JP4041839B1 - 剛性材の製造方法および剛性材 - Google Patents

Abstract

【課題】産業廃棄物から得られる無機質材料、有機質材料を利用し、強度が強く、軽量で防水性、耐水性、伸び性を有し、絶縁抵抗の高い剛性材の製造方法および剛性材を提供すること。
【解決手段】無機質材料を粉砕し、篩い分けして無機質粉粒体を生成する第一工程と、有機質材料を粉砕し、篩い分けして有機質粉粒体を生成する第二工程と、混練補助材と前記無機質粉粒体と有機質粉粒体を均一に混練し混練物を生成する第三工程と、前記混練物を焼成し、焼成体を生成する第四工程と、前記焼成体を加圧成形する第五工程とから構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は無機質材料と有機質材料とを原材料として生成される剛性材の製造方法および当該製造方法によって製造される剛性材に関する。

鉱滓、脈石などの無機質廃棄物は、単体としてはセメント、煉瓦の原料などに使用される場合がある。一方で、廃ペットボトルに代表される廃プラスチックなどの有機質廃棄物は、粉砕して燃料として使用される場合がある。このように、無機質廃棄物、有機質廃棄物ともに、ある程度は再利用されているが、その量は決して多くはなく、大部分は最終処分として埋め立て、もしくは焼却されており、環境問題を引き起こしている。

このような問題を改善するため、特許文献１には、廃棄物中の無機質材料の再利用方法として、鉱滓、石灰石に固化剤とを混合することにより生成されるコンクリートブロックの製造方法が開示されている。また一方で、特許文献２には、廃棄物中の有機質材料の再利用方法として、有機質材料である廃プラスチックを溶融した後、無機質材料である廃焼成物を加えることで廃プラスチックを再利用する方法が開示されている。
特開２００２−４５０７８号公報 特開２０００−２４６２０号公報

しかしながら、廃棄物中の無機質材料を再利用しようとした場合、単に或る製品の原料として用いるのでは無機質材料自身の付加価値は低い。付加価値を高めるために煉瓦やセメントとすることで再利用しようとした場合には、粉砕して高温で処理する必要がありコストが高くなる。

一方、廃棄物中の有機質材料を再利用しようとした場合、種々の有機質材料を含有する廃棄物から、再利用の目的に応じて個別に有機質材料を選別し、そのそれぞれについて化学処理を施す必要がありコストが高くなる。

また、特許文献１に開示されているように、廃棄物中の無機質材料を用いてコンクリートブロックを製造した場合、当該コンクリートブロックは比重が重いため運搬に不便であり、外部応力が加わると脆いといった問題が生じ得る。さらに、コンクリートブロックを長期間水中に放置すると、その成分が水中に溶け出したり、炭酸ガスや亜硫酸ガスを含む水と反応して変質する問題も生じ得る。

また、特許文献２に開示されているような、従来の無機質材料である廃焼成物と有機質材料である廃プラスチックとからなる生成物にあっては、強度が弱く、外部応力や圧力がかかる場所での使用には不向きである場合が多かった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、産業廃棄物から得られる無機質材料と有機質材料を用いることで資源の再利用を行い、強度が強く、軽量で防水性、耐水性に富み、伸び性を有し、電気絶縁抵抗の高い剛性材の製造方法および剛性材を提供することを主たる課題とする。

前記課題を解決するための本願発明の剛性材の製造方法は、無機質材料を粉砕し、篩い分けして無機質粉粒体を生成する第一工程と、有機質材料を粉砕し、篩い分けして有機質粉粒体を生成する第二工程と、混練補助材と前記無機質粉粒体及び前記有機質粉粒体を、均一に混練し混練物を生成する第三工程と、前記混練物を焼成し、焼成体を生成する第四工程と、前記焼成体を加圧成形する第五工程とからなることを特徴とする。

