JP4721492B2 - 一つまたはそれ以上のポリウレタンシートを有する複合材料構成物、その製造方法およびその使用 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一つまたはそれ以上のポリウレタンシートを有する複合材料構成物、その製造方法およびその使用、特に人工皮革としての使用に関する。
【0002】
【従来の技術】
複合材料構成物は、複合材料から作られる構成物であると理解され、種々の材料を組み合わせることによって製造されるが、その化学的性質、物理的性質およびその他の性質は、個々の成分の性質よりも優れている。複合材料には、繊維複合材料、フリース材料、ラミネートプレス材料が、すなわち、互いに接着または貼り合わせを行い、サンドイッチ構造(例えば、合板、サンドイッチフォイルおよびラミネート)にした材料があるが、そのほかにも人工皮革が挙げられる。ここに挙げた人工皮革とは、フレキシブルな多層複合材料であると解釈され、この多層複合材料には、表面シートに使用するポリマー、および基体材料が含まれるが、特に、例えば、PVC、ポリオレフィンまたはポリウレタンからなる繊維、フリースまたは発泡性物質から構成される。ポリマーの被覆シートは、耐磨耗性および耐衝撃性を付与する材料であり、これにより外観が定められるが、一方では、基体は、強度および延性を付与する。シート用のポリマーとしては、特にポリウレタンが使用される。基本的には1液成分塗布システムと2液成分塗布システムが区別される。
【0003】
1液成分塗布用の材料は、有機溶媒(例えば、DMF、2−プロパノール、トルエン)に溶かした溶液(約20〜30%の固形物を含有する)または分散溶液(約20〜40%の固形物を含有する)として加工される。ドイツ特許DE−A−4422871に記載される方法によれば、例えば、離型紙に薄くコーティングした後に、乾燥溝に入れて溶媒を蒸発させてから、フィルムを形成させる。緩慢に反応する多官能性の橋かけ剤(例えば、脂肪族ポリイソシアナート)を添加することによって、1液成分型のポリウレタンに橋かけをすることができ、例えば、耐化学薬品性などの性質が改良される。1液成分型のポリウレタン塗布システムは、固形物の含有量が少ないために、薄膜フィルムの調達に適している。
【0004】
2液成分型の塗布システムにおいては、反応物の混合に重要性があり、例えば、官能性のプレポリマーおよび橋かけ剤を、少量の有機溶媒(<5〜10%)と反応させる。この「ハイソリッドシステム」は、1液成分型のポリウレタン塗布システムとは反対に、諸々の処理条件によってウレタンフィルムを形成させる。室温において十分なポットライフ(すべての成分を混合した後において、出発物質の処理が可能である時間帯)を保証するために、イソシアナート成分が使用され、末端に位置するイソシアナート基は、ブロック剤(例えば、2−ブタノンオキシム)によって可逆的に保護される。次に化学反応は、二つのステップによって進行する。まず第1に140℃を超える温度においてブロック剤が脱離した後に、遊離のNCO−基が形成される。第2ステップにおいて、イソシアナート基は、鎖延長剤と反応することによって分子量が増加する。このような方法により、ポリマーの分子量が、連続的に構築されてポリウレタンの分子量に到達する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この場合に生じる欠点として、本システムに使用されるブロックされたイソシアナート誘導体を選択する範囲が、比較的狭いことが挙げられる。これによって原材料を選ぶときの選択幅が減少し、その結果、製品に望ましい性質を付与するために行う適切な組成変更の可能性が大きく制限されることになる。そのほかにもシステムの欠点が存在し、反応による大きな転化量は、高温において、長い滞留時間のもとで反応させたときだけに得られる。このために生産スピードが制限され、ブロックされたイソシアナート誘導体のコストが高いこともあって、製造コストが高騰する結果になる。
【0006】
従って、本発明の課題は、ポリウレタンシートを有する複合材料構成物を提供することにあったが、ポリウレタンシートを製造するときに、その処理と使用が可能である原材料が、数多く存在することにより、その組成を、大幅に変化させることができるようになって、そのために製品に望ましい性能を付与することができた。さらに製造コストの低減が、達成されることになる。そのほか本発明の課題は、このような複合材料構成物を製造するために特に適した方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明による一つまたはそれ以上のポリウレタンシート、基体シート、特に繊維の基体シート、またはPVC、ポリオレフィンもしくは発泡ポリウレタンからなる基体シートを有する複合材料構成物、そして必要な場合には、これらのシートの間に置かれた接着剤シートを有する複合材料構成物によって解決されるが、この場合に、少なくとも一つのポリウレタンシートが、式(I)で表わされるポリウレタンを含む。
