JP4766911B2 - 無機短繊維成形体、その製造方法及び用途 - Google Patents

Description

本発明は、無機短繊維成形体、その製造方法及び用途に関する。

無機繊維、例えば非結晶質セラミック繊維、結晶質アルミナ繊維、ロックウール、グラスウール等は、その優れた耐火性、断熱性を利用し、例えば加熱炉の断熱材として広く使用されている。

結晶質アルミナ繊維を炉材とする使用形態には、例えばバルク、マット、ブランケット、ボード、フェルト、ペーパー等の形態で使用される。バルクは綿状繊維であり、マット、ブランケットは綿状の繊維を積層し、シート状又はロール状とした成形体であり、ボード、フェルト、ペーパーは綿状繊維を湿式抄造方式により板状にした成形体である。炉壁の施工は、成形体からブロック状に切り出しそれを炉壁面に当接して取り付けるブロックライニング法、短冊状に切り出しその切断面を炉壁面に当接して取り付けるスタックライニング法等によって行われる。この用途における課題は、炉壁の曲がり部等に生じる隙間をいかにして埋めるかであり、隙間を形成させないようにいかにして施工するかである。その一例として目地埋め材を用いる方法がある（非特許文献１）。

一方、例えば炉内雰囲気を制御した炉の点検口等においては、ガスシール性の高いパッキンが要求されているが、従来のフェルト、ペーパー等であっては十分ではなかった。また、自動車用排気ガス浄化触媒コンバータ用ハニカムやディーゼルパティキュレートフィルタ用ハニカムにおいては、ハニカムの破損防止のため、ガスシール性に優れた保持材（把持材とも言われている）を用いてハニカムを固定することが行われているが（特許文献１）、保持性がまだ十分ではなかった。
財団法人 省エネルギーセンター「セラミックファイバーと断熱施工」１９８５，ｐ６０ 特開平０７−２８６５１４号公報

本発明の目的は、例えば断熱材として好適な断熱性の良好な無機短繊維成形体、例えば目地埋め材として好適なクッション性の良好な無機短繊維成形体、例えばパッキンとして好適なガスシール性に優れた無機短繊維成形体、更には例えばハニカムの保持材として好適な保持性に優れた無機短繊維成形体を提供することである。また、本発明の他の目的は、そのような無機短繊維成形体を容易に製造することができる無機短繊維成形体の製造方法を提供することである。さらに、本発明は、本発明の無機短繊維成形体を用いて製造された断熱材、目地埋め材、パッキン及びハニカム固定用保持材の材料を提供することである。ハニカムとしては、例えば自動車用排気ガス浄化触媒コンバータハニカム、ディーゼルパティキュレートフィルタ用ハニカム等を例示することができる。

本発明は、嵩密度が０．０５〜０．１８ｇ／ｃｍ^３、アルミナ／シリカの質量比が７２〜１００／２８〜０である無機短繊維成形体であり、以下で定義されるクッション性が４００ｍｌ以上であることを特徴とする無機短繊維成形体である。
［クッション性の定義］
成形体の３ｇを嵩密度０．４０ｇ／ｃｍ^３に圧縮した状態で２０分間保持してから、それを５００ｍｌの水中に入れ、繊維が破壊しないようにガラス棒で軽く攪拌して繊維を分散させスラリーとした後、５００ｍｌのメスシリンダーにスラリーを移し変えて３０分間静置したときの繊維スラリー層の容積をクッション性と定義する。

また、本発明は、前駆体短繊維積層体に以下の第一段階及び第二段階のニードルパンチ処理を順次又は同時に施してから焼成することを特徴とする無機短繊維成形体の製造方法である。
［第一段階のニードルパンチ］
前駆体短繊維積層体の上面から下面に向けてニードルの突き刺し行う。その突き刺し密度が４〜４５回／ｃｍ^２であり、突き刺し深さが前駆体短繊維積層体厚みの５０％の位置に少なくとも１個のバーブが通過する深さである。
［第二段階のニードルパンチ］
下面から上面に向けてニードルの突き刺しを行う。その突き刺し密度が２〜１８回／ｃｍ^２であり、突き刺し深さが前駆体短繊維積層体厚みの２０％の位置に少なくとも１個のバーブが通過する深さである。

また、本発明は、上記無機短繊維成形体の製造方法において、第一段階、第二段階のニードルパンチ処理を施した後に、更に無機連続繊維の前駆体糸で縫製することを特徴とする無機短繊維成形体の製造方法である。

さらに、本発明は、本発明の無機短繊維成形体からなることを特徴とする断熱材である。また、本発明の無機短繊維成形体からなることを特徴とする目地埋め材である。また、本発明の無機短繊維成形体からなることを特徴とするパッキンである。また、本発明の無機短繊維成形体からなることを特徴とするハニカム固定用保持材の材料である。

