JP4624190B2 - バサルト繊維の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、吸音特性と耐熱性に優れたバサルト繊維の製造方法及び製造されたバサルト長繊維、更にバサルト長繊維の製造装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、自動車用マフラーなどに好適に使用される、吸音特性と耐熱性に優れると共に、安価な耐熱性バサルト長繊維に関するものである。
自動車用マフラーは、排気音を吸収するための部品であり、その吸音材として、現在ガラス繊維が使用されている。しかしながら、最近の自動車エンジンの省エネルギー化および排ガス規制に伴い、エンジン温度が上昇し、その結果排気ガス温度もマフラー部において、８００℃以上になる。そのため、マフラーに使用される吸音材の高耐熱性化（８５０〜９００℃に対応）が急務になってきている。
耐熱性ガラス繊維としては、Ｅガラスの繊維を酸処理したものが知られている。このものは、組成が、ＳｉＯ２５０〜６３重量％、Ａｌ２Ｏ３ １２〜１６重量％、Ｂ２Ｏ３ ８〜１３％重量％、ＣａＯ＋ＭｇＯ １５〜２０重量％、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ微量である一般的なＥガラス繊維を、例えば濃度９〜１２重量％の塩酸を用いて、４０〜７０℃の温度で、約３０分〜数時間、浸漬処理することにより、表層部をＳｉＯ２含有率８０重量％以上のシリカ質ガラスにし、耐熱性を付与したものである。
この酸処理Ｅガラス繊維は、紡糸温度と液相温度の差が大きくて紡糸が容易であり、かつ安価であるなどの長所を有しているが、排気ガス温度が７００℃以上のマフラー部における吸音材用としては、耐熱性が不十分であり、使用しにくいという欠点を有している。このため、該吸音材用として、耐熱性の高いＳガラス繊維の使用が考えられるが、このＳガラスは非常に高価である。
そこで、下記特許文献１には、排気ガス温度が８００℃以上の自動車マフラー部における吸音材などとして好適な耐熱性ガラス繊維として、繊維全体として、実質上重量％で、ＳｉＯ２５６〜５８．５％、Ａｌ２Ｏ３１２〜１７％、ＣａＯ１６〜２７％、ＭｇＯ１〜９％、Ｎａ２Ｏ０〜１％、Ｋ２Ｏ０〜１％を含み、Ｂ２Ｏ２およびＦ２を含まないガラス組成を有し、かつ表層部がＳｉＯ２含有率９０重量％以上のシリカ質ガラスからなる耐熱性ガラス繊維、および上記組成を有するガラス繊維の表面を鉱酸で酸処理した該耐熱性ガラス繊維が開示されている。
一方、天然の玄武岩（バサルト）原石を原料としたバサルト長繊維は、従来のガラス長繊維と比較し、きわめて安価である。しかし、約７５０℃から約９００℃の高温で使用するとガラス成分から結晶相が生成し、可撓性の消失、結晶層とガラス層界面での剥離等の問題が発生するという問題があった。
即ち、下記（１）〜（５）のような問題点があった。
（１）ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯを主成分とする市販のガラス繊維は排気系の高温（〜８００℃）ガスに暴露されると吸音特性・耐久性に問題が発生する。
（２）ＳｉＯ２、Ｓｉ２Ｏ３、ＭｇＯを主成分とする市販のガラス繊維は排気系の高温（〜８３０℃）ガスに暴露されると吸音特性・耐久性に問題が発生する。
（３）市販のガラス長繊維は高コストである。
（４）上記（１）〜（３）を解決するため天然原料を用いたバサルト繊維の適用が検討されている。代表例としてＡｌ２Ｏ３量はほぼ同程度であるがＳｉＯ２量の多い原石（高温度用（Ａ））と、ＳｉＯ２量が少ない原石（中温度用（Ｂ））の２種のバサルト繊維が組成も安定し、大量に入手可能である。原石（Ｂ）を原料としたバサルト繊維の繊維化は可能であるが７５０℃以上の温度領域で耐熱性に問題があり、原石（Ａ）を用いた場合は繊維の量産時のエネルギー費が上昇する。
（５）以上より、高耐熱性・低コスト・高耐久性を満足する吸音用ガラス繊維や自動車用断熱部品材料が入手できない。
（１）ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯを主成分とする市販のガラス繊維は排気系の高温（〜８００℃）ガスに暴露されると吸音特性・耐久性に問題が発生する。
