JP2022185471A - 吸音材および吸音材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い吸音性能を有する吸音材を提供すること。【解決手段】吸音材は、樹脂多孔質体を備える。吸音材は、樹脂多孔質体の表面に配置されている、セルロースナノファイバを含んだ繊維層を備える。【選択図】図２

Description

本明細書では、セルロースナノファイバを含んだ繊維層が表面に配置されている、樹脂多孔質体の吸音材に関する技術を開示する。

特許文献１には、発泡ポリウレタン等の発泡樹脂からなる吸音層にフェルト等の繊維からなる吸音層が積層された吸音材が開示されている。フェルトとしては、例えば、低融点ポリエステル、細綿ポリエステル、ポリエステル、ウール、アクリル、コットン等の繊維類を単独或いは複合したものを用いることができる。

特開２００９－２２６６７５号公報

発泡樹脂にフェルトが積層された構造では、十分な吸音性能を得ることが困難である。本明細書では、新規な構造を有する吸音材を提案する。

本明細書では、吸音材を開示する。吸音材は、樹脂多孔質体を備える。吸音材は、樹脂多孔質体の表面に配置されている、セルロースナノファイバを含んだ繊維層を備える。

セルロースナノファイバは、フェルトを構成している繊維に比して、繊維径が非常に小さい。そして、樹脂多孔質体にセルロースナノファイバを含んだ繊維層を積層することで、吸音性能を高めることができることを、発明者らは見出した。これにより、高い吸音性能を有する吸音材を作成することが可能となる。

樹脂多孔質体の表面に表出している複数の細孔には、第１種の細孔が含まれていてもよい。第１種の細孔は、開口部が繊維層で塞がれているとともに、開口部を塞いでいる繊維層と第１種の細孔の底面との間に空間が存在している細孔であってもよい。

樹脂多孔質体の表面に表出している複数の細孔には、第２種の細孔が含まれていてもよい。第２種の細孔は、第２種の細孔の底面の表面に繊維層が配置されている細孔であってもよい。

第１種の細孔の平均開口径は、第２種の細孔の平均開口径よりも小さくてもよい。

繊維層の平均厚さは１０μｍ以下であってもよい。

樹脂多孔質体は、熱硬化性のウレタン樹脂を含んでいてもよい。

また本明細書では、吸音材の製造方法を開示する。製造方法は、樹脂多孔質体の表面に、セルロースナノファイバを含んだ溶液を塗布する塗布工程を備える。製造方法は、溶液を乾燥させることで樹脂多孔質体の表面に繊維層を形成する工程を備える。

塗布工程では、溶液から生成された複数の液滴を樹脂多孔質体の表面に吹き付けてもよい。

複数の液滴の少なくとも１つの径は、樹脂多孔質体の表面に表出している複数の細孔の開口径よりも大きくてもよい。

吸音材１の概略断面図である。 吸音材１の表面近傍の断面観察図である。 樹脂多孔質体１０の概略断面図である。 繊維層２０の表面のＳＥＭ観察像である。 ＣＮＦ水溶液の液滴の状態等を説明する図である。 吸音材１の吸音率を示すグラフである。 比較例の吸音材１０１の吸音率を示すグラフである。 比較例の吸音材１０１の表面近傍の断面観察図である。 実施例２における繊維層２０の表面のＳＥＭ観察像である。

＜吸音材の構成＞
図１に、本明細書に係る吸音材１の概略断面図を示す。吸音材１は、樹脂多孔質体１０および繊維層２０が積層された構造を備えている。本実施例では、樹脂多孔質体１０は、熱硬化性のウレタン樹脂からなる発泡体である。

