JP4865080B1 - 生分解性容器の製造方法およびその方法により製造された生分解性容器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】生分解性容器の製造方法であって、ヒータを内蔵し高周波発振器と電気的に接続された嵌合可能な一対の雄型4と雌型5からなる発泡成形用の金型6を用い、水分を含んだ生分解性材料を介在させて雄型4と雌型5を嵌合させ、ヒータからの加熱と高周波の印加による誘電加熱により生分解性材料を水蒸気発泡させ開口縁部と対応する箇所から水蒸気を外部へ放散させながら焼成して容器状の発泡基材層を成形する工程を備え、前記金型6は開口縁部1aの厚みが底部および胴部の厚みよりも薄くなる寸法を有するように形成されてなり、生分解性材料を水蒸気発泡させて容器状の発泡基材層を成形する前記工程は、厚みの薄い開口縁部1aに高周波を集中して印加し開口縁部を集中的に加熱する工程を含む。
【選択図】図5
Description
そのような中、植物由来のバイオマスを原料とした生分解性の容器が注目されている。植物由来のバイオマスは大気中の二酸化炭素を吸収して成長しているため、廃棄後の生分解や焼却の際に二酸化炭素が排出されても、それは原料のバイオマスに吸収されていた二酸化炭素が再び大気中に排出されたこととなり、製造から廃棄までをトータルでみると大気中の二酸化炭素を増加させることにはならない。このような性質はカーボンニュートラルと呼ばれ、環境問題を考えるうえで重要なキーワードとなっている。
このような方法によれば、金型からの加熱に加え、誘電加熱によって生分解性材料そのものを発熱させるので、生分解性材料を速やかに水蒸気発泡させて焼成することができる。しかし、生分解性容器の生産性を向上させるため、生分解性材料の発泡・焼成に要する時間の更なる短縮が求められている。
また、この発明による第1、第2および第3の生分解性容器の製造方法において、生分解性材料とは生分解性容器の骨格をなす発泡基材層の材料であって、水分を含んで調製されたものを意味する。
また、この発明による第1、第2および第3の生分解性容器の製造方法において、開口縁部を集中的に加熱するとは、金型内において開口縁部が単位体積あたりで底部および胴部よりも大きな熱量を有するように加熱することを意味する。
一方、開口縁部の厚みが底部と胴部の厚みの平均値の約90%よりも大きくなると金型内における開口縁部の絶縁間隔が底部や胴部と比較して大差ないものとなり開口縁部に高周波を集中させ難くなる。
よって、金型は、開口縁部の厚みが底部と胴部の厚みの平均値の60〜90%程度となる寸法を有するように形成されていることが好ましい。
ここで、局部加熱用ヒータは少なくとも雄型および雌型のいずれか一方に内蔵されていればよいが、開口縁部を効率よく集中的に加熱するためには雄型と雌型の双方にそれぞれ内蔵されていることが好ましい。
しかし、この発明による第2の生分解性容器の製造方法では、上述の通り、金型が開口縁部を集中的に加熱する局部加熱用ヒータを内蔵しているので、開口縁部と対応する部分における温度低下が抑制される。
このため、開口縁部を効率よく集中的に加熱でき、開口縁部に含まれる水分を速やかに気化させて焼成を促進できる。
ここで、開口縁部と対応する部分を熱伝導性の高い材料で形成する構成としては、特に限定されるものではないが、例えば、開口縁部と対応する部分を熱伝導性に優れた銅や真鍮で形成し、底部および胴部と対応する部分をアルミニウムで形成する構成や、金型全体をアルミニウムで形成し、開口縁部と対応する部分の表面のみを熱伝導性の優れた他の金属、例えば金でメッキする構成などを挙げることができる。
このため、上述の第2の生分解性容器の製造方法と同様に、開口縁部を効率よく集中的に加熱でき、開口縁部に含まれる水分を速やかに気化させて焼成を促進できる。