【0008】
【化2】
【0009】
ここで、−O−R1−O−は、末端に第一級および/または第二級水酸基である官能基を有するポリオールの残基であり、R1およびR2は、それぞれ独立に脂肪族、環状脂肪族、芳香族および/または複素環の基を包含する有機残基であり、nは、1〜50,000の整数である。
【0010】
好適には、複合材料構成物に、二つのポリウレタンシートが備えられ、外側および/または内側にあるポリウレタンシートには、式(I)で表わされるポリウレタンが含まれる。
【0011】
残基−O−R1−O−を形成する基になるポリオールは、分子量が、ほぼ2000〜12000にあることが好ましく、この場合、ポリエーテルグリコールおよび/またはポリエステルグリコール、特にポリ(オキシプロピレン)グリコールおよび/または二量体脂肪酸のグリコールが優先される。使用するポリオールが有する第一級水酸基の、第二級水酸基に対する比率は、最終製品に与える重要なパラメータを表わす。ポリオールが有する第一級および第二級水酸基は、約2:1から1:6までの比にあることが好ましい。ポリオールの場合には、二官能性および/または三官能性ポリオールが重要であり、このとき二官能性ポリオールの三官能性ポリオールに対する比が、約1:2から5:1までにあることが特に優先される。極性のないポリエステルポリオールを使用すると、加水分解に対しても、熱に対しても特に安定したシートが得られる。
【0012】
残基R2が、その源を発するジイソシアナート成分の使用スペクトルは、原理的には何らの制限を受けることがない。しかし、特に長所が発揮されのは、イソホロンジイソシアナート、ヘキサメチレンジイソシアナート、トルイレンジイソシアナートおよび/またはジフェニルメタンジイソシアナート(MDI)を使用する場合である。
【0013】
本発明による複合材料構成物を使用する場合には、ポリウレタンシートにより製造されたフィルムの特性についても大きな意義が得られる。優先されるポリウレタンシートは、式(I)で表わされるポリウレタンを含み、少なくとも約95%、特に約97%の固形物を含有し、約0.2mm〜0.5mmの厚さ、特に約0.3mm〜0.4mmの厚さおよび/または約0.3g/ml〜0.8g/mlの密度、特に約0.4g/ml〜0.7g/mlの密度を示すシートである。
【0014】
特に優れた性質として示されたように、本発明による複合材料構成物は、低分子量のブロック剤を存在させないことを条件にすると、揮発性有機化合物の含有量が著しく低下する。現在の技術水準が記述するポリウレタンシートは、ブロック剤として2−ブタノンオキシムを使用したジイソシアナートに基づいているので、ブロック剤の残分が、ポリウレタンシートの製品中に常に存在している。この物質は、製品に不快臭をもたらし、そして2−ブタノンオキシムの毒性に基づく健康上のリスクも大きくなる。本発明による複合材料構成物は、主として、式(I)で表わされるポリウレタンを含むポリウレタンシートからなり、その揮発性有機化合物(VOC)の含有量は、ほぼ100ppm未満である。揮発性有機化合物の含有量を測定する方法は、PB VWT709(フレゼニウス法)により、外部トルエン標準と比較して行う。
【0015】
美学上の理由から、本発明による複合材料構成物に型押し模様を与えて、皮革であることの印象をもたせることが好ましい。耐熱性を高めるために、ポリウレタンシートにフェノール系の酸化防止剤を加えて安定させる。HALS(ヒンダードアミン系耐光安定剤)を使用することによって、UV放射に対する耐性が向上する。そのほかの添加剤として、顔料、充填剤、防爆剤、そして発泡性中間層に用いる発泡剤を使用することができる。
【0016】
さらに本発明の目的は、記載した複合材料構成物を製造する方法である。本発明による方法は、下記のステップを包含する:a)一つまたはそれ以上のポリウレタンシートを、剥離が行える基体上にコーティングして、少なくとも一つのポリウレタンシートを形成させるが、一方においてポリウレタンの生成を可能にする組成(A)を有する反応性スラリーは、i)末端に第一級および/または第二級水酸基の官能性機能を有するポリオールHO−R1−OH、ii)ジイソシアナートOCN−R2−NCOおよび/またはジイソシアナートプレポリマーOCN−R2−NH−CO−O−R1−O−CO−NH−R2−NCO(ここで、R1およびR2は、それぞれ独立に脂肪族、環状脂肪族、芳香族および/または複素環の基を包含する有機残基を表わす)、そして、iii)触媒を含有し、剥離が行える基体の上に、または剥離が行える基体の上に予め加工されているポリウレタンシート上にコーティングされ、そして熱硬化を受け、b)必要な場合には、接着剤シートを硬化したポリウレタンシートの上にコーティングして、c)別の基体、特に繊維性の基体を離型紙と反対側の面に置き、そしてd)複合材料構成物を、必要な場合には、接着剤シートを硬化させた後に剥離が行える基体から剥離する。