JP2010168503A - 硬化性無機組成物 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐熱性および耐火性を有する接着剤、塗料、コーティング剤または充填剤等として、良好な施工性且つ低コストで使用可能な硬化性無機組成物を提供する。
【解決手段】本発明に係る硬化性無機組成物は、水ガラスを１００重量部に対し、フライアッシュを２５〜３５重量部と、金属酸化物と、を予め混合してなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、接着剤、塗料、コーティング剤または充填剤等として使用される硬化性無機組成物に関し、特に耐熱性および耐火性を有するものに関する。
従来、例えば合板や壁紙等の建材に使用される接着剤は有機系のものがほとんどであった。この有機系接着剤は、乾燥性や塗布性といった施工性が良好である反面、耐熱性に劣るという欠点があった。近年では、防災意識の高まりと共に建築基準法が改正される等、建材や建物の構造等に対して従来以上に耐熱性、耐火性が要求されるようになっている。このため、建築の分野において使用される接着剤についても従来以上に耐熱性に優れるものが求められているが、有機系接着剤では耐熱性の向上に限界があり、その要求を十分に満たせるものはなかった。
一方、優れた耐熱性、耐火性を有する接着剤として、無機系の接着剤が従来知られている。この無機系の接着剤としては、一般に、水ガラスやコロイダルシリカをバインダとし、アルミナ等の酸化物をフィラーとして混合したものが知られている。このうち、水ガラスを用いた無機系接着剤は、水ガラスが空気中の炭酸ガスを吸収してゲル状ケイ酸が析出してガラス状となり、強い接着力を発揮するため、ガラスや陶磁器等の接着剤や耐火コーティング剤等に用いられている。また、水ガラスを用いた無機系接着剤は一般に硬化速度が遅いため、五酸化アンチモンを加えることにより、硬化速度を高める提案等もされている（例えば特許文献１参照）。
特開平６−２５６１０号公報
しかしながら、従来の無機系接着剤は、アルミナ等の酸化物を使用することから有機系接着剤よりもはるかに高コストになるという問題があった。このため、接着剤を大量に使用する建築の分野、例えば合板の製造や壁紙の貼付等には、採算面から使用できるものではなかった。また、従来の無機系接着剤は、硬化速度が遅いことから施工性が悪く、風雨に曝されることの多い建築現場での使用に耐えうるものではなかった。従って、従来の無機系接着剤は、優れた耐熱性、耐火性を備えながらも、建築の分野において接着剤またはコーティング剤等に使用されることはまれであった。
また、特許文献１に記載の無機系接着剤は、硬化速度（乾燥速度）を高めて施工性を向上させているが、水ガラスと五酸化アンチモンの反応助剤としてアルコールを使用すると共に攪拌中の温度管理が必要である等、製造工程が複雑であるため、従来以上に高コストのものとなっていた。従って、大量に使用される建築の分野において使用できるものではなかった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、耐熱性および耐火性を有する接着剤、塗料、コーティング剤または充填剤等として、良好な施工性且つ低コストで使用可能な硬化性無機組成物を提供しようとするものである。
（１）本発明は、水ガラスを１００重量部に対し、フライアッシュを２５〜３５重量部と、金属酸化物と、を予め混合してなることを特徴とする、硬化性無機組成物である。
（２）本発明はまた、前記金属酸化物として酸化亜鉛を、水ガラス１００重量部に対して１５〜２５重量部を予め混合し、さらにジルコンフラワーを、水ガラス１００重量部に対して５〜１５重量部を予め混合してなることを特徴とする、上記（１）に記載の硬化性無機組成物である。
