JP7368417B2 - 軟質ポリウレタンフォームとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、良好な熱伝導性を有する軟質ポリウレタンフォームとその製造方法に関する。

ポリオール、イソシアネート、発泡剤、触媒、添加剤が配合されたポリウレタンフォーム組成物から得られる軟質ポリウレタンフォームは、寝具、衣料、車両の内装材等のクッション材やパッド材等として多用されている。
軟質ポリウレタンフォームは、マットレスやブラジャーのパッド材等のように、身体と近接する用途においては、身体からの熱が軟質ポリウレタンフォーム内にこもって蒸れやすい問題がある。

なお、蒸れを防止することを目的として、潜熱蓄熱剤が内包されたマイクロカプセルを配合した蓄熱性軟質低反発性ポリウレタンフォームがある（特許文献１）。

特開２００１－２８８２４０号公報

しかし、潜熱蓄熱剤が内包されたマイクロカプセルを配合した蓄熱性軟質低反発性ポリウレタンフォームは、使用前に一旦冷やす必要があり、夏場の昼間に高温の室内などに置かれた場合、使用前に温度を下げるのに手間と時間がかかり、簡易・迅速に使用できない問題がある。

本発明は前記の点に鑑みなされたものであり、良好な熱伝導性を有し、使用前に冷やす等の手間を掛けることなく蒸れ防止効果が得られる軟質ポリウレタンフォームの提供を目的とする。

請求項１の発明は、ポリオール、イソシアネート、発泡剤、触媒、添加剤が配合された軟質ポリウレタンフォーム組成物から得られた軟質ポリウレタンフォームにおいて、前記添加剤としてグラフェンを含むことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１において、前記グラフェンの配合量は、前記ポリオール１００重量部に対して５～６０重量部であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記軟質ポリウレタンフォームが衣料用又は寝具用であることを特徴とする。

請求項４の発明は、ポリオール、イソシアネート、発泡剤、触媒、添加剤が配合された軟質ポリウレタンフォーム組成物を発泡させる軟質ポリウレタンフォームの製造方法において、前記添加剤としてグラフェンを含むことを特徴とする。

本発明によれば、軟質ポリウレタンフォーム組成物にグラフェンを配合したことにより、得られる軟質ポリウレタンフォームは熱伝導性が良好となり、その良好な熱伝導性によって熱のこもりを防ぎ、蒸れ難くできる。

実施例及び比較例の配合と物性測定結果を示す表である。 比較例１～３及び実施例１～６の熱伝導率とグラフェンあるいは膨張黒鉛の配合量との関係を示すグラフである。

本発明の軟質ポリウレタンフォームは、ポリオール、イソシアネート、発泡剤、触媒、添加剤が配合された軟質ポリウレタンフォーム組成物から、ポリオールとイソシアネートの反応により得られる。

ポリオールとしては、軟質ポリウレタンフォーム用のポリオールを使用することができ、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、ポリエーテルエステルポリオールの何れでもよく、それらの一種類あるいは複数種類を使用してもよい。

ポリエーテルポリオールとしては、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ブチレングリコール、ネオペンチルグリコール、グリセリン、ペンタエリスリトール、トリメチロールプロパン、ソルビトール、シュークロース等の多価アルコールにエチレンオキサイド（ＥＯ）、プロピレンオキサイド（ＰＯ）等のアルキレンオキサイドを付加したポリエーテルポリオールを挙げることができる。

ポリエステルポリオールとしては、例えば、マロン酸、コハク酸、アジピン酸等の脂肪族カルボン酸やフタル酸等の芳香族カルボン酸と、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール等の脂肪族グリコール等とから重縮合して得られたポリエステルポリオールを挙げることできる。
また、ポリエーテルエステルポリオールとしては、前記ポリエーテルポリオールと多塩基酸を反応させてポリエステル化したもの、あるいは１分子内にポリーエーテルとポリエステルの両セグメントを有するものを挙げることができる。

