JP2001330375A - 耐火断熱材 - Google Patents

耐火断熱材

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安雄 三須
Shuji Omiya
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 1000℃以上の高温域においても優れた耐
熱性および断熱性を発現する耐火断熱材を提供する。 【解決手段】 耐火断熱材を無機繊維と無機粉体と結合
材から成形体を成形する。平均繊維径1〜3.5μmの
無機繊維が30重量%以上であり、無機繊維に含まれる
粒径45μm以上のショットが10重量%以下であり、
無機粉体は結晶質であり、断熱材の熱伝導率が1200
℃において0.20W/mK以下である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、主に工業炉の炉壁
材として使用されるのに適した、耐熱性および断熱性に
優れた耐火断熱材に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、環境保全や省エネルギーのため
に、工業材料として優れた断熱性を有する耐火断熱材の
要求が非常に高まっている。断熱材の使用温度域は広範
囲であり、それぞれの使用温度域での優れた断熱性が要
求される。例えば、建材用の断熱材は常温であり、燃料
電池や工業炉などに使用される断熱材は中高温域におい
て優れた断熱性が要求される。
【0003】中高温域で使用される断熱材として、無機
繊維と無機粉体と結合材からなり、かつ湿式成形により
成形された断熱材が知られている。例えば、特開平5−
9083号公報には、無機繊維と酸化チタンと結合材よ
り構成され、湿式成形法により成形された断熱材が開示
されている。ここに使用される酸化チタンは、赤外線散
乱効果を持ち、優れた断熱性を発現するとされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】工業材料として使用さ
れる、特開平5−9083号公報に示された断熱材は、
1000℃以下の中温度域では優れた断熱性を発現す
る。
【0005】しかしながら、ここに使用する酸化チタン
は、平均粒径が0.4μm以下と微細粒であり、100
0℃以上の高温域では焼結による断熱材の収縮や撓みが
顕著である。このため、高温域では、この断熱材は優れ
た断熱性を発現することが困難である。また、湿式成形
法により成形する際には、濾過抵抗が大きく、成形に長
時間を要し、厚い成形体を得ることが困難である。
【0006】本発明は、1000℃以上の高温域におい
ても優れた耐熱性および断熱性を発現する耐火断熱材を
提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の解決手段は、前
掲の請求項1〜7に記載の耐火断熱材である。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明者は、1000℃以上の高
温域においても優れた断熱性を発現する断熱材を開発す
るために鋭意研究した結果、特に優れた断熱性の発現を
可能とする無機繊維の径、ショットの含有量及び無機粉
末を見いだし、本発明を完成した。本発明は、無機繊維
と無機粉体と結合材から成形した耐火断熱材である。
【0009】まず、本発明に使用する無機繊維について
説明する。
【0010】本発明の耐火断熱材には、平均繊維径が1
〜3.5μm(好ましくは1〜3μm)の無機繊維が3
0重量%以上含まれるのが好ましい。
【0011】無機繊維は断熱材の中で微細なネットを形
成する。この際、繊維径が小さいと、このネットの気孔
が小さくなり、断熱材の気体の対流による伝熱、および
気体分子の衝突による伝熱を抑制する。また、繊維径が
小さいと、繊維同士および繊維と粉体との接触面磧が小
さくなって、固体の伝導伝熱を抑制する。さらに、繊維
径が小さいと、断熱材中の繊維数の割合が大きくなり、
輻射を遮蔽する隔壁が多くなって、断熱性を向上させる
効果をもたらす。
【0012】これらの理由により、繊維径は小さい方が
好ましい。繊維径が3.5μm(好ましくは3μm)以
下になると断熱材の断熱性が特に向上する。しかし、繊
維径が1μmより小さくなると、湿式成形の際に濾過抵
抗が増大し、厚い断熱材を得るのが困難になる。この理
由から、平均繊維径1〜3.5μm(好ましくは1〜3
μm)の無機繊維を含むものが好ましい。
【0013】平均繊維径が1〜3.5μm(好ましくは
1〜3μm)の無機繊維は、30重量%以上含まれるの
が好ましい。30重量%未満では前述の効果が少ない。
【0014】次に、ショット含有率について説明する。
【0015】無機繊維に含まれるショットは、無機繊維
を製造する際の副産物である。このショットは、無機繊
維のネットによって保持されたまま、断熱材に含有され
る。粒径が45μm以上の大きなショットは、断熱材に
大きな気孔を生じ、気体の対流伝熱、気体分子の衝突に
よる伝熱を促進する。この理由により、粒径が45μm
以上のショットは少ない方が好ましい。無機繊維に含ま
れる粒径45μm以上のショットの含有率が10重量%
以下になると、断熱材の断熱性が特に向上する。したが
