JP2020002551A

JP2020002551A - 耐火材料

Info

Publication number: JP2020002551A
Application number: JP2018120435A
Authority: JP
Inventors: 諭司長瀬; Satoshi Nagase; 慶二楠本; Keiji Kusumoto; 楠本　　慶二; 優喜大橋; Yuki Ohashi; 豊彦杉山; Toyohiko Sugiyama
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Teijin Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Teijin Ltd
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2020-01-09

Abstract

【課題】施工性と加工性に優れ、燃え止め性能と断熱性能に優れた、軽量・高強度・高耐水性の耐火材料を提供する。
【解決手段】セメント系材料、潜熱材料および中空ビーズ材料からなる無機材料ならびにアラミド繊維を含有してなる耐火材料であって、上記無機材料１００重量部当り、セメント系材料、潜熱材料および中空ビーズ材料の含有量がそれぞれ３０〜９５重量部、３〜５０重量部および２〜２０重量部であり、そして上記アラミド繊維の含有量が耐火材料１００体積部当り０．０１〜５体積部であることを特徴とする耐火材料。
【選択図】なし

Description

本発明は建築材料として用いられる耐火材料に関し、詳しくは建築物の梁や柱、壁といった建築構造材料の保護に用いるための耐火材料に関する。

建築物は、建築基準法により、耐火基準を設けられている場合が多く、建物の用途や種類、規模、建てられる場所に応じて、耐火建築物または準耐火建築物としなければならない。この耐火基準は、建物の柱、梁、壁、床、屋根に代表される構造部材はもちろんのこと、外壁や天井板などの非構造材料まで、その建物を構成する材料の多くが対象となっている。
しかし、従来の耐火材料は、金属やコンクリート、モルタル、石膏ボードなど重量が大きい材料が多く、断熱性能を確保するためには厚さが必要となるため、耐火材料としてはさらに分厚いものになってしまっていた。このように耐火材料が重く厚くなることで、建物全体の重量は大きくなり、居住空間は狭くなり、その結果、基礎工事や設計・デザインが制約されることになっていた。
また、これらの重い耐火材料を、木材や合成樹脂などの軽量の基材に対して耐火用の被覆材として用いた場合には、基材が軽量であるという基材本来の利点を大きく損なう。

他方、重い耐火材料を用いるかわりに、薄膜化が容易な発泡性耐火塗料を用いることも検討されている。これらの塗料は、火災時の温度上昇によって発泡層を形成し、耐火性を得るものである。特許文献１には、加熱時に発生させた水蒸気ガスを、水ガラスにより長時間耐火被覆材の間にとめておく技術が開示されている。また特許文献２には、水酸基を有する合成樹脂エマルジョンを主成分とする水性タイプの発泡性耐火塗料が開示されている。
しかし、これらの耐火塗料を用いて十分な耐火性能を得るためには、二度塗りや三度塗りを繰り返す必要があり、施工時の作業効率が悪い。また、発泡温度が３００℃程度以上と高く、これより低い温度では十分に性能を発揮できない。

特開平６−３２６６４号公報特開２００７−２９１３２５号公報

本発明の課題は、施工性と加工性に優れ、燃え止め性能と断熱性能に優れた、軽量、高強度かつ高耐水性の耐火材料を提供することにある。
本発明のさらに他の目的および利点は以下の説明から明らかになろう。

本発明は、セメント系材料、潜熱材料および中空ビーズ材料からなる無機材料ならびにアラミド繊維を含有してなる耐火材料であって、上記無機材料１００重量部当り、セメント系材料、潜熱材料および中空ビーズ材料の含有量がそれぞれ３０〜９５重量部、３〜５０重量部および２〜２０重量部であり、そして上記アラミド繊維の含有量が耐火材料１００体積部当り０．０１〜５体積部であることを特徴とする耐火材料である。

本発明によれば、施工性と加工性に優れ、燃え止め性能と断熱性能に優れた、軽量、高強度かつ高耐水性の耐火材料を提供することができる。

本発明は、無機材料およびアラミド繊維からなる耐火材料である。本発明において無機材料は、セメント系材料、潜熱材料および中空ビーズ材料からなる。以下、詳しく説明する。

