JP4041166B2 - ペルフルオロ化エーテルを使用した非クロロフルオロカーボン気泡性レゾール発泡体の製造 - Google Patents

Description

発明の技術分野と産業上利用性
本発明は、一般的にペルフルオロ化エーテルを含む発泡剤混合物を使用した低密度非CFC気泡性レゾール発泡体の製造方法に関する。本発明は、更にHCFC及び／又はHFC発泡剤とペルフルオロ化エーテルとを含む発泡剤混合物を使用して製造された発泡体に関する。
本発明の発泡体は、広い種類の断熱の用途に有用である。用途には、市販用の屋根ふき断熱材や産業用キャビティ壁から住宅壁用下見板までの製品の製造に使用することが含まれる。
発明の背景
気泡性発泡体は、長い間、クロロフルオロカーボン(CFC)発泡剤を使用して製造されてきた。最近では、この業界では、発泡体製品中のCFCのようなオゾン破壊物質の使用を段階的に廃止しようとしている。環境への影響を最小にするこの努力において、この業界は、水素化クロロフルオロカーボン(HCFC)及び水素化フルオロカーボン(HFC)を発泡剤として使用する方向へ移行している。例えば、米国特許第5489619号、5407963号及び5441992号明細書は、非CFC発泡体の製造方法を記述する。
しかしながら、CFCの代用としてHCFC及びHFCを使用すると、数々の問題が生じる。これら発泡剤のいくつかが高い溶解力（即ち、樹脂を可溶性にするため又は樹脂用の溶媒として行動するための能力）であるために、得られる発泡体は、より大きな気泡サイズを有する傾向にあり、このことは、発泡体の熱的及び機械的性質の双方に悪影響を与え得る。更に、いくらかのオゾン破壊発泡剤は、室温で気体である。従って、これらの発泡剤で発泡体を製造することは問題があり、特にいくらかの極低沸発泡剤にあっては、膨張速度の制御が困難であり、問題がある。
より環境にやさしい発泡剤を使用して発泡体を調製することを目的とする一方で、この業界では、より良い能力特性を有する発泡体を製造するよう努力している。残念ながら、環境への影響の減少が進むと、得られる発泡体の特性の損失が随伴して起きる。これは一般に、低オゾン破壊性の代替品が、CFCより溶解性であり、かつ熱的及び機械的性質の劣るより大きな気泡サイズを有する発泡体になるからである。現在のところ、発泡体の機械的及び熱的特性を実質的に維持する一方でCFCの使用に付随した環境問題を避ける物質が要求されている。維持又は改善された製品の特性を提供することに加えて、環境にほとんど有害でない発泡剤系が、非常に望まれている。
発明の概要
従って、本発明の一つの目的は、有利な特性を有するレゾール発泡体を製造するための環境にやさしい方法を達成することにある。前記及び以下の詳細な説明から明らかになる、発明のこれら及び他の目的や利点は、本発明によって達成される。
ペルフルオロ化エーテルをHCFC及び／又はHFC発泡剤に添加すると、レゾール発泡体の特性は驚くほど改善される。ペルフルオロエーテル(PFE)を発泡剤の重量に対して約１〜約３重量％添加すると、PFE添加物なしで作られた発泡剤と比較して、改善された熱的特性及び破砕性を有する発泡体になるだけでなく、PFEを発泡系に添加すれば、発泡体の加工性も改善される。特に、加工性の改善には、混合物に施された泡の湿潤性の良好な制御が含まれる。得られるPFEで発泡した発泡体は、一般的にPFEなしで発泡した発泡体の特性と同等又は改善された特性を有する低密度のものになる。従って、本発明は、低密度気泡性発泡体の製造において、熱的及び機械的性質を改善又は維持し、環境に与える悪影響を最小にするものを提供する。
