JP2013095614A - 耐火断熱材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 可燃性の気孔付与剤や無機質結合剤を添加せずに製造することができ、しかも気孔径を小さく制御することで、かさ比重が小さく且つ優れた熱伝導率を有する耐火断熱材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 固体原料である耐火性無機繊維と無機質粉末に、泡剤としての界面活性剤、成形助剤及び水を加えて混練し、得られた混練物を成形した後、乾燥及び焼成する。得られる耐火断熱材は三次元的に絡み合った耐火性無機繊維が焼結した耐火性無機粒子で補強され且つ内部に界面活性剤により形成された微細な気泡を含む網目状構造又は格子状構造を有し、かさ比重が０.４０〜０.９０、熱伝導率が０.２０〜０.９０Ｗ／(ｍ・Ｋ)である。
【選択図】 図１
【解決手段】 固体原料である耐火性無機繊維と無機質粉末に、泡剤としての界面活性剤、成形助剤及び水を加えて混練し、得られた混練物を成形した後、乾燥及び焼成する。得られる耐火断熱材は三次元的に絡み合った耐火性無機繊維が焼結した耐火性無機粒子で補強され且つ内部に界面活性剤により形成された微細な気泡を含む網目状構造又は格子状構造を有し、かさ比重が０.４０〜０.９０、熱伝導率が０.２０〜０.９０Ｗ／(ｍ・Ｋ)である。
【選択図】 図１
Description
本発明は、主に工業炉の炉壁材などとして使用される耐火断熱材とその製造方法に関する。
従来から、工業炉の炉壁材として市販されている耐火断熱煉瓦は、例えば特許文献１に記載されているように、粘土やシャモットなどの耐火原料に、アルミナセメントなどのバインダー、可燃性の気孔付与剤及び水を添加し、そのスラリーを成形して焼成することにより、気孔付与剤を焼失させて気孔を形成すると共に無機質粒子を焼結させる方法により製造されている。
しかし、上記方法で製造された従来の耐火断熱煉瓦は、粘土やシャモットなどの無機質粒子のみからなる系であるため、乾燥・焼成時の収縮による応力で亀裂欠陥を生じやすいという問題があった。また、連続した同質の固体で構成されるため、熱伝達が一様であり、熱伝導率の低下に限界があった。更に、発泡ビーズや大鋸屑などの可燃性の気孔付与剤を焼失させて気孔を形成する必要があることから、気孔付与剤の焼失に伴い二酸化炭素が発生するなどの問題があった。
一方、セラミックファイバーを含む耐火断熱材も知られており、例えば特許文献２には、アルミナ−シリカ系セラミック繊維などの耐火繊維７０〜９０重量％、アルミナやムライトなどの粉末からなる無機質充填剤とアルミナゾルやシリカゾルなどの無機質結合剤を合せて１０〜２５重量％、メチルセルロースやカルボキシメチルセルロースなどの成形助剤０.５〜１０重量％からなり、かさ比重が０.５〜０.９の耐火繊維成形体が記載されている。
また、特許文献３には、ガス浸炭炉用の耐火断熱煉瓦として、耐熱性無機繊維３０〜７０重量％、鉄分を含まない耐火性無機質粉体０〜５０重量％、コロイダルシリカ１０〜３０重量％からなる混合物に、水を加えて成形し、１２００〜１４００℃で焼成してなる、かさ比重０.７〜０.９の無機繊維質耐火断熱煉瓦が記載されている。
上記特許文献２及び特許文献３に記載されたような耐火性無機繊維と無機質粒子を組み合わせる系では、焼結による繊維と粒子の結びつきが弱く、強度を発現し難いという問題があった。そのため、上記特許文献２及び３のように、アルミナゾルやシリカゾルなどの無機質結合剤を添加することにより、必要な強度を付与することが行われている。
