TWI403414B

TWI403414B - 機能性複合無機漿料組成物、其發泡複合體及其製法

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Publication number: TWI403414B
Application number: TW98125895A
Authority: TW
Inventors: Koubin Cheng
Original assignee: Cheng Kou Bin
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2013-08-01
Also published as: TW201103750A

Description

機能性複合無機漿料組成物、其發泡複合體及其製法

本發明是有關於一種機能性複合無機漿料組成物、其發泡複合體及其製法，且特別是有關於一種具有散熱涼爽特性的複合無機漿料組成物、其發泡複合體及其製法。

往昔發泡體主要是以一定比例之異氰酸鹽化合物與聚醇經過密閉式或開放式之模具，製作成開孔(Open cell)或是閉孔(Closed cell)之發泡體結構。一般來說，發泡體之製備可利用正烯二異氰酸與1,4-丁二醇作用，在催化劑存在下，進行聚合反應形成聚胺甲酸酯(polyurethane，PU)發泡體。現今市場上較進步之發泡體為具備記憶型態功能之開孔發泡體結構。

目前，亦有利用添加或被覆方式，將機能性材料融入發泡體內部或塗佈於發泡體表面，開發出具機能性之發泡體產品。例如，於發泡體中添加具有放射遠紅外線功能之粉體，形成具有放射遠紅外線功能之發泡體，可用以提供保溫等保健功能；一般是直接將粉體加入異氰酸鹽溶液中，再與1,4-丁二醇作用，反應形成具有放射遠紅外線功能之發泡體。然而，由於粉體本身分散性不佳，直接將粉體加入異氰酸鹽化合物會有難以混合均勻的問題，從而也就無法使粉體均勻分佈在後續製成之發泡體內，因此產品之品質並不穩定，且發泡體之質地太輕軟、經化學反應所產生之異味等問題亦尚未有效解決。

此外，由於發泡體之熱傳導係數與熱擴散係數偏低且透氣性不佳，使用時常有悶熱感產生，因此相較於保溫功能，市場上實際上更需要能幫助散熱、提昇使用時之涼爽感的產品，然而受限於具有涼爽散熱功能的機能性添加物之研發尚未有所突破，致使廠商在開發春夏季之產品時裹足不前，甚至停止開發該類產品。

因此，本發明是在提供一種具散熱涼爽、型態記憶與透氣特性佳的發泡複合體，以改善傳統發泡體製品散熱性及透氣性不佳、容易吸熱與具有異味等之問題。

本發明之一態樣是在提供一種具涼爽散熱特性的機能性發泡複合體，包含一發泡體層，以及至少一布料層附著於發泡體層之至少其中之一表面。其中，發泡體層包含3-15 wt%均勻分佈之複合無機粉體，且複合無機粉體之熱傳導係數介於90-429W/m.K之間。

依據本揭示內容之一實施方式，發泡體層為聚氨基甲酸酯發泡體，複合無機粉體係選自於石墨、銀、銅、金、鋁、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)、碳化矽(SiC)、尖晶石、菱鎂礦、石英、橄欖石、白雲石、氧化鎂、碳酸鎂、碳酸鈣、電氣石、矽酸鋯、三氧化二鋁(Al₂ O₃ )、氧化鈦(TiO₂ )及上述之任意組合所組成之群組。

本發明之另一態樣是在提供一種機能性複合無機漿料組成物，包含50-70 wt%之分散溶液及30-50 wt%之複合無機粉體。依據本揭示內容之一實施方式，分散溶液可為聚醇(Polyol)或水；複合無機粉體之熱傳導係數介於90-429W/m.K之間，平均粒徑(D₅₀ )約為0.35μm，最大粒徑(D₉₉ )≦1μm。

機能性複合無機漿料組成物中添加之複合無機粉體，係藉由一濕潤處理，使表面積大且粒徑達次微米級-奈米級的複合無機粉體添加於無機漿料組成物時，完全不需額外使用分散劑，即可達到均勻分散於反應系統中的效果。

本發明之又一態樣是在提供一種應用上述機能性複合無機漿料組成物製造機能性發泡複合體的方法，包含混合一異氰酸鹽化合物與上述機能性複合無機漿料組成物形成一發泡混合物，於一封閉式模具中，經催化劑催化加成聚合反應進行，以形成一發泡塊體。再利用一模具組件將發泡塊體與布料層疊貼合成型，形成一具涼爽散熱、型態記憶與透氣特性佳之發泡複合體，且其機械強度如壓縮、拉伸與彎曲性質等仍維持有一定的水準，並改善傳統發泡體製品散熱性透氣性不佳、容易吸熱與產生異味等之問題。

