JP5396479B2 - 成形されたポリウレタンフォーム製品の後硬化 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に包含される、題名が「成形されたポリウレタンフォーム製品の後硬化」である、ＭｃＥｖｏｙ他が２００８年９月２２日に出願した、米国仮出願第６１／０９９１４２号の利益と優先権を主張する。

本開示は、成形されたポリウレタンフォーム製品の製造、及び、より詳細には、該ポリウレタン製品を、エネルギー効率の良い方法で、より堅固にかつ輸送に適するように製造する、後硬化することを包含する製造方法に関する。

座席が家具の一部、設備の一部、又は例えば自動車などの車両の一部用であるかどうかにかかわらず、成形されたポリウレタンフォームクッションを、座席を占有する乗員の快適さのために提供することは通常、知られている。

成形されたポリウレタンフォーム（柔らかい、及び堅い種類の両方とも）は、主として以下の成分を含む、第１のストリーム（又はイソシアン酸塩）と、第２のストリーム（又は多価アルコール）の、２つのストリームを混合する、いわゆる「ワンショット」工程で形成してもよい：塩基性多価アルコール樹脂材、共重合体多価アルコール樹脂材、水、触媒（又は促進剤パッケージ）、一般的に例えば、ＴＤＩ、ＭＤＩ又はこれらの混合物（通常、このような混合物は、ＴＤＩかＭＤＩの少なくともいずれかの５％以上である；例えば、８０％ＴＤＩと２０％ＭＤＩの混合物であるＴＭ２０）などのイソシアン酸塩、及び界面活性剤。知られているように、様々な添加物は、異なる特性を提供するのに用いることができる。

材料の２つのストリームを型へ注いで、型を閉じて、構成要素を反応させることによって上記の構成要素を混合することが、通常、理解される。この反応は発熱反応であるが、発泡体を硬化させる時間を減らすことによって、より迅速に発泡製品を生産するために、典型的には補助熱（約１５０°〜１７０°Ｆ、イソシアン酸塩促進剤を使用）を型に加える。

随意に、結果として生じる発泡製品は、時限圧力開放工程（ＴＰＲ工程）を使用する金型で圧縮される。ＴＰＲは、硬化の間、及び／又は金型から取り除かれる（すなわち、「型抜き」）前に、ガスを発泡体と金型から漏洩させるために、金型の密封圧力を減圧することを含む。更なる選択肢（そして、好ましくは）として、型抜きされた発泡製品も、圧縮装置（例えば真空、ハードローラー、又はブラシ圧縮装置）を使って、機械的に圧縮されても良い（そして、繰り返し圧縮されても良い）。これは従来、２分間の型抜きするとすぐに、行われる。機械式圧縮装置は、型抜きした後、一定の圧縮時間にわたって、所定の力を適用して、特定の時間（例えば１５秒〜８分、そして、より好ましくは９０秒〜２分）において、発泡製品における所定の厚さ減少を得る。従来機械式圧縮は、５０％圧縮（すなわち、発泡体の当初の厚みの５０％までの圧縮）を実行する第１段階、これに続く９０％圧縮を実行する第２段階、及び９０％圧縮を実行する第３段階によって、順番に進行する。型抜き後圧縮工程は、発泡製品を通過する振動の改善された減衰化を提供すること（例えば、自動車の座席の場合、道路振動の減衰化）に、並びに、座席として使用される場合、製品の改善された快適感を創出することにおいて、有利である。

圧縮は、特に成形されたポリウレタン椅子を製造する工程の重要な部分である。適切な圧縮がない場合、発泡製品は偽の硬さを示して、以降の使用において、圧縮下で高さ損失を被るだろう。特に自動車産業において、ドライバーが適切な可視性（Ｈ点）を有する高さは、ポリウレタン椅子の製造において考慮されるべき重要な設計仕様である。不適切に圧縮された発泡体の座席は、望ましくないＨ点の変化をもたらし得る。その上、後で圧縮下で高さを失う、不適切に圧縮された座席は、椅子カバーが不安定になり得る、座席の美観において好ましくない変化を引き起こし得る。