また、前記本願発明の製造方法においては、無機質材料が、鉱滓、脈石、焼成煉瓦および陶磁器からなる群のうち任意に選択された一または二以上であってもよい。

また、前記本願発明の製造方法においては、前記第一工程において生成される無機質粉粒体の粒径が目開き寸法で２０ｍｍ以下であり、前記第二工程において生成される、有機質粉粒体の粒径が目開き寸法で１２．５ｍｍ以下であり、前記第三工程における有機質粉粒体の重量が無機質粉粒体の総重量の１／５以上であり、前記第五工程における加圧圧力が０．２ｋｇ／ｃｍ^２以上であってもよい。

前記課題を解決するための本願発明の剛性材は、前記本願発明の製造方法により生成されていることを特徴とする。

また、本願発明の剛性材においては、前記剛性材の断面形状が、板状のものが汎用品であるが、Ｔ形、多角形、丸形、管状であってもよい。

本願発明によれば、産業廃棄物より得られる無機質材料と有機質材料を原材料とすることができ、資源を有効に再利用することができる。また、焼成の際、有機質粉粒体が無機質粉粒体の表面を覆うことから本願発明の剛性材は防水性、耐水性に富む。

また、本願発明は、無機質粉粒体の粒径および無機質粉粒体と有機質粉粒体の配合比を調整することにより、剛性材の強度を高めることができ、コンクリートと略同等の強度を得ることができる。

さらに本願発明の剛性材は、伸び性を有し、コンクリートのように外部応力による破損のおそれも少ない。

また、本願発明は、焼成温度と成形圧力を調整することにより、水道水浸漬試験でも重量や厚みの経年変化が小さく、連続促進暴露、冷却によっても圧縮強さは殆ど一定で、また電気絶縁抵抗の大きい剛性材とすることができ、その結果、屋外での利用に適し、漏電、感電の危険もない。

まずはじめに、本願発明の剛性材の製造方法について、図面を用いて具体的に説明する。

図１は、本願発明の剛性材の製造方法のフローチャート図である。

図１に示すように、本願発明の剛性材の製造方法は、無機質材料を粉砕し、篩い分けて無機質粉粒体１０を生成する第一工程Ｓ１と、有機質材料を粉砕し、篩い分けして有機質粉粒体１１を生成する第二工程Ｓ２と、混練補助材１２と、前記無機質粉粒体１０と有機質粉粒体１１を均一に混練し混練物１３を生成する第三工程Ｓ３と、前記混練物１３を焼成し焼成物１４を生成する第四工程Ｓ４と、前記焼成物１４を加圧成形する第五工程Ｓ５とから構成される。

以下に各工程について詳細に説明する。

＜第一工程＞
本工程は無機質材料を粉砕し、篩い分けして無機質粉粒体１０を生成する工程である。

ここで、本工程における原料である無機質材料の材料については、特に限定されることはなく、いかなる材料であってもよい。産業廃棄物から得られる無機質材料を用いることで資源の再利用を図ることができることから、例えば金属の高温熔融精錬の副産物である鉱滓、金属を含む鉱石を湿式法で精錬する際派生する脈石、廃棄された焼成煉瓦および陶磁器を用いることが望ましい。

粉砕の方法については、後述する所定の粒径の無機質粉粒体１０を得ることができる範囲で適宜設定することができる。

無機質粉粒体１０の粒径については、剛性材の強度を発揮しえる範囲で適宜設定することができる。具体的には、無機質粉粒体１０の粒径は２０ｍｍ以下であることが望ましく、さらに剛性材の強度を確保するために、数種類の粒径の無機質粉粒体を均一に混練し、加圧成形することで無機質粉粒体の粒子が自由に動き回ることを阻止している。このような観点からすると、無機質粉粒体１０の粒径が５６０μｍ未満の第一グループ、５６０μｍ以上２．３ｍｍ未満の第二グループ、２．３ｍｍ以上１２．５ｍｍ未満の第三グループ、１２．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の第四グループとからなることがさらに望ましい。

