JP5986693B2 - 難燃性ウレタン樹脂組成物 - Google Patents
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Description
(関連分野の相互参照)
本願は、2014年9月26日に出願した特願2014-197047号明細書の優先権の利益を主張するものであり、当該明細書はその全体が参照により本明細書中に援用される。
(技術分野)
本発明は、難燃性ウレタン樹脂組成物に関する。
本願は、2014年9月26日に出願した特願2014-197047号明細書の優先権の利益を主張するものであり、当該明細書はその全体が参照により本明細書中に援用される。
(技術分野)
本発明は、難燃性ウレタン樹脂組成物に関する。
マンション等の集合住宅、戸建住宅、学校の各種施設、商業ビル等の外壁等に、建物の強度を高める構造材料として、鉄筋等により補強されたコンクリートが使用されている。
一方、コンクリートは蓄熱性および蓄冷性があるため、夏場に蓄積された熱により建物内部が加熱されたり、冬場の寒い時期にコンクリートが冷却される結果、建物内部が冷却されたりする短所がある。このようなコンクリートを通じて外温が長時間にわたり建物内部に与える影響を軽減するために、通常はコンクリートに対して断熱加工が施される。
そこで断熱層として、火災に対する難燃性を備えた硬質ポリウレタンフォームが用いられている。
特許文献1は、ポリイソシアネート化合物、ポリオール化合物、三量化触媒、発泡剤、整泡剤および添加剤を含み、三量化触媒が窒素含有芳香族化合物、カルボン酸アルカリ金属塩、3級アンモニウム塩、および4級アンモニウム塩からなる群より選ばれる少なくとも一つであり、添加物が赤リンを必須成分とし、赤リン以外にリン酸エステル、リン酸塩含有難燃剤、臭素含有難燃剤、ホウ素含有難燃剤、アンチモン含有難燃剤および金属水酸化物からなる群より選ばれる少なくとも一つを組み合わせてなることを特徴とする、難燃性ウレタン樹脂組成物について記載している。
上記の特許文献1の難燃性ウレタン樹脂組成物は、縦10cm×横10cm×厚み5cmに切断した難燃性ウレタン樹脂組成物からなる成形体の発熱性試験により、難燃性と形状保持性に優れることが示されている。
しかしながら、成形体の厚みをより薄くすると、熱が通りやすいため発熱性試験における成形体の収縮及び変形、特に厚み方向の変形が大きく、成形体を吹付や断熱パネル等の用途で使用するには防火上十分な形状保持性が確保できない問題があった。
本発明の目的は、高い難燃性を発現でき、薄厚の場合でも加熱時の形状保持性に優れた難燃性ウレタン樹脂組成物を提供することにある。
本発明によれば、以下の難燃性ウレタン樹脂組成物が提供される。
項1.ポリイソシアネート化合物、ポリオール化合物、三量化触媒、発泡剤、整泡剤、添加剤、およびフィラーを含む難燃性ウレタン樹脂組成物であって、前記添加剤が赤リンを含み、該フィラーのアスペクト比が5〜50、平均粒径が0.1μm以上15μm未満、融点が750℃以上であることを特徴とする難燃性ウレタン樹脂組成物。
項2.前記フィラーの空気条件下でのTG/DTA測定における重量減少率が5%以下である項1に記載の難燃性ウレタン樹脂組成物。
項3.前記フィラーは針状の無機フィラーである項1又は2に記載の難燃性ウレタン樹脂組成物。
項4.前記ポリイソシアネート化合物および前記ポリオール化合物からなるウレタン樹脂100重量部を基準として、前記赤リンが3.5〜30重量部、前記フィラーが3〜30重量部である項1〜3のいずれか一項に記載の難燃性ウレタン樹脂組成物。
項5.項1〜4のいずれか一項に記載の難燃性ウレタン樹脂組成物からなる成形体。
項6.100mm×100mm×20mmの前記成形体をISO−5660試験方法に従って輻射熱強度50kW/m2にて20分間加熱したときの加熱前に対する加熱後の成形体の長さ方向及び幅方向の寸法が95mmよりも大きく、厚み方向の変形が10mm未満である項5に記載の成形体。
本発明によれば、薄厚でも加熱時の形状保持性に優れた難燃性ウレタン樹脂組成物からなる成形体が提供される。
本発明に係る難燃性ウレタン樹脂組成物について説明する。
最初に、難燃性ウレタン樹脂組成物に使用するウレタン樹脂について説明する。
ウレタン樹脂は、主剤としてのポリイソシアネート化合物と硬化剤としてのポリオール化合物とからなる。
ポリイソシアネート化合物としては、例えば、芳香族ポリイソシアネート、脂環族ポリイソシアネート、脂肪族ポリイソシアネート等が挙げられる。
芳香族ポリイソシアネートとしては、例えば、フェニレンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、ジメチルジフェニルメタンジイソシアネート、トリフェニルメタントリイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート、ポリメチレンポリフェニルポリイソシアネート等が挙げられる。
脂環族ポリイソシアネートとしては、例えば、シクロへキシレンジイソシアネート、メチルシクロへキシレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ジシクロへキシルメタンジイソシアネート、ジメチルジシクロへキシルメタンジイソシアネート等が挙げられる。
脂肪族ポリイソシアネートとしては、例えば、メチレンジイソシアネート、エチレンジイソシアネート、プロピレンジイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート等が挙げられる。
ポリイソシアネート化合物は一種もしくは二種以上を使用することができる。ウレタン樹脂の主剤は、使い易いこと、入手し易いこと等の理由から、ジフェニルメタンジイソシアネートが好ましい。
ウレタン樹脂の硬化剤であるポリオール化合物としては、例えばポリラクトンポリオール、ポリカーボネートポリオール、芳香族ポリオール、脂環族ポリオール、脂肪族ポリオール、ポリエステルポリオール、ポリマーポリオール、ポリエーテルポリオール等が挙げられる。
