JP4572261B2 - 気泡を含む硬化体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、建築物の保温性を向上させて火災時には建築物の壁体および鉄骨を火炎から保護する耐火断熱材として利用可能であり、あるいは他の用途にも利用可能な、気泡を含む硬化体の製造方法に関する。

建築現場において断熱材料を躯体に吹き付けて塗工する際、取り扱いが容易であって断熱性を有する発泡ウレタンを用いるのが一般的である。例として特開平１１−３４３６８１号公報（特許文献１）、特開平１１−０２９９９６号公報（特許文献２）および特開平０８−２５３９７６号公報（特許文献３）に記載の技術を列挙することができる。

発泡ウレタンは断熱性を有するものの、プラスチックであるため熱に弱く、耐火性に劣る。しかも火災時には有毒ガスが発生するという問題がある。そこで、例えば特開平１１−９３２９６号公報（特許文献４）に記載のような技術が提案されている。特許文献４に記載の発泡性無機耐火被覆材は、珪酸塩と微粉状シリカを主たる成分として含み、火災発生時に発泡層を形成して鉄骨の温度上昇を遅延させるものである。

特開平１１−３４３６８１号公報 特開平１１−０２９９９６号公報 特開平０８−２５３９７６号公報 特開平１１−９３２９６号公報

しかしながら、特許文献４に記載の発泡性無機耐火被覆材は、加熱しない限り発泡しない耐火材にすぎず、発泡ウレタンのように室温で断熱材として機能しない。したがって建築物の断熱施工を行う場合には、発泡ウレタンまたはグラスウールといった断熱材料を別途準備して施工しなければならず、施工に工数を要していた。

また特許文献４に記載の発泡性無機耐火被覆材は、液体のまま施工現場に搬入しなければならず、取り扱いが不便であった。

本発明は、上述の実情に鑑み、取り扱いが容易であり、断熱材として使用できる他、高温に耐える耐火材として建物の躯体を火災から保護することができる建築材料として好適な、気泡を含む硬化体の製造方法を提供することを目的とする。

この目的のため本発明による気泡を含む硬化体の製造方法は、H₂OおよびNaOHと化学反応するシリカ(Si) ３〜３０重量部と、少なくとも高炉スラグを含む硬化材３０〜８０重量部と、少なくとも炭酸カルシウム、ベントナイト、および酸化チタンを含む充填材３０〜７０重量部とを有する粉体を施工現場に搬入する工程と、予め用意した粉体に対してNa₂O・SiO₂、H₂O、およびNaOHを含む液体の珪酸ソーダ１００重量部を加えて不定形状態のスラリーを製造するスラリー製造工程と、スラリーを施工現場の対象領域に塗工する塗工工程と、外部からの加熱を加えない大気温で、下記の化学式で表される反応により、施工現場の対象領域に堆積したスラリーにH₂の気泡を残して該スラリーを自己発泡させ、前記H₂Oが無くなることにより、前記スラリーを硬化させるとともに厚みを増やす工程とを備え、スラリー製造工程の完了から前記塗工工程の完了までを所定時間内で行う。
2 NaOH ＋ Si ＋ H₂O → Na₂O・SiO₂ + 2 H₂

かかる本発明の製造方法によれば、シリカ（Si）と硬化材と充填材とを有する粉体を施工現場に搬入し、施工現場にて液体の珪酸ソーダを加えて攪拌混合することによって不定形状態のスラリーを作成し、スラリーを施工現場の対象領域となる鉄骨または壁体に塗工することによって容易に施工することができる。本発明の粉体および液体の珪酸ソーダから作られるゾル状スラリーは外部からの加熱を加えない大気温で化学反応を起こして自己発泡および硬化するため、発泡および硬化のために特別な処置（加熱など）および器具を必要とせず、施工性が極めてよい。しかも、この自己発泡および硬化は数十分で完了することから、施工に要する時間が短くて済む。

