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JP5087709B1 - 無機繊維質定形体及びその硬度の調整方法 - Google Patents

無機繊維質定形体及びその硬度の調整方法 Download PDF

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Abstract

【課題】無機バインダーを含まずに様々な柔軟性と硬さ、さらに耐熱性を有する無機繊維質定形体及びその硬度の調整方法を提供する。
【解決手段】少なくとも以下の組成を有する生体溶解性無機繊維を含む無機繊維、及び有機増粘剤を含み、無機バインダーを含まない無機繊維質定形体。[組成]SiO70〜82重量%、CaO10〜29重量%、MgO1重量%以下、Al5重量%未満、SiO、CaO、MgO、Alの合計98重量%超
【選択図】なし

Description

本発明は、シール材やパッキング材として用いることのできる無機繊維質定形体及びその硬度の調整方法に関する。
無機繊維は、軽量で扱いやすく、且つ耐熱性に優れるため、例えば、耐熱性のシール材として使用されている。一方、近年、無機繊維が人体に吸入されて肺に侵入することによる問題が指摘されている。そこで、人体に吸入されても問題を起こさない又は起こしにくい生体溶解性無機繊維が開発されている(例えば、特許文献1,2)。
生体溶解性無機繊維は、用途に応じて、ロープ、ヤーン、クロス等の紡織品の原料として使用される他、ブランケット、ボード、フェルト等の定形品や、コーティング材や漆喰等の不定形品に二次加工されて用いられる。
定形品を、熱処理装置、工業窯炉内又は焼却炉内の目地材、耐火タイル、断熱レンガ、鉄皮、モルタル耐火物等の隙間を埋める目地材、シール材、パッキング材として用いるときは、目地の施工が隙間なくできるように、柔軟性、クッション性が求められる。また、曲面等に施工される場合は、柔軟性と共に、定形品に様々な加工を施し、施工するため、加工精度や寸法精度が必要であるため硬さが求められる。このように、用途に応じた柔軟性と硬度が求められる。さらに高温で使用中に変形しないように、加熱収縮率が小さいことが好ましい。
従来のボード等の定形品では、硬さを出すために無機バインダーが含まれていた。しかしながら、無機バインダーが含まれると、定形品を高温で使用した際に、結晶化が進むことによって強度が落ちたり、クッション性が落ちたりする問題があった。また、柔軟性が落ちることにより施工後に形状が保持できず、施工箇所から脱落したり隙間ができたりするという問題もあった。
特開2001−270737号公報 特表2005−514318号公報
本発明の目的は、コロイダルシリカを含まずに、硬い、耐熱性の無機繊維質定形体を提供すること、又はその柔軟性と硬さを調整する方法を提供することである。
本発明によれば、以下の無機繊維質定形体の硬度の調整方法が提供される。
1.少なくとも以下の組成を有する生体溶解性無機繊維を含む無機繊維、及び有機増粘剤を含み、無機バインダーを含まない無機繊維質定形体。
[組成]
SiO 70〜82重量%
CaO 10〜29重量%
MgO 1重量%以下
Al 5重量%未満
SiO、CaO、MgO、Alの合計 98重量%超
2.さらに定着剤を含む1記載の無機繊維質定形体。
3.前記定着剤が、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム及びカリウムのそれぞれの硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩及び塩酸塩から選択される1以上である2記載の無機繊維質定形体。
4.1〜3のいずれか記載の無機繊維質定形体において、有機増粘剤及び定着剤の少なくとも1つの量を変えることにより表面の硬度を調整する方法。
本発明によれば、コロイダルシリカを含まずに様々な柔軟性と硬さ、さらに耐熱性を有する無機繊維質定形体及びその硬度の調整方法を提供できる。
本発明の無機繊維質定形体は、少なくとも、所定の無機繊維(以下、特定無機繊維ともいう)及び有機増粘剤を含む。本発明の無機繊維質定形体は、無機バインダーであるコロイダルシリカは含まない。さらに、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂は含まないとしてもよい。
有機増粘剤には、天然増粘剤及びその誘導体又はビニル系、ビニリデン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリエーテル系、ポリグリコール系、ポリビニルアルコール系、ポリアルキレンオキサイド系、ポリアクリル酸系等があり、具体的には、CMC(カルボキシメチルセルロース)、MC(メチルセルロース)等のセルロース系、アルブミン、カゼイン、アルギン酸、寒天、澱粉、多糖類、PVA(ポリビニルアルコール)、PVB(ポリビニルブチラール)、アクリルエマルジョン等がある。これらは単独で用いてもよいし、2種以上混ぜてもよい。好ましくはポリアクリル酸系、セルロース系、澱粉である。本発明の定形体は有機増粘剤を実質的に溶融していないで状態で含むようにしてよい。
本発明の無機繊維質定形体は、さらに、有機増粘材を繊維に定着させるため、定着剤を含むことができる。定着剤として、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム、及びカリウムのそれぞれ硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩及び塩酸塩を例示できる。
