JP2015086918A

JP2015086918A - 断熱材およびその製造方法

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Publication number: JP2015086918A
Application number: JP2013224688A
Authority: JP
Inventors: 貴理博中野; Kirihiro Nakano; 鶴田　仁志; Hitoshi Tsuruta; 仁志鶴田; 紀久雄有本; Kikuo Arimoto; 向尾　良樹; Yoshiki Kobi; 良樹向尾
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2015-05-07

Abstract

【課題】本発明は、赤外線の反射性を有した高温で断熱性能が低下しない、すなわち、熱伝導率が上昇しない断熱材およびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】上記の課題は、繊維の長手方向に垂直な繊維断面の扁平度が４以上の扁平繊維からなり、該扁平繊維の繊維断面における長軸と、断熱材の厚み方向に垂直な面に対する配向角が３０度未満となる繊維を８０％以上有し、見掛けの密度が０．１ｇ／ｃｍ３以下であり、空隙率が９０％以上であり、熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ未満であることを特徴とする断熱材により解決される。【選択図】図４

Description

本発明は、２次元配向した扁平な繊維を用いて赤外線を反射することにより断熱効果を発揮する断熱材およびその製造方法に関する。

近年省エネルギーの観点から、保冷容器のように低温な構造体や、乾燥炉および焼成炉のように高温となる構造体からの熱拡散を抑制する断熱に対する要求が高くなっている。これに対して、従来は、樹脂およびセラミクス等の繊維からなる綿状シート、フェルト状シート、あるいは発泡成形されたブロック状材料などが用いられ、低温または高温の物体と周辺雰囲気との間に配置していた。
一般的にこのような断熱材料は空隙率が小さいほど、また断熱材料の温度が高くなるほど、断熱材を構成する樹脂またはセラミクス中を伝わる熱量が増加し、断熱性能が低下することが知られている。加えて、温度が高くなるほど、樹脂またはセラミクスから発生する輻射熱、つまり赤外線の量が増加し、断熱材を構成する樹脂またはセラミクスの表面で反射と吸収および輻射を繰り返して伝熱し、断熱性能が低下する。

たとえば、図１の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真に示されるような、高分子発泡体や多孔質セラミクスなどに代表される多孔体が断熱材として用いられてきた。しかしながら、従来のような多孔体においては、３００℃以上の高温の環境では輻射の影響が大きくなり、図２に示すように輻射による赤外線がランダムな方向に放射されるため、有効に反射することができず充分な断熱性能が得られなかった。

一方、特許文献１においては、扁平な弾性繊維を用いた布帛が提案され、断熱材として有効であることが示されている。しかしながら、この方法においても扁平繊維の配向については検討がなく、断熱性能は十分ではなかった。

また、特許文献２においては、セルロース繊維芯材がガスバリア体で真空封入された断熱材が提案されている。しかしながら、この方法では、セルロース繊維の２次元配向度が制御されていないため、伝熱パスが短くなり伝導伝熱が増加して、断熱性能が低下してしまう。

特開２００４−１１５９９３公報特開２００８−２３２３７２公報

そこで本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、保温したい構造体と周辺雰囲気に対して水平方向に２次元配向し、かつ、赤外線の反射性を有した断熱性能が低下しない、すなわち、熱伝導率が上昇しない断熱材およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、繊維の長手方向に垂直な繊維断面の扁平度が４以上の扁平繊維からなり、該扁平繊維の繊維断面における長軸の断熱材の厚み方向に垂直な面に対する配向角が３０度未満となる繊維を８０％以上有し、見掛けの密度が０．１ｇ／ｃｍ^３以下であり、空隙率が９０％以上であり、熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ未満であることを特徴とする断熱材である。また、該断熱材において前記扁平繊維の長手方向が、断熱材の厚み方向に垂直な面に２次元配向し、その配向角が１５度未満であるのが好ましい。

前記扁平繊維は合成繊維であるのが好ましく、さらに厚さ１μｍ以下のセラミクスで被覆されてなるのがより好ましい。

上記課題を解決する他の本発明は、中空セラミクス繊維の長手方向に垂直な繊維断面の扁平度が４以上の扁平繊維から成り、該扁平繊維の繊維断面における長軸と、断熱材の厚み方向に垂直な面に対する配向角が６０度未満となる繊維を５０％以上有し、見掛けの密度が０．１ｇ／ｃｍ^３以下であり、空隙率が９０％以上であり、熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ未満であることを特徴とする断熱材である。また、該断熱材において、扁平繊維の長手方向が、断熱材の厚み方向に垂直な面に２次元配向し、その配向角が４５度未満となる繊維を５０％以上有するのが好ましい。

