36.に記載のシート。
41.前記澱粉が未変性のモチトウモロコシの澱粉で構成
されていることを特徴とする36.に記載のシート。
42.前記セルロース系エーテルが、シート中の全固体の
約1重量%から約5重量%までの範囲の濃度を有するこ
とを特徴とする36.に記載のシート。
43.前記セルロース系エーテルが、シート中の全固体の
約2重量%から約4重量%までの範囲の濃度を有するこ
とを特徴とする36.に記載のシート。
44.前記セルロース系エーテルが、メチルヒドロキシエ
チルセルロース、ヒドロキシメチルエチルセルロース、
カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、エチ
ルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキ
シエチルプロピルセルロース、およびそれらの混合物ま
たは誘導体から成る群から選択されることを特徴とする
36.に記載のシート。
45.前記結合マトリックスが、プロラミン、コラーゲ
ン、ゼラチン、ニカワ、カゼイン、およびそれらの混合
物または誘導体から成る群から選択されるタンパク質を
ベースとする結合剤をさらに含むことを特徴とする36.
に記載のシート。
46.前記結合マトリックスが、アルギン酸、フィココロ
イド、寒天、アラビアゴム、ガーゴム、ローカストビン
ゴム、カラヤゴム、トラガカントゴム、およびそれらの
混合物または誘導体から成る群から選択される多糖類を
さらに含むことを特徴とする36.に記載のシート。
47.前記結合マトリックスが、ポリビニルピロリドン、
ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリ
ビニルメチルエーテル、ポリアクリル酸、ポリアクリル
酸の塩、ポリビニルアクリル酸、ポリビニルアクリル酸
の塩、ポリアクリルイミド、ポリ乳酸、エチレンオキシ
ド重合体、ラテックス、およびそれらの混合物または誘
導体から成る群から選択される合成の有機結合剤をさら
に含むことを特徴とする36.に記載のシート。
48.前記無機鉱物の充填剤が、シート中の全固体の約30
重量%から約70重量%までの範囲の濃度を有することを
特徴とする36.に記載のシート。
49.前記無機鉱物の充填剤が、粘土、石膏、炭酸カルシ
ウム、雲母、シリカ、アルミナ、砂、砂利、砂岩、石灰
岩、およびそれらの混合物から成る群から選択されるこ
とを特徴とする36.に記載のシート。
50.前記無機鉱物の充填剤が、あらかじめ定められた自
然的な粒子充填密度を達成するためにその大きさが最適
化されている個々の粒子で構成されることを特徴とする
36.に記載のシート。
51.前記無機骨材の前記自然な粒子充填密度が少なくと
も約0.65であることを特徴とする50.に記載のシート。
52.前記無機鉱物の充填剤が、真珠岩、バーミキュライ
ト、中空ガラス球、多孔性セラミック球、軽石、および
それらの混合物から成る群から選択される軽量骨材を含
むことを特徴とする36.に記載のシート。
53.前記繊維が、シート中の全固体の約5重量%から約3
0重量%までの範囲の濃度を有することを特徴とする36.
に記載のシート。
54.前記繊維が、シート中の全固体の約7重量%から約2
0重量%までの範囲の濃度を有することを特徴とする36.
