JP5577181B2

JP5577181B2 - 生分解性容器の製造方法およびその方法に用いる誘電加熱装置

Info

Publication number: JP5577181B2
Application number: JP2010175475A
Authority: JP
Inventors: 剛史神宮; 強志和田; 浩二吉田; 泰司山本
Original assignee: Nissei Co Ltd
Current assignee: Nissei Co Ltd
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2030-08-04
Also published as: JP2012038462A

Description

この発明は、生分解性容器の製造方法に関し、詳しくは生分解性材料を誘電加熱しながら発泡成形する生分解性容器の製造方法とその方法に用いる誘電加熱装置に関する。

この発明に関連する先行技術としては、高周波電源と、前記高周波電源の出力によって被加熱物を誘電加熱する電極と、前記電極と高周波電源との間に接続され前記高周波電源とインピーダンス整合をとる整合回路と、前記電極間の被加熱物の温度を計測する温度計測手段とを備え、前記整合回路は、可変インダクタとコンデンサを有し、被加熱物の温度が上昇すると前記コンデンサの容量を増加して整合状態を維持するようにした高周波加熱装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−５６７８１号公報

二酸化炭素の削減や資源循環型社会の構築など、近年の環境問題に対する意識の高まりをうけ、使い捨て容器の分野においても石油資源に頼らない製品が求められている。
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。

このような生分解性容器は、植物由来のバイオマスである澱粉およびパルプに水を加えて混練して得られた生分解性基材を生分解性フィルムと共に金型に装填し、金型内で該生分解性材料を加熱し水蒸気発泡させて焼成することにより製造される。

そして、この加熱工程に上記先行技術のような高周波誘電加熱を利用することが試みられているが、生分解性基材には多量の水分が含まれているため、加熱するとそのインピーダンス変化が著しく、負荷変動が激しくなる。従って、高周波電源とのインピーダンスを整合させて、それを効率よく急速に加熱することが容易でないという問題があった。

この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、被加熱物と高周波電源とのインピーダンスを適正に整合させ、高速加熱によって能率よく製造することが可能な生分解性容器の製造方法を提供するものである。

この発明は、ヒータを内蔵し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、前記ヒータにより予め所定温度に予熱した雄型と雌型の間に生分解性材料を介在させて雄型と雌型を嵌合させ、金型内で生分解性材料を加熱して発泡・焼成することにより容器状の発泡基材層を成形する工程を備え、金型内で生分解性材料を加熱する前記工程は、雄型と雌型を介して生分解性材料に高周波を印加して誘電加熱する工程を含み、誘電加熱工程が、高周波発振器と、可変インダクタを有するインピーダンス整合回路とを用い、可変インダクタのインダクタンスを、高周波印加開始から所定時間だけ一定値に維持した後、第１速度で増大させ、発振器の出力電流が所定値に達すると、第１速度よりも大きい第２速度で変化させて前記出力電流を前記所定値に維持することを特徴とする生分解性容器の製造方法を提供するものである。

この発明によれば、可変インダクタのインダクタンスを、高周波印加開始から所定時間だけ一定値に維持した後、第１速度で増大させ、発振器の出力電流が所定値に達すると、第１速度よりも大きい第２速度で変化させて前記出力電流を前記所定値に維持するので、生分解性材料のインピーダンスが急激に変化しても高周波発振器とのインピーダンス整合が適正にとられ、効率よく生分解性材料に高周波電力が供給され、高速加熱が可能となる。

本発明の実施形態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である。図１のＡ部拡大図である。本発明の実施形態に係る生分解性容器の製造方法を説明する工程図である。本発明の実施形態に係る生分解性容器の製造方法を説明する工程図である。本発明の高周波誘電加熱装置の電気回路図である。図５に示す装置の動作を示すフローチャートである。本発明のインピーダンス整合回路の特性を示すグラフである。

この発明による生分解性容器の製造方法は、ヒータを内蔵し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、前記ヒータにより予め所定温度に予熱した雄型と雌型の間に生分解性材料を介在させて雄型と雌型を嵌合させ、金型内で生分解性材料を加熱して発泡・焼成することにより容器状の発泡基材層を成形する工程を備え、金型内で生分解性材料を加熱する前記工程は、雄型と雌型を介して生分解性材料に高周波を印加して誘電加熱する工程を含み、誘電加熱工程が、高周波発振器と、可変インダクタを有するインピーダンス整合回路とを用い、可変インダクタのインダクタンスを、高周波印加開始から所定時間だけ一定値に維持した後、第１速度で増大させ、発振器の出力電流が所定値に達すると、第１速度よりも大きい第２速度で変化させて前記出力電流を前記所定値に維持することを特徴とする。

