JP2005088559A - 熱膨張性防火用構造体 - Google Patents

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清高 斉藤
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Abstract

【課題】 優れた耐火性能、熱膨張性及び形崩れ防止効果とともに、温度感応性に優れた膨張性を発揮できる熱膨張性防火用構造体を提供する。
【解決手段】 特定量の熱可塑性エラストマーを含有したゴム成分又は軟質ウレタンフォームに、膨張性黒鉛、ホウ酸、及び/又は無機充填剤を添加、配合してなる膨張層と特定量の熱可塑性エラストマーを含有したゴム成分又は軟質ウレタンフォームに膨張性黒鉛より膨張開始温度が低い膨張性マイクロカプセル、又は膨張性マイクロカプセルと膨張性黒鉛、ホウ酸、及び/又は無機充填剤を添加、配合してなる膨張層を積層することにより得られる、難燃性を有し火災発生時には熱膨張し、しかも燃焼後の残渣が充分な形状保持性を有することを特徴とする熱膨張性防火用構造体。
【選択図】 なし

Description

本発明は、新規な熱膨張性防火用構造体に関する。
防火用膨張性材料又は防火用発泡性材料(以下「防火用膨張性材料」と称す)は、例えば電力ケーブル、通信ケーブル等のようなケーブル類、空調設備等の配管類の周囲の被覆等に使用される。これらケーブル類、配管類等は、防火区画体の貫通口を通じて、複数の防火区画体にまたがって配置される。
防火用膨張性材料が使用された部位は、火災時において加熱により膨張又は発泡して膨張層を形成し、これにより貫通口を閉塞して火災の延焼防止を図る。このため、防火用膨張性材料では、火災時に比較的低温で膨張を開始し膨張層により断熱作用を発現させ、膨張層の形成後には、膨張層が炎熱によって容易に形崩れを起こさず、所定の形状を出来るだけ長時間保持できることが条件となる。
これに関し、例えばベース樹脂に無機系膨張剤及び又は有機系膨張剤と、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂等の形崩れ防止用樹脂とが同時に配合されてなることを特徴とする防火用膨張性樹脂組成物等が知られている(例えば特許文献1参照)。この防火用膨張性組成物によれば、特に形崩れ防止用樹脂が配合されていることから、炎熱を受けても膨張層が形崩れを起こさず、その形状を保持し続けることができるとされている。しかしながら、上記の防火用膨張性組成物は、形崩れ防止用樹脂自身が溶融ひいては燃焼してしまうため、火災中に十分な耐火性能が得られなかったり、膨張層が容易に粉化して火災後の処理に支障をもたらす。また形崩れ防止用樹脂は比較的高価でありコスト面においても問題がある。用途によっては弾性・柔軟性が十分でない面もある。他方、弾性・柔軟性を有するポリウレタンに耐火性を付与するための技術として、ポリオールとポリイソシアネートに難燃剤として膨張性黒鉛を配合する耐火性弾性ポリウレタン軟質フォームの製造方法が知られている(例えば特許文献2参照)。しかしながら上記の製造方法では、形崩れ防止効果はなお不十分である。またポリオールとポリイソシアネートの二液反応混合物からポリウレタンを製造する上記技術では、多量の膨張性黒鉛を配合することは極めて困難であり、十分な耐火性能を得ることができない。すなわち、より優れた耐火性能を付与するためには、膨張性黒鉛及び形崩れ防止剤をできるだけ多く配合することが必要となるが、上記技術ではスラリー粘度が高くなり、目的とするポリウレタンの製造そのものが困難となってしまう。これらの問題点を改善した技術としてゴム又は軟質ウレタンフォームに膨張性黒鉛及び形崩れ防止剤としてホウ酸を配合した組成が開示されている(例えば特許文献3、4)が、さらに膨張性黒鉛の膨張温度より低温で膨張を開始し断熱性をいち早く付与させることや、膨張により間隙をいち早く遮断し、煙の流入を阻止させることが要求されている。また、耐火性成形体では膨張開始温度の異なる黒鉛とリン化合物を配合したシート状成形体及び積層体(例えば特許文献5参照)や膨張性黒鉛及びリン化合物を含有したシート層と不燃性材料層からなる構造体(例えば特許文献6参照)があるが、加熱後の耐火材の形状保持性が劣り、加熱初期の膨張性も十分ではない。
