JP2017140787A - 断熱材とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】断熱性に優れ、強度が高く、曲げ性を有する断熱材とその製造方法を提供すること。【解決手段】エアロゲルを含む第１繊維基材と、上記第１繊維基材と積層された中間基材と、上記中間基材と積層され、複数の柱状のエアロゲルを含む第２繊維基材と、含む断熱材を用いる。また、第１繊維基材と、中間基材と、第２繊維基材とを積層する積層工程と、上記積層された積層体にエアロゲルを塗布する塗布工程と、上記塗布された上記積層体を乾燥させる乾燥工程と、を含む断熱材の製造方法を用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、断熱材とその製造方法に関する。特に、曲げることができるシート状の断熱材とその製造方法に関する。

近年、ノートＰＣからスマートフォン、タブレットなどの電子機器の多機能化、高性能化と共に、発熱部品からの発熱量、並びに発熱密度が急激に増加しており、これらの電子機器において新たな熱対策部材の導入を含めた断熱技術が必須となっている。

この高い断熱性を発揮する物質としてエアロゲルが開発されている。エアロゲルは、従来のフォーム系の断熱材に比べて断熱性が高く、空気よりも熱伝導率が低い。そして、エアロゲルを粒子状にしたエアロゲル粒子は、取り扱い性が高く加工性や成形性にも優れている。そのため、エアロゲル粒子を利用した断熱材が提案されている。

保温や保冷をするために断熱を要する容器等の機器において、断熱材が用いられている。このような機器に断熱材を用いる場合には、保温や保冷をするための空間の周囲に、その形状に適合するように断熱材を変形させて配置する必要がでてくる。例えば、湯沸かし器等の円柱状の空間を保温するためには、円筒形状に変形できる断熱材が必要となってくる。

特許文献１では、エアロゲル粒子と結合剤とを含む層が、エアロゲル粒子を含まない二つの層にサンドイッチされた構造の断熱材が開示されている（特許文献１）。

特表２００１−５０９０９７号公報

すなわち、エアロゲル粒子を用いた断熱材では、高い断熱性と強度とを維持しつつ、曲げ性を有するシート状の断熱材（断熱シート）を得ることは容易ではない。曲げ性とは曲げ加工を行っても材料にひび割れが生ずることなく曲げられる性能のことである。曲げ性がある材料は、柔軟性があるといえる。断熱材に柔軟性を付与することが出来れば種々の応用が可能になる。

特許文献１では、エアロゲル粒子の層がエアロゲル粒子を含まない層にサンドイッチされているために、強度は高まるものと考えられるが、強度を高めるためにエアロゲル粒子を含まない層の厚みを厚くすると、熱伝導率の低下を引き起こすことになる。熱伝導率の低下を抑えるためにエアロゲル粒子を含む層を厚くすると、全体の厚みが厚くなってしまい、曲げ性を得ることは難しい。ここで開示された断熱材では、断熱性と、強度と、曲げ性を同時に満たす設計とはなっていない。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）に従来例の断熱材１０５ａを曲げた時の態様の断面図を示す。図１２（ａ）は、曲げる前の断熱材１０５ａである。エアロゲル１０４が繊維基材１０１に含まれている。図１２（ｂ）は、断熱材１０５を曲げた状態を示す。図１２（ｂ）に示すように、３ｍｍを越える厚い断熱材１０５ａの場合、エアロゲル１０４は靭性に乏しい性質を示すことから、曲げモーメント力Ｍを加えて断熱材１０５ａ（１０１＋１０４）を曲げようとすると、曲げに耐えきれずに、亀裂１１１が発生してしまう。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、断熱性に優れ、強度が高く、曲げ性を有する断熱材とその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、エアロゲルを含む第１繊維基材と、上記第１繊維基材に積層された中間基材と、上記中間基材に積層され、複数の柱状のエアロゲルを含む第２繊維基材と、含む断熱材を用いる。

第１繊維基材に、第１開口を有する中間基材と第２繊維基材とを積層する積層工程と、上記積層された積層体にエアロゲルを塗布する塗布工程と、上記塗布された上記積層体を乾燥させる乾燥工程と、を含む断熱材の製造方法を用いる。

本発明によれば、断熱性に優れ、強度が高く、３次元的に曲げ性を有する断熱材を、容易に製造して提供することができる。また、中央の中間基材を通じて被断熱部品との締結固定も可能となる。

