JP5037797B2

JP5037797B2 - 多孔質軽量資材とその製造方法

Info

Publication number: JP5037797B2
Application number: JP2005140857A
Authority: JP
Inventors: 政武嶺井
Original assignee: 株式会社トリム
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: JP2006315914A

Description

本発明は、吸水性や保水性に優れた人工土壌材並びに安全性が高く適度な強度を有する人工軽石に関し、多量に発生する廃ガラスと廃材利用木質炭及び粘土の混合物を活用した焼結発泡体によって実現するものである。

本発明の出願人らは、特開2002−104889において、粘土と微砂粒子から成る島尻泥岩の粉末とガラスの粉末と発泡剤とを混合した状態で、加熱炉中を通過させて焼成する方法によって、島尻泥岩の粉末とガラス粉末とが均一にかつ渾然一体となった資材が得る技術を提案した。
こうして製造した島尻泥岩の粉末とガラス粉末との混合発泡体は、島尻泥岩によって、ミネラルを多く含むとともに、発泡ガラス粉末との混合材は空気も水も多量に含むことができる。その結果、作物の根の張りがよくなるとともに、発泡による園芸用の軽い鉢土は取り扱いも楽になり、輸送コストも軽減されるので、園芸農業の振興にも大きな効果が発揮されるものと期待される。

本発明は、このような粘土粉末とガラス粉末とを加熱炉中で焼成してなる混合発泡体を更に改良して混合多孔質軽量材を実現することによって、土壌改良材や水質浄化資材、植栽用人工培地、除湿材などの各種用途に適用できることを知見した。

これに対し、特許第２５８６７５９号（特願平３−１６０２６１）として、発泡建材及びその製造方法に係り、特に、断熱性に優れ、吸水性がなく、しかも表面が滑りにくい上に、寸法精度、機械的強度にも優れ、床材として好適な発泡建材及びその製造方法が提案されている。
その詳細は、粘土６０〜１０重量部、長石４０〜９０重量部及びガス発生成分２重量部以下を混合してなる発泡性原料と、非発泡性原料とを層状に積層成形した後焼成して発泡層と非発泡層を有した焼結体とし、次いで該焼結体の発泡層の表面を研削又は研磨することにより気孔の断面を露出させることを特徴とする発泡建材の製造方法である。

また、特開平８−５９３６５として、使用済み鋳物砂型の開枠の際に廃棄物として多量に生成する微粉砂を使用して、気孔が均一に分布しており、強度、通気性及び保水性に優れ、無菌で安全性の高い焼結体、並びにこれからなる土壌改良剤、水質浄化材及び植物生育用人工土壌を提供することが提案されている。
その詳細は、使用済み鋳物砂型由来の微粉砂に水を加えて混練し成形した成形物を必要なら乾燥し、次いで焼成して得られる多孔質焼結体、並びにそれからなる土壌改良材、水質浄化材及び植物生育用人工土壌である。
特許第２５８６７５９特開平８−５９３６５

しかしながら、特許文献１の場合は、粘土と長石とガス発生成分を混合してなる発泡性原料と非発泡性原料とを層状に積層成形した後焼成して発泡層と非発泡層を有した焼結体とし、次いで該焼結体の発泡層の表面を研削又は研磨することにより気孔の断面を露出させるものであって、吸水性の無い床材のような建材に用途が限られる。したがって、本発明の如き土壌改良材や水質浄化資材、植栽用人工培地、除湿材などのような、吸水性や保水性を要する用途には使用できない。

一方、特許文献２の場合は、土壌改良剤、水質浄化材及び植物生育用人工土壌などの用途とされているが、使用済み鋳物砂型由来の微粉砂に水を加えて混練し成形した成形物を乾燥して焼成して得られる多孔質焼結体であって、粘土質を含んでいないため、人工土壌材として適するとは思えない。そして、本発明のような廃ガラス粉体を含む発泡資材ではなく、原料も製法も全く異なり、製品の組成や断面形状も異なるため、所期の目的を十分に達成できるとは思われず、また廃ガラスのリサイクルという本発明の目的も達成できない。
本発明の技術的課題は、このような問題に着目し、廃ガラスと粘土と廃材利用木質炭を原料にして多孔質軽量の焼結発泡体を製造し、人工土壌材ないし人工軽石を実現することにある。

