JP2013525538A - 断熱用発泡成形品 - Google Patents

Abstract

本発明は、粒子状発泡性ポリスチレン（ＥＰＳ）系の断熱用発泡成形品に関する。発明による前記成形品は、ＥＰＳに加えて、再利用ポリスチレン粒子を含む。従って、本発明の目的は、出発原料が有用に使用される絶縁材を提供し、また、良好な断熱性能を有する断熱材を提供することである。

Description

本発明は、粒子状発泡性ポリスチレン（ＥＰＳ）系の断熱用発泡成形品に関する。

このような材料はそれ自体、本出願人によるヨーロッパ特許ＥＰ第１，４８６，５３０号で既知である。前記ヨーロッパ特許には、微細セル構造を有し低密度の発泡体であって、断熱性を向上させるために、断熱性向上材として、ポリスチレン粒子内に活性炭が存在する発泡体が開示されている。

また、第１段落で述べた成形品は、米国特許第６，４６５，５３３号で既知であり、その中では、発泡性ポリスチレン粒子にはアルミニウム粒子が含まれている。

更に、ヨーロッパ特許出願ＥＰ第１，５８７，８６０号には、発泡性スチレンポリマー粒子で形成された断熱用発泡材であって、１０〜９０重量％の着色スチレンポリマー粒子と、９０〜１０重量％の顔料のないスチレンポリマー粒子と、から成る発泡材が開示されている。そこで言及されている顔料の例は、カーボンブラック、金属酸化物、金属粉、染料顔料およびグラファイトなどである。

カナダ特許出願ＣＡ第２，１７１，４１３号には、再利用ポリスチレン発泡体に難燃材のコーティングを有する耐火性ポリスチレン発泡材の方法が開示されており、このように処理された前記発泡材を予備発泡させたポリスチレンビーズと混合して成形品を得ている。

英国特許出願ＧＢ第２,４４９,３５３号は、成形後に、ＤＩＮ４１０２に準拠したＢ２試験の要件を満たす発泡性粒子状複合材料に関するものである。該複合材料には、２．０〜１５．０重量％のグラファイトが含まれている。

国際特許出願ＷＯ第２００９／１５５０６６号には、発泡促進剤を添加した発泡ポリマーの製造方法が開示されている。例として、スメクタイト粘土、有機粘土およびナノグラファイトから成る群から選択された一次元のナノ・マイクロ材料が言及されている。

表面にコーティング層が塗布されたＥＰＳ材料は、ＥＰ第０，２３５，８３１号で既知である。

ＨＢＣＤとスチレン樹脂を特定の割合で混合した難燃性スチレンは、ＪＰ第２，２２２，４３５号で既知である。

ＵＳ第２０１０／０９９７８２号には、発泡ポリマーの懸濁重合製造プロセスが開示されている。

発明の詳細な説明

本発明者らは、包装業界においては、食品および非食品双方に対して、また、建設業界においては、使用される断熱材の厚みと断熱性能の高さとの間で適切な割合を示す断熱材に対して、ニーズがあることを見出した。住宅建設業界では、例えば、パネルが断熱住宅に使用されており、そうした住宅では暖房時、熱は不必要に外部に逃げないであろう。包装業界では、例えば、冷凍食品がその低温を保持できることが望ましい。

高い断熱性能を得るために、断熱パネルの厚みを大きくするように設計することは既知である。こうした解決策の欠点は、住宅の中で断熱材の占める容積が大きくなり、その結果、住宅の実容積が減少することである。

別の可能性としては、断熱材に特定の断熱性向上材を添加することであるが、特に、本出願人によるヨーロッパ特許第１，４８６，５３０号に参照されている。

本発明者らはさらに、廃棄物フローの形成を減少させ、またそうした廃棄物フローが発生する場合は、得られる材料を再利用することが益々望まれていることを見出した。従って、製造工程での「廃棄された」材料を再利用し、原材料の総消費にプラスの効果をもたらすことが望まれている。原材料の使用量の減少によって、次には、温室効果の一因とされるＣＯ_２の排出量削減に繋がる。

