JP4445324B2 - 軽量多孔質体及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば濾過材、吸着フィルター、酵素固定用担体等の担体、水質浄化材等として用いられる軽量多孔質体及びその製造方法に関する。

従来より、食器、衛生器、或いは電気、電子材料等の工業製品として用いられている陶磁器は、粘土、セリサイト、ロウ石等の可塑性原料を用いてこれを高温焼成により焼結または溶融せしめて製造されているが、これらの可塑性原料が近年枯渇化の傾向にあり、この分野においては新たな代替原料の開発が急務となっている。また、従来の陶磁器は一般に重いものが多く、新たな用途の拡がりに伴って軽量化の要請も多くなってきている。

一方、稲の脱穀の際に生じるもみ殻は、農業廃棄物として毎年多量に排出され、その一部が燃料として用いられてはいるものの、その殆どが有効利用の途がなく、そのまま廃棄するか、或いは焼却してもみ殻灰としてからこれを廃棄処分にしているのが現状である。近年の資源の有効活用、リサイクル利用の気運の高まりの中、このようなもみ殻やもみ殻灰についても有効利用の具体的方策をたてることが強く望まれていたところである。

このような状況の中、もみ殻灰、無機質骨材及びセメントを含む固形原料に水が加えられてなる原料組成物を成形して成形体を得る工程と、セメントの水和反応により前記成形体を硬化させる養生工程と、前記養生を行った成形体を高温で焼成して多孔質焼結体を得る焼結工程とを含むことを特徴とする製造方法が提案されており、この製造方法によれば、これまで未利用のまま廃棄されていたもみ殻灰を原料にして、軽量でかつ多孔質の焼結体を製造することができる（特許文献１参照）。
特開２００３−１６５７８３号公報（請求項１）

しかしながら、上記製造方法では、養生を行った成形体を高温で焼成する焼結工程を設ける必要があるが、この焼結工程に要する熱エネルギーコストは多大であり高コストになるという問題があったし、高温焼成による地球環境への影響が懸念されるという問題もあった。

この発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、有効利用の途が殆どなかったもみ殻灰を原料にして、軽量の多孔質体を低コストで製造する方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。

［１］セメント及び石膏からなる群より選ばれる１種または２種以上の結着材と、もみ殻灰とを含む固形原料に水が加えられてなる原料組成物を成形して成形体を得る工程と、前記成形体を硬化させる養生工程とを含むことを特徴とする軽量多孔質体の製造方法。

［２］前記固形原料における、結着材の含有率が５〜９５ vol％、もみ殻灰の含有率が５〜９５ vol％の範囲である前項１に記載の軽量多孔質体の製造方法。

［３］セメント及び石膏からなる群より選ばれる１種または２種以上の結着材と、もみ殻灰と、無機質骨材とを含む固形原料に水が加えられてなる原料組成物を成形して成形体を得る工程と、前記成形体を硬化させる養生工程とを含むことを特徴とする軽量多孔質体の製造方法。

［４］前記固形原料における、結着材の含有率が５〜９０ vol％、もみ殻灰の含有率が５〜９０ vol％、無機質骨材の含有率が５〜３０ vol％の範囲である前項３に記載の軽量多孔質体の製造方法。

［５］前記原料組成物が、前記固形原料１００体積部に対して水が３０〜１２０体積部混合されたものからなる前項１〜４のいずれか１項に記載の軽量多孔質体の製造方法。

［６］前記結着材として石膏を用いる前項１〜５のいずれか１項に記載の軽量多孔質体の製造方法。

［７］前記結着材としてセメント及び石膏を用いる前項１〜５のいずれか１項に記載の軽量多孔質体の製造方法。

［８］前項１〜７のいずれか１項に記載の製造方法によって製造された軽量多孔質体。

［１］の発明（製造方法）によれば、多大なエネルギーコストの要る焼結を行わなくてもある程度の強度を有した成形体が得られるので、軽量の多孔質体を低コストで製造できる。また、焼結しないので、もみ殻灰の微細構造が残りやすく、多孔度の大きい多孔質体を製造できる。軽量性は、もみ殻灰を原料の１つに用いていること及び多孔質構造であることが大きく寄与しているものと考えられる。また、本製造方法は、従来未利用のまま廃棄されることの多かったもみ殻灰を主原料の１つとするものであるから、資源の有効利用を図り得るし、もみ殻灰の廃棄を回避できて環境保全にも貢献できる。