ポリラクトンポリオールとしては、例えば、ポリプロピオラクトングリコール、ポリカプロラクトングリコール、ポリバレロラクトングリコールなどが挙げられる。
ポリカーボネートポリオールとしては、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、オクタンジオール、ノナンジオールなどの水酸基含有化合物と、ジエチレンカーボネート、ジプロピレンカーボネートなどとの脱アルコール反応により得られるポリオール等が挙げられる。
芳香族ポリオールとしては、例えば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、フェノールノボラック、クレゾールノボラック等が挙げられる。
脂環族ポリオールとしては、例えばシクロヘキサンジオール、メチルシクロヘキサンジオール、イソホロンジオール、ジシクロへキシルメタンジオール、ジメチルジシクロへキシルメタンジオール等が挙げられる。
脂肪族ポリオールとしては、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール等が挙げられる。
ポリエステルポリオールとしては、例えば、多塩基酸と多価アルコールとを脱水縮合して得られる重合体、ε−カプロラクトン、α−メチル−ε−カプロラクトン等のラクトンを開環重合して得られる重合体、ヒドロキシカルボン酸と上記多価アルコール等との縮合物が挙げられる。
ここで多塩基酸としては、具体的には、例えば、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、テレフタル酸、イソフタル酸、コハク酸等が挙げられる。また多価アルコールとしては、具体的には、例えば、ビスフェノールA、エチレングリコール、1,2−プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、ジエチレングリコール、1,6−ヘキサングリコール、ネオペンチルグリコール等が挙げられる。
またヒドロキシカルボン酸としては、具体的には、例えば、ひまし油、ひまし油とエチレングリコールの反応生成物等が挙げられる。
ポリマーポリオールとしては、例えば、芳香族ポリオール、脂環族ポリオール、脂肪族ポリオール、ポリエステルポリオール等に対し、アクリロニトリル、スチレン、メチルアクリレート、メタクリレート等のエチレン性不飽和化合物をグラフト重合させた重合体、ポリブタジエンポリオール、多価アルコールの変性ポリオールまたは、これらの水素添加物等が挙げられる。
多価アルコールの変性ポリオールとしては、例えば、原料の多価アルコールにアルキレンオキサイドを反応させて変性したもの等が挙げられる。
多価アルコールとしては、例えば、グリセリンおよびトリメチロールプロパン等の三価アルコール;ペンタエリスリトール、ソルビトール、マンニトール、ソルビタン、ジグリセリン、ジペンタエリスリトール等、ショ糖、グルコース、マンノース、フルクト−ス、メチルグルコシドおよびその誘導体等の四〜八価のアルコール;フェノール、フロログルシン、クレゾール、ピロガロール、カテコ−ル、ヒドロキノン、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、1−ヒドロキシナフタレン、1,3,6,8−テトラヒドロキシナフタレン、アントロール、1,4,5,8−テトラヒドロキシアントラセン、1−ヒドロキシピレン等のフェノールポリブタジエンポリオール;ひまし油ポリオール;ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートの(共)重合体およびポリビニルアルコール等の多官能(例えば官能基数2〜100)ポリオール、フェノールとホルムアルデヒドとの縮合物(ノボラック)が挙げられる。
多価アルコールの変性方法は特に限定されないが、アルキレンオキサイド(以下、AOと略す)を付加させる方法が好適に用いられる。
AOとしては、炭素数2〜6のAO、例えば、エチレンオキサイド(以下、EOと略す)、1,2−プロピレンオキサイド(以下、POと略す)、1,3−プロピレオキサイド、1,2−ブチレンオキサイド、1,4−ブチレンオキサイド等が挙げられる。
これらの中でも性状や反応性の観点から、PO、EOおよび1,2−ブチレンオキサイドが好ましく、POおよびEOがより好ましい。AOを二種以上使用する場合(例えば、POおよびEO)の付加方法としては、ブロック付加であってもランダム付加であってもよく、これらの併用であってもよい。
ポリエーテルポリオールとしては、例えば、活性水素を2個以上有する低分子量活性水素化合物等の少なくとも一種の存在下に、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、テトラヒドロフラン等のアルキレンオキサイドの少なくとも1種を開環重合させて得られる重合体が挙げられる。
活性水素を2個以上有する低分子量活性水素化合物としては、例えば、ビスフェノールA、エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、1,6−ヘキサンジオ−ル等のジオール類、グリセリン、トリメチロールプロパン等のトリオール類、エチレンジアミン、ブチレンジアミン等のアミン類等が挙げられる。
本発明に使用するポリオールは、燃焼した際の総発熱量の低減効果が大きいことからポリエステルポリオール、またはポリエーテルポリオールを使用することが好ましい。
その中でも分子量200〜800のポリエステルポリオールを用いることがより好ましく、分子量300〜500のポリエステルポリオールを用いることがさらに好ましい。
またイソシアネートインデックスは、ポリオール化合物の水酸基に対するポリイソシアネート化合物のイソシアネート基の当量比を百分率で表したものであるが、その値が100を越えるということはイソシアネート基が水酸基より過剰であることを意味する。