従って、本発明の１つの側面は、独立気泡の非CFCレゾールのフェノール発泡体を、発泡剤を使用して製造する方法又は工程に関する。当該工程は、次の工程:(a)(１) １種以上の水素化クロロフルオロカーボン又は水素化フルオロカーボン、及び(２)１種以上のペルフルオロ化エーテル(ペルフルオロエーテル)、を含む発泡剤混合物をレゾール樹脂に添加する工程；(b)酸触媒を添加して前記混合物の発泡を開始し、発泡体を製造する工程；及び(c)この発泡体を硬化する工程を含む。他の側面において、本発明は、(a)水素化クロロフルオロカーボン又は水素化フルオロカーボンから選ばれた１以上の部材；及び(b)１以上のペルフルオロエーテルを含む発泡剤混合物に関する。発泡剤混合物は、好ましくは、発泡剤混合物（PFE及びHCFC及び／又はHFC発泡剤成分）の全重量に対して、全量が約１重量％〜約３重量％のペルフルオロ化エーテルを含む。より好ましくは、ペルフルオロ化エーテルは、発泡剤混合物の全量に対して、２重量％〜３重量％である。本発明は、更に本発明の工程を経て製造された発泡体に関する。
【図面の簡単な説明】
図面は、どのようにして発泡体の気泡の高さを決定したかを示す図である。図で示すように、気泡の高さ（α）は、ある気泡壁から向かい側の気泡壁までの、熱の流の方向（β）と平行した最も長い直線距離に基づく。
発明の詳細な説明と好ましい態様
独立気泡のレゾール発泡体は、CFCのない発泡剤を使用して、以下の工程によって調製されてもよい。(a)(１)１種以上の水素化クロロフルオロカーボン又は水素化フルオロカーボン、及び(２)１種以上のペルフルオロ化エーテル(ペルフルオロエーテル)、を含む本質的にCFCのない発泡剤混合物をレゾール樹脂に添加する工程；(b)酸触媒を添加して当該混合物の発泡を開始し、発泡体を製造する工程；及び(c)この発泡体を硬化する工程。好ましい態様として、当該発泡剤混合物は、本質的に(a)水素化クロロフルオロカーボン又は水素化フルオロカーボンから選ばれた１以上の部材；及び(b)１以上のペルフルオロエーテルを含む。
好ましくは、当該混合物で使用されるHCFC又はHFCは、低沸点、特に、約０℃より低い沸点を有する。具体的な低沸点HCFC又はCFC発泡剤には、好ましくは1-クロロ-1,1-ジフルオロエタン(「142b」)、クロロジフルオロメタン(「22」)、2-クロロ-1,1,1,2-テトラフルオロエタン(「124」)、1,1-ジフルオロエタン(「152a」)、ペンタフルオロエタン(「125」)及び1,1,1,2-テトラフルオロエタン(「134a」)が含まれる。さらに、HCFC又はHFCは、気体のような低い熱伝導率を有することが好ましい。HCFC又はHFCは低い溶解力を有することも好ましい。
好ましいペルフルオロ化エーテルは、以下の一般式によって表される。

上式中、ｎは０〜３の整数であり、ｍは０〜１の整数である。
好ましいペルフルオロ化エーテルの特別な例は、重合し、酸化した1,1,2,3,3-ヘキサフルオロプロペン、例えば、「Galden HT-55」及び「Galden HT-70」(Ausimont SpA及びAusimont USAから入手可能)であり、これは、以下の表で示すような一般的特性を有する（25℃で測定）。

発泡剤混合物は、発泡剤混合物（PFE及びHCFC及び／又はHFC発泡剤成分）の全重量に対して、全量が１重量％〜３重量％のペルフルオロ化エーテルを含むことが好ましい。より好ましくは、ペルフルオロ化エーテルは、発泡剤混合物の全量に対して、２重量％〜３重量％である。
酸触媒は、単一触媒でも触媒の混合物でもよい。好ましい触媒は、例えば、キシレン及びトルエンのスルホン酸のようなスルホン酸である。