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（３）市販のガラス長繊維は高コストである。
（４）上記（１）〜（３）を解決するため天然原料を用いたバサルト繊維の適用が検討されている。代表例としてＡｌ２Ｏ３量はほぼ同程度であるがＳｉＯ２量の多い原石（高温度用（Ａ））と、ＳｉＯ２量が少ない原石（中温度用（Ｂ））の２種のバサルト繊維が組成も安定し、大量に入手可能である。原石（Ｂ）を原料としたバサルト繊維の繊維化は可能であるが７５０℃以上の温度領域で耐熱性に問題があり、原石（Ａ）を用いた場合は繊維の量産時のエネルギー費が上昇する。
（５）以上より、高耐熱性・低コスト・高耐久性を満足する吸音用ガラス繊維や自動車用断熱部品材料が入手できない。
なお、下記特許文献２には、バサルト繊維を樹脂に添加して自動車用内装材とする発明が開示されている。
特開２００１−２０６７３３号公報
特開２００１−３１５５８８号公報
本発明発明者らが研究した結果、天然の玄武岩（バサルト）原石を原料としたバサルト長繊維を用いると、上記の問題点・課題が発生する理由は、下記（１）〜（４）にあることが判明した。
（１）完全なガラス相から一部結晶化が進行し、またＣａ−Ｓｉ−Ｏ系の低融点結晶相の生成によって繊維同士が固着するため見かけの繊維径が単繊維径の数倍になって固化するため可撓性が失われる。
（２）完全なガラス相からすべて結晶相のみとなり、可撓性が失われる。
（３）市販ガラス繊維はガラスの網目形成体（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｆｏｒｍｅｒ）と網目修飾体（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｍｏdｆｉｅｒ）となる酸化物原料を所定の組成になるように混合してから高温で溶融させるため、原料費大、混粉工程を要する、原料の溶融温度が高い等の理由から製造コストが高い。
（４）バサルト繊維は天然原料を使用するため製造コストは市販ガラス繊維と比べて低い。しかし原石（中温度用（Ｂ））はＳｉＯ２が少ないため、高温溶融物の粘性が低く、２０ｍμ以下の繊維径を有する長繊維の製造が可能であるが、７５０℃以上でガラス相が結晶化するため耐熱性に劣る。一方原石（高温度用（Ａ））は〜８５０℃において結晶化は一部進行するものの、ガラス相も残存するため高耐熱性であるが、高温の粘性が高く、量産時において溶融温度を高くする必要があり、その結果、エネルギー費の増大となる。
（１）完全なガラス相から一部結晶化が進行し、またＣａ−Ｓｉ−Ｏ系の低融点結晶相の生成によって繊維同士が固着するため見かけの繊維径が単繊維径の数倍になって固化するため可撓性が失われる。
（２）完全なガラス相からすべて結晶相のみとなり、可撓性が失われる。
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（４）バサルト繊維は天然原料を使用するため製造コストは市販ガラス繊維と比べて低い。しかし原石（中温度用（Ｂ））はＳｉＯ２が少ないため、高温溶融物の粘性が低く、２０ｍμ以下の繊維径を有する長繊維の製造が可能であるが、７５０℃以上でガラス相が結晶化するため耐熱性に劣る。一方原石（高温度用（Ａ））は〜８５０℃において結晶化は一部進行するものの、ガラス相も残存するため高耐熱性であるが、高温の粘性が高く、量産時において溶融温度を高くする必要があり、その結果、エネルギー費の増大となる。
そこで、玄武岩（バサルト）原石に対し、網目状形成体、ガラス修飾体を形成・維持し、バサルト繊維の結晶化及び固着を抑制すること、及びバサルト繊維の耐熱性を従来の７５０℃から８５０〜９００℃まで大幅に向上させ、かつ従来品と比べて大幅な低コスト化を達成することが必要である。
本発明は、上記問題点を解決するべく、玄武岩原料を用いたバサルト長繊維の製造方法を確立することを目的とする。
本発明者らは、玄武岩（バサルト）原石に対し、その溶融条件を選定することで耐熱性に優れたバサルト長繊維を製造できることを見出し、本発明に到達した。同時に、玄武岩（バサルト）原石に対し、網目状形成体、ガラス修飾体となる酸化物の選定とその添加量の最適化により、結晶化及び固着を抑制できるとともに、耐熱性を大幅に向上させることができることを見出した。