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明による方法は、逆方式のコーティングの意味で実施されることが優先され、すなわち最終製品において表面層になるシートが、先ず離型紙にコーティングされる。特に好適な方法においては、二つのポリウレタンシートがコーティングされ、この場合、外側および/または内側にあるポリウレタンシートは、ポリウレタンの生成を可能にする組成(A)を有する反応性スラリーを使用することによって形成される。
【0018】
本発明による方法は、従来の方法と区別されるが、これは特に触媒を使用する方法にもよる。触媒を使用することによって、反応速度と温度の関係に、特色ある相関が得られ、製造プロセスに大きな柔軟性が付与されることになる。特に優れる触媒は、アセチルアセトナト金属錯体であり、このうちアセチルアセトナトニッケルが、特に適性を有することが証明された。高温(T>70℃)において、アセチルアセトナトニッケルは、その触媒活性(式(1)を参照)に達するために、橋かけ反応は、例えば、T=150℃の温度において、約2分後に終了する。
【0019】
【化3】
【0020】
この場合の接触反応は、おそらく遊離されたカチオンNi2+によって引き起こされ、式(2)で表わされるメカニズムによって説明される。
【0021】
【化4】
【0022】
本発明による方法において特に優先される実施形態は、ポリウレタンの生成を可能にする反応性スラリーを使用することにあり、これによって生産が進行する上で特に優れた性質が示される。このようにしてスラリーの粘度は、好適には、約1Pa s〜20Pa sを示し、特に優先される粘度は、約5Pa s〜15Pa sにある。せん断応力の平均値は、式(3)を用いて評価することができる。
【0023】
【化5】
【0024】
SR=せん断速度[s-1]、Vp=生産速度[m/s]、d=ドクタスリット[m]
これによれば、Vp=0.17m/s(10m/分に対応する)の生産速度、d=4×10-4mのドクタスリットにおいて、SR=425s-1のせん断速度が得られる。この評価方法を基にすると、せん断応力が、200s-1<SR<600s-1の範囲にあり、粘度が低く、流動性がよい物質を扱う場合が有利になる。従って、スラリーは、擬塑性流動の挙動を示すことが好ましい。スラリーの調製と次のペースト加工のためには、システムには、十分に長いオープンタイム(ポットライフ)が保証されなければならない。ここで定義される時間帯とは、その間におけるスラリーの粘度が、次に行われる加工において容認される範囲にあり、本発明による方法においては、約1Pa s〜20Pa sの範囲にある。安全に生産を行うためには、約6時間を超えるオープンタイムが好ましく、特に約8時間を超えるオープンタイムが優先される。
【0025】
生産を経済的に行うために重要なパラメータは、生産速度である。これは、実質的にはシートを熱硬化させるために必要とされる滞留時間に関係する。温度が約100〜180℃において、0.1〜4分の時間内に熱硬化させることが好ましい。特に、この場合、約145〜155℃において、90〜150秒の時間内に行うことが優先される。
【0026】
良好な型押し模様が、熱的に得られるPVCラミネートに対して、ポリウレタンの特性が、エラストマー的な性質であるために、ポリウレタンは、型押し模様をつけることにより高価になるだけである。従って、微細な構造が見える銀面模様は、ネガティブな銀面模様がある基体に逆方式のコーティングをする場合だけについて得ることができる。従って、本発明による方法を使用して剥離が行える基体は、望ましいネガティブな型押し模様を示すことが好ましい。トランスファーコーティングを応用する場合には、橋かけされたポリウレタン原料を使用することができ、そのために熱的にも機械的にも高い安定性を示す形状体を得ることができる。
【0027】
本発明による複合材料構成物は多くの長所を有するが、特に人工皮革または発泡フォイルとしての使用に適している。なかでも使用できる原材料の変化を大きくさせる可能性があるので、ユニットシステムの種類によって、製品品質を、広範囲に変え、そして予め与えられた種々の目標を、最高度に合わせることができる。さらに長所が存在し、原材料のコストが、従来から使用していた(ブロック剤を用いて誘導された)原材料のコストに較べて非常に有利になることがある。触媒を用いることにより、使用するスラリーの反応性に変化を与えることが許容されるので、生産工程を、フレキシブルな形態にすることが可能になり、コスト面で更に有利な効果を発揮する。ブロック剤を用いて誘導された原材料の使用を廃止することによって、本発明による製品の性質を改良することができるが、特に臭気および揮発性有機化合物の含有量に関する効果が顕著に表れる。