例えば座席などの、ポリウレタン発泡製品の製造のための大量生産環境では、圧縮された発泡製品は、硬化のため、しばらくの間（例えば、３０〜１２０分）、モノレール又は他の運搬装置に置いても良い。その後、発泡製品は、更なる作業（例えば、座席の組み立て）の実施のための、別の場所への出荷のために、袋に詰められるか、そうでなければ、全体的に包装されても良い。発泡製品は通常、型抜きする際に完全硬化しないので、発泡製品がモノレール又は他の運搬装置上で硬化することが可能な時間があまりに短いならば、発泡製品はまだ十分に暖かい場合があるため、袋詰め／包装時に、隣接した発泡製品に当たって、半永久的又はほぼ永久の、へこみ又は圧縮を形成し得る。これは、セットダメージ（ｓｅｔ ｄａｍａｇｅ）として知られている。このような損傷を受けた発泡製品は、典型的に廃棄物又はスクラップとして拒絶される。

製品が基本的に空気で、そして、比較的低い質量で比較的大きな体積を占めることから、成形されたポリウレタンフォーム製品の輸送費は相対的に非常に高い。燃料経費が増加すると、これらの輸送経費は同様に増加する。ポリウレタンフォーム製品が圧縮され得る程度が大きくなるほど、出荷することができるこのような製品の数が増えるため、輸送はより経済的になる。

従来、後硬化工程が、セットダメージを減らすために、成形されたポリウレタンフォーム製品の生産において使用されていた。図１で示すように、この後硬化工程は、型抜き及び後続の（一般的に、約２分後に）機械圧縮の後、実行した。後硬化工程は、ガス燃焼又は乾燥空気オーブンで行われ、圧縮発泡製品が、成形時に達成された中心温度（典型的には約１８０°Ｆ〜２１０°Ｆ）に戻るように、約３００°Fで約１時間以上再加熱され、この中心温度で、製品はその後約１時間維持され、発泡製品の表面における開放セル（ｏｐｅｎ ｃｅｌｌ）の非接触、表面融解による、さらなる硬化と、高密度表面層の形成をもたらす（図２）。

輸送の間のセットダメージから保護する、より高密度の表面的な層が成形された発泡製品を製造するのが有益である一方で、先行技術の後硬化工程は、多大な時間を必要とする。したがって、図３で示す、成形されたポリウレタンフォーム製品の従来の製造のためのより一般的な方法は、上記の後硬化工程を除いた。図１の方法と同様に、この方法も、型抜き後、約２分以内に機械圧縮工程を使用する。

発泡製品を製造する方法は、型穴に液体材料を注入することによって発泡製品を成形すること、型穴から発泡製品を除去することによって発泡製品を型抜きすること、型抜きした後、発泡製品を圧縮する前に、補助熱を加えることによって、発泡製品を後硬化して、セットダメージを軽減し、及び、発泡製品上に表面層を形成すること、及び、発泡製品を機械的に圧縮することによって、発泡製品における所定の厚さ減少を得ること、を含む。前記方法は、後硬化後、発泡製品を圧縮する前に、補助熱を取り除くことによって、発泡製品を冷却することをさらに含む。

図１は、圧縮工程後の後硬化操作を含む成形されたポリウレタン製品を製造するための従来の方法を表すフローチャートである。 図２は、発泡製品の表面上の開放セルの表面溶解による、発泡製品上により高密度の表面層を作る工程を概略的に示す。 図３は、後硬化操作を含まない、成形されたポリウレタン製品を製造するための従来の方法を表すフローチャートである。 図４は、本開示の方法のステップを表すフローチャートである。 図５は、図１のポリウレタン製造方法の様々なステップを通じた、時間と温度の関係を示すグラフである。 図６は、本開示の第１の態様の様々なステップの間の、時間と温度の関係を表すグラフである。 図７は、本開示の第２の態様の様々なステップの間の、時間と温度の関係を表しているグラフである。