即ち、第１に、本発明は、バサルト長繊維の製造方法の発明であり、玄武岩を原料とし、該玄武岩を粉砕する工程と、該粉砕物を洗浄する工程と、該洗浄物を溶融する工程と、該溶融物を繊維化する工程と、該繊維を引き揃え、巻き取る工程とからなり、該溶融する工程における溶融物の温度が１４００〜１６５０℃であり、且つ溶融物の粘度をηとするとｌｏｇηが２．１５〜２．３５ｄＰａ・ｓ、より望ましくは２．２〜２．３ｄＰａ・ｓであることを特徴とする。
本発明の溶融条件により、繊維径の制御と引き揃え工程と巻き取り工程で切断しないバサルト長繊維の製造が可能となった。
上記のように、溶融する工程における溶融物の温度は１４３０〜１６１０℃であるが、好ましくは１５３０〜１５５０℃である。
前記玄武岩原料としては、（１）Ａｌ２Ｏ３量はほぼ同程度であるがＳｉＯ２量の多い原石（高温度用（Ａ））、（２）Ａｌ２Ｏ３量はほぼ同程度であるがＳｉＯ２量が少ない原石（中温度用（Ｂ））、及び（３）該高温度用玄武岩原石（Ａ）と該中温度用玄武岩原石（Ｂ）の混合物から選択されることを特徴とする請求項１または２に記載のバサルト長繊維の製造方法。
本発明においては、前記玄武岩原料にＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯから選択される酸化物の１種以上を添加することが好ましい。前記酸化物の最適添加量は下記（１）〜（３）の通りである。
（１）前記酸化物の添加が１成分であり、その添加量が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０〜４０ｗｔ％、望ましくは１０〜３０ｗｔ％である。
（２）前記酸化物が２成分であり、その添加量の合計が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０〜７０ｗｔ％、望ましくは１０〜６０ｗｔ％である。
（３）前記酸化物が３成分以上であり、その添加量の合計が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０〜６０ｗｔ％、望ましくは１０〜５０ｗｔ％である。
（１）前記酸化物の添加が１成分であり、その添加量が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０〜４０ｗｔ％、望ましくは１０〜３０ｗｔ％である。
（２）前記酸化物が２成分であり、その添加量の合計が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０〜７０ｗｔ％、望ましくは１０〜６０ｗｔ％である。
（３）前記酸化物が３成分以上であり、その添加量の合計が、該玄武岩１００ｗｔ％に対して外添加で１．０〜６０ｗｔ％、望ましくは１０〜５０ｗｔ％である。
本発明においては、前記溶融物を繊維化する工程において、所定の温度で完全溶融させた溶融物を白金ブッシュ底部の設けた孔から落下する溶融物を繊維化して巻き取る速度で繊維径を調整することが可能である。
第２に、本発明は、上記の方法で製造されたバサルト長繊維自体である。
第３に、本発明は、上記のバサルト繊維材料からなる耐熱性吸音材料である。
第４に、本発明は、上記のバサルト繊維材料を耐熱性吸音材料として備えたマフラーである。
第３に、本発明は、上記のバサルト繊維材料からなる耐熱性吸音材料である。
第４に、本発明は、上記のバサルト繊維材料を耐熱性吸音材料として備えたマフラーである。
第５に、本発明は、玄武岩を原料とするバサルト長繊維の製造装置の発明であって、玄武岩を粉砕し該粉砕物を洗浄した原料を投入するホッパーと、加熱手段により該洗浄物を溶融する炉と、該溶融物を繊維化する低部に多数の孔を設けた白金ブッシュと、該繊維を引き揃え、巻き取る巻き取り機とからなることを特徴とする。
本発明の溶融条件により、繊維径の制御が可能で、巻き取り工程で切断しないバサルト長繊維を製造することが可能となった。
又、本発明では、玄武岩（バサルト）原石に対し、網目状形成体、ガラス修飾体となる酸化物の選定とその添加量の最適化、及び含有する元素量の異なる２種の玄武岩であるＡｌ２Ｏ３量はほぼ同程度であるがＳｉＯ２量の多い原石（高温度用（Ａ））と、ＳｉＯ２量が少ない原石（中温度用（Ｂ））の２種の玄武岩原石を原料とすることにより、バサルト繊維の結晶化及び固着を抑制できるとともに、耐熱性を大幅に向上させることができた。
