JP2008232374A - 真空断熱材 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な断熱性を有しながらも、生産時および廃棄時の作業性および安全性に優れた真空断熱材を提供すること。
【解決手段】少なくとも芯材と該芯材を収納し内部を減圧状態に維持する外包材とを備えてなり、前記芯材が平均繊維長３〜１２０ｍｍのポリ乳酸系繊維を含有するシート状繊維集合体であることを特徴とする真空断熱材。
【選択図】なし

Description

本発明は、冷蔵庫、自動販売機、保冷箱、保冷車、給水機器、配管等の断熱材として用いられる真空断熱材に関する。

従来、冷蔵庫、自動販売機、保冷箱、保冷車等には、種々の構造・性能を有する断熱材が使用されている。近年においては、非常に優れた断熱性を有する真空断熱材が上記用途に多く使用されている。真空断熱材とは、一般的には、ガスバリア性の金属蒸着フィルム等からなる外包材に芯材を充填し、その内部を減圧して密封した構造を有するものである。そのような真空断熱材の芯材としては、断熱性の観点から、ガラス繊維が好ましいことが知られている（特許文献１）。しかしながら、ガラス繊維は生産時および廃棄時において飛散する傾向があり、作業性だけでなく、リサイクル性等の環境面で問題があった。

そこで、作業性、リサイクル性の観点から、天然繊維として綿花を用いる試みがなされているが、十分な断熱性が得られないのが現状である（特許文献２）。
特開平０７−１６７３７６号公報 特開２００５−１６３９８１号公報

本発明は、十分な断熱性を有しながらも、生産時および廃棄時の作業性およびリサイクル性に優れた真空断熱材を提供することを目的とする。

本発明は、少なくとも芯材と該芯材を収納し内部を減圧状態に維持する外包材とを備えてなり、前記芯材が平均繊維長３〜１２０ｍｍのポリ乳酸系繊維を含有するシート状繊維集合体であることを特徴とする真空断熱材に関する。

本発明の真空断熱材は、十分な断熱性を有しながらも、生産時および廃棄時の作業性および安全性に優れている。

本発明の真空断熱材は少なくとも芯材と該芯材を収容し内部を減圧状態に維持する外包材とからなる。

本発明で使用される芯材はポリ乳酸系繊維を含有するシート状繊維集合体である。
ポリ乳酸系繊維は、ポリＤ−乳酸繊維、ポリＬ−乳酸繊維またはそれらの混合物であってよいが、各ポリ乳酸系繊維を構成するポリ乳酸の光学純度は９０％以上、好ましくは９５％以上、より好ましくは９８％以上が適している。光学純度が９０％未満では結晶性が劣り、真空断熱材の製造が困難になり適さないためである。好ましいポリ乳酸系繊維はポリＬ−乳酸繊維である。ポリＬ−乳酸繊維はコストや入手し易さの点で優れるだけでなく、生分解性を有し、地球にやさしい循環型素材であり、真空断熱材の環境性が向上するためである。なお、ポリ乳酸の光学純度は、融点を測定することにより判別可能であり、光学純度９０％未満では融点は存在せず、光学純度９５％以上では融点は１５０℃以上であり、光学純度９８％以上では融点１６８℃以上である。融点は示差走査熱量計(DSC)（セイコーインスツルメント社製）によって測定された値を用いている。

ポリ乳酸系繊維の平均繊維長は３〜１２０ｍｍであり、好ましくは２０〜８０ｍｍ、より好ましくは３０〜６０ｍｍである。繊維長が短すぎると、繊維の製造が困難になるだけでなく、シート状への加工がサーマルボンド法、ケミカルボンド法となりアウトガスの問題から好ましくない。繊維長が長すぎると、十分な断熱性が得られない。

ポリ乳酸系繊維を構成するポリ乳酸の数平均分子量は、繊維強度と紡糸性の観点から、４万〜２０万が好ましい。
本明細書中、数平均分子量は、ゲルパーミエーション・クロマトグラフィーで測定したＰＭＭＡ換算の値によって測定された値を用いている。

ポリ乳酸系繊維は破断強度が１．５〜５ｃＮ／ｄｔｅｘ程度のものが、繊維および真空断熱材の製造の容易さの観点から好ましい。特に、ポリ乳酸系繊維の６０℃熱処理後のヤング率は６〜２５ｃＮ／ｄｔｅｘが好ましい。