特開平9−176498号公報(第2頁:請求項1〜4) 特許第2732435号(第1頁:請求項1〜9、第2頁請求項10〜12) 特開2001−348487号公報(第2頁:請求項1〜5) 特開2001−348476号公報(第2頁:請求項1〜8) 特開平11−323148号公報(第2頁:請求項1〜3) 特開平11−131630号公報(第2頁:請求項1〜16)
このように、形崩れ防止効果を含み耐火性能を十分満足し、弾性と柔軟性とを兼ね備え、かつ所定温度で1次膨張後、更に高温で2次膨張する材料は、未だ開発されていないのが現状である。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成させるに至った。
本発明は、熱可塑性エラストマーを特定量以上含有するゴム成分、又は軟質ウレタンフォームと、膨張性黒鉛、ホウ酸、及び/又は無機充填剤からなる膨張層(A)と熱可塑性エラストマーを特定量以上を含有するゴム成分、又は軟質ウレタンフォームと、膨張性マイクロカプセル、又は膨張性マイクロカプセルと膨張性黒鉛、ホウ酸、及び/又は無機充填剤からなる膨張層(B)とからなり、難燃性を有し、火災発生時には熱膨張し、しかも温度感応性に優れ比較的低温で膨張して燃焼ガスや煙が貫通口の隙間から流入するのを防止し、且つ燃焼後の残渣が充分な形状保持性を有する、これまでにない新規な熱膨張性防火用構造体に関わるものである。
本発明構造体は、ホウ酸と膨張性黒鉛、ホウ酸と膨張性黒鉛より膨張開始温度が低い膨張性マイクロカプセル又はホウ酸と膨張性マイクロカプセル及び膨張性黒鉛との組み合わせにより、従来技術よりも優れた耐火性能を発揮することができる。すなわち、膨張性マイクロカプセルが比較的低温で膨張する温度感応性に優れた特性と、高温下では膨張性黒鉛が膨張層を形成しホウ酸の形崩れ防止効果で長時間高温下にさらされても脆弱化しにくい。その結果、火災においても優れた耐火性能を安定して得ることができる。また、火災後においても、膨張層が崩れにくいため、火災後の処理も円滑且つ安全に行うことができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で用いられるゴム成分は、エチレンプロピレンゴム、ブチルゴム、スチレンブタジエンゴム、イソプレンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、ポリブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ポリブテンゴム、塩素化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、クロルスルホン化ポリエチレン、シリコーンゴム、フッ素ゴム、天然ゴム又は熱可塑性エラストマーが使用できる。
これらのゴム成分は混練性、シート成形性、押出し成形性、プレス成形性等を改善するために2種以上をブレンド使用することができるが、更にこうした成形品の寸法安定性を保持し、かつ強度及び可撓性のバランスを付与するためにゴム成分中に熱可塑性エラストマーを少なくとも20質量%以上含有して使用することが好ましい。20質量%より少ないと成形性、強度、成形品の寸法安定性が充分でない。
熱可塑性エラストマーの添加効果は、成形加工時には熱可塑性エラストマー中のハードセグメントが溶融し流動性を発現して成形性に効果を発揮し、一方常温では熱可塑性エラストマー中のソフトセグメントによりゴム弾性を発現し強度及び可撓性に効果を発揮するとともにハードセグメントが成形品の寸法安定性を改善している。
そして火災発生時には熱によりハードセグメントは溶融し、熱膨張した膨張性黒鉛を一時的につなぎとめる役割も果たしている。