本発明に使用するウレタン樹脂のイソシアネートインデックスの範囲は、250〜1000の範囲であることが好ましく、250〜800の範囲であればより好ましく、300〜700の範囲であればさらにより好ましい。イソシアネートインデックス(INDEX)は、以下の方法にて算出される。
INDEX=イソシアネートの当量数÷(ポリオールの当量数+水の当量数)×100
ここで、
イソシアネートの当量数=ポリイソシアネートの使用部数×NCO含有率(%)÷100/NCOの分子量、
ポリオールの当量数=OHV×ポリオールの使用部数÷KOHの分子量、OHVはポリオールの水酸基価(mg KOH/g)、
水の当量数=水の使用部数×水のOH基の数/水の分子量
である。なお上記式において、使用部数の単位は重量(g)であり、NCO基の分子量は42、NCO含有率はポリイソシアネート化合物中のNCO基の割合を質量%で表したものであり、
上記式の単位換算の都合上KOHの分子量は56100とし、水の分子量は18、水のOH基の数は2とする。
ここで、
イソシアネートの当量数=ポリイソシアネートの使用部数×NCO含有率(%)÷100/NCOの分子量、
ポリオールの当量数=OHV×ポリオールの使用部数÷KOHの分子量、OHVはポリオールの水酸基価(mg KOH/g)、
水の当量数=水の使用部数×水のOH基の数/水の分子量
である。なお上記式において、使用部数の単位は重量(g)であり、NCO基の分子量は42、NCO含有率はポリイソシアネート化合物中のNCO基の割合を質量%で表したものであり、
上記式の単位換算の都合上KOHの分子量は56100とし、水の分子量は18、水のOH基の数は2とする。
また難燃性ウレタン樹脂組成物は、触媒、発泡剤、整泡剤、添加剤及びフィラーを含む。
触媒としては、例えば、トリエチルアミン、N−メチルモルホリンビス(2−ジメチルアミノエチル)エーテル、N,N,N’,N”, N”−ペンタメチルジエチレントリアミン、N, N, N’−トリメチルアミノエチル−エタノールアミン、ビス(2−ジメチルアミノエチル)エーテル、N−メチル, N’−ジメチルアミノエチルピペラジン、イミダゾール環中の第2級アミン官能基をシアノエチル基で置換したイミダゾール化合物等の窒素原子含有触媒等が挙げられる。
難燃性ウレタン樹脂組成物に使用する触媒の添加量は、ウレタン樹脂100重量部に対して、0.6重量部〜10重量部の範囲であることが好ましく、0.6重量部〜8部の範囲であることがより好ましく、0.6重量部〜6重量部の範囲であることが更に好ましく、0.6重量部〜3.0重量部の範囲であることが最も好ましい。
0.6重量部以上の場合はウレタン結合の形成が阻害される不具合が生じず、10重量部以下の場合は適切な発泡速度を維持することができ、取扱いやすい。
好ましい触媒としては、ポリウレタン樹脂の主剤であるポリイソシアネート化合物に含まれるイソシアネート基を反応させて三量化させ、イソシアヌレート環の生成を促進する三量化触媒を含む。
三量化触媒は、ポリウレタン樹脂の主剤であるポリイソシアネート化合物に含まれるイソシアネート基を反応させて三量化させ、イソシアヌレート環の生成を促進する。
三量化触媒としては、トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、2,4−ビス(ジメチルアミノメチル)フェノール、2,4,6−トリス(ジアルキルアミノアルキル)ヘキサヒドロ−S−トリアジン等の窒素含有芳香族化合物;酢酸カリウム、2−エチルヘキサン酸カリウム、カルボン酸アルカリ金属塩;トリメチルアンモニウム塩、トリエチルアンモニウム塩、トリフェニルアンモニウム塩等の3級アンモニウム塩;テトラメチルアンモニウム塩、テトラエチルアンモニウム、テトラフェニルアンモニウム塩等の4級アンモニウム塩等が挙げられる。
難燃性ウレタン樹脂組成物に使用する三量化触媒の添加量はウレタン樹脂100重量部に対して、0.6重量部〜10重量部の範囲であることが好ましく、0.6重量部〜8重量部の範囲であることがより好ましく、0.6重量部〜6重量部の範囲であることが更に好ましく、0.6重量部〜3.0重量部の範囲であることが最も好ましい。0.6重量部以上の場合にイソシアネートの三量化が阻害される不具合が生じず、10重量部以下の場合は適切な発泡速度を維持することができ、取り扱いやすい。
また難燃性ウレタン樹脂組成物に使用する発泡剤は、ウレタン樹脂の発泡を促進する。
発泡剤の具体例としては、例えば、水;プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン等の低沸点の炭化水素;ジクロロエタン、プロピルクロリド、イソプロピルクロリド、ブチルクロリド、イソブチルクロリド、ペンチルクロリド、イソペンチルクロリド等の塩素化脂肪族炭化水素化合物;CHF3、CH2F2、CH3F等のフッ素化合物;トリクロルモノフルオロメタン、トリクロルトリフルオロエタン、ジクロロモノフルオロエタン、(例えば、HCFC141b (1,1−ジクロロ−1−フルオロエタン)、HCFC22 (クロロジフルオロメタン)、HCFC142b(1−クロロ−1,1−ジフルオロエタン))等のハイドロクロロフルオロカーボン化合物;HFC−245fa(1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパン)、HFC−365mfc(1,1,1,3,3−ペンタフルオロブタン)等のハイドロフルオロカーボン;ジイソプロピルエーテル等のエーテル化合物、あるいはこれらの化合物の混合物等の有機系物理発泡剤、窒素ガス、酸素ガス、アルゴンガス、二酸化炭素ガス等の無機系物理発泡剤等が挙げられる。
発泡剤の範囲は、ウレタン樹脂100重量部に対して、0.1重量部〜30重量部の範囲であることが好ましい。発泡剤は、ウレタン樹脂100重量部に対して、0.1重量部〜18重量部の範囲であることがより好ましく、0.5重量部〜18重量部の範囲であることが更に好ましく、0.5重量部〜10重量部の範囲であることが最も好ましい。
発泡剤の範囲が0.1重量部以上の場合は気泡の形成が促進され良好な発泡体が得られ、30重量部以下の場合は、気化力が高くなり気泡が粗大になることを防ぐことができる。
