JP5033595B2

JP5033595B2 - 真空断熱材

Info

Publication number: JP5033595B2
Application number: JP2007301871A
Authority: JP
Inventors: 博之高島; 幸司山下
Original assignee: Kurashiki Spinning Co Ltd
Current assignee: Kurashiki Spinning Co Ltd
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2024-07-20
Also published as: JP2008057793A

Description

本発明は、冷蔵庫、自動販売機、保冷箱、保冷車等の断熱材として用いる真空断熱材に関する。

従来、冷蔵庫、自動販売機、保冷箱、保冷車等には、種々の構造・性能を有する断熱材が使用されている。近年においては、非常に優れた断熱性を有する真空断熱材が上記用途に多く使用されている。真空断熱材とは、一般的には、ガスバリア性の金属蒸着フィルム等からなる外包材に芯材を充填し、その内部を減圧して密封した構造を有するものである。このような真空断熱材の断熱性・生産性・取扱い性能は、上記芯材によって大きく左右されるが、現在汎用される芯材としては、連続気泡ポリウレタンフォーム（特許文献１）、平均繊維径が０．５〜８μｍ程度のガラス繊維集合体（特許文献２）およびガラス繊維集合体と他の熱可塑性樹脂繊維の複合体（特許文献３）が挙げられる。

しかしながら、上記汎用の真空断熱材用芯材は次のような課題を有している。
連続気泡ポリウレタンフォームを用いた芯材は、作業性、取扱い性、軽量性等非常に優れているが、ガラス繊維等の繊維状材料に比較して、断熱性が劣る面がある。

平均繊維径が０．５〜８μｍ程度のガラス繊維集合体を用いた芯材は、アウトガス（芯材から揮発するガス分）の発生もなく、断熱性に極めて優れた性質を有するが、ガラス繊維という材質自身の取扱い性・作業性に大きな難がある。取扱い性を改善すべく、ガラス繊維を重ね合わせたものにニードルパンチを施し、外包材に芯材を挿入する作業について改善したものも見られるが、材質そのものに由来する取扱い性、作業性の難点を解決し得るものではない。特に、当該芯材をリサイクルする時点における、作業環境性、取扱い性の問題点は以前残ったままである。例えば、リサイクルする時に外包材を開封すると、ガラス繊維集合体芯材が飛散し、取扱い性・作業性が問題となるだけでなく、環境負荷の面においても問題となる。

ガラス繊維集合体と他の熱可塑性樹脂繊維との複合体を用いた芯材については、若干の取扱い性の向上は見られるものの満足すべきものではない。熱可塑性樹脂繊維と同様に、ロックウール、パルプ等の繊維質を複合したものも見られるが、ガラス繊維が使用されるため、ガラス繊維自体に由来する取扱い性・作業性および環境負荷の難点は依然、残ったままである。

熱可塑性樹脂繊維等の有機繊維のみを芯材として用いた真空断熱材も考えられるが、有機繊維から生じるアウトガスの問題により具体化された例は見られない。特に、０．７５ｄのポリエステル繊維集綿体を芯材として使用した例も見られるが（特許文献４）、わた状で使用すると、取扱い性が極めて悪く、現実的な商品としては考えられない。そこで、取り扱い性の向上を目的として集綿体をシート状にすることも考えられるが、上記のように極細の繊維を使用する場合、ニードルパンチ法は使用困難なので、ケミカルボンド法によりバインダーを用いると、アウトガスが発生し、経時変化が大きく、時間と共に断熱性が大きく低下する問題がある。
特開平６−２１３５６１号公報特開平８−２８７７６号公報特開２００３−１５５６５１号公報特開２００２−１８８７９１号公報

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、製造時およびリサイクル時において環境負荷の極めて低い真空断熱材であって、取扱い性および作業性に優れ、また長期にわたって良好な断熱性を維持する真空断熱材を提供することを目的とする。

本発明は、少なくとも芯材と該芯材を収納し内部を減圧状態に維持できる外包材とを備えてなり、前記芯材は、繊維太さ１〜３デニール、平均繊維径が９〜１７μｍ、軟化点２００〜２６０度のポリエチレンテレフタレート繊維のみからなる繊維集合体をニードルパンチ法によってシート状に加工し適当な大きさ及び形にカットした後、乾燥してなり、外包材に芯材を芯材の乾燥に続いて充填しその内部を減圧して密封してなる、真空引きした後の芯材の密度が１５０〜３００ｋｇ／ｍ ^３であることを特徴とする、真空断熱材に関する。

