JP4859415B2 - 無機繊維及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体溶解性を有する無機繊維及びその製造方法の改良に関する。

耐熱ガラス繊維、セラミック繊維等の無機繊維は、耐熱性に優れており、建築用途をはじめとして各種構造物の断熱部位等に広く使用されている。

ところで、近年、無機繊維が呼吸等により人体に侵入した場合の健康への影響が懸念されている。比較的大きな無機繊維は、鼻腔や口腔で捉えられるので健康への影響は小さいが、微細な無機繊維は鼻腔や口腔を通り抜けて肺胞に到達して肺胞細胞に炎症を起こし、ＤＮＡ細胞の変質や癌細胞が誘発される可能性があり対策が必要である。

このような対策として、無機繊維自体に生体内で溶解する性質（生体溶解性）を付与することが有効であることが知られている。下記特許文献１には、このような生体溶解性を有する無機繊維の例が開示されている。
特許第３６３０１６７号公報

上記従来の技術においては、生体溶解性を備えた無機繊維に関して、熱収縮率等の耐熱性を記載した無機繊維が知られている。しかし、各種構造物の断熱部位等に使用されるブランケット、マット及びフェルトに関して、これらの強度に関与する繊維単体の引っ張り強度が必ずしも十分ではないという問題があった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、生体溶解性を有し、繊維の引っ張り強度の高い無機繊維及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、無機繊維であって、６０〜８０重量％のＳｉＯ_２、５〜２０重量％のＭｇＯ、５〜３０重量％のＣａＯ、０．５〜５重量％のＡｌ_２Ｏ_３及び０．１〜５重量％のＢａＯを含有し、単繊維の引っ張り強度が４５０ＭＰａ以上であることを特徴とする。

また、上記ＳｉＯ_２の含有率は、７２〜８０重量％であるのが好適である。

また、上記無機繊維において、水中で１５秒間攪拌後、静置した場合の単位重量当たりの見かけの体積が２００ｃｍ^３／ｇ以上であり、さらに２８５秒間攪拌後、静置した場合の単位重量当たりの見かけの体積が５０ｃｍ^３／ｇ以上であることを特徴とする。

また、上記無機繊維において、１２６０℃で８時間加熱処理後の収縮率が１．０〜５．０％であることを特徴とする。

また、本発明は、無機繊維の製造方法であって、６０〜８０重量％のＳｉＯ_２、５〜２０重量％のＭｇＯ、５〜３０重量％のＣａＯ、０．５〜５重量％のＡｌ_２Ｏ_３及び０．１〜５重量％のＢａＯを含有する原料を１８００〜２１００℃に加熱・融解し、得られた融液を気流に晒して繊維化することを特徴とする。

また、上記製造方法において、下記式により算出される前記融液の粘度指数Ｖが、１．５〜２．０ｇ／ｃｍ^２であることを特徴とする。
粘度指数Ｖ＝質量（ｇ）／射影面積（ｃｍ^２）

本発明によれば、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯおよびＡｌ_２Ｏ_３を主成分とした生体溶解性を有する無機繊維に、ＢａＯを含有させることにより繊維の引っ張り強度を向上できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

本発明者らは、鋭意研究、努力の結果、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３系組成の溶解物の中にＢａＯを添加することにより引っ張り強度の高い生体溶解性無機繊維を得られることを見出した。

上記本発明の無機繊維は、次の組成であることが好適である。
ＳｉＯ_２：６０〜８０重量％、 ＭｇＯ：５〜２０重量％、 ＣａＯ：５〜３０重量％、
Ａｌ_２Ｏ_３：０．５〜５重量％、 ＢａＯ：０．１〜５重量％

上記ＳｉＯ_２は無機繊維の耐熱性を向上させる成分であり、特に７２〜８０重量％含有させるのが好適である。

また、ＭｇＯ、ＣａＯは、無機繊維に生体溶解性を付与する成分である。ここで、生体溶解性とは、肺液等の生理学的液体に溶解する性質であり、生理食塩水への溶解性により評価することができる。

