JP2018021659A - 断熱材とその製造方法 - Google Patents
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シリカエアロゲルは、汎用的な断熱材である発泡ウレタン(PU)や発泡スチロール(EPS)、あるいは、真空断熱材(VIP)とは異なり、その断熱性能には経年変化がほとんどみられない。さらに、シリカエアロゲルは、400℃以上の耐熱性を有していることから、次世代の断熱材として注目を集めている。
図1は、実施の形態1における輻射防止機能を持つ断熱材100の断面図である。断熱材100は、3層構造である。表1に各層の含有物を示す。
第1断熱層101は、10nmオーダーのシリカ粒子が点接触で連結したシリカキセロゲルのネットワーク構造中に、輻射防止材105を内包している。第1断熱層101の厚みが、1μm以上あればよい。第1断熱層101の厚みを厚くするとよいが、強度的に弱い。厚みが、100μm以下までなら、脱離はなく好ましい。断熱材100に赤外線が入射された場合、まず第1断熱層101の輻射防止材105にて赤外線の散乱を行い、伝熱を防止する。
第2断熱層102は、厚み0.1mm以上、5mm以下であり、第1断熱層101とともに、赤外線の放出を防止する。第1断熱層101との差異は、繊維106を含有することである。繊維106により第2断熱層102は、強度が強い。
なお、第2断熱層102は、必須でなく、あれば好ましい。断熱性は、第3断熱層103で確保でき、赤外線の散乱、伝熱を防止は、第1断熱層101で確保できる。第2断熱層102は、それらの機能をより向上させ、第1断熱層101と第3断熱層103とをしっかり接合できる。
第3断熱層103は、断熱材100の本体である。その厚みは、断熱材100として求められる輻射以外の固体の熱伝導、気体の対流の熱伝導率により算出され、0.1mmから数mmとなる。
なお、第1断熱層101、第2断熱層102、第3断熱層103のシリカキセロゲル104は、それぞれ異なる種類でもよいが、同じシリカキセロゲルが好ましい。
なお、第2断熱層102、第3断熱層103の繊維106は、それぞれ異なるものでもよいが、同じものが好ましい。
シリカキセロゲル104は、水ガラス(珪酸ナトリウム水溶液)を原料として、それをイオン交換樹脂もしくは電気透析法でイオン交換して脱ナトリウムした珪酸水溶液に塩基を加えて生成する脱水縮合物からなる。もしくは、原料として、粒径が水ガラスとコロイダルシリカの中間サイズ(1〜10nm)である高モル珪酸水溶液に酸を加えて生成する脱水縮合物からなる。
輻射防止材105の形態としては、酸化チタンなどの、屈折率が高く赤外線反射率が高いフィラーを用いる。波長2μm以下の赤外線を遮蔽するためには、酸化チタンの場合、一次平均粒子径として1μmが好ましい。
繊維106の形態としては断熱性、耐熱性、難燃性、寸法安定性の観点から、ガラスウール、ロックウール、アルミナ繊維が好ましい。炭素繊維は、熱伝導率が高く、断熱性に乏しいため、好ましくない。ガラスウール、ロックウール、アルミナ繊維の繊維径としては、1〜20um、繊維長は、3〜25mmである。この範囲の繊維は、熱伝導率が小さく、好ましい。また、この範囲の繊維径、繊維長の繊維は、不織布単体の熱伝導率として0.03〜0.05W/mKの範囲となる。
第1断熱層101と第2断熱層102での輻射防止材105の濃度は同じであることが好ましい。
断熱シートの製造方法は、(1)〜(7)の7工程からなる。(1)ゾル調製工程、(2)含浸工程、(3)ゲル化工程、(4)養生工程、(5)酸性水溶液浸漬工程、(6)疎水化工程、(7)乾燥工程、の7つの工程である。以下にそれぞれを説明する。
ゾル調製工程では、原料として水ガラスを用いる場合と、高モル珪酸水溶液を用いる場合とがある。水ガラスを用いる場合は、水ガラス中のナトリウムをイオン交換樹脂もしくは電気透析法により除去、酸性にし、ゾルとした後、触媒として塩基を添加して重縮合させ、ヒドロゲルとする。高モル珪酸ソーダを用いる場合は、高モル珪酸水溶液に触媒として酸を加えて重縮合させ、ヒドロゲルとする。
0.2〜1.0mm厚みのガラスウール、ロックウールなどの不織布に、(1)で調製したゾル溶液を不織布重量の6.5〜10倍量注ぎ、ゾル溶液を不織布に含浸させる。
(2)の後、ゾルをゲル化する。ゾルのゲル化温度は、20〜90℃が好ましい。ゲル化温度が20℃未満であると、反応の活性種である珪酸モノマーに必要な熱が伝わらない。このため、シリカ粒子の成長が促進されない。その結果、ゾルのゲル化が十分に進行するまでに時間を要する。その上に、生成されるゲル(ヒドロゲル)の強度が低く、乾燥時に大きく収縮する場合があり、所望の強度のヒドロゲルが得られない場合がある。
