JP7419350B2 - 物品を形成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、食品用のカップや容器等の発泡プラスチック物品の形成に関する。

包装業界で一般的に使用されているタイプの使い捨てカップ（例えば、持ち帰り用のコーヒーカップ）は、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）等のプラスチック材料で内側がライニング加工された紙コップである。これらのカップは、分離しにくい、および／または分離にコストがかかり得る２つの別個の材料で作製されるため、リサイクルが難しい場合がある。更に、紙材料が接合されるカップの一側に継ぎ目があるため、カップが中の飲料物の摂取のために傾けられるとき（特に、カップが、摂取時に飲料物が通過するマウスピース付きの蓋とともに使用されるとき）、カップの縁の接合エリアから液体が漏れるおそれがある。

使い捨てのポリプロピレン製カップを提供する取り組みが業界でなされてきた。従来の射出成形においては、カップに断熱性を持たせるために厚い壁が必要である。典型的には、多孔質構造が断熱性を提供し、発泡剤が熱可塑性ポリマーに添加されて発泡構造を作り出すことで断熱性が更に向上するとともに、発泡壁の密度が減少する。

ＷＯ－Ａ－２０１７／１３４１８１は、膨張領域および非膨張領域を有するポリプロピレン製カップである物品、および当該物品を形成する方法を開示している。膨張領域は、これらの領域で形成された多孔質発泡体により、半透明になる。非膨張領域も、これらの領域において膨張した気泡がいくらか形成されるため、半透明になることが開示されている。非膨張領域は、これらの領域に形成された多孔質発泡体が存在しないことにより、透明、すなわち視覚的にクリアになることが望ましい。しかしながら、透明な、すなわち視覚的にクリアな非膨張領域を得るようにプロセスを制御することは困難であり得る。

本発明は、物品において、半透明な膨張多孔質発泡体領域と、透明な、すなわち視覚的にクリアな非膨張領域の両方を達成するという課題を少なくとも部分的に克服することを目的とする。

本発明は、請求項１に記載の物品を形成する方法を提供する。

本方法の好適な特徴は、従属請求項に定義される。

本発明の方法は、任意の形状、形態または機能を有し得る物品を形成する。しかしながら、本発明は、液体を収容するためのカップ、または他の任意の容器や器等の中空物品の製造に特定の用途を有する。

本発明は、以下の利点を有する。本方法により形成された物品は、容易にリサイクル可能かつ再利用可能であり、膨張領域により提供される高い剛性を有しつつ膨張領域により提供される良好な断熱性も有するとともに、物品に構造的および／または美的特性を提供し得る非膨張領域を更に組み込んでいる。

非発泡領域は透明である、すなわち視覚的にクリアである。

本発明は、最小閾値圧力に関する射出および充填段階における圧力の制御により、膨張領域を形成するための膨張工程において、大気圧等の減圧に物品が晒された後、物品の領域を膨張させないことを確実に保証できるという本件発明者による発見に少なくとも部分的に基づいている。

また、本件発明者は、本発明の方法によって製造した物品は、使用される材料の量が少ないにも関わらず、このような物品に必要なレベルの剛性を有していることも見出した。多孔質発泡体プラスチック組成物、典型的にはポリオレフィン等の熱可塑性ポリマー、典型的にはポリプロピレンは、その断熱性のためにゆっくりと冷えるため、プラスチック組成物の結晶化度が上昇し得ることにより、多孔質発泡体プラスチック組成物の剛性が上昇し得るということが見出された。また、第１スキンと第２スキンとの間の溶融プラスチック組成物の発泡による膨張により、物品に良好な断熱性が提供される。

また、容器全体が、リサイクル可能な材料の単一層で作製され得る（すなわち、分離する必要がある別の材料の層が存在しない）ため、容器は、一般に使用されるプラスチックでライニング加工された紙コップよりリサイクルが容易である。

更に、物品は、本発明の方法で射出成形されるため、物品には、収容した液体の漏れが発生し得る接合部が存在しない。

本発明の実施形態を、添付図面を参照して例示的にのみ説明する。

図１は、本発明の一実施形態の方法により形成されたカップの側面図である。 図２は、図１のカップの第１部分のＡ－Ａ線における断面図であって、本発明の方法の種々の段階におけるカップの膨張半透明領域の外観を示す図である。 図３は、図１のカップの第２部分のＢ－Ｂ線における断面図であって、本発明の方法の種々の段階におけるカップの非膨張透明領域の外観を示す図である。

