JP4386411B2

JP4386411B2 - 多孔体被覆繊維及び断熱材

Info

Publication number: JP4386411B2
Application number: JP2003152877A
Authority: JP
Inventors: 牧男内藤; 浩也阿部; 泰男伊藤; 高弘大村; 雅浩吉川; 武久福井
Original assignee: Hosokawa Micron Corp; Nichias Corp
Current assignee: Hosokawa Micron Corp; Nichias Corp
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: JP2004353128A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多孔体被覆繊維、及び前記多孔体被覆繊維を加圧成形してなる断熱材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
より熱伝導性が低く、断熱性能に優れた断熱材として、低熱伝導材料である超微粒子状無水シリカ（例えば、日本アエロジル株式会社製：商品名アエロジル）と、セラミックファイバと、反射材としての酸化チタンとを混合し、プレス成形を行った後、機械加工することによって得られる低熱伝導断熱材（特許文献１〜６参照）等が知られている。
【特許文献１】
特開平７−２６７７５６号公報
【特許文献２】
特表平１０−５０９９４０号公報
【特許文献３】
特表平１０−５０９９４１号公報
【特許文献４】
特表平１１−５１３３４９号公報
【特許文献５】
特表平１０−５１４９５９号公報
【特許文献６】
特表２０００−５０６５７０号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の超微粒子状無水シリカや超臨界乾燥シリカは、直径数ｎｍ〜数十ｎｍの微粒子で、常温（２５℃）での熱伝導率（以下、同様）が０．０１Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度の低熱伝導材料である。しかし、超微粒子状無水シリカや超臨界乾燥シリカは直径数ｎｍ〜数十ｎｍの微粒子であることから、分子間力等により会合して二次粒子を形成し、図５に模式的に示すように、この二次粒子１０がセラミックファイバやガラスファイバ等の無機繊維１の繊維間に点在している。そのため、無機繊維１が絡み合っている部分では繊維間での熱伝導が起こり、超微粒子状無水シリカや超臨界乾燥シリカが持つ低熱伝導性が大きく損なわれている。例えば、ガラスファイバの熱伝導率は０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、断熱材全体としての断熱性能はこのガラスファイバの熱伝導率に大きく依存している。
【０００４】
また、断熱性能を重視して、バインダを用いることなく、無機繊維と超微粒子状無水シリカや超臨界乾燥シリカとの混練物をプレス成形しているため、機械的強度が不足しており、断熱材が割れたり、切断端面の欠け等が起こりやすく、取り扱い性や加工性に劣るという欠点もある。更に、超微粒子状無水シリカや超臨界乾燥シリカの二次粒子１０は繊維間に入り込んでいるだけであり、この二次粒子１０と無機繊維１との付着力も小さく、二次粒子１０が脱離して（粉落ち）外部を汚染する。そのため、例えば、半導体製造装置等の清浄さが要求される用途には使用し難いという問題もある。
【０００５】
そこで本発明の目的は、断熱性能に優れ、更に機械的強度や取扱性、加工性にも優れる断熱材、並びに前記断熱材を得るのに好適な多孔体被覆繊維を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、円筒状の回転チャンバ内に、前記回転チャンバの内壁との間で微小隙間を形成する押圧部材を配設した回転混合装置に、無機繊維と無機微粒子とを投入し、前記微小隙間に繰り返し通過させて得られ、無機微粒子がリング状または螺旋状に会合した二次粒子で形成される多孔体により、無機繊維が被覆されている多孔体被覆繊維、並びに前記多孔体被覆繊維を加圧形成してなる断熱材を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