ここで、篩い分けの方法については、特に限定されることはなく、前記に示した粒径の無機質粉粒体１０に篩い分けることができればいかなる方法であってもよい。

＜第二工程＞
本工程は有機質材料を粉砕し、篩い分けして有機質粉粒体１１を生成する工程である。

本工程における原料である有機質材料の材料については、特に限定されることはなく、いかなる材料であってもよい。産業廃棄物から得られる有機質材料を用いることで資源の再利用を図ることができることから、例えば廃プラスチックおよび廃ペットボトルなどを用いることが望ましい。

次に本工程における粉砕方法について説明する。粉砕の方法については、後述する所定の粒径の有機質粉粒体１１を得ることができる範囲で適宜設定することができる。

次に本工程における有機質粉粒体１１の粒径について説明する。有機質粉粒体１１の粒径については、特に限定されることはなく、いかなる粒径であってもよい。本発明において有機質粉粒体１１は、無機質粉粒体１０の粉粒体同士を結びつけるために用いられているが、有機質粉粒体１１は後述する第四工程において、焼成中に単にバインダーとしての役割を果たすだけでなく、有機質粉粒体１１が無機質粉粒体１０の表面を覆うことで、剛性材の防水性、耐水性を向上せしめるために用いられている。このような観点からすると有機質粉粒体１１の粒径は１２．５ｍｍ以下であることが望ましい。

篩い分けの方法については、特に限定されることはなく、前記に示した粒径の有機質粉粒物に篩い分けることができればいかなる方法であってもよい。

＜第三工程＞
本工程は混練補助材１２と第一工程で生成された無機質粉粒体１０と第二工程で生成された有機質粉粒体１１を均一に混練し混練物１３を生成する工程である。

本工程における混練方法について説明する。混練補助材１２は吸水性を有し、無機質粉粒体１０及び有機質粉粒体１１となじみやすいものであれば混練補助材について特に限定はない。例えばおが屑、繊維状にほぐした古紙などが挙げられる。

また混練補助材１２の重量は無機質粉粒体１０及び有機質粉粒体１１の合計重量に対し５％以下であることが望ましく、２％以下がさらに望ましい。さらには混練補助材１２がわずかに湿り気を帯びる程度の水を加え、水が均一にいきわたるよう撹拌し、第一工程で生成された無機質粉粒体１０のうち、最小粒径のものに加湿した混練補助材を混ぜ合わせ、以下順次粒径の大きいものを混ぜ、最後に第二工程で生成された有機質粉粒体１１を混ぜ合わすことが望ましい。

また本願発明によって製造される剛性材の強度は無機質粉粒体１０と有機質材料１１の配合によって変化することから、無機質粉粒体１０と有機質粉粒体１１の配合については前記剛性材が強度を発揮しえる範囲で適宜設定することができる。具体的には有機質粉粒体１１の重量が無機質粉粒体１０の総重量に対して１／５以上であることが好ましく、さらには１／２以上であることが特に好ましい。有機質粉粒体の重量が無機質粉粒体の総重量の１／５以下では、無機質粉粒体と有機質粉粒体が十分に焼結せず、剛性材の強度が殆ど期待できないからである。

＜第四工程＞
本工程は第三工程で生成された混練物１３を焼成し、焼成物１４を生成する工程である。

本工程における混練物１３の焼成条件について説明する。焼成は混練した無機質粉粒体１０の粒子間の隙間を有機質粉粒体１１により埋めたうえ無機質粉粒体１０の粒子同士を結合させる目的のために行われ、有機質粉粒体１１が無機質粉粒体１０のバインダーとしての役割を果たすことができれば焼成温度については特に限定はないが剛性材の物理的性質を勘案すると、有機質材料が化学的に殆ど変質しない温度である２００〜２９０℃の範囲内であることが望ましい。