［２］の発明では、固形原料における、結着材の含有率を５〜９５ vol％、もみ殻灰の含有率を５〜９５ vol％の範囲に設定しているから、即ちもみ殻灰の含有率を小さく設定しているから、多大なエネルギーコストの要る焼結を行わなくても、十分な強度を備えた軽量多孔質体を製造することができる。

［３］の発明（製造方法）によれば、多大なエネルギーコストの要る焼結を行わなくてもある程度の強度を有した成形体が得られるので、軽量の多孔質体を低コストで製造できる。また、焼結しないので、もみ殻灰の微細構造が残りやすく、多孔度の大きい多孔質体を製造できる。軽量性は、もみ殻灰を原料の１つに用いていること及び多孔質構造であることが大きく寄与しているものと考えられる。更に、無機質骨材を原料に用いているので［１］の多孔質体と比べて強度を向上できる利点がある。また、本製造方法は、従来未利用のまま廃棄されることの多かったもみ殻灰を主原料の１つとするものであるから、資源の有効利用を図り得るし、もみ殻灰の廃棄を回避できて環境保全にも貢献できる。

［４］の発明では、固形原料における、結着材の含有率を５〜９０ vol％、もみ殻灰の含有率を５〜９０ vol％、無機質骨材の含有率を５〜３０ vol％の範囲に設定しているから、即ちもみ殻灰の含有率を小さく設定しているから、多大なエネルギーコストの要る焼結を行わなくても、十分な強度を備えた軽量多孔質体を製造することができる。

［５］の発明では、水の配合量を、固形原料１００体積部に対して３０〜１２０体積部に設定しているから、セメント及び／又は石膏の水和反応を十分に促進させることができると共に、成形しやすいものとなる。

［６］の発明では、結着材として石膏を用いるので、結着材としてセメントを用いた場合と比較して、より軽量化を図ることができると共に表面肌の平滑な多孔質体を製造することができる。

［７］の発明では、結着材としてセメントと共に石膏を用いるので、結着材としてセメントのみを用いた場合と比較して、より軽量化を図ることができると共に表面肌の平滑な多孔質体を製造することができる。

［８］の発明では、低コストの軽量多孔質体が提供される。

この発明の軽量多孔質体の製造方法（第１製造方法）は、セメント及び石膏からなる群より選ばれる１種または２種以上の結着材と、もみ殻灰とを含む固形原料に水が加えられてなる原料組成物を成形して成形体を得る工程と、前記成形体を硬化させる養生工程とを含むことを特徴とする。

また、この発明の別の軽量多孔質体の製造方法（第２製造方法）は、セメント及び石膏からなる群より選ばれる１種または２種以上の結着材と、もみ殻灰と、無機質骨材とを含む固形原料に水が加えられてなる原料組成物を成形して成形体を得る工程と、前記成形体を硬化させる養生工程とを含むことを特徴とする。

この発明の製造方法により得られた軽量多孔質体の電子顕微鏡写真を図１、図２に示す。これら図１、２から明らかなように、得られた多孔質体は、外部に通ずる連続状の多孔質構造を呈している。本製造方法では、かさ密度の小さいもみ殻灰を原料の１つに用いると共に、得られた成形体は上記のような多孔質構造を有するので、非常に軽量なものとなる。

また、多大なエネルギーコストを要する焼結を行わなくても、ある程度の強度を有した軽量多孔質体を製造できるので、製造コストを顕著に低減することができる。

更に、従来未利用のまま廃棄されることの多かったもみ殻灰を主原料の１つとするものであるから、資源の有効利用を図り得るし、もみ殻灰の廃棄を回避できて環境保全にも貢献できる。

