JP2009518274A - ジオポリマー性粒子、繊維、成形物品および製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2005年12月6日に出願された米国仮特許出願60/748037号の利益を主張する。
連邦政府に支援された研究または開発に関する宣言
該当なし
本発明は、一般に、ジオポリマー性粒子および繊維、製造方法および使用、一般的な使用および複合材料への混合のためのこのような粒子および繊維、ならびに特に、球体、繊維、フレークおよびその集合体を含む、様々な形態に製造することができ化学的に耐久性で、安定したジオポリマー性粒子および繊維に関する。
本明細書に記載された発明によって、ミクロスフェアなどおよび製造方法に関連した1つまたは複数の欠点が克服される。さらに、このような従来のミクロスフェアおよび製造方法の有用な代替物が提供される。
図面の簡単な説明
本発明の特徴および利点のより完全な理解のために、これから、添付の図面とともに本発明の説明への言及がなされる。
様々な実施形態を製造および使用することが以下に詳細に議論されるが、本発明は、広範で様々な文脈において具現化され得る多くの発明概念を提供することが理解されるべきである。本明細書において議論される特定の態様および実施形態は、本発明を製造および使用するための仕方を単に例証するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。
Mn[−(SiO2)2−AlO2]n.wH2O (1)
(式中、Mは、アルカリ化学種であり、nは重合度である)。これは、アルミニウムが主に4面体配位にあり、ケイ素が様々な配位構造を有するアルミノシリケート骨格である。アルカリ金属M(例えば、ナトリウムまたはカリウム)は、電荷の均衡を与える。この構造単位には、シアレート(sialate)[−Si−O−Al−O−]、シアレートシロキソ(sialate siloxo)[−Si−O−Al−O−Si−O−]および/またはシレートジシロキソ(silate disiloxo)[−Si−O−Al−O−Si−O−Si−O−]が含まれることができる。
第1の実施例において、前駆体は、所与の意図された処理条件のための所定の硬化時間を有するように配合する。この実施例中のすべての前駆体は、メタカオリンクレー、水酸化ナトリウム、ケイ酸ナトリウムおよび水から配合したが、異なる比率で、異なる処理温度を用いて、および/または異なる硬化時間を有して供給した。
この実施例は、実質的に球形のジオポリマー性粒子を製造する方法を説明する。前駆体を、150gの水酸化ナトリウムペレットと325gの液体PQ社N−タイプ ケイ酸ナトリウムと混合し、次いで400gの水を加えて混合物を形成することによって製造した。水酸化ナトリウムと水との発熱反応により熱が発生した。この混合物を25℃に冷却し、次いで400gのメタカオリンクレーを加えた。この混合物を、機械式混合機を用いて完全に混合した。該前駆体混合物は、スラリー形態にあり、スプレー乾燥機で別個の液滴粒子に噴霧した。該スプレー乾燥機において加えた熱が過剰の水を蒸発させ、重合および硬化を活性化した。該液滴粒子は、乾燥されたジオポリマー性の球形およびほぼ円形の粒子に変換した。得られたジオポリマー性粒子を図4に示す。得られたジオポリマー性粒子は、流動性、強度、および耐久性を含む優れた特性を有することが見出され、したがって優れた強化充填剤として機能する。
この実施例において、4gの亜鉛金属粉末を発泡剤として実施例1の前駆体配合物に意図的に取り込ませる。発泡剤として、亜鉛金属粉末は、水と自己生成的に反応し、水素ガスを放出する。実施例1と同じ製造方法に従って、得られた製品は軽量ジオポリマー性ミクロスフェアであり、大部分のスフェアは、これらの内部に円形空洞を有した。この実施例のジオポリマー性最終製品の代表例を図6に示す。
この実施例は、発泡剤としてアルミニウム金属粉末を用いて、泡様構造を有するジオポリマー性粒子を製造する方法について説明する。15gの水酸化ナトリウムペレットと32.5gの液体N−タイプ ケイ酸ナトリウムとを混合し、次いで25gの水を加えて混合物を形成することによって、前駆体を調製した。水酸化ナトリウムと水との発熱反応により熱が発生した。この混合物を25℃に冷却し、次いで40gのメタカオリンクレーを加え、機械式混合機を用いて完全に混合した。次いで、アルカリシリケートを加えた5分後に、発泡剤(0.4gのアルミニウム金属粉末)を、この前駆体混合物に加えた。アルミニウム粉末は、水と激しく、発熱的に反応し、熱および水素ガスを放出した。したがって、この混合物は、あたかも沸騰するように泡立ち挙動を示したが、この理由は、一部の水素ガスが、該混合物の自由表面を破り、そこから逃れていっていたためである。さらなる熱を加えることなく、放出された熱により、重合および硬化は、自己生成的に生じた。硬化後、この前駆体混合物は、軽量ジオポリマー性粒子および集合体(泡様構造を有する粒子および集合体)に変換していた。アルミニウム粉末は、水との反応性が高く、水素ガスを激しく発生し、前駆体は、硬化しながら、小さい断片および個々の微粒子の集合体に細分化した。得られた泡様構造および粒子の実施例を、図7および図8にそれぞれ示す。
この実施例は、その中に空洞を有する軽量ジオポリマー性成形物品の製造方法について説明する。アルミニウム粉末に代えて、0.4gの亜鉛金属粉末を発泡剤として用いたことを除いて、実施例3に記載されたとおりの同じ前駆体配合物を用いた。この前駆体混合物を型内に入れ、放置して、自原的に硬化させた。この実施例において、亜鉛粉末と水との反応は、実施例3のアルミニウム粉末のものより激しくなかった。このように、この前駆体物質は粉々にならなかったが、型によって設定されたとおりの所望の形状の物品を形成した。この物品は、その構造全体に多数の微小空洞を含むので軽量であり;この空洞は主に水素ガスの放出のためである。この成形物品の空洞含有構造は、図9に示されるとおりである。
