JP3907047B2 - 発泡成形物の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然素材を出発原料とした生分解性、軽量性、機械物性、寸法安定性の優れた発泡成形物の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽量性、緩衝性、成形加工性等の特性を生かしたプラスチック発泡体が包装、梱包材として多量に用いられいるが、それら素材はポリスチレン（ＰＳ）、ポリオレフィン（ＰＯ）といった石油を原料とする化学製品であるため、使用後の処分が困難で、焼却しても燃焼熱量が高く、焼却炉をいためたり、埋め立てをしても分解しない上に容積が大きいために処分場のスペースを占有してしまうといった大きな社会問題となってきている。
【０００３】
最近天然素材を出発原料とした生分解性を有するポリ乳酸が注目され、種々の商品が開発、市販されつつある。本発明者等は、以前から該ポリ乳酸に着目しその発泡体の開発に注力した結果、生分解性、軽量性、機械物性等優れた機能を有する発泡性ビーズ及び該ビーズから得られる発泡成形物を得、市場に提案している。しかし、該発泡成形体には高温時での寸法安定性が劣るという課題があるため、高温が予想される輸出梱包包装材等の使用用途が制限されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１７０３７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ポリ乳酸又はその組成物からなる生分解性、軽量性、機械物性等優れた機能を有し、実用的に問題となる高温高湿（６０℃×８０％ＲＨ）に於ける寸法安定性の優れた発泡成形物の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる課題を解決すべく鋭意研究の結果、Ｌ体とＤ体のモル比が９５／５〜６０／４０、又は４０／６０〜５／９５であるポリ乳酸又はその組成物からなる生分解性発泡ビーズを０．１０５ＭＰａ以上の気体雰囲気中に保持した後、該ビーズを金型に導入し型内成形することを特徴とする発泡成形物の製造方法を見出し、本発明に到達したものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
ポリ乳酸は、通常繊維用又はフィルム用として使われる樹脂は結晶性が必要であることから、光学異性体のＬ体が１００％に近いポリ乳酸が用いられている。これに対し、発泡体を形成するためには少なくとも結晶性はできうる限り小さくする必要がある。その理由は、結晶性樹脂は発泡剤を含浸する工程で結晶化が進行し、発泡性を阻害するからである。
【０００８】
従って、本発明でいうポリ乳酸とは、乳酸を脱水縮合又はラクチドを開環重合して得られる実質的に非晶性に近いポリ乳酸であり、Ｌ体とＤ体のモル比が９５／５〜６０／４０、又は４０／６０〜５／９５の乳酸を用いる。
Ｌ体／Ｄ体のモル比が９５／５を超えるもの、あるいは５／９５未満のものは結晶性が高く、発泡倍率が上がらなかったり発泡が不均一になり使用できない。また、Ｄ体比率が４０％を超え６０％に満たないものは耐熱性が劣り使用できない。好ましくは、９３／７〜７０／３０、又は３０／７０〜７／９３が良い。
【０００９】
又、本発明で言うポリ乳酸組成物とはポリ乳酸に増粘剤、フィラー、耐熱剤、紫外線吸収剤、制電剤等各種添加剤を配合した組成物又は他の化合物を１０モル％以下好ましくは５モル％以下共重合したポリ乳酸、ポリブチレンサクシネート、ポリカプロラクトン、ポリブチレンテレフタレート共重合物、セルロース誘導体等を配合したものをいう。
【００１０】
しかし、該ポリ乳酸又はその組成物に発泡剤を含浸、発泡させて得られる発泡ビーズを金型に導入し、通常製造される水蒸気による成形加工を行って得られる成形物は、生分解性、軽量性、機械物性等に優れるが、高温高湿（６０℃×８０％ＲＨ）下に放置すると短時間で寸法が大きく変化する等寸法安定性に劣るため輸出梱包等の包装材に使用できず、その用途は大きく制限される。
【００１１】
本発明者等はこの課題を解決すべく鋭意検討の結果、発泡ビーズを所定の条件下で処理した後、金型に導入し通常製造される水蒸気による成形加工を行うことにより寸法安定性が大幅に改善されることを見出した。即ち、本発明によるポリ乳酸又はその組成物から得られる発泡ビーズを０．１０５Ｍｐａ以上の気体雰囲気中で処理した後、上記成形加工することにより、高温高湿（６０℃×８０％ＲＨ）における寸法変化が極めて小さくなることを見出した。