（３）本発明はまた、二酸化ケイ素を２２〜４０重量％と、酸化亜鉛を１０〜１５重量％と、酸化ナトリウムを３〜１５重量％と、酸化アルミニウムを３〜１０重量％と、酸化ジルコニウムを２〜８重量％と、水と、を含むことを特徴とする、上記（２）に記載の硬化性無機組成物である。
（４）本発明はまた、前記フライアッシュ、前記金属酸化物、および前記ジルコンフラワーは、それぞれ４５μｍ以下の粒子径のものが含まれることを特徴とする、上記（２）または（３）に記載の硬化性無機組成物である。
本発明に係る硬化性無機組成物によれば、耐熱性および耐火性を有する接着剤、塗料、コーティング剤または充填剤等として、良好な施工性且つ低コストで使用可能という優れた効果を奏し得る。
接着強度試験の結果を示した図である。
本実施形態の硬化性無機組成物に使用する水ガラスは、ケイ酸ナトリウムの濃水溶液であり、ケイ酸ナトリウムを水に溶かし、加熱することによって得られる。水ガラスの組成は、Ｎａ２Ｏ・ｎＳｉＯ２であり、水ガラス中にはＮａ２Ｏ（酸化ナトリウム）およびＳｉＯ２（二酸化ケイ素、シリカ）が混合して存在している。この水ガラスは、市販のものを使用することができるが、モル比ｎの値が小さい場合は製造した組成物が硬化しにくいものとなり、モル比ｎの値が大きい場合は製造した組成物の保管時の安定性が悪化することとなる。従って、水ガラスは、硬化性無機組成物の硬化速度と安定性のバランスの点から、例えばＪＩＳ Ｋ１４０８の１号（Ｎａ２Ｏが１７〜１９重量％、ＳｉＯ２が３５〜３８重量％）または２号（Ｎａ２Ｏが１４〜１５重量％、ＳｉＯ２が３４〜３６重量％）に規定されるものが好ましく、さらにモル比ｎの値が２〜２．３のものであればより好ましい。
フライアッシュは、例えば石炭火力発電所の微粉炭燃焼ボイラの燃焼ガスから集塵機で採取された石炭灰である。微粉炭燃焼ボイラにおいて微粉炭を燃焼させた際に生じる灰の粒子は、溶融状態で高温の燃焼ガス中を浮遊した後にボイラ出口で冷却されることにより、球形の微細粒子となる。この球形の微細粒子がフライアッシュであり、その組成は、例えばＳｉＯ２（二酸化ケイ素、シリカ）が４０．１〜７４．４重量％、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム、アルミナ）が１５．７〜３５．２重量％、Ｆｅ２Ｏ３（酸化鉄）が１．４〜１７．５重量％、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）が０．２〜７．４重量％、ＣａＯ（酸化カルシウム）が０．３〜１０．１重量％となっている。
フライアッシュは、ボイラ等の内部における高温燃焼により生じた灰であり、可燃成分がほとんど残存していないため、混和することで硬化性無機組成物の耐熱製、耐火性を向上させることができる。さらに、フライアッシュは球形の微粒子であるため、混和することで硬化性無機組成物の流動性を高めることができる。従って、本実施形態の硬化性無機組成物では、フライアッシュを使用することにより、製造時の攪拌性を向上させると共に、施工時の塗布性や充填性を向上させるようにしている。
なお、従来、コンクリートにフライアッシュを混和することにより、ＣａＯと水が反応して生成されたＣａ（ＯＨ）２（水酸化カルシウム）とＳｉＯ２またはＡｌ２Ｏ３が常温でゆっくりと反応するポゾラン反応が生じ、長期強度が向上することが知られている。また、コンクリートにフライアッシュを混和した場合、コンクリートの骨材中の準安定なＳｉＯ２とアルカリイオン・水酸基イオンが反応するアルカリシリカ反応が抑制されることが知られている。
本実施形態の硬化性無機組成物では、このようなフライアッシュの特性を利用することで硬化速度と保管時の安定性のバランスをとり、硬化速度を高めながらも保管時の安定性を維持することを可能としている。また、硬化後の無機組成物の長期的な強度および接着力を高めることを可能としている。
