JP2010132479A - 繊維補強無機質成型体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量でありながら耐火性、耐凍害性等の耐久性、曲げ強度等の力学的特性に優れた無機質成型体を提供する。
【解決手段】少なくともセメント、珪酸質材料、炭素繊維を含む繊維補強無機質成型体において、炭素繊維の表面にアニオン性高分子凝集剤が付着していることを特徴とする炭素繊維補強無機質成型体。
【選択図】なし

Description

本発明は、建築物の外壁材、天井材および内装材等に使用される炭素繊維補強無機質成型体およびその製造方法に関するものである。

従来から建築物の外壁材、天井材あるいは内装材などに使用される建築材料の一つとして、ビニロン、ナイロン、ポリプロピレン等の有機繊維または炭素繊維、ガラス繊維等の無機繊維で補強された無機質成型体が好適に使用されている。

これら無機質成型体には、耐火性、耐凍害性等の耐久性に加え、曲げ強度、衝撃強度等の力学的特性が必要とされるのはもちろんのこと、近年では建築物（住宅等）の長期耐久性向上を目的に無機質成型体の軽量化が強く望まれている。

上述した要求性能、つまり軽量でありながら、耐火性、耐凍害性等の耐久性、曲げ強度、衝撃強度等の力学的特性に優れた無機質成型体を得るためには、補強繊維の選定とその役割が重要であり、具体的には（１）耐火性、耐アルカリ性等の耐久性に優れた繊維を使用すること、（２）繊維がセメント懸濁液中に均一に分散すること（以下、均一分散性と略す）、（３）繊維とセメントとの親和性が良好であること（以下、セメント親和性と略す）が重要となるが、これら要件を全て満たす繊維が存在しないのが実状である。

例えば、有機繊維であるビニロン繊維はセメント親和性に優れているが、耐火性、均一分散性に劣り、ナイロン繊維は均一分散性に優れているが、耐火性、セメント親和性に劣る。一方、無機繊維であるガラス繊維は耐火性に優れているが、耐アルカリ性およびセメント親和性に劣り、炭素繊維は耐火性、耐アルカリ性に優れているが、均一分散性、セメント親和性に劣る。

これら各繊維の短所を補う手段として、カチオン性またはノニオン性の高分子凝集剤で繊維を前処理する方法が提案されている（特許文献１参照）。この方法では、繊維に付着したカチオン性高分子凝集剤の電子間の反発作用によって繊維の均一分散性の効果は期待できるものの、水中でカチオンに帯電しているセメントとの電子的反発が生じ、セメント親和性に劣ることから無機質成型体として充分な力学的特性が得られないといった問題が生じる。また、この方法は湿潤状態で高分子凝集剤が付着した繊維を使用しているため、繊維と高分子凝集剤との付着力に劣り、攪拌時のシェアによって繊維から高分子凝集剤が脱落する可能性があり期待した効果が得られない可能性がある。

また、耐火性、耐アルカリ性等の耐久性に優れた炭素繊維を用いた無機質成型体も提案されている（特許文献２参照）が、上述した均一分散性、セメント親和性についてはなんら検討されておらず、無機質成型体としての力学的特性に劣るといった問題が生じる。
特許第２６０６６１８号公報 特開２００４−１９６６０２号公報

本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、軽量でありながら耐火性、耐凍害性等の耐久性、曲げ強度等の力学的特性に優れた無機質成型体およびその製造方法を提供せんとするものである。

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。

すなわち、本発明の無機質成型体は、少なくともセメント、珪酸質材料、炭素繊維を含む繊維補強無機質成型体において、炭素繊維の表面にアニオン性高分子凝集剤が付着していることを特徴とするものである。

また、本発明の無機質成型体の製造方法は、炭素繊維をアニオン性高分子凝集剤水溶液に浸漬し、脱水、乾燥した後、得られたアニオン性高分子凝集剤付着炭素繊維をセメント及び珪酸質材料に混合し、成型することを特徴とするものである。

本発明によれば、軽量でありながら耐火性、耐凍害性等の耐久性、曲げ強度等の力学的特性に優れた無機質成型体およびその製造方法を提供することができる。

本発明の無機質成型体は、少なくともセメント、珪酸質材料、炭素繊維を含み、炭素繊維の表面にアニオン性高分子凝集剤が付着していることが必須である。

本発明で用いるセメントは、例えば、ＪＩＳ Ｒ５２１０−２００３で規定される各種ポルトランドセメント、ＪＩＳ Ｒ５２１１−２００３で規定される高炉セメント、ＪＩＳ Ｒ５２１２−１９９７で規定されるシリカセメントおよびＪＩＳ Ｒ５２１３−１９９７で規定されるフライアッシュセメントが使用可能である。

