JP2514734B2 - 高強度珪酸カルシウム成形体及びその製造方法 - Google Patents

高強度珪酸カルシウム成形体及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、高強度珪酸カルシウム成形体及びその製
造方法に関する。
(従来の技術) 石灰質原料と珪酸質原料とを水熱合成して得られる珪
酸カルシウムの成形体は、軽量で高強度、耐熱性、不燃
性に優れた性質をもった材料として、建材などに広く使
用されている。また最近、このような珪酸カルシウムの
性質を利用して、天然の木材に類似したカサ比重、強
度、切削,切断,研磨等の加工性、ネジ釘保持性,接着
性などの特性を有するようにする各種の提案もなされて
いる。
しかしながら、現実には、上記のような各種の特性を
併せ持つようにすることは容易でなく、かかる建材の製
造は、いまだ実現に至っていないのが実情である。従
来、この種の材料としては、ゾノトライトのマトリック
スをガラス繊維で補強したものがその代表的なものであ
るが、これだけのものではガラス繊維とゾノトライトと
の接着力が弱いため、通常これに5〜10重量%の合成樹
脂を加え、接着力を増強している。確かに、こうしたも
のはガラス繊維との強い接着力が得られて、曲げ強度は
満足できるようになっていたが、この場合は数%の合成
樹脂が中に存在するために燃え易く、不燃性、耐熱性が
著しく劣り、また、このものの加工性も木材と比較して
かなり低下したものとなっていた。
(発明が解決しようとする課題) この発明は、合成樹脂を配合することなく、ガラス繊
維及びパルプを使用して、これらが分散して強固に固着
された高強度珪酸カルシウムを得ることによって、天然
木材に一層類似した不燃性の建材を得ようとするもので
ある。
(課題を解決するための手段) この発明は、トバモライト、C−S−H及び石英で形
成された珪酸カルシウムのマトリックスに、補強材とし
てガラス繊維及びパルプをそれぞれ2〜10重量%含む成
形体で、該成形体を粉末X線回折したときのTi/Qi比が
0.1〜1.0であり、絶乾カサ密度が0.3〜0.7g/ccである高
強度珪酸カルシウム成形体(ただし、Ti及びQiは、それ
ぞれトバモライト結晶の(002)面、石英結晶(101)面
のX線回折強度を示す。)(請求項1)及び石灰質原料
と珪酸質原料と繊維とからなり、石灰質原料と珪酸質原
料との配合比がCaO/SiO2モル比で0.6〜0.9とし、珪酸質
原料は結晶質シリカと非晶質シリカよりなりかつ結晶質
シリカと非晶質シリカとの比率が非晶質シリカ/(結晶
質シリカ+非晶質シリカ)の重量比で0.2〜0.8とし、繊
維は耐アルカリガラス繊維とパルプよりなりかつ各々の
配合比が2〜10重量%としたものを原料として、まず石
灰質原料と非晶質シリカの少なくとも一部とを水と混合
して50℃以下のスラリーとし、このスラリーを80℃以上
の温度に加温してゲル化し、ここに得られたゲル状物を
耐アルカリガラス繊維を含む残余の原料とともに均一に
混合し、この混合物を圧力3〜30kgf/cm2で脱水成形し
て成形体を得て、この成形体をオートクレーブ中で加熱
反応し、これにより得られる成形体を粉末X線回折した
ときのTi/Qi比を0.1〜1.0とすることを特徴とする高強
度珪酸カルシウム成形体の製造方法(請求項2)であ
る。
以下に、これらの発明をさらに説明する。
本願の第1発明の高強度珪酸カルシウム成形体は、ト
バモライト、C−S−H及び石英が混在している珪酸カ
ルシウムのマトリックスに、ガラス繊維及びパルプが分
散して固着されているものである。ここにおけるガラス
繊維及びパルプは、各々内割で2〜10%の範囲である。
これが2%未満であると強度が充分でなく、また10%を
超えてもその割に強度が向上しない。
さらに、成形体を構成する珪酸カルシウムの粉末X線
回折を行ったときの、Ti/Qi比(ただし、Ti及びQiは、
それぞれトバモライト結晶の(002)面、石英結晶の(1
