JP7192497B2 - 断熱材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
すなわち、本発明は以下の通りである。
[1]
微細中空構造を有するコア層(A)、
少なくとも一部が該コア層(A)の外側に位置し、二酸化炭素吸収剤及び水蒸気吸収剤を含む、ガスを吸収可能なガス吸収層(B)、及び
該ガス吸収層(B)の外側に位置し、ガスを遮断可能なガス遮断層(C)を有し、
前記コア層(A)の微細中空構造の独立中空体率が50%以上であり、
前記ガス吸収層(B)が前記コア層(A)の表面積の80%以上を直接又は間接に覆っており、
前記ガス吸収層(B)と前記ガス遮断層(C)とで多層フィルムを形成している、
断熱材。
[2]
前記コア層(A)の空隙率が90~99%の範囲にある[1]に記載の断熱材。
[3]
前記コア層(A)の微細中空構造の平均中空径が1~500μmの範囲にある[1]又は[2]に記載の断熱材。
[4]
前記コア層(A)の微細中空構造の圧力が10~10000Paの範囲にある[1]~[3]のいずれか1項に記載の断熱材。
[5]
前記コア層(A)の厚さが0.5~40mmの範囲にある[1]~[4]のいずれか1項に記載の断熱材。
[6]
前記ガス吸収層(B)が前記コア層(A)を完全に包含している[1]~[5]のいずれか1項に記載の断熱材。
[7]
前記ガス吸収層(B)が酸素をさらに吸収可能な[1]~[6]のいずれか1項に記載の断熱材。
[8]
前記ガス吸収層(B)が樹脂製の基材にガス吸収剤を含有させた層である[1]~[7]のいずれか1項に記載の断熱材。
[9]
前記樹脂がポリエチレン樹脂を含む[8]に記載の断熱材。
[10]
下記の工程を有する[1]~[9]のいずれか1項に記載の断熱材の製造方法。
(1)樹脂を発泡させて、微細中空構造を有するコア層(A)を得る工程
(2)少なくとも一部が該コア層(A)の外側に位置し、ガスを吸収可能なガス吸収層(B)に、前記コア層(A)内部のガスを吸収させ、前記コア層の中空部分の圧力を下げる工程
[11]
前記コア層(A)を得る工程において、押出発泡法を用いる[10]に記載の断熱材の製造方法。
本実施形態の断熱材は、微細中空構造を有するコア層(A)(以下、単に「コア層(A)」ともいう。)、少なくとも一部が該コア層(A)の外側に位置し、ガスを吸収可能なガス吸収層(B)(以下、単に「ガス吸収層(B)」ともいう。)、及び該ガス吸収層(B)の外側に位置し、ガスを遮断可能なガス遮断層(C)(以下、単に「ガス遮断層(C)」ともいう。)を有する。以下、コア層(A)、ガス吸収層(B)、及びガス遮断層(C)について詳細に説明する。
コア層(A)は、本実施形態において図1に示す一例の様に、断熱材の中央のコアに位置し、微小な大きさの泡に代表される微細な中空部分(以下、「微細中空構造」ともいう。)を有する層である。当該コア層(A)は、微細中空構造を有するために本実施形態における断熱材の断熱性能が大きく向上する。
平均中空径は好ましくは1~300μm、より好ましくは1~100μmであり、さらに好ましくは1~50μmである。平均中空径が500μm以下であることにより、空体内部が減圧になった際に熱伝導率が低下しやすく、良好な断熱材を得られやすい傾向にある。一方、平均中空径が1μm以上であることにより、空隙率が低下しにくくなる傾向にある。平均中空径が上記範囲にあるような微細中空構造を得るためには、例えば発泡体の場合は、発泡に寄与するガスや核剤の種類及び量、基材樹脂のメルトテンション値等の樹脂特性、成型時の温度や圧力、成型機の形状等を最適化することが行われる。微細中空構造の平均中空径は、後述する実施例に記載の方法により測定できる。