つまり、生分解性材料をより短時間で発泡・焼成するために、この発明による第1および第2の生分解性容器の製造方法が組み合わせて用いられてもよいし、この発明による第1および第3の生分解性容器の製造方法が組み合わせて用いられてもよい。或いは、この発明による第2および第3の生分解性容器の製造方法が組み合わせて用いられてもよいし、この発明による第1、第2および第3の生分解性容器の製造方法が組み合わせて用いられてもよく、第1、第2および第3の生分解性容器の製造方法の組み合わせは任意に選択できる。
このような構成によれば、金型内において生分解性材料の流動方向が定まり、加熱時に生分解性材料が生分解性容器の底部から開口縁部へ向かって速やかに発泡するようになる。
これにより、生分解性材料の発泡と焼成に要する時間をより一層短縮できる。
(1)印加開始直後に高周波発振器からの出力を一気に高めると制御不能の状態に陥り、スパークが発生する。
(2)出力が所定のピーク値に達し被加熱物に含まれる水分が減少していくにも関わらず、ピーク値を維持しようとすると反射波が高くなり、被加熱物の焦げ、スパークにつながる。
(3)出力を変化させずに印加開始から印加終了まで反射波を問題のないレベルに抑えることが実質困難である。
しかし、出力電流値が台形状のグラフを描くような印加方法を実現するには上記(1)〜(3)の問題を解決しなければならない。
これにより、印加開始直後に出力電流値をピーク値まで一気に高め、所定時間そのピーク値を維持した後、直ちに高周波の印加を止めるという、出力電流値が台形状のグラフを描くような印加方法が可能となり、高周波の印加に要する時間の大幅な短縮を図ることが可能となったのである。
また、上記の澱粉の誘導体は、生分解性を阻害しない範囲で澱粉を修飾したものを指し、例えば、α化澱粉、架橋澱粉、変性澱粉等を挙げることができる。
さらに、上記の修飾されていない澱粉と上記の澱粉の誘導体とを混合した混合物が用いられてもよい。
本発明の実施形態1に係る生分解性容器の製造方法について図1〜9に基づいて説明する。図1は本発明の実施形態1に係る製造方法により製造された生分解性容器の断面図、図2は図1のA部拡大図、図3は図1のB部拡大図である。
発泡基材層2の内面と外面の両方の表面が生分解性フィルム3で被覆されることにより、生分解性容器1は耐湿性と長期保存性に優れ、また、発泡基材層2の優れた断熱性により熱湯などを入れて使用することも可能な構成となっている。
ここで、本実施形態において開口縁部1aとは、具体的には図3に示されるように、胴部1cの上端から外方へ広がるように屈曲する屈曲部1dを経て開口端部1eへ至る部分のことである。図3では、開口縁部1aに相当する部分を一点鎖線で囲んで示している。
つまり、本実施形態において、開口縁部1aの厚みT1は底部1bと胴部1cの厚みT2,T3の平均値(約2.0mm)の約85%に設定されている。
なお、本実施形態では開口縁部1aを構成する屈曲部1dの厚みT4は約1.91mmとされ、胴部1cのうち屈曲部1dに繋がる上端部はその厚みが約2.0mmから約1.91mmへ徐々に薄くなるように構成されている。
また、図5(c)に示されるように、雄型4と雌型5は、金型6内に供給された被加熱物である生分解性材料7を誘電加熱することができるよう、インダクタンスやキャパシタンスを可変としたインピーダンス整合回路11を介して高周波発振器10に接続されている。
そして、雄型4と雌型5との当接箇所、すなわち生分解性容器1の開口縁部1aと対応する箇所にはキャビティ9内で生分解性材料7から発生した水蒸気を外部へ放出させるための蒸気抜き孔(図示せず)が形成されている。
なお、2枚の生分解性フィルムは製造工程中に互いに貼り付くことがないよう、それらの対向面に予め二酸化チタンの粉末が塗布される。