本発明で用いられる熱可塑性エラストマーは塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、スチレン系熱可塑性エラストマー、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー等の各種熱可塑性エラストマーが使用できるが、これらの熱可塑性エラストマーの中で特にスチレン系熱可塑性エラストマーが好ましい。スチレン系熱可塑性エラストマーとしては、ビニル芳香族化合物を主体とする重合体ブロックと共役ジエン化合物を主体とする重合体ブロックとからなるブロック共重合体で、ビニル芳香族化合物としては、例えばスチレン、p−メチルスチレン、α−メチルスチレン、ビニルキシレン、モノクロロスチレン、ジクロロスチレン、モノブロモスチレン等が挙げられ、これらは単独又は2種以上組み合わせて使用される。これらのうち特に好ましいものはスチレンである。共役ジエン化合物としては1,3−ブタジエン、イソプレン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン等が挙げられ、これらは単独又は2種以上組み合わせて使用される。これらのうち、好ましいものは1,3−ブタジエン、イソプレンであり、特に好ましいものは1,3−ブタジエンである。
本発明で用いられるスチレン系熱可塑性エラストマーのブロック共重合体は、公知のアニオン重合により製造される。
本発明で用いられる軟質ウレタンフォームは一液タイプ、二液タイプ等いずれの原料から得られたものも使用できるが、特に一液タイプが好ましい。一液タイプのものは、例えば水性ウレタンプレポリマーから得られる軟質ウレタンフォームを好適に用いることができる。
水性ウレタンフォームを使用する場合には、まず膨張性黒鉛及びホウ酸に水を加えてスラリーを調整した後、このスラリーに水性ウレタンプレポリマーを混合し、発泡硬化させることにより製造することができる。スラリー濃度は、最終製品の使用目的、用途等に応じて適宜設定することができるが、通常は20〜90質量%、好ましくは50〜70質量%である。水が多すぎる場合には、得られる成形体の形状安定性が低下するおそれがある。また水が少なすぎる場合には、スラリーの粘度が上昇するため、所望の発泡硬化体が得られなくなることがある。
また、スラリーには、必要に応じて他の添加剤を配合することもできる。例えば、界面活性剤、架橋剤、整泡剤、触媒、発泡剤、難燃剤、安定剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、顔料、フィラー等を用いることができる。スラリーはこれらの成分を同時又は順次配合した後、公知の攪拌機等で均一に混合する。次いでスラリーに水性ウレタンプレポリマーを添加し、発泡が開始するまで攪拌混合を続ける。必要に応じて所定の形状を有する型に注入し発泡硬化させる。得られた成形体は必要に応じて例えば約50℃で養生して含有水分を蒸発させることにより、形状安定性に優れた発泡硬化体を得ることができる。これらの養生時間は、養生温度、発泡硬化体の大きさ等に応じて適宜設定すればよい。
本発明で用いられる膨張性黒鉛は特に限定されない。膨張性黒鉛は天然グラファイト、熱分解グラファイト等の粉末を硫酸、硝酸等の無機酸と濃硝酸、過マンガン酸塩等の強酸化剤とで処理されたもので、グラファイト層状構造を維持した結晶化合物である。200℃程度以上の温度に曝されると100倍以上に熱膨張する。粉末には脱酸処理に加え、更に中和処理したタイプ他、各種品種があるがいずれも使用できる。粒度は、20〜400メッシュ程度が好ましい。400メッシュより粒度が小さくなると黒鉛の熱膨張度が小さく、また20メッシュより粒度が大きくなるとゴムに混練する際に分散性が悪くなり、強度等の物性低下がさけられない。
膨張性黒鉛の含有量は、ゴム成分又は軟質ウレタンフォームの種類、所望の膨張倍率等によって適宜設定することが出来るが、通常はゴム成分又は軟質ウレタンフォーム100質量部に対し5〜100質量部を使用する。5質量部より少ないと火災発生の高温時の熱膨張倍率が小さい。100質量部を超えると熱膨張倍率は大きくなるものの、得られる配合物の硬度が上昇し、強度等の物性も低下する。またシート成形する場合には成形性が劣り表面肌が悪くなる。
