JP6720216B2 - 壁厚が薄いプラスチック小部材の製造方法、および壁厚が薄いプラスチック小部材 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載されているとおりの、壁厚が薄いプラスチック部材の製造方法に関する。本発明はまた、壁厚が薄いプラスチック小部材にも関する。

本発明の意味合いにおいてプラスチック小部材とは、封止部、たとえば飲料包装用の封止部、包装部材、たとえばチューブ口部（Tubenschluter）、包装全体、たとえばコーヒー、ココアもしくはお茶のためのカップ（Becher）、カプセル状容器およびブリスターパック（ポッド）などの、多くのものをいう。本発明の意味合いにおいて壁厚が薄いとは、１．５ｍｍ未満の平均壁厚を有するプラスチック小部材をいう。

このような薄い層状のプラスチック小部材は通常、バルク状プラスチック、たとえばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）またはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）から製造される。これらのバルク状プラスチックから得られるプラスチック小部材は壁厚が薄いため、酸素、二酸化炭素および水蒸気に対するバリア性が比較的劣っており、これらの材料からプラスチック小部材を製造する際には通常、さらなるバリア層が設けられるか、またはプラスチックをプラスチック小部材に加工する前に、バリア添加剤を混ぜる。バリア層としてはたとえば、エチレン・ビニルアルコールコポリマー（ＥＶＯＨ）、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、またはポリアミドが用いられる。プラズマ被覆（たとえば炭素被覆（ＤＬＣ）、または薄いチタン被覆、アルミニウム被覆または酸化ケイ素被覆）を備えたプラスチック小部材の被覆も、要求されるバリア性を達成するためにしばしば適用される。

このような壁厚が薄いプラスチック小部材の製造は通常、多層シートの熱成形（深絞り成形）によって行う。多層シートの製造は比較的容易であり、市場に広く出回っている。熱成形（深絞り成形）は、特に包装（たとえば食品産業における包装）を製造するための従来の適用分野であり、充分に試験されている。

しかしながら、熱成形において多層シートまたは多層プレートを使用することは、リサイクルのためには否定的であることが実証されている。それというのも多層プラスチック小部材は、各材料から分離することが、そもそも可能であったとしても、極めて困難だからである。熱成形の場合にはしばしばまた、さらに打ち抜きフレーム（Stanzgitter）が生じるが、これはリサイクルプロセスに供給することが非常に困難であるか、またはその供給ができない。これによって、目的とする、または所定のリサイクル率も達成できないことが多い。

従って本発明の課題は、従来技術による、壁厚が薄いプラスチック小部材の上記欠点を是正することである。所定の使用後に、より容易なリサイクルが可能なプラスチック小部材を製造することができる、このような壁厚が薄いプラスチック小部材を製造する方法を提供すべきである。

前記課題は、請求項１に記載したとおりの特徴を有する、壁厚が薄い小プラスチック部材の製造方法により解決される。前記課題は本発明によれば、相応する装置の請求項の特徴を有する、壁厚が薄いプラスチック小部材によっても解決される。本発明のさらなる構成および／または有利な変形例は、従属請求項の対象である。

本発明は、１．５ｍｍ未満の平均壁厚を有する、壁厚が薄いプラスチック小部材の製造方法を提案するものであり、この方法では、プラスチック小部材をプラスチック射出成形法で、ASTM D4603（これはＰＥＴ材料における試験を記載したものである）と同様の測定法により測定して０．４ｄｌ／ｇ〜０．７ｄｌ／ｇ、好適には０．６ｄｌ／ｇ未満の粘度を有するポリエチレンフラノエート（ＰＥＦ）から製造し、このＰＥＦはプラスチック射出成形に際して、１００ｐｐｍ未満の含水量を有する。理想的には、含水量はプラスチック射出成形に際して、３０ｐｐｍ未満である。

非常に低い粘度を有するポリエチレンフラノエート（ＰＥＦ）を使用することによって、プラスチック小部材を、プラスチック射出成形法で非常に経済的に製造することができる。ここで粘度は、ASTM D4603と同様の測定法により特定する。この標準化された測定法は、ＰＥＴの粘度測定のために開発されたものではあるが、しかしながらＰＥＦにも同じ形で適用できる。ＰＥＦの粘度についての測定手法は、ASTM D4603と同様に選択する。それというのもＰＥＦ素材については、粘度測定のための特定の基準が、未だに存在しないからである。