本発明によれば、例えば断熱性の良好な断熱材、作業性の良好な目地埋め材、ガスシール性に優れたパッキン、保持性に優れたハニカム固定用保持材の材料等として好適な無機短繊維成形体と、それを用いた断熱材、目地埋め材、パッキン及びハニカム固定用保持材の材料とが提供される。また、本発明の製造方法によれば、本発明の無機短繊維成形体を容易に製造することができる。

本発明の無機短繊維成形体の嵩密度が０．０５〜０．１８ｇ／ｃｍ^３以外ではクッション性、ガスシール性及びハニカムの保持性から選ばれた性能の少なくとも一つが不十分となる。嵩密度は、例えば繊維化した直後の前駆体繊維をネットコンベア上に積層させる際に、ネットコンベアの送り速度を変えることによって調整することができる。また、ニードルパンチ処理の条件を変えることによって調整することができる。嵩密度は、所定サイズに切り出し、その質量と寸法を測定することで算出できる。

無機短繊維成形体を構成している繊維のアルミナ／シリカの質量比が７２〜１００／２８〜０以外では、断熱性に優れた良質な結晶質のアルミナ繊維とならない。アルミナ／シリカの質量比は紡糸原液のアルミナ源とシリカ源の混合割合によって調整することができる。

以上の嵩密度と、アルミナ／シリカの質量比とを有する無機短繊維成形体は知られているが、本発明の無機短繊維成形体は、更にクッション性が４００ｍｌ以上としている点で従来品と相違している。本発明において、クッション性とは上記で定義された特性のことであって、無機短繊維成形体の粉化の進行度を表す指標である。クッション性が４００ｍｌを大きく下回ると、無機短繊維成形体の粉化が著しく進んでいることを意味している。

つぎに、本発明の無機短繊維成形体の製造方法について説明する。

前駆体短繊維には全く制約がなく、従来法で製造されたもので十分である。それを例示すれば、例えばオキシ塩化アルミニウム水溶液等のアルミナ源と、例えばシリカゾル等のシリカ源を所望のアルミナ／シリカ比に混合し、更に例えばポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール等の紡糸助剤を配合してから減圧濃縮して、例えば粘度が５００〜２００００ｍＰａ・ｓの粘調な紡糸原液を調製し、それを繊維状に乾燥固化して製造されたものが使用される。繊維状に乾燥固化する手段の一例を示せば、中空円盤内に紡糸原液を供給し、円盤を回転させることによって円盤の円周面に設けられた直径０．１〜１．３ｍｍ程度の複数の孔から糸状に液を出し、これを高速気流と接触させながら乾燥させる方法である。

前駆体短繊維積層体は、例えば紡糸原液を繊維状に乾燥固化しながらネットコンベア上で集めることによって製造できる。このときネットの下方から吸引すると、前駆体短繊維はネット上に平滑に積層させることができる。また、クロスラッパー（例えば特開２０００−８０５４７号公報参照）によって薄層積層体を重ね合わせるなど、一般のウエブ製造で用いている方法も採用することができる。

本発明において、前駆体短繊維積層体のニードルパンチ処理は二段階で行われる。第一段階で前駆体短繊維の積層体の上面から下面方向にニードルの突き刺しを行い、第二段階で下面から上面方向に突き刺しを行う。第一段階と第二段階のニードルパンチ処理は順次行うこともできるし、同時に行うこともできる。本発明のように、上下方向からの二段階のニードルパンチ処理を以下の条件で行うことによって、繊維が破壊するのを著しく軽減させて、嵩密度を制御することが可能となり、クッション性の高い無機短繊維成形体を製造することができる。

第一段階のニードルパンチ処理は、突き刺し密度を４〜４５回／ｃｍ^２とする。特に好ましい突き刺し密度は８〜２０回／ｃｍ^２である。また、突き刺し深さは、前駆体短繊維積層体厚みの５０％の位置に少なくとも１個のバーブが通過する深さとする。特に好ましい突き刺し深さは、前駆体短繊維積層体厚みの５０％の位置に３個以上のバーブが通過する位置である。

第二段階のニードルパンチ処理は、突き刺し密度を２〜１８回／ｃｍ^２とする。特に好ましい突き刺し密度は４〜１０回／ｃｍ^２である。また、突き刺し深さは、前駆体短繊維積層体厚みの２０％の位置に少なくとも１個のバーブが通過する深さとする。特に好ましい突き刺し深さは、前駆体短繊維積層体厚みの２０％の位置に３個以上のバーブが通過する位置である。