また、本発明で用いる珪酸質材料としては、例えば、ＪＩＳ Ａ６２０１−１９９９で規定されるフライアッシュが挙げられる。また、軽量化の観点から、パーライト、フライアッシュバルーン、シラスバルーン、マールライト、セラミックバルーン等の中空体を使用することも好ましい。これら、珪酸質材料の中空体は吸水率が非常に小さいことから耐凍害性の向上にも寄与する。
次に本発明で用いる炭素繊維については特に制限はなく、例えば石油、石炭、コールタール等の副生物を高温で炭化し得られるピッチ系炭素繊維、アクリル繊維を空気等の酸化性雰囲気中の高温化で加熱処理したＰＡＮ系炭素繊維のいずれでもよい。通常市販されている炭素繊維は、繊維径２〜２５μｍのフィラメント１０００〜２５０００本をサイジング剤により集束した形態で販売されており、これらを繊維長３〜１５ｍｍにカットして使用することが好ましい。１５ｍｍより長い繊維を使用すると各材料の混合過程においてファイバーボールが生じるなどの分散不良が発生し、３ｍｍより短い繊維を使用すると充分な補強効果が得られず、曲げ強度等の力学的特性の向上に寄与しない。また、炭素繊維を用いることにより、耐火性の向上にも寄与する。
本発明で用いるアニオン性高分子凝集剤としては、均一分散性およびセメント親和性の観点から、高分子ポリカルボン酸化合物が好ましく、その平均分子量が３０００〜１５０００の範囲にあることがさらに好ましい。

ここで言うアニオン性高分子凝集剤とは、例えばポリエチレングリコールと芳香族ジカルボン酸との縮合物、ポリエチレングリコールと脂肪族ジカルボン酸との縮合物、ポリエチレングリコールとジカルボン酸アンモニウム塩との縮合物が挙げられるが、親水基、疎水基を有する高分子化合物であればこれらに限定されることはない。

また、炭素繊維に対するアニオン性高分子凝集剤の付着量は、０．１〜５ｗｔ％であることが好ましく、０．５〜１．５ｗｔ％であることがさらに好ましい。０．１ｗｔ％より少ないと炭素繊維の分散性やセメント親和性が低下し、期待した効果を得ることができない。また、５ｗｔ％を超えて付着させても効果は向上しないし、不経済である。

次に当該アニオン性高分子凝集剤の作用について説明する。上述したとおり、通常市販されている炭素繊維はサイジング剤により、複数本のフィラメントが集束されており、水中に浸漬し攪拌した場合においても開繊し難い。

一方、アニオン性高分子凝集剤水溶液に浸漬した場合、炭素繊維のフィラメントがアニオンに帯電し、電子間の反発作用によって炭素繊維のフィラメント同士が１本１本に開繊する。その後、水中でカチオンに帯電するセメントと吸着し、セメントとの親和性が向上する。

ここで、カチオン性高分子凝集剤を用いた場合、電子間の反発作用によって、炭素繊維同士が開繊するものの、水中でカチオンに帯電するセメントと反発し、セメントとの親和性が得られない。ノニオン性高分子凝集剤を用いた場合、上述した原理から、炭素繊維の開繊、セメントとの親和性も得られない。よって、アニオン性高分子凝集剤を活用することが好ましいといえる。

また、本発明の無機質成型体には、クラフトパルプ等のパルプ繊維や、珪藻土、ワラストナイト等鉱物原料を用いても良く、炭素繊維以外の無機繊維、有機繊維を併用しても特に問題はない。

次に本発明の無機質成型体の好ましい配合比率は、セメント２０〜３５ｗｔ％、珪酸質材料３０〜６５ｗｔ％、炭素繊維０．３〜５ｗｔ％である。これら各原料に加え、上述したパルプ繊維、珪藻土、ワラストナイトを適宜加えることがさらに好ましい。セメントが２０ｗｔ％を下回ると無機質成型体の力学的特性が低下するし、３５ｗｔ％を上回ると力学的特性は向上するものの、見掛け密度があがり無機質成型体として重量が増加してしまう。珪酸質材料については、上記範囲で使用することにより、見掛け密度の調整、力学的特性の向上が可能となる。さらに、炭素繊維は０．３ｗｔ％を下回ると力学的特性の向上に寄与しないし、５ｗｔ％を超えて添加しても力学的特性は向上しないばかりか、ファイバーボールが生じる可能性がある。

次に、本発明の無機質成型体の製造方法について説明する。本発明の無機質成型体の製造方法は上記無機質成型体を製造するための方法の１つであって、炭素繊維をアニオン性高分子凝集剤水溶液に浸漬し、脱水、乾燥した後、得られたアニオン性高分子凝集剤付着炭素繊維をセメント及び珪酸質材料に混合することを特徴とする。つまり、上記工程を採用することにより、アニオン性高分子凝集剤が炭素繊維の表面に強固に固着され、セメントや珪酸質材料と混合した際、炭素繊維からアニオン性高分子凝集剤が脱落し難くなる。炭素繊維の表面に付着したアニオン性高分子凝集剤は上記のごとくの作用により、本発明の無機質成型体は優れた効果を発揮するものである。次に、この混合物（セメントスラリー）を成型する。具体的には、上述した製造工程で得られたアニオン性高分子凝集剤付着炭素繊維入りセメントスラリーを脱水成型して成型体を製造し、高温、多湿下で一次養生し、その後、オートクレーブ養生した後、乾燥して製造される。

