JP6843249B2 - 分解性シート材料 - Google Patents

Description

本発明は、包装として使用するのにまたは容器を形成するのに好適な使い捨てシート材料に関する。上記シート材料は、単回または一時的な使用を目的として防水性材料が必要とされる場合に、特に好適である。好ましい用途のひとつとして、高温または低温の飲料を入れる使い捨て用の飲料容器があり、こうした容器は一般的に「コーヒーカップ」と称される。標準的な包装材料は分解が遅いという問題があるが、本明細書中に記載される材料は容易に分解するため、この問題に対処でき、特に有利である。

毎日、大量の紙包装材料が廃棄されている。紙でできているように見えるため、最終消費者は、この材料は分解が早い、と間違って思い込む。こうした思い込みから、ポイ捨てが助長されることがあり、さらには、最終消費者が、この材料は再利用できると考えて再利用回収箱に入れることもある。しかしながら、紙材料に防水性を付与するためには紙にポリエチレンを貼り合わせるのが一般的であり、ポリエチレンは、一旦貼り合わせると標準的な再利用プロセスでは分離できないため、廃棄された紙材料の迅速な分解を妨げる。

この点は、コーヒーカップの場合に特に問題となる。コーヒーカップは、コーヒーショップなどの一般大衆向けの店でコーヒーや紅茶といった飲料を持ち帰り用に販売する際に使用される。こうしたカップは、防水加工されたボール紙で作られるのが典型的であり、さらに、内容物の断熱と、高温や低温の液体飲料からの消費者の手の保護とを目的として、スリーブを別個にまたは一体化して有するものもある。

他には、プラスチック製コーヒーカップなどの、プラスチック包装材料および容器の提供も知られている。こうしたポリマー材料の使用には利点が多く、強度がありかつ化学的および生物学的に不活性である材料を比較的低コストで提供できる。ただ残念なことに、こうした特徴の多くを備えるために、ポリマー材料は、環境を長期的に損なうことなく廃棄するのが難しい。プラスチック容器は、機能寿命が非常に短いために、廃棄物として蓄積されるのも早く、この廃棄物は、従来の廃棄物処理過程で受ける大抵の物理的および化学的作用に対して不活性である。

人間が気候、生態系、ひいては地球全体に及ぼす影響についての認識が世界的に広まっており、それに伴って、さらに多くの廃棄物を再利用する必要性が高まっている。したがって、従来のポリマー材料に代わる代替物がますます必要になっている。

いくつかの分解性ポリマー組成物が開発されている。しかしながら、こうした従来の分解性ポリマーには著しい欠点がある。一般的に、従来の分解性ポリマー（脂肪族ポリエステルなど）は、加工が比較的困難かつ複雑であるために、生産量が比較的少ない。こうした材料は、従来の非分解性のポリマー製品と比較して、密度が相当に高く、強度が相当に低い。

ＵＳ４，０１６，１１７には、デンプンなどの生分解性増量材料と、土壌中において遷移金属に曝露されると過酸化物を生成し、この過酸化物が樹脂中の炭素−炭素結合を攻撃するという、脂肪などの自動酸化性物質との使用が開示されている。

ＵＳ４，９３１，４８８には、生物学的分解性物質（デンプン）、鉄化合物（ＦｅＯＨ（ステアレート）_２）、および脂肪酸または脂肪酸エステル（たとえば、脂肪酸エステルの混合物である大豆油など）を、熱可塑性ポリマーに添加することが開示されている。これによって得られるプラスチック組成物は、熱および／または紫外光および／または日光に対する曝露の作用を受けて分解する。こうした組成物は、非生物分解速度および生分解速度において不利である。

現代において、自身の社会的責任と二酸化炭素排出量とを認識する消費者が増えている。これに伴い、上述される廃棄物問題に関するマイナスの印象が強くなっており、環境にやさしい代替物を早急に提供することが求められている。したがって、特にコーヒーカップのような包装もしくは容器の形成用途に好適な分解性シート材料を提供すること、および／または、先行技術が抱える問題の少なくとも一部に対処すること、または少なくとも、商業的に有用な代替物を提供することが望まれている。特に、再利用可能であり、さらに、特に廃棄後に、容易に分解する包装材料またはラッピングの提供が求められている。

第１の態様によれば、本発明は、分解性組成物で形成されるシート材料を提供する。組成物は、
組成物の重量に対して３０〜８０重量％の炭酸カルシウムと、
添加剤と、
残部として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ならびにそれらの共重合体および配合物から選択されるポリマーとを含有し、
添加剤は、添加剤とポリマーの重量の合計に対して、
（ａ）総量０．１５〜０．６重量％の２種以上の遷移金属化合物と、
（ｂ）０．０４〜０．０８重量％の、モノもしくはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸、またはそのエステル、無水物、もしくはアミドと、
（ｃ）０．０４〜０．２重量％の合成ゴムと、
任意に、
（ｄ）０〜２０重量％の乾燥デンプン、および／または
（ｅ）０〜１重量％の酸化カルシウム、および／または
（ｆ）０〜０．２重量％のフェノール性酸化防止安定剤を含有し、
２種以上の遷移金属化合物は、鉄、マンガン、銅、亜鉛、チタン、コバルト、およびセリウム化合物から選択され、２種以上の遷移金属化合物における遷移金属は異なる。

シート材料は、使い捨て用コーヒーカップであることが好ましい。以下に示す開示内容はシート材料に関して記載されているが、本開示は、シート材料が使い捨て用コーヒーカップの形状である実施形態についても、同様に適用される。