上記したように、従来の耐火断熱煉瓦は、粘土やシャモットなどの無機質粒子のみの系からなる場合は、乾燥・焼成時の収縮による応力で亀裂欠陥を生じやすいこと、及び可燃性の気孔付与剤の焼失に伴い二酸化炭素が発生することなどの問題があった。また、耐火性無機繊維と無機質粒子を組み合わせた系では、強度付与のために無機質結合剤を添加する必要があった。
また、一般に耐火断熱煉瓦では内部の気孔径が小さいほど、熱伝導率が低下することが知られているが、気孔径が小さくなるほど構造壁の厚さが薄くなって強度低下や寸法変化が起きやすくなるため、従来の方法では気孔径を小さくすることに限界があった。このような事情から、従来の耐火断熱煉瓦では気孔径が比較的大きく、そのため耐火断熱煉瓦の熱伝導率の低減には限界があった。
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、乾燥・焼成時に亀裂欠陥を生じることがなく、可燃性の気孔付与剤や無機質結合剤を添加せずに製造することが可能であり、しかも気孔径を小さく制御することができ、かさ比重が小さく且つ優れた熱伝導率を有する耐火断熱材及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明が提供する耐火断熱材は、耐火性無機繊維と耐火性無機粒子とからなり、三次元的に絡み合った耐火性無機繊維が焼結した耐火性無機粒子で補強され且つ内部に界面活性剤により形成された微細な気泡を含む網目状構造又は格子状構造を有し、かさ比重が０.４０〜０.９０であり、熱伝導率（ＪＩＳ Ｒ２６１６に規定の熱線法により測定）が０.２０〜０.９０Ｗ／(ｍ・Ｋ)であることを特徴とする。
上記本発明による耐火断熱材においては、Ａｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の合計が５０〜１００質量％の組成を有し、平均気孔径が５〜１００μｍの範囲であることが好ましい。
また、本発明が提供する耐火断熱材の製造方法は、固体原料である耐火性無機繊維と無機質粉末に、泡剤としての界面活性剤と、成形助剤及び水を加えて混練し、得られた混練物を成形した後、乾燥及び焼成することを特徴とする。
上記本発明による耐火断熱材の製造方法においては、前記界面活性剤がアルキルベタイン型又はアルキルアミンオキサイド型などの両性界面活性剤であることが好ましい。また、前記固体原料の添加量は、耐火性無機繊維が５〜４０質量％及び前記無機質粉末が６０〜９５質量％であり、前記泡剤の添加量が前記固体原料の合計に対する外割りで０.１〜３.０質量％であることが好ましい。
本発明によれば、可燃性の気孔付与剤や無機質結合剤を添加せずに、界面活性剤を泡剤として用いることで微細な気孔を付与することができ、且つ焼結した耐火性無機粒子で三次元的に絡み合った耐火性無機繊維が補強された網目状構造又は格子状構造を有する耐火断熱材を提供することができる。従って、本発明の耐火断熱材は、収縮応力が緩和されて乾燥・焼成時に亀裂欠陥を生じることなく、各種の形状や大型化が可能であって、かさ比重が小さく且つ優れた熱伝導率を有している。
本発明による耐火断熱材の製造方法では、従来から使用されていた可燃性の気孔付与剤を使用する代わりに、撹拌により泡立つ界面活性剤を泡剤として添加する。即ち、固体原料である耐火性無機繊維と無機質粉末に、泡剤としての界面活性剤を添加し、更に成形助剤及び水を加えて混練する。引き続き、得られた混練物を成形した後、乾燥及び焼成することによって、耐火性無機繊維が三次元的に絡み合い且つその耐火性無機繊維が焼結した耐火性無機粒子で補強され、内部に界面活性剤により形成された微細な気泡を含む網目状構造又は格子状構造を有する耐火断熱材が得られる。