（ａ）実施の形態の断熱材の断面図、（ｂ）実施の形態の断熱材の斜視図 実施の形態のエアロゲル含浸前の繊維基材、中間基材構成を示す斜視図 （ａ）実施の形態のシートを下側に曲げる態様を示す断面図、（ｂ）実施の形態のシートを上側に曲げる態様を示す断面図 （ａ）実施の形態の中間基材の穴形状（丸穴）、配置を示す平面図、（ｂ）（ａ）の詳細図 （ａ）実施の形態の中間基材の穴形状（多角形穴）、配置を示す平面図、（ｂ）（ａ）の詳細図（ｂ）中間基材の詳細平面図 （ａ）実施の形態の中間基材の穴形状（楕円形状）、配置を示す平面図、（ｂ）（ａ）の詳細図 実施の形態の断熱材の３次曲面に曲がる方向の態様を示す斜視図、（ｂ）実施の形態の断熱材を２次曲面に曲げる態様を示す断面図 （ａ）実施の形態の断熱材を被断熱部品と締結した状態を示す斜視図、（ｂ）実施の形態の断熱材を被断熱部品と締結部分の断面図 実施の形態の製造方法を示すフロー図 （ａ）〜（ｅ）実施の形態のエアロゲル含浸の進行状態を示す断面図 （ａ）従来例の断熱材の断面図、（ｂ）実施の形態の断熱材の断面図、（ｃ）実施の形態の熱貫流率を説明する図 （ａ）従来例の断熱材を曲げた時の態様を示す断面図、（ｂ）従来例の断熱材の曲げた時の態様を示す断面図

以下に本発明の実施例について図面に基づいて説明する。
＜断熱材１０５＞
図１〜図２に、実施の形態の断熱材１０５を示す。図１（ａ）は、断熱材１０５の断面図、図１（ｂ）は、断熱材１０５の斜視図である。図２はエアロゲル１０４が含浸される前の断熱材１０５示す斜視図である。

図２に示すように、断熱材１０５は、不織布からなる第１繊維基材１０１ａと、フィルムからなる中間基材１０２と、不織布からなる第２繊維基材１０１ｂの３層からなる複合シートで、中間基材１０２には、複数の第１第１開口１０３が形成されている。

繊維基材１０１と中間基材１０２とは、熱溶着、もしくは接着剤による接着で接合されており、耐溶剤の観点から熱溶着の方が好ましい。

図２の第１繊維基材１０１ａの上方からエアロゲル１０４を塗布する。結果、第１繊維基材１０１ａは、エアロゲル１０４で満たされる。一方、第２繊維基材１０１ｂは、中間基材１０２のあるところの下部へはエアロゲル１０４が行かず、中間基材１０２のない、第１第１開口１０３ところの下部へはエアロゲル１０４が行く。

結果、図１（ａ）に示すように、一方の第１繊維基材１０１ａにはエアロゲル１０４が含浸されており、もう一方の第２繊維基材１０１ｂには、中間基材１０２に開いた複数の第１開口１０３を通して含浸進行したエアロゲル１０４が柱状に形成され、それ以外は第２繊維基材１０１ｂである。

なお、第１繊維基材１０１ａ、第２繊維基材１０１ｂをまとめて示す場合は、繊維基材１０１と示す。

エアロゲル１０４は靭性に乏しい性質を示すことから、繊維基材１０１にエアロゲル１０４が含浸させ３ｍｍ以上の厚さになると曲げ性を損なうことになる。このため、一方のエアロゲル１０４を含んだ第１繊維基材１０１ａの厚さは、３ｍｍ以下が好ましい。

もう一方の第２繊維基材１０１ｂには柱状のエアロゲル１０４が形成された部分と、それ以外が第２繊維基材１０１ｂで構成される。エアロゲル１０４を含まない第２繊維基材１０１ｂの部分で断熱材１０５の曲げ性を成り立たせている。

図３（ａ）、図３（ｂ）に断熱材１０５の曲げる態様を示す。図３（ａ）は断熱材１０５を下側に曲げる態様を示す断面図、図３（ｂ）は断熱材１０５を上側に曲げる態様を示す断面図である。

図３（ａ）に示すように、断熱材１０５に下方向に曲げが加わると、エアロゲル１０４を含まない第２繊維基材１０１ｂの部分で、断熱材１０５の曲げにより収縮する影響を吸収する。

また、図３（ｂ）に示すように、断熱材１０５に上方向に曲げが加わると、エアロゲル１０４を含まない第２繊維基材１０１ｂの部分で、断熱材１０５の曲げにより伸びる影響を吸収する。従って、この断熱材１０５の厚さが厚くとも、曲げ性を損なうことにはならない。

ここで、エアロゲル１０４を含まない第２繊維基材１０１ｂの部分にも、多少であればエアロゲル１０４を含んでも構わない。但し、エアロゲル１０４は靭性に乏しい性質を示すことから、曲げ性を損なわない為には、エアロゲル１０４の充填率は３５％以下であることが望ましい。

