JP7194274B2 - 軟質ポリウレタンフォーム材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、軟質ポリウレタンフォーム材に関し、特に、強力支持性かつ高弾力性の軟質ポリウレタンフォーム材及びその製造方法に関する。つまり、本発明は、軟質ポリウレタンフォーム材の生産技術分野に属する。

リグニンは、一種の天然高分子であり、自然界で唯一の芳香族天然高分子であり、植物の構造において強力な支持作用を有する。リグノスルホン酸塩は、製紙工業の主な廃棄物であり、その総合利用により大きな社会利益および経済効果が得られる。しかし、リグノスルホン酸塩は、特殊な芳香族の基本構造単位と強力な結合エネルギーにより、その分解と加工が極めて困難である。

ポリウレタン工業における大半の原料は、活性水素を有する物質であり、例えばポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、水酸基を有する植物油などである。これらの物質は、ポリウレタン構造において、ソフトセグメント材料とハードセグメント材料としてのイソシアネートが重合して軟硬共重合のポリウレタンを形成しているため、ポリウレタンは優れた機械的性能を示す。

とはいえ、特殊な応用分野では、ポリウレタンという軟硬共重合の構造は、依然として産業上の要求を十分に満たすことができない。この問題は、ポリウレタンのソフトフォームという分野に現れている。ソファーマット、マットレス、枕などの製品において、ポリウレタンフォームは弾性材料として、その性能はこのような製品の品質を決めている。これらの製品は人体に直接に接触し密着しているので、ポリウレタンフォーム材は、通気性、柔軟性、支持性などの面でのバランスが求められている。特に柔らかさと支持性は、ポリウレタンフォームにとって重要な２つの指標である。

しかし、柔軟性と支持性は互いに矛盾しており、両立は難しい。そのため、ポリウレタン材料には、柔軟性とともに強力な支持性も求められている。

柔らかさと支持性は、ポリウレタンフォームにとって特に重要な２つの指標である。しかし、柔軟性と支持性は互いに矛盾しており、両立は難しい。そのため、ポリウレタン材料には、より高い要求が出されており、つまり、柔軟性とともに強力な支持性も求められるようになっている。

本発明の目的は、従来技術における問題点を解決するために、強支持性かつ高弾力性の軟質ポリウレタンフォーム材を提供することにある。
また、本発明は、強支持性かつ高弾力性の軟質ポリウレタンフォーム材の製造方法を提供する。

上記課題を解決するために本発明によって採用された技術的解決策は次のとおりである。
強支持性かつ高弾力性の軟質ポリウレタンフォーム材は、主に次の原材料を次の重量部で発泡させることによって作られている。
リグニン系ブロック共重合分子レベル複合ポリエーテル：８０～１２０重量部；
イソシアネート：４５～６５重量部；
発泡触媒：０．５～５重量部；
水：１～１０重量部；
発泡均一剤：１～３重量部；

リグニン系ブロック共重合分子レベル複合ポリエーテルは、基本材料としてリグノスルホン酸塩を使用しており、ポリエーテルポリオールの溶媒化効果を利用して、リグノスルホン酸塩の分子鎖を切断して埋め込むことによって、リグノスルホン酸塩の芳香族ポリマーセグメントとポリエーテルポリオールの脂肪族ポリマーセグメントとの重合によって構成された分子レベルの複合ポリエーテルを形成させ、つまり、リグニン基のブロック共重合分子レベル複合ポリエーテルを形成させる。ここで、いわゆる触媒は、この分野で一般的に使用される発泡触媒であり得る。

本発明は、ソフトセグメントとして、特殊構造のソフト／ハード共重合分子レベルの複合ポリエーテルを利用し、イソシアネートと反応させて、新しいタイプの軟質ポリウレタンフォーム材を調製する。この種の軟質ポリウレタンフォーム材は、分子レベルでより剛性の高い構造を持つ必要がありながら、開孔特性を維持している。これにより、柔軟性と強支持性のバランスを実現しており、マットレス、ソファクッション、枕やその他の家庭用品に適している。

好ましくは、発泡触媒は、成分Ａおよび成分Ｂを１：（０．５～２）の重量比で混合することによって調製されている。ここで、成分Ａはトリエチレンジアミンまたはビスジメチルエチルエーテルアミンであり、成分Ｂはオクタン酸第一スズである。
好ましくは、発泡均一剤はシリコーン発泡均一剤である。
さらに好ましくは、軟質ポリウレタンフォーム材は、主に、以下の原材料を以下の重量部で発泡させることによって製造される。
リグニン系ブロック共重合分子レベル複合ポリエーテル：１００重量部；
イソシアネート：５０～５５重量部；
発泡触媒：０．７５～２重量部；
水：２～３重量部；
発泡均一剤：１～３重量部；