上記本発明の耐火断熱材の製造方法によれば、耐火性無機繊維同士の絡み合いにより気孔が保持されるため泡消えし難くなり、泡剤として添加した界面活性剤の泡立ちのみによって気孔を形成することができる。界面活性剤の泡立ちにより形成される気孔は微細であるため、従来に比べて熱伝導率の低下を図ることができる。しかも、泡剤として添加する界面活性剤は、従来の気孔付与剤に比べて添加量が極めて少なく、焼成時に二酸化炭素をほとんど発生させない。
また、耐火性無機繊維による網目状又は格子状の構造が形成され、その耐火性無機繊維に付着した無機質粉末の粒子が焼成時に焼結することで、繊維同士の接点を結合して固定する。その結果、耐火性無機繊維が三次元的に絡み合った網目状構造又は格子状構造が補強され、繊維同士の接点を中心として乾燥や焼成による収縮応力を緩和することができる。そのため、亀裂欠陥などが生じ難くなり、矩形のほか円筒形など各種の形状とすることができ、また従来に比べて大型の耐火断熱材の製造が可能となる。
泡剤として添加する界面活性剤としては、水溶性であって且つ撹拌により泡立つものであれば種類に制限はないが、泡径が小さく且つ乾燥硬化までの間に泡消えし難いものが好ましい。このような界面活性剤として、両性界面活性剤が好ましく、特にアルキルベタイン型やアルキルアミンオキサイド型などの両性界面活性剤が好ましい。具体的には、花王(株)製のアンヒトール（商品名）、川研ファシンケミカル(株)製のソフタゾリン（商品名）、第一工業製薬(株)製のアモーゲン（商品名）などを好適に用いることができる。
また、泡剤として添加する界面活性剤の添加量は、固体原料（耐火性無機繊維及び無機質粉末）の合計に対する外割りで、０.１〜３.０質量％の範囲が好ましく、０.５〜２.０質量％の範囲が更に好ましい。上記界面活性剤の添加量が０.１質量％未満では、気泡の形成が不十分となり、十分な熱伝導率の低下が得られない。逆に添加量が３.０質量％を超えると、泡同士が結合して粗大化するため好ましくない。
耐火性無機繊維としては、アルミナ繊維、アルミナシリカ繊維、アルミナシリカジルコニア繊維、アルミナシリカクロミア繊維、生体溶解性繊維から選ばれた少なくとも１種を好適に用いることができる。具体的には、アルミナ繊維としては（株）ＩＴＭ製のＦＭＸ（商品名）やＦＭＸ９５ＨＡ（商品名）などがあり、アルミナシリカ繊維としてはイソライト工業（株）製のイソウール１２６０（商品名）などがある。また、アルミナシリカジルコニア繊維としてはイソライト工業（株）製のイソウール１４００（商品名）など、アルミナシリカクロミア繊維としてはイソライト工業（株）製のイソウール１５００（商品名）などがあり、生体溶解性繊維としてはＵｎｉｆｒａｘ Ｃｏ．，Ｌｔｄ製のＩｓｏｆｒａｘ（商品名）などを使用することができる。また、無機質粉末としては、粘土、シャモット、アルミナ、ムライトから選ばれた少なくとも１種を好適に用いることができる。
上記した耐火性無機繊維の添加量は５〜４０質量％の範囲が好ましく、また無機質粉末の添加量は６０〜９５質量％の範囲が好ましい。耐火性無機繊維の添加量が５質量％未満では泡の保持が困難であり、逆に４０質量％を超えると耐火断熱材が低強度となるため好ましくない。また、無機質粉末の添加量が６０質量％未満では耐火断熱材の強度が発現しがたく、９５質量％を超えるとかさ比重の肥大化を伴う熱伝導率の上昇や、乾燥・焼成時の収縮増大による亀裂が発生し易くなるため好ましくない。
