JP2008254952A - 無機質繊維成形部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 有機物を使用せず且つ焼成工程を経ることなく、無機バインダーのマイグレーションを防止することができ、表面から内部までほぼ同じ硬さを有し、加熱時に煙や異臭が発生することのない、高品質の無機質繊維成形部材の製造方法を提供する。
【解決手段】 無機バインダーを含むセラミックファイバー成形体を脱水して、含水率１２０％以下の含水状態とした後、このセラミックファイバー成形体にマイクロ波又は高周波を照射して乾燥することにより無機質繊維成形部材を得る。マイクロ波又は高周波の照射による乾燥の後に、セラミックファイバー成形体を熱風乾燥することもできる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、有機物を使用せず、無機バインダーが均一に担持され、加熱時に煙や異臭が発生しない、高品質の無機質繊維成形部材の製造方法に関するものである。

従来、セラミックファイバーを用いた無機質繊維成形部材は、融点が高く、溶融金属にも濡れにくいため、バーナータイルや炉の内張材、あるいはタンディシュなどとして使用されている。この無機質繊維成形部材は、水にセラミックファイバーを分散させたスラリーに、アルミナゾルやシリカゾルなどの無機バインダーを懸濁させ、成形型を用いて脱水しながら成形し、乾燥することによって製造されていた。

しかし、無機バインダーとして使用するコロイド粒子は、乾燥時に成形体表面に移動（マイグレーション）しやすいとう問題があった。即ち、含水状態のセラミックファイバー成形体を乾燥すると、水の蒸発によって表面の水が減少し、これに伴って水が成形体内部から表面に移動して蒸発し、最終的に全体が完全に乾燥する。このとき無機バインダーのコロイド粒子も水と一緒に移動するため、無機バインダーが成形体表面に濃縮される。

その結果、得られる成形部材は、表面は硬いが内部は柔らかくなる。この様な成形部材を切断加工すると、切断面に内部の柔らかい部分が現れてしまう。また、複雑形状に加工が必要な場合や、表面の硬い部分が無くなるほど削り込む必要がある場合などには、成形部材の大部分が柔らかい部分となってしまい、形状保持が困難となる。従って、成形・乾燥後に研削加工が必要な場合などには、マイグレーションを防止し、表面と内部が均一な硬さの成形部材が望まれている。

このマイグレーションを防止する方法が、従来から種々検討されてきた。例えば、米国特許第３２２４９２７号明細書などに記載されるように、セラミックファイバーと無機バインダーのスラリーにカチオン性澱粉を添加することにより、無機バインダーであるコロイダルシリカのコロイド粒子を凝集させて繊維に固定する方法がある。しかし、この方法では、得られる成形体中に有機物が含まれるため、炉などに取り付けて加熱したとき有機物が燃焼し、煙と異臭が発生する。そのため、煙を嫌う工業炉向けには最終的に焼成工程が必要となり、焼成時間がかかるうえコストアップの原因となっていた。

また、特開昭５８−１０４０５９号公報や、特開昭６０−０３３２４４号公報には、セラミックファイバーと無機バインダーであるコロイダルシリカのスラリーに、硫酸バンド（硫酸アルミニウム）などの凝結材を加えた後、高分子凝集剤のポリエチレンオキサイドを添加して、コロイダルシリカを繊維に定着させる方法が記載されている。しかし、この方法においても、高分子凝集剤を加えるので、これを除去するための焼成工程が必要であった。また、凝結剤に含まれる塩素や硫黄が炉内でガス化するため、これを処理する必要もある。

また、特開平０４−０５９６７５号公報には、セラミック繊維を寒天やゼラチンなどのゲル化剤の溶液中に分散させたスラリーを調整し、このスラリーを加熱又は冷却することによってゲル化固化せしめ、得られたゲル体を乾燥後焼成する無機繊維質多孔材料の製造方法が記載されている。しかし、この方法では、ゲル化剤として寒天やゼラチンなどの有機物を使用するので、やはり最終的に焼成工程が必要となる。

特開平０１−２４２７３７号公報には、ＳｉやＡｌなどのアルコキシドを加水分解し、これにゲル化促進剤として(ＮＨ_４)_２ＣＯ_３を添加して調整した溶液を、繊維成形体の成形用バインダーとして用いる方法が記載されている。しかし、使用する金属アルコキシドが高価であるうえ、ゲル化時間はコロイドの濃度、温度、ｐＨに対して敏感なため制御が難しく、ゲル化が短時間に起きると成形ができなくなり、逆に時間が長すぎると成形効率が低下するという問題があった。