また、スラリー中でフロックを形成するため、凝集剤を含むことができる。凝集剤は汎用的な凝集剤であればよく、得られるフロックの状態により、種類、添加量は適宜選択すればよい。また凝集剤は含まなくてもよい。
本発明で用いる特定無機繊維は以下の組成を有する。以下の組成の繊維は加熱後の生体溶解性、耐火性に優れる。
SiO 66〜82重量%
CaO 10〜34重量%
MgO 3重量%以下
Al 5重量%以下
SiO、CaO、MgO、Alの合計 98重量%超
好ましくは、以下の組成を例示できる。
SiO 66〜82重量%(例えば、68〜80重量%、70〜80重量%、71〜80重量%又は71〜76重量%とできる)
CaO 10〜34重量%(例えば、20〜30重量%又は21〜26重量%とできる)
MgO 3重量%以下(例えば、1重量%以下とできる)
Al 5重量%以下(例えば3.5重量%以下又は3重量%以下とできる。また、1重量%以上又は2重量%以上とできる)
他の酸化物 2重量%未満
SiOが上記範囲であると耐熱性に優れる。CaOとMgOが上記範囲であると加熱前後の生体溶解性に優れる。
Al含有量は、例えば、3.4重量%以下又は3.0重量%以下とできる。また、1.1重量%以上又は2.0重量%以上とできる。好ましくは0〜3重量%、より好ましくは1〜3重量%である。この範囲でAlを含むと強度が高くなる。
上記の無機繊維は、他の酸化物として、アルカリ金属酸化物(KO、NaO等)、Fe、ZrO、P、B、TiO、MnO、R(RはSc,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Y又はこれらの混合物から選択される)等を1以上含んでもよく、含まなくてもよい。他の酸化物は、それぞれ、1.0重量%未満、0.2重量%以下又は0.1重量%以下としてよい。アルカリ金属酸化物は各酸化物を1.0重量%未満又は0.2重量%以下としてもよく、アルカリ金属酸化物の合計を1.0重量%未満又は0.2重量%以下としてもよい。
また、SiO、CaO、MgO、Alの合計を99重量%超としてよい。
上記の組成の繊維は生体溶解性である。一般に、生体溶解性無機繊維は、例えば、40℃における生理食塩水溶解率が1%以上の無機繊維である。
生理食塩水溶解率は、例えば、次のようにして測定される。すなわち、先ず、無機繊維を200メッシュ以下に粉砕して調製された試料1g及び生理食塩水150mLを三角フラスコ(容積300mL)に入れ、40℃のインキュベーターに設置する。次に、三角フラスコに、毎分120回転の水平振動を50時間継続して加える。その後、ろ過により得られた濾液に含有されている各元素の濃度(mg/L)をICP発光分析装置により測定する。そして、測定された各元素の濃度と、溶解前の無機繊維における各元素の含有量(重量%)と、に基づいて、生理食塩水溶解率(%)を算出する。すなわち、例えば、測定元素が、ケイ素(Si)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)及びアルミニウム(Al)である場合には、次の式により、生理食塩水溶解率C(%)を算出する;C(%)=[ろ液量(L)×(a1+a2+a3+a4)×100]/[溶解前の無機繊維の重量(mg)×(b1+b2+b3+b4)/100]。この式において、a1、a2、a3及びa4は、それぞれ測定されたケイ素、マグネシウム、カルシウム及びアルミニウムの濃度(mg/L)であり、b1、b2、b3及びb4は、それぞれ溶解前の無機繊維におけるケイ素、マグネシウム、カルシウム及びアルミニウムの含有量(重量%)である。
上記の無機繊維の製造方法として、ブローイング法とスピニング法等公知の方法が挙げられる。
無機繊維質定形体は、上記の特定無機繊維に加えて、他の無機繊維を含むことができる。無機繊維合計100重量部のうち、特定無機繊維を50重量%以上、60重量%以上、80重量%以上又は100重量%とすることができる。
シリカとアルミナを主成分とする耐火性繊維(シリカ4〜60重量%、アルミナ40〜96重量%)、ロックウール(例えば、SiO含有量が30〜50質量%、Al含有量が10〜20質量%、MgO含有量が1〜10質量%、CaO含有量が20〜40質量%、Fe含有量が0〜3質量%、MnO含有量が0〜1質量%)、カーボンファイバー、スラグウール、グラスウール、シリカ繊維、炭化ケイ素繊維、窒化ホウ素繊維、ジルコニア繊維、珪酸カルシウム繊維、その他の天然鉱物繊維が挙げられる。
無機繊維質定形体は、上記の他、無機粉体、消泡剤、pH調整剤等を含むことができる。
有機増粘剤の量は、定形体に含まれる全ての無機繊維合計を100重量部としたとき、通常0.01〜60重量部、好ましくは0.1〜30重量部、より好ましくは0.5〜20重量部、さらに好ましくは1〜15重量部含まれる。有機増粘剤の量が60重量部以上となると、脱水成型が難しくなる。また、高温で使用すると有機成分がガスの発生原因となるため、無機繊維質定形体の機能を発揮又は用途に応じた要求特性を満足するよう適宜調整すればよい。
定着剤は有機増粘剤1に対し、通常0〜10、好ましくは0.5〜10、より好ましくは1〜7含むとよい。または、本発明の定形体において、無機繊維合計を100重量部としたとき、通常0〜20重量部、好ましくは0.01〜15重量部、より好ましくは0.5〜10重量部、さらに好ましくは1〜10重量部含まれる。有機増粘剤と定着剤は合わせて、好ましくは0.1〜30重量%、好ましくは1〜20重量%、好ましくは1〜15重量%、好ましくは1〜10重量%含まれる。
