JP4937648B2 - 無機質繊維成形体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、無機バインダーを使用し、有機物を使用せずに、セラミックファイバーの成形体内に無機バインダーを均一に担持して、高品質の無機質繊維成形体を製造する方法に関するものである。

従来から、セラミックファイバーを用いた無機質繊維成形体は、融点が高く、溶融金属にも濡れにくいため、バーナータイルや炉の内張材、或いはタンディシュなどとして使用されている。この無機質繊維成形体を製造する方法として、水にセラミックファイバーを分散させたスラリーに、アルミナゾルやシリカゾルなどの無機バインダーを懸濁させ、金型を用いてファイバーを脱水しながら成形した後、乾燥する方法がある。

しかし、無機バインダーとして使用するコロイド粒子は、乾燥時に成形体表面に移動（マイグレーション）し易いとう問題があった。即ち、濡れた状態の成形体を乾燥すると、水の蒸発によって表面の水が減少し、これに伴って成形体内部から水が表面に移動して蒸発し、最終的に乾燥する。その際、無機バインダーのコロイド粒子も水と一緒に移動するため、無機バインダーが成形体表面に濃縮される結果、成形体表面は硬くなるが、内部は柔らかくなってしまう。

このマイグレーションを防止する方法が、従来から種々検討されてきた。例えば、米国特許第３２２４９２７号明細書などに記載されるように、セラミックファイバーと無機バインダーのスラリーにカチオン性澱粉を添加することにより、無機バインダーであるコロイダルシリカのコロイド粒子を凝集させて繊維に固定する方法がある。しかし、この方法では、得られる成形体中に有機物が含まれるため、炉などに取り付けて加熱したときに有機物が燃焼し、煙と異臭が発生する。そのため、煙を嫌う工業炉向けには最終的に焼成工程が必要となり、焼成時間がかかるうえコストアップの原因となっていた。

また、特開昭５８−１０４０５９号公報や、特開昭６０−３３２４４号公報には、セラミックファイバーと無機バインダーであるコロイダルシリカのスラリーに、硫酸バンド（硫酸アルミニウム）などの凝結材を加えた後、高分子凝集剤のポリエチレンオキサイドを添加して、コロイダルシリカを繊維に定着させる方法が記載されている。しかし、この方法においても、高分子凝集剤を加えるので、これを除去するための焼成工程が必要であった。また、凝結剤に含まれる塩素や硫黄が炉内でガス化するため、これを処理する必要もある。

また、特開平４−５９６７５号公報には、セラミック繊維を寒天やゼラチンなどのゲル化剤の溶液中に分散させたスラリーを調整し、このスラリーを加熱又は冷却することによってゲル化固化せしめ、得られたゲル体を乾燥後焼成する無機繊維質多孔材料の製造方法が記載されている。しかし、この方法では、ゲル化剤として寒天やゼラチンなどの有機物を使用するので、やはり最終的に焼成工程が必要となる。

特開平１−２４２７３７号公報には、ＳｉやＡｌなどのアルコキシドを加水分解し、これにゲル化促進剤として(ＮＨ_４)_２ＣＯ_３を添加して調整した溶液を、繊維成形体の成形用バインダーとして用いる方法が記載されている。しかし、使用する金属アルコキシドが高価であるうえ、ゲル化時間はコロイドの濃度、温度、ｐＨに対して敏感なため制御が難しく、ゲル化が短時間に起きると成形ができなくなり、逆に時間が長すぎると成形効率が低下するという問題があった。

また、特開昭５９−１８７７００号公報には、無機質繊維とベントナイトなどの無機質充填剤を水に分散させたスラリーに、硫酸アルミニウムのような水溶性アルミニウム塩を添加して混合し、次いで撹拌しながらｐＨ７〜１０になるまでアルカリを添加してアルミニウム塩を加水分解させ、形成された水酸化アルミニウムを含むスラリー状原料混合物を脱水成形し、乾燥する方法が記載されている。しかし、この方法は、無機質充填剤が必要なうえ、面倒なｐＨ調整を行う必要があった。

米国特許第３２２４９２７号明細書 特開昭５８−１０４０５９号公報 特開昭６０−３３２４４号公報 特開平４−５９６７５号公報 特開平１−２４２７３７号公報 特開昭５９−１８７７００号公報

上記したように、無機質繊維成形体の製造の際に無機バインダーのマイグレーションを防ぐためには、帯電して互いに反発することで安定な状態となっているコロイド粒子を凝集させるか若しくはゲル化させる等して、成形体内に固定させる必要がある。しかしながら、上記した従来の方法では、凝結材、ゲル化剤、凝集剤などの添加を必要とし、更には有機物を添加する場合には最終的に焼成工程を必要とし、あるいはｐＨ調整など複雑な工程を必要としていた。

