発泡プラスチック
ポリイミド(PI)を用いたフォームは、素材の特性を生かした耐熱・耐寒性を特徴とし、また難燃性や吸音性も有している。1968年頃から芳香族ジカルボン酸無水物に、芳香族ジアミンもしくは芳香族ジイソシアナートを反応させ、得られた中間体を電子オーブンで加熱して発泡させたブロックを切削して成形する。船舶や自動車およびなどでエンジンの吸音と断熱用途の他に、音響機器分野や航空宇宙工学分野でも用いられる。
注型発泡成形法のうち、発泡製造体(スラブ)を後加工するブロック法と型内で発泡成形するモールディング法が用いられる。ブロック法は工程紙上にミックスした原料を吐出して自由発泡させ、幅1-2m高さ0.3-1mの断面を持つ角状またはカマボコ状の塊状フォームを短尺では2m程のブロックを、連続的には60m程度の長い発泡品を製造する。これには、二次加工時のロスを減らすために、上面に生じる冠状の表面荒れ低減や一定の断面形状を得るよう様々なプロセスの工夫が為されている。裁断やプレス成形など二次加工を前提とするブロック製のラブフォームは弾性やクッション性などの柔らかさ、また濾過性や吸音性などを特徴とする。家具・寝具類またはスピーカー・ヘッドフォンなどのクッションやマット、衣類関連のパッドやインソール類、家電機器や産業機器類の吸音・断熱材またはフィルターなど、また農業分野の水耕マットや培地など、広い範囲で使用される。
硬質用ポリオールを用いたPURを独立気泡で発泡成形すると、硬質ポリウレタンフォーム(硬質PUF)が得られる。PUFの定義は旧JIS K-6900では「圧縮強さが極めて大きく、変形させると応力を外してもほとんど戻らない」と曖昧な定義に留まっているが、ISO(TC61/WG10 [France-28] 205)では「50%圧縮後開放し、厚みの減少率が10%以上」と定められている。独立気泡の硬いフォーム構造をもったものは、最も高い断熱性を持っている。軟質ポリウレタンフォーム同様に研究開発が進む中、1958年にはHoudry社が開発した触媒を用いてワンショット法が実用化され、市場が大きく開けた。
合成樹脂を発泡させる気相を得る方法は主に、化学反応を利用する方法(化学反応ガス活用法)、沸点が低い溶剤を用いる方法(低沸点溶剤活用法)、空気を混入させる方法(機械的混入法)、含ませた溶剤を除去する過程で空隙を作る方法(溶剤除去法)などがある。
化学反応ガス活用法には、PURなどで用いられる重合時に発生する炭酸ガスを用いる手法と、PEなどで利用される発泡剤が熱分解反応時に発生する炭酸ガスや窒素ガスを利用する手法がある。幅広い発泡倍率を選択できる。また、これら化学反応は概して発熱反応であるため、反応熱を利用することもできる。
低沸点溶剤活用法では、低級アルカンや塩フッ化アルカンなどを含有させ、成形時の加熱や反応熱または圧力開放を利用して溶剤を気化させることで発泡させる。硬質PURや押出成形PSなどで用いられる。また化学反応ガス活用法と併用する場合も多く、発泡倍率の選択幅も広い。塩フッ化アルカンには過去クロロフルオロカーボンが多用されていたが、環境への配慮からオゾン層破壊係数が低い原料への転換が行われている。
機械的混入法は、重合前のオリゴマーや加熱溶融させたポリマーなど流動状態の材料に空気や窒素ガスなどを吹き込み、機械的に混合または混練させて成形する。主にゴムやエラストマー類、または押出成形品などで用いられる。
溶剤除去法では、PFなど重合時に使用する溶剤を反応硬化後に除去し、多孔質を形成する。除去法は加熱蒸発または水に浸漬する手段などがある。微細な孔が成形できるため、人工皮革などを製造する際に用いられる。
気泡(細胞とも言う)と隔膜の構造は、物性に大きな影響を与える。気泡が隔膜で完全に区切られている場合は反発力を持つ硬い構造となり、浮力や断熱に向いた性質を帯びる。気泡が繋がっている場合は空気や液体を通し、また柔らかい肌触りとなる。同じ発泡倍率下で気泡が小さくなると隔膜は薄くなる。また熱可塑性樹脂を発泡させると、全体の強度や接触面積の増加から耐薬品性は低下するが、隔膜を微視的に見ると二軸延伸効果から弾性や柔軟性および耐寒性は高まる。独立気泡と連続気泡の比率は、エアーピクノメーター法(空気比較式比重計)で計測される。
内部で気泡がどのように分散しているかについては、いくつかの理論が提唱されている。発泡剤がランダム分布し、その幾つかが結びついて気泡を形成する仮説から誘導される理論では、気泡の大きさはポアソン分布に従うと考えられ、一つの気泡が有限な n {\displaystyle n} 個の発泡剤から作られる確率 P ( n ) {\displaystyle P(n)} は、
