JP7456022B2 - ポリウレタンフォーム及びシートパッド - Google Patents
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Description
本出願は、2021年2月12日に出願された日本国特許出願2021-20786号、2021年4月22日に出願された日本国特許出願2021-72390号に基づくものであって、それらの優先権の利益を主張するものであり、それらの特許出願の全ての内容が、参照により本明細書に組み込まれる。
しかしながら、反発弾性の低減と、応力緩和率及びヒステリシスロス率の低減は相反する性能であり、これらを両立することは困難であった。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、適度な反発弾性を有しつつ、応力緩和率及びヒステリシスロス率が低減されたポリウレタンフォームを提供することを目的とする。
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
前記ポリオールとして、
アルキレンオキサイド単位の全量を100モル%とした場合に、エチレンオキサイド単位の含有量が60モル%以上であるポリオール(a)が含まれ、
前記ポリオール(a)の含有量は、前記ポリオールの全量を100質量部とした場合に、60質量部以上95質量部以下である、ポリウレタンフォーム。
〔2〕前記ポリオール(a)の官能基数が3未満であり、
前記ポリオール(a)の数平均分子量が2000以上20000以下である、ポリウレタンフォーム。
ポリウレタンフォームは、ポリオール及びイソシアネートを含む組成物から得られる。ポリオールとして、アルキレンオキサイド単位の全量を100モル%とした場合に、エチレンオキサイド単位(以下、「EO単位」と略記する。)の含有量が60モル%以上であるポリオール(a)が含まれる。ポリオール(a)の含有量は、ポリオールの全量を100質量部とした場合に、60質量部以上95質量部以下である。
組成物は、ポリオール及びイソシアネートを含んでいる。組成物は、発泡剤、触媒、整泡剤、及び架橋剤から選択される少なくとも1種を任意の成分として含んでいてもよい。組成物の各成分について説明する。
ポリオールとしては、アルキレンオキサイド単位の全量を100モル%とした場合に、EO単位の含有量が60モル%以上であるポリオール(a)が含まれる。以下、EO単位の含有量というときは、アルキレンオキサイド単位の全量を100モル%とした場合の含有量とする。ポリオールは、EO単位の含有量が60モル%未満(EO単位を含んでいなくてもよい)の他のポリオール(b)が併用される。
ポリオール(a)の製造に用いられるエチレンオキサイドを除く他のアルキレンオキサイドとしては、プロピレンオキサイド、ブチレンオキサイド等が挙げられるが、プロピレンオキサイドが用いられることが多い。ポリオール(a)として、EO単位の他は全量がプロピレンオキサイド単位(以下、「PO単位」と略記する。)であるポリオールを好適に用いることができる。
ポリオール(a)の数平均分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により測定できる。ポリオール(a)が市販品である場合には、カタログ値をポリオール(a)の数平均分子量として採用してもよい。
ポリオール(a)の官能基数が上記の値であれば、ポリオールとイソシアネートが反応する際に網目構造の形成を抑制できる。このようにして形成されたポリウレタンフォームは、圧縮時における、ポリウレタン分子の絡み合いが抑制され、応力緩和率及びヒステリシスロス率が低減すると推測される。
なお、本開示において、官能基数とは、ポリオールに含まれるそれぞれの成分が有する活性水素基の数の平均を意味する。ポリオールが市販品である場合には、カタログ値をポリオール(a)の官能基数として採用してもよい。
ポリオール(a)とポリオール(b1)を併用した場合には、ポリウレタンフォームのクッション性を向上できる。その理由は定かではないが、次のように推測される。
ポリオールとしてポリオール(a)のみを用いた場合、クッション性が低くガサガサしたフォームが得られる。ポリオールとしてポリオール(a)のみを用いた場合には、ポリオールの成分が均質化して、反応が早く進行したことが一因と考えられる。ポリオールとして、ポリオール(a)と、ポリオール(a)とは性状が異なるポリエーテルポリオールであるポリオール(b1)を併用することで、反応を緩やかにすることができ、クッション性を向上できると推測される。
