JP2007238395A

JP2007238395A - 発泡粒子及びその製造方法

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Publication number: JP2007238395A
Application number: JP2006064920A
Authority: JP
Inventors: Nobuhisa Tanaka; 宜久田中
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】天然のガラス質鉱物を原料とした焼成発泡体であって、フライアッシュバルーンと同等又はそれ以上の強度を有する発泡粒子、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】発泡粒子は、ガラス質鉱物の焼成発泡体であって、粒子径が１００μｍ以下であり、かさ密度が０．３ｇ／ｃｍ^３以上１．０ｇ／ｃｍ^３未満であり、かつ水銀圧入法により求めた、前記焼成発泡体が４０体積％存在するときの水銀圧力が４０Ｎ／ｍｍ^２以上である。また、このような発泡粒子は、破砕されたガラス質鉱物を分級して所定の粒子径を有する焼成用原料を製造し、前記焼成用原料を所定の温度条件下で所定の時間焼成した後、得られた焼成物を比重分離手段に供給し、前記焼成物に含まれる発泡粒子を回収することで製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発泡粒子に関し、特に粒子径が小さく強度の高い微小発泡粒子及びその製造方法に関する。

従来、建築用材や断熱材等の資材としてフライアッシュバルーンが利用されている。フライアッシュは、石炭火力発電所で微粉炭を燃焼した際に発生する石炭灰のうちの集塵装置で捕集されたものをいい、石炭に含まれる無機質成分（灰分）が高温状態での燃焼により溶融し、温度低下に伴う再凝固時に表面張力の作用で球形の微粒子になったものである。このフライアッシュの粒子径は、１〜２００μｍであり、平均粒子径は１０〜２０μｍ程度である。

このようなフライアッシュの中には、中空球状の形態を有する灰が含まれており、この灰はかさ密度（見掛け比重）が１ｇ／ｃｍ^３以下と小さく、石炭火力発電所の灰沈殿池に浮遊することから、フライアッシュバルーン（浮灰）と呼ばれている。

このようにして得られるフライアッシュバルーンは、軽量、高強度、高耐熱性という特長を有しているため、コンクリートモルタル製品、耐火物、タイル、塗料、接着剤、シーリング材、床用シート材、農薬、砥石等に混合されて利用されている。

このフライアッシュバルーンの粒子径は、数十〜数百μｍであり、用途に応じて所定の粒子径に調整されたものが商品として市場に流通しているが、近年、粒子径が１００μｍ以下の微細フライアッシュバルーンは、耐熱性に優れ、高強度であり、自動車関連等における断熱材等の用途に有用であるため、この微細フライアッシュバルーンの需要が急増している。しかしながら、現状ではフライアッシュは輸入に頼っていること、及びフライアッシュバルーンの製造国においても環境問題への意識の高まりもあって、広大な灰沈殿池を作ることが困難な状況にあり、フライアッシュバルーンの供給余力がほとんどないのが実情である。

この対策として、天然のガラス質鉱物を原料として用い、当該ガラス質鉱物を焼成して得られたパーライトがその代替物として考えられ、種々のパーライトが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−１１４５７８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のパーライトは、粒子径が数百μｍ〜数ｍｍの範囲のものであり、１００μｍ以下の微細パーライトは未だ提供されていない。また、上記特許文献１に記載のパーライトは軽量ではあるが、その強度はフライアッシュバルーンに比較して著しく低いという欠点がある。

このような問題に鑑みて、本発明は、天然のガラス質鉱物を原料とした焼成発泡体であって、フライアッシュバルーンと同等又はそれ以上の強度を有する発泡粒子、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ガラス質鉱物の焼成発泡体であって、粒子径が１００μｍ以下であり、かさ密度が０．３ｇ／ｃｍ^３以上１．０ｇ／ｃｍ^３未満であり、かつ水銀圧入法により求めた、前記焼成発泡体が４０体積％存在するときの水銀の圧入圧力が４０Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする発泡粒子を提供する（請求項１）。