って、無機繊維に含まれる粒径45μm以上のショット
含有率は10重量%以下が好ましい。
【0016】平均繊維径が1〜3.5μm(好ましくは
1〜3μm)の無機繊維としては、アルミナシリカ繊維
またはアルミナシリカジルコニア繊維が好ましく使用で
きる。無機繊維としては、この他に、耐熱性を向上する
目的で、例えばムライト繊維、アルミナ繊維およびジル
コニア繊維が好ましく使用できる。
【0017】本発明において使用する無機粉体は、耐熱
性を維持するために配合するものであり、1400℃ま
での加熱によって大きな体積変化のない結晶質の無機粉
体が好ましい。無機粉体が非晶質であると、高温におい
て結晶化して体積変化が生じ耐熱性および断熱性が低下
する。
【0018】例えば、非晶質シリカを無機粉体として使
用すると、1000℃以上で結晶化が生じる。その結
果、断熱材に顕著な収縮が起こり、耐熱性および断熱性
が低下する。
【0019】また、無機粉体が結晶質であっても、相転
移により大きな体積変化を生じると、耐熱性および断熱
性の低下を来す。故に、少なくとも1400℃までの加
熱において体積変化の少ない結晶質の無機粉体を使用す
ることが好ましい。
【0020】このような無機粉体の好適な例としては、
ムライト、石英、クリストバライト、コーディエライ
ト、ジルコン、コランダム、ルチルなどが挙げられる。
本発明にはこれらの結晶質無機粉体を1種類以上使用す
る。
【0021】また、カオリンクレーの焼成品は、その構
成結晶相がムライトおよびクリストバライトである。こ
のような無機粉体も好ましく使用できる。
【0022】ムライトやコーディエライトは、単成分酸
化物であるアルミナやマグネシアよりも結晶構造が複雑
であり、輻射伝熱の抑制だけでなく、フォノン伝導の抑
制に極めて大きな役割を果たし、優れた断熱性を発現す
るので特に好ましい。
【0023】ルチルは高屈折率を有し、輻射熱の散乱、
とくに赤外線の散乱効果があり、優れた断熱性を発現す
るのに有効である。
【0024】無機粉体の平均粒径は1〜45μmが好ま
しい。平均粒径が45μmより大きくなると、ショット
と同様に断熱材中に大きな気孔を生じ、断熱性が低下す
る。また、平均粒径が1μmより小さくなると、湿式成
形の際の濾過抵抗が増大し、厚い断熱材を得ることが困
難になる。
【0025】本発明の耐火断熱材の好ましい嵩密度は、
0.18〜0.50g/cm3 である。0.18g/c
3 未満では、対流および輻射による伝熱が大きくな
り、0.50g/cm3 を越えると、固体伝導による伝
熱が大きくなることがある。
【0026】本発明においては、高温での強度維持を目
的として、無機結合材を1〜10重量%使用するのが好
ましい。無機結合材としては、例えば、シリカゾル、チ
タニアゾル、アルミナゾルなどのコロイド溶液が好まし
い。使用方法は、スラリーに混合するか、あるいは得ら
れた断熱材に含浸するのが好ましい。さらに、必要に応
じて、有機結合材を3〜10重量%の範囲で好ましく使
用できる。有機結合材としては、例えば、アクリル樹脂
エマルジョンや合成ゴムラテックスなどが挙げられる。
【0027】本発明の耐火断熱材は、湿式成形法により
成形するのが好ましい。特に抄造法により成形するのが
好ましい。抄造法は、水に原料を分散させ、これを抄造
する。この際、凝集剤を添加するのが好ましい。凝集剤
の好ましい例としては、ポリアクリルアミド、澱粉など
がある。この抄造法によると、無機繊維および無機粉体
の流動性が増大し、無機繊維および無機粉体が均一に充
填されて、空隙が小さく均一な成形体が容易に得られ
る。さらに圧縮して脱水すると、空隙はさらに小さく均
一になる。
【0028】
【実施例】実施例1〜4および比較例1 水に、無機繊維、無機粉体および結合材の所定量を投入
し、撹拌混合し、さらに適宜凝集剤を添加してスラリー
を調製した。このスラリーを120×120mmの大き
さの抄造用モールドにて、厚み25mmに抄造した。そ
の後、100℃で12時間乾燥して成形体を得た。
【0029】無機繊維、無機粉体および結合材の配合割
合(重量部)とそれらの成形体(耐火断熱材)の特性を
表1に示す。表1において、繊維の( )内は平均繊維
径を示し、粉体の( )内は平均粒径を示す。繊維に含
まれる粒径45μm以上のショットは、アルミナシリカ
繊維1〜4は1重量%以下である。表1に示す成形体
(耐火断熱材)は、アルミナシリカ繊維の平均繊維径
が、それぞれ異なっている。
【0030】
【表1】 ムライト繊維は、粒径45μm以上のショットが3重量
%であり、平均繊維径は4.9μmである。
【0031】熱伝導率は、1200℃において非定常熱
線法で測定した。熱伝導率が小さいほど断熱性に優れて
いる。
【0032】実施例1〜4について、アルミナシリカ繊
維の平均繊維径と、1200℃における熱伝導率との関
係を図1に示す。
【0033】図1より、平均繊維径が3.5μmとくに
3μm以下になると、熱伝導率が急激に小さくなること
が明らかである。
【0034】比較例1は、平均繊維径1〜3.5μmの
無機繊維を含まない例であり、熱伝導率が大きい。
【0035】実施例5〜7および比較例2 実施例1と同様にして成形体(耐火断熱材)を作製し
て、実施例5〜7および比較例2を得た。
【0036】これらの配合割合(重量部)および特性を