難燃性ウレタン樹脂組成物に使用する整泡剤としては、例えば、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル等のポリオキシアルキレン整泡剤、オルガノポリシロキサン等のシリコーン整泡剤等の界面活性剤等が挙げられる。
化学反応により硬化するウレタン樹脂に対する整泡剤の使用量は、使用する化学反応により硬化するウレタン樹脂により適宜設定されるが、一例を示すとすれば、例えば、ウレタン樹脂100重量部に対して、0.1重量部〜10重量部の範囲であれば好ましい。
触媒、発泡剤および整泡剤はそれぞれ一種もしくは二種以上を使用することができる。
次に、本発明の難燃性ウレタン樹脂組成物に使用される添加剤について説明する。
本発明によれば、添加剤は赤リンを必須成分として含む。一つの実施形態において、添加剤は、赤リンと、リン酸エステルとを含む。
本発明に使用する添加剤の添加量はウレタン樹脂100重量部に対して、ウレタン樹脂以外の添加剤の全量の範囲は6重量部〜70重量部の範囲であることが好ましく、6重量部〜40重量部の範囲であることがより好ましく、6重量部〜30重量部の範囲であることが更に好ましく、6重量部〜20重量部の範囲であることが最も好ましい。
添加剤の範囲が6重量部以上の場合には難燃性ウレタン樹脂組成物からなる成形体が火災の熱により形成される緻密残渣が割れることを防止でき、70重量部以下の場合には難燃性ウレタン樹脂組成物の発泡が阻害されない。
本発明に使用する赤リンに限定はなく、市販品を適宜選択して使用することができる。
本発明に係る耐火ウレタン樹脂組成物に使用する赤リンの添加量は、ウレタン樹脂100重量部に対して、通常3.5重量部〜30重量部の範囲であることが好ましく、3.5〜20重量部の範囲であることがより好ましく、6.0重量部〜18重量部の範囲であることがより好ましい。
赤リンの範囲が3.5重量部以上の場合は、難燃性ウレタン樹脂組成物の自己消火性が保持され、また20重量部以下の場合には難燃性ウレタン樹脂組成物の発泡が阻害されない。
好ましい一実施形態において、難燃性ウレタン樹脂組成物の重量に対し赤リンが2〜18重量%である。
また本発明に使用するリン酸エステルは特に限定されないが、モノリン酸エステル、縮合リン酸エステル等を使用することが好ましい。
モノリン酸エステルとしては、特に限定はないが、例えば、トリメチルホスフェート、トリエチルホスフェート、トリブチルホスフェート、トリ(2−エチルヘキシル)ホスフェート、トリブトキシエチルホスフェート、トリフェニルホスフェート、トリクレジルホスフェート、トリキシレ二ルホスフェート、トリス(イソプロピルフェニル)ホスフェート、トリス(フェニルフェニル)ホスフェート、トリナフチルホスフェート、クレジルジフェニルホスフェート、キシレ二ルジフェニルホスフェート、ジフェニル(2−エチルヘキシル)ホスフェート、ジ(イソプロピルフェニル)フェニルホスフェート、モノイソデシルホスフェート、2−アクリロイルオキシエチルアシッドホスフェート、2−メタクリロイルオキシエチルアシッドホスフェート、ジフェニル−2−アクリロイルオキシエチルホスフェート、ジフェニル−2−メタクリロイルオキシエチルホスフェート、メラミンホスフェート、ジメラミンホスフェート、メラミンピロホスフェート、トリフェニルホスフィンオキサイド、トリクレジルホスフィンオキサイド、メタンホスホン酸ジフェニル、フェニルホスホン酸ジエチル、レゾルシノールビス(ジフェニルホスフェート)、ビスフェノールAビス(ジフェニルホスフェート)、ホスファフェナンスレン、トリス(β−クロロプロピル)ホスフェート等が挙げられる。
縮合リン酸エステルとしては、特に限定はないが、例えば、トリアルキルポリホスフェート、レゾルシノールポリフェニルホスフェート、レゾルシノールポリ(ジ−2,6−キシリル)ホスフェート(大八化学工業社製、商品名PX−200)、ハイドロキノンポリ(2,6−キシリル)ホスフェートならびにこれらの縮合物等の縮合リン酸エステルを挙げられる。
市販の縮合リン酸エステルとしては、例えば、レゾルシノールポリフェニルホスフェート(商品名CR−733S)、ビスフェノールAポリクレジルホスフェート(商品名CR−741)、芳香族縮合リン酸エステル(商品名CR747)、レゾルシノールポリフェニルホスフェート(ADEKA社製、商品名アデカスタブPFR)、ビスフェノールAポリクレジルホスフエ−ト(商品名FP−600、FP−700)等を挙げることができる。
上記の中でも、硬化前の組成物中の粘度の低下させる効果と初期の発熱量を低減させる効果が高いためモノリン酸エステルを使用することが好ましく、トリス(β−クロロプロピル)ホスフェートを使用することがより好ましい。
リン酸エステルは一種もしくは二種以上を使用することができる。
リン酸エステルの添加量は、ウレタン樹脂100重量部に対して、2.5重量部〜50重量部の範囲であることが好ましく、2.5重量部〜40重量部の範囲であることがより好ましく、2.5重量部〜30重量部の範囲であることが更に好ましい。
リン酸エステルの範囲が2.5重量部以上の場合には自己消火性が保持され、50重量部以下の場合には難燃性ウレタン樹脂組成物の発泡が阻害されない。
なお、添加剤として、赤リン、リン酸エステル以外の添加剤が更に添加されてもよい。例えば、リン酸エステルの代わりに又はリン酸エステルに加えて、リン酸塩含有難燃剤、臭素含有難燃剤、ホウ素含有難燃剤、アンチモン含有難燃剤および金属水酸化物からなる群より選ばれる少なくとも一つの添加剤が添加されてもよい。
次に、本発明の難燃性ウレタン樹脂組成物に使用されるフィラーについて説明する。
フィラーは、収縮及び/又は変形を防止する。本明細書で「収縮」とは、長さ方向の長さ、幅方向の長さ、及び厚み方向の長さを含む、長さの変化を指し、「変形」とは、反り等の形状の変化、特には厚み方向の形状の変化を指す。
