JP5801162B2 - 生分解性プラスチックおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
ポリ乳酸フィルムやシートは水蒸気透過性に優れ、果物や野菜等の青果物の鮮度保存フィルムとして有用であることが知られているが、さらなる透過性が望まれている。もし、包装フィルムの水蒸気透過性が悪いと包装フィルム内面に水滴が付着して曇り、最悪のケースとしてはこれらの水滴が青果物に落下して腐る原因となることがある。
ここで、海島構造とは、例えば、一つの成分のみが連続相となり、その中に島のように、もう一つの成分の相が孤立して点在している状態であり、共連続相構造とは、2つの成分のそれぞれが連続相を形成し、それら2つの連続相が混在し互いに融着した状態である。
澱粉に代えて低分子量のデキストリンを用いてシートを作成すると脆くなり、膜強度が低くなることおよび耐水性が低下することが知られていた。したがって、デキストリンおよびポリ乳酸を含有する生分解性樹脂組成物は、実用化されていなかった。
(1)ポリ乳酸100質量部に対してポリ乳酸用可塑剤5〜25質量部が配合された可塑化ポリ乳酸系組成物の連続相およびデキストリン100質量部に対してデキストリン用可塑剤20〜75質量部が配合された可塑化デキストリン組成物の連続相が混在し互いに融着した共連続相構造を有する、生分解性樹脂組成物;
(2)透湿度が550(g/m2・24h、厚さ50μm換算値、測定温度:40℃、測定湿度90%)以上であり、酸素ガス透過率が10(10−11cm3(STP)/cm・s・cmHg、23℃)以下である、項目(1)に記載の生分解性樹脂組成物;
(3)デキストリンが、酵素変性デキストリン、焙焼デキストリン、ブリティシュガムからなる群から選択される、項目(1)に記載の生分解性樹脂組成物;
(4)デキストリンが、酵素変性デキストリン、焙焼デキストリン、ブリティシュガムのエーテル化、エステル化からなる群から選択される、項目(1)に記載の生分解性樹脂組成物;
(5)デキストリンが、ヒドロキシプロピル化酵素変性デキストリンである項目(1)に記載の生分解性樹脂組成物;
(6)ポリ乳酸用可塑剤が、アジピン酸エステル、ベンジルメチルジグリコールアジペート、アセチルクエン酸トリブチルからなる群より選択される、項目(1)に記載の生分解性樹脂組成物;および
(7)デキストリン用可塑剤が、グリセリン、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、尿素、グルタミン酸ナトリウムからなる群より選択される、項目(1)に記載の生分解性樹脂組成物
を提供する。
(8)項目(1)〜(7)いずれかに記載の生分解性樹脂組成物からなるシート;
(9)多孔性である、項目(8)に記載のシート;および
(10)透気度が1000秒以下である、項目(8)に記載のシート
を提供する。
(11)ポリ乳酸およびポリ乳酸用可塑剤ならびにデキストリンおよびデキストリン用可塑剤を含む生分解性樹脂組成物の製造方法であって、
(a)ポリ乳酸100質量部に対して、ポリ乳酸用可塑剤5〜25質量部を配合して、可塑化ポリ乳酸組成物を生成し、
(b)デキストリン100質量部に対して、デキストリン用可塑剤20〜75質量部を配合して、可塑化デキストリン組成物を生成し;ついで
(c)可塑化ポリ乳酸組成物100質量部に対して、可塑化デキストリン組成物25〜110質量部を配合して、生分解性樹脂組成物を生成する
工程を含む、製造方法;
(12)項目(1)〜(7)いずれかに記載の生分解性樹脂組成物からなる多孔性のシートの製造方法であって、前記生分解性樹脂組成物からなるシートから少なくとも一部のデキストリンを脱落させることによって、シート全体に複数の孔を形成する工程を含む、多孔性のシートの製造方法;および