＜セメント系材料＞
本発明において使用されるセメント系材料としては、水硬化性のセメントが施工性の観点から望ましく、ポルトランドセメント、それを主材料とした混合セメントおよび特殊セメントのいずれでも使用することができる。具体的には、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、白色ポルトランドセメント、高炉セメント、シリカセメント、フライアッシュセメント、アルミナセメントなどを使用することができる。特にポルトランドセメントが、価格や取扱い性の観点から好ましい。
本発明の耐火材料においてセメント系材料が占める割合は、セメント系材料、潜熱材料、および中空ビーズ材料からなる無機材料の１００重量部あたり３０〜９５重量部、好ましくは４０〜６０重量部である。セメント系材料が３０重量部未満であると耐火材料の固化反応が不十分となり、十分な固化ができないことがあり、固化したとしても耐火材料の機械的特性が不十分となる。他方、９５重量部を超えると機械的特性は十分であるが耐火性能や軽量性が不足する。
本発明において、セメント系材料を固化するために必要とする水の添加量は、セメント系材料に対する水の重量比（水重量／セメント系材料重量）として、好ましくは０．４０〜０．６０、さらに好ましくは０．５３〜０．５７である。この重量比が０．４０未満であると耐火材料を混練した際の流動性が低く、耐火材料を用いた施工の施工性が悪くなる。他方、重量比が０．６０を超えると、流動性が高くなり、施工性はよくなるが、固化に時間がかかり、得られる耐火材料の機械的特性が低下する。

＜潜熱材料＞
本発明において使用される潜熱材料は、熱分解によって吸熱反応を示す材料である。潜熱材料としては、例えば、水酸化物金属塩やリン酸塩の他、石膏、鉱物を用いることができる。具体的には、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウム、アルミン酸カルシウム、リン酸アンモニウム、二水和石膏、カオリナイトを例示することができる。これらのうち取扱い性の観点から、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムが好ましい。これらは１種または２種以上を用いることができる。潜熱材料としては、熱分解時の吸熱量が最も大きい水酸化アルミニウムを単独で用いることが特に好ましい。水酸化アルミニウムは強アルカリ性水溶液に可溶である特徴を持ち、セメント系材料との混合において、セメント混練水に溶解し、均一に混練することができることからも、本発明に特に好適な材料である。

本発明の耐火材料において潜熱材料が占める割合は、セメント系材料、潜熱材料、および中空ビーズ材料からなる無機材料の１００重量部あたり３〜５０重量部、好ましくは３０〜４５重量部、さらに好ましくは３０〜４０重量部である。潜熱材料が３重量部未満であると耐火材料が火炎にさらされた時の熱分解による吸熱量が不足し、十分な耐火性能が確保できない可能性がある。他方、５０重量部を超えると耐火材料を混練した際の流動性が低下し、施工性が損なわれる。

＜中空ビーズ材料＞
本発明において使用される中空ビーズ材料は、内部に空気層を含んだ微細な球体材料であり、球体を構成する材料がガラスやセラミックなどから成る材料である。具体的には工業材料を用いて生産されるガラスバルーンやセラミックバルーンや工業副産物を材料とするフライアッシュバルーン、天然物を材料とするシラスバルーンやパーライト発泡体を使用することができる。特に、低嵩比重、不燃性、高融点、低熱伝導率、無色、無害、有毒ガスの発生がない、低価格といった特徴を有するシラスバルーンは、本発明の耐火材料をより軽量で断熱性に優れた材料にすることができ、特に好ましい。
本発明の耐火材料において中空ビーズ材料が占める割合は、セメント系材料、潜熱材料、および中空ビーズ材料からなる無機材料の１００重量部あたり２〜２０重量部、好ましくは１０〜２０重量部である。中空ビーズ材料が２重量部未満であると耐火材料の断熱性が不足し、十分な耐火性能が確保できない可能性があるほか、軽量性も大きく損なわれる。他方、２０重量部を超えると耐火材料を混練した際の流動性が低下し、施工性が損なわれ、場合によっては耐火材料が固化しない可能性もある。