化学発泡剤として、例えばアゾ系、ニトロソ系、ヒドラジッド系、セミカルバジド系、アジド系、トリアゾール系、テトラゾール系、イソシアネート系、重炭酸塩、炭酸塩、亜硝酸塩、水素化物、重炭酸ナトリウムと酸との組み合わせ、過酸化水素とイースト菌との組み合わせ、及び金属粉末と酸との組み合わせが挙げられ、二酸化炭素を発生させる炭酸塩、及び重炭酸塩が高純度のガスを発生させることができるため好ましい。これらは、1種以上を組み合わせて用いることができる。またこれらは市販品を容易に入手可能であり、好適に用いることができる。
ガス吸収層(B)は、本実施形態において図1に示す一例の様に、断熱材のコア層(A)の外側に位置し、前記微細中空構造を作製する際に用いたコア層(A)中のガスを吸収可能な層である。また、図1に示す一例は、ガス吸収層(B)がコア層(A)を完全に包含しているが、ガス吸収層(B)はコア層(A)の外側に位置すればよいため、図2に示す別例の様に、ガス吸収層(B)は、コア層(A)の一部を包含せず、コア層(A)の端部以外を包含する態様であってもよい。ガス吸収層(B)がガスを吸収することによりコア層(A)の中空部分の圧力が下がるため断熱性能が向上する。
ガス吸収剤として、例えばアルカリ金属の水酸化物、アルカリ土類金属の水酸化物、アミン化合物、エポキシ化合物、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アルカリ金属の水素化物、アルカリ土類金属の水素化物、リチウムアルミニウムヒドリド、金属の硫酸塩、塩化カルシウム、活性アルミナ、シリカゲル、モレキュラーシーブ、アルカリ金属の炭酸塩、酸化カルシウム、硫酸、酸化りん、鉄、亜硫酸塩、アスコルビン酸、グリセリン、MXD6ナイロン、エチレン性不飽和炭化水素、シクロヘキセン基を有するポリマー、チタンやセリウム等の金属酸化物の酸素原子欠陥構造体が挙げられ、アルカリ金属の水酸化物、アルカリ土類金属の水酸化物、金属の硫酸塩、塩化カルシウム、活性アルミナ、シリカゲル、モレキュラーシーブ、アルカリ金属の炭酸塩、酸化カルシウム、鉄、及び亜硫酸塩が安価でガス吸収時に不活性ガスをほとんど発生しないため好ましい。これらは、1種以上を組み合わせて用いることができる。またこれらは、市販品を容易に入手可能であり、好適に用いることができる。
ガス吸収層(B)は多層構造でも単層構造でもよく、ガス吸収層(B)とコア層(A)との間にガスを吸収する層以外の層を設けてもよい。
ガス吸収以外の層としては、例えばコア層(A)とガス吸収層(B)とを接着する接着層や、ガス吸収層の成分がコア層(A)に移行するのを防ぐ緩衝層が挙げられる。
ガス吸収層(B)の作製は、例えば樹脂にガス吸収剤を溶融混練して樹脂ペレットを作製し、フィルム成型することにより可能である。別の形態としては、上述の接着剤にガス吸収剤を混練した後に、コア層(A)やフィルムにコーティングする事でも作製可能である。
ガス遮断層(C)は本実施形態において図1に示す一例の様に、ガス吸収層(B)の外側に位置し、外部からのガスを遮断可能な層である。
ガス遮断層(C)は、コア層(A)内に空気の侵入を防ぐ事が可能な層であれば特に限定されないが、金属酸化物の蒸着膜、珪素酸化物の蒸着膜、金属蒸着膜、金属薄膜からなる群より選ばれる一種以上を有する多層体がガス遮断性に優れるため好ましい。これらは市販品として入手可能であり、好適に用いることができる。これらは、1種以上を組み合わせて用いることができる。
ガス遮断層(C)は、多層構造や単層構造を形成していてもよく、また、ガス遮断層(C)とガス吸収層(B)又は大気との間に、ガスを遮断する層以外の層を設けてもよい。