フライアッシュは、石炭火力発電所の副産物として大量に生産されるため、シリカやアルミナよりもはるかに安価に購入することが可能であり、市販のものを使用することができる。フライアッシュを組成物内に十分に混和させて硬化性無機組成物の均質性を向上させ、無機組成物の性能を安定して発揮させるためには、フライアッシュは粒子径が４５μｍ以下（例えば１〜４５μｍ）のものであることが望ましく、粒子径が３０μｍ以下（例えば１〜３０μｍ）であればより望ましい。
粒子径が４５μｍ以下または３０μｍ以下のフライアッシュは、例えば４５μｍふるいまたは３０μｍふるいを使用して得ることができる。なお、フライアッシュの粒子径は、全てが４５μｍ（３０μｍ）以下である必要はなく、４５μｍ（３０μｍ）以上のものが一部含まれていてもよいことは言うまでもない。
従って、コスト面および入手のしやすさ等を考慮した場合、フライアッシュは、例えばＪＩＳ Ａ６２０１のＩＩ種（ＳｉＯ２の割合が４５％以上であり、４５μｍふるい残分が４０％以下、且つブレーン法による比表面積が２５００ｃｍ２／ｇ以上）またはＩ種（ＳｉＯ２の割合が４５％以上であり、４５μｍふるい残分が１０％以下、且つブレーン法による比表面積が５０００ｃｍ２／ｇ以上）に規定されるものが好ましい。
金属酸化物は、本実施形態の硬化性無機組成物では、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を使用している。この酸化亜鉛は、微粉末状の酸化物であり、塗料の塗膜強化剤等として一般に使用されているものである。本実施形態では、酸化亜鉛を適宜に混入することにより、硬化性無機組成物の粘度を調節し、施工時の塗布性や粘着性を向上させている。酸化亜鉛は、市販のものを使用することができるが、十分に混和させて組成物内に均質に分散させるためには、粒子径が４５μｍ以下（例えば１〜４５μｍ）のものが好ましく、粒子径が３０μｍ以下（例えば１〜３０μｍ）のものであればより好ましい。
粒子径が４５μｍ（３０μｍ）以下の金属酸化物は、例えばふるいを使用して得ることができ、４５μｍ（３０μｍ）以上のものが一部含まれていてもよいことは、上述のフライアッシュと同様である。
なお、金属酸化物は、上述の酸化亜鉛に限定されるものではなく、例えばマグネシウム、カルシウム、鉄、ホウ素等、他の金属の酸化物を使用することができる。また、１種類の金属酸化物のみを使用してもよいし、複数種類の金属酸化物を使用してもよい。
本実施形態の硬化性無機組成物では、上述の成分に加え、さらにジルコンフラワーを混入している。このジルコンフラワーは、ジルコンサンドを機械的に粉砕分球生成した粉末ジルコン（ケイ酸ジルコニウム、ＺｒＳｉＯ４）である。ジルコンフラワーは溶融点が高く熱膨張が少ないため、硬化性無機組成物の耐熱性および耐火性の向上に貢献する。さらに、ジルコンフラワーは非水溶性であるため、硬化性無機組成物の耐水性の向上に貢献する。
また、ジルコンフラワーは、混入されたガラスのガラス軟化点を下げる効果を有しているため、硬化性無機組成物が加熱されてガラス化した場合の柔軟性を増し、脆化を防ぐことができる。これにより、例えば硬化性無機組成物を耐火コーティングとして使用した場合に、加熱時の塗膜の保持性を高め、容易に剥がれ落ちないようにすることができる。
ジルコンフラワーは、シリカやアルミナよりも比較的安価に購入することが可能であり、市販のものを使用することができるが、十分に混和させて組成物内に均質に分散させるためには、粒子径が４５μｍ以下（例えば１〜４５μｍ）のものが好ましく、さらに、粒子径が３０μｍ以下（例えば１〜３０μｍ）であればより好ましい。
粒子径が４５μｍ（３０μｍ）以下のジルコンフラワーは、例えばふるいを使用して得ることができ、４５μｍ（３０μｍ）以上のものが一部含まれていてもよいことは、上述のフライアッシュおよび金属酸化物と同様である。