この発明において、製造原料として用いるもみ殻灰は、精米脱穀等によって得られるもみ殻を燃焼して得られる灰であれば、どのようなものでも用いることができ、もみ殻を燃料として用いた後の灰（通常、黒色）も含む。一般に、燃焼温度が低いと灰の色は黒く、燃焼温度が５００℃程度では灰は非晶質シリカであり、燃焼温度が１０００℃程度では結晶化が進み白色を呈し、このようにもみ殻灰の色調や結晶の種類は、焼成の際の雰囲気や焼成温度、焼成時間によって異なるが、これらのいずれをも使用することができ、もみ殻灰の色調や結晶の種類等は特に問わない。

前記結着材としては、セメント及び石膏からなる群より選ばれる１種または２種以上の結着材を用いる。

前記セメントとしては、どのような種類のものでも用いることができ、例えばポルトランドセメント、マグネシアセメント、アルミナセメント、混合セメント、天然セメント等を例示でき、これらの１種を単独で用いても良いし、２種以上を混合して用いても良い。このようなセメントを含有せしめることで、セメントともみ殻灰との間の水和反応により、得られる多孔質体の強度を確保することができる。これらの中でも、ポルトランドセメントを用いるのが好ましい。

前記石膏としては、特に限定されるものではなく、どのような種類のものでも用いることができ、例えば焼き石膏としてα−石膏、一水塩石膏を用いる。これらの１種を単独で用いても良いし、２種以上を混合して用いても良い。このような石膏を含有せしめることで、石膏ともみ殻灰との間の水和反応により、得られる多孔質体の強度を確保することができる。また、石膏を含有させた場合には、図１の電子顕微鏡写真からも明らかなように、石膏の針状結晶が生じることによって多孔質構造の隙間が多くなるので一層軽量化を図ることができる利点があるし、表面肌の平滑な多孔質体を製造することができる。

前記無機質骨材は、多孔質体における骨格形成、即ち強度向上のために用いられる原料成分である。この無機質骨材としては、特に限定されるものではないが、例えば二酸化珪素を主成分とする珪石（石英等）、川砂、山砂、海砂、或いは珪酸塩等が挙げられる。前記珪酸塩としては、例えば粘土、珪藻土、ゼオライト、長石、高炉滓（スラッグ）、フライアッシュ等が挙げられる。これらの中でも、珪石や珪酸塩を用いるのが、多孔質体の強度をより向上できる点で、好ましい。特に好ましいのは無機質骨材として珪石を用いる構成であり、多孔質体の強度をより一層向上できる利点がある。

前記第１製造方法において、固形原料における、結着材の含有率を５〜９５ vol％、もみ殻灰の含有率を５〜９５ vol％の範囲に設定するのが好ましい。結着材の含有率が上記下限値より小さくなると得られる多孔質体の強度が低下するので好ましくない。また結着材の含有率が上記上限値より大きくなると軽量化が困難になるので好ましくない。また、もみ殻灰の含有率が上記下限値より小さくなると軽量化が困難になるので好ましくない。またもみ殻灰の含有率が上記上限値より大きくなると多孔質体の強度が低下するので好ましくない。中でも、前記第１製造方法において、固形原料における、結着材の含有率を３０〜７０ vol％、もみ殻灰の含有率を３０〜７０ vol％の範囲に設定するのが特に好ましい。

前記第２製造方法において、固形原料における、結着材の含有率を５〜９０ vol％、もみ殻灰の含有率を５〜９０ vol％、無機質骨材の含有率を５〜３０ vol％の範囲に設定するのが好ましい。結着材の含有率や無機質骨材の含有率が上記下限値より小さくなると得られる多孔質体の強度が低下するので好ましくない。また結着材の含有率や無機質骨材の含有率が上記上限値より大きくなると軽量化が困難になるので好ましくない。また、もみ殻灰の含有率が上記下限値より小さくなると軽量化が困難になるので好ましくない。またもみ殻灰の含有率が上記上限値より大きくなると多孔質体の強度が低下するので好ましくない。中でも、前記第１製造方法において、固形原料における、結着材の含有率を２５〜７０ vol％、もみ殻灰の含有率を２５〜７０ vol％、無機質骨材の含有率を５〜３０ vol％の範囲に設定するのが特に好ましい。