添加剤は、実質的に、先に列記された要素（ａ）〜（ｆ）からなることが好ましい。組成物は、実質的に、添加剤、炭酸カルシウム、およびポリマーからなることが好ましい。すなわち、組成物は、他の成分の含有量が５重量％未満であることが好ましく、他の成分の含有量が１重量％未満であることがより好ましく、他の成分を含有しないことが最も好ましい。

以下に、本発明がさらに記載される。以下の記述において、本発明の異なる態様がより詳細に定義される。別記がない限り、このように定義されたそれぞれの態様を、任意の他の態様の１つ以上と組み合わせてもよい。特に、好ましいまたは有利であるとして記載される任意の特徴を、好ましいまたは有利であるとして記載される任意の他の特徴の１つ以上と組み合わせてもよい。

本発明は、包装用途または容器形成用途に使用できるシート材料を提供する。シートの一例は、従来のバーガー用ラッピングである。薄い防水性のラッピングであり、消費者は、このラッピングが容易に分解すると誤って考えて廃棄することが多い。別の一例は、持ち帰り用の食品を入れて運ぶのに用いる箱などの、成型された容器または折って接着して作られた容器である。他の例として、一般小売用途の製品包装が挙げられる。有利には、本明細書中に開示される組成物は、熱融着されることにより、閉じた容器または密封包装を形成するものであってよい。

使い捨て用コーヒーカップは、一回分の飲料を入れるのに好適な容器であり、消費者は、この容器から飲料を飲むことができる。この容器の容積は、典型的には３０ｍｌ〜１ｌ、より典型的には２００〜３５０ｍｌである。この容器は、温度１００℃までの高温の飲料を入れるのに好適であるが、典型的には、最高使用温度はせいぜい８０〜９５℃である。したがって、この容器は、予期される使用時間、すなわち短くて１日は防水性を保つ。このコーヒーカップが使い捨てであるということは、つまり、使用後に、別の飲料を入れて再使用されるのではなく、廃棄されるものであることを意味する。この容器には開口部があり、この開口部から、容器の中に内容物を入れたり出したりすることができる。

典型的なコーヒーカップは、中空状で円錐台形の本体部分と底部とを有し、底部の方が直径が小さく３〜８ｃｍなどであり、上部または口部の方が直径が大きく５〜１０ｃｍなどであって、高さは５〜１５ｃｍなどである。このコーヒーカップの重量は、典型的には５〜２０ｇ、通常は約１０〜１２ｇである。

シート材料は、分解性組成物で形成される。以下の説明において「分解性」という用語が用いられるが、この用語は、合成ポリマー要素が標準的なコンポスト化条件およびそれ以外の環境下で分解して、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、バイオマス、および無機塩となることを指す。炭酸カルシウムは分解せず、ポリマーの分解後に不活性の粉末要素として残留することが理解される。したがって、以下の記述において、組成物の分解と、シートの構造を形成するポリマーの分解とは、区別されない。再利用材料に対して、加工しやすくするために炭酸カルシウム／ポリエチレンマスターバッチを添加することが多いことから、有利には、本明細書中に記載されるシートは、再利用さえ可能である。すなわち、炭酸カルシウム含有量が高くても再利用を妨げることはない。このシートはポリマー濃度が低いため、特定の条件下においてコンポスト化さえ可能である。

組成物は、組成物の重量に対して３０〜８０重量％の炭酸カルシウムを含有する。炭酸カルシウムは、安価で、天然に豊富に存在し、再生可能である。パーソナルケア用途、紙の漂白、消化不良用錠剤などに広く使用されている。酸化されると石灰（酸化カルシウム）となり、石灰は一般的に、飲料水に添加される。炭酸カルシウムの採取源は、チョーク鉱山、貝殻、または卵殻である。組成物は、炭酸カルシウムを、好ましくは５０〜７５重量％、最も好ましくは６０〜７０重量％含有する。

炭酸カルシウムを添加することにより、最終的に得られる材料が、高強度となり、分解開始後に容易に砕け、低コストであり、環境に及ぼす影響が少ない。好ましくは、炭酸カルシウムの平均最長直径は１〜３０ミクロンであり、好ましくは１〜２０ミクロンである。この範囲は、ポリマー中で良好に分布させるために望ましく、この範囲であれば、組成物の加工、たとえば押出などがしやすくなり得る。

炭酸カルシウムは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ならびにそれらの共重合体および配合物から選択されるポリマー中に保持される。こうしたポリマーは組成物の１９〜６９重量％を占めることが好ましく、残部が添加剤および炭酸カルシウムである。ポリマーはＨＤＰＥであることが好ましい。ポリマーは、メルトフローインデックスが１０〜２０であることが好ましく、その理由は、本明細書中に記載される炭酸カルシウムを含有する組成物の加工を良好とすることができるためである。

炭酸カルシウムをポリマーに含有させることは周知である。たとえば、天然無機紙（Ｎａｔｕｒａｌ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｐａｐｅｒ；ＮＭＰ）というものがあり、これは、炭酸カルシウム（岩石鉱物）と有機バインダＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）とからなる複合材料で、炭酸カルシウムが最大含量で８０％と大部分を占める。この材料は１９７０年代に発明され、その用途は、高級な贈り物用の袋、ラベル、荷物タグ、および文具などのニッチ市場のみである。

さらに、現在のところ、炭酸カルシウムをポリオレフィンに添加することも広く実施されている。その理由は、炭酸カルシウムを使用することによって、加工時間の改善が可能となり、また、材料の重量や容積が増えることによりコスト減が可能となることから、コストを削減できるためである。また、こうした材料は、改善された引張特性および光バリア特性を有し得る。現在では、特にガスバリア層を含む３層または５層フィルムに使用して、異種ポリマー同士の混和性を改善することにより再生利用製品の加工を改善できるマスターバッチが開発されている。