繊維層２０は、セルロースナノファイバ（Cellulose nanofiber）を含んだ層である。なお、以下において、セルロースナノファイバを「ＣＮＦ」と省略記載する場合がある。繊維層２０に含まれているＣＮＦは、平均繊維径が数百ｎｍ以下であり、平均繊維長が数ｎｍ以上から数ｍｍ以下の範囲である。このようなＣＮＦを用いることにより、後述するように、ＣＮＦ水溶液を塗布して乾燥させることで、繊維層２０を形成することができる。本実施例では、繊維層２０に含まれているＣＮＦは、平均繊維径が３００ｎｍ以下、平均繊維長が３ｎｍ以上から３ｍｍ以下の範囲である。

図２に、吸音材１の表面近傍の断面観察図を示す。図２は、実際に作製した吸音材１のサンプルを、Ｘ－ＣＴ（ＧＥ社製のphoenix v|tome|x）で観察したものである。Ｘ－ＣＴでは、Ｘ線を用いて撮影した全体像から、画像処理によって断面図を切り出すことができるため、非破壊での断面観察を行うことができる。従って、繊維層２０の膜が観察時に破壊されるおそれがない。また、図２の吸音材１を作製するために用いたＣＮＦは、繊維径が２５～６５ｎｍ、長さ数ｍｍ以下であった。またＣＮＦ水分散液の透過率は、０．５ｗｔ％濃度水溶液、５００ｎｍ波長で測定した場合に、約６５％であった。

図２に示すように、樹脂多孔質体１０の表面には、複数の細孔が表出している。そして樹脂多孔質体１０の表面には、繊維層２０が配置されている。繊維層２０の配置態様に応じて、表出している複数の細孔は、第１種の細孔Ｐ１および第２種の細孔Ｐ２に分類される。

第１種の細孔Ｐ１は、開口部が繊維層２０で塞がれているとともに、繊維層２０と第１種の細孔Ｐ１の底面Ｂ１との間に空間が存在している細孔である。すなわち第１種の細孔Ｐ１では、開口部に繊維層２０の膜が張られている状態である。繊維層２０の平均厚さＴ１は、１０μｍ以下である。第２種の細孔Ｐ２は、その底面Ｂ２の表面に繊維層２０が配置されている細孔である。すなわち第２種の細孔Ｐ２では、細孔の内壁に繊維層２０が配置されており、開口部には繊維層２０の膜が張られていない。

また、樹脂多孔質体１０の表面に表出している細孔の開口部の開口縁の幅を、開口径ＰＤと定義する。第１種の細孔Ｐ１の平均開口径は、第２種の細孔Ｐ２の平均開口径よりも小さい。

また図３に、比較例として、樹脂多孔質体１０の表面近傍における、Ｘ－ＣＴによる断面観察図を示す。すなわち図３は、繊維層２０が形成される前の樹脂多孔質体１０の観察結果である。樹脂多孔質体１０の表面に表出している細孔Ｐ０の全てにおいて、開口部には膜が形成されていない。このことからも、第１種の細孔Ｐ１では、開口部に繊維層２０の膜が張られていることが分かる。

また図４に、吸音材１のサンプルの繊維層２０の表面を、ＳＥＭ観察した像を示す。すなわち図４は、図２において矢印Ｙ１方向から観察している。ＣＮＦがランダムに配置されることによってネットワークが形成され、不織布状の層が形成されていることが分かる。

＜製造方法＞
吸音材１の製造方法を説明する。第１ステップとして、樹脂多孔質体１０を形成する。例えば、ポリオールとポリイソシアネートを混合し、所定のモールド（金型）に注入する。発生する炭酸ガスによって発泡させ、その後硬化させることにより、軟質ポリウレタンフォームが完成する。

第２ステップとして、ＣＮＦを含んだ溶液を準備する。ＣＮＦ濃度が高くなるほど、ＣＮＦの増粘作用により、溶液の粘度が高くなる。従って、後述するスプレー塗布が可能な粘度範囲に収まるように、ＣＮＦ濃度を定めればよい。すなわち、スプレーの穴径に応じて粘度を調整すればよい。本実施例では、スプレーの穴径に合わせて、ＣＮＦ濃度を約１ｗｔ％とした。

