バイオプラスチック用マスターバッチ:エコフレンドリーな製剤の完全ガイド

バイオプラスチック用マスターバッチは、表面的には従来のマスターバッチと同じように見えます。それは、キャリア樹脂に色素、充填剤、または機能性添加剤を濃縮して、コンバータでベースポリマーに混ぜるものです。実際のところ、これは、コンパウンド業界における最も制約された製造問題の一つです。従来のマスターバッチの設計者が頼ることができるほとんどすべての自由度が排除されているからです。キャリア樹脂はポリエチレンやエチレンビニルアセテートでは使用できません。なぜなら、これらのポリマーは、製品に商業的な存在意義を与える堆肥化認証を破壊するからです。分散を向上させるために加工温度を上げることはできません。なぜなら、ポリアクリル酸は約210℃で分解を始め、ポリヒドロキシアルカノートはその融点から約10℃以内で分解します。水分指定を緩和することはできません。なぜなら、これらのポリマーのすべてのエステル結合は水溶解性であり、エクストラーダーで失われた分子量は戻りません。そして、色素パレットは、重金属の制限と堆肥化基準に記載された環境毒性試験によって狭められています。

このガイドでは、バイオベースおよび生分解性の基材であるPLA、PBAT、PHA、PBS、熱可塑性デンプン、およびバイオベースのポリエチレン用に設計および製造されるマスターバッチの完全な技術的フレームワークを説明します。各基材の物理的特性と加工範囲、キャリア樹脂選択の論理、乾燥と水解の制御、EN 13432およびASTM D6400に基づく顔料のスクリーニング、充填剤および機能性添加剤システム、多機能エポキシオリゴマーによる鎖延長、核形成と耐熱性、ASTM D6866に基づく堆肥化性およびバイオベース含有率の認定、FDAの規則およびEU 10/2011に基づく食品接触の適合性、そして（最も低く見なされる部分ですが）共回転式ツインスクリュー押出機をどのように構成するか、つまり、調合ステップで、製品が保護しようとしている分子量を消費しないようにする方法について説明します。

Kerkeは、並列回転ツインスクリュー複合型エクストルーダーに特化したWanplasの工場であり、カラー、充填剤、添加剤のマスターバッチと並んで、生分解性プラスチック複合化を主な適用分野として挙げています。12年以上にわたる専門的なツインスクリュー開発、19,997平方メートル以上の工場、70カ国以上で稼働中の2,000台以上の機械、および100人以上のエンジニアと技術者のチームを擁するKerkeは、バイオプラスチックマスターバッチが求める低摩擦、低滞留時間、真空脱離処理に特化したKTEシリーズラインを提供してきました。以下のガイダンスは、2026年の現状に基づいています。

バイオプラスチックマスターバッチが異なる分野である理由

バイオプラスチックの混合の唯一の特徴は、ポリマーが流動する温度と自らを破壊する温度の間のギャップの狭さです。従来のポリプロピレン色のマスターバッチの場合、混合機の作業範囲は溶融と有意義な劣化の間で100℃をはるかに超えています。ポリヒドロキシブチラートの場合、その範囲は15℃です。配合と機械構成におけるその後の決定はすべて、この事実に基づいています。

第二の特徴は、製品の価値提案が純粋に機能的ではなく、規制に基づくものであることです。 従来の黒色マスターバッチは、ジェット性、分散性、コストなどの観点から評価されます。 可溶性黒色マスターバッチは、上記の基準に加えて、認証監査をクリアする能力も評価対象に含まれます。この監査では、1％以上の成分が明らかに生分解可能であること、製品の重金属含有量が規定の限界値以下であること、堆肥残渣が対照品の90％以上の植物発芽率と生物量増加率を支えることが求められます。 美しく機能するが、生態毒性スクリーンに落ちるような製剤は無価値です。

第三の特徴は、加水分解の脆弱性です。PLA、PBAT、PBS、PHA、およびそれらの共重合体はすべて脂肪族または脂肪族-芳香族ポリエステルです。溶融温度では、水は鎖切断試薬として働き、エステル結合を切断し、新しいカルボキシル末端基を生成します。その結果、PLA化合物の数平均分子量の20～30％がエキストルーダーを通過するたびに除去され、溶融強度、衝撃強度、およびフィルムの気泡安定性が著しく低下します。熱分解とは異なり、抗酸化剤によって軽減されることがあるが、加水分解は純粋に体積比例の反応です。唯一の防御策は、加工前および加工中に水を除去することです。

商業的な背景

グローバルなバイオプラスチックの生産能力は、欧州連合、中国、インドなどの国や自治体における一次使用プラスチックの規制、生産者責任制度の拡大、ブランド所有者によるパッケージングへのコミットメントによって着実に拡大しています。有機廃棄物収集用の堆肥化可能フィルム、食品サービス用の食器、果物と野菜の袋、マルチフィルム、コーヒーのカプセル、カトラリー、および硬質熱成形パッケージは、最も大きな需要がある用途です。これらの製品のすべてに色が必要であり、ほとんどの製品にはコストや剛性管理のための充填剤が必要で、ほぼすべてに少なくとも一つの機能性添加剤（滑り止め、抗結塊剤、核形成剤、鎖延長剤、または衝撃修飾剤）が必要です。マスターバッチ層は、バイオプラスチックのバリューチェーンにおけるニッチではありません。むしろ、その前提条件です。

バイオプラスチックマスターバッチの相対的なコスト位置は、マスターバッチのスペクトルの高い段階から非常に高い段階に位置します。キャリア樹脂自体は商用ポリオレフィンよりも高価であり、顔料のパレットには最も安価な無機系のものが含まれていないため、乾燥と取り扱いに関する負担がエネルギーと労力を増加させます。特定のエクストルーダーでのスループットは、スクリューの回転速度と特定のエネルギーを制限する必要があるために低くなります。また、認証は繰り返しのコンプライアンスコストを増加させます。フォーミュレーターがその差を埋めるために、従来のキャリアや認証されていない顔料を代替しようとすると、生産中ではなく監査時にその誤りを発見することがよくあります。

バイオプラスチック基質ファミリー：PLA、PBAT、PHA、PBS、TPS、およびBio-PE

基材を最初に決定しないとマスターバッチを設計することはできません。なぜなら、基材によってキャリア、温度上限、顔料の熱安定性要件、乾燥プロトコルが決まるからです。以下の6つのファミリーは商用バイオプラスチックの大部分を占めており、それぞれの挙動は大きく異なります。

ポリ乳酸

PLAは、発酵糖やデンプン原料から得られるラクチドの環開放ポリマー化によって生成され、市販されている中で最も大量に使用されているバイオベースの生分解性ポリマーです。NatureWorksやTotalEnergies Corbionなどのサプライヤーの商用グレードでは、主にD-イソメラ含有量が異なり、その含有量が結晶性を制御します。1～2％の低D含有量のグレードでは結晶化し、融点が165～175℃に達しますが、8％以上のD-イソメラ含有量のグレードでは実質的に無定形であり、ガラス転移点付近で軟化します。

機械的には、PLAは硬くて強いが、脆い：引張強度は一般に50～70メガパスコール、引張特性は3.0～3.6ギガパスコール、破断時の伸長率は通常3～8％、ノッチ型イゾド衝撃強度は改良なしで低い。パッケージングに関する重要な制限は耐熱性である。未アニールされた無定形PLAの熱拡張温度はガラス転移温度に近く、約55℃である。つまり、未改良のPLAカップは熱い車内や暖かい倉庫で変形する。結晶化により、その値は大幅に上昇するが、PLAはゆっくりと結晶化し、それを促進するのは核形成マスターバッチの主要な仕事の一つである。

熱的に、PLAはこのカテゴリ全体の基準ケースです。加工は通常、170～200℃の溶融温度で行われます。210℃を超えると、鎖分解、トランスエステル化、ラクチド再生が測定可能になります。230℃を超えると、速度が急激に上昇し、冷たい表面に凝縮する揮発性のラクチドが発生し、金型やチルロールに沈殿し、スクリューのスリップを引き起こします。PLAはまた、強い水分解感受性を持ち、溶融粘度は低い溶融強度と共に強い摩擦減少性を示し、鎖の延長なしではフィルム吹き付けや押出コーティングが困難です。

ポリブチレンアディパテレフタレート

PBATはアルキル系-芳香族共重合ポリエステルであり、主に化石由来ですが、工業的堆肥化条件下では完全に生分解可能です。これは堆肥化可能な世界の優れた強化剤です。BASFの「ecoflex」などの名称で供給されるグレードや、中国や韓国の生産者の同等品は、110〜120℃の温度範囲で溶融し、ガラス転移温度は約-30℃で、柔らかく、高伸張性の材料となります。引張強さは通常20〜35メガパスコール、破断時の伸び率は一般に500〜900％です。

PBATはほとんど単独では使用されません。 低密度ポリエチレンの柔軟性と引裂き強度を備えた堆肥化可能なフィルムを生成するために、PLA、デンプン、またはPBSと混合されます。 その処理温度範囲は低温側が広く、劣化開始点は融点を上回るため、熱的に最も寛容な生分解性ポリエステルです。 その難点は、下流にあります。PBATペレットは柔らかく粘着性があり、保管や投入ホッパーに詰まります。また、ポリマーは依然としてエステルであり、したがって水溶性です。 マスターバッチキャリアの場合、PBATの低融点は利点です。PLAの分解しやすい温度よりもかなり低い温度で色素の分散が可能になります。

ポリヒドロキシアルカノート

PHAは、直接細菌発酵によって生成されるポリエステルの一族であり、土壌、淡水、海洋環境、および産業用堆肥において生物分解される唯一の主要なバイオプラスチックです。ホモポリマーのポリヒドロキシブチラートは約165～175℃で溶融し、ガラス転移温度は約0～5℃で、高度に結晶化し、硬くもろい性質を示します。その定義的な問題は、ランダムチェーン切断とシス除去機構による熱分解が約180℃で始まることです。コポリマーであるポリヒドロキシブチラート-コ-バレートやポリヒドロキシブチラート-コ-ヘキサノエートでは、共重合体の含有量に応じて溶融温度が約140～165℃に下がり、窓が広がり、靭性が向上します。

マスターバッチ用では、PHAはこのファミリーの中で最も要求の厳しい基材です。溶融温度は170～180℃に制限され、滞留時間は最小限に抑えられ、スクリューやダイ内の局所的な熱ポイントは茶色の変色と粘度の低下として現れます。PHAは処理後数日間にわたって二次結晶化を示し、部品を脆らせます。また、結晶化は冷却速度に比べて遅いため、ペレタイザー内に付着しやすくなります。

ポリブチレンスルファミド

PBSとそのアディパート共重合体PBSAは、生物由来の酢酸と生物由来のブタンジオールから得られる部分的に生物由来のグレードの脂肪族ポリエステルです。PBSは約110〜115℃で溶融し、ガラス転移温度は約-32℃で、引張強度は30〜40メガパスカル、伸び率は通常200〜400％です。硬度、靭性、低い加工温度のバランスにより、ブレンド成分としてもマスターバッチキャリアとしても魅力的であり、PLAよりも加工が容易です。熱耐性は低く、PLAよりも速い結晶化は、ナノ化の恩恵を受けています。