ガスを遮断する層以外の層としては、例えばヒートシールを行うためのシーラント樹脂層や、ガス遮断層(C)のピンホールを防止する保護層が挙げられる。
本実施形態の断熱材の製造方法は、本実施形態の断熱材を得ることができるものであれば特に限定されないが、例えば下記の工程を有する。
(1)樹脂を発泡させて、微細中空構造を有するコア層(A)を得る工程
(2)ガスを吸収可能なガス吸収層(B)に、コア層(A)内部のガスを吸収させる工程
微細中空構造の平均中空径は、次の方法によって算出した。具体的には、まず、コア層(A)を厚さ方向に直行する任意のX方向、並びに厚さ方向及びX方向に直行するY方向に沿って切断し、それぞれの切断面の中央部を走査型電子顕微鏡(日本電子製 商品名「JSM-6460LA」)で20~100倍に拡大して撮影した。
次に、撮影した画像をA4用紙上に印刷し、画像上に長さ60mmの直線を一本描いた。ここで、X方向に切断した切断面についてはX方向に平行に、Y方向に切断した切断面についてはY方向に平行に直線を描いた。上記各直線上に存在(点接触を含める)する中空の数から中空の平均弦長(t)を下記式により算出し、X方向の平均弦長(tX方向)及びY方向の平均弦長(tY方向)とした。
平均弦長(t)=60(mm)/(中空数×写真の倍率)
さらに、X方向に沿って切断した切断面の拡大写真及びY方向に直交する方向に沿って切断した切断面の拡大写真の双方において、X方向及びY方向に直行するZ方向(厚さ方向)に平行な長さ60mmの直線をそれぞれ一本描き、これらの直線上の存在する中空数を数え、切断面ごとに厚さ方向の平均弦長(t)を算出して、これらの平均弦長(t)の相加平均値を算出し、この相加平均値を厚さ方向の平均弦長(tZ方向)とした。
そして、算出された各方向における平均弦長(t)に基づいて下記式により微細中空構造の平均中空径を算出した。
平均中空径(mm)=(tX方向+tY方向+tZ方向)/3
コア層(A)のベースとなる基材の密度と、コア層(A)の密度とから、コア層(A)の空隙率を下記の計算式にて求めた。
空隙率(%)=(基材密度-コア層(A)の密度)/(基材の密度)×100
コア層(A)を縦25mm、横25mm、厚さ20mmの直方体状になるように断熱材の試験片を切出した後(厚さが足りない場合は、切出した試験片を重ねて上記直方体状とした。)、大気圧下、相対湿度50%、温度23℃の条件の恒温室内に試験片を1日静置した。
次に、この試験片の正確な見かけの体積値Vaを測定した。次いで、試験片を十分に乾燥させた後、ASTM-D2856-70に記載されている手順Cに準じ、東芝・ベックマン株式会社製の空気比較式比重計930により、体積値Vxを測定した。そして、これらの体積値Va及び体積値Vxに基づき、下記の式から微細中空構造の独立中空体率を算出した。なお、各測定及び各算出は、異なる5つの試験片について行いその平均値を求めた。この平均値を独立中空体率とした。
独立中空体率(%)=(Vx-W/ρ)×100/(Va-W/ρ)
Vx:微細中空構造を構成する樹脂の容積と、発泡樹脂成形体内の独立中空部分の中空の全容積との和(cm3)
Va:幾何学的に計算される見かけの体積(cm3)
W:発泡樹脂成形体の質量(g)
ρ:コア層(A)を構成する基材の密度(g/cm3)
<手法1>