また本発明によれば、従来の発泡ウレタンと比較して耐火性能が飛躍的に向上し、しかも従来の耐火被覆材が室温で断熱性能を有しないという欠点を補う硬化体を得ることができる。なお、本発明の製造方法において、施工の対象領域は建築施工に限られず、例えば、電気器具の底板や、保温、遮熱等の必要な部位などに塗工することができる。

本発明は１実施形態に限定されない。例えば硬化材は、珪酸カルシウム、パーライト、発泡火山灰、セピオライト、ホワイトカーボンおよびゼオライトからなる群から選ばれた少なくとも１つ以上の材料をさらに含んでもよい。

本発明は１実施形態に限定されない。例えば充填材は、タルク、水酸化アルミニウム、珪砂、珪石、珪藻土、ワラストナイト、マイクロカーボン、カーボンナノチューブ、植物質繊維、動物質繊維、セルロース、ポリプロピレンからなる群から選ばれた少なくとも１つ以上の材料をさらに含んでもよい。

塗工工程において、コテを使ってスラリーを鉄骨表面や壁面といった建築物の表面に塗工してもよい。あるいは、スラリーをスプレーガンで施工対象物上に吹き付けることを含む。かかる実施形態によれば、市販される一般的なスプレーガンを用いることが可能であり、簡便な施工方法によって建築物の耐火施工および断熱施工を同時に行うことができる。

このように本発明は、１の反応材としての珪酸ソーダと、他の反応材としてのシリカとを攪拌混合することによってこれら反応材が化学反応し自己発泡および硬化する。本発明はスラリー自らの発泡により気泡を形成して硬化することから、施工性に優れるとともに優れた断熱性能を備える。また本発明から得られる気泡を含む硬化体は無機材料であり火炎に強く、優れた耐火性能を備えている。しかも火災時に燃えず有毒なガスが発生しない。本発明は多数の独立気泡を有することから硬化体の内部で熱対流が生じず、軽量であり、高層建築物の耐火断熱材の材料として特に有利である。かかる本発明によれば、一度の施工によって耐火性能および断熱性能の双方を実現することが可能であり、施工現場の効率化および建築物の機能向上に寄与することができる。

また、本発明の製造方法から得られる気泡を含む硬化体は、軽量であり、保温機能、遮熱機能、および遮音機能等を有する。したがって、保温室、遮熱材、および遮音壁等にも利用することができる。

本実施例の気泡を含む硬化体の材料から得られる硬化体を示す断面図である。 同実施例の硬化体を拡大して示す斜視図である。 １７ｍｍ厚の壁状の硬化体の断熱試験結果を示すグラフである。 ３０ｍｍ厚の壁状の硬化体の断熱試験結果を示すグラフである。 断熱試験結果をまとめた図表である。

以下、本発明の実施の形態を、実施例に基づき詳細に説明する。

まず、一実施例となる気泡を含む硬化体の材料粉体につき説明すると、反応材として粉体の珪酸ソーダ（日本化学工業株式会社製 商品名「粉末３号珪酸ソーダ」）を１００重量部と、シリカ（フェロシリカ）１５重量部とを用意する。珪酸ナトリウムは粉体であれば、他の商品であってもよい。

硬化材として、粉体の高炉スラグを６０重量部用意する。硬化材として高炉スラグの他、セメント、石こう、珪酸カルシウム、パーライト、発泡火山灰（シラスバルーン）、セピオライト、ホワイトカーボン、ゼオライトのうち少なくとも１つ以上の粉体材料を含んでいてもよい。完成する耐火断熱材が適切な強度となるよう、用意する硬化材は３０重量部〜８０重量部の範囲でよい。

充填材として、粉体の炭酸カルシウム１０重量部と、粉体のベントナイト１０重量部と、粉体の酸化チタン１５重量部とを用意する。充填材は、炭酸カルシウム、ベントナイト、タルク、カオリン、水酸化アルミニウム、珪砂、珪石、珪藻土、無機系繊維、有機系繊維、酸化チタンのうち少なくとも１つ以上の粉体材料を含んでいればよい。無機系繊維は、ひび割れ、収縮防止を目的として充填材に含めることができ、たとえばセピオライト、ワラストナイト、マイクロカーボン、カーボンナノチューブ等を充填材に加える。あるいは、無機系繊維を主体としつつ、木粉といった植物質繊維、羽毛といった動物質繊維、セルロース、ポリプロピレン等の有機系繊維を充填材に加えてもよい。完成する耐火断熱材が適切な強度となるよう、用意する充填材は３０重量部〜７０重量部の範囲でよい。