01)面のX線回折強度を示す。)が0.1〜1.0であり、絶
乾カサ密度が0.3〜0.7g/ccで、珪酸カルシウムのマトリ
ックス自体の強度が高いことが必要である。
珪酸カルシウムに補強材を加えて天然木材に類似した
材料を得ようとする場合、補強材としてはガラス繊維が
最適とされている。しかしながら、ガラス繊維を用いて
珪酸カルシウム基材が強度発現するためには、珪酸カル
シウムのマトリックス自体の強度が高いこと、珪酸カル
シウムのマトリックスとガラス繊維との接着強度が高い
こと、補強材のガラス繊維が浸蝕されて強度が低下しな
いこと、などが必要になる。
本願発明者らは、各種の実験を通して、珪酸カルシウ
ムのマトリックスが、C−S−H及び石英とで出来てい
るときは、マトリックスの強度が弱く、マトリックスと
ガラス繊維との接着も不十分となって、曲げ破壊の際に
ガラス繊維がマトリックスから引き抜かれ、所望の強度
が得られないことを確認した。。また、マトリックスの
大部分がトバモライト結晶となっている場合は、ガラス
繊維の強度が低下し、曲げ破壊に際しマトリックスの破
壊と同時に、またはそれ以前にガラス繊維が破壊し、ガ
ラス繊維の補強効果を示さないことを確かめた。これに
対して、マトリックスにトバモライト、C−S−H及び
石英が混在し、これにガラス繊維が固着しているもの
は、マトリックスの強度が高いとともに、マトリックス
とガラス繊維の接着強度、ガラス繊維自身の強度が、い
ずれも高いレベルにあることを見出したものである。そ
して、特にマトリックスの強度については、Ti/Qi比
(ただし、Ti及びQiについては前記の通り)が0.1〜1.0
で高い強度を示し、これを外れると強度が低下すること
を確認した。
さらに、成形体の切断、切削、研磨、ネジ釘の保持力
など、材料の加工性、施工性の改善のためには、前記マ
トリックスに対して2〜10重量%のパルプが固着されて
いることが必要である。これが2%未満では効果なく、
10%を超えても効果はあまり上がらないだけでなく、不
燃性が著しく低下する。
なお、絶乾カサ密度は、0.3未満では必要なネジ釘保
持力が期待できず、また0.7を超えると、釘打ちや切
断、切削加工などが困難となるので、0.3〜0.7g/ccとす
る。
請求項2の発明は、請求項1の発明の珪酸カルシウム
成形体の製造方法である。
まず、原料の中の石灰質原料についていえば、これは
消石灰、生石灰、石灰乳などいずれでもよい。珪酸質原
料としては、結晶質シリカと非晶質シリカを用い、その
比率が非晶質シリカ/(結晶質シリカ+非晶質シリカ)
の重量比で0.2〜0.8の範囲とする。この範囲を外れる
と、本発明の目的とする高強度の珪酸カルシウム成形体
を得ることができない。結晶質シリカとしては、通常の
珪石粉末を用いることができ、非晶質シリカとしては、
珪藻土、弗石、シリカフラワーなどが例示できるが、珪
藻土が好ましい。その粒度は50μm以下がよい。石灰質
原料と珪酸質原料の配合比は、CaO/SiO2モル比で0.6〜
0.9とする。この範囲を外れると、本発明の目的とする
製品が得られない。さらにいえば、これが0.6未満では
トバモライトの生成が困難であり、0.9を超えるとガラ
ス繊維が浸蝕されるので、所望の曲げ強度の製品が得ら
れない。CaO/SiO2モル比でさらに好ましい範囲は0.7〜
0.85である。
ガラス繊維は耐アルカリガラス繊維で、これを適当な
長さに切断したチョップドストランドを用いるとよい。
その配合比は2〜10重量%である。これが2重量%未満
であると所望の補強効果が得られず、10重量%を超える
と成形が困難となる一方、補強効果もさして上がらな
い。ガラス繊維とともにパルプを用いる。パルプは、ガ
ラス繊維との併用によりガラス繊維の分散性を改善し補
強効果を示す外、製品の加工性、施工性を大幅に改善す
るのに寄与する。通常の木材パルプを湿式又は乾式で離
解して使用する。この配合比は、2重量%未満では前記
の効果は得られず、10重量%を超えると製品の不燃性が