図１を参照すると、本発明の方法により形成された物品、例えばコーヒーカップ等のカップの側面図が示されている。

カップ１００は、環状の膨張発泡領域１０４と環状の非膨張領域１０６とを有する環状の側壁１０２を有している。本明細書において、「環状」という用語は、「全体としてリング形状」であることを意味し、幾何学的に円形の形状に限定されず、円形であり得る形状、または例えば楕円形、多角形等の円形以外であり得る形状を包含する。膨張発泡領域１０４は、典型的には１ｍｍ～４ｍｍ、選択的に１ｍｍ～３ｍｍの厚さを有している。非膨張領域１０６は、典型的には０．２５ｍｍ～０．７５ｍｍ、選択的に０．２５ｍｍ～０．５ｍｍの厚さを有している。

膨張発泡領域１０４は、肉眼では半透明に見える。これは、膨張多孔質発泡体が、可視光を反射する多孔質の壁を有する気泡を含むためである。しかしながら、顔料が熱可塑性ポリマーに高濃度で含まれる場合、膨張領域１０４は、典型的には、単色で不透明に見えることもある。

これに対し、非膨張領域１０６は気泡を有さない、または気泡が存在したとしても低濃度であり、それらは典型的には０．５ミクロン未満の気泡サイズを有するため、肉眼では見えない。したがって、非膨張領域１０６は、肉眼では透明に見える。本実施形態ではＣＯ_２ガスである発泡剤が、物品の製造中に、本実施形態ではポリエチレンであるポリマー中の溶体にとどまっているため、非膨張領域１０６は、肉眼では透明に見える。溶融ポリマーの固化後に、発泡剤の何らかの作用の結果として気泡は形成され得ない。

本発明は、半透明の膨張発泡領域１０４と透明の非膨張領域１０６との両方を含むこのような物品の確実な製造に関する。

図２を参照すると、本発明の方法の種々の段階における膨張領域１０４の外観を示すＡ－Ａ線における断面図が示されている。

図２および図３において、説明をわかりやすくするために距離が誇張されている。

図２の左側を参照すると、物品の膨張領域１０４は、第１環状外側部分１２と第２環状内側部分１４とを有する金型２を使用して形成されている。第１部分１２および第２部分１４は、それぞれの第１キャビティ形成面２２ａおよび第２キャビティ形成面２４ａを有している。金型の外側部分１２の第１キャビティ形成面２２ａは、波形部２５を備えている。第１キャビティ形成面２２ａの波形部２５は、例えば正弦波の形状の山と谷とを有している。正弦波は、山と谷の形状および形態に対して種々の異なる構成を有し得る。第２キャビティ形成面２４ａは、好適には平滑で凹凸がない。

金型２を閉じることにより、第１キャビティ形成面２２ａと第２キャビティ形成面２４ａとの間にキャビティ８の第１領域３０が画定される。ポリマーと物理的発泡剤とを含む溶融プラスチック組成物５０が、キャビティ８内に射出される。物理的発泡剤は、ポリマーに溶解したガスである。

本発明の実施形態において、プラスチック組成物のポリマーは、ポリオレフィン、または選択的にポリエチレンもしくはポリプロピレンである複数のポリオレフィンの混合体；または、選択的にポリエチレンテレフタレートもしくはポリブチレンテレフタレートであるポリエステル；または、ポリ乳酸である。好適な実施形態において、ポリマーは、ポリプロピレンを含む。１０～１２０のメルトフローインデックス（ＭＦＩ）を有するポリプロピレンが特に好適である。ポリマーのメルトフローインデックスは、ＡＳＴＭ Ｄ１２３８に準拠して測定され得る。

本発明の実施形態で使用可能な発泡剤は、溶融プラスチック組成物に溶解したガスの形態の物理的発泡剤を含む。このようなガスは、例えば二酸化炭素を含み得る。ガスは、選択的に、消費者の体験を向上させるように、膨張後にポリマー材料中に存在し続ける香料組成物（すなわち香り）を更に含み得る。

