JP5777216B2 - ポリウレタン発泡体 - Google Patents

Description

本発明は、被接触物の形状に追従して変形する形状追従性を有するポリウレタン発泡体に関する。特に、人体に装着されて人体の動きに伴う形状変化に追従して変形するポリウレタン発泡体に関する。

ポリウレタン発泡体として、形状記憶ポリウレタン発泡体や低反発性ポリウレタン発泡体が知られている。しかしながら、これらのポリウレタン発泡体は、人体に装着された場合の動的粘弾性について検討された物ではなかった。このため、人体に装着された場合に、エネルギー吸収能が低いものであり、装着時の快適性に乏しいものであった。

これに対し、特許文献１は、人体からの伝熱によって硬度を低下させ、体表面の形状に追従させて変形させて使用することができる形状追従性を有する樹脂発泡体を開示している。特許文献１の樹脂発泡体は、例えばポリウレタン発泡体とされ、１０〜３５℃（すなわち体表面温度近傍）にガラス転移点を有し、この温度範囲における正弦損失ｔａｎδが０．２０〜０．８０とされる。

特開２００９−３５６９７号公報（特許請求の範囲、段落［０００６］、［０００９］〜［００１２］、［００１５］〜［００２３］、［００３１］〜［００４９］）

特許文献１の段落［００３８］には、周波数１Ｈｚでポリウレタン発泡体の貯蔵弾性率及び損失弾性率を測定し、ｔａｎδを算出したと記載されている。周波数１Ｈｚは、安静時の人体体表面の動的粘弾性に相当する。このため、特許文献１に開示される発泡体は、安静時においてすぐれた形状追従性を有すると言える。一方で、特許文献１の発泡体は運動時（１００Ｈｚ近傍）における形状追従性については一切議論していない。特許文献１の発泡体では、運動時においても安静時の柔らかさを示すため、運動時における装着性及び快適性を担保するのは困難であった。

本発明は、人体に装着された際に、運動時及び安静時のいずれにおいても快適性を有しながら、優れた形状追従性を有するポリウレタン発泡体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、トルエンジイソシアネートとポリエーテルポリオールを主成分とし、損失正接のピーク値に対応する温度とされるガラス転移温度が０℃以上４０℃以下であり、温度０℃以上４０℃以下において、０．１Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の周波数領域における前記損失正接が０．４以上であり、周波数０．１Ｈｚ以上１Ｈｚ以下の範囲での前記損失正接の平均値が、周波数１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の範囲での前記損失正接の平均値以下であるポリウレタン発泡体を提供する。

上記発明において、前記周波数０．１Ｈｚ以上１Ｈｚ以下の範囲での前記損失正接の平均値に対する前記周波数１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の範囲での前記損失正接の平均値の変化の割合が、０％以上１０％以下であることが好ましい。

上記発明において、前記ポリオールエーテルポリオールと前記トルエンジイソシアネートとが、１００：３９．２１〜１００：４８．７７（質量比）の比率で配合されることが好ましい。

上記発明において、前記トルエンジイソシアネートが、２，４−トルエンジイソシアネートと２，６−トルエンジイソシアネートとが６５：３５〜８０：２０の比率で混合される。

上記発明において、前記ポリオールエーテルポリオールが、数平均分子量が７００以上３０００以下のポリオキシプロピレントリオール、数平均分子量が４００以上２０００以下のポリオキシプロピレンジオール、または、前記ポリオキシプロピレントリオールと前記ポリオキシプロピレンジオールの混合物である。

本発明のポリウレタン発泡体は、人体の体表面と同程度のガラス転移温度を有する。このため、本発明のポリウレタン発泡体を人体体表面に装着させた場合、硬度が低下して柔軟になり、接触部分で体表面の形状に追従して変化する。
また、本発明のポリウレタン発泡体は、安静時の人体体表面の周波数（０．１〜１Ｈｚ）から運動時の人体体表面の周波数（１０〜１００Ｈｚ）にかけて、高い損失正接を有する。また、安静時の周波数での損失正接の平均値は、運動時の周波数での損失正接の平均値以下となっている。このため、本発明のポリウレタン発泡体は、人体に装着された場合に、安静時に柔らかさを示すが、運動時はばねとして働き衝撃を吸収する。従って、本発明のポリウレタン発泡体は、安静時には人体に良好にフィットするとともに、運動時には優れた装着性と保持性を有する。特に、安静時の周波数での損失正接の平均値に対する運動時の周波数での損失正接の平均値の変化の割合が０％以上１０％以下であるポリウレタン発泡体は、安静時及び運動時のいずれにおいても、装着者に良好な装着感を与えることができる。