また、特開昭５９−１８７７００号公報には、無機質繊維とベントナイトなどの無機質充填剤を水に分散させたスラリーに、硫酸アルミニウムのような水溶性アルミニウム塩を添加して混合し、次いで撹拌しながらｐＨ７〜１０になるまでアルカリを添加してアルミニウム塩を加水分解させ、形成された水酸化アルミニウムを含むスラリー状原料混合物を脱水成形し、乾燥する方法が記載されている。しかしながら、この方法は、無機質充填剤が必要なうえ、面倒なｐＨ調整を行う必要があった。

米国特許第３２２４９２７号明細書 特開昭５８−１０４０５９号公報 特開昭６０−０３３２４４号公報 特開平０４−０５９６７５号公報 特開平０１−２４２７３７号公報 特開昭５９−１８７７００号公報

上記したように、成形型を用いた湿式吸引成形法により無機質繊維成形部材を製造の際に、無機バインダーのマイグレーションを防ぐためには、帯電して互いに反発することで安定な状態となっているコロイド粒子を凝集させるか若しくはゲル化させる等の方法で、成形体内に固定させる必要がある。しかしながら、上記した従来の方法では、凝結材、ゲル化剤、凝集剤などの添加を必要とし、更には有機物を添加する場合には最終的に焼成工程を必要とし、あるいはｐＨ調整など複雑な工程を必要としていた。

本発明は、このような従来の事情に鑑み、凝結材、ゲル化剤、凝集剤、ｐＨ調整剤などの添加物を必要とせず、有機物を一切使用せず且つ焼成工程を経ることなしに、無機バインダーのマイグレーションを防止することができ、表面から内部までほぼ同じ硬さを有し、加熱時に煙や異臭が発生することのない、高品質の無機質繊維成形部材の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、無機バインダーの表面移行（マイグレーション）を防ぐ方法について種々検討した結果、マイクロ波又は高周波が水分子を直接振動させる性質を利用することによって、成形体内部の水分を均一に加熱でき、無機バインダーが表面側に移行することなく、内部で水を蒸気化して乾燥できることを見出し、本発明を完成させたものである。

即ち、本発明が提供する無機質繊維成形部材の製造方法は、水にセラミックファイバーと無機バインダーを分散させて吸引成形し、得られた無機バインダーを含むセラミックファイバー成形体を脱水し、脱水後の含水状態のセラミックファイバー成形体にマイクロ波又は高周波を照射して乾燥することを特徴とするものである。

上記本発明による無機質繊維成形部材の製造方法においては、無機バインダーの表面移行を防止して、内部の無機バインダー量を表面の無機バインダー量に対し０.９〜１.１の範囲として、内部の硬度を表面の硬度に対して０.９〜１.１の範囲とすることを特徴とする。

本発明によれば、有機物を一切使用せず且つ焼成工程を経ることなく、無機バインダーの表面移行（マイグレーション）を防止することができ、表面から内部までほぼ同じ硬さを有し、加熱時に煙や異臭が発生することのない、高品質の無機質繊維成形部材を提供することができる。また、有機凝集剤を使用しないため、凝集やゲルの形成がなく、複雑な工程を必要としないうえ、成形時間及び乾燥時間を短縮することができる。

本発明においては、吸引成形後の無機バインダーを含むセラミックファイバー成形体を脱水し、得られた含水状態の成形体にマイクロ波又は高周波を照射する。このマイクロ波又は高周波の照射により、成形体の内部で水が加熱され、成形体内部から水が蒸発して乾燥される。従って、セラミックファイバー成形体中の水が液体状態で表面へ移動することがなくなるため、バインダー粒子の表面移行（マイグレーション）をなくすことができる。また、脱水工程により予め成形体の通気性が確保されていることから、内部で水が蒸気化しても内圧が上昇せず、従って成形体が破壊されることがない。

マイクロ波及び高周波は水などの誘電体損失の大きい物質に当たると、分子摩擦によって熱エネルギーに変わる。従って、含水状態のセラミックファイバー成形体に照射すると、成形体内部で水が加熱（内部加熱）されて蒸気となり、その蒸気が内部から気孔を通って放出されるため、バインダー粒子のマイグレーションを防止することができる。また、ヒータや熱風のような外部熱源（外部加熱）に比べて乾燥速度が速く、且つ全体を均一に加熱できるため、乾燥時の成形体内の含水率が均一になりやすいなどの利点がある。尚、成形体の形状や重量、所望の乾燥速度などに応じて、マイクロ波又は高周波のいずれかの周波数帯を選ぶことができる。

次に、本発明による無機質繊維成形部材の製造方法について、更に詳しく説明する。まず、成形工程において、水にセラミックファイバーと無機バインダーを分散させ、成形型を用いて吸引成形することにより、セラミックファイバー成形体を製造する。また、セラミックファイバー成形体は、板状や筒状など任意形状に成形することが可能である。

