ポリウレタンフォーム

ポリウレタンフォームは、ポリウレタン化学に基づいた固体ポリマーフォームです。用途が非常に幅広い特殊な合成材料として、ポリウレタンフォームは主に断熱材として、またマットレス、布張りの家具、または車両の座席のクッション材として使用されます。その低密度と熱伝導性、そしてその機械的特性により、ポリウレタンフォームは優れた断熱材、遮音材、構造材、快適材として機能します。

ポリウレタンフォームは熱硬化性ポリマーです。材料内の分子間の化学結合が非常に強く、加熱によっても分解されないため、最初に形成された後は溶かして形を変えることはできません。硬化して冷却すると、材料はその形状と特性を維持します。^[1]

ポリウレタンフォームは、熱硬化性フォームの最も広く使用されている代表例です。気泡構造によって、オープンセルフォームとクローズドセルフォームに分類できます。機械的特性を見ると、ポリウレタンフォームには、フレキシブル（ソフト）フォームとリジッド（ハード）フォームの2つの主なタイプがあります。^[2] 一般的に、フレキシブルポリウレタンフォームは、気孔が相互に連結したオープンセル構造で、サイズが小さく、不規則な形状をしています。一方、リジッドポリウレタンフォームはクローズドセル構造で、気孔が相互に連結していません。^[3] これら2つのタイプの市場シェアはほぼ同等です。^[4]

ポリウレタンフォームの製造にはさまざまな加工技術があります。最終用途の特性に応じて、大規模生産で最もよく使用される2つの方法は、成形とスラブストック（ブロック）発泡です。^[5] これらの次によく使用されるタイプには、空洞充填フォーム（例：防音用の自動車充填材）やスプレーフォーム（例：屋根の断熱材）があります。これらは、適切なオーバーレイの背後にある半柔軟フォームとして知られています。^[6]

軟質ポリウレタンフォーム（FPUF）は、1937年に開発されたプロセスであるポリオールとイソシアネートの反応から製造されます。[DA1] フォームが使用される用途に応じて、高品質のPUフォーム製品を製造するために一連の添加剤が必要です。 FPUFは、さまざまな特性を発揮するように調整できる多用途の素材です。優れた圧縮、耐荷重、弾力性を実現し、クッション効果をもたらします。この特性、軽量性、効率的な製造プロセスにより、家具、寝具、自動車の座席、運動器具、包装、履物、カーペットによく使用されます。^[1]

大量の開放気孔を有する軟質ポリウレタンフォームは、効果的な騒音吸収材として高く評価されており、建設から輸送まで、さまざまな分野で防音材として広く使用されています。^[7]また、時間の経過とともに劣化しない非常に弾力性のある素材でもあり、その寿命は通常、使用される用途の寿命に関連しています。^[8]

軟質ポリウレタンフォームは、連続（スラブストック）生産または成形プロセスによって製造できます。連続プロセスでは、混合された成分がコンベアベルトに注がれます。化学反応は瞬時に起こり、数秒以内にフォームが膨らみ、その後固まります。理論上は、この方法で数キロメートルの長さのフォームブロックを製造できます。実際には、フォームブロックは通常、15〜120メートルの長さに切断され、硬化されて次の処理のために保管されます。^[9]

スラブストックフォームとは異なり、成形フォームの製造は不連続なプロセスです。成形フォーム製品は、フォーム混合物を金型に注入することで一度に1つずつ作られます。フォームが膨らんで膨張すると、金型内のスペース全体を占めます。フォームはほぼ瞬時に固まり、その後、機械または手動で製造された部品を金型から取り出すことができます。^[10]これが成形PUフォームの最大の利点であり、特定の希望する形状に成形できるため、切断の必要がなくなり、廃棄物が減ります。複数の硬度ゾーンで製造でき、組み立てをさらに容易にするために補強材を付けることができます。^[11]これが、成形フォーム技術が輸送業界で使用されるシートクッションの製造に広く使用されている理由です。

製造プロセスに基づいて、他の種類の軟質ポリウレタンフォームには、再結合（またはリサイクル）、網状、およびオーセチック PU フォームが含まれる場合があります。

硬質ポリウレタンフォームには多くの望ましい特性があり、さまざまな用途での使用が増えていますが、その中にはかなり要求の厳しいものもあります。^{[12] [13]}これらの特性には、熱伝導率が低いため絶縁体として役立つことが含まれます。また、金属や他の材料に比べて密度が低く、寸法安定性も優れています。^[14]金属は加熱すると膨張しますが、硬質PUフォームは膨張しません。重量に対する強度比が優れています。^[15]多くの用途と同様に、通常のポリオールの代わりに再生可能な原材料から硬質PUフォームを製造する傾向があります。^{[16] [17] [18]}

これらは、車両、飛行機、建物の構造用途に使用されています。^[19]また、難燃用途にも使用されています。^[20]

ポリウレタンフォームは、スペースシャトルの燃料タンクの断熱材として広く使用されている。しかし、打ち上げ時の過酷な条件により、気泡や汚れ、覆われていない小さな部分があると剥がれてしまうため、完璧な施工が求められる。^[21]こうした条件には、激しい振動、空気摩擦、温度や圧力の急激な変化などがある。フォームを完璧に施工するには、作業員が防護服やマスクを着用しなければならないという制限と、打ち上げ前にひび割れを検査できない（そのような検査は肉眼でしか行えない）という2つの障害があった。^[21]フォームの損失がスペースシャトルコロンビア号の事故の原因となった。コロンビア号の事故報告書によると、NASAの職員は、写真が残っている79のミッションのうち80%以上でフォームの損失を発見した。^[21]

2009年までに研究者らはスペースシャトルの再利用可能な極低温燃料タンクを断熱するための優れたポリイミドフォームを開発しました。 ^[22]