水発泡ポリエステルポリオールの普及と応用

各種ポリウレタンフォーム用発泡剤の物性比較

現在ポリウレタンフォームに使用されている発泡剤には、主にクロロフルオロカーボン (CFC)、ハイドロフルオロカーボン (HFC)、ペンタン、二酸化炭素が含まれます。

1. クロロフルオロカーボン (CFC)

CFC-11

CFC-11 の沸点は 23.7 °C で、室温では液体です。取り扱いが簡単で、蒸発熱が低く、発泡過程で容易に蒸発します。熱伝導率が低く、得られるフォームは良好な断熱特性を示します。不燃性かつ無毒であり、ポリウレタン基材に対する腐食作用は最小限です。これは優れた発泡剤ですが、大気中のオゾン層に重大なダメージを与え、人類の生存がかかっている生態環境に影響を与えるため、段階的に廃止されています。

b HCF-141b

HCF-141b の沸点は 32.0 °C です。 CFC-11 の暫定的な代替品として、CFC-11 と同様の特性を持ちますが、依然として大気中のオゾン層に一定の破壊的な影響を及ぼし、ODP は 0.15 です。その使用も一定期間後に段階的に廃止されます。

2. ハイドロフルオロカーボン (HFC)

ハイドロフルオロカーボンには塩素原子が含まれておらず、ODP は 0 です。これらは、CFC-11 代替発泡剤の中でも競争力の高いクラスです。このクラスの注目すべき化合物には、HFC-245fa、HFC-365mfc、および HFC-356mffm が含まれます。沸点はそれぞれ 15.3 °C、40 °C、24.9 °C です。沸点が CFC-11 の沸点と類似しているため、既存の装置は使用中にほとんど変更を必要としません。しかし、コストが高いため、ポリウレタンフォーム製品が法外に高価になり、その促進と採用が妨げられています。

3.ペンタン

ペンタンは、n-ペンタン、イソペンタン、シクロペンタンの 3 つの構造形態で存在し、沸点はそれぞれ 36 °C、28 °C、49 °C です。 ODP は 0 で、CFC-11 よりも高い熱伝導率を持っています。ただし、ペンタンは引火性があり、空気と爆発性ガス混合物を形成するため、安全な生産を確保するには生産設備と作業環境を変更する必要があります。さらに、使用中にペンタンが放出されるため、密閉空間での使用には適さず、ポリウレタンフォームの適用範囲が大幅に制限されます。

4. 二酸化炭素

二酸化炭素発泡は一般に、水とイソシアネートの反応を利用して発泡用の二酸化炭素を生成し、水吹き発泡とも呼ばれます。通常、必要な物理発泡剤の量を減らすために、物理発泡剤と組み合わせて使用​​されます。さらに、水とイソシアネートが反応してポリウレアが形成されると、ポリウレタンフォームの特定の特性が変化し、それによってフォームの強度が向上します。ただし、二酸化炭素の熱伝導率はCFC-11に比べてはるかに大きいため、製品の断熱性能は若干低下します。さらに、二酸化炭素は空気が入るよりも速く逃げるため、フォームの寸法安定性はある程度影響を受けます。寸法安定性を確保するために、通常、フォーム密度が増加します。現在、液体二酸化炭素の発泡プロセスと装置の開発に成功しています。ただし、設備に多額の資本投資が必要なため、その使用はある程度制限されています。

 

ポリウレタンフォームの発泡方法

1. 物理発泡：-OH と -NCO の発熱反応を利用して低沸点の物理発泡剤を気化させ、泡を生成します。例としては、ペンタンや HFC-141b などがあります。

2. 化学発泡: これには、主に水とイソシアネートの反応による二酸化炭素の生成、または重炭酸塩の分解による二酸化炭素の生成による化学反応によって生成されるガスを使用した発泡が含まれます。物理発泡剤と組み合わせたイソシアネートと水の反応による発泡が、現在主な発泡方法となっています。生産コストを削減しながらフォームの性能を向上させます。重炭酸塩発泡は一般に、木調製品や特定の成形プロファイルなど、より高い硬度とより高い密度を備えた微細気泡構造に使用されます。

 

全水発泡の問題点とその解決策

全水発泡では物理発泡剤が使用されず、二酸化炭素発泡システムに固有の欠陥があるため、通常のポリエーテルおよびポリエステルポリオールの使用には、主に次のような多くの問題が発生します。