【０００８】
図１は本発明の多孔体被覆繊維を示す模式図であり、図２は無機微粒子からなる二次粒子を拡大して示す模式図である。図示されるように、本発明の多孔体被覆繊維１００は、複数の無機微粒子１０ａがリング状または螺旋状に会合した二次粒子１０が無機繊維１に付着し、更に堆積して形成される多孔体で被覆されている。
【０００９】
無機微粒子１０ａは、低熱伝導性の無機材料からなる微粒子であり、例えば超微粒子状無水シリカや超臨界乾燥シリカ等を使用することができる。上述のように、これらは熱伝導率が０．０１Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、本発明においても好ましいものである。その他にも、アルミナ等の微粒子も用いることができる。また、無機微粒子１０ａは、平均粒子径で５〜５０ｎｍであることが好ましい。上述のように、また図２にも示すように、このような微粒子は、分子間力、静電気力等により会合してリング状または螺旋状の二次粒子１０を形成するが、その際、リング内径（Ｒ）が０．１μｍ（１００ｎｍ）以下であることが好ましい。これは、伝熱媒体となる空気の平均自由行程が常温で約１００ｎｍであり、リング内径（Ｒ）が０．１μｍ程度以下以下であれば二次粒子１０を通じての伝熱をほぼ防止できることによる。尚、後述するように、二次粒子１０は変形した状態で積層して多孔体を形成するが、その際にリング内径（Ｒ）も小さくなり、空気の平均自由行程以下となる。平均粒径が５〜５０ｎｍの無機微粒子１０ａは、このようなリング内径（Ｒ）の二次粒子１０を形成しやすい。これら無機微粒子１０ａは、複数種を併用してもよい。更に、必要に応じて、他の無機粒子を混合してもよい。
【００１０】
無機繊維１は、アルミナ繊維、シリカ・アルミナ繊維、シリカ繊維、ムライト繊維等のセラミック繊維、ガラス繊維、ロックール等を用いることができる。中でも、低熱伝導性の、好ましくは熱伝導率０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、特に０．０４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の無機繊維が好ましく、シリカ・アルミナ繊維やシリカ繊維等のシリカ系繊維を好適に使用できる。また、無機繊維１は、平均繊維径が１５μｍ以下であることが好ましい。平均繊維径が１５μｍを超えると、表面積が大きくなるため、後述する二次粒子１０による被覆作業に長時間を要し製造上好ましくない。更に、無機繊維１の平均繊維長は５０μｍ以上が好ましい。平均繊維長が５０μｍ未満では、成形したときの多孔体被覆繊維１００の配向が少なく、機械的強度が不足する。これらの無機繊維１は、複数種を併用してもよい。
【００１１】
無機繊維１と無機微粒子１０ａとの配合比は、無機繊維１が５〜５０質量％で、無機微粒子１０ａが５０〜９５質量％であることが好ましい。無機微粒子１０ａの配合割合が５０質量％未満では、無機繊維１が２次粒子１０により十分厚く被覆されないおそれがある。
【００１２】
本発明の多孔体被覆繊維１００を得るには、無機繊維１と無機微粒子１０ａとを上記の配合で混合した混合物を微小隙間に繰り返し通過させればよい。具体的には、図３に示すような回転混合装置３０を用いる。この回転混合装置３０は、円筒状のチャンバ３１の内部に、押圧部材３２を配して構成されている。チャンバ３１は図中矢印方向に回転し、押圧部材３２は、その一端がチャンバ３１の内壁との間で所定の微小隙間を形成するように固定されている。
【００１３】
そして、回転混合装置３０に、無機繊維１と無機微粒子１０ａとを上記配合比にて投入し（図中、符号３５）、チャンバ３１を回転させる。この回転に伴い、無機繊維１は解繊され、それと同時に個々の無機繊維１に無機微粒子１０ａからなる二次粒子１０が付着し、その上に別の二次粒子１０が順次積層して積層体を形成する。その際、チャンバ３１と押圧部材３２との微小隙間を通過することにより二次粒子１０が無機繊維１の表面に押し込まれるように付着し、積層する際も二次粒子１０同士が強く押し付け合うため、二次粒子１０のリング状形状または螺旋状形状が変形したり、鎖状または個々の無機微粒子１０ａに分解して相互に複雑に絡み合い、無機繊維１から無機微粒子１０ａあるいは二次粒子１０が脱離することはない。また、無機微粒子１０ａの粒子間で微細空孔が多数形成されるため、得られる積層体は多孔体となる。