ポリオール(b1)の官能基数が上記の値であれば、ポリオールとイソシアネートが反応する際に網目構造の形成を抑制できる。このようにして形成されたポリウレタンフォームは、圧縮時における、ポリウレタン分子の絡み合いが抑制され、応力緩和率及びヒステリシスロス率が低減すると推測される。
ポリオール(b1)の数平均分子量は特に限定されない。このポリオール(b1)の数平均分子量は、好ましくは2000以上20000以下であり、より好ましくは2500以上15000以下であり、さらに好ましくは3000以上10000以下である。
ポリオール(b2)の官能基数が2であれば、ポリオールとイソシアネートが反応する際に網目構造の形成を抑制できる。このようにして形成されたポリウレタンフォームは、圧縮時における、ポリウレタン分子の絡み合いが抑制され、応力緩和率及びヒステリシスロス率が低減すると推測される。
ポリオール(b2)の数平均分子量は特に限定されない。このポリオール(b2)の数平均分子量は、好ましくは1500以上15000以下であり、より好ましくは2000以上10000以下であり、さらに好ましくは2500以上8000以下である。
発泡剤は、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。発泡剤としては、特に水が好ましい。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質量部に対して1.0質量部以上4.0質量部以下が好ましい。
触媒は、ポリウレタンフォーム用の公知のものを使用することができる。本開示では、泡化触媒と樹脂化触媒の併用が好ましい。泡化触媒は、ポリイソシアネートと水の反応を促進して炭酸ガスを発生させる触媒である。泡化触媒は限定されるものではなく、例えば、ビス(2-ジメチルアミノエチル)エーテル、トリエチルアミン、ジメチルアミノエトキシエタノール、N,N,N’-トリメチルアミノエチル-エタノールアミン、N,N,N’,N",N"-ペンタメチルジエチレントリアミン等のアミン系触媒を挙げることができる。
整泡剤は、ウレタンフォーム原料として通常に採用されるものであればよく、例えば、シリコーン系化合物、非イオン系界面活性剤等が挙げられる。整泡剤の量は、ポリオール100質量部に対して0.2質量部以上2.0質量部以下が好ましい。
架橋剤は、ポリウレタンフォームの硬さ及び引裂強さを向上するために配合され、特に硬さを上げるために有効である。なお、架橋剤は、任意成分であり、添加しなくても応力緩和率及びヒステリシスロス率を低減できる。
架橋剤としては、トリメチロールプロパン、グリセリン、1,4-ブタンジオール、ジエチレングリコール等の多価アルコールや、エタノールアミン類、ポリエチレンポリアミン類等のアミン等を挙げることができる。架橋剤は二種類以上使用してもよい。架橋剤の合計量は、ポリオール100質量部に対し、0.1質量部以上6.0質量部以下が好ましい。
イソシアネートは、特に限定されない。イソシアネートとしては、MDI系イソシアネート(ジフェニルメタンジイソシアネート系イソシアネート)が好ましい。MDI系イソシアネートを用いた場合には、例えば、TDI(トルエンジイソシアネート)を用いた場合よりも、ポリウレタンフォームの表面をソフトな触感とすることができる。
MDI系イソシアネートとして、具体的には、2,2’-ジフェニルメタンジイソシアネート(2,2’-MDI)、2,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(2,4’-MDI)、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(4,4’-MDI)等のモノメリックMDI、ジフェニルメタンジイソシアネートとポリメチレンポリフェニレンポリイソシアネートの混合物であるポリメリックMDI、これらのカルボジイミド変性体、ウレタン変性体、ウレア変性体、アロファネート変性体、ビウレット変性体、イソシアヌレート変性体等、さらにこれらのイソシアネートとポリオール類を反応させて得られるMDIプレポリマー等を挙げることができる。MDI系イソシアネートは、複数種類を併用してもよい。
これらの中でも、イソシアネートは、カルボジイミド変性MDIを含むことが好ましく、カルボジイミド変性MDIとポリメリックMDIを含むことがより好ましく、カルボジイミド変性MDI、モノメリックMDI、及びポリメリックMDIを含むことがさらに好ましい。