有機繊維製芯材は、アウトガス発生による断熱性の低下等の問題により、真空断熱材用芯材として現実的に考えられていなかったものであるが、本発明の発明者等は特定太さのポリエステル繊維に着目し、当該繊維をシート状にしたものは、従来の連続気泡ウレタンフォームを上回る断熱性を長期にわたって発揮することを見い出し、本発明を成すに至った。

本発明の真空断熱材は、芯材がポリエステル繊維から構成されているため、環境負荷が小さく、使用後のリサイクル性についても非常に優れる。しかも、本発明の真空断熱材は、冷蔵庫等に採用されている連続気泡ウレタンフォームを用いた真空断熱材を上回る断熱性を長期にわたって発揮し、またガラス繊維と比較して取扱い性および作業性に優れる。

本発明の真空断熱材は少なくとも芯材と該芯材を収容し内部を減圧状態に維持できる外包材とからなる。

本発明において芯材は、繊維太さ１〜６デニール、好ましくは１〜３デニールのポリエステル繊維を含有するシート状繊維集合体である。詳しくは、芯材は上記ポリエステル繊維を含有する繊維集合体をシート状に加工してなるものであり、そのような芯材を使用することによって、取扱い性および作業性を向上させることができ、また製造時およびリサイクル時における環境負荷を低減できる。さらに、長期にわたって良好な断熱性を発揮できる。上記繊維太さを有するポリエステル繊維の平均繊維径は通常、９〜２５μｍ、好ましくは９〜１７μｍである。平均繊維径は、１０本の繊維に対し、繊維１本当たり２箇所の径をCCDカメラ画像により処理して測定し、計２０箇所の径の平均値を求めて平均繊維径値として用いた。

「シート状」とは平板形状を有しているという意味である。繊維集合体をそのままのわた状態で使用する場合など、芯材がシート状でないと、芯材の取り扱い性が低下するので芯材を外包材へ収納する工程が煩雑になりすぎ、作業性が悪化する。さらには初期の断熱性が発現しない。

本発明においてそのようなシート状繊維集合体（芯材）の厚みは本発明の目的が達成される限り特に制限されるものではなく、通常は真空断熱材としたときに１ｍｍ〜５０ｍｍ程度、特に５ｍｍ〜２０ｍｍ程度であればよい。また、シート状繊維集合体は、１層のシートでも良いが、ポリエステル繊維の１層シートで真空断熱材としての５ｍｍ程度以上の厚いものは、シート製造が難しいため、２層以上のシートを積層し、シート状繊維集合体（芯材）とするのが好ましい。繊維集合体はバインダー等の他の材料を使用されないで加工されることが好ましく、例えば、いわゆるニードルパンチ法等でシート状に加工するようにする。バインダーを用いるケミカルボンド法等は、アウトガス発生による断熱性の経時的な低下が起こり問題となる。なお、ニードルパンチ法とは、繊維の方向がある程度揃ったポリエステル繊維塊、すなわちポリエステル繊維ウェブに対し、フックの付いた多数の針を垂直に突き刺したり引き上げたりすることを繰返し、ウェブ中の繊維同士を互いに絡ませることによりシート状にする方法である。

ポリエステル繊維の平均繊維径が小さすぎると、ニードルパンチ機械を使用できないため、わた状のままで使用するか、またはケミカルボンド法によりシート状に賦形することになり、前記した問題が生じる。一方、平均繊維径が大きすぎると、断熱性が低下する傾向にあり、良好な断熱性を確保するためには３００ｋｇ／ｍ^３を越える高密度とする必要があり、重さが問題となる。
ポリエステル繊維の代わりにポリエチレン繊維等の他の有機繊維を用いると、アウトガス発生による断熱性の経時的な低下が起こる。

本発明においてポリエステル繊維とは、化学構造単位が主としてエステル結合で結合されてなる高分子からなる繊維を意味し、製造法は特に限定されるものではい。例えば、ジカルボン酸成分とジオール成分との反応により得られるポリエステル繊維であってもよいし、または一分子中にヒドロキシル基とカルボキシル基とを有するヒドロキシカルボン酸成分同士の反応により得られるポリエステル繊維であってもよい。