天然無機紙を形成する「紙」は、永久折り目がきれいでインク保持性が良好であるといった、紙のもつ特性の多くを備えると同時に、防水性と引裂き抵抗とを有しており、また、エネルギーおよび水の使用量が比較的少なく漂白剤を要しないために、製造が大幅に安価かつ清浄である。この材料を現在製造している製造元の多くは、おそらくはチョーク中に不純物として酸化第二鉄が含まれることを受けて、この材料が光分解性であると主張しているが、この特性の利用が拡大する見込みはないとみなしてか、分解にかかる時間については示していない。現世代のストーンペーパー（Ｓｔｏｎｅ Ｐａｐｅｒ）（ＮＭＰ）は、シート厚さが３００μｍ未満である場合（用途が印刷用紙、ラベルなどや、紙のような袋である場合）には、炭酸カルシウムの含有量が対ＨＤＰＥ比で８０：２０、シート厚さが３００μｍを超える場合（用途がカードおよび光沢ボックスなどである場合）には６０：４０であるのが典型的である。

本明細書中に記載するシート材料の組成物は、本明細書中に記載される炭酸カルシウムおよび他の成分に加えて、他の粒子、たとえば他の金属炭酸塩および金属酸化物の粒子を含有してよい。しかしながら、こうした追加の粒子は、組成物中に、好ましくは２０重量％未満、より好ましくは５重量％未満、最も好ましくは１重量％未満である。好ましい一実施形態において、組成物は、さらに粒子を含有することはなく、本明細書中に記載される成分からなる。

ポリマーは、組成物の分解特性の原因となる添加剤をさらに含む。本明細書中、この添加剤は、添加剤およびポリマーの重量の合計について記載される。実際には、シート材料のための組成物を作る場合、添加剤は、バルクのポリマーおよび炭酸カルシウムと混合する前に、前もって、ある量のポリエチレン、ポリプロピレン、ならびにそれらの共重合体および配合物と合わせたマスターバッチとして形成されてよい。

添加剤は、添加剤とポリマーの重量の合計に対して、総量０．１５〜０．６重量％、好ましくは０．２〜０．３重量％の２種以上の遷移金属化合物を含有する。以下の説明において「遷移金属」という用語が用いられるが、この用語は、周期表のＩＶＢ〜ＶＩＩＩ族、ＩＢ族、およびＩＩＢ族、または第４族〜第１２族に属する任意の金属元素を指す。好ましい遷移金属は、鉄、マンガン、銅、コバルト、およびセリウムであり、鉄が使用される場合にはその鉄は＋３酸化状態、銅が使用される場合にはその銅は＋２酸化状態であることが好ましい。これらの化合物は、分解を触媒する。遷移金属の含有量が多いと、分解性組成物のコストが高くなり、廃棄物処理場において遷移金属が蓄積することになり得る。さらに、遷移金属は分解過程において触媒の役割を果たすため、遷移金属含有量を、上述される量よりも増やすと、分解速度に及ぼす効果が小さくなる。

２種以上の遷移金属化合物は、鉄（好ましくは３価鉄）、マンガン、銅、亜鉛、チタン、コバルト、およびセリウム化合物から選択され、２種以上の遷移金属化合物における遷移金属は異なる。

好ましくは、２種以上の遷移金属化合物における遷移金属は、
（ｉ）鉄、マンガン、および銅、または
（ｉｉ）マンガンおよび銅、または
（ｉｉｉ）鉄およびマンガンを含む。

また、ポリマー組成物の温度および光曝露も、ポリマー組成物の分解速度に影響を及ぼす。本発明者らは、驚くことに、適切な遷移金属を選択することによって、こうした効果をさらに調節できることを見いだした。特に、本発明者らは、分解過程に対して鉄は光触媒としての効率がより高く、マンガンは熱触媒としての効率がより高いということを見いだした。したがって、遷移金属要素を使用すると、個々の製品について予期される熱曝露および光曝露の程度に応じて分解速度を調節することができる。

特定の遷移金属は、ポリマー組成物の特性に影響を及ぼし得る。たとえば、鉄化合物はポリマー組成物を着色し得る。

さらに、銅などの他の金属は、分解速度を有利に増大させるが、毒性を有するため、これを含有するポリマー組成物は特定の用途に適さない可能性がある。色が重要となる組成物においては、鉄を不使用としてもよい。食品業界用途では、銅を不使用としてもよい。

好ましくは、遷移金属化合物は、ステアリン酸塩、カルボン酸塩、アセチルアセトナート、トリアザシクロノナン、またはそれらの２種以上の組み合わせから選択される部位を含む。好ましくは、遷移金属化合物において、ステアリン酸銅に対するステアリン酸鉄およびステアリン酸マンガンの重量比は、４：１〜８：１であってよい。好ましくは、遷移金属化合物において、ステアリン酸銅に対するステアリン酸第二鉄およびステアリン酸マンガンの重量比は、４：１〜８：１であってよい。

代替的に、または追加で、分解において有効な役割を果たす特定の非イオン性リガンドが、さらに含有されてもよい。非イオン性リガンドが含有される場合、アミン、イミン、アミド、亜リン酸塩、ホスフィン、およびカルベンから選択されることが好ましい。本発明者らは、こうした非イオン性リガンドが、必須の材料特性を備えながら、同時に、組成物の分解速度に対して有利な効果を有し得ることを見いだした。好ましくは、非イオン性リガンドは、全リガンドの少なくとも５％、好ましくは最大で全リガンドの５０％、好ましくは全リガンドの１０〜４０％を占める。

遷移金属リガンドの選択は、遷移金属とポリマーとを物理的および化学的に相溶させることを目的としてなされることが好ましい。有利には、リガンドの選択は、遷移金属の触媒活性に影響を及ぼし得る。リガンドの選択は、この金属と、使用される特定のポリオレフィンとを相溶させること、およびポリマー組成物の分解速度を制御することを目的としてなされてよい。