(13)項目(1)〜(7)いずれかに記載の生分解性樹脂組成物からなる多孔性のシートの製造方法であって、前記生分解性樹脂組成物からなるシートを浸水処理することによって、少なくとも一部のデキストリンを脱落させる、項目(12)に記載の多孔性のシートの製造方法
を提供する。
まず、トウモロコシ、ジャガイモ、サツマイモなどの澱粉を発酵させて乳酸を得る。乳酸を加熱脱水重合して得られた低分子量の乳酸オリゴマーをさらに、減圧下で加熱分解して乳酸の環状二量体であるラクチドを合成し、このラクチドを触媒存在下で重合させるか、または、有機溶媒中で乳酸を減圧下加熱し、水を取り除きながら直接重合させ、ポリ乳酸を得る。
この他、溶融法などによってもポリ乳酸を得ることができるが、本発明においてはいずれの合成方法により得られたポリ乳酸も用いることができる。
本発明により製造されたシートから、デキストリンの少なくとも一部を脱落させるためには、(1)シートを浸水処理することによって達成するか、または、(2)シートを延伸処理することによって達成することができる。
1.溶融粘度測定
島津製作所フローテスタCFT−100Dを用いて溶融粘度を測定した。
押出し条件:定温法(160、170、180℃)、ダイ穴径 1.0mm、
シリンダ圧力 0.98MPa、剪断圧力 24.5kPa
ヒートプレス(ミニテストプレス;東洋精機製作所)を使用して、混練したサンプルを熱プレス(プレス温度:160〜180℃、プレス圧力:100kgf/cm2、プレス時間:10秒)を行ってシートを作製した。
JIS K7113に準じて、万能試験機(テンシロン、株式会社エー・アンド・デイ)を用いて、シートの最大点強度(gf/mm2、または、MPa)および破断点伸度(%GL)を測定した。
試験条件:試験片の形状 2号型、試験片の厚さ 200μm、試験点数 5点
試験速度 50mm/分、試験室の環境温度 20℃、環境湿度 65%RH
JIS L1099A−1法に準じて、カップ法にて、シートの透湿度を測定した後、厚み50μmのシートとして透湿度を換算した。
試験条件:測定した試験片の厚さ 100〜500μm
試験室の環境温度 40℃、環境湿度90%RH
JIS K7126−1法(ガスクロマトグラフ法)に準じて、ガス・水蒸気透過率測定装置(10XAOK;GTRテック株式会社)を用いて、シートの酸素ガス透過率を測定した。
試験条件:試験片の厚さ100〜500μm
試験室の環境温度 23℃
高圧側の加圧:49Pa
浸水無しの場合はシートをそのまま試料とした。浸水処理を行う場合は、シートを枠に固定した上で所定の温度の温水に所定の時間浸漬した後、室温で風乾させた物を試料とした。
JIS P8117の方法(ガーレー試験機法)に準じて、B−TYPE試験器(安田精機製作所)を用いて、シートの透気度を測定した。
試験条件:試験片の形状 2号型、試験片の厚さ 40〜100μm、試験点数 5点
試験室の環境温度 23℃、環境湿度 50%RH
作製したシートを15×20mm角の大きさに切断し、200ppmの濃度の酵素(プロテイナーゼ K(Proteinase K、Sigma−Aldrich社製pro K)またはα−アミラーゼ(エイチビーアイ株式会社製BLA))を入れたpH緩衝溶液の中に入れ、27℃の恒温槽中で88時間放置した前後の質量差を測定することで残存率を計算し、生分解性の評価とした。酵素を含まないpH緩衝溶液を用いて同様に行った測定結果をブランクとした。緩衝溶液のpHは、プロテイナーゼ Kを用いた場合とブランクでは7、α−アミラーゼを用いた場合では6とした。
