ポリウレタンフォーム 化学特性,用途語,生産方法
概要
ウレタンエラストマーはElasticity（弾性）を有するポリウレタンのことを意味し、エラストマー（Elastomer）と称されます。 加硫ゴムに近い特性を示し、弾性力・機械的強度・低温特性・耐摩擦性・耐候性・耐油性に優れているという特性があります。そのため生活用品から工業用品まで多くの分野でデザイン性に富んだ応用が可能です。
解説
ポリウレタンを骨格とする発泡体。ウレタンフォームは，ポリウレタンを合成する際，グリコール成分とジイソシアネート成分が水により反応し橋架け結合によって網状化する際に発生するガスを利用して，発泡体をつくる。
"必要により他の発泡剤や発泡均一化剤が加えられることもある。得られるフォームには，軟質，半硬質，硬質の各種がある。軟質フォームはクッション性(形状復帰性)にすぐれており，マットレス，シートなどに用いられる。硬質フォームは剛性があり，断熱性，低温特性にすぐれているため，冷蔵庫用断熱材が最大の用途である。
株式会社平凡社 世界大百科事典 第２版について 情報
用途
ポリウレタンフォームは，内部に気泡を保留させた多孔質のポリウレタン。生成過程で発生するガスを保留させたもの。一般に非常に軽量で，断熱性，防音性にすぐれ，硬質のものから軟質のものまでバリエーションがありマットレスやシートなどのクッション材，冷蔵庫やLNGタンカーの断熱材，その他防音材，包装用パッキング材などに広く利用される。ポリエーテルグリコールとジイソシアナートとの重付加反応でポリウレタンを製造し水を加えて発泡させつつ硬化させたもので，クッション材や包装に用いる．ポリウレタンから作った発泡性の合成樹脂。軟質のものは断熱・吸音・保温材に、硬質のものは建材・救命ブイなどに使われる。ポリウレタンフォーム。
分類
1、用途による分類
①塗料用 ②接着用 ③土木建設用 ④注型エラストマー用 ⑤熱可塑エラストマー用 ⑥合成皮革用 ⑦スパンデックス用⑧フォーム用 ⑨医療用 ⑩その他
2、硬化法による分類
（1）一液形ウレタンエラストマー
①ブロックイソシアネート ②湿気硬化型タイプ ③油変化タイプ④UV・EB硬化タイプ ⑤ラッカータイプ ⑥熱可塑タイプ
（2）液型ウレタンエラストマー
①ポリオール硬化タイプ ②ポリアミン硬化タイプ ③触媒効果タイプ
化学的特性
Polyurethane foams are resistant to a wide range of solvents. In this
respect, polyester foams are generally superior to polyether foams, particularly
in resistance to dry cleaning solvents. Polyurethane foams are
subject to degradation by aqueous acids and alkalis and steam. Ester, amide
and urethane groups represent sites for hydrolytic attack. Since the ether
group is not readily attacked, polyether foams are generally more resistant to
hydrolysis than polyester foams.
使用
Flexible polyurethane foams are open-cell structures which are usually
produced with densities in the range 24-48 kg/m3 (1.5-3Ib/ft3). The major
interest in flexible foams is for upholstery applications and thus the loadcompression
characteristics are of importance.
製造方法
Polyurethane foams are produced by forming a polyurethane polymer concurrently
with a gas evolution process. Provided these two processes are
balanced, bubbles of gas are trapped in the polymer matrix as it is formed and
a cellular product results. The matching of the two reactions is essential for
the formation of satisfactory foams. If the evolution of gas is too rapid, the
foam initially rises well but then collapses because polymerization has not
proceeded sufficiently to give a matrix strong enough to retain the gas. If
polymerization is too fast, the foam does not rise adequately.
By selection of appropriate reactants, it is possible to prepare foams of
varying degrees of cross-linking. Slightly cross-linked products are flexible
whilst highly cross-linked products are rigid. Both flexible and rigid polyurethane
foams are of commercial importance.
調製方法
Castable polyurethane elastomers are fabricated from polyurethane
prepolymers, which are obtained by reacting an
excess of diisocyanate with high-molecular-weight
diols. These NCO-terminated oligomers (prepolymers)
are commercially available under a variety of
trade names and in numerous types depending upon the
types of diisocyanates and polyols that are used to synthesize
them. The NCO content of these prepolymers can vary from
less than 3% to as much as 20%. A cast polyurethane
fabricator mixes these liquid prepolymers with approximately
stoichiometric quantities of a curing agent (or a
blend of curing agents) such as an appropriate low-molecular-
weight diol or diamine.
Generally a prepolymer is heated to reduce its viscosity
before mixing it with a liquid or a molten curing agent. The
prepolymer curing agent blends have a limited working time
(pot life) during which they are still liquid and can be poured
into molds. The liquid prepolymer/curing agent blend is
degassed and then poured into molds, which are often heated
to expedite curing. After curing, the solid polyurethane
elastomer articles are removed from the mold and are sometimes
finished by keeping them at elevated temperature to
complete the cure and to maximize mechanical properties.
