JP2005538241A - 空洞およびピンホールのないポリウレタンブロックフォームの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、発泡剤としての水およびオプションとしての追加の添加剤の存在下での、少なくとも１種のポリオール成分および少なくとも１種のイソシアネート成分によるポリウレタンフォームの連続製造方法に関する。本発明の方法により：（ａ）ポリオール成分、イソシアネート成分、水およびオプションとしての追加の添加剤を、計量供給方法で混合ユニットの混合槽に送り込み、３〜２００バールの圧力範囲、好ましくは５〜２００バールの圧力範囲でこれらを混合してポリウレタン反応混合物を生成し、次いで；（ｂ）減圧要素において３〜２００バールの圧力範囲、好ましくは５〜２００バールの圧力範囲でポリウレタン反応混合物を噴霧し、これにより気泡核を形成し、このとき、減圧要素の後の流れ方向において絞り要素によって圧力を調節し、それによって、形成する気泡核の数を調節し、次いで；（ｃ）気泡核を含むポリウレタン反応混合物を絞り要素を通って流出させて基材に適用し、その上で該混合物は発泡して硬化する。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、発泡剤としての水の存在下、ポリウレタンフォーム、特にポリウレタンブロックフォームを連続的に製造する方法であって、混合および核形成（すなわち気泡核の発生）の工程を互いに別々に実施する方法に関する。

化学発泡剤としての水の存在下でのポリウレタンフォームの製造方法は、例えば、欧州特許公開公報（ＥＰ−Ａ１）第５６５９７４号に記載されている。この方法では、反応物のポリオールおよびイソシアネート、ならびに、水およびオプションとしての追加の添加剤を連続的に投与しながら混合槽に供給し、撹拌器タイプのミキサーによって混合する。次いで、混合物を排出する。発泡ガスとしての機能を果たし、ポリウレタンの発泡をもたらす二酸化炭素は、イソシアネートと水との反応において生じる。

ここで、撹拌器の機能は、一方では成分を互いに混合することである；他方では気泡核形成剤（または気泡造核剤）として少量で成分中に溶解する気体、例えば空気または窒素を非常に微細なガスマイクロバブルとして混合槽にリリース（解放）するという付加的な機能を有し、このマイクロバブルは気泡核として機能する。

気泡核形成剤として成分中に溶解しているガスの量に応じて、また、混合槽における圧力に応じて、溶解しているガスは剪断力およびキャビテーションによって撹拌要素において解放され、従って、反応の過程において化学的に生成されるＣＯ_２発泡ガスの核セルを形成する。しかしながら、半径によって大きく異なる周速度のために、このことは、非常にコントロールされていない、計画されていない方法で行われるため、非常に不均一なバブルスペクトルが生じる。

生成されるポリウレタンフォームのセル数を制御するために、成分中に、好ましくはポリオールおよび／またはイソシアネート成分中に、より多量の物理的に溶解する発泡ガス（低沸点液体またはＣＯ_２等）を追加的に溶解することも可能である。しかし、特に、物理的に溶解する発泡ガスを多く填充（またはローディング）する場合、このことは結果として排出時に混合物中に数多くの粗大気泡を頻繁に散在させるので、後に結果として、フォームに空洞（ボイド）、または、他には、すじ及びテクスチャ（ｔｅｘｔｕｒｅ）を生ずる。

更なる課題は、撹拌シャフトにおける気相分離の可能性にあり、気泡は、その低密度がゆえに、遠心力場の結果として撹拌シャフトに向かって内へ移動する。次いで、ポリウレタン反応混合物の流れによって、この気相から個々のより大きい気泡が同伴されることがあり、その結果これらの気泡は同様にフォームに空洞またはピンホール、すなわち欠陥をもたらす。

混合槽における遠心力は、さらに別の課題も生じさせる。撹拌器のタイプおよび撹拌速度にもよるが、混合槽における圧力は内側の領域に比べて外側では著しく大きい。しかし、圧力レベルは気泡核の解放に関して本質的なパラメーターである。目標とする核形成、すなわち目標とする気泡核の解放は、この影響の結果、極めて困難になる。さらに、この方法では、成分の混合の観点から単純に撹拌器を最適化することができない。それは、最適化された混合が目標としない気泡核の生成をもたらし得るからである。

目標とするセル数の調節を、空気または窒素等の気泡核形成剤を含む１つの成分を付加的に填充することにより試みる場合、更なる課題が生じる。実のところ、所定の混合槽の圧力において、反応成分の１つに気泡核形成剤として作用するガスを溶解させることにより、セル数を増大させることが原理上は可能である。しかし、この場合、生成するフォームにおいてピンホールおよび空洞も同時に生じる。この影響は、混合槽の圧力を増すことで排除されるが、形成するポリウレタンフォームにおいてより粗いセルが生じる。欠陥のない微細なセルは、溶解する気泡核形成剤の低い填充量および低い混合槽圧力においてのみ得ることができる。しかし、得られる混合槽圧力は、また、撹拌器のタイプ、混合物の粘度、処理量および撹拌速度に依存する。