この発明による生分解性容器の製造方法において、ヒータを内蔵し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とは、嵌合時に容器の形状に対応したキャビティを形成し、該キャビティ内で生分解性材料を加熱し発泡させた際に生じるガスや水蒸気を外部へ適宜放出させることができるように構成された金型を意味する。ヒータは金型を所望の温度に管理するために雄型と雌型の両方に設けられていることが好ましい。

また、生分解性材料とは、発泡成形用の金型で成形できるように調製された生分解性を有する材料を意味し、好ましくは発泡基材層の材料として水分を含んで調製された生分解性基材と、生分解性基材と共に金型内で加熱され発泡基材層の表面を被覆する生分解性フィルムとから構成される。
生分解性材料に生分解性フィルムを含めることにより発泡基材層に耐水性を付与できるが、この発明において生分解性フィルムは必須ではなく、生分解性材料は生分解性基材のみで構成されていてもよい。

上記の生分解性基材は、例えば、澱粉、パルプおよび水を混練して得られた混練物とすることができる。
ここで、澱粉とは、澱粉またはその誘導体を意味し、特に限定されるものではないが、例えば、馬鈴薯、トウモロコシ、タピオカ、米、小麦、さつまいもなど、主要穀物として世界的に生産されている農産物から得られる澱粉を挙げることができ、特定の農産物から製造されたものであってもよいし、複数の農産物から製造されたものを混合したものであってもよい。
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構わない。

また、パルプとは、植物由来の繊維の集合体を意味し、特に限定されるものではないが、例えば、木材パルプや非木材パルプを挙げることができる。

生分解性基材が澱粉、パルプおよび水を混練して得られた混練物である場合、生分解性基材に占める水の比率（水分値）は、例えば５０〜６５重量％程度とすることができる。
生分解性基材が上記のように比較的多くの水分を含有することにより、生分解性基材を発泡させるのに十分な量の水蒸気を発生させつつ、比較的短時間のうちに焼成でき、良好な発泡基材層を生産性よく得ることができる。

なお、生分解性基材中に占める水の比率が５０重量％より小さくなると、水蒸気の発生不足により生分解性基材を水蒸気発泡させるのが困難になる。
一方、生分解性基材中に占める水の比率が６５重量％より大きくなると、焼成時に発泡基材層から水蒸気を抜くのに多くの時間を要するばかりでなく、生分解性基材が柔らかくなり過ぎ取り扱いが難しくなる。

一方、上記の生分解性フィルムは、生分解性を有するフィルム状のものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、生分解性プラスチックで成形されたフィルムを挙げることができる。生分解性フィルムは２軸延伸されたものが耐熱性の観点からみて好ましい。
生分解性フィルムの厚みは特に限定されるものではないが、例えば、約２０〜１００μｍ程度とすることができる。

生分解性プラスチックとしては、例えば、３−ヒドロキシ酪酸−３−ヒドロキシ吉草酸共重合体、ポリ−ｐ−ヒドロキシベンズアルデヒド（ＰＨＢ）、ポリブチレンサクシネート（ＰＢＳ）、ポリカプロラクトン（ＰＬＣ）、酢酸セルロース系（ＰＨ）重合体、ポリエチレンサクシネート（ＰＥＳｕ）、ポリエステルアミド、変性ポリエステル、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、マタービー（登録商標、イタリア・ノバモント社：デンプンを主成分とし、生分解性を有するポリビニルアルコール系樹脂や脂肪族ポリエステル系樹脂などを副成分としている）、セルロース・キトサン複合物などのいわゆる「生分解性プラスチック」として公知の種々のものが挙げられる。これらの生分解性プラスチックは１種類のみ用いられてもよく、２種類以上の複合物として用いられてもよい。また、これら生分解性プラスチックには、生分解性の可塑剤、フィラーなどの副原料が添加されていてもよい。

この発明による生分解性容器の製造方法において、インピーダンス整合回路は、第１コンデンサを高周波発振器の出力に並列に接続し、前記可変インダクタおよび第２コンデンサの直列回路を介して高周波発振器の出力を金型に接続する回路であってもよい。