ポリオールについては、水酸基価（ＯＨＶ）が２５～７０ｍｇＫＯＨ／ｇ、官能基数が２～４、重量平均分子量が２０００～７０００であるポリオールを単独または複数用いることが好ましい。さらに、追加的に水酸基価（ＯＨＶ）が５０～８４０ｍｇＫＯＨ／ｇ、官能基数が２～４、重量平均分子量が２００～２０００であるポリオールを併用することが好ましい。

イソシアネートとしては、イソシアネート基を２以上有する脂肪族系または芳香族系ポリイソシアネート、それらの混合物、およびそれらを変性して得られる変性ポリイソシアネートを使用することができる。脂肪族系ポリイソシアネートとしては、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ジシクロヘキサメタンジイソシアネート等を挙げることができ、芳香族ポリイソシアネートとしては、トルエンジイソシアネート（ＴＤＩ）、ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）、ナフタレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、ポリメリックポリイソシアネート（クルードＭＤＩ）等を挙げることができる。なお、その他プレポリマーも使用することができる。

イソシアネートインデックス（ＩＮＤＥＸ）は、７０以上が好ましく、より好ましくは７０～１２０である。イソシアネートインデックスは、イソシアネートにおけるイソシアネート基のモル数をポリオールの水酸基などの活性水素基の合計モル数で割った値に１００を掛けた値であり、［イソシアネートのＮＣＯ当量／活性水素当量×１００］で計算される。

発泡剤としては、水、代替フロンあるいはペンタンなどの炭化水素を、単独または組み合わせて使用できる。水の場合は、ポリオールとイソシアネートの反応時に炭酸ガスを発生し、その炭酸ガスによって発泡がなされる。発泡剤としての水の量は、ポリオール１００重量部に対して１．０～５．５重量部が好ましい。

触媒としては、公知のウレタン化触媒を併用することができる。例えば、トリエチルアミン、トリエチレンジアミン、ジエタノールアミン、ジメチルアミノモルフォリン、Ｎ－エチルモルホリン、テトラメチルグアニジン等のアミン触媒や、スタナスオクトエートやジブチルチンジラウレート等のスズ触媒やフェニル水銀プロピオン酸塩あるいはオクテン酸鉛等の金属触媒（有機金属触媒とも称される。）を挙げることができ、アミン触媒と金属触媒の何れか一方のみ、あるいは両者の併用でもよい。アミン触媒の量は、ポリオール１００重量部に対して０．０１～３重量部が好ましく、より好適には０．２～１重量部である。金属触媒の量は、０又は０．０１～１重量部が好ましい。

添加剤としては、少なくともグラフェンが使用される。グラフェンは、炭素原子が六角形の網目状に結合したシートで、その厚みが炭素原子１個分の厚みである。本実施例で使用されるグラフェンは、平板状（鱗片状）で、平均平面サイズ（平面上の任意の方向における最大径（最大幅）の平均値）が０．０１～３ｍｍ、好適には０．０５～１．５ｍｍ程度のものが、ポリオール等に分散しやすく、軟質ポリウレタンフォームの発泡に悪影響を与えず、良好な熱伝導性が得られる。なお、平均平面サイズは、顕微鏡、マイクロスコープ等の拡大鏡で拡大写真を撮り、求めることができる。前記グラフェンの配合量は、ポリオール１００重量部に対して５～６０重量部、より好適には９～４２重量部が好ましい。グラフェンの配合量が少なすぎると良好な熱伝導性が得られず、一方、多すぎると軟質ポリウレタンフォームの発泡性と物性に悪影響を与えるようになる。

前記添加剤には、グラフェンと共にその他の物質を加えてもよい。例えば、整泡剤、着色剤、難燃剤等を上げることができる。整泡剤としては、ウレタンフォーム用として公知のものを使用することができる。例えば、シリコーン系整泡剤、含フッ素化合物系整泡剤および公知の界面活性剤を挙げることができる。着色剤は、軟質ポリウレタンフォームの用途に応じたものが使用され、また、難燃剤は、軟質ポリウレタンフォームの用途が難燃性の求められる場合に使用される。