本発明のポリウレタン発泡体は、運動時に必要とされる剛さと、安静時に必要とされる柔らかさを両立させており、且つ、高いエネルギー吸収能を有する。このため、快適性を有しながら、運動時に必要な装着性と保持性を達成することができる。

実施例１のポリウレタン発泡体の動的粘弾性の温度依存性を示すグラフである。 実施例１のポリウレタン発泡体の動的粘弾性の周波数依存性を示すグラフである。 比較例３のポリウレタン発泡体の動的粘弾性の温度依存性を示すグラフである。 比較例３のポリウレタン発泡体の動的粘弾性の周波数依存性を示すグラフである。

本実施形態のポリウレタン発泡体は、トルエンジイソシアネート及びポリエーテルポリオールを主成分とするフォーム原料を発泡・硬化させて製造させる。

上記トルエンジイソシアネート（ＴＤＩ）は、２，４−トルエンジイソシアネートと２，６−トルエンジイソシアネートとの混合物とされる。混合比は、２，４−トルエンジイソシアネート：２，６−トルエンジイソシアネート＝６５：３５〜８０：２０（質量比）の範囲内とされる。

上記ポリエーテルポリオールは、ポリオキシプロピレントリオール、ポリオキシプロピレンジオール、または、ポリオキシプロピレントリオールとポリオキシプロピレンジオールとの混合物とされる。
本実施形態に使用されるポリオキシプロピレントリオールは、数平均分子量が７００以上３０００以下とされる。上記数平均分子量のポリオキシプロピレントリオールを単独で用いても良いし、数平均分子量が異なる複数のポリオキシプロピレントリオールを混合して用いても良い。

本実施形態に使用されるポリオキシプロピレンジオールは、数平均分子量が４００以上２０００以下とされる。上記数平均分子量のポリオキシプロピレンジオールを単独で用いても良いし、数平均分子量が異なる複数のポリオキシプロピレンジオールを混合して用いても良い。

本実施形態において、上記ポリエーテルポリオールと上記ＴＤＩとの混合比率は、ポリエーテルポリオール：ＴＤＩ＝１００：３９．２１〜１００：４８．７７（質量比）の範囲内とされる。上記範囲よりＴＤＩが少ないと、発泡体が柔軟になりすぎる。この結果、発泡体の強度や弾性率（ヤング率）が低下してしまう。また、上記範囲よりＴＤＩが多いと、発泡体の硬度が上昇する。硬度が上昇すると、発泡体の伸長性が低下するとともに、弾性率が低下する。

本実施形態のフォーム原料は、ＴＤＩとポリエーテルポリオールとを重合させる触媒を含む。触媒は、例えばアミン系触媒及び金属触媒が用いられる。アミン系触媒としては、トリエチレンジアミン、テトラメチルグアニジン、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルヘキサン１，６ジアミンなどが挙げられる。金属触媒としては、ジブチル錫ジラウレート、オクチル酸カリウム、ナフテン酸鉛、ネオデカン酸亜鉛などが挙げられる。触媒は上記の中から１種類が選択されても良いし、２種類以上を混合して用いられても良い。触媒の添加量は、ポリエーテルポリオールの全量に対して、０．１〜２質量％の範囲内とされる。

本実施形態のフォーム原料は、発泡剤を含有する。発泡剤は、上記のＴＤＩ及びポリエーテルポリオールの反応生成物を発泡させることができるものであれば、特に限定されない。具体的に、発泡剤としては、水、ハロゲン化脂肪族炭化水素（メチレンクロライド、トリクロロエタンなど）、二酸化炭素、無機系発泡剤（重炭酸ナトリウム、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム、亜硝酸アンモニウム、アジド化合物など）、有機系発泡剤（アゾジカルボンアミド、アゾピスホルミアミド、Ｎ，Ｎ‘−ジニトロソペンタメチレンテトラミン等）が適用可能である。特に、水が好ましい。発泡剤は上記の中から１種類が選択されても良いし、２種類以上を混合したものでも良い。発泡剤の添加量は、ポリエーテルポリオールの全量に対して、０．５〜５質量％の範囲内とされることが好ましい。

本実施形態のフォーム原料は、整泡剤を含んでいても良い。整泡剤は、均一に分散した微細な気泡を安定化させるために配合される。整泡剤としてはシリコーン系整泡剤を用いることが好ましい。シリコーン系整泡剤として、ジメチルポリシロキサンとポリエーテルとのブロック共重合体や、ポリシロキサンに有機官能基を付加したものなどが挙げられる。整泡剤は１種類のみ使用されても良いし、２種類以上を混合して用いられても良い。整泡剤の添加量は、ポリエーテルポリオールの全量に対して、０．５〜３質量％の範囲内とされることが好ましい。