＜アラミド繊維＞
本発明においてアラミド繊維は耐火材料の補強繊維として使用される。アラミド繊維は、鉄骨の耐熱温度３００℃や木材の耐熱温度２５０℃でも溶融することがなく、極端な熱収縮がなく物性の低下が少ないため、耐火材料が用いられる建物の構造部材の耐熱温度まで耐熱材料の形状や強度を保つことができる。アラミド繊維を用いることにより補強繊維の添加量が少なくて済み、施工時の流動性への影響を小さくできる。
アラミド繊維は芳香族ポリアミドからなる有機繊維であり、アラミド繊維としてはパラ型アラミド繊維、メタ型アラミド繊維の何れも用いることができる。

パラ型アラミド繊維として、例えば、コポリパラフェニレン−３．４’オキシジフェニレン−テレフタラミド繊維がテクノーラ（登録商標）の名称で販売されており、ポリパラフェニレンテレフタラミド繊維がトワロン（登録商標）の名称で販売されている。また、メタ型アラミド繊維として、ポリメタフェニレンイソフタラミド繊維がコーネックス（登録商標）の名称で販売されている。これらはいずれも使用することができる。なかでも、耐熱性と耐アルカリ性の観点で、コポリパラフェニレン−３．４’オキシジフェニレン−テレフタラミド繊維が好ましい。

コポリパラフェニレン−３．４’オキシジフェニレン−テレフタラミド繊維は、比重が１．４ｇ／ｃｍ^３であり、引張強度が１８〜３０ｃＮ／ｄｔｅｘ以下であり、３００℃における収縮率が５％以下、３００℃における引張強度保持率が４０％以上、分解温度が４００℃以上の高耐熱高強度繊維として提供される。
アラミド繊維の含有量は耐火材料１００体積部あたり０．０１〜５体積部である。この含有量は、アラミド繊維を含む耐火材料全体の重量を基準とした値である。含有量が０．０１体積部未満であると、耐火材料を十分補強することが難しく、耐火材料として使用するときの用途が狭まるだけでなく、耐火材料が火炎にさらされた場合のひび割れ、さらには、割れによる部分的な耐火材料落下の原因となる。含有量が５体積部を超えると、耐火材料を混練した際の流動性が低下し、施工性が損なわれる恐れがある。

本発明においてアラミド繊維の直径は好ましくは５〜１０００μｍ、さらに好ましくは１０〜８００μｍである。アラミド繊維はカットファイバーの形状で用いられる。アラミド繊維の繊維長は、好ましくは１〜５０ｍｍ、さらに好ましくは３〜４０ｍｍである。カットファイバーは、単糸を樹脂などで収束させたディップド・チョップド・ファイバーであってもよい。アラミド繊維の直径が５μｍ未満であるか長さが１μｍ未満であると、耐火材料を十分補強することが難しく、耐火材料として使用するときの用途が狭まるだけでなく、耐火材料が火炎にさらされた場合のひび割れ、さらには、割れによる部分的な耐火材料落下の原因となる。他方、アラミド繊維の直径が１０００μｍを超えるか、長さが５０ｍｍを超えると、耐火材料を混練した際の流動性が低下し、施工性が損なわれる恐れがある。

＜物性＞
本発明の耐火材料は、比重が好ましくは０．５〜２．０ｇ／ｃｍ^３、曲げ強度が好ましくは１．０〜１０．０ＭＰaである。比重が０．５ｇ／ｃｍ^３未満とするためには、中空ビーズ材料を２０重量部を超えて添加する必要があり、その場合、耐火材料を混練した際の流動性が低下し、施工性が損なわれ、場合によっては耐火材料が固化しない可能性もある。他方２．０ｇ／ｃｍ^３を超えると耐火材料の重量が大きくなり、施工性が損なわれるのみならず、耐火材料を被覆する建築構造躯体に与える重量が大きくなるため、構造設計による構造躯体の断面増加を検討しなければならない可能性が高くなる。曲げ強度が１．０ＭＰ未満であると取扱性が悪く、耐火材料を固定する際に破損する恐れがある。他方１０．０ＭＰaを超える曲げ強度を得るためには、アラミド繊維を５重量部を超えて添加する必要があり、耐火材料を混練した際の流動性が低下し、施工性が損なわれる恐れがある。