また、生分解性材料7を挟んだ生分解性フィルム3は、雌型5の上方に配置されると同時に約100〜150℃(熱風吹き出し口温度)の熱風により、生分解性フィルム3の表面温度で100〜120℃程度まで加熱・軟化される。この生分解性フィルム3の予備加熱は雄型4と雌型5の嵌合が完了するまで継続される。
一方、生分解性フィルム3は生分解性芳香族ポリエステル樹脂(バイオマックス(登録商標))を2軸延伸してフィルム状に成形したものであり、その厚さは約25〜75μmである。
そして、雄型4と雌型5の嵌合から約8.5秒が経過した時点で高周波発振器10からインピーダンス整合回路11と、雄型4および雌型5とを介してキャビティ9内の生分解性材料7に高周波の印加を開始し、前記生分解性材料7を約4〜10秒間にわたって誘電加熱する。
図6は図5に示されるインピーダンス整合回路11の電気回路図、図7は生分解性材料7に高周波を印加する際の出力電流Ip、第1および第2可変コンデンサCp,Csのキャパシタンスおよび可変インダクタLsのインダクタンスLの時間tに対する変化を示すグラフである。
そして、図7に示されるように、高周波発振器10からの出力電流Ipが、高周波の印加開始から直ちに設定値Icまで直線的に立ち上がり、約4〜15秒間にわたってこの設定値Icを維持した後、直ちに高周波の印加を終えるように、インピーダンス整合回路11の第1および第2可変コンデンサCp,Csのキャパシタンスおよび可変インダクタLsのインダクタンスLがそれぞれ個別に制御される。
なお、図7においてFWは入射波、RWは反射波を示している。インピーダンス整合回路11の上記制御により高周波の印加開始から印加終了まで入射波FWが一定の値を示す一方で、反射波RWが極めて低い値に抑えられていることから、高周波が効率よく生分解性材料7に印加されていることが分かる。
これにより、生分解性材料7に含まれる水分値の変化に逐次対応した小刻みな制御が可能となり、出力電流Ipの値が台形状のグラフを描く印加手法を実現させて高周波の印加に要する時間の大幅な短縮を図っている。
このため、焼成途上の発泡基材層2は開口縁部1aに相当する部分において絶縁距離が短くなり底部1bや胴部1cよりも高周波が集中して印加される。
この結果、開口縁部1aは底部1bや胴部1cよりも集中的に加熱されて焼成が促進されることとなり、短時間で焼成を行う場合に水分が残り易い開口縁部1aを速やかに焼成することができる。
ここで、蒸気抜き孔は上述の通り雄型4と雌型5との当接箇所であって開口縁部1aに対応する箇所に形成されているため、生分解性材料7に含まれる水分は必ず開口縁部1aを通って外部へ放散されることとなる。
このため、開口縁部1aは焼成の最後まで比較的多くの水分を含み、底部1bや胴部1cと比較して生焼けとなり易い。これは短時間で焼成しようとする場合に生じ易く、底部1bや胴部1cの焼成が完了しているにもかかわらず高周波の印加を継続すると既に焼成が完了している底部1bや胴部1cに焦げが発生したり、場合によってはスパークが発生して高周波の印加継続が困難となる。
この結果、開口縁部1aの焼成に要する時間と、底部1bや胴部1cの焼成に要する時間とが略等しくなり、生分解性材料7の発泡・焼成に要する時間が短縮される。
このため、ある程度の印加遅延時間を設定すると、生分解性材料7がキャビティ9内に満注、若しくはそれに近い状態となったところで高周波の印加を開始できることとなり、高周波印加時にインピーダンスの整合がとり易くなることから焼成状態が安定し、キャビティ9内における生分解性材料7の伸びや発泡の状態をコントロールし易くなる。
したがって、印加遅延時間はキャビティ9内における生分解性材料7の伸びや発泡状態を考慮したうえで適切に設定されればよく、印加遅延時間を適宜設定することによりキャビティ9内における生分解性材料7の伸びや発泡状態を任意に選択することが可能になる。
