10愛知県産業技術研究所 研究報告2009●───────────────────────────────────────────────

研究論文

ポリ乳酸を主成分とするバイオマス複合材料からなる食器の開発
北 川 陵 太 郎 ＊ 1、 福 田 徳 生 ＊ 2、 松 原 秀 樹 ＊ 3

Development of dishes from biomass composites mainly consisting of PLA
Ryotaro KITAGAWA ＊ 1 , Norio FUKUDA ＊ 2 and Hideki MATSUBARA ＊ 3
Research and Development Division, AITEC * 1
植 物 原 料 か ら 作 ら れ る プ ラ ス チ ッ ク の ポ リ 乳 酸 、産 業 廃 棄 物 で あ る ホ タ テ 貝 殻 、及 び 天 然 鉱 物 の カ オ リ ンと い う 環 境 負 荷 の 低 い 素 材 を ブ レ ン ド し て 、バ イ オ マ ス を 主 成 分 と す る 成 形 体 を 開 発 し た 。本 成 形 体 の 食 器と し て の 性 能 を 調 べ る た め に 、JIS S 2029 に 基 づ き 、耐 衝 撃 性 、耐 熱 性 、電 子 レ ン ジ 高 周 波 適 正 性 及 び 耐 久性 の 試 験 を 行 っ た 。い ず れ の 試 験 に お い て も JIS の 規 定 に 適 合 し て お り 、電 子 レ ン ジ で も 使 用 で き る こ と が確 認 で き た 。ま た 、本 複 合 材 料 の 射 出 成 形 に お け る リ サ イ ク ル 性 を 確 認 す る た め に 、溶 融 混 練 回 数 の 異 な る
リ サ イ ク ル 材 料 を 調 製 し 試 験 に 供 し た 。４ 回 溶 融 混 練 し た リ サ イ ク ル 材 料 を バ ー ジ ン 材 に 60wt%配 合 し た 場
合 に も 曲 げ 物 性 の 顕 著 な 変 化 は な く 、本 複 合 材 料 の リ サ イ ク ル 性 は 良 好 で あ る こ と が 分 か っ た 。さ ら に 本 複合 材 料 の 洗 浄 剤 及 び 温 水 で の 洗 浄 に 対 す る 耐 久 性 を 曲 げ 物 性 に よ り 評 価 し た 。本 複 合 材 料 に 加 水 分 解 抑 制 剤をさらに添加することにより、曲げ物性の保持率が高くなり、耐久性が向上することが確認された。
タテ貝殻粉末（平均粒径 2～3 µm）、カオリン（平均粒１．はじめにポリ乳酸は、トウモロコシ等の植物に由来するでんぷ

径 5 µm）、さらに添加剤（ゴム系重合体）、結晶核剤（フんから製造されるポリエステル系のプラスチックであり、ェニルホスホン酸金属塩）を添加して 2 軸押出機（㈱テ

大気中の CO2 濃度の増加につながらない工業材料としクノベル、φ；20 mm、L/D；30）を用いて溶融混練（190て、その利用が望まれている。しかしながら、ポリ乳酸～200℃）を行った。各材料の配合比は PLA／ホタテ貝

は耐衝撃性及び耐熱性が低いこと、また、結晶化速度が殻粉末／カオリン／ゴム系重合体／核剤＝60／20／20

遅く成形性が悪いという欠点を有することから 1)、多く／10／1 とした。冷却後、ペレット状に切断し、80℃での企業等が改善に向けて様々な検討を行っている。

4 時間乾燥した。成形はプラスチック成形加工会社の射

筆者等は、これまでにポリ乳酸、ホタテ貝殻、及びカ出成形機を用いて、表１に示す射出成形条件で行った。

オリンからなるバイオマス複合材料を射出成形すること

金型は、図１に示すような食器の金型を用いて行った。

によって、食器として用いる場合に十分な耐衝撃性と耐その後、得られた成形体の物性を安定させるために熱性を有する成形体が得られることを確認している 2)。

110℃、60min の熱処理を行った。

本研究はこの成形体を食器として実用化するために行った検討である。まず、食器の金型を用いて射出成形を行

表１

射出成形条件JIS S 2029 に基づき各種試験を行った。また、本材料の型締力（ton）

シリンダー温度（℃）

金型温度（℃）

金型保持時間（min）

リサイクル性を検討するために、2 軸押出機によりバー

120

165~200601い、食器を作製した。この食器の性能を検討するために、ジン材に熱履歴を与えてリサイクル材を作製し、バージン材と混合した場合の物性を評価した。さらに食器として長期間使用することを想定して、耐久性試験を行い、物性を評価した。以下にその結果を報告する。