1. 発熱反応が強すぎるため、コア燃焼が発生しやすく、一度の操作で実行するのが困難です。ヒドロキシル価を下げて、-OH 基と -NCO 基の間の反応を制限することで、反応熱を最小限に抑えることができます。同時に、全ポリエステル発泡体の使用により、分子鎖の熱分解温度が上昇します。エステル基の熱分解温度はエーテル結合の熱分解温度をはるかに超えるため、製品は高温で分解、蒸発、燃焼しにくくなります。これにより、コアの燃焼が防止され、シングルパス操作での泡の生成が可能になります。数多くの実験の結果、ポリエステルポリオールの水酸基価を 180 ～ 200 mg KOH/g の範囲内に制御すると、一般に要件を満たすことが判明しました。

2. フォームの低い寸法安定性 低い寸法安定性は、主に過剰な二酸化炭素の放出速度によって引き起こされます。これに対処するために、ポリエステルの分子鎖に多分岐構造を導入してセルの気密性を高め、二酸化炭素の放出速度を減らします。同時に、官能基密度を増加させ、分子鎖に-NH2 基を導入することにより、セルの剛性が向上し、耐圧能力が向上し、寸法安定性が確保されます。

3. ブレンドの粘度が高いため、黒成分と白成分の混合と噴霧に悪影響を及ぼします。系内に物理発泡剤が存在しないということは、溶媒含有量が減少することに等しいため、系の粘度は必然的に増加します。これには、ポリエステルポリオールの粘度を下げることによってのみ対処できます。したがって、より高い分子量のアルキル側鎖がポリエステル構造に導入され、エステル基のモル比が低下し、それによってポリエステルの粘度が低下します。実際には、難燃剤の量を適切に増加させることによって系の粘度を下げることもでき、これによりブレンドの流動性が改善され、イソシアネートとの混合および噴霧が容易になる。

4. 断熱性能が低下し、熱伝導率が増加します。 CO₂ は CFC-11 よりも高い熱伝導率を持っていますが、セルの密度を高め、CO₂ と空気の間の熱対流を減らすことでフォームの断熱性能を向上させることができます。

5. 保存安定性が悪い。全水発泡における水の使用量は、既存の発泡方法よりも多くなります。また、水とさまざまな添加剤や難燃剤との接触により、必然的にある程度の加水分解が起こり、発泡中の反応速度が遅くなります。ポリエステルの末端に親水基を導入することで、水分子が水素結合によりポリエステルの分子鎖の末端に強固に固定されます。油中水型エマルションを使用すると、水分子が添加剤や難燃剤と接触する可能性が減り、それによって加水分解が最小限に抑えられ、原料の保存安定性が向上します。

 

水性発泡ポリエステルの技術仕様

水系発泡ポリエステルは、親水性、セル密度、セル剛性、ポリエステル自体の粘度などを考慮する必要があるため、単一のポリエステルポリオールでの運用は困難です。現在、当社では 2 つのポリエステル、XF-2003 と XF-2006 のブレンドを使用しています。 XF-2003 は、水とある程度の混和性をもつ水系ポリエステルです。 XF-2006 は多分岐構造と一定量の -NH₂ を含み、その技術仕様は次のとおりです。

 

 

 

全水ポリエステルの発泡プロセスと製品性能

現在、全水発泡フォームは主に連続気泡発泡プロセスを採用しています。まず、これにより寸法安定性が確保されます。第二に、コア焼けのリスクが軽減されます。しかし、連続気泡構造により発泡プラスチックの断熱特性が低下し、用途が制限されるため、このプロセスでは XF-2003 と XF-2006 を組み合わせた新規ポリエステルポリオールを使用し、既存プロセスの欠点を完全に克服します。独立気泡発泡が採用されており、プロセスは次のとおりです。

 

結論と要約

全水発泡には、操作が簡単、安全性、環境に優しいという利点があります。既存の機器を改造する必要がなく、溶剤を含まないため、オペレーターに健康上のリスクをもたらすことはありません。クロロフルオロカーボン (CFC) の段階的廃止に伴い、最終製品のコスト削減に大きなメリットがもたらされます。

XF-2006、XF-2003は分子構造の改良により、ポリウレタンフォームに優れた寸法安定性と断熱性を付与しました。連続気泡全水発泡と比較して、より大きな利点と優れた性能を提供します。ハイドロフルオロアルカン発泡と比較して、コストパフォーマンスに優れています。継続的な努力と新素材の継続的な開発により、全水発泡は必ず新しいトレンドとなるでしょう。