JP2010106579A

JP2010106579A - 熱反射材

Info

Publication number: JP2010106579A
Application number: JP2008280498A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Noguchi; 雅朗野口; Hideki Wachi; 秀樹和知; Hideaki Toda; 秀明戸田; Yasuyuki Tamaki; 保幸玉木
Original assignee: Taiheiyo Materials Corp
Current assignee: Taiheiyo Materials Corp
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2010-05-13

Abstract

【課題】ヒーターによる加熱方向とは異なる側に敷き詰めることによって、余分な部分への放熱を反射すると共に断熱してヒーターの熱効率を高めることができ、しかも耐熱性に優れており、従来品よりも施工も容易であり、少ない添加量で十分な効果を得ることができる熱反射材を提供する。
【解決手段】シリカ質の中空微粒子からなり、少なくとも粒子表面が白色の不透明なガラス質であり、ヒーターの放射熱を反射させる材料として用いられることを特徴とする熱反射材であって、好ましくは、粒子数で５０％以上の粒子の内部空間が隔壁によって区切られた複数の独立気泡によって形成されたシリカ質の中空微粒子からなる熱反射材。
【選択図】なし

Description

本発明は、シリカ質の中空微粒子からなる熱反射材に関し、特に加熱源（以下「ヒーター」と称す。）から放散される放射熱による加熱効率を高めるヒーター用の熱反射材に関する。

近年、世界的な地球温暖化問題やエネルギー需要の観点から、エネルギーを効率的に利用する技術開発が進められている。特に熱を利用するものは、熱が全方向に広がり、余分な部分に熱が伝えられると、エネルギー効率が大幅に低下する。

例えば、電気炉では、加熱部位に熱を伝える一方、外部にはなるべく熱が伝わらないように設計されている。具体的には、一般にヒーターの周りに耐熱煉瓦を敷き詰めて断熱性を高めることが知られている。耐熱煉瓦は耐熱性に優れ、かつ熱伝導率を小さくして、外部に熱が伝わり難くして断熱性を高めている。

断熱材を敷き詰める方法よりもさらに熱効率を上げる手段として反射材が使用される。アルミニウムのような金属板を反射材として使用する場合がある。しかし、金属板は熱伝導率が高いため熱拡散を十分に遮断できないので、通常は耐熱煉瓦等と併用される。

また、断熱や熱反射をセラミック粒子で行う方法も行われている。セラミック粒子と中空の粒子を併用し、断熱性を高めかつ熱反射を行う。この場合、中実微粒子と中空微粒子とを積層させることで、断熱および熱反射の効果を得ているが、積層の並べ方を制御せねばならず煩雑であること、中空微粒子は粒径がナノオーダーで製造が困難であることが問題としてあげられる。（特許文献１）

また、例えば、床暖房のような分野では、床上への熱伝達を促進し、かつ床下への伝達をできるだけ抑える必要がある。このため、ヒーターの下部に発泡ポリスチレン、発泡ポリウレタン、ガラスウールなどの熱反射材（断熱材）を敷いて床下への伝達を少なくし、エネルギー効率を高めることが知られている。しかし、これらの構造は、十分な効果を得るには厚い断熱材を必要とする。しかも上記断熱材は強度が弱く、補強が必要になるなどの問題がある（特許文献２、３）。
特開平８−１４７６４特開２００１−１３２９６０特開平５−６０３３５

本発明は、従来の上記問題を解決した熱反射材を提供するものであり、より詳しくは、ヒーターによる加熱方向とは異なる側に敷き詰めることによって、余分な部分への放熱を反射すると共に断熱してヒーターの熱効率を高めることができ、しかも耐熱性に優れており、従来品よりも施工も容易であり、少ない添加量で十分な効果を得ることができる熱反射材を提供する。

