JP2019521231A - 高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シート及びその生産方法 - Google Patents

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Abstract

高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートであって、70〜100重量部のTPU、0〜30重量部のジメチルポリシロキサンを成分として含む。当該発泡シートの利点は次の通りである。即ち、超臨界流体はジメチルポリシロキサンに対する溶解度が高く、且つ、ジメチルポリシロキサンは表面張力が低い。そのため、TPUに混入された少量のジメチルポリシロキサンによって、TPU内における超臨界流体の拡散速度が極めて大きく加速し、TPU内での超臨界流体の拡散平衡時間が短縮される。また、キャビティの体積がTPUシートの体積よりもやや大きく、且つ、表面に通気性の金属材料が敷設された金型の場合、超臨界流体をTPUシートの上下両面を通じて同時に拡散させてTPUシートに進入させられる。そのため、超臨界流体が上面のみを通じて拡散し、TPUシートに進入する場合と比較して、拡散距離が短縮されるため、拡散平衡時間が短くなり、生産効率が向上する。また、更に、高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートの生産方法を提供する。【選択図】図1

Description

本発明は、高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シート及びその生産方法に関する。
発泡技術により製造される軟質弾性高分子フォームは、優れた制振・緩衝、断熱・保温、騒音の軽減・吸収、防塵・防水等の性能を有し、靴材料、家具、電子機器、交通機関、運動器具、防護パッケージなどの分野において幅広く利用されている。多孔質構造及び内部に形成される化学架橋ネットワーク構造は、架橋EVA発泡材料、各種ゴム発泡材料、PVC発泡材料等の軟質弾性高分子フォームにおける基本的な特徴である。これらの化学架橋発泡により形成される軟質弾性材料は、製造工程が複雑で汚染が大きく、製品に毒性や異臭が存在する。また、回収・再利用が難しいため環境汚染につながり、人類の健康にとって有害である。
熱可塑性ポリウレタン(TPU)は、熱力学的に相容れないソフトセグメントとハードセグメントが交互に組み合わされてなる線形のブロック重合体である。TPUは独特のミクロ相分離構造によって突出した弾性性能を提供するとともに、高強度、高耐摩擦性、高耐油性、高耐寒性等の特徴を有する。また、TPU発泡材料は、架橋発泡材料よりも優れた弾性及び圧縮変形性能を有する。且つ、架橋軟質弾性発泡材料と比較して、TPU発泡材料はクリーンで環境にやさしく、リサイクルが可能である。また、フタル酸エステルやハロゲンを含まない。
ところで、化学架橋発泡では2〜3倍のTPU発泡シートしか得られない。より高倍率のTPU発泡材料については、現在のところ主にビーズ発泡技術で取得している。TPU発泡ビーズは、金型内で蒸気により加熱し、表面を溶着させることでTPU発泡製品を形成可能である。
特許文献1、特許文献2、特許文献3には、2種類のTPU発泡ビーズの製造方法が開示されている。一つの方法では、TPU中実粒子をオートクレーブ内の高温懸濁液に投入する。次に、発泡剤ガスを導入して溶解・拡散させ、TPU粒子に進入させることで発泡剤を含有する発泡性のTPUビーズを形成する。続いて、冷却及び減圧して得られた発泡性TPUビーズを突然昇温して膨張させ、TPU発泡ビーズを取得する。或いは、オートクレーブ内の高温懸濁液を高温・高圧下で突然減圧し、気泡の成長を誘発することでTPU発泡ビーズを取得する。また、もう一つの方法では、押出機内に発泡剤ガスを導入し、スクリューでカットすることで発泡剤ガスをTPU溶融体に溶解させ、ダイで直接発泡させることでTPU発泡ビーズを形成する。或いは、ダイにおいて水中でペレット状にカットすることで発泡剤を含有した発泡性TPUビーズを形成し、これを昇温して発泡させることでTPU発泡ビーズを取得する。
TPUビーズは、モールディング成形によって複雑な構造を有する異なる形状のTPU発泡製品を容易に製造可能である。しかし、ビーズを溶着させて形成される製品は表面が粗く、外観に劣り、滑らかな表面触感が得られない。且つ、蒸気による溶着過程では大量のエネルギーが消費されるため、コストが嵩む。また、モールディング成形過程ではTPU発泡ビーズが更に収縮するため、TPUビーズによる成形製品は発泡倍率が一様に低くなる。