に記載のシート。
55.前記繊維が、大麻の繊維、綿の繊維、バガスの繊
維、マニラ麻の繊維、亜麻、南部マツの繊維、南部硬木
の繊維、およびそれらの混合物から成る群から選択され
る有機繊維を含むことを特徴とする36.に記載のシー
ト。
56.前記繊維が、ガラス繊維、シリカ繊維、セラミック
の繊維、炭素繊維、金属繊維、およびそれらの混合物か
ら成る群から選択される無機繊維を含むことを特徴とす
る36.に記載のシート。
57.前記繊維質材料が、少なくとも約10:1のアスペクト
比を有する個々の繊維を含むことを特徴とする36.に記
載のシート。
58.前記繊維質材料が、少なくとも約100:1のアスペクト
比を有する個々の繊維を含むことを特徴とする36.に記
載のシート。
59.前記シートが約5mm未満の厚さを有することを特徴と
する36.に記載のシート。
60.前記シートが約3mm未満の厚さを有することを特徴と
する36.に記載のシート。
61.前記シートが約1mm未満の厚さを有することを特徴と
する36.に記載のシート。
62.前記繊維が、変化する強度および柔軟性を有する別
個の繊維の混合物を含むことを特徴とする36.に記載の
シート。
63.前記繊維がシート内で実質的にランダムな配向を有
することを特徴とする36.に記載のシート。
64.前記繊維がシート内で実質的に単一方向の配向を有
することを特徴とする36.に記載のシート。
65.前記繊維がシート内で実質的に2方向の配向を有す
ることを特徴とする36.に記載のシート。
66.前記シートが約2MPa・cm3/gから約500MPa・cm3/gま
での範囲の引張強さと密度の比を有することを特徴とす
る36.に記載のシート。
67.前記シートが約5MPa・cm3/gから約150MPa・cm3/gま
での範囲の引張強さと密度の比を有することを特徴とす
る36.に記載のシート。
68.前記シートが約0.05MPaから約100MPaまでの範囲の引
張強さを有することを特徴とする36.に記載のシート。
69.前記シートが約5MPaから約80MPaまでの範囲の引張強
さを有することを特徴とする36.に記載のシート。
70.前記シートが約1g/cm3より大きな密度を有すること
を特徴とする36.に記載のシート。
71.前記シートが約1.5g/cm3より大きな密度を有するこ
とを特徴とする36.に記載のシート。
72.前記シートが完全に破断されることなしに約0.5%か
ら約12%の範囲で伸長することができることを特徴とす
る36.に記載のシート。
73.前記シートが水で分解可能であることを特徴とする3
6.に記載のシート。
74.前記シートが波形を付けられることを特徴とする36.
に記載のシート。
75.前記シートがクレープ加工されることを特徴とする3
6.に記載のシート。
76.前記シートがパーチメント加工されることを特徴と
する36.に記載のシート。
77.前記シートが被膜をさらに含むことを特徴とする36.
に記載のシート。
78.前記シートがそれに積層された第2のシートをさら
に含むことを特徴とする36.に記載のシート。
79.前記シートが印を含むことを特徴とする36.に記載の
シート。
80.前記シートが蝶番を含むことを特徴とする36.に記載
のシート。
81.前記シートが穿孔を含むことを特徴とする36.に記載
のシート。
82.前記シートが容器に形成されていることを特徴とす
る36.に記載のシート。
83.前記シートが、実質的に破断することなく約90゜の
角度を超えて曲げられても良いことを特徴とする36.に
記載のシート。
84.前記シートが、実質的に破断することなく約180゜の
角度を超えて曲げられても良いことを特徴とする36.に
記載のシート。
85.前記シートがスプール上に巻き付けられる連続的シ
ートを含むことを特徴とする36.に記載のシート。
86.(a)澱粉およびセルロース系エーテルを含む結合
マトリックスであって、前記澱粉がそのシートの固体の
約5重量%から約90重量%までの範囲の濃度を有し、前
記セルロース系エーテルがシートの固体の約0.5重量%
から約10重量%までの範囲の濃度を有する、結合マトリ
ックスと; (b)前記結合マトリックスの全体にわたって実質的に
均一に分散され、かつシートの固体の約3重量%から約
40重量%までの範囲の濃度を有する繊維と; (c)シートの固体約20重量%から約90重量%までの範
囲で含まれる無機鉱物の充填剤と を含む無機的に充填された澱粉で結合されたシートであ
って、約0.5mm未満の厚さおよび約0.5g/cm3より大きな
密度を有することを特徴とする前記澱粉で結合されたシ
ート。