著しく低下する一方、前記効果の向上がそれほどみられ
ない。
これらの原料の配合は、まず前記原料の中の石灰質原
料と非晶質シリカの少なくとも一部とを、水と混合して
スラリーとする。即ち、石灰質原料の一部と非晶質シリ
カの一部、石灰質原料の全部と非晶質シリカの一部、石
灰質原料の一部と非晶質シリカの全部又は石灰質原料の
全部と非晶質シリカの全部のいずれかを水と混合してス
ラリーとするものである。この際、非晶質シリカの添加
割合としては、非晶質シリカ/(結晶質シリカ+非晶質
シリカ)比で0.2〜0.8の範囲とすることが好ましい。こ
れが低いとゲル化後のゲルの強度が弱くて、脱水成形後
の脱型時における保形性が不十分で、ハンドリングが困
難となる。また、この比が大きくなると、脱水成形時圧
力が上がり過ぎて、製造上好ましくない。また、石灰質
原料の添加は、非晶質シリカに対して、CaO/SiO2モル比
で0.8以上とすることが好ましい。これが0.8モル未満で
はゲル化があまり進行しないからである。ここでパルプ
を添加することは、原料の沈降分離を防ぐので好ましい
が、耐アルカリ繊維の添加は、遊離石灰により浸蝕され
るので好ましくない。水/固体重量比については、特別
な規制は必要ないが、3〜10の範囲が良好である。水比
がこの程度でゲル化も十分進行し、またゲルの膨潤も大
きくなり過ぎることがない。原料混合物の混合を行なう
際に必要なことは、50℃以下の温度で行うことである。
50℃を超えた温度で混合を行うと、その後のオートクレ
ーブでの反応でトバモイラの生成が著しく遅延して、所
期の製品が得られなくなる恐れがある。この理由は、恐
らく50℃を超える高温で石灰質原料と非晶質シリカとを
混合すると、トバモライトに転移し難いC−S−Hが多
く生成するためであろうと推測される。ゲル化を行なう
際は、常圧下で80℃以上とし、ゲル化時間は非晶質シリ
カの反応性にも左右されるが、通常1〜5時間である。
ゲル化時間の撹拌は間欠的に行うことが好ましい。
こうして得られたゲルに残りの原料を加え、これを均
一に混合する。ここに於ける残りの原料は、使用する原
料からゲル化前に加えた原料を除いたものであり、この
中には耐アルカリガラス繊維が常に含まれる。水もさら
に加えられるが、ここでの水/固体重量比も特に規制さ
れない。繊維質原料を均一に混合するためには、前記水
比が2.0〜4.0の範囲が適当である。ここで使用される混
合機としては、拡散混合型のものが好ましく、一例とし
てはオムニ型ミキサーがあげられる。この場合の混合時
間は、5分以内で十分である。この混合物は、その後金
型に入れて加圧脱水成形するが、その圧力は3〜30kgf/
cm2が適当である。これが3kgf/cm2未満であると、脱型
後の保形性がよくなく、移送時に変形などを起こし、30
kgf/cm2を超えると、加圧養生後の成形体に層状のクラ
ックが発生しやすい。型枠は任意のものが使用できる
が、製品の厚みは出来れば、100mm以内が好ましい。あ
まり厚いと反応の均一性が損なわれる恐れがある。ここ
で成形された成形体の水/固体重量比は、通常1.0〜3.0
の範囲にあるが、この場合、その後の反応及び乾燥した
製品カサ密度は、ほぼ0.3〜0.7g/ccとなる。
上記の成形体を、次にオートクレーブ中で加熱反応す
る。反応条件としては、飽和水蒸気圧下で、温度は通常
140〜200℃の範囲で行う。140℃未満ではトバモライト
の生成が著しく遅延し、200℃を超えると一部ゾノトラ
イトが生成し、製品の強度が低下するためいずれも好ま
しくない。経済性と品質の安定性の両面からすると、16
0〜195℃の範囲で反応を行なわせることがより好まし
く、さらに好ましくは170〜190℃の範囲である。反応時
間版、反応後の成形体の粉末X線回折を行った場合のTi
/Q比が0.1〜1.0の範囲となる条件に設定するが、本発明
実施例1〜4の例でいえば、180℃の温度で3〜8時間
の範囲であり、160℃の温度の場合5〜18時間、195℃の
温度の場合2〜6時間の範囲となる。もちろん、本発明