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や発泡剤としての水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。
その他に適宜配合される添加剤として、例えば、難燃剤、着色剤等を挙げることができる。
着色剤は、ポリウレタンフォームを適宜の色にするために配合され、求められる色に応じたものが使用される。着色剤として、顔料、黒鉛等を挙げることができる。
ポリウレタンフォームの物性は、用途等に応じて適宜設定できる。ポリウレタンフォームは、軟質ポリウレタンフォームであることが好ましい。
ポリウレタンフォームは、以下の物性を備えることが好ましい。
ヒステリシスロス率(JIS K6400-2 B法)は、20%以下であることが好ましく、15%以下であることがより好ましく、10%以下であることがさらに好ましい。ヒステリシスロス率の下限は、特に限定されないが、通常5.0%以上である。
応力緩和率は、15%以下であることが好ましく、10%以下であることがより好ましく、5.0%以下であることがさらに好ましい。応力緩和率の下限は、特に限定されないが、通常1.0%以上である。
なお、応力緩和率(%)は次のようにして測定できる。
直径200mmの円形加圧板を用いて、50mm/分の速度でポリウレタンフォームの初期厚みの75%の距離を圧縮した。その後、荷重を除き、1分間放置した。再び同じ速度にて荷重をかけて、196N(20kgf)の負荷となった時点で加圧板を停止させ、5分間放置後の加重を読み取った。そして、下記式により、応力緩和率を算出した。
応力緩和率(%)=100×[加圧板停止時の加重(196N)-5分間放置後の加重]/加圧板停止時の加重(196N)
反発弾性(JIS K6400-3)は、5%以上80%以下が好ましく、10%以上50%以下がより好ましく、15%以上30%以下がさらに好ましい。
(2.4)25%硬さ
25%硬さ(JIS K6400-2 D法)は、10N~600Nが好ましく、100N~400Nがより好ましい。600N以下であれば柔軟性に富み、ポリウレタンフォームとして好ましい。
(2.5)見掛けコア密度
見掛けコア密度(JIS K7222)は、10kg/m3~150kg/m3が好ましく、30kg/m3~80kg/m3がより好ましい。
(2.6)引張強さ、引裂強さ、伸び
引張強さ(JIS K6400-5)は、45kPa以上が好ましく、70kPa以上がより好ましく、95kPa以上がさらに好ましい。
引裂強さ(JIS K6400-5)は、2.0N/cm以上が好ましく、3.5N/cm以上がより好ましく、5.0N/cm以上がさらに好ましい。
伸び(JIS K6400-5)は、50%~500%が好ましく、60%~300%がより好ましく、70%~150%が好ましい。伸びが50%以上であれば柔軟性に富み、ポリウレタンフォームとして好ましい。
本開示のポリウレタンフォームにおいて応力緩和率及びヒステリシスロス率が低減する理由は定かではないが、次のように推測される。但し、本開示は、この推定理由によって何ら限定解釈されるものではない。
EO単位の含有量が60モル%以上であるポリオール(a)を用いることで、ポリウレタン分子中の側鎖を減らすことができ、ポリウレタンフォームが圧縮された際のポリウレタン分子の絡み合いが抑制される。すると、ポリウレタンフォームを圧縮した際に、ポリウレタン分子の絡み合いに起因した歪が生じ難くなり、応力緩和率とヒステリシスロス率が低減すると推測される。
ポリウレタンフォームは、ポリウレタン樹脂組成物を攪拌混合してポリオールとイソシアネートを反応させる公知の発泡方法によって製造することができる。発泡方法には、スラブ発泡とモールド発泡とがあり、いずれの成形方法でもよい。
スラブ発泡は、混合したポリウレタン樹脂組成物を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。
他方、モールド発泡は、混合したポリウレタン樹脂組成物をモールド(成形型)に充填してモールド内で発泡させる方法である。モールド発泡による成形方法は、複雑な立体形状を有する成形品に好適である。例えば、シートパッド等のクッション材、枕及びマットレス等の寝具、座布団、座椅子用パッド、衣料用パッドの成形に好適である。
本開示のポリウレタンフォームが使用される物品は限定されない。ポリウレタンフォームは、シートパッドに好適であり、特に乗物(自動車)用のシートパッドとして好適である。図1において、本開示のポリウレタンフォームを備えたシートパッド10を例示する。なお、図1において、シートパッド10よりも応力緩和率とヒステリシスロス率が高いシートパッドを使用した着座者の様子を、二点破線で模式的に示している。