前記軟質ポリウレタンフォーム用組成物のポリオールとイソシアネートを反応させて発泡させることにより軟質ポリウレタンフォームが製造される。
軟質ポリウレタンフォームの製造方法における発泡は、スラブ発泡が好ましい。スラブ発泡は、混合した軟質ポリウレタンフォーム用組成物（ポリウレタンフォーム原料）を混合させてベルトコンベア上に吐出し、大気圧下、常温で発泡させる方法である。

本発明の軟質ポリウレタンフォームは、グラフェンが軟質ポリウレタンフォーム用組成物に配合されているため、発泡時に軟質ポリウレタンフォームの樹脂骨格に少なくとも一部が埋設され、あるいは骨格や気泡の膜の表面に接着した状態となる。そのため、本発明の軟質ポリウレタンフォームは、使用によって繰り返し圧縮されても、グラフェンが軟質ポリウレタンフォームから脱落してグラフェンの配合量（含有量）が減少することがなく、良好な熱伝導性を維持することができ、蒸れ防止効果を持続することができる。

なお、本発明とは異なり、グラフェンを含まない軟質ポリウレタンフォームに、含浸などによる後工程でグラフェンを軟質ポリウレタンフォームの表面あるいは内部に導入した場合、グラフェンは、軟質ポリウレタンフォームの樹脂骨格や気泡の膜表面に付着しているだけであるため、軟質ポリウレタンフォームの使用中にグラフェンが軟質ポリウレタンフォームから徐々に脱落して、グラフェンの量が減少してしまう。

本発明の軟質ポリウレタンフォームの用途は限定されず、身に着ける物、あるいは傍に置く物などに特に好適である。例えば、寝具（枕、マットレス）、座布団、座椅子用パッド、衣料用パット（例えばブラジャー用パット）、車両用座席のパット（クッション）等を挙げることができる。特に寝具又は衣料用が好適である。

本発明の軟質ポリウレタンフォームは、蒸れ防止効果を得るため、熱伝導率（ＪＩＳＡ１４１２－２）が０．０３８０Ｗ／ｍＫ以上であること好ましく、さらにより良好な蒸れ防止効果を得るためには、０．０４００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。

本発明の軟質ポリウレタンフォームは、用途がマットレスや枕などの寝具、座布団などにあっては、使用時の体重で３～８０％程度圧縮されることになる。また、ブラパットなどの衣料用においては、軟質ポリウレタンフォームが熱プレス(熱圧縮)により３～９０％程度圧縮されて賦形されたものが使用される。そのため、本発明の軟質ポリウレタンフォームは、圧縮時の熱伝導率が大であるのが好ましく、具体的には５０％圧縮時の熱伝導率が非圧縮時の熱伝導率よりも大であるのが好ましく、５０％圧縮時の熱伝導率が非圧縮時の熱伝導率よりも０．０００６Ｗ／ｍＫ以上大きいのが効果的でより好ましい。なお、軟質ポリウレタンフォームの熱プレスによる賦形は、所定厚みの軟質ポリウレタンフォームを、１５０～２５０℃程度に加熱した熱板や型によって所定形状に圧縮して賦形し、その後冷却することにより行うことができる。熱プレスにより賦形された軟質ポリウレタンフォームは、織布などの表面材で覆われて使用される。

また、本発明の軟質ポリウレタンフォームは、衣料用又は寝具用の場合、２５％硬さ（ＪＩＳＫ６４００－２）が１５～２６０Ｎ、より好適には１５～１００Ｎ、反発弾性(ＪＩＳＫ６４００－３)が２～４０％、通気性（ＪＩＳＫ６４００－７）が４０～２５０Ｌ／ｍｉｎ、密度が１８～７０ｋｇ／ｍ^３であるのが好ましい。２５％硬さが上記範囲内であれば、軟質ポリウレタンフォームが３～８０％程度圧縮され、圧縮時の熱伝導率を向上させることができる。

軟質ポリウレタンフォームの２５％硬さ及び反発弾性の調節はポリオールの種類及び添加量、ＩＮＤＥＸ調整により、また通気性の調節はポリオール及びイソシアネートの種類及び添加量、ＩＮＤＥＸ調整により、密度は水の添加量、発泡剤量によって調節することができる。特に蒸れ防止効果を高めるには、通気性が５０Ｌ／ｍｉｎ以上が好ましく、より好ましくは１００Ｌ／ｍｉｎ以上である。