上記発明（請求項１）によれば、粒子径が１００μｍ以下であって、軽量、かつ高強度の発泡粒子を提供することができる。特に、この発泡粒子は、フライアッシュバルーンと同等又はそれ以上の強度を有するため、フライアッシュバルーンの代替物として有用である。

ここで、本明細書において、「焼成発泡体が４０体積％存在する」とは、焼成発泡体を容器に充填した状態で当該容器に水銀を圧入し、圧入された水銀により未だ破壊されていない（潰れていない）焼成発泡体が体積基準で４０％残存しているということを意味する。

また、本発明は、破砕されたガラス質鉱物を分級して所定の粒子径を有する焼成用原料を製造し、前記焼成用原料を所定の温度条件下で所定の時間焼成した後、得られた焼成物を比重分離手段に供給し、前記焼成物に含まれる発泡粒子を回収することを特徴とする発泡粒子の製造方法を提供する（請求項２）。

上記発明（請求項２）によれば、所定のかさ密度を有し、かつ所定の強度を有する発泡粒子を容易に製造することができる。

上記発明（請求項２）においては、前記焼成用原料を焼成する焼成温度が９００〜１０００℃であり、焼成時間が１０分以下であることが好ましい（請求項３）。かかる発明（請求項３）によれば、焼成温度が９００〜１０００℃であって焼成時間が１０分以下であれば、所定のかさ密度を有し、かつ所定の強度を有する発泡粒子を効率的に、かつ容易に製造することができる。

上記発明（請求項２，３）においては、前記比重分離手段は、湿式比重分離手段であることが好ましい（請求項４）。かかる発明（請求項４）により製造された発泡粒子は、かさ密度が０．３ｇ／ｃｍ^３以上１．０ｇ／ｃｍ^３未満であり、水に浮遊するため、かかる発明（請求項４）によれば、比重分離手段が湿式比重分離手段であることで、水に浮遊した焼成物（浮遊粒子）を回収するだけで、発泡粒子を容易に製造することができる。

上記発明（請求項２〜４）においては、さらに、前記比重分離手段により回収された発泡粒子を乾燥して分級し、１００μｍ以下の粒子径を有する発泡粒子を回収することが好ましい（請求項５）。

上記発明（請求項５）によれば、比重分離手段により回収された粒子のうち１００μｍ以下の粒子径を有する発泡粒子を回収することで、耐熱性に優れ、高強度であり、自動車関連等における断熱材等の用途に適した発泡粒子を容易に製造することができる。

上記発明（請求項２〜５）においては、かさ密度が０．３ｇ／ｃｍ^３以上１．０ｇ／ｃｍ^３未満の前記発泡粒子を回収することが好ましい（請求項６）。かかる発明（請求項６）によれば、かさ密度が０．３ｇ／ｃｍ^３以上のものであれば、フライアッシュバルーンと同等の又はそれ以上の強度を有する発泡粒子を得ることができる。また、かさ密度が１．０ｇ／ｃｍ^３未満のものであれば、比重分離手段により効率的に、かつ容易に発泡粒子を回収することができ、特に、比重分離手段が湿式比重分離手段であれば、所望とする発泡粒子が水に浮遊するため、浮遊した粒子を回収することで、より容易に発泡粒子のみを回収することができる。

上記発明（請求項２〜６）においては、前記焼成用原料を分級し、粒子径１００μｍ以下の焼成用原料を焼成することが好ましい（請求項７）。かかる発明（請求項７）によれば、焼成用原料の粒子径をあらかじめ１００μｍ以下に調整しておくことで、より効率的に、かつより容易に１００μｍ以下の発泡粒子を製造することができる。

本発明によれば、天然のガラス質鉱物を原料とした焼成発泡体であって、フライアッシュバルーンと同等又はそれ以上の強度を有する発泡粒子、及びそのような発泡粒子を容易に製造することのできる方法を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る発泡粒子の製造方法を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る発泡粒子の製造方法を示すフロー図である。

