(57)【要約】本出願は、特に、低密度化熱可塑性プラスチックを製造する方法を開示する。熱可塑性プラスチックシートまたはプリフォームを飽和すること、加熱すること、そして最終的な形状へと形成することによって、ポリマー製品を生成し得る、迅速発泡プロセスを説明する。ポリマー製品には、一体となったソリッドのスキン層が含まれ得る。あらゆる熱可塑性プラスチックに本方法を利用してもよい。材料の取り扱い、飽和方法、および最終製品についても説明する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマーシートを飽和する方法であって、
ブランクを形成することと、
前記ブランクをマスク装置内に配置することと、
前記ブランクおよびマスク装置を制御された時間だけ圧力容器内に配置することと
を含む、方法。
【請求項２】
飽和したポリマーシートを形成する方法であって、
複数の溶融ポリマー形態を圧力容器内に形成することと、
前記溶融ポリマー形態を冷却させることと、
前記溶融ポリマー形態を分離したユニットとして取り外すことと
を含む、方法。
【請求項３】
飽和したポリマーシートを加熱する方法であって、前記シートが、第１の側面および第２の側面を有し、
前記シートをマスク装置内に配置することと、
放射加熱、伝導加熱、および対流加熱からなる群から選択された加熱形態を用いて前記シートおよびマスク装置を加熱することと
を含む、方法。
【請求項４】
前記第１の側面および前記第２の側面の間で熱の強度を変えることをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
飽和した熱可塑性プラスチックシートを形成する方法であって、前記熱可塑性プラスチックシートを溶剤の存在下で高圧不活性ガスに曝すことを含む、方法。
【請求項６】
前記高圧不活性ガスが二酸化炭素である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記溶剤が水である、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記シートがポリ乳酸（ＰＬＡ）である、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記シートが半結晶ポリマーである、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
固相発泡からスクラップを回収する方法であって、
飽和されたが、加熱されていないスクラップを集めることと、
前記スクラップを挽き砕くことと
を含む、方法。
【請求項１１】
固相発泡からスクラップを回収する方法であって、
飽和され、発泡されたスクラップを集めることと、
前記集めたスクラップを挽き砕くことと、
粒子を提供することと、
前記粒子からソリッド製品を提供することと
を含む、方法。
【請求項１２】
低密度熱可塑性プラスチック部品を製造する方法であって、
シートを飽和することと、
前記シートを加熱することと、
前記シートの少なくとも一部を金型に引き込むことと、
前記一部を前記金型に接触させて保持して、前記製品の形状をセットすることと
を含む、方法。
【請求項１３】
共押し出しシートの飽和をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記飽和がマスク装置でなされる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記シートを飽和することが、圧力容器内への押し出し／成形を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記シートを飽和することが、水を溶剤として用いることをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記加熱がマスク装置でなされる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記加熱が非対称になされる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
ソリッドスクラップを回収することと、
発泡の際に前記スクラップを用いることと