発泡剤として二酸化炭素を使用する場合、ＣＯ_２ガスは、射出成形機の押出機内の発泡剤により生成される。その後、ＣＯ_２ガスは、（典型的には３００バール～５００バールの）射出段階中に、材料に加えられる比較的高い圧力のために溶体になる。この圧力は、ポリプロピレン等の溶融熱可塑性樹脂においてＣＯ_２を強制的に溶体にするのに必要な（典型的には７５バールを超える）圧力より大きい。

溶融プラスチック組成物は、射出圧力Ｐ_{ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ}で射出される。典型的には、射出圧力Ｐ_{ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ}は、少なくとも１５０バールである。

射出ステップの後、充填ステップにおいて、充填圧力Ｐ_{ｐａｃｋｉｎｇ}がキャビティ８に付与される。典型的には、充填圧力Ｐ_{ｐａｃｋｉｎｇ}は、少なくとも１５０バールである。

射出ステップ（ｃ）および充填ステップ（ｄ）のうちの少なくとも一方または両方において、第１キャビティ形成面２２ａおよび第２キャビティ形成面２４ａに接触した射出後のプラスチック組成物５０が冷却されて、それぞれが第１キャビティ形成面２２ａおよび第２キャビティ形成面２４ａに隣接するとともに接触する第１固体スキン４および第２固体スキン６が形成される。

充填ステップ（ｄ）の後、キャビティ８の少なくとも１つの第１領域３０において、第１固体スキン４と第２固体スキン６との間のプラスチック組成物の少なくとも一部は溶融したままである。

射出ステップ（ｃ）および充填ステップ（ｄ）において、射出圧力Ｐ_{ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ}および充填圧力Ｐ_{ｐａｃｋｉｎｇ}は、それぞれ、キャビティ８の第１領域３０において、最小圧力閾値Ｐ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}より大きい。典型的には、最小圧力閾値Ｐ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}は、７５バールである。これにより、第１領域３０において、物理的発泡剤がポリマー中の溶体から部分的に抜け出ることが防止されるため、射出ステップ（ｃ）および充填ステップ（ｄ）において第１領域３０に気泡が形成されない。

図２の右側を参照すると、その後、第１固体スキン４と第２固体スキン６との間の溶融プラスチック組成物がキャビティ８の少なくとも１つの第１領域３０において固化する前に、金型２が開かれる。

金型キャビティ８の当該第１領域３０は厚いため、溶融ポリマー樹脂が冷えて固化するには、比較的長時間、すなわち射出ステップおよび充填ステップより長い時間が必要である。また、ポリマー樹脂を溶融液相に維持するように、当該第１領域３０を外部ヒーターにより更に加熱されてもよい。

型開きステップ（ｅ）において、溶融プラスチック組成物の少なくとも一部が、最小圧力閾値より低い外部圧力、例えば大気圧に晒されて、プラスチック組成物から形成された膨張多孔質発泡体を含む少なくとも１つの第１部分が物品において形成される。

このため、この型開きステップにより、第１固体スキン４と第２固体スキン６との間の溶融プラスチック組成物が発泡により膨張して、膨張多孔質発泡体２０が形成され得る。型開きステップは、第２固体スキン６が第２キャビティ形成面２４ａに接触した状態を維持しつつ、第１固体スキン４が第１キャビティ形成面２２ａにこれ以上接触しないように、金型２の第１部分１２を除去することを含む。図示された実施形態において、この型開きは、金型２の外側部分１２を除去することにより達成される。これにより、第１スキン４は大気圧に晒されるが、第２スキン６は内側部分１４に接触したままとなる。但し、金型を開く他の任意の構成が使用され得る。

図２の右側は、第１固体スキン４、第２固体スキン６、および第１固体スキン４と第２固体スキン６との間のプラスチック組成物５０を示す。プラスチック組成物１０は、発泡により膨張して固体マトリックス４０内に気泡１８を形成した後、固化している。図２の右側において、金型の外側部分１２は物品から除去されており、物品は内側部分１４すなわちコアに接したままである。

以上のように、第１固体スキン４に形成されたエリアが膨張により「膨らむ」ことで、完成した部品２８の第１固体スキン４と第２固体スキン６との間の距離が、物品の円周の周囲において実質的に一定となる。発泡ガスは、ポリマー中の溶体から抜け出て膨張多孔質発泡体を形成する。