ポリ乳酸系繊維の繊度は、特に限定されるものではなく、例えば０．８〜３５ｄｔｅｘであり、真空断熱材の断熱性および生産性のさらなる向上の観点から、特に０．７〜６ｄｔｅｘが好ましい。特に繊度が６ｄｔｅｘを越えるに従って、断熱性が低下する傾向がある。
ポリ乳酸系繊維の繊度は、ＪＩＳ Ｌ １０１５：１９９９ ８．５．１Ａ法に記載の正量繊度の測定方法により求めた値を用いている。

ポリ乳酸系繊維は、焼却廃棄時のCO₂発生量の観点から、芯材を構成する繊維全量に対して２５重量％以上、好ましくは５０重量％以上含有されることが好ましく、より好ましくは芯材はポリ乳酸系繊維のみからなっている。さらに焼却時に発生するCO₂量を勘案すると、芯材はポリＬ−乳酸系繊維のみからなっていることがさらに好ましい。

ポリ乳酸系繊維は、例えばジオダイナ（ＧＥＯＤＹＮＡ；クラレ社製、ポリＬ−乳酸繊維）、テラマック（ユニチカファイバー社製）、エコディア（東レ社製）等の市販品として入手してもよいし、または市販のポリ乳酸から溶融紡糸法、湿式紡糸法、乾式紡糸法等の公知の紡糸法により製造してもよい。例えば、溶融紡糸法では、ポリ乳酸の融液を細孔ノズルより空気中に吐出し、吐出された溶融糸条を細化させながら空気で冷却、固化し、その後一定の速度で引き取る。ニードルパンチ法によるシート状への加工性の観点から、繊維は捲縮加工されることが好ましい。好ましい捲縮率は３〜２２％である。

芯材に含有されてもよい繊維としては、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ナイロン繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリウレタン繊維、ポリノジック繊維、レーヨン繊維等の合成繊維、麻、絹、綿、羊毛等の天然繊維等が挙げられる。

本発明において「シート状」とは平板形状を有しているという意味である。繊維集合体をそのままのわた状態で使用する場合など、芯材がシート状でないと、芯材の取り扱い性が低下するので芯材を外包材へ収納する工程が煩雑になりすぎ、作業性が悪化する。
シート状繊維集合体はバインダー等の他の材料を使用されないで加工されることが好ましく、例えば、いわゆるニードルパンチ法等でシート状に加工するようにする。バインダーを用いるスパンボンド法等は、アウトガス発生による断熱性の経時的な低下が起こり問題となる。さらに、バインダーを用いることなくシート状にできるニードルパンチ法を用いた繊維集合体であれば、繊維間での滑り特性も良好であり、真空断熱材の曲面加工性も優れる。なお、ニードルパンチ法とは、繊維の方向がある程度揃った繊維塊、すなわち繊維ウェブに対し、フックの付いた多数の針を垂直に突き刺したり引き上げたりすることを繰返し、ウェブ中の繊維同士を互いに絡ませることによりシート状にする方法である。

シート状繊維集合体（芯材）の厚みは、特に制限されるものではなく、真空断熱材の用途に応じて適宜選択されてよい。例えば、真空引き後の厚みは通常、１〜３０ｍｍであり、特に３〜１５ｍｍとするのが、真空断熱材の断熱性と生産性との面でバランスがよい。また、シート状繊維集合体は、１層のシートからなっていても良いが、１層シートで、真空引き後の厚みが５ｍｍ程度の厚い芯材を形成する場合は、シート製造が難しいため、２層以上のシートを積層し、シート状繊維集合体（芯材）とするのが好ましい。
芯材厚み（真空引き後）の測定において、外包材の厚みは非常に小さいので考慮しないものとする。

本発明において芯材の密度は１５０〜４５０ｋｇ／ｍ^３が好ましく、より好ましくは１５０〜３００ｋｇ／ｍ^３である。密度が小すぎると、製造が極めて困難になると共に、芯材としての強度が低下してしまう。一方、大きすぎると、重くなると共に断熱性が低下する傾向がある。前記平均繊維径において、最も好ましい密度は１８０〜２５０ｋｇ／ｍ^３である。

本明細書中、芯材の密度は、芯材を外包材に収容し、真空引きした後の密度を測定したものである。すなわち、真空断熱材を作成した後、真空断熱材の重量から、あらかじめ測定した外包材及びガス吸着材等の重量を引き、芯材の重量を得る。また真空断熱材の体積から、あらかじめ測定したガス吸着材等の体積を引き、芯材の体積を得る。なお、外包材は厚みが非常に小さいので、体積算出には考慮しない。得られた芯材の重量および体積から密度を算出する。

