(57)【要約】【課題】フォーム体における骨熱伝熱および対流伝熱の双方を大きく抑制して断熱性能を高めると共に、軽量な断熱材およびその製造方法を提供する。【解決手段】ポリオール１００質量部に対して、発泡剤としての水を５〜５０質量部混合すると共に、かつイソシアネートインデックスを３０〜８０の範囲に設定することでフォーム体を製造し、これを圧縮することで、その密度が１０〜５０ｋｇ／ｍ３で、圧縮方向のセル径が１０００μｍ以下とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主原料であるポリオールおよびイソシアネートに対して、触媒、整泡剤および発泡剤としての水等の副原料を混合して得たポリウレタンフォームからなる断熱材において、
断熱材(10)をなすフォーム体(12)は、前記ポリオール１００質量部に対して、発泡剤としての水を５〜５０質量部混合すると共に、かつイソシアネートインデックスを３０〜８０の範囲に設定することで製造され、
前記フォーム体(12)を圧縮することで、その密度が１０〜５０ｋｇ／ｍ３で、圧縮方向のセル径が１０００μｍ以下となっている
ことを特徴する断熱材。
【請求項２】
前記圧縮後の密度は３５ｋｇ／ｍ３以下とされ、かつ圧縮方向のセル径は８００μｍ以下にされている請求項１記載の断熱材。
【請求項３】
前記断熱材(10)の熱伝導率は、０.０３１Ｗ／ｍＫ未満となっている請求項２記載の断熱材。
【請求項４】
主原料であるポリオールおよびイソシアネートに対して、触媒、整泡剤および発泡剤としての水等の副原料を混合して得られるポリウレタンフォームからなる断熱材の製造方法において、
前記ポリオール１００質量部に対し、発泡剤としての水を５〜５０質量部混合すると共に、イソシアネートインデックスが３０〜８０の範囲となるようイソシアネートを混合することでフォーム体(12)を製造し、
前記フォーム体(12)を圧縮することで、その密度を１０〜５０ｋｇ／ｍ３の範囲にすると共に、圧縮方向のセル径が１０００μｍ以下とした断熱材(10)を製造するようにした
ことを特徴とする断熱材の製造方法。
【請求項５】
前記フォーム体(12)の密度は、４〜２０ｋｇ／ｍ３の範囲に設定される請求項４記載の断熱材の製造方法。
【請求項６】
前記圧縮は、圧縮方向のセル数をセル径が８００μｍ以下にするように実施される請求項４または５記載の断熱材の製造方法。
【請求項７】
前記圧縮の倍率は、１０倍以下に設定される請求項４〜６の何れかに記載の断熱材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ポリウレタンフォームからなる断熱材に関し、更に詳細には、発泡剤としての水を過剰に加えて低密度かつセル数の多いポリウレタンフォームを製造し、これを圧縮することで骨熱伝熱および対流伝熱が大きく抑制されて断熱性能が高く、かつ軽量な断熱材およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車等の車両に用いられる内装材として、フェルト等の繊維体や、ポリウレタンフォーム等のフォーム体から構成され、高い断熱性能を有する部材が採用されている。これは自動車自体のエネルギー効率を高め、その結果として省エネルギーおよび低公害を達成するための手法の一つであり、最近の地球環境対策の一環として注目を集めている、内燃機関とバッテリとを併有した、所謂ハイブリットシステムを備えることでエネルギー効率を高めた自動車等においても重要な課題の一つである。
【０００３】