なお、上述した酸化チタンを含むことにより、酸化チタンの熱反射効果および防カビ効果を享受することができる。また酸化チタンを加えることによって硬化後の強度が大きくなる。耐火断熱材は酸化チタンを含むことによって白色に近い色合いとなる。

上述したこれら反応材と、硬化材と、充填材とを混合した材料粉体は、持ち運びが可能であり、この粉体自体は運搬中に化学反応を起こすことがない。

次に、この気泡を含む硬化体の材料粉体から硬化体を作成して耐火断熱材として利用する、耐火断熱材の施工方法について説明する。

上述した材料粉体を施工現場に搬入し、施工現場では水を用意する。上述した珪酸ソーダ１００重量部に対して５０重量部の水を施工現場で混合し、水と材料粉体が均一になるまで攪拌する。攪拌は市販のハンドミキサーでよい。材料粉体および水を混ぜ合わせることによってゾル状スラリーを作成する。

なお、ゾル状スラリーの粘度は、前述した硬化材および充填材の量を加減することによって容易に調整可能である。

水を加えることによってゾル状スラリーは自己発泡および硬化の化学反応を開始する。気泡の大きさは、加える水量に比例する。このため、気泡を大きくして硬化体の比重を軽くしたい場合には、水を多めに加えるとよい。反対に、気泡を小さくして硬化体の強度を大きくしたい場合には、水を少なめに加えるとよい。気泡の大きさが適切となるように加える水量は４０重量部〜１２０重量部の範囲になる。

攪拌混合が完了したら、ゾル状スラリーを直ちに施工対象に塗工する。建築物の塗工対象は垂直面であっても水平面であってもよく、また鉄骨およびモルタル壁に対して、ゾル状スラリーは液垂れすることなく確りと付着する。本実施例では、硬化材や充填材の量を適宜加減することによりゾル状スラリーの粘度を調整して、垂れにくい性状とすることが可能であり、モルタル壁および鉄骨以外の表面が円滑な壁体などの鉛直面への塗工にも好適である。

塗工にあたっては、コテを用いて塗る方法や、スプレーガンなどのノンガスのガンで吹き付ける方法でよい。吹き付け工法の場合は、ゾル状スラリーを圧縮して吹き付けてもよく、フロンガスや可燃性ガスなど格別のスプレーガスを必要としない。

施工の季節にもよるが、攪拌混合の完了から１０分〜２０分ぐらいすると、ゾル状スラリーが化学反応により自己発泡および硬化を開始する。したがって、スラリー製造工程の完了から塗工工程の完了までを所定時間内で行う。気温が低い冬場であれば、攪拌混合の完了から２０分以内に塗工を完了させることが好ましい。反対に気温が高い夏場であれば、攪拌混合の完了から１０分以内に塗工を完了させることが好ましい。また、スラリーの温度を管理する等、何らかの促進手段または遅延手段を用いて、スラリー製造工程の完了から塗工工程の完了までの所定時間を調整してもよい。

発泡プロセスは、以下の化学式で表すことができる。反応材としての珪酸ソーダ（Na ₂ O・SiO₂）の一部が化１に示すように加水分解する。

Na₂O・SiO₂ ＋ H₂O →← NaOH ＋ NaHSiO₃ ・・・・（化１） このNaHSiO₃はゾルであり、化２に示すように一部がさらに加水分解する。

NaHSiO₃＋ H₂O →← NaOH＋ H₂SiO₃ ・・・・（化２）このH ₂ SiO ₃ はゾルである。なお、化１および化２の「→←」は、反応が左辺から右辺へ進む他、右辺から左辺へも進み得ることを示す。

