JP4583788B2

JP4583788B2 - 断熱構造体

Info

Publication number: JP4583788B2
Application number: JP2004094916A
Authority: JP
Inventors: 耕治岩田; 俊裕吉本; 賢米内山
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP2005281400A

Description

本発明は、鱗片状シリカを含有するコーティング液からなる被膜が形成された耐熱構造体に関する。

電子部品の焼成炉等においては、壁体からの発塵が極力小さいことが望まれる。一方で、焼成炉に用いられる断熱材としては、耐熱性が高く低熱容量であることから、セラミックス質繊維を用いたものが採用されている。しかし、セラミックス質繊維を用いた断熱材は、発塵が比較的多いという問題があり、電子部品等のクリーン性が求められる製造環境には利用し難い。

発塵を防止するための方法として、断熱材の表面に被膜を形成して粉落ちを防止するのが一般的であり、例えばガラス質の被膜またはその前駆体を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。しかし、これらの方法では、ガラス化のための熱処理が必要であり、また耐熱衝撃性が十分ではなく、更に発塵の抑制が必ずしも十分でない等の問題があり、要求される特性を満たすものではない。

このような背景から、本出願人も先に、水により膨潤する膨潤性鉱物、例えばスメクタイトやベントナイト、膨潤性マイカからなる被膜を形成した耐熱構造体を提案している（特許文献３参照）。しかし、膨潤性鉱物は、フッ素を含有しており、耐熱構造体が１０００℃程度の高温に晒された場合に、このフッ素がガスとして放出されるため、アウトガスを嫌う電子部品の加熱炉に使用し難い。

また、炉内温度は今後益々高まる傾向にあり、より高温での粉落ち防止が要求されており、従来の耐熱構造体では十分に対応できないことも予測される。

特開昭５７−１３５１４号公報特開平１−２１９０８３号公報特開２００２−２８５０３８号公報

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、耐熱性に優れ、低発塵で、フッ素含有ガスの発生の無い耐熱構造体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下に示す断熱構造体を提供する。
（１）表面空隙率が５０〜９５％の断熱基材の表面に、平均粒径１．３μｍ以上１．７μｍ以下の大径鱗片状シリカと、平均粒径０．４μｍ以上０．７μｍ未満の小径鱗片状シリカとを、大径鱗片状シリカ量：小径鱗片状シリカ量（重量比）＝９０：１０〜１０：９０にて混合してなる混合物を含有するコーティング液からなる被膜が形成されていることを特徴とする耐熱構造体。
（２）前記コーティング液が、平均繊維径０．５〜１０μｍで平均繊維長３０〜２００μｍの無機繊維を含有することを特徴とする上記（１）記載の断熱構造体。
（３）大径鱗片状シリカと小径鱗片状シリカの総量：無機繊維量（重量比）＝８０：２０〜９９．８：０．２であることを特徴とする上記（２）記載の断熱構造体。
（４）前記断熱基材が、繊維質断熱材または多孔質断熱材であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の耐熱構造体。

本発明に用いられるコーティング液は、耐熱基材の耐熱性を向上させ、表面からの発塵をより低減でき、しかもアルカリ成分やフッ素を放出することもない。そのため、本発明の耐熱構造体は、前記のコーティング液からなる被膜が形成されているため、耐熱性に優れ、低発塵で、しかもアルカリ成分やフッ素を放出することもなく、特に電子部品用の加熱炉への適用に好適である。

（コーティング液）
本発明に用いるコーティング液は、平均粒径が１．３〜１．７μｍの大径鱗片状シリカと、平均粒径が０．４〜０．７μｍの小径鱗片状シリカとの混合物を含有する。得られる被膜において、大径鱗片状シリカは互いに重なり合って層状をなし、更に小径鱗片状シリカが大径鱗片状シリカの隙間を埋めるように存在するため、耐熱基材の表面は緻密な鱗片状シリカの被膜で隙間無く覆われ、従来に比べて粉落ち防止効果が高くなる。また、また、鱗片状シリカはアルカリ成分やフッ素を含まず、電子部品に不適なガスを放出することもない。

ここで、鱗片状シリカとは、アスペクト比(径／厚さ)が１０以上のシリカ粒子をいう。また、この鱗片状シリカは、厚さが０．００１〜０．１μｍの一次粒子がほぼ平行に配向して１枚または複数枚重なった二次粒子のことをいう。この二次粒子の厚さは、０．００１〜３μｍ、好ましくは０．００５〜２μｍであり、厚さに対する二次粒子の最小長さの比（アルペクト比）は、少なくとも１０、好ましくは３０以上、更に好ましくは５０以上である。また、この二次粒子は、結着することなく、互いに独立に存在している。従って、上記平均粒径は、この二次粒子の寸法である。尚、このような鱗片状シリカは、洞海化学工業（株）から商品名「サンラブリー」として市販されているものを使用でき、本発明では上記の粒径に分級して使用する。