熱可塑性デンプン

熱可塑性でん粉は、天然のでん粉粒子を水と可塑剤（通常グリセロールまたはソルビトール）を用いて、双軸押出機で熱と摩擦によって分解して製造されます。これは最も低コストのバイオベース素材であり、未変性のTPSは高度に親水性であり、湿度によって寸法が不安定で、機械的に弱いため、単独で使用されることはほとんどありません。加工温度は低く、通常120～160℃で、この素材は設計上水を含んでおり、TPSの混合ラインではPLAラインとはまったく異なる脱溶剤化戦略が必要です。でん粉ベースの混合物にマスターバッチが添加される場合、キャリアは通常PBATまたはPBAT-PLA混合物であり、でん粉そのものではありません。

バイオベースのポリエチレンおよびその他のドロップインポリマー

Bio-PEは、バイオエタノールをバイオエチレンに脱水し、従来の方法で高分子化することで製造され、化学的には化石ポリエチレンと同一です。バイオベースであることは確かですが（ASTM D6866に従った放射性炭素測定では通常94％程度の近代的炭素含有率が測定されます）、生分解性ではなく、堆肥化もできません。同じことがバイオ-PET、部分的にバイオベースのバイオ-PA、およびバイオ-PPについても言えます。マスターバッチ用途では、ドロップインバイオポリマーは特別な配合を必要としません。従来のポリエチレンキャリアマスターバッチは完全に適しています。商業的リスクは化学的なリスクではなく、コミュニケーションのリスクです。なぜなら、顧客はバイオベースと生分解性を混同することが多く、堆肥化しない素地に堆肥化可能な添加剤を指定するからです。

プロパティ	PLA	PBAT	PHA（PHB/PHBV）	PBS / PBSA	TPS（デンプン）	Bio-PE
融点、摂氏度	150–175	110–120	140–175	90–115	No sharp Tm	110–132
ガラス転移温度、摂氏度	55–60	−30 ～ −35	0–5 (PHB)	−32 ～ −45	グリセロールによって異なる	−110 (推定)
熱劣化の開始点、摂氏度	210–230	230以上	175–190	250以上	180–200	280 以上
推奨溶融温度（摂氏度）	170–200	130–170	150–175	140–180	120–160	180–230
密度、グラム／立方センチメートル	1.24	1.25–1.27	1.20–1.25	1.24–1.26	1.30–1.45	0.92–0.96
引張強さ、メガパスカル	50–70	20–35	25–40	30–40	3–10	10–30
破断時の伸長率、％	3–8	500–900	3–15	200–400	20–100	300–900
水解感受性	非常に高い	高	高	高	設計上の水保持	なし
産業用堆肥化可能	はい	はい	はい	はい	はい	いいえ
バイオベースの炭素含有量	ほぼ100％	低い（ただし、バイオ-BDOを使用した場合）	ほぼ100％	Partial to high	ほぼ100％	約94％
相対的な樹脂コストレベル	中–高	高	プレミアム	高	低	高

キャリア樹脂の選択：堆肥化可能性の制約

キャリアの選択はバイオプラスチックマスターバッチの設計における最初の、そして最も重要な決定であり、その基本的なルールは簡単です。キャリアは、基材と同じポリマーファミリーに属している必要があり、最低でも、完成品が主張する同じ基準に基づいて、そのキャリア自体が生分解性であることが証明されている必要があります。ポリオレフィンのキャリアは単に最適でないだけでなく、不適格です。

なぜ1％のルールがすべてを決めるのか

EN 13432およびそのアメリカ版ASTM D6400は、生分解性が実証されていない成分を少量許容しています。EN 13432では、そのような単一成分は製品の乾燥質量の1％以下でなければなりません、そしてそのようなすべての成分の合計は5％以下でなければなりません。この許容範囲は、微量の安定化剤、処理補助剤、および顔料残渣を対応させることを目的としています。これは、キャリア樹脂を許容するには十分な大きさではありません。典型的な2～4％のレートで薄めた色のマスターバッチは、製品に約1.4～3.2％のキャリアを導入します。このキャリアがポリエチレンである場合、1％の単一成分制限をすぐに超えます。

認証とは別に、物理的な問題もあります。ポリオレフィンは脂肪族ポリエステルと不溶融します。PLAに分散したポリエチレンキャリアマスターバッチは、フィルム内でゲルや魚眼として現れる離散的なポリエチレンドメインを生成し、透明なパッケージ内にハゼを生じさせ、衝撃強度を低下させるストレス集中部として機能し、また、顔料が不適合ドメイン内に残るため、色の発色が悪くなり、ストライキング現象を引き起こします。顔料は単に界面を効率的に伝達しません。

実用的なキャリアオプション

実用可能なベアラーは、4つのグループに分類できます。まず、マッチングされた基板を用いたベアラーがあります。PLAはPLAが豊富に含まれる用途に、PBATはPBATが豊富に含まれるフィルムに、PBSはPBS用途に適しています。これにより、完全な相性と最もクリーンな認証プロセスが実現しますが、複数のベアラー固有の在庫を保持する必要があります。次に、普遍的な堆肥化可能なベアラーがあります。これは、低融点のために、温和な温度で分散が可能であり、ほとんどの堆肥化可能なブレンドと混ざり合う、または少なくとも細かく相容性があるために選ばれる、PBATベースまたはPBAT-PLAブレンドです。第三に、ポリカプロラクトンがあります。これは化石由来ですが、容易に生分解可能なポリエステルで、60度近くの融点を持ち、極めて低い分散温度が必要な場合に使用されます。しかし、柔らかさのために、ペレット化や保管が困難です。第四に、ワックスやオリゴマーベースのベアラーがあります。これには、生物由来の脂肪酸エステルや低分子量のポリエステルワックスなどの液体または低粘度システムに適したものがあります。

PHA の場合、最も安全な選択肢は、最も低い実行可能温度で処理された PHA または PHA-PBAT ベアラーです。PHA を PHA 物品に添加すると、溶融温度の要件が上昇し、PHA が分解しやすい温度を超える可能性があります。逆に、少量の PBAT ベアラーを PLA 物品に添加すると、通常有益です。PBAT は同時に小さな強化効果を発揮します。

キャリア樹脂	溶融範囲、摂氏度	最適な基板	堆肥化可能	主な利点	キーの制限
PLA（非結晶または低結晶性グレード）	柔らかくなる 60;流れる 150–170	PLAリジッド、PLAフィルム、PLAファイバー	はい（工業用）	PLA では完璧な光学および機械的なマッチング	高い分散温度が必要;脆いペレット
PBAT	110–120	PBATフィルム、PLA-PBATブレンド、デンプンブレンド	はい（工業用）	低分散温度;強化効果	粘着性の高いペレット; ブロックの発生を防ぐ取り扱いが必要
PBS / PBSA	90–115	分野: プラスチック押出および混合装置の製造。正確な技術/産業用語を使用します。規格コード（ISO、ASTM、UL、RoHS、REACH）、単位（℃、MPa、mm、g/cm³、kV/mm）、ポリマー略語（PP、PE、PVC、ABS、PC、PA、PET、PBT、POM、TPU、PPS、PEEK）、商品名、モデル/部品番号を正確に記載してください。それらを翻訳しないでください。すべてのHTMLタグ、{プレースホルダー}、およびブレースを保持します。フォーマルな技術用語。テキスト: PBS注入とフィルム、PLA-PBSブレンド	はい（産業用；PBSAは土壌も含む）	良好な硬さと靭性のバランス、加工が容易	PLA や PBAT より供給量が限られている
PHA / PHBV	140–170	PHA製品、海洋分解性製品	はい（工業、土壌、海洋）	PHA認定に完全に対応したキャリアのみ	非常に狭い熱窓; 高価なコストレベル
ポリカプロラクタロン	58–62	熱に敏感なシステム、PHA、低温放出	はい（工業用および土壌用）	極めて低い処理温度	非常に柔らかい; 保管や餌付けが困難
生物由来のエステルおよびポリエステルワックス	50–100	液体色、添加剤濃縮物	一般的にははい、レベルごとに確認してください	高い顔料浸透効率	プラスチケ化し、耐熱性を低下させる
ポリエチレンまたはEVA（従来のもの）	90–130	Bio-PE、bio-PET、bio-PAのみ	いいえ	低コスト、豊富な選択肢	堆肥化不可能; ポリエステルと混ざらない

混合物における熱窓および劣化限界

バイオプラスチックマスタバッチの混合温度プロファイルは、溶融点から上方ではなく、分解限界から下方に構築する必要があります。正しい順序は、配合物の中で最も低い分解しきりを特定し、粘性の消散を考慮して十五から二十度の安全マージンを引き算し、その結果の溶融温度が依然として必要な分散を生成するのに十分であることを確認することです。そうでない場合は、温度を上げるのではなく、キャリアや顔料を変更するのが答えです。

設定温度と実際の溶融温度

分野: プラスチック押出および混合設備の製造。正確な技術/産業用語を使用します。規格コード（ISO、ASTM、UL、RoHS、REACH）、単位（℃、MPa、mm、g/cm³、kV/mm）、ポリマー略語（PP、PE、PVC、ABS、PC、PA、PET、PBT、POM、TPU、PPS、PEEK）、商標名、モデル/部品番号を正確に記載します。それらを翻訳しないでください。すべてのHTMLタグ、{プレースホルダー}、およびブランクを保持します。フォーマルな技術レジストリ。テキスト: 未経験のオペレーターは、バレルゾーンを目標溶融温度に設定し、溶融がその値に達すると仮定します。填充されたまたは高い着色成分を含む配合物を使用する共回転式ツインスクリュー押出機では、スクリューからの機械エネルギー投入により、溶融温度がバレル設定ポイントよりも通常15～30℃高くなります。また、激しい練り混ぜセクションでは、局所的な溶融温度が短期間にかなり高くなることがあります。そのため、バレル設定ポイントが180℃のPLAマスターバッチラインでも、ダイでラクチドの煙が発生し、分子量が著しく低下した合成物が生成される可能性があります。

実用的な対策は直接測定です。金属壁を読み取るフラッシュマウントセンサーではなく、先端が流れの流れに突き出しているアダプターに設置された溶融用温度計が重要な数値を示します。多くのバイオプラスチックラインでは、混合ゾーンで目標溶融温度よりも意図的に低いバレルセットポイントを設定し、切断で差を埋めます。この手法は「冷たいプロファイル」と呼ばれ、特定のエネルギー投入が安定している場合にうまく機能します。