金属化合物のリガンドは、無機リガンドおよび／または飽和有機リガンドであることが好ましい。金属化合物のリガンドは、モノもしくはポリ不飽和Ｃ１４−Ｃ２４カルボン酸、またはそのエステル、無水物、もしくはアミドを含有しないことが好ましい。

添加剤は、添加剤とポリマーの重量の合計に対して、０．０４〜０．０８重量％、好ましくは０．０４〜０．０６重量％のモノもしくはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸を含有する。以下の説明において「カルボン酸」という用語が用いられるが、この用語は、カルボン酸の−（ＣＯＯＨ）部位を有する分子の類を指す。本発明に係るカルボン酸は、モノもしくはポリ不飽和であり、炭素原子を１４〜２４個有する炭素骨格を有する、すなわち、炭素骨格中に少なくとも１つの二重結合を有する。このカルボン酸の炭素骨格は、直鎖状、分枝状、または芳香族であってよい。上記モノもしくはポリ不飽和カルボン酸は、Ｃ_１６−Ｃ_２０カルボン酸であることが好ましい。好ましいカルボン酸は、オレイン酸、リノール酸、およびケイ皮酸であり、最も好ましいカルボン酸はオレイン酸である。

代替的には、添加剤は、モノまたはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸のエステル、無水物、またはアミドを、添加剤とポリマーの重量の合計に対して、０．０４〜０．０８重量％、好ましくは０．０４〜０．０６重量％含有する。

カルボン酸またはエステル、無水物、もしくはアミド要素は、「遊離」または「無配位」であること、すなわち、遷移金属化合物の一部ではないことが好ましい。

添加剤がモノまたはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸のエステルを含有する場合、そのアルコール要素は、Ｃ_１−Ｃ_３０アルコールを含むことが好ましく、飽和直鎖Ｃ_１−Ｃ_３０アルコールを含むことがより好ましい。

添加剤がモノまたはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸の無水物を含有する場合、その無水物は対称であってもよく、対称でなくてもよい。第２のカルボン酸要素は、Ｃ_１−Ｃ_３０カルボン酸を含むことが好ましく、飽和直鎖Ｃ_１−Ｃ_３０カルボン酸を含むことがより好ましい。

添加剤がモノまたはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸のアミドを含有する場合、そのアミドは、第１級、第２級、または第３級アミドであってよい。第２級または第３級アミドが存在する場合、それぞれの炭素鎖は炭素原子１〜３０個を有することが好ましく、それぞれの炭素鎖はＣ_１−Ｃ_３０アルキル基であることがより好ましい。

特記しない限り、本記載中においてカルボン酸の特徴に言及する箇所では、そのエステル、無水物、またはアミドをも包含されることが意図される。

理論上は、ポリマー組成物におけるモノもしくはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸が自動酸化して過酸化物を生成し、この過酸化物がポリマー鎖中の炭素−炭素結合を攻撃する可能性があり、これにより、ポリマーが標準的な分解過程の影響を受けやすくなると考えられる。この自動酸化が、遷移金属の存在により触媒されて、組成物の分解速度が増大する。

モノまたはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸の含有量が０．０８重量％を超えると、ポリマーの空気に対する感受性が過度に高くなり得る。カルボン酸が過度に自動酸化されると、過酸化物濃度が比較的高くなり、ポリマー構造の急速な分解が生じ得る。これによって、寿命の問題が生じ得る。逆に、モノまたはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸の含有量が０．０４重量％未満であると、分解速度が無視できるほどに小さくなり得る。本発明者らは、モノまたはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸の含有量が０．０４〜０．０８重量％であれば、分解速度を、多くの用途において望ましい値に調節できることを見いだした。

驚くことに、本発明者らは、直鎖モノ不飽和酸、特にオレイン酸が、分解速度に最も大きい効果を有することを見いだした。このことは、こうした化合物単独での化学的安定性からは予期されないことであった。というのは、一般的に、カルボン酸中の二重結合が多いほど酸化しやすいためである。

添加剤は、添加剤とポリマーの重量の合計に対して、合成ゴムを０．０４〜０．２重量％、好ましくは０．０８〜０．１２重量％、最も好ましくは約０．１重量％含有する。以下の説明において「ゴム」という用語が用いられるが、この用語は、粘稠かつ弾性のあるポリマーを指す。ゴムは、そのガラス転移温度を超える温度において存在するアモルファスポリマーである。好ましくは、本発明に係るゴムは不飽和ゴムであり、より好ましくは、本発明に係るゴムは、ポリイソプレン、スチレン−イソプレン、スチレン−イソプレン−スチレン、またはそれらの２種以上の配合物を含む。

ゴム成分によって、有利には、ポリマー組成物の力学的特性が改善し得る。さらに、ゴムは、一般的に、バルクのポリオレフィンよりも化学的安定性が低い。したがって、ゴム成分によって、ポリマーの物理的特性に悪影響を及ぼさずに分解速度を改善し得る。このようにして、助触媒として作用すると考えられる。

有利には、ポリマー組成物中に合成ゴムが含有されることによって、弾性が改善される。このことは、合成ゴム以外の添加剤が引き起こすポリマー組成物の脆化を打ち消すのに役立つ。合成ゴムの含有量が０．０４％未満であると、ポリマーが脆くなり過ぎて不適合となり得る。合成ゴムの含有量が０．１２％を超えると、分解速度が急速となり、ポリマーの材料特性に悪影響を及ぼし得る。さらに、合成ゴム成分によって、遷移金属、デンプン、またはカルボン酸の含有量の増加を要さずに分解速度が増大すると考えられる。