本発明は、このような従来の事情に鑑み、凝結材、ゲル化剤、凝集剤、ｐＨ調整剤などの添加物を必要とせず、有機物を一切使用せず且つ焼成工程を経ることなく無機バインダーのマイグレーションを防止することができる、簡単で効率的な無機質繊維成形体の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、無機質繊維成形体の製造の際に無機バインダーのマイグレーションを防ぐ方法について種々検討した結果、コロイダルシリカのようなコロイド粒子からなる無機バインダーを凍結すると、コロイド粒子が粗大化して、無機質繊維の成形体内に均一に分散した状態で担持され、通常の乾燥工程によっても無機バインダーが表面側に移行しないこと、しかも、この現象は配合された無機バインダーの濃度によらないことを見出し、本発明を完成させたものである。

即ち、本発明が提供する無機質繊維成形体の製造方法は、水に分散させたセラミックファイバーに無機バインダーを加え、吸引成形により成形して、得られた湿潤状態の成形体を凍結させた後、融解・乾燥することを特徴とする。

また、本発明が提供する無機質繊維成形体の他の製造方法は、水に分散させたセラミックファイバーを吸引成形により成形し、得られた湿潤状態の成形体に無機バインダーを含浸させ、その湿潤状態の成形体を凍結させた後、融解・乾燥することを特徴とする。

本発明によれば、バインダーなどの添加剤として有機物を一切含まず、従って有機物を除くための焼成工程を経ることなく、無機バインダーのマイグレーションを防止でき、内部まで優れた強度を有する高品質の無機質繊維成形体を製造することができる。しかも、凍結による粒子の粗大化は無機バインダーの濃度によらないので、無機バインダーの配合量を自由に決定でき、通常品から高強度品まで製品設計が容易である。

また、凝結材、ゲル化剤、凝集剤、ｐＨ調整剤などの添加物を使用しないため、工程が簡便で制御が容易であるうえ、不純物が極めて少なく、従って耐熱性などの特性に優れた無機質繊維成形体を得ることができる。しかも、ろ過抵抗が低いので、厚物成形品も容易に成形できるなど、種々の形状の成形体が成形可能であると共に、成形時の排水中に有機物が含まれないため、廃水処理設備の負荷を軽減することができる。更に、有機物を使用しないため高温での乾燥が可能であり、焦げや変色も起こらず、高品質の無機質繊維積層体を短時間で効率よく製造することができる。

本発明における第１の方法では、セラミックファイバーを水に分散させ、更に無機バインダーを加え、吸引成形により成形体を形成した後、得られた湿潤状態の成形体を、乾燥させることなく、そのまま凍結させる。湿潤状態の成形体を凍結させる方法には特に制限はなく、冷凍庫などに入れて、０℃以下の温度、好ましくは−１０℃以下の温度で凍結させればよい。その後、凍結した成形体を融解・乾燥する。乾燥方法も特に制限されず、例えば、乾燥機に入れて、１００℃程度以上の温度で融解・乾燥すればよいが、効率的に乾燥を行うためには１１０℃以上の温度が好ましい。

また、本発明の第２の方法では、セラミックファイバーを水に分散させ、これに無機バインダーを加えることなく、吸引成形により成形体を形成する。次に、得られた湿潤状態の成形体に無機バインダーを含浸させた後、そのまま凍結させる。その後、凍結している成形体を融解・乾燥することによって、上記第１の方法と同様に、無機バインダーのマイグレーションを防止して、無機質繊維成形体を製造することができる。また、この第２の方法によれば、無機バインダーが製造ラインに循環しないので、ラインのメンテナンスが簡単になるという利点がある。

上記の凍結工程によって、コロイダルシリカのようなコロイド粒子からなる無機バインダーの微粒子（粒径１０〜２０ｎｍ）は、粒径が１０μｍ〜５ｍｍ程度にまで粗大化する。このように粗大化した無機バインダー粒子は、セラミックファイバーの成形体内を移動することができず、しかも凍結している成形体を加熱して融解しても粗大化した粒子径が維持される。従って、凍結している成形体を加熱・乾燥したとき、水は成形体内を表面に移動して蒸発するが、粗大な無機バインダー粒子は成形体内に均一な状態で保持されるため、無機バインダーのマイグレーションを防止することができるのである。

上記した本発明方法においては、通常の場合、湿潤状態の成形体を完全に凍結させることにより、無機バインダーが全体に均一に分散され、全体に均一な硬さを有する成形体が得られる。しかし、完全（１００％）に凍結させず、例えば８０％だけ凍結させることも可能であり、その場合には、成形体内部がある程度の硬さを有し、且つ表面を十分に硬くすることができる。例えば、円筒形状などの成形体では、内部に比べて表面側が硬いほうが好まれ、外周加工を行わずに使用するものもある。

