JP3594840B2 - 微孔性防音材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱可塑性エラストマの発泡体で構成された微孔性防音材に関し、より詳細には、特性インピーダンスに優れ、クリーン性、柔軟性、形状追随性を必要とする電子機器用途に好適な微孔性防音材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の防音材用途に用いられる均質体の防音性能は質量則に従うことが知られている。従って、材料の目付け、つまり重量を大きくすることにより防音性を向上することができる。しかし、防音性を大幅に向上しようとすると、防音材の重量が非常に大きくなり、コストアップになるだけでなく操作性や取扱性が低下する。
【０００３】
防音材の構成材料として無機系の材料が用いられている。しかし、無機系の材料は、材料自体に柔軟性がないため、形状追随性、クッション性等を必要とする部位の防音には適さない。また、防音材を有機系の材料で構成し、内部に気泡を形成させた発泡構造としたり、繊維状物を積層した構造とすることにより防音性を発現させることも行われている。一般に、音が気泡を有する発泡体に当たると空気の振動が内部に伝播される。この振動が気泡内の空気に伝播され、気泡内表面と空気との粘性抵抗により音のエネルギーが損失される。しかしながら、これら粘性抵抗により防音性を発現させる機構を有する気泡構造体においては、流れ抵抗の小さい材料では材料厚みを厚くすれば防音性は向上するが、流れ抵抗が大きい材料では、ある程度以上に厚さを厚くしないと所望の防音性は得られないという問題がある。
【０００４】
上記のような内部に気泡を有する発泡体を形成する方法として、一般的には物理発泡法及び化学発泡法が行われている。物理発泡とは、炭化水素系あるいはクロロフルオロカーボン系の低沸点液体をポリマに含浸させた後、ポリマを加熱することで、内部に含浸させた低沸点液体をガス化させ、これを駆動力としてポリマを発泡させる手法である。また化学発泡とは、ポリマに熱分解型発泡剤を添加した樹脂組成物を加熱し、該分解型発泡剤の分解により発生したガスにより気泡形成を行う手法である。しかしながら、物理発泡による技術には、発泡剤として用いる物質の可燃性や毒性、及びオゾン層破壊などの環境への影響が懸念される。また、化学発泡法では、発泡ガスの残渣が発泡体中に残存するため、特に低汚染性の要求が高い電子機器用途においては、腐食性ガスやガス中の不純物による汚染が問題となる。なお、これらの物理発泡法及び化学発泡法では、いずれにおいても微細な気泡構造を形成することは難しく、特に３００μｍ以下の微細気泡を形成することはできないとされている。
【０００５】
近年、微細気泡構造を有する発泡体を得る方法として、不活性ガスを高圧下でポリマに溶解させた後、急激に圧力を低下させて発泡構造を形成する方法が提案されている。例えば、特開平６−３２２１６８号公報には、圧力容器に熱可塑性ポリマを仕込み、ポリマの軟化点まで加熱しながら高圧ガスを仕込み、その後圧力を低下させて気泡を形成させる方法が開示されている。また、特開平１０−１６８２１５号公報には、熱可塑性ポリウレタンからなるシートに、加圧下で無機ガスを含浸させた後、加熱することにより発泡させる熱可塑性ポリウレタン発泡シートの製造法が開示されている。しかし、これらの公報には、防音材については何ら開示も示唆もされていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、特性インピーダンスが大きく、クリーン且つ軽量であり、しかも柔軟性に優れた防音材を提供することにある。