実施形態1に係る生分解性容器の製造方法で用いられる金型の変形例について図8および図9に基づいて説明する。図8は変形例に係る金型の斜視図、図9は図8に示される金型のC−C矢視断面図である。
そして、起伏14a,15aを形成する各凹凸は、生分解性容器1の底部1bと対応する部分から開口縁部1aと対応する部分へ向かって延びるように形成される。
なお、図8および図9に示される起伏14a,15aは説明を容易にするために高低差を強調して描いたものであり、実際には上述のとおり0.1〜0.3mm程度の微細な高低差であるため目視ではほとんど確認されない。あまり、大きな高低差を設けると、キャビティ内において部分的に絶縁間隔の短い部分が生まれ、該部分に高周波が集中して印加されるようになり均一な焼成を妨げる恐れがあるので、0.1〜0.3mm程度の僅かな高低差が適切である。
本発明の実施形態2に係る生分解性容器の製造方法について図10〜16に基づいて説明する。図10は実施形態2に係る生分解性容器の製造方法で用いられる金型の断面図、図11は図10に示される雄型の平面図、図12は図10に示される雌型の平面図である。
図10に示される金型26も、上述の実施形態1に係る生分解性容器の製造方法で用いられる金型6と同様に電熱ヒータ(図示せず)を内蔵したアルミニウム製の雄型24と雌型25とからなり、雄型24と雌型25との当接箇所であって生分解性容器1の開口縁部1a(図1参照)と対応する箇所に蒸気抜き孔(図示せず)が形成される。
このため、本実施形態では、高周波を印加して生分解性材料7を誘電加熱する際に、上述の実施形態1のように生分解性容器1の開口縁部1aに高周波を集中的に印加させる作用は得られない。
しかし、図10〜12に示されるように、本実施形態の金型26を構成する雄型24と雌型25には生分解性容器1の開口縁部1aを集中的に加熱するための局部加熱用ヒータ27,29がそれぞれ設けられている。
つまり、複数の棒状電熱ヒータ28は、上部コア24aと下部コア24bとの間に形成される空間に互いに隣接するように埋設され、これにより複数の棒状電熱ヒータ28が生分解性容器1の開口縁部1aと対応する部分に並んで配置される。
つまり、平らなリング状の局部加熱用ヒータ29は、上部モールド25aと下部モールド25bとの間に形成される空間を埋めるように介挿され、これにより局部加熱用ヒータ29が生分解性容器1の開口縁部1aと対応する部分に配置される。
このため、底部1bおよび胴部1cの焼成に要する時間と開口縁部1aの焼成に要する時間とを略等しくすることができ、発泡基材層2全体を短時間で良好に焼成できる。その他の構成は高周波の印加を含め上述の実施形態1と同様である。
実施形態2に係る生分解性容器の製造方法で用いられる金型の第1変形例について図13および図14に基づいて説明する。図13は第1変形例に係る金型の断面図、図14は図13に示される雌型の平面図である。
第1変形例では、雌型35の局部加熱用ヒータ39が筒状のラバーヒータで構成されている。このため、第1変形例において局部加熱用ヒータ39は開口縁部1aと対応する部分に介挿されるのではなく、開口縁部1aの直下部分を取り囲むように埋設されている。
実施形態2に係る生分解性容器の製造方法で用いられる金型の第2変形例について図15および図16に基づいて説明する。図15は第2変形例に係る金型の断面図、図16は図15に示される雌型の平面図である。
第2変形例では、雌型45の局部加熱用ヒータ49が、開口縁部1aの直下部分を取り囲むように形成された通路49aに加熱されたオイル(図示せず)を循環させるオイルヒータによって構成されている。
また、本実施形態では棒状電熱ヒータとラバーヒータとの組み合わせ、棒状電熱ヒータとオイルヒータとの組み合わせを例に説明したが、局部加熱用ヒータの組み合わせはこれらに限定されるものではなく、その目的に応じて様々な組み合わせを採用できる。