任意成分を、それぞれ別々に、又は酸触媒としての他の成分と共に装置内又は混合物中に添加してもよい。例えば、尿素をホルムアルデヒドのスカベンジャーとして添加してもよい。レゾルシノール及びジエチレングルコールのような他の任意の改質剤を添加してもよく、例えば、米国特許第4883824及び4945077号で教示されており、ここで参考として取り入れる。例えば、１以上の酸触媒を有する触媒系は、レゾルシノールとグリコールとを予備混合して酸触媒と混合するか、又は酸触媒とグリコールとを予備混合してレゾルシノールとの予備混合物と混合することによって調製されてもよい。
本発明に従って製造された非CFCレゾール発泡体は、好ましくは８〜４８kg/m³（０．５〜３．０pcf(ポンド／フィート³))、より好ましくは１３〜４５kg/m³（０．８〜２．８pcf）の密度を有する。そのような発泡体は、絶縁材料としての使用に特に有利である。
発泡体は、樹脂又は樹脂系から、本発明の発泡剤混合物を使用して次の工程を含む基本工程によって調製されてもよい。(a)レゾール樹脂を調製する工程、(b)発泡剤混合物（及び任意成分）をその樹脂に添加してレゾール混合物を調製する工程、(c)触媒系（任意成分の存在あるいは非存在下で）を添加し、この混合物を発泡して発泡体を製造する工程、及び(d)この発泡体を硬化する工程。
好ましくは、レゾール樹脂は以下のように調製される。フェノール及びホルムアルデヒドは、フェノール対ホルムアルデヒドの従来の出発モル比で混合され、この時、好ましくはフェノール対ホルムアルデヒドが１：１〜１：４．５、より好ましくは１：１．５〜２．５のモル比が使用される。ホルムアルデヒドのモル比が高いと、本質的にフェノールがなく、かつ初期の高い遊離ホルムアルデヒド含有量を減少するためにホルムアルデヒド共反応物又はスカベンジャーを処理し得る樹脂が提供される。メラミン、レゾルシノール及び／又は尿素のような改質剤が、好ましくは加えられ、尿素は特に好ましい改質剤である。この樹脂は、50％水性芳香族スルホン酸で中和される。この樹脂は、遊離水含有量を減少するため薄膜蒸留装置に通される。その後、この樹脂は、薄膜蒸留装置を出て、界面活性剤が樹脂に添加され、これは、好ましくは米国特許5407963号明細書に記載されたように行い、この文献はここで参考として含められる。界面活性剤の量とタイプは、所望の気泡構造（独立気泡含有量と気泡サイズ）を得るために好適に選択される。好ましい界面活性剤は、Pluronic F127(BASFから入手可能)のようなエチレンオキサイドを基礎とする非イオン界面活性剤である。Pluronic F127とHarfoam PI(Huntsman Chemicalから入手可能)との重量比１：１混合物のような界面活性剤の混合物も使用されてよい。
レゾール発泡体発泡体を製造するために使用される一般的な樹脂は、４０℃で約５〜４０Pa・秒（約５０００〜４００００cps）の粘度を有し、４〜８％の遊離水含有量を有する。本発明によって高粘度樹脂からフェノール発泡体を製造するとき、この使用される樹脂は、好ましくは４０℃で約７〜２０Pa・秒（約７０００〜２００００cps）の粘度を有する。
発泡剤混合物は、好適な方法によって調製される。例えば、PFEは、圧力容器中でHCFC及び／又はHFC発泡剤と混合される。この混合物は、その後、例えば散布することによって混合される。この発泡剤混合物は、レゾール樹脂と、例えばこれらの成分をミキサーに計量供給することによって混合され、このミキサーは、高剪断、滞留時間の短いローター／ステーターの連続混合装置であることが好ましい。