本発明に用いられる膨張性マイクロカプセルは、低沸点の液体や固体あるいは加熱によってガスを発生する化合物を熱可塑性樹脂の殻で内包したプラスチックの微小球体(平均粒子径:5〜50μm)で、加熱によって殻が軟化し、同時に内包されている物質がガス化あるいはガスを発生しカプセルの膨張が起こるものである。内包される物質としては、低沸点の炭化水素や重炭酸ナトリウム等の重炭酸塩等あり、本用途には特に低沸点の炭化水素が好ましい。膨張開始温度は殻である樹脂組成によって種々設計されるが、70℃〜170℃の性状のものが使用できる。膨張開始温度の選択は併用される膨張性黒鉛の膨張開始温度より低いものが使用される。加熱時に、まず膨張性マイクロカプセルが膨張を開始し、更に温度上昇により膨張性黒鉛が膨張を開始する。これによって初期の加熱時に発生する煙やガスの流入を遮断し、また初期膨張により発泡層を形成し断熱効果を発揮できる。
膨張層(B)に使用される膨張性マイクロカプセルの含有量は、通常はゴム100質量部に対し5〜100質量部を使用する。5質量部より少ないと、加熱時の熱膨張倍率が小さい。100質量部を超えると熱膨張倍率は大きくなるものの、コストが高くなり好ましくない。また膨張性マイクロカプセルと膨張性黒鉛との質量比率は、好ましくは10:0〜1:10、より好ましくは10:0〜1:5である。
本発明の無機系形崩れ防止剤としては、ホウ酸を用いる。ホウ酸自体は、公知の製法により得られるもの又は市販品を用いることができる。ホウ酸は、オルトホウ酸(H3BO3)、メタホウ酸(HBO2)等のいずれでも良いが、通常はオルトホウ酸を使用する。ホウ酸は、通常は粉末の形態で使用すれば良い。この場合、粉末の粒径は特に制限されないが、比較的粒径の小さなもの(通常100μm程度以下、好ましくは20μm程度以下)が好ましく使用できる。
ホウ酸の含有量は、使用する膨張材の使用量によって適宜設定することができるが、通常はゴム100質量部に対し10〜200質量部を使用する。10質量部より少ないと膨張性黒鉛をつなぎとめる効果が小さく、形崩れ防止性能が劣る。また200質量部を超えて使用すると配合物の硬度が高くなり可撓性が劣るので好ましくない。
ホウ酸と膨張材の割合は、成形性、強度特性等のバランスを考慮すると、質量比で1:5〜10:1、好ましくは1:2〜5:1である。
本発明で用いられる無機充填剤は、成形性等を改善する。
無機充填剤としては、シリカ、珪藻土、アルミナ、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化鉄、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸亜鉛、炭酸バリウム、ハイドロタルサイト、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、ケイ酸カルシウム、タルク、クレー、マイカ、ベントナイト、活性白土、セピオライト、ガラス繊維、ガラスビーズ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維等が使用できる。これらは2種以上を併用しても良い。
また粒径はゴム中への分散性の観点から1〜50μmが好ましい。
上記無機充填剤の中では、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムは加熱時の脱水反応によって生成する水のために吸熱が起こり、温度上昇が抑えられるという点で難燃性が改善され好ましい。特に水酸化アルミニウムが低価格で使いやすい。
無機充填剤は、ゴム成分100質量部に対して10〜300質量部添加使用する。10質量部より少ないと、シート成形性、打ち抜き性を改善する効果が小さい。300質量部を超えて使用すると、組成物の硬度が高くなり可撓性が劣り、強度特性も低下するので好ましくない。
更に本発明では、ゴムに一般に使用される可塑剤、軟化剤、老化防止剤、加工助剤、滑剤、粘着付与剤、加硫剤等を適宜併用することが可能である。