非常に流動性の高いＰＥＦを出発材料として用いることによって、その製造コストが減少する。それというのも、所望の粘度を達成するために、時間が掛かり、コストの高い塊状重合法（または重縮合プロセス）を省略することができるか、またはこのような重合法を僅かに行う必要があるにすぎないからである。流動性の高いＰＥＦの使用はさらに、プラスチック射出成形に際して利点を有する。流動性の高いＰＥＦによって、プラスチック射出成形の際に、はるかに簡単に、長くて細い流路を実現することができ、ＰＥＦ溶融物の固化が早すぎてしまうという危険性、またはＰＥＦ溶融物において分枝鎖の配向性が生じるという危険性がない。これによって、壁厚が非常に薄く、歪みの少ない形状が、プラスチック射出成形法で可能になる。

プラスチック射出成形法のために使用されるＰＥＦの粘度が低いことにより、ＰＥＦのバリア性に対しても肯定的な影響がもたらされる。それというのも、比較的短い分枝鎖を有する、流動性の高いＰＥＦは明らかに移動性が高く、これによって、所望の結晶化度までの結晶化がはるかに早くなるからである。バリア性にとって、また射出成形された壁厚が薄いプラスチック小部材の耐熱性にとっては、より高い結晶化度が有利である。その一方で、プラスチック小部材の非晶質度がより高いことが、耐引掻性にとっては有利である。たとえば非晶質ＰＥＦは既に、同等の壁厚のＰＥＴと比べて、酸素に対して１０倍高いバリア性を有する。ＰＰと比べて、酸素に対する非晶質ＰＥＦのバリア性は、それどころか３００倍まで良好である。水蒸気に対するＰＥＦのバリア性もまた、同じ壁厚のＰＥＴと比べて、２倍良好である。従って、非晶質ＰＥＦは既に、従来使用されているプラスチックと比べて、封入された製品の香り保持という点で、利点を有する。これによって壁厚が薄いプラスチック小部材を、単層構造として製造できる。熱成形のための多層シートまたはプレートの製造は必要なく、多くの場合に使用される打ち抜きフレームも同様になくてよい。プラスチック射出成形法にとってはまた、加熱および再度冷却する必要のあるプラスチック材料が、熱成形よりも少なくてすむ。これによって、それ自体は比較的複雑なプラスチック射出成形法が、熱成形（深絞り成形）に対する、コスト的に有利な代替手段になる。単層のＰＥＦから射出成形されたプラスチック小部材は全て、リサイクルプロセスに供給することができ、このことは、目標とするリサイクル率に有利な影響をもたらすことができる。

ここで、プラスチック射出成形法で加工されたＰＥＦは、１００ｐｐｍ未満の含水量を有する。プラスチック射出成形法で加工されたＰＥＦの含水量は好適には、３０ｐｐｍ未満である。このためにＰＥＦを、その加工前に乾燥させる。プラスチック射出成形法でＰＥＦを加工する前にＰＥＦの粘度および含水量を調整することは、ＰＥＦの分子構造、特にその鎖長の維持に役立つ。ＰＥＦの乾燥によって、鎖の加水分解が減少し、ＰＥＦの射出成形に際して、加水分解によるＰＥＦ鎖の開裂を抑制することができる。この際にＰＥＦの後処理は、プラスチック射出成形法でのさらなる加工に、できる限り時間的に近いタイミングで行うことが望ましい。ここで本発明の意味合いにおいて「時間的に近いタイミングで」とは、０〜２時間の間であると考えられる。ここで、プラスチック射出成形法で壁厚が薄いプラスチック小部材を製造するために使用するＰＥＦは、直鎖状の鎖構造を有することができるか、またはより小さい、もしくはより大きい分岐を有していてもよい。

１つの変法では、プラスチック射出成形法に使用されるＰＥＦは、バイオベースのＰＥＦを１０％〜１００％含有することができる。バイオベースのＰＥＦを使用することは、環境上の理由から望ましい。それというのも、ＰＥＦを製造するために、再生可能な物質のみを使用できるからである。

さらなる変法では、使用するＰＥＦが再生原料を１００％まで含んでいてよい。ＰＥＦの製造方法、ならびにＰＥＦの乾燥およびさらなる加工に使用する温度が原因となって、場合により生じる僅かな不純物は、他の物質とともに、特に異種ポリマーとともに、副次的な役割を果たす。従って、再生原料を含有する射出成形されたプラスチック小部材は、特に制限なく、包装物と直接接触することができる。