乗物用のシートパッドの性能として、薄肉化に伴う乗り心地向上が求められている。乗り心地を向上するうえで、搭乗時及び走行時のぐらつきを抑えることが重要である。搭乗時及び走行時のぐらつきを抑えるために、シートパッドにおける振動吸収特性の向上及び着座時の姿勢安定性の向上が求められる。振動吸収特性の向上には、反発弾性の低減が有効である。また、着座時の姿勢安定性の向上には、応力緩和率とヒステリシスロス率の低減が有効である。本開示のポリウレタンフォームは、適度な反発弾性を有しつつ、応力緩和率及びヒステリシスロス率が低い特性を有する。このため、本開示のポリウレタンフォームを備えたシートパッド10は、搭乗時及び走行時のぐらつきを抑えることができ、薄肉化した場合であっても乗り心地がよい。
1.ポリウレタンフォームの製造
表1,2の割合で配合した組成物を調製し、モールド発泡により、実施例及び比較例のポリウレタンフォームを製造した。
・ポリオール(a):ポリオキシエチレン/プロピレングリコール共重合体、EO単位含有量 80モル%、PO単位含有量 20モル%、数平均分子量 4000、官能基数 2
・ポリオール(b1):ポリオキシエチレン/プロピレングリコール共重合体、EO単位含有量 20モル%、PO単位含有量 80モル%、数平均分子量 4000、官能基数 2
・ポリオール(b2):ポリオキシテトラメチレングリコール、EO単位を含まない、数平均分子量 3000、官能基数 2
・ポリオール(c):ポリエーテルポリオール、EO単位含有量 15モル%、PO単位含有量 85モル%、数平均分子量 7000、官能基数 3
・ポリオール(d):ポリマーポリオール、数平均分子量 5000、官能基数 3~4
・ポリオール(e):ポリエーテルポリオール、EO単位含有量 15モル%、PO単位、数平均分子量 5000、官能基数 3
・触媒-1:泡化触媒、ビス(2-ジメチルアミノエチル)エーテル、品番;DABCO BL-11、MOMENTIVE社製
・触媒-2:樹脂化触媒、トリエチレンジアミン 33%、品番;DABCO 33LSI、エボニックジャパン株式会社製
・触媒-3:泡化触媒、ビス(2-ジメチルアミノエチル)エーテル、品番;DABCO BL-19、MOMENTIVE社製
・整泡剤-2:シリコーン系整泡剤、品番;B8715LF2、EVONIK社製
・整泡剤-3:シリコーン系整泡剤、品番;B8738LF2、EVONIK社製
・架橋剤-1:トリメチロールプロパントリメタクリレート
・架橋剤-2:グリセリン
・架橋剤-3:N,N-ジエタノールアミン 80%
・イソシアネート-2:カルボジイミド変性MDIを含有するMDI(4,4’-MDI)40%と、モノメリックMDI40%と、ポリメリックMDI20%との混合物
・イソシアネート-3:トルエンジイソシアネート(TDI)80%と、ポリメリックMDI20%との混合物
上記原料を用いて製造されたポリウレタンフォームから試験片を切り出し、下記の方法によりヒステリシスロス率、応力緩和率、反発弾性等を測定した。実験例2は、脱型ができなかったため、物性の評価をしていない。
(1)ヒステリシスロス率
ヒステリシスロス率(%)は、JIS K6400-2 B法に準じて測定した。数値が小さいほど、着座時の姿勢安定性が良好となる。
(2)応力緩和率
応力緩和率(%)は、実施形態に記載の方法で測定した。数値が小さいほど、着座時の姿勢安定性が良好となる。
(3)反発弾性
反発弾性(%)は、JIS K6400-3に準じて測定した。
(4)25%硬さ
25%硬さ(N)は、JIS K6400-2 D法に準じて測定した。
(5)見掛けコア密度
見掛けコア密度(kg/m3)は、JIS K7222に準じて測定した。
(6)引張強さ、引裂強さ、伸び
引張強さ(kPa)、引裂強さ(N/cm)、伸び(%)は、JIS K6400-5に準じて測定した。
結果を表1,2に併記する。総合評価は以下のようにした。なお、総合評価では、実験例1の反発弾性(71.8%)を基準として各実験例2-11の反発弾性について評価したが、好ましい反発弾性の値はこれに限定されない。ポリウレタンフォームの反発弾性は、ポリウレタンフォームの用途等に応じて適宜設定できる。
(評価基準)
A:ポリウレタンフォームの反発弾性が従来品(実験例1)よりも小さく、ヒステリシスロス率が10%以下であり、かつ応力緩和率が5%以下である。