ポリエステル繊維の具体例として、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）繊維、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）繊維、ポリプロピレンテレフタレート繊維、ポリアリレート繊維などが挙げられる。例えば、ＰＥＴ繊維は、テレフタル酸ジメチル（ＤＭＴ）とエチレングリコール（ＥＧ）またはテレフタル酸（ＴＰＡ）とＥＧとの反応等により得られ、ＰＢＴ繊維はＤＭＴとテトラメチレングリコール（ＴＭＧ）またはＴＰＡとＴＭＧとの反応等により得られる。シート状賦形性、量産性及びコストを加味すれば、好ましくはポリエチレンテレフタレート繊維である。当然ながら、リサイクルＰＥＴ繊維を使用しても何ら問題はない。

ポリエステル繊維は、特に限定されるものではないが、軟化点２００〜２６０℃程度、強度０．３〜１．２ＧＰａ程度のものが、繊維製造の容易さの観点から好ましい。

ポリエステルを繊維化する方法としては、溶融紡糸法、湿式紡糸法、乾式紡糸法等があるが、本発明において好ましくは溶融紡糸法である。溶融紡糸法とは、高分子の融液を細孔ノズルより空気中に吐出し、吐出された溶融糸条を細化させながら空気で冷却、固化し、その後一定の速度で引き取る方式である。本方法では、１〜６デニール程度の繊維太さを有するポリエステル繊維が容易に製造可能である。

繊維集合体におけるポリエステル繊維の含有量は本発明の目的が達成される限り特に制限されず、通常はアウトガス発生による断熱性の経時的低下防止の観点から芯材全量に対して５０重量％以上、好ましくは９０〜１００重量％である。断熱性のさらなる向上の観点からは、芯材はポリエステル繊維のみからなっていることが最も好ましい。

ポリエステル繊維とともに繊維集合体に含有されてもよい他の繊維として、例えば、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、アクリル繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、ポリビニルアルコール繊維、フッ素繊維、ポリウレタン繊維、ポリノジック繊維、レーヨン繊維等の合成繊維、アルミナ、チタン酸カリウム等の無機繊維、麻、絹、綿、羊毛等の天然繊維等が挙げられる。

本発明において芯材の密度は１００〜３００ｋｇ／ｍ^３が好ましく、より好ましくは１５０〜３００ｋｇ／ｍ^３である。密度が小すぎると、芯材としての強度が低下してしまうと共に断熱性が低下する傾向がある。一方、大きすぎると、重くなると共に断熱性が低下する傾向がある。すなわち、密度は軽すぎても、重すぎても断熱性が低下する傾向がある。前記平均繊維径において、最も好ましい密度は、１７０〜２７０ｋｇ／ｍ^３である。

本明細書中、芯材の密度は、芯材を外包材に収容し、真空引きした後の密度を測定したものである。すなわち、真空断熱材を作成した後、真空断熱材の重量から、あらかじめ測定した外包材及びゲッター材等の重量を引き、芯材の重量を得る。また真空断熱材の体積から、あらかじめ測定したゲッター材等の体積を引き、芯材の体積を得る。なお、外包材は厚みが非常に小さいので、体積算出には考慮しない。得られた芯材の重量および体積から密度を算出する。

上記芯材を収納する外包材は、ガスバリア性を有し、内部を減圧に維持できるものであれば、どのようなものでも用いることができ、好ましくはヒートシール可能なものである。好適な具体例として、例えば、最外層から、ナイロン、アルミ蒸着ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、アルミ箔、及び最内層として高密度ポリエチレンの４層構造からなるガスバリアフィルム、最外層から、ポリエチレンテレフタレート樹脂、中間層にアルミ箔、最内層に高密度ポリエチレン樹脂からなるガスバリアフィルム、最外層にＰＥＴ樹脂、中間層にアルミニウム蒸着層を有するエチレン−ビニルアルコール共重合体樹脂、最内層に高密度ポリエチレン樹脂からなるガスバリアフィルム等が挙げられる。

本発明の真空断熱材において外包材の中には芯材のみを入れるだけでも、断熱性に優れた真空断熱材を得ることができるが、経時的な断熱性をより向上させる観点から、さらに水蒸気もしくは空気の構成ガスのうち少なくとも１種類を吸着するガス吸着剤（ゲッター材）を封入することが好ましい。