特許文献4は、超臨界COを用いて熱可塑性ポリマー発泡シートを製造する技術を開示している。しかし、発泡温度がポリマーの流動温度よりも低いため、ポリマー中でのCOの拡散速度が遅く、分厚いTPU微細孔発泡シートの効率的な生産は実現不可能である。
国際公開第2007/082838号 米国特許出願公開第2012/0329892号明細書 中国特許出願公開第200780002602.9号明細書 中国特許出願公開第201110054581.3号明細書
本発明は、従来のTPUビーズ成形製品は発泡倍率が低いとの欠点を解消する高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シート及びその生産方法を提供することを解決すべき技術的課題とする。
上記の技術的課題を解決するために、本発明は以下の技術方案で実現される。即ち、高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートであって、70〜100重量部のTPU、0〜30重量部のジメチルポリシロキサンを成分として含む。
好ましくは、90〜100重量部のTPU、0〜10重量部のジメチルポリシロキサンを成分として含む。
好ましくは、TPUの分子量は4〜9万、硬度はショアA65〜95である。
好ましくは、ジメチルポリシロキサンは、両末端がアミノ基のジメチルポリシロキサン、a,w−ジヒドロキシジメチルポリシロキサン、1つの末端がジヒドロキシアルキル基のジメチルポリシロキサン、末端がヒドロキシ基で封鎖されたジメチルポリシロキサン、末端が水素で封鎖されたジメチルポリシロキサンのうちの1又は2種類の組成物、或いは2種類以上の組成物である。
好ましくは、TPUは、ポリイソシアネート、ポリオール、鎖延長剤を生産原料として調製され、ポリイソシアネートは、ジフェニルメタンジイソシアネート又はトルエンジイソシアネートであり、ポリオールは、ポリエステルポリオール、又は、ポリエーテルポリオール、又は、ポリアクリル酸ポリオール、又は、ポリカーボネートポリオール、又は、ポリオレフィンポリオールであり、鎖延長剤は、ブタンジオール、又は、エチレングリコール、又は、プロパンジオールである。
好ましくは、ジメチルポリシロキサンの平均モル質量は、2000〜5000g/molである。
高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートの生産方法であって、a)成分を除湿、乾燥させてから押出機に投入した後、コートハンガーダイで成形、冷却し、所定の長さに切断してTPU中実シートを取得するステップと、b)ステップa)で取得したTPU中実シートを耐高圧発泡金型に投入し、型締めにより密封してから、金型を140〜160℃まで昇温させた後、金型内に超臨界流体を導入し、超臨界流体を高温、高圧下で急速に拡散させてTPU中実シートに進入させ、超臨界流体が拡散平衡時間に達した後に温度を90〜130℃まで低下させ、金型内の超臨界流体の圧力を瞬間的に開放することで、TPU中実シートを金型空間全体に充満するまで金型内で膨張、成長させて、最後に、急速に金型を開放することで、TPU発泡シートが成長を停止してTPU微細孔発泡シートを形成するまで引き続き成長させるステップ、を含む。
好ましくは、金型は上型と下型を含み、上型と下型の間にキャビティが形成され、上型には吸気弁と排気弁が設けられており、キャビティとTPU中実シートとの体積比は6:5〜5:1である。吸気弁は超臨界流体の導入を可能とし、排気弁は、TPUシートが金型内で膨張及び成長するよう、金型内の超臨界流体の急速且つ瞬間的な放出を可能とする。
好ましくは、キャビティの内表面には多孔通気性金属層が敷設されており、TPUシート内における超臨界流体の拡散経路を短くすることで、超臨界流体の飽和時間を短縮する。
好ましくは、超臨界流体は、超臨界CO、超臨界ブタン、超臨界ペンタンのうちの1又は2種類を混合した超臨界流体、或いは、2種類以上を混合した超臨界流体であり、且つ、超臨界流体の圧力は5〜20MPaであり、超臨界流体の拡散平衡時間は10〜240minである。これによれば、ニーズの違いに応じて超臨界流体を組み合わせ可能なことから、実用性に優れる。
以上より、本発明の利点は次の通りである。即ち、超臨界流体はジメチルポリシロキサンに対する溶解度が高く、且つ、ジメチルポリシロキサンは表面張力が低い。そのため、TPUに混入された少量のジメチルポリシロキサンによって、TPU内における超臨界流体の拡散速度が極めて大きく加速し、TPU内での超臨界流体の拡散平衡時間が短縮される。また、キャビティの体積がTPUシートの体積よりもやや大きく、且つ、表面に通気性の金属材料が敷設された金型の場合、超臨界流体をTPUシートの上下両面を通じて同時に拡散させてTPUシートに進入させられる。そのため、超臨界流体が上面のみを通じて拡散し、TPUシートに進入する場合と比較して、拡散距離が短縮されるため、拡散平衡時間が短くなり、生産効率が向上する。