また、本発明は、繊維の長手方向に垂直な繊維断面の扁平度が４以上の扁平な合成繊維を準備する工程、前記扁平な合成繊維により、該扁平な合成繊維の繊維断面における長軸と、断熱材の厚み方向に垂直な面に対する配向角が６０度未満となる繊維を５０％以上となる布帛を形成する工程、前記扁平な合成繊維を厚さ１μｍ未満のセラミクスで被覆し、前記セラミクスで被覆された扁平な合成繊維よりなる布帛より樹脂成分を除去して扁平な中空セラミクス繊維とする工程、を含むことを特徴とする断熱材の製造方法である。

本発明によれば、赤外線の反射性を有した高温で断熱性能が低下しない、すなわち、熱伝導率が上昇しない断熱材およびその製造方法を得ることができる。本発明で得られた断熱材は、ボード状またはロール状として、住居や家電等の内装材、工業用の乾燥炉や高温炉の構造体などに好適に用いることができる。

従来技術の多孔体の例を示すＳＥＭ写真である。従来技術における輻射による赤外線反射の模式図である。本発明における輻射による赤外線反射の模式図である。本発明の実施例１にかかる断熱材の表面ＳＥＭ写真である。本発明の実施例１にかかる断熱材の断面ＳＥＭ写真である。本発明の比較例１にかかる断熱材の表面ＳＥＭ写真である。本発明の比較例１にかかる断熱材の断面ＳＥＭ写真である。本発明の実施例２にかかる断熱材の表面ＳＥＭ写真である。本発明の実施例２にかかる断熱材の断面ＳＥＭ写真である。本発明の比較例２にかかる断熱材の表面ＳＥＭ写真である。本発明の比較例２にかかる断熱材の断面ＳＥＭ写真である。

本発明の断熱材は、繊維の長手方向に垂直な繊維断面の扁平度が４以上の扁平繊維からなり、該扁平繊維の繊維断面における長軸の断熱材の厚み方向に垂直な面に対する配向角が３０度未満となる繊維を８０％以上有し、見掛けの密度が０．１ｇ／ｃｍ^３以下であり、空隙率が９０％以上であり、熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ未満であることを特徴としている。

本発明における繊維は扁平度が４以上であれば種々のものが利用することができ、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアリレート繊維、セルロース繊維、アクリル繊維などの合成繊維であるのが好ましい。繊維の扁平度は、繊維の断面における長径の短径に対する比で表される。

本発明の断熱材においては、扁平繊維の繊維断面における長軸の断熱材の厚み方向に垂直な面に対する配向角が３０度未満となる繊維が８０％以上存在することが必要である。長軸の配向角は、断熱材断面を顕微鏡観察し、繊維断面が確認できた繊維について長軸の厚み方向に垂直な面に対する角度を測定して求めることができる。長軸の配向角が３０度未満となる繊維が８０％を下回るときには、赤外線を十分に反射することができず、断熱性能が劣るものとなる。
また、前記扁平繊維は長手方向が、断熱材の厚み方向に垂直な面に沿って２次元配向しており、その配向角は１５度未満であるのが好ましい。
上記のような構成とすることで図３に示すように効率的に赤外線を反射することができ、性能の高い断熱材が得られる。

本発明の断熱材は、前記扁平繊維を織布、不織布または紙として構成されているのが好ましい。織布、不織布または紙として構成する方法に限定はなく、公知の種々の方法が適用可能である。

本発明の断熱材においては見掛けの密度が０．１ｇ／ｃｍ^３以下であり、空隙率が９０％以上であり、熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ未満である。
空隙率が９０％を下回ると、扁平繊維同士の接触が増加することから赤外線を反射する有効面積が減少する、接触による伝熱が大きくなる、などの理由によって断熱性が低下する場合がある。
見掛けの密度は空隙率にしたがって変化すると共に、扁平繊維の比重に従って変化する。一般に材料の比重は軽いものが伝熱性は低い傾向にあり、断熱材として有利である。見掛けの密度が０．１ｇ／ｃｍ^３を超えると、伝熱しやすくなり断熱性能が十分得られなくなる。本発明において断熱材としての性能は、熱伝導率で表現され、０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ未満のものである。

さらに前記の扁平繊維は、厚さ１μｍ以下のセラミクスで被覆されているのが好ましい。前記セラミクスとしては、酸化チタン、窒化チタン、酸化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、水酸化アルミニウム、リン酸アルミニウム、水酸化カルシウム、リン酸カルシウムなどが挙げられ、酸化チタンが好適に用いられる。
セラミクスの厚さは１μｍ以下であるのが好ましく。厚さが１μｍより大きくなるとセラミクスによる伝熱が大きくなり、断熱性能が低下することがある。