一般に同一の断熱性能を備える断熱材においては、その使用量(厚み)を増加させることでより高い断熱性能を達成できる。しかしこの場合、断熱材の厚みは断熱性能に比例して大きくなるため、高い断熱性能を達成するためには、例えば該断熱材が配設される自動車の内部空間を犠牲にする、該自動車の外寸法を大きくするといった別問題が生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような問題を回避するため、内装材となる(１)繊維体または(２)フォーム体を圧縮し、これにより一定の断熱性能と省スペース性とを両立させる方法がある。しかし、圧縮により断熱材を製造する場合、(１)素材的に密度の高いフェルト等の繊維体においては、高圧縮によって断熱性能と省スペース性とが両立されても総重量が高くなる問題が生じ、(２)ポリウレタンフォーム等のフォーム体においては、素材的な密度が２５〜３５ｋｇ／ｍ３程度と小さいため総重量は大きな問題とはならない一方で、圧縮によって反発率が高くなり、所謂スプリングパック(跳ね返り)現象が発生するため、内装材として使用した際の寸法精度が悪化したり、その厚みが少ない箇所への取付が困難となる問題が生ずる。この他、圧縮することで断熱材に係る骨熱伝熱に係る熱伝導率が高くなり、その結果、断熱性が悪化する問題も指摘される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本発明に係る断熱材は、主原料であるポリオールおよびイソシアネートに対して、触媒、整泡剤および発泡剤としての水等の副原料を混合して得たポリウレタンフォームからなる断熱材において、
断熱材をなすフォーム体は、前記ポリオール１００質量部に対して、発泡剤としての水を５〜５０質量部混合すると共に、かつイソシアネートインデックスを３０〜８０の範囲に設定することで製造され、
前記フォーム体を圧縮することで、その密度が１０〜５０ｋｇ／ｍ３で、圧縮方向のセル径が１０００μｍ以下となっていることを特徴する。
【０００６】
前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の別の発明に係る断熱材の製造方法は、主原料であるポリオールおよびイソシアネートに対して、触媒、整泡剤および発泡剤としての水等の副原料を混合して得られるポリウレタンフォームからなる断熱材の製造方法において、
前記ポリオール１００質量部に対し、発泡剤としての水を５〜５０質量部混合すると共に、イソシアネートインデックスが３０〜８０の範囲となるようイソシアネートを混合することでフォーム体を製造し、
前記フォーム体を圧縮することで、その密度を１０〜５０ｋｇ／ｍ３の範囲にすると共に、圧縮方向のセル径が１０００μｍ以下とした断熱材を製造するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る断熱材およびその製造方法によれば、発泡剤としての水を過剰に加えて製造される低密度かつセル径の小さなポリウレタンフォームを圧縮することで、骨熱伝熱および対流伝熱が大きく抑制されて、断熱性能が高くかつ重量の嵩張らない断熱材が得られる。またその小さい密度故に、狭い隙間に対して容易に配置可能であり、所謂干渉設計に好適に使用し得る効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に本発明に係る断熱材およびその製造方法につき、好適な実施例を挙げて、製造方法と共に添付図面を参照しながら以下説明する。本願の発明者は、ポリオールに対して水を過剰に配合等して製造される低密度かつセル数が多いポリウレタンフォームを圧縮することで、圧縮前の低密度を生かし、嵩張らず重量を抑え、かつ該フォームを構成する細い骨格に由来する低い骨熱伝熱と、細かいセル径に由来する低い対流伝熱とによる低い熱伝導率を達成し得る断熱材が得られることを知見した。
【０００９】