フィラーは有機系フィラーであっても無機系フィラーであってもよいが、好ましくは無機系フィラーである。フィラーのアスペクト比は5〜50であり、好ましくは8〜40であり、より好ましくは10〜40であり、更に好ましくは10〜35であり、8〜25が最も好ましい。ここで、本明細書でいうフィラーのアスペクト比とは、フィラーを走査型電子顕微鏡で観察して得られる画像にて確認されるフィラーの最大長さの最小厚さ(最大長さに対し垂直方向)に対する比(直径/厚さ比とも言う)であり、十分な数のフィラー、250個以上の平均である。
フィラーの平均粒径は0.1μm以上15μm未満であり、好ましくは0.1μm以上14μm以下、より好ましくは0.3〜10μmである。平均粒径はX線透過式沈降法粒度分布測定装置により求められる。フィラーの融点は750℃以上であり、好ましくは800℃以上、より好ましくは1,000℃以上である。
フィラーの形状は、上記のアスペクト比、平均粒径、及び融点を満たす限り、針状フィラーまたは板状フィラーのいずれであってもよいが、好ましくはフィラーは針状フィラーである。
針状とは、長径が短径の3倍以上をしたものをいい、所謂針形状だけでなく、紡錘形状、円柱形状のもの等も含む。板状とは、所謂板形状だけでなく、鱗片状、薄片状のもの等も含む。
針状の無機フィラーとしては、塩基性硫酸マグネシウム、硼酸アルミニウム、ウォラストナイト(珪灰石)、ゾノトライト、ドーソナイト、エレスタダイト、ベーマイト、棒状ヒドロキシアパタイト、チタン酸カリウムウィスカー、ホウ酸アルミニウムウィスカー、マグネシウム系ウィスカー、珪素系ウィスカー、針状アルミナ、針状セラミック、アスベスト、針状炭酸カルシウム、石膏繊維、ガラス繊維、アスベスト繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維、シリカ・アルミナ繊維、ジルコニア繊維、炭素繊維(カーボンナノチューブ等の繊維状、針状またはフラーレン等の球状のニューカーボンを含む)、グラファイト繊維、窒化硼素繊維、硼素繊維、金属繊維等が例示される。
板状の無機フィラーとしては鱗片状黒鉛、タルク、白雲母(マスコバイト)及び金雲母(フロゴパイト)等の雲母類、絹雲母(セリサイト)、カオリナイト、クロライト、モンモリロナイト、ハロサイト等の層状粘土鉱物、板状炭酸カルシウム、板状水酸化アルミニウム、ガラスフレーク、板状酸化鉄、金属板状物等が例示される。
一実施形態では、フィラーはアスペクト比が5〜50、平均粒径が0.1μm以上15μm未満の針状無機フィラーである。好ましいフィラーはウォラストナイトまたはチタン酸カリウムウィスカーである。
フィラーの添加量は、ウレタン樹脂100重量部に対して、3〜30重量部の範囲であることが好ましく、3重量部〜25重量部の範囲であることがより好ましく、3重量部〜18重量部の範囲であることが更に好ましい。一実施形態において、添加剤6〜80重量部に対しフィラー3〜30重量部、好ましくは添加剤6重量部〜60重量部に対しフィラー3重量部〜25重量部、より好ましくは添加剤8.5重量部〜48重量部に対しフィラー3重量部〜18重量部である。
本発明の難燃性ウレタン樹脂組成物は、上記のフィラーとは別に一種もしくは二種以上の無機充填材を併用することができる。
さらに難燃性ウレタン樹脂組成物は、それぞれ本発明の目的を損なわない範囲で、必要に応じて、フェノール系、アミン系、イオウ系等の酸化防止剤、熱安定剤、金属害防止剤、帯電防止剤、安定剤、架橋剤、滑剤、軟化剤、顔料、粘着付与樹脂等の補助成分、ポリブテン、石油樹脂等の粘着付与剤を含むことができる。
難燃性ウレタン樹脂組成物は反応して硬化するため、その粘度は時間の経過と共に変化する。そこで難燃性ウレタン樹脂組成物を使用する前は、難燃性ウレタン樹脂組成物を二以上に分割して、難燃性ウレタン樹脂組成物が反応して硬化することを防止しておく。そして難燃性ウレタン樹脂組成物を使用する際に、二以上に分割しておいた難燃性ウレタン樹脂組成物を一つにまとめることにより、難燃性ウレタン樹脂組成物が得られる。
なお難燃性ウレタン樹脂組成物を二以上に分割するときは、二以上に分割された難燃性ウレタン樹脂組成物のそれぞれの成分単独は硬化が始まらず、難燃性ウレタン樹脂組成物のそれぞれの成分を混合した後に硬化反応が始まるようにそれぞれの成分を分割すればよい。
一実施形態では、難燃性ウレタン樹脂組成物は、前記ポリイソシアネート化合物および前記ポリオール化合物からなるウレタン樹脂100重量部を基準として、0.6〜10重量部の範囲の三量化触媒と、0.1〜30重量部の発泡剤と、0.1重量部〜10重量部の範囲の整泡剤と、6重量部〜80重量部の範囲の添加剤とを含み、赤リンが3.5〜30重量部、フィラーが3〜30重量部である。
難燃性ウレタン樹脂組成物の製造方法は特に限定されないが、例えば、難燃性ウレタン樹脂組成物の各成分を混合する方法、難燃性ウレタン樹脂組成物を有機溶剤に懸濁させたり、加温して溶融させたりして塗料状とする方法、溶剤に分散してスラリーを調製する等の方法、また難燃性ウレタン樹脂組成物に含まれる反応硬化性樹脂成分に常温(約25℃)の温度において固体である成分が含まれる場合には、難燃性ウレタン樹脂組成物を加熱下に溶融させる等の方法により難燃性ウレタン樹脂組成物を得ることができる。
難燃性ウレタン樹脂組成物は、難燃性ウレタン樹脂組成物の各成分を単軸押出機、二軸押出機、バンバリーミキサー、ニーダーミキサー、混練ロール、ライカイ機、遊星式撹拝機等公知の装置を用いて混練することにより得ることができる。
また、ウレタン樹脂の主剤と硬化剤とをそれぞれ別々に充填材等と共に混練しておき、注入直前にスタティックミキサー、ダイナミックミキサー等で混練して得ることもできる。
さらに触媒を除く難燃性ウレタン樹脂組成物の成分と、触媒とを注入直前に同様に混練して得ることもできる。以上説明した方法により難燃性ウレタン樹脂組成物を得ることができる。
次に本発明に係る難燃性ウレタン樹脂組成物の硬化方法について説明する。
前記難燃性ウレタン樹脂組成物のそれぞれの成分を混合すると反応が始まり時間の経過と共に粘度が上昇し、流動性を失う。