２．実験方法2.1 原材料及び食器の作製
ポリ乳酸ペレット（トヨタ自動車㈱製 U’z S-32）にホ**

1 基盤技術部（現環境部 環境政策課）
3 基盤技術部（現企画連携部）*

2 基盤技術部（現工業技術部

図１成形した食器材料技術室）

●11───────────────────────────────────────────────て、190℃、15min のプレス成形を行い、成形体 A～G

2.2 食器としての性能試験
JIS S 2029 に基づき、各種性能試験を行った。各試験を作製した。それぞれの成形体の物性を曲げ試験によりは図１に示す直径 122mm の食器を用いて行った。

評価した。

2.2.1 耐衝撃性試験

2.4 加水分解抑制剤を添加した成形体の作製

平らなコンクリート床上に試験用板を設置し、その上加水分解抑制剤（日清紡績㈱製 カルボジライト）をに食器を伏せた状態で置き、200mm の高さから硬球用いて 2.1 節と同様に 2 軸押出機により溶融混練を行っ（JIS B 1501 に規定する直径 19.05mm のもの）を落下た。加水分解抑制剤の添加量は、PLA／ホタテ貝殻粉末させて破損の有無を調べた。

／カオリン／ゴム系重合体／核剤＝70／10／10／9／1

2.2.2 耐熱性試験という配合に対して外割で 1 wt%添加した。得られたペ食器を耐熱性板に載せ、140℃に設定した恒温槽中にレットを用いて、射出成形機（㈱名機製作所、型締圧 70おいて 60min 保持した。その後、常温で 30min 放冷し、ton）により試験片用金型を用いて成形し（シリンダー温異常の有無を目視により調べた。

度；180～190℃、金型温度 60℃、金型保持時間 60 秒）、
厚さ 5 mm、長さ 154mm、幅 12.7 mm の試験片を得た。

2.2.3 電子レンジ高周波適正性試験
高周波出力 500 W の電子レンジで食器を 4min 加熱した後、取り出して 25℃まで放冷した。この操作を 2 回繰

2.5 耐久性試験
2.4 節で得られた試験片を用いて耐久性試験を行った。

り返し、加熱時に食器からのスパークの有無及び異常を大規模食堂での使用を想定し、①次亜塩素酸ソーダ（300目視検査した。また加熱後に外観を目視検査した。

ppm）に 5 分間浸漬、②水洗い、③温水（85℃）で 252.2.4 電子レンジ耐久性試験

分間すすぎ、④80℃で 30min 乾燥という手順で洗浄をオリーブ油を食器の容積約 50%まで満たし、①高周波行った。①～④の操作を繰り返し行い、最大 372 回行っ

出力 500 W の電子レンジでオリーブ油が 140℃になるまた。洗浄後の成形体の物性を曲げ試験により評価した。

で加熱、②食器を低温槽に入れ－30℃になるまで冷却と2.6 物性評価いう操作を行った。①、②の操作を５回繰り返した後、曲げ試験 は JIS K 7171 に準じて、 試 験速度 を 2目視検査をし、さらに上記 2.2.1 項の耐衝撃性試験を行mm/min として行った。曲げ物性としては、曲げ強度、った。

曲げ弾性率、及び曲げ破壊ひずみを求めた。

2.3 リサイクル材料を混合した成形体の作製
2.1 節と同様にして、配合比を PLA／ホタテ貝殻粉末／カオリン／ゴム系重合体／核剤＝70／10／10／9／1

３．実験結果及び考察
3.1 射出成形による食器の作製として 2 軸押出機により溶融混練し、ペレットを作製し表１に示す条件で射出成形を行ったところ、1 サイクた。ここで得られたペレットの一部を用いて、同条件でル 1.5min で成形体が得られた。また、金型として食器

2 軸押出機によりさらに 1～3 回溶融混練し、リサイクル形状（図１）のものを用いたが成形状態は良好であった。

材料を作製した。混練回数が 1 回のものをバージン材と金型温度については、今回の検討により 60℃が最適条件し、混練回数が 2、3、4 回のものをそれぞれリサイクルだということが分かった。50℃に設定すると、本複合材

材①、②、③とした。バージン材とリサイクル材①～③

料の流動性が低いために成形体表面にフローマークが見を用いて、表２に示す配合比により各ペレットを混合し、られた。また、70℃に設定すると、取り出し時に成形体圧縮成形機（㈱神藤金属工業所、型締力 10 ton）を用いが柔らかく変形するという問題が生じた。
なお、表１に示す条件により他の形状の食器も成形可

表２
サンプ
ル名

バージン材（wt%）

A100

B80

C80

D80

E40

F40G40各成形体の配合比
リサイク
ル材①（wt%）リサイク
ル材②（wt%）

能であることを確認した。
リサイク
ル材③（wt%）3.2 食器性能の評価
2.2 節に示す食器の性能試験の結果を表３に示す。表３にあるように、耐衝撃性、耐熱性ともに JIS の規定に適合していた。耐衝撃性試験では、硬球を落下した後に20破損の有無を調べたが、食器表面にキズがつくことはな