【0028】
次の例を用いて本発明をより詳しく説明する。
<例1>
本発明による複合材料構成物を製造するために、下記の組成を有し、ポリウレタンの生成を可能にする反応性スラリーを使用した:
500gのポリ(オキシプロピレン)トリオール(分子量6000)
610gのポリ(オキシプロピレン)ジオール(分子量4000)
400gのMDI(メチレンジフェニルジイソシアナートオリゴマー)
(分子量1200)
10gのアセチルアセトナトニッケルをポリ(オキシプロピレン)グリコールに溶かした10%溶液。
【0029】
反応性スラリーを、混合してからすぐ後で、ナイフオーバロールコータを使用して、剥離できるように加工した基体の上にコーティングしたが、この基体には予めポリウレタン被覆シートが、通常の溶媒・ポリウレタン塗布法を用いてコーティングされている。このようにコーティングした剥離できる基体を、引き続いてホットエア炉の中を通過させた。反応性スラリーは、70秒間、150℃まで加熱することによって重合が進行した。硬化したポリウレタンシートの上に、接着剤シートをコーティングした。貼り合わせ技術を用いて、繊維性基体が、まだ水分を含む接着剤シートに貼り合わせられた。引き続いて、ラミネートされた繊維体を、剥離できる基体から分離した。
<例2(比較例)>比較を目的として、ポリウレタンの生成を可能にする通常の反応性スラリーを使用して複合材料構成物を製造したが、これには2−ブタノンオキシムによりブロックされたジイソシアナートが含まれる。この反応性スラリーの組成は、次の材料を使用した:
500gのImpranilHS−62(登録商標)(2−ブタノンオキシムによりブロックされたプレポリマー)
500gのImpranilHS−80(登録商標)(2−ブタノンオキシムによりブロックされたプレポリマー)
71gのImprafixHSC(登録商標)(環状脂肪族ジアミン、橋かけ剤)
10gのLevacast Fluid SW(登録商標)(処理に使用する助剤)。
【0030】
反応性スラリーを、同じように処理して複合材料構成物に仕上げた。処理は、例1と同様に行ったが、反応性スラリーの硬化を、150℃において、2分間で行ったことが、例1と異なる箇所である。
【0031】
次の表は、例1および例2(比較例)で得られた複合材料構成物に関するが、反応性スラリーの性質、工程上の性質および完成した複合材料構成物の性質についての比較を行う。
【表1】
【表2】
【表3】
Claims (29)
- ポリウレタンシート及び基体シートの間に置かれた接着剤シートをさらに含む、請求項1に記載の複合材料構成物。
- 基体シートが繊維性シートであるか、またはポリオレフィンもしくは発泡ポリウレタンからなる基体シートである、請求項1に記載の複合材料構成物。
- 二つのポリウレタンシートが備えられ、この場合、外側および/または内側にある前記ポリウレタンシートが、式(I)で表わされるポリウレタンを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の複合材料構成物。
- 前記ポリオールが、2000から12000までの分子量を示すことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の複合材料構成物。
- 前記ポリオールが、ポリ(オキシプロピレン)グリコールおよび/またはポリオキシプロピレントリオールであることを特徴とする請求項1に記載の複合材料構成物。
- 前記ポリオールの有する第一級および第二級水酸基が、2:1から1:6までの比にあることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の複合材料構成物。
- 前記ポリオールが、二官能性および/または三官能性であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の複合材料構成物。
- 前記の二官能性ポリオールが、前記の三官能性ポリオールに対して、1:2から5:1までの比にあることを特徴とする請求項8に記載の複合材料構成物。
- 前記の残基R2が、イソホロンジイソシアナートおよび/またはヘキサメチレンジイソシアナートにその源を有することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の複合材料構成物。
- 前記の残基R2が、ジフェニルメタンジイソシアナート(MDI)および/またはトルイレンジイソシアナートにその源を有することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の複合材料構成物。