反応材としてのシリカ(Si)は、水酸化ナトリウム(NaOH)と水（H₂O）の存在において、化３に示すように水素ガス(H₂)を発生する。

2 NaOH ＋ Si ＋ H₂O → Na₂O・SiO₂ ＋ 2H₂ ・・・・（化３） 化３に示すように水酸化ナトリウムが消費されると化１右辺および化２右辺の水酸化ナトリウムが不足し、これら化１および化２の平衡が破れて加水分解が右辺へ向かって進行する。化３の化学反応は左辺の水および珪素が無くなるまで続く。また化３は発熱を伴う反応であり、蒸発によっても左辺の水が無くなる。以上より、本実施例のゾル状スラリーは硬化する。

化３で生成される水素ガスは、ゾル状スラリーの中で気泡を形成する。かかる気泡は、隣り合う気泡同士で連通しない独立した気泡を多く含む。このようにゾル状スラリーは自己発泡する。

なお、施工現場で粉体材料に水を加えることの利点として、水の攪拌混合からしばらく経って自己発泡および硬化が開始することが挙げられる。つまり、水の攪拌混合後すぐには化学反応が開始しないため、塗工に必要な時間を確保することができる。

このようにして、塗工完了後３０分〜４０分程度経つとゾル状スラリーの自己発泡および硬化が完了する。つまり、攪拌混合完了から自己発泡および硬化が完了するまでの時間は４０分〜１時間程度である。気温が低い冬場であれば、攪拌混合完了から自己発泡および硬化が完了するまで１時間ほど要する。反対に気温が高い夏場であれば、攪拌混合完了から自己発泡および硬化が完了するまで４０分ほど要する。なお、ゾル状スラリーの自己発泡および硬化には外部からの加熱を一切要しない。

このように本実施例の気泡を含む硬化体の製造方法における化学反応は４０分〜１時間で完了し、最終的な耐火断熱材としての硬化体が完成する。化学反応自体が完了しても硬化体が湿り気を帯びている場合もあるが、４時間程度で完全に乾燥および硬化する。本実施例は特殊なスプレーガンを用いてゾル状スラリーにガスを連行して強制的に気泡を作成するものではない。したがって本実施例によれば、市販される一般的なスプレーガンで吹き付け塗工することができる。完成した硬化体は、化学的に安定であり、時間とともに変質することなく存在する。

図１は本実施例の製造方法から得られる最終的な硬化体を示す断面図であり、図２は同実施例の硬化体を拡大して示す斜視図である。図１に示すように、７ｍｍ厚で塗工したゾル状スラリーは、自己発泡によって２０ｍｍ厚に増大する。また、形成された気泡の多くは、それぞれが独立し、互いに連通しているものは少ない。したがって、硬化体の内部で熱対流が起こらず、断熱性能に優れ、結露が生じない。

本実施例の硬化体は、独立した気泡を多数含み、比重が０．５〜０．６であることから軽量であり、高層建築物の耐火断熱材として有利である。本実施例の硬化体は、図２に示すように表面が凹凸形状になる。したがってこの凹凸形状を建築意匠として取り入れることができる。あるいは、硬化前に当て板で押さえることによって、表面を円滑にすることも可能である。

なお、美観の更なる向上のため等の理由により、本実施例の硬化体に表面処理が要求される場合、硬化体の表面に漆喰をさらに塗工してもよい。硬化体の表面に漆喰を塗工すること自体、何ら問題ない。本実施例の硬化体を外壁として施工した場合、硬化体の表面に漆喰を塗工することにより防水性能が向上する。あるいは本実施例の硬化体を内装材として用いる場合、硬化体の上にパネルを貼り付けること自体、何ら問題ない。