このような効果をより良好に発現するために、大径鱗片状シリカと小径鱗片状シリカの比率は、重量比で大径鱗片状シリカ量：小径鱗片状シリカ量＝９０：１０〜１０：９０が好ましく、８０：２０〜３０：７０がより好ましく、特に７０：３０〜５０：５０が好ましい。前記比率よりも大径鱗片状シリカが少ないと、粉落ち防止効果が低下する。前記比率より小径鱗片状シリカが少ないと、緻密な被膜とならず、被膜の付着性も低下する。

コーティング液における鱗片状シリカの総量は５〜２０重量％の割合が好ましく、８〜１３重量％がより好ましい。鱗片状シリカの総量が５重量％より少ないと、得られる被膜の鱗片状シリカが少なすぎ、粉折り防止効果が得られず、更にコーティング液の粘度が低く、コーティングの際のレベリングや密着性において好ましくない。一方、鱗片状シリカの総量が２０重量％より多いと、粘度が高すぎてコーティング液の塗布性が悪くなり、均質な膨潤性鉱物被膜が形成し難くなる。

上記の鱗片状シリカのみからなるコーティング液は、得られる被膜が１０００℃程度の高温に晒されると亀裂が発生したり、剥離を起こすことがある。そこで、コーティング液には無機繊維を配合することが好ましい。無機繊維としては、平均繊維径が０．５〜１０μｍ、好ましくは１〜５μｍで、平均繊維長が３０〜２００μｍ、好ましくは５０〜１００μｍのものが大径鱗片状シリカの隙間に入り込みやすく、好ましい。また、無機繊維を配合することで、被膜にアンカー効果が生じて耐熱性基材との密着性も向上し、亀裂が開くのに抵抗する粒子架橋効果を得ることができる。無機繊維の種類としては、それ自身が耐熱性を有するガラス繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維、ムライト繊維、アルミノシリケート繊維、ジルコニア繊維等が好適である。

無機繊維の配合量は、重量比で、鱗片状シリカ総量（大径鱗片状シリカと小径鱗片状シリカとの合計）：無機繊維量＝８０：２０〜９９．８：０．２とすることが好ましく、９０：１０〜９５：５とすること蛾より好ましい。鱗片状シリカ及び無機繊維が前記配合比を満足しないと、鱗片状シリカによる粉落ち防止効果と、無機繊維による補強効果とがバランスよく発現しない。

コーティング液は、上記の鱗片状シリカ、必要に応じて無機繊維を水に添加し、十分に混合することで得られる。また、塗布方法には制限がなく、刷毛塗り、スプレーコーティング、ディッピング等の公知の方法を採用できる。

（耐熱構造体）
本発明の耐熱構造体は、断熱基材の表面に上記のコーティング液からなる被膜を形成したものである。

断熱基材には制限がないが、その表面空隙率が５０〜９５％のものが適当であり、好ましくは６０〜９５％、より好ましくは７０〜９０％のものである。このような表面空隙率であると、コーティング液中の小径鱗片状シリカ、更には無機繊維が断熱基材表面の空隙に適度に入り込み、アンカー効果により被膜の密着性が高まる。表面空隙率が９５％を越えると、コーティング液が断熱基材のより内部にまで浸透して良好な被膜が形成されない。一方、表面空隙率が５０％未満では、アンカー効果が発現せず、被膜の密着性に劣るようになる。このような表面空隙率を有する断熱基材としては、繊維質断熱材や多孔質断熱材が挙げられる。但し、上記の表面空隙率の範囲であっても、表面空隙率が６０〜９０％の場合は、コーティング液が断熱基材の内部にまで浸透して良好な被膜が形成されないことがあるため、断熱基材にコロイダルシリカ等を含浸させて表面空隙率を低下させた後に、上記のコーティング液を塗布することが好ましい。

尚、上記表面空隙率とは、断熱基材の表面から深さ３ｍｍの範囲における空隙率であり、断熱基材の表面から深さ３ｍｍの部分を切り出し、この部分の嵩密度と、断熱基材を構成している材料の真比重とから下記式により求められる。
表面空隙率（％）＝１００−（断熱基材の嵩密度／構成材料の真比重×１００）
例えば、断熱基材の嵩密度が０．２５ｇ／ｃｍ^３、構成材料の真比重が２．５ｇ／ｃｍ^３とすれば、全体積のうち１０％が構成材料で占めることとなり、残りが空隙率となり、９０％と算出される。