第一段階、第二段階のいずれのニードルパンチ処理においても、潤滑剤を噴霧しながら行うと、バーブと繊維との摩擦、繊維同士の摩擦が低減され、繊維の破壊が一段と低減させることができる。潤滑剤を例示すれば、エステル系、脂肪酸アルコール系等があり、これらには多くの市販品がある。

第一段階、第二段階で使用されるニードルとしては、バーブと呼ばれる突起を有するものであれば特に制約はない。バーブの数は数個〜十数個まで可能である。また、ニードルの断面形状についても三角状が一般的であるが、この他にも星状、ピンチ状、コニカル状等使用できる。バーブの数と断面形状が異なる様々のニードルが市販されているが、本発明ではそれらを用いることができる。

本発明では、第一段階、第二段階のニードルパンチ処理を施した後に、更に無機連続繊維の前駆体糸による縫製をすることもできる。これによって、焼成途上にある前駆体短繊維積層体は徐々に連続繊維糸で締めつけられるので、繊維の破壊を著しく抑えることができ、クッション性、断熱性、ガスシール性、ハニカムの保持性に一段と優れた無機短繊維成形体を得ることができる。前駆体糸としては、例えばアルミナ／シリカの質量比が７２〜１００／２８〜０であるものが用いられる。このような前駆体糸には市販品があるのでそれを使用することができるし、また多くの製造技術が知られているのでそれにもとづいて製造されたものを使用することができる。

縫製は、例えば直線、曲線、円、楕円、矩形等による対称模様が連続繊維糸によって描けるようにして行うのがよい。この場合、連続繊維糸が交差した模様であってもよい。模様の間隔（例えば連続繊維糸による直線模様の場合、連続繊維糸同士の間隔となる。）は、７〜１００ｍｍが好ましく、特に１０〜５０ｍｍが好ましい。また、縫い目間隔（針で縫われている間隔のこと）は、７〜１００ｍｍが好ましく、特に１０〜５０ｍｍが好ましい。

ニードルパンチ処理の施こされた前駆体短繊維積層体は、次いで焼成されて本発明の無機短繊維成形体となる。焼成は、例えば大気中において、最高焼成温度を１１００〜１４００℃、特に１２５０〜１３５０℃まで昇温して行われる。炉は、室温から９５０℃程度の間は前駆体繊維中の塩酸分、有機物の燃焼生成物等を炉内から排出できるように熱風の導入と排出が可能であって、それ以降最高焼成温度までは発熱体による電気加熱方式とした構造のものが好ましい。これには、例えばトンネル炉がある。

本発明の無機短繊維成形体は、従来のそれと同じ用途に用いることができる。それを例示すれば、ブロックライニング法、スタックライニング法等による炉壁を構築する際の炉材はもとより、クッション性の大きいことを利用して、断熱施工をする際の目地埋め材、ガスシール性に優れたことを利用して、炉の点検口のパッキン材、更には保持力の高いハニカム固定用保持材をつくるための材料、などである。ハニカム固定用保持材をつくるときは、無機短繊維成形体に通常、例えばアクリルエマルジョンや変性アクリル系エマルジョン等のバインダーを含浸させる。いずれの用途にあっても、従来の無機短繊維成形体の変わりに、本発明の無機短繊維成形体を用いればよい。

実施例１
アルミナ固形分濃度が２．０質量％のオキシ塩化アルミニウム水溶液４５５０ｇと、シリカ濃度が２０．０質量％のコロイダルシリカ１２５０ｇとを混合し、更に１０％部分ケン化ポリビニルアルコール水溶液６００ｇを混合してから、減圧脱水濃縮を行い、粘度４０００ｍＰａ・ｓの紡糸原液を調製した。

この紡糸原液を、円周面に直径０．５ｍｍの孔を５００個設けられた直径１５０ｍｍの中空円盤内に供給し、この円盤を回転させることによって孔から液を糸状に飛び出させ、５００℃の熱風で乾燥固化させて前駆体繊維とし、コンベア上に積層させて前駆体短繊維積層体を製造した。

この前駆体短繊維積層体に、クロスバーブタイプのニードルを用い、第一段階のニードルパンチ処理と第二段階のニードルパンチ処理を表１に示す条件で行った。表１において、「バーブ通過数」とは、第一段階においては、前駆体短繊維積層体厚みの５０％の位置を通過したバーブの数であり、第二段階においては、前駆体短繊維積層体厚みの２０％の位置を通過したバーブの数である。

ついで、トンネル炉を用い、前駆体短繊維積層体を昇温速度８℃／分、最高温度１２５０℃で焼成し、無機短繊維成形体を製造した。得られた無機短繊維成形体は、アルミナが８０質量％、シリカが２０質量％、平均繊維径が３．５μｍの無機短繊維からなり、嵩密度が０．１０ｇ／ｃｍ^３であった。

