発泡プラスチック
幅広い用途で使用されているが主な原料合成樹脂は、ポリウレタン (PUR)、ポリスチレン (PS)、ポリオレフィン(主にポリエチレン (PE)やポリプロピレン (PP))であり、これらは「三大発泡プラスチック」と呼ばれる。この他にも、フェノール樹脂 (PF)、ポリ塩化ビニル (PVC)、ユリア樹脂 (UF)、シリコーン (SI)、ポリイミド (PI)、メラミン樹脂 (MF)などもそれぞれの特性を生かした用途において発泡化され用いられている。
固相発泡成形法は、合成樹脂が固相または水蒸気などで若干加熱した固相に近い状態で発泡させる。あらかじめ合成樹脂と発泡剤および発泡助剤などから予備発泡ビーズを製造し、これを型に投入して内部で発泡(熟成)させる方法から、ビーズ法とも呼ばれる。PSビーズ法を例に取ればビーズには二種類の製法があり、スチレンモノマー・重合触媒・発泡剤などを水中で懸濁重合させる一段法と、含浸槽を使いPSポリマーに発泡剤を含ませる二段法(重合+含浸)が行われている。ガス透過性が高いポリオレフィンのビーズ製造条件には細やかな温度管理が必要となるが、工程改良が進み可能となった。
固相発泡成形法に適応する合成樹脂は、前述のPSやポリオレフィン以外にも、ポリ塩化ビニリデンがある。なお、本方法では圧倒的にPS使用量が多いため、一般に「ビーズ法」と言えばPSを用いたものを指す。
成形法には、発泡時の高分子材料がどのような状態にあるかによって区分する分類もある。低分子量のオリゴマーなど液状の高分子を注型する際に発泡させる場合は「注型発泡成形法」、加熱などにより流動性を持った状態での発泡は「溶融発泡成形法」、固体またはそれに準じる状態での発泡は「固相発泡成形法」と言う。これらの成形において、発泡させる際の合成樹脂の粘性および表面張力(または界面張力)が成形に影響を及ぼす。
ただし、
λ {\displaystyle {\lambda }} は、熱伝導率、
△ θ {\displaystyle {\triangle \theta }} は、両面温度差、
l {\displaystyle {l}} は、肉厚、
S {\displaystyle {S}} は、面積、
t {\displaystyle {t}} は、時間。
比熱 C f {\displaystyle {C_{f}}} は、加成性が成り立つ事から以下のように定義できる。
C f = m s C s + m g C g m s + m g {\displaystyle {C_{f}}={\frac {m_{s}C_{s}+m_{g}C_{g}}{m_{s}+m_{g}}}}
ただし、
m s {\displaystyle {m_{s}}} は、ポリマーの質量、
C s {\displaystyle {C_{s}}} は、ポリマーの比熱、
m g {\displaystyle {m_{g}}} は、気体の質量、
C g {\displaystyle {C_{g}}} は、気体の比熱。
発泡倍率が低いフォームは単位重量を占める気体の質量 m g {\displaystyle {m_{g}}} が非常に小さいため、合成樹脂の比熱をそのまま当てはめられる。
常圧発泡法は材料をシート状に押し出し、放射線または化学架橋をさせ、次に発泡剤の分解温度以上の熱をかけて発泡させることで、5mm厚程度のシート状成形品を得られる。架橋度を維持するために多官能性モノマーを使用する。このシートは深絞り成形が可能で、他の三大発泡プラスチックよりも耐熱性や耐薬品性に優れることから自動車内装のダッシュボードや天井材などに、また、低い吸湿性、高い断熱性、軽量な点から、目地材や断熱材などに使用される。使用量も多く、PPフォームの過半数は自動車用途に用いられる。
ビーズ発泡法ではEPSと同じくペレット状に押し出した材料を使用する。架橋は起こさず、揮発型発泡剤が用いられる。EPSや加圧発泡法同様、成形品の形状は金型に依存する。用途は耐熱性が若干求められる分野となり、梱包緩衝材の他に自動車のバンパーコア(芯材)や雑貨などにも使用される。
原料のEVAは、酢酸ビニル(VA)比率が中程度(14~28%)でメルトフローレート(MFR)が低いグレードが望ましい。高VA品は柔軟性が得られるが、MFRが高い品番同様ロール成形への適性が劣る。発泡剤はアゾジカルボンアミドやジニトロシペンタメチレンテトラミンなどが使われるが、発泡助剤を添加して分解温度を調整する必要がある。架橋剤にはジクミルパーオキサイドなど有機過酸化物が使用される。
EVAフォームの特徴である他材料の混合例では、物性や肌触りの向上やコストダウンを目指した充填材(炭酸カルシウム、シリカ、クレーなど)や、弾性や耐熱性改善のためのゴム類(天然ゴム、スチレン・ブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴムなど)が挙げられる。また、顔料による着色も可能で、カラフルな製品を得られる。
触媒は第3級アミンに、スプレー発泡では反応を早めるために有機銀触媒が加えられる。発泡剤は過去、断熱性能を高めるフロン-11やジクロロフルオロメタン(フロン-12)が広く使用されていたが、1995年の使用禁止令以降は代替フロン(フロン-22、HCFC-141b(1,1-ジクロロ-1-フルオロエタン)など)に転換され、さらに2000年代にはHCFC245faとHCFC365mfcの混合フロンやシクロペンタンなどへ変更された。水による発泡は併用する形で用いられていたが、実用化に向けた研究途上にある。
その他の添加物では、気泡の微細化や均一化また安定させるためにジメチルポリシロキサン系シリコーンオイルを整泡剤として使用したり、難燃性を付与するためハロゲン化燐酸エステル類や三酸化アンチモンまたは水酸化アルミニウムを加える場合もある。