なお、総合的に蒸れ防止効果を得るためには、少なくとも通気量が５０Ｌ／ｍｉｎ以上であり、かつ非圧縮時の熱伝導率が０．０３８０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましいが、より好適には、通気量が１００Ｌ／ｍｉｎ以上であり、かつ非圧縮時の熱伝導率が０．０４００Ｗ／ｍＫ以上、特に０．０４２０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。

以下の原料を図１に示す配合で混合し、反応・発泡させて各実施例及び各比較例の軟質ポリウレタンフォームを作製した。
・ポリオールＡ：ポリエーテルポリオール、Ｍｗ１０００、官能基数３、水酸基価１６０ｍｇＫＯＨ／ｇ、開始剤をグリセリンとして、プロピレンオキサイドを付加重合して得られたポリエーテルポリオール。
・ポリオールＢ：ポリエーテルポリオール、Ｍｗ３０００、官能基数３、水酸基価５６ｍｇＫＯＨ／ｇ、品番；ＧＰ３０５０ＮＳ、三洋化成工業株式会社製
・ポリオールＣ：ポリマーポリオール（グリセリンにプロピレンオキシドを付加重合したポリエーテルポリオール６０質量％にスチレン：アクリロニトリルの質量比が８：２の混合物４０質量％をグラフト重合したもの）、Ｍｗ５０００、固形分４０質量％、水酸基価３３（mgＫＯＨ／ｇ）、水酸基についての官能基数３
・アミン触媒Ａ：品番；ＮＥ３００、エアプロダクツ株式会社製
・アミン触媒Ｂ：品番；３３ＬＶ、エアプロダクツ株式会社製
・整泡剤：品番；ＮＩＡＸ ｓｉｌｉｃｏｎｅＬ５９５、モメンティブ製
・グラフェン：品番；ＨＣ－９５、Ｐａｔｅｒｓｏｎ社製
・膨張黒鉛：三洋貿易社製、商品名「ＳＹＺＲ ５０２ＦＰ」
・金属触媒：オクチル酸第一錫、品番；ＭＲＨ１１０、城北化学工業株式会社製
・ＭＤＩ：クルードＭＤＩ、品番；ルプラネートＭ５Ｓ、ＢＡＳＦ社製
・ＴＤＩ：２，４－ＴＤＩ８０％と２，６－ＴＤＩ２０％の混合物、品番；Ｔ－８０、日本ポリウレタン社製

実施例１～実施例７及び比較例１～３は、イソシアネートとしてＭＤＩを用いた例であり、かつ比較例１はグラフェンも膨張黒鉛も含まない例、比較例２はグラフェンを含まず、膨張黒鉛を含む例、比較例３は比較例１よりもイソシアネートインデックスを高くした例である。また、実施例８及び比較例４はイソシアネートとしてＴＤＩを用いた例であり、かつ比較例４はグラフェンと膨張黒鉛の何れも含まない例である。

得られた実施例１～８及び比較例１～４に対して、密度（ＪＩＳＫ７２２２）、ＩＬＤ２５％硬さ（ＪＩＳＫ６４００－２）、反発弾性(ＪＩＳＫ６４００－３)、通気性（ＪＩＳＫ６４００－７ Ａ法）を測定した。熱伝導率（ＪＩＳ Ａ１４１２－２）は、非圧縮状態と５０％圧縮状態で測定した。測定結果は図１に示す。図１における最下段の［差］は、（５０％圧縮状態の熱伝導率）―(非圧縮状態の熱伝導率)の差である。