本実施形態に係る発泡粒子は、ガラス質鉱物から焼成用原料を製造し、得られた焼成用原料を焼成し、得られた焼成物に含まれる浮遊粒子を回収し、回収した浮遊粒子から発泡粒子を回収することにより製造することができる。

（１）焼成用原料の製造
焼成用原料は、図１に示す焼成用原料製造システム１により製造することができる。
図１に示すように、焼成用原料製造システム１は、原料となるガラス質鉱物を解砕する解砕装置１１と、解砕装置１１の後段に接続された解砕原料タンク１２と、解砕原料タンク１２に一時的に貯蔵された解砕ガラス質鉱物（解砕原料）を粉砕する粉砕装置１３と、粉砕装置１３により粉砕されたガラス質鉱物（粉砕原料）を分級する分級機１４とを有する。

焼成用原料製造システム１において、まず、原料となるガラス質鉱物を解砕装置１１に導入し、最大粒子径５〜５０ｍｍ程度に解砕する。このように、ガラス質鉱物をあらかじめ最大粒子径５〜５０ｍｍ程度に解砕しておくことで、後述する粉砕装置１３に導入されるガラス質鉱物の粒子径を小さくすることができる。これにより、粉砕装置１３にかかる負荷を低減することができ、粉砕装置１３の粉砕能力を増加させることができる。

ガラス質鉱物としては、例えば、日本国内で多量に産出される真珠岩、松脂岩、黒曜岩等が挙げられるが、珪酸質（ＳｉＯ_２）が含まれ、発泡性を有する鉱物であれば特に限定されるものではない。

解砕装置１１としては、塊状のガラス質鉱物を解砕できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ジョークラッシャー、ハンマークラッシャー、インパクトクラッシャー等を使用することができる。

解砕装置１１において解砕されたガラス質鉱物は、解砕原料タンク１２に一時的に貯蔵され、その後粉砕装置１３に導入されることで、粉砕される。これにより、粒子径の小さい発泡粒子の原料としてのガラス質鉱物を得ることができる。

粉砕装置１３としては、ガラス質鉱物を数百μｍ以下の粒子径を有する粉体に粉砕することができるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、竪型ミル、ボールミル等を使用することができる。

次いで、粉砕装置１３により粉砕されたガラス質鉱物を、分級機１４に導入し、１００μｍ以下の粒子径を有する焼成用原料を得る。焼成用原料の粒子径を１００μｍ以下に調整することで、１００μｍ以下の粒子径を有する発泡粒子を効率的に、かつ容易に製造することができる。

分級機１４としては、所定の粒度に分級できるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、遠心気流分級機、篩分け機等を使用することができる。なお、分級機により分級されたガラス質鉱物のうち、粒子径１００μｍを超えるガラス質鉱物は、解砕原料タンク１２に返送される。これにより、粒子径１００μｍを超えるガラス質鉱物は、再度粉砕装置１３に導入されて粉砕されることで、粒子径１００μｍ以下の焼成用原料として使用することができ、原料であるガラス質鉱物を無駄なく利用することができる。

（２）焼成用原料の焼成
焼成用原料は、図１に示す焼成システム２により焼成される。
図１に示すように、焼成システム２は、焼成用原料を一時的に貯蔵する焼成用原料タンク２１と、焼成用原料を焼成する焼成装置２２と、焼成装置２により焼成された焼成物を一時的に貯蔵する焼成物タンク２３とを有する。

焼成システム２において、まず、上述した焼成用原料製造システム１における焼成用原料を一時的に貯蔵する焼成用原料タンク２１から、焼成用原料を焼成装置２２に導入し、焼成装置２２において当該焼成用原料を所定温度条件下で所定時間焼成する。

焼成装置２２としては、所定温度条件下で焼成用原料を焼成し得るものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ロータリーキルン、気流焼成炉（仮焼炉）等を使用することができる。