上記芯材を収納する外包材は、ガスバリア性を有し、内部を減圧に維持できるものであれば、どのようなものでも用いることができ、好ましくはヒートシール可能なものである。好適な具体例として、例えば、最外層から、ナイロン、アルミ蒸着ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、アルミ箔、及び最内層として高密度ポリエチレンの４層構造からなるガスバリアフィルム、最外層から、ポリエチレンテレフタレート樹脂、中間層にアルミ箔、最内層に高密度ポリエチレン樹脂からなるガスバリアフィルム、最外層にＰＥＴ樹脂、中間層にアルミニウム蒸着層を有するエチレン−ビニルアルコール共重合体樹脂、最内層に高密度ポリエチレン樹脂からなるガスバリアフィルム等が挙げられる。

本発明の真空断熱材において外包材の中には、経時的な断熱性をより向上させる観点から、真空引き後に真空断熱材内部で発生するガス、例えば、芯材から発生するアウトガスや水分、および外部から侵入してくるガス・水分を吸着するガス吸着材を、芯材とともに収納させることが好ましい。

ガス吸着材（ゲッター材）はガス吸着物質を粉状、粒状または錠剤状等のそのままの形態で使用してもよいが、取扱い性の観点から、ガス吸着物質が通気性のある容器に収容されてなる形態で使用されることが好ましい。

ガス吸着物質としては特に限定されるものではないが、物理的にガスや水分等を吸着するものとして、例えば、活性炭、シリカゲル、酸化アルミニウム、モレキュラーシーブ、ゼオライト等が挙げられる。また、化学的にガスや水分等を吸着するものとして、例えば、酸化カルシウム、酸化バリウム、塩化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化マグネシウム等や、鉄、亜鉛等の金属粉素材、バリウムーリチウム系合金、ジルコニウム系合金等が挙げられる。

ガス吸着物質が収容される通気性のある容器は、本発明の目的が達成される限り、特に制限されるものではなく、例えば、金属製容器、プラスチック製容器等の硬質容器、紙袋、フィルム製包袋、有機繊維不織布製包袋等の軟質包袋等が挙げられる。容器の通気度は小さすぎると、真空断熱材の製造に際し、容器内部にある気体が外部に抜け難く、真空ポンプで排気する時間が長くかかるため、容器の通気度は中身のガス吸着物質が暴露の影響を受けない範囲で大きい方が好ましい。

本発明の真空断熱材の製造工程について好ましい一実施形態を以下説明する。
繊維集合体をニードルパンチ法等によりシート状に成形し、芯材を得る。得られた芯材を、適当な大きさ及び形（例えば、四角形）にカットし、内部に含まれる水分等を除去するために乾燥を行う。当該乾燥は、７０℃で１時間程度の条件にて行われるが、より芯材繊維の水分等を除去するために、７０℃において真空乾燥するのが好ましい。さらに、遠赤外線による乾燥を併用してもよい。真空度については、０．５〜０．０１Ｔｏｒｒ程度で乾燥を行うのが好ましい。

次に、該芯材を袋状にシールされた外包材の中に挿入する。なお、この時ガス吸着材を一緒に挿入する。ガス吸着材の挿入位置は特に制限されないが、表面平滑性の観点から、ガス吸着材の挿入位置での芯材の厚みをその周辺よりも薄くしてもよい。この状態で真空引き装置内に入れて、内圧が０．１〜０．０１Ｔｏｒｒ程度の真空度となるよう減圧排気する。その後、外包材の袋状開口部を熱融着により封止し、真空断熱材が得られる。

真空断熱材の完成後は必要が有れば、該真空断熱材における芯材厚みが前記範囲内になるように、室温でプレス加工される。またこのように芯材厚みを調整することによって、芯材の密度も制御可能である。