発泡を開始するために、酸触媒を、レゾール樹脂及び発泡剤混合物、並びに任意成分と共に、混合物を混合しながらこの混合物に添加する。例えば、微動マスフロー計量供給装置を発泡剤混合物及び触媒を供給するのに使用し、計量供給ポンプを樹脂を供給するのに使用してもよい。任意成分は、種々の方法で添加されてもよく、例えば、レゾルシノールとジエチレングリコールとの予備混合物を酸触媒系（１以上の酸触媒）と混合してもよく、もしくは酸触媒とジエチレングリコールの予備混合物をレゾルシノールに混合してもよい。
ミキサー内の圧力は、早期発泡を防止する範囲、一般的に１１７０〜１７２０kPa（１７０〜２５０psig）の圧力に制御される。この特定の圧力範囲は、発泡剤の蒸気圧及び沸点、及びミキサー内の混合物温度に依存する。HCFC 142b（沸点-9.8℃）のような低沸発泡剤では、早期発泡を防止するために発泡体ミキサー内の圧力を十分高くすることが要求される。
得られる熱硬化性発泡体は、硬化される。好ましくは、この発泡体は、約６０〜９５℃、より好ましくは約８０℃で、手で取り扱えるほど十分に硬化された板を製造するのに足りる一定速度で、コンベヤーオーブンに通して運搬することによって硬化される。好ましくは、本発明の発泡体の調製は、更に、７５〜８５℃で０〜７０分;その後９０〜９５℃で２０〜１０５分;その後１００〜１０５℃で６０〜１７０分のような傾斜を付けた後硬化処理を含む。傾斜を付けた後硬化サイクルは、より高い初期温度下で後硬化すると発泡体に生じる気泡壁の損傷を減少でき、その一方で、比較的低い初期温度に温度を維持するかわりに硬化温度を徐々に上げ、それに従い硬化速度を徐々に上げることによって後硬化時間が減少する。低い初期後硬化温度及び傾斜を付けたサイクルは、固まっていない発泡体が、発泡体の気泡壁がまだ弱く硬化中であるときに高い温度にさらされないようにすることを確実にするのに役立つ。傾斜を付けた温度サイクルは、また、硬化反応中に作られる水蒸気を徐々に除去しながら、発泡体気泡壁をより制御された速度で硬化しかつ強化できるようになる。従って、発泡体は、有利に気泡内圧の増加に耐え、かつより高い温度における気泡破裂に耐えることができるように製造されてもよい。傾斜を付けた後硬化サイクルは、１００℃より高い温度に直接さらされるような、より厳格な一定温度の後処理条件下で起こる気泡壁損傷を減少し得るので、発泡体の熱的特性を改善することができる。
本発明は、以下の何ら限定するものではない実施例を参照することによって、更に説明される。
実施例１−レゾール樹脂の調製：
以下に示すような発泡体を製造するために使用したレゾール樹脂を、ホルムアルデヒド対フェノール(F/P)を２．３：１のモル比で使用し、ホルムアルデヒド（５２重量％水溶液）及び、フェノール（純度９９％）を使用して調製した。この反応は、基本的な条件（５０重量％水酸化ナトリウム溶液を使用）で、高い温度で行われた。樹脂のオストワルド粘度が６２℃で測定して６．２×１０^-4m²/秒（６２cst(センチストーク)）になったときに、反応混合物を冷却し、その後５０重量％芳香族スルホン酸で中和した。尿素を、ホルムアルデヒドスカベンジャーとして残りのホルムアルデヒドのモル数に対して７７モル％添加した。この樹脂を、薄膜蒸留装置を通して約３０重量％〜４７重量％の水含有量まで減少した。エチレンオキサイドを基礎とする非イオン界面活性剤（Pluronic F127又はPluronic F127とHarfoam PIとの重量比１：１混合物）を、当該樹脂の重量に対して３．５重量％添加し、かつ当該樹脂の中に混合して、同種混合物を形成した。当該樹脂の最終粘度は、４０℃で測定して８〜１２Pa・秒（８０００〜１２０００cps(センチポイズ)）であった。
比較例２−HCFC142bを使用する発泡体の調製：