絶対圧力センサー(オプテックス・エフエー社:FHAV-050KP)を内径1.2mmの注射針に溶接したものを用意した。続いて、この絶対圧力センサー付き注射針と作製した断熱材とをグローブボックスに入れ、グローブボックス内を二酸化炭素で置換した。その後、絶対圧力センサー付き注射針の先が作製した断熱材のコア層(A)の中心部分に届くように突き刺し、注射針を指した部分にエポシキ系接着剤(ニチバン社:アラルダイトAR-R30)を塗布し、外部から気体が入らないようにした。7日後に微細中空構造の圧力を測定した。なお、注射針を突き刺すのは断熱材の作製後、1時間以内に実施した。なお、圧力を測定した断熱材では、その後に後述する熱伝導率を測定できない為、熱伝導率は同構成の別の断熱材を作製して測定した。
<手法2>
ガス遮断層(C)がコア層(A)と接着剤等で一体化していない断熱材は、より簡単に測定できる以下の手法で測定した。
アクリル製の真空チャンバーを用意し、これに高精度真空計(キヤノンアネルバ社製:M-342DG)を装着した。続いて、作製してから2週間経過した断熱材をチャンバーに入れた後、距離を精密に測定できる変位センサー(オムロン社製:ZX2)をチャンバーの外に設置し、この変位センサーとチャンバーに入れた断熱材の表面までの距離を測定出来るようにした。その後、チャンバー内部をゆっくりと真空化すると、チャンバー内部の圧力がコア層(A)の圧力より低くなった時点でガス遮断層(C)が動く為、この動きを変位センサーで感知する事で、コア層(A)の圧力を測定した。
コア層(A)の厚さは、ノギスを用いて0.1ミリメートル単位でコア層(A)測定した。
ガス吸収層(B)及びガス遮断層(C)の厚さは、各層の断面部分を走査型電子顕微鏡(日本電子製、JSM-6460LA)にて観察して1マイクロメートル単位で測定した。
断熱体の試験サンプルの厚さは、上記HFM436により熱伝導率測定によって、同時に測定した。
JIS A1412に記載されているHFM法に準拠して、ネッチジャパン(株)製の熱伝導率測定装置HFM436を用いて25度で、断熱材の熱伝導率を測定した。
熱伝導率が、
0.020W/mK以下であるものをA評価、
0.021~0.025W/mKであるものをB評価、
0.026~0.030W/mKであるものをC評価、
0.031W/mK以上であるものをD評価とした。
D評価としたものを不合格とする。
<ガス吸収層(B1)の作製及びガス遮断層(C)との複合化>
ガス吸収層(B1)は、基材としてポリエチレン樹脂(ダウケミカル社製ELITE5220G)、二酸化炭素吸収剤として水酸化カルシウム、及び水蒸気吸収剤として酸化カルシウムを用いて作製した。
まず、ポリエチレン樹脂/水酸化カルシウム=51質量部/49質量部の比で溶融混練して、ガス吸収層(B)形成用の樹脂ペレット(b1-1)を作製した。同様に、ポリエチレン樹脂/酸化カルシウム=60質量部/40質量部の比で溶融混練して、ガス吸収層(B)形成用の樹脂ペレット(b1-2)を作製した。
続いて、この樹脂ペレット(b1-1)及び(b1-2)を1対1の比で用いて二層フィルム成型を行い、100μm厚のガス吸収層(B1)を得た。
続いて作製したガス吸収層(B1)の(b1-1)層側に、東洋モートン社製のドライラミネート用接着剤TM250HV及び硬化剤CAT-RT86L-60を酢酸エチルにて2倍に希釈したものをバーコーターで塗布、乾燥させた後に、ガス遮断層(C)としてPET/DL/Al/LDPE/LLDPEの層構成を有する市販のガスバリアフィルム(サンエー化研:レトルトパウチ用,PET:ポリエチレンテレフタレート、DL:接着剤、Al:アルミニウム箔、LDPE:低密度ポリエチレン、LLDPE:直鎖状短鎖分岐ポリエチレン)のLLDPE側をドライラミネートにより接着させて複合化し、ガス吸収層(B1)とガス遮断層(C)とからなる多層フィルムを得た。