上記ゴム配合物は、上記各成分を公知のミキサー、バンバリーミキサー、ニーダーミキサー、二本ロール等の混練装置を用いて混練した後、これをプレス成形、ロール成形、押出し成形、射出成形等の従来公知の成形方法を用いて成形品を得ることが出来る。
本発明組成物はいずれの形態でも用いることができる。例えば、シート状、テープ状、粒状等に成形したり、あるいはパテ状で用いることもできる。更にこれら成形体を適当な粒径に粉砕して所定の部位に(A)層と(B)層の二層構造となるように充填して使用することも可能である。
本発明構造体は膨張層(A)と膨張性マイクロカプセルを含有する膨張層(B)とからなり(A)層と(B)層は別々に成形したものを積層するか、2色成形あるいはサンドイッチ成形のように一体成形で得られる。膨張層(A)と膨張層(B)との厚み比率は0.1〜10であり、膨張層(A)と膨張層(B)との合計厚みは用途によって任意に設定してよい。
本発明構造体は膨張層(A)を防火対象材側に被覆し、その外部を膨張層(B)を積層してなるものである。火災時に初期の加熱で膨張層(B)に含有される膨張性マイクロカプセルが膨張し、断熱性及び煙遮断等の効果を発揮し、さらに過熱されると膨張性黒鉛が膨張を開始し、難燃性かつ断熱性により火災を食い止めるものである。
以下本発明を実施例により具体的に説明するが、これらの実施例は本発明を限定するものでない。なお、以下の説明における部および%は質量基準に基づく。
「実験例1〜10」
実験例において、下記の材料を使用した。
a.ゴム:ブチルゴム(JSR(株)製、「ブチル268」)、EPDM(DSMジャパ ン(株)製、「ケルタン2630A」)、SBS(JSRシェル(株)、「クレイトンD1 101」)。
b.水性ウレタンプレポリマー:(三井化学製、「EGH−401」)
c.膨張性黒鉛:(住金ケミカル(株)製、「SS−3」膨張開始温度260℃、「50 LTE−U」膨張開始温度170℃)。
d.膨張性マイクロカプセル:(松本油脂製薬(株)「F−793」膨張開始温度11 0℃、「H−850」膨張開始温度155℃、「M−330」膨張開始温度105 ℃)。
e.ホウ酸:(BOR社製)
f.無機充填剤:(昭和電工(株)製、「ハイジライトH−42」)。
g.軟化剤:ナフテン系オイル(出光興産(株)製、「NP−24」)。
h.加工助剤:(理研ビタミン(株)製、「エマスター510P」)。
「実施例1〜7」「比較例1〜7」
(1)ゴム成分含有組成物
表1に示す成分を3リットルニーダーを用いて均一に混練することにより、熱膨張性防火用組成物を調整した。次いで、各組成物をプレス成形機で厚さ2、4、6mmの各厚みのシートを成形した。これら成形体を各実施例に示す組み合わせで膨張層(A)と膨張層(B)とを積層させ、評価用構造体サンプルを調製した。この構造体の性状結果を表3〜6に示す。
(2)水性ウレタンプレポリマー含有組成物
表2に示す配合量でホウ酸、膨張性黒鉛及び/又は膨張性マイクロカプセルの混合物に水を加えてスラリーを調製した。このスラリーに水性ウレタンプレポリマーを加えて攪拌混合し、寸法12cm×12cm×17cmの型に注入して発泡成形させ、型とともにオーブン中100℃で1時間で養生した後、脱型した。得られた発泡硬化体をさらにオーブン中50℃で2日間養生することにより、水分を蒸発させてスポンジ状の成形体を得た。次いでスポンジ用スライサーを使用して、厚さ10mmに切り出し試験に供した。
各実施例に示す組み合わせで膨張層(A)と膨張層(B)とを積層させ、評価用構造体サンプルを調製した。この構造体の性状結果を表3〜6に示す。
各物性の測定方法を、以下に示す。
可撓性:シート成形あるいはウレタン発泡成形した膨張層(A)と膨張層(B)を重ね合わせたシートから1号ダンベルで打ち抜き、両端を45度の角度に持ち上げ、曲がった時の亀裂発生の程度を、亀裂なしの場合を○(良)、亀裂ありの場合を×(悪)として評価した。