非CFCレゾール発泡体を、実施例１のレゾール樹脂と界面活性剤とを、HCFC142b発泡剤及び酸触媒と共に、高剪断、滞留時間の短いローター／ステーターの連続ミキサーを使用して混合しながら混合することによって調製した。このHCFC 142b発泡剤を混合物中に導入する前に、窒素で飽和して１３８０kPa（２００psi(ポンド／インチ³))とした。発泡を開始するための触媒系は、レゾルシノール及びジエチレングリコールを混合したキシレン及びトルエンスルホン酸の配合物であり、これは米国特許第4883824及び4945077号明細書に記載されている。このレゾール樹脂、発泡剤及び触媒系を、以下の重量比で、好適な流量計量装置（発泡剤と触媒の混合物用の微動計量供給装置、及び樹脂用の計量供給ポンプ）を使用してミキサーで連続計量供給した。
樹脂＋界面活性剤 １００．００
ＨＣＦＣ １４２ｂ ７．４３
触媒系 １１．１５
ミキサー内の圧力を、１１７０〜１７２０kPa（１７０〜２５０psig）の範囲内に調節した。発泡性混合物（樹脂／界面活性剤、発泡剤混合物、触媒）は、ミキサーから等間隔の管及びノズルを通して出して、可動フェーシング機上で泡の連続ビーズを形成した。これにより、泡が膨張して互いに結合した発泡体の平行線にして、連続シートを形成した。その後、この発泡体シートを、約８０℃で一定速度のコンベヤオーブンに通して運搬することによって硬化して、手で取り扱えるほど十分に硬化された板を製造した。この板を、更にもう３〜５時間９０〜１０５℃で硬化し、最終製品を得た。この硬化は、米国特許第5441992号明細書に開示されており、ここで参考として取り入れる。得られる発泡体をその後試験して、得られる特性を表２に示す。
実施例３及び４−発泡剤混合物を使用した発泡体の調製
比較例２で示した手順に続いて、非CFCレゾール発泡体を、PFEを表１で示した成分を使用する発泡剤添加物として使用して調製した。これらの実施例で使用したペルフルオロエーテル添加物は、Ausimont USAから商品名「Galden HT55」及び「Galden HT70」で供給されている液体であり、双方ともポリエーテルである。実施例３及び４において、予め秤量したPFEの分量を、HCFC 142bを含む密閉した圧力容器の底から窒素と共に吹き込んだ。その後、この142b/PFE混合物を窒素で飽和して１３８０pKa（２００psi）とした。この飽和又は散布工程では、発泡剤とPFEとを共に混合するために、更なる機械混合が必要ないほど十分な乱流を起こした。得られる発泡体を試験し、その結果を以下の表に要約した。
HCFC 142b発泡レゾール発泡体におけるPFEの効果は、以下の表１及び２に示す比較例２、実施例３及び４の結果によって示される。

走査型電子顕微鏡（SEM）を、発泡体気泡の高さ分布測定を行うために使用した。SEMは、気泡の高さを分析するため、及び発泡体の支柱、壁、窓及び一般的構造の特徴を観察するために使用した。
分析方法には、置き台(laydown bed)中央の方向から機械と平行に切った発泡体の断片を使用した。この断片を、その後、気泡構造を示すために底から上部表面へ熱伝達の方向で切った。その後、得られた表面をSEM観察用に調製した。SEM顕微鏡写真試料を、調製した試料の中央領域で撮り、気泡の高さ測定を中央から開始して、１００カウント得られるまで上部表面に向かって上方に進めて行った。気泡の高さ測定の位置は、気泡を通る最も長い垂直線であり、図面に示されている。
PFE含有発泡体において、密度が約２５％減少しても、熱伝導性は改善されていた。発泡剤の効果及び発泡体の脆性における組成物の改良の効果を数量化するために、破砕性をASTM方法C421により測定し、重量欠損を全体に対する％として報告した。目的は、低破砕性を有する発泡体を製造することにある。PFEをHCFC 142bに添加すると、破砕性が２５％まで減少するが、このことは、密度の減少が、破砕性の増加だけを引き起こし得ることを十分に示す。気泡サイズは、３つの実施例（比較例）で類似していた。実施例３及び４において、圧縮強度の減少は、密度の減少に対応していた。