【００１２】
使用する気体は、空気、窒素、炭酸ガス、ヘリウム、アルゴン又はそれらの混合ガスのいずれも使用することが可能であるが、空気、窒素、炭酸ガス又はそれらの混合ガスを使用するのが経済面から好ましい。炭化水素、ハロゲン化炭化水素等の有機系気体も使用可能であるが地球環境負荷の増加が懸念され好ましくない。
【００１３】
次に気体の使用圧力は０．１０５ＭＰａ以上、好ましくは０．１１ＭＰａ以上１ＭＰａ未満、更に好ましくは０．１５ＭＰａ以上０．５ＭＰａ未満である。使用圧力が０．１０５ＭＰａ未満では寸法安定性良好な成形物を得るに必要な発泡ビーズを得るには極めて長時間を要するため経済的でなく、圧力が高すぎると発泡ビーズの壁膜が圧力により破壊されるため良好な成形物を得ることが出来ない。加圧方法は瞬時又は時間をかけてのいずれでも可能であるが、ビーズ壁膜の損傷を考慮すると時間をかけて行うのが好ましい。
【００１４】
発泡ビーズを所定圧力下で処理する時間は、処理する温度又は気体が保有する湿度等により影響され一義的に決めることは出来ないが、一般的には、１時間以上好ましくは３時間以上である。この最適最短処理時間は、処理温度が高く、使用気体の湿度が高いほど短縮される傾向がある。
発泡ビーズを所定圧力下で処理する設備は、耐圧性が保証される容器であれば形状大きさを問わず使用できる。該容器が３０℃から５０℃の範囲に加温可能であればより好ましいが必ずしも必要ではなく、使用する気体も同様である。
【００１５】
発泡性を有するポリ乳酸又はその組成物としては、高粘性、分岐ポリマーが有利であるが、これらポリ乳酸又はその組成物を製造する方法としては、例えば、通常の反応釜での高真空下、攪拌効率の良好な状態での溶融重合、二軸混練反応機による溶融重合、溶融重合と固相重合との組み合わせにより得る事は可能である。更に、エポキシ化合物、酸無水化合物、イソシアネート化合物等の増粘剤を添加して、高粘性、分岐ポリマーを得ることも可能である。
【００１６】
本発明の発泡ビーズに使用されるポリ乳酸には各種の化合物を配合することが出来る。例えば、ポリブチレンサクシネート、ポリカプロラクトンに代表される脂肪族ポリエステル、ポリブチレンテレフタレート共重合物、セルロースアセテート等の各種ポリマーを配合することが可能である。その配合量は、樹脂の特性により異なるがポリ乳酸又はその組成物の性質を維持するためには多くとも５０重量％以下に抑えることが好ましい。
【００１７】
本発明に使用するエポキシ化合物としてはグリシジルエーテル化合物、酸無水化合物としてはピロメリット酸、トリメリット酸、イソシアネート化合物としてはトリレン、ジフェニルメタンを骨格とする芳香族ポリイソシアネート、水素化ジフェニルメタンを骨格とする脂環族ポリイソシアネート、ヘキサメチレン基を代表とする脂肪族ポリイソシアネートがある。
これら増粘剤の添加量は、任意に選定することが可能であるが、５重量％以下が好ましく使用される。
【００１８】
更に、本発明には各種のフィラーを配合することが出来る。無機フィラーとしては、タルク、シリカ、カオリン、ゼオライト、マイカ、アルミナ、モンモリロナイト等があり、単独又はそれらの混合物を任意量配合することが可能であるが、配合量は０．１重量％から２０重量％の範囲、好ましくは１重量％から５重量％の範囲が使用される。一方、有機フィラーとしてはポリオレフィン類、芳香族ポリエステル類、ポリアミド類、ポリカーボネート、セルロース、ポリアルキレングリコール類が使用可能であるが、実質的にポリ乳酸又はその組成物の生分解性を損なわない範囲に留めるべきであり、一般的には１０重量％以下が好ましい。
【００１９】
また、その他の添加剤についても、目的に応じ、適宜添加することが出来、例えば制電剤、熱安定剤、酸化防止剤、難燃剤、紫外線吸収剤、可塑剤等がある。但し、難燃剤等は塩素等のハロゲン化物であることが多く、生分解性や焼却処分時の有害物質発生という観点から最小限に留めておくのがよい。
【００２０】
発泡ビーズを得るには、ポリ乳酸又はその組成物を各種添加剤と共に混練し、ペレット又はビーズ状粒子とした後、発泡剤及び発泡助剤を含浸させる。次いで、これら含浸粒子を通常水蒸気加熱により発泡させ、数倍から１００倍の発泡ビーズとする。
