JP2010280780A - 無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の製造方法は、押出機で溶融させたポリマーに、該ポリマーと押出機内で均一相を形成し得る流動性金属化合物と発泡剤とを添加し、混合して、溶融体を調製する溶融体調製工程と、該溶融体の温度を制御して粘性を調整する粘性調整工程と、粘性を調整した溶融体をダイスから吐出させてポリマーを発泡させると共に成形する発泡成形工程とを有し、溶融体調製工程では、流動性金属化合物の添加量を、ポリマーの質量を1とした際に0.01〜10.0の質量比率にする。
【選択図】なし
Description
一般に、発泡成形体においては、機械的物性を改良するために、炭酸カルシウム、シリカ、マイカ、クレー等の無機物を配合してコンポジット化することがある。
また、発泡成形体の軽量化と機能性を高めるためには、発泡倍率を高めて密度の小さい発泡体とすればよいが、発泡倍率を高くしすぎると、発泡成形体の機械的強度が低下することがあった。発泡倍率を高くしつつ機械的強度の低下を抑制するためには、発泡成形体の発泡セルを微細化すればよい。
特許文献1に記載の方法において、発泡成形体の生産性を高めるために、押出機を用いて連続生産することが考えられる。しかしながら、押出機を用いて発泡成形体を生産する場合には、ポリマーに超臨界流体を充分に含浸させることは困難であり、発泡倍率が低くなることがあった。
そこで、特許文献2では、発泡倍率を向上させるため、シリカ粒子等の無機系フィラーを発泡核剤として添加することが提案されている。また、特許文献2には、無機系フィラーとして多孔質フィラーを用い、超臨界流体を吸着させることで、発泡セルをより微細にできる旨が記載されている。
特に、無機フィラーとして多孔質無機フィラーを用いた場合には、比表面積が大きいため、ポリマーとの相互作用が強く、添加量が少なくても、トルクが上昇しやすかった。
また、トルクが上昇しないように成形条件を調整した場合には、発泡倍率または発泡セルの微細化が不充分になることがあった。
該溶融体の温度を制御して粘性を調整する粘性調整工程と、
粘性を調整した溶融体をダイスから吐出させてポリマーを発泡させると共に成形する発泡成形工程とを有し、
溶融体調製工程では、流動性金属化合物の添加量を、ポリマーの質量を1とした際に0.01〜10.0の質量比率にすることを特徴とする無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の製造方法。
[2] 溶融体調製工程の後に、流動性金属化合物を分解して固体状金属化合物にする分解工程を有する、[1]に記載の無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の製造方法。
[3] 前記流動性金属化合物が金属のアルコキシド、金属のβ−ジケトナート錯体、金属の酢酸塩よりなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記流動性金属化合物に含まれる金属が、ケイ素、チタン、カルシウム、亜鉛、スズおよびインジウムよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、[1]または[2]に記載の無機物・ポリマーコンポジット成形体の製造方法。
[4] 発泡剤が、液体状態、亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素を含有する、[1]〜[3]のいずれかに記載の無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の製造方法。
[5] 二酸化炭素が超臨界状態の二酸化炭素、ポリマーがアクリル系樹脂、流動性金属化合物がシリコンアルコキシドまたはそのオリゴマーである、[4]に記載の無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の製造方法。
[6] 溶融体調製工程では混合温度を200〜250℃、粘性調整工程では溶融体の加熱温度を110〜190℃にする、[5]に記載の無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の製造方法。
本実施形態例の製造方法により製造される無機物・ポリマーコンポジット成形体は、発泡ポリマーと、発泡ポリマーの発泡セル内に存在する固体状金属化合物とを含有する発泡成形体である。
無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体を構成するポリマーとしては熱可塑性樹脂が使用され、中でも、オレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂が好ましい。