第３ステップとして、樹脂多孔質体１０の表面に、ＣＮＦを含んだ溶液を塗布する。本実施例では、スプレー塗布を用いた。スプレー塗布では、ＣＮＦ水溶液から生成された複数の液滴を、樹脂多孔質体１０の表面に吹き付けることで、塗布が行われる。なお、スプレー塗布の方法は様々であってよい。例えば、エアスプレー方式、超音波スプレー方式、静電スプレー方式などを用いてもよい。

第４ステップとして、塗布された溶液を乾燥させる。水の気化と同時に水の表面張力の働きによってＣＮＦ同士が互いに引き寄せられる。ＣＮＦ同士が接近すると、水酸基の間で水素結合が発生し、ＣＮＦは強固に凝集する。その結果、膜状の繊維層２０が樹脂多孔質体１０の表面に形成される。

＜第１種の細孔Ｐ１および第２種の細孔Ｐ２が形成されるメカニズム＞
図５（Ａ）の概略図を用いて、スプレー塗布（第３ステップ）における、ＣＮＦ水溶液の液滴の状態を説明する。図５（Ａ）では、液滴ＤＲが矢印Ｙ２の方向に飛行し、樹脂多孔質体１０の表面に付着して液滴ＤＲａとなる様子を示している。ＣＮＦ水溶液は非常に粘度が高い。よって液滴ＤＲの液滴径ＤＤが細孔の開口径ＰＤよりも大きい場合には、付着後の液滴ＤＲａは細孔Ｐの内部に侵入せず、開口部を塞ぐように存在する（図５（Ａ）の左側参照）。一方、液滴径ＤＤが細孔の開口径ＰＤよりも小さい場合には、付着後の液滴ＤＲａは細孔Ｐの内部に侵入し、底面Ｂの表面に存在する（図５（Ａ）の右側参照）。

次に第４ステップにおいて乾燥されると、ＣＮＦ水溶液中のＣＮＦがネットワークを形成することで繊維層２０が形成される。図５（Ｂ）に、乾燥後の樹脂多孔質体１０の表面状態を示す概略図を示す。開口部を塞ぐように付着していた液滴ＤＲａは、開口部に張られるような膜状の繊維層２０となる（図５（Ｂ）の左側参照）。よって第１種の細孔Ｐ１が形成される。一方、底面Ｂに付着していた液滴ＤＲａは、底面を覆う繊維層２０となる（図５（Ｂ）の右側参照）。よって第２種の細孔Ｐ２が形成される。

以上より、第１種の細孔Ｐ１を形成するためには、複数の液滴の少なくとも１つの径が、樹脂多孔質体１０の表面に表出している複数の細孔の開口径よりも大きくなるように、スプレー塗布の条件を設定すればよい。例えば、液滴の平均径が、樹脂多孔質体１０の細孔の平均径よりも大きくなるように、スプレー塗布の条件を決定してもよい。

なお、液滴径ＤＤおよび細孔の開口径ＰＤは、それぞればらつきを有する。従って、第１種の細孔Ｐ１の開口径の分布と第２種の細孔Ｐ２の開口径の分布とは、重複する領域が存在する。しかし平均値で見れば、第１種の細孔Ｐ１の平均開口径は第２種の細孔Ｐ２の平均開口径よりも小さくなっている。

＜吸音率の測定結果および吸音率向上モデル＞
図６に、本実施例の吸音材１の吸音率を示す。測定周波数範囲は、２００～４０００Ｈｚである。測定方法は、ＪＩＳ Ａ １４０５規格に基づいた垂直入射吸音率測定である。グラフＧ１は、繊維層２０が形成されていない、樹脂多孔質体１０単体の場合の吸音特性を示している。グラフＧ２は、繊維層２０を備えた樹脂多孔質体１０（吸音材１）を用いた場合の吸音特性を示している。繊維層２０を備えることで、約１０００～３５００Ｈｚの広範囲の周波数に亘って、吸音率を上昇させることができることが分かる。特に、自動車などの車両で用いる場合に吸音する必要がある１０００～２８００Ｈｚの範囲では、吸音率を約２倍以上に高めることができる。