例えば、前記難燃性ウレタン樹脂組成物を、金型、枠材等の容器へ注入して硬化させることにより、前記難燃性ウレタン樹脂組成物からなる成形体を発泡体として得ることができる。あるいは、前記難燃性ウレタン樹脂組成物を、被塗構造物に吹き付けて硬化させることにより、前記難燃性ウレタン樹脂組成物からなる成形体を発泡体として得ることができる。
前記難燃性ウレタン樹脂組成物からなる成形体を得る際には、熱を加えたり、圧力を加えたりすることができる。
本発明の成形体の厚みは特に限定されないが、例えば1〜50mmである。特に20mm以上の場合に、発熱性試験時の変形の抑制効果が発揮され有利である。一実施形態において、本発明の成形体は、100mm×100mm×20mm(長さ方向×幅方向×厚み方向)の前記成形体をISO−5660試験方法に従って輻射熱強度50kW/m2にて20分間加熱したときの加熱前に対する加熱後の成形体の長さ方向及び幅方向の寸法が95mmよりも大きく、厚み方向の変形が10mm未満である。
本発明の難燃性ウレタン樹脂組成物からなる成形体は、比重が 0.020−0.130の範囲であることが取り扱いやすいことから好ましく、 0.020−0.100の範囲であることがより好ましく、0.030−0.080の範囲であることがさらに好ましく、0.030−0.060の範囲であることが最も好ましい。
本発明の難燃性ウレタン樹脂組成物からなる成形体は、好ましくは、温度条件を30℃から900℃まで10℃/分の割合で昇温し、測定雰囲気を流量100mL/分の空気流とした場合の、空気条件下でのTG/DTA測定における重量減少率(1−加熱後のサンプル重量/加熱前のサンプル重量)×100(%))が5%以下である。このため成形体は加熱後も高い形状保持性を保持できる。
次に本発明に係る難燃性ウレタン樹脂組成物の応用例について説明する。
前記難燃性ウレタン樹脂組成物を、薄厚のパネルに成形し、建築物、家具、自動車、電車、船等の構造物に配置することができる。あるいは、前記難燃性ウレタン樹脂組成物を上記構造物に吹き付けることにより、前記構造物の表面に難燃性ウレタン樹脂組成物からなる発泡体層を形成することができる。
次に本発明の繊維強化樹脂成形体について実施する耐火試験について説明する。
難燃性ウレタン樹脂組成物からなる成形体を縦100mm、横100mmおよび厚み20mmに切断して、コーンカロリーメーター試験用サンプルを準備する。
コーンカロリーメーター試験用サンプル用いて、ISO−5660の試験方法に準拠して、輻射熱強度50kW/m2にて20分間加熱したときのコーンカロリーメーター試験による総発熱量を測定することができる。
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
実施例1 難燃性ウレタン樹脂組成物からなる発泡成形体の製造及びその性能評価
1.難燃性ウレタン樹脂組成物からなる発泡成形体の製造
表1及び表2に示した配合により、実施例1〜20及び比較例1〜14に係る難燃性ウレタン樹脂組成物をそれぞれ準備した。表中の各成分の詳細は次の通りである。
1.ポリオール化合物
(A-1) p−フタル酸ポリエステルポリオール(川崎化成工業社製、製品名:マキシモールRFK−505、水酸基価=250mgKOH/g)
(A-2) p−フタル酸ポリエステルポリオール(川崎化成工業社製、製品名:マキシモールRLK−087、水酸基価=200mgKOH/g)
2.触媒
(B-1)三量化触媒(オクチル酸カリウム、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製、製品名:K−Zero G)
(B-2)三量化触媒(東ソー社製、製品名:TOYOCAT−TR20)
(B-3)ウレタン化触媒(ペンタメチルジエチレントリアミン、東ソー社製、製品名:TOYOCAT−DT)
(B-4)三量化触媒(東ソー社製、製品名:TOYOCAT−RX5)
(B-5)ウレタン化触媒(トリエチレンジアミン、東ソー社製、製品名:TEDA−L33)
(B-6)ウレタン化触媒(1,2−ジメチルイミダゾール、東ソー社製、製品名:TOYOCAT−DM70)
1.難燃性ウレタン樹脂組成物からなる発泡成形体の製造
表1及び表2に示した配合により、実施例1〜20及び比較例1〜14に係る難燃性ウレタン樹脂組成物をそれぞれ準備した。表中の各成分の詳細は次の通りである。
1.ポリオール化合物
(A-1) p−フタル酸ポリエステルポリオール(川崎化成工業社製、製品名:マキシモールRFK−505、水酸基価=250mgKOH/g)
(A-2) p−フタル酸ポリエステルポリオール(川崎化成工業社製、製品名:マキシモールRLK−087、水酸基価=200mgKOH/g)
2.触媒
(B-1)三量化触媒(オクチル酸カリウム、モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製、製品名:K−Zero G)
(B-2)三量化触媒(東ソー社製、製品名:TOYOCAT−TR20)
(B-3)ウレタン化触媒(ペンタメチルジエチレントリアミン、東ソー社製、製品名:TOYOCAT−DT)
(B-4)三量化触媒(東ソー社製、製品名:TOYOCAT−RX5)
(B-5)ウレタン化触媒(トリエチレンジアミン、東ソー社製、製品名:TEDA−L33)
(B-6)ウレタン化触媒(1,2−ジメチルイミダゾール、東ソー社製、製品名:TOYOCAT−DM70)
3.整泡剤
ポリアルキレングリコール系整泡剤(東レダウコーニング社製、製品名:SH−193)
4.発泡剤
(C-1)純水
(C-2)HFC HFC−365mfc(1,1,1,3,3−ペンタフルオロブタン、日本ソルベイ社製)およびHFC−245fa(1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパン、セントラル硝子社製)、混合比率 HFC−365mfc:HFC−245fa = 7:3、以下「HFC」という)
5.イソシアネート化合物 (以下、「ポリイソシアネート」という)
MDI(日本ポリウレタン工業社製、製品名:ミリオネートMR−200)粘度:167mPa・s、NCO含有量=32.1%
6.添加剤
(D-1)赤リン(燐化学工業社製、製品名:ノーバエクセル140)