また、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、1,2−ポリブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、多硫化ゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムなどのゴム、エラストマー等も使用できる。
固体状金属化合物は、無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の機械的物性や熱的物性等を向上させる役割を果たす。
発泡セルの平均発泡径は1.0〜500μmであることが好ましく、1.0〜200μmであることがより好ましい。発泡セルの平均発泡径が1.0μm以上であれば、容易に発泡セルを形成でき、500μm以下であれば、無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の機械的強度を充分なものとすることができる。
無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体は、熱伝導率が0.018〜0.045mW/Kであることが好ましく、0.018〜0.03mW/K以下であることがより好ましい。
本実施形態例の製造方法は、溶融体調製工程と分解工程と粘性調整工程と発泡成形工程とを有する。
本実施形態例における溶融体調製工程では、まず、ホッパーよりペレット状のポリマーを押出機に供給して溶融させる。その際に使用する押出機としては、単軸押出機、二軸押出機のいずれであってもよい。また、スクリューを直列に配置したタンデム型の押出機も使用できる。
流動性金属化合物の添加方法としては、例えば、押出機内の溶融体に液体状態または気体状態で添加する方法、流動性金属化合物を後述する発泡剤に混合させて発泡剤と共に添加する方法等が挙げられる。
また、流動性金属化合物を液体状態または気体状態で添加する場合には、例えば、プランジャーポンプ等のポンプを使用して添加することができる。
流動性金属化合物を発泡剤にあらかじめ混合する場合には、押出機に接続された混合装置を設けることが好ましい。
流動性金属化合物の添加量を、ポリマーの質量を1とした際の0.01未満であると、発泡セルを微細化できず、10.0を超えると、ポリマーに対して流動性金属化合物を均一に混合できず、生産性が低下し、しかも発泡倍率が低くなる。
このような流動性金属化合物の中でも、容易に固体状金属化合物が得られることから、金属のアルコキシド、金属のβ−ジケトナート錯体、金属の酢酸塩よりなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。
また、金属としては、容易に固体状金属化合物が得られることから、ケイ素、チタン、カルシウム、亜鉛、スズ及びインジウムよりなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。
特に、流動性金属化合物の中でも、より容易に固体状金属化合物が得られることから、テトラメトキシシランがより好ましい。
発泡剤の中でも、ポリマーへの親和性、流動性金属化合物との相溶性の観点から、二酸化炭素が好ましい。二酸化炭素は、溶解性の高い高圧の液体状態、亜臨界状態、超臨界状態が好ましく、超臨界状態の二酸化炭素がより好ましい。
なお、ポリマーと流動性金属化合物とが均一に混合する圧力条件は、ポリマーおよび流動性金属化合物の種類によって異なるため、あらかじめ調べておくことが好ましい。例えば、発泡剤として二酸化炭素を用い、流動性金属化合物としてテトラメトキシシランを用いる場合には、40℃、9MPa以上で均一な溶融体を形成し、温度の上昇とともに、均一な溶融体を形成する条件は高圧側に移行する。
二酸化炭素が超臨界状態の二酸化炭素、ポリマーがアクリル系樹脂、流動性金属化合物がシリコンアルコキシドまたはそのオリゴマーである場合には、溶融体調製工程での混合温度は200〜250℃であることが好ましい。混合温度を200℃以上にすれば、より均一に各成分を混合でき、250℃以下にすれば、押出機ホッパー側に、逆流してくる流動性金属化合物の蒸発や超臨界二酸化炭素の噴出を防止でき、容易に押出成形できる。
分解工程では、流動性金属化合物を分解して、金属酸化物または金属水酸化物である固体状金属化合物にする。
流動性金属化合物の分解方法としては、例えば、加水分解、熱分解、光照射分解、マイクロ波照射分解などが挙げられる。これらの中でも、簡便であることから、加水分解が好ましい。
加水分解では、ポリマーに吸着されている水を利用する方法、ポリマー製造の際の縮重合により生成した水を利用する方法、溶融体を調製した後に高圧ポンプで水を圧入する方法、含水化合物の熱分解などにより水分を供給する方法などを適用することができる。