本発明の更なる態様及び改良は、以下の記述に照らした発明の実施を通して明らかになるだろう。従って、本発明は、前記詳細な説明によって限定されるものではなく、添付した請求の範囲及びこれらと均等なものから定義される。

Claims (17)

1. 以下の工程；
   (a)(i)水素化クロロフルオロカーボン及び水素化フルオロカーボンから選ばれる、少なくとも１種の発泡剤、及び
   (ii)以下の式を有するペルフルオロ化エーテルから選ばれる、少なくとも１種のペルフルオロエーテル添加剤、
   

   

   （式中、ｎは０、１、２又は３であり、ｍは０又は１である。）
   を含む発泡剤混合物とレゾール樹脂とを混合することにより混合物を形成する工程；
   (b)前記混合物に酸触媒を添加して、発泡を開始しかつ発泡体を形成する工程；及び
   (c)前記発泡体を硬化して、本質的にクロロフルオロカーボンのない硬化発泡体を形成する工程、
   を有することを特徴とするクロロフルオロカーボンのない発泡体の製造方法。
2. ペルフルオロエーテル添加剤が、該発泡剤混合物の１〜３重量％の量で添加される、請求項１に記載の方法。
3. 発泡剤が、０℃より低い沸点を有する、請求項１に記載の方法。
4. ペルフルオロ化エーテルが、該発泡剤混合物の１〜３重量％の量で添加される、請求項１に記載の方法。
5. 発泡剤が、1-クロロ-1,1-ジフルオロエタンである、請求項４に記載の方法。
6. 発泡剤が、1-クロロ-1,1-ジフルオロエタン、クロロジフルオロメタン、2-クロロ-1,1,1,2-テトラフルオロエタン、1,1-ジフルオロエタン、ペンタフルオロエタン、及び1,1,1,2-テトラフルオロエタンからなる群より選ばれる、請求項１に記載の方法。
7. レゾール樹脂が、フェノールとホルムアルデヒドとを１：１〜１：４．５のモル比で反応させることを含む方法によって調製される、請求項１に記載の方法。
8. レゾール樹脂が、４０℃で７〜２０Pa・秒（７０００〜２００００センチポイズ）の粘度を有する、請求項７に記載の方法。
9. 更に、尿素、レゾルシノール及びメラミンからなる群より選ばれる少なくとも１種の改質剤を該レゾール樹脂に添加することを含む、請求項１に記載の方法。
10. 酸触媒がスルホン酸を含む、請求項１に記載の方法。
11. スルホン酸が、キシレンスルホン酸及びトルエンスルホン酸からなる群より選ばれる、請求項10に記載の方法。
12. 更に、レゾール樹脂に界面活性剤を添加することを含む、請求項１に記載の方法。
13. 界面活性剤が、非イオン性のエチレンオキシドを基礎とする界面活性剤である、請求項12に記載の方法。
14. 硬化工程が、６０℃〜９５℃の温度でオーブンを通して発泡体を運搬することを含む、請求項１に記載の方法。
15. 更に以下の工程：
    (d)硬化発泡体を：７５〜８５℃で０〜７０分、９０〜９５℃で２０〜１０５分、及びその後１００〜１０５℃で６０〜１７０分さらすことを含む傾斜処理を使用して硬化発泡体を後硬化する工程、
    を含む、請求項１に記載の方法。
16. 請求項１に記載された方法によって調製されたクロロフルオロカーボンのない発泡体。
17. 請求項５に記載された方法によって調製されたクロロフルオロカーボンのない発泡体。

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