圧力は、第１外側固体スキン４を、第２内側固体スキン６から突き出すように作用する。第１スキン４の第２スキン６からの突き出しは、高濃度の発泡剤を保持するエリアで生じる。発泡剤は、溶体から抜け出ることで膨張する。膨張した側壁は、ＷＯ－Ａ－２０１７／１３４１８１に開示されたリブ構造を有し得る。

図３を参照すると、本発明の方法における対応した段階での非膨張領域１０６の外観を示すＢ－Ｂ線における断面図が示されている。

図２に関して、図３の左側を参照すると、物品の非膨張領域１０６は、第１環状外側部分１２と第２環状内側部分１４とを有する金型２を使用して形成されている。

金型２を閉じることにより、第１キャビティ形成面２２ｂと第２キャビティ形成面２４ｂとの間にキャビティ８の第２領域３２が画定される。第１キャビティ形成面２２ｂおよび第２キャビティ形成面２４ｂは、狭いキャビティ領域３２を形成し、好適には平滑で凹凸がない。

射出ステップ（ｃ）および充填ステップ（ｄ）において、第２領域３２に実質的に気泡が形成されることがないように物理的発泡剤をポリマーに溶解したガスとして維持すべく、射出圧力および充填圧力は、それぞれ、キャビティ８の第２領域３２における最小圧力閾値より高く維持される。

型開きステップ（ｅ）の前に、キャビティ８の第２領域３２におけるプラスチック組成物が冷却されて完全に固化することにより、実質的に均質な固相の非膨張プラスチック組成物を含む少なくとも１つの非膨張領域１０６が物品において形成される。

金型キャビティ８の当該第２領域３２は薄いため、溶融ポリマー樹脂が冷えて固化するには、比較的短時間、すなわち射出ステップおよび充填ステップより短い時間しか必要ない。また、ポリマー樹脂を溶融液層から固相に転移させるように、当該第２領域３２は外部クーラーにより更に冷却されてもよい。

したがって、選択的に射出ステップ（ｃ）と充填ステップ（ｄ）との間で、キャビティ８の少なくとも１つの第２領域３２は、少なくとも１つの第２領域３２におけるプラスチック組成物を、少なくとも１つの第２領域３２におけるキャビティ８の厚さ全体に亘ってプラスチック組成物の溶融温度未満に冷却する冷却ステップ（ｆ）を受ける。

射出ステップ（ｃ）および充填ステップ（ｄ）のうちの少なくとも一方または両方において、キャビティ８の第２領域３２において、第１キャビティ形成面２２ｂおよび第２キャビティ形成面２４ｂに接触した射出後のプラスチック組成物が冷却されて、それぞれが第１キャビティ形成面２２ｂおよび第２キャビティ形成面２４ｂに隣接するとともに接触した第１固体スキン４および第２固体スキン６だけでなく、キャビティ８の第２領域３２の幅４０に亘る厚さの固体壁３８も形成される。

充填ステップ（ｄ）の後、キャビティ８の少なくとも１つの第２領域３２において、第１固体スキン４と第２固体スキン６との間のプラスチック組成物の全厚が固化する。

図３の右側を参照すると、その後、第１固体スキン４と第２固体スキン６との間の溶融プラスチック組成物がキャビティ８の少なくとも１つの第２領域３２において固化した後、金型２が開かれる。

型開きステップの後、第１固体スキン４と第２固体スキン６との間の固体プラスチック組成物は、発泡によりそれ以上膨張することができず、膨張多孔質発泡体を形成し得ない。したがって、非膨張領域１０６は、肉眼では透明に見える。

本発明の第１態様および第２態様の両方において、物品は、コーヒーカップ等のカップや容器、または電子レンジでスープを温めるのに適した容器であり得る。物品は、使い捨てであっても再利用可能であってもよく、いずれの場合でも、物品は単一のポリマー、例えばポリプロピレンで構成されているため、リサイクル可能である。

図示の実施形態に対する種々の変形が当業者には明らかであり、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。

Claims (13)