また、流動性金属化合物の分解は、必要に応じて、複数の方法を組み合わせてもよい。
流動性金属化合物は全量を分解して固体状金属化合物にする必要はなく、一部が残留しても構わない。
粘性調整工程では、溶融体の温度を制御して、発泡成形に適した粘度になるように粘性を調整する。
粘性調整工程での溶融体の温度を、ポリマーの種類、流動性金属化合物の種類に応じて適宜調整すればよい。例えば、ポリマーがアクリル樹脂、流動性金属化合物がテトラメトキシラン、発泡剤が二酸化炭素である場合には、溶融体の温度を、溶融体調製工程での温度より60〜90℃低くすることが好ましい。
二酸化炭素が超臨界状態の二酸化炭素、ポリマーがアクリル系樹脂、流動性金属化合物がシリコンアルコキシドまたはそのオリゴマーである場合の溶融体調製工程での溶融体の好ましい温度は、上記のように、200〜250℃である。したがって、粘性調整工程では溶融体の加熱温度を110〜190℃にすることが好ましい。溶融体の加熱温度を110℃以上にすれば、容易に成形でき、190℃以下にすれば、容易に発泡できる。
発泡成形工程では、粘性を調整した溶融体を、押出機の先端に取り付けたダイスから吐出させ、大気圧に減圧してポリマーを発泡させると共に成形する。
ダイスとしては、例えば、幅広で平板状のフラットダイ、複数の開口孔を有するマルチストランドダイなどを用いることができる。フラットダイを用いた場合には、シート状またはボード状に成形され、マルチストランドダイを用いた場合には円柱状に成形される。
また、無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の片面または両面に、耐熱性、難燃性、機械的強度等を向上させるために、例えば、アルミニウム製シート、不織布等を貼り合わせてもよい。
また、無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体を熱ロール等に通して表面を平滑化してもよい。
しかも、流動性金属化合物の添加量をポリマーの質量を1とした際の0.01〜10.0とし、発泡成形工程前に溶融体の粘性を調整する上記製造方法では、無機系フィラーを用いなくても、発泡セルの平均発泡径を小さくでき、発泡倍率を低くして低密度な発泡成形体を得ることができる。また、無機系フィラーをポリマーに添加しなくてもよいから、押出機のスクリューのトルクの上昇を抑制できる。
しかし、本発明では、発泡成形工程前に、発泡に適した粘度になるように溶融体の粘性を調整するため、発泡剤として超臨界状態の二酸化炭素の流体を使用しても、発泡倍率が高く、発泡セルが微細な発泡成形体を得ることができる。
溶融体調製工程において、ポリマー、流動性金属化合物および発泡剤の供給、混合の順序は、均一な混合が得られるのであれば、上記実施形態例に限定されない。例えば、流動性金属化合物または発泡剤にポリマーを添加しても構わない。
また、分解工程を省略しても構わないが、固体状金属化合物の含有量を多くするできるため、分解工程を行うことが好ましい。
アクリル樹脂(三菱レイヨン(株)製、アクリペット IR K304)のペレットをホッパーより押出機((株)東洋精機製作所製、二軸セグメント押出機2D30W2)に供給し、温度240℃の条件で加熱溶融させた。
また、プランジャーポンプを用いてテトラメトキシシランを、溶融させたアクリル樹脂に添加した。その際、テトラメトキシシランの添加量は、単位時間当たり、アクリル樹脂1に対して0.1の質量比率とした。
また、液化炭酸ガスボンベから液体状態の二酸化炭素を、昇圧ポンプを用いて、溶融させたアクリル樹脂に供給した。その際の二酸化炭素の添加量は、アクリル樹脂0.5kg/時間に対して2.0ml/分の割合とした。
次いで、押出機内部の圧力を、アクリル樹脂とテトラメトキシシランと二酸化炭素が均一に混合する条件に維持したまま、溶融体の温度を徐々に低下させて、ダイス付近の温度を150℃とした。
そして、温度一定のままダイスから吐出させることで大気圧に減圧させて、無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体を得た。
実施例1において、テトラメトキシシランの添加量を、単位時間当たり、アクリル樹脂1に対して0.3の質量比率としたこと以外は実施例1と同様にして、無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体を得た。
実施例1において、溶融体のダイス付近の温度を140℃にして溶融体の粘性を調整したこと以外は実施例1と同様にして、無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体を得た。