この発明による生分解性容器の製造方法において、誘電加熱工程は、高周波発振器の出力電流に基づいて可変インダクタを制御する工程を含んでいてもよい。

この発明による生分解性容器の製造方法において、可変インダクタは、モータによってそのインダクタンスを増減させる機構を有していてもよい。

この発明による生分解性容器の製造方法において、可変インダクタは、平行な２本の細長い平行導体と、２本の平行導体を橋絡する橋絡導体を備え、モータにより橋絡導体が平行導体の長手方向に移動可能な機構からなっていてもよい。

この発明は、別の観点からみると、生分解性材料に高周波を印加して誘電加熱する装置であって、高周波発振器と、可変インダクタを有するインピーダンス整合回路と、可変インダクタのインダクタンスを制御する制御部を備え、制御部は前記インダクタンスを、高周波印加開始から所定時間だけ一定値に維持した後、第１速度で増大させ、発振器の出力電流が所定値に達すると、第１速度よりも大きい第２速度で変化させて前記出力電流を前記所定値に維持することを特徴とする誘電加熱装置を提供するものでもある。

また、この発明は更に別の観点からみると、この発明による生分解性容器の製造方法によって製造された生分解性容器を提供するものでもある。

この発明による生分解性容器の製造方法によって製造された生分解性容器は、発泡基材層のうち最も厚い部分の厚さが約１．０〜３．０ｍｍ、発泡基材層の平均水分値が約４重量％以下であることが好ましい。

以下、図面に基づいてこの発明の実施形態に係る生分解性容器の製造方法について説明する。なお、以下に説明する複数の実施形態において同じ部材には同じ符号を付して説明する。

本発明の実施形態に係る生分解性容器の製造方法について図１〜７に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態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および図４は実施形態１に係る生分解性容器の製造方法を説明する工程図である。

図１および図２に示されるように、本発明の実施形態に係る製造方法によって製造された生分解性容器１は、生分解性容器１の骨格をなす発泡基材層２と、発泡基材層２の内側と外側の表面を被覆する疎水性の生分解性フィルム３とから構成される。
発泡基材層２の内側と外側の表面がそれぞれ生分解性フィルム３で被覆されることにより、生分解性容器１はその内面および外面ともに耐水性が付与されているため長期保存性に優れ、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。
生分解性容器１は最大径Ｒ１が１４０ｍｍ、開口縁部１ａから底部１ｂまでの高さＨ１が７５ｍｍであり、深絞りに分類される形状を有している。
また、生分解性容器１は最も厚い部分の厚さが約２．５ｍｍ、発泡基材層２の平均水分値が約４％である。

以下、図１に示される生分解性容器１の製造方法について図３および図４に基づいて説明する。
本実施形態では、図３（ａ）に示されるように、成形すべき容器の形状に対応したキャビティ９（図４（ｃ）参照）を形成するための一対の雄型４と雌型５とからなる発泡成形用の金型６が用いられる。雄型４と雌型５は図示しない電熱ヒータを内蔵しており、以下の工程においていずれも約１３０〜１７０℃に維持される。

まず、図３（ａ）に示されるように、生分解性基材７を枠体８に張られた２枚の生分解性フィルム３の間に挟みつけた状態で雌型５の上方に配置する。
なお、生分解性フィルム３はそれらの対向面に予め二酸化チタンの粉末が塗布され、製造工程中にフィルム同士が接着しないように配慮されている。
また、生分解性基材７を挟んだ生分解性フィルム３は雌型５の上方に配置された後、吹き出し口において約２３０〜２４０℃の温度を有する熱風が吹き付けられ約１００〜１５０℃まで予備加熱される。これにより生分解性フィルム３が軟化し、雄型４と雌型５を嵌合させる後の工程で生分解性フィルム３を延伸させ易くなる。

発泡基材層２（図２）の材料となる上記の生分解性基材７は、パルプおよび水の溶解物に澱粉を混合した後、加熱してα化したものである。前記澱粉には生分解性容器の材料として最適な性質を示すように適量の二酸化チタンおよびゼラチンが混合されていてもよい。本実施形態において、生分解性基材７に占める水の比率（水分値）は約６３重量％であり、生分解性基材７の性状はドウ状である。
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る。