本発明は、以下に示す構成によって上記問題を解決したヒ熱反射材に関する。
〔１〕シリカ質の中空微粒子からなり、少なくとも粒子表面が白色の不透明なガラス質であり、ヒーターの放射熱を反射させる材料として用いられることを特徴とする熱反射材。
〔２〕粒子数で５０％以上の粒子の内部空間が隔壁によって区切られた複数の独立気泡によって形成されたシリカ質の中空微粒子からなる上記[１]に記載する熱反射材。
〔３〕シリカ含有量７０〜９０質量％の発泡した中空微粒子からなる上記[１]または上記[２]の何れかに記載する熱反射材。
〔４〕中空微粒子の表面がハンター白色度で７０以上である上記[１]〜上記[３]の何れかに記載する熱反射材。
〔５〕中空微粒子の平均ガラス化率が７５％以上である上記[１]〜上記[４]の何れかに記載する熱反射材。
〔６〕中空微粒子の円形度が０.５以上の粒子が粒子数で５０％以上である上記[１]〜上記[５]の何れかに記載する熱反射材。
〔７〕中空微粒子の粒径が１５０μｍ以下である上記[１]〜上記[６]の何れかに記載する熱反射材。
〔８〕中空微粒子の容重が０.１６〜０.３５g/cm³である上記[１]〜上記[７]の何れかに記載する熱反射材。

本発明の熱反射材は、シリカ質の中空微粒子であって、少なくとも粒子表面が白色の不透明なガラス質であるので、熱の反射効果に優れる。好ましくは、シリカ質７０％以上であって、ガラス化率が７５％以上のものは熱反射効果が高い。

具体的には、例えば、粒子表面がハンター白色度で７０以上である中空微粒子は優れた熱反射効果を有する。

さらに、本発明の熱反射材において、中空微粒子の円形度が０.６以上から１に近い粒子は真円に近くなり、全方向の熱を反射することができるので熱反射効果が高い。

また、本発明の熱反射材を形成する微粒子は中空なので軽量であり、ヒーターの周囲に敷き詰めても重量の負担が少ない利点を有する。さらに、粒子数で５０％以上の粒子の内部空間が隔壁によって区切られた複数の独立気泡を有する中空微粒子は、軽量であっても内部隔壁が存在するので強度が大きく、外部圧力を受けときでも破壊され難く、中空状態を維持することができる。

また、シリカ質原料粒子を加熱発泡して製造したガラス質の中空微粒子は、粒子表面がガラス質であるので、粒子表面の開口部が塞がれた内部気泡が形成され、真空度の高い内部空間になるので断熱性の高い中空微粒子になる。しかも、この内部空間には隔壁が存在するので、真空度が高いにもかかわらず強度が大きく破壊され難い。

以上のように、本発明の熱反射材は、粒子表面の優れた熱反射効果を有すると共に、閉塞された内部空間による高い断熱性を有し、かつ内部隔壁による大きな強度を有することができる。

以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。
本発明の熱反射材は、シリカ質の中空微粒子からなり、少なくとも粒子表面が白色の不透明なガラス質であり、ヒーターの放射熱を反射させる材料として用いられることを特徴とする熱反射材である。

本発明の熱反射材はシリカを主成分とする無機の中空微粒子である。中空微粒子にはポリスチレンやポリメタクリル酸メチルなどを主成分とする有機樹脂系のものがあるが、有機系の中空微粒子は耐熱性が低いのでヒーターの熱により劣化しやすい。

少なくとも粒子表面が白色の不透明なガラス質の中空微粒子は熱の反射効率に優れる。具体的には、例えば、ハンター白色度が７０以上であることが好ましい。ハンター白色度は、光の反射率を測定して白色度を測定する方法であるが、ハンター白色度７０以下では光の反射が悪くなり、同様に熱の反射も悪くなる。

上記中空微粒子のシリカ含有量は７０％以上が好ましい。シリカ成分が多いのでガラス質になりやすく、光反射率の高い粒子を得ることができる。また、中空微粒子のガラス化率は７５％以上であることが好ましい。ガラス化率が７５％以上であると粒子表面の平滑度が高くなり熱反射効率も高くなる。