また、超臨界流体を高温下において高い拡散速度でTPU基体に進入させてから、目標とする発泡倍率に応じて発泡温度を適切な温度まで低下させ、金型を開くことで発泡させる場合も同様に、TPU内における超臨界流体の拡散速度が温度の上昇とともに向上するとの特性を利用している。よって、発泡時間の短縮が実現され、生産効率の向上に有利となる。クリーンな超臨界流体を急速に減圧して発泡させるため、製造工程が容易であるとともに、製品に毒性及び汚染が存在しない。また、製造されるTPUシートはセルサイズが小さく、セル密度が大きい。且つ、発泡倍率が高く、機械性能に優れる。
以下に、図面を組み合わせて本考案につき更に説明する。
図1は、実施例1で取得したTPU微細孔発泡シートの内部セルの走査電子顕微鏡画像である。 図2は、実施例2で取得したTPU微細孔発泡シートの内部セルの走査電子顕微鏡画像である。 図3は、実施例3で取得したTPU微細孔発泡シートの内部セルの走査電子顕微鏡画像である。 図4は、実施例4で取得したTPU微細孔発泡シートの内部セルの走査電子顕微鏡画像である。
図1に示す高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートは、100重量部のTPUを成分として含有した。TPUの分子量は6万、硬度はショアA75とした。また、TPUはポリエステル系のTPU粒子とした。
高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートの生産方法には、以下のステップが含まれた。
a)TPUを除湿、乾燥させてから押出機に投入した後、コートハンガーダイで成形、冷却し、所定の長さに切断して、幅150mm、長さ400mm、厚さ10mmのTPU中実シートを切り出した。
b)ステップa)で取得したTPU中実シートを耐高圧発泡金型に投入した。なお、金型内のキャビティとTPU中実シートとの体積比は3:1とした。金型は油圧の力で型締めした。金型はパッキン経由で力を受けて密封された。また、金型は熱伝導性オイル(Thermal conductive oil)によって140℃まで昇温させた。金型には10MPaの超臨界COを導入した。超臨界流体の拡散平衡時間は180minであった。次に、温度を110℃まで低下させ、排気弁から金型内のCOガスを迅速に排出した。すると、TPU中実シートが金型空間全体に充満するまで金型内で膨張し、成長した。最後に、急速に金型を開放することで、TPU発泡シートは成長が停止してTPU微細孔発泡シートを形成するまで成長を続けた。
TPU微細孔発泡シートを常温・常圧で放置して熟成した後、TPU微細孔発泡シートのサイズを測定したところ、幅225mm、長さ600mm、厚さ15mmであった。
図2に示す高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートは、95重量部のTPU、5重量部のジメチルポリシロキサンを成分として含有した。TPUの分子量は6.5万、硬度はショアA80とした。TPUはポリエーテル系のTPU粒子とした。また、ジメチルポリシロキサンは両末端がアミノ基のジメチルポリシロキサンであった。
高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートの生産方法には、以下のステップが含まれた。
a)TPUとジメチルポリシロキサンを混合し、除湿、乾燥させてから押出機に投入した後、コートハンガーダイで成形、冷却し、所定の長さに切断して、幅150mm、長さ400mm、厚さ10mmのTPU中実シートを切り出した。
b)ステップa)で取得したTPU中実シートを耐高圧発泡金型に投入した。なお、金型内のキャビティとTPU中実シートとの体積比は2:1とした。金型は油圧の力で型締めした。金型はパッキン経由で力を受けて密封された。また、金型は熱伝導性オイルによって150℃まで昇温させた。金型には15MPaの超臨界COを導入した。超臨界流体の拡散平衡時間は100minであった。次に、温度を130℃まで低下させ、排気弁から金型内のCOガスを迅速に排出した。すると、TPU中実シートが金型空間全体に充満するまで金型内で膨張し、成長した。最後に、急速に金型を開放することで、TPU発泡シートは成長が停止してTPU微細孔発泡シートを形成するまで成長を続けた。
TPU微細孔発泡シートを常温・常圧で放置して熟成した後、TPU微細孔発泡シートのサイズを測定したところ、幅300mm、長さ800mm、厚さ30mmであった。
図3に示す高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートは、100重量部のTPUを成分として含有した。TPUの分子量は8万、硬度はショアA85とした。また、TPUはポリエーテル系のTPU粒子とした。