危険性
Evolves toxic fumes on ignition.
フォーム製造方法
ポリウレタンフォームの製造方法
ポリウレタンフォームとは、ポリウレタンを成形する際に発泡させることでスポンジ状にした成形体です。ポリウレタンフォームの製造方法は複数あり、原料を混合したものを型に入れずに発泡させた後に、製品の形に切断する「スラブ成形」、金型を用いて必要な形状に成形する「モールド成形」、大型のの製作に有効な「ラミネート成形」などがあります。
1. 軟質フォーム系のポリウレタン
軟質フォーム系のポリウレタンは、原料のポリオール中に発泡剤として水が添加されており、イソシアネート基が水と反応することで炭酸ガスが発生します。これと同時に、ポリオール、低分子量ジオールとイソシアネートの反応による樹脂化も進行するので、炭酸ガスの各気泡は連通状態で硬化し多孔質状のフォームになります。
水との反応の際に、イソシアネートはアミンになりますが、アミンの反応性が非常に高いため、すぐに別のイソシアネート基と反応し、ウレア結合を形成します。このため、軟質フォーム系のポリウレタンの組成はウレタン結合だけではなく、ウレア結合も多く含んだ組成です。
2. 硬質フォーム系のポリウレタン
硬質フォーム系のポリウレタンは、発泡剤としてウレタン化時の反応熱で気化する低沸点の物理発泡剤が用いられます。硬質フォームの気泡は独立泡になっており、高い断熱効果を得られるようになっています。
使用用途
ポリウレタンは、外観の観点から多孔質であるフォーム系と、ゴム状の非フォーム系の2つに大別することができます。それぞれの使用用途が大きく異なるので、以下に別々に記載します。
1. フォーム系
発泡させたフォーム系のポリウレタンは、軟質フォームと硬質フォームがあり、特に軟質フォームは日常品や工業用途に至るまで幅広く使用されています。軟質フォームの用途は、キッチンで使用されるスポンジ、ヘッドホンなどのクッション、産業機器のローラー、防音材などです。
の用途は、として建設現場で使用されることが多くあります。
2. 非フォーム系
発泡させない非フォーム系のポリウレタンは弾性、靭性に富むため、ゴム、のような弾性をもつとしての利用や、繊維、塗料、などに使用されています。
エラストマーとしては、タイヤ、ベルト、パッキン、ローラー、機械部品、自動車のバンパーなどに使用されています。また、ポリウレタン繊維はスパンデックスと呼ばれ、伸縮性が高いため、ジャケットやパンツ、水着、スポーツウェア、などの衣類にも幅広く用いられています。
構成
ポリウレタンを構成する原料としては、分子内に2官能のイソシアネート基をもつジイソシアネートと、分子内に水酸基をもつポリオール、低分子量ジオールが挙げられます。
ポリウレタンに使用されるジイソシアネートは表1に示したように数種類であるのに対して、水酸基成分側の原料であるポリオールの種類は非常に多岐にわたります。これはポリオール自体が分子量が数百~数千の重合体であり、さらにその構成するモノマーの組合せが多岐に及ぶからです。
水酸基成分の低分子量ジオールも表1にあるものは代表的なもので、これらの2量体なども低分子量ジオールとして使われます。表1の右下に示した水酸基を3つもつトリオールや、分子量を調整する目的で水酸基が1つのアルコールも用いられます。
安全性プロファイル
Questionable
carcinogen with experimental tumorigenic data. When heated to decomposition it
emits acrid toxic fumes of CNand NOx.
特徴
ポリウレタンの特徴は混合する原料の種類により大きく特性が変わりますが、一般的には、機械的強度 (弾性、靭性) に優れており、その他以下のような特徴があります。
1. 長所
- 機械的強度が高く、弾性・靭性に優れており引張強さが高いです。高い硬度でも弾性を維持します。
- 耐摩耗性および耐老化性に優れています。
- 耐油性、耐溶剤性に優れており、接着性が良好です。
- 低温での特性に優れており、耐候性が良いです。
- 圧縮に対して高い復元性を有しています。
2. 短所
- 耐熱性に劣っており、連続使用温度は80℃～100℃程度が限界です。
- 加水分解されやすく、水に弱いです。
- 燃焼により有毒なガスが発生します。
これらの特徴は、使用する原料の組合せによっても大きく変化します。例えば、使用するポリオールと低分子量ジオールの比率によって、硬度、強度が大きく変わります。また、耐候性、耐加水分解性などはポリオール成分の寄与が大きく、求められる性能に合わせた分子設計を行うことが重要です。
参考文献
[1] Sonnenschein, M. “INTRODUCTION TO POLYURETHANE CHEMISTRY.” 2014. 0.
ポリウレタンフォーム 上流と下流の製品情報
原材料
準備製品