1. 物品を形成する方法であって、
   （ａ）第１部分と第２部分とを有する金型を準備するステップであって、前記第１部分および第２部分はそれぞれの第１キャビティ形成面および第２キャビティ形成面を有するステップと、
   （ｂ）前記金型を閉じるステップであって、これにより前記第１キャビティ形成面と前記第２キャビティ形成面との間にキャビティを画定するステップと、
   （ｃ）ポリマーと物理的発泡剤とを含む溶融プラスチック組成物を前記キャビティ内に射出するステップであって、前記物理的発泡剤は前記ポリマーに溶解したガスであり、前記溶融プラスチック組成物は射出圧力で射出されるステップと、
   （ｄ）前記射出ステップの後に、充填ステップにおいて充填圧力を前記キャビティに付与するステップであって、前記射出ステップ（ｃ）および前記充填ステップ（ｄ）のうちの少なくとも一方または両方において、前記第１キャビティ形成面および前記第２キャビティ形成面に接触した射出後の前記プラスチック組成物が冷却されて、それぞれが前記第１キャビティ形成面および前記第２キャビティ形成面に隣接するとともに接触する第１固体スキンおよび第２固体スキンが形成され、前記充填ステップ（ｄ）の後、前記キャビティの少なくとも１つの第１領域において、前記第１固体スキンと前記第２固体スキンとの間の前記プラスチック組成物の少なくとも一部が溶融したままであるステップと、
   （ｅ）前記第１固体スキンと前記第２固体スキンとの間の前記溶融プラスチック組成物が前記キャビティの少なくとも１つの前記第１領域において固化する前に前記金型を開くステップであって、これにより、前記第１固体スキンと前記第２固体スキンとの間の前記溶融プラスチック組成物が発泡により膨張して膨張多孔質発泡体を形成し得るステップであって、前記型開きステップは、前記第２固体スキンが前記第２キャビティ形成面に接触した状態を維持しつつ、前記第１固体スキンが前記第１キャビティ形成面にこれ以上接触しないように、前記金型の前記第１部分を除去することを含むステップと、を備え、
   前記射出ステップ（ｃ）および前記充填ステップ（ｄ）において、少なくとも１つの前記第２領域に実質的に気泡が形成されることがないように前記物理的発泡剤を前記ポリマーに溶解したガスとして維持すべく、前記射出圧力および前記充填圧力は、それぞれ、前記キャビティの少なくとも１つの前記第２領域における最小圧力閾値より高く維持され、前記型開きステップ（ｅ）において、前記溶融プラスチック組成物の少なくとも一部が、前記最小圧力閾値より低い外部圧力に晒されて、前記プラスチック組成物から形成された膨張多孔質発泡体を含む少なくとも１つの第１部分が前記物品において形成され、
   前記型開きステップ（ｅ）の前に、前記キャビティの少なくとも１つの前記第２領域において前記プラスチック組成物が冷却されて完全に固化することにより、実質的に均質な固相の非膨張プラスチック組成物を含む少なくとも１つの第２部分が前記物品において形成される、方法。
2. 少なくとも１つの前記第２部分は、可視光において透明である、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも１つの前記第１部分は、可視光において半透明または不透明である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ポリマーは、ポリプロピレンである、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記最小圧力閾値は、７５バールである、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記発泡剤は、二酸化炭素である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記射出ステップ（ｃ）において、前記射出圧力は、少なくとも１５０バールである、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記充填ステップ（ｄ）において、前記充填圧力は、少なくとも１５０バールである、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記型開きステップ（ｅ）において、前記第１固体スキンは大気に晒され、前記外部圧力は大気圧である、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記射出ステップ（ｃ）と前記型開きステップ（ｅ）との間で、前記キャビティの少なくとも１つの前記第２領域は、少なくとも１つの前記第２領域における前記プラスチック組成物を、少なくとも１つの前記第２領域における前記キャビティの厚さ全体に亘って前記プラスチック組成物の溶融温度未満に冷却する冷却ステップ（ｆ）を受ける、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記物品は中空物品であり、前記第１部分および前記第２部分はそれぞれの第１環状キャビティ形成面および第２環状キャビティ形成面を有し、ステップ（ｂ）において、前記キャビティは、前記第１環状キャビティ形成面と前記第２環状キャビティ形成面との間の環状キャビティである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第１部分および前記第２部分は、それぞれ、前記中空物品の外側面および内側面を形成する外側部分および内側部分である、請求項１１に記載の方法。
13. 前記中空物品は、液体を収容するためのカップ、マグ、ボトル、鉢、ボウル、または容器または器である、請求項１１または請求項１２に記載の方法。

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