養生工程は、ゲル化後にシリカの骨格を、強化させた骨格強化ヒドロゲルにする工程である。養生温度は、50〜100℃が好ましい。養生温度が50℃未満の場合、脱水縮合反応が相対的に遅くなるため、生産性を考慮した際の目標のタクト時間内にシリカネットワークを十分に強化させることが難しくなる。
ゲルシートを塩酸(6〜12規定)に浸漬後、常温23℃で45分以上放置してゲルシートの中に塩酸を取り込む。
ゲルシートを例えば、シリル化剤であるオクタメチルトリシロキサンとアルコールとして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、ゲルシートから塩酸水が排出され、2液分離する(上層にシロキサン、下層に塩酸水)。
ゲルシートを150℃の恒温槽に移して2時間乾燥させる。
高モル珪酸水溶液(東曹産業株式会社)をゾル溶液とし、輻射防止材105として酸化チタン(テイカ株式会社製)を添加したゾル溶液と輻射防止材105を添加しないゾル溶液との比率を1:2として、上記の方法で、第1断熱層101、第2断熱層102、第3断熱層103とを作製した。輻射防止材105の添加割合は、珪酸濃度の30重量部とした。
第2断熱層102の重量濃度は以下である。シリカエアロゲル:輻射防止材:繊維=55:18:27である。
高モル珪酸水溶液(東曹産業株式会社)をゾル溶液とし、輻射防止材105として酸化チタン(テイカ株式会社)を添加したゾル溶液と輻射防止材105を一様に添加した断熱材(一層構造)を作成した。輻射防止材105の添加割合は、珪酸濃度の10重量部とし、実施例1と同量の酸化チタンを使用した。
断熱性能を比較するため、実施例1と比較例1の断熱材をホットプレート上で加熱し、表面と裏面の温度を熱電対で測定し、その温度差を確認した。実施例1の断熱材は、図1の構造であり、第1断熱層101をホットプレートに接触させた。
上記断熱材100を電子機器109へ用いた例を図6で説明する。図6は、実施の形態の電子機器109である。回路基板108上に実装された発熱部品107がある。発熱部品107上に、上記の断熱材100が位置する。断熱材100は、発熱部品107の熱を電子機器109の外枠110へ伝達しない。外枠110を人が長時間触っていても、低温やけどなど害がない。
上記断熱材100は、電子機器内で、発熱部品側に第1断熱層101が来るように配置される。
101 第1断熱層
102 第2断熱層
103 第3断熱層
104 シリカキセロゲル
105 輻射防止材
106 繊維
107 発熱部品
108 回路基板
109 電子機器
110 外枠
111 フィルム
Claims (9)
- 第1シリカキセロゲルと第1輻射防止材とを含む第1断熱層と、
第3シリカキセロゲルと第2繊維とを含み、前記第1断熱層と積層された第3断熱層と、を有する断熱材。 - 前記第1断熱層と前記第3断熱層との間に配置され、第2シリカキセロゲルと第2輻射防止材と第1繊維とを含む第2断熱層
を有する請求項1記載の断熱材。 - 前記第1断熱層は、前記第1繊維を含まない請求項1または2記載の断熱材。
- 前記第1繊維と前記第2繊維とは同じ繊維である請求項2または3記載の断熱材。
- 前記第1輻射防止材と前記第2輻射防止材とは同じ輻射防止材である請求項2〜4のいずれか1項に記載の断熱材。
- 前記第1断熱層と前記第2断熱層は、前記第3断熱層に比べ、薄い請求項2〜5のいずれか1項に記載の断熱材。
- 前記第1断熱層、前記第2断熱層、前記第3断熱層の順に厚みが厚い請求項2〜6のいずれか1項に記載の断熱材。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の前記断熱材が、前記第1断熱層が発熱部品へ向くように配置された電子機器。
- 水ガラス、または、珪酸水溶液をゾルとするゾル化工程と、
不織布繊維に、輻射防止材を含む前記ゾルと、輻射防止材を含まない前記ゾルとを挿入する含浸工程と、
前記輻射防止材を含む前記ゾルと前記輻射防止材を含まない前記ゾルとをゲルとするゲル化工程と、
前記ゲルを養生する養生工程と、
前記ゲルを酸性水溶液に浸す浸漬工程と、
前記ゲルを疎水化する疎水化工程と、
前記ゲル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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