本発明者らは、バージンＥＰＳで製造された断熱用パネルの取付業者が「雪盲」について不平を言うのを日常的に経験してきた。該パネルは白色であり、入射太陽光を大部分反射するため、パネルの取付は大変な作業であり、業者は黒いサングラスをかけなければならない時もある。

従って、本発明の目的は、前述の問題の内の１つまたは複数に対する解決策を与える断熱材を提供することである。

導入段落で言及したように、前記断熱用発泡成形品は、ＥＰＳに加えて、該成形品が再利用ポリスチレン粒子を含むという点で特徴付けられる。

本断熱用発泡成形品に再利用ポリスチレン粒子を使用することで、バージンの発泡性ポリスチレン（ＥＰＳ）の使用量を低減でき、その結果、いわゆる「バージン」の出発原料の消費に対してプラスの効果をもたらすことが分かった。

ここでの「再利用ポリスチレン粒子」とは、例えば建設現場の廃棄材や包装材から得られる物などのように、既に発泡した成形品から得られるポリスチレン粒子を指すものであり、こうした既に発泡した成形品は、小さな破片に破砕された後、本発明に準じて加工される。こうした再利用ポリスチレン粒子中の発泡剤の量は、１重量％未満であり、すなわち、「バージン」の予備発泡ＥＰＳ中の発泡剤のパーセント、それは予備発泡後で約２〜３重量％であるが、それより少ない。

特定の実施形態では、前述のＥＰＳ系出発原料に加えて、該成形品も、好適には、活性炭、膨張黒鉛および微粉炭素の１つまたは複数から選択された１つまたは複数の添加物を有する粒子状発泡性ポリスチレンを含むことが更に望ましい。

本発明によれば、活性炭、膨張黒鉛および微粉炭素は、カーボンブラックあるいは粒子径が１μｍ超の通常または普通のグラファイトは含まないものと理解されることは明確に注目されるべきである。グラフェンは炭素状の化合物であり、ｓｐ２結合炭素原子の一原子層と考えられるが、グラファイトは、グラフェンが多数積層された層で構成されている。本発明者らは、グラフェンと膨張黒鉛の特定の空間構造のために、設定した目的達成のために添加するグラフェンおよびまたは膨張黒鉛の量は、例えばグラファイトまたはカーボンブラックの通常の量より著しく少ないものになる想定する。

活性炭、膨張黒鉛および微粉炭素を使用することによって、成形ステップにおけるＥＰＳ粒子の溶融にプラスの効果が得られる。本発明者らは、活性炭、膨張黒鉛およびまたは微粉炭素が予備発泡前のＥＰＳ粒子中に存在することによって、実際の予備発泡ステップの間、発泡剤の漏れ量がより少なくなることを見出した。こうした添加剤の１つまたは複数を有する既に予備発泡したＥＰＳの発泡剤の量は約３〜４重量％である。

前述の添加剤の粒径は好適には１２μｍ以下であり、より好適には８μｍ以下であり、さらにより好適には５μｍ以下である。

本発明者らは、本明細書で言及するグラフェン材は、粒径が０．１〜０．８μｍの膨張黒鉛として理解されるべきであることをさらなる実験から見出した。従って、本明細書でのグラフェンは、粒径が０．１〜０．８μｍの膨張黒鉛として理解されるものである。断熱性向上材の添加量を下げれば、元々白色である得られたＥＰＳの色に対してプラスの効果が得られる。言及した添加剤によって、元々白色のＥＰＳはある程度グレー色を帯びる。

本出願で参照された膨張黒鉛は、炭素源を機械的せん断力で処理する、特にグラファイトをそのように処理することによって得られる。こうした処理の一例としては押出法があり、この方法によって、グラファイトは押出機内で大きなせん断力を受けて平坦な炭素プレートレット、特に膨張黒鉛に変化する。ある実施形態では、該炭素源はマスターバッチとして添加されるか、あるいは、請求項で特定されているような所望の粒径を得るために前処理された粉末材として直接添加される。