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C08L 1:02 C08L 1:26 1:26) (72)発明者 オング,シャオデ. アメリカ合衆国 93117 カリフォルニ ア州 ゴレタ オックスフォード プレ イス 5667 (72)発明者 クリステンセン,ブルース,ジェイ. アメリカ合衆国 93117 カリフォルニ ア州 ゴレタ フリーマン プレイス 7379 (56)参考文献 特開 昭59−135141(JP,A) 特表 平5−505104(JP,A) 特表 平1−501639(JP,A) 国際公開96/005254(WO,A1) 米国特許4377440(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C08L 1/00 - 3/20

Claims (38)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(a) 澱粉およびセルロース系エーテル
    を含む結合マトリックスであって、 前記澱粉はそのシート中の固体の5重量%から90重量%
    までの範囲の濃度有し、前記セルロース系エーテルは前
    記シート中の固体の0.5重量%から10重量%までの範囲
    の濃度を有する結合マトリックスと; (b) 前記結合マトリックス全体にわたって実質的に
    均一に分散され、かつそのシート中の固体の3重量%か
    ら40重量%までの範囲の濃度を有する有機繊維と; (c) そのシートの固体の0重量%から90重量%まで
    の範囲で含まれる必要に応じて設けてもよい無機鉱物の
    充填剤とを含む澱粉で結合したシートであって、前記シ
    ートは1mm未満の厚さおよび1.0g/cm3より大きな密度を
    有し、破断することなしに曲げること、折ることあるい
    は巻き付けることができるほど柔軟であることを特徴と
    する澱粉で結合されたシート。
  2. 【請求項2】前記澱粉が、シート中の全固体の15重量%
    から75重量%までの範囲の濃度を有することを特徴とす
    る請求項1に記載のシート。
  3. 【請求項3】前記澱粉が、シート中の全固体の30重量%
    から70重量%までの範囲の濃度を有することを特徴とす
    る請求項1に記載のシート。
  4. 【請求項4】前記澱粉が、未変性のジャガイモの澱粉、
    未変性のコーンスターチ、または未変性のモチトウモロ
    コシの澱粉の少なくとも1つを含むことを特徴とする請
    求項1に記載のシート。
  5. 【請求項5】前記セルロース系エーテルが、シート中の
    全固体の1重量%から5重量%までの範囲の濃度を有す
    ることを特徴とする請求項1に記載のシート。
  6. 【請求項6】前記セルロース系エーテルが、シート中の
    全固体の2重量%から4重量%までの範囲の濃度を有す
    ることを特徴とする請求項1に記載のシート。
  7. 【請求項7】前記セルロース系エーテルが、メチルヒド
    ロキシエチルセルロース、ヒドロキシメチルエチルセル
    ロース、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロー
    ス、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、
    ヒドロキシエチルプロピルセルロース、およびそれらの
    混合物または誘導体から成る群から選択されることを特
    徴とする請求項1に記載のシート。
  8. 【請求項8】前記無機鉱物の充填剤が、シート中の全固
    体の30重量%から70重量%までの範囲の濃度を有するこ
    とを特徴とする請求項1に記載のシート。
  9. 【請求項9】前記無機鉱物の充填剤が、粘土、石膏、炭
    酸カルシウム、雲母、シリカ、アルミナ、砂、砂利、砂
    岩、石灰岩、およびそれらの混合物から成る群から選択
    されることを特徴とする請求項1に記載のシート。
  10. 【請求項10】前記無機鉱物の充填剤が、あらかじめ定
    められた自然的な粒子充填密度を達成するためにその大
    きさが最適化されている個々の粒子で構成されることを
    特徴とする請求項1に記載のシート。
  11. 【請求項11】前記無機鉱物の充填剤の前記自然な粒子
    充填密度が少なくとも0.65であることを特徴とする請求
    項10に記載のシート。
  12. 【請求項12】前記無機鉱物の充填剤が、真珠岩、バー
    ミキュライト、中空ガラス球、多孔性セラミック球、軽
    石、およびそれらの混合物から成る群から選択される軽
    量骨材を含むことを特徴とする請求項1に記載のシー
    ト。
  13. 【請求項13】前記繊維が、シート中の全固体の5重量
    %から30重量%までの範囲の濃度を有することを特徴と
    する請求項1に記載のシート。
  14. 【請求項14】前記繊維が、シート中の全固体の7重量
    %から20重量%までの範囲の濃度を有することを特徴と