実施例に係る断熱材は、原料の一つである発泡剤としての水を過剰に使用することで、４〜３０ｋｇ／ｍ３、好適には４〜２０ｋｇ／ｍ３となる低密度、すなわち細い骨格からなる多孔体構造を備えたフォーム体１２(後述［００１６］)を形成し、更にこれを例えば加熱下に圧縮して成形することで骨格によって画成される多数のセルを潰し、セルの空間容積を減少させてセル径を１０００μｍ以下に縮小させた構造となっている。そしてこの断熱材の製造方法は、図１に示す如く、この断熱材の基となるフォーム体１２を製造する原料調整・混合工程Ｓ１および発泡工程Ｓ２と、フォーム体１２を圧縮する圧縮工程Ｓ３とから構成される。そして原料調整・混合工程Ｓ１および発泡工程Ｓ２は、基本的に本願と同一の出願人が案出した特開２００３−３３５８３４号公報(発明「軟質ポリウレタンフォーム及びその製造方法」)と略同等であるので、その詳細は省略する。
【００１０】
主原料の一つであるポリオールとしては、公知の開始剤にアルキレンオキサイドを付加して得られるポリエーテルポリオールが用いられる。また、このポリエーテルポリオールにエチレン性不飽和モノマーを反応させて得られる変性体を用いてもよい。アルキレンオキサイドとしては、エチレンオキサイド(ＥＯ)、プロピレンオキサイド(ＰＯ)またはブチレンオキサイド(ＢＯ)等が単独または複数以上を混合して用いられる。そしてその数平均分子量は、フォーム体１２を形成できる限り、特に限定されないが１２００〜８０００であることが好ましい。
【００１１】
またイソシアネートとしては、公知の芳香族系、脂肪族系または脂環族系等の各種ポリイソシアネートを用いることができる。特に製造されるフォーム体１２および断熱材により小さなセル径、すなわち多くのセル数を確保するため、ポリオールとの相溶性が高いリレンジイソシアネート(ＴＤＩ)が好適に使用される。このイソシアネートの配合量については、イソシアネートインデックスが３０〜８０の範囲、好ましくは３０〜７５の範囲になるように設定される。この値が３０未満の場合、発泡が正常に行われず、割れが生じたり、泡体の崩落が発生することがある。一方８０を越える場合、発泡時の発熱温度が高くなり、自然発火する可能性が高まる。
【００１２】
副原料のうち、発泡倍率を決定して低密度を達成するための発泡剤としての水としては、例えばイオン交換水、水道水または蒸留水等の通常の水が用いられる。水の配合量は、ポリオールを１００質量部に対して、５〜５０質量部に設定され、好ましくは７〜５０質量部の範囲に設定される。この水の過剰な配合は、水を発泡剤として使用する一方で、発泡に際する発熱を水の気化によって効率的に除熱する冷却剤としての役割を持たせるためであり、その配合量が５質量部未満の場合、発泡時の発熱の抑制や、密度の低下を充分に達成できなくなってしまう。一方５０質量部を超える場合、水とイソシアネートとの反応によって発生する発泡ガスとしての二酸化炭素の発生量が多くなり、所定のフォームを形成できなくなる。
【００１３】
またポリオールの全てがイソシアネートと反応すると仮定した場合に算出される、ポリイソシアネートとの化学量論的な水の反応量と、実際の水の配合量から反応量を差し引いた水の過剰量との比(過剰量／反応量)が０.１０〜７.００に設定され、好ましくは０.２０〜６.５０に設定される。この値が０.１０未満の場合、冷却に関与する水の割合が少なくなり、発泡時の発熱を抑制することができない場合がある。一方、この値が７.００を超える場合、水とイソシアネートとの反応による二酸化炭素の発生量が多くなり過ぎ、所定のフォームを形成できなくなる。
【００１４】
この他の副原料として、触媒、シリコーン系物質等の整泡剤、発泡助剤、難燃剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、着色剤または各種希釈剤が必要に応じて添加されるが、特に整泡剤については、過剰な水の存在により通常により激しい泡化反応によって発生するセルの好適な保持を目的として、ポリオール１００重量部に対して、０.５〜２.０重量部程度使用することが望まれる。この量が０.５重量部未満であると、発泡時における原料の整泡能力が低いためにセルの基となる気泡が充分に保持されず正常な発泡体が得られなくなる。一方２.０重量部を越えると、原料の整泡能力が強過ぎて気泡内部から発泡ガスが殆ど排出されることがなくなるため、発泡反応完了後にフォームが収縮してしまう不具合が発生する。