光学顕微鏡での観察の場合は、光学顕微鏡(株式会社レイマー製BX−3500T)を用いてシートを観察した。電子顕微鏡での観察の場合は、走査型電子顕微鏡(日本電子株式会社製JSM−6460LA)を用いてシートを観察した。
ポリ乳酸として、テラマック(登録商標)TP−4000(ユニチカ株式会社)、ポリ乳酸の可塑剤として、アジピン酸エステル(DAIFATY−101;大八化学工業株式会社)を用いた。澱粉類(ここでは、澱粉および、デキストリンなどの澱粉分解物を総称する。)として、酢酸エステル化酸化澱粉(ZP−8[平均分子量約350000];日澱化學株式会社)および酵素変性デキストリン(アミコールNo.6−L[平均分子量8600];日澱化學株式会社)を用いた。
ポリ乳酸および澱粉類を予め可塑化せずに、小型混練機(ラボプラストミル;株式会社東洋精機製作所)を用いて、表1に記載した配合を180℃で10分間混練して、生分解性樹脂組成物のサンプルを作製した。
各サンプルの配合および溶融粘度を表1に示す。
澱粉類として、酵素変性デキストリン(アミコールNo.6−L;日澱化學株式会社)、ヒドロキシプロピル化酵素変性デキストリン(ペノンPKW[平均分子量144000];日澱化學株式会社)およびヒドロキシプロピル化酸化澱粉(パイオスターチLT[平均分子量約300000];日澱化學株式会社)のそれぞれに対して10質量%、20質量%、30質量%、40質量%および50質量%の各種可塑剤をステンレスビーカーに入れて、オイルバス中で攪拌しながら180℃まで加熱した。
澱粉類と可塑剤との混和状態を顕微鏡観察した。観察結果を表2〜4に示す。表中、○は混和状態になったことを、×は混和しなかったことを、−は試験しなかったことをそれぞれ示す。
ペノンPKWについて、グリセリン、エチレングリコールおよびプロピレングリコールが可塑剤として好ましく、エチレングリコールが20質量%の添加量で混和するため、より好ましい。
パイオスターチLTについて、グリセリンおよびエチレングリコールが可塑剤として好ましく、エチレングリコールが20質量%の添加量で混和するため、より好ましい。
いずれの澱粉類についても、ソルビトールおよびペンタエリスリトールは可塑剤として働かなかった。
ポリ乳酸として、テラマック(登録商標)TP−4000(ユニチカ株式会社)、ポリ乳酸の可塑剤として、アジピン酸エステル(DAIFATY−101;大八化学工業株式会社)を用いた。ポリ乳酸にポリ乳酸用可塑剤を配合して可塑化ポリ乳酸を生成した。
澱粉類として、酵素変性デキストリン(アミコールNo.6−L;日澱化學株式会社)、ヒドロキシプロピル化酵素変性デキストリン(ペノンPKW;日澱化學株式会社)およびヒドロキシプロピル化酸化澱粉(パイオスターチLT;日澱化學株式会社)、澱粉類の可塑剤として、エチレングリコールまたはグリセリンを用いた。
小型混練機(ラボプラストミル;株式会社東洋精機製作所)を用いて、ポリ乳酸および澱粉類をそれぞれの可塑剤と160〜180℃にて10分間混練し、可塑化した。
可塑化ポリ乳酸および可塑化澱粉類を4:1の質量比率で混練し、生分解性樹脂組成物のサンプルを得た。
各サンプルを、180℃にてヒートプレス機で熱プレスを行ってシート状にした。これらのシートについて引張試験を行った。
各サンプルの配合および溶融粘度、ならびにシートの色、最大点強度および破断点伸度を表5に示す。
すなわち、デキストリン(アミコールNo.6−L、ペノンPKW)を用いたサンプルは、溶融粘度および引張試験の結果が良好であった。
澱粉を用いたサンプルは、デキストリンを用いたサンプルと比較して、溶融粘度が極端に低くなり、破断点伸度も低かった。