次いで、図３（ｂ）に示されるように、雄型４を雌型５へ向かって下降させ雄型４で枠体８に張られた生分解性フィルム３を延伸する。

次いで、図４（ｃ）に示されるように、雄型４をさらに下降させて雌型５と嵌合させると、生分解性フィルム３が完全に延伸されると共に生分解性基材７が加圧され雄型４と雌型５により形成されたキャビティ９内に徐々に満注する。
そして、雄型４と雌型５が嵌合した時点で高周波電源つまり高周波発振器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内の生分解性基材７に高周波の印加を開始し、前記生分解性基材７を約４〜１２秒間にわたって誘電加熱する。
この際、インピーダンス整合回路１１によって高周波発振器１０と被加熱物である生分解性基材７とのインピーダンスの整合がとられ、効率よく高周波が印加される。

誘電加熱によりキャビティ９内の生分解性基材７そのものが発熱すると、キャビティ９内で生分解性基材７が速やかに水蒸気発泡して焼成され、容器状の発泡基材層２が形成される。また、この水蒸気発泡と焼成の際に、金型６内で熱と圧力を受けた生分解性フィルム３が発泡基材層２の表面に形成された微細な凹凸にアンカー効果により接着し、発泡基材層２の内側と外側の表面がそれぞれ生分解性フィルム３で被覆される。発泡基材層２の内側と外側の表面を生分解性フィルム３で被覆するにあたり接着剤は必要なく、生分解性フィルム３は加圧と加熱によるアンカー効果のみで発泡基材層２の表面に接着する。

なお、図示しないが金型６のうち容器１の開口縁部１ａ（図１参照）に相当する部分には生分解性基材７の発泡・焼成時に発生する水蒸気をキャビティ９から外部へ放出させるための蒸気抜き用の孔が形成されている。
蒸気抜き用の孔の大きさは、キャビティ９内の内圧が適切に維持され適切な発泡・焼成が行われるように生分解性基材７の水分値に応じて適切に設定される。

最後に、図４（ｄ）に示されるように、金型６を開放して内側と外側の表面がそれぞれ生分解性フィルム３で被覆された発泡基材層２を枠体８と共に取出し、余分な生分解性フィルム３を切り取ると図１に示される生分解性容器１が得られる。

ここで、この実施形態に用いられる高周波誘電加熱について説明する。図５は高周波誘電加熱装置の電気回路図である。
図５に示すように、高周波誘電加熱装置は、高周波発振器１０とインピーダンス整合回路１１を備え、インピーダンス整合回路１１は、高周波発振器１０の一対の出力端子に並列に接続されている第１コンデンサＣｐと、高周波発振器１０の出力を、雄型４と雌型５を介して生分解性基材７に印加する可変インダクタＬｓと第２コンデンサＣｓとの直列回路を備える。

インピーダンス整合回路１１には、可変インダクタＬｓのインダクタンスＬを変化させるモータ１７が接続される。制御部１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭからなるマイクロコンピュータと、モータ１７を駆動するドライバ回路を備える。

制御部１４は、加熱条件などを予め設定する入力部１５と、雄型４と雌型５の嵌合完了（プレス完了）を検出するプレスセンサ１６と、高周波発振器１０の出力電流を検出する電流検出器からの出力を受けて、モータ１７を制御し、高周波発振器１０の出力電流のオーバーシュートを抑制し、かつ、出力電流を一定に維持するために、高周波発振器１０のインピーダンスと生分解性材料（生分解性基材７と生分解性フィルム３）のインピーダンスとを整合するようになっている。

なお、可変インダクタＬｓには、例えば、平行な２本の細長い平行導体と、２本の平行導体を橋絡する橋絡導体を備え、モータ１７により橋絡導体が平行導体の長手方向に移動可能な機構を備えたものが好適に用いられる。

このような構成における動作を図６に示すフローチャートおよび図７に示す特性図を用いて説明する。なお、図７は可変インダクタＬｓのインダクタンスＬと、出力電流Ｉｐの時間ｔに対する変化特性を示す。

まず、ステップＳ１において初期設定が行われる。つまり、入力部１５により予め可変インダクタＬｓの初期値Ｌｏおよび出力電流Ｉｐの設定が行われると共に、初期遅延時間ｔ１、加熱完了時間ｔ２が設定される。

