JP2005171466A - 人造鉱物繊維を用いた軽量断熱材およびその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来品に比べ環境負荷が小さく、嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ^３以下の軽量断熱材を作製することを課題とした。
【解決手段】
人造鉱物繊維のバインダーとしてショ糖を用い、適正な組成範囲を制御して積層体を作製し、２００℃以上加熱することで目的とする嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ^３以下、熱伝導率０．１Ｋｃａｌ／ｍ．ｈ．℃以下で取り扱い可能な軽量断熱材が得られた。
【選択図】 なし

Description

本発明は、軽量で断熱性、取扱いが可能な嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ^３以下の軽量断熱材であって保温材や断熱材の用途に利用できる。

従来から、人造鉱物繊維を利用した断熱材や保温材は、日本ロックウール株式会社や旭ファイバーガラス株式会社の製品カタログに記載されている。人造鉱物繊維であるロックウールやガラスウールは素材のまま、あるいは熱硬化樹脂をバインダーとして板状、円筒状など種々の形状に加工して、ボイラーや空調機器の断熱材や保温材に利用されているのをはじめ一般住宅の天井材や内壁材として利用され、断熱、保温、吸音などの効果を発揮している。

以上のようにロックウールやガラスウールは不燃材料で機器や住居の断熱、保温、吸音、防火など多くの優れた性能を有し、しかもロックウールは栽培用土壌代替として用いられ環境負荷の小さい材料でもある。

ところで板状、円筒状などの形状を有した製品には前記のようにバインダーとして熱硬化性樹脂が用いられ、特にフェノール樹脂が多く使用されている。

フェノール樹脂を用いた場合にはホルムアルデヒドの問題や製品使用後の廃却時の環境に及ぼす影響などで課題を有する。ホルムアルデヒドは例えば住宅などの断熱材や保温材として使用した場合には、それを原因とされるシックハウス症候群と呼ばれる健康障害を引き起こす可能性もあり、また廃却に際しては土壌に与える影響も懸念される。

ロックウールは、環境負荷の小さい材料として栽培用土壌代替として利用されているにもかかわらず前記のように使用したバインダーに課題がある場合には、それを用いた製品はバインダーの性状に左右されることになり、とくにフェノール樹脂の場合には環境負荷を小さくする必要がある。

請求項１にかかわる発明は、材料構成および作製工程について説明したものである。この発明では人造鉱物繊維（ロックウール）を用い板形状品や円筒形状品を作製する場合のバインダーとして、これまでの熱硬化樹脂（フェノール樹脂）に替えてショ糖を用いた。

ショ糖はサトウキビから採取されるぶどう糖と果糖からなる二糖類に属しＣ_１２Ｈ_２２Ｏ_１１の化学式で示され、融点１８５℃、比重１．５９などの性状をもつ。２００℃以上加熱により、水酸基が分解しエステル結合をもつ高分子に変成していく。この過程で水に不溶となり耐水性が発現する。またエステル結合をもつ化合物は生分解性を有することが知られている。

つぎに作製工程について説明する。人造鉱物繊維を解綿したものを所望の形状を有する容器内にショ糖水溶液が浸透する厚さに配置し、スプレー塗布などでショ糖水溶液を付着させる。この操作を複数回繰り返して所望の厚さに積層したのち１２０℃の熱風循環式乾燥機にいれ水分を除去する。つぎに２００℃以上（好ましくは２３０℃以上）に昇温させ、バインダーであるショ糖を溶融分解させ結合効果と耐水性を付与した後、徐冷して容器から積層体を取り出し、嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ^３以下の軽量断熱材を作製する。

請求項２にかかわる発明は人造鉱物繊維とショ糖（固形分）の組成比率について説明したものである。この組成比率は積層体の嵩密度に密接に関係する。嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ^３以下で取り扱い可能な積層体を作製するためには人造鉱物繊維７０〜９７重量％（好ましくは７１〜９６重量％）、ショ糖３〜３０重量％（好ましくは４〜２９重量％）の範囲である。人造鉱物繊維が７０重量％未満（ショ糖が３０重量％を越える）の場合には人造鉱物繊維間の空気層が減少し、密度が０．２５ｇ／ｃｍ^３以上となり断熱性が低下する。一方、人造鉱物繊維が９７重量％を越える（ショ糖３重量％未満）の場合には積層体の嵩密度が小さくなり断熱性は向上するがバインダーの結合力が弱く、取り扱い作業が困難となり好ましくない。したがって上記範囲内で作製することが必要である。