＜第五工程＞
本工程は第四工程で生成された焼成物１４を加圧成形する工程である。

本工程における焼成物１４の加圧条件について説明する。加圧は焼成物１４に圧力をかけることで、焼成物１４の粒子間の隙間を減らし強度と防水性を付与することを目的としており、前記防水性の機能を発揮できる範囲で適宜設定することができる。防水性の確保を目的とするのであれば圧力は０．２ｋｇ／ｃｍ^２以上でよいが、さらに強度を確保するためには圧力が０．４〜０．６ｋｇ／ｃｍ^２の範囲であることが好ましい。

また本願発明の製造方法によって製造される剛性材の断面形状は板状、Ｔ形、多角形、丸形、管状であることに特徴があり、前記断面形状となるような加圧方法であればその方法について特に限定されるものではない。

例えば、上下二本の水平ロールと垂直な二本のエッジャーロールを組み合わせたユニバーサルタイプの機械を用い焼成物を加圧することで剛性材の断面形状が板状の剛性材を得ることができ、ロールに適当なカリバーをきることにより剛性材の断面形状をＴ形、多角形、丸形とすることができる。また混練物を上下二枚の薄鋼板の間に挟み焼成後、焼成物をＵプレス機とＯプレス機で加圧しながら管状に成形し、薄鋼板の両縁を溶接することで剛性材の断面形状を管状とすることもできる。

次に本願発明の剛性材について説明する。本願発明の剛性材は、前記第一工程〜第五工程において製造されていることに特徴があり、各工程の説明については省略する。

以下に本願発明の剛性材を用いた応用製品について説明する。

本願発明の剛性材は、紙基材、布基材およびガラス繊維基材に比べて電気絶縁抵抗値が高いことから剛性材に発熱体を組み込んでも感電の危険が無い。

従って本発明の特徴である電気絶縁抵抗値の高い剛性材で発熱体を覆うことによって漏電、感電の発生を抑えることが可能となり、例えば屋外の屋根などの融雪に用いることができる。

発熱体は剛性材に組み込める範囲で適宜設定することができ、発熱体の材質、大きさ、形状について特に限定はない。発熱体として例えばニクロム線が挙げられる。

また、剛性材は発熱体を組み込める範囲で適宜設定でき、剛性材の大きさ、断面形状について特に限定はないが、例えば断面形状が矩形の平板である剛性材が挙げられる。

発熱体を組み込む方法についても特に限定はなく、例えば、剛性材で発熱体の表面を覆う方法や、剛性材の内部に発熱体を埋め込む方法が挙げられる。

図２は剛性材を用いた防水擁壁を示す図である。本防水擁壁は台板６３の溝部分に剛性材６１を嵌め込み、台板に杭６４で地盤に固定し剛性材６１と台板６３を補強材６２で更に固定したものを連結板６５で連結させたものである。

本発明による剛性材６１を用いた剛性材応用製品は、コンクリートにはみられない伸び性を有し、圧縮強さもコンクリートと略同等であり水や温度変化の影響も受けにくいことから主として屋外で使用する構造材として有用である。

特にコンクリートよりも軽量で持ち運びが容易であることから剛性材６１を平板状のまま保管し、洪水等が予想される際構造物の周辺に短時間に防水擁壁を設置することで、洪水による被害から構造物を守ることが可能である。

図３は斜面の崩壊防止用杭として斜面に剛性材を埋め込んだ図である。剛性材７１を杭として自然斜面、切土斜面、盛土斜面に対し予め略直角に埋め込んでおくことで斜面７２の崩壊を防ぐことが可能となる。剛性材７１の断面形状は斜面に埋め込むことができる範囲で適宜設定できる。具体的には断面形状が板状、Ｔ形、多角形、丸形または管状を用いることが望ましい。

図４は堤防の補強材として堤防に剛性材を打設した図である。

堤防に対し略水平に、剛性材８１を堤防８２上面から、河川８３底方向に向けて打設することで堤防８２の補強を行うことが可能となる。

堤防内に打設することができれば、剛性材８１の形状に特に限定はなく、いかなる形状の剛性材を用いることもできるが、効果を最大に発揮できる形状として平板状であることが望ましい。