また、凍結による無機バインダー粒子の粗大化は、無機質繊維成形体中の無機バインダー濃度に影響されない。従って、成形体中の無機バインダーの配合量は任意に決定でき、無機バインダーの液濃度や吸引時間により制御することができる。しかし、水の量が多くなり過ぎと、凍結時に成形体の体積膨張が起こり好ましくない。その場合には、無機バインダーの含浸後に吸引脱水することにより、水の配合量が無機質繊維成形体の空隙量の９０％以下となるように制御することが望ましい。

上記無機バインダーとしては、例えば、コロイダルシリカ（シリカゾル）、アルミナゾル、チタニアゾルなど、従来から無機質繊維成形体の製造に使用されているコロイド粒子状のものを使用することができ、中でもコロイダルシリカが好ましい。また、無機バインダーの配合量についても、特に制限はなく、成形体が必要とする特性に応じて、例えば必要とする強度や硬度が得られる範囲内で、任意に定めることが可能である。尚、セラミックファイバーとしては、シリカアルミナファイバー、ムライトファイバー、アルミナファイバー、ロックウール、ガラスファイバーなどを使用することができる。

また、本発明の無機質繊維成形体の形状は、セラミックファイバーを水に分散させたスラリー、または更に無機バインダーを添加したスラリーを吸引成形する際の成形型を変えることによって、ボード状だけでなく、円筒状など、あらゆる形状とすることが可能である。尚、成形の際に成形型から吸引排出され水と無機バインダーは、回収してスラリーに再配合することができる。

［実施例１］
配合槽に水２ｍ^３と濃度４０ｗｔ％のコロイダルシリカ液１.５ｍ^３を入れ、次いでシリカアルミナファイバー５０ｋｇを加え、撹拌機で２分間分散してスラリーを作製した。得られたスラリーを成形槽に送り、スラリー中に金型を沈め、スラリーを撹拌しながら３分間吸引して、金型上に厚さ１６０ｍｍの板状の成形体を成形した。

その後、吸引したまま金型ごと成形体をスラリーから引き上げ、更に１分間吸引して脱水した。成形体内に担持されるコロイダルシリカの量は、この大気中での吸引時間を長くすることで少なくなり、短くすることで多くなる。吸引除去されたコロイダルシリカは、気液分離器で分離され、貯留槽へ送って次の配合に用いた。

得られた成形体を脱型した後、湿潤状態の成形体を冷凍庫に入れ、−１０℃で１０時間以上保持して完全に凍結させた。凍結した成形体を冷凍庫から出し、乾燥機に入れて１１０℃に保持して２日以上乾燥した。

その後、機械加工により９００×６００×１５０ｍｍのボード状とした。得られた無機質繊維成形体は、密度が３００ｋｇ／ｍ^３、曲げ強度が０.３ＭＰａ、表面硬度が６０及び内部硬度が６０であった。尚、無機質繊維成形体の表面硬度及び内部の測定は、アスカーゴム硬度計Ｃ型によった（以下の実施例も同じ）。

比較のため、凍結しなかった以外は上記と同様にして、同じ形状と寸法の無機質繊維成形体を製造した。得られた無機質繊維成形体は、無機バインダーであるコロイダルシリカのマイグレーションが起こるため、表面硬度が９０及び内部硬度が１０であった。

［実施例２］
配合槽に水２ｍ^３を入れ、次いでシリカアルミナファイバー５０ｋｇを加え、撹拌機で２分間分散してスラリーを作製した。得られたスラリーを成形槽に送り、スラリー中に金型を沈め、スラリーを撹拌しながら２.５分間吸引して、金型上に厚さ１６０ｍｍの板状の成形体を成形した。

その後、吸引したまま金型ごと成形体をスラリーから引き上げ、更に３分間吸引して脱水した。得られた成形体を脱型した後、濃度１０ｗｔ％のコロイダルシリカ液を成形体に含浸させ、−１０℃の冷凍庫に入れ、１０時間以上保持して完全に凍結させた。凍結した成形体を乾燥機に入れ、１１０℃で２日以上乾燥した。

その後、機械加工により９００×６００×１５０ｍｍのボード状とした。得られた無機質繊維成形体は、密度が３２０ｋｇ／ｍ^３、曲げ強度が０.４ＭＰａ、表面硬度が６５及び内部硬度が６５であった。

Claims (3)

1. 水に分散させたセラミックファイバーに無機バインダーを加え、吸引成形により成形して、得られた湿潤状態の成形体を凍結させた後、融解・乾燥することを特徴とする無機質繊維成形体の製造方法。
2. 水に分散させたセラミックファイバーを吸引成形により成形し、得られた湿潤状態の成形体に無機バインダーを含浸させ、その成形体を凍結させた後、融解・乾燥することを特徴とする無機質繊維成形体の製造方法。
3. 前記無機バインダーがコロイダルシリカであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の無機質繊維成形体の製造方法。