前記原料組成物には、更に、天然繊維、合成繊維、生分解性繊維、ガラス繊維、炭素繊維及び鉱物繊維からなる群より選ばれる１種または２種以上の繊維を含有せしめても良い。このような特定繊維を含有せしめることで、養生前の成形体の保形性を向上できるし、得られる多孔質体の強度や軽量性を向上できる。

更に、前記原料組成物に、水溶性繊維素類及び水溶性ポリマーからなる群より選ばれる１種または２種以上の粘性付与剤を含有せしめる場合には、成形性を顕著に向上できる利点がある。即ち、成形を押出成形で行う場合等には原料組成物に粘性や滑性が不足していると成形が困難になって良好な成形体が得られがたいのであるが、このような場合であっても、前記特定の粘性付与剤を含有せしめることで、成形性良く成形体を得ることができ、ひいては高品質の多孔質体を製造できる。

前記水溶性繊維素類としては、特に限定されるものではないが、例えばメチルセルローズ、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、微小パルプ等を例示できる。また、前記水溶性ポリマーとしては、特に限定されるものではないが、例えばポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニルのケン化物等を例示できる。

前記原料組成物中における水の配合量は、前記固形原料（もみ殻灰、結着材、無機質骨材等）１００体積部に対して３０〜１２０体積部に設定するのが好ましい。３０体積部未満ではセメントや石膏の水和反応の進行が遅くなるので、好ましくない。また１２０体積部を超えると余剰水が多くなって養生前の成形体の保形性が低下するので、好ましくない。

前記原料組成物を作成するに際しては、各材料成分の配合順序は特に限定されない。例えば、水を最後に配合せしめるようにしても良いし、途中段階で配合せしめるようにしても良い。

また、前記原料組成物には、必要に応じて、この発明の効果を阻害しない範囲で、その他の添加剤等を配合せしめることもできる。

前記原料組成物を成形する際の成形法は、特に限定されず、例えば型枠成形、加圧成形、押出成形等を例示できる。中でも、高品質の多孔質体を生産性良く製造できる点で、加圧成形又は押出成形で成形するのが好ましい。

また、養生工程での養生法についても特に限定されず、例えば自然養生、水中養生、蒸気養生、オートクレーブ養生等を例示できる。このような養生工程を経てセメントや石膏の水和反応を進行させて凝結、硬化させる。

前記養生により得られた多孔質体をそのまま各種用途に使用しても良いし、例えば前記養生工程の後に破砕、粉砕等によって多孔質粉粒体にした上で各種用途に使用するものとしても良い。

この発明の製造法で得られた軽量多孔質体は、断熱材、遮音材、調湿性建材、空気浄化建材、土木材、保水材（植物育成基材）、土壌改良材、打水効果材、濾過材、吸着フィルター、微生物固定用担体や酵素固定用担体等の担体などとして用いることができる。また、この軽量多孔質体に微生物、酵素、触媒等を担持して水質浄化材、糞尿処理材等として用いることもできる。なお、この発明の製造法で得られた軽量多孔質体の用途は、前記例示の用途に特に限定されるものではない。

次に、この発明の具体的実施例について説明する。

＜実施例１＞
もみ殻灰（平均粒径３５０μｍ）４０体積部、石膏２０体積部、ポルトランドセメント１０体積部、水４０体積部を十分に混合して均一な原料組成物を得た。次に、この原料組成物を型枠に注入して成形体を得た。この成形体を、２５℃、湿度９０％の養生槽中で２４時間保持して水和反応させることにより硬化させて、軽量多孔質体を得た。