従って、本発明の目的は、これらの相互依存性を解くこと並びに反応成分の良好な混合および目標とする気泡核の生成を可能にすることである。目的を達成するために、混合および核形成のプロセス工程を相互に空間的に分離し、まず成分を互いに混合し、次いでポリウレタン反応混合物において気泡核を発生させる。気泡核の数を圧力の調節によって制御する。

本発明は、発泡剤としての水およびオプションとしての追加の添加剤の存在下、少なくとも１種のポリオール成分および少なくとも１種のイソシアネート成分よりポリウレタンフォームを連続的に製造する方法であって、
（ａ） ポリオール成分、イソシアネート成分、水およびオプションとしての追加の添加剤を、混合ユニットの混合槽に計量供給方法で送り込み、該混合槽において３〜２００バール、好ましくは５〜２００バールの圧力下で混合してポリウレタン反応混合物を生成すること、次いで、
（ｂ） 減圧機構（または減圧体）において３〜２００バール、好ましくは５〜２００バールの圧力でポリウレタン反応混合物を微細化して気泡核を発生させ、このとき、減圧機構の下流において絞り機構（または絞り体）によって圧力を調節し、それによって、発生する気泡の数を調節すること、次いで、
（ｃ） 気泡核を含むポリウレタン反応混合物を絞り機構を通って流出させて基材に適用し、その上で該混合物は発泡して硬化すること、
を含んでなる方法に関する。

ここで、水およびオプションとしての添加剤を別々のストリームとして混合槽に供給してよく、あるいは、初めにこれらを少なくとも１種のポリオール成分および／またはイソシアネートに全部または部分的に導入して共に混合し、次いで、後者の少なくとも１種のポリオール成分および／またはイソシアネート成分と共に混合槽に供給してよい。

ポリウレタン化学において一般的なジイソシアネートおよび／またはポリイソシアネート、例えばトリレンジイソシアネート（またはトルイレンジイソシアネート）（ＴＤＩ）もしくはジフェニルメタン系列のイソシアネート（ＭＤＩ）等は、イソシアネート成分として適当である。

ポリウレタン化学において一般的である、イソシアネート基に対して反応性の水素原子を有する、ポリエーテル、ポリエステルまたはポリアミン等のポリオールがポリオール成分として適当である。

ポリウレタン化学においては一般的である補助剤および添加剤、例えば、触媒、乳化剤、安定剤、反応抑制剤、顔料、染料、難燃剤、追加の発泡剤または充填剤等を、添加剤として使用してよい。

いずれの適当な混合ユニットも混合ユニットとして用いることができる。撹拌器タイプのミキサーもしくはスタティックミキサーまたはそれらの組み合わせを好ましくは使用する。

被覆層を備え得るコンベヤーベルト、または金型（モールド）もしくは他の一般的な発泡支持体を、例えば、ポリウレタン反応混合物が発泡して硬化する基材として使用してよい。

気泡核形成剤として成分中に溶解する気体（空気または窒素等）およびイソシアネートと水との化学反応により生ずるＣＯ_２の混合槽における解放を、低圧領域および局所的な剪断勾配であっても生じさせないように、高圧で混合を実施することによって、混合槽での気泡核のコントロールされていない発生を防ぐことができる。混合槽における圧力は、３〜２００バールの範囲、好ましくは５〜２００バールの範囲、特に好ましくは１０〜１００バールの範囲である。

その後のポリウレタン反応混合物の噴霧化（または微細化）において、撹拌器による核形成と比較して、極めて微細な気泡核を含む特に狭いバブルスペクトルを生じることができる。この目的のために、３〜２００バールの圧力、好ましくは５〜２００バールの圧力、特に好ましくは１０〜１００バールの圧力において噴霧化を実施する。

混合槽で成分を混合する前に、気泡核形成剤を１またはそれより多くの成分、例えばポリオール成分および／またはイソシアネート成分に溶解するのが好ましい。気泡核形成剤は、普通は空気または窒素である。混合槽でのその後の混合を、混合物または成分中に溶解されているガスの溶解圧より高い圧力のような圧力で実施し、気泡核形成剤およびイソシアネートと水との化学反応により生ずるＣＯ_２が混合槽に解放されないようにする。

しかし、気泡核形成剤を混合槽に注入してそこで溶解してもよい。好ましくは、混合槽に注入された気泡核形成剤を槽において完全に溶解する。

しかし、保存（または貯蔵）の間にポリオール成分および／またはイソシアネート成分に溶解する空気または窒素の量は、しばしば気泡核の発生にもはや十分である。

混合槽の下流において、目標とする気泡核の生成が起こるように、適当な減圧機構によって圧力を減少させる。このためには、一方では、十分に高い剪断速度および剪断エッジ（ｓｈｅａｒ ｅｄｇｅｓ）の存在、他方では、反応混合物に溶解するガスの溶解圧より低い圧力レベルまでの低減が重要である。好ましくは低減を急に実施する。