本発明のバサルト繊維の原料である玄武岩（バサルト原石）は、火成岩の１種であり、主な構成鉱物としては、（１）斜長石：Ｎａ（ＡｌＳｉ３Ｏ８）−Ｃａ（Ａｌ２ＳｉＯ８）、（２）輝石：（Ｃａ，Ｍｇ，Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋，Ａｌ，Ｔｉ）２［（Ｓｉ，Ａｌ）２Ｏ６］、（３）カンラン石：（Ｆｅ，Ｍｇ）２ＳｉＯ４である。ウクライナ産のものが安価で良質である。
高温度用玄武岩原石（原石（高温度用））、中温度用玄武岩原石（原石（中温度用））及び原石（高温度用）８５％／原石（中温度用）１５％からなるガラスの、ＩＣＰ（高周波プラズマ発光分析装置；島津製作所ＩＣＰＶ−８１００）分析による元素比（ｗｔ％）、及び酸化物換算の組成比（ｗｔ％）の例は下記表１及び表２のようである。
図１に、本発明のバサルト長繊維製造の各工程の概略を示す。図１に示すように、先ず、原料となる玄武岩は所定の粒度に粉砕される。次に、該粉砕物は洗浄され、溶融炉の原料投入ホッパーに投入される。該溶融炉は、ガス及び／又は電気炉であり、周囲を断熱炉材で囲まれるとともに、原料を表面からバーナー加熱して、溶融させる。該溶融物は、底部に多数の孔を有する白金ブッシュを通過して繊維化される。該繊維化バサルトは、繊維巻き取り機により、引き揃えられ、巻き取られられる。
図１中に、本発明で用いられるバサルト長繊維製造装置の概略図を示した。本装置の溶融炉の特徴は、（１）単独の炉であること、（２）１炉に対し１ブッシングであること、（３）バッチ炉的な考え方で有り、玄武岩投入口→炉→ブッシング→巻き取りを単独で行うこと、にある。本装置により、
（１）炉の改修をする場合にある１部の生産を止めるという対応が可能である。例えば、複数炉存在すれば、定期的に炉を改修し、尚且つ生産を続けることが可能である、
（２）少ロットの生産にも対応が可能であり、尚且つ原料材質の違うものを生産することが可能である、
という長所がある。
（１）炉の改修をする場合にある１部の生産を止めるという対応が可能である。例えば、複数炉存在すれば、定期的に炉を改修し、尚且つ生産を続けることが可能である、
（２）少ロットの生産にも対応が可能であり、尚且つ原料材質の違うものを生産することが可能である、
という長所がある。
玄武岩原料を電気炉あるいはガス炉で所定温度にて完全な溶融物とし、この溶融物を白金ブッシュ底部から所定の速度で引っ張り、数μｍ〜数十μｍレベルの繊維径の長繊維とする。特に、吸音材料として用いる際には、１５〜２０μｍが望ましい。バサルト長繊維の繊維径を制御するには、溶融物の組成、溶融物の温度、所定温度での溶融物の高温粘性、白金ブッシュの底部に設けた孔のサイズ、孔の形状、孔の配置などの様々な因子があり、さらに、重要な因子は繊維化時の引っ張り力の制御である。通常は、図１の概念図に示した繊維の巻き取り装置の巻き取り速度で、即ち回転速度で制御する。又、長繊維とするには、巻き取り時に繊維が切断しないことが不可欠であり、繊維の切断を防ぐ因子も上記の繊維径を決定する因子の最適化が重要である。このように、本発明では、数十μｍ径の繊維を切断することなく長繊維とすることがポイントである。
玄武岩系原料を用いた玄武岩長繊維の製造方法は溶融物の温度、粘性がキーテクである。高温での溶融物の粘性を正確に測定し、原料組成に応じて最適な粘性が得られるよう制御することが不可欠である。ここで、溶融物の高温粘性の評価法としては、ガラスの粘性測定（試料引き下げ法）を用いる。試料引き下げ法の原理はガラス溶融体中でＰｔ球体が等速運動すると粘性はＳｔｏｋｅｓの法則から
η=ＧＷ／ｖ
となる。ここで、Ｇ=装置定数、Ｗ＝負荷荷重、ｖ＝Ｐｔ坩堝の引き下げ速度である。
η=ＧＷ／ｖ
となる。ここで、Ｇ=装置定数、Ｗ＝負荷荷重、ｖ＝Ｐｔ坩堝の引き下げ速度である。
以下、本発明の実施例を示す。
［実施例］