ではこれらの温度と時間に限定されるものではない。な
お、ここに於けるTi及びQiのそれぞれも、既に述べたと
同様に、トバモライト結晶の(002)面、石英結晶(10
1)面のX線回折強度を示す。合成後の硬化体は乾燥
し、最終製品とする。
(発明の効果) 以上の本発明による珪酸カルシウム成形体は、カサ密
度が0.3〜0.7g/ccと軽量で、比強度=(曲げ強度)/
(カサ密度)が260以上であり、断面、切削、研磨等
の加工性が容易で、加工時の発塵もなく、しかもビスね
じの保持力も大きいものとなる。さらに、製品表面ある
いは内部には、亀裂、フクレ、気孔などもなく、不燃
性、耐熱性、寸法安定性などにも優れ、壁材、間仕切
材、床材、断熱材などとして幅広く使用されるものとな
る。
実施例1〜4及び比較例1〜3. 生石灰粉末2.47kgを90℃の温水8.65kgの中に投入し消
化させ石灰乳を得た。この石灰乳を32℃に冷却した後、
珪藻土微粉末(325メッシュ全通)0.67kgを添加し、水
/固体重量比が、3.5となるように冷水を追加した後に
均一に混合した。その後、温浴上で加熱し、80〜92℃で
2時間ゲル化を行った。ゲル化後、これを直ちに60℃ま
で冷却し、珪石粉末(鳥屋根珪石250メッシュ全通)2.0
2kg、珪藻土微粉末0.67kg,耐アルカリガラス繊維0.37kg
及びパルプ0.37kgを添加し、オムニ型ミキサーで2分間
均一に混合した。この混合物の組成は次の通りであっ
た。
CaO/SiO2モル比 ……0.83 非晶質シリカ/(結晶質シリカ+非晶質シリカ) 耐アルカリガラス繊維配合率 ……5% パルプ配合率 ……5% この混合物を、内寸法610×1220mmの金型に投入し
て、12.0kgf/cm2で脱水成形した。この成形体の脱型後
の厚みは18mmであった。次に、これをオートクレーブに
入れ、飽和蒸気圧下で180℃で所定時間反応させてオー
トクレーブより取り出し、乾燥機を用い105℃で絶乾に
乾燥した。乾燥後の製品のカサ密度は0.54〜0.56g/cc
で、サイズは610×1220mm、厚さは18mmで、寸法変化は
なかった。
また、この実施例1のSEM写真を、第1図示す。この
写真には、石英の表面全体が白色の粒子凝集体を呈して
いるC−S−Hで覆われており、所々にトバモライトが
生成しているのが認められる。
これら製品の物性測定結果を第1表に示す。
なお、同表には比較令を示したが、これはTi/Qiが0.1
〜1.0の範囲外となるように造られたものである。
第1表に示されている曲げ強度は、JISA 1408によっ
た。ただし、試験体の寸法は、幅80mm×長さ180mm×厚
さ15mmで、スパン長は100mmとした。燃焼性は、JISA 1
321に従った。
切削性は、製品の略中央に近い部分から、長さ(X)
50mm×幅(Z)10mm×厚さ(Y)50mmの大きさの試験体
を切り出し、第2図に示すような刃角28゜の刃物を用い
て、切り込み量1mmで切削速度20mm/minで切削し、切削
屑が連続したものを○、不連続のものを×、中間的なも
のを△として判定した。
実施例5. オートクレーブの反応時間を5時間30分とした以外は
実施例1と同様な方法により製品を得た。実施例5にか
かる珪酸カルシウム成形体のマトリックスのSEM写真を
第3図に示す。この第3図によると、トバモライト、C
−S−Hが混在しているのが分かる。実施例5の珪酸カ
ルシウム成形体のマトリックスの、粉末X線回折チヤー
トを第4図に示す。ここに示されるように、トバモライ
ト及び石英のピークがみられ、トバモライトの(002)
面(2θ=7.82゜)及び石英の(101)面(2θ=26.65
゜)の強度比をTi,Qiとすると、Ti/Qiは0.64であった。
また、この実施例5のものを曲げ破壊し、その破断面の
ガラス繊維及びパルプのSEM写真を、第5図(A)およ
び(B)、第6図(A)および(B)に示す。
第5図(A)には、ガラス繊維の表面が珪酸カルシウ
ムの基材で覆われている状態がよく示されている。同図