特別の実施形態では、アスペクト比が１０：１以上、特に１００：１以上の膨張黒鉛の使用が特に好ましい。こうした層状構造によって、断熱性能向上には特に良好な影響がもたらされるであろう。

カーボン量は、樹脂量に対して１〜１５重量％であることが特に望ましく、好適には樹脂量に対して２〜８重量％である。

さらに別の特別の実施形態では、本断熱用発泡成形品はさらに好適には、さらに別の種類のＥＰＳ、すなわち、着色ＥＰＳとも呼ばれる、いわゆる着色コーティングを有するＥＰＳを含む。こうした着色ＥＰＳは、顔料を含んだコーティングを有する粒子状発泡性ポリスチレン粒子であると考えられる。こうしたコーティングは、ポリスチレン粒子の外側に存在しており、顔料がスチレン粒子中に分散しているＥＰ第１，５８７，８６０号で使用されている粒子と混同されるべきではない。該特許中の粒子では、顔料は全容積に亘ってランダムに拡散しており、特に、粒子内の特定の場所に蓄積あるいは集中していない。このような着色ＥＰＳを使用することによって、雪盲問題が最小化される外部構造を有する発泡成形品が得られる。

本発明による断熱用発泡成形品は、好適には、成形品の合計重量に対して、１０〜７０重量％の粒子状発泡性ポリスチレン（ＥＰＳ）と、１０〜７０重量％の再利用ポリスチレン粒子と、０〜７０重量％の１つまたは複数の添加剤を有するＥＰＳと、０〜４０重量％の着色コーティングを有するＥＰＳと、から構成される。

特別の実施形態では、成形品の合計重量に対して、粒子状発泡性ポリスチレン（ＥＰＳ）の量が１０〜３０重量％、再利用ポリスチレン粒子の量が１０〜４０重量％、１つまたは複数の添加剤を有するＥＰＳの量が３０〜５０重量％、着色コーティングを有するＥＰＳの量が５〜１５重量％であることが好ましい。

ある実施形態では、本断熱用発泡成形品が、グラファイト、アルミニウム粉、Ａｌ（ＯＨ）_３、Ｍｇ（ＯＨ）_２、Ａｌ_２０_３、鉄、亜鉛、銅およびこれらの合金から成る群から選択された１つまたは複数の断熱性向上材を、最終発泡成形品に対して１０重量％以下含むことが望ましい。

本成形品が特定の耐火性要件を満たすために、ヘキサブロミンシクロドデカン（ＨＢＣＤ）、ジクミルパーオキサイド、臭素化ポリマー化合物および２，３−ジメチル−２，３−ジフェニルブタンおよびこれらの組合せの群から選択された１つまたは複数の難燃剤が成形品中に存在することが望ましい。別の適切な難燃剤は、臭素化ポリスチレン化合物由来の化合物群、特に、分子量が好適には１０，０００〜４００，０００の、特に１２０，０００〜２８０，０００の臭素化ポリスチレン由来の化合物群であり、該臭素化ポリスチレンタイプの難燃剤の量は、好適には５０重量％以下である。特別の実施形態では、臭素化ポリスチレンおよびジクミルパーオキサイドは共力剤として使用され、その量は、スチレンポリマーに対して０．１〜３重量％であり、特に０．５〜２重量％である。

本発明は特に、再利用ポリスチレン粒子の有用な再使用を実現しながら、断熱用発泡成形品の提供に関する。そのような再利用ポリスチレン粒子は少量のペンタンを含んでおり、一般的に蒸気の使用を伴う金型内での最終成形の間、膨張力が小さいであろう。本発明者らは、特に、好適には多くの異なる出発原料で本断熱用発泡成形品を構成することにより、断熱性能を表すＡ値と機械的特性とが、要求される目的の断熱特性と機械的特性とを実際に満たすように選択できることを見出した。従って、良好な機械的特性と共に、Ａ値が０．０３１〜０．０３６Ｗ／ｍＫの、好適には０．０３２〜０．０３５Ｗ／ｍＫの断熱用発泡成形品を構成できることが分かった。