焼成装置２２における焼成用原料の焼成温度は、９００〜１０００℃であることが好ましい。焼成温度が９００℃未満であると、ガラス質鉱物の軟化が起こらず、焼成物中に未発泡の粒子が多く含まれてしまうおそれがあり、焼成温度が１０００℃を超えると、焼成用原料の発泡が過剰になり、発泡粒子の強度が低下するおそれがある。

焼成装置２２における焼成用原料の焼成時間は、１０分以下であることが好ましい。焼成時間が１０分を超えると、発泡粒子同士が融着してしまうおそれがある。

焼成装置２２にて焼成された焼成物は、焼成装置２２から排出された直後に冷却用空気に接触させることで、焼成物の表面温度を６００℃以下にまで急冷することが好ましい。焼成装置２２から排出された直後の焼成物は、その表面温度が高温状態のままであるため、そのまま放置すると、焼成物同士の融着が起こるおそれがある。このようにして得られた焼成物は、焼成物貯蔵タンク２３に一時的に貯蔵される。

（３）浮遊粒子の回収
浮遊粒子は、図１に示す浮遊粒子回収システム３により回収される。
図１に示すように、浮遊粒子回収システム３は、焼成物と水とを接触させて焼成物のスラリーを製造するスラリー化タンク３１と、スラリー化タンク３１の後段に設けられた湿式比重分離装置３２と、湿式比重分離装置３２により分離された浮遊粒子を一時的に貯蔵する浮遊粒子貯蔵タンク３３とを有する。

焼成システム２により得られた焼成物は、焼成物タンク２３からスラリー化タンク３１に供給される。スラリー化タンク３１には、さらに水が供給されることで、焼成物と水とが接触し、焼成物スラリーが製造される。

スラリー化タンク３１にて製造された焼成物のスラリーは、湿式比重分離装置３２に供給され、湿式比重分離装置３２にて発泡した焼成物（浮遊粒子）は回収される。発泡した焼成物（浮遊粒子）は、かさ密度（見掛け比重）が１．０ｇ／ｃｍ^３未満であるため、焼成物のスラリーが湿式比重分離装置３２に供給されるだけで、焼成物のうち発泡したものは浮遊粒子として浮遊し、発泡しなかったものは沈殿する。したがって、発泡した焼成物（浮遊粒子）を容易に、かつ効率的に回収することができる。このとき、発泡した焼成物（浮遊粒子）は水とともに回収されるが、傾斜スクリーン、ベルトスクリーン等の固液分離装置によって発泡粒子のみを回収するようにしてもよい。

湿式比重分離装置３２としては、例えば、シックナー、クラリファイアー、沈殿池、ジグ選別機、浮選機等が挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。

湿式比重分離装置３２にて水とともに回収された発泡した焼成物（浮遊粒子）は、固液分離装置（図示せず）により発泡した焼成物（浮遊粒子）と水とに分離され、発泡した焼成物（浮遊粒子）は、浮遊粒子貯蔵タンク３３に一時的に貯蔵される。湿式比重分離装置３２にて発泡した焼成物（浮遊粒子）とともに回収され、固液分離装置（図示せず）により分離された分離水は、リサイクルタンク３８に貯蔵され、スラリー化タンク３１に戻される。

湿式比重分離装置３２にて沈降した未発泡の焼成物は、スラリー状態としてスラリー貯蔵タンク３４に一時的に貯蔵される。スラリー貯蔵タンク３４に貯蔵されたスラリーは、フィルタープレス３５により脱水され、脱水ケーキはケーキ貯蔵ホッパー３６に貯蔵され、フィルタープレス３５から生じた水は、ろ液タンク３７に貯蔵される。ろ液タンク３７に貯蔵された水は、リサイクル水タンク３８に貯蔵され、スラリー化タンク３１に戻される。

（４）発泡粒子の回収
発泡粒子は、図１に示す発泡粒子回収システム４によって回収される。
図１に示すように、発泡粒子回収システム４は、浮遊粒子乾燥機４１と、分級機４２と、発泡粒子貯蔵タンク４３と、不良品貯蔵タンク４４とを有する。