依據本揭示內容之一實施方式，發泡混合物係包含30-50 wt%之異氰酸鹽化合物及50-70 wt%之該機能性複合無機漿料組成物，在密閉式模具中進行加成聚合反應，製成開孔狀之發泡塊體，布料與發泡塊體可藉由任何黏貼方法貼合在一起，例如於模具組件上施加熱能，將布料與發泡塊體予以熱壓貼合。

本發明之機能性發泡複合體製造方法，針對形成發泡體之機能性複合無機漿料組成物中添加了具有散熱特性且經濕潤處理的次微米級-奈米級粉體，所以能充分均勻的分佈於加成聚合反應系統之中，促進製成之發泡塊體的散熱效果。

本發明之具有涼爽散熱、型態記憶與透氣特性之發泡複合體的發泡體層添加有高熱擴散係數、高熱傳導係數之複合無機粉體，不僅藉由複合無機粉體本身之促進散熱特性達到散熱效果，更搭配具有涼感的布料附著於接觸使用者皮膚的表面，能持續提供涼爽的感覺，以達到降低1-2℃的散熱涼爽效果。

目前市場上較先進之發泡體可應用在胸罩、沙發椅墊、自行車椅墊、防車椅墊、按摩椅墊、安全帽套與自行車保護用褲墊等用途。

本發明實施例提供了一種原位聚合方法，使所製成之開孔狀發泡塊體具備有散熱涼爽、型態記憶與透氣特性佳的特點，且發泡塊體之機械強度如壓縮、拉伸與彎曲性質仍維持一定的水準，能有效改善傳統發泡體製品散熱性、透氣性不佳、吸熱與異味等之問題。

本發明實施例之具涼爽散熱的發泡複合體製造方法，係利用一含有複合無機粉體的機能性複合無機漿料組成物與異氰酸鹽化合物反應，形成聚氨基甲酸酯發泡塊體，含有複合無機粉體均勻分佈於其中；再搭配具有涼感之布料，組成本發明之透氣特性佳、具有涼爽散熱特點及型態記憶功能之發泡複合體。

請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施方式之一種具涼爽散熱特性的發泡複合體的製造流程圖。

首先，如步驟110所示，提供一機能性複合無機漿料組成物。依照本發明之實施例，機能性複合無機漿料組成物實質上係由50-70wt%之分散溶液及30-50 wt%之複合無機粉體組成。分散溶液可為聚醇或水，用以將複合無機粉體形成具有適當流動性之漿料。其中，聚醇係選自於由丙三醇、乙二醇及其組合所組成之群組。

複合無機粉體係泛指熱傳導係數介於90-429W/m.K之間、平均粒徑(D₅₀ )約為0.35 μm，最大粒徑(D₉₉ )≦1 μm的粉體。依照本發明之一實施例，複合無機粉體可以為天然複合無機物所研製而成之粉體，例如可為石墨、銀、銅、金、鋁、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)、碳化矽(SiC)、尖晶石、菱鎂礦、石英、橄欖石、白雲石、氧化鎂、碳酸鎂、碳酸鈣、電氣石、矽酸鋯、三氧化二鋁(Al₂ O₃ )、氧化鈦(TiO₂ )或是上述之任意組合。

依照本發明之實施例，機能性複合無機漿料組成物中添加之複合無機粉體，係藉由一濕潤處理，使複合無機粉體添加於無機漿料組成物時，完全不需額外使用分散劑，即可達到均勻分散於反應系統中的效果。

濕潤處理流程係將無機粉粒原料與一醇類混合，以球磨法磨成粒徑達微米級-奈米級的粉體後，再進行噴霧乾燥，得到經濕潤處理的複合無機粉體；再將經濕潤處理的複合無機粉體混入前述之分散溶液中，充分攪拌後即成為機能性複合無機漿料組成物，且複合無機粉體係呈均勻分散於此複合無機漿料中。

接著，如步驟120所示，提供一異氰酸鹽化合物，與步驟110之機能性複合無機漿料組成物形成一發泡混合物。依照本發明之一實施例，異氰酸鹽化合物可以為脂肪族異氰酸鹽或芳香族異氰酸鹽；發泡混合物中包含30-50 wt%之異氰酸鹽化合物及50-70 wt%之該機能性複合無機漿料組成物。

如步驟130所示，將發泡混合物置於一模具中，於密閉環境下經由催化劑催化加成聚合反應進行，形成具有該模具形狀之發泡塊體。依照本發明之一實施例，催化劑可為水。將成型之發泡塊體脫模並初步去除殘餘之毛邊後，再依照各種不同之需求形狀予以裁切。