- 式(I)で表わされるポリウレタンを含む前記一つまたはそれ以上のポリウレタンシートが、0.2mm〜0.5mmの厚さを示すことを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の複合材料構成物。
- 式(I)で表わされるポリウレタンを含む前記一つまたはそれ以上のポリウレタンシートが、0.3g/ml〜0.8g/mlの密度を示すことを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の複合材料構成物。
- 式(I)で表わされるポリウレタンを含む前記一つまたはそれ以上のポリウレタンシートに含有される揮発性有機化合物の量が、100ppm未満であることを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の複合材料構成物。
- 型押し模様が示されることを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の複合材料構成物。
- 請求項1に記載の複合材料構成物を製造する方法であって、
a)一つまたはそれ以上のポリウレタンシートが、剥離が行える基体上にコーティングされることを特徴とし、この場合、少なくとも一つのポリウレタンシートが形成され、
i)末端に第一級および/または第二級水酸基である官能基を有するポリエーテルポリオール HO−R1−OHと、
ii)ジイソシアナートOCN−R2−NCOおよび/またはジイソシアナートプレポリマーOCN−R2−NH−CO−O−R1−O−CO−NH−R2−NCO(ここで、R1およびR2は、それぞれ独立に脂肪族、環状脂肪族、芳香族および/または複素環の基を包含する有機残基を表わす)と、
iii)触媒
とを含有する、ポリウレタンの生成を可能にする組成(A)を有する反応性スラリーが、剥離が行える前記基体上にコーティング、または剥離が行える前記基体上に予め加工されているポリウレタンシート上にコーティングされ、そして熱硬化されることを特徴とし、
前記方法が、さらに、c)基体が、剥離が行える前記基体と反対側に置かれることを特徴とする方法。 - 工程a)と工程c)の間に、b)接着剤シートが、硬化されている前記ポリウレタンシート上にコーティングされること、をさらに含む、請求項16に記載の方法。
- 工程c)の後に、d)前記複合材料構成物が、接着剤シートを硬化させた後に剥離が行える前記基体から剥離されること、をさらに含む、請求項17に記載の方法。
- 二つのポリウレタンシートがコーティングされ、この場合、外側および/または内側にある前記ポリウレタンシートが、ポリウレタンの生成を可能にする前記組成(A)を有する反応性スラリーを使用することによって形成されることを特徴とする請求項16〜18のいずれかに記載の方法。
- 触媒としてアセチルアセトナト金属錯体が使用されることを特徴とする請求項16または請求項19に記載の方法。
- アセチルアセトナト金属錯体として、アセチルアセトナトニッケルが使用されることを特徴とする請求項20に記載の方法。
- ポリウレタンの生成を可能にする前記組成(A)を有する反応性スラリーを使用し、コーティングを行う工程において、1Pas〜20Pasの粘度が示されることを特徴とする請求項16〜21のいずれかに記載の方法。
- ポリウレタンの生成を可能にする前記組成(A)を有する反応性スラリーの粘度が、1Pas〜20Pasの範囲にあり、この範囲の粘度を保つ時間帯(オープンタイム)が6時間を超えることを特徴とする請求項22に記載の方法。
- ポリウレタンの生成を可能にする前記組成(A)を有する反応性スラリーを使用し、その挙動が、擬塑性流動を示すことを特徴とする請求項16〜23のいずれかに記載の方法。
- 熱による硬化ステップが、100〜180℃において、0.1〜4分の時間内に行われることを特徴とする請求項16〜24のいずれかに記載の方法。
- 熱による硬化ステップが、145〜155℃において、90〜150秒の時間内に行われることを特徴とする請求項25に記載の方法。
- 剥離が行える基体を使用し、前記剥離が行える基体にネガティブな望ましい型押し模様が示されることを特徴とする請求項16〜26のいずれかに記載の方法。
- 請求項1〜15のいずれかに記載の前記複合材料構成物の人工皮革としての使用。
- 前記の基体シートが発泡ポリウレタンからなる、請求項1〜15のいずれかに記載の前記複合材料構成物。
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WO2024142553A1 (ja) | ポリウレタン樹脂、透湿性フィルム、及び透湿防水布帛 |
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