この実施例は、スプレー乾燥機を用いて、ジオポリマー性中空ミクロスフェアを製造する方法について説明する。この配合物は、29.65重量%のメタカオリンクレー、4.27重量%のN−タイプ ケイ酸ナトリウム、5.24重量%のD−タイプケイ酸ナトリウム、8.50重量%のSHP(ヘキサメタリン酸ナトリウム)、5.58重量%の水酸化ナトリウム、1.19重量%のアルミニウム粉末、18.00重量%の水酸化ナトリウムからなる。この配合物を水に加えて、27.3重量%の固体含量を有するスラリーを形成する。次いで、このスラリーをスプレー乾燥機の噴霧ノズルによってスプレー乾燥した。スプレー乾燥機は、500℃の入口空気温度および270℃の出口空気温度を示した。スプレー乾燥機から収集された最終製品は、視像およびSEMを用いて調べ、この実施例を図10および図11に示す。図から理解できるように、このジオポリマー性粒子は、中空ミクロスフェアの構成にある。メタカオリンおよび最終製品のFTIRスペクトルを得たが、原料物質からジオポリマー含有粒子への著しい変化を示した。
Claims (95)
- 少なくとも1つの寸法における形状が、1.0を超えるアスペクト比を有する、ジオポリマーを含む成形ジオポリマー性粒子。
- 300ミクロン以下の平均断面直径を有する、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 成形ジオポリマー性粒子の全体の寸法が、約0.1μmを超える、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 成形ジオポリマー性粒子の表面が、実質的に滑らか、実質的に粗い、スパイク、多孔性およびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 約2.0g/cc未満の密度を有する、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- ジオポリマーの量が、成形ジオポリマー性粒子の少なくとも約5重量%であるか、または5重量%を超える、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 1種または複数の添加剤をさらに含む、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 中空である、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- その中に1つまたは複数の空洞を有する、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 1つまたは複数の空洞が、中空、多孔性、泡様およびその様々な組合せからなる群から選択される構造を与える、請求項9に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 成形ジオポリマー性粒子の平均断面直径の約0.1から45%の壁厚さを有する、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- フレークである、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 形状が、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平らおよびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 多層である、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 1つまたは複数の複合物品に取り込まれる、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 形状が、型中で与えられる、請求項1に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- その中に1つまたは複数の空洞を有する、ジオポリマーを含む成形ジオポリマー性粒子。
- 300ミクロン以下の平均断面直径を有する、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 全体の寸法が約0.1μmを超える、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 表面が、実質的に滑らか、実質的に粗い、スパイク、多孔性およびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 約2.0g/cc未満の密度を有する、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- ジオポリマーの量が、成形ジオポリマー性粒子の少なくとも約5重量%であるか、または5重量%を超える、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 添加剤をさらに含む、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 中空である、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 表面に1つまたは複数の空洞を有する、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 