表2に示す。表2において、繊維の( )内は、繊維に
含まれる粒径45μm以上のショット含有率(重量%)
を示す。また、アルミナシリカ繊維5〜8の平均繊維径
は3μmである。表2に示す成形体(耐火断熱材)は、
繊維に含まれる粒径45μm以上のショット含有率が、
それぞれ異なっている。
【0037】
【表2】 実施例5〜7および比較例2について、アルミナシリカ
繊維の粒径45μm以上のショット含有率と、1200
℃における熱伝導率との関係を図2に示す。
【0038】図2より、使用するアルミナシリカ繊維
の、粒径45μm以上のショット含有率が10重量%以
下になると、得られる断熱材の熱伝導率は急激に小さく
なることが明らかである。
【0039】実施例8〜16および比較例3 実施例1と同様にして、実施例8〜16および比較例3
を作製した。これらの配合割合(重量部)および特性を
表3に示す。表3において粉体の( )内は平均粒径を
示す。
【0040】
【表3】 実施例1および比較例3の温度と熱伝導率の関係を図3
に示す。
【0041】図3より次のことが明らかである。すなわ
ち、比較例3は、非晶質シリカ粉体を使用したために、
1000℃以上では熱伝導率が急激に上昇した。これに
対して、実施例1は、ムライト粉体を使用しているた
め、1000℃以上においても熱伝導率の上昇が少な
い。
【0042】
【発明の効果】本発明によれば、1000℃以上の高温
域でも断熱性に優れた耐火断熱材を容易に得ることがで
きる。
【0043】本発明の耐火断熱材を使用すれば、その優
れた断熱性によって、加熱炉の放散熱量を削減すること
ができる。また、断熱材の厚みを、従来に比較して薄く
することが可能であり、結果として、加熱炉が軽量化さ
れ、サイズをコンパクトにすることができる。さらに、
1000℃以上の高温域においても優れた断熱性を発現
するので、断熱性の向上によって生じる断熱材の温度上
昇に対しても、優れた断熱性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1〜4におけるアルミナシリカ繊維の平
均繊維径と1200℃での熱伝導率との関係を示す。
【図2】実施例5〜8におけるアルミナシリカ繊維のシ
ョット含有率と1200℃での熱伝導率との関係を示
す。
【図3】実施例1および比較例3における熱伝導率と温
度との関係を示す。
【符号の説明】
1 実施例1 2 実施例2 3 実施例3 4 実施例4 5 実施例5 6 実施例6 7 実施例7 8 比較例2
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C04B 14:30 C04B 14:30 14:06) 14:06) Z 111:28 111:28 (72)発明者 大宮 修史 東京都中央区日本橋久松町4番4号 糸重 ビル 東芝モノフラックス株式会社内 Fターム(参考) 4G012 PA03 PA04 PA11 PA15 PC15 4K051 AA00 AB03 BE03

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 無機繊維と無機粉体と結合材から成形さ
    れた耐火断熱材において、平均繊維径1〜3.5μmの
    無機繊維が30重量%以上であり、無機繊維に含まれる
    粒径45μm以上のショットが10重量%以下であり、
    無機粉体は結晶質であり、断熱材の熱伝導率が1200
    ℃において0.20W/mK以下であることを特徴とす
    る耐火断熱材。
  2. 【請求項2】 嵩密度が、0.18〜0.50g/cm
    3 であることを特徴とする請求項1に記載の耐火断熱
    材。
  3. 【請求項3】 平均繊維径1〜3.5μmの無機繊維
    が、アルミナシリカ繊維またはアルミナシリカジルコニ
    ア繊維から選ばれる1種類以上であることを特徴とする
    請求項1又は2に記載の耐火断熱材。
  4. 【請求項4】 無機粉体は、平均粒径が1〜45μmで
    あることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記
    載の耐火断熱材。
  5. 【請求項5】 無機粉体が、ムライト、石英、クリスト
    バライト、コーディエライト、ジルコン、コランダム、
    ルチルの中から選ばれる1種類以上であることを特徴と
    する請求項1〜4のいずれか1項に記載の耐火断熱材。
  6. 【請求項6】 耐火断熱材が湿式成形法により成形され
    たものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか
    1項に記載の耐火断熱材。
  7. 【請求項7】 請求項1又は3に記載の平均繊維径1〜
    3.5μmの無機繊維が平均繊維径1〜3μmの無機繊
    維であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項
    に記載の耐火断熱材。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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