添加剤は、任意に、添加剤とポリマーの重量の合計に対して、乾燥デンプンを０〜２０重量％、好ましくは０〜１０重量％、より好ましくは０．１〜１重量％、最も好ましくは０．１〜０．４重量％含有する。以下の説明において「デンプン」という用語が用いられるが、この用語は、多数（一般的にモノマー単位５００〜２，０００，０００個）のグルコース単位がグリコシド結合で結合した多糖を指す。本発明に係るデンプンは乾燥デンプンである。すなわち、このデンプンは、デンプン重量に対する水含有量が５重量％未満、好ましくは水含有量が１重量％未満であり、最も好ましくは、このデンプンは本質的に水を含有しない。

デンプンを多量に含有することによって、ポリマーの密度が大きくなり引張強度が小さくなり得る。さらに、デンプン含有量が高いと、分解が急速となるために寿命の問題が生じ得る。デンプン含有量が高いと、ポリマー成分が水および微生物に曝露された際に外観上および物理的な損傷を受けやすくなる。デンプン含有量が不十分であると、添加剤が生分解速度に及ぼす効果が有意でなくなり得る。

添加剤は、任意に、添加剤とポリマーの重量の合計に対して、酸化カルシウムを０〜１重量％、好ましくは０〜０．４重量％、より好ましくは０．１〜０．３重量％含有する。以下の説明において「酸化カルシウム」という用語が用いられるが、この用語は、化学式ＣａＯの結晶性固体を指す。有利には、酸化カルシウムは、組成物中の水と反応して、これを固定する。これによって、加工中に組成物が安定となり、最終生成物の欠陥および変色が緩和され得る。驚くことに、そして予期せずに、本発明者らは、ポリマー組成物の酸化カルシウム含有量を増やすことによって分解速度を増大させ得ることを、さらに見いだした。有利には、ＣａＯ成分を使用することによって、デンプン成分の遷移金属の増加を要さずに分解性を改善し得る。ＣａＯ含有量が０．４重量％を超えると、ポリマーが脆化する。

添加剤は、任意に、酸素生成添加剤を含有する。酸素生成添加剤は、有機であってもよく、または無機であってもよい。酸素生成添加剤は、硝酸塩、過酸化物、硫酸塩、およびリン酸塩、またはそれらの２種以上の組み合わせから選択されることが好ましい。酸素生成添加剤は、硝酸カルシウムであることが好ましい。酸素生成添加剤の量は、添加剤とポリマーの重量の合計に対して、０．１〜１．０重量％であることが好ましい。酸素生成添加剤は、ポリマーの酸化速度をさらに加速することが見いだされている。

添加剤は、任意に、フェノール性酸化防止安定剤を、０〜０．２重量％、好ましくは０．０２〜０．１５重量％含有する。フェノール性酸化防止安定剤は当技術分野において公知であり、たとえばＩｒｇａｎｏｘ １０７６およびＩｒｇａｎｏｘ １０１０が含まれる。フェノール性酸化防止安定剤は、ポリマーの分解タイミングの制御性を高め得ることが見いだされている。具体的には、フェノール性酸化防止安定剤を含有することによって、分解開始を遅らせることができるため、製品の寿命を延ばし、現行のポリオレフィン再利用ストリームにおいて製品を再利用できる期間を延ばし得る。

添加剤は、カーボンブラックまたは酸化チタンを含むがこれらに限定されない着色添加剤を、さらに含有することが好ましい。

したがって、本開示は、理想的な分解性組成物を提供できる特定の成分組み合わせに基づく組成物から作られるシート材料を提供する。

シート材料は、平均厚さが１００〜５００ミクロン、好ましくは２００〜４００ミクロンであることが好ましい。

一実施形態によれば、シート材料は膨張ガス入り構造を有する。すなわち、シート材料は、内部に封じ込められた空隙を有してよく、この空隙により、使用者にとっての断熱効果が得られる。発泡性材料の場合、その厚さは、好ましくは１０００ミクロン〜１０ｃｍであってよい。

さらなる態様によれば、本明細書中に記載されるシート材料で形成される包装または容器が提供される。

コーヒーカップの好ましい実施形態において、このカップは、蓋、持ち手、およびスリーブからなる群より選択される部材をさらに有することが好ましく、この部材もまた、分解性組成物で形成される。

本開示は、理想的な分解性組成物を提供できる特定の成分組み合わせに基づく組成物から作られるコーヒーカップを提供する。

このカップは、壁の厚さが１００〜５００ミクロン、好ましくは２００〜４００ミクロンであることが好ましい。

一実施形態によれば、組成物は膨張ガス入り構造を有する。すなわち、このカップの壁は、内部に封じ込められた空隙を有してよく、カップの壁がこの空隙を有することにより断熱効果が得られ、使用者の手が高温の飲料に触れて火傷することが回避される。発泡性カップの場合、その壁の厚さは、４００〜３０００ミクロン、好ましくは１０００〜２０００ミクロンであってよい。

さらなる態様によれば、容器を形成する方法が提供される。この方法は、
組成物を形成する工程であって、組成物は、３０〜８０重量％の炭酸カルシウムと、添加剤と、ポリマーとを含有する、工程と、
組成物を成形して容器を形成する工程とを含み、
ポリマーおよび添加剤は、本明細書中に記載されるとおりである。

さらなる態様によれば、使い捨て用コーヒーカップを形成する方法が提供される。この方法は、
組成物を形成する工程であって、組成物は、３０〜８０重量％の炭酸カルシウムと、添加剤と、ポリマーとを含有する、工程と、
組成物を成形してコーヒーカップを形成する工程とを含み、
ポリマーおよび添加剤は、本明細書中に記載されるとおりである。