【００１４】
図４（Ｂ）は従来の無機繊維と無機微粒子とからなる断熱材の断面を撮影した電子顕微鏡写真であるが、繊維間に無機微粒子からなる二次粒子が点在し、無機繊維の表面が露呈している。これに対し、図４（Ｃ）は本発明の多孔体被覆繊維を撮影した電子顕微鏡写真であるが、表面に二次粒子が積層してなる多孔体が形成され、無機繊維が露呈していないことがわかる。尚、図４（Ａ）は無機繊維のみを撮影した電子顕微鏡写真である。
【００１５】
本発明はまた、上記の多孔体被覆繊維を用いた断熱材を提供する。断熱材とするには、多孔体被覆繊維を所定の金型に充填してプレス成形等をすればよい。このとき、かさ密度が２００〜６００ｋｇ／ｍ^３、好ましくは３００〜５００ｋｇ／ｍ^３とすることにより、断熱性能及び機械的強度に優れた断熱材が得られる。具体的には、曲げ強度が０．５ＭＰａ以上で割れ難く、常温における熱伝導率も０．０４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下と優れた断熱性能を示す。また、切断した場合でも、切断端面の欠けも無く、加工性にも優れる。更に、無機微粒子１０ａの脱離もなく、外部を汚染することもない。
【００１６】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
【００１７】
（実施例１）
平均繊維径が１０μmで、平均繊維長５０００μｍのシリカ系セラミックファイバ３質量％と、平均粒子径７ｎｍで、熱伝導率（２５℃）が０．０１Ｗ／（ｍ・Ｋ）のシリカ微粒子９７質量％とを図３に示す回転混合装置３０に投入し、チャンバ３１と押圧部材３２との微小隙間２０００μｍに設定し、回転速度１０００ｍｉｎ^−１にて３０分間連続回転させた。そして、内容物を取り出して電子顕微鏡で観察したところ、図４（Ｃ）に示すように、シリカ微粒子からなる多孔体で表面が完全に被覆されていた。また、内容物を６ＭＰａにて乾式プレスし、一辺が１５０ｍｍで、厚さ１０ｍｍ、かさ密度３７６ｋｇ／ｍ^３の成形物を得た。この成形物の曲げ強度及び熱伝導率（２５℃）を表1に示す。
【００１８】
（実施例２）
シリカ系セラミックファイバを５質量％、シリカ微粒子を９５質量％とした以外は実施例１と同様にして成形物を得た。この成形物のかさ密度、曲げ強度及び熱伝導率を表1に示す。また、成形に先立ち、内容物を電子顕微鏡で観察したところ、シリカ微粒子からなる多孔体で表面が完全に被覆されていた。
【００１９】
（実施例３）
シリカ系セラミックファイバを１０質量％、シリカ微粒子を９０質量％とした以外は実施例１と同様にして成形物を得た。この成形物のかさ密度、曲げ強度及び熱伝導率を表1に示す。また、成形に先立ち、内容物を電子顕微鏡で観察したところ、シリカ微粒子からなる多孔体で表面が完全に被覆されていた。
【００２０】
（実施例４）
シリカ系セラミックファイバを２５質量％、シリカ微粒子を７５質量％とした以外は実施例１と同様にして成形物を得た。この成形物のかさ密度、曲げ強度及び熱伝導率を表1に示す。また、成形に先立ち、内容物を電子顕微鏡で観察したところ、シリカ微粒子からなる多孔体で表面が完全に被覆されていた。
【００２１】
（実施例５）
シリカ系セラミックファイバを５０質量％、シリカ微粒子を５０質量％とした以外は実施例１と同様にして成形物を得た。この成形物のかさ密度、曲げ強度及び熱伝導率を表1に示す。また、成形に先立ち、内容物を電子顕微鏡で観察したところ、シリカ微粒子からなる多孔体で表面が完全に被覆されていた。
【００２２】
（実施例６）
シリカ系セラミックファイバを７５質量％、シリカ微粒子を２５質量％とした以外は実施例１と同様にして成形物を得た。この成形物のかさ密度、曲げ強度及び熱伝導率を表1に示す。また、成形に先立ち、内容物を電子顕微鏡で観察したところ、シリカ微粒子からなる多孔体で表面が完全に被覆されていた。
【００２３】
（実施例７）
シリカ系セラミックファイバを２５質量％とし、無機微粒子としてシリカ微粒子６５質量％と平均屈折率が２．７２以上で平均粒子径が１μmのチタニア粒子１０質量％とを混合使用した以外は実施例１と同様にして成形物を得た。この成形物のかさ密度、曲げ強度及び熱伝導率を表1に示す。また、成形に先立ち、内容物を電子顕微鏡で観察したところ、シリカ微粒子及びチタニア粒子からなる多孔体で表面が完全に被覆されていた。