イソシアネートがＭＤＩである比較例１及び実施例１～６の場合、非圧縮状態の熱伝導率は、グラフェンの配合量が０重量部の比較例１では０．０３９３Ｗ／ｍＫであるのに対し、グラフェンの配合量が５重量部の実施例１では０．０４０２Ｗ／ｍＫ、グラフェンの配合量が１０重量部の実施例２では０．０４２４Ｗ／ｍＫ、グラフェンの配合量が１５重量部の実施例３では０．０４４６Ｗ／ｍＫ、グラフェンの配合量が２０重量部の実施例４では０．０４５７Ｗ／ｍＫ、グラフェンの配合量が４０重量部の実施例５では０．０５３８Ｗ／ｍＫ、グラフェンの配合量が６０重量部の実施例６では０．０５６８Ｗ／ｍＫであり、グラフェンの配合量増大によって熱伝導率を大にすることができる。

また、グラフェンに代えて膨張黒鉛を使用した比較例２は、配合量が１５重量部で０．０４１４Ｗ／ｍＫとなり、膨張黒鉛を添加すれば熱伝導性も上がる。しかし、添加量に対する効率である熱伝導性の向上効果は、グラフェンよりも劣り、同添加量の実施例３や１０重量部添加した実施例２よりも低く劣る。

イソシアネートインデックスが比較例１よりも高い比較例３は、熱伝導率が下がり、０．０３４８Ｗ／ｍＫ である。一方、そのイソシアネートインデックスと同じでかつ、グラフェンを１５重量部配合した実施例７は、熱伝導率が０．０３８３Ｗ／ｍＫであり、グラフェンを含まない比較例３よりも熱伝導率を大（熱伝導性を良好）にできる。

図２は、比較例１及び実施例１～６における熱伝導率（非圧縮状態）の値とグラフェンの配合量との関係を示すグラフである。なお、グラフェン及び膨張黒鉛の配合量を大にし過ぎると、軟質ポリウレタンフォームの発泡を良好に行えなくなる。

また、５０％圧縮状態の熱伝導率の測定結果は、図１に示すようにグラフェンの配合量が０重量部の比較例１では、非圧縮状態の熱伝導率より小になったが、グラフェンの配合量が５重量部以上の実施例１～実施例６では、非圧縮状態の熱伝導率よりも大になり、圧縮によって熱伝導率を大(熱伝導性をより良好)にできる。また、膨張黒鉛を用いた比較例２では、非圧縮状態の０．０４１４Ｗ／ｍＫから圧縮状態で０．０４１７Ｗ／ｍＫと、非圧縮状態の熱伝導率よりも大になるものの、わずかであった。

一方、イソシアネートがＴＤＩである比較例４及び実施例８の場合、非圧縮状態の熱伝導率は、図１に示すようにグラフェンの配合量が０重量部の比較例４では０．０３７２Ｗ／ｍＫであったのに対し、グラフェンの配合量が１５重量部の実施例８では０．０４０３Ｗ／ｍＫであり、グラフェンの配合によって熱伝導率を大（熱伝導性を良好）にできる。

このように、本発明の軟質ポリウレタンフォームは、良好な熱伝導性を有するものであり、マットレスや枕などの寝具、ブラジャーのパットなどの衣料に使用された場合、身体からの熱が軟質ポリウレタンフォームの良好な熱電伝導性によって、軟質ポリウレタンフォーム内にこもるのを防ぎ、外部に放出して蒸れ難くできる。

Claims (3)

1. ポリオール、イソシアネート、発泡剤、触媒、添加剤が配合された軟質ポリウレタンフォーム組成物から得られた軟質ポリウレタンフォームにおいて、
   前記添加剤としてグラフェンを含み、
   通気性（ＪＩＳＫ６４００－７）が２１０Ｌ／ｍｉｎ以上であることを特徴とする軟質ポリウレタンフォーム。
2. 請求項１に記載の軟質ポリウレタンフォームを備える物品であって、寝具、枕、マットレス、座布団、座椅子用パッド、衣料用パット、ブラジャー用パット、車両用座席のパット、クッションから選択される物品。
3. 請求項１に記載の軟質ポリウレタンフォームの製造方法であって、ポリオール、イソシアネート、発泡剤、触媒、添加剤が配合され、前記添加剤がグラフェンを含む軟質ポリウレタンフォーム組成物を発泡させる軟質ポリウレタンフォームの製造方法。
   

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