本発明の実施形態3に係る生分解性容器の製造方法について図17および図18に基づいて説明する。図17は実施形態3に係る生分解性容器の製造方法で用いられる金型の断面図である。
図17に示される金型56も、上述の実施形態1に係る生分解性容器の製造方法で用いられる金型6と同様に電熱ヒータ(図示せず)を内蔵した雄型54と雌型55とからなり、雄型54と雌型55との当接箇所であって生分解性容器1の開口縁部1a(図1参照)と対応する箇所に蒸気抜き孔(図示せず)が形成される。
このため、本実施形態では、高周波を印加して生分解性材料7を誘電加熱する際に、上述の実施形態1のように生分解性容器1の開口縁部1aに高周波を集中的に印加させる作用は得られない。
しかし、図17に示されるように、本実施形態の金型56を構成する雄型54と雌型55は、生分解性容器1の開口縁部1aを集中的に加熱することができるように、生分解性容器1の開口縁部1aと対応する部分が底部1bおよび胴部1cと対応する部分よりも熱伝導性の高い材料で形成されている。
下部コア54bは生分解性容器1の底部1bおよび胴部1cの内周面と接する部分でありアルミニウムで形成されるが、中間コア54cは生分解性容器1の開口縁部1aの内周面と接する部分であるため、下部コア54bを形成するアルミニウムよりも熱伝導性の高い銅によって形成されている。
なお、上部コア54aは生分解性容器1と接することのない部分であり、下部コア54bと同様にアルミニウムで形成されている。
下部モールド55bは生分解性容器1の底部1bおよび胴部1cの外周面に接する部分でありアルミニウムで形成されるが、上部モールド55aは生分解性容器1の開口縁部1aの外周面に接する部分であるため、下部モールド55bを形成するアルミニウムよりも熱伝導性の高い銅によって形成されている。
しかし、本実施形態で用いる金型56は、上述のとおり生分解性容器1の開口縁部1aと対応する部分の熱伝導性が他の部分よりも高められているため、開口縁部1aに含まれる水分を気化させる際に熱を奪われても、奪われた熱は隣接する他の部分からの熱伝導によって速やかに補われ、開口縁部1aに対応する部分の温度低下を極力抑えることができる。
この結果、底部1bおよび胴部1cの焼成に要する時間と開口縁部1aの焼成に要する時間とを略等しくすることができ、発泡基材層2全体を短時間で良好に焼成できる。その他の構成は高周波の印加を含め上述の実施形態1と同様である。
実施形態3に係る生分解性容器の製造方法で用いられる金型の変形例について図18に基づいて説明する。図18は変形例に係る金型の断面図である。
このように、雄型64と雌型65のうち、生分解性容器1の開口縁部1aと対応する部分の表面に熱伝導性に優れた金メッキ67,68を施すことによっても上述の実施形態3に係る金型56と同様の効果を奏することができ、生分解性材料7の発泡と焼成に要する時間を短縮することができる。
例えば、異種材料の組み込みとメッキは併用されても構わないし、或いは雄型と雌型の一方に熱伝導性に優れた異種材料を組み込み、他方に熱伝導性に優れたメッキを施すなど、様々な改変を行うことができる。
また、材料の組み合わせもアルミニウム、銅、金に限定されるものではなく、様々な材料の組み合わせを採用できる。
しかし、これらの方法は組み合わせて用いられてもよく、むしろ組み合わせて用いられることが生分解性材料をより短時間で発泡・焼成するうえでは好ましい。
1a 開口縁部
1b 底部
1c 胴部
1d 屈曲部
1e 開口端部
2 発泡基材層
3 生分解性フィルム
4,14,24,34,44,54,64 雄型
5,15,25,35,45,55,65 雌型
6,16,26,36,46,56,66 金型
7 生分解性材料
8 枠体
9 キャビティ
10 高周波発振器
11 インピーダンス整合回路
14a,15a 起伏
24a,54a 上部コア
24b,54b 下部コア