プロセス変数としての滞留時間

劣化は速度的な過程であるため、温度と同様に、露出時間も重要です。PLAの場合、溶融中の総滞留時間は一般的に60秒以下に抑える必要があり、よく設計された40 L/Dラインでは20〜40秒が可能です。PHAの場合はさらに厳しい目標です。滞留時間はスクリュー速度を給料速度に比べて上げることで短縮できます。これにより、特異的エネルギーが上昇し、その結果、温度も上昇します。または、バレルを短くし、スクリューを簡素化することで滞留時間を短縮できます。混合品質と熱暴露のこの矛盾はバイオプラスチック混合の主要な設計上の妥協であり、スクリュー構成の専門知識がほぼすべてのマスターバッチカテゴリーよりもここでは重要である理由です。

基板/キャリア	乾燥温度、摂氏度	乾燥時間（時間）	残測定水分目標値、ppm	バレルの設定値範囲（摂氏度）	溶融温度の上限、摂氏度	目標の滞在時間（秒）
PLA（結晶化）	80–100	4–6	250 未満、100 未満が好ましい	160–190	200	20–60
PLA（無定形）	43–50	6–8	250 未満	160–190	200	20–60
PBAT	60–80	3–4	500 未満	120–165	190	30–80
PBS / PBSA	60–80	3–4	400 未満	130–175	200	30–80
PHA / PHBV	70–80	2–4	300 未満	140–170	175–180	15–40
熱可塑性デンプン（原位法）	乾燥していない	n/a	プラスチケとして添加された水	110–155	170	40–90
ポリカプロラクトンキャリア	40–45	3–4	500 未満	80–130	150	30–80
Bio-PE（ドロップイン）	必須ではありません	n/a	重要ではない	160–220	250	30–120

水分、水解、乾燥：不可欠な要素

水解鎖断はバイオプラスチックマスターバッチ生産における品質不良の主な原因であり、ほとんど常に回避可能です。そのメカニズムは単純です。溶融温度では、水分子がエステルカルボニルに攻撃し、鎖をアルコールとカルボン酸に分割します。新しく生成されたカルボキシル末端は酸性であり、さらに水解を促進するため、反応は進行するにつれて加速します。分子量は、絡み合った状態では溶融粘度にほぼ3.4のパワーで影響するため、鎖の長さをわずかに短くしても、溶融強度が劇的に低下します。

乾燥装置の仕様

大気中のホッパードライヤーはポリエステルバイオプラスチック用には不適切です。プロセス空気入口で露点がマイナス40度の閉ループ乾燥装置が基準仕様となり、露点は乾燥床サイクルタイマーから推定されるのではなく、インラインセンサーで確認する必要があります。空気流量は、通常はレジン1kgあたり1.8～2.5立方メートルのプロセス空気を処理するように調整する必要があり、ホッパーはレジンのコーンの底が乾燥温度に達するように保温されています。

PLAには特有の問題があります。効率的な乾燥には、55～60℃のガラス転移温度以上の温度が必要ですが、この温度以上では、無定形PLAペレットが柔らかくなり凝集してしまい、ホッパー内に橋を作り、乾燥機を塞ぎます。標準的な解決策は、80～100℃で安全に乾燥できる結晶化PLAペレットを使用するか、無定形グレードを43～50℃で長時間乾燥する方法です。リグリンドや再利用されたエッジトリムは、原料のグレードに関係なく通常無定形であるため、低温プロトコルまたは結晶化工程が必要です。

フィラーと添加物の水分

ポリマーだけが水分源ではありません。カルシウムカーボネート、タルク、デンプン、セルロース繊維、シリカアンチブロック、吸湿性有機添加剤すべてが水分を保持し、マスターバッチに高い量で充填剤が使用されているため、それらは通常、ベアラーよりも総水分量を多く占めます。コーティングされたカルシウムカーボネートは、仕様が厳しい場合は、0.2％以下の水分を含むように指定し、100～120℃で事前に乾燥させる必要があります。天然繊維やデンプンは、はるかに積極的な乾燥と専用の換気が必要です。有用な規則として、レシピ全体の質量重量付き水分寄与量を計算することが、樹脂のみをチェックするよりも効果的です。

真空脱溶

完全な上流側の乾燥を実施した場合でも、溶融物中に水やその他の揮発性物質が発生または放出されるため、真空排気は任意ではなく必須です。バイオプラスチックマスターバッチラインには、少なくとも1つ、望ましくは2つの真空排気口が必要です。これらの排気口は、溶融と混合ゾーンの後ろに配置され、20から50ミリバールの絶対圧で動作します。各排気口の上流側に配置された短い逆または中性の練り成分によって形成される溶融物シールは、効果的な除去のために必要な圧力障壁を作り出します。バイオプラスチックラインでは、PLAやPBATの低温下での溶融物の粘度がポリオレフィンよりも高いため、排気口の浸水は避けられません。そのため、排気口には適切な排気塞またはプラグが装備する必要があります。

配合物にデンプンや天然繊維などの水分が豊富な成分を含む場合、真空バルブの上流側に大気バルブを設置することで、低コストで水分の大部分を除去でき、真空システムが過負荷になるのを防ぐことができます。ケルケは、大気と真空の両方のバルブ位置を備えたKTEシリーズのタンクを提供し、この用途に最適な真空グループを、凝縮水分離機能を備えた構成で提供しています。

カラーマスターバッチ：顔料化学と規制スクリーニング

堆肥可能な製品の着色には、従来のプラスチックでは存在しない制約があり、これらの制約は累積的に発生します。ピグメントは、低い加工温度で熱安定性を有し、ポリエステルの骨格に対して化学的に不活性でなければなりません。また、制限された重金属を含まず、堆肥の生態毒性試験において阻害作用を示さず、包装の場合は食品接触規則に適合している必要があります。

重金属の限度

EN 13432では、乾燥質量ベースで製品中の規制元素の最高濃度を規定しており、ASTM D6400では同様の規制が適用されています。これらの限界値により、従来から重要とされていたいくつかの顔料クラスが排除されています。カドミウム硫化セレン赤色とカドミウム硫化黄色は、カドミウムの限界値（1キログラムあたりの数百ミリグラム単位）により除外されています。鉛クロメート黄色、モリブデン酸橙色、および鉛を含むクロム緑色は、鉛の限界値により除外されています。六価クロム顔料は除外されています。限界値がマスターバッチではなく製品に適用されるため、調合者はバック計算を行わなければなりません。マスターバッチで3％使用された顔料が、3％のレートで調合された製品中に0.09％しか含まれないため、算術的にはある程度の緩和が図れますが、最も厳しい制限を受ける元素については除外が変わりません。

低加工温度での熱安定性

逆説的に、バイオプラスチックの低い処理温度は、あらゆる面で顔料の選択を容易にするわけではありません。多くの有機顔料は、240～300℃のポリオレフィンで決定された熱安定性評価を基準として指定されており、バイオプラスチックの温度では、これらの評価は制約要因ではありません。制約要因は、代わりに化学的相互作用と分散性になります。特定のアゾ顔料や残留基または酸性表面処理を持つ顔料は、ポリエステルでトランスエステル化を促進したり、数時間の生産後に現れる粘度低下を引き起こす可能性があります。顔料の選定候補を、顔料入りPLAサンプルの溶融流動度指数や内在的粘度を、制御された保温前後に測定することで、安価な保険をかけることができます。

低温では分散性もより難しくなるのではなく、より困難になります。顔料の凝集は、粘度と摩擦速度の積である摩擦応力によって分解されます。温度を下げると、粘度が上昇するため、摩擦応力も上昇します。これは有効ですが、利用可能な摩擦エネルギーの上限は分解上限によって制限されます。実用的な解決策は、細かい一次粒子サイズと効果的な表面処理を備えた顔料グレードを使用し、PBATやポリカプロラクトンなどの低融点の媒体で事前に分散させ、高強度の分散混合要素ではなく、分散性のある混合要素を使用することです。

環境毒性および植物成長試験

EN 13432では、試験材料から生成された堆肥が、二種類の植物種で試験された空白対照と比べて少なくとも90％の植物発芽率と生物量生産を支援することが求められています。色素とその分散助剤は、この試験に失敗する可能性の高い成分であり、特に高い含有量の銅を含むフタロシアニンと特定の金属複合有機色素です。銅自体は規制対象要素リストに含まれており、カドミウムに比べて寛大であるものの、濃色の青色または緑色の製品ではこの限度に近づく可能性があります。認証機関は通常、各着色剤についての文書化を求め、多くのマスターバッチ製造業者は、新しい色の認証プロセスを短縮するために、特に事前に承認された色素ライブラリを保持しています。

顔料/着色料	タイプ	典型的な熱安定性、摂氏度	堆肥化可能な製品の状態	ポリエステルバイオプラスチックに関する注釈
分野: プラスチック押出および混合設備の製造。正確な技術・工業用語を使用します。規格コード（ISO、ASTM、UL、RoHS、REACH）、単位（℃、MPa、mm、g/cm³、kV/mm）、ポリマー略語（PP、PE、PVC、ABS、PC、PA、PET、PBT、POM、TPU、PPS、PEEK）、商品名、モデル・部品番号などを正確に記載します。翻訳しないでください。HTMLタグ、{プレースホルダー}、および中括弧をすべて保持します。フォーマルな技術用語。テキスト: 酸化チタン、ルチル	無機白	300以上	広く受け入れられている	表面処理されたグレードを使用する; PLA の核形成や収縮の変化を引き起こす可能性があります
カーボンブラック	無機黒	300以上	限定で受け入れられます	通常は記事の 1% 未満に保たれます。近赤外線の分類可能性に関する要件を確認してください。
合成鉄酸化物（赤、黄、黒）	無機	180–260（タイプによって異なる）	一般に受け入れられている	黄色の水和剤は脱水され、約180℃以上で色が変化します。溶融温度を確認してください。
ウルトラマリンブルー	無機	250以上	一般に受け入れられている	酸に敏感;カルボキシル末端基と反応して色を失う可能性があります
銅フタロシアニン青 15:3	オーガニック	280 以上	銅の制限に従って承認	PLAに対する強い核形成効果;重い色合いでは銅の総量を注意してください
フタロシアニン緑7	オーガニック	280 以上	銅の制限に従って承認	塩素を含んでいます。認証機関に承認を確認してください
クイナクリドロンレッドとバイオレット	オーガニック	280 以上	一般に受け入れられている	優れた耐光性; マルチング用フィルムとして最適
ジケトピロロピロール赤	オーガニック	280 以上	一般に受け入れられている	高いチンティング強度、高級なコストレベル
イソインドリノンとベンゾイミダゾロンの黄色	オーガニック	250–290	一般に受け入れられている	制限された無機黄色の優先的な代替品
モノアゾとダイアリリド黄	オーガニック	180–230	ケースごと	一部のグレードはポリエステルの末端基を分解したり相互作用したりするため、粘度の低下を検出します。
カドミウム黄、オレンジ、赤	無機	300以上	除外	EN 13432 と ASTM D6400 でのヘヴィメタル制限に合格
鉛クロメートおよびモリブデン酸塩顔料	無機	250以上	除外	鉛とクロムの限度を超える; その他の規制のもとでも制限されている