強支持性かつ高弾力性の軟質ポリウレタンフォーム材を調製するための方法は、以下のステップを含む。
（１）原材料の割合処方に基づいて原材料を準備する。
（２）高速ミキサーで均一に混合・攪拌を行い、材料温度１５～３０℃で３０～１８０秒にわたって発泡させて、軟質ポリウレタンフォーム材を得る。

従来技術と比較して、本発明の利点は次のとおりである。
１．本発明は、特殊な構造を有する一種の分子を混合させる技術を使用して、微視的なハードセグメントのリグニン分子フラグメントを巨視的なソフトセグメントのポリマーポリオールと（再編およびスプライス）接合させ、ブロック共重合法によって、分子レベルの複合ポリエーテルを得る。この分子レベルの複合ポリエーテルは、強力な支持性と柔軟性という二つの特性を備えており、軟質ポリウレタンフォーム材の強支持性と柔軟性との両立困難さを完全に解決することができた。
２．一般的な軟質ポリウレタンフォーム材の快適指数は２．１～２．３であり、本発明によって調製された軟質ポリウレタンフォーム材の快適指数は２．６を超えることができる。これは、２．６という快適指数を超える数少ない軟質ポリウレタンフォーム材の１つである。
３．弾性材料の場合、剛性と柔軟性は矛盾するペアであり、マットレス製品に求められる高快適性を実現することは一般的に困難である。つまり、既存のポリウレタンフォーム材は、ソフトとハードのバランス性能が不十分であり、剛性と柔軟性の点で不足している。

本発明で使用される分子レベルの複合ポリエーテルは、分子レベルのハードセグメントを含み、イソシアネートと反応した後に形成されたポリウレタンの分子鎖は、ハードセグメントとソフトセグメントが互いにブロックする構造を含むだけでなく、ソフトセグメントには、より微視的な小さな分子のハードセグメントも含まれている。これにより、ソフトとハードのバランスがよりうまく取れているパフォーマンスは、ポリウレタンに与えられるようになる。

本発明の実施形態または先行技術への技術的解決策をより明確に説明するために、以下は、本発明の実施形態または先行技術の説明に必要な図面を簡単に紹介する。以下の説明用図面は、幾つかの本発明の実施形態に過ぎず、当業者は、創造的な作業なしに、これらの図面に基づいて他の図面を得ることもできる。

概略的なプロセスフロー図であり、リグノスルホン酸塩から分子レベルの複合ポリエーテルを調製し、これによって軟質ポリウレタンフォーム材を生産する特定の実施形態を示している。 本発明における軟質ポリウレタンフォーム材の一次元密度関数曲線を示している。 構造図であり、ＳＡＸＳマップから推測される軟質ポリウレタンフォーム材の構造を示している。

本発明における技術的解決策は、以下の特定の実施形態を通じてさらに詳細に説明される。なお、本発明の実施は、以下の実施形態に限定されず、本発明に加えられるいかなる修正および／または変更も、本発明の保護範囲に含まれることを理解されたい。

本発明では、特に明記しない限り、すべての重量部およびパーセンテージは重量単位であり、使用される機器および原材料は、市場から購入可能であり、または当業者が一般的に使用可能なものである。以下の実施例の方法は、特に明記しない限り、当該技術分野における従来の方法である。

以下の例で使用される試薬は、特に明記されていない限り、従来の生化学試薬店から購入できる。以下の例の定量的データは、すべて３回の繰り返し実験に使用され、結果は平均化されている。

標本は、軟質ポリウレタンフォーム材であり、浙江高裕家居科学技術有限公司から、型番ｌ３３２４で購入した。

［実施例１ リグニン系ブロック共重合分子レベル複合ポリエーテルの調製］
リグニン系ブロック共重合分子レベル複合ポリエーテルの製造方法、すなわち、そのプロセスフローの模式図は、図１に示されている。この方法は以下のステップを含む。
１）リグノスルホン酸塩の前処理：
リグノスルホン酸塩と前処理試薬を１：（２～１０）の重量比で混合させ、１００～１４０°Ｃの温度と１０～１５ＭＰａの圧力で６０～２４０分間にわたり前処理を行う。
２）前処理試薬の除去：
前処理後に得られたリグノスルホン酸塩は、減圧蒸留を経て前処理試薬を除去する。
３）リグノスルホン酸塩とポリエーテルポリオールとを硬軟共重合する。

すなわち、リグノスルホン酸塩とポリエーテルポリオールを１：（１～５）の重量比で共重合させ、共重合温度は１２０～１８０℃、時間は１～４時間であった。反応後、リグニン系ブロック共重合分子レベル複合ポリエーテルを得た。