＜繊維基材１０１の材質＞
繊維基材１０１の材質は、無機繊維、有機繊維またはそれらの混合物からなる。

無機繊維としては、例えば、ガラス繊維（グラスウール）、アルミナ繊維、スラグウ
ール繊維、シリカ繊維、ロックウール等が挙げられる。

有機繊維としては、例えば、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエチレンテレフタラート繊維、ナイロン繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリウレタン繊維、ポリノジック繊維、レーヨン繊維等の合成繊維、麻、絹、綿、羊毛等の天然繊維等が挙げられる。無機繊維および有機繊維は、１種からなる単独繊維または複数種の混合繊維として用いられる。

＜繊維基材１０１の目付＞
繊維基材１０１の目付は、５〜１２０ｇ／ｍ^２が好ましい。
＜中間基材１０２の材質＞
後工程にて加熱を要するため、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）など、使用最高温度が１００℃であり、尚且つ、線膨張係数が１００（×１０^−６／℃）以下である樹脂素材、樹脂シート、樹脂フィルムが好ましい。

＜中間基材１０２の厚み＞
中間基材１０２の厚さは、断熱材の熱伝導率と強度を考慮すると、０．０３ｍｍ〜０．０５ｍｍの範囲が好ましい。
＜中間基材１０２の第１開口１０３の形状＞
図４〜図６に、実施の形態の中間基材１０２の第１開口１０３の形状、配置を示す平面図を示す。図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）は、図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）の部分拡大平面図である。

図４（ａ）に示すように、中間基材１０２には複数の第１開口１０３が形成されている。図４（ｂ）に示すように、第１開口１０３の形状は、円形状１０３ａ、又は、図４（ａ）、図４（ｂ）に示す多角形状１０３ｂでも良い。あるいは、第１開口１０３の形状は、図５（ａ）、図５（ｂ）に示す縞形状でも良い。さらに、第１開口１０３の形状は、図６（ａ）、図６（ｂ）に示す楕円形状、長方形のコーナ部分に丸みをつけたものでもよい。

中間基材１０２の複数の第１開口１０３の占める面積（開口率）は、大きいと断熱材の熱伝導率が低くなり、小さいと熱伝導率が高くなる。

図７（ａ）、図７（ｂ）に、実施の形態の断熱材の曲がる方向の態様を示す斜視図を示す。第１開口１０３の形状が、丸穴、多角形穴の場合は、形成されるエアロゲル１０４の形状が、円柱状、多角柱形状となり、その周囲にエアロゲル１０４を含まない第２繊維基材１０１ｂが存在するので、図７（ａ）に示すような３次曲面に変形し倣うことができる。

第１開口１０３の形状が、縞状長穴の場合は、形成されるエアロゲル１０４の形状が、縞形状の長柱となり、その対面方向にエアロゲル１０４を含まない第２繊維基材１０１ｂが存在するので、図７（ｂ）に示すような２次曲面に変形し倣うことができる。

どの第１開口１０３の形状を選択するかは、被断熱部品の形状に合わせて選択すれば良い。

＜エアロゲル１０４＞
エアロゲル１０４は１次粒子１ｎｍ、２次粒子１０ｎｍ前後、細孔径が１０〜６０ｎｍのシリカで構成されている。細孔径６０ｎｍ以下であり、空気分子の平均自由工程の約６８ｎｍより小さく、空気の滞留を抑制できることから断熱性に優れる。但し、エアロゲル１０４は靭性に乏しい性質を示す。

＜熱伝導率＞
断熱材１０５の、エアロゲル１０４を含む繊維基材１０１の熱伝導率は、０．０１４〜０．０２４Ｗ／ｍＫである。通常、繊維基材１０１である不織布の熱伝導率は０．０３〜０．０６Ｗ／ｍＫである。

＜断熱材１０５の締結固定＞
図８（ａ）、図８（ｂ）に、実施の形態の断熱材１０５の締結状態を示す。図８（ａ）に断熱材１０５を被断熱部品１０８と締結した状態を示す斜視図を示す。図８（ｂ）に断熱材１０５を被断熱部品１０８と締結した部分の断面図を示す。

＜断熱材１０５の締結部材の形状＞
図８（ｂ）に示すように、断熱材１０５における中間基材１０２には、被断熱部品１０８と、ねじ１０９、締結するための締結部材１１０用の第２開口１０２ａが開いている。この第２開口１０２ａの周辺は、締結ねじ１０９、締結部材１１０を設置するために空間１０１ｃを形成している。この部分は、第１繊維基材１０１ａ、第２繊維基材１０１ｂで覆われない部分である。この部分に、締結ねじ１０９を入れ込み、下から締結部材１１０を通して、断熱材１０５を、被断熱部品１０８に締結固定することが出来る。よって、この部分は、固定部分といえる。