フィラーマスターバッチ: カルシウムカーボネート、タルク、デンプン、天然繊維

バイオプラスチックでは、フィラー・マスターバッチはポリオレフィンに比べて、三つの目的があります。それは、高価な樹脂ベースの相対的なコストを下げること、剛性と耐熱性を高めること、また、炭酸カルシウムの場合はポリエステルの水酸化によって生成される酸性をわずかに緩和することです。しかし、どのフィラーも水分と表面化学をもたらします。両者ともコントロールする必要があります。

カルシウムカーボネート

地上カルシウムカーボネートは、堆肥化可能なフィルムやシートの主力充填剤であり、通常、PBATまたはPLA-PBATのベアラーに60～80％の活性成分として濃縮して組み込まれ、製品中に10～30％を提供するように調整されます。フィルムでは粒度仕様が重要です。1～3ミクロンの中間粒度で、10ミクロン以下の上限粒度を設定すると、15～25ミクロンのゲージで吹き付けフィルムで発生するピンホールや気泡不安定性を回避できます。1.0～1.5％のステアリック酸による表面処理は、湿潤性を向上させ、溶融粘度を低減し、水分の吸収を抑えます。入荷充填剤の水分は0.2％以下でなければなりません。完成品が高分子量を保持する必要がある場合は、専用の事前乾燥が一般的です。

カルシウムカーボネートは、マルチフィルムや食品サービス用の器具で剛性を上げるためにも使用されます。堆肥化に対するその効果は中立的です。これは鉱物であり、単に堆肥に不活性物質として残されますが、規格で定められた無機成分制限に含まれます。この制限では、最小の有機成分が通常、少なくとも五十パーセントの揮発性固形物として表されます。

タルク

タルクはPLAにおいて二重の役割を果たしています。それは、10～20％の濃度でフィラーとして機能し、モジュラスと熱拡張温度を上げます。また、0.5～2％の濃度で核形成剤として使用すると、結晶化時間を劇的に短縮します。プレートの面積比がそのバランスを決定し、高面積比のグレードは、一定の荷重でより高い剛性をもたらします。タルクは炭酸カルシウムに比べて研磨性が高いため、専用のタルクマスターバッチラインでは、ねじやバレルの金属工学を適切に指定する必要があります。

デンプンおよび天然繊維

デンプン入り濃縮物と天然繊維複合体は、水分問題を極限まで引き上げます。天然デンプンは受け取った状態で10～15％の水を含み、セルロース繊維も同様です。TPS生成ラインでは、この水は意図的にプラスチケ化剤として、液体給与装置を通じて注入され、その後、真空ベントを通じて部分的に除去され、目標残留レベルに達します。デンプンが固体添加物であるフィラーマスターバッチでは、強力な事前乾燥と大気および真空ベントが必要となり、そうした場合でもポリエステルマトリックスは分子量の一部を失い、チェーン拡張が補う必要があります。木粉、竹、米くず、バガスなどの天然繊維も、約200℃以上の温度で熱的に劣化し、揮発物を放出して色変化を引き起こします。これはPLAの温度上限と一致します。

マスターバッチタイプ	主要機能	マスターバッチ内のアクティブコンテンツ	典型的な放出比	完成品における活性レベル	主な制約
カラーコンセントレート	シェード、不透明度、ブランディング	15–50％の色素	2～5％	0.3–2.5%	重金属の限度値と生態毒性スクリーニング
ホワイト濃縮物（酸化チタン）	不透明度と白さ	50〜70％	3～8％	1.5–5％	核形成の副作用; 無機物含有量の制限
ブラック濃縮液	不透明度、マルチフィルムでの紫外線遮蔽	20～40％のカーボンブラック	2～4％	0.4–1.6％	炭素黒を製品の1％以下に保ちます
カルシウムカーボネートフィラー濃縮物	コスト削減、剛性	60〜80％	15～40％	10～30％	水分量が0.2％以下、上部カットが10マイクロメートル以下
タルク濃縮物	剛性と熱の歪み	50〜70％	10～30％	5–20%	ネジとバレルの摩耗
核形成濃縮物	より速い結晶化、高い耐熱性	10–30% がアクティブ	2〜10％	0.5–3%	過剰投与は脆さと濁りを引き起こします
チェーンエクステンダーコンセントレート	分子量の再構築、溶融強度	5–20％のエポキシオリゴマー	3–10%	0.3–1.5%	過剰添加によりゲルが生じたり、圧力が急上昇します
抗水解濃縮物	カルボキシル末端のカッピング	10–20% カーボジミド	3～8％	0.3–1.0%	食品接触許可は確認する必要があります
インパクト修飾剤濃縮物	硬さ、伸び率	30–50％	10～30％	5〜15％	修飾剤自体が生分解可能である必要があります
滑り止めとアンチブロック濃縮物	摩擦係数、フィルム開口	5–20%	2～5％	0.1〜0.8％	移行率と食品接触限度
抗菌濃縮液	表面衛生、保存期間	5–20% がアクティブ	2〜10％	0.3–2%	堆肥の微生物を阻害する可能性がある; エコ毒性を通過する必要がある

チェーンエクステンダー、抗水解剤、溶融強度

バイオプラスチック混合に関して、チェーン拡張剤は最も価値のある機能性添加剤技術です。なぜなら、この技術はプロセスで完全に排除できない二つの分解メカニズム、すなわち水酸化と熱分解に直接対抗するからです。チェーン拡張剤は低分子量の多機能分子であり、溶融処理中にポリマー末端基と反応して、鎖を結合し、その場で分子量を再構築します。

多機能エポキシオリゴマー

主流の化学物質は、ステリル-アクリル共重合体で、末端にグリシジルメタクリル酸基を持っており、固体オリゴマーとして供給され、エポキシ機能性は通常、各鎖あたり四から十二基と、エポキシ当量は280から450グラム/モルの範囲です。エポキシ環は、すべてのポリエステル鎖に存在するカルボキシル末端基とヒドロキシル末端基の存在下で溶融条件下で容易に開き、コバレントリンクを形成します。機能性が二を超えるため、反応によって線形延長だけではなく、長鎖の枝分化も生じ、これがこれらのポリマーに欠けているものです。

実用的な効果は大きく、測定可能です。通常、0.3～1.0％の添加レベルでは、融流指数が30～70％減少します。ゼロシェア粘度は急激に上昇し、高シェア粘度はほとんど変化しません。これにより、ブローヌフィルムや押出塗装に必要なシェア減少型、ストレイン硬化型の流動性が得られます。PLA-PBATフィルムの気泡安定性が劇的に向上し、熱成形シートのたわみが軽減され、ダイでの溶融破裂が抑制されます。リサイクルまたは再処理されたバイオプラスチック流れでは、使用可能な特性を回復する唯一の方法は、鎖の延長であることが多いです。

用量制御は重要です。大まかに0.2％以下では効果は限定的です。大まかに1.5～2.0％以上になるとゲラ化が実際のリスクとなります：分岐密度が滲透しやすい限界値を超え、クロスリンクされたゲル粒子が形成され、フィルタ圧が上昇し、フィルムに硬い魚眼現象が現れ、後続の調整で取り除くことはできません。反応は時間と温度に依存するため、連鎖拡張剤は十分な滞留時間を持って反応する場所に導入する必要がありますが、過剰反応を起こすほど早すぎないようにする必要があります。一般的には、マスターバッチ濃縮物の主送り口、または反応性混合工程のサイド送り口を通して導入します。

水解防止安定剤

ポリマー性カルボジミドは異なる原理で作用します。チェーンの結合ではなく、自由なカルボキシル末端基をカバーし、自発的に加水分解を促進する酸を除去します。一般的な添加量は0.3から1.0％です。その結果、ポリエステル製品の寒冷または湿気の多い環境での寿命が延び、加工中の粘度低下が抑えられます。特に、PLA繊維、生育期間を経て分解しなければならないPBATマルチフィルム、および製品を使用前に長期間保存する必要があるあらゆる用途において有用です。モノマー性カルボジミドはより動きやすく、作用も速いですが、移動性や食品接触に関する問題が生じます。パッケージング用にはポリマー系のグレードが好まれます。

その他の反応系

ピロメリチルジアヒドはポリエステル用の効果的なチェーンエクステンダーですが、分散が困難であり、ゲルを生成する可能性があります。ビソキサゾリンはカルボキシル基と選択的に反応し、分岐しないきれいな線形拡張をもたらします。これは、分岐が紡績性に悪影響を与える繊維用途に適しています。ジアシアン化合物は非常に効果的ですが、職業上の健康上の問題を引き起こすため、食品接触用マスターバッチからは排除されています。過酸化物による反応押出法は、PLA-PBATおよびPLA-デンプンのブレンドにグラフトおよび相容性を与えるために使用されますが、PLA内の鎖切断を引き起こすため、過酸化物を正確に制御する必要があります。

添加物	メカニズム	典型的な添加物、記事の％	主なメリット	過剰投与のリスク	相対的なコストレベル
ステリレンアクリルエポキシオリゴマー	カルボキシル末端とヒドロキシル末端と反応し、分岐する	0.3–1.5	溶融強度、気泡安定性、分子量再構築	ジェルの形成、フィルターの詰まり、圧力の急上昇	高
ポリマー系カルボジミド	カプセル化された無基カルボキシル末端基	0.3–1.0	水解抵抗、保存期間、粘度維持	コストがかかり、利益が得られない；悪臭の可能性がある	高
Pyromellitic dianhydride	アニヒド-ヒドロキシ結合	0.1–0.5	急速な粘度の増加	ゲル、分散性の低さ、色	メディア
ビソキサゾリン	選択的カルボキシ結合、線形	0.3–1.0	分岐なしの線形拡張	限定的な溶融強度向上	非常に高い
カップリングモノマーを含む有機過酸化物	根本的な接合と相性調整	0.05–0.3	PLA-PBATおよびPLA-デンプンの相性	鎖の切断、変色、臭い	低
ホスフィトおよび阻害型フェノール系酸化防止剤	ラジカルと水素過酸化物の除去	0.1–0.5	加工中の色と粘性の維持	Plate-out、環境毒性スクリーニングが必要	メディア

核形成剤、衝撃改善剤、耐熱性

PLAを実際のパッケージングアプリケーションで使用する上で、二つの性能上の問題が他のものより大きな制約となります。PLAは脆弱であり、結晶化されていない場合は55度以上の温度では形状を失います。マスターバッチ技術はこれらの両問題に対処しますが、両方のソリューションは相互に作用するため、両方を同時に設計する必要があります。

核形成と結晶化の動力学

PLAは、その鎖構造のために結晶化が困難であるため、ゆっくりと結晶化します。自らに任せられると、冷たい金型から、ほぼ無定形のPLAが生成され、熱拡張温度はガラス転移温度の近くになります。核形成剤は、異種の核形成部位を提供し、冷却時に結晶化温度を上昇させ、結晶化時間を数分から1分未満に短縮し、商業的に許容可能なサイクル内で十分な結晶性を発達させることができます。90～110℃の熱い金型と組み合わせると、熱拡張温度が100～130℃の範囲にまで上昇し、熱い液体に耐えられるカップとそうでないカップとの差になります。