本発明の耐熱構造体を得るには、上記のコーティング液を塗布したり、上記のコーティング液中に浸漬した後、乾燥させればよい。生産効率からは、浸漬して乾燥させる方法が好適である。

コーティング液の塗布量としては、０．０５〜２ｇ／ｃｍ²の面密度が好ましく、０．３〜１．０ｇ／ｃｍ^２がより好ましい。これにより、良好な膜質の被膜が得られる。また、乾燥後、適当な加熱処理、例えば１００℃程度の温度下に数時間放置してもよく、これにより被膜の安定化を図ることができる。また、被膜の厚さは５〜３００μｍが好ましく、１０〜１００μｍがより好ましい。

以下、実施例を挙げて本発明を更に説明する。

（実施例１）
平均粒径１．５μｍの鱗片状シリカ（洞海化学工業（株）製「サンラブリーＮＨ−１５０」）３０質量％、平均粒径０．５μｍの鱗片状シリカ６５質量％（洞海化学工業（株）製「サンラブリーＮＨ−５０」）、平均繊維径２μｍで平均繊維長５０μｍのアルミノシリケート繊維（ニチアス（株）製「ファインフレックスバルクファイバー」）５質量％からなる混合物を、固形分濃度が１０質量％となるように水に添加し、十分に攪拌してコーティング液を調製した。

また、アルミノシリケート繊維（ニチアス（株）製「ファインフレックスバルクファイバー」）９０重量部、コロイダルシリカ（日産化学工業（株）製「スノーテックス３０」）９．５重量部及び有機バインダー（三洋化成工業（株）製「サンフロックＣ−００９Ｐ」）０．５重量部（何れも固形分換算）を含む水性スラリーから吸引脱水成形により、厚さ５０ｍｍ、幅３００ｍｍ、長さ３００ｍｍのシートとし、これを乾燥して密度０．２５ｇ／ｃｍ^３で表面空隙率９０％の成形体を得た。この成形体にコロイダルシリカ（日産化学工業（株）製「スノーテックス３０」）を含浸、乾燥して密度０．３０ｇ／ｃｍ^３で表面空隙率６０％の繊維質断熱基材を得た。

そして、繊維質断熱基材にコーティング液を０．１５ｇ／ｍ^２の面密度になるようにスプレーにて塗布し、１１０℃で１２時間乾燥して厚さ約１００μｍの被膜を形成し、試験片を得た。

（実施例２）
平均粒径１．５μｍの鱗片状シリカ６０質量％、平均粒径０．５μｍの鱗片状シリカ３０質量％、平均繊維径２μｍで平均繊維長５０μｍのアルミノシリケート繊維１０質量％からなる混合物を、固形分濃度が１５質量％となるように水に添加し、十分に攪拌してコーティング液を調製した。

また、アルミノシリケート繊維７５重量部、カオリン（キンセイマテック（株）製「ＡＳＰ＃６００」）１５重量部、コロイダルシリカ９．５質量％及び有機バインダー０．５重量部（何れも固形分換算）を含む水性スラリーから吸引脱水成形により、厚さ５０ｍｍ、幅３００ｍｍ、長さ３００ｍｍのシートとし、これを乾燥して密度０．３５ｇ／ｃｍ^３で表面空隙率８５％の繊維質断熱基材を得た。

そして、繊維質断熱基材にコーティング液を０．１５ｇ／ｍ^２の面密度になるようにスプレーにて塗布し、１１０℃で１２時間乾燥して厚さ約１５０μｍの被膜を形成し、試験片を得た。

（実施例３）
アルミナ繊維（ニチアス（株）製「ルビール」）２６．５重量部、アルミナ粒子（日本軽金属（株）製「Ａ３１」）６２重量部、コロイダルシリカ１０．５質量％及び有機バインダー１重量部（何れも固形分換算）を含む水性スラリーから吸引脱水成形により、厚さ５０ｍｍ、幅３００ｍｍ、長さ３００ｍｍのシートとし、これを乾燥して密度１．０ｇ／ｃｍ^３で表面空隙率６０％の繊維質断熱基材を得た。

そして、繊維質断熱基材に実施例１のコーティング液を０．１５ｇ／ｍ^２の面密度になるようにスプレーにて塗布し、１１０℃で１２時間乾燥して厚さ約１００μｍの被膜を形成し、試験片を得た。

（実施例４）
平均粒径１．５μｍの鱗片状シリカ６８質量％、平均粒径０．５μｍの鱗片状シリカ２９質量％、平均繊維径２μｍで平均繊維長５０μｍのアルミノシリケート繊維３質量％からなる混合物を、固形分濃度が１０質量％となるように水に添加し、十分に攪拌してコーティング液を調製した。