高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートの生産方法には、以下のステップが含まれた。
a)TPUを除湿、乾燥させてから押出機に投入した後、コートハンガーダイで成形、冷却し、所定の長さに切断して、幅500mm、長さ1500mm、厚さ20mmのTPU中実シートを切り出した。
b)ステップa)で取得したTPU中実シートを耐高圧発泡金型に投入した。なお、金型内のキャビティとTPU中実シートとの体積比は3:2とした。金型は油圧の力で型締めした。金型はパッキン経由で力を受けて密封された。また、金型は熱伝導性オイルによって155℃まで昇温させた。金型には17MPaの超臨界流体を導入した。超臨界流体は超臨界CO及び超臨界ブタンとし、且つ、超臨界COと超臨界ブタンの重量比は9:1とした。超臨界流体の拡散平衡時間は80minであった。次に、温度を120℃まで低下させ、排気弁から金型内の超臨界流体を迅速に排出した。すると、TPU中実シートが金型空間全体に充満するまで金型内で膨張し、成長した。最後に、急速に金型を開放することで、TPU発泡シートは成長が停止してTPU微細孔発泡シートを形成するまで成長を続けた。
TPU微細孔発泡シートを常温・常圧で放置して熟成した後、TPU微細孔発泡シートのサイズを測定したところ、幅1250mm、長さ3750mm、厚さ50mmであった。
図4に示す高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートは、100重量部のTPUを成分として含有した。TPUの分子量は7.5万、硬度はショアA90とした。また、TPUはポリカーボネート系のTPU粒子とした。
高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートの生産方法には、以下のステップが含まれた。
a)TPUを除湿、乾燥させてから押出機に投入した後、コートハンガーダイで成形、冷却し、所定の長さに切断して、幅500mm、長さ1500mm、厚さ20mmのTPU中実シートを切り出した。
b)ステップa)で取得したTPU中実シートを耐高圧発泡金型に投入した。なお、金型内のキャビティとTPU中実シートとの体積比は5:1とした。金型は油圧の力で型締めした。金型はパッキン経由で力を受けて密封された。また、金型は熱伝導性オイルによって145℃まで昇温させた。金型には20MPaの超臨界流体を導入した。超臨界流体は超臨界CO及び超臨界ブタンとし、且つ、超臨界COと超臨界ブタンの重量比は4:1とした。超臨界流体の拡散平衡時間は60minであった。次に、温度を110℃まで低下させ、排気弁から金型内の超臨界流体を迅速に排出した。すると、TPU中実シートが金型空間全体に充満するまで金型内で膨張し、成長した。最後に、急速に金型を開放することで、TPU発泡シートは成長が停止してTPU微細孔発泡シートを形成するまで成長を続けた。
TPU微細孔発泡シートを常温・常圧で放置して熟成した後、TPU微細孔発泡シートのサイズを測定したところ、幅1350mm、長さ4050mm、厚さ54mmであった。
GB/T6343−2009基準に基づきTPU微細孔発泡シートの見かけ密度を測定することで、最終的な微細孔発泡材料の発泡倍率を算出可能であった。発泡倍率(Rex)=ρTPU/ρTPU foamとした。式中のρTPUは未発泡TPUシートの密度、ρTPU foamはTPU微細孔発泡材料の密度とした。また、TPU微細孔発泡シートを液体窒素で割断し、断面に金を噴き付けてから、走査電子顕微鏡(SEM)で発泡材料内部のセル形態を観察し、セルのSEM画像を撮像した。そして、SEM画像からセルサイズを測定するとともに、セル密度を算出した。セル密度N(単位:個/cm)=(n/A)3/2×Rexとした。なお、式中のnはSEM画像上のセル数、AはSEM画像の実際の撮像面積(単位:cm)とした。
また、GB/T6669−2008基準に基づいて、TPU微細孔発泡シートの圧縮永久歪み性能につき考察した。調節済みのTPU発泡シートを50mm(長さ)×50mm(幅)×25mm(厚さ)のサンプルに切断した。これを常温で厚さの50%まで圧縮し、72時間維持した後に圧縮を解除した。圧縮永久歪みは、下記式で算出した。
CS−−−−圧縮永久歪み。百分率(%)で表す。
−−−−テストサンプルの初期厚さ。
−−−−テストサンプルの最終厚さ。
ASTM D3574に基づいて、TPU微細孔発泡シートの反発弾性を測定した。調節済みのTPU微細孔発泡シートを反発弾性試験機の測定位置に載置し、鋼球を高さ500mmから自由落下させた。そして、反発弾性試験機によって、鋼球の最大跳ね返り高さと鋼球の落下高さとの比の百分率、即ち反発弾性率を自動算出した。