第一押出機と第二押出機を接続してなるタンデム型押出機を用意した。該タンデム型押出機の第一押出機に、100質量部のポリスチレン樹脂(PSジャパン社製G9305)を供給して溶融混錬し、第一押出機の流路の途中から発泡剤としての二酸化炭素を圧入して、溶融状態のポリスチレン樹脂と二酸化炭素とを均一に混合混練した上で、ポリスチレン樹脂を第二押出機に連続的に供給して溶融混練しつつ発泡に適した温度に冷却した。その後、第二押出機の先端に取り付けたサーキュラー金型からポリスチレン樹脂を押出発泡させ、得られた円筒状の発泡成形体をマンドレルに添わせて冷却し、マンドレル上の一点で、カッターにより円筒状の発泡成形体を切開して、微細中空構造を有する5mm厚のコア層(A1)とした。コア層(A1)の平均中空径、空隙率、独立中空体率は表1の通りであった。
続いて、上記方法で作製したガス吸収層(B1)とガス遮断層(C)とを有する多層フィルムのガス吸収層(B1)の(b1-2)層側に、ガス遮断層(C)を接着させた方法と同様の手法で接着剤を用いてコア層(A)を接着した。そして末端部を幅20mmの範囲でヒートシール(富士インパルス社製)を用いて密閉化した。7日後にこのコア層(A1)-ガス吸収層(B1)-ガス遮断層(C)の複合体(断熱材)の熱伝導率と圧力(手法1)を測定した。結果を表1に示す。
<ガス吸収層(B2)の作製>
ガス吸収層(B2)は、基材としてポリエチレン樹脂(ダウケミカル社製ELITE5220G)、二酸化炭素吸収剤として水酸化カルシウム、及び水蒸気吸収剤として酸化カルシウムを用いて作製した。
まず、ポリエチレン樹脂/水酸化カルシウム=50質量部/50質量部の比で溶融混練して、ガス吸収層(B)形成用の樹脂ペレット(b2-1)を作製した。同様に、ポリエチレン樹脂/酸化カルシウム=50質量部/50質量部の比で溶融混練して、ガス吸収層(B)形成用の樹脂ペレット(b2-2)を作製した。
続いて、この樹脂ペレット(b2-1)及び(b2-2)を1.4対1の比で用いて二層フィルム成型を行い、120μm厚のガス吸収層(B2)を得た。
発泡剤として二酸化炭素と水を用いた以外は、実施例1と同様の方法でコア層(A)を作製した。作製したコア層(A2)の平均中空径、空隙率、独立中空体率は表1の通りであった。
続いて、前記方法で作製したコア層(A2)にガス吸収層(B2)の(b2-1)層側を接着させて複合体を作製した。この工程は、二酸化炭素雰囲気下で行なった。
上記で作製したコア層(A2)とガス吸収層(B2)の複合体を、実施例1に記載のガス遮断層(C)で完全に覆い、複合体とガス遮断層(C)の間の気体を出来るだけ除去した後に末端部を幅10mmの範囲でヒートシールを用いて密閉化した。この工程は二酸化炭素雰囲気下で行なった。二週間後にこのコア層(A2)-ガス吸収層(B2)-ガス遮断層(C)の複合体(断熱材)の熱伝導率と圧力(手法2)を測定した。結果を表1に示す。
コア層(A)として、表1の平均中空径、空隙率、独立中空体率を有するコア層(A3)を用いた以外は、実施例2と同様に手法で複合体(断熱材)を作製し熱伝導率と圧力(手法2)を測定した。結果を表1に示す。
実施例2と同様の方法でコア層(A2)を得た。続いて、コア層(A2)の表面の1/3をガス吸収層(B2)と接着し、その上から全体をガス遮断層(C)で覆った。ガス遮断層(C)の間の気体を出来るだけ除去した後に末端部を幅10mmの範囲でヒートシールを用いて密閉化した。この工程は二酸化炭素雰囲気下で行なった。二週間後にこのコア層(A2)-ガス吸収層(B2)-ガス遮断層(C)の複合体(断熱材)の熱伝導率と圧力(手法2)を測定した。結果を表1に示す。