1つまたは複数の空洞が、中空、多孔性、泡様およびその様々な組合せからなる群から選択される構造を与える、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 成形ジオポリマー性粒子の平均断面直径の約0.1から45%の壁厚さを有する、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- フレークである、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 形状が、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平坦およびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 多層である、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 1つまたは複数の複合物品中に取り込まれる、請求項17に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 約2.0g/cc未満の密度を有する、ジオポリマーを含む成形ジオポリマー性粒子。
- 300ミクロン以下の平均断面直径を有する、請求項32に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 全体の寸法が、約0.1μmを超える、請求項32に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 表面が、実質的に滑らか、実質的に粗い、スパイク、多孔性およびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項32に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 約2.0g/cc未満の密度を有する、請求項32に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- ジオポリマーの量が、成形ジオポリマー性粒子の少なくとも約5重量%であるか、または5重量%を超える、請求項32に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 添加剤をさらに含む、請求項32に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 中空である、請求項32に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- その中に1つまたは複数の空洞を有する、請求項32に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 1つまたは複数の空洞が、中空、多孔性、泡様およびその様々な組合せからなる群から選択される構造を与える、請求項33に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 成形ジオポリマー性粒子の平均断面直径の約0.1から45%の壁厚さを有する、請求項32に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- フレークである、請求項32に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 形状が、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平らおよびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項32に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 表面が、多層である、請求項32に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- 1つまたは複数の複合物品に取り込まれる、請求項32に記載の成形ジオポリマー性粒子。
- ジオポリマーを含む成形ジオポリマー性繊維。
- 300ミクロン以下の平均断面直径を有する、請求項47に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- 全体の寸法が、約0.1μmを超える、請求項47に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- 表面が、実質的に滑らか、実質的に粗い、スパイク、多孔性およびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項47に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- 約2.0g/cc未満の密度を有する、請求項47に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- ジオポリマーの量が、成形ジオポリマー性粒子の少なくとも約5重量%であるかまたは5重量%を超える、請求項47に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- 添加剤をさらに含む、請求項47に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- 中空である、請求項47に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- その中に1つまたは複数の空洞を有する、請求項47に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- 