本発明の他の目的は、厚みが薄くても高い防音性が得られる防音材を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記目的を達成するため、防音材の構造、構成材料等について種々検討した結果、厚みが薄い場合においても、発泡体中に形成した気泡が基本的に独立した形状の発泡体において、気泡径が小さいほど且つ気泡密度が大きいほど防音効果が大きくなること、及びこのような厚みが薄くても防音効果の高い発泡体は、特定ポリマに不活性ガスを高圧下で含浸させた後、減圧することにより得られることを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明は、熱可塑性エラストマに超臨界状態にある不活性ガスを１０ＭＰａ以上の高圧下で含浸させた後、減圧する工程を経て形成された発泡体で構成されている微孔性防音材を提供する。このような微孔性防音材には、（ｉ）熱可塑性エラストマからなる未発泡成形物に超臨界状態にある不活性ガスを１０ＭＰａ以上の高圧下で含浸させた後、減圧する工程を経て形成された発泡体で構成されている微孔性防音材、及び（ii）溶融した熱可塑性エラストマに超臨界状態にある不活性ガスを１０ＭＰａ以上の高圧下で含浸させた後、減圧とともに成形に付して形成された発泡体で構成されている微孔性防音材が含まれる。前記発泡体は、減圧後、さらに加熱することにより形成することもできる。
【０００９】
前記不活性ガスとしては二酸化炭素などが挙げられる。好ましい微孔性防音材は、平均気泡径０．１〜３００μｍ、特に０．１〜２０μｍの独立気泡が内部全体に亘って均一に形成され、且つ気泡密度が１０⁷〜１０¹⁴個／ｃｍ³、特に３×１０⁸〜１０¹⁴個／ｃｍ³程度の発泡体で構成されている。
【００１０】
【発明の実施の態様】
本発明において、発泡体の素材である熱可塑性エラストマとしては、常温ではゴムとしての性質を示し、高温では熱可塑性を示すポリマーであって、高圧ガスを含浸可能なものであれば特に制限されない。このような熱可塑性エラストマとして、例えば、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、塩素化ポリエチレンなどのオレフィン系エラストマ；スチレン−ブタジエン−スチレン共重合体、スチレン−イソプレン−スチレン共重合体、スチレン−イソプレン−ブタジエン−スチレン共重合体、それらの水素添加物ポリマーなどのスチレン系エラストマ；熱可塑性ポリエステル系エラストマ；熱可塑性ポリウレタン系エラストマ；熱可塑性アクリル系エラストマなどが挙げられる。熱可塑性エラストマは単独で又は２種以上混合して使用できる。これらの熱可塑性エラストマはガラス転移温度が室温以下（例えば２０℃以下）であるため、防音材としたとき柔軟性及び形状追随性に著しく優れる。
【００１１】
本発明で用いられる不活性ガスとしては、上記熱可塑性エラストマに対して不活性なものであれば特に制限されず、例えば、二酸化炭素、窒素ガス、空気等が挙げられる。これらのガスは混合して用いてもよい。これらのうち、拡散係数が大きく、発泡体の素材として用いる熱可塑性エラストマへの含浸速度が速い点から、二酸化炭素が好適である。
【００１２】
熱可塑性エラストマに含浸させる際の不活性ガスは超臨界状態である。超臨界状態では、ポリマへのガスの溶解性が高く、また拡散係数も大きくなるため含浸が容易となる。なお、二酸化炭素の臨界温度は３１．１℃、臨界圧力は７．３８ＭＰａである。
【００１３】