また、リグノスルホン酸塩は、リグノスルホン酸ナトリウム、リグノスルホン酸カルシウム、およびリグノスルホン酸マグネシウムのうちの１つまたは複数である。

さらに、ポリエーテルポリオールは、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）およびポリプロピレングリコール（ＰＰＧ）のうちの１つまたは２つであり、特に、ＰＥＧ２００、ＰＥＧ４００、ＰＰＧ２００、およびＰＰＧ４００のうちの１つ以上である。

調製方法では、前処理試薬は、メタノール、エタノール、プロピレングリコールおよび１－４ブタンジオールのうちの１つまたは複数である。

また、ステップ２）の減圧蒸留の条件は、８０～１２０℃であり、７５０～１ｍｍＨｇであり、減圧蒸留時間は３０～１２０分である。

［実施例２～７］
実施例１をベースに、上記の調製方法をさらに改良して実施例２を実行した。この実施例と上記の実施例との違いは、ステップ３）の共重合プロセスは、硫酸を触媒として使用し、触媒の添加量は、リグノスルホン酸塩とポリエーテルポリオールの総重量の２～７ｗｔ％であった。

実施例１をベースに、上記の調製方法をさらに改良して実施例３を実行した。この実施例と上記の実施例との違いは、前処理試薬がエタノールであった。

実施例１をベースに、上記の調製方法をさらに改良して実施例４を実行した。この実施例と上記の実施例との違いは、前処理試薬がプロピレングリコールであった。

実施例１をベースに、上記の調製方法をさらに改良して実施例５、６、および７を実行した。この方法に用いられる原材料の比率、使用される試薬、および各ステップにおける特定のプロセスは、表１に示されている。

上記の例で調製したリグニン基ブロック共重分子レベル複合ポリエーテルの性能をテストし、結果を表２に示す。

分子レベル複合ポリエーテルの性能に大きな影響を与える要因には、溶媒、触媒、反応温度、および反応時間が含まれている。表２のデータによると、硫酸はリン酸よりも優れた触媒であり、低用量でもリグニンの分子鎖を切断できることが証明されている。低温と比較的長い時間は、反応生成物の特性を改善するのに有利である。上記実施例７は、よりよい結果を示している。ＰＰＧはＰＥＧよりも優れた溶媒であり、実際の応用時に、同じ比率でも、ＰＰＧ液化によって形成された分子レベル複合ポリエーテルは粘度が低く、生産性に有利である。

［実施例８～１０］
強支持性かつ高弾力性の軟質ポリウレタンフォーム材を調製する方法を示している。この方法は、実施例７で調製したリグニン基ブロック共重合分子レベル複合ポリエーテルを原料として使用する。軟質ポリウレタンフォーム材の原料処方を以下の表３に示す。

上記の原料を高速ミキサーで均一に混合・攪拌し、１５～２５℃の材料温度で発泡させて軟質ポリウレタンフォーム材を得た。中に、ブラック素材のＴＤＩ、ＭＤＩはともにイソシアネートの１種である。テストを行った結果、軟質ポリウレタンフォーム材の技術指標は、表４に示した通りである。また、軟質ポリウレタンフォーム材の一次元密度関数曲線は、図２に示しており、ＳＡＸＳチャートから推測された軟質ポリウレタンフォーム材の構造図は、図３に示されている。

表４のデータは、次のようなことを示している。つまり、リグニン基ブロック共重合分子レベル複合ポリエーテルを使用した軟質ポリウレタンフォーム材が、標準サンプルよりも、押し込み硬度偏差が低く（柔らかく）、反発率が高く（強い支持性）、一定荷重の繰り返し押し込み疲労後の４０％の押し込み硬度損失値が低く（強力な支持寿命）、すなわち、より高い快適係数をもっている。
同時に、表３のデータは、複合触媒の効果が単一触媒の効果よりも優れていることも示している。

本明細書における様々な実施形態は漸進的に説明されており、各実施形態は他の実施形態との違いに焦点を合わせている。また、様々な実施形態間の同じまたは類似の部分は、互いに参照することができる。そして、実施形態に開示された装置については、実施形態に開示された方法に対応しているため、説明は比較的簡単になっており、関連部分は、方法部分の説明を参照すればわかるようになっている。

本発明によって提供された強支持性かつ高弾力性の軟質ポリウレタンフォーム材およびその調製方法は、上記で詳細に説明されている。この説明では、具体的な個別例によって本発明の原理と実施方式を説明しており、上記の実施形態の説明は、本発明の方法とコアアイデアを理解するためにのみ使用されるべきである。当業者にとって、本発明の原理から逸脱することなく、本発明にいくつかの改良および修正を加えることが可能であり、これらの改良および修正もまた、本発明の特許請求の範囲に入っている。

Claims (9)