図１に示す長繊維の製造装置を用い、玄武岩系の種々の原料を用いて長繊維を製造した。用いた玄武岩は、（１）玄武岩（高温度用（Ａ））、（２）玄武岩（中温度用（Ｂ））、（３）玄武岩（高温度用（Ａ））に１成分、２成分、３成分系酸化物を添加した玄武岩原料、（４）玄武岩（高温度用（Ａ））および玄武岩（中温度用（Ｂ））の混合玄武岩を原料、（５）玄武岩（高温度用（Ａ））および玄武岩（中温度用（Ｂ））の混合玄武岩に他の酸化物を添加した原料である。これら原料をホッパーから投入し、ガス炉で所定温度に保持した炉内で溶融させる。玄武岩のサイズは数ｍｍ〜数十ｍｍあるいはμｍ〜数ｍｍのもので良い。原料の投入速度と白金ブッシュから繊維として取り出す量を一定にし、溶融物の液面を常に一定にする必要がある。断熱炉材は種々の組成のもので良い。ただし溶融物との反応や溶融物による腐食の少ない材料を用いることが必要である。混合原料を用いる場合はあらかじめ混合したもの、あるいは複数のホッパーを用いて所定組成になるよう分割投入しても構わない。得られた繊維の外観、形態を観察したところ、茶色がかった透明な長繊維であった。
［実施例］
図１に示す長繊維の製造装置を用い、玄武岩系の種々の原料を用いて長繊維を製造した。用いた玄武岩は、（１）玄武岩（高温度用（Ａ））、（２）玄武岩（中温度用（Ｂ））、（３）玄武岩（高温度用（Ａ））に１成分、２成分、３成分系酸化物を添加した玄武岩原料、（４）玄武岩（高温度用（Ａ））および玄武岩（中温度用（Ｂ））の混合玄武岩を原料、（５）玄武岩（高温度用（Ａ））および玄武岩（中温度用（Ｂ））の混合玄武岩に他の酸化物を添加した原料である。これら原料をホッパーから投入し、ガス炉で所定温度に保持した炉内で溶融させる。玄武岩のサイズは数ｍｍ〜数十ｍｍあるいはμｍ〜数ｍｍのもので良い。原料の投入速度と白金ブッシュから繊維として取り出す量を一定にし、溶融物の液面を常に一定にする必要がある。断熱炉材は種々の組成のもので良い。ただし溶融物との反応や溶融物による腐食の少ない材料を用いることが必要である。混合原料を用いる場合はあらかじめ混合したもの、あるいは複数のホッパーを用いて所定組成になるよう分割投入しても構わない。得られた繊維の外観、形態を観察したところ、茶色がかった透明な長繊維であった。
本発明の溶融条件により、繊維径の制御が可能となったことに加えて、引き揃え工程と巻き取り工程で切断しないバサルト長繊維の製造が可能となった。又、本発明により、バサルト繊維の結晶化及び固着を抑制できるとともに、耐熱性を大幅に向上させることができた。その結果、マフラー等に最適な耐熱性吸音材料を安価に提供することが出来る。
Claims (4)
- 玄武岩を原料とし、該玄武岩を粉砕する工程と、該粉砕物を洗浄する工程と、該洗浄物を溶融する工程と、該溶融物を繊維化する工程と、該繊維を引き揃え、巻き取る工程とからなり、
該溶融する工程における前記溶融物の温度が１５３０〜１５５０℃であり、且つ前記溶融物の粘度をηとするとｌｏｇηが２．１５〜２．３５ｄＰａ・ｓであり、
前記繊維を引き揃え、巻き取る工程において、前記溶融物を引っ張って長繊維にするものであり、この引っ張りの際の引っ張り速度によって、１５〜２０μｍの繊維径の長繊維にすることを特徴とするバサルト長繊維の製造方法。 - 前記玄武岩原料が、高温度用玄武岩原石（Ａ）、中温度用玄武岩原石（Ｂ）、及び高温度用玄武岩原石（Ａ）と中温度用玄武岩原石（Ｂ）との混合物から選択されるものであり、高温度用玄武岩原石（Ａ）は、中温度用玄武岩原石（Ｂ）に比べて、Ａｌ２Ｏ３量はほぼ同程度であり、ＳｉＯ２量の多い原石であることを特徴とする請求項１に記載のバサルト長繊維の製造方法。
- 前記玄武岩原料にＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯから選択される酸化物の１種以上を添加したことを特徴とする請求項１または２に記載のバサルト長繊維の製造方法。
- 前記溶融物を繊維化する工程において、所定の温度で完全溶融させた溶融物を白金ブッシュ底部に設けた孔から落下する溶融物を繊維化し、前記繊維を引き揃え、巻き取る工程において、引張り速度として繊維化した繊維を巻き取る速度で、前記繊維径の範囲に前記長繊維の繊維径を調整することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のバサルト長繊維の製造方法。
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