発泡体を形成する際、熱可塑性エラストマに、必要に応じて添加剤を添加してもよい。添加剤の種類は特に限定されず、発泡成形に通常使用される各種添加剤を用いることができる。このような添加剤として、例えば、気泡核剤、結晶核剤、可塑剤、滑剤、着色剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、充填剤、補強剤、難燃剤、帯電防止剤等が挙げられる。添加剤の添加量は、気泡の形成等を損なわない範囲で適宜選択でき、通常の熱可塑性エラストマの成形に用いられる添加量を採用できる。
【００１４】
発泡体は、熱可塑性エラストマに不活性ガスを高圧下で含浸させるガス含浸工程と、該工程後に圧力を低下させて樹脂を発泡させる減圧工程、及び必要に応じて加熱により気泡を成長させる加熱工程を経て形成される。これらの工程は、バッチ方式、連続方式の何れの方式で行ってもよい。
【００１５】
バッチ方式によれば、例えば以下のようにして発泡体を形成できる。すなわち、まず、熱可塑性エラストマを、例えばシート状、フィルム状などに成形する。この成形は、例えば、一般的な押出機により、ペレット状の熱可塑性エラストマを溶融混練し、押出成形したり、あるいは、混練機を使用して、熱可塑性エラストマを均一に混練した後、熱プレス機を用いてプレス成形することにより行うことができる。そして、得られた未発泡成形物を耐圧容器中に入れ、高圧の不活性ガスを導入し、該不活性ガスが熱可塑性エラストマ中に均一に含浸するまで所定の圧力及び温度を保持する。この場合、成形物の形状は特に限定されず、ロール状、板状等の何れであってもよい。また、高圧の不活性ガスの導入は連続的に行ってもよく不連続的に行ってもよい。その後、圧力を急激に解放して（通常、大気圧まで）、熱可塑性エラストマ中に気泡核を形成、成長させ発泡体とする。なお、減圧後、さらに加熱することによって、気泡の成長を促進させてもよい。加熱の方法としては、ウォーターバス、オイルバス、熱ロール、熱風オーブン、遠赤外線、近赤外線、マイクロ波などの公知乃至慣用の方法を採用できる。
【００１６】
一方、連続方式によれば、例えば以下のようにして発泡体を形成できる。すなわち、熱可塑性エラストマを単軸押出機、二軸押出機等の押出機を使用して混練しながら高圧の不活性ガスを注入し、十分にガスを熱可塑性エラストマ中に含浸させた後、押し出して急激に圧力を低下させ（通常、大気圧まで）、発泡と成形とを同時に行うことにより発泡体を得ることができる。なお、減圧（成形）後、気泡の成長を促進させるため、成形体を加熱してもよい。
【００１７】
前記ガス含浸工程における圧力は、１０ＭＰａ以上（例えば１０〜１００ＭＰａ程度）であるのが好ましい。圧力が１０ＭＰａより低い場合には、発泡時の気泡成長が著しく、気泡径が大きくなりすぎて防音効果が低下しやすい。これは、圧力が低いとガスの含浸量が高圧時に比べて相対的に少なく、気泡核形成速度が低下して形成される気泡核数が少なくなるため、１気泡あたりのガス量が逆に増えて気泡径が極端に大きくなるからである。また、１０ＭＰａより低い圧力領域では、含浸圧力を少し変化させるだけで気泡径、気泡密度が大きく変わるため、気泡径及び気泡密度の制御が困難になりやすい。
【００１８】
ガス含浸工程における温度は、用いる不活性ガスや熱可塑性エラストマの種類等によって異なり、広い範囲で選択できるが、操作性等を考慮した場合、例えば１０〜３５０℃程度である。例えば、シート状などの未発泡成形物に不活性ガスを含浸させる場合の含浸温度は、バッチ式では１０〜２００℃程度、好ましくは４０〜２００℃程度である。また、ガスを含浸させた溶融ポリマを押し出して発泡と成形とを同時に行う場合の含浸温度は、連続式では６０〜３５０℃程度が一般的である。なお、不活性ガスとして二酸化炭素を用いる場合には、超臨界状態を保持するため、含浸時の温度は３２℃以上であるのが好ましい。