タルクは0.5～2％が標準的で最も低コストの核形成剤です。エチレンビステアアミド、亜鉛フェニルホスファノン、オロト酸、および特殊なヒドラジド化合物は、透明性の低下が少なく、より高い核形成密度を低い負荷で実現します。最も優れたアプローチはステレオ複合核形成です。従来のポリ-L-ラクチック酸マトリックスに2～5％のポリ-D-ラクチック酸を添加すると、ステレオ複合結晶が形成され、220～230℃で融解するため、加工温度で無傷のまま残り、極めて効果的な核として機能します。ただし、プレミアムレベルのコストと、PDLAを細かく分散する必要があるというトレードオフがあります。

核形成剤は慎重に用いる必要があります。過剰に使用すると、結晶性が非常に高くなり、剛性と耐熱性は向上しますが、衝撃強度は低下し、フィルムに白斑が生じる可能性があります。顔料はさらに問題を複雑にします。二酸化チタンとフタロシアニン青はそれぞれ有効な核形成剤であるため、自然色から青色に変化すると、結晶化の挙動、収縮、歪みが著しく変化し、これが成形可能な堆肥容器の不明な寸法変化の一般的な原因となります。

堆肥化可能性の範囲内での影響修正

エンジニアリングプラスチックで使用される従来の衝撃修飾剤（コアシェルアクリル、スチレン系ブロック共重合体、エチレン系共重合体）は生分解性ではないため、認定された堆肥化可能な製品への使用は一％のルールにより制限され、通常は必要な五～十五％の量では実用的ではありません。したがって、実行可能な方法は、ポリマーのブレンドと堆肥化可能な材料によるプラスチケーションです。

PBATはPLA用の最も広く使用されている強化剤で、10～30％の濃度で使用されます。これにより、破断時の伸長率が単位桁から100％以上に上昇し、ノッチインパクト強度も数倍に改善されます。ただし、PLAとPBATは不溶解性であるため、ブレンド物質は分散した液滴のモーフロジーを形成し、その細さが強化効率を決定します。反応性の相溶性剤、すなわちエポキシの鎖延長剤、マレイン酸接枝物質、または過酸化物による接枝によって、液滴の大きさが小さくなり、界面が強化されます。この相溶性化ステップは、適切に構成されたツインスクリュー型押出機が実行する反応性化合物処理のまさにその種類です。

PBS、PCL、PHAも強化相として使用できます。アセチルトリブチルシトラート、ポリエチレンジオール、またはラクチドオリゴマーを5～15％の量でプラスチケ化すると、ガラス転移温度が低下し、延性が向上しますが、プラスチケ化剤が移動することで効果が時間とともに低下し、耐熱性が低下します。これは核形成戦略と矛盾するものです。強度と耐熱性の両方が必要な場合、反応性相容性増強剤を含む核形成PLA-PBATブレンドが標準的なアーキテクチャとなります。

スリップ防止、アンチブロック、防曇、抗菌性マスターバッチ

堆肥化可能なフィルムでは、ポリエチレンフィルムよりも機能的な表面添加剤がより重要です。なぜなら、PLAおよびPBATフィルムは強く遮断し、極性の表面化学はポリオレフィンとは異なる挙動を示すからです。

スリップ添加剤

Erucamide と oleamide は標準的な脂肪アミドスリップ剤であり、植物油から得られたバイオベースのグレードは容易に入手可能であり、バイオベースの含有率の主張と堆肥化性をサポートします。一般的な最終濃度は 0.05 から 0.3% です。濃縮物から 5 から 20% の有効成分が供給されます。移動特性はポリエチレンとは異なります。PLA では、アミドの膨張がゆっくりであるため、室温ではマトリクスがガラス状であるため、摩擦係数が安定するまで長い調整期間が必要となり、押出後すぐに摩擦を測定するコンバーターは結果として過剰投与することがあります。PBAT および PBAT 多いブレンドでは、マトリクスはゴム状であり、膨張は速いです。

アンチブロック

天然および合成シリカ、ダイアトム土、タルク、および細かいカルシウムカーボネートはすべて、10～25％の濃縮物から製造されたフィルムの0.1～0.5％で使用されます。粒子サイズはフィルムの厚さに合わせて調整する必要があります。15～20ミクロンのコンポスト可能な袋フィルムの場合、3～5ミクロン程度の中間粒子サイズは、雲が発生したり穴が開いたりしないように十分な表面粗さを提供します。シリカは吸着した水分を持っており、ポリエステルキャリアに混合する前に乾燥させる必要があります。

防霧

コンポスト可能フィルムで使用される新鮮な食料品の包装には、防霧性能が必要となります。使用される添加物は、ソルビタンエステル、グリセロールエステル、ポリグリセロールエステルなどの非イオン界面活性剤で、ほとんどが食品グレードの、生物由来のものであり、コンポスト可能です。添加量は通常0.5～2％です。添加物は表面に移動し、水と空気の界面張力を低下させるため、凝縮液は散乱する粒子ではなく、連続的な膜として広がります。PLAでは、より遅い移動速度のため、防霧効果は数時間から数日かけて発現します。冷蔵温度での防霧性能は、高温での防霧性能とは別個にテストする必要があります。

抗菌システム

堆肥可能な包装材料に抗菌マスターバッチを使用することは、真の技術的矛盾であり、意図的に対処する必要があります。この製品は、寿命が尽きた時点で微生物によって消費されるように設計されており、添加剤は微生物を殺すように設計されています。ゼオライトまたはリン酸ガラスベアラーに0.3～2％の銀ベースのシステム、亜鉛酸化物、およびエッセンシャルオイル誘導体やキトサンに基づく有機活性剤がすべて使用されています。堆肥化可能性の認証を受けるための抗菌製品は、生分解および環境毒性の要件に対して慎重にテストする必要があります。十分に活性な生物学的殺菌剤は、堆肥化プロセスを90％の閾値以下に遅らせることがあります。実際には、表面の抗菌効果を発揮しながら、大量の堆肥化を阻害しないように加工する窓は狭く、その範囲の低い端にある銀ベースのシステムが最も一般的に認証されています。食品接触の許容は、別の同様に厳しい要件であり、銀に適用される特定の移行限度があります。

認証:堆肥化性、バイオベース含有率、食品接触

バイオプラスチックマスターバッチには、3つの独立した認証プログラムが適用されており、これらを混同することは、この分野における最も一般的な商業上の誤りです。堆肥化性は、製品の使用後の処理方法を表します。バイオ原料含有率は、原料の由来を示します。食品接触適合性は、消費者の安全性を示します。製品は、これらの3つの要素の任意の組み合わせを備えることができます。

堆肥化可能性の基準

EN 13432は、堆肥化および生分解によって回収可能な包装に関する欧州の調和規格であり、事実上のグローバル基準です。この規格では、4つの要件が定められています。化学的特性と重金属の限界値を満たす必要があり、揮発性固形物は少なくとも50％でなければなりません。生分解は、EN 14046の呼吸量測定法に従って、有機炭素を二酸化炭素に変換する率が6ヶ月間の制御された堆肥化条件で少なくとも90％に達する必要があります。分解は、EN 14045に従った試験で12週間後に2ミリメートルのふるいを通過する率が少なくとも90％に達する必要があります。最後に、堆肥の品質が影響を受けないことが、2種の植物の生長による生態毒性試験によって確認されなければなりません。

ASTM D6400 は、ASTM D5338 を生物分解試験方法として使用し、同等の 90% の閾値と重金属の制限を適用することで、市民や産業施設で空気中で堆肥化されるように設計されたプラスチック製品の北米版です。ISO 17088 は国際規格を定義しています。ASTM D6868 は、このアプローチを紙やその他の基材に施されるコーティングやラミネートに拡張しています。

ホームコンポスティングは、物理的により難しい要件である。環境温度が低く、微生物の集団もより攻撃的ではないためだ。フランスのNF T 51-800とオーストラリアのAS 5810が基準を定め、OK compost HOMEなどの認証制度がそれらに基づいて運用されている。PLAは、有用な速度で水分解するために、ガラス転移温度を超える温度が必要であるため、ホームコンポスティングに失敗する傾向がある。PBAT、PHA、PCL、およびデンプン混合物は通過できる。農業用の覆い用フィルムの土壌生物分解はEN 17033で規定されており、海洋生物分解はASTM D6691および関連した方法で規定されており、PHAがそれらを満たすことができる主要なポリマーである。

バイオベースのコンテンツ測定

バイオベースの炭素含有量は、放射性炭素分析によって決定されます。ASTM D6866では、加速器質量分析または液体散乱計数によって、化石炭素には測定可能な炭素14が含まれていないのに対し、生物由来の炭素には現代の大気レベルの炭素14が含まれているという事実を利用して、炭素14と総炭素の比率を測定します。その結果は、現代の炭素の割合として表され、バイオベースの炭素含有量に変換されます。ISO 16620とEN 16785では、同等のヨーロッパの方法論が定められており、EN 16785-1では、文書化された材料入力に基づく質量バランスのアプローチも許可されています。

マスターバッチ製造業者にとって、これは重要なことです。添加物パッケージは、製品のバイオベース成分を希釈するため、PLA製品はほぼ百パーセントバイオベースの炭素で、化石由来のPBATキャリアに三パーセントのマスターバッチを加え、化石由来の顔料を含む場合、百パーセントをわずかに下回る値になります。ブランド所有者が最低バイオベースパーセントを指定している場合、生産前にマスターバッチの選定を確認する必要があり、テスト後に確認するのではなく、です。

食品接触に関するコンプライアンス

欧州連合では、食品と接触することを目的としたプラスチック材料および製品に関する規則（EU 10/2011）では、承認されたモノマーと添加剤の肯定的リストが定められており、各物質に対する特定の移行限度と、接触面積の 10 ミリグラムを超えない全体的な移行限度が定められています。食品パッケージング用マスターバッチに含まれるすべての添加剤は、欧州連合のリストに記載されているか、適切な移行規定または国内規定の対象となり、コンバーターには、二重用途の添加剤と制限事項を示す適合宣言が提出されなければなりません。特に、着色剤は欧州連合レベルで肯定的にリスト化されておらず、代わりに各国の規則と純度基準によって管理されており、そのため、サプライヤーからの顔料の文書化が不可欠です。

米国では、食品接触物質は、連邦規則のタイトル21に基づき、関連するセクションにおける既存の許可、規制の閾値免除、または食品接触通知プロセスのいずれかによって規制されています。中国では、GB 4806 シリーズが食品接触材料を規制しており、GB 4806.6 はプラスチック樹脂、GB 9685 は添加剤を規制しています。移行試験では、意図した用途に適した食品シミュレントと条件を使用する必要があり、特にPLA の場合は、試験温度を慎重に検討する必要があります。PLA は約 55 ℃ で軟化するためです。