1つまたは複数の空洞が、中空、多孔性、泡様およびその様々な組合せからなる群から選択される構造を与える、請求項55に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- 成形ジオポリマー性繊維の平均断面直径の約0.1から45%の壁厚さを有する、請求項47に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- 細断される、請求項47に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- 断面形状が、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平らおよびその様々な組合せからなる群から選択される、請求項47に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- 多層である、請求項47に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- 1つまたは複数の複合物品に取り込まれる、請求項47に記載の成形ジオポリマー性繊維。
- 成形ジオポリマー性粒子を製造する方法であって、
ジオポリマーに変換できる物質を含むジオポリマー性前駆体を供給する工程と;
ジオポリマー性前駆体を処理して粒子を形成する工程と
を含む方法。 - 処理する工程が、成形、硬化および乾燥をさらに含む、請求項62に記載の方法。
- 硬化および乾燥をさらに含む、請求項62に記載の方法。
- 処理する工程が、約50(約10℃)と600°F(約315.6℃)の間の非高温温度で起こる、請求項62に記載の方法。
- 処理する工程が、室温で起こる、請求項62に記載の方法。
- 処理する工程が、熱スプレー、溶融紡糸およびブローイングからなる群の1つを介する、請求項62に記載の方法。
- 供給する工程が、バッチ方式、連続方式、および半連続方式からなる群から選択される方式である、請求項62に記載の方法。
- 供給する工程および処理する工程が、同時に起こる、請求項62に記載の方法。
- 添加物が、ジオポリマー性前駆体に与えられる、請求項62に記載の方法。
- 物質が、少なくとも1種のシリケート源、少なくとも1種のアルカリ源、1種または複数の発泡剤、レオロジー調整剤、カルシウム含有化合物、充填剤およびその組合せからなる群から選択される、請求項62に記載の方法。
- 処理する工程が、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平らおよびその様々な組合せからなる群から選択される予め選択された形態を与える、請求項62に記載の方法。
- 処理する工程が、ジオポリマー性前駆体のセルレーションをさらに含む、請求項62に記載の方法。
- 供給する工程が、ジオポリマー性前駆体のセルレーションを含む、請求項62に記載の方法。
- 物質が、少なくとも1種のシリケート源および少なくとも1種のアルカリ源を含む、請求項62に記載の方法。
- 成形ジオポリマー性繊維を製造する方法であって、
ジオポリマーに変換できる物質を含むジオポリマー性前駆体を供給する工程と;
ジオポリマー性前駆体を処理して繊維を形成する工程と
を含む方法。 - 処理する工程が、成形、硬化および乾燥をさらに含む、請求項75に記載の方法。
- 硬化および乾燥をさらに含む、請求項75に記載の方法。
- 処理する工程が、約50(約10℃)と600°F(約315.6℃)の間の非高温温度で起こる、請求項75に記載の方法。
- 処理する工程が、室温で起こる、請求項75に記載の方法。
- 処理する工程が、熱スプレー、溶融紡糸およびブローイングからなる群の1つを介する、請求項75に記載の方法。
- 供給する工程が、バッチ方式、連続方式、および半連続方式からなる群から選択される方式である、請求項75に記載の方法。
- 供給する工程と処理する工程とが同時に起こる、請求項75に記載の方法。
- 添加剤が、ジオポリマー性前駆体に与えられる、請求項75に記載の方法。
- 物質が、少なくとも1種のシリケート源、少なくとも1種のアルカリ源、1種または複数の発泡剤、レオロジー調整剤、カルシウム含有化合物、充填剤およびその組合せからなる群から選択される、請求項75に記載の方法。
- 処理する工程が、実質的に円形、ドーナツ形、卵形、長形、管状、四角形、多角形、実質的に平らおよびその様々な組合せからなる群から選択される予め選択された形態を与える、請求項75に記載の方法。
- 処理する工程が、ジオポリマー性前駆体のセルレーションをさらに含む、請求項75に記載の方法。
- 供給する工程が、ジオポリマー性前駆体のセルレーションを含む、請求項75に記載の方法。
- 物質が、少なくとも1種のシリケート源および少なくとも1種のアルカリ源を含む、請求項75に記載の方法。
- 粒子が、ミクロスフェア(microsphere)である、請求項17に記載の粒子。
- 粒子が、ミクロスフェア(microsphere)である、請求項32に記載の粒子。
- 少なくとも1つの寸法における形状が1.0を超えるアスペクト比を有する、ジオポリマーを含む成形ジオポリマー性物品。
- その中に1つまたは複数の空洞を有する、ジオポリマーを含む成形ジオポリマー性物品。
- 成形ジオポリマー性物品を製造する方法であって、
ジオポリマーに変換できる物質を含むジオポリマー性前駆体を供給する工程と;
ジオポリマー性前駆体を処理して物品を形成する工程と
を含む方法。 - 物品が型中で形成される、請求項93に記載の方法。
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