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
発泡スクラップを回収することと、
低密度物体以外の物体を作るために前記スクラップを用いることと
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
発泡体構造が非対称である低密度コアを有する熱可塑性プラスチック構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、固相発泡によって生成される低密度化熱可塑性プラスチック構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラスチックは、耐久用途および非耐久用途の両方で広く利用されている。非耐久プラスチックの大半は、しばしば使い捨て用途で、商品の一次包装および食品用の包装に使用されている。
【０００３】
プラスチック製品を処分すると、大量の廃棄物が生じる。再生利用可能なプラスチック製品は、再生利用の前に洗浄しなければならず、その結果、エネルギーをさらに消費する。処理の際、ポリマーの洗浄が不十分であることや、ポリマーが劣化したりすることに起因して、同程度の品質の製品として再生利用できないことが多い。
【０００４】
化学発泡剤を利用する従来の手段によって製造された発泡プラスチック製品は、断熱および緩衝作用を利点として加えることによって、ソリッドのプラスチック製品に関する問題のうちの一部を解決するが、新たな問題を生むことが多い。発泡プラスチックは、脆くなることがあり、廃水流からの分離がほぼ不可能な小塊を形成する。発泡プラスチックの表面は、細胞様であり、消費者に魅力的ではないことが多い。
【０００５】
多くの発泡体の製造に使用される化学発泡剤、すなわち、フルオロカーボンおよびクロロフルオロカーボンは、環境に悪影響を及ぼし、プラスチックは、こうした発泡剤によって汚染されることにより、再生利用可能でなくなることもある。
【０００６】
発泡剤として二酸化炭素、または他の高圧ガスを利用する固相発泡が、上記の問題の一部の解決策として探求されている。半連続発泡は、飽和したポリマーロールの間にガスチャネリング手段を差し挟む方法であり、これにより、熱成形の前にポリマーを飽和させることができる。半連続製造は、間に差し挟む層を消費し、大量のプラスチックを要する、多大な労力を必要とするプロセスである。処理の間にプラスチックからはガスが失われ、大きいプラスチックロールでは処理に長い時間がかかることもあるため、発泡体ロールの開始部分の特性が、ロールの終端部分の特性とは異なることもある。
【０００７】
フォームおよびソリッドの形態の両方においてプラスチックを包装に利用する際の問題は、耐久財にも及ぶ。耐久財のためのプラスチック利用の分野の１つは複合材であり、複合材では、複数の相分離材料が１つに接合されて、より優れた特性の単一の部品を形成する。このような部品の中央部分は、発泡体であることが多い。こうした用途向けに製造された発泡体の大半は、接合後に再生利用することができず、生分解性ではない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本出願は、特に、低密度化熱可塑性プラスチックを開示する。熱可塑性プラスチックシートまたはプリフォームを飽和すること、加熱すること、そして最終的な形状へと形成することによって、一体となったソリッドのスキン層を含み得るポリマー製品を生成し得る、迅速発泡プロセスを説明する。あらゆる熱可塑性プラスチックに本方法を利用してもよい。材料の取り扱い、飽和方法、および最終製品は、他に類を見ないものであり、これについても説明する。
【０００９】
本方法を生分解性のポリ乳酸（ＰＬＡ）またはブレンドに利用することにより、低密度で高強度の生分解性構造を得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態による、プラスチックブランクおよびマスク装置を示す図である。
【図２】一実施形態による、マスクに封入したプラスチックブランクを示す図である。
【図３】一実施形態による、ラック内へのプラスチックブランクを保持するマスクの配置を示す図である。
【図４】一実施形態による、プラスチックシートおよびマスクを示す図である。
【図５】一実施形態による、圧力容器内に配置されるラックを示す図である。