本実施形態のフォーム原料は、安定剤、酸化防止剤、紫外線安定剤などを含んでいても良い。

本実施形態のポリウレタン発泡体は、ガラス転移温度Ｔｇが０℃以上４０℃以下を示す。ガラス転移温度は、損失正接（ｔａｎδ）のピーク値に対する温度として定義される。ｔａｎδは、貯蔵弾性率Ｅ’に対する損失弾性率Ｅ”の比（Ｅ”／Ｅ’）で定義される。すなわち、ｔａｎδはエネルギー吸収能を表している。
人体の体表面の温度は、通常２８〜３０℃である。このため、本実施形態のポリウレタン発泡体を人体体表面に装着させた場合、ポリウレタン発泡体は硬度が低下して柔軟になり、かつ、接触部分で体表面の形状に追従して変形する。

本実施形態のポリウレタン発泡体は、０℃以上４０℃以下において、周波数０．１Ｈｚから１００Ｈｚの範囲でｔａｎδが０．４以上である。また、本実施形態のポリウレタン発泡体は、周波数０．１Ｈｚ以上１Ｈｚ以下の範囲でのｔａｎδの平均値Ａが、周波数１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の範囲でのｔａｎδの平均値Ｂ以下（すなわち、Ａ≦Ｂ）である。

本実施形態のポリウレタン発泡体は、温度０℃以上４０℃以下において、周波数０．１Ｈｚから１００Ｈｚの範囲で、ｔａｎδが一定であることが好ましい。ここでの「ｔａｎδが一定」とは、ｔａｎδの平均値Ａに対するｔａｎδの平均値Ｂの変化の割合（Ｂ−Ａ）／Ａ（％）が、０％以上１０％以下と定義する。上記ｔａｎδの変化の割合は、０％以上２．５％以下であることが更に好ましい。

安静時の人体体表面の周波数は、０．１〜１Ｈｚに相当する。一方、運動時の人体体表面の周波数は、１０〜１００Ｈｚに相当する。
上記特性を有するポリウレタン発泡体を人体に装着させた場合、装着者が安静状態にあるときは、装着者がポリウレタン発泡体の硬度の低下やポリウレタン発泡体の形状追従に違和感を覚えることがなく、身体に良好にフィットすると感じる。
一方、装着者が運動状態にあるときは、ポリウレタン発泡体が運動の衝撃を吸収するので、接触部分での体表面の形状が保持される。
更に、運動時の周波数と安静時の周波数とでｔａｎδが一定（変化の割合が０％以上１０％以下）であると、装着者は運動時においてもポリウレタン発泡体が身体に良好にフィットすると感じる。この結果、運動時及び安静時のいずれにおいても、良好な装着感を有する。特にｔａｎδの変化の割合が０％以上２．５％以下であると、運動時及び安静時の両方で、装着者に優れた装着感を与える。

また、本実施形態のポリウレタン発泡体は、０℃以上４０℃以下の温度において、周波数０．１Ｈｚから１００Ｈｚの範囲では、周波数が増加するのに従ってＥ’が増加する傾向を有する。このため、装着者が安静状態にあるときは、装着者はポリウレタン発泡体を柔らかいと感じる。一方、装着者が運動状態にあるときは、ポリウレタン発泡体は筋肉の動きを補佐するとともに、脂肪の形状を保持する。従って、本実施形態のポリウレタン発泡体は、運動時及び安静時のいずれにおいても、良好な装着感を有する。

本実施形態のポリウレタン発泡体は、以下の工程により製造される。
まず、所定量のポリオキシプロピレントリオール及びポリオキシプロピレンジオールを秤量する。ポリオキシプロピレントリオール及びポリオキシプロピレンジオールに、触媒以外の添加剤（発泡剤、整泡剤、安定剤、酸化防止剤、紫外線安定剤など）を添加し、室温にて撹拌混合する。
所定量のＴＤＩ及び触媒を秤量する。撹拌混合したポリオキシプロピレントリオール及びポリオキシプロピレンジオールにＴＤＩ及び触媒を添加し、室温にて撹拌混合してフォーム原料を作製する。

