フォームラテックス

フォームラテックスまたはラテックスフォームラバーは、セルと呼ばれる気泡を含む軽量のラテックスで、液体ラテックスから作られます。フォームは通常、ダンロップ法またはタラレイ法によって作られ、液体ラテックスを発泡させ、型で硬化させてフォームを取り出します。^[1]

フォームの構造強化は、フォームに使用されるポリマーの選択を変えたり、フォームに充填剤を使用したりすることで行われます。歴史的には、フォームには天然ゴムラテックスが使用されていますが、類似の商業的候補としてスチレンブタジエンラテックスがあり、これはラテックスフォーム用に特別に設計されています。^[2]鉱物充填剤は、安定性、耐荷重性、耐炎性などの特性を強化するために使用されることもありますが、これらの充填剤は、一般的に製品に望ましい特性である引張強度と破断時の伸びを低下させるという代償を払うことがよくあります。^[3]

^{ラテックスフォームはエネルギー吸収性、熱伝導性、圧縮性などの特性があり、室内装飾、防音、 [4]} 断熱材（特に建築用）、物品の輸送など多くの商業用途に適しています。 ^{[5] [6]}

発泡ラテックスは、人の外見を変えるためのマスクや顔の補綴物にも使用されています。 『オズの魔法使い』は、 1930年代に発泡ラテックス補綴物を広く使用した最初の映画の1つでした。^[7]それ以来、発泡ラテックスは映画、テレビ、舞台制作の定番となり、他の多くの分野でも使用されています。

使い捨てプラスチックやポリマーフォームは、多くの場合、埋め立て地に廃棄されており、この廃棄物が占めるスペースの量に対する懸念が高まっています。^[8]フォームをより環境に優しいものにするための取り組みとして、ミネラルと同等の強化を達成しながら製品の生分解性を高めることができる充填剤の研究が行われています。このような充填剤の例には、卵殻粉末^[9]や米殻粉末などがあります。^[8]

ラテックスフォームは、軽量で膨張したラテックスの一種です。液体ラテックスの内部には気泡が形成され、さまざまな形や大きさに成形できます。フォームの膨張は、これらの気泡内の空気の量によって決まります。^[5]密度が低く膨張したフォームは、より多面体の気泡を持つ傾向があり、膨張が少ないフォームは、より球状の気泡を持つ傾向があります。^[10]

フォームの密度（）は測定できますが、より重要な特性は、元のラテックスベースの密度（）に対するフォームの相対密度です。これは と表されます。ポリマーフォームには、独立気泡と開放気泡（破裂した気泡）の比率もあり、これはフォームの透水性によって測定できます。^[10]${\displaystyle \rho_{f}}$${\displaystyle \rho_{s}}$${\displaystyle \phi ={\dfrac {\rho _{f}}{\rho _{s}}}}$

フォームラテックスを作るには、液体ラテックスベースを様々な添加剤と混ぜて泡立て、型に流し込み、オーブンで焼いて硬化させます。フォームラテックスの主な成分は、ラテックスベース、発泡剤（泡立てるのを助ける）、ゲル化剤（液体フォームをゲル化する）、硬化剤（ゲル化したフォームラテックスを焼いたときに固体に変える）です。フォームの用途に応じて、いくつかの追加添加剤を加えることもできます。^[11]

ダンロップ法はバッチ式と連続式で実行できます。以下はバッチ式プロセスの説明です。^[1]

1. 液体ラテックス、配合剤、安定剤の選択など、ラテックスフォーム用のさまざまな成分が準備され、使用できるようになります。
2. 脱アンモニア液体ラテックスは、水への溶解度に応じて分散液または乳濁液として安定剤およびその他の成分と混合されます。
3. 化合物を静かに撹拌し、混合します。この時点で充填剤を加えることができます。化合物は 24 時間熟成させます。
4. ホバートミキサーは化合物を泡立てて泡立て、さまざまな大きさの泡を組み込んで、希望のサイズまで膨張させます。
5. 泡立て速度が遅くなり、泡のサイズがより均一になります。ここで泡安定剤を追加できます。
6. 次にゲル化剤を加え、化合物を型に注ぎ、時間をかけてゲル化して硬化させます。

均一性は商業的に非常に求められている特性であり、ダンロップ法をバッチではなく連続的に行うことで、生成されるフォームの均一性を高めることができます。連続法のその他の利点は、人件費の削減と金型からの廃棄物の削減です。連続法には、混合物の作成と発泡、充填剤の添加、成形と硬化のための異なるチャンバーを備えた機械の使用が含まれます。^[1]