無機繊維質定形体は、無機繊維及び有機増粘剤を合わせて、無機粉体及び/又は定着剤を含むときはこれらを合わせて、90重量%以上、95重量%以上、98重量%以上、99重量%以上、又は100重量%となるように構成してもよい。
無機繊維質定形体は、好ましくはフェルト等の布状又は柔軟性のある板状の形状である。フェルト等の定形体の面に他の物質を散布、塗布又は積層することなく単一体として使用できる。柔軟性又はクッション性を有する定形体は、形を変えやすく、例えば、目地の間に押し込み易い。厚みは特に限定はされないが、通常5mm以上、好ましくは、10〜50mmである。
本発明の無機繊維質定形体は、有機増粘剤及び/又は定着剤の量を変えることにより、用途に応じて硬度と曲げ強度を適宜調整することができる。有機増粘剤と定着剤の量が増えると硬度が高くなる。
無機繊維質成形体の常態における(未加熱の)表面硬度は用途に応じて異なるが、通常1〜60°である。測定方法は実施例に記載の通りである。
さらに、常態の曲げ強度が0.03〜0.6Mpaであると、無機繊維質成形体のハンドリング性及び加工精度が向上するため好ましい。測定方法は実施例に記載の通りである。
無機繊維質定形体の1100℃で24時間加熱したときの加熱収縮率は、好ましくは2%以下、より好ましくは1%以下である。加熱収縮率は、上記の加熱収縮率が少ない特定無機繊維を用いて、有機増粘剤と定着剤を適宜組み合わせることにより低くすることができる。測定方法は実施例に記載の通りである。
定形体は、脱水成形等の公知の方法で製造できる。例えば、無機繊維、有機増粘剤を含む原料と分散媒とを混合してスラリーを形成し、このスラリーを型に流して成形して、乾燥する。好ましくは溶融温度以下で乾燥する。本発明の定形体は使用済みの定形体を使用して製造することはできるが、有機物量をコントロールし難いため通常使用しない。有機物量が多くなると、加熱した際の発生ガスが大量になる。
脱水成形するとき、成分を溶媒と混合してスラリーを製造するが、溶媒は、定形体に含まれる全ての無機繊維合計を100重量部としたとき、通常1000〜100000重量部、好ましくは、1500〜80000重量部、さらに好ましくは2000〜60000重量部用いる。
溶媒は通常水を使用し、極性有機溶媒を使用しても一部添加してもよいが、好ましくは水である。水は、通常工業的に使用されるものであればよく、例えば、蒸留水、イオン交換水、水道水、地下水、工業用水である。
参考例1〜16
(1)フェルトの製造
SiOを73質量%、CaOを24質量%、MgOを0.3質量%、Alを2質量%含む無機繊維Aと、CMC(有機増粘剤)、澱粉(有機増粘剤)及びアクリルエマルジョン(有機増粘剤)から選択される有機増粘剤とを表1〜3に示す配合量で、水と混合し原料スラリーを調製した。CMCや澱粉は事前に固形分濃度を0.5〜5%に調整し、十分に水に溶解又は膨潤させた状態で添加混合した。
尚、表1〜3では、無機繊維以外の成分の量は、無機繊維Aを100重量部としたときの重量部で示している。水は、無機繊維Aを100重量部としたとき3000重量部用いた。
次に、この原料スラリーを、底部に網が設置された成形型に流し込んだ。そして、成形型の網を介して原料スラリーに含有される水を吸引し除去した。その後、脱水された原料を乾燥機中で加熱して乾燥させて、厚み25mmのフェルトを得た。
(2)フェルトの評価
得られたフェルトについて以下の評価をした。結果を表1〜3に示す。
(i)加熱収縮率
フェルトから取り出した試料(縦150mm、横50mm)を1100℃で24時間焼成した前後で、縦方向の長さを測定して、下記式に基づき求めた。
[(加熱前の測定値−加熱後の測定値)/加熱前の測定値]×100
(ii)曲げ強度
フェルトから取り出した試料(縦150mm、横50mm)を3点曲げ強度試験機(テンシロン)を用いて、破断荷重を測定し、次式により算出した。
曲げ強度(MPa)={3×最大荷重(N)×支持ロールの中心距離(mm)}/{2×断熱材の幅(mm)×(断熱材の厚さ(mm))
(iii)硬度
アスカーC型ゴム硬度計を、水平に保持したフェルトの表面に、硬度計の押針が鉛直になるようにして加圧面を接触させ、直ちに目盛りを読み取った。5ヶ所の測定値の平均値を試験体の硬さ(°)とした。
Figure 0005087709
Figure 0005087709
Figure 0005087709
比較例1〜3
表4に示す成分を表4に示す配合量で混合し、脱水成形して、厚み25mmの成形体(ボード)を製造し、参考例1と同様に評価した。結果を表4に示す。
尚、無機繊維Bは、SiOを53質量%、Alを47質量%含む。
Figure 0005087709
参考例17〜25、実施例1〜11
表5,6に示す成分を表5,6に示す配合量で混合し、参考例1と同様にして、厚み25mmのフェルトを製造し評価した。結果を表5,6に示す。
Figure 0005087709
Figure 0005087709
表1〜6から、実施例のフェルトは、コロイダルシリカを使用しなくても、加熱収縮率、曲げ強度、硬度を適当な値にできることが分かる。加熱収縮率はボードと同等以下であり、曲げ強度(柔軟性)もボードと同等以下である。また、有機増粘剤の量、又は定着剤と有機増粘剤の量を多くすることにより、硬度を高めてボードと同等にできることも分かる。
本発明の無機繊維質定形体は、熱処理装置、工業窯炉内又は焼却炉内の目地材、耐火タイル、断熱レンガ、鉄皮、モルタル耐火物等の隙間を埋める目地材、シール材、パッキング材、断熱材、又はアスベストの代替品として、様々な用途に用いることができる。