また、Ａｌ_２Ｏ_３は、生体溶解性を抑制する成分である。すなわち、生体溶解性が高すぎると、空気中の湿気によっても無機繊維が溶解し、各種構造物の断熱部位等への使用に不適切となる。そこで、Ａｌ_２Ｏ_３を添加し、必要以上に生体溶解性が高くならないように調節している。

また、ＢａＯは、無機繊維の引っ張り強度を向上させるための成分である。ＢａＯを上記割合で添加すると、無機繊維の単繊維での引っ張り強度を４５０ＭＰａ以上とすることができる。無機繊維は、各種構造物の断熱部位等に使用するためにブランケット、マット等に加工されるが、引っ張り強度を４５０ＭＰａ以上に向上させることにより、持ち運びや加工作業時に型くずれを起こしにくくなり、取り扱いが容易となる。

また、ＢａＯを添加すると、耐折れ強度が向上することにより、ブランケット、マット等に加工された無機繊維が、持ち運びや加工作業時に折れて型くずれを起こすことを防止でき、取り扱いが容易となる。なお、繊維１本についての耐折れ強度は、繊維自体が小さすぎるため定量的な評価をすることが困難であったため、後述する実施例で説明する耐折れ強度の評価手法にて評価した。

本発明にかかる無機繊維は、上記組成の原料を混合して１８００〜２１００℃に加熱・融解し、得られた融液を気流に晒して繊維化することにより製造される。融液を気流に晒す方法としては、例えばスピナー製繊方式またはブロア急冷方式を使用することができる。

図１には、スピナー製繊方式に使用するスピナーの概略構成図が示される。図１において、スピナーは、２つの回転ドラム１０，１２が近接して、且つ互いに接触しないように配置され、適宜な駆動手段によって図の矢印方向に回転駆動されている。また、回転ドラム１０，１２の背後には、回転ドラム１０，１２の回転軸方向に空気の気流を噴射するための噴射口１４が複数形成されている。また、上記原料は、溶解炉１６中で、溶解電極１８により加熱・融解される。

上記回転ドラム１０，１２を１００００〜１５０００ｒｐｍで回転駆動させ、且つ噴射口１４から気流を噴射しながら、上記原料を加熱・融解した融液２０を、一方の回転ドラム１０の回転表面上に落下、供給する。融液２０は、その粘度により、回転ドラム１０，１２の回転表面上に広がり、噴射口１４から噴射される気流により、回転ドラム１０，１２の回転軸方向に飛ばされつつ繊維化される。これにより、本発明の無機繊維を製造することができる。

また、図２には、ブロア急冷方式に使用するノズルの概略構成図が示される。図２において、ノズルは、先端が斜めにカットされており、気流が噴射される開口２２が形成されている。この開口２２から気流を噴射しつつ、融液２０をノズル先端の斜めにカットされた部分に落下、供給する。融液２０は、開口２２から噴射される気流により飛ばされつつ繊維化される。これにより、本発明の無機繊維を製造することができる。

以上のような方法で無機繊維を製造する場合、融液２０の粘度を制御する必要があるが、本発明においては、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３系組成の溶解物の中にＢａＯを添加することにより制御している。本発明にかかる融液２０は、１８００〜２１００℃という比較的低い温度で、繊維化に適切な粘度となるので、加熱エネルギのコストを低減できるとともに、スピナー、ブロアその他の製造装置の寿命も長くすることができる。なお、融液２０は高温であるため、その粘度を直接測定することはできない。そこで、後述する実施例で説明する粘度の評価手法により融液２０の粘度指数Ｖを算出する。

以後、本発明の具体例を実施例として説明する。なお、本発明は、本実施例に限定されるものではない。

１．融液の粘度の評価
表面仕上げ２Ｂのステンレス鋼（ＳＵＳ４０３）製測定板の上に、約１００ｍｍの高さから融液を垂らし、冷えて固まった後、その固まった融液の質量と真上から見たときの射影面積を測定する。この測定値から、下記式により粘度指数Ｖを算出する。
・粘度指数Ｖ＝質量（ｇ）／射影面積（ｃｍ^２）

測定板に垂らされた融液は、面積を広げながら急速に冷えて固まるが、粘度が小さいほど大きく広がり、射影面積が大きくなる。従って、粘度指数Ｖが小さいほど融液の粘度が小さく、粘度指数Ｖが大きいほど融液の粘度が大きいことを表している。