1. 液体ラテックス、配合剤、安定剤の選択など、ラテックスフォーム用のさまざまな成分が準備され、使用できるようになります。
2. 脱アンモニア液体ラテックスは、水への溶解度に応じて分散液または乳濁液として安定剤およびその他の成分と混合されます。
3. 化合物を静かに撹拌し、混合します。この時点で充填剤を加えることができます。化合物は 24 時間熟成させます。
4. 酵母による過酸化水素の分解により泡が生成され、特殊な型の内部で化合物の発泡を引き起こします。
5. 膨張を促進するために金型に真空を適用します。
6. その後、化合物は急速に凍結され、気泡が生成されます。
7. 最後に、化合物を硬化させて型から取り出す。^[12]

ゲル化剤を使わず二酸化炭素を使用することで、このプロセスはより環境に優しいものとなっているが、タラレイプロセスは特殊なラテックスフォームの工業生産にはまだ広く使用されていない。^[12]

一般的に、ラテックスフォームは、その原料であるポリマーよりも密度が低くなります。この密度は、材料の体積と質量を測定することで定期的に測定できます。不規則な形状のフォームの体積を測定するには、フォーム片をワックスでコーティングし、容器内の体積変化を測定することで測定できます。ワックスの目的は、フォームへの水の浸透を防ぐことです。水分が浸透すると、考慮に入れないと体積が低く感じられる（結果として密度が高く感じられる）可能性があります。フォームの密度は、フォームの膨張が増加するにつれて低下します。膨張は、フォームのセル内の空気の量に関係します。セル内の空気が多いほど、膨張が大きくなります。^[5]

ラテックスフォームは、圧縮されると3つの領域を持つ応力-ひずみ曲線を示します。これは、フォームに負荷または力が加えられたときにフォームが示す抵抗力に関係しています。曲線のさまざまな領域の形状は、材料の圧縮または緩和応力とひずみ挙動に関連するフォームの重要な特性を反映します。^[5]

まず、泡はフック曲線に沿って直線的に応力が増加します。これは泡の細胞に含まれるガスが圧縮され、細胞の壁がその構造を維持するためです。2 番目の領域では、細胞壁が押しつぶされ、追加の応力は発生せず、応力は一定になります。3 番目の領域では、押しつぶされた細胞壁の材料が圧縮されるため、泡の密度が増加します。これにより、緻密化領域で応力が急激に増加します。^[13]

材料の寿命に関連して、動的疲労に対する耐性は、フォームを繰り返し圧縮して緩和させることによってテストされます。動的疲労に対するフォームの耐性は、セル構造を視覚的に観察してセル壁のどの程度が破損または破裂したかを確認するか、材料の厚さなどの物理的特性の変化を測定することによって測定できます。^[5]

ラテックスフォームの熱伝導率が低いのは、ポリマーの熱伝導、気泡内のガスの熱伝導、セル内のガスの対流（小～中サイズのセルではそれほど重要ではない）、フォームを通じた放射という4つの要因によるものです。^[13]

導電性は、次のような要因によっていくつかの方法で影響を受けます。

1. 温度を下げて熱放射を減らす。
2. セルサイズを小さくして対流と放射を減らす（セル壁内での反射が増えるため）。
3. フォームの密度を下げて固体ポリマーを介した伝導を減らす。
4. セル内の空気を導電性の低いガスに置き換える。^[13]

エネルギー吸収はラテックスフォームの特に重要な特性です。

エネルギー吸収のほとんどは、ひずみ-応力曲線の第一領域と第二領域で発生します。弾性の低いポリマーでは、細胞壁はより脆く、したがってより容易に押しつぶされる可能性があります。この場合、吸収のほとんどは、細胞壁の変形と押しつぶしによって引き起こされる曲線の第二領域で発生します。これは、各細胞がそのような吸収に一度しか貢献できないことを意味します（つまり、細胞は押しつぶされ、したがって使い果たされます）。^[13]

より弾性のあるポリマーの場合、セル壁はより柔軟で、より大きな衝撃に耐えることができます。この場合、セル壁は曲がり、セルは圧迫されますが、セルは最終的に元の形状に戻ります。したがって、エネルギー吸収の大部分は、応力-ひずみグラフの最初の領域で発生します。また、セルがそれほど簡単に消耗しないため、フォームはより多くの衝撃にも耐えることができます。これは環境面での大きな改善です。^[13]

歴史的には、天然ゴムラテックスが使用され、ダンロップ法でフォームが製造されていました。スチレンブタジエンゴムラテックスが注目されるようになったのは、発泡用に特別に設計された高固形分濃縮物が市場で販売され始めたときです。このポリマーの特性は天然ゴムラテックスとかなり似ていたため、ここでの2つの選択肢の競争は主に経済的なものでした。^[2]

他の種類のポリマーは、その特性と、それがフォームの特性に及ぼす影響を考慮して選択されました。たとえば、ポリクロロプレンフォームゴムは燃えにくく、従来のラテックスフォームよりも燃えにくい代替品です。アクリロニトリルブタジエンラテックスフォームゴムは炭化水素油に対する膨潤耐性があります。^[2]