(D-2)トリス(β−クロロプロピル)ホスフェート(大八化学社製、製品名:TMCPP、以下「TMCPP」という。)
(D-3)臭素含有難燃剤(マナック社製、製品名:HBB−b、以下「HBB」という。)
(D-4)リン酸二水素アンモニウム(太平化学産業社製)
ポリアルキレングリコール系整泡剤(東レダウコーニング社製、製品名:SH−193)
4.発泡剤
(C-1)純水
(C-2)HFC HFC−365mfc(1,1,1,3,3−ペンタフルオロブタン、日本ソルベイ社製)およびHFC−245fa(1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパン、セントラル硝子社製)、混合比率 HFC−365mfc:HFC−245fa = 7:3、以下「HFC」という)
5.イソシアネート化合物 (以下、「ポリイソシアネート」という)
MDI(日本ポリウレタン工業社製、製品名:ミリオネートMR−200)粘度:167mPa・s、NCO含有量=32.1%
6.添加剤
(D-1)赤リン(燐化学工業社製、製品名:ノーバエクセル140)
(D-2)トリス(β−クロロプロピル)ホスフェート(大八化学社製、製品名:TMCPP、以下「TMCPP」という。)
(D-3)臭素含有難燃剤(マナック社製、製品名:HBB−b、以下「HBB」という。)
(D-4)リン酸二水素アンモニウム(太平化学産業社製)
7.フィラー
(E-1)ウォラストナイト(SiO2・CaO)(キンセイマテック社製、製品名:SH−1250)アスペクト比10〜16、平均粒径4.5〜6.5μm
(E-2)ウォラストナイト(SiO2・CaO)(キンセイマテック社製、製品名:SH−800)アスペクト比15〜20、平均粒径6〜9μm
(E-3)ウォラストナイト(SiO2・CaO)(キンセイマテック社製、製品名:SH−600)アスペクト比12〜18、平均粒径9.5〜13μm
(E-4)ウォラストナイト(SiO2・CaO)(キンセイマテック社製、製品名:SH−400)アスペクト比12〜18、平均粒径15〜25μm
(E-5)ウォラストナイト(SiO2・CaO)(キンセイマテック社製、製品名:FRW−800)アスペクト比2〜4、平均粒径3.5〜4.5μm
(E-6)チタン酸カリウムウィスカー(K2OnTiO2)(大塚化学社製、製品名:ティスモ D)アスペクト比17〜33、平均粒径0.3〜0.6μm
(E-7)チタン酸カリウムウィスカー(K2OnTiO2)(大塚化学社製、製品名:テラセス TF−S)平均粒径3〜11μm
(E-8)チタン酸カリウムウィスカー(K2OnTiO2)(大塚化学社製、製品名: テラセス JP)平均粒径6〜13μm
(E-9)アルミナ(Al2O3・H2O)(河合石灰工業社製、製品名: セラシュール BMI)アスペクト比30〜50、平均粒径4〜6μm
(E-10)アルミナ(Al2O3・H2O)(河合石灰工業社製、製品名: セラシュール BMF)アスペクト比40〜50、平均粒径3〜5μm
(E-11)アルミナ(Al2O3・H2O)(河合石灰工業社製、製品名: セラシュール BMM)アスペクト比10、平均粒径0.8〜1μm
下記の表1及び表2の配合に従い、ポリイソシアネート化合物、HFC成分を除くポリオール化合物、整泡剤、各種触媒、発泡剤、添加剤、及びフィラーを1000mLポリプロピレンビーカーにはかりとり、25℃、10秒間ハンドミキサーで撹拝した。撹拝後の混練物に対してポリイソシアネート化合物、HFC成分を加え、ハンドミキサーで約10秒間擾拝し発泡体を作成した。得られた難燃性ウレタン樹脂組成物は時間の経過と共に流動性を失い、実施例1〜20及び比較例1〜14の難燃性ウレタン樹脂組成物の発泡成形体を得た。
(E-1)ウォラストナイト(SiO2・CaO)(キンセイマテック社製、製品名:SH−1250)アスペクト比10〜16、平均粒径4.5〜6.5μm
(E-2)ウォラストナイト(SiO2・CaO)(キンセイマテック社製、製品名:SH−800)アスペクト比15〜20、平均粒径6〜9μm
(E-3)ウォラストナイト(SiO2・CaO)(キンセイマテック社製、製品名:SH−600)アスペクト比12〜18、平均粒径9.5〜13μm
(E-4)ウォラストナイト(SiO2・CaO)(キンセイマテック社製、製品名:SH−400)アスペクト比12〜18、平均粒径15〜25μm
(E-5)ウォラストナイト(SiO2・CaO)(キンセイマテック社製、製品名:FRW−800)アスペクト比2〜4、平均粒径3.5〜4.5μm
(E-6)チタン酸カリウムウィスカー(K2OnTiO2)(大塚化学社製、製品名:ティスモ D)アスペクト比17〜33、平均粒径0.3〜0.6μm
(E-7)チタン酸カリウムウィスカー(K2OnTiO2)(大塚化学社製、製品名:テラセス TF−S)平均粒径3〜11μm
(E-8)チタン酸カリウムウィスカー(K2OnTiO2)(大塚化学社製、製品名: テラセス JP)平均粒径6〜13μm
(E-9)アルミナ(Al2O3・H2O)(河合石灰工業社製、製品名: セラシュール BMI)アスペクト比30〜50、平均粒径4〜6μm
(E-10)アルミナ(Al2O3・H2O)(河合石灰工業社製、製品名: セラシュール BMF)アスペクト比40〜50、平均粒径3〜5μm
(E-11)アルミナ(Al2O3・H2O)(河合石灰工業社製、製品名: セラシュール BMM)アスペクト比10、平均粒径0.8〜1μm
下記の表1及び表2の配合に従い、ポリイソシアネート化合物、HFC成分を除くポリオール化合物、整泡剤、各種触媒、発泡剤、添加剤、及びフィラーを1000mLポリプロピレンビーカーにはかりとり、25℃、10秒間ハンドミキサーで撹拝した。撹拝後の混練物に対してポリイソシアネート化合物、HFC成分を加え、ハンドミキサーで約10秒間擾拝し発泡体を作成した。得られた難燃性ウレタン樹脂組成物は時間の経過と共に流動性を失い、実施例1〜20及び比較例1〜14の難燃性ウレタン樹脂組成物の発泡成形体を得た。
2.成形体の評価
(総発熱量の測定)