２．引っ張り強度の評価
ＪＩＳ Ｒ ７６０１「炭素繊維試験方法」に準拠して評価を行う。図３には、この引っ張り強度の評価法の例が示される。図３において、炭素繊維の単繊維を試験体２４とし、この試験体をホルダー２６に接着剤２８により固定する。なお、ホルダー２６には、試験体２４を接着剤２８により固定する２点間に、切り抜き部３０が形成されている。

次に、試験体２４を固定したホルダー２６の切り抜き部３０の図における左右を切断し、図の上下方向に引っ張り力を加えて引っ張り強度を評価する。この評価に使用した装置は、島津製作所製オートグラフ（ＡＧ−５０）であり、ロードセル容量を２ｋｇｆ、テストスピードを２ｍｍ／分に設定した。

３．耐折れ強度の評価
無機繊維５ｇを水１リットル（Ｌ）に投入し、ミキサーで１５秒間攪拌し、無機繊維を水中に分散させる。その後、１Ｌのメスシリンダ中に分散した無機繊維を含む水１Ｌを入れ、５分間静置後に無機繊維の見かけの体積を測定する。

次に、上記分散した無機繊維を含む水１Ｌを、さらに２８５秒間（合計３００秒間）ミキサーで攪拌し、上記メスシリンダで、同様に５分間静置後の見かけの体積を測定する。

最後に、上記メスシリンダ中の無機繊維を目開き４５μｍのふるいに通し、ふるい上の残った重量（ショット重量という）を測定する。

以上の測定結果を使用し、次の式によりそれぞれの単位重量当たりの見かけの体積（ウエットボリューム、以下ＷＶと呼ぶ）を求める。
・ＷＶ（ｃｍ^３／ｇ）＝見かけの体積（ｃｍ^３）／（繊維重量−ショット重量）（ｇ）

当初は、無機繊維はある長さを有し、ランダムにカーブして存在するため、ある一定の見かけのかさ体積を有する。しかし、ミキサーによる撹拌により、繊維が途中で折れることにより短くなるため、見かけの体積は減少する。よって、上記ＷＶは、１５秒間撹拌した値より、３００秒間撹拌した値のほうが小さくなる。

また繊維の耐折れ強度の値が大きいほど、ミキサーによる撹拌により繊維が折れて短くなることが少ないと考えられる。

よって、最初に１５秒間攪拌した後のＷＶ値は、無機繊維に当初含まれていた長い繊維の含有量の指標であり、次に２８５秒間攪拌した後の値は、長い繊維の含有量の指標に加えて、繊維の耐折れ強度の指標も併せ持っていると言える。

４．生体溶解性の評価
無機繊維を粉砕し、２００メッシュの篩を通過した粉砕資料を約１ｇ精秤する。次に、その粉砕資料を３００ｍｌＬを活栓付三角フラスコに入れ、表１に示される組成の生理食塩水１５０ｍＬを加える。液温を４０℃に保持した状態で毎分１２０回の水平振動を５０時間継続する。その後濾過し、濾液である生理食塩水について含有元素をＩＣＰ発光分析装置により定量分析し、無機繊維の生体溶解性を評価する。

５．熱収縮率の評価
無機繊維の長さを測定し、その無機繊維を１２６０℃に８時間加熱処理し、常温まで冷却した後に再度長さを測定する。

以上の測定結果を使用し、次の式により熱収縮率を評価する。
・熱収縮率（％）＝（加熱処理前の長さ−加熱処理後の長さ）／加熱処理前の長さ×１００

６．無機繊維の製造
表２に示す組成の原料を１８００〜２１００℃に加熱・融解し、得られた融液をブロア急冷方式により繊維化した。原料の加熱・融解は、三相交流電源に接続された３本の電極を原料内に配置し、この電極に通電することにより行った。なお、表２には、３つの実施例の他、２つの比較例も記載されている。比較例１は、ＢａＯが添加されていない。また、比較例２は、ＢａＯの代わりにＳｒＯ_２が添加されている。