【図６】一実施形態による、発泡後のプラスチックブランクの断面の一例を示す図である。
【図７】別の実施形態による、発泡後のプラスチックブランクの断面の一例を示す図である。
【図８】一実施形態による、低密度化熱可塑性プラスチック製品形成の流れ図である。
【図９】２つの加熱要素間にあるラック内へのプラスチックブランクの配置を示す図である。
【図１０】圧力容器内へとプラスチックシートを直接押し出すための流れ図である。
【図１１】圧力容器内へとポリマーブランクを直接射出成形するための流れ図である。
【図１２】圧力容器内へと溶剤を導入するための流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
低密度化熱可塑性プラスチックの特定の実施形態のさらなる詳細は、以下に説明する実施形態、および本明細書の一部を構成する図面に示す実施形態を参照することによって説明され、図面では、類似の参照番号は類似の対象を表すものとする。
【００１２】
一実施形態では、プラスチックロールから切り出すことによって、または形状品を射出成形することによって、一式のプラスチックブランクを作成することができる。１〜１００などの少数の部品のための材料を提供するように、各ブランクを成形してもよい。次いで、飽和を容易にするために、任意の形状またはサイズであり得るブランクをラック内に入れてもよい。次いで、飽和のために圧力容器内にラックを入れてもよい。プラスチックは、部分的または完全に飽和させることができてもよく、その結果、ブランクの表面のガス濃度が高くなる可能性がある。次いで、ブランクを取り出してもよく、プラスチックを加熱ラック内に移してもよい。従来型の熱成形機によって加熱ラックへの供給を行ってもよく、それにより、ブランクを加熱して、形に伸ばしてもよい。加熱および伸展させる間、固相発泡構造を形成してもよい。
【００１３】
上記実施形態の変形は、ブランクを押し出しではなく射出成形することである。射出成形される部品を様々な厚さに形成してよく、それにより、飽和レベルを様々なレベルにすることができ、また部品を、加熱後の後成形がほとんど必要ないような形にしてもよい。また、圧力容器内に射出成形部品を直接成形し、冷却させて、飽和時間の必要性を排除してもよい。
【００１４】
図１に、一実施形態による、プラスチックブランク１１０およびマスク装置１７０を示す。マスク１２０およびマスク１４０を連結器１３０により連結して、マスク装置１７０を形成してもよい。連結器１３０は、蝶番、１つまたは複数の留め具、マスク１２０およびマスク１４０を形成する材料の曲げ部分、またはこれらを連結する他の手段であってもよい。プラスチックブランク１１０は、マスク１２０およびマスク１４０の間に配置されてもよく、マスク１２０およびマスク１４０を連結器１３０の所で折り畳んで、マスク装置１７０にプラスチックブランク１１０を封入してもよい。プラスチックブランク１１０は、任意のタイプの熱成形プラスチックであってよい。
【００１５】
マスク１２０は、開口部１５０を有してよく、またマスク１４０は開口部１６０を有してよく、これにより、マスク１２０およびマスク１４０によって覆われたプラスチックブランク１１０の一部をガス発泡剤に曝すとともに、プラスチックブランク１１０の他の部分をガス発泡剤から保護することができる。
【００１６】
当業者であれば、プラスチックブランクをマスキングする様々な方法を利用してよいこと、またマスクが様々なサイズおよび形状を有してもよいことを理解するだろう。マスク装置はまた、同時にいくつかのプラスチックブランクを保持するように構成されてもよい。
【００１７】
図２に、一実施形態による、マスク装置１７０に封入したプラスチックブランクを示す。マスク装置１７０は、プラスチックブランク１１０に接触して密閉閉塞して、ガスを通さない、またはガスをほとんど通さない封止を形成する。
【００１８】
マスク装置１７０を十分に熱遮蔽して、加熱中にマスク装置１７０を使用する場合に、プラスチックブランク１１０のマスク部分が発泡してしまうほどには加熱されないようにしてもよい。
【００１９】
図３に、一実施形態による、ラック３１０内へのプラスチックブランク１１０を保持するマスク１７０の配置を示す。ラック３１０は、プラスチックブランク１１０をガス発泡剤に曝すことができるように、マスク装置３２０間の間隔を十分にとって、複数のマスク装置１７０を保持するように構成されてもよい。