本成形品では、密度の異なる発泡性粒子状ポリスチレン（ＥＰＳ）の使用も可能であり、該密度は１５〜３０ｋｇ／ｍ^３の範囲で変化し、その材料のλ値はそれぞれ約０．０４０〜０．０３０Ｗ／ｍＫである。１つまたは複数の添加剤を有するＥＰＳでは、密度が１０〜３０ｋｇ／ｍ^３のものも使用でき、その材料のλ値はそれぞれ約０．０３５〜０．０３０Ｗ／ｍＫである。

本発明者らは、本断熱用発泡成形品中の他のＥＰＳ系出発原料よりも小さな粒子と大きな密度とを持つ、着色コーティングを有するＥＰＳを本断熱用発泡成形品に含有させることで、成形される成形品の外側にこうした着色ＥＰＳが移動し、その結果、成形品の外側にこの着色ＥＰＳの蓄積上昇が起こり、外側の特別の場所のために、得られた成形品の外観に支配的な影響を及ぼすであろう、ということをさらに見出した。従って、一般的には好ましくないことがわかっている主に明るい白色を、雪盲の問題を防ぐために変化させている。ここでは、成形品の外側に移動する、着色コーティングを有するＥＰＳについて言及したが、本プロセスで使用される前述の他のＥＰＳ系出発原料も、その存在が成形品内の特定の場所に集中するように選択されてもよい。

本断熱用発泡成形品に使用される再利用ポリスチレン粒子が非常に少量のペンタンを含む場合、出発原料が活性炭を含んでいることが望ましい。なぜなら、本発明者らは、この活性炭に関連して、予備発泡ステップ時に使用される発泡剤、特にペンタンは、こうした予備発泡材中に継続して存在して最終成形ステップの間、より膨張し、その結果、より強力な発泡と、出発原料、特にポリスチレン粒子の適切な溶融とが得られることを見出したためである。

本成形品の製造は、予備膨張されていてもよい出発原料が、ポリスチレン粒子をさらに発泡させる所謂蒸気室に入れる方法によって行われる。該予備発泡ステップの間、例えば、バージンＥＰＳが使用される場合には、蒸気を用いて予備処理し、このプロセスの間、ＥＰＳ顆粒は自由に膨張できる。この処理の後、このように予備発泡したＥＰＳを次の処理、すなわち、特に、このように処理した顆粒を所定の時間、例えば４〜４８時間保管することによって熟成させる。最終成形は、該種々の出発原料を金型内で蒸気を用いてさらに処理することにより行われる。前記プロセスの間、該粒子は互いに結合して緊密な構造を形成する。前述の蒸気室あるいは金型に出発原料の組合せを充填する前に、下位クレームで定義される所要の処方で、所望のＥＰＳ材料の混合物をまず製造しなければならない。所要の混合物の製造に続いて、特にホッパーから得られた該出発原料を金型キャビティ内に充填し蒸気を流す。蒸気の温度が高いために、中の発泡剤が膨張しようとし、蒸気によってガラス転移温度以上の温度に加熱された結果および金型内の制限されたスペースのために、該ＥＰＳ粒子が溶融して断熱用発泡成形品となる。このプロセスで使用される金型には、発泡剤と蒸気の出口となる小さな開口部が設けられている。特別の実施形態では、蒸気の代わりに熱風を使用することもできる。こうして発泡した成形品の大きさには原理的には制限がなく、延設業界で使用されるブロックや食品及び非食品用の包装材の製造も可能である。