図に、そして、特に図４で一般に言及することは、成形されたポリウレタンフォーム製品を製造するための本開示の方法は、型抜き（１１）した後、圧縮（４０）する前に実行する、後硬化ステップ（２０）を含む。また、圧縮（４０）する前に、発泡製品を、冷却（３０）する。特に指定のない限り、本開示の方法は、従来の方法で進めても、また既知の材料と方法を含んでも良い。本明細書中で使用される用語「発泡製品」は幅広い用語であり、ブロック用発泡体、車両用発泡体（例えば、例えば座席のクッション、ヘッドレスト、座席背部のクッション、肘掛け、その他）、家具座席用の製品と産業用発泡体（例えば、エンジンマウント、圧縮器など）を意味してよく、これらに限定されない。

ポリウレタン製品の中心温度を高めたまま維持して、後硬化工程の実行に要求される時間とエネルギーを減少／除去するため、後硬化ステップ（２０）は型抜き（１１）した後、できるだけ早く行う。好ましくは、後硬化ステップ（２０）は、型抜きから数分以内に行う。

周知のように、成形ステップ（１０）は、従来は、硬化が加速度的に進行するのに十分な温度（一般的に、約１３０°〜１７０°Ｆ）で、補助加熱を適用して実行される。発熱反応であるこのステップの間、ポリウレタン製品の中心温度は、質量に依存して、約１８０°〜２００°Ｆまで上げられる。型抜き（１１）した後、成形された発泡製品は、後硬化ステップ（２０）の間、加熱される。後硬化ステップ（２０）を実行する温度は、図２の中で概略的に表されるように、その外面で泡沫の融解を生じるのに十分であり、それによって、得られる発泡製品をセットダメージに対してより耐性があるするようにする、より密度の高い表面層を形成する。この後硬化ステップの間、発泡製品の中心温度は、成形（１０）（表示される例では、約１８０°F）する間に達する温度に近似する温度に達するだろう。重要なことに、製品は約２２１°Fを上回る温度まで加熱されない。何故なら、この閾値を越えて加熱される場合、成形されたポリウレタンフォームは弾力記憶（ｅｌａｓｔｉｃ ｍｅｍｏｒｙ）の喪失を示すからである。

圧縮ステップ（４０）は、成形する間に発泡製品内で発生するガスを周囲の空気と強制的に交換するので、迅速に発泡体の中心温度を下げる。先行技術の圧縮後の後硬化工程の実行におけるエネルギー非効率性は、圧縮されたポリウレタン製品の比較的低い中心温度（約７０°F）、したがって発泡製品の中心温度を後硬化工程をもたらすのに十分な高温に戻すために要求される後硬化ステップの必然的により長い時間を考慮して、明らかである（図５）。したがって、本開示の圧縮ステップは、後硬化ステップ（２０）の後まで実行されない。このやり方によって、後硬化ステップ（２０）はより迅速に、したがってより効率的に実行されてもよい。何故なら、発泡製品の中心温度は、成形工程（１０）の間に達成されている温度に、少なくとも比較的近似しているからである。

後硬化ステップ（２０）は、発泡製品のさらなる硬化、及び発泡製品上のより高密度の表面層の形成に適している任意の装置及び／又は手段を使用して、実行してもよく、例示的な装置は、従来の産業オーブン、誘導加熱、誘電加熱（例えばマイクロ波で）、ガス燃焼赤外線放射加熱、ＵＶ加熱、プラズマ加熱又は電子ビーム処理（ポリマー内で架橋反応を開始するために、熱の代わりに高エネルギーの電子を使用する）などの、任意の一つ以上の加熱硬化装置を含む。ＵＶ加熱、プラズマ加熱と電子ビーム処理については、周波数と波長がこれらを巧く利用するための要素であることが理解されよう。

図６は、第１の例示的な態様の様々なステップ（成形（１０）、型抜き（１１）、後硬化（２０）、及び圧縮（４０））の間の時間と温度の関係を表すグラフであり、ここで、後硬化ステップ（２０）は、従来の産業オーブン内で、約３００°Ｆの温度で、約１５分間実行される。示されるように、ポリウレタン製品の中心温度を、再び約１８０°Fまで上昇させる前に、いくぶん低下（約１４０°Fまで）させておく。後硬化工程が完了したあと、製品は冷却、圧縮され、製品の中心温度が低下する。