【００１５】
製造されるフォーム体１２および断熱材により小さなセル径、すなわち多くのセル数の確保は、前述(［００１１］)した如く、ポリオールとイソシアネートとの相溶性を高めることでなされ、この相溶性の向上はポリオールとイソシアネートとを乳化させることによって達成される。そしてこの乳化については、整泡剤としてＥＯ(エチレンオキサイド)含有率の高い物質を使用することで促進させることができる。
【００１６】
そして前述した各原料を所定量混合・添加することで、その密度が４〜３０ｋｇ／ｍ３、好適には４〜２０ｋｇ／ｍ３の範囲となる極めて軽量で、かつそのセル径が３０００μｍ以下となっているフォーム体１２が製造される。なお、このフォーム体１２の製造に当たっては、過剰な水の存在により、激しい泡化反応に伴う発熱温度を１６０℃以下とし得るため、スコーチ等の発生抑制や、火災の危険性を低減し得る。
【００１７】
次に実施される圧縮工程Ｓ３は、図２に示す如く、前述した原料調整・混合工程Ｓ１および発泡工程Ｓ２を経て製造されたフォーム体１２(図２(ａ)参照)に対して、公知の熱プレス装置等の圧縮装置を使用して加熱下に圧縮を加え(図２(ｂ)および図２(ｃ)参照)、断熱材１０(図２(ｄ)参照)を得る工程である。本圧縮工程Ｓ３の実施により、フォーム体１２は最大で１／１０程度に圧縮、すなわち圧縮の倍率は１０倍以下に設定される。この倍率が１０倍を超えると、骨熱伝導(後述［００１９］)が大きくなり、断熱性が低下してしまう。なお本発明に係る断熱材１０は、自動車等の車両用内装材として使用されるため、背景技術で述べたようにその密度は好適には２５〜３５ｋｇ／ｍ３程度(［０００４］参照)される。なお本発明においては、図２(ｃ)および図２(ｄ)に矢印で示すフォーム体１２を圧縮する方向を圧縮方向と云う。
【００１８】
またこの圧縮は、温度を８０〜２２０℃の範囲、時間を３０〜２５０秒の範囲として実施される。何れも最低温度や最低時間に満たなければ、圧縮後の断熱材１０がその圧縮状態を維持できなくなり、一方最高温度や最高時間を越えれば、断熱材１０をなすポリウレタンフォームにスコーチ等の発生したり、フォーム体１２が溶融する等の不具合や、場合によっては火災の発生が危惧される。なおこの圧縮は、上下方向の対向する一対の方向において実施される。
【００１９】
ここで物体内における熱の伝わり方、すなわち伝熱形態を考えてみると、(１)伝導、(２)対流が挙げられる。そして(１)伝導は、断熱材１０を構成するポリウレタンフォームの骨格を伝わる、所謂骨熱伝熱に相当し、(２)対流は、セル１６内の空気の対流による対流伝熱に相当する。そして(１)骨熱伝熱は、その物質における伝熱度が同一である場合には、伝熱する方向の直交する面積、すなわちポリウレタンフォームを形成する骨格の太さに大きく依存している。また(２)対流伝熱は、対流する対象が(例えば空気)が同一であれば、その対流方向における空間の長さ、すなわちセルにおいて断熱をなすべき(断熱材１０によって区切られる空間の外側と内側との間の最短距離を示す線分に沿った)方向(以下、断熱方向と云う)における空間の長さ、すなわちセル径に大きく依存している。なお一般に断熱性能等を示す指標については、熱伝導率が使用されるため、本発明においてもこの指標を使用する。そして熱伝導率は、(１)骨熱伝熱および(２)対流伝熱の双方によって決定されている。
【００２０】