25a,35a,55a 上部モールド
25b,35b,55b 下部モールド
27,29,39,49 局部加熱用ヒータ
28 棒状電熱ヒータ
35c 中間モールド
49a 通路
49b 流入口
49c 排出口
54c 中間コア
67,68 金メッキ
Cp 第1可変コンデンサ
Cs 第2可変コンデンサ
Ls 可変インダクタ
Claims (8)
- 底部、胴部および開口縁部を有する生分解性容器の製造方法であって、ヒータを内蔵し高周波発振器と電気的に接続された嵌合可能な一対の雄型と雌型からなる発泡成形用の金型を用い、水分を含んだ生分解性材料を介在させて雄型と雌型を嵌合させ、ヒータからの加熱と高周波の印加による誘電加熱により生分解性材料を水蒸気発泡させ開口縁部と対応する箇所から水蒸気を外部へ放散させながら焼成して容器状の発泡基材層を成形する工程を備え、前記金型は開口縁部の厚みが底部および胴部の厚みよりも薄くなる寸法を有するように形成されてなり、生分解性材料を水蒸気発泡させて容器状の発泡基材層を成形する前記工程は、厚みの薄い開口縁部に高周波を集中して印加し開口縁部を集中的に加熱する工程を含むことを特徴とする生分解性容器の製造方法。
- 前記金型は開口縁部の厚みが底部と胴部の厚みの平均値の60〜90%となる寸法を有するように形成されてなる請求項1に記載の生分解性容器の製造方法。
- 底部、胴部および開口縁部を有する生分解性容器の製造方法であって、ヒータを内蔵し高周波発振器と電気的に接続された嵌合可能な一対の雄型と雌型からなる発泡成形用の金型を用い、水分を含んだ生分解性材料を介在させて雄型と雌型を嵌合させ、ヒータからの加熱と高周波の印加による誘電加熱により生分解性材料を水蒸気発泡させ開口縁部と対応する箇所から水蒸気を外部へ放散させながら焼成して容器状の発泡基材層を成形する工程を備え、前記金型は生分解性容器の開口縁部と対応する部分に開口縁部を集中的に加熱する局部加熱用ヒータが内蔵されてなり、生分解性材料を水蒸気発泡させて容器状の発泡基材層を成形する前記工程は、局部加熱用ヒータからの加熱により開口縁部を集中的に加熱する工程を含むことを特徴とする生分解性容器の製造方法。
- 底部、胴部および開口縁部を有する生分解性容器の製造方法であって、ヒータを内蔵し高周波発振器と電気的に接続された嵌合可能な一対の雄型と雌型からなる発泡成形用の金型を用い、水分を含んだ生分解性材料を介在させて雄型と雌型を嵌合させ、ヒータからの加熱と高周波の印加による誘電加熱により生分解性材料を水蒸気発泡させ開口縁部と対応する箇所から水蒸気を外部へ放散させながら焼成して容器状の発泡基材層を成形する工程を備え、前記金型は生分解性容器の開口縁部と対応する部分が底部および胴部と対応する部分よりも熱伝導性の高い材料で形成されてなり、生分解性材料を水蒸気発泡させて容器状の発泡基材層を成形する前記工程は、熱伝導性の高い材料で形成された前記部分により開口縁部を集中的に加熱する工程を含むことを特徴とする生分解性容器の製造方法。
- 前記金型は生分解性容器の胴部と対応する部分の表面に所定の高低差を有する起伏が胴部の周方向に沿うように反復して形成されてなる請求項1〜4のいずれか1つに記載の生分解性容器の製造方法。
- 生分解性材料を水蒸気発泡させて容器状の発泡基材層を成形する前記工程は、高周波の印加開始直後に高周波発振器からの出力電流が所定のピーク値に達するように高周波を印加し、所定時間前記ピーク値を維持した後、直ちに高周波の印加を止める工程を含む請求項1〜5のいずれか1つに記載の生分解性容器の製造方法。
- 前記生分解性材料は澱粉とパルプを含有する請求項1〜6のいずれか1つに記載の生分解性容器の製造方法。
- 請求項1〜7のいずれか1つに記載の製造方法によって製造された生分解性容器。
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