以下の分析方法を用いて膨張黒鉛の粒子径を測定した。グレーの発泡ＥＰＳ１０ｇをトルエン２８ｍｌに溶解し、このスラリーを分析した。残りはトルエンを添加して超音波で分散させ、ＡＬＶ測定装置で分析した。Ｍａｌｖｅｒｎ Ｚｅｔａｓｉｚｅｒを使用して粒径を測定した。必要な場合は、さらにトルエンで希釈した。Ｚｅｔａｓｉｚｅｒ ＧＭＡは、以下の仕様を有する所謂動的光散乱装置である。
相関器：ＡＬＶ５０００／６０Ｘ０
外部ゴニオメータ相関器：ＡＬＶ−１２５
検知器：Ｓｔａｔｉｃ ＆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｅｎｈａｎｃｅｒ ＡＬＶ Ｌａｓｅｒ Ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃｓ（Ｃｏｂｏｌｔ Ｓａｍｂａ３００ＤＰＳＳ Ｌａｓｅｒ）を備えたＡＬＶ／ＳＯ ＳＩＰＤ単光子検知器
波長：５３２ｎｍ
３００ｍＷ出力温度調節
Ｓｔａｔｉｃ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｔｈ：Ｈａａｋｅ Ｆ８−Ｃ３５
特別の規格は使用しなかった。該装置は粒子のブラウン運動を測定するものであり、アインシュタイン−ストークスの式を用いて測定値を粒子径に変換した。ここで、溶媒は水、該粒子は概ね球形であるとする。その半径を測定した。

Claims (12)

1. 粒子状の発泡性ポリスチレン（ＥＰＳ）系の断熱用発泡成形品であって、前記成形品は、ＥＰＳに加えて、再利用ポリスチレン粒子を含むことを特徴とする成形品。
2. 前記成形品はさらに、１つまたは複数の添加剤を有することを特徴とする請求項１に記載の成形品。
3. 前記１つまたは複数の添加剤は、活性炭、膨張黒鉛および微粉炭素の群から選択されることを特徴とする請求項２に記載の成形品。
4. 前記添加剤の粒径は１２μｍ以下であり、特に８μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の成形品。
5. 添加剤として膨張黒鉛が使用される場合、その粒径は０．１〜０．８μｍであることを特徴とする請求項３に記載の成形品。
6. 前記成形品はさらに、着色コーティングを有するＥＰＳを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項または複数項に記載の成形品。
7. 前記成形品の合計重量に対して、粒子状の発泡性ポリスチレン（ＥＰＳ）の量は１０〜７０重量％であり、再利用ポリスチレン粒子の量は１０〜７０重量％であり、１つまたは複数の添加剤を有するＥＰＳの量は０〜７０重量％であり、着色コーティングを有するＥＰＳの量は０〜４０重量％であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項または複数項に記載の成形品。
8. 前記成形品の合計重量に対して、粒子状の発泡性ポリスチレン（ＥＰＳ）の量は１０〜３０重量％であり、再利用ポリスチレン粒子の量は１０〜４０重量％であり、１つまたは複数の添加剤を有するＥＰＳの量は３０〜５０重量％であり、着色コーティングを有するＥＰＳの量は５〜１５重量％であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項または複数項に記載の成形品。
9. グラファイト、アルミニウム粉、Ａｌ（ＯＨ）_３、Ｍｇ（ＯＨ）_２、Ａｌ_２０_３、鉄、亜鉛、銅およびこれらの合金から成る群から選択された１つまたは複数の断熱性向上材が前記成形品にさらに存在することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項または複数項に記載の成形品。
10. ヘキサブロミンシクロドデカン（ＨＢＣＤ）、ジクミルパーオキサイド、臭素化ポリマー化合物および２，３−ジメチル−２，３−ジフェニルブタンおよびこれらの組合せの群から選択された１つまたは複数の難燃剤が前記成形品に存在することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項または複数項に記載の成形品。
11. 臭素化ポリスチレン由来の化合物が臭素化ポリマー化合物として使用されることを特徴とする請求項１０に記載の成形品。
12. ジクミルパーオキサイドが、臭素化ポリスチレンと共に、難燃剤として使用されることを特徴とする請求項１０または請求項１１のいずれかまたはその両方に記載の成形品。