そして、実施例１と同一の繊維質断熱基材にコーティング液を０．１５ｇ／ｍ^２の面密度になるようにスプレーにて塗布し、１１０℃で１２時間乾燥して厚さ約１００μｍの被膜を形成し、試験片を得た。

（実施例５）
平均粒径１．５μｍの鱗片状シリカ９質量％、平均粒径０．５μｍの鱗片状シリカ８４質量％、平均繊維径２μｍで平均繊維長５０μｍのアルミノシリケート繊維７質量％からなる混合物を、固形分濃度が１０質量％となるように水に添加し、十分に攪拌してコーティング液を調製した。

そして、実施例１と同一の繊維質断熱基材にコーティング液を０．１５ｇ／ｍ^２の面密度になるようにスプレーにて塗布し、１１０℃で１２時間乾燥して厚さ約７０μｍの被膜を形成し、試験片を得た。

（実施例６）
平均粒径１．５μｍの鱗片状シリカ７０質量％と、平均粒径０．５μｍの鱗片状シリカ３０質量％とからなる混合物を、固形分濃度が１０質量％となるように水に添加し、十分に攪拌してコーティング液を調製した。

（実施例７）
実施例２の繊維質断熱基材に、コロイダルシリカを含浸させて表面空隙率を６０％に低下させ後、実施例１と同一の繊維質断熱基材にコーティング液を０．１５ｇ／ｍ^２の面密度になるようにスプレーにて塗布し、１１０℃で１２時間乾燥して厚さ約１００μｍの被膜を形成し、試験片を得た。

（比較例１）
平均粒径１．５μｍの鱗片状シリカ９５質量％と、平均繊維径２μｍで平均繊維長５０μｍのアルミノシリケート繊維５質量％とからなる混合物を、固形分濃度が１０質量％となるように水に添加し、十分に攪拌してコーティング液を調製した。

そして、実施例１と同一の繊維質断熱基材にコーティング液を０．１５ｇ／ｍ^２の面密度になるようにスプレーにて塗布し、１１０℃で１２時間乾燥して厚さ約８００μｍの被膜を形成し、試験片を得た。

（比較例２）
平均粒径０．５μｍの鱗片状シリカ９５質量％と、平均繊維径２μｍで平均繊維長５０μｍのアルミノシリケート繊維５質量％とからなる混合物を、固形分濃度が１０質量％となるように水に添加し、十分に攪拌してコーティング液を調製した。

そして、実施例１と同一の繊維質断熱基材にコーティング液を０．１５ｇ／ｍ^２の面密度になるようにスプレーにて塗布し、１１０℃で１２時間乾燥したところ、コーティング液のほぼ全量が繊維質断熱基材中に浸透し、試験片の塗布面には被膜が形成されなかった。

上記で作製した各試験片について、耐熱衝撃性及び発塵性を評価した。耐熱衝撃性の評価は、６００℃に保持された電気炉に試験片を投入し、３０分保持した後に炉から取り出し、それを強制空冷により冷却した後に被膜表面の状態を観察し、亀裂の発生がないものを「○」、亀裂が発生しているが致命的でないものを「△」、使用に耐えないレベルの亀裂が発生しているものを「×」、として評価した。また、発塵性の評価は、ＪＩＳＢ９９２６に準拠して評価し、ＪＩＳＢ９９２０による分類で清浄度がクラス６を満たしているものを「○」、クラス６を下回っているものを「×」とした。それぞれの結果を表１に示す。

表１に示すように、本発明に従う実施例の試験片は何れも両評価ともに優れた結果が得られている。これに対し、比較例１の試験片では小径鱗片状シリカを含んでいないことから被膜の密着性が低く、剥離等を生じ、結果として発塵性が悪くなっている。また、比較例２の試験片では被膜が形成されておらず、発塵性に劣っている。

Claims

表面空隙率が５０〜９５％の断熱基材の表面に、平均粒径１．３μｍ以上１．７μｍ以下の大径鱗片状シリカと、平均粒径０．４μｍ以上０．７μｍ未満の小径鱗片状シリカとを、大径鱗片状シリカ量：小径鱗片状シリカ量（重量比）＝９０：１０〜１０：９０にて混合してなる混合物を含有するコーティング液からなる被膜が形成されていることを特徴とする耐熱構造体。
前記コーティング液が、平均繊維径０．５〜１０μｍで平均繊維長３０〜２００μｍの無機繊維を含有することを特徴とする請求項１記載の断熱構造体。
大径鱗片状シリカと小径鱗片状シリカの総量：無機繊維量（重量比）＝８０：２０〜９９．８：０．２であることを特徴とする請求項２記載の断熱構造体。
前記断熱基材が、繊維質断熱材または多孔質断熱材であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の耐熱構造体。