本発明の技術的課題は次のような手段によって解決される。請求項１は、少なくとも廃ガラス粉体および／又は廃ガラス粉体の焼結発泡物の粉末が５０〜７０重量％と粘土粉体が１５〜３０重量％と木質炭粉体が１５〜３０重量％と発泡剤が０．５〜３．０重量％とを混ぜた造粒物を６００〜９５０℃で焼成して外側に粘土質が、中間にガラス質が、中心に炭質がそれぞれ集中した層状に形成して成ることを特徴とする多孔質軽量材である。

このように、少なくとも廃ガラス粉体および／又は廃ガラス粉体の焼結発泡物の粉末が５０〜７０重量％と粘土粉体が１５〜３０重量％と木質炭粉体が１５〜３０重量％と発泡剤が０．５〜３．０重量％とを混ぜた造粒物を６００〜９５０℃で焼成して、外側に粘土質が、中間にガラス質が、中心に炭質がそれぞれ集中した層状に形成して成る多孔質軽量資材は、全体的に発泡による多孔質となり、軽量化されると共に、焼成熱によって発泡時に各物質のエネルギー移動が起こるため、外側に植物の栽培に有用な粘土質が集中し、中間にガラス質が集中し、中心に炭質が集中した層状のほぼ球状体となる。

請求項２は、前記発泡剤による発泡が部分的に連続かつ連通している連続気泡であることを特徴とする請求項１に記載の多孔質軽量材である。ただし、発泡剤の種類や分量、焼成温度や焼成保持時間の長さなどによって、開放型気泡の程度や独立型の気泡も自由に選択し設定できる。

請求項３は、少なくとも廃ガラス粉体および／又は廃ガラス粉体の焼結発泡物の粉末が５０〜７０重量％と粘土粉体が１５〜３０重量％と木質炭粉体が１５〜３０重量％と発泡剤が０．５〜３．０重量％とを水で混練し造粒した後、６００〜９５０℃で焼成して外側に粘土質が、中間にガラス質が、中心に炭質がそれぞれ集中した層状に形成することを特徴とする多孔質軽量材の製造方法である。

このように、少なくとも廃ガラス粉体および／又は廃ガラス粉体の焼結発泡物の粉末が５０〜７０重量％と粘土粉体が１５〜３０重量％と木質炭粉体が１５〜３０重量％と発泡剤が０．５〜３．０重量％とを水で混練し造粒した後、６００〜９５０℃で焼成して外側に粘土質が、中間にガラス質が、中心に炭質がそれぞれ集中した層状に形成する製法によると、請求項１のような発泡時の焼成熱による各物質のエネルギー移動の作用で、成分毎に層分布した多孔質軽量資材を容易に製造できる。

請求項４は、前記発泡剤による発泡が部分的に連続かつ連通している連続気泡となるように焼成することを特徴とする請求項３に記載の多孔質軽量材の製造方法である。
このように、気泡が部分的に連続かつ連通している連続気泡が望ましい。

請求項５は、３００μｍ以下の廃ガラス粉体および／又は廃ガラス粉体の焼結発泡物の粉末が５０〜７０重量％、１０μｍ以下の粘土粉体が１５〜３０重量％、３００μｍ以下の木質炭の粉体が１５〜３０重量％、発泡剤が０．５〜３．０重量％、造粒物のサイズが４〜１５ｍｍ、焼成温度が６００〜９５０℃であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の多孔質軽量材の製造方法である。
このように、３００μｍ以下の廃ガラス粉体および／又は廃ガラス粉体の焼結発泡物の粉末が５０〜７０重量％、１０μｍ以下の粘土粉体が１５〜３０重量％、３００μｍ以下の木質炭の粉体が１５〜３０重量％、発泡剤が０．５〜３．０重量％、造粒物のサイズが４〜１５ｍｍ、焼成温度が６００〜９５０℃であると、目的とする多孔質軽量資材を歩留りよく製造できる。

請求項１のような層状の球状焼結材はセラミックボールとなるが、炭質の層数が増えることで吸水効果や保水効果がさらに高まるだけでなく、炭質の層ができるため、木炭特有の除湿作用や浄水作用がさらに向上する。また、微細な気泡が無数に存在する多孔質で軽量の人工軽石を形成する。その結果、吸水効果や保水効率も高く、植物を栽培する際の人工土壌として最適であり、野菜や花卉その他の植物を栽培する際の圃場や園芸施設、植木鉢などに使用する培地として好適である。しかも、外側は粘土質の発泡層なため、植物を栽培するのに最適である。