硬化物から100mm×100mm×20mm(長さ方向×幅方向×厚み方向)になるようにコーンカロリーメーター試験用サンプルを切り出し、ISO−5660に準拠し、輻射熱強度50kW/m2にて20分間加熱した。結果を表1及び2に示す。
(密度の測定)
硬化物から100mm×100mm×20mm(長さ方向×幅方向×厚み方向)になるようにコーンカロリーメーター試験用サンプルを切り出し、ノギスを使用して寸法を計測し、電子天びんで質量を計測し密度を測定した。結果を表1及び2に示す。
(総発熱量の測定)
硬化物から100mm×100mm×20mm(長さ方向×幅方向×厚み方向)になるようにコーンカロリーメーター試験用サンプルを切り出し、ISO−5660に準拠し、輻射熱強度50kW/m2にて20分間加熱した。結果を表1及び2に示す。
(密度の測定)
硬化物から100mm×100mm×20mm(長さ方向×幅方向×厚み方向)になるようにコーンカロリーメーター試験用サンプルを切り出し、ノギスを使用して寸法を計測し、電子天びんで質量を計測し密度を測定した。結果を表1及び2に示す。
20分間加熱でのコーンカロリーメーターの総発熱量は、実施例1−19とも8MJ/m2以下であり、本発明の成形体は難燃性に優れていた。比較例は、比較例3−5のように、20分間加熱でのコーンカロリーメーターの総発熱量が8MJ/m2を超えているものもあった。
(収縮測定)
上記のコーンカロリーメーター試験で加熱したときの収縮量及び変形量(mm)を測定した。図1(a)に示されるように、Xは長さ方向、Yは幅方向、図1(b)に示されるように、Zは厚み方向を示す。試験用サンプルをX方向,Y方向で3点ずつ測定し、Z方向は最も収縮した箇所で測定し、いずれの方向も最も収縮した数値を採用した。長さ方向及び幅方向の成形体の長さが95mmより大きい場合に合格、95mm以下を不合格とし、厚み方向の変形が10mm未満を合格、10mm以上を不合格とし、X,Y,Z方向のすべての方向で合格の場合を○と判定し、X,Y,Z方向の少なくとも一つの方向で不合格の場合を×と判定した。結果を表1及び2に示す。
(収縮測定)
上記のコーンカロリーメーター試験で加熱したときの収縮量及び変形量(mm)を測定した。図1(a)に示されるように、Xは長さ方向、Yは幅方向、図1(b)に示されるように、Zは厚み方向を示す。試験用サンプルをX方向,Y方向で3点ずつ測定し、Z方向は最も収縮した箇所で測定し、いずれの方向も最も収縮した数値を採用した。長さ方向及び幅方向の成形体の長さが95mmより大きい場合に合格、95mm以下を不合格とし、厚み方向の変形が10mm未満を合格、10mm以上を不合格とし、X,Y,Z方向のすべての方向で合格の場合を○と判定し、X,Y,Z方向の少なくとも一つの方向で不合格の場合を×と判定した。結果を表1及び2に示す。
実施例1−20の成形体ではいずれも変形量が小さく、成形体の厚みが薄い時の変形抑制効果を発揮した。
実施例2 発泡成形体の収縮に対する各種フィラーの影響の評価
実施例1で用いた各フィラーをウレタン樹脂100重量部に対し、3重量部、6重量部、又は9重量部とした以外は、実施例1と同じ材料及び配合で発泡成形体を製造した。各フィラーの粒径はX線透過式沈降法粒度分布測定装置で求め、アスペクト比を測定した。
実施例1で用いた各フィラーをウレタン樹脂100重量部に対し、3重量部、6重量部、又は9重量部とした以外は、実施例1と同じ材料及び配合で発泡成形体を製造した。各フィラーの粒径はX線透過式沈降法粒度分布測定装置で求め、アスペクト比を測定した。
実施例1と同様に作製した100mm×100mm×20mmの各試験用サンプルをコーンカロリーメーター試験に供した。燃焼試験後の収縮量を測定し、X,Y,Z方向のすべての方向で合格の場合を○と判定し、X,Y,Z方向の少なくとも一つの方向で不合格の場合を×と判定した。
またフィラーサンプルを、サンプル量10mgを取り、温度条件を30℃から900℃まで10℃/分の割合で昇温し、測定雰囲気を流量100mL/分の空気流で、TG/DTA測定装置(TG/DTA7300、日立ハイテクサイエンス社製)を用いて重量を測定し、加熱後のサンプル重量/加熱前のサンプル重量×100(%)であるサンプル残存量を測定した。
表3に示した結果によると、フィラーのアスペクト比が5〜50、平均粒径が0.1μm以上15μm未満、かつ融点が加熱温度よりも高い場合には、いずれの添加量でも発泡成形体の収縮が小さいことが判明した。また、そのようなフィラーは、サンプルの空気条件下でのTG/DTA測定におけるフィラーの重量減少率が5%以下にとどまっていた。
Claims (5)
- ポリイソシアネート化合物、ポリオール化合物、三量化触媒、発泡剤、整泡剤、添加剤、およびフィラーを含む難燃性ウレタン樹脂組成物であって、イソシアネートインデックスの範囲が250〜1000の範囲であり、前記添加剤が赤リンを含み、前記ポリイソシアネート化合物および前記ポリオール化合物からなるウレタン樹脂100重量部を基準として、前記赤リンが3.5〜30重量部、前記フィラーが3〜30重量部であり、該フィラーのアスペクト比が5〜50、平均粒径が0.1μm以上15μm未満、融点が750℃以上であることを特徴とする難燃性ウレタン樹脂組成物。
- 空気条件下でのTG/DTA測定における前記フィラーの重量減少率が5%以下である請求項1に記載の難燃性ウレタン樹脂組成物。
- 前記フィラーは針状の無機フィラーである請求項1又は2に記載の難燃性ウレタン樹脂組成物。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の難燃性ウレタン樹脂組成物からなる成形体。
- 100mm×100mm×20mmの前記成形体をISO−5660試験方法に従って輻射熱強度50kW/m2にて20分間加熱したときの加熱前に対する加熱後の成形体の長さ方向及び幅方向の寸法が95mmよりも大きく、厚み方向の変形が10mm未満である請求項4に記載の成形体。
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