P ( n ) = n ̄ n n ! e − n {\displaystyle P(n)={\frac {{\bar {n}}^{n}}{n!}}e^{-n}}
ただし、
e {\displaystyle {e}} は、ネイピア数 ( e {\displaystyle {e}} = 2.71828...)、
n ! {\displaystyle {n!}} は、 n {\displaystyle {n}} の階乗、
n ̄ {\displaystyle {\bar {n}}} は、 n {\displaystyle {n}} の算術平均。
と定義される。ここで n {\displaystyle n} はかなり大きな数となるため、上式は標準偏差が n ̄ {\displaystyle {\bar {n}}} の正規分布と近似させ、
P ( n ) = 1 2 π n ̄ e − ( n − n ̄ ) 2 2 n ̄ d n {\displaystyle P(n)={\frac {1}{\sqrt {2\pi {\bar {n}}}}}e^{-{\frac {(n-{\bar {n}})^{2}}{2{\bar {n}}}}dn}}
と表すことができる。さらに気泡を半径 r {\displaystyle r} の球と仮定し上式から、
P ( r ) = 6 r 2 r 3 e − 2 π ( r 3 − r ̄ 3 ) 2 3 r ̄ d r {\displaystyle P(r)={\frac {{\sqrt {6}}r^{2}}{\sqrt {r^{3}}}}e^{-{\frac {2\pi (r^{3}-{\bar {r}}^{3})^{2}}{3{\bar {r}}}}dr}}
という気泡半径の確率式を導いている。
気泡の形状については観察の結果から、界面化学にて安定しているとされる五角形の面が12枚集まった十二面体であるという説で固まっている。
硬質PURフォームは注型発泡成形法の様々な手法が用いられる。その際、全原料を一度に混合発泡させるワンショット法と、イソシアネートを除いた原料だけをすべて混合させた液体(R液)とイソシアネート(T液)を別々に準備し、それらを合わせて混合発泡させるプレミックス法があり、原料選択や設備などが異なる。また、工場内で製造するケースと現場にて発泡させるケースでも区分される。
工場内で行うブロック法やモールディング法は軟質PURフォームの製造法に準じるが、クラッシング工程は無い。モールド法では比較的緻密なスキン層が形成されるため、金属部品などのインサート成形が可能となり、耐水性も向上する。家具・インテリアの芯材など多様に利用される。高密度のフォームは木肌に近い質感があり、さらにガラス長繊維で強化されたフォームは材木に匹敵する機械強度を持つため、耐腐食目的の構造材料として、船舶やタンク類または軽量で断熱性を持つ構造材として輸送・住宅・スポーツ用品などにも採用される。
連続ラミネート発泡は2枚の表面材の間に原料を注入して発泡させると同時に自己接着させ、サンドイッチ状の製品を一気に得られる。サイディングボードや断熱パネルなど建材分野での大量生産に向いている。注入発泡は箱状の空隙内で発泡させる点で原理的には同様だが、箱の強度がフォームの発泡圧力に耐えられるものまたはプレス・型枠などの治具で補助しなければならない。
注型発泡成形は、モノマーやオリゴマーなど液体原料の固化と気泡生成が同時並行で進行する。その過程は、重合反応によって生じるガスや発泡剤などを利用したり機械的に攪拌して気体を吹き込むなどの手段を用いて、液体中に気体が過飽和した状態を経て発生する泡によって原料が乳化し気液不均一系となり、重合が進むにつれ分子量が高まりゲル化を経て気固不均一系へと変化する。しかし、固体部分が可塑性を持つ間は全体の膨張が続き、やがて気体の膨脹圧力と合成樹脂の気泡膜強度が均衡する段階となって発泡が完了する。
この成形法では、界面活性剤が大きな役割を果たす。泡が発生し始める「クリームタイム」の際に液体を攪拌するが、この攪拌エネルギーは表面張力と比例するため、界面活性剤が介在すると少ない運動量で泡の細分化と均一化が図られる。また、発泡が進行し気泡壁が引き伸ばされる過程においても、表面張力が低い状態であれば泡の崩壊が起こりにくい。