【００２０】
図４に、一実施形態による、プラスチックシートおよびマスクを示す。多くの部品が形成され得る大きいプラスチックシート４２０を、飽和および加熱トレイ４１０、４３０内に入れてもよい。（マスクとして働く）トレイ４１０、４３０は、複数の穴を含んでよく、その形状は、例えば、カップには円形、トレイには四角形など、形成するプラスチック部品の外形に類似する。次いで、プラスチックシート４２０を圧力容器内に入れ、しばらく飽和させてもよい。トレイにある穴により、プラスチック部品を形成する領域にあるプラスチックシートを飽和させることができる。次いで、プラスチックを圧力容器から取り出し、加熱し、従来型の熱成形装置を用いて形成してもよい。飽和に利用したのと同じマスキングトレイまたは異なるマスキングトレイを利用して、熱成形装置を通してプラスチックを移送してもよい。飽和プロセスにおけるトレイの使用を排除し、圧力容器の側面にあるレールを用い、トレイを使用せずにプラスチックを移送するように装置を形成することが望ましいこともある。
【００２１】
図５に、一実施形態による、圧力容器５１０内に配置されるラック３１０を示す。ラック３１０は、プラスチックブランク１１０を有する少なくとも１つのマスク装置１７０を保持してもよい。ガス発泡剤をプラスチックブランク１１０の曝露部分に通すことができるように、圧力容器５１０を加圧してもよい。
【００２２】
別の実施形態では、圧力容器内にシートを直接押し出してもよい。圧力容器内で押し出されたシートを冷却させて、ラックに入れてもよい。この変形では、飽和時間の必要性が排除される。
【００２３】
さらに別の実施形態では、すべての圧力容器の入口および出口に仕切弁および圧力ロックを使用してもよく、圧力容器内に運搬システムを構成してもよい。圧力ロックにより、シート、ブランク、またはプリフォームが、他のプラスチックを含む圧力容器に入ることができる。圧力容器内の材料運搬システムは、圧力容器を通して物品を移動してもよい。この構成におけるすべての材料を、圧力容器内で正確に同じ時間だけ経過させてもよい。
【００２４】
温度、圧力、ガス発泡剤、およびタイミングなどの様々なパラメータを調整して、結果として得られる発泡プラスチックの様々な特性を提供してもよい。飽和時間および脱着時間の変化により、ポリマー内に新規な構造を生み出すことができることが分かっている。ガス濃度が高いほど結晶度が高くなり、また気泡核生成速度が速くなり得る。ガス濃度が低いほど密度が低下することになり得る。これら２つの要素を組み合わせることによって、高密度の外側および低密度の内側を有する部品、すなわち、所与の部品重量で最適な機械的特性をもたらす構造を得ることができる。
【００２５】
飽和プロセスの間に圧力容器へ溶剤を添加することが望ましいこともある。ＰＬＡを飽和する場合、加熱中、水がシートの表面に変化を起こし、一様な白い表面を形成することが分かっている。ＰＥＴを飽和する場合、アセトンが部品の表面に結晶化をもたらすことが分かっている。
【００２６】
発泡体部品に特定の特性を与えるために、プラスチックの加熱を制御してもよい。プラスチックシートの片側を加熱すると、密度および発泡体の気泡の分布が非対称になる。密度を非対称にすることにより、外部からの押し潰す力には強いが、積み重ねた状態から取り外すために容易に外側に曲がるカップを生成するなど、機械的特性を最適化してもよい。着色された高密度の外側（着色剤は、密度を低下することによって分散される）を作るとともに、部品の残りの部分の密度を最小化することにより、着色剤の使用を最適化してもよい。
【００２７】
加熱中、プラスチックブランク、または穴において露出させたプラスチックを部分的に曲げることが有利であることもある。このことは、加熱の一様さを高めるために、または金型内での最終的な形状伸展を始める前に形に伸ばし始めるために行ってもよい。高圧空気ジェットを利用して、シートの片側の空気圧を上げ、シートの片側の空気圧を下げることによって、あるいは温度制御プラグを用いて直接的な機械的な力によって伸展させることによって、このことを行ってもよい。
【００２８】
発泡操作が完了すると、圧力容器からラック３１０を取り外してもよく、マスク装置１７０を引き出してもよい。
【００２９】