ＰＥＦが０％〜３０％の発泡度を示すまで、ＰＥＦを物理的または化学的に発泡させるさらなる変法を意図することができる。ここでＰＥＦの発泡は、使用する射出成形型のキャビティ内部で行う。

さらなる変法は、容易に酸化可能な添加剤との混合物も意図することができ、この添加剤は、触媒を用いて、もしくは触媒を用いることなく酸素と反応可能であり、これによって酸素を内容物から遠ざけておくことができる。触媒としてはたとえば、コバルト塩が考慮される。

所望の含水量を調整するために、ＰＥＦを１００℃超かつ２００℃未満の乾燥温度で乾燥させることができる。乾燥工程はＰＥＦの含水量調整に役立ち、これによって、ＰＥＦ材料をさらに部分的に清浄化すること、または必要であれば粘度を所望の範囲に上昇させることが可能になる。乾燥は、従来の乾燥機で行うことができる。しかしながら乾燥の際に、ＰＥＦ材料の付着を避けるために、撹拌装置または相応する装置を使用すると、適切であることが実証されている。１００ｐｐｍ未満の湿分を達成するためには、ＰＥＦ材料の当初の含水率に応じて、３〜３０時間の乾燥時間が目標とされる。加えて、乾燥時間をさらに短縮するため、赤外線照射またはマイクロ波照射によってエネルギーを投入することもできる。最後に、ＰＥＦの乾燥はさらに真空中、またはＰＥＦとの反応を起こさない不活性ガス雰囲気下、たとえば窒素雰囲気下で行うこともできる。

さらなる変法においてＰＥＦには、５％を超えない成核剤割合を添加混合することができる。成核剤を添加混合することによって、結晶化に適切な影響を与えることができる。成核剤としてはたとえば、炭酸カルシウム、粘土粉末、ケイ酸塩、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アルミニウム塩、チタン塩、有機塩（たとえばポリエステルの金属塩）、金属酸化物、ソルビトール誘導体、ホスフェート誘導体、タルク、ワックス、ポリオレフィン（ＰＥ、ＴＰＥ、ＰＰ）、脂肪族ポリアミドが使用される。

代替的な変法では、射出成形の間のＰＥＦの結晶化を抑制するため、ＰＥＦに、コポリマーの一部、１０％を超えない割合で、たとえばジエチレングリコールを添加混合することができる。

本発明に従ってプラスチック射出成形法で製造される壁厚が薄いプラスチック小部材は、１．５ｍｍ未満の平均壁厚を有する。ここでプラスチック小部材は実質的に、単層で形成されたＰＥＦのみからなる。ＰＥＦからプラスチック小部材を単層で形成することによって、その完全なリサイクルが可能になり、これは特に環境上の観点から望ましいと思われる。

本発明の変法において、射出成形された、壁厚が薄いプラスチック小部材は、１ｍｍ未満の平均壁厚を有していてよい。使用される低粘度ＰＥＦは非常に流動性が高く、これによって、射出成形型のキャビティを非常に迅速に充填することが可能になる。それにも拘わらず、型のギャップ幅が非常に狭いため、射出されるＰＥＦ溶融物を、特定の、所望の結晶化を生じることができる。

本発明の変法は、壁厚が薄いプラスチック小部材が少なくとも部分的に、５０％までの結晶化度を有することを意図することができる。高い結晶化度は、バリア性に対して肯定的な作用を及ぼし、その一方でＰＥＦの非晶質性は、常温での衝撃強さに対して有利に作用しうる。

本発明の変法において射出成形型は、ＰＥＦ材料の射出の際にはまだ完全には閉鎖されていなくてよく、ＰＥＦ材料の射出成形の間、またはその後に初めて、完全に閉鎖される。このようなプロセス実施に際して、壁厚が薄いプラスチック小部材を、射出成形プロセスおよび衝撃押出プロセスによって成形する。型をどの時点で閉鎖するかに応じて、射出成形プロセスまたは衝撃押出プロセスが勝る。

さらなる変法において熱可塑性ＰＥＦ成形材料は、型を閉鎖する前に既に、型のキャビティに導入することができる。この場合、プラスチック小部材の製造はもはや、そもそも射出成形プロセスではなく、衝撃押出法である。