標準	地域 / 範囲	それがどのようなものを認定しているか	キーの閾値	典型的な期間	メモ
EN 13432	欧州連合、パッケージ	産業用堆肥化性	90% の生物分解性; 90% の分解性	180日間の生物分解; 12週間の分解	重金属の限界値と植物の生育毒性試験を含みます
EN 14995	欧州連合、非包装プラスチック	産業用堆肥化性	EN 13432と同等	EN 13432 と同じ	パッケージング範囲外の製品に適用
ASTM D6400	北米	産業用堆肥化性	90％の生物分解性	180 日	ASTM D5338の試験方法を使用し、BPI認証の基準を設定
ASTM D6868	北米	基材に施された堆肥化可能なコーティング	D6400 と比較	180 日	コート紙および板紙をカバー
ISO 17088	国際	堆肥化可能なプラスチックの仕様	90％の生物分解性	180 日	国際調和仕様
NF T 51-800	フランス	ホームでの分解性	環境条件下で90％の生物分解	最大 365 日	産業用よりもはるかに難しく、通常PLAは失敗します
AS 5810	オーストラリア	ホームでの分解性	環境条件下で90％の生物分解	最大 365 日	土蚊の毒性試験も含まれています
EN 17033	欧州連合	土壌中の生分解性マルチングフィルム	土壌で90％の生物分解	最大24ヶ月	農業用のマルチング用途に特化
ASTM D6691	国際	海洋生物分解試験方法	方法が基準を満たしていない	通常 90〜180 日	PHAは、海洋関連の要求を満たすことができる主要なポリマーです
ASTM D6866	国際	バイオベースの炭素含有量	現代的な炭素の割合として報告	単一分析	放射性炭素法;生物分解性とは無関係
ISO 16620 / EN 16785	国際 / 欧州連合	バイオベースのコンテンツ	％で報告	単一の分析またはマスバランス	EN 16785-1では、文書化された質量バランスルートを許可しています
EU 10/2011	欧州連合	食品接触用プラスチック	全体的な移動量は、10ミリグラム/平方デシメートルです	移行テストプロトコル	モノマーおよび添加剤の肯定リスト；国内で規制されている着色剤
FDA 21 CFR / 食品接触通知	アメリカ合衆国	食品接触物質	物質ごとのクリアランス	クリアランスルートごと	クリアランスは規制、免除、または通知によって設定されることがあります
GB 4806 シリーズおよび GB 9685	中国	食品接触材料および添加物	物質別の限度	移行プロトコルごと	GB 4806.6 は樹脂を、GB 9685 は添加剤を対象としています。

バイオプラスチックマスターバッチ用ツインスクリュー混合実習

共回転するインターメッシュ式ツインスクリュー押出機は、バイオプラスチックマスターバッチ向けの唯一の現実的な機械です。なぜなら、この機械は給料速度とスクリュー回転速度を独立して制御できるほか、モジュラー型のスクリュー形状、充填剤の段階的投入、およびマルチポイントデボラタイゼーションを実現できるからです。しかし、ポリプロピレン色マスターバッチラインからコピーしたスクリュー構造はPLA化合物を破壊するため、ほとんどの初心者の生産者はここで失敗します。

低シェアのためのねじ構成

統治的目標は、可能な限り最小の特定エネルギー投入と最小の溶融温度上昇を達成することです。これは具体的な設計規則のセットに転換します。ポリエステルバイオプラスチックは容易に溶融するため、半結晶性ポリオレフィンほどのエネルギーを必要としないため、溶融は長い攻撃的溶融セクションではなく、短い前方輸送30度と45度の練りディスクで行われるべきです。中性90度と逆練り要素は、溶融シールが本当に必要な場合のみ、換気口またはサイドフィーダの前に少量で使用する必要があります。分散混合要素（タービンミキサー、スロット付きまたは歯付き混合要素、およびギアタイプミキサー）は、均質化の負担を担うべきであり、これらは物質を再分配するが、高い局所的せん断応力と粘性による加熱は分散ブロックにはありません。

混合ゾーン間の伝送要素は、溶融物を動かし、局所的な蓄積を防ぐために比較的長いピッチでなければなりません。排出セクションは、ダイとスクリーンチェンジャーに必要な圧力だけを生成すべきで、長い高圧ゾーンは温度と滞留時間の両方を増加させます。高圧安定性が必要な場合には、ギアポンプを備えた広いピッチの排出要素の配置が、長い圧縮ゾーンよりも優れています。

長さ対直径比とバレル構成

40付近のL/Dは、バイオプラスチックマスターバッチの一般的な選択です。 本発明は、メイン供給、溶融、最初の真空放出口、充填剤の側方供給、第二混合ゾーン、第二真空放出口、および圧力の蓄積部を十分に長くすることができ、同時に滞留時間を目標範囲内に維持する。 44～52 L/Dの長いバレルは、高度に充填されたポリオレフィンの混合でよく使用されますが、ここで利点はありません。 PHAやその他の極めて熱に敏感な材料の場合、短い32～36 L/Dのバレル、または熱い混合エキストラクターから冷たい、ゆっくりと回転する単軸または双軸ペレタイジングエキストラクターに物質を投入する二段階のマザー・ベイビーアレンジメントを採用すると、分子量保持率が向上します。 Kerke の KTE-SE 二段押出システムは、材料が単段押出プロセスを許容できないこのような問題に対するものです。

供給アーキテクチャ

重量損失法による重量計測式給餌はすべての成分に標準的に適用され、その精度は色の一貫性と添加剤の投与量を直接決定します。低密度粉末（析出カルシウムカーボネート、発熱シリカ、セルロース繊維、一部の顔料）は、既に溶融体を含むバレルに投入しようとするよりも、ツインスクリュー側給餌装置を通して投入する必要があります。なぜなら、そのような粉末をバレルに投入しようとすると、バレル内の溶融体から吐出され、給餌が制限されるからです。非常に低密度の材料は、粉末を圧縮するクランマー給餌装置を利用すると、より有利です。液体成分（可塑剤、液体滑剤、デンプンの分解のための水）は、充填された圧力下のバレルの一部に、計量液体給餌装置を通して注入されます。

高負荷が必要な場合には、フィラー供給を2つのサイドフィーダに分割することで、ピークトルクの需要を軽減し、一度に大量の冷たい粉末を投入することで溶融物が冷却され、バレルヒーターが補償することを防ぐことができます。Kerkeは、KTE製品ライン全体で、ボリュメトリックメータリングシステム、ツインスクリューサイドフィーダ、クラマーフィーダ、ロスインウェイトフィーダ、液体フィーダなどを設定可能なオプションとして提供しており、これにより、フィーダアーキテクチャを固定されたレイアウトに妥協するのではなく、特定のレシピに合わせて調整することが可能になります。

プロセスパラメータ

バイオプラスチックマスターバッチのねじ込み速度は、一般的に毎分200から400回転であり、ポリオレフィン色マスターバッチで一般的に使用される500から900回転よりもかなり低い。具体的なエネルギー投入量は、エンジニアリングプラスチックの混合に使用される0.25から0.35キロワット時/kgと比較して、0.12から0.22キロワット時/kgの範囲を目指すべきです。トルク利用率は、機械が制限要因とならないように、最大値よりも安定して低く設定する必要があります。真空は、20から50ミリバール絞りで運用する必要があります。溶融圧力は、一定条件下での上昇傾向がチェーン拡張剤の過剰反応またはフィルターの目隠しの初期兆候であるため、連続的に監視する必要があります。一方、下降傾向は、水分解または熱分解による分子量の減少を示します。

金属学と清掃

バイオプラスチックマスターバッチラインでは、色やレシピを頻繁に変更するため、清掃性は生産上の経済性の問題となります。 自己洗浄機能を備えた共回転ねじプロファイルは、良好な共通形状を有し、停滞を最小限に抑えます。また、ケルケ社のコンピュータ支援によるネジ組み設計は、こねる要素を備え、自己洗浄機能と完全な互換性を実現しており、迅速な切り替えが可能です。 ニトリ化鋼は、充填物がなく、薄く着色された製品に適しています。タールク、カルシウムカーボネート（約40％以上）、ガラス、天然繊維を処理する場合には、バイメタルのバレルライナーや工具鋼または粉末金属製ねじ部品が適しています。 ポリエステル分解によって放出される有機酸は腐食性であるため、PLAまたはPHAを定期的に使用するラインでは、耐腐食性の金属を使用することを指定する価値があります。

ペレティング、冷却、および下流処理

バイオプラスチックのマスターバッチでは、ペレタイジングが不均衡に困難です。材料は対極にあるため、PLAが豊富な糸は脆くて割れやすく、PBATやPCLが豊富な糸は柔らかく粘着性があり、きれいに切断できません。ペレタイザーの選択は製品の配合に従う必要があり、その逆ではありません。

ストランドペレーティング

水冷式ストランドペレタイジングは、最も一般的で相対的にコストが最も低い方法であり、PLAが豊富な製品やタルクやカルシウムカーボネートを含む製品に適しています。 PLAはゆっくり結晶化するため、糸をカッターで処理する際には十分に冷却して剛性にする必要がありますが、同時にガラスのような脆さを帯びて刃に達する前に破損しないように十分に冷却しないといけません。 入浴時間が短く、強力なエアーノズルを使用した20～40℃の浴槽水温が、通常の妥協点です。 残留表面水は敵です。ペレットに運ばれた水分は保管中に再分配され、お客様のエクストラーダー内のポリマーを分解します。そのため、エアナイフ乾燥とその後の遠心乾燥機が標準的であり、プレミアム製品では、乾燥処理を経て除湿されたコンディショニングシロを設置することが推奨されます。

空気冷却式のストランドペレーティングでは、水との接触を完全に避けることができ、水分解に敏感な製品にとって魅力的ですが、長い冷却コンベヤが必要であり、スループットが制限されるため、小容量の高価格グレードに適しています。

表面および水中システム

柔らかく、低融点の粘着性の高い製品—PBATキャリア、PCLキャリア、高可塑剤システム—は一般的にダイス面の切断が必要です。水リングダイス面ペレーティングでは、新しく切り出したペレットに水のカーテンが投げられ、迅速に冷却され、凝集を防ぎます。また、粘着性の高い材料を扱う際にストランドラインよりも優れています。偏心水霧切断では、制御された細かいスプレーを使用し、水リングよりも少ない水との接触をもたらしながら、付着を防ぎます。これは中程度の水分解感受性の高い粘着性製品にとって有用な妥協策です。温度制御された水ループを使用した水中グラニュレーションでは、これらの材料で通常15〜25度の水温を維持し、均一な球状ペレットを生成し、優れた流動性をもたらします。乾燥セクションが適切に指定されている場合、高生産量のPBATおよびPBSマスターバッチにとって、これは最適なソリューションです。Kerkeは、KTEライン上で構成可能なオプションとして、水冷ストランド、空冷ストランド、空冷ダイス面ホットカット、水リングダイス面ホットカット、偏心水霧ホットカット、および水中グラニュレーションを提供しています。これは重要なことで、単一のマスターバッチ工場では通常少なくとも2つのオプションが必要となります。