    する請求項1に記載のシート。
  15. 【請求項15】前記繊維が、大麻の繊維、綿の繊維、バ
    ガスの繊維、マニラ麻の繊維、亜麻、南部マツの繊維、
    南部硬木の繊維、およびそれらの混合物から成る群から
    選択される有機繊維を含むことを特徴とする請求項1に
    記載のシート。
  16. 【請求項16】前記繊維が、少なくとも10:1のアスペク
    ト比を有する個々の繊維を含むことを特徴とする請求項
    1に記載のシート。
  17. 【請求項17】前記繊維が、少なくとも100:1のアスペ
    クト比を有する個々の繊維を含むことを特徴とする請求
    項1に記載のシート。
  18. 【請求項18】前記シートが5mm未満の厚さを有するこ
    とを特徴とする請求項1に記載のシート。
  19. 【請求項19】前記シートが3mm未満の厚さを有するこ
    とを特徴とする請求項1に記載のシート。
  20. 【請求項20】前記シートが1mm未満の厚さを有するこ
    とを特徴とする請求項1に記載のシート。
  21. 【請求項21】前記繊維が、変化する強度および柔軟性
    を有する別個の繊維の混合物を含むことを特徴とする請
    求項1に記載のシート。
  22. 【請求項22】前記シートが2MPa・cm3/gから500MPa・c
    m3/gまでの範囲の引張強さと密度の比を有することを特
    徴とする請求項1に記載のシート。
  23. 【請求項23】前記シートが0.05MPaから100MPaまでの
    範囲の引張強さを有することを特徴とする請求項1に記
    載のシート。
  24. 【請求項24】前記シートが完全に破断されることなし
    に0.5%から12%の範囲で伸長することができることを
    特徴とする請求項1に記載のシート。
  25. 【請求項25】前記シートが水で分解可能であることを
    特徴とする請求項1に記載のシート。
  26. 【請求項26】前記シートが波形を付けられることを特
    徴とする請求項1に記載のシート。
  27. 【請求項27】前記シートがクレープ加工されることを
    特徴とする請求項1に記載のシート。
  28. 【請求項28】前記シートがパーチメント加工されるこ
    とを特徴とする請求項1に記載のシート。
  29. 【請求項29】前記シートが被膜をさらに含むことを特
    徴とする請求項1に記載のシート。
  30. 【請求項30】前記シートがそれに積層された第2のシ
    ートをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のシ
    ート。
  31. 【請求項31】前記シートが印を含むことを特徴とする
    請求項1に記載のシート。
  32. 【請求項32】前記シートが蝶番を含むことを特徴とす
    る請求項1に記載のシート。
  33. 【請求項33】前記シートが穿孔を含むことを特徴とす
    る請求項1に記載のシート。
  34. 【請求項34】前記シートが容器に形成されていること
    を特徴とする請求項1に記載のシート。
  35. 【請求項35】前記シートが、実質的に破断することな
    く90゜の角度を超えて曲げられても良いことを特徴とす
    る請求項1に記載のシート。
  36. 【請求項36】前記シートが、実質的に破断することな
    く180゜の角度を超えて曲げられても良いことを特徴と
    する請求項1に記載のシート。
  37. 【請求項37】前記シートがスプール上に巻き付けられ
    る連続的シートを含むことを特徴とする請求項1に記載
    のシート。
  38. 【請求項38】(a)澱粉およびセルロース系エーテル
    を含む結合マトリックスであって、前記澱粉がそのシー
    トの固体の5重量%から75重量%までの範囲の濃度を有
    し、前記セルロース系エーテルがシートの固体の0.5重
    量%から10重量%までの範囲の濃度を有する、結合マト
    リックスと; (b)前記結合マトリックスの全体にわたって実質的に
    均一に分散され、かつシートの固体の3重量%から40重
    量%までの範囲の濃度を有する有機繊維と; (c)シートの固体の20重量%から90重量%までの範囲
    で含まれる無機鉱物の充填剤とを含む無機的に充填され
    た澱粉で結合されたシートであって、0.5mm未満の厚さ
    および1.0g/cm3より大きな密度を有し、破断することな
    しに曲げること、折ることあるいは巻き付けることがで
    きるほど柔軟であることを特徴とする前記澱粉で結合さ
    れたシート。
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