発泡粒子回収システム４においては、まず、浮遊粒子貯蔵タンク３３から浮遊粒子が浮遊粒子乾燥機４１に供給される。浮遊粒子は、湿式比重分離装置３２にて吸水した状態であるため、浮遊粒子乾燥機４１にて浮遊粒子を乾燥する。浮遊粒子乾燥機４１としては、例えば、ロータリーキルン等が挙げられるが、浮遊粒子を乾燥することができるものであれば特に限定されない。

浮遊粒子乾燥機４１にて乾燥した浮遊粒子は、分級機４２に供給され、当該分級機４２にて粒子径１００μｍ以下の発泡粒子と粒子径が１００μｍを超える粒子とに分級される。分級機４２としては、例えば、篩い分け機等が挙げられるが、特にこれに限定されるものではない。粒子径１００μｍ以下の発泡粒子は、発泡粒子貯蔵タンク４３に貯蔵され、粒子径が１００μｍを超える粒子は、不良品として不良品貯蔵タンク４４に貯蔵される。

このようにして得られた発泡粒子は、粒子径が１００μｍ以下であり、８０μｍ以下であることが好ましい。また、当該発泡粒子のかさ密度（見掛け比重）は、０．３ｇ／ｃｍ^３以上１．０ｇ／ｃｍ^３未満であり、０．３〜０．５ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。かさ密度が０．３ｇ／ｃｍ^３未満であると、強度が低下してしまうおそれがあり、１．０ｇ／ｃｍ^３以上であると、湿式比重分離装置３２にて未発泡の焼成物と発泡粒子とを選別することが困難となり、発泡粒子を効率的に回収できないおそれがある。

さらに、上記発泡粒子は、水銀圧入法により求めた、焼成発泡体が４０体積％存在するときの水銀の圧入圧力が４０Ｎ／ｍｍ^２以上であり、特に６０Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。具体的には、焼成発泡体を容器に充填し、水銀圧入法により空隙率を求め、水銀を圧入する前の空隙率と水銀を圧入した後の空隙率とを比較して空隙率が４０％になったときを、焼成発泡体が体積基準で４０％残存するときとし、そのときの水銀の圧入圧力が４０Ｎ／ｍｍ^２以上であり、特に６０Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。上述のようにして求めた水銀の圧入圧力が４０Ｎ／ｍｍ^２未満であると、発泡粒子の強度が不足し、フライアッシュバルーンの代替物として利用できないおそれがあり好ましくない。

本発明の発泡粒子は、粒子径が１００μｍ以下であり、フライアッシュバルーンと同等又はそれ以上の強度を有しているため、建築用材、断熱材等の各種資材として利用することができる。

本発明の発泡粒子の製造方法によれば、粒子径が１００μｍ以下であり、フライアッシュバルーンと同等又はそれ以上の強度を有する発泡粒子を製造することができる。また、本発明の製造方法により製造された発泡粒子は、そのかさ密度が０．３ｇ／ｃｍ^３以上であれば、水銀圧入法により求めた、焼成発泡体が４０体積％存在するときの水銀の圧入圧力が４０Ｎ／ｍｍ^２以上であり、所定の強度を有するため、本発明の発泡粒子及びその製造方法によれば、かさ密度を指標に発泡粒子の品質管理をすることもできる。

以下、実施例及び試験例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、下記の実施例及び試験例に何ら制限されるものではない。

〔実施例１〜５，比較例１〜５〕
天然のガラス質鉱物である真珠岩（奥尻産）を、解砕装置（ジョークラッシャー）で解砕し、解砕物をさらに粉砕装置（竪型ミル）で粉砕し、得られた粉砕物を、振動篩を用いて粒子径３２〜５３μｍの粉体に分級し、焼成用原料を得た。