また本実施例の硬化体は、１３００度の高温にも耐えることができる。したがって、すぐれた耐火性能を有する。

本実施例の硬化体につき、断熱性能を測定する試験を行った。まず供試体として、自己発泡および硬化状態で１７ｍｍ厚の壁状の硬化体と、３０ｍｍ厚の壁状の硬化体の２体を用意した。各供試体につき、一方壁面には赤外線電球を向けておき、他方壁面を断熱材からなる箱で覆い、一方壁面および他方壁面に熱電対を取り付けた。そして室温（２２〜２６度）で、一方壁面に赤外線を照射して一方壁面を加熱し、一方壁面の受熱温度および他方壁面の温度を、加熱開始から２４０分が経過するまでの間、それぞれ計測した。

図３は１７ｍｍ厚の壁状の硬化体の断熱試験結果を示すグラフであり、図４は３０ｍｍ厚の壁状の硬化体の断熱試験結果を示すグラフであり、図５は、断熱試験結果をまとめた図表である。

１７ｍｍ厚の壁状の硬化体は、図３および図５に示すように、加熱開始後１０分経過後の一方壁面温度（受熱温度）と他方壁面温度（試験体裏面温）との差（断熱温度）は平均６．４度であった。また加熱開始後２時間以上経ち、一方壁面温度（受熱温度）が摂氏５０度かつ幅２度の範囲で安定する間の断熱温度は平均６．５度であった。この安定時の断熱度は、６．５度を５０度で除算して１３％になる。

３０ｍｍ厚の壁状の硬化体は、図４および図５に示すように、加熱開始後１０分経過後の断熱温度は平均１０．４度であった。また加熱開始後３時間以上経ち、一方壁面温度（受熱温度）が摂氏５６度かつ幅２度の範囲で安定する間の断熱温度は平均１０．７度であった。この安定時の断熱度は、１０．７度を５６度で除算して１９％になる。

次に、他の実施例となる気泡を含む硬化体の材料を説明すると、前述した粉体の珪酸ソーダに代えて、液体の珪酸ソーダ（日本工業規格Ｋ１４０８：珪酸ナトリウム３号 大阪珪曹株式会社製）を１００重量部用意する。珪酸ナトリウム３号は水あめ状のほぼ透明な液体である。これに代えて珪酸ナトリウム２号あるいは１号でもよい。

液体の珪酸ソーダとは別に、反応材としてのシリカ、硬化材、および充填材を、上述した重量部と同量それぞれ用意する。これらの粉体は別々に用意しても、予め混合しておいてもよい。

そして、液体の珪酸ソーダと、粉体のシリカ、硬化材および充填材とをそれぞれ施工現場に搬入し、施工現場で攪拌混合する。攪拌は市販のハンドミキサーでよい。これらを混ぜ合わせることによって、硬化体が硬化する前のゾル状スラリーを作成する。

ゾル状スラリーは上述した化１〜化３の化学反応によって自己発泡および硬化を開始する。

自己発泡および硬化が完了すると、前述した実施例と同じ耐火断熱機能を備えた硬化体が完成する。

本実施例になる気泡を含む硬化体の用途および効果につきまとめる。

１．屋根に吹き付けることによる断熱効果および消音効果
工場および倉庫の屋根材に本実施例を適用する。これにより、建築物内部の断熱効果、夏季の断熱、輻射熱遮断、冬季の保温、火災対策および消音（特に雨の音）という効果を発揮する。

２．高温の排気ダクトの断熱効果
工場等の排気ダクトの周囲に本実施例を適用する。これにより、排気ダクトから発生する熱の遮断と火傷防止および消音(特に雨の音）という効果を発揮する。

３．工場熱源の壁に吹き付けることによる断熱効果
熱源を有する工場等において、熱源に面した壁に本実施例を適用する。これにより、熱を遮断し、作業環境快適化と冷房費削減、ＣＯ_２削減という効果を発揮する。さらに火傷防止の効果も期待できる。

４．熱を使用した機器及び器具に吹き付けることによる断熱効果
工場等の内部の乾燥機に本実施例を適用する。これにより、乾燥機から発生する熱の遮断による作業環境快適化、冷房費削減、ＣＯ_２削減という効果を発揮する。さらに火傷防止の効果も期待できる。