本発明の他の態様においては、中空セラミクス繊維の長手方向に垂直な繊維断面の扁平度が４以上の扁平繊維から成り、該扁平繊維の繊維断面における長軸と、断熱材の厚み方向に垂直な面に対する配向角が６０度未満となる繊維を５０％以上有し、見掛けの密度が０．１ｇ／ｃｍ^３以下であり、空隙率が９０％以上であり、熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ未満であることを特徴としている。

本発明における繊維は扁平度が４以上の中空セラミクス繊維であれば種々のものが利用することができる。セラミクスとしては酸化チタン、窒化チタン、酸化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、リン酸カルシウムであるのが好ましい。

本発明の断熱材においては、中空セラミクスの扁平繊維の繊維断面における長軸の断熱材の厚み方向に垂直な面に対する配向角が６０度未満となる繊維が５０％以上存在することが必要である。長軸の配向角は、断熱材断面を顕微鏡観察し、中空セラミクスの繊維断面が確認できた繊維について長軸の厚み方向に垂直な面に対する角度を測定して求めることができる。長軸の配向角が６０度未満となる繊維が５０％を下回るときには、赤外線を十分に反射することができず、断熱性能が劣るものとなる。
また、前記中空セラミクスの扁平繊維は長手方向が、断熱材の厚み方向に垂直な面に沿って２次元配向しており、その配向角は４５度未満となるものを５０％以上含むのが好ましい。

断熱材が中空セラミクスの扁平繊維である場合は、繊維断面の長軸や繊維の長手方向の配向角が合成繊維からなる場合に比べて大きいことが許容される。これは、セラミクス繊維のほうが赤外線反射性能に優れることや、中空であるために熱伝導率を低くしやすいためである。

上記の中空セラミクスの扁平繊維よりなる断熱材は、下記の工程を含むことで製造することができる。
１）繊維の長手方向に垂直な繊維断面の扁平度が４以上の扁平な合成繊維を準備する工程
２）前記扁平な合成繊維により、該扁平な合成繊維の繊維断面における長軸と、断熱材の厚み方向に垂直な面に対する配向角が６０度未満となる繊維を５０％以上となる布帛を形成する工程
３）前記扁平な合成繊維を厚さ１μｍ以下のセラミクスで被覆し、前記セラミクスで被覆された扁平な合成繊維よりなる布帛より樹脂成分を除去して扁平な中空セラミクス繊維とする工程

工程１）において、扁平度が４以上の扁平な合成繊維は、湿式紡糸、乾式紡糸、溶融紡糸などの通常の異形断面紡糸法を適用することが可能である。

工程２）の布帛を形成する工程においては、前記扁平な合成繊維を織布、編み物、不織布、紙などに、通常の製造方法を適用して布帛を得ることができる。特に不織布または紙とするのが、扁平繊維を重層的に形成することが容易にできるので好ましい。

工程３）において、セラミクスで合成繊維を被覆するのは、湿式または乾式製膜法を適用することができる。湿式製膜法は、ゾルゲル法、ソルボサーマル法、めっきなどが挙げられ、前駆体を含有する溶液を扁平繊維表面に付着させた後、加熱することが例として挙げられる。乾式製膜法は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法が挙げられ、必要に応じて加熱することが例として挙げられる。繊維全面へのつきまわりの点および十分な強度を備える膜厚を得やすいという点から、湿式製膜法またはＣＶＤ法で行なうのが好ましい。

工程３）において、セラミクスで被覆された合成繊維からなる布帛より、樹脂成分を除去する方法としては、加熱して合成繊維を焼去することや溶剤で溶解して除去する方法などが例として挙げられる。ここで、セラミクスで被覆するにあたり湿式製膜法を採用した場合は、酸素存在下においてか焼および焼成の工程によって樹脂成分が焼去されるため、セラミクスによる被覆と樹脂成分の除去が同時に行なわれることになる。

本発明の断熱材は、樹脂繊維にセラミクスを被覆した形態では、保温材、保冷容器、冷蔵容器などの低温構造物の保温に好適に用いることができ、樹脂を除去した中空セラミクスの形態では、断熱タイル、工業用の乾燥炉、焼成炉など、輻射熱の影響が大きくなる３００℃以上で好適に用いることができる。

＜実施例１＞
ポリビニルアルコール水溶液をポリビニルアルコール水溶液を、扁平形状の区画を有するヘッドから芒硝水中に吐出して扁平なポリビニルアルコール繊維得た。得られた繊維の断面形状は、長軸３０μｍ、短軸５μｍで扁平度は６であった。