なお、第２開口１０２ａは、穴に限られない。中間基材１０２が外部へ露出されている部分があればよい。その部分を利用して、中間基材１０２を固定する。
この締結方法は、ねじ締結以外の締結方法でも構成できることは言うまでもない。

＜断熱材１０５の製造方法＞
断熱材の製造方法のフロー図の、一例を図９に示す。
また、図１０に、実施の形態のエアロゲル含浸の進行状態を示す断面図を示す。

（１）原料混合
高モル珪酸ソーダ（珪酸水溶液、Ｓｉ濃度１４％）に触媒として濃塩酸（１２Ｎ）を１．４ｗｔ％添加し攪拌し、ゾル溶液を調合する。

（２）シート供給
繊維基材シート１０１（材質：ＰＥＴ、厚み仕様：３ｍｍ、目付：１２ｇ／ｍ^２、寸法：３００ｍｍ幅）と、中間基材１０２（材質：ＰＥＴ、厚み仕様：０．０４ｍｍ、寸法：３００ｍｍ幅）から構成される繊維基材シートを、ロール状でセットし、巻き出し、シート供給する。

（３）混合液の不織布シートへの含浸
繊維基材シート１０１（材質：ＰＥＴ、厚み仕様：６ｍｍ、寸法：３００ｍｍ幅）に、ゾル溶液のエアロゲル１０４を吐出、含浸させる。

（４）断熱材のフィルム挟み
ゾル溶液であるエアロゲル１０４を含浸させた断熱材１０５を、下ＰＥＴフィルム１０７（厚み：４０ｕｍ、寸法：４００ｍｍ幅）と、上ＰＥＴフィルム１０６（厚み：４０
ｕｍ、寸法：３８０ｍｍ幅）に挟み込み、４０℃〜５５℃で約２分間加熱してゾル溶液であるエアロゲル１０４をゲル化させる。

（５）厚み規整
ゲル化を確認後、ギャップを６．０８ｍｍ（フィルム厚込み）に設定した２軸ロールにフィルム（１０６、１０７）ごと断熱材１０５を通して、厚みを６．０ｍｍ狙いで規整すると共に表面平滑性を付与する。

（６）養生
Ａ３サイズに切断した断熱材１０５をフィルム（１０６、１０７）ごと容器に入れて、乾燥防止のために８５℃／８５ＲＨ％の恒温恒湿槽に３時間入れて、シリカ粒子を成長（シラノールの脱水縮合反応）させて多孔質構造を形成させる。

（７）シートのフィルム剥がし
養生容器から断熱材１０５を取り出して、上フィルム１０６と下フィルム１０７を剥がす。

（８）疎水化１（塩酸浸漬工程）：
断熱材１０５を、塩酸（６〜１２規定）に浸漬後、常温２３℃で１時間放置して断熱材１０５の中に塩酸を取り込む。

（９）疎水化２（シロキサン処理工程）
断熱材１０５を、例えば、シリル化剤であるオクタメチルトリシロキサンと両親媒性溶剤である２−プロパノール（ＩＰＡ）の混合液に浸漬させて、５５℃の恒温槽に入れて２時間反応させる。トリメチルシロキサン結合が形成され始めると、断熱材１０５から塩酸水が排出され、２液分離する（上層にシリル化剤、下層に塩酸水）。

（１０）乾燥
断熱材１０５を、１５０℃の乾燥炉に移して３時間乾燥させ、断熱材１０５が作製される。

＜含浸方法＞
ここで、一方の第１繊維基材１０１ａにエアロゲル１０４を含浸させ、もう一方の第２繊維基材１０１ｂに、中間基材１０２に開いた複数の第１開口１０３を通して含浸進行したエアロゲル１０４が柱状に形成される方法について、図１０（ａ）〜図１０（ｅ）を用いて説明する。

上記（３）含浸プロセスにおいて、図２に示した第１繊維基材１０１ａと中間基材１０２で構成された断熱材１０５に、図１０（ｂ）に示すように、エアロゲル１０４のゾル溶液を吐出、含浸させる。第１繊維基材１０１ａは親水化材料または、親水化処理を施しておくことで、エアロゲル１０４のゾル溶液は第１繊維基材１０１ａに含浸していく。