保存と梱包

完成したバイオプラスチックマスターバッチは、湿気防止材料、通常はアルミ箔を使用した乾燥剤入り袋に入れ、製品がまだ乾いた状態で直ちに密閉する必要があります。 ポリプロピレン製の標準的な織物バッグにポリエチレンライナーを備えると、数週間の保管期間中に測定可能な水分が入り込みます。コンバータに1,500ppmの水分を含んだマスターバッチが届けられると、どのように調合されたかに関わらず、お客様の製品に損傷が生じます。 ソフトなPBAT豊富なペレットは、保管中にブロック防止対策が必要です。袋詰め前に環境温度まで冷却し、積み高を制限し、場合によっては堆肥に適した防ブロック粉末を薄く振りかける必要があります。

ラインサイジングおよび設備選定ガイド

バイオプラスチックマスターバッチラインのスループットは、同等のポリオレフィンラインよりも低くなります。これは、スクリュースピードと特定のエネルギーを両方とも制限しなければならないためです。有用な計画上の仮定として、特定の機械のポリオレフィンマスターバッチの評価を、PLAベースの作業の場合は20〜35％、PHAの場合はそれ以上に減らすことができます。サイジングは、意図するポートフォリオの中で最も要求の厳しい製品に基づいて行われるべきで、平均値ではありません。

KerkeのKTEシリーズは、実験室規模のKTE-16Bから大量生産向けのKTE-135Dまで、約30キログラム/時間の出力能力を備え、アスペクト比、バレル構成、スクリュー配置、排気システム、給料配置、電気制御などすべてがプロジェクトごとに指定され、固定されていません。 その可調整性が、PHA濃縮物と七割のカルシウムカーボネートフィラー濃縮物のために適した機械が同じ機械ではないバイオプラスチックの作業において、重要な要件である。 このアプリケーションでは、ラボラトリのツインスクリュー押出機に特に注目する必要があります。バイオプラスチック製剤は非常に繊細であるため、認証試験は時間がかかり、コストが高いため、小規模な製剤試験を実施して、生産規模に移行する前に特定のエネルギー、溶融温度、および分子量保持率を測定することができれば、開発リスクを大幅に軽減できます。

アプリケーション	推奨されるネジ径クラス	推奨L/D	給餌配置	脱離	おすすめのペレタイザ
製剤開発および認証サンプル	実験室クラス、16～26ミリメートル	36–40	重量減少型ツインおよびマイクロサイドフィーダ	1つの真空バルブ	空気冷却または短い水浴
PLAカラーコンセントレート	35 から 65 ミリメートル	40	主重量計測プラス顔料サイドフィーダ	1～2つの真空排気口	水冷式ストランド、遠心乾燥機
PBAT色または添加物濃縮物	35 から 75 ミリメートル	36–40	主重量計測プラスサイドフィーダ	1つの真空バルブ	水リングのダイ面または水中
カルシウムカーボネートフィラー濃縮物、60～80％	65 から 135 ミリメートル	40–44	分割側送り、細粒用カッター	大気圧プラス 2 つの真空排気口	水冷式ストランドまたは水中
PLA-PBAT 反応性相容化合物	50 から 95 ミリメートル	40–44	メインプラスサイドフィーダーと液体注入	2つの真空排気口	水冷式ストランドまたは水リング
PHA濃縮物または化合物	35 から 75 ミリメートル	32–36、または二段階システム	主な重量測定、最小限の側面追加	1つの真空バルブ、短い溶融路	空気冷却された金型面または水中冷却
熱可塑性でんぷんおよびでんぷん-PBAT複合体	50～135ミリメートル	40–48	デンプン主原料、液体水、グリセロール注入	大気圧プラス二から三の真空ベント	水環または水中
天然繊維およびバイオ複合材料	50 から 95 ミリメートル	40–44	ファイバ用Crammerサイドフィーダ	大気圧プラス 2 つの真空排気口	水冷ストランド

この用途のツインスクリュー混合装置は、ヨーロッパではCoperionとLeistritz、アジアでは日本製鋼、中国ではKerkeなどの有名なメーカーが世界中で提供しています。 バイオプラスチック分野のサプライヤーを特徴付けるのは、大きなトルク定格値ではなく、熱に弱い、水酸化に敏感な材料を中心にして、ねじの構成、換気配置、ペレタイジングシステムを設計する意欲です。標準的なポリオレフィン構成を供給するのではなく、そうしたものです。 Kerkeは、コンピュータ支援によるスクリュー設計と高速ミキサー、粉砕機、グラニュラー、水冷却装置などの充実した付属機器を備えた、トップ5の中国ツインスクリュー押出機サプライヤーとして認められています。これは、Wanplasブランドが、単独の押出機ではなく、アプリケーションに合わせた完全なラインを提供するというアプローチをとっていることを反映しています。

バイオプラスチックマスターバッチ生産のトラブルシューティング

このセクターにおけるほとんどの生産上の問題は、4つの根本原因のいずれかに起因しています。すなわち、湿気、過剰な温度、過剰な滞留時間、またはキャリアと基板の不適合です。下表では、一般的な症状とそれらの可能な原因、およびそれらを解決する対処法を対応付けています。

症状	最も起こりやすい原因	診断チェック	是正措置
溶融粘度は、ラップ中に段階的に低下します	湿らせた樹脂または湿らせた充填剤からの水分分解、熱分解	樹脂と充填剤の湿度を測定し、乾燥機の露点を確認し、溶融温度を記録します	露点をマイナス 40 度に戻す、事前乾燥フィラーを使用する、溶融温度を下げる、チェーンエクステンダーを添加する
金型の煙または白い煙、冷たい表面に沈着物	PLAからのラクティド再生は、約210度以上の温度で行われます	ダイレクト溶融熱電偶の読み取り値、バレルの設定値ではありません	ねじの回転速度を減らす、こねるブロックを柔らかくする、前部ゾーンの設定値を下げる、圧力の蓄積ゾーンを短くする
茶色または琥珀色の変色、焦げの斑点	揉み込みゾーンでの局所的な過熱;金型またはアダプターの死角;過長の滞留時間	ネジとダイを検査し、劣化した材料を確認します。また、停滞した流れのジオメトリーを確認します。	流路を清潔にして効率化し、摩耗した部品を交換し、特定のエネルギーを削減し、出力率を高めます
下流のフィルムにジェルと硬い魚眼	チェーンエクステンダーの過剰添加または過剴反応; 互換性のない媒体; 交差結合された材料	フィルター圧力の推移、ゲルの顕微鏡観察、チェーンエクステンダーの投与量の確認	チェーンエクステンダーを1％以下に減らし、反応滞在時間を短縮し、キャリアの相性を確認し、溶融フィルタリングを実装する
色の発色が悪い、斑点が生じる、色の濃淡の強さが弱い	分散混合不足、相性の悪い媒体、顔料の凝集	フィルター圧力値のテスト、押出フィルムの光学顕微鏡観察	分散混合要素を追加する;より細かいピグメントグレードを使用する;低融点の媒体で事前に分散させる;温度をわずかに下げて粘度を上げる
ペレタイザーで繊維が絶えず破損します	溶融強度が低い;冷却が過剰な脆いPLA繊維;分子量の減少	製品の溶融流動指数を測定し、浸漬温度と浸漬時間を確認します	チェーンエクステンダーを追加し、浴槽の温度を40度に上げ、浸漬時間を短縮し、流れの安定性を確保するためにギアポンプを追加する
ペレットはバッグまたはホッパー内で凝集します	柔らかく粘着性のあるPBATまたはPCLが豊富な製剤;ペレットは暖かい状態で袋に入れられている;結晶化が遅い	バギング時にはペレットの温度を測定し、保管スタックの高さを確認します	冷却を延長する; 水リングまたは水中切断に切り替える; バギング前に35度以下に冷却する; スタックの高さを減らす
ベントの浸水、ベントポートからポリマーが溶出	溶着シールが弱すぎるか強すぎる; バレルが満杯; 溶融液の粘度が低い	さまざまな給送速度とねじ速度でベントの挙動を観察します	溶融シール要素の構成を調整し、ねじの回転速度に比べて供給速度を減らす。また、ベンディングスタッファーを装着する。
低出力時にトルク制限に達しました	低融点で高度に充填されたレシピ、小型の機械、過度のこね	特定のエネルギーを目標波長帯と比較し、充填剤の積載量と粒子サイズを確認します	両側フィーダーに分割してフィーダーを供給する;ネジを簡素化する;後部ゾーンの温度を上げる;より大きな直径または高トルクのギアボックスを検討する
分解テストで不合格	記事が厚すぎる、不純物が多すぎる、分解されない媒体または添加物	1% および 5% のルールに基づいて原材料明細書を完全に確認し、揮発性固形物をチェックします	壁の厚さを減らす、充填物のレベルを下げる、非適合の媒体または添加剤を認定された代替品に置き換える
環境毒性植物成長試験に失敗	色素または添加物が発芽を阻害する;過剰な銅または亜鉛;抗菌活性物質	制御対象と比較して個々の成分をテストします	不適切な着色剤を交換し、投入量を減らす、抗菌パッケージを取り除くまたは再調合する
成形部品が色間で不均一に歪んだり縮んだりします	意図せずに核形成剤として働く顔料; 結晶性が変化する	各色の差分走査熱量計測;結晶化温度を比較する	核化しない色に核化剤を加えて配合を調整し、色の範囲全体の核化を標準化します

よくある質問

従来のポリエチレンキャリアマスターバッチをPLAまたはPBATで使用することは可能ですか？

ただし、それは非常に少量で、必ずしも堆肥化可能と主張する製品に使用されるものではありません。EN 13432では、乾燥質量ベースで1％未満の個別の非生分解性成分が許容されており、これらの全成分の合計は5％未満です。2～4％のレートで使用されるポリエチレンまたはエチレンビニルアセチドのキャリアは、直ちに1％の単一成分制限を超えます。認証を超えて、ポリオレフィンキャリアは脂肪族ポリエステルと不溶性であり、ゲル、フィッシュアイ、ヘイズ、弱い溶接ライン、および不完全な顔料移動を引き起こします。正しいアプローチは、マッチングされたファミリーカリアまたは認定された堆肥化可能なユニバーサルキャリアです。

PLAマスタバッチを混合する際に、どの溶融温度の制限を適用すべきですか？

実際の溶融温度を金型で測定して、約200度以下に保つことが重要です。実用的な作業目標としては、185～195度です。PLAは、約210度以上で測定可能な熱劣化、鎖切断、ラクチド再生を開始し、230度以上では反応が急速に加速します。ピグメントや充填剤を含むマスターバッチの粘性消散により、溶融温度がバレル設定より15～30度高くなることがあるため、170～190度のバレル設定と低摩擦スクリュー構造が通常必要となります。設定ゾーンに頼るのではなく、浸入型溶融温度センサで確認するようにしてください。

PLAとPBATは、混合前にどれくらい乾燥させなければならないのですか？

PLAは、残留水分が250パーセント未満になるように、また分子量保持が重要な場合は100パーセント未満になるように、露点がマイナス40度の乾燥機で乾燥する必要があります。結晶化したPLAは通常、80〜100度の温度で4〜6時間乾燥しますが、無定形PLAおよび再加工物は、ホッパー内での凝集を防ぐために約50度以下に保持する必要があります。PBATとPBSは通常、60〜80度の温度で3〜4時間乾燥して、約400〜500パーセント未満になるようにします。フィラーと吸湿性添加剤は、高い負荷時には樹脂よりも多くの総水分を供給することが多いため、水分バランスに含める必要があります。