如步驟140所示，提供一模具組件，利用將發泡塊體與布料層疊貼合成型，形成一具涼爽散熱特性之發泡複合體。模具組件可由分別具有一相對應的加壓表面之公模具及母模具組成，發泡塊體置於公模具及母模具的加壓表面之間，可放置一布料於發泡塊體靠近公模具及母模具之其中之一表面處，或分別於靠近兩者之表面處放置二布料，將發泡塊體與布料層疊貼合而成發泡複合體。

涼爽布料與發泡塊體間可藉由任何黏貼合方式貼合在一起。依照本發明之實施例，可藉由施加熱能於模具組件，將布料與發泡塊體經熱壓貼合而形成發泡複合體。

請參照第2圖，係繪示本發明實施例以熱壓方式貼合布料與發泡塊體的操作示意圖。一例示的模具組件200具有一公模具210及一母模具220，公模具210具有一加壓表面211，母模具220具有一加壓表面221。發泡塊體230具有一第一表面231及一第二表面232，其中第一表面231係定義為靠近公模具210之面，第二表面232定義為靠近母模具220之面。發泡塊體230具有複數開放式孔洞234，複數複合無機粉體236均勻分佈於發泡塊體230中。

進行熱壓貼合操作時，可依需要選擇於靠近發泡塊體230之第一表面231或第二表面232處設置一布料241；或分別於第一表面231及第二表面232處設置布料241及布料242。其中，布料241及布料242可為同一材質或不同材質。布料可為具有涼感之材質，包含聚酯、尼龍、聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈、天絲棉(Lyocell)或嫘縈長絲纖維；或上述之短纖維、棉、毛、麻、蠶絲短纖混紡紗；或長絲纖維與短纖維交撚之長短纖複合紗或包繞紗；經由製布設備所形成之針織物、梭織物或非織物。

依照本發明之一實施例，更包含依需要將製成之發泡複合體裁切為一預定形狀。

請參照第3圖，係繪示本發明一實施例之兩面附著有布料的發泡複合體剖面示意圖。發泡複合體300具有一發泡體層330、第一布料層341及第二布料層342分別附著於發泡體層330之二表面。發泡體層330具有複數孔洞 332，複合無機粉體顆粒334均勻分佈於發泡體層330中。其中，第一布料層341及第二布料層342可為相同或不同之布料。

實施例

首先，進行一前處理，將熱傳導係數介於90-429W/m.K之間的無機粉粒原料經過一濕潤處理，使無機粉粒浸於一醇類化合物中，經球磨法磨成平均粒徑(D₅₀ )約為0.35 μm，最大粒徑(D₉₉ )≦1 μm之次微米-奈米級無機粉體，再以噴霧乾燥法將微米-奈米級無機粉體乾燥後，填加於一聚醇中備用。

含有微米-奈米級無機粉體之聚醇溶液再運用行星攪拌脫泡機使微米-奈米級無機粉體很均勻的分佈於聚醇介質中而形成複合無機漿料(Slurry)，實質包含30-50 wt%之複合無機粉體及50-70 wt%之聚醇。

將異氰酸鹽化合物與複合無機漿料以3：7之比例混合，並以行星攪拌脫泡機攪拌均勻，形成具有30 wt%異氰酸鹽化合物及70 wt%複合無機漿料之發泡混合物，複合無機粉體可均勻分佈在發泡混合物中，經過加成聚合反應形成發泡塊體，再以一模具組件將發泡塊體與至少一布料層疊貼合，形成一具涼爽散熱、型態記憶與透氣特性佳之發泡複合體。

比較例

以下就本發明實施方式之發泡複合體與一般發泡體之外觀結構、壓縮性質、拉伸性質、散熱效應及吸熱效應等性質進行比較，以說明本發明實施方式之發泡複合體的特點。

第4圖為本發明一實施例之複合發泡體的SEM照片，其中第4圖(a)所示為無添加複合無機粉體者，第4圖(b)為有添加複合無機粉體者。由第4圖中顯示本實施例之發泡塊體屬於開孔狀之發泡體，複合無機粉體分佈於發泡塊體內部。由第4圖(c)為(b)之局部放大顯示圖，可看出本發明之複合無機粉體分佈於發泡塊體的情形，箭頭所指處即為複合無機粉體之顆粒。

表一為發泡塊體依照CNS10487標準進行之壓縮測試結果。測試條件為速度：10 mm/min；樣本尺寸(長×寬×厚)：5.0×5.0×2.5 cm；密度：60±3(A)；硬度：23±3(A)。