次に、得られたポリビニルアルコールの扁平繊維９０％に対し、湿熱接着性繊維としてポリエチレンテレフタレート繊維１０％を混合して目付けが５０ｇ/ｍ^２となるように水分散させた後に、抄きながら扁平繊維の配向を揃えた。これを２０枚重ねて熱風乾燥し、断熱材を得た。顕微鏡観察の結果、繊維断面の長軸は、厚さ方向に垂直な面に対して全て３０度未満であり、繊維の長手方向の配向角も全て１５度未満であった。得られた断熱材の表面および断面のＳＥＭ写真を図４および図５に示す。

＜比較例１＞
ポリエチレンテレフタレート樹脂を溶融し、真円の区画を有するヘッドから空気中に押し出して紡糸する他は実施例１と同様にして、真円のポリエチレンテレフタレート繊維からなる断熱材を得た。得られた断熱材の表面および断面のＳＥＭ写真を図６および図７に示す。

＜実施例２＞
実施例１で得られた断熱材をエタノール３４０ｍＬに浸漬し、チタンテトライソプロポキサイドを４０ｍＬと水１ｍＬを加えて、室温で２時間攪拌することで、該断熱材の扁平なポリビニルアルコール繊維表面に酸化チタンを付着させた。これをエタノールで洗浄して乾燥した後、空気雰囲気において２００℃で１０分、６００℃で１時間焼成して中空な扁平酸化チタン繊維からなる断熱材を得た。得られた断熱材の表面および断面のＳＥＭ写真を図８および図９に示す。

＜比較例２＞
比較例１で得られた断熱材を用いることの他は実施例２と同様にして中空の真円セラミクス繊維からなる断熱材を得た。得られた断熱材の表面および断面のＳＥＭ写真を図１０および図１１に示す。

各実施例および比較例について、見掛けの密度、空隙率、赤外線反射スペクトル、熱伝導率を測定した結果を表１に示す。

ここで
・見掛け密度（ｇ／ｃｍ^３）：断熱材から試料を切り出し、面積と質量測定して目付（ｇ／ｍ^２）を算出した。次いで厚さを測定し、この値と目付の値とから見掛け密度を算出した。
・空隙率（％）：見掛け密度と樹脂またはセラミクスの真密度から算出した。
・熱伝導率（ｗ／ｍ・Ｋ）：平板の非定常熱線法によって測定した。
・赤外線反射性：ＦＴ−ＩＲによって測定した。比較例１より反射率が高いものを高いとし、比較例１は実施例に対して相対的に低いとした。

Claims

繊維の長手方向に垂直な繊維断面の扁平度が４以上の扁平繊維からなり、該扁平繊維の繊維断面における長軸と、断熱材の厚み方向に垂直な面に対する配向角が３０度未満となる繊維を８０％以上有し、見掛けの密度が０．１ｇ／ｃｍ^３以下であり、空隙率が９０％以上であり、熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ未満であることを特徴とする断熱材。
前記扁平繊維の長手方向が、断熱材の厚み方向に垂直な面に２次元配向し、その配向角が１５度未満である請求項１に記載の断熱材。
前記扁平繊維が合成繊維である請求項１または２に記載の断熱材。
前記扁平繊維が、厚さ１μｍ以下のセラミクスで被覆されてなる請求項３に記載の断熱材。
中空セラミクス繊維の長手方向に垂直な繊維断面の扁平度が４以上の扁平繊維から成り、該扁平繊維の繊維断面における長軸と、断熱材の厚み方向に垂直な面に対する配向角が６０度未満となる繊維を５０％以上有し、見掛けの密度が０．１ｇ／ｃｍ^３以下であり、空隙率が９０％以上であり、熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ未満であることを特徴とする断熱材。
扁平繊維の長手方向が、断熱材の厚み方向に垂直な面に２次元配向し、その配向角が４５度未満となる繊維を５０％以上有する請求項５に記載の断熱材。
繊維の長手方向に垂直な繊維断面の扁平度が４以上の扁平な合成繊維を準備する工程、
前記扁平な合成繊維により、該扁平な合成繊維の繊維断面における長軸と、断熱材の厚み方向に垂直な面に対する配向角が６０度未満となる繊維を５０％以上となる布帛を形成する工程、
前記扁平な合成繊維を厚さ１μｍ以下のセラミクスで被覆し、前記セラミクスで被覆された扁平な合成繊維よりなる布帛より樹脂成分を除去して扁平な中空セラミクス繊維とする工程、
を含むことを特徴とする断熱材の製造方法。