【００１９】
前記減圧工程において、減圧速度は、特に限定されないが、均一な微細気泡を得るため、好ましくは５〜３００ＭＰａ／秒程度、さらに好ましくは１０〜２００ＭＰａ／秒程度である。また、前記加熱工程における加熱温度は、例えば、４０〜２５０℃程度、好ましくは６０〜２５０℃程度である。
【００２０】
このようにして得られた熱可塑性エラストマからなる発泡体は、気泡が非常に微細でしかも気泡密度が高い。例えば、該発泡体の平均気泡径は０．１〜３００μｍ、好ましくは０．１〜５０μｍ、さらに好ましくは０．１〜２０μｍ程度であり、気泡密度は１０^７〜１０^１４個／ｃｍ^３、好ましくは１０^８〜１０^１４個／ｃｍ^３、さらに好ましくは３×１０^８〜１０^１４個／ｃｍ^３程度である。また、この発泡体は基本的に気泡が独立している構造を有している。ただし、気泡壁が局部的に破泡していても何ら差し支えない。さらに上記発泡体は、発泡体全体に亘って、特に厚み方向において、均一に気泡が存在している。このような発泡体を防音材として使用すると、防音材に入射した音響エネルギーが気泡界面で反射する回数が非常に多いため、気泡内で音響エネルギーの一部が損失され、防音性が著しく向上する。
【００２１】
材料（防音材）の防音性は、一般に、空気の特性インピーダンス：Ｚ_ｃ（＝ρ^{ａ ｉｒ}×ｃ^ａｉｒ）に対する材料の特性インピーダンス：Ｚ_ｃ ^ｍａｔ．の比［Ｚ_ｃ ^ｍａｔ．／Ｚ_ｃ］、すなわち［Ｚ_ｃ ^ｍａｔ．／（ρ^ａｉｒ×ｃ^ａｉｒ）］により示される。
ここで、各物理量の単位は以下の通りである。
Ｚ_ｃ ^ｍａｔ．：ｋｇ／ｓ・ｍ^２
Ｚ_ｃ ：ｋｇ／ｓ・ｍ^２
ρ^ａｉｒ（空気の密度）：ｋｇ／ｍ^３
ｃ^ａｉｒ（空気（音）の伝播速度）：ｍ／ｓ
Ｚ_ｃ ^ｍａｔ．／（ρ^ａｉｒ×ｃ^ａｉｒ）：無次元
【００２２】
本発明の防音材では、上記空気の特性インピーダンスに対する材料の特性インピーダンスの比［Ｚ_ｃ ^ｍａｔ．／（ρ^ａｉｒ×ｃ^ａｉｒ）］は、例えば５〜５０（−）程度、好ましくは７〜５０（−）程度である。
【００２３】
また、上記のようにして形成された発泡体は、熱可塑性エラストマからなるため柔軟性に優れるとともに、従来の物理発泡法的及び化学発泡法と異なり、有害物質が発生したり汚染物質が残存することがなくクリーンである。そのため、特に電子機器等の内部に用いる防音材として好適に利用できる。
【００２４】
この発泡体は、そのまま単体で防音材として使用してもよい。また、上記発泡体を防音材を設置する装置に合わせた形状に加工したり、発泡体表面の片面又は両面に粘着層を設けたり、フィルムやシート等の成形体を装着して防音材としてもよい。上記粘着層とフィルム等とは組み合わせてもよい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の防音材は、特性インピーダンスが大きく、クリーン且つ軽量であり、しかも柔軟性に優れる。また、本発明の防音材は、厚みが薄くても高い防音性が得られる。
【００２６】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。
【００２７】
実施例１