2020

く、異常がないことが確認できた。また耐熱性試験では、140℃の恒温槽に入れた後に変形や変色がないか確認し60たが、異常は見られなかった。また電子レンジ高周波適6060

正性及び電子レンジ耐久性試験により、電子レンジでの12
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を評価した。図３には、耐久性試験前の曲げ強度、曲げ食器の性能試験結果（JIS S 2029）

表３

弾性率、曲げ破壊ひずみの値を１として、洗浄回数によ

試験名

結果

耐衝撃性試験

破損、ひび割れ等の異常は認められなかった。

耐熱性試験

り曲げ物性がどのように変化するかを示した。曲げ強度、変形、変色等の欠陥となる異常は認められなかった。

曲げ弾性率、曲げ破壊ひずみのいずれにおいても、加水分解抑制剤を添加した場合に耐久性が向上していることが分かった。特に、曲げ弾性率については、加水分解抑制剤の添加により顕著に保持率が高くなった。今回用いた加水分解抑制剤はジイソシアネートを触媒存在下で脱電子レンジ高周波適正性試験

加熱中にスパーク及び異常はなく、加熱後も変形、変色等欠陥となる異常は認められなかった。

電子レンジ
耐久性試験

変形、変色及び破損ひび割れ等の欠陥となる異常は認められなかった。

炭酸縮合することによって得られるポリカルボジイミド

曲げ強度比1

使用が可能であることが分かった。電子レンジ耐久性試
験では、140℃と－30℃を交互に繰り返すという過酷な条件で試験を行ったが、変形、変色等見られなかった。
以上の結果より、本複合材料を用いた成形体は食器としての性能を十分に有していると考えられた。

03.3 リサイクル材料を混合した成形体の物性値
2.3 節で得られた成形体 A～G（表２）の曲げ物性につ100200
洗浄回数

300400200
洗浄回数300400200300400

曲げ弾性率比いて検討した。図２に、各成形体の曲げ強度と曲げ弾性率を示した。バージン材のみからなる成形体 A と比較し01て、B～G において顕著な差がないことが分かった。特に熱履歴が最もかかっているリサイクル材③を 60 wt%含有している成形体 G においても、曲げ強度、弾性率共に低下が見られなかった。この結果より、本複合材料のリサイクル性は良好であることが分かった。
3.4 耐久性試験後の物性評価
加水分解抑制剤の有無が成形体の耐久性に及ぼす影響
100(GPa)(MPa)

10010100

曲げ破壊ひずみ比

曲げ強度

曲げ弾性率00ABCDEFG00100

洗浄回数棒グラフ：曲げ強度

加水分解抑制剤有折れ線グラフ：曲げ弾性率

加水分解抑制剤無図２

各成形体の曲げ物性

図３

耐久性試験後の曲げ物性●13───────────────────────────────────────────────であり、安全性に優れていることから、食器として用いを評価した。リサイクル材料を 60 wt%加えた場合る本複合材料に適している。カルボジイミド基がポリ乳にも曲げ物性の低下が見られずリサイクル性は良酸末端のカルボキシル基と反応することにより、ポリ乳好であることが分かった。

酸の加水分解を促進する酸触媒を失活させるため耐久性(4) 本複合材料に加水分解抑制剤を添加し、食堂での利の向上につながったと示唆される 3)。今回用いた加水分用を想定した耐久性試験を実施した。加水分解抑制

解抑制剤は、ポリ乳酸にホタテ貝殻やカオリンが含まれ剤の添加により物性の低下が大幅に抑制され、耐久ている本複合材料においても加水分解を抑制し、耐久性性が向上していることが分かった。

向上に寄与することが分かった。

謝辞
４．結び
本検討の結果をまとめると以下の通りである。

瀬戸製土㈱には試料作製、耐久性試験にご協力いただいた。ここで深く謝意を表する。

(1) 食器の金型を用いて、射出成形を行った。成形時間は、1 サイクル 90 秒と比較的短時間で成形ができた。
(2) 食器としての性能試験を JIS S 2029 に基づいて行ったところ、耐衝撃性、耐熱性は食器として用いるのに十分な物性を有していることが確認できた。また電子レンジでも使用可能であることが確認できた。
(3) 熱履歴を与えることで、本複合材料のリサイクル性

文献1) 加藤誠 ：成形加工学会第 14 回秋季大会研究発表要旨集, P239（2006）
2) 北川，福田，松原 ：愛知県産業技術研究所研究報告，
6，6（2007）3) 望月政嗣 :バイオマスプラスチックの高機能化・再資源化技術, P31（2008）,エヌ・ティー・エス