本発明により射出成形された、壁厚が薄いプラスチック小部材は、封止部、たとえば飲料包装用の封止部として、包装の一部として、たとえばチューブ口部として、包装全体として、たとえばカップとして、コーヒー、ココアもしくはお茶のためのカプセル状容器またはブリスターパック（ポッドもしくはパッド）として形成されていてよい。これは特に、酸素に敏感な内容物のための包装として形成されていてよい。壁厚が薄いプラスチック小部材はたとえば、食品トレイまたは酸素に敏感な内容物のためのカップであってよい。コーヒー、ココアもしくはお茶のカプセル状パックまたはブリスターパックとして、射出成形された壁厚が薄いプラスチック小部材を形成することによって、香りが失われることなく充分に貯蔵可能になる。その際に、カプセル状の包装のための封止シートもＰＥＦから作製されていてよく、これにより、このような包装のリサイクル性が著しく改善される。最後に、本発明による、壁厚が薄いプラスチック小部材は、ベビーフード用のカップとしても、ペースト、ソースまたはケチャップを保管するためのカップとしても用いることができる。

低粘度のＰＥＦを使用することによって、プラスチック射出成形法で壁厚が薄いプラスチック小部材を、コスト的に有利に作製することが可能になる。射出成形されたＰＥＦ製のプラスチック小部材は、そのバリア性に対して否定的な作用をもたらすことなく、単層で形成されていてよい。ここでプラスチック小部材はそのバリア性に関して、熱成形（深絞り成形）で従来のバルク状プラスチック、たとえばＰＥ、ＰＰ、ＰＥＴ、ＰＳまたはＰＶＣから作製されたシートまたはプレートから構成されている、ＥＶＯＨ、ＰＧＡ、またはＰＡ製のバリア層を備えるもの、または非晶質炭素層製の被覆、または薄いガラス被覆を有するものと少なくとも同等であり、それどころか多くの場合では、これらを上回っている。従来技術による多層のプラスチック小部材、および複数の異なる材料から構成されたプラスチック小部材とは異なり（これらはリサイクルに供給するのが非常に困難であり、不完全にしかリサイクルに供給できない）、本発明による壁厚が薄いプラスチック小部材は、単層で構成されたＰＥＦ製の単一物質部材（非常に容易に完全にリサイクル可能）である。

Claims (13)

1. １．５ｍｍ未満の平均壁厚を有する、壁厚が薄いプラスチック小部材の製造方法において、前記プラスチック小部材を、ASTM D4603に従った測定法により測定して０．４ｄｌ／ｇ〜０．７ｄｌ／ｇの粘度を有するポリエチレンフラノエート（ＰＥＦ）からプラスチック射出成形法で製造し、前記ＰＥＦはプラスチック射出成形に際して、１００ｐｐｍ未満の含水量を有することを特徴とする、前記製造方法。
2. プラスチック射出成形法のために、バイオベースＰＥＦを１０〜１００ｗ／ｗ％含有するＰＥＦを使用することを特徴とする、請求項１記載の製造方法。
3. プラスチック射出成形法のために、再生原料を１００％まで含有するＰＥＦを使用することを特徴とする、請求項１または２記載の製造方法。
4. ＰＥＦが０％超〜３０％の発泡度を示すまで、物理的または化学的に発泡させることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の製造方法。
5. ＰＥＦを１００℃超２００℃未満の乾燥温度で乾燥させることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の製造方法。
6. ＰＥＦを、乾燥プロセスの間に撹拌することを特徴とする、請求項５記載の製造方法。
7. ＰＥＦの乾燥プロセスを、マイクロ波照射の形でのエネルギーの供給によって補助することを特徴とする、請求項５または６記載の製造方法。
8. ＰＥＦの乾燥を真空下で、または不活性雰囲気で行うことを特徴とする、請求項５から７までのいずれか１項記載の製造方法。
9. ＰＥＦに、５ｗ／ｗ％を超えない成核剤の割合を添加混合することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の製造方法。
10. ＰＥＦに、１０ｗ／ｗ％を超えないコポリマーの割合を添加混合することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の製造方法。
11. 単層で形成されたＰＥＦからなり、１．５ｍｍ未満の平均壁厚を有する壁厚が薄い射出成形プラスチック小部材において、封止部として、包装の一部として、または完全包装として形成されていることを特徴とする、前記射出成形プラスチック小部材。
12. １ｍｍより小さい平均壁厚を有することを特徴とする、請求項１１記載の壁厚が薄い射出成形プラスチック小部材。
13. 射出成形プラスチック小部材が、少なくとも一部において、５０％以下の結晶化度を有することを特徴とする、請求項１１または１２記載の壁厚が薄い射出成形プラスチック小部材。