次に、雄型４と雌型５とが上記生分解性材料を介してプレスされ、互いに嵌合すると（ステップＳ２）、プレスセンサ１６が出力して高周波発振器１０がオンする（ステップＳ３）。この時、インダクタＬｓのインダクタンスＬは図７に示すようにＬｏ一定に保持されている。

そして、出力電流Ｉｐが図７のように零から増大し時間ｔ１（約０．２秒）が経過すると（ステップＳ４）、制御部１４は、モータ１７を駆動して出力電流Ｉｐが設定値Ｉｓになるように可変インダクタＬｓを低速（第１速度）で増大させる（ステップＳ５）。

出力電流Ｉｐが図７のように設定値Ｉｓに到達してオーバーシュートすると（ステップＳ６）、インダクタンスＬｓを一定に保持してオーバーシュートを抑制し、以後は出力電流Ｉｐが設定値Ｉｓに維持されるようにインダクタＬｓを高速（第１速度より大きい第２速度）で変化させる（ステップＳ７，Ｓ８）。
そして、図７に示すように、加熱完了時間ｔ２が経過すると、発振器１０がオフし、誘電加熱工程が終了する（ステップＳ９，Ｓ１０）。

つまり、制御部１４では、生分解性基材７の物性変化に対応して可変インダクタＬｓのインダクタンスが変化するようにその変化速度をプログラム化し、変化速度を加熱初期においては低速にし、中期・後期においては高速にしてインピーダンス変化の最適化を画った。

このようにインピーダンス整合回路１１のインピーダンスを制御することにより、約６３重量％から４重量％までの水分値変動に伴って負荷が激しく変動する生分解性基材７のインピーダンスと高周波発振器１０のインピーダンスとが整合し、効率よく電力が生分解性基材７に供給される。そして、必要な加熱時間が４〜１２秒までに短縮されることが実験によって確認された。

なお、インピーダンス整合回路１１では、可変インダクタＬｓのインダクタンスを変化させてインピーダンス整合を行ったが、第１コンデンサＣｐや第２コンデンサＣｓの静電容量を変化させてもよいし、それぞれを同時に変化させるようにしてもよい。

１生分解性容器
２発泡基材層
３生分解性フィルム
４雄型
５雌型
６金型
７生分解性基材
８枠体
９キャビティ
１０高周波発振器
１１整合回路
１２上枠
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ挟持部
１３下枠
１４制御部
１５入力部
１６プレスセンサ
１７モータ

Claims

ヒータを内蔵し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、前記ヒータにより予め所定温度に予熱した雄型と雌型の間に生分解性材料を介在させて雄型と雌型を嵌合させ、金型内で生分解性材料を加熱して発泡・焼成することにより容器状の発泡基材層を成形する工程を備え、金型内で生分解性材料を加熱する前記工程は、雄型と雌型を介して生分解性材料に高周波を印加して誘電加熱する工程を含み、
誘電加熱工程が、高周波発振器と、可変インダクタを有するインピーダンス整合回路とを用い、可変インダクタのインダクタンスを、高周波印加開始から所定時間だけ一定値に維持した後、第１速度で増大させ、発振器の出力電流が所定値に達すると、一旦一定に保持し、次に第１速度よりも大きい第２速度で変化させて前記出力電流を前記所定値に維持することを特徴とする生分解性容器の製造方法。
インピーダンス整合回路は、第１コンデンサを高周波発振器の出力に並列に接続し、前記可変インダクタおよび第２コンデンサの直列回路を介して高周波発振器の出力を金型に接続する回路である請求項１記載の生分解性容器の製造方法。
誘電加熱工程は、高周波発振器の出力電流に基づいて可変インダクタを制御する工程を含む請求項１又は２に記載の生分解性容器の製造方法。
可変インダクタは、モータによってそのインダクタンスを増減させる機構を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の生分解性容器の製造方法。
生分解性材料に高周波を印加して誘電加熱する装置であって、高周波発振器と、可変インダクタを有するインピーダンス整合回路と、可変インダクタのインダクタンスを制御する制御部を備え、制御部は前記インダクタンスを、高周波印加開始から所定時間だけ一定値に維持した後、第１速度で増大させ、発振器の出力電流が所定値に達すると、一旦一定に保持し、次に第１速度よりも大きい第２速度で変化させて前記出力電流を前記所定値に維持することを特徴とする誘電加熱装置。