＜ポリ乳酸系繊維Ａの製造＞
カーギル・ダウ製６２００グレード（数平均分子量７８２００、光学純度９８．７％）のポリＬ−乳酸ポリマーを用い、紡糸ヘッド温度２４０℃で、巻き取り速度８００ｍ／分の条件で、紡糸油剤を０．２質量％付与し、２５０ｄｔｅｘ／５０ｆの未延伸ポリ乳酸繊維を得た。得られた未延伸糸の破断伸度は、３３０％であった。得られた未延伸糸を集束して、トウを形成した後、１段目水浴温度６５℃、２段目水浴温度９５℃、１段目延伸倍率２．５０倍、２段目延伸倍率１．２４倍、トータル延伸倍率３．１０倍（破断伸度の７２％）の条件で延伸した。仕上げ油剤を０．３質量％付与した後、押し込み捲縮加工機（入口圧力３．０ｋｇ／ｃｍ^２、出口圧力３．０ｋｇ／ｃｍ^２）で捲縮を付与し、カッターにより５１ｍｍに切断し、単糸繊度１．７ｄｔｅｘのポリ乳酸系繊維Ａを得た。得られたポリ乳酸系繊維Ａの破断強度は２．３ｃＮ／ｄｔｅｘ、破断伸度は５２．３％、融点は１７０℃であった。

＜ポリ乳酸系繊維Ｂ及びＣの製造＞
カッターにより表に記載の長さに切断したこと以外、ポリ乳酸系繊維Ａの製造方法と同様の方法によりポリ乳酸系繊維Ｂ及びＣを得た。ポリ乳酸系繊維Ｂ及びＣの物性値は、繊維長以外はポリ乳酸系繊維Ａと同様である。

＜ポリ乳酸系繊維Ｄの製造＞
カーギル・ダウ製６７５１グレード（数平均分子量８４３００、光学純度９５．５％）のポリＬ−乳酸ポリマーを用い、紡糸ヘッド温度２３０℃で、巻き取り速度８００ｍ／分の条件で、紡糸油剤を０．２質量％付与し、２６０ｄｔｅｘ／５０ｆの未延伸ポリ乳酸繊維を得た。得られた未延伸糸の破断伸度は、３５０％であった。得られた未延伸糸を集束して、トウを形成した後、１段目水浴温度６５℃、２段目水浴温度８５℃、１段目延伸倍率２．７０倍、２段目延伸倍率１．２２倍、トータル延伸倍率３．３０倍（破断伸度の７３％）の条件で延伸した。仕上げ油剤を０．３質量％付与した後、押し込み捲縮加工機（入口圧力３．０ｋｇ／ｃｍ^２、出口圧力３．０ｋｇ／ｃｍ^２）で捲縮を付与し、カッターにより５１ｍｍに切断し、単糸繊度１．７ｄｔｅｘのポリ乳酸系繊維Ｄを得た。得られたポリ乳酸系繊維Ｄの破断強度は２．２ｃＮ／ｄｔｅｘ、破断伸度は５１．２％、融点は１５５℃であった。

＜ポリ乳酸系繊維Ｅの製造＞
カーギル・ダウ製６２００グレード（数平均分子量７８２００、光学純度９８．７％）のポリＬ−乳酸ポリマーを用い、紡糸ヘッド温度２４０℃で、巻き取り速度８００ｍ／分の条件で、紡糸油剤を０．２質量％付与し、７５０ｄｔｅｘ／３０ｆの未延伸ポリ乳酸繊維を得た。得られた未延伸糸の破断伸度は、２９０％であった。得られた未延伸糸を集束して、トウを形成した後、１段目水浴温度６５℃、２段目水浴温度９５℃、１段目延伸倍率２．３０倍、２段目延伸倍率１．２２倍、トータル延伸倍率２．８０倍（破断伸度の７２％）の条件で延伸した。仕上げ油剤を０．３質量％付与した後、押し込み捲縮加工機（入口圧力３．５ｋｇ／ｃｍ^２、出口圧力３．５ｋｇ／ｃｍ^２）で捲縮を付与し、カッターにより５１ｍｍに切断し、単糸繊度９．９ｄｔｅｘのポリ乳酸系繊維Ｅを得た。得られたポリ乳酸系繊維Ｅの破断強度は２．０ｃＮ／ｄｔｅｘ、破断伸度は４８．１％、融点は１７０℃であった。

＜実施例１＞
ポリ乳酸系繊維Ａをニードルパンチ法によりシート状に加工した。加工直後のシート目付は４００ｇ／ｍ^２であった。当該シートを２５０ｍｍ×２５０ｍｍの大きさに裁断し、温度７０℃にて１時間乾燥を行った。乾燥後のシートを６枚積層し、当該積層した芯材目付２４００ｇ／ｍ^２のものを、ナイロン、アルミ蒸着ＰＥＴ、アルミ箔および高密度ポリエチレンの４層構造からなるガスバリアフィルム製外包材に挿入し、同時にゲッター材（サエス ゲッターズ社製：ＣＯＭＢＯ）を１個外包材の中に挿入した。その後、真空引き装置にて、内圧が０．０１Ｔｏｒｒとなるよう真空引きを行い、熱融着により密封した。得られた真空断熱材は、２５０ｍｍ×２５０ｍｍの大きさであった。