次いで、熱成形装置でプラスチックブランク１１０を加熱してもよい。加熱されるまでラックまたはチェーンレールでプラスチックブランク１１０を保持してもよい。マスクによって曝されているプラスチックブランク１１０の一部が発泡されると同時に、マスクによって保護されている部分が未発泡のままであってもよい。
【００３０】
一部の製品では、例えば、機械的プラグを用いて、プラスチックブランク１１０を金型内に押してもよい。真空（減圧）、正圧、機械的強制、またはこれらの技術の組み合わせを用いて、最終的な所望の形状にプラスチックブランクを形成してもよい。
【００３１】
例えば、材料運搬システムを介して、プラスチックブランク１１０が飲用カップを形成するための金型の上に来るまでプラスチックブランク１１０を動かしてもよい。唇縁の形成に役立ち得るクランプリングで、金型の上部部分がプラスチックブランク１１０を所定の位置に保持するために下がってきた時に、プラスチックブランク１１０を適切な位置に保持してもよい。上から正圧をかけるとともに、プラスチックブランク１１０を金型内へと真空で引いてもよい。金型により、金型の上部および下部がプラスチックブランク１１０を所定の位置に保持する所に唇縁を形成することができる。
【００３２】
図６に、一実施形態による、発泡後のプラスチックブランクの断面の例を示す。この例では、圧力、温度、タイミング、およびガス発泡剤を選択することによって、大きい気泡６１０が断面の片側付近にあり、小さい気泡６２０が大きい気泡６１０に隣接し、小さい気泡５４０が反対側付近にあるプラスチックを生成した。小さい気泡６２０と小さい気泡６４０との間にあるのは、未発泡のポリ乳酸（ＰＬＡ）６３０である。この例では、熱成形中、一方の側面に他方の側面よりも高率の熱を加えた結果を示している。
【００３３】
図７に、別の実施形態による、発泡後のプラスチックブランクの断面の例を示す。この簡略化された、試料の走査型電子顕微鏡像では、大きい気泡７２０は、片側付近から始まり、ブランクの中央付近まで延在している。ＰＬＡ７１０は未発泡であり、より小さい気泡６３０は、気泡７２０の反対側付近にある。
【００３４】
図８は、一実施形態による、ＰＬＡ製品形成の流れ図である。ブランクを作成する８１０ことには、ブランクをシートから切り出すこと、シートを押し出すこと、または適切なプラスチックブランクを得るための他の方法が含まれてもよい。ブランクをマスク装置内に配置する８２０ことにおいては、ブランクの一部がガス発泡剤または熱に曝され、他の部分は曝されないように、マスク装置を構成してもよい。マスク装置をラック内に配置する８３０ことにより、複数のブランクを同時に処理することができるようにしてもよい。他の実施形態では、ラックが必要でないこともある。ラックを圧力容器内に配置する８４０ことは、手動または自動のプロセスであってもよく、ブランクを飽和させる８５０ことが起こり得る位置にラックを移動する。飽和パラメータには、使用するガス発泡剤、圧力、温度、および時間が含まれ得る。これらのパラメータを変えることにより、強度、断熱値、および可撓性を含む異なる特性の低密度化熱可塑性プラスチックを提供してもよい。使用している場合には、圧力容器からラックを取り外してもよいし、ラックからマスク装置を取り外してもよい。ブランクを選択的に加熱する８６０ことにより、ブランクの露出部分を熱成形機で加熱してもよい。ブランクの一部をマスキングすることにより、所望の製品で必要とされるものに加熱および発泡を制限してもよい。ブランクがゆがまないようにするためにブランクの縁部を抑えてもよく、ブランクの形を整える８７０ことを容易にし得る。ブランクの形を整える８７０ことでは、圧力および真空を使用して、ブランクを金型に一致させてもよい。金型内で部品を保持する８８０ことにより、部品を冷却し、かつある形状に保持することができるのであってよい。部品を切り取って取り出す８９０ことには、余分な材料を切り取ることと、金型から部品を取り出すこととが含まれ得る。次いで、スクラップを回収する８９５ことにおいては、ガス発泡剤および熱に曝されていないブランクの一部を再利用して別のブランクを作ってもよい。
【００３５】
図９は、マスク装置１７０内にあるプラスチックブランク１１０を示す図であり、２つの加熱要素９１０間に配置されている。加熱要素９１０は、放射、伝導、または対流による加熱要素であってよい。これらの加熱要素の相対温度を変えることにより、プラスチックブランク１１０の各面に非対称の熱を加えることができる。
