JP2015040172A - 高物性発泡セラミックスの製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】実際のニーズに耐えられるような高物性の発泡セラミックスをより均質に量産・提供する【解決手段】二酸化珪素の含有率が３０〜５５重量％である玄武岩質火成岩粉末を用いる場合、これを均一混合された発泡材粉末と共に加熱し、ガラス転移点以上融点以下における水あめ状態になる温度を選んで発泡させる。また二酸化珪素の含有率が５５〜７０重量％である麦飯石粉末を用いる場合は、これに５〜２０重量％のガラスフリットもしくは同等のナトリウム成分を含む原料を混合し、これらを均一混合された発泡剤粉末と共に加熱して、ガラス転移点以上融点以下における水あめ状態で発泡させる。加熱の手段を強力な赤外線照射とし、加熱発泡させる以前の当該混合材料を予め上面が凹面を呈する略板状になるように形成しておき、或いは加熱発泡させる以前の当該混合材料を予め側面が上広がりテーパ状を呈する板状になるように形成し、しかる後に加熱発泡させる。また加熱発泡させる以前の当該混合材料をそれ以上に耐熱性のある容器体に収めて加熱発泡させ、冷却後に脱型せず容器体ごと製品化し、或いは加熱発泡させる以前の当該混合材料中にそれ以上に耐熱性のある細短繊維を混合して行う。

Description

この発明は、強度（靭性）などの物性に優れた発泡セラミックスの製造法に関する。

ガラス粉末を発泡剤と共に焼成して得られる発泡体は泡ガラスとして知られているが、独立気泡のものは、軽量で防水性のある不燃性断熱材として一部特殊な箇所に使われている。また原料に火山灰等を用いて発泡焼成し発泡セラミックスを作る試みも従来より各種なされてきた。

ところが、上記のような泡ガラスないし発泡セラミックスの試作にはある程度成功しても、これを実際のニーズに合致するような物性を備えたものにすることは極めて困難とされており、ごく一部の断熱材や特殊タイル以外、これらの実施・普及はほとんど実現していないのが現状である。

その実用化のネックになっているのが、先ず強度、とりわけその靭性の低さである。すなわち焼物類の共通の弱点として脆さないし割れ易さがあるが、これは発泡させることによって著しくその度合いを増し、従って建材等の用途には甚だ向かないものになりがちである。

またその焼き物としての製造上の難しさは、発泡させることによって著しくその度合いを増し、これが均質な製品を製造することを甚だ困難にしている。

本発明はかかる難点を克服して、実際のニーズに耐えられるような高品質、高物性の発泡セラミックスをより均質に量産・提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明者は数多くの試作・検証を重ねてきた結果、ようやく（発泡セラミックスとしては画期的な）釘も打てるような高強度（靭性）と気泡の均一性などの美観を兼ね備えた発泡セラミックスを、安定的かつ低コストに製造する方法を見出すに至った。

すなわち、本発明において使われる主材料は、自然界に大量に存在する玄武岩質もしくはこれに類する火成岩や火山噴出物であるが、その共通の特徴として多量の鉄分を含み、シリカ（二酸化珪素）の含有率が３０〜７０重量％の範囲内にあるということがあり、また同含有率が３０〜５５重量％のときと５５〜７０重量％のときでは製造条件を変えるということが基本にある。これによって、再現性良く均質かつ高物性の発泡セラミックスを大量に製造することが可能となった。

さらに気泡を均一化させるために、発泡材を微粒子化してできるだけ均一に混合すべきことは従来から分かっていたことであるが、にもかかわらずうまく行かなかった根本原因を本発明は解明したのであり、特に玄武岩質の材料を使う場合においての最重要な製造条件として、発泡させるべき被加熱材料がガラス転移点以上かつ融点以下の温度において水あめ状の粘性物質化した状態を保ちつつ発泡させるという手段をとることを本発明は特徴としている。

ここでいう「水あめ状」とは、端より徐々に落下できかつその際に液滴でなく紐状に伸びるような粘性を示す状態を意味する。本発明に用いられる被加熱材料には必ずそれに該当する温度が存在し、それを安定的に設定することができる。

ちなみに本発明に用いられる玄武岩質の火成岩は、火山として噴出すると真っ先に流出して裾野の方に平坦状に固まるという特徴がある。これは鉄分を始め、アルミニウム分、カルシウム分など、非シリカ分の比率が高く、そのために温度が融点に達すると急速に粘性が低下して、流動性の高い液体になるからであり、その加工性の悪さがこの材料をセラミックスやガラスのような製品化に用いることの妨げになっていたため、現状において玄武岩等は未だにほとんど未利用資源として放置されており、特に発泡セラミックス化は甚だ困難なものであった。

一方で本発明者は上記材料のもつ豊富な鉄分等が一般のセラミックス特有の脆さを改善するものであることを見出していたが、これを発泡セラミックス化することの困難さを克服するものとして、以下の手段に到達した。