＜実施例２〜６、参考例＞
原料組成物の組成比を表１に示すような割合に設定した以外は、実施例１と同様にして軽量多孔質体を得た。

＜比較例１〜４＞
原料組成物の組成比を表２に示すような割合に設定した以外は、実施例１と同様にして多孔質体を得た。

上記のようにして得られた各多孔質体に対し下記測定法により評価を行った。これらの結果を表１、２に示す。

＜かさ密度測定法＞
多孔質体の質量をその外容積で除した値をかさ密度とした。

＜曲げ強度測定法＞
ＪＩＳ Ｒ１６０１の曲げ強さ試験法の３点曲げ法に準拠して曲げ強度を測定した。

＜吸水率測定法＞
多孔質体を水中に２４時間浸漬し表面の水を拭き取った後の質量から、多孔質体の乾燥質量を引いて吸水量を求め、該吸水量を多孔質体の乾燥質量で除した値に１００を乗じたものを吸水率（％）とした。

＜表面平滑性評価法＞
多孔質体の表面肌を手で触れた際に、ざらつき感がなく表面平滑性に優れているものを「◎」、ざらつき感が若干あるものの表面平滑性が良好なものを「○」、ざらつき感が顕著であるものを「×」とした。

表から明らかなように、この発明の製造方法で製造された実施例１〜６の多孔質体は、いずれも軽量で、連続状の多孔質構造を有していた。また、これら実施例１〜６の多孔質体は、焼結しなくても十分な強度が得られているので、焼結工程が不要であり、製造に要するエネルギーコストが少なくて済み低コストで製造できる。

この発明の製造方法で得られた多孔質体（結着材としてセメント及び石膏を用いたもの）の電子顕微鏡写真である。 この発明の製造方法で得られた多孔質体（結着材としてセメントのみを用いたもの）の電子顕微鏡写真である。

Claims (7)

1. セメント及び石膏からなる結着材と、もみ殻灰とを含む固形原料であって、もみ殻灰の含有率が５０〜９５ vol％の範囲である固形原料に水が加えられてなる原料組成物を成形して成形体を得る工程と、
   前記成形体を硬化させて、かさ密度０．９８ｇ／ｃｍ³以下の軽量多孔質体を得る養生工程とを含むことを特徴とする軽量多孔質体の製造方法。
2. 石膏からなる結着材と、もみ殻灰とを含む固形原料であって、もみ殻灰の含有率が５〜９５ vol％の範囲である固形原料に水が加えられてなる原料組成物を成形して成形体を得る工程と、
   前記成形体を硬化させて、かさ密度０．９８ｇ／ｃｍ³以下の軽量多孔質体を得る養生工程とを含むことを特徴とする軽量多孔質体の製造方法。
3. セメント及び石膏からなる群より選ばれる１種または２種以上の結着材と、もみ殻灰と、無機質骨材とを含む固形原料であって、もみ殻灰の含有率が５０〜９０ vol％の範囲である固形原料に水が加えられてなる原料組成物を成形して成形体を得る工程と、
   前記成形体を硬化させて、かさ密度０．９８ｇ／ｃｍ³以下の軽量多孔質体を得る養生工程とを含むことを特徴とする軽量多孔質体の製造方法。
4. 石膏からなる結着材と、もみ殻灰と、無機質骨材とを含む固形原料であって、もみ殻灰の含有率が５〜９０ vol％の範囲である固形原料に水が加えられてなる原料組成物を成形して成形体を得る工程と、
   前記成形体を硬化させて、かさ密度０．９８ｇ／ｃｍ³以下の軽量多孔質体を得る養生工程とを含むことを特徴とする軽量多孔質体の製造方法。
5. 前記結着材としてセメント及び石膏を用いる請求項３に記載の軽量多孔質体の製造方法。
6. 前記原料組成物が、前記固形原料１００体積部に対して水が３０〜１２０体積部混合されたものからなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の軽量多孔質体の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法によって製造された軽量多孔質体。