前記の発泡による微細気泡のサイズは0.１〜1.０ｍｍ程度であり、請求項２のように、気泡が部分的に連続かつ連通している開放型の気泡（連続気泡ともいう）が望ましい。

請求項３のような製法によると、外側には主に粘土質が集中し、中間には主にガラス質が集中するという程度であって、成分ごとに完全に分かれた層構成となるわけではない。また、造粒後の外形は、造粒技術にもよるが、完全な球体である必要はなく、不規則な球状となることが多い。サイズもまちまちで、大体４〜１５ｍｍ程度である。さらに、請求項３のような原料比の範囲内だと、各原料間の相対比のバランスが良く、良質の製品を製造できる。焼成温度が６００〜９５０℃の範囲内だと、焼成が十分で十分な発泡と強度確保が可能となる。

請求項４のように、気泡が部分的に連続かつ連通している連続気泡が望ましい。

廃ガラス粉体は、廃ガラス瓶などを破砕し粉末化して請求項５のような約３００μｍ以下の粉体であり、廃ガラスのリサイクルによって製造できる。また、天然の粘土を乾燥させて粉砕すると、大部分か請求項５のような約１０μｍ以下の微粉末となる。木質炭も粉砕して３００μｍ以下程度の微細粉末にして使用する。木質炭は、廃材を利用して製造できる木質炭がリサイクルの観点から望ましい。

次に本発明による多孔質軽量資材とその製造方法が実際上どのように具体化されるか実施形態を説明する。図１は、本発明による多孔質軽量資材の製造方法を示すフローチャートである。ステップＳ１は、多孔質軽量資材の製造に使用する原料であり、少なくとも廃ガラスと粘土と木質炭と発泡剤とを用いる。そして、これらの原料を粉砕し、粉末化することによって、ステップＳ２のようなガラス粉体と粘土粉体と木質炭の粉体になる。

廃ガラス粉体は、廃ガラス瓶などを破砕し粉末化した約３００μｍ以下の粉体であり、廃ガラスのリサイクルによって製造できる。このとき、廃ガラス粉体に代えて又は廃ガラス粉体と共に、廃ガラス粉体の焼結発泡物の粉末を用いることもできる。廃ガラス粉体の焼結発泡物は、廃ガラスの粉体と発泡剤を混ぜて加熱炉で焼成してできる軽石様の資材であり、その粉末は、この焼成発泡物が自然に破壊して発生した破壊くずの粉体を集めて使用することができるが、焼成発泡物を破砕した粉体でもよい。

粘土粉体は、前記のような島尻泥岩などの粘土を用いることが望ましい。すなわち、天然の粘土を乾燥させて粉砕すると、大部分か約１０μｍ以下の微粉末となる。また、木質炭は、廃材を利用して製造できる木質炭がリサイクルの観点から望ましい。木質炭も粉砕して３００μｍ以下程度の微細粉末にして使用する。

各原料の分量（全体重量比）は、廃ガラス粉体および／又は廃ガラス粉体の焼結発泡物の粉末が５０〜７０重量％、粘土粉体が１５〜３０重量％、木質炭の粉末が１５〜３０重量％程度が好ましい。発泡剤としては、炭酸塩系０．５〜３．０重量％、若しくは炭化硅素系０．５〜３．０重量％を一種のみ若しくは両方を併用してもよい。前記のような原料比の範囲を逸脱すると、他の原料との相対比のバランスが崩れて、良質の製品を円滑に製造することができない。

そして、テップＳ３のように、これらの原料粉体を混ぜてから、必要に応じて適当量の水を加えて混練することによって造粒する。こうして造粒物にした状態で、一旦乾燥させてから、ステップＳ４において、加熱炉の中で１０〜３０分かけて６００〜９５０℃程度で焼成し、焼結させると、ステップＳ５のような多孔質軽量資材が得られる。焼成温度は６００〜９５０℃程度の範囲だと、目的とする多孔質軽量資材を歩留りよく製造できる。６００〜９５０℃の範囲を越えると、焼成過剰となって燃費コストが高くなると共に生産効率も低下し、この温度範囲以下や焼成時間が１０分以下になると、焼成不十分で発泡不足や強度不足の不良品となる。

図１は各原料を粉末化してから配合する例であるが、このようにステップＳ１〜Ｓ２で各原料ごとに別々に粉末化するのでなく、ある程度破砕した廃ガラスと粘土と木質炭を一緒に粉砕機で粉砕し、さらに発泡剤を加えると、各原料の粉末化・混合と発泡剤の混合を同時に一緒に行なうことも可能である。