従来のポリスチレン発泡体である岩倉化学工業社の製品名セルボードを断熱材として熱伝導率を測定したが、実施例に劣る結果となった(表1)。その他の測定及び評価の結果を表1に示す。
ガス吸収層(B1)及びガス遮断層(C)を用いず、実施例1と同様の方法で得たコア層(A1)のみを作製して、それを断熱材として熱伝導率を測定したが、微細中空体の圧力が低下しない為、熱伝導率は実施例に劣る結果となった(表1)。その他の測定及び評価の結果を表1に示す。
ガス吸収層(B2)及びガス遮断層(C)を用いず、実施例2と同様の方法で得たコア層(A2)のみを作製して、それを断熱材として熱伝導率を測定したが、微細中空体の圧力が低下しない為、熱伝導率は実施例に劣る結果となった(表1)。その他の測定及び評価の結果を表1に示す。
実施例1のガス吸収層用ペレットを作製する際に用いた水酸化カルシウムと酸化カルシウムの粉末を、通気性を有する小袋に入れてガス吸収小袋を作製した。続いて、実施例1と同様の手法でコア層(A1)を得た後、コア層(A1)の上にガス吸収小袋を乗せた。コア層(A1)とガス吸収小袋の全体をガス遮断層(C)で完全に覆い、ガス遮断層(C)の間の気体を出来るだけ除去した後に末端部を幅10mmの範囲でヒートシールを用いて密閉化した。この工程は二酸化炭素雰囲気下で行なった。二週間後にこの複合体の圧力(手法2)と熱伝導率を測定した。しかし、ガス吸収層(B)ではなく袋状のガス吸収小袋を用いている為、圧力の低下は小さかった。また、小袋部分が断熱材の表面から出っ張ってしまった為、正確に熱伝導率を測定する事はできなかった。
Claims (11)
- 微細中空構造を有するコア層(A)、
少なくとも一部が該コア層(A)の外側に位置し、二酸化炭素吸収剤及び水蒸気吸収剤を含む、ガスを吸収可能なガス吸収層(B)、及び
該ガス吸収層(B)の外側に位置し、ガスを遮断可能なガス遮断層(C)を有し、
前記コア層(A)の微細中空構造の独立中空体率が50%以上であり、
前記ガス吸収層(B)が前記コア層(A)の表面積の80%以上を直接又は間接に覆っており、
前記ガス吸収層(B)と前記ガス遮断層(C)とで多層フィルムを形成している、
断熱材。 - 前記コア層(A)の空隙率が90~99%の範囲にある請求項1に記載の断熱材。
- 前記コア層(A)の微細中空構造の平均中空径が1~500μmの範囲にある請求項1又は2に記載の断熱材。
- 前記コア層(A)の微細中空構造の圧力が10~10000Paの範囲にある請求項1~3のいずれか1項に記載の断熱材。
- 前記コア層(A)の厚さが0.5~40mmの範囲にある請求項1~4のいずれか1項に記載の断熱材。
- 前記ガス吸収層(B)が前記コア層(A)を完全に包含している請求項1~5のいずれか1項に記載の断熱材。
- 前記ガス吸収層(B)が酸素をさらに吸収可能な請求項1~6のいずれか1項に記載の断熱材。
- 前記ガス吸収層(B)が樹脂製の基材にガス吸収剤を含有させた層である請求項1~7のいずれか1項に記載の断熱材。
- 前記樹脂がポリエチレン樹脂を含む請求項8に記載の断熱材。
- 下記の工程を有する請求項1~9のいずれか1項に記載の断熱材の製造方法。
(1)樹脂を発泡させて、微細中空構造を有するコア層(A)を得る工程
(2)少なくとも一部が該コア層(A)の外側に位置し、ガスを吸収可能なガス吸収層(B)に、前記コア層(A)内部のガスを吸収させ、前記コア層の中空部分の圧力を下げる工程 - 前記コア層(A)を得る工程において、押出発泡法を用いる請求項10に記載の断熱材の製造方法。
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