なお、表２のＳｉＯ_２源としては、例えば珪砂、ガラスフリット等がある。また、ＭｇＯ源としては、例えばマグネサイト、マグネシアクリンカー、かんらん岩、オリビンサイド、ドロマイト、ガラスフリット等がある。また、ＣａＯ源としては、例えば石灰石、消石灰、生石灰、石膏、ドロマイト、ワラストナイト、ガラスフリット等がある。また、ＢａＯ源としては、例えば炭酸バリウム、硫酸バリウム、硝酸バリウム、重晶石、ガラスフリット等がある。また、Ａｌ_２Ｏ_３源としては、例えばボーキサイト、アルミナ粉等がある。

以上のようにして得られた無機繊維について、上述した各評価を実施した。その評価結果も表２に示される。

表２に示されるように、実施例１、２、３における単繊維の引っ張り強度は、４５０ＭＰａ以上となったが、比較例１、２では、４００ＭＰａを下回る引っ張り強度しか得られなかった。

また、耐折れ強度を評価するＷＶは、実施例１、２、３では、１５秒間攪拌後の値が全て２００ｃｍ^３／ｇ以上となり、３００秒間攪拌後の値が全て５０ｃｍ^３／ｇ以上となった。一方、比較例１、２では、１５秒間攪拌後の値が１５０ｃｍ^３／ｇ付近であり、３００秒間攪拌後の値も４０ｃｍ^３／ｇ以下となった。

以上の結果から、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯおよびＡｌ_２Ｏ_３を主成分とした生体溶解性を有する無機繊維にＢａＯを添加することにより、生体溶解性および熱収縮率を維持したまま、引っ張り強度、耐折れ強度ともに向上することがわかった。

また、実施例１、２、３における融液の粘度指数は、１．５〜２．０ｇ／ｃｍ^２であった。一般に、融液の粘度指数が１．５ｇ／ｃｍ^２以下または２．０ｇ／ｃｍ^２以上となると、融液の粘度が繊維化に適さなくなり、融液が繊維になり難くなる。上記各実施例では、融液の粘度が繊維化に最適な範囲にあることがわかる。

スピナー製繊方式に使用するスピナーの概略構成図である。 ブロア急冷方式に使用するノズルの概略構成図である。 単繊維の引っ張り強度の評価法の例を示す図である。

符号の説明

１０，１２ 回転ドラム、１４ 噴射口、１６ 溶解炉、１８ 溶解電極、２０ 融液、２２ 開口、２４ 試験体、２６ ホルダー、２８ 接着剤。

Claims (6)

1. ６０〜８０重量％のＳｉＯ_２、５〜２０重量％のＭｇＯ、５〜３０重量％のＣａＯ、０．５〜５重量％のＡｌ_２Ｏ_３及び０．１〜５重量％のＢａＯを含有し、その他の成分は０．６重量％以下であり、単繊維の引っ張り強度が４５０ＭＰａ以上であることを特徴とする無機繊維。
2. 請求項１記載の無機繊維において、前記ＳｉＯ_２の含有率が７２〜８０重量％であることを特徴とする無機繊維。
3. 請求項１または請求項２記載の無機繊維において、水中で１５秒間攪拌後、静置した場合の単位重量当たりの見かけの体積が２００ｃｍ^３／ｇ以上であり、さらに２８５秒間攪拌後、静置した場合の単位重量当たりの見かけの体積が５０ｃｍ^３／ｇ以上であることを特徴とする無機繊維。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項記載の無機繊維において、１２６０℃で８時間加熱処理後の収縮率が１．０〜５．０％であることを特徴とする無機繊維。
5. ６０〜８０重量％のＳｉＯ_２、５〜２０重量％のＭｇＯ、５〜３０重量％のＣａＯ、０．５〜５重量％のＡｌ_２Ｏ_３及び０．１〜５重量％のＢａＯを含有し、その他の成分は０．６重量％以下である原料を１８００〜２１００℃に加熱・融解し、得られた融液を気流に晒して繊維化することを特徴とする無機繊維の製造方法。
6. 請求項５記載の無機繊維の製造方法において、下記式により算出される前記融液の粘度指数Ｖが、１．５〜２．０ｇ／ｃｍ^２であることを特徴とする無機繊維の製造方法。
   粘度指数Ｖ＝質量（ｇ）／射影面積（ｃｍ^２）

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