(B)は、第5図(A)に示したガラス繊維の中の1本
をさらに拡大して示したものであるが、これによれば、
ガラス繊維の表面にC−S−Hとトバモライトが固着し
ていることが分かり、これによって基材とガラス繊維と
が強固に固着されていることが分かる。第6図(A)
は、上記と同種の破断面を示すものであるが、ここには
パルプの表面が珪酸カルシウムの基材で覆われている状
態が示されている。同図(B)は、第6図(A)に示し
たものをさらに拡大して示したものであるが、これによ
れば、表面にC−S−Hと一部ではあるがトバモライト
が固着していることが分かり、これによって基材とパル
プとが強固に固着されていることが分かる。
実施例6〜8及び比較例4〜6. 非晶質シリカの比率及び添加方法を変えた以外は実施
例4と同様な方法により製品を得た。結果を第2表に示
す。比較例4〜6についても同様にして行った。
【図面の簡単な説明】
第1図は、実施例1の珪酸カルシウム成形体の結晶構造
を示すSEM写真、第2図は、この発明になる珪酸カルシ
ウム成形体の切削性を試験するための方法を示した説明
図、第3図は、実施例5の珪酸カルシウム成形体の結晶
構造を示すSEM写真、第4図は、実施例5の珪酸カルシ
ウム成形体の粉末X線回折チャート、第5図(A)、
(B)及び第6図(A)、(B)は、実施例5の珪酸カ
ルシウム成形体を曲げ破壊したものの破断面のガラス及
びパルプの各繊維形状のSEM写真。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C04B 14:42) C04B 14:42) 111:30 111:30 (72)発明者 金子 勝秋 東京都江東区豊洲1丁目1番7号 小野 田セメント株式会社中央研究本部内 (72)発明者 柴崎 英夫 東京都江東区豊洲1丁目1番7号 小野 田セメント株式会社中央研究本部内 (72)発明者 田村 典敏 東京都江東区豊洲1丁目1番7号 小野 田セメント株式会社中央研究本部内 (56)参考文献 特開 昭57−56360(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】トバモライト、C−S−H及び石英で形成
    された珪酸カルシウムのマトリックスに、補強材として
    ガラス繊維及びパルプをそれぞれ2〜10重量%含む成形
    体で、該成形体を粉末X線回折したときのTi/Qi比が0.1
    〜1.0であり、絶乾カサ密度が0.3〜0.7g/ccである高強
    度珪酸カルシウム成形体(ただし、Ti及びQiは、それぞ
    れトバモライト結晶の(002)面、石英結晶(101)面の
    X線回折強度を示す。)。
  2. 【請求項2】石灰質原料と珪酸質原料と繊維とからな
    り、石灰質原料と珪酸質原料との配合比がCaO/SiO2モル
    比で0.6〜0.9とし、珪酸質原料は結晶質シリカと非晶質
    シリカよりなりかつ結晶質シリカと非晶質シリカとの比
    率が非晶質シリカ/(結晶質シリカ+非晶質シリカ)の
    重量比で0.2〜0.8とし、繊維は耐アルカリガラス繊維と
    パルプよりなりかつ各々の配合比が2〜10重量%とした
    ものを原料として、まず石灰質原料と非晶質シリカの少
    なくとも一部とを水と混合して50℃以下のスラリーと
    し、このスラリーを80℃以上の温度に加温してゲル化
    し、ここに得られたゲル状物を耐アルカリガラス繊維を
    含む残余の原料とともに均一に混合し、この混合物を圧
    力3〜30kgf/cm2で脱水成形して成形体を得て、この成
    形体をオートクレーブ中で加熱反応し、これにより得ら
    れる成形体を粉末X線回折したときのTi/Qi比を0.1〜1.
    0とすることを特徴とする高強度珪酸カルシウム成形体
    の製造方法。
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