先ず二酸化珪素の含有率が３０〜５５重量％である玄武岩質火成岩粉末を用いる場合、これを均一混合された発泡材粉末と共に加熱し、ガラス転移点以上融点以下における水あめ状態になる温度を選んで発泡させるものとする。その水あめ状態が必須である理由は、温度が１１００℃台という分子運動が甚大な高温状態では、発泡セラミックスに用途上要求される比重１±０．３程度、すなわち発泡倍率２〜４倍程度の泡を均一に保つために、かなり低温の溶融樹脂やビール等における泡生成の場合とは事情が異なり、低粘性で生成した泡が互いに分離したり融合したりしないようにするためである。

次に二酸化珪素の含有率が５５〜７０重量％である麦飯石粉末を用いる場合は、これに５〜２０重量％のガラスフリットもしくは同等のナトリウム成分を含む原料を混合し、これらを均一混合された発泡剤粉末と共に加熱して、ガラス転移点以上融点以下における水あめ状態で発泡させるようにする。すなわちこの場合はシリカの含有率がより多くなるため、そのままで上記のような通常の焼成技術による比較的低温の加熱をしても、ガラス転移点にはなるものの所望する水あめ状態には甚だなりにくい。従って適量のガラスフリットもしくはそれに相当するナトリウム成分（炭酸ナトリウム等）を加えてこれを解決する。

上記のような麦飯石は、約４０００万年〜７０００万年前の地球の火山活動が活発だった時代に噴き出した溶岩が再び地下に沈み、冷え固まってできた火成岩のことであって、シリカの含有率はほぼ上記のような範囲に収まり、他にアルミナ約１６Ｗ％、酸化第二鉄約６Ｗ％、酸化カルシウム約６％などを含んでいる。そのうち薬石としてよく知られるものはシリカの比率がより高く、コストも高くて本発明の原料としては好ましくないものもある。

この麦飯石にガラスフリットを適量混合すると、通常の１１００℃台の焼成温度でも容易に水あめ状態となりその状態で安定するから、甚だ均一で奇麗な気泡分布を呈する発泡セラミックスとなり、その強度、靭性などの物性も、在来の泡ガラスや他の発泡セラミックスよりはるかに良好なものになることが判明した。

なお一般にガラスフリットとはソーダ石灰ガラスを粉砕したものを言うから、その組成の約１２〜１６Ｗ％を占めるナトリウム分と同等の、例えば炭酸ナトリウム等を加えても良い。この際、耐水性を付与するための石灰分は、既に麦飯石中に十分含まれているから、必ずしも必要ではない。

一方、同じく玄武岩質の火成岩である東京都三宅島の火山噴出物の場合は、シリカの含有率が約３５％前後と甚だ低く、ガラス転移点に達した後に容易に水あめ状態になるので、ガラスフリット等を加えなくても通常の１１００℃台の焼成温度で十分に良好な発泡セラミックスが安定的に得られる。

なお上記いずれの場合も、材料中に多量の鉄分を含むがゆえに黒色ないし黒褐色を呈しているが、同時に赤外線もよく吸収するので、思いの外、強力な赤外線ヒーターによる電気炉でも効率的かつ低コストで発泡セラミックスを製造することが可能であることも判明した。

次に良質な当該発泡セラミックスを効率良く製造するにあたり、加熱発泡させる以前の当該混合材料を、予め上面が凹面を呈する略板状になるように形成しておき、しかる後に加熱発泡させるようにする。そうすることにより発泡とともに中央部が盛り上がって山状になりがちなのを相殺して、略平坦な上面を呈する板状の発泡セラミックスにすることができる。

また加熱発泡させる以前の当該混合材料を、予め側面が上広がりテーパ状を呈する板状になるように形成しておき、しかる後に加熱発泡させるようにする。この際、材料を収める型枠の側枠部内壁においてそのように上広がり状態にしておく訳である。このようにして加熱発泡させた後、冷却するにつれて収縮するが、その収縮は型枠に接していない上面において抵抗なく進行し、それにつれて側面も上方から引き離されるように収縮していくから上広がりのテーパも消失し、その部分の脱型も同時に行われることになる。

なお、耐熱セラミックス、耐熱コンクリート、スチール等で予め浅箱その他容器状の型枠を作っておき、その中に当該発泡セラミックス用材料を収めて加熱発泡させた後、脱型せずに、不要な部分を削り取るなどして、型枠ごと製品にしてもよい。この場合、型枠コストはある程度脱型コストで相殺され、また時には型枠が補強材にもなり得る。

次に、加熱発泡させる以前の当該混合材料中に、それ以上に耐熱性のある細短繊維、例えば長さ数ｍｍ、太さ径数十μ程度のカーボン、スチール、玄武岩等の鉱物繊維を混合して焼成すると、補強繊維入りの発泡セラミックスとなる。試作品によれば、特に曲げ強度が著しく増大し、しかも軽量化できるので、これまでの重くて割れ易い焼き物のイメージを一新するものとなった。