表一中所示未添加複合無機粉體(0%)為一般泡綿之對照組，並以利用本發明實施例之方法製成之含有3-10%複合無機粉體的發泡塊體的壓縮測試結果為例，與般泡綿之對照組比較兩者之壓縮性質差異。應說明的是，表一中所示的複合無機粉體添加量僅為例示，係用以與一般發泡體比較，本發明實施例之方法製成之發泡塊體，可包含但不僅限於含有3-10%的複合無機粉體之範圍。

其中，添加7%複合無機粉體之發泡塊體的25%壓縮應力與對照組相同，為0.12kgf/cm² 。對照組與添加7%複合無機粉體之發泡塊體的最大強力分別為1.92 kgf與1.70 kgf；對照組與本發明之發泡塊體壓縮25%經20秒後之載重分別為1.55與1.40 kgf。由表一可知，本發明之發泡複合體之壓縮性質與一般泡綿並無顯著之差異，添加複合無機粉體並不會對泡綿的壓縮性質產生不良影響。

表二為依照CNS10487標準進行拉伸測試之結果。對照組為一般泡綿，與添加7%複合無機粉體的發泡塊體最大應力分別為0.6008與0.5114 kgf/cm² ；100%楊氏率分別為0.59與0.96 kgf/cm² ；抗拉強度分別為1.2016與1.0432 kgf；伸長率分別為106.08%與116.84%。

由表二可知，本發明之發泡複合體之拉伸性質與一般泡綿有顯著之差異。

表三為本發明實施例之發泡塊體的紅外線熱溫差變化表，可用以觀察添加複合無機粉體對於發泡塊體的散熱效及吸熱效應的影響。

由發泡塊體的紅外線熱溫差變化表可知，隨著添加的複合無機粉體量之增加(3%-10%)，製成之發泡塊體具有較低之吸熱效應，意即吸熱速率緩慢；隨著複合無機粉體添加量之增加有較高之散熱效應，意即有較高之散熱速率。根據上述結果，證明本發明之複合無機粉體可提高發泡塊體之散熱效應並降低發泡塊體之吸熱效應，本發明實施例之發泡塊體本身即可讓使用者產生涼爽感。

由上述本發明實施方式可知，應用本發明具有下列優點：

本發明之發泡複合體製造方法，首先提出一種獨特之漿料組成物，可用以將於具有涼爽散熱特性的次微米級-奈米級複合無機粉體順利混勻分散於異氰酸鹽化合物中，完全不需額外添加分散劑，成功解決了傳統直接以粉體添加於異氰酸鹽化合物反應系統中，粉體無法均勻分散的問題。

再者，本發明之發泡複合體製造方法製造出之發泡複合體，也因添加了具有涼爽散熱特性的次微米級-奈米級複合無機粉體，使發泡複合體達到產生涼爽散熱與透氣特性佳的效果。此外，本發明之發泡複合體不僅藉由具有高熱擴散係數與熱傳導係數的複合無機粉體本身之促進散熱特性達到散熱效果，其開孔狀之發泡體結構亦提供了絕佳之透氣性，更搭配具有涼感的布料附著於接觸使用者皮膚的表面，持續提供涼爽的感覺，因此本發明之發泡複合體可達到降低1-2℃的散熱涼爽效果。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110‧‧‧步驟

130‧‧‧步驟

140‧‧‧步驟

200‧‧‧模具組件

210‧‧‧公模具

211‧‧‧加壓表面

220‧‧‧母模具

221‧‧‧加壓表面

230‧‧‧發泡塊體

231‧‧‧第一表面

232‧‧‧第二表面

234‧‧‧孔洞

236‧‧‧複合無機粉體

241‧‧‧布料

242‧‧‧布料

300‧‧‧發泡複合體

330‧‧‧發泡體層

332‧‧‧孔洞

334‧‧‧複合無機粉體顆粒

341‧‧‧第一布料層

342‧‧‧第二布料層

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖是依照本發明一實施方式之一種具涼爽散熱特性的發泡複合體的製造流程圖。