上記セラミックファイバー及び無機バインダーは、従来から無機質繊維成形部材の製造に用いられているものであってよい。例えば、セラミックファイバーとしては、アルミナシリカ繊維、アルミナ繊維、ムライト繊維、ジルコニア繊維、ガラス繊維、シリカ繊維、カーボン繊維あるいは、これらのウイスカーなどを使用することができる。また、無機バインダーとしては、アルミナゾル（コロイダルアルミナ）やシリカゾル（コロイダルシリカ）などを好適に使用することができる。尚、凝結材、ゲル化剤、凝集剤、ｐＨ調整剤などは、積極的に添加する必要はない。

上記成形工程によれば、湿式成形によって、有機バインダーを使用せずに、従って焼成工程を必要とせずに、セラミックファイバー成形体を作製することができる。また、有機物を含まないので、ろ過抵抗が低く、成形時間を短縮することが可能である。しかも、有機バインダーなどの有機物をはじめ、凝結剤やゲル化剤などの添加材を用いないため、廃水処理設備の負荷を軽減でき、凝集体やゲルを生成しないので工程が簡単で制御が容易であるうえ、ろ過抵抗が低いので肉厚の成形体も容易に成形することが可能である。

得られたセラミックファイバー成形体は、無機バインダーを含むと共に、全体の隙間に水が充満している。そこで、次の脱水工程において、含水率を低下させて通気性を確保し、後のマイクロ波又は高周波の照射による乾燥を容易にするために、セラミックファイバー成形体の脱水を行う。例えば、成形槽から引き上げたセラミックファイバー成形体を、成形型に保持したまま吸引を続けることにより、簡単に脱水することができる。マイクロ波又は高周波の照射時における爆裂や沸騰の防止、あるいは乾燥時間の短縮のためには、脱水後のセラミックファイバー成形体を含水率１２０％以下の含水状態とすることが望ましい。

尚、脱水後のセラミックファイバー成形体中の無機バインダー量は、吸引時間によって制御することができる。脱水後のセラミックファイバー成形体に無機バインダーを均一に担持させるためには、無機バインダー濃度を高く設定し、脱水により含水率を十分に低下させることが好ましい。しかし、脱水時間を延長しても、ある程度の時間から含水率はほとんど下がらなくなると共に、限界近くまで脱水すると脱型時に成形体に亀裂が入りやすくなる。また、無機バインダー濃度を高く設定し過ぎると、セラミックファイバーを分散した水の粘性が高くなり、ろ過抵抗が上がって成形時間が長くなるため好ましくない。高密度の成形体を作製する場合には、無機バインダー濃度を低めに設定し、プレスによる脱水を行うことが望ましい。

脱水後の含水状態のセラミックファイバー成形体は、次にマイクロ波又は高周波を照射して乾燥することにより、本発明の無機質繊維成形部材とすることができる。得られる本発明の無機質繊維成形部材は、製造過程で無機バインダーの表面移行（マイグレーション）が起こらないため、表面から内部までほぼ同じ硬度を有している。この場合の好ましい形態としては、内部の無機バインダー量を表面の無機バインダー量に対し０.９〜１.１の範囲とすることで、内部の硬度を表面の硬度に対して０.９〜１.１の範囲とすることができる。

また、上記のごとく得られる本発明の無機質繊維成形部材は、有機物を含まないため、高温で加熱したとき有機物が燃えたり焦げたりすることがなく、従って煙や異臭が発生せず、変色や強度の低下を起すこともない。更に、製造過程において有機凝集剤を使用しないため、凝集やゲルの形成がなく、そのため複雑な工程を必要としないうえ、成形時間及び乾燥時間を短縮することができる。

上記乾燥工程では、マイクロ波又は高周波だけで完全に乾燥させることができるが、マイクロ波又は高周波による乾燥の後に、熱風乾燥を併用することもできる。例えば、マイクロ波・高周波乾燥で含水率１０％以下に乾燥すると、繊維の隙間の毛管力による水の移動が難くなると共に、無機バインダーの濃度が高くなって粘性が上昇するため、その後に熱風乾燥してもマイグレーションがほとんど起きなくなる。従って、その後に熱風乾燥で完全に乾燥することによっても、全体に均一な硬さの無機質繊維成形部材を得ることができる。

また、上記乾燥工程において、マイクロ波又は高周波で完全に乾燥せず、例えば含水率２５％程度まで乾燥させ、引き続いて熱風乾燥（マイグレーションが起こる）で完全に乾燥させると、内部がある程度硬く且つ表面が内部よりも硬い無機質繊維成形部材とすることが可能である。逆に、熱風乾燥により含水率２５％程度に乾燥し、その後マイクロ波又は高周波で完全に乾燥させても同様の結果が得られる。このように、マイクロ波又は高周波での乾燥と熱風乾燥を組み合わせることによって、マイグレーションの程度を調節し、表面硬度及び表面の硬度の高い部分の厚さを任意にコントロールすることができる。