上述される実施形態において、形成工程は、典型的には、上述される要素を、任意にはマスターバッチ濃縮組成物中において提供される添加剤と共に、混合することによって、組成物を形成することを含む。

組成物を成形して容器またはコーヒーカップを形成する工程は、組成物を成型して容器の構成とすること、または組成物のシートの１枚以上を形成および成形して容器の構成とし、任意に、この構成を熱融着または接着によって固定すること、または３Ｄ印刷を実施することを含むことが好ましい。

上述される成形は、熱形成、射出成型、射出ブロー成型、または圧縮成型などの成型によって行われることが好ましい。代替的には、成形には、折る技術が含まれ得る。これには、加圧熱融着が含まれ得る。有利には、ポリマー成分が含有されているために、この成形は接着剤を使用せずに実施できる。

上記方法は、すでに詳細が記載されている容器またはコーヒーカップを作る方法であることが好ましい。

さらなる態様によれば、本明細書中に記載される包装または容器の化学分解を開始させる方法が提供される。この方法は、好ましくは容器に高温の飲料または食品を入れることまたは容器をマイクロ波加熱に曝露することによって、シート材料を５０℃を上回る温度に曝露する工程を含む。すなわち、本明細書中に記載される組成物は感熱性であり、そのため、たとえば高温の飲料と共に使用すると、分解が開始する。この分解はゆっくりと進行するため、容器または包装はその目的を引き続き果たすが、使用後数週間の間に分解する。好ましくは、第１の事象である崩壊は実質的に６週間以内、好ましくは４週間以内に生じ、第２の事象である微生物消化は実質的に１年以内、好ましくは６か月以内に生じる。

本明細書中に記載される第１の事象である分解／崩壊は、好ましくは２〜６週間であってよく、一時的な環境（道路沿い、荒地）、土壌環境、および好気的コンポスト化環境下において生じ得る。典型的には、第１の事象である分解を終えた後の容器は、構造の完全性が損なわれているために、元の目的に使用するには適さない。材料の微生物消化は、好適な微生物が存在する環境にシート材料が置かれているという条件下において、６か月〜１年で完了し得る。分解された材料は、白色のチョーク粉末となり得る。

さらなる態様によれば、本明細書中に記載される使い捨て用コーヒーカップの化学分解を開始させる方法が提供される。この方法は、好ましくはコーヒーカップに高温の飲料を入れることによって、コーヒーカップを５０℃を上回る温度に曝露する工程を有する。すなわち、本明細書中に記載される組成物は感熱性であり、そのため、高温の飲料と共に使用すると、分解が開始する。この分解はゆっくりと進行するため、カップはその目的を引き続き果たすが、使用後数週間の間に分解する。好ましくは、第１の事象である崩壊は実質的に６週間以内、好ましくは４週間以内に生じ、第２の事象である微生物消化は実質的に１年以内、好ましくは６か月以内に生じる。

別の一態様によれば、添加剤の使用であって、５０℃を上回る温度への曝露後に、この添加剤を含有するシート材料（またはコーヒーカップ）の分解を開始させるための、添加剤の使用が提供される。この添加剤およびシート材料組成物は、本明細書中に記載されるとおりである。好ましくは、５０℃を上回る温度への曝露は、シート材料を高温の飲料または食品に接触させること、またはシート材料（またはコーヒーカップ）をマイクロ波加熱に曝露することを含む。

本発明に係るシート材料は、コーヒーカップなどの包装および容器が間違って扱われて廃棄されるという問題を解決しようとするものである。消費者が、自分の使用した容器が再利用可能であると考えた場合に、本発明の提供する再利用可能材料は、他の再利用材料と相溶する成分からなるために、標準的な再利用プロセスに組み込むことができるということは、有利である。消費者が、自分の使用した容器が単純に紙でできていて溝に捨てれば自然に分解すると考えた場合に、本発明の提供する分解性材料がこうした条件下において迅速に分解し得るということは、有利である。

本明細書中に記載するシート材料の具体的な用途の例として、紙皿、食品や飲料を入れる箱、包装紙、食品ラベル、園芸や農業用のタグ、飲料用のストロー、名刺、ギフトボックス、紙のような袋が挙げられる。特にキャストフィルムに好適である。他の用途としては、使い捨てのカトラリー、植木鉢、ヨーグルト容器、持ち帰り用食品の容器、および高温や低温の飲料を入れるカップの蓋などの使い捨ての容器が挙げられ、これらは熱形成技術によって作ることができる。他の用途としては、分解性の手提げ袋、ごみ袋、種子袋および穀物袋、セメント袋、およびサイレージラップ、さらにバーガー用シートなどの食品ラップが挙げられ、これらはいずれもブローフィルムで作ることができる。発泡性組成物は、上述された、飲料や食品を入れる単回使用断熱容器、包装材料、断熱材、一時的使用用のプラスチック座面、自転車のサドル、または自転車のヘルメットとして使用できる。有利には、当該材料は、その上に容易に印刷できる。

本開示において使用されるすべてのパーセント表記は、特記しない限り、重量パーセントを指す。

誤解を避けるために、例示は、相対量で示す。５０重量％の炭酸カルシウムと、１重量％の添加剤と、残部として（４９重量％の）ポリマーを含有する組成物において、添加剤の一要素が、ポリマーと添加剤の重量の合計に対して０．５重量％含有される場合、これは組成物全体の０．２５重量％である。