本実施形態の硬化性無機組成物の製造は、水ガラスを１００重量部に対し、フライアッシュを２５〜３５重量部と、酸化亜鉛を１５〜２５重量部と、ジルコンフラワーを５〜１５重量部と、を容器内で攪拌して混合することによって行われる。
水ガラス１００重量部に対するフライアッシュの割合は、硬化性無機組成物の硬化速度と安定性のバランスの点から２５〜３５重量部であることが好ましい。フライアッシュの割合が２５重量部未満の場合は硬化速度が低下し、３５重量部より大きい場合は保管時の安定性が悪化して長期保存が困難となるため好ましくない。
水ガラス１００重量部に対する金属酸化物の割合は、特に限定されるものではなく、硬化性無機組成物の用途に応じた粘度となるように、適宜に割合を決定することができる。また、使用する金属酸化物の種類に応じて適宜に割合を決定することができる。
なお、金属酸化物として酸化亜鉛を使用した場合の割合は、水ガラス１００重量部に対して１５〜２５重量部であることが、良好な施工性を得られる適切な粘度となる点から好ましい。但し、酸化亜鉛の割合は、硬化性無機組成物の用途に応じて変更してもよい。例えば、硬化性無機組成物をパテや充填剤として使用する場合は、酸化亜鉛を水ガラス１００重量部に対して２５重量部以上加えるようにしてもよい。
水ガラス１００重量部に対するジルコンフラワーの割合は、特に限定されるものではないが、適切な耐火性を得ると共に適切なガラス軟化点を設定する点から、５〜１５重量部であることが好ましい。
なお、硬化性無機組成物の粘度を調節するために、少量の水（例えば１〜１５重量％程度）を加えるようにしてもよい。
混合方法は、公知の方法を用いることができる。また、混合は室温で行うことができる。さらに、各成分を十分に混合した後に密閉容器内で冷暗所に１日程度放置することにより、組成物の性状が安定し、所定の粘性と光沢が表れる。
得られた硬化性無機組成物は、成分として二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を２２〜４０重量％と、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を１０〜１５重量％と、酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）を３〜１５重量％と、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を３〜１０重量％と、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を２〜８重量％と、水と、を含んでいることが、硬化速度と安定性のバランス、および施工性の点から好ましく、二酸化ケイ素を２５〜３６重量％と、酸化亜鉛を１２〜１３重量％と、酸化ナトリウムを６〜１１重量％と、酸化アルミニウムを５〜６重量％と、酸化ジルコニウムを４〜５重量％と、水と、を含むものであればより好ましい。
次に、本発明の実施例について説明する。
本実施例では、水ガラスは市販のセメント用急結剤を、フライアッシュはＪＩＳ規格ＩＩ種のものを、酸化亜鉛はＪＩＳ規格１種のものを、ジルコンフラワーは９８％以上が粒子径４５μｍ以下のものを使用した。
水ガラス１００ｇと、フライアッシュ３０ｇと、酸化亜鉛２０ｇと、ジルコンフラワー１０ｇと、少量の水とを容器に入れ、攪拌機を用いて室温のもとで約３分間攪拌した。攪拌後、組成物を密閉容器に移し、冷暗所で約１日間保管することで、硬化性無機組成物を製造した。
得られた組成物は、灰色の粘性のある液体であり、各種材料の表面にヘラまたは刷毛で薄く塗り広げることができ、良好な施工性を有していることが確認された。また、得られた組成物は、比重が約１．８、ｐＨが約１２．２であり、成分および含有量は、ＳｉＯ２が２５〜３６重量％、ＺｎＯが１２〜１３重量％、Ｎａ２Ｏが６〜１１重量％、Ａｌ２Ｏ３が５〜６重量％、ＺｒＯ２が４〜５重量％であった。