Claims (7)

  1. 下の組成を有する生体溶解性無機繊維を少なくとも含む無機繊維、有機増粘剤及び定着剤を、以下の配合で含み、コロイダルシリカを含まない無機繊維質定形体。
    [組成]
    SiO 70〜82重量%
    CaO 10〜29重量%
    MgO 1重量%以下
    Al 5重量%未満
    SiO、CaO、MgO、Alの合計 98重量%超
    [配合]
    有機増粘剤:無機繊維合計100重量部に対し0.5〜20重量部
    定着剤:無機繊維合計100重量部に対し1.0重量部を超えて20重量部以下
    有機増粘剤と定着剤の合計:無機繊維合計100重量部に対し4.8〜30重量部
  2. 前記定着剤が、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、ナトリウム及びカリウムのそれぞれの硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩及び塩酸塩から選択される1以上である請求項1記載の無機繊維質定形体。
  3. 前記有機増粘剤が、セルロース系、アルブミン、カゼイン、アルギン酸、寒天、澱粉、多糖類、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、アクリルエマルジョンから選択される1以上である請求項1又は2記載の無機繊維質定形体。
  4. 前記有機増粘剤が、セルロース系を含む請求項3記載の無機繊維質定形体。
  5. 前記配合が以下である請求項1〜4のいずれか記載の無機繊維質定形体。
    有機増粘剤:無機繊維合計100重量部に対し1〜20重量部
    定着剤:無機繊維合計100重量部に対し1.8〜20重量部
    有機増粘剤と定着剤の合計:無機繊維合計100重量部に対し4.8〜30重量部
  6. 前記配合が以下である請求項5記載の無機繊維質定形体。
    有機増粘剤:無機繊維合計100重量部に対し3〜20重量部
    定着剤:無機繊維合計100重量部に対し1.8〜20重量部
    有機増粘剤と定着剤の合計:無機繊維合計100重量部に対し4.8〜30重量部
  7. 請求項1〜6のいずれか記載の無機繊維質定形体において、有機増粘剤及び定着剤の少なくとも1つの量を変えることにより表面の硬度を調整する方法。
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