ＳＩＳ（スチレン−イソプレン−スチレンブロック共重合体）［日本ゼオン（株）製、Ｑｕｉｎｔａｃ３４３３Ｎ］を、バッチ式混練機［東洋精機（株）製、ラボプラストミル］により１６０℃の温度で混錬した後、１６０℃に加熱した熱プレスを用いて厚さ３ｍｍ、Φ１００ｍｍのシート状に成形した。このシートを内容積１００ｍｌの圧力容器に投入した。圧力容器の温度を４０℃に設定し、温度が安定した後、圧力１５ＭＰａ、温度４０℃の超臨界二酸化炭素を導入した。圧力及び温度が安定してから６０分間上記条件下に保持することで、ポリマ中に二酸化炭素を含浸させた。その後、減圧速度１００ＭＰａ／秒で大気圧まで圧力を解放した後、ポリマを圧力容器から取り出し、素早く温度８０℃のウォーターバス中に浸漬し、発泡を促進させた。得られた発泡体の平均気泡径は１１．３μｍ、気泡密度は６．７×１０^８個／ｃｍ^３であった。また、気泡は独立気泡であり、厚み方向において均一に存在していた。
【００２８】
実施例２
熱可塑性ポリウレタン［日本ミラクトン（株）製、Ｅ６６０ＭＺＡＡ］を、バッチ式混練機［東洋精機（株）製、ラボプラストミル］により１６０℃の温度で溶融混錬した後、１６０℃に加熱した熱プレスを用いて厚さ３ｍｍ、Φ１００ｍｍのシート状に成形した。このシートを内容積１００ｍｌの圧力容器に投入した。圧力容器の温度を４０℃に設定し、圧力２５ＭＰａ、温度４０℃に昇圧した超臨界二酸化炭素を導入した。圧力及び温度が安定してから９０分間上記条件下に保持することで、ポリマ中に二酸化炭素を含浸させた。その後、減圧速度１００ＭＰａ／秒で大気圧まで圧力を解放して発泡体を得た。得られた発泡体の平均気泡径は８．０μｍ、気泡密度は３．６×１０^８個／ｃｍ^３であった。また、気泡は独立気泡であり、厚み方向において均一に存在していた。
【００２９】
比較例１
一般的な化学発泡法により得られたポリウレタン発泡体（イノアックＳＣ）を比較例１とした。この発泡体の平均気泡径は４８０μｍ、気泡密度は２．９×１０^３個／ｃｍ^３であった。
【００３０】
評価試験（音響特性評価）
実施例及び比較例の発泡体について、材料の特性インピーダンスを測定し、空気の特性インピーダンスに対する材料の特性インピーダンスの比［Ｚ_ｃ ^ｍａｔ．／（ρ^ａｉｒ×ｃ^ａｉｒ）］（単位：無次元）を求めて防音性を評価した。特性インピーダンスの測定は２マイクロホンインピーダンス測定装置を用いて行った。なお、特性インピーダンスの測定値としては２０００Ｈｚでの実数部の値を用いた。結果を表１に示す。
【表１】

【００３１】
表１から明らかなように、実施例の発泡体は比較例の発泡体と比較して、高い特性インピーダンスを示す。また、気泡径が小さく気泡密度が大きい発泡体は、高い特性インピーダンスを与えることが分かる。

Claims (7)

1. 熱可塑性エラストマに超臨界状態にある不活性ガスを１０ＭＰａ以上の高圧下で含浸させた後、減圧する工程を経て形成された発泡体で構成されている微孔性防音材。
2. 熱可塑性エラストマからなる未発泡成形物に超臨界状態にある不活性ガスを１０ＭＰａ以上の高圧下で含浸させた後、減圧する工程を経て形成された発泡体で構成されている請求項１記載の微孔性防音材。
3. 溶融した熱可塑性エラストマに超臨界状態にある不活性ガスを１０ＭＰａ以上の高圧下で含浸させた後、減圧とともに成形に付して形成された発泡体で構成されている請求項１記載の微孔性防音材。
4. 減圧後、さらに加熱することにより形成された発泡体で構成されている請求項１〜３の何れかの項に記載の微孔性防音材。
5. 不活性ガスが二酸化炭素である請求項１〜４の何れかの項に記載の微孔性防音材。
6. 平均気泡径０．１〜３００μｍの独立気泡が内部全体に亘って均一に形成され、且つ気泡密度が１０⁷〜１０¹⁴個／ｃｍ³である発泡体で構成されている請求項１〜５の何れかの項に記載の微孔性防音材。
7. 平均気泡径０．１〜２０μｍの独立気泡が内部全体に亘って均一に形成され、且つ気泡密度が３×１０⁸〜１０¹⁴個／ｃｍ³である発泡体で構成されている請求項１〜６の何れかの項に記載の微孔性防音材。