＜建築用構造体＞
本発明はまた、上記の耐火材料を成形した耐火の成形体である。
本発明の耐火材料は柔軟かつ軽量でありながら耐火性に優れるため、板状や柱状に賦形して建築材料として用いることができる。機械的強度を向上させるためには、他の建築材料と複合させて建築用構造体として用いることが好ましい。この他の建築材料としては、例えば木材、樹脂シート、繊維補強樹脂シート、金属を例示することができる。なかでも木材が好ましい。すなわち本発明の建築用構造体は、上述の本発明の耐火材料と、木材、樹脂シート、繊維補強樹脂シートおよび金属板からなる群から選ばれる一種類または二種類以上の他の建築材料と、からなる建築用構造体の態様をとることができる。

本発明の耐火材料と他の建築材料とを複合化する方法は、例えば釘やビスによる物理的な接合や、接着剤を用いた化学的な接着を用いることができる。ここで使用する接着剤の種類として、例えば、木材と接着する場合においては木材の集成材で使用されるレゾルシノール系接着剤や水溶高分子−イソシアネート系の接着剤を使用することができる。耐水性の観点で、レゾルシノール系接着剤が好ましい。
本発明の耐火材料の成形体を木材や樹脂板といった比較的耐熱温度の低い建築材料に組み合わせて用いることにより、８００℃以上の火炎に接炎した際にも、背面への炎の燃え抜けがなく、かつ熱伝導率が低いことから材料温度を低く維持することができる。なお、木材種にもよるが通常の木材の耐熱温度は比較的低く、約２５０℃で燃焼が始まる。本発明の耐火材料を組み合わせて用いることで、燃焼の開始を遅らせることができ、火災での被害を低くおさえることができる。

本発明をさらに実施例により具体的に説明する。評価は下記の方法により行った。

（１）試験片の作成
耐火材料を３００ｍｍ×３００ｍｍの型枠（厚さ３０ｍｍ）に流し込み、１か月間常温で養生を行うことで試験片を作成した。
（１）耐火性能（燃え止め性能と断熱性能）
試験片を３００ｍｍ×３００ｍｍの金枠に水平に置き、試験片の下面をガスバーナーにて燃焼加熱した。試験片の上に厚さ２５ｍｍのスギ板を載せ、試験片の下面での温度と、試験片の背面温度（試験片とスギ板との間の温度）を熱電対により測定した。常温から燃焼を開始してガスバーナーによる加熱面付近の温度を９５０℃まで上昇させた。加熱時間は６０分間とした。この耐火試験は、常温・常圧の環境で行い、試験片に荷重をかけずに行った。耐火性能を、加熱開始から６０分間経過後の試験片の背面温度で評価した。
（２）曲げ強度
試験片から、幅３０ｍｍ×長さ３００ｍｍ×厚さ２０ｍｍの寸法の曲げ強度測定用のサンプルを切り出し、支点間距離２００ｍｍで中心点加力の３点曲げ試験により破断点荷重を求めた。試験速度は０．５ｍｍ／ｍｉｎとし、曲げ強度は以下の式にて曲げ強度を求めた。サンプル数は５点とし測定値の平均値を用いた。
曲げ強度＝３×Ｆ×Ｌ／２×ｂ×ｈ^２
Ｆ：破断荷重（Ｎ）
Ｌ：支点間距離（ｍｍ）
ｂ：サンプルの幅（ｍｍ）
ｈ：サンプルの厚さ（ｍｍ）

（３）耐水性
曲げ強度測定用のサンプルを水中に沈め、１時間、２４時間、４８時間および７２時間の各時間を経過したサンプルについて、強度低下を調べた。強度は上記に示す「曲げ強度」の測定方法で測定した。サンプル数は各５点とし測定値の平均値を用いた。
（４）アラミド繊維の直径および長さ
アラミド繊維の直径は、カットファイバーにカットする前の長繊維の段階で断面を光学顕微鏡により観察して直径を測定した。直径の測定はアラミド繊維の５サンプルについて行い測定値の平均値を用いた。また、カットファイバーに加工後、光学顕微鏡により繊維長さの測定を行った。長さの測定はカットファイバーの２０サンプルについて行い測定値の平均値を用いた。
（５）比重
試験片の重量を測定し体積で除することで比重を求めた。試験片の３つについて比重を算出して、それらの平均値を用いた。