本発明の剛性材を参考例を用いてさらに具体的に説明する。

(参考例)
無機質材料として湿式精錬法で得られる脈石、鉱滓、焼成煉瓦屑、陶磁器破片を、有機質材料としてペットボトル、発泡スチロールを用意した。

前記無機質材料および有機質材料を粉砕し、篩を用いて篩い分けを行い、粒径５６０μｍ未満の無機質粉粒体（以下第一グループとする）、粒径５６０μｍ以上２．３ｍｍ未満の無機質粉粒体（以下第二グループとする）、粒径２．３ｍｍ以上１２．５ｍｍ未満の無機質粉粒体（以下第三グループとする）、および粒径１２．５ｍｍ以下の有機質粉粒体を用意した。

次に無機質粉粒体と有機質粉粒体を合わせた粉末を１００重量％とし、無機質粉粒体の第一グループ２０重量％、第二グループ２８重量％、第三グループ１２重量％、有機質粉粒体を４０重量％配合し、混練を行った。

混練後の合成粉末を温度計付電気炉を使用し最高温度２６０℃にて焼結を行い、焼結後０．４〜０．６ｋｇ／ｃｍ^２の圧力にて剛性材の加圧成形を行った。

以上の参考例の試験片に対し、コンクリートとの比較試験、促進暴露試験、冷却試験、水中に浸漬させた場合のプラスチックとの重量および厚み比較試験、および紙基材、布基材、ガラス繊維基材との電気絶縁抵抗比較試験を行った。

＜剛性材試験片とコンクリートの比較試験＞
圧縮強さ測定はＪＩＳ Ｒ５２０１セメントの物理試験方法に基づいて行った。引張り強さ及び伸び性測定はＪＩＳ Ｚ２２４１金属材料引張り試験方法に基づいて行った。試験片はＪＩＳ Ｚ２２０１に準拠した５号試験片を用いた。曲げ強さ測定はＪＩＳ Ｒ５２０１セメントの物理試験方法に基づいて行った。硬さ測定はＪＩＳ Ｚ２２４６ショア硬さ試験方法に基づいて行った。

表１にコンクリートとの比較における圧縮強さ、引張り強さ、伸び性、曲げ強さ、硬さ及び比重結果を示す。

表１から明らかなように、圧縮強さはコンクリートと比較して略同等であり、伸び性は３〜６％とコンクリートにはみられない伸び性を示している。また比重もコンクリートの重量に対して略３５〜６０％と軽量効果を得ることができたことが確認された。

＜促進暴露、冷却における圧縮強さ試験＞
促進暴露試験はＪＩＳ Ａ１４１５プラスチック建築材料の促進暴露試験方法を適用した後、ＪＩＳ Ｒ５２０１に基づいて圧縮強さ試験を行った。冷却試験は大口径のジャーに冷媒を入れ、その中へ試験片を入れ、所定の温度と時間が経過したところで試験片を取り出し、直ちにＪＩＳ Ｒ５２０１に基づいて圧縮強さ試験を行った。

表２に促進暴露期間における、暴露後の剛性材の圧縮強さ結果について、表３に冷却温度を変化させた場合における、剛性材の圧縮強さ結果について示す。

表２から明らかなように、剛性材試験片を０〜４８０時間連続の促進暴露した場合においても、剛性材の圧縮強さは変化しておらず、良好な圧縮強さを維持していることが確認された。

表３から明らかなように、剛性材試験片を２３℃から−１０℃、−３０℃と冷却しても冷却後の剛性材試験片の圧縮強さに変化はみられず、良好な圧縮強さを維持していることがわかる。