【００３６】
図１０は、圧力容器内へとプラスチックシートを直接押し出すための流れ図である。圧力容器にポリマーシートを押し出す１０１０ことは、飽和シートを作成するポリマーシートを提供する。ポリマーシートを冷却させる１０２０ことは、圧力容器の内側の温度を下げることを含んでもよい。ポリマーをシートに分割する１０３０ことは、意図する製品に適したサイズにシートを切断することを含んでもよい。一連の圧力ロックを通して結果として得られるポリマーシートを取り出してよく１０４０、これにより、圧力容器の内側の圧力が維持され得る。
【００３７】
図１１は、圧力容器内へとポリマーブランクを直接射出成形するための流れ図である。圧力容器にポリマーブランクを射出成形する１１１０ことは、飽和シートを作成するポリマーブランクを提供してもよい。ポリマーブランクを冷却させる１０２０ことは、圧力容器の内側の温度を下げることを含んでもよい。一連の圧力ロックを通して結果として得られる飽和したポリマーブランクを取り出してよく１１３０、これにより、圧力容器の内側の圧力が維持され得る。
【００３８】
図１２は、圧力容器内へと溶剤を導入するための流れ図である。この例では、高圧ガス源のための供給バルブを開放してもよい１２１０。溶剤で飽和させた多孔質膜を通して、または溶剤を噴射するノズルを通して、高圧ガスを送ってもよい１２２０。
次いで、溶剤を含む高圧ガスで、圧力容器を充たしてもよい１２３０。
パラメータ例
【００３９】
以下の条件を用いて、飲用カップを製造した。厚さ０．０２４インチ（約０．６１０ミリメートル）のネイチャーワークス社製４０３２Ｄのシートを、ＣＯ２圧力容器内において１０分間、６００ポンド毎平方インチ（ＰＳＩ、約４．１４ＭＰａ）の圧力で飽和させてもよく、この際、圧力容器の充填サイクル中に水蒸気を導入する。加熱および伸展の（脱着時間）前にシートを５分間ガス抜きし、次いで、カップ周縁の０．２インチ（約５．１ミリメートル）以内に制約させつつ、約摂氏９０度に到達するまで加熱した。次いで、アルミニウム製プラグを用いて摂氏７度でシートをカップ金型内に押し込んで、摂氏１１０度で１５秒間カップ金型に接触させてセットした。
【００４０】
ＰＬＡでは４００〜１０００ＰＳＩ（約２．７６〜６．８９Ｐａ）の圧力範囲および５〜４５分の飽和時間が製品の製造に有用であり得る。５〜３０分の脱着時間を用いて、製品を製造してもよい。プラグ温度は、摂氏−５〜９０度まで変化させてよく、材料が異なれば、異なるカップ壁厚分布が得られ得る。金型温度を最低摂氏０度の低温にすることにより、発泡が少なくなるが、より迅速な処理が可能となる。
【００４１】
上記の説明を、特定の例に関して表してきたが、当業者であれば、多くの他の構成を使用し得ることを理解するだろう。
【００４２】
したがって、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなしに、上述の実施形態の様々な均等な修正がなされ得ることが理解されよう。
【００４３】
上記の、本発明の様々な実施形態の説明は、例示および記述の目的で表されている。網羅的であること、あるいは開示されたそのままの形態に本発明を限定することを意図するものではない。本発明の範囲が、この詳細な説明にではなく、本明細書に添付される特許請求の範囲によって限定されることを意図している。上記の明細、例およびデータは、本発明の製造および使用に関する完全な説明を提供する。本発明の多くの実施形態が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくなし得ることから、本発明は、本明細書においてこの後に添付されている特許請求の範囲に帰する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2016529341.tif 000011
【図１０】
2016529341.tif 000012
【図１１】
2016529341.tif 000013
【図１２】
2016529341.tif 000014
【国際調査報告】
2016529341.tif 000015
2016529341.tif 000016
2016529341.tif 000017