１もしくはそれより多くのノズル、またはノズル領域が、噴霧化および気泡核の発生のための減圧機構として特に適している。この場合、ノズル領域とは、互いに隣接して配置され得、これを通って並流が生じる複数のノズルのような又はオリフィスのような開口部を意味すると理解されよう。例えば、オリフィス、篩または多孔板が同様に適当である。好ましい態様においては、これらの開口部、従って、これらの開口部を通って生じる流れの速度は調節可能である。このことは、例えば、ピントルタイプノズルまたは相互に置換可能もしくは回転可能な多孔板によって達成され得る。発生する気体核の数をこのようにして調節またはコントロールできる。

減圧機構の下流における圧力を、調節可能な絞り機構によって調節する。発生する気泡核の数は、この方法により調節可能である。核形成剤として用いる気体の量および種類に応じて、減圧機構と絞り機構との間の圧力レベルは、最大２０バールの範囲内、好ましくは０．１〜２０バールの範囲内、特に好ましくは０．１〜１０バールの範囲内、そして最も特に好ましくは０．２〜５バールの範囲内である。

絞り弁または他の適当な調節可能な絞りデバイスを絞り機構として用いてよい。ダイヤフラム弁またはピンチ弁を好ましくは用いる。

混合ユニットとしてスタティックミキサーを利用できることも、混合および核形成の工程の分離の利点である。スタティックミキサーは、圧力差が十分であるときのみ良好な混合を達成でき、スタティックミキサーを利用する場合には、目標とする気泡核の発生は混合および核形成の工程の分離無しには可能でない。事実、スタティックミキサーは混合物において、低圧領域およびキャビテーション領域、並びに十分に微細な核形成の達成に適切な剪断勾配のどれも発生させない。スタティックミキサーで徐々に圧力が減少することおよびスタティックミキサーを通る流れにおける比較的低い剪断力は、比較的少量の気泡数および高度に不均一なバブルスペクトルを生ずる。

しかしながら、スタティックミキサーの下流において適当な減圧機構に接続する場合、スタティックミキサーにおいて、特にスタティックミキサーの出口においても、圧力レベルをガスが解放されない十分に高いレベルに保つことができる。結果として、気泡核の発生に否定的な影響を及ぼさない混合に関してスタティックミキサーを最適化することができる。

本発明は、更に、混合槽、反応成分の供給ラインおよびポリウレタン反応混合物の排出開口部を有する混合ユニットを有して成り、減圧機構が排出開口部につながること、ならびに調節可能な絞り機構が減圧機構の下流に配置されていることを特徴とする、ポリウレタンフォームの連続製造装置に関する。

撹拌器タイプのミキサーもしくは静的混合要素またはこれらの組み合わせを、好ましくは混合ユニットとして用いる。

１もしくはそれより多くのノズルまたはノズル領域、同様にオリフィス、篩もしくは多孔板が減圧機構として特に適当である。

絞り弁または他の適当な調節可能な絞りデバイスを絞り機構として用いてよい。ダイヤフラム弁またはピンチ弁を好ましくは用いる。

Claims (10)

1. 発泡剤としての水およびオプションとしての追加の添加剤の存在下、少なくとも１種のポリオール成分および少なくとも１種のイソシアネート成分からポリウレタンフォームを連続的に製造する方法であって、
   （ａ） ポリオール成分、イソシアネート成分、水およびオプションとしての追加の添加剤を混合ユニットの混合槽に計量供給方法で送り込み、該混合槽において３〜２００バールの圧力下で混合してポリウレタン反応混合物を生成すること、次いで
   （ｂ） ポリウレタン反応混合物を減圧機構において３〜２００バールの圧力で微細化して気泡核を発生させ、このとき、減圧機構の下流において絞り機構によって圧力を調節し、それによって、発生する気泡核の数を調節すること、次いで
   （ｃ） 気泡核を含むポリウレタン反応混合物を絞り機構を通って流出させて基材に適用し、その上で該混合物は発泡して硬化すること、
   を特徴とする方法。
2. ポリオール成分、イソシアネート成分、水およびオプションとしての追加の添加剤を５〜２００バールの圧力で混合し、次いで工程（ｂ）でポリウレタン反応混合物を５〜２００バールの圧力で微細化する、請求項１に記載の方法。
3. 撹拌器タイプのミキサーもしくは静的混合要素またはこれらの組み合わせを混合ユニットとして用いる、請求項１に記載の方法。
4. １もしくはそれより多くのノズルまたはオリフィスを減圧機構として用いる、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 開口部の断面積が調節可能であるノズルまたはオリフィスを用いる、請求項４に記載の方法。
6. ダイヤフラム弁またはピンチ弁を絞り機構として用いる、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 減圧機構と絞り機構との間の最大圧力が２０バールであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 混合前に混合槽において気泡核形成剤をポリオール成分および／またはイソシアネート成分に溶解する、請求項１に記載の方法。
9. 気泡核形成剤を混合槽に注入し、該混合槽で溶解する、請求項１に記載の方法。
10. ポリウレタンフォームの連続製造装置であって、混合槽、反応成分の供給ラインおよびポリウレタン反応混合物の排出開口部を有する混合ユニットを有して成り、減圧機構が排出開口部につながること、ならびに、調節可能な絞り機構が減圧機構の下流に配置されていることを特徴とする連続製造装置。