B:A基準は満たさないものの、ポリウレタンフォームの反発弾性が従来品(実験例1)よりも小さく、ヒステリシスロス率が20%以下であり、かつ応力緩和率が15%以下である。
C:A基準及びB基準は満たさないものの、ポリウレタンフォームの反発弾性が従来品(実験例1)よりも小さく、ヒステリシスロス率が20%以下であるか、応力緩和率が15%以下である。
D:ポリウレタンフォームの反発弾性が従来品(実験例1)と同等以上であるか、ヒステリシスロス率が20%よりも大きく、かつ応力緩和率が15%よりも大きい。
以上の実施例によれば、適度な反発弾性を有しつつ、応力緩和率及びヒステリシスロス率が低減されたポリウレタンフォームを提供できる。
Claims (8)
- ポリオール及びイソシアネートを含む組成物から得られるポリウレタンフォームであって、
前記ポリオールとして、
アルキレンオキサイド単位の全量を100モル%とした場合に、エチレンオキサイド単位の含有量が60モル%以上であるポリオール(a)が含まれ、
前記ポリオール(a)の官能基数は3未満であり、
前記ポリオール(a)の含有量は、前記ポリオールの全量を100質量部とした場合に、60質量部以上95質量部以下であり、
25%硬さが100N以上600N以下である、ポリウレタンフォーム。 - ポリオール及びイソシアネートを含む組成物から得られるポリウレタンフォームであって、
前記ポリオールとして、
アルキレンオキサイド単位の全量を100モル%とした場合に、エチレンオキサイド単位の含有量が60モル%以上であるポリオール(a)が含まれ、
前記ポリオール(a)の官能基数は3未満であり、
前記ポリオール(a)の含有量は、前記ポリオールの全量を100質量部とした場合に、60質量部以上95質量部以下であり、
応力緩和率が15%以下である、ポリウレタンフォーム。 - ポリオール及びイソシアネートを含む組成物から得られるポリウレタンフォームであって、
前記ポリオールとして、
アルキレンオキサイド単位の全量を100モル%とした場合に、エチレンオキサイド単位の含有量が60モル%以上であるポリオール(a)が含まれ、
前記ポリオール(a)の官能基数は3未満であり、
前記ポリオール(a)の含有量は、前記ポリオールの全量を100質量部とした場合に、60質量部以上95質量部以下であり、
JIS K6400-2 B法によるヒステリシスロス率が20%以下である、ポリウレタンフォーム。 - ポリオール及びイソシアネートを含む組成物から得られるポリウレタンフォームであって、
前記ポリオールとして、
アルキレンオキサイド単位の全量を100モル%とした場合に、エチレンオキサイド単位の含有量が60モル%以上であるポリオール(a)が含まれ、
前記ポリオール(a)の官能基数は3未満であり、
前記ポリオール(a)の含有量は、前記ポリオールの全量を100質量部とした場合に、90質量部以上95質量部以下であり、
JIS K6400-3による反発弾性が、5%以上50%以下である、ポリウレタンフォーム。 - ポリオール及びイソシアネートを含む組成物から得られるポリウレタンフォームであって、
前記ポリオールとして、
アルキレンオキサイド単位の全量を100モル%とした場合に、エチレンオキサイド単位の含有量が60モル%以上であるポリオール(a)が含まれ、
前記ポリオール(a)の官能基数は3未満であり、
前記ポリオール(a)の含有量は、前記ポリオールの全量を100質量部とした場合に、60質量部以上95質量部以下であり、
伸びが50%以上89.5%以下である、ポリウレタンフォーム。 - JIS K6400-3による反発弾性が、5%以上50%以下である、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のポリウレタンフォーム。
- 請求項1から請求項3、請求項5のいずれか一項に記載のポリウレタンフォームを備えるシートパッド。
- ポリオール及びイソシアネートを含む組成物から得られるポリウレタンフォームを備えるシートパッドであって、
前記ポリウレタンフォームは、
前記ポリオールとして、
アルキレンオキサイド単位の全量を100モル%とした場合に、エチレンオキサイド単位の含有量が60モル%以上であるポリオール(a)が含まれ、
前記ポリオール(a)の官能基数は3未満であり、
前記ポリオール(a)の含有量は、前記ポリオールの全量を100質量部とした場合に、90質量部以上95質量部以下である、シートパッド。
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