図７は、本開示の第２の例示的な態様の様々なステップ（成形（１０’）、型抜き（１１’）、後硬化（２０’）、及び圧縮（４０’））の間の時間と温度の関係を表しているグラフであり、ここで、該後硬化ステップを、誘電加熱又は誘導加熱によって実行する。図５の態様のように、ポリウレタン製品の中心温度は、再び約１８０°Fまで上昇させる前に、いくぶん低下（約１４０°Fまで）させておく。後硬化工程が完了したあと、製品は冷却、圧縮され、そして、製品の中心温度が低下する。

圧縮前の発泡製品を冷却（３０）する間、伝熱除去を促進するために、例えば、高速ファン、冷却塔、その他の補助冷却装置及び／又は冷却装置を利用してもよい。

図６の態様における後硬化ステップの時間が１５分程度である一方で、あくまで例証としてだが、ＵＶ加熱、プラズマ加熱、及び電子ビーム工程を含む、特定の加熱方法の使用は、この時間をわずか約３分まで減少し得ると考えられる。時間スケールは、図５〜７で一貫して示されることを意図していない。

後硬化ステップ（２０’）での誘導加熱の利用は、ポリウレタンフォーム製品において、サセプターとして知られる、電気伝導材料の存在に依存するだろう。サセプターは、発泡製品がその周囲に成形されるところの構造金属フレームワークを含んでよい。

成形されたポリウレタン製品が構造金属フレームワークを含む箇所で、焦げ付きが生じるならば、上記で例証される加熱方法の一つ以上は、金属の種類によって、後硬化ステップ（２０）に適さない場合がある。このような状況下では、焦げ付きを避ける後硬化ステップ（２０）のための加熱方法が好ましい。

開示された方法が大量生産環境で実行される場合には、該方法の効率を強化するために、必ずしも必要でないが、好ましくは、加熱方法は、後硬化ステップ（２０）のインライン実施に適合される。

発泡製品を型抜き後、すぐに（型抜き後０時間に）、又は、できるだけ早く発泡製品を後硬化させて、及び、加熱を続けることにより、先行技術に勝る顕著な生産性／製造利点（例えば、コスト等）が、実現され得る。したがって、できるだけ早く後硬化ステップを始めることは、発泡製品が発泡製品の製造する工程を進む中で、最小限の熱を必要とするのを可能にする。例えば、型抜きから熱源までの約１０秒は、約３分の加熱を必要とし、型抜きから熱源までの約３０秒は、約９分の加熱を必要とし、そして、型抜きから熱源までの約３分は、より高い昇温率で、１５分の加熱を必要とする。

前述の説明から理解されるように、型抜きした後、圧縮する前に、できるだけ早く後硬化ステップを実行することによって、ポリウレタン製品の中心温度は比較的高く、そして、成形された発泡製品の有益なさらなる硬化と、ポリウレタン製品のより高密度表面層の形成が、よりエネルギー効率的な方法で実現される。表面層は、発泡製品が圧縮後に包装されるか、そうでなければ、出荷のために包装される時の、セットダメージを防止するだけではなく、接着剤によるパッド又は他の構成要素の貼付を容易にし得る。さらなる硬化は、圧縮操作の間、発泡製品のより大きな圧縮を可能にすることによって、相対的に小体積／高密度の発泡製品を得る。したがってこのような発泡製品は、より大量の出荷に適し、したがって、輸送経済性を改善する。さらにまた、そして、後硬化ステップにおいて用いられる加熱方法に依存して、後硬化ステップは比較的より短くなり、かつ、そのエネルギー効率は先行技術の方法と比較して、さらに改善しさえし得る。

前述の本開示の態様の説明は、例示と開示のために示した。これは、本開示を、排他的に、又は正確な形に制限することを目的とせず、そして、修正及び変更は、上記の教示を考慮して可能であるか、又は本発明の試験から得てもよい。態様は、本発明とその実用的な応用の原理を説明するために、示され、かつ開示され、当業者は、様々な態様において、そして、考えられる特定の使用に適する様々な改良と共に、本発明を利用することができる。