一般的に材料の嵩密度と熱伝導率は比例関係にあり、嵩密度の大きいものほど熱伝導率が大きい。嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ^３以下の場合には熱伝導率０，１Ｋｃａｌ／ｍ．ｈ．℃以下になる。

請求項３にかかわる発明は、人造鉱物繊維について説明したものである。人造鉱物繊維としては安価で、熱伝導率も０．０３８Ｋｃａｌ／ｍ．ｈ．℃以下と優れた断熱性を有するロックウールが最適である。ロックウールは非晶質で、シリカ、アルミナ、カルシアを主成分とする複合酸化物で繊維状の形態を有する。また栽培土壌代替として用いられるなど環境負荷の小さい材料でもある。

この発明では以上の観点からロックウールを選択して用いたが、人造鉱物繊維として分類されるガラスウールやセラミックファイバーなども同様にして用いることは容易に推察できる。

人造鉱物繊維類と熱硬化樹脂をバインダーにした板形状品や円筒形状品の製品群は断熱材や保温材として幅広く利用されている。この発明ではさらに環境負荷の小さい断熱材や保温材を得るため、従来の熱硬化性樹脂（フェノール樹脂）に替えて天然原料（サトウキビ）から採取したショ糖をバインダーとして利用した。

その結果、人造鉱物繊維のバインダーとして有効に働き、さらにショ糖含有率を調整することにより嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ^３以下の環境負荷の小さい軽量断熱材を得た。

この発明による断熱軽量材の作製方法について記載する。まずショ糖水溶液を作製する。ショ糖水溶液としては濃度１〜１０％を調製した。つぎに人造鉱物繊維としてロックウールを用い、繊維をほぐしたものを所望の形体を有する容器内に薄く充填し、上記、ショ糖水溶液をスプレー塗布する。ロックウールが完全に塗布された時点で、その上に新たなロックウールを重ね、同様にしてショ糖水溶液をスプレー塗布する。この操作を繰り返し、所望の厚さにする。その後１２０℃の熱風循環式の乾燥機などで乾燥を行う。さらに２００℃以上（好ましくは２３０℃以上）の加熱を行い、この発明による嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ^３以下の軽量断熱材を作製した。

加熱により溶融固化して人造繊維鉱物を固めるショ糖はＣ_１２Ｈ_２２Ｏ_１１の化学式で示され、融点１８５℃である。ショ糖は１８５℃付近の温度から溶融し２００℃付近から熱分解を呈し、２３０℃付近で最も分解が活発となり、さらに２５０℃付近ではエステル結合が増加した変成物となり、高分子量化が起こる。エステル結合は２００℃付近から認められ、耐水性が付与される。

つぎに本発明を実施例に基づき説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。

実施例１
ショ糖として白糖（台糖（株））を用い、濃度１％のショ糖水溶液を作製した。人造鉱物繊維としてロックウール（新日化ロックウール（株）製、充填綿）を用いた。幅１００ｍｍ、長さ１００ｍｍ、高さ１００ｍｍのステンレス製容器を用い、ロックウール５ｇをほぐしながら荷重を加えないように広げて配置した。その上からショ糖水溶液２０ｇをスプレー塗布した。この操作を１０回繰り返して積層した。

つぎにｌ２０℃のオーブン中で３時間乾燥させた。乾燥後の組成比率は、ロックウール９６．１５重量％、ショ糖３．８５重量％である。さらに２３０℃まで昇温させ、４５分間加熱したのち徐冷して厚さ４２ｍｍの積層体を取り出した。

積層体の重量と寸法（縦、横、高さ）を測定した。重量を体積で除して嵩密度（計算値）を求めた。熱伝導率は非定常熱線法（京都電子工業（株）製、ＱＴＲ−Ｄ３型）で測定した。外観は色調、手による弾力性や取り扱い性などを観察した。

結果を表１に示す。
実施例２
ショ糖水溶液濃度３％を作製した以外は実施例１と同様にして積層体を作製した。ただし乾燥後の組成比率はロックウール８９．２８重量％、ショ糖１０．７２重量％である。２３０℃加熱後の積層体の厚さは３８ｍｍであった。

実施例１と同様にして嵩密度および熱伝導率ならびに外観を調べた。

結果を表１に示す。
実施例３
ショ糖水溶液濃度５％を作製した以外は実施例１と同様にして積層体を作製した。ただし乾燥後の組成比率はロックウール８３．３３重量％、ショ糖１６．６７重量％である。２３０℃加熱後の積層体の厚さは３０ｍｍであった。