また、比較例の吸音材１０１での吸音率について説明する。比較例の吸音材１０１は、樹脂多孔質体１１０（熱硬化性の発泡ウレタン）の表面に、樹脂層１２０（ＰＶＡ：ポリビニルアルコール）が配置されている構造を有する。図８に、実際に作製した吸音材１０１のサンプルの、表面近傍の断面観察図（Ｘ－ＣＴ）を示す。樹脂層１２０はＰＶＡを塗布して形成された層であり、その平均厚さＴ１０１は約５０μｍである。また比較例の吸音材１０１では、前述した第１種の細孔Ｐ１は形成されていない。すなわち、細孔の開口部には、樹脂層１２０の膜が張られていない。

図７に、比較例の吸音材１０１における、吸音率のグラフを示す。測定方法は、図６のグラフと同様である。グラフＧ１０１は、樹脂層１２０が形成されていない、樹脂多孔質体１１０単体の場合の吸音特性を示している。グラフＧ１０２は、樹脂層１２０を備えた樹脂多孔質体１１０（吸音材１０１）を用いた場合の吸音特性を示している。樹脂層１２０を備えることで、約１８００～３８００Ｈｚの周波数範囲で、吸音率が上昇している。しかしその上昇率は最大で３０％程度であり、本実施例の繊維層２０を用いる場合（図６参照）に比して上昇率が低い。

なお、図６のグラフＧ１と図７のグラフＧ１０１とでは、グラフの形状が異なっている。これは、図６の測定で用いた樹脂多孔質体１０と、図７の測定で用いた樹脂多孔質体１１０とは、共に材料は同一（発泡ポリウレタン）であるが、吸音材における測定部位や空隙率などが異なるためである。従って本明細書では、図６において繊維層２０を備えない場合と備える場合とを比較するとともに、図７において樹脂層１２０を備えない場合と備える場合とを比較することで、グラフ形状の差の影響を排除している。

本実施例の繊維層２０を用いることで、比較例の樹脂層１２０を用いる場合よりも吸音率を高めることができるモデルを説明する。第１に、繊維層２０では、ＣＮＦの増粘作用により、細孔の開口部に膜が張られた構造（第１種の細孔Ｐ１）を形成することができる。これにより、膜を振動させることで音のエネルギーを吸収する膜振動型吸音体を、吸音材１の表面に多数配置することが可能となる。一方、樹脂層１２０を形成しているＰＶＡでは、ＣＮＦに比して増粘作用が低いため、第１種の細孔Ｐ１を形成することができない。

第２に、繊維層２０を薄膜化することができる。前述した膜振動型吸音体では、振動膜は、数十μｍ以下と薄いことが好ましい。そして繊維層２０では、ＣＮＦの強固な凝集力により、１０μｍ以下であっても膜を形成することができるとともに、十分な強度を維持することが可能となる。一方、樹脂層１２０を形成しているＰＶＡでは、ＣＮＦに比して凝集力が低いため、１０μｍ以下の薄膜は形成が困難である。図８に示すように、ＰＶＡは５０μｍ程度までしか薄膜化できない。

＜効果＞
多孔質体に繊維材料を積層した構造を採用することで、低い周波数帯（例：１０００～３０００Ｈｚ）の吸音率を向上できることが知られている。しかし、不織布を多孔質体の表面に貼り付ける構造では、製造コストが高い。また複雑な曲面構造を有する多孔質体には、不織布の貼り付けが困難である。本明細書の技術では、ウレタン発泡体にＣＮＦ水溶液を塗布することで、ウレタン発泡体の表面に繊維層２０を形成することができる。不織布を貼り付けるという工程を必要とせず、塗布するだけで繊維層２０を形成できるため、製造コスト削減が可能である。また複雑な曲面構造を有するウレタン発泡体であっても、繊維層２０を容易に形成することが可能である。