また、本発明の熱反射材の中空微粒子はシリカ質であるので、遠赤外線効果が高く、さらに熱効率を高めることができる。

本発明の熱反射材に用いる中空微粒子は、円形度０.５以上の粒子が粒子数で５０％以上あることが適当であり、８０％以上が好ましい。円形度が１に近づくほど真円に近くなるが、形状が丸いほど、あらゆる方向の熱を反射することができるため、反射効率は高くなる。なお、円形度は次式によって表わされる。
円形度＝４π×Ｓ／Ｌ²（Ｓ:面積、Ｌ：周囲長）

本発明の熱反射材は中空微粒子であるので、軽量であると共に内部に熱が伝達し難く、高い断熱性を有する。中空微粒子はシリカ質原料粒子を加熱発泡して製造することができるが、この中空微粒子は、粒子表面がシリカガラス質であるので、粒子表面の開口部が塞がれた内部気泡が形成され、真空度の高い内部空間になるので断熱性の高い中空微粒子になる。しかも、内部空間に隔壁を有するものは真空度が高いにもかかわらず強度が大きいので破壊され難く、高い断熱性を維持することができる。

上記中空微粒子は、容重が０.１６〜０.３５ｇ/cm³のものが好ましい。容重が０.３５ｇ/cm³を超えると、内部空間の割合が少なくなるので断熱効果が低下し、また、本材料を敷き詰めたときに重量の負担が大きくなる。一方、容重が０.１６ｇ/cm³より小さいと、粒子の膜厚が薄いため粒子の強度が低下する。

本発明の熱反射材は、好ましくは、内部空間が隔壁によって区切られた複数の独立気泡を有するシリカ質中空微粒子からなる。粒子内部が隔壁によって仕切られているので、中空であっても内部隔壁が存在するので強度が大きく、外部圧力を受けたときに破壊され難く、中空状態を維持することができる。

また、本発明の熱反射材に用いる中空微粒子は、独立気泡を有するものは断熱効果に優れており、さらに隔壁によって区切られた複数の独立気泡を有することによって、粒子が部分的に破壊されても、残りの独立気泡によって中空構造が維持されるので、断熱性を保つことができる。

なお、粒子表面に開口のない独立気泡を有する中空微粒子は、吸水率が低く、かつ大きな内部空間を有するので軽量であり、従って、水中での浮揚率が高い。また、内部隔壁を有するので強度が大きく、加圧下でも亀裂が生じ難く、部分的に亀裂が生じても内部空間が隔壁によって区切られているので水が浸透する範囲が限られ、加圧水下でも中空状態を維持できる。

ちなみに、従来、開口気孔を有する多孔質粒子、あるいは閉口気孔の粒子であっても内部空間が連続気泡によって形成されている中空粒子が知られているが、これらの中空粒子は部分的に亀裂が生じると、粒子内部の空間全体の密閉性が失われるので断熱性が低下し、水中に投入したときに、粒子内部に水が浸透する範囲が広がるので加圧水下では中空状態を維持できない。

上記中空微粒子は、隔壁を有する粒子の割合が多いほど、この粒子を用いた材料強度を高める効果が得られるので良い。好ましくは、粒子数で５０％以上の粒子の内部空間が隔壁によって区切られた複数の独立気泡を有するものが好ましい。内部空間に隔壁を有する粒子数がこれより少ないと、粒子の強度が低いので破損する割合が多くなる。

隔壁を有する粒子において、内部空間の隔壁は１個よりも複数個あることが望ましい。複数の隔壁を有することによって、粒子の強度がさらに向上する。隔壁の厚さは本発明の効果を喪失させない限り特に制限されない。

本発明の熱反射材として用いる中空微粒子の粒径は１５０μｍ以下が適当であり、１００μｍ以下であることが好ましい。１５０μｍより大きい粒子は外部の衝撃や圧力で破壊されやすい。一方、１００μｍ以下の粒子は断熱性が高くなり、少ない量で高い効果を得ることができる。