尚、固体原料である耐火性無機繊維と無機質粉末に、泡剤としての界面活性剤を添加して水と混練すると、得られる混練物には微細な泡が含まれるため、成形した形状の保持が難しい場合がある。そこで、好ましい成形性を保持するため、混練物に成形助剤を添加含有させることが好ましい。成形助剤としては、従来から耐火断熱材の製造に通常使用されているものでよく、その中でもカルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ポリアクリルアミドなどが好ましい。
次に、本発明による耐火断熱材の製造方法を更に具体的に説明する。まず、固体原料である耐火性無機繊維と無機質粉末を所定割合で混合し、泡剤としての界面活性剤と成形助剤及び水を加えて混練する。混練には万能撹拌機、レーディゲミキサーなど通常の撹拌機を使用できるが、界面活性剤により混練物が十分に泡立つまで撹拌することが望ましい。
この原料の混練工程において、耐火性無機繊維及び無機質粒子の種類を選定することにより、得られる耐火断熱材の耐火度（耐熱温度）を任意に設定することができる。例えば、耐火性無機繊維としてアルミナ繊維を使用すれば、あるいは無機質粒子としてアルミナを使用すれば、１５００℃程度の耐熱温度の耐火断熱材とすることができる。
また、耐火性無機繊維と無機質粒子の配合比を変えることにより、得られる耐火断熱材のかさ比重、強度、熱伝導率を調整することが可能である。例えば、耐火性無機繊維を増やすことによって、網目状構造又は格子状構造が複雑化して繊維同士の接点が増えることから、気孔径が小さくなり且つ気孔率が増大し、かさ比重が軽くなるが、構造補強材である無機質粒子が減少するため、耐火断熱材の強度が低下する。
更に、泡剤としての界面活性剤の種類を変えることによって、付与する気孔の大きさを調整することが可能である。例えば、形成する気孔径を大きくしたい場合には、アルキルベタイン型などの両性界面活性剤を使用することが望ましい。逆に、小さな気孔径を望む場合には、アルキルアミンオキサイド型などの両性界面活性剤の使用が好適である。
得られた混練物を所定形状の成形型に流し込むことにより成形し、そのまま乾燥する。乾燥方法については、特に制限されないが、乾燥時間を短縮するために送風乾燥や加熱乾燥することが好ましい。成形体を十分乾燥させた後、成形型から脱型して焼成する。焼成は大気中で行うことができ、温度は１０００〜１５５０℃の範囲が好ましい。焼成温度が１０００℃未満では焼結不十分による耐火度の低下を招き、逆に１５５０℃を超えると繊維の結晶化による強度低下が起こるため好ましくない。
このようにして製造される本発明の耐火断熱材は、耐火性無機繊維と耐火性無機粒子とからなり、三次元的に絡み合った耐火性無機繊維が焼結した耐火性無機粒子で補強され且つ内部に界面活性剤により形成された微細な気泡を含む網目状構造又は格子状構造を有している。耐火断熱材の組成としては、Ａｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の合計が５０〜１００質量％の範囲が好ましく、平均気孔径は５〜１００μｍの範囲であることが好ましい。
また、本発明の耐火断熱材では、微細な気孔を含む網目状構造又は格子状構造により、熱伝達の経路が複雑化すると共に、気孔内には空気が保持され且つ気孔径も小さいため、かさ比重が小さく、優れた熱伝導率を有する耐火断熱材を得ることができる。具体的には、本発明の耐火断熱材においては、かさ比重を０.４０〜０.９０の範囲とし、熱伝導率（ＪＩＳ Ｒ２６１６に規定の熱線法により測定）は０.２０〜０.９０Ｗ／(ｍ・Ｋ)の範囲とすることができる。
［実施例１］