発泡材料の表面硬度は、携帯型ショアC硬度測定器で測定した。
測定結果を表1に示す。
上記の好ましい実施例以外にも、本発明にはその他の実施形態が存在する。当業者であれば、本発明に基づいて各種の変更及び変形が可能であり、本発明の精神を逸脱しない限り、いずれも本発明に添付の特許請求の範囲に含まれる。

Claims (10)

  1. 70〜100重量部のTPU、0〜30重量部のジメチルポリシロキサンを成分として含むことを特徴とする高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シート。
  2. 90〜100重量部のTPU、0〜10重量部のジメチルポリシロキサンを成分として含むことを特徴とする請求項1に記載の高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シート。
  3. TPUの分子量は4〜9万、硬度はショアA65〜95であることを特徴とする請求項1に記載の高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シート。
  4. ジメチルポリシロキサンは、両末端がアミノ基のジメチルポリシロキサン、a,w−ジヒドロキシジメチルポリシロキサン、1つの末端がジヒドロキシアルキル基のジメチルポリシロキサン、末端がヒドロキシ基で封鎖されたジメチルポリシロキサン、末端が水素で封鎖されたジメチルポリシロキサンのうちの1又は2種類の組成物、或いは2種類以上の組成物であることを特徴とする請求項1に記載の高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シート。
  5. TPUは、ポリイソシアネート、ポリオール、鎖延長剤を生産原料として調製され、ポリイソシアネートは、ジフェニルメタンジイソシアネート又はトルエンジイソシアネートであり、
    ポリオールは、ポリエステルポリオール、又は、ポリエーテルポリオール、又は、ポリアクリル酸ポリオール、又は、ポリカーボネートポリオール、又は、ポリオレフィンポリオールであり、
    鎖延長剤は、ブタンジオール、又は、エチレングリコール、又は、プロパンジオールであることを特徴とする請求項1に記載の高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シート。
  6. ジメチルポリシロキサンの平均モル質量は、2000〜5000g/molであることを特徴とする請求項1に記載の高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シート。
  7. 請求項1に記載の高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートに適用される生産方法であって、
    a)成分を除湿、乾燥させてから押出機に投入した後、コートハンガーダイで成形、冷却し、所定の長さに切断してTPU中実シートを取得するステップと、
    b)ステップa)で取得したTPU中実シートを耐高圧発泡金型に投入し、型締めにより密封してから、金型を140〜160℃まで昇温させた後、金型内に超臨界流体を導入し、超臨界流体を高温、高圧下で急速に拡散させてTPU中実シートに進入させ、超臨界流体が拡散平衡時間に達した後に温度を90〜130℃まで低下させ、金型内の超臨界流体の圧力を瞬間的に開放することで、TPU中実シートを金型空間全体に充満するまで金型内で膨張、成長させて、最後に、急速に金型を開放することで、TPU発泡シートが成長を停止してTPU微細孔発泡シートを形成するまで引き続き成長させるステップ、を含むことを特徴とする方法。
  8. 金型は上型と下型を含み、上型と下型の間にキャビティが形成され、上型には吸気弁と排気弁が設けられており、キャビティとTPU中実シートとの体積比は6:5〜5:1であることを特徴とする請求項7に記載の高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートの生産方法。
  9. キャビティの内表面には多孔通気性金属層が敷設されていることを特徴とする請求項7に記載の高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートの生産方法。
  10. 超臨界流体は、超臨界CO、超臨界ブタン、超臨界ペンタンのうちの1又は2種類を混合した超臨界流体、或いは、2種類以上を混合した超臨界流体であり、且つ、超臨界流体の圧力は5〜20MPaであり、超臨界流体の拡散平衡時間は10〜240minであることを特徴とする請求項7に記載の高倍率の熱可塑性ポリウレタン微細孔発泡シートの生産方法。
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