これらは、フォームラテックスの安定性と耐荷重性を高め、膨張率を高めて材料のコストを下げることを目的とした充填剤です。しかし、充填剤を添加すると、破断時の伸びや応力と緩和の繰り返しに対する耐性が低下するなど、ラテックスフォームの望ましい特性にも影響を及ぼします。^[3]

カオリナイト粘土や炭酸カルシウムなどの鉱物充填剤は、泡立て段階（バッチプロセス）または混合段階（連続プロセス）でラテックスフォームに添加できます。湿式粉砕マイカも同様に発泡中にラテックスに添加でき、引張強度や破断時の伸びへの影響は少ない傾向があります。ただし、マイカは型から外す段階で製品の収縮を引き起こす傾向があります。^[3]

ラテックスフォームは火災の危険性があるため、フォームの可燃性を下げるために充填剤を組み込む取り組みが行われています。このような充填剤には、塩素化パラフィン炭化水素、三酸化アンチモン、ホウ酸亜鉛、水和酸化アルミニウムなどがあります。^[15]

これらはラテックスフォームの構造特性を改善する材料であり、生分解性を高めることでより環境に優しいものにもなります。特に興味深いのは、有機廃棄物を使用してこれらの充填剤を作ることです。^{[8] [9]}

卵殻粉末は、ラテックスフォームに添加して製品の特性を変え、環境への配慮を高めることができる充填剤の一例です。鉱物充填剤と同様に、卵殻粉末はフォームの圧縮応力、圧縮永久歪み、硬度、密度を高め、引張強度と破断時の伸びを低下させます。この充填剤は製造された材料の熱安定性も低下させますが、別の有機充填剤である樹脂を添加すると、卵殻粉末を充填した天然ゴムポリマーフォームの引張強度が向上することがわかりました。^[9]

同様の特性を持つ別の提案された充填剤は米殻粉末であり、これはフォームの耐荷重特性を高め、引張強度と破断時の伸びを低下させます。また、これによりフォームの生分解性が向上し、これらの製品の消費後廃棄物の管理が改善されることが分かりました。^[8]

ラテックスフォームはエネルギー吸収特性があるため、輸送用途に有用であり、例えば輸送される製品への衝撃を軽減するための梱包や、車両の室内装飾に用いられる。梱包用フォームは使い捨てで動的疲労に対する耐性が低いが、室内装飾は衝撃吸収力は低いものの繰り返し衝撃を吸収する必要があるため、密度が高く疲労耐性が高い方が有利となる傾向がある。^[6]

ラテックスフォームは、荷重を受けたときに応力-ひずみ曲線が明確に表れるため、寝具、室内装飾品、枕などのクッション材として使用することができます。^[6]

ラテックスフォームは気泡を含んでいるため、ある程度の防音効果があります。特に、天然ゴムとスチレンブタジエンラテックスフォームはどちらも防音効果に優れていますが、スチレンブタジエンフォームの方がこの目的には適している傾向があります。^[4]

水域における油汚染は大きな環境問題です。油と水を分離することは、水を浄化し、油を回収するのに役立ちます。ラテックスフォームは疎水性と吸収性があり、弾力性とリサイクル性があるため、水と油の混合物から油を吸収して分離するために使用できます。^[16]

発泡ラテックスは、人の外見を変えるためにマスクや顔面プロテーゼに使用されます。『オズの魔法使い』は、1930年代に発泡ラテックスプロテーゼを多用した最初の映画の1つでした。^[17]

劇場用ラテックスフォームは、市販のラテックスフォームよりも柔らかい特殊なラテックスフォームです。絵画の細部を拾う能力と強度があるため、人形劇や衣装を含むさまざまな芸術や工芸に使用できます。ジム・ヘンソンのマペットショーのミス・ピギー、スタットラー、ウォルドーフ、およびヘンソンの次の作品であるダーククリスタルのキャラクターは、大規模に使用されたラテックスフォームから作成された最初の人形の一部です。^[18]

ローディやグワーなどのアーティストは、この素材を使った衣装を着用しています。^{[19] [20]}

ラテックスフォームは、現代のサッカーゴールキーパーグローブの製造にも広く使用されています。この素材は、濡れた状態や乾いた状態でのプレー状況で選手がボールを握るのに最も効果的な方法であることが証明されており、また、キャッチを助ける減衰特性も備えています。ラテックスフォームにはさまざまな処理が施され、パフォーマンスを向上させるさまざまな特性を持つさまざまな種類のフォームが製造されています。たとえば、高いグリップ力を提供するように設計されたものもあれば、最大限の耐久性を提供するように設計されたものもあります。^[21]