熱膨張性:膨張層(A)と膨張層(B)とを重ね合わせ、耐火レンガと耐火レンガの隙間を積層試験片の厚みの倍の間隔に調整し、試験片の下部50mmが埋まるように上部20mmが突き出るように挿入し設置し、この状態のままギアオーブン中にて、140℃、170℃、200℃及び300℃の各温度で、0.5時間熱処理した後、隙間が完全に閉塞した場合は○(良)、そうでない場合は×(悪)と評価した。
形状保持性:熱膨張性評価治具を用いて、上部に突き出た20mmの試験片の300℃で0.5時間熱処理後の形状安定性と変形度合いを、指触と目視で評価した。指触で形崩れしにくく変形の小さい場合は○、指触ですぐに形崩れし変形する場合は×、その中間を△と評価した。結果を表3〜表6にまとめた。
Figure 2005088559
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Claims (10)

  1. 熱可塑性エラストマーを少なくとも20質量%以上含有するゴム成分、又は軟質ウレタンフォームに熱膨張剤として膨張性黒鉛、無機系形崩れ防止剤としてホウ酸及び/又は無機充填剤とからなる組成物から形成される膨張層(A)と熱可塑性エラストマーを少なくとも20質量%以上含有するゴム成分、又は軟質ウレタンフォームに熱膨張剤として膨張性マイクロカプセル又は膨張性マイクロカプセルと膨張性黒鉛、無機系形崩れ防止剤としてホウ酸及び/又は無機充填剤とからなる組成物から形成される膨張層(B)からなり、かつ防火対象材に接する側に膨張層(A)を被覆することを特徴とする熱膨張性防火用構造体。
  2. 熱可塑性エラストマーがビニル芳香族化合物を主体とする重合体ブロックと共役ジエン化合物を主体とする重合体ブロックとからなるスチレン系エラストマーであることを特徴とする請求項1に記載された熱膨張性防火用構造体。
  3. 膨張層(A)が、ゴム成分又は軟質ウレタンフォーム100質量部に対し、膨張性黒鉛5〜100質量部、ホウ酸10〜200質量部、及び/又は無機充填剤10〜300質量部からなり、かつ合計が500質量部以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載された熱膨張性防火用構造体。
  4. 膨張層(B)が、ゴム成分又は軟質ウレタンフォーム100質量部に対し、熱膨張性マイクロカプセル5〜100質量部、又は熱膨張性マイクロカプセル5〜100質量部と膨張性黒鉛5〜100質量部、ホウ酸10〜200質量部、及び/又は無機充填剤10〜300質量部からなり、かつ合計が500質量部以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載された熱膨張性防火用構造体。
  5. 軟質ウレタンフォームが、水性ウレタンプレポリマーから得られるものである請求項1、3又は4のいずれか1項に記載された熱膨張性防火用構造体。
  6. 膨張性マイクロカプセルの膨張開始温度が70℃〜170℃であり且つ膨張性黒鉛より膨張開始温度が低いことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載された熱膨張性防火用構造体。
  7. 無機充填剤が水酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載された熱膨張性防火用構造体。
  8. ホウ酸と熱膨張剤との質量比率が1:5〜10:1であり、膨張層(B)の膨張性マイクロカプセルと膨張性黒鉛との質量比率が10:0〜1:10であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載された熱膨張性防火用構造体。
  9. 膨張層(A)及び膨張層(B)が押出し成形法、射出成形法、プレス成形法、ロール成形法、発泡成形法により成形された請求項1〜8のいずれか1項に記載された熱膨張性防火用構造体。
  10. 膨張層(A)と膨張層(B)との厚み比率が0.1〜10であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載された熱膨張性防火用構造体。
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