本発明の熱反射材に用いるシリカ質中空微粒子は、シリカ（化学成分としてＳｉＯ₂）を主成分とする無機材料を加熱し発泡して製造することができる。原料の無機材料はシリカ含有量が７０〜９０％のものが好ましい。シリカ含有量が７０％未満であると不純物が多くなり、均一な発泡ができなくなるため適当ではない。また、シリカ含有量が９０％を超えると融点が高くなるため発泡温度が高くなり、もしくは高温でも発泡しなくなるため適当ではない。

本発明の熱反射材は、シリカを主成分とする天然ガラス質岩石などを原料とし、必要に応じて発泡原料を混合して造粒し、加熱して発泡させることによって製造することができる。例えば、シラス、真珠岩、黒曜石、松脂岩などのシリカ含有量７０〜９０％の天然ガラス質岩石を平均粒径１００μｍ以下の微粒子に粉砕し、該岩石微粒子を９００℃〜１５００℃に加熱して発泡させて中空微粒子にし、この中空微粒子から内部空間が隔壁によって区切られたものを選択することによって製造することができる。なお、粒子内部に大きな空間を有するシリカガラス質の粒子は、光学顕微鏡によって内部空間の隔壁を確認することができる。

本発明の熱反射材は、床暖房のような比較的低温のヒーター、あるいは電気炉、電気コンロなどの比較的温度の高いヒーターなどに広く用いることができる。本発明の熱反射材は、ヒーターによって加熱する方向とは異なる方向に敷き詰めることによって、余分な部分への放熱を反射すると共に断熱して加熱方向の熱効率を高めることができる。しかも本発明の熱反射材は耐熱性に優れている。

本発明の熱反射材は、少ない使用量で十分な効果を得ることができる。使用量は制限されないが、好ましくはヒーター下１ｍｍ以上の厚みがあると機能が十分に発現されやすくなる。本発明の熱反射材は乾燥粉体のまま使用することができ、また樹脂や塗料と混合して使用することができる。樹脂や塗料は、本発明の効果を阻害しない限り限定されない。例えば、塗料に使用される公知の溶剤や樹脂、増粘剤、糊剤、分散剤、着色顔料などと併用してもよい。本発明の熱反射材は粒子の強度が大きいので、樹脂や塗料などを混合するときに破壊され難く、高い熱反射効果および断熱効果を維持することができる。

以下、本発明を実施例によって具体的に示す。なお、粒子の平均粒径、容重、隔壁の割合、円形度、ガラス化率、ハンター白色度、は以下の方法によって測定した。

〔平均粒径〕レーザー回折粒度分布測定装置を用い、日機装社製測定器（マイクロトラック）によって測定した。

〔容重〕一定容積Ｓ(cm³)の容重枡に試料を充填し、開口からはみ出た部分をすり切り、全体の重量Ｇ１を測定し、これから容器の重量Ｇ２を差し引いて粉末重量Ｇ３(ｇ)を求め、上記容積Ｓに対する粉末重量Ｇ３〔Ｇ３/Ｓ〕ｇ/cm³を容重とした。

〔隔壁粒子の割合〕プレパラートにアルコールで分散させた試料を滴下し、均一にならして乾燥させる。これを透過型の顕微鏡で観察し、１００個中の隔壁がある個数をカウントした。

〔円形度〕円形度は粒子の画像解析による測定装置（セイシン企業社製、PITA−１）で測定した。円形度は、４π×Ｓ／Ｌ²（Ｓ:面積、Ｌ：周囲長）で求められる値とした。

〔ガラス化率〕
ガラス化率は、粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）で測定して算出した。試料に標準物質としてα−Ａｌ₂Ｏ₃を１０質量％添加して、ＸＲＤを測定し、ベースラインからのα−Ａｌ₂Ｏ₃（１１３）ピーク高さと非結晶として観測されるハローのピーク高さを比較して算出した。算出方法は、まず１００％ガラス質（ガラス粉末）にα−Ａｌ₂Ｏ₃を１０質量％添加してＸＲＤを測定し、α−Ａｌ₂Ｏ₃（１１３）ピーク高さＩ_A0とハローピーク高さＩ_G0からＩ_G0／Ｉ_A0を算出する。ガラス化率測定試料と１０質量%添加混合した試料のＸＲＤを測定し、αＡｌ₂Ｏ₃のα−Ａｌ₂Ｏ₃（１１３）ピーク高さＩ_Aとハローピーク高さＩ_Gから（Ｉ_G／Ｉ_A）／（Ｉ_G0／Ｉ_A0）×１００（％）の値をガラス化率とした。