本発明の真空断熱材の製造方法について好ましい一実施形態を以下説明する。
繊維集合体をニードルパンチ法等によりシート状に成形し、芯材を得る。得られた芯材を、適当な大きさ及び形（例えば、四角形）にカットし、内部に含まれる水分等を除去するために乾燥を行う。当該乾燥は、１２０℃で１時間程度の条件にて行われるが、よりポリエステル繊維の水分等を除去するために、１２０℃において真空乾燥するのが好ましい。さらに、遠赤外線による乾燥を併用してもよい。真空度については、０．５〜０．０１Ｔｏｒｒ程度で乾燥を行うのが好ましい。

次に、該芯材を袋状にシールされた外包材の中に挿入する。なお、この時ゲッター材を一緒に挿入してもよい。この状態で真空引き装置内に入れて、内圧が０．１〜０．０１Ｔｏｒｒ程度の真空度となるよう減圧排気する。その後、外包材の袋状開口部を熱融着により封止し、真空断熱材が得られる。なお、芯材厚みを調整すべく、室温でプレス加工することによって、芯材密度の制御も可能である。

＜芯材に使用する繊維＞
表に記載のポリエステル繊維を使用した。ポリエステル繊維は、いずれも繊維長５１ｍｍのポリエチレンテレフタレート繊維であった。

＜実施例１＞
表に記載のポリエステル繊維をニードルパンチ法によりシート状に加工した。加工直後のシート目付は５５０ｇ／ｍ^２であった。当該シートを２００ｍｍ×２００ｍｍの大きさに裁断し、温度１２０℃にて１時間乾燥を行った。乾燥後のシートを４枚積層し、当該積層したものを芯材としてナイロン、アルミ蒸着ＰＥＴ、アルミ箔、高密度ポリエチレンの４層構造からなるガスバリアフィルム製外包材に挿入し、同時にゲッター材（サエスゲッターズ社製：ＣＯＭＢＯ）を１個外包材の中に挿入した。その後、真空引き装置にて、内圧が０．０１Ｔｏｒｒとなるよう真空引きを行い、熱融着により密封した。得られた真空断熱材は、２００ｍｍ×２００ｍｍの大きさで厚み１０ｍｍであった。得られた真空断熱材の芯材の密度は２２０ｋｇ／ｍ^３であった。

＜実施例２〜８、比較例１〜２の製造方法＞
芯材に使用する繊維の種類・量を表に記載のように変更した以外は、実施例１と同様の方法にて真空断熱材を得た。なお、比較例２においてはシート状への加工を行うことなく、わた状の繊維をそのまま用いた。

＜比較例３＞
連続気泡ポリウレタンフォームを用い、まず２００ｍｍ×２００ｍｍ×１０ｍｍにカットした。当該芯材を、温度１２０℃にて１時間乾燥した。乾燥後、実施例と同様の外包材に挿入し、同時にゲッター材を１個外包材の中に挿入した。その後、真空引き装置にて、内圧が０．０１Ｔｏｒｒとなるよう真空引きを行い、熱融着により密封して真空断熱材を得た。

＜初期断熱性＞
初期断熱性の評価は、「Ａｕｔｏλ ＨＣ−０７４」（英弘精機（株）製）を用いて、平均温度２０℃の熱伝導率を測定することにより行った。なお、測定は真空引き工程から１日経過後に測定した。

＜長期断熱性＞
長期断熱性の評価は、初期断熱性を評価した真空断熱材を７０℃の恒温槽に入れ、４週間経過後に取り出し、「Ａｕｔｏλ ＨＣ−０７４」（英弘精機（株）製）を用いて、平均温度２０℃の熱伝導率を測定することにより行った。

＜作業性＞
繊維集合体を外包材に挿入するときの作業性を以下の基準に従って評価した。
○；繊維集合体を容易に外包材に挿入できる；
×；芯材が脆く、外包材に繊維集合体を均一に挿入できない。

Claims

少なくとも芯材と該芯材を収納し内部を減圧状態に維持できる外包材とを備えてなり、前記芯材は、繊維太さ１〜３デニール、平均繊維径が９〜１７μｍ、軟化点２００〜２６０度のポリエチレンテレフタレート繊維のみからなる繊維集合体をニードルパンチ法によってシート状に加工し適当な大きさ及び形にカットした後、乾燥してなり、外包材に芯材を芯材の乾燥に続いて充填しその内部を減圧して密封してなる、真空引きした後の芯材の密度が１５０〜３００ｋｇ／ｍ ^３であることを特徴とする、真空断熱材。