次に、本発明が、以下の図面に関連して記載される。これらの図面は限定を意図するものではない。

容器の一例を示す。 コーヒーカップおよび蓋の一例を示す。

次に、本発明が、以下の実施例に関連して記載される。これらの実施例は限定を意図するものではない。

実施例
シートの配合の例が、以下に記載される。

熱形成ＮＭＰ製品の配合例
メルトフローインデックスが１０〜３０ｇ／１０分であり、粒子径１〜３０ミクロンの炭酸カルシウムを含有する、ＨＤＰＥまたはＰＰ、共重合体または配合物ＰＥ／ＰＰを含有するポリオレフィンの組成物から、容器（コーヒーカップ）形成用のシートを調製した。ここに、金属のステアリン酸塩、カルボン酸塩、酸化促進剤、たとえば金属硝酸塩、リン酸塩、酸化カルシウム、金属炭酸塩、乾燥デンプン、および不飽和ゴムの混合物を含有するマスターバッチ添加剤配合物（０．２〜５％）を添加した。着色のために、カーボンブラックまたは他の顔料を含量０．１〜１０％で添加できる。

フィルムブロー製品の配合例
メルトフローインデックスが０．２〜２ｇ／１０分であり、粒子径が粒子径１〜３０ミクロンの炭酸カルシウムを含有する、ＨＤＰＥ、ＬＬＤＰＥ、またはＰＰ、共重合体または配合物を含有するポリオレフィンと、上述したものと同じ金属のステアリン酸塩の混合物を含有する添加剤配合物（０．１〜５％）とから、容器形成用のシートを調製し、着色料としてカーボンブラックを添加した。

発泡性ＰＰ製品の配合例
平均直径０．１〜５ミクロンの炭酸カルシウムを３０〜５０％含有する発泡性ＰＰ級樹脂を調製した。これには、乾燥デンプン、不飽和ゴム、および金属触媒混合物を含有する本明細書中に記載される添加剤が０．１〜５％含有され得る。調製したものを、コーヒーカップの形状に成形した。

具体的な配合
以下の配合を使用し、ＨＤＰＥおよび炭酸カルシウムをさらに添加することによって、コーヒーカップの形成に好適なプラスチックを形成した。炭酸カルシウムは混合物の５０重量％を占め、ＨＤＰＥは混合物の４８重量％を占めた。このカップを、過酷な気象条件下において試験したところ、分解が速かった。加えて、このカップは、手触りが良好で紙のようであり、意図される用途にとって好適な強度を有していた。

配合１
以下からなる添加剤配合物を調製した。

配合２
以下からなる添加剤配合物を調製した。

配合３
以下からなる添加剤配合物を調製した。

要素ｉｉ〜ｖｉｉｉを熱間押出しし、次いでデンプンを別途添加することによって、配合例１、２、および３を形成した。デンプンを別途添加することによって、加熱工程の後でデンプンを添加することができるため、構造の損傷を回避できる。

配合４
以下からなる添加剤配合物を調製した。

配合５
以下からなる添加剤配合物を調製した。

要素を熱間押出しすることによって、配合例４および５を形成した。
組成をまとめたものを以下に示す。

本発明の好ましい実施形態について詳細に記載してきたが、当業者には、本発明または付属の請求項の範囲を超えずにこれらの実施形態に変更を加えてよいことが理解される。

Claims (29)