その際、炭素繊維やスチールを用いる場合は、それが燃焼ないし酸化することのないように無酸素的環境において焼成する必要がある。

また玄武岩質火成岩より成る細短繊維を混合する場合は、そのガラス転移点及び融点や水あめ状になる温度が当該混合材料と同じということになるが、その混合材料を構成する粒子が細短繊維より十分に細かければ、粉末より成る混合材料のみ発泡し、細短繊維は変形こそすれそれ自体発泡することはない。従って本発明においてはこのような場合でも細短繊維は混合材料より耐熱性があるとみなす。この玄武岩質火成岩の細短繊維入り当該発泡セラミックスは繊維が一体化していて強度があり、甚だ高物性の発泡体にすることができる。

本発明によれば、既に随所で述べてきたように、発泡セラミックスの大きな難点であった脆さ等を克服して建材に必要な靭性等の物性を著しく向上させることができ、かつそれを均一高品質なものとして大量に製造することができるから、その用途範囲が著しく拡大する。

とりわけその軽量性、断熱性、不燃性、耐久性、加工及び施工容易性、防水ないし遮水性などの特長が生かされて、建築・土木方面には多大な用途が発生するばかりでなく、比重を１前後に任意にでき、かつコンクリートやライニング鋼板などと異なり長期にわたって腐食変化したり水中生物に悪影響を及ぼすことがないと同時に、たとえ損傷しても浮力を失うことがないから、海洋における様々なエネルギー利用や海洋牧場などの部材として広範に用いることができるようになるという効果がある。

粒径５０μ以下に粉砕した黒褐色の三宅島火山噴出物にその約０．５Ｗ％の粉末状カーボランダムと適量の成型用バインダーを混合して、縦横約３０ｃｍ、厚さ約３ｃｍの凹レンズ状に仮プレス成型し、これをアルミナ粉末付き耐熱性棚板に載置して四辺を上広がりテーパの側板で囲む。これを予め当該材料で水あめ状になる温度を測定したデータを組み込んだセンサーを用いて温度制御しつつローラーハウスキルン方式の電気炉で加熱発泡させ、発泡倍率を加熱時間でコントロールする。冷却を緩やかに行って微細クラックの発生等を防止し、脱型（場合によりこれを省略）する。用途に応じこの厚手の発泡体をそのまま、或いは薄板にスライスしたり四辺を切り揃えて製品化する。

成分組成が二酸化珪素約６３％、酸化第二鉄約６％、アルミナ約１６％、酸化カルシウム約６％の麦飯石に粉末状ガラスフリット約１０％及び上記同様の発泡材とバインダーを均一混合して、同様に加熱発泡させる。この場合も若干色調は異なるものの釘が打てるほどの強靭性と半永久的な遮水性、断熱性、防音性、遮光性、不燃性等を有し、生物や環境に全く無害なため、屋上緑化用苗床や海洋牧場用部材等にも甚だ好適であることが判明した。

上記各の場合において、長さ約５ｍｍにカットした炭素繊維、もしくは玄武岩繊維を約５Ｗ％混合し、同様に加熱発泡させる。この場合は明らかに曲げ強度の増大が認められ、それは当該繊維の混入量を増やすことにより一層顕著となるが、増やし過ぎると逆に品質低下や製造上の効率低下を招くので適量以下とする。

本発明のような物性や品質の向上を伴う発泡セラミックスは甚大なニーズがあり量産も可能であるから、産業上の利用可能性は十分にある。

Claims (9)

1. 二酸化珪素の含有率が３０〜５５重量％である玄武岩質火成岩粉末を均一混合された発泡材粉末と共に加熱して、ガラス転移点以上融点以下における水あめ状態で発泡させることを特徴とする高物性発泡セラミックスの製造法。
2. 二酸化珪素の含有率が５５〜７０重量％である麦飯石粉末に５〜２０重量％のガラスフリットもしくは同等のナトリウム成分を含む原料を混合し、これを均一混合された発泡剤粉末と共に加熱して、ガラス転移点以上融点以下における水あめ状態で発泡させることを特徴とする高物性発泡セラミックスの製造法。
3. 玄武岩質火成岩が、東京都三宅島の火山噴出物である請求項１記載の高物性発泡セラミックスの製造法。
4. 加熱の手段が、強力な赤外線照射である請求項１〜３記載の高物性発泡セラミックスの製造法。
5. 加熱発泡させる以前の当該混合材料を予め上面が凹面を呈する略板状になるように形成しておき、しかる後に加熱発泡させることを特徴とする請求項１〜３記載の高物性発泡セラミックスの製造法。
6. 加熱発泡させる以前の当該混合材料を予め側面が上広がりテーパ状を呈する板状になるように形成しておき、しかる後に加熱発泡させることを特徴とする請求項１〜３記載の高物性発泡セラミックスの製造法。
7. 加熱発泡させる以前の当該混合材料をそれ以上に耐熱性のある容器体に収めて加熱発泡させ、冷却後に脱型せず容器体ごと製品化することを特徴とする請求項１〜３記載の高物性発泡セラミックスの製造法。
8. 加熱発泡させる以前の当該混合材料中にそれ以上に耐熱性のある細短繊維を混合して行う請求項１〜３記載の高物性発泡セラミックスの製造法。
9. 細短繊維が、玄武岩質火成岩より成るものである請求項９記載の高物性発泡セラミックスの製造法。