得られた組成物を、接着剤として用いた場合の接着強度をＪＩＳ Ｋ６８４９、Ｋ６８５０、Ｋ６８５７に基づいて試験したところ、図１に示す結果となった。同図に示されるように、常温で７２時間の乾燥後に十分な接着強度が得られ、高温下でも接着強度が極端に低下することはなかった。また、１時間の焼成によって十分な耐水性を有することが確認された。
また、得られた組成物を接着剤として、木製の合板にビニル製の壁紙を貼付し、壁紙をガスバーナーで２分間連続して加熱（約８００℃）したところ、壁紙の加熱部分が炭化するのみで合板に変化はなかった。また、３分間連続してガスバーナーで加熱した場合も、壁紙および合板の加熱部分が炭化するのみで、合板が延焼することはなかった。これは、本実施例の硬化性無機組成物が加熱によりガラス化して発泡し、壁紙と合板の間に断熱性の不燃層を形成することにより、合板の延焼を防止するからである。すなわち、本実施例の硬化性無機組成物を合板や壁紙の接着剤として使用することにより、これらの建材に耐火性を持たせることができた。
以上説明したように、本発明の硬化性無機組成物は、フライアッシュを使用することによって、品質や機能を劣化させることなく従来の無機系接着剤よりも安価に製造することができる。このため、建築の分野のように、従来コスト面から無機系接着剤があまり使われていなかった分野においても、耐熱性、耐火性に優れた接着剤として使用することができる。
また、各成分を適宜の割合で混合することによって、硬化速度を高めると共に良好な施工性を備えているため、接着剤以外にも、コーティング剤、塗料、充填剤等として幅広く使用することができる。さらに、保管時の安定性も備えることができるため、冷暗所に保管することで長期保存が可能となっている。
なお、本発明の硬化性無機組成物は、５〜１０℃の温度で冷蔵保存することにより、さらなる長期保管が可能である。
また、本発明の硬化性無機組成物は、加熱された場合にガラス化して発泡し、断熱性の不燃層を形成するため、各種建材や構造材等に接着剤またはコーティング剤として塗布することにより、これらの部材の耐火性を高め、火災時の延焼を食い止めることができる。
また、本発明の硬化性無機組成物を、成形物の結合材として使用することにより、耐火性に優れる耐火ボードを製造することができる。
なお、本発明に係る硬化性無機組成物は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明に係る硬化性無機組成物は、建築の分野以外にも、耐熱性、耐火性を要求される接着剤、塗料、コーティング剤または充填剤等の分野において利用することができる。

Claims (4)

  1. 水ガラスを１００重量部に対し、フライアッシュを２５〜３５重量部と、金属酸化物と、を予め混合してなることを特徴とする、硬化性無機組成物。
  2. 前記金属酸化物として酸化亜鉛を、水ガラス１００重量部に対して１５〜２５重量部を予め混合し、
    さらにジルコンフラワーを、水ガラス１００重量部に対して５〜１５重量部を予め混合してなることを特徴とする、
    請求項１に記載の硬化性無機組成物。
  3. 二酸化ケイ素を２２〜４０重量％と、酸化亜鉛を１０〜１５重量％と、酸化ナトリウムを３〜１５重量％と、酸化アルミニウムを３〜１０重量％と、酸化ジルコニウムを２〜８重量％と、水と、を含むことを特徴とする、
    請求項２に記載の硬化性無機組成物。
  4. 前記フライアッシュ、前記金属酸化物、および前記ジルコンフラワーは、それぞれ４５μｍ以下の粒子径のものが含まれることを特徴とする、
    請求項２または３に記載の硬化性無機組成物。
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