ペレット及びビーズの大きさ、形状等は適宜選択することができるが、通常、直径０．５〜２ｍｍの大きさのものが用いられる。精密な成形体の場合は直径０．５〜１ｍｍの粒子が一般的である。
【００２１】
ここで用いる発泡剤及び発泡助剤としては、プロパン、ｎ−ブタン、イソブタン、ｎ−ペンタン、イソペンタン、シクロペンタン、ヘキサン等の炭化水素、塩化メチレン、塩化メチル、ジクロロジフルオロメタン等のハロゲン化炭化水素類、ジメチルエーテル、メチルエチルエーテル等のエーテル類が発泡剤として、又、炭素数１〜４のアルコール、ケトン類、エーテル、ベンゼン、トルエン等が発泡助剤として用いられる。
【００２２】
本発明で使用する発泡ビーズの成形加工設備は、その目的が達成されればいかなるものでも良いが、ＰＳ又はＰＯ成形設備が好ましく使用される。
【００２３】
本発明の一例として、本発明の発泡ビーズをタンクに充填後、０．３ＭＰａの空気で加圧、６時間保持した後降圧しＰＳ成形機で通常の方法で成形加工して得られた成形物は、高温高湿（６０℃×８０％ＲＨ）に曝しても、寸法変化は殆ど見られない。
【００２４】
本発明によって得られた成形物は、種々の用途に使用することが出来る。例えば、精密機器、電化製品、電子機器、電子部品等の緩衝材、食品類、酒類、薬品類等の包装材、展示パネル、マネキン、デコレーション等の美粧剤、食品、機械部品、電子部品等の函箱、断熱材、建築材、アイスクリーム、冷凍食品等の保温材などがある。
【００２５】
【実施例】
以下に実施例及び比較例により、本発明を更に具体的に説明する。
尚、評価は下記の方法で行った。
【００２６】
（評価方法）
（１）溶液粘度：フェノール／テトラクロロエタン（６０／４０）混合液に試料０．５ｇを溶解して５０ｍｌとし、自動キャピラリー粘度計 ｍｏｄｅｌ ＳＳ−６００−Ｌ１（柴山科学）を使用し、２５℃での相対粘度を測定した。
【００２７】
（２）融点（℃）：樹脂量１０ｍｇを採取し、ＤＳＣ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ製）の吸熱ピークより求めた。測定条件は窒素フロー中で、２５℃から２００℃まで１０℃／分の速度で昇温して測定した。
【００２８】
（３）含浸率（％）：含浸前のビーズ重量（Ｗ_０）及び含浸後のビーズ重量（Ｗ_１）から下式により算出した。
含浸率（％）＝（Ｗ_１／Ｗ_０−１）×１００
【００２９】
（４）発泡倍率：メスシリンダーを用いて、発泡剤含浸ペレツトの重量（ｇ）及び発泡後のビーズ体積（ｍＬ）を測定し、発泡倍率を次のように求めた。
発泡倍率（倍）＝発泡ビーズの体積／含浸ペレットの重量
【００３０】
（５）寸法安定性：発泡成形機に縦３００×横３００×高さ３０ｍｍの金型を設置し、発泡ビーズを充填し、スチーム圧０．１ＭＰａで処理し成形加工した。得られた成形体を２５℃、６０％ＲＨの条件下に４日静置し、各寸法を測定した。
次いで、６０℃、８０％ＲＨの条件下に２４時間処理した後、同様に各寸法を測定した。以下の計算式により寸法安定性を算出した。
寸法安定性（変形率％）＝（（処理後の成形体体積（Ｓ２）／処理前の成形体体積（Ｓ１））−１）×１００
評価：変形率≧１０％又は変形率≦−１０％：寸法安定性不良
５％≦変形率＜１０％：寸法安定性良好
−５％＜変形率＜５％：寸法安定性特に良好
−１０％＜変形率≦−５％：寸法安定性良好
【００３１】
（６）生分解性：牛糞を主体とした発酵中の堆肥に各試料を埋め込み、４８時間後の分解状態を目視で観察した。
評価
○：殆ど分解
×：分解せず原形をとどめている
【００３２】
（製造例）
精製したＬ−ラクチド、Ｄ―ラクチド及び触媒としてオクチル酸スズを表１の組成になるように攪拌機付きオートクレーブに仕込み、減圧脱気した後、窒素雰囲気下で各々の重合条件で開環重合した。反応終了後、オートクレーブよりポリマーを取り出し、粘度（ηｒ）を測定し、ηｒが３．３〜３．５のポリマーを得た。
【００３３】
次いでこれらポリ乳酸にイソシアネート化合物「ミリオネートＭＲ―２００」（イソシアネート基２．７〜２．８当量／モル、日本ポリウレタン工業（株））及びタルク「ＬＭＰ―１００」（富士タルク工業（株））を２重量％及び３重量％を二軸混練機（ＰＣＭ―３０，池貝鉄工（株））にてシリンダー温度１８０℃で混練し、ペレット状の樹脂組成物を得た。
【００３４】