フォーム原料を所定形状の容器に入れ、容器内でフォーム原料を自然発泡させる。発泡終了後、容器をスチームが充満したキュア炉内に入れ、加熱処理を行う。加熱処理条件は、温度：６０〜９０℃、加熱時間：３０分〜１２時間とする。フォーム原料の組成などに応じて、上述したガラス転移温度及びｔａｎδの周波数依存性を満たすように、加熱処理条件は上記範囲内で適宜設定される。また、加熱処理条件は、発泡体の硬度、密度、強度、伸度、変色性、及び、これらの性質の発泡体全体での均一性をも考慮して、適宜設定されると良い。

以下では、実施例により本発明のポリウレタン発泡体を説明する。
実施例及び比較例のポリウレタン発泡体の組成を、表１に示す。各組成は、質量％で表した。
表におけるポリオールＡは、数平均分子量７００のポリオキシプロピレントリオール（三井化学（株）製、Ｔ−７００）である。ポリオールＢは、数平均分子量７００のポリオキシプロピレンジオール（三井化学（株）製、Ｄ−７００）である。ポリオールＣは、数平均分子量３０００のポリオキシプロピレントリオール（三井化学（株）製、Ｔ−３０００）である。ポリオールＤは、数平均分子量２０００のポリオキシプロピレンジオール（三井化学（株）製、Ｄ−２０００）である。ポリオールＥは、数平均分子量１０００のポリオキシプロピレンジオール（三井化学（株）製、Ｄ−１０００）である。ポリオールＦは、数平均分子量４００のポリオキシプロピレンジオール（三井化学（株）製、Ｄ−４００）である。
本実施例及び比較例では、２，４−トルエンジイソシアネート：２，６−トルエンジイソシアネート＝６５：３５であるトルエンジイソシアネート（三井化学（株）製、ＴＤＩ）を用いた。

発泡剤として、水を用いた。触媒として、アミン系触媒（中京油脂（株）製、３３ＬＶ）を用いた。実施例２では、上記触媒に加え更に金属系触媒（エアープロダクツ・アンド・ケミカルズ社（株）製、Ｔ−９）を用いた。整泡剤として、シリコーン系整泡剤（ジーイー東芝シリコーン（株）製、Ｌ−６２６）を用いた。
表１では、上記の発泡剤、触媒及び整泡剤の添加量は、トルエンジイソシアネート及びポリオールの合計を１００としたときの割合として示されている。

表１に示す組成のフォーム原料を作製し、容器（１００ｃｍ×１００ｃｍ×１００ｃｍ）に入れ、容器内でフォーム原料を１５分間自然発泡させた。その後、キュア炉内で温度：８０℃、加熱時間：１時間の条件で加熱処理し、硬化させた。各ポリウレタン発泡体から、長さ３０ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚さ５ｍｍの短冊状の試料を切り出した。

実施例及び比較例のポリウレタン発泡体の動的粘弾性を測定した。
（１）動的粘弾性の温度依存性測定
粘弾性測定装置（レオロジ社製、ＤＶＥ−Ｖ４）を用い、測定温度を変えたときの各試料の貯蔵弾性率Ｅ’及び損失弾性率Ｅ”を測定した。測定条件は、測定モード：引張、変位振幅：２０μｍ、周波数：１Ｈｚ、測定温度：−４０℃〜１３０℃、昇温速度：２℃／分とした。

（２）動的粘弾性の周波数依存性測定
（１）と同じ装置を用い、測定周波数を変えたときの各試料の貯蔵弾性率Ｅ’及び損失弾性率Ｅ”を測定した。測定条件は、測定モード：引張、変位振幅：２０μｍ、測定温度：２５℃、測定周波数：０．５Ｈｚ〜３００Ｈｚとした。

貯蔵弾性率Ｅ’及び損失弾性率Ｅ”から、損失正接ｔａｎδを得た。各実施例及び比較例について、温度に対するｔａｎδの変化を表すグラフから、測定温度範囲でｔａｎδが最大となるときの温度を、ガラス転移温度Ｔｇとして取得した。
貯蔵弾性率Ｅ’及び損失弾性率Ｅ”から、損失正接ｔａｎδを得た。各実施例及び比較例について、ｔａｎδの平均値Ａに対するｔａｎδの平均値Ｂの変化の割合（ｔａｎδの変化率）を求めた。

表２に、実施例及び比較例のガラス転移温度及びｔａｎδの変化率を示す。

図１に、動的粘弾性の温度依存性のグラフの一例として、実施例１の結果を示す。同図において、横軸は温度、第１の縦軸はＥ’及びＥ”、第２の縦軸はｔａｎδである。
図２に、動的粘弾性の周波数依存性のグラフの一例として、実施例１の結果を示す。同図において、横軸は周波数、第１の縦軸はＥ’及びＥ”、第２の縦軸はｔａｎδである。