本発明の僅かな態様のみを本開示において詳述したが、本開示を参照する当業者は、多くの改良が、新しい教示、及び主題が引用する利点から物質的に逸脱することなく可能であることを容易に認める。したがって、すべてのこのような改良は、本発明の範囲内に含まれることを目的とする。他の置換、改良、変更と省略は、本発明の精神を逸脱しない範囲で、例示的な態様の設計、操作条件、及び配置においてなされても良い。

Claims (15)

1. 発泡体製品を製造する方法であって、
   型穴内に液体発泡材を入れて、そして前記型穴内で前記液体発泡材を反応させて、発泡体製品を成形して、発泡体製品を製造すること、
   前記型穴から前記発泡体製品を取り外すことによって前記発泡体製品を型抜きすること、
   前記発泡体製品を前記型穴から型抜きした後、前記発泡体製品の中心温度が前記発泡体製品の型抜きと後硬化との間に近似的に維持されるように選ばれる時間内であって前記発泡体製品を圧縮する前に、該発泡体を所定時間加熱することによって前記発泡体製品を後硬化し、前記発泡体製品の後硬化は、前記発泡体製品の外側表面を融解して、前記発泡体製品上により高い密度勾配を形成すること、
   前記発泡体製品を急冷して、前記発泡体製品の厚みを所定割合で圧縮するのを可能にすること、
   出荷のために梱包する際に、十分に硬化された前記発泡体製品を、その寸法の所定割合で圧縮すること、
   を含む方法。
2. 前記発泡体製品を加熱することを、２〜１５分間継続する、請求項１に記載の発泡体製品を製造する方法。
3. 前記発泡体製品を加熱することを、３〜５分間継続する、請求項２に記載の発泡体製品を製造する方法。
4. 前記発泡体製品を加熱することを、２分間継続する、請求項３に記載の発泡体製品を製造する方法。
5. 前記梱包する際に前記発泡体製品を、その寸法の１５〜５０％で圧縮する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発泡体製品を製造する方法。
6. 前記後硬化することを、前記発泡体製品の型抜きした後、１０〜３０秒以内に行う、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発泡体製品を製造する方法。
7. 前記後硬化が、前記発泡体製品上の前記密度勾配を１〜５倍上昇する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発泡体製品を製造する方法。
8. 前記後硬化することを、加熱硬化装置、誘導加熱装置、誘電体装置、ガス燃焼赤外線放射加熱装置、ＵＶ加熱装置、プラズマ加熱装置、及び電子ビーム加工装置の少なくとも１つを含む後硬化装置を使用して実行する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発泡体製品を製造する方法。
9. 前記後硬化装置は加熱硬化装置であり、かつ前記後硬化することを、前記型抜きする時の前記発泡体製品の中心温度とほぼ等しい温度で実行する、請求項８に記載の発泡体製品を製造する方法。
10. 前記後硬化装置はＵＶ加熱装置、プラズマ加熱装置、及び電子ビーム処理装置の少なくとも１つであり、かつ前記後硬化することを、前記型抜きする時の前記発泡体製品の中心温度とほぼ等しい温度で、少なくとも２分間実行する、請求項８に記載の発泡体製品を製造する方法。
11. 前記後硬化装置は、大規模生産環境における後硬化のインライン実施に適合される、請求項１０に記載の発泡体製品を製造する方法。
12. 前記急冷することを、高速ファン及び冷却塔などの補助冷却装置を用いて実行する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の発泡体製品を製造する方法。
13. 前記発泡体製品は、成形されたポリウレタン部材を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発泡体製品を製造する方法。
14. 前記発泡体製品は、前記発泡体製品がその周囲に成形されるところの構造金属部材を含む、請求項１３に記載の発泡体製品を製造する方法。
15. 前記急冷することが、前記発泡体製品の厚みを２５〜９５％で圧縮するのを可能にする、請求項１〜１４のいずれか１項記載の発泡体製品を製造する方法。

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