図２は、こうして製造した球状体の多孔質軽量資材の縦断面図であり、前記のように、焼成工程における焼成熱によって、発泡時に造粒物の中で各物質のエネルギー移動が発生するため、外側に粘土質１が集中し、中間にガラス質２が集中し、中心の核部に炭質３がそれぞれ集中して多層状のほぼ球状体となる。このような層状の球状焼結材はセラミックボールとなり、微細な気泡が無数に存在する多孔質で軽量の人工軽石を形成する。その結果、吸水効果や保水効率も高い。そのため、植物を栽培する際の人工土壌として最適であり、野菜や花卉その他の植物を栽培する際の圃場や園芸施設、植木鉢などに使用する培地として好適である。また、各種設備における除湿材や浄水材などとしても有効である。

なお、前記の発泡による微細気泡のサイズは0.１〜1.０ｍｍ程度であり、気泡が部分的に連続かつ連通している開放型の気泡（連続気泡ともいう）が望ましい。ただし、発泡剤の種類や分量、焼成温度や焼成保持時間の長さなどによって、開放型気泡の程度や独立型の気泡も自由に選択し設定できる。

ステップＳ１における原料として、木質炭を省いて、廃ガラス粉体および／又は廃ガラス粉体の焼結発泡物の粉末と粘土粉体と発泡剤のみの造粒物を焼成した場合は、図１における木質炭が存在しないため、図３のように、中心の核部には、主としてガラス質の層２ができる。このように、炭の層が存在しない場合は、木質炭に由来する効能は期待できないが、発泡ガラス質と発泡粘土質の作用によって、前記のような吸水効果や保水効率が期待でき、植物を栽培する際の人工土壌として利用でき、かつ除湿材や浄水材としても有効である。特に、外側が粘土質の発泡層なため、植物の栽培には最適である。

以上のように、廃ガラス粉体と粘土粉体と炭粉体を発泡剤と共に造粒物の状態で焼成すると、焼成熱により発泡時に各物質のエネルギー移動が起こって、外層は植物の栽培に有用な粘土質が、中間層にガラス質が、中心の核部は木質炭の層がそれぞれ形成され、しかも全体が発泡体なため、吸水効果や保水効果が高く、植物を栽培する際の人工土壌や除湿材、浄水材として極めて有効な軽量資材となる。

本発明による多孔質軽量資材の製造方法を示すフローチャートである。廃ガラス粉体と粘土粉体と木質炭粉体からなる球状の多孔質軽量資材の縦断面図である。廃ガラス粉体と粘土粉体からなる球状の多孔質軽量資材の縦断面図である。

１粘土質の層
２ガラス質の層
３炭の層

Claims

少なくとも廃ガラス粉体および／又は廃ガラス粉体の焼結発泡物の粉末が５０〜７０重量％と粘土粉体が１５〜３０重量％と木質炭粉体が１５〜３０重量％と発泡剤が０．５〜３．０重量％とを混ぜた造粒物を６００〜９５０℃で焼成して外側に粘土質が、中間にガラス質が、中心に炭質がそれぞれ集中した層状に形成して成ることを特徴とする多孔質軽量材。
前記発泡剤による発泡が部分的に連続かつ連通している連続気泡であることを特徴とする請求項１に記載の多孔質軽量材。
少なくとも廃ガラス粉体および／又は廃ガラス粉体の焼結発泡物の粉末が５０〜７０重量％と粘土粉体が１５〜３０重量％と木質炭粉体が１５〜３０重量％と発泡剤が０．５〜３．０重量％とを水で混練し造粒した後、６００〜９５０℃で焼成して外側に粘土質が、中間にガラス質が、中心に炭質がそれぞれ集中した層状に形成することを特徴とする多孔質軽量材の製造方法。
前記発泡剤による発泡が部分的に連続かつ連通している連続気泡となるように焼成することを特徴とする請求項３に記載の多孔質軽量材の製造方法。
３００μｍ以下の廃ガラス粉体および／又は廃ガラス粉体の焼結発泡物の粉末が５０〜７０重量％、１０μｍ以下の粘土粉体が１５〜３０重量％、３００μｍ以下の木質炭の粉体が１５〜３０重量％、発泡剤が０．５〜３．０重量％、造粒物のサイズが４〜１５ｍｍ、焼成温度が６００〜９５０℃であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の多孔質軽量材の製造方法。