第2圖係繪示本發明實施例以熱壓方式貼合布料與發泡塊體的操作示意圖。

第3圖，係繪示本發明一實施例之兩面附著有布料的發泡複合體剖面示意圖。

第4圖為本實施例之發泡體的電子顯微鏡照片；(a)為無添加複合無機粉體者(b)為有添加複合無機粉體者， (c)為(b)之局部放大圖。

300．．．發泡複合體

330．．．發泡體層

332．．．孔洞

334．．．複合無機粉體顆粒

341．．．第一布料層

342．．．第二布料層

Claims

一種具涼爽散熱特性的發泡複合體，包含：一發泡體層，具有3-15 wt%之複合無機粉體均勻分佈於該發泡體層，其中該複合無機粉體之熱傳導係數介於90-429W/m.K之間，該發泡層具有一第一表面及一第二表面，且該發泡體係於一模具中經發泡所形成；以及至少一布料層，附著於該第一表面及該第二表面之至少其中之一。
如請求項1所述之具涼爽散熱特性的發泡複合體，其中該發泡體層為聚氨基甲酸酯發泡體層。
如請求項1所述之具涼爽散熱特性的發泡複合體，其中該複合無機粉體係選自於由石墨、銀、銅、金、鋁、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)、碳化矽(SiC)、尖晶石、菱鎂礦、石英、橄欖石、白雲石、氧化鎂、碳酸鎂、碳酸鈣、電氣石、矽酸鋯、三氧化二鋁(Al₂ O₃ )、氧化鈦(TiO₂ )及上述之任意組合所組成之群組。
如請求項1所述之具涼爽散熱特性之發泡複合體，其中該複合無機粉體之平均粒徑(D₅₀ )為0.35 μm，最大粒徑(D₉₉ )≦1 μm。
一種機能性複合無機漿料組成物，實質包含： 50-70 wt%之分散溶液；以及30-50 wt%之複合無機粉體，其中該複合無機粉體之熱傳導係數介於90-429W/m.K之間。
如請求項5所述之機能性複合無機漿料組成物，其中該分散溶液包含聚醇或水。
如請求項6所述之機能性複合無機漿料組成物，其中該聚醇係選自於由丙三醇、乙二醇及上述之混合所組成之群組。
如請求項5所述之機能性複合無機漿料組成物，其中該複合無機粉體係選自於由石墨、銀、銅、金、鋁、氮化鋁(AlN)、氧化鈹(BeO)、碳化矽(SiC)、尖晶石、菱鎂礦、石英、橄欖石、白雲石、氧化鎂、碳酸鎂、碳酸鈣、電氣石、矽酸鋯、三氧化二鋁(Al₂ O₃ )、氧化鈦(TiO₂ )及上述之任意組合所組成之群組。
如請求項5所述之機能性複合無機漿料組成物，其中該機能性複合無機粉體之平均粒徑(D₅₀ )約為350奈米，最大粒徑(D₉₉ )≦1微米。
一種應用請求項5所示之複合無機漿料組成物製造機能性發泡複合體的方法，包含：提供一異氰酸鹽化合物；混合該機能性複合無機漿料組成物與該異氰酸鹽化合物，形成一發泡混合物；該混合物於一模具中，經由一催化劑催化加成聚合反應進行；形成具有該模具形狀之發泡塊體；以及提供一模具組件，係由分別具有一相對應的加壓表面之一公模具及一母模具組成，該發泡塊體置於該公模具及該母模具的加壓表面之間，該發泡塊體靠近該公模具及該母模具之至少其中之一的加壓表面具有一布料；以及將該發泡塊體與該布料層疊貼合，形成一具涼爽散熱特性之發泡複合體。
如請求項10所述之製造機能性發泡複合體的方法，其中該發泡混合物包含30-50 wt%之異氰酸鹽化合物及50-70 wt%之該機能性複合無機漿料組成物。
如請求項10所述之製造機能性發泡複合體的方法，其中該異氰酸鹽化合物包含脂肪族異氰酸鹽或芳香族異氰酸鹽。
如請求項10所述之製造機能性發泡複合體的方法，其中該模具為一封閉式模具。
如請求項10所述之製造機能性發泡複合體的方法，其中該催化劑為水。
如請求項10所述之製造機能性發泡複合體的方法，其中該布料與該發泡塊體係藉由熱壓貼合。
如請求項10所述之製造機能性發泡複合體的方法，其中該發泡塊體靠近該公模具及該母模具的加壓表面皆具有一布料。
如請求項10所述之製造機能性發泡複合體的方法，其中該布料之材質包含聚酯、尼龍、聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯腈、天絲棉(Lyocell)或嫘縈長絲纖維；或上述之短纖維、棉、毛、麻、蠶絲短纖混紡紗；或長絲纖維與短纖維交撚之長短纖複合紗或包繞紗；或經由製布設備所形成之針織物、梭織物或非織物。
如請求項10所述之製造機能性發泡複合體的方法，其中該布料包含針織物、梭織物或非織物。
如請求項10所述之製造機能性發泡複合體的方法，更包含裁切該發泡複合體為一預定形狀，以製成胸罩、沙發椅墊、自行車椅墊、防車椅墊、按摩椅墊、安全帽套或自行車保護用褲墊。