実施例１と同様にして嵩密度および熱伝導率ならびに外観を調べた。

結果を表１に示す。
実施例４
ショ糖水溶液濃度７％を作製して用いた以外は実施例１と同様にして積層体を作製した。ただし乾燥後の組成比率はロックウール７８．１３重量％、ショ糖２１．８７重量％である。２３０℃加熱後の積層体の厚さは２８ｍｍであった。

実施例１と同様にして嵩密度および熱伝導率ならびに外観を調べた。

結果を表１に示す。
実施例５
ショ糖水溶液濃度１０％を作製して用いた。それ以外は実施例１と同様にして積層体を作製した。ただし乾燥後の組成比率はロックウール７１．４３重量％、ショ糖２８．５７重量％である。２３０℃加熱後の積層体の厚さは２６ｍｍであった。

実施例１と同様にして嵩密度および熱伝導率ならびに外観を調べた。

結果を表１に示す。
比較例１
ショ糖水溶液濃度１％を作製して用いた。それ以外は実施例１と同様にして積層体を作製した。乾燥後の組成比率はロックウール９８．０４重量％、ショ糖１．９６重量％である。２３０℃加熱後の積層体の厚さは４５ｍｍであった。

実施例１と同様にして嵩密度および熱伝導率ならびに外観を調べた。

結果を表１に示す。
比較例２
ショ糖水溶液濃度１５％を作製して用いた。それ以外は実施例１と同様にして積層体を作製した。乾燥後の組成比率はロックウール６２．５重量％、ショ糖３７．５重量％である。２３０℃加熱後の積層体の厚さは２１ｍｍであった。

実施例１と同様にして嵩密度および熱伝導率ならびに外観を調べた。

結果を表１に示す。

本発明による軽量断熱材は、表１に示す結果より明らかなように、嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ^３以下で熱伝導率も０．１Ｋｃａｌ／ｍ．ｈ．℃以下の断熱性に優れ、取り扱いが可能な軽量断熱材が得られ産業機器の断熱、保温や一般住宅の断熱材として利用でき、環境負荷も小さく改善できた。

さらに産業上の利用可能性を広げるためには、この発明の効果をさらに高める必要がある。そのため添加材を併用することが有効であろうと推察される。耐熱性向上や難燃化に効果が期待されるものとして２００℃以上の加熱で脱水分解し温度上昇を抑制する水酸化アルミニウムや水酸化マグネシウムをもちいることである。水酸化アルミニウムは２００〜３５０℃の範囲で結晶水を放出し吸熱現象を呈する。吸熱エネルギーは４７０ｃａｌ／ｇと大きい。一方水酸化マグネシウムは水酸化アルミニウムより分解温度が高く３５０℃付近から脱水現象が始まり、５００℃を越えて分解が終了する。吸熱エネルギーは水酸化アルミニウムより小さいが、それでも３３２ｃａｌ／ｇである。それぞれの添加材を併用すれば２００〜５００℃の間に吸熱効果を発揮し、耐熱性や難燃化に効果が期待でき、さらに耐熱性、難燃化が要求される例えば炉材関係の保温材などにも可能性を有する。

またショ糖水溶液の粘性はシリカ微粉末（商品名：エアロジルなど）を添加して適正化するなど調整すると作業効率が改善しコスト低減につながるものと考えられる。

この発明では嵩密度を０．２５ｇ／ｃｍ^３以下に規制し、熱伝導率を０．１Ｋｃａｌ／ｍ．ｈ．℃以下にしたが利用可能性においては機械的強度（曲げ強さ、圧縮強さなど）を必要とする場合がある。そのためには加熱加圧成形で嵩密度を高めることにより機械的強度の向上を計り、プレスや金型の断熱構造材の用途にも可能性がある。

Claims (3)

1. 人造鉱物繊維とショ糖で構成された組成品であって、ショ糖水溶液を作製する工程。ショ糖水溶液を人造鉱物繊維に付着させ積層体を作製する工程。積層体を乾燥させる工程。乾燥させた積層体を２００℃以上で加熱する工程で作製する嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ^３以下の軽量断熱材。
2. 乾燥工程後の人造鉱物繊維とショ糖の組成比率は人造鉱物繊維７０〜９７重量％、ショ糖３〜３０重量％である請求項１記載の嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ^３以下の軽量断熱材。
3. 人造鉱物繊維としてロックウールを用いた請求項１〜２記載の嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ^３以下の軽量断熱材。