1. 分解性組成物で形成されるシート材料であって、前記組成物は、
   前記組成物の重量に対して３０〜８０重量％の炭酸カルシウムと、
   添加剤と、
   残部として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ならびにそれらの共重合体および配合物から選択されるポリマーとを含有し、
   前記添加剤は、前記添加剤と前記ポリマーの重量の合計に対して、
   （ａ）総量０．１５〜０．６重量％の２種以上の遷移金属化合物と、
   （ｂ）０．０４〜０．０８重量％の、モノもしくはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸、またはそのエステル、無水物、もしくはアミドと、
   （ｃ）０．０４〜０．２重量％の合成ゴムと、
   任意に、
   （ｄ）０〜２０重量％の乾燥デンプン、および／または
   （ｅ）０〜１重量％の酸化カルシウム、および／または
   （ｆ）０〜０．２重量％のフェノール性酸化防止安定剤を含有し、
   前記２種以上の遷移金属化合物は、鉄、マンガン、銅、亜鉛、チタン、コバルト、およびセリウム化合物から選択され、前記２種以上の遷移金属化合物における遷移金属は異なる、シート材料。
2. 前記組成物は６０〜７０重量％の炭酸カルシウムを含有する、請求項１に記載のシート材料。
3. 前記炭酸カルシウムは平均最長直径が１〜３０ミクロンである、請求項２に記載のシート材料。
4. 平均厚さが１００〜５００ミクロンである、請求項１から３のいずれか１項に記載のシート材料。
5. 前記平均厚さが２００〜４００ミクロンである、請求項４に記載のシート材料。
6. 前記組成物は膨張ガス入り構造を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載のシート材料。
7. 前記遷移金属化合物は、ステアリン酸塩、カルボン酸塩、炭酸塩、アセチルアセトナート、トリアザシクロノナン、またはそれらの２種以上の組み合わせから選択される部位を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載のシート材料。
8. 前記２種以上の遷移金属化合物における前記遷移金属は、
   （ｉ）鉄、マンガン、および銅、または
   （ｉｉ）マンガンおよび銅、または
   （ｉｉｉ）鉄およびマンガンを含む、請求項１から７のいずれか１項に記載のシート材料。
9. 前記組成物は、酸化性添加剤を含有する、請求項１から８のいずれか１項に記載のシート材料。
10. 前記酸化性添加剤は、硝酸カルシウムを含有する、請求項９に記載のシート材料。
11. 前記モノもしくはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸は、Ｃ_１６−Ｃ_２０直鎖カルボン酸である、および／または
    前記合成ゴムは、不飽和ポリマーを含む、および／または
    前記ポリマーはＨＤＰＥである、請求項１から１０のいずれか１項に記載のシート材料。
12. 前記カルボン酸は、オレイン酸である、請求項１１に記載のシート材料。
13. 前記合成ゴムは、スチレン−イソプレン−スチレンを含む、請求項１１または１２に記載のシート材料。
14. 前記合成ゴムは、スチレン−イソプレン−スチレンとスチレン−イソプレン共重合体との配合物を含む、請求項１１から１３のいずれか１項に記載のシート材料。
15. 前記ポリマーは、メルトフローインデックスが１０〜２０である、請求項１１から１４のいずれか１項に記載のシート材料。
16. 前記組成物は、前記添加剤と前記ポリマーの重量の合計に対して、
    （ｂ）総量０．２〜０．３重量％の２種以上の遷移金属ステアリン酸塩、および／または
    （ｃ）０．０４〜０．０６重量％のモノ不飽和Ｃ_１６−Ｃ_２０直鎖カルボン酸、および／または
    （ｄ）０．０８〜０．１２重量％の合成ゴム、および／または
    （ｅ）０．１〜０．４重量％の乾燥デンプン、および／または
    （ｆ）０．１〜０．３重量％の酸化カルシウム、および／または
    （ｇ）０．１〜１．０重量％の硝酸カルシウムを含有する、請求項１から１５のいずれか１項に記載のシート材料。
17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載のシート材料で形成される包装または容器。
18. 請求項１から１０のいずれか１項に記載のシート材料で形成される使い捨て用コーヒーカップであって、任意にさらに、蓋、持ち手、およびスリーブからなる群より選択される部材を有し、前記部材もまた、前記分解性組成物で形成される、使い捨て用コーヒーカップ。
19. 容器を形成する方法であって、
    組成物を形成する工程であって、前記組成物は、前記組成物の重量に対して３０〜８０重量％の炭酸カルシウムと、ポリマーと、添加剤とを含有する、工程と、
    前記組成物を成形して容器を形成する工程とを含み、
    前記ポリマーは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ならびにそれらの共重合体および配合物から選択され、
    前記添加剤は、前記添加剤と前記ポリマーの重量の合計に対して、
    （ａ）総量０．１５〜０．６重量％の２種以上の遷移金属化合物と、
    （ｂ）０．０４〜０．０８重量％の、モノもしくはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸、またはそのエステル、無水物、もしくはアミドと、
    （ｃ）０．０４〜０．２重量％の合成ゴムと、
    任意に、
    （ｄ）０〜２０重量％の乾燥デンプン、および／または
    （ｅ）０〜１重量％の酸化カルシウム、および／または
    （ｆ）０〜０．２重量％のフェノール性酸化防止安定剤を含有し、
    前記２種以上の遷移金属化合物は、３価鉄、マンガン、銅、亜鉛、チタン、コバルト、およびセリウム化合物から選択され、前記２種以上の遷移金属化合物における遷移金属は異なる、方法。
20. 前記容器はコーヒーカップである、請求項１９に記載の方法。
21. 前記組成物を成形して容器を形成する工程は、
    （ａ）前記組成物を成型して容器の構成とすること、または
    （ｂ）前記組成物のシートの１枚以上を形成および成形して容器の構成とし、任意に、前記構成を熱融着もしくは接着によって固定すること、または
    （ｃ）３Ｄ印刷を実施することを含む、請求項１９または２０に記載の方法。
22. 前記組成物は、熱形成、射出成型、射出ブロー成型、もしくは圧縮成型によって、成型される、請求項２１に記載の方法。
23. 請求項１７に記載の容器または請求項１８に記載の使い捨て用コーヒーカップを作るための、請求項１９から２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 請求項１７に記載の包装もしくは容器または請求項１８に記載の使い捨て用コーヒーカップの化学分解を開始させる方法であって、前記シート材料を５０℃を上回る温度に曝露する工程を含む、方法。
25. 前記容器に高温の飲料または食品を入れることまたは前記容器をマイクロ波加熱に曝露することによって、前記シート材料を５０℃を上回る温度に曝露する、請求項２４に記載の方法。
26. 第１の事象である崩壊は実質的に６週間以内に生じ、第２の事象である微生物消化は実質的に１年以内に生じる、請求項２４または２５に記載の方法。
27. ５０℃を上回る温度への曝露の後にシート材料の分解を開始させるための添加剤の使用であって、
    前記シート材料は、
    前記組成物の重量に対して３０〜８０重量％の炭酸カルシウムと、
    添加剤と、
    残部として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ならびにそれらの共重合体および配合物から選択されるポリマーとを含有する組成物から形成され、
    前記添加剤は、前記添加剤と前記ポリマーの重量の合計に対して、
    （ａ）総量０．１５〜０．６重量％の２種以上の遷移金属化合物と、
    （ｂ）０．０４〜０．０８重量％の、モノもしくはポリ不飽和Ｃ_１４−Ｃ_２４カルボン酸、またはそのエステル、無水物、もしくはアミドと、
    （ｃ）０．０４〜０．２重量％の合成ゴムと、
    任意に、
    （ｄ）０〜２０重量％の乾燥デンプン、および／または
    （ｅ）０〜１重量％の酸化カルシウム、および／または
    （ｆ）０〜０．２重量％のフェノール性酸化防止安定剤を含有し、
    前記２種以上の遷移金属化合物は、鉄、マンガン、銅、亜鉛、チタン、コバルト、およびセリウム化合物から選択され、前記２種以上の遷移金属化合物における遷移金属は異なる、使用。
28. 前記シート材料は、コーヒーカップである、請求項２７に記載の使用。
29. 前記５０℃を上回る温度への曝露は、前記シート材料を高温の飲料もしくは食品に接触させることまたは前記シート材料をマイクロ波加熱に曝露することを含む、請求項２７または２８に記載の使用。

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