すなわち断熱性を高めるためには、断熱材１０をなすポリウレタンフォームの骨格を細くして、かつ断熱方向に沿ったセル径(空間の長さ)を小さくすればよい。そして本発明に係る断熱材１０は、前述(［００１２］)の如く、水を過剰として製造されるため泡化反応が大きく優勢であるため、ポリウレタンフォームを形成する骨格は通常のポリウレタンフォームに比較して細いものとなる。また所要のシリコーン系物質を整泡剤に用いることで、フォーム体１２のセル数を多く、すなわちセル径を通常のポリウレタンフォームよりも小さいものとし、更に圧縮を施すことでセルを圧縮して圧縮方向のセル径を小さくする、すなわち圧縮方向におけるセル径(空間の長さ)をより小さいものとしている。そして圧縮方向におけるセル径(空間の長さ)が小さくなれば、その内部で熱を伝導すべく対流する気体の存在量も減少し、また対流自体が良好に行なわれなくなるため、(２)対流伝熱を小さなものとし得る。
【００２１】
従って、フォーム体１２の圧縮方向と、断熱方向を一致させれば、前述の(１)骨熱伝熱および(２)対流伝熱の双方を大きく低減できる。図３に示す如く、基本的に(１)骨熱伝熱を低くするべく骨格を細くすると(図３(ａ)→図３(ｂ))、骨格構造が同じであれば圧縮方向におけるセル径(空間の長さ)は大きくなるため、これに伴って(２)対流伝熱は高くなってしまう。このように、(１)および(２)の２つが相殺し合うため、全体的な熱伝導率は余り変わらない。しかし本発明に係る断熱材１０の場合、(１)骨熱伝熱および(２)対流伝熱の双方の低減を達成するため、高い断熱性能を確保し得る。そして本発明のように、フォーム体１２を圧縮してセル径(空間の長さ)を小さくする場合には、圧縮の前後で骨格太さは変わらないため、(１)骨熱伝熱を変化させずに(２)対流伝熱を小さく、すなわち熱伝導率を小さくできる。
【００２２】
ところで(１)骨熱伝熱および(２)対流伝熱については、図４に示す如く、３０ｋｇ／ｍ３程度の密度を境界として、より低密度領域においては(２)対流伝熱が、より高密度領域においては(１)骨熱伝熱が夫々より大きな影響を与えることが経験的に知られている。このため自動車等の車両用内装材を考えた場合には、その密度を圧縮後において３５ｋｇ／ｍ３程度以下、好適には３０ｋｇ／ｍ３程度以下とする必要がある。すなわちこの密度領域においては、(２)対流伝熱がより全体の熱伝導率に大きな影響を与えるため、フォーム体１２の圧縮による断熱方向のセル径(空間の長さ)の縮小は大きな効果が期待できる。
【００２３】
前述したように断熱材１０は、フォーム体１２を圧縮したものであるため、断熱材１０の圧縮方向のセル径は、基本的に圧縮前のフォーム体１２のセル径／圧縮倍率で算出される。本発明に係る断熱材１０を使用する場合、圧縮される基であるフォーム体１２の密度は前述の如く４〜２０ｋｇ／ｍ３の範囲であり、また通常の製造方法で製造されるポリウレタンフォームの一般的な下限密度である２５〜３０ｋｇ／ｍ３以下であるため、断熱材１０の密度を従来のポリウレタンフォームからなる断熱材と同程度に設定する場合、その圧縮倍率は最大で７.５倍程度となる。すなわち本発明に係る断熱材１０を使用した場合、その密度を従来のポリウレタンフォームからなる断熱材と同等に設定する場合、圧縮方向のセル径は最小で３０００μｍ／７.５倍＝４００μｍ以下とすることが可能である。一般的にはその製造容易性から１０ｋｇ／ｍ３程度のフォーム体１２を製造してこれを圧縮するため、その圧縮倍率は２.５〜３倍程度が適当であるため、セル数は３０００μｍ／２.５〜３倍＝１０００〜１２００μｍ程度以下に設定されることになる。
【００２４】