実施例２
第二段階のニードルパンチ処理を施した後の前駆体短繊維積層体を、更に無機連続繊維の前駆体糸（市販品：アルミナが８０質量％、シリカが２０質量％）で縫製処理したこと以外は、実施例１と同様の方法で無機短繊維成形体を製造した。縫製条件は、模様は直線模様、模様の間隔（前駆体糸同士の間隔）は２０ｍｍ、縫い目間隔は２５ｍｍとした。その結果、得られた無機短繊維成形体の嵩密度は０．１３ｇ／ｃｍ^３であった。

比較例１〜３
ニードルパンチ処理条件を表１のようにしたこと以外は、実施例１と同様の方法で無機短繊維成形体を製造した。

得られた無機短繊維成形体について、（１）嵩密度、（２）クッション性、（３）引張り強度、（４）面圧及び（５）亀裂の有無を以下に従って測定した。それらの結果を表１に示す。

（１）嵩密度：無機短繊維成形体を１００ｍｍ×１００ｍｍサイズで切り出し、その寸法と質量を測定して算出した。
（２）クッション性：上記に従い測定した。
（３）引張り強度：引張り試験機 オリエンテック社製「テンシロン ＲＴＣ−１３１０Ａ」を用いて測定した。
（４）面圧：圧縮試験機 エー・アンド・デイ社製「ＲＴＣ−１２１０Ａ」を用いて測定した。
（５）亀裂の有無：目視観察した。

表１から、実施例で製造された無機短繊維成形体は、クッション性、引張り強度、面圧のいずれもが比較例よりも優れ、しかも亀裂の発生も認められなかったことから、クッション性、断熱性、ガスシール性及びハニカムの保持性のいずれもが改善されていることがわかった。また、実施例１と実施例２との対比から、前駆体短繊維積層体を焼成する前に、無機連続繊維の前駆体糸で縫製しておくことによって、更に効果が増大したことがわかる。これらのことから、本発明の無機短繊維成形体は、断熱材、目地埋め材、パッキン、ハニカム固定用保持材の材料として好適であることが示された。

本発明の無機短繊維成形体は、例えば断熱材、例えば炉壁の曲がり部に生じる隙間の目地埋め材、例えば炉内雰囲気を制御した炉の点検口のパッキン、例えば自動車排気ガス浄化用触媒コンバータ用ハニカム、ディーゼルパティキュレートフィルタ用ハニカム等のハニカム固定用保持材の材料、などとして使用することができる。

Claims (6)

1. 前駆体短繊維積層体に以下の第一段階及び第二段階のニードルパンチ処理を順次又は同時に施してから焼成することを特徴とする、嵩密度が０．０５〜０．１８ｇ／ｃｍ^３、アルミナ／シリカの質量比が７２〜１００／２８〜０である無機短繊維成形体であり、以下で定義されるクッション性が４００ｍｌ以上である無機短繊維成形体の製造方法。
   ［第一段階のニードルパンチ］
   複数のバーブを有するニードルを用いて前駆体短繊維積層体の上面から下面に向けてニードルの突き刺しを行う。その突き刺し密度が４〜４５回／ｃｍ^２であり、突き刺し深さが前駆体短繊維積層体厚みの５０％の位置に少なくとも３個のバーブが通過する深さである。
   ［第二段階のニードルパンチ］
   複数のバーブを有するニードルを用いて前駆体短繊維積層体の下面から上面に向けてニードルの突き刺しを行う。その突き刺し密度が２〜１８回／ｃｍ^２であり、突き刺し深さが前駆体短繊維積層体厚みの２０％の位置に少なくとも３個のバーブが通過する深さである。
   ［クッション性の定義］
   成形体の３ｇを嵩密度０．４０ｇ／ｃｍ^３に圧縮した状態で２０分間保持してから、それを５００ｍｌの水中に入れ、繊維が破壊しないようにガラス棒で軽く攪拌して繊維を分散させスラリーとした後、５００ｍｌのメスシリンダーにスラリーを移し変えて３０分間静置したときの繊維スラリー層の容積をクッション性と定義する。
2. 第一段階、第二段階のニードルパンチ処理を施した後に、更に無機連続繊維の前駆体糸を用いて縫製することを特徴とする請求項１に記載の無機短繊維成形体の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法で製造された無機短繊維成形体からなることを特徴とする断熱材。
4. 請求項１又は２に記載の方法で製造された無機短繊維成形体からなることを特徴とする目地埋め材。
5. 請求項１又は２に記載の方法で製造された無機短繊維成形体からなることを特徴とするパッキン。
6. 請求項１又は２に記載の方法で製造された無機短繊維成形体からなることを特徴とするハニカム固定用保持材の材料。