【００２４】
（比較例１）
シリカ系セラミックファイバ２５質量％、シリカ微粒子７５質量％をミキサーで混合攪拌し、混合物を６ＭＰａにて乾式プレスして成形物を得た。この成形物のかさ密度、曲げ強度及び熱伝導率を表1に示す。また、成形に先立ち、内容物を電子顕微鏡で観察したが、図４（Ｂ）に示すように、シリカ系セラミックファイバが露出し、ファイバ間にシリカ微粒子が凝集した大径粒子が点在していた。
【００２５】
（比較例２）
シリカ系セラミックファイバ９５質量％、シリカ微粒子５質量％をミキサーで混合攪拌し、混合物を得た。そして、乾式プレスして成形を試みたが、成形物が得られなかった。また、成形に先立ち、内容物を電子顕微鏡で観察したが、比較例２と同様に、シリカ系セラミックファイバが露出し、ファイバ間にシリカ微粒子が凝集した大径粒子が点在していた。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１より、本発明に従う各実施例では、無機微粒子からなる多孔体で完全に被覆された無機繊維が得られており、成形体も応じて熱伝導率が低く、断熱性能に優れることがわかる。特に、無機繊維が５〜５０質量％で、無機微粒子が９５〜５質量％の配合の実施例２〜実施例５の成形体は何れも曲げ強度が０．５ＭＰａ以上と高く、機械的強度も高い。
【００２８】
これに対し、比較例１及び引用例２では、無機繊維の間に無機微粒子が点在しており、断熱性能に劣り、比較例２では更に保形性が無く、成形性も悪い。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、断熱性能に優れ、更に機械的強度や取扱性、加工性にも優れる断熱材、並びに前記断熱材を得るのに好適な多孔体被覆繊維が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多孔体被覆繊維からなる断熱材を示す模式図である。
【図２】無機微粒子からなる二次粒子を示す模式図である。
【図３】本発明の多孔体被覆繊維を製造するための回転混合装置を示す概略構成図である。
【図４】（Ａ）無機繊維を撮影した電子顕微鏡写真、（Ｂ）従来の断熱材の断面を撮影した電子顕微鏡写真及び（Ｃ）本発明の多孔体被覆繊維を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図５】従来の断熱材を示す模式図である。
【符号の説明】
１無機繊維
１０二次粒子
１０ａ無機微粒子
３０回転混合装置
３１チャンバ
３２押圧部材
３５投入物

Claims

円筒状の回転チャンバ内に、前記回転チャンバの内壁との間で微小隙間を形成する押圧部材を配設した回転混合装置に、無機繊維と無機微粒子とを投入し、前記微小隙間に繰り返し通過させて得られ、無機微粒子がリング状または螺旋状に会合した二次粒子で形成される多孔体により、無機繊維が被覆されていることを特徴とする多孔体被覆繊維。
前記無機繊維が、平均繊維径１５μｍ以下で且つ平均繊維長が５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の多孔体被覆繊維。
前記無機微粒子が、平均粒子径５〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の多孔体被覆繊維。
前記二次粒子のリング内径が０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の多孔体被覆繊維。
前記無機繊維が５〜５０質量％で、前記無機微粒子が５０〜９５質量％であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の多孔体被覆繊維。
請求項１〜５の何れか一項に記載の多孔体被覆繊維を加圧成形してなることを特徴とする断熱材。
かさ密度が２００〜６００ｋｇ／ｍ^３で、曲げ強度が０．５ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項６記載の断熱材。
常温における熱伝導率が０．０４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする請求項６または７記載の断熱材。