５．炉の内部材としての断熱材
炉の内部材と外装材の間に本実施例のスラリーを流し込んで施工する。これにより、炉の保温及び外装材の加熱防止による周辺環境改善、火傷防止という効果を発揮する。

６．街中に存する公共電気機器の外気（高低温）からの保護
キュービクル等の対象物の内部に本実施例のスラリーを吹き付けて施工する。これにより、気泡による断熱効果を活用して外部環境の高低温から保護する。さらには、夏季の断熱、輻射熱遮断、冬季の保温、火災対策という効果を発揮する。

７．冷蔵機器、冷凍機器の断熱・保冷
冷蔵機器、冷凍機器に本実施例を適用する。これにより、無機物特有の強固な気泡が断熱・保冷を果たし、また結露からも保護するという効果を発揮する。

８．冷蔵、冷凍貯蔵施設の断熱、耐火保護
冷蔵、冷凍貯蔵施設の壁の内側面に本実施例のスラリーを吹き付けて施工する。これにより、低温での断熱に加えて建物の耐火に活用することができる。加えて結露防止効果も得ることができる。

９．耐火レンガ、耐火パネルへの転用
本実施例になる気泡を含む硬化体からなる耐火レンガおよびパネルを製造する。これにより、耐火レンガおよびパネルの大幅な軽量化を実現することができる。型枠に本実施例のスラリーを流し込む製造方法によれば、自由な成形が可能となる。

１０．消音への展開
本実施例になる気泡を含む硬化体からなる防音壁を構築する。これにより、防音効果を得ることができる。

以上、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。これら実施例の気泡を含む硬化体は、上述した耐火断熱機能に加え、軽量であり、保温機能、遮熱機能、遮音機能等を備える。したがって、耐火断熱材として利用可能である他、保温室、遮熱材、防音壁として利用可能である。

この発明になる気泡を含む硬化体の材料粉体、気泡を含む硬化体の材料、および気泡を含む硬化体の製造方法は、耐火または遮熱を必要とする建築施工、電熱器、汎用品、および日用品において有利に利用される。また防音壁等、工夫次第でさまざまな製品に利用することができる。

Claims (4)

1. H₂OおよびNaOHと化学反応するシリカ(Si) ３〜３０重量部と、少なくとも高炉スラグを含む硬化材３０〜８０重量部と、少なくとも炭酸カルシウム、ベントナイト、および酸化チタンを含む充填材３０〜７０重量部とを有する粉体を施工現場に搬入する工程と、
   施工現場で前記粉体に対してNa₂O・SiO₂、H₂O、およびNaOHを含む液体の珪酸ソーダ１００重量部を加えて不定形状態のスラリーを製造するスラリー製造工程と、
   前記スラリーを施工現場の対象領域に塗工する塗工工程と、
   外部からの加熱を加えない大気温で、下記の化学式で表される反応により、施工現場の対象領域に堆積した前記スラリーにH₂の気泡を残して該スラリーを自己発泡させ、前記H₂Oが無くなることにより、前記スラリーを硬化させるとともに厚みを増やす工程とを備え、
   前記スラリー製造工程の完了から前記塗工工程の完了までを所定時間内で行う、気泡を含む硬化体の製造方法。
   2 NaOH ＋ Si ＋ H₂O → Na₂O・SiO₂ + 2 H₂
2. 前記硬化材は、珪酸カルシウム、パーライト、発泡火山灰、セピオライト、ホワイトカーボンおよびゼオライトからなる群から選ばれた少なくとも１つ以上の材料をさらに含む、請求項１に記載の気泡を含む硬化体の製造方法。
3. 前記充填材は、タルク、水酸化アルミニウム、珪砂、珪石、珪藻土、ワラストナイト、マイクロカーボン、カーボンナノチューブ、植物質繊維、動物質繊維、セルロース、ポリプロピレンからなる群から選ばれた少なくとも１つ以上の材料をさらに含む、請求項１または２に記載の気泡を含む硬化体の製造方法。
4. 前記塗工工程における塗工は、前記スラリーをスプレーガンで対象領域に吹き付けることを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の気泡を含む硬化体の製造方法。