〔白色度〕
ＪＩＳＰ８１２３に準拠し、白色度計を用いてハンター白色度を求めた。

〔実施例１：中空微粒子〕
真珠岩〔化学成分含有率（質量％）SiO₂ 74％、Al₂O₃ 13％、Fe₂O₃ １％、CaO１％、ig.loss 2.2％、ガラス化率97.5％〕を発泡させてシリカ質中空微粒子を製造し、容重約０.１〜０.４/cm３、平均粒径約５０〜２００μｍのものを選択した（本発明品：No.A1〜A7及び本発明から外れる参考品：No.A8）。これらの中空微粒子について、容重、平均粒径、隔壁粒子の割合、円形度（円形度が０.５以上の粒子数の割合）、ハンター白色度、ガラス化率を表１に示した。

一方、市販品のパーライト（真珠岩系加熱発泡粒：容重約０.２ｇ/cm³、平均粒径約100μｍ：No.Ｂ１）を比較試料として使用した。また、緻密なガラス微粉末として、ブラスティング用のガラスビーズ（ＪＩＳ規格品、Ｊ４００）を使用した（No.Ｂ２）、ガラス化率が低い中空微粉としてフライアッシュ（ＪＩＳ II種品)を使用した（No．Ｂ３）。これらの比較試料（No.Ｂ１、Ｂ３）は粒子の大半（概ね９０％以上）またはほぼ全ての粒子は内部空間が単一気泡によって形成されている。これらの粒子について容重、平均粒径、隔壁粒子の割合、円形度（円形度が０.５以上の粒子数の割合）、ハンター白色度、ガラス化率を表２に示した。

〔実施例２：熱反射率〕
試験箱（３０×３０×１５ｃｍ）の中心にデジタル温度計を設置し、その上に微粒子を敷き詰め、その上にヒーター（１００Ｗ）を載せる。電流を１０分間流し、ヒーター１０ｃｍ上部の温度を測定した。この結果を表３に示した。

表３に示すように、本発明品Ａ１〜Ａ８は何れも、加熱試験における上部温度が９０℃以上であり、優れた熱反射効果が得られる。
一方、参考品Ｂ１は円形度が低いので、熱反射効果が小さく、上部加熱温度は８５℃程度である。また、参考品Ｂ２およびＢ３は白色度が大幅に低いので熱反射効果も低く、８０℃程度である。

Claims

シリカ質の中空微粒子からなり、少なくとも粒子表面が白色の不透明なガラス質であり、ヒーターの放射熱を反射させる材料として用いられることを特徴とする熱反射材。
粒子数で５０％以上の粒子の内部空間が隔壁によって区切られた複数の独立気泡によって形成されたシリカ質の中空微粒子からなる請求項１に記載する熱反射材。
シリカ含有量７０〜９０質量％の発泡した中空微粒子からなる請求項１または請求項２の何れかに記載する熱反射材。
中空微粒子の表面がハンター白色度で７０以上である請求項１〜請求項３の何れかに記載する熱反射材。
中空微粒子の平均ガラス化率が７５％以上である請求項１〜請求項４の何れかに記載する熱反射材。
中空微粒子の円形度が０.５以上の粒子が粒子数で５０％以上である請求項１〜請求項５の何れかに記載する熱反射材。
中空微粒子の粒径が１５０μｍ以下である請求項１〜請求項６の何れかに記載する熱反射材。
中空微粒子の容重が０.１６〜０.３５g/cm³である請求項１〜請求項７の何れかに記載する熱反射材。