認定された堆肥化可能なマスターバッチでは、どの色素が許容されますか？

カドミウム、鉛、六価クロム、水銀化合物は、EN 13432 と ASTM D6400 の重金属制限により除外され、これによりカドミウム黄色と赤、鉛クロメート黄色、モリブデン酸橙、クロム緑がパレットから除外されます。許容できる選択肢は通常、ルチル酸二酸化チタン、合成鉄酸化物、ウルトラマリン青、および熱に強い有機顔料（銅フタロシアニン青と緑、キナクリドロン、ジケトピロロピロロレッド、イソインドリノン、ベンザイミダゾロン黄色）です。すべての顔料は、植物の生育に対する毒性試験に合格しなければなりません。銅を含む顔料は、重い陰影負荷の場合、銅の制限に照らして確認する必要があります。また、カーボンブラックは通常、製品の1％以下に抑えられます。

バイオプラスチックマスターバッチでチェーンエクステンダーは実際にどのような役割を果たしているのでしょうか。

多機能エポキシオリゴマー、通常は、鎖あたり四から十二個のグリシジル基を有するスチレン-アクリル共重合体で、エポキシ当量重量が約280から450グラム/モルであるものが、PLA、PBAT、PBS、PHAのカルボキシル末端基とヒドロキシル末端基と反応します。これにより、水解と熱分解によって失われた分子量が再構築され、長鎖の分岐が導入され、ゼロ回転粘度と溶融強度が向上し、安定したフィルム気泡と下垂のない熱成形に必要な歪み強化特性が得られます。一般的に、完成化合物の0.3から1.5％を添加し、互換性のあるポリエステルベアラーに5から20％の濃縮物として供給します。大体1.5から2.0％以上になると、ゲラ化とフィルターの詰まりの可能性が高まります。

生分解性とバイオベースのコンテンツの違いは何ですか？

生分解性と堆肥化性は、EN 13432、ASTM D6400、またはISO 17088に基づいて認定されています。これらの規格では、有機炭素の少なくとも90％が180日以内に二酸化炭素に変換されること、そして分解性と環境毒性の性能が求められます。バイオベースの内容は、ASTM D6866またはISO 16620に基づく放射性炭素分析によって測定され、現代の生物由来炭素と化石炭素を区別します。Bio-PEは約94％がバイオベースですが、決して生分解しません。PBATは完全に堆肥化可能ですが、主に化石由来です。持続可能な素材を求めているブランドオーナーに対しては、実際にどちらの特性を求めているのかを必ず尋ねる必要があります。なぜなら、その答えによって、製品の全体的なフォーメーションが変わってしまうからです。

バイオプラスチックマスターバッチラインにはなぜ低シェアスクリュー構造が必要なのですか？

なぜなら、ほとんどのポリマーの溶融点よりもわずか20～40℃上に位置する熱分解しやすい温度の閾値があるため、ほとんど熱的余裕がありません。積極的な90℃の中性および逆の締め込みブロックは高い粘性損失を生成し、溶融温度を設定値よりもかなり高くまで引き上げることができ、PLAではラクチド蒸気、PHAでは褐色の分解を生じます。バイオプラスチックのスクリュー設計では、溶融のために狭い前方30度および45度の締め込みディスクを使用し、均質化のために分散ブロックではなく分散ブロック、短い混合ゾーン、それらの間の長いピッチでの輸送、および最小の圧力構築セクションを使用します。これらすべては滞在時間と特定のエネルギー投入量を低く抑えることを目的としています。

バイオプラスチックマスターバッチラインに適したL/D比とペレタイジングシステムはどれですか？

L/Dの値が約40であることは、通常の選択肢であり、分割フィラー供給と2つの真空脱溶区を備え、滞留時間を20～60秒の目標範囲内に保つことができます。熱に敏感なPHAの場合、短い32～36のL/Dバレルまたは2段階のマザー・ベイビー構成により、より高い分子量保持性が得られます。熱に敏感なPLAが豊富な糸は、20～40℃の短い浴槽と効率的なエアーナイフを備えた水冷式糸ライン上で良くペレット化されます。柔らかく、粘着性の高いPBATが豊富な、PBSが豊富な、およびPCLキャリア製品の場合、水リング型切断、偏心水霧切断、または冷却された温度制御された水を用いた水中造粒が必要です。

コンポスト可能なマスターバッチは食品接触要件を満たしていますか？

彼らはできるが、堆肥化可能性の認証と食品接触の適合は完全に別々の承認であり、どちらも他を意味しない。欧州連合では、すべてのモノマーと添加剤が規則EU 10/2011の許可リストに記載されており、全体的な移行量が10ミリグラム/平方デシメートル以下で、適用可能な特定の移行限度が守られている。着色剤は、欧州連合の肯定リストではなく、国家の規則と純度基準によって取り扱われるため、色素の文書化はサプライヤーから要請される必要がある。米国では、成分は連邦規則21のタイトルの下で承認されなければならず、または食品接触通知に含まれている必要がある。中国では、GB 4806シリーズとGB 9685が適用される。移行試験条件は、意図した用途に反映されなければならず、特にPLAについては注意が必要である。PLAは、そのガラス転移温度付近で軟化するためである。

ポリオレフィンマスターバッチラインと比較して、どの程度のスループットが失われますか？

計画段階では、同一の機械が同等のポリオレフィンカラーマスターバッチを使用している場合と比較して、20～35％低い出力が予想されます。PHAの場合はさらに多くの出力が得られます。この損失は、スクリュースピードが500～900回転／分ではなく、約200～400回転／分に制限されていること、特定のエネルギー投入量が0.12～0.22キロワット時／キログラムに制限されていること、および混合強度を熱安全性に引き換えた簡素化されたスクリューコンフィギュレーションから生じます。出力の一部を回復するには、バレルジャケットの冷却を改善し、ギアポンプを使用してエクストラーダがダイ圧を作成する必要がないようにし、低融点のキャリアを使用して全プロセスをより低温で実行することができます。

既存のポリオレフィンラインでバイオプラスチックマスターバッチを生産することは可能ですか？

通常は、修正を加えています。主要な変更は、マイナス40度の露点を実現できる乾燥機、攻撃的なこね込みと逆元素を除去した再構築されたスクリュー構造、適切な溶融シールを備えた機能的な真空脱溶システム、重量計測式の重量損失供給、そして製品の包装に使用する湿気防止材です。バレルの冷却能力はしばしば隠れた制限要因となります。230度の温度を保持するように設計された機械は、粘性加熱に対抗して175度を保持するのに苦労することがあります。また、交差汚染も真のリスクです。バレルに残された残留ポリオレフィンは、堆肥用フィルム内でゲルとして現れ、認定を損なうため、徹底的な浄化と理想的には専用のスクリューセットが推奨されます。

結論

バイオプラスチック用マスターバッチは、熱、水酸化および規制上の制限が同時に適用される制約付き最適化問題です。基材は温度上限を定めます。PLAでは約200度、PHAでは175～180度、PBATおよびPBSではさらに低い値です。堆肥化基準はキャリアを定めます。EN 13432およびASTM D6400の1％単一成分ルールによりポリオレフィンキャリアは完全に排除され、マッチしたポリエステルまたは認定された堆肥化可能な代替物質が要求されます。エステルバックボーンの水酸化化学は、PLAでは湿度仕様を250ppm以下に設定します。これはマイナス40度の露点で乾燥機を使用することでのみ達成でき、レジンだけでなく充填剤や添加剤にも適用されます。そして、環境毒性要件は顔料パレットを定めます。カドミウム、鉛、六価クロム化学物質は除外され、残ったすべてのもののスクリーニングを文書化することが求められます。

これらの制約の中で、製剤開発者は十分に発達したツールキットを持っています。0.3～1.5％の多機能エポキシチェーンエクステンダーは、分子量を再構築し、PLAとPBATに備わっていない溶融強度を提供します。ポリマー性カルボジミドはカルボキシル終端基を封じ込め、保存期間を延ばします。タルク、ヒドラジド、ステレオコンプレックスPDLAは結晶化を促進し、熱曲げ温度を約55℃から有用な範囲に引き上げます。反応性相容性を用いたPBATとのブレンドは、脆弱なPLAを強靭で伸縮性のある材料に変えます。コントロールされた粒子サイズと水分量を管理することで、カルシウムカーボネートはコストと剛性を管理できます。生物由来の滑り止め、ブロック防止、および防曇添加剤は、認証を妥協することなく表面性能を完備します。

その製剤がお客様に完全な状態で届くかどうかを決定するのは、混合工程です。機械は、色素と充填剤を完全に分散させる必要があり、同時に可能な限り少ない熱とせん断の履歴を加える必要があります。これは真の矛盾であり、これは、慎重なねじ構成、40近いL/D値、分散的ではなく分散的な混合、双ねじおよびクラマーフィーダーを通じた分割側投入、重量計測による失重計量、20から50ミリバールの有効な真空脱溶解、そして製品が脆弱か粘着性かを考慮して選択されたペレタイジングシステムによってのみ解決されます。

Wanplasの工場であるKerkeは、12年以上にわたりパラレルコローテイングツインスクリュー複合化に特化しており、この分野で中国のトップ5のサプライヤーとして認められています。同社は、生分解性プラスチックとマスターバッチ生産を主な応用産業として挙げています。 KTE-16Bの研究用機器からKTE-135Dの生産ラインまで、KTEシリーズは、アスペクト比、バレル構造、ねじ配置、排気システム、給料アーキテクチャ、および電気制御に関して、プロジェクトごとに構成されています。また、KTE-SEの二段階システムは、単段処理では過度に熱に敏感な材料にも対応します。 完全なペレタイジングライン—水冷ストランド、空冷ストランド、空冷および水リング型ダイ面ホットカット、偏心式水霧カット、水中グラニュレーション—に加えてサイドフィーダー、クラマーフィーダー、ロスインウェイトフィーダー、液体フィーダー、高速ミキサー、粉砕機、水冷却器を備えているため、標準的なポリオレフィンレイアウトで妥協するのではなく、特定のバイオプラスチックレシピに完全なラインを合わせることができます。 Wanplasブランドの共通のエンジニアリング基準と70カ国以上にわたるサービス網を背景に、Kerkeはマスターバッチメーカーを、最初のラボリアル試験から認証サンプリング、さらには本格生産までサポートします。 2026年にバイオプラスチックマスターバッチプログラムを計画している場合は、まず基材と目標認証を定義し、実験規模での試験を実施して特定のエネルギー、溶融温度、および分子量保持率を測定し、ポートフォリオの中で最も熱的に脆弱な製品を中心にラインを設定するようにしてください。最も簡単な製品ではなく、そうした製品を中心にラインを設定することが重要です。