＜水槽中に浸漬させた場合の剛性材試験片とプラスチックの重量、厚み比較試験＞
本試験は剛性材とプラスチックをそれぞれ水槽中に一定期間浸漬させた後、剛性材試験片とプラスチックの重量を測定しそれぞれの重量および厚みの変化を比較した。重量測定には上皿天秤を用い、厚み測定には精密マイクロメーターを用いた。

表４に水槽中に一定期間浸漬させた場合の剛性材とプラスチックの重量、厚み比較試験結果を示す。

表４から明らかなように、一年間浸漬させた場合におけるプラスチックの重量変化が２．１％であるのに対し、剛性材試験片の重量変化は＋３．６％と略同等の重量変化であることが確認できる。

また厚さ変化についてもプラスチックの厚さ変化が＋１．４％であるのに対し剛性材試験片の厚さ変化は＋１．７％と略同等の厚み変化であり、重量、厚さともほとんど変化していないことが確認できる。

また同じ期間地中へ埋設したが重量、厚さともほとんど変化しなかった。

＜紙基材、布基材、ガラス繊維基材との電気絶縁抵抗比較試験＞
電気絶縁抵抗試験はＪＩＳ Ｋ６９１１熱硬化性プラスチック一般試験方法に基づいて行った。

表５に紙基材、布基材、ガラス繊維基材との電気絶縁抵抗比較試験を示す。

表５から明らかなように剛性材の電気絶縁抵抗値は１．０×１０^９と紙基材、布基材、ガラス繊維基材と比較して非常に大きい電気絶縁抵抗値を得た効果が確認できる。

剛性材の製造工程のフローチャートを示す図である。 剛性材を用いた防水擁壁を示す図である。 斜面の崩壊防止用杭として斜面に剛性材を埋め込んだ図である。 堤防の補強材として堤防に剛性材を打設した図である。

符号の説明

６１、７１、８１…剛性材
６２…補強材
６３…台板
６４…杭
６５…連結板
７２…斜面
８２…堤防
８３…河川

Claims (4)

1. 無機質材料を粉砕し、篩い分けして粒径が目開き寸法で５６０μｍ未満の第一グループ無機質粉粒体と、５６０μｍ以上２．３ｍｍ未満の第二グループ無機質粉粒体と、２．３ｍｍ以上１２．５ｍｍ未満の第三グループ無機質粉粒体と、１２．５ｍｍ以上２０．０ｍｍ以下の第四グループ無機質粉粒体を生成する第一工程と、
   有機質材料を粉砕し、篩い分けして粒径が目開き寸法で１２．５ｍｍ以下の有機質粉粒体を生成する第二工程と、
   前記無機質粉粒体のうち最小粒径の第一グループ無機質粉粒体と、水分を加えたおが屑または古紙とを混ぜ合わせ第一混練体を生成し、
   前記第一混練体と、第二グループ無機質粉粒体とを混ぜ合わせ第二混練体を生成し、
   前記第二混練体と、第三グループ無機質粉粒体とを混ぜ合わせ第三混練体を生成し、
   前記第三混練体と、第四グループ無機質粉粒体とを混ぜ合わせ第四混練体を生成し、
   前記第四混練体と、無機質粉粒体の全重量の１／５以上の有機質粉粒体とを混ぜ合わせ第五混練体を生成する第三工程と、
   前記第五混練体を有機質材料が化学的に変質しない温度で焼成し、焼成体を生成する第四工程と、
   前記焼成体を０．２ｋｇ／ｃｍ ^２ 以上の圧力で加圧成形する第五工程と、
   からなることを特徴とする剛性材の製造方法。
2. 前記無機質材料が、鉱滓、脈石、焼成煉瓦および陶磁器からなる群のうち任意に選択された一または二以上であることを特徴とする請求項１に記載の剛性材の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の剛性材の製造方法によって製造されたことを特徴とする剛性材。
4. 断面形状が、板状、Ｔ形、多角形、丸形、管状のいずれか一の形状であることを特徴とする請求項３に記載の剛性材。

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