［実施例１］
配合槽に、濃度２０ｗｔ％となるようにコロイダルシリカを添加した水２０００リットルを入れ、次いでアルミナ繊維５０ｋｇを加えて、撹拌機で２分間分散することによりスラリーを作製した。得られたスラリーを成形槽に送り、撹拌しながらスラリーに成形型を沈め、約３分間吸引して成形型上に板状（厚さ約１２０ｍｍ）のセラミックファイバー成形体を成形した。

このセラミックファイバー成形体を、吸引したまま成形型ごとスラリー中から引き上げ、更に１分間吸引を続けて脱水した。脱水後のセラミックファイバー成形体の含水率は１００％であった。尚、吸引脱水した濃度２０ｗｔ％のコロイダルシリカを含む水は、気液分離器で分離して貯留槽へ送り、次の配合に使用した。

脱水後の含水状態のセラミックファイバー成形体を脱型し、マイクロ波乾燥炉に入れて３時間乾燥した。得られた無機質繊維成形部材は、含水率がほぼ０％であった。この無機質繊維成形部材を加工することによって、縦９００×横６００×厚さ１００ｍｍ、密度３００ｋｇ／ｍ^３、曲げ強さ０.５ＭＰａ、表面硬度６５及び内部硬度６５のボードが得られた。

［実施例２］
配合槽に、濃度２０ｗｔ％となるようにコロイダルシリカを添加した水２０００リットルを入れ、次いでアルミナ繊維５０ｋｇを加えて、撹拌機で２分間分散することによりスラリーを作製した。得られたスラリーを成形槽に送り、撹拌しながらスラリーに成形型を沈め、約３分間吸引して成形型上に板状（厚さ約１２０ｍｍ）のセラミックファイバー成形体を成形した。

このセラミックファイバー成形体を、吸引したまま成形型ごとスラリー中から引き上げ、更に３０秒間吸引を続けて脱水した。脱水後のセラミックファイバー成形体の含水率は１２０％であった。尚、吸引脱水した濃度２０ｗｔ％のコロイダルシリカを含む水は、気液分離器で分離して貯留槽へ送り、次の配合に使用した。

脱水後の含水状態のセラミックファイバー成形体を脱型し、マイクロ波乾燥炉に入れて３時間乾燥（含水率１０％以下）した後、１００℃の熱風乾燥炉に入れて１２時間乾燥（含水率ほぼ０％）した。得られた無機質繊維成形部材を加工することによって、縦９００×横６００×厚さ１００ｍｍ、密度３５０ｋｇ／ｍ^３、曲げ強さ０.９ＭＰａ、表面硬度７０及び内部硬度７０のボードが得られた。

［実施例３］
配合槽に、濃度２０ｗｔ％となるようにコロイダルシリカを添加した水２０００リットルを入れ、次いでアルミナ繊維５０ｋｇを加えて、撹拌機で２分間分散することによりスラリーを作製した。得られたスラリーを成形槽に送り、撹拌しながらスラリーに成形型を沈め、約３分間吸引して成形型上に板状（厚さ約１２０ｍｍ）のセラミックファイバー成形体を成形した。

このセラミックファイバー成形体を、吸引したまま成形型ごとスラリー中から引き上げ、更に３０秒間吸引を続けて脱水した。尚、脱水後のセラミックファイバー成形体の含水率は１２０％であった。吸引脱水した濃度２０ｗｔ％のコロイダルシリカを含む水は、気液分離器で分離して貯留槽へ送り、次の配合に使用した。

脱水後の含水状態のセラミックファイバー成形体を脱型し、マイクロ波乾燥炉に入れて１時間乾燥（含水率ほぼ２５％）した後、１００℃の熱風乾燥炉に入れて２４時間乾燥（含水率ほぼ０％）した。得られた無機質繊維成形部材を加工することによって、縦９００×横６００×厚さ１００ｍｍ、密度３５０ｋｇ／ｍ^３、曲げ強さ０.９ＭＰａ、表面硬度７５及び内部硬度６０のボードが得られた。

Claims (2)

1. 水にセラミックファイバーと無機バインダーを分散させて吸引成形し、得られた無機バインダーを含むセラミックファイバー成形体を脱水し、脱水後の含水状態のセラミックファイバー成形体にマイクロ波又は高周波を照射して乾燥することを特徴とする無機質繊維成形部材の製造方法。
2. 無機バインダーの表面移行を防止して、内部の無機バインダー量を表面の無機バインダー量に対し０.９〜１.１の範囲とし、内部の硬度を表面の硬度に対して０.９〜１.１の範囲とすることを特徴とする、請求項１に記載の無機質繊維成形部材の製造方法。