アルミナシリカジルコニア繊維（イソライト工業(株)製、商品名イソウール１４００）３０質量％、粘土３０質量％及びシャモット４０質量％を混合し、この混合物１００質量％に対しカルボキシメチルセルロース０.４質量％と、泡剤として界面活性剤（花王(株)製、商品名アンヒトール２０ＡＢ）１.０質量％とを加え、更に固形分１００ｋｇあたり９０リットルの水を加えて湿式混練した。得られた混練物を成形型に流し込み、常温にて半日間送風乾燥した後、脱型した。この成形体を８０℃で乾燥した後、１３５０℃で焼成することにより耐火断熱材を得た。
アルミナシリカジルコニア繊維（イソライト工業(株)製、商品名イソウール１４００）３０質量％、粘土３０質量％及びシャモット４０質量％を混合し、この混合物１００質量％に対しカルボキシメチルセルロース０.４質量％と、泡剤として界面活性剤（花王(株)製、商品名アンヒトール２０ＡＢ）１.０質量％とを加え、更に固形分１００ｋｇあたり９０リットルの水を加えて湿式混練した。得られた混練物を成形型に流し込み、常温にて半日間送風乾燥した後、脱型した。この成形体を８０℃で乾燥した後、１３５０℃で焼成することにより耐火断熱材を得た。
得られた耐火断熱材の顕微鏡写真を図1に示した。この耐火断熱材は、かさ比重（ＪＩＳ Ｒ２６１４により測定）が０.５５であり、気孔径（ＪＩＳ Ｒ１６５５により測定）は平均１０μｍであって、熱伝導率（ＪＩＳ Ｒ２６１６に規定の熱線法により測定）は１０００℃で０.３７Ｗ／(ｍ・Ｋ)であった。また、この耐火断熱材は、圧縮強さ（ＪＩＳ Ｒ２６１５により測定）が１.８ＭＰａ、再加熱収縮率（ＪＩＳ Ｒ２６１３により測定；１３００℃で８時間保持）が０.３％あり、１３００℃級耐火断熱煉瓦として使用可能であった。
尚、従来の粘土質耐火断熱煉瓦(イソライト(株)製、商品名ＬＢＫ−２３)は、かさ比重が０.５５のものは１０００℃での熱伝導率が０.４６Ｗ／(ｍ・Ｋ)であり、本実施例における耐火断熱材は上記従来の粘土質耐火断熱煉瓦よりも熱伝導率が約２０％低いことが分かった。
［実施例２］
アルミナ繊維（(株)ＩＴＭ製、商品名ＦＭＸ９５ＨＡ）２０質量％、粘土１０質量％及びアルミナ粉末７０質量％を混合し、この混合物１００質量％に対しカルボキシメチルセルロース０.６質量％と、泡剤として界面活性剤（川研ファインケミカル(株)製、商品名ソフタゾリンＬＳＢ）２.０質量％とを加え、更に固形分１００ｋｇあたり７０リットルの水を加えて湿式混練した。得られた混練物を成形型に流し込み、常温にて半日間送風乾燥した後、脱型した。この成形体を８０℃で乾燥した後、１５００℃で焼成することにより耐火断熱材を得た。
アルミナ繊維（(株)ＩＴＭ製、商品名ＦＭＸ９５ＨＡ）２０質量％、粘土１０質量％及びアルミナ粉末７０質量％を混合し、この混合物１００質量％に対しカルボキシメチルセルロース０.６質量％と、泡剤として界面活性剤（川研ファインケミカル(株)製、商品名ソフタゾリンＬＳＢ）２.０質量％とを加え、更に固形分１００ｋｇあたり７０リットルの水を加えて湿式混練した。得られた混練物を成形型に流し込み、常温にて半日間送風乾燥した後、脱型した。この成形体を８０℃で乾燥した後、１５００℃で焼成することにより耐火断熱材を得た。
得られた耐火断熱材は、かさ比重（ＪＩＳ Ｒ２６１４）が０.７５であり、気孔径（ＪＩＳ Ｒ１６５５）は平均２０μｍであった。また、この耐火断熱材の熱伝導率（ＪＩＳ Ｒ２６１６に規定の熱線法）は、１０００℃で０.３８Ｗ／(ｍ・Ｋ)であった。
尚、従来の粘土質耐火断熱煉瓦(イソライト工業(株)製、商品名ＬＢＫ−２８)では、かさ比重が０.７５のものは１０００℃での熱伝導率が０.４３Ｗ／(ｍ・Ｋ)であることから、本実施例における耐火断熱材は上記従来の粘土質耐火断熱煉瓦よりも熱伝導率が約１２％低いことが分かった。