これは、澱粉と比較して分子量の低いデキストリンは、可塑化剤と混和させたとき、可塑化ポリ乳酸相と共連続相を形成するのに適した混和状態を生じるためと考えられる。
ポリ乳酸として、テラマック(登録商標)TP−4000(ユニチカ株式会社)、ポリ乳酸の可塑剤として、アジピン酸エステル(DAIFATY−101;大八化学工業株式会社)を用いた。ポリ乳酸にポリ乳酸用可塑剤を配合して可塑化ポリ乳酸を生成した。
澱粉類として、酵素変性デキストリン(アミコールNo.6−L;日澱化學株式会社)およびヒドロキシプロピル化酵素変性デキストリン(ペノンPKW;日澱化學株式会社)、澱粉類の可塑剤として、エチレングリコールを用いた。
小型混練機(ラボプラストミル;株式会社東洋精機製作所)を用いて、ポリ乳酸および澱粉類をそれぞれの可塑剤と180℃で10分間混練し、可塑化した。
可塑化ポリ乳酸および可塑化澱粉類を4:1〜4:6の質量比率で混練し、生分解性樹脂組成物のサンプルを得た。
各サンプルを、180℃にてヒートプレス機で熱プレスを行ってシート状にした。これらのシートについて引張試験を行った。
各サンプルの配合および溶融粘度、ならびにシートの色、最大点強度および破断点伸度を表6に示す。
ポリ乳酸として、テラマック(登録商標)TP−4000(ユニチカ株式会社)、ポリ乳酸の可塑剤として、アジピン酸エステル(DAIFATY−101;大八化学工業株式会社)またはアセチルクエン酸トリブチル(ATBC)を用いた。ポリ乳酸にポリ乳酸用可塑剤を配合して可塑化ポリ乳酸を生成した。
澱粉類として、酵素変性デキストリン(アミコールNo.6−L;日澱化學株式会社)、ブリティシュガム(赤玉ブリティシュガムNo.69[平均分子量190000];日澱化學株式会社)およびヒドロキシプロピル化酵素変性デキストリン(ペノンPKW;日澱化學株式会社)、ならびに、コーンスターチを用いた。澱粉類の可塑剤として、エチレングリコール、グリセリンおよびポリエチレングリコールを用いた。
小型混練機(ラボプラストミル;株式会社東洋精機製作所製)を用いて、PLAおよび澱粉類をそれぞれの可塑剤と180℃で10分間混練し、可塑化した。
可塑化ポリ乳酸および可塑化澱粉類を、表7または表8に記載の質量比率で混練し、生分解性樹脂組成物のサンプルを得た。
各サンプルの配合および溶融粘度、ならびに、各サンプルより作製したシートの最大点強度、破断点伸度、目視による外観の状態、透湿度、酸素ガス透過率および透気度を表7、および、表8に示す。
作製した多孔性シートの気体透過特性(透湿度及び酸素ガス透過率)を測定し、ポリ乳酸及び可塑化ポリ乳酸の結果と比較した(表7、表8)。
作製したシートの生分解速度を測定し、88時間後の残存率(質量%)を算出し、ポリ乳酸及び可塑化ポリ乳酸の結果と比較した(表9、表10、表11)。
表10と表11から、デキストリンを添加した場合は、生分解がかなり進行した。特に、実施例13および実施例14ならびに実施例17のサンプルでプロテイナーゼ Kを用いた場合は分解がほぼ完了していた。これは、酵素を入れたpH緩衝溶液に浸漬することによって共連続構造の水溶解性に優れる可塑化デキストリン連続相が除かれ、生分解を受ける作用面積が膨大に増加し、生分解性が促進されたものと考えられる。
しかし、澱粉(コーンスターチ)を用いた比較例4のサンプルは水溶解性に劣るため、生分解性が向上しなかったと考えられる。
実施例10のサンプルと比較例4のサンプルの浸水処理後のシートの断面を顕微鏡観察した結果を図3と図4に示す。図3と図4に示す顕微鏡観察結果から、実施例10のサンプルで、大きな穴の中にさらに小さな穴が存在することが観察され、共連続構造を確認することができた(図3)。一方、比較例4のサンプルでは、浸水処理したにもかかわらず穴の中に澱粉らしき残渣が残っており、穴が独立して存在することがわかった(図4)。したがって、デキストリン(赤玉ブリティシュガムNo.69)を用いたサンプルでは共連続構造によって透気度が大きく増大し、コーンスターチ(澱粉)を用いたサンプルでは共連続構造を持たないために透気度が増えなかったと考えられる。