＜実施例２〜３、５および比較例１＞
表に記載のポリ乳酸系繊維Ｂ〜Ｅを用いたこと以外、実施例１と同様の方法により真空断熱材を得た。各種物性は表に記載の通りであった。

＜実施例４＞
ポリ乳酸系繊維Ａをニードルパンチ法によりシート状に加工した。加工直後のシート目付は４００ｇ／ｍ^２であった。当該シートを２５０ｍｍ×２５０ｍｍの大きさに裁断し、温度７０℃にて１時間乾燥を行った。乾燥後のシートを１２枚積層し、当該積層した芯材目付４８００ｇ／ｍ^２のものを、ナイロン、アルミ蒸着ＰＥＴ、アルミ箔および高密度ポリエチレンの４層構造からなるガスバリアフィルム製外包材に挿入し、同時にゲッター材（サエス ゲッターズ社製：ＣＯＭＢＯ）を１個外包材の中に挿入した。その後、真空引き装置にて、内圧が０．０１Ｔｏｒｒとなるよう真空引きを行い、熱融着により密封した。これをプレス機により、厚さ１０ｍｍまで圧縮した。得られた真空断熱材は、２５０ｍｍ×２５０ｍｍの大きさであった。

＜比較例２＞
紡績工程中の精梳綿（コーマ）工程で得られるコーマ落綿に対し、精練処理および漂白処理を施したもの（平均繊維長：２１ｍｍ、繊維径：２２μｍ）を、シート状芯材として用いた。芯材をまず、温度１２０℃、真空度０．１Ｔｏｒｒにて１時間乾燥を行った。乾燥後の芯材８０ｇを、ナイロン、アルミ蒸着ＰＥＴ、アルミ箔および高密度ポリエチレンの４層構造からなるガスバリアフィルム製外包材に挿入し、同時にゲッター材（サエス ゲッターズ社製：ＣＯＭＢＯ）を１個外包材の中に挿入した。その後、真空引き装置にて、内圧が０．０５Ｔｏｒｒとなるよう真空引きを行い、密封した。得られた真空断熱材は、２００ｍｍ×２００ｍｍの大きさであった。なお、厚みについては１０ｍｍとなるよう、熱伝導率測定前にプレス機によりプレス加工を行った。

＜断熱性＞
断熱性の評価は、「Ａｕｔｏλ ＨＣ−０７４」（英弘精機（株）製）を用いて、平均温度２０℃の熱伝導率を測定することにより行った。なお、測定は真空引き工程から１日経過後に測定した。熱伝導率は、０．００７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下が実用上問題のない範囲であり、０．００４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下が好ましい範囲であり、０．００３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下がより好ましい範囲である。

＜作業性＞
芯材（繊維集合体）を外包材に挿入するときの作業性を以下の基準に従って評価した。
○；芯材を容易に外包材に挿入できる；
×；芯材がシート状に加工されていないので、芯材を外包材に挿入するのが困難である。

実施例１〜５で得られた真空断熱材の芯材はポリ乳酸系繊維、特にポリＬ−乳酸繊維からなっているので、当該真空断熱材は安全性や環境性に優れている。

本発明の真空断熱材は、例えば、クーラーボックス、冷蔵庫、電気ポット、炊飯器、車両、自動販売機、給水機器、配管等又は建材等の様々な断熱の用途に適用可能である。

Claims (4)

1. 少なくとも芯材と該芯材を収納し内部を減圧状態に維持する外包材とを備えてなり、前記芯材が平均繊維長３〜１２０ｍｍのポリ乳酸系繊維を含有するシート状繊維集合体であることを特徴とする真空断熱材。
2. ポリ乳酸系繊維の繊維太さが０．７〜６ｄｔｅｘである請求項１に記載の真空断熱材。
3. 真空引き後の芯材密度が１５０〜４５０ｋｇ／ｍ^３である請求項１または２に記載の真空断熱材。
4. 芯材がポリ乳酸系繊維のみからなるシート状繊維集合体である請求項１〜３のいずれかに記載の真空断熱材。