［実施例３］
生体溶解性繊維（Ｕｎｉｆｒａｘ Ｃｏ．，Ｌｔｄ製、商品名Ｉｓｏｆｒａｘ）１０質量％と粘土９０質量％を混合し、この混合物１００質量％に対しカルボキシメチルセルロース０.６質量％と、泡剤として界面活性剤（第一工業製薬(株)製、商品名アモーゲンＳ）２.０質量％とを加え、更に固形分１００ｋｇあたり５５リットルの水を加えて湿式混練した。得られた混練物を成形型に流し込み、常温にて半日間送風乾燥した後、脱型した。この成形体を８０℃で乾燥した後、１２００℃で焼成することにより耐火断熱材を得た。
生体溶解性繊維（Ｕｎｉｆｒａｘ Ｃｏ．，Ｌｔｄ製、商品名Ｉｓｏｆｒａｘ）１０質量％と粘土９０質量％を混合し、この混合物１００質量％に対しカルボキシメチルセルロース０.６質量％と、泡剤として界面活性剤（第一工業製薬(株)製、商品名アモーゲンＳ）２.０質量％とを加え、更に固形分１００ｋｇあたり５５リットルの水を加えて湿式混練した。得られた混練物を成形型に流し込み、常温にて半日間送風乾燥した後、脱型した。この成形体を８０℃で乾燥した後、１２００℃で焼成することにより耐火断熱材を得た。
得られた耐火断熱材は、かさ比重（ＪＩＳ Ｒ２６１４）が０.５５であり、気孔径（ＪＩＳ Ｒ１６５５）は平均１０μｍであった。また、この耐火断熱材の熱伝導率（ＪＩＳ Ｒ２６１６に規定の熱線法）は、１０００℃で０.３５Ｗ／(ｍ・Ｋ)であった。
尚、従来の粘土質耐火断熱煉瓦(イソライト工業(株)製、商品名ＬＢＫ−２３)では、かさ比重が０.５５のものは１０００℃での熱伝導率が０.４６Ｗ／(ｍ・Ｋ)であることから、本実施例における耐火断熱材は上記従来の粘土質耐火断熱煉瓦よりも熱伝導率が約２４％低いことが分かった。
Claims (6)
- 耐火性無機繊維と耐火性無機粒子とからなり、三次元的に絡み合った耐火性無機繊維が焼結した耐火性無機粒子で補強され且つ内部に界面活性剤により形成された微細な気泡を含む網目状構造又は格子状構造を有し、かさ比重が０.４０〜０.９０であって、熱伝導率（ＪＩＳ Ｒ２６１６に規定の熱線法により測定）が０.２０〜０.９０Ｗ／(ｍ・Ｋ)であることを特徴とする耐火断熱材。
- Ａｌ２Ｏ３とＳｉＯ２の合計が５０〜１００質量％の組成を有し、平均気孔径が５〜１００μｍの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の耐火断熱材。
- 固体原料である耐火性無機繊維と無機質粉末に、泡剤としての界面活性剤と、成形助剤及び水を加えて混練し、得られた混練物を成形した後、乾燥及び焼成することを特徴とする耐火断熱材の製造方法。
- 前記界面活性剤がアルキルベタイン型又はアルキルアミンオキサイド型の両性界面活性剤であることを特徴とする、請求項３に記載の耐火断熱材の製造方法。
- 前記固体原料の添加量は耐火性無機繊維が５〜４０質量％及び無機質粉末が６０〜９５質量％であり、前記泡剤としての界面活性剤の添加量が前記固体原料の合計に対する外割りで０.１〜３.０質量％であることを特徴とする、請求項３又は４に記載の耐火断熱材の製造方法。
- 前記耐火性無機繊維がアルミナ繊維、アルミナシリカ繊維、アルミナシリカジルコニア繊維、アルミナシリカクロミア繊維、生体溶解性繊維から選ばれた少なくとも１種であり、前記無機質粉末が粘土、シャモット及びアルミナから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする、請求項３〜５のいずれかに記載の耐火断熱材の製造方法。
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