得られた焼成用原料を、外熱式ロータリーキルンを用いて、表１に示す焼成温度及び焼成時間の条件下にて焼成した後、空気を用いて１００℃以下にまで急冷し、焼成物を得た。

この焼成物に水を加え、５０００ｐｐｍ濃度のスラリーとし、シックナーで湿式比重分離し、浮遊粒子のみを回収した。この浮遊粒子を、ロータリーキルン型外熱式乾燥装置を用いて乾燥させた後、振動篩を用いて１００μｍ以下の発泡粒子のみを回収した（実施例１〜５，比較例１〜４）。なお、比較例５としてフライアッシュバルーン（オーストラリア産）を用意した。

得られた発泡粒子（実施例１〜５，比較例１〜４）及びフライアッシュバルーン（比較例５）について、以下のようにしてかさ密度（ｇ／ｃｍ^３）を算出し、また水銀の圧入圧力（Ｎ／ｍｍ^２）を測定した。

かさ密度（ｇ／ｃｍ^３）は、体積１００ｃｃの容器に発泡粒子を充填して、その質量（ｇ）を測定し、当該質量を体積（ｃｍ^３）で除することにより算出した。また、強度は、水銀圧入式ポロシメータを用いて空隙率を求め、水銀の圧入圧力と空隙率との関係から、発泡粒子が４０体積％存在するときの水銀の圧入圧力を求めた。このときの水銀の圧入圧力が高いほど発泡粒子の強度が高いことを示す。結果を表１に示す。

表１に示すように、焼成温度９００〜１０００℃にて焼成した発泡粒子（実施例１〜５）は、フライアッシュバルーン（比較例５）と同等又はそれ以上の強度を有することが確認された。また、これらの発泡粒子（実施例１〜５）のかさ密度は、いずれも０．３ｇ／ｃｍ^３以上であることが確認された。これにより、本実施例に係る方法により製造された発泡粒子は、かさ密度０．３ｇ／ｃｍ^３以上のものであれば、所定の強度を有するため、発泡粒子のかさ密度を指標に品質管理をすることもできる。

本発明の発泡粒子は、建築用材、断熱材等として使用されているフライアッシュバルーンの代替物として有用であり、本発明の発泡粒子の製造方法は、かかる発泡粒子の製造に有用である。

本発明の一実施形態に係る発泡粒子の製造方法を示すフロー図である。

符号の説明

１…焼成用原料製造システム
１１…解砕装置
１３…粉砕装置
１４…分級機
２…焼成システム
２２…焼成装置
３…浮遊粒子回収システム
３２…湿式比重分離装置
４…発泡粒子回収システム
４１…浮遊粒子乾燥機
４２…分級機

Claims

ガラス質鉱物の焼成発泡体であって、
粒子径が１００μｍ以下であり、かさ密度が０．３ｇ／ｃｍ^３以上１．０ｇ／ｃｍ^３未満であり、かつ水銀圧入法により求めた、前記焼成発泡体が４０体積％存在するときの水銀の圧入圧力が４０Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする発泡粒子。
破砕されたガラス質鉱物を分級して所定の粒子径を有する焼成用原料を製造し、前記焼成用原料を所定の温度条件下で所定の時間焼成した後、得られた焼成物を比重分離手段に供給し、前記焼成物に含まれる発泡粒子を回収することを特徴とする発泡粒子の製造方法。
前記焼成用原料を焼成する焼成温度が９００〜１０００℃であり、焼成時間が１０分以下であることを特徴とする請求項２に記載の発泡粒子の製造方法。
前記比重分離手段は、湿式比重分離手段であることを特徴とする請求項２又は３に記載の発泡粒子の製造方法。
さらに、前記比重分離手段により回収された発泡粒子を乾燥して分級し、１００μｍ以下の粒子径を有する発泡粒子を回収することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の発泡粒子の製造方法。
かさ密度が０．３ｇ／ｃｍ^３以上１．０ｇ／ｃｍ^３未満の前記発泡粒子を回収することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の発泡粒子の製造方法。
前記焼成用原料を分級し、粒子径１００μｍ以下の焼成用原料を焼成することを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の発泡粒子の製造方法。