そして本発明に係る断熱材１０は、前述の如く、その密度が小さく、すなわち容易に圧縮可能であるため、例えば自動車内装における成形天井裏の表皮と芯材との間の僅かな隙間や、空調ダクト周りに対して、煩雑な手間を掛けることなく配置することが可能となっている。すなわち干渉設計が必要な部分に対して、容易に貼り合わせる等して配置し得る。また断熱材１０は、その圧縮倍率が高い程、断熱効果が高まるため、このような干渉下での使用においては、より高い断熱性を提供し得る。
【００２５】
(実験例)
以下に、本発明に係るポリウレタンフォームを使用した断熱材と、通常のポリウレタンフォームを使用した断熱材とについて、その圧縮前後の密度および熱伝導率等を比較した実験例を示す。
【００２６】
下記する各原料を以下に記載する表１に従って使用し、Ａ〜Ｅに係る５種類のポリウレタンフォーム(フォーム体１２)を夫々作製する。具体的な製造方法は、以下の通りである。すなわち先ずイソシアネート以外の全原料を所定の量比でハンドミキサーを用いて攪拌した後、表１に記載されたイソシアネートインデックスに従ってイソシアネートを混合し、この混合物５４０ｇを発泡箱(縦３００ｍｍ×横４００ｍｍ×高さ４００ｍｍ)に投入して発泡、硬化させてポリウレタンフォームとする。そして得られたポリウレタンフォームを表２に記載する厚さ(ｍｍ)に切断し、更に表２(実施例)および表２(比較例)に記載する厚さ(ｍｍ)に圧縮して実施例１〜５並びに比較例１および２に係る断熱材を製造した。そして圧縮前後における熱伝導率(Ｗ／ｍＫ)を測定した。また圧縮前後における密度(ｋｇ／ｍ３)およびセル径(μｍ(圧縮後は圧縮方向におけるセル径))と、空孔率(％)と、更には圧縮の際の加熱温度および加熱時間についても測定した。なお参考として、一般的な不織布からなる断熱材(商品名 シンサレート；住友スリーエム製)についても同様の測定を実施し、表２(実施例)および表３(比較例)に併記した。
【００２７】
(使用原料)
・ポリオール：商品名 ＧＰ３０００(数平均分子量３０００、当量重量１０００)；三洋化成工業製
・イソシアネート：商品名 Ｔ−８０(ＴＤＩ)；日本ポリウレタン製
・発泡剤：水(イオン交換水)
・触媒Ａ：商品名 ３３ＬＶ；三共エアプロダクツ製
・触媒Ｂ：商品名 ＭＲＨ１１０；城北化学製
・整泡剤Ａ：商品名 Ｌ−５４２０；日本ユニカー製
・整泡剤Ｂ：商品名 Ｂ８１１０；ゴールドシュミット製
【表１】
2005325313.tif 000003
【表２】
2005325313.tif 000004
【表３】
2005325313.tif 000005
【００２８】
(実験の結果)
実験から得られる結果を上記の表２および表３に併記する。この表２および表３に記載の結果から、ポリオール１００質量部に対して、発泡剤(水)を５〜５０質量部と過剰に混合することで製造される骨格が極めて細いフォーム体を圧縮して、そのセル径を小さくした断熱材は、熱伝導率を決定する(１)骨熱伝熱および(２)対流伝熱の双方を小さなものとして、０.０３１Ｗ／ｍＫ以下の高い断熱性と、３５ｋｇ／ｍ３以下となる密度とを併せて達成することが確認された。また圧縮倍率を高めることで、０.０３Ｗ／ｍＫ以下の非常に高い断熱性を確保し得ることも確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の好適な実施例に係る断熱材の製造方法を示す工程図である。
【図２】実施例に係る断熱材の圧縮工程を示す状態図である。
【図３】同様の骨格構造を備える構造体におけるセル径と骨格の太さとの関係を示す概略図である。
【図４】伝熱の種類における影響と、密度との関係を概略的に示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  断熱材
１２  フォーム体
【図１】
2005325313.tif 000006
【図２】
2005325313.tif 000007
【図３】
2005325313.tif 000008
【図４】
2005325313.tif 000009