実施例１
５３重量部のポルトランドセメントと３２重量部の水酸化アルミニウムと１５重量部のシラスバルーンに水／セメントの重量比０．５７となるように水を加え、オムニミキサーで４分間混練し、混練後に２分間経過した後、耐火材料の全体積（１００体積部）あたりの含有量が０．３体積部となる量のコポリパラフェニレン−３．４’オキシジフェニレン−テレフタラミド繊維（帝人株式会社製「テクノーラ」（登録商標））を添加し、さらに２分間の混練を実施して耐火材料を得た。コポリパラフェニレン−３．４’オキシジフェニレン−テレフタラミド繊維には繊維径１２μｍ、繊維長６ｍｍのカットファイバーを用いた。

得られた耐火材料を用いて上記（１）の方法で試験片を作成した。試験片の重量測定と曲げ試験を実施したところ、比重０．９５ｇ／ｃｍ^３であり、曲げ強度２．６５ＭＰａ、曲げエネルギー２０６３Ｎ・ｍｍであった。耐火性能の試験の結果は、加熱開始後６０分間経過後の試験片の背面温度が１７７℃であった。試験片の背面にあるスギ板に炭化部分は確認できなかった。

比較例１
８５重量部のポルトランドセメントと１５重量部のシラスバルーンに水／セメントの重量比０．５７となるように水を加え、オムニミキサーで２分間混練した後、実施例１と同様にしてコポリパラフェニレン−３．４’オキシジフェニレン−テレフタラミド繊維（帝人株式会社製「テクノーラ」（登録商標））を添加し、さらに２分間の混練を実施して耐火材料を得た。

得られた耐火材料を用いて上記（１）の方法で試験片を作成した。試験片の重量測定と曲げ試験を実施したところ、比重１．０１ｇ／ｃｍ^３であり、曲げ強度３．８２ＭＰａ、曲げエネルギー１９９３Ｎ・ｍｍであった。耐火性能の試験の結果は、加熱開始後６０分間経過後の背面温度が２３１℃であった。試験片の背面にあるスギ板に炭化部分を確認した。

比較例２
ポルトランドセメントに水／セメントの重量比０．５７となるように水を加え、オムニミキサーで４分間混練し、実施例１と同様にして耐火材料を得た。得られた耐火材料を用いて上記（１）の方法で試験片を作成した。試験片の重量測定と曲げ試験を実施したところ、比重３．１５ｇ／ｃｍ^３であり、曲げ強度２．４８ＭＰａ、曲げエネルギー１０２Ｎ・ｍｍであった。耐火性能の試験を行ったところ、加熱開始後６０分間経過後には耐火材料背面のスギ板が燃焼した。

本発明の耐火材料は、建築材料として、特に建築物の梁や柱、壁といった建築構造材料の保護に用いる耐火材料として、好適に利用することができる。

Claims

セメント系材料、潜熱材料および中空ビーズ材料からなる無機材料ならびにアラミド繊維を含有してなる耐火材料であって、上記無機材料１００重量部当り、セメント系材料、潜熱材料および中空ビーズ材料の含有量がそれぞれ３０〜９５重量部、３〜５０重量部および２〜２０重量部であり、そして上記アラミド繊維の含有量が耐火材料１００体積部当り０．０１〜５体積部であることを特徴とする耐火材料。
セメント系材料がポルトランドセメントであり、潜熱材料が水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムおよび水酸化カルシウムからなる群から選ばれる１種類または２種類以上である、請求項１記載の耐火材料。
中空ビーズ材料がシラスバルーンである、請求項１または２記載の耐火材料。
アラミド繊維が直径５〜１０００μｍのコポリパラフェニレン−３．４’オキシジフェニレン−テレフタラミド繊維の長さ１〜５０ｍｍのカットファイバーである、請求項１〜３のいずれかに記載の耐火材料。
比重が０．５〜２．０ｇ／ｃｍ^３であり且つ曲げ強度が１．０〜１０．０ＭＰaである、請求項１〜４のいずれかに記載の耐火材料。
請求項１〜５のいずれかに記載の耐火材料と、木材、樹脂シート、繊維補強樹脂シートおよび金属板からなる群から選ばれる一種類または二種類以上の建築材料と、からなる建築用構造体。