実施例1において、液体状態の二酸化炭素のみをアクリル樹脂に添加し、テトラメトキシシランを添加しなかった以外は実施例1と同様にして、無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体を得た。
実施例1において、溶融体の温度を低下させず、ダイス付近の温度を230℃とした以外は実施例1と同様にして、無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体を得た。
実施例1において、テトラメトキシシランの添加量を、単位時間当たり、アクリル樹脂1に対して11.0の質量比率とした以外は実施例1と同様に、無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体を得た。
無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体を約2cm角程度に裁断し、高精度自動比重計((株)東洋精機製作所製)により密度を測定した。
無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の密度と未発泡アクリル樹脂の比重から(比重=1.17g/cm3)下記の式より算出した。
発泡倍率=未発泡アクリル樹脂の比重/無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の密度
無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体を裁断し、その断面について、走査型電子顕微鏡(日本電子(株)製、JSM−6460LA)用いて無作為に10カ所観察し、発泡セルの個数を実測した。そして、その平均値を求めて、これを平均発泡径とした。
JIS A 1412に準じて、得られた無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体を15cm×15cm×1.5cmの板状の形状にし、熱伝導率測定装置(英弘精機社製HCO−074)を用いて熱伝導率を測定した。
これに対し、金属化合物を添加しなかった比較例1の製造方法では、平均発泡径は小さいものの、密度が高く、そのため発泡倍率も低い。比較例2〜3の製造方法では、いずれも発泡径を制御できず、破泡や合一が起こり、満足な成形体として得られなかった。
Claims (6)
- 押出機で溶融させたポリマーに、該ポリマーと押出機内で均一相を形成し得る流動性金属化合物と発泡剤とを添加し、混合して、溶融体を調製する溶融体調製工程と、
該溶融体の温度を制御して粘性を調整する粘性調整工程と、
粘性を調整した溶融体をダイスから吐出させてポリマーを発泡させると共に成形する発泡成形工程とを有し、
溶融体調製工程では、流動性金属化合物の添加量を、ポリマーの質量を1とした際に0.01〜10.0の質量比率にすることを特徴とする無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の製造方法。 - 溶融体調製工程の後に、流動性金属化合物を分解して固体状金属化合物にする分解工程を有する、請求項1に記載の無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の製造方法。
- 前記流動性金属化合物が金属のアルコキシド、金属のβ−ジケトナート錯体、金属の酢酸塩よりなる群から選ばれる少なくとも1種であり、前記流動性金属化合物に含まれる金属が、ケイ素、チタン、カルシウム、亜鉛、スズおよびインジウムよりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1または2に記載の無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の製造方法。
- 発泡剤が、液体状態、亜臨界状態または超臨界状態の二酸化炭素を含有する、請求項1〜3のいずれかに記載の無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の製造方法。
- 二酸化炭素が超臨界状態の二酸化炭素、ポリマーがアクリル系樹脂、流動性金属化合物がシリコンアルコキシドまたはそのオリゴマーである、請求項4に記載の無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の製造方法。
- 溶融体調製工程では混合温度を200〜250℃、粘性調整工程では溶融体の加熱温度を110〜190℃にする、請求項5に記載の無機物・ポリマーコンポジット発泡成形体の製造方法。
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