実施例１のＣＮＦとは種類の異なるＣＮＦを用いて、吸音材１を作製した。使用したＣＮＦは、重合度が約６００、分子量が約１０００００である。また、ＣＮＦ水分散液の透過率は、０．１ｗｔ％濃度水溶液、４００ｎｍ波長で測定した場合に、約７０％であった。

このＣＮＦ水溶液を用いた場合においても、膜状の繊維層２０を樹脂多孔質体１０の表面に形成することができた。図９に、実施例２で作製した繊維層２０の表面を、ＳＥＭ観察した像を示す。膜状の繊維層２０が形成されていることが分かる。また、実施例１の繊維層２０の表面（図４）に比して、表面粗さが小さいことが分かる。

＜変形例＞
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

樹脂多孔質体は、ウレタン樹脂に限られず、様々な材料であってよい。例えば、熱可塑層樹脂の発泡粒子を焼結して形成したものであってもよい。

第３ステップにおける塗布方法はスプレーに限られず、様々であってよい。例えばＣＮＦ溶液に含浸する方法や、ローラ等を用いて塗り付ける方法であってもよい。

ＣＮＦの原料となるセルロース原料は、特に限定されるものではない。また、酸加水分解などの化学処理によって精製されたものであってもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：吸音材 １０：樹脂多孔質体 ２０：繊維層 Ｐ１：第１種の細孔 Ｐ２：第２種の細孔 ＰＤ：開口径

Claims (11)

1. 樹脂多孔質体と、
   前記樹脂多孔質体の表面に配置されている、セルロースナノファイバを含んだ繊維層と、
   を備える吸音材。
2. 前記樹脂多孔質体の表面に表出している複数の細孔には、第１種の細孔が含まれており、
   前記第１種の細孔は、開口部が前記繊維層で塞がれているとともに、前記開口部を塞いでいる前記繊維層と前記第１種の細孔の底面との間に空間が存在している細孔である、請求項１に記載の吸音材。
3. 前記樹脂多孔質体の表面に表出している前記複数の細孔には、第２種の細孔が含まれており、
   前記第２種の細孔は、前記第２種の細孔の底面の表面に前記繊維層が配置されている細孔である、請求項２に記載の吸音材。
4. 前記第１種の細孔の平均開口径は、前記第２種の細孔の平均開口径よりも小さい、請求項３に記載の吸音材。
5. 前記繊維層の平均厚さは１０μｍ以下である、請求項１～４の何れか１項に記載の吸音材。
6. 前記樹脂多孔質体は、熱硬化性のウレタン樹脂を含んでいる、請求項１～５の何れか１項に記載の吸音材。
7. 樹脂多孔質体の表面に、セルロースナノファイバを含んだ溶液を塗布する塗布工程と、
   前記溶液を乾燥させることで前記樹脂多孔質体の表面に繊維層を形成する工程と、
   を備える、吸音材の製造方法。
8. 前記塗布工程では、前記溶液から生成された複数の液滴を前記樹脂多孔質体の表面に吹き付ける、請求項７に記載の吸音材の製造方法。
9. 前記複数の液滴の少なくとも１つの径は、前記樹脂多孔質体の表面に表出している前記複数の細孔の開口径よりも大きい、請求項８に記載の吸音材の製造方法。
10. 前記繊維層の平均厚さは１０μｍ以下である、請求項７～９の何れか１項に記載の吸音材の製造方法。
11. 前記樹脂多孔質体は、熱硬化性のウレタン樹脂を含んでいる、請求項７～１０の何れか１項に記載の吸音材の製造方法。
    

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