1. 軟質ポリウレタンフォーム材の製造方法であって、主に次の原材料を次の重量部でミキサーを用いて混合・撹拌し、発泡させることによって作られ、
   リグニン系ブロック共重合分子レベル複合ポリエーテル：８０～１２０重量部；
   イソシアネート：４５～６５重量部；
   発泡触媒：０．５～５重量部；
   水：１～１０重量部；
   発泡均一剤：１～３重量部；
   リグニン系ブロック共重合分子レベル複合ポリエーテルには、基本材料としてリグノスルホン酸塩を使用し、ポリエーテルポリオールの溶媒化効果を利用し、リグニンスルホネートの分子鎖を切断し、そこに埋め込んでおき、リグノスルホン酸塩の芳香族ポリマーセグメントとポリエーテルポリオールの脂肪族ポリマーセグメントの重合によって、分子レベルの複合ポリエーテルを形成させ、
   リグニン系のブロック共重合分子レベル複合ポリエーテルの調製は、
   １）リグノスルホン酸塩の前処理：
   リグノスルホン酸塩と前処理試薬を１：（２～１０）の重量比で混合させ、１００～１４０℃の温度と１０～１５ＭＰａの圧力で６０～２４０分間にわたり前処理を行うステップと、
   ２）前処理試薬の除去：
   前処理後に得られたリグノスルホン酸塩は、減圧蒸留を経て前処理試薬を除去するステップと、
   ３）リグノスルホン酸塩とポリエーテルポリオールとの硬軟共重合：
   リグノスルホン酸塩とポリエーテルポリオールを１：（１～５）の重量比で共重合させ、共重合温度は１２０～１８０℃、時間は１～４時間であり、この共重合反応によって、リグニン系ブロック共重合分子レベル複合ポリエーテルを得るステップと、
   を含み、
   上記ステップを経て、リグニン系のブロック共重合分子レベル複合ポリエーテルを得ることを特徴とする軟質ポリウレタンフォーム材の製造方法。
   
2. 前記リグノスルホン酸塩は、リグノスルホン酸ナトリウム、リグノスルホン酸カルシウム、およびリグノスルホン酸マグネシウムのうちの１種または複数種であり、
   前記ポリエーテルポリオールは、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、およびポリプロピレングリコール（ＰＰＧ）のうちの１種または２種であり、
   前記ポリエーテルポリオールは、ＰＥＧ２００、ＰＥＧ４００、ＰＰＧ２００およびＰＰＧ４００から選択された１種または複数種である
   ことを特徴とする請求項１に記載された軟質ポリウレタンフォーム材の製造方法。
3. ステップ３）の共重合プロセスでは、硫酸またはリン酸が触媒として使用され、添加される触媒の量は、リグノスルホン酸塩とポリエーテルポリオールの総重量の２～７ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載された軟質ポリウレタンフォーム材の製造方法。
4. 前処理試薬は、メタノール、エタノール、プロピレングリコールおよび１－４ブタンジオールのうちの１つまたは複数であることを特徴とする請求項１に記載された軟質ポリウレタンフォーム材の製造方法。
5. ステップ３）における減圧蒸留の条件は、温度が８０～１２０℃、圧力が７５０～１ｍｍＨｇであり、作業時間が３０～１２０分であることを特徴とする請求項１に記載された軟質ポリウレタンフォーム材の製造方法。
6. 発泡触媒は、ＡとＢを１：（０．５～２）の重量比で混合させることによって製造されたものであり、Ａはトリエチレンジアミンまたはビス－ジメチルエチルエーテルアミンであり、Ｂはオクタン酸第一スズであることを特徴とする請求項１に記載された軟質ポリウレタンフォーム材の製造方法。
7. 発泡均一剤は、シリコーン発泡均一剤であることを特徴とする請求項１に記載された軟質ポリウレタンフォーム材の製造方法。
8. 軟質ポリウレタンフォーム材は、主に次の原材料を次の重量部で混合・撹拌し、発泡させることによって作られたものであり、
   リグニン系ブロック共重合分子レベル複合ポリエーテル：１００重量部；
   イソシアネート：５０～５５重量部；
   発泡触媒：０．７５～２重量部；
   水：１～１０重量部；
   発泡均一剤：１～３重量部；
   上記の原材料を上記の重量部でミキサーを用いて混合・撹拌し、発泡させることを特徴とする請求項１に記載された軟質ポリウレタンフォーム材の製造方法。
9. 請求項１に記載の軟質ポリウレタンフォーム材の製造方法であって、
   （１）原材料の処方に基づいて、原材料を準備するステップと、
   （２）高速ミキサーで原材料を均一に攪拌して混合させ、材料温度１５～３０℃で発泡時間３０～１８０秒で発泡させて軟質ポリウレタンフォーム材を得るステップと、
   含むことを特徴とする軟質ポリウレタンフォーム材の製造方法。

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