図３に、比較例３の動的粘弾性の温度依存性のグラフを示す。同図において、横軸は温度、第１の縦軸はＥ’及びＥ”、第２の縦軸はｔａｎδである。図４に、比較例３の動的粘弾性の周波数依存性のグラフを示す。同図において、横軸は周波数、第１の縦軸はＥ’及びＥ”、第２の縦軸はｔａｎδである。なお、比較例３のポリウレタン発泡体は、実施例１と同じ条件で作製されたものである。

図１及び図３を参照すると、実施例１及び比較例３の動的粘弾性の温度依存性は類似している。ガラス転移温度も同程度であった。すなわち、実施例１及び比較例３のいずれも、０℃〜４０℃の間のガラス転移温度を示した。
なお、実施例２〜６、比較例１〜２のいずれも、０℃〜４０℃の間のガラス転移温度を示した。

図２及び図４を参照すると、実施例１及び比較例３のポリウレタン発泡体のいずれも、周波数が増加するに従いＥ’が増加している。しかし、Ｅ”に対してＥ’は、実施例１はほぼ同程度の割合で増加しているのに対し、比較例３はＥ’の増加度合いの方がＥ”より大きい。

実施例１及び比較例３のいずれも、ｔａｎδは０．１〜１００Ｈｚの範囲で０．４以上であった。
しかし、実施例１は安静時（０．１〜１Ｈｚ）のｔａｎδに対して運動時（１０〜１００Ｈｚ）のｔａｎδが増加している。更に図２に示すように、０．１〜１００Ｈｚでｔａｎδはほぼ一定である。表２を参照すると、実施例１のｔａｎδの変化率は１．４％と非常に低い。これに対し、比較例３では、周波数が高くなる程ｔａｎδが低下する傾向があり、運動時のｔａｎδは安静時のｔａｎδより低い。表２を参照すると、比較例３のｔａｎδの変化率は−３３．２％であった。

実施例２〜６のポリウレタン発泡体はいずれも、０．１〜１００Ｈｚの範囲でｔａｎδが０．４以上であった。表２に示すように、実施例２〜６では変化率が正であり、運動時のｔａｎδが安静時のｔａｎδ以上となっている。実施例３，４は変化率が１０％以下となった。特に実施例２は、変化率が２．４％と低くなった。

一方、比較例１〜２のポリウレタン発泡体は、０．１〜１００Ｈｚの範囲でｔａｎδの変化率が負となった。つまり、運動時のｔａｎδが安静時のｔａｎδよりも低くなった。

以上のように、実施例のポリウレタン発泡体は、ガラス転移温度が人体体表面の温度に近く、０．１〜１００Ｈｚの範囲でｔａｎδが０．４以上であり、ｔａｎδの変化率が正となった。このため、実施例のポリウレタン発泡体は人体に装着されたときに、運動時及び安静時のいずれにおいても、良好な装着感を与えた。実施例５，６よりも実施例３，４の方が装着感が良好であり、実施例１，２が特に良好な装着感を有していた。

Claims (3)

1. トルエンジイソシアネートとポリエーテルポリオールを主成分とし、
   前記トルエンジイソシアネートが、２，４−トルエンジイソシアネートと２，６−トルエンジイソシアネートとが６５：３５〜８０：２０の比率で混合され、
   前記ポリエーテルポリオールが、数平均分子量が７００以上３０００以下のポリオキシプロピレントリオール、数平均分子量が４００以上２０００以下のポリオキシプロピレンジオール、または、前記ポリオキシプロピレントリオールと前記ポリオキシプロピレンジオールの混合物であり、
   損失正接のピーク値に対応する温度とされるガラス転移温度が０℃以上４０℃以下であり、
   温度０℃以上４０℃以下において、０．１Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の周波数領域における前記損失正接が０．４以上であり、
   周波数０．１Ｈｚ以上１Ｈｚ以下の範囲での前記損失正接の平均値が、周波数１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の範囲での前記損失正接の平均値以下であるポリウレタン発泡体。
2. 前記周波数０．１Ｈｚ以上１Ｈｚ以下の範囲での前記損失正接の平均値に対する前記周波数１０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の範囲での前記損失正接の平均値の変化の割合が、０％以上１０％以下である請求項１に記載のポリウレタン発泡体。
3. 前記ポリエーテルポリオールと前記トルエンジイソシアネートとが、１００：３９．２１〜１００：４８．７７（質量比）の比率で配合される請求項１または請求項２に記載のポリウレタン発泡体。

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