かくして、本発明の生分解性樹脂組成物は、配合を変化させることによって、性状を制御することができるため、様々な分野に適用することができる。
Claims (13)
- ポリ乳酸100質量部に対してポリ乳酸用可塑剤5〜25質量部が配合された可塑化ポリ乳酸系組成物の連続相およびデキストリン100質量部に対してデキストリン用可塑剤20〜75質量部が配合された可塑化デキストリン組成物の連続相が混在し互いに融着した状態にある共連続相構造を有する、生分解性樹脂組成物。
- 透湿度が550(g/m2・24h、厚さ50μm換算値、測定温度:40℃、測定湿度90%)以上であり、酸素ガス透過率が10(10−11cm3(STP)/cm・s・cmHg、23℃)以下である、請求項1に記載の生分解性樹脂組成物。
- デキストリンが、酵素変性デキストリン、焙焼デキストリン、ブリティシュガムからなる群から選択される、請求項1に記載の生分解性樹脂組成物。
- デキストリンが、酵素変性デキストリン、焙焼デキストリン、ブリティシュガムのエーテル化、エステル化からなる群から選択される、請求項1に記載の生分解性樹脂組成物。
- デキストリンが、ヒドロキシプロピル化酵素変性デキストリンである請求項1に記載の生分解性樹脂組成物。
- ポリ乳酸用可塑剤が、アジピン酸エステル、ベンジルメチルジグリコールアジペート、アセチルクエン酸トリブチルからなる群より選択される、請求項1に記載の生分解性樹脂組成物。
- デキストリン用可塑剤が、グリセリン、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、尿素、グルタミン酸ナトリウムからなる群より選択される、請求項1に記載の生分解性樹脂組成物。
- 請求項1〜7いずれかに記載の生分解性樹脂組成物からなるシート。
- 多孔性である、請求項8に記載のシート。
- 透気度が1000秒以下である、請求項8に記載のシート。
- ポリ乳酸およびポリ乳酸用可塑剤ならびにデキストリンおよびデキストリン用可塑剤を含む生分解性樹脂組成物の製造方法であって、
(a)ポリ乳酸100質量部に対して、ポリ乳酸用可塑剤5〜25質量部を配合して、可塑化ポリ乳酸組成物を生成し、
(b)デキストリン100質量部に対して、デキストリン用可塑剤20〜75質量部を配合して、可塑化デキストリン組成物を生成し;ついで
(c)可塑化ポリ乳酸組成物100質量部に対して、可塑化デキストリン組成物25〜110質量部を配合して、可塑化ポリ乳酸系組成物の連続相および可塑化デキストリン組成物の連続相が混在し互いに融着した状態にある共連続相構造を有する、生分解性樹脂組成物を生成する
工程を含む、製造方法。 - 請求項1〜7いずれかに記載の生分解性樹脂組成物からなる多孔性のシートの製造方法であって、前記生分解性樹脂組成物からなるシートから少なくとも一部のデキストリンを脱落させることによって、シート全体に複数の孔を形成する工程を含む、多孔性のシートの製造方法。
- 請求項1〜7いずれかに記載の生分解性樹脂組成物からなる多孔性のシートの製造方法であって、前記生分解性樹脂組成物からなるシートを浸水処理することによって、少なくとも一部のデキストリンを脱落させる、請求項12に記載の多孔性のシートの製造方法。
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