更に含浸が進むと、図１０（ｃ）に示すように、エアロゲル１０４のゾル溶液は、中間基材１０２に到達し、中間基材１０２に設けた第１開口１０３を通り、図１０（ｄ）に示すように、更に下側の第２繊維基材１０１ｂに含浸が進み、第１開口１０３の形状の断面に近似の柱状のエアロゲル１０４が形成され、その後、図１０（ｅ）に示すように、下フィルム１０７と、上フィルム１０６に挟み込まれ、含浸が完了する。

＜断熱材の熱特性＞
図１１（ａ）に、従来例の断熱材の断面図を示す。図１１（ｂ）に、実施の形態の断熱材１０５の断面図を示す。ここで、フィルムである中間基材１０２材質はＰＰ（熱伝導率０．１２Ｗ／（ｍ・ｋ））、中間基材１０２厚さは０．０４ｍｍ、熱伝達率αは屋内でのデータ（２３．３Ｗ／（ｍ^２・ｋ））を採用した。第１繊維基材１０１ａの厚さｄ１は第２繊維基材１０１ｂの厚さｄ２と同じとする。また、フィルムである中間基材１０２の第１開口１０３の形状は、円形状とし、中間基材１０２の開口率を６０％とした。

繊維基材１０１とエアロゲル１０４との複合体の熱伝導率は、０．０２Ｗ／（ｍ・ｋ）とした。繊維基材１０１は、０．０３８Ｗ／（ｍ・ｋ）、エアロゲル１０４は、０．０２０Ｗ／（ｍ・ｋ）とした。

この条件での熱特性の結果を、図１１（ｃ）示す。この試算の結果、エアロゲル１０４を含む無垢の断熱材１０５ａに対して、熱伝導率の高いフィルムである中間基材１０２や、エアロゲル１０４を含まない第２繊維基材１０１ｂが存在する断熱材１０５でも、熱特性（熱貫流率ｋ）は、１０％程度の悪化に留まることがわかる。

＜まとめ＞
本発明の断熱材１０５を用いれば、保温や保冷をするために断熱を要する容器、ダクト、パイプ等の機器の形状に対し、３次曲面に変形し倣い追従ができ、強度が強く、高い断熱性能を持ち合わせた断熱材を、容易に製造して提供することができる。また、中央のフィルム基材を介して、被断熱部品との強固な締結固定ができる。

なお、第１開口１０３を設けることは必須ではない。第１繊維基材１０１ａ、第２繊維基材１０１ｂ、中間基材１０２とは、それぞれ作製し張り合わせてもよい。

本発明の断熱材は、保温や保冷をするために断熱を要する容器、ダクト、パイプ、例えば、湯沸かし器等の円柱状のものを断熱するような用途に広くに利用される。

１０１ 繊維基材
１０１ａ 第１繊維基材
１０１ｂ 第２繊維基材
１０１ｃ 空間
１０２ 中間基材
１０２ａ 第２開口
１０３ 第１開口
１０４ エアロゲル
１０５ 断熱材
１０５ａ 断熱材
１０６ 上フィルム
１０７ 下フィルム
１０８ 被断熱部品
１０９ 締結ねじ
１１０ 締結部材
１１１ 亀裂

Claims (10)

1. エアロゲルを含む第１繊維基材と、
   前記第１繊維基材に積層された中間基材と、
   前記中間基材に積層され、複数の柱状のエアロゲルを含む第２繊維基材と、含む断熱材。
2. 前記中間基材には、第１開口がある請求項１記載の断熱材。
3. 前記第１開口と前記柱状のエアロゲルとが繋がっている請求項１又は２記載の断熱材。
4. 前記第１繊維基材が、不織布である請求項１から３のいずれか１項に記載の断熱材。
5. 前記第１繊維基材の厚みは、前記第２繊維基材の厚みより、厚い請求項１から４のいずれか１項に記載の断熱材。
6. 前記中間基材が、フィルムである請求項１から５のいずれか１項に記載の断熱材。
7. 前記複数の柱状のエアロゲルが、円柱状、多角柱状、縞柱状のいずれか１つである請求項１から６のいずれか１項に記載の断熱材。
8. 前記中間基材には、前記第１繊維基材と前記第２繊維基材とで覆われない固定部分があり、前記固定部分により他の部材に固定される請求項１から７のいずれか１項に記載の断熱材。
9. 前記中間基材は、前記固定部分に第２開口を有する請求項８記載の断熱材。
10. 第１繊維基材に、開口を有する中間基材と第２繊維基材とを積層する積層工程と、
    前記積層された積層体にエアロゲルを塗布する塗布工程と、
    前記塗布された前記積層体を乾燥させる乾燥工程と、を含む断熱材の製造方法。
    

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