成型体の大きさや形状については特に限定されず、使用する目的に応じて適宜選択される。

以下に本発明について、実施例を用いてさらに具体的に説明するが、実施例中に示す特性値の測定方法は次のとおりである。

Ａ．曲げ強度
ＪＩＳ Ａ１４０８−２００１に準じて測定した。
（１）支持棒、加圧棒及び支持板から構成される曲げ試験機を用い下記（２）の条件で試験を実施した。
（２）荷重速度：１０ｍｍ／分、スパン１２０ｍｍ。

Ｂ．見掛け密度
ＪＩＳ Ａ５４３０−２００８に準じて測定した。
（１）乾燥時の質量を測定する。・・・Ｗ０
（２）常温の水中に２４時間浸漬した後、細い糸で水中につるし質量を測定する。・・・Ｗ１
（３）その後、水中から取り出し試験体の各面の水分を拭き取り、直ぐに質量を測定する。・・・Ｗ２
（４）次式、
ρ（ｇ／ｃｍ^３）＝Ｗ０／（Ｗ２−Ｗ１）
により見掛け密度を算出する。
［実施例１］
Ａ．高分子凝集剤付着炭素繊維の作製
（１）高分子ポリカルボン酸化合物（アニオン性高分子凝集剤）であるポリエチレングリコール／芳香族ジカルボン酸縮合物（平均分子量９０００）の１ｗｔ％水溶液を作製し、約６ｍｍにカットした炭素繊維（東レ（株）製、Ｔ７００Ｓ）を添加し混合した後、２４時間放置した。
（２）（１）で調整した炭素繊維入り高分子凝集剤水溶液を、目開き５００μｍの篩を通過させて脱水した後、１００℃の乾燥機で６時間乾燥させ、高分子凝集剤付着炭素繊維を得た。

Ｂ．材料の計量・混合
（１）表１の配合表に基づき材料を計量した。
（２）ジューサーミキサーにクラフトパルプ（米国製針葉樹、未さらし）および一次攪拌水を投入し、１分間攪拌しパルプを開繊した。
（３）前記（２）項で得たクラフトパルプおよび一次攪拌水を万能ミキサー（（株）ルトン社製、品番５ＤＭ−０３−ｒ）で２０分間攪拌した。
（４）Ａ項で得た高分子凝集剤付着炭素繊維、セメント（太平洋セメント（株）社製、普通ポルトランドセメント）、フライアッシュ（四電産業（株）製、II種）、フライアッシュバルーン（東京興業貿易商会、Ｔビーズ）、パーライト（三井金属工業（株）社製、加工４号）、ワラストナイト（中国産）、珪藻土（秋田産）、撥水剤（東レダウコーニングシリコーン社製、ＢＹ１６−８４６）、二次攪拌水を前記（３）項の万能ミキサーに投入後、１２分間攪拌し、セメントスラリーを得た。

Ｃ．成型・養生・硬化
（１）Ｂ項で得たセメントスラリーをメッシュ状の不織布上に置き、３０秒 間予備脱水後、金型に流し込み、オートグラフ（（株）島津製作所製、ＡＧ−１０ＴＥ）を用い、４０ｋｇ／ｃｍ^２で６０秒間プレスして成型体を得た。
（２）前記（１）項で得た成型体を温度６０℃、湿度９５％条件下で４時間一次養生した後、１６０℃、６ｋｇｆ／ｃｍ^２条件下でオートクレーブ養生した。
（３）前記（２）項で得た成型体を温度１９５℃条件下で８０分乾燥し、試験体を得た。
［実施例２］
高分子ポリカルボン酸化合物（アニオン性高分子凝集剤）をポリエチレングリコール／ジカルボン酸アンモニウム塩縮合物との縮合物（平均分子量３０００）に変更した点を除き実施例１と同様の方法で試験体を得た。
［比較例１］
高分子凝集剤を使用しない点を除き実施例１と同様の方法で試験体を得た。
［比較例２］
高分子凝集剤をポリアクリルアミド（ノニオン性）に変更したことを除き、実施例１同様の方法で試験体を得た。
［比較例２］
高分子凝集剤をポリアクリルアミドマンニッヒ化合物（カチオン性）に変更したことを除き、実施例１同様の方法で試験体を得た。

各試験体の曲げ強度、見掛け密度の評価結果は表２に示す。

Claims (4)

1. 少なくともセメント、珪酸質材料、炭素繊維を含む繊維補強無機質成型体において、炭素繊維の表面にアニオン性高分子凝集剤が付着していることを特徴とする炭素繊維補強無機質成型体。
2. 前記アニオン性高分子凝集剤が高分子ポリカルボン酸化合物であることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維補強無機質成型体。
3. 前記高分子ポリカルボン酸化合物の平均分子量が３０００〜１５０００であることを特徴とする請求項１または２に記載の炭素繊維補強無機質成型体。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の繊維補強無機質成型体の製造方法であって、炭素繊維をアニオン性高分子凝集剤水溶液に浸漬し、脱水、乾燥した後、得られたアニオン性高分子凝集剤付着炭素繊維をセメント及び珪酸質材料に混合し、成型することを特徴とする炭素繊維補強無機質成型体の製造方法。