これらの樹脂組成物をオートクレーブに各々２０００部、発泡剤としてイソブタン８００部、発泡助剤としてメタノール１００部を仕込み、密封し、２０℃／時間の速度で昇温し、８５℃に２時間保持した。その後、２５℃まで冷却してから樹脂を取り出し、風乾後、重量を測定し、含浸率を求めた。次いで得られた発泡剤含浸ペレツトを水蒸気（９２℃、１分）で処理し、発泡ビーズを得た。各組成物の含浸率及び発泡倍率は実施例又は比較例と共に記載した。
【００３５】
【表１】

【００３６】
（実施例１〜７、比較例１〜４）
該ビーズを２日熟成後、内容積２００Ｌのオートクレーブに仕込み、空気で０．３ＭＰａに加圧し、１０時間保持した。その後降圧し、縦３００ｍｍ、横３００ｍｍ、厚み３０ｍｍの金型を装着したＰＳ成形機に充填して水蒸気圧０．１ＭＰａ、３０秒加熱し成形物を得た。評価の対照として市販の発泡ポリスチレン「リューパール５５ＫＳＹ−３１７１」（大日本インキ製）を同条件で行いそれぞれ成形物を得た。但し、発泡ポリスチレンは空気による加圧処理は行わなかった。
【００３７】
次いで該成形物を２５℃、湿度６５％の条件下に２日間放置した後、６０℃、湿度８０％の条件下に２４時間処理し、それぞれの寸法を測定し体積を算出した。処理前の成形物体積（Ｓ１）及び処理後の成形物体積（Ｓ２）から変形率を算出した。評価結果は表２の通りであった。
【００３８】
【表２】

【００３９】
（評価結果）
比較例１（Ｐ１）及び比較例３（Ｐ１０）は結晶性樹脂であるため、殆ど発泡しなかった。本発明である実施例１〜６（Ｐ２〜Ｐ７）及び実施例７（Ｐ９）は発泡性、寸法安定性（変形率）及び生分解性いずれも良好であった。比較例２（Ｐ８）は発泡性及び生分解性は良好であったが寸法安定性（変形率）不良であり、本発明の趣旨に沿う結果とはならなかった。一方、ＰＳ成形物は生分解性が全く認められなかった。
【００４０】
（実施例８〜１３ 比較例５）
実施例３（ポリマーＰ４）の発泡ビーズを使用し、加圧する気体の種類を変更した以外は表２の実施例１〜７と同様な操作を行い成形物を得た。得られた成形物の寸法安定性（変形率）を評価した。結果を表３に示した。
【００４１】
【表３】

【００４２】
（評価結果）
気体として、空気、炭酸ガス、窒素、ヘリュウム、アルゴン、空気／窒素混合ガス及び空気／炭酸ガス混合ガスについて評価した結果、いずれも寸法安定性（変形率）は良好であった。一方、気体で処理しないビーズから得た成形物は変形率３５．５％と不良であった。
【００４３】
（実施例１４〜２０、比較例５〜７）
実施例３（ポリマーＰ４）の発泡ビーズを使用し、加圧する空気の圧力及び加圧時間を変更した以外は表２の実施例１〜７と同様な操作を行い成形物を得た。得られた成形物の寸法安定性（変形率）を評価した。結果を表４に示した。
【００４４】
【表４】

【００４５】
（評価結果）
表４から明らかなように空気加圧処理しない比較例５及び空気圧の低い比較例６は寸法安定性（変形率）が不良であった。寸法安定性（変形率）が良好であったのは空気圧が０．１０５ＭＰａ〜１．０ＭＰａであり、特に空気圧が０．１５ＭＰａ〜０．５ＭＰａの範囲が良好であった。
【００４６】
【発明の効果】
以上、本発明の製造方法により得られる発泡成形物は、従来から課題であった寸法安定性（変形率）が改善され、生分解性、軽量性、機械物性は従来の性能を維持していた。現在使用されているＰＳ又はＰＯ発泡成形体を代替することにより地球環境保全に資することが出来る。

Claims (4)

1. Ｌ体とＤ体のモル比が９５／５〜６０／４０、又は４０／６０〜５／９５であるポリ乳酸又はその組成物からなる生分解性発泡ビーズを０．１０５ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ以下の気体雰囲気中に保持した後、該ビーズを金型に導入し型内成形することを特徴とする発泡成形物の製造方法。
2. 使用する気体が空気、窒素、炭酸ガス、ヘリウム、アルゴン又はそれらの混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載の発泡成形物の製造方法。
3. 使用する気体の圧力が０．１１ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ未満であることを特徴とする請求項１に記載の発泡成形物の製造方法。
4. 使用